華北平原農(nóng)田耕作便利度評價(jià)研究

任艷敏 劉 玉 潘瑜春 胡月明

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100097； 4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院， 廣州 510642)

0 引言

耕作便利是表征農(nóng)田綜合質(zhì)量的重要因素，已被廣泛應(yīng)用于耕地質(zhì)量評價(jià)、基本農(nóng)田劃定、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)布局等[1-2]。近年來，我國高度重視高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，力圖通過大規(guī)模建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，整體提升農(nóng)田的土地平整度、集中連片度、設(shè)施完善度等，進(jìn)而提升農(nóng)田耕作便利度，使之適應(yīng)于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)營方式[3]。提升農(nóng)田耕作便利度是農(nóng)業(yè)機(jī)械化推廣應(yīng)用和農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)營的前提和基礎(chǔ)，而這需要對耕作便利度進(jìn)行準(zhǔn)確評價(jià)并對其提升路徑進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)。為準(zhǔn)確反映現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展對耕作便利條件的現(xiàn)實(shí)要求，基于農(nóng)業(yè)機(jī)械效率視角構(gòu)建農(nóng)田耕作便利度評價(jià)模型與方法，可為耕地質(zhì)量評價(jià)、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目選址與績效評估等提供技術(shù)支持和方法參考。

以往研究中，耕作便利度大多采用耕作距離進(jìn)行表征[4-5]，其內(nèi)涵是指農(nóng)村居民點(diǎn)到耕作田塊的距離，與過去分散的家庭經(jīng)營方式相適應(yīng)，但不能準(zhǔn)確表征機(jī)械化耕作背景下現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營對耕作便利條件的全面要求。已有學(xué)者開始嘗試包含田塊連片度、耕作距離和田間道路通達(dá)度等指標(biāo)的耕作便利度綜合評價(jià)研究[6]，但部分指標(biāo)未能充分反映現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化耕作的現(xiàn)實(shí)情況：①作為影響連續(xù)化耕作和耕作效率發(fā)揮的關(guān)鍵指標(biāo)，通常采用人為設(shè)定距離閾值法判定田塊連片度[7-8]，未形成客觀、定量的連片距離閾值設(shè)定方法；且未考慮河流、建設(shè)用地等地理要素對農(nóng)業(yè)機(jī)械通行的阻礙影響。②耕作距離常采用農(nóng)村居民點(diǎn)與田塊的歐氏距離表征[9]，該方法計(jì)算簡單、含意明確、應(yīng)用廣泛。但在實(shí)際中，農(nóng)戶通過不同運(yùn)輸能力的道路網(wǎng)往返于農(nóng)村居民點(diǎn)與田塊之間，采用到達(dá)田塊所需的實(shí)際時(shí)間或費(fèi)用來表征耕作距離更符合實(shí)際。③田間道路通達(dá)度影響著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物質(zhì)的運(yùn)輸能力以及機(jī)械耕作效率，以往多采用“集中連片的田塊中，田間道路直接通達(dá)的田塊數(shù)與田塊總數(shù)的比值”進(jìn)行指標(biāo)值獲取[3]。該方法計(jì)算簡單，但未區(qū)分田間道路數(shù)量與等級對農(nóng)業(yè)物資輸入輸出能力的影響。

基于此，本研究以耕作田塊為單元，按照現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展要求界定農(nóng)田耕作便利度，重點(diǎn)研究耕作便利度評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建和關(guān)鍵指標(biāo)值獲取方法，作為傳統(tǒng)耕地質(zhì)量評價(jià)的有益補(bǔ)充，以期服務(wù)于耕地質(zhì)量綜合評價(jià)和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目選址與績效評估等。

1 研究方法

耕作便利度是指田塊在農(nóng)業(yè)耕作生產(chǎn)中的便利程度，不僅包括田間生產(chǎn)的便利程度，還包括居民點(diǎn)到達(dá)田塊的便利程度?！度珖r(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃》指出，到2020 年，主要農(nóng)作物生產(chǎn)全程機(jī)械化取得顯著進(jìn)展；在華北平原地區(qū)，重點(diǎn)鞏固提高小麥生產(chǎn)全程機(jī)械化質(zhì)量效益，全面實(shí)現(xiàn)玉米生產(chǎn)全程機(jī)械化?？紤]到平原區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠機(jī)械化[10]，故將農(nóng)田耕作便利度限定在便于農(nóng)業(yè)機(jī)械效率的發(fā)揮方面，即在農(nóng)田耕作過程中影響農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)效率發(fā)揮的程度，包括田間機(jī)械作業(yè)效率和居住地到田間地頭的機(jī)械通行效率2方面。

1.1 影響因素分析與評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

基于界定的農(nóng)田耕作便利度以及GB/T 28405—2012《農(nóng)用地定級規(guī)程》中農(nóng)用地定級備選因子關(guān)于耕作便利條件評價(jià)指標(biāo)的分析[11]，從土地平整、集中連片、交通便利和其他條件4方面構(gòu)建耕作便利度評價(jià)指標(biāo)體系(表1)。其中，土地平整、集中連片和其他條件主要影響田間作業(yè)效率，交通便利主要影響機(jī)械通行效率。

(1)土地平整

土地平整程度與機(jī)械化水平、田間耕作便利度、水土保持及土壤肥力等密切相關(guān)[12]，直接影響著農(nóng)作物的生長發(fā)育和農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作效率。本研究選取地形坡度和田面平整度來表征土地的平整狀況。地形坡度越大、田面平整度越差，越不利于田間機(jī)械化作業(yè)，耕作效率越低，導(dǎo)致農(nóng)戶對農(nóng)田的投入意愿和水平降低、作物減產(chǎn)[13]。

表1 農(nóng)田耕作便利度評價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Evaluation indexes of farming convenience degree for farmland

(2)集中連片

田塊自身的大小、方向、形狀以及田塊之間的連片程度對耕作便利程度和機(jī)械效率的發(fā)揮均有影響，是農(nóng)田耕作便利度的重要表征指標(biāo)。已有研究表明[14]，田塊面積越大、工作單程越長、形狀越規(guī)則，農(nóng)業(yè)機(jī)械純作業(yè)時(shí)間占總作業(yè)時(shí)間的比重越大，用于機(jī)械掉頭等無效時(shí)間越少，田間作業(yè)效率越高；耕作田塊是否連片直接影響著農(nóng)業(yè)機(jī)械能否在田間進(jìn)行連續(xù)化作業(yè)，進(jìn)而影響耕作效率。

(3)交通便利

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)營需要在適度規(guī)?；A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)機(jī)械化[15-16]，這對交通設(shè)施的數(shù)量、等級、質(zhì)量與布局等提出新需求。選取耕作距離和田間道路通達(dá)度2個(gè)指標(biāo)表征交通便利條件，反映推廣農(nóng)業(yè)機(jī)械化耕作的可行性與便利性。其中，耕作距離反映農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)入田間作業(yè)的通行便捷性，田間道路通達(dá)度反映農(nóng)業(yè)機(jī)械出入田間地頭進(jìn)行農(nóng)田操作的便利性。

(4)其他條件

除以上因素外，田間障礙物等因素也對耕作便利度有一定影響。例如，有障礙物田塊的田間機(jī)械耕作效率遠(yuǎn)低于沒有障礙物的田塊。尤其是障礙物占地面積較大時(shí)，農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作效率降低的程度更大。

1.2 指標(biāo)獲取方法與標(biāo)準(zhǔn)化

依據(jù)構(gòu)建的評價(jià)指標(biāo)體系及指標(biāo)含意，分析各指標(biāo)的獲取方法與路徑。其中，地形坡度和田面平整度可以直接從耕地質(zhì)量等別年度更新評價(jià)成果中獲?。惶飰K大小和田塊方向可以借助ArcGIS軟件的空間計(jì)算工具獲取[17]；田塊形狀指數(shù)利用景觀分析軟件的分維數(shù)計(jì)算獲取；田間障礙物可以通過實(shí)地調(diào)查或利用高分影像人為識(shí)別獲取。為了準(zhǔn)確反映機(jī)械化耕作背景下的耕作便利度，本研究拓展了連片度、耕作距離和田間道路通達(dá)度的獲取方法。

(1)連片度

指田塊空間上的相連或相鄰程度，小于一定距離閾值則認(rèn)為田塊連片[8]。本研究充分利用矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)各自的優(yōu)點(diǎn)，基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的柵格膨脹腐蝕運(yùn)算自動(dòng)求取連片距離閾值，并在考慮水域、河道、林地、建設(shè)用地、高級公路等障礙要素影響的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)連片田塊的判定與連片度分級[18]。

(2)耕作距離

指農(nóng)村居民點(diǎn)到田塊的實(shí)際距離，采用居民點(diǎn)到達(dá)田塊所需的最短加權(quán)距離表征：距離田塊越近、道路等級越高，加權(quán)距離越小。ArcGIS中的生成網(wǎng)絡(luò)空間權(quán)重(Generate network spatial weights, GNSW)是通過建立對象之間的空間相鄰關(guān)系，準(zhǔn)確表達(dá)其空間相互作用程度的工具。考慮到不同等級道路的通行能力差異，本研究根據(jù)道路等級賦予相應(yīng)權(quán)重，通過構(gòu)建加權(quán)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集，并利用生成網(wǎng)絡(luò)空間權(quán)重工具獲取評價(jià)單元的耕作距離指標(biāo)值。

(3)田間道路通達(dá)度

指田塊通過不同等級或運(yùn)輸能力的田間道路，進(jìn)行物料或農(nóng)產(chǎn)品輸入輸出的實(shí)際運(yùn)輸能力。本研究根據(jù)田間道路等級設(shè)置不同權(quán)重，通過統(tǒng)計(jì)田塊直接通達(dá)的田間道路數(shù)量與權(quán)重，采用加權(quán)求和法獲取各田塊的田間道路通達(dá)度。連接田塊的道路等級越高、數(shù)量越多，田間道路通達(dá)度越高。

將不同類型和性質(zhì)的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化為[0,100]閉合區(qū)間(表2)。其中，地形坡度、田面平整度指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化分值參考GB/T 28407—2012《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》確定，其他指標(biāo)采用專家打分法進(jìn)行分級和量化處理。

表2 耕作便利度評價(jià)指標(biāo)體系與標(biāo)準(zhǔn)化Tab.2 Index system and standardization of farming convenience degree

1.3 綜合評價(jià)模型構(gòu)建

采用層次分析法[19]確定指標(biāo)權(quán)重，具體步驟如下：①將耕作便利度作為目標(biāo)層(G層)，土地平整、集中連片、其他條件、交通便利作為準(zhǔn)則層(C層)，把影響準(zhǔn)則層的各指標(biāo)作為指標(biāo)層(A層)。②構(gòu)建判斷矩陣A、C1、C2、C3、C4。③求取層次單排序、層次總排序并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：利用yaahp軟件計(jì)算得到4個(gè)準(zhǔn)則層的最大特征值、一致性指標(biāo)(Consistency index, CI)和一致性比率(Consistency ratio, CR)，并進(jìn)行層次總排序，直到檢驗(yàn)結(jié)果具有滿意的一致性。④采用和積法計(jì)算A層對G層的組合權(quán)重(表2)。

采用加權(quán)指數(shù)和法[20]計(jì)算農(nóng)田耕作便利度

(1)

式中Fk——第k個(gè)評價(jià)單元的耕作便利度

Fki——第k個(gè)評價(jià)單元第i個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值

Wi——第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重

n——評價(jià)指標(biāo)總數(shù)

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

2.1 研究區(qū)概況

華北平原地勢平坦、土層深厚，是我國糧食主產(chǎn)區(qū)，也是全國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平較高的區(qū)域。但該區(qū)域人口密集，人均耕地少，加上道路、河流等切割以及家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制下的分散經(jīng)營，耕地細(xì)碎化、分散化情況較為嚴(yán)重。本研究選定的研究區(qū)位于河北省定州市長安路街道西北部，總面積2 405.58 hm2，共包括7個(gè)行政村(圖1)。該區(qū)域位于太行山山前平原區(qū)，地勢平坦，屬暖溫帶半干旱半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，降水不均。2015年，區(qū)域耕地面積為1 497.19 hm2，占土地總面積的62%；人均耕地面積僅0.09 hm2，平均地塊面積僅為0.14 hm2，限制了農(nóng)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)與大型農(nóng)業(yè)機(jī)械的推廣使用；加上區(qū)域地塊形狀與耕作方向差異較大，農(nóng)業(yè)耕作效率低下。因此，在該區(qū)域開展農(nóng)田耕作便利度評價(jià)研究具有較強(qiáng)的典型性和代表性。

圖1 研究區(qū)所在地理位置與土地利用現(xiàn)狀Fig.1 Location of study area and present land use

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

主要數(shù)據(jù)來源包括：①2015年高分二號衛(wèi)星影像，用于獲取耕作田塊、田間道路等矢量數(shù)據(jù)。②2015年定州市耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)庫，用于獲取地形坡度、田面平整度指標(biāo)數(shù)據(jù)。③定州市土地利用總體規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(2006—2020年)，用于獲取行政區(qū)劃圖、耕地圖斑、交通水系、林地、居民點(diǎn)、線狀地物等，用于制圖以及作為輔助數(shù)據(jù)提取耕作田塊、田間道路，并提取障礙要素參與連片度計(jì)算。④2011—2015年定州市統(tǒng)計(jì)年鑒、實(shí)際調(diào)查問卷等，獲取農(nóng)業(yè)人口、戶均耕地面積、田間障礙物等。

數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總后，將所有的圖件資料統(tǒng)一為ArcGIS格式，坐標(biāo)系采用1980西安平面坐標(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)。在本研究中，基于高分二號衛(wèi)星影像，結(jié)合土地利用現(xiàn)狀等矢量數(shù)據(jù)，采用面向?qū)ο蠓指罘诸惖姆椒ㄌ崛「魈飰K和田間道路等信息[21-22]。最終提取的田塊與田間道路的精度分別為89.13%和90%，可用于耕作便利度評價(jià)。另外，根據(jù)空間位置將地形坡度、田面平整度賦予對應(yīng)的評價(jià)單元。

3 結(jié)果與分析

3.1 關(guān)鍵指標(biāo)獲取結(jié)果

研究區(qū)耕作田塊的連片度、耕作距離和田間道路通達(dá)度3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果如圖2所示?；跀?shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法確定田塊連片距離閾值為1.5 m，遠(yuǎn)小于依據(jù)線狀地物寬度設(shè)定的閾值(10 m)，精度更高，以此劃定的耕地連片面積也更符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展對適度規(guī)模的要求。基于連片面積將連片度分為5個(gè)級別(表2、圖2a)，其中，韓家莊村和莊頭村的耕地連片度較好，大流村、西南佐村和孟家莊村的耕地地塊面積小、分布較為分散。根據(jù)不同等級道路通行能力的差異，將高級公路、機(jī)耕路、生產(chǎn)路的權(quán)重分別設(shè)為1.0、0.7和0.4，計(jì)算獲取的耕作距離權(quán)重指數(shù)介于0～1之間，越接近于1，說明居民點(diǎn)到達(dá)田塊的耕作距離越??；越接近于0，說明耕作距離越大。按照權(quán)重指數(shù)高低劃分為5個(gè)級別(表2、圖2b)。田間道路權(quán)重設(shè)置同耕作距離，最終獲取的田間道路通達(dá)度指數(shù)為0～22，并據(jù)此將田間道路通達(dá)度劃分為4個(gè)級別(表2、圖2c)。指數(shù)越高，說明田塊連接的道路等級越高、數(shù)量越多。與僅考慮直接通達(dá)與否的獲取方法相比，綜合考慮道路數(shù)量與等級的田間道路通達(dá)度計(jì)算方法更能反映田塊的實(shí)際運(yùn)輸能力。

圖2 關(guān)鍵指標(biāo)獲取結(jié)果Fig.2 Results of key indexes

3.2 耕作便利度評價(jià)結(jié)果

通過指標(biāo)值獲取與標(biāo)準(zhǔn)化，利用式(1)對研究區(qū)田塊的耕作便利度進(jìn)行定量評價(jià)與分級。結(jié)果顯示：耕作便利度分值在60.68～100之間，按照85～100、75～85、65～75、0～65，將耕作便利度分為非常便利、比較便利、一般便利和不便利4個(gè)級別(表3、圖3)。

圖3 耕作便利度評價(jià)結(jié)果分布圖與分級統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.3 Distribution map and statistical histogram of farming convenience degree

(1)非常便利

該級別田塊數(shù)為514個(gè)，占田塊總數(shù)的14.12%；平均田塊面積最大(0.62 hm2/個(gè))，遠(yuǎn)大于其他級別的田塊。田塊多呈集中連片狀分布，能減少掉頭、轉(zhuǎn)向等農(nóng)業(yè)機(jī)械的低效或者無效耕作時(shí)間，進(jìn)而較長時(shí)間的連續(xù)作業(yè)，耕作效率較高。從空間分布看，該級別田塊一般位于居民點(diǎn)或田間道路周邊，耕作距離近、交通便利，便于農(nóng)業(yè)物資的運(yùn)輸，是發(fā)展高效農(nóng)業(yè)、推廣機(jī)械化耕作的最適宜區(qū)域。但同時(shí)也易在村鎮(zhèn)建設(shè)與發(fā)展過程中轉(zhuǎn)化為其他用地，尤其是建設(shè)用地，因此有必要優(yōu)先將其劃為永久基本農(nóng)田加以保護(hù)。

表3 耕作便利度評價(jià)結(jié)果分級統(tǒng)計(jì)Tab.3 Evaluation result and its grade statistics of farming convenience degree

(2)比較便利

該級別田塊數(shù)量最多，面積最大，分別占總田塊數(shù)與總田塊面積的55.05%和56.52%；平均田塊面積為0.35 hm2/個(gè)，略高于研究區(qū)的平均水平。從空間分布看，該級別田塊廣泛分布于各個(gè)行政村，一般與非常便利田塊相鄰，有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械規(guī)?；骱娃r(nóng)業(yè)科技推廣。加之該區(qū)域田塊本身的耕作條件較好，建議將其與非常便利田塊一起劃入永久基本農(nóng)田片區(qū)進(jìn)行保護(hù)。

(3)一般便利

該級別田塊數(shù)量較多，占田塊總數(shù)的29.98%，但面積僅占田塊總面積的17.33%，田塊平均面積較小(0.20 hm2/個(gè))。從空間分布看，該級別田塊分布較為分散，很少有集中連片分布，耕作距離遠(yuǎn)、交通不便，田塊耕作便利度較差。在未來開展土地整治或高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)時(shí)，將此類田塊與周邊田塊合并或者增建田間道路等，提高耕作便利度。

(4)不便利

該級別田塊面積很少，僅為田塊總面積的0.26%；平均田塊面積也最小，僅為0.10 hm2/個(gè)；零散分布在遠(yuǎn)離村莊地區(qū)，不適宜機(jī)械化耕作。未來可以考慮將該級別的田塊退耕還林或者發(fā)展成園地等對機(jī)械化耕作依賴較少的農(nóng)業(yè)利用方向，提高田塊的經(jīng)濟(jì)收益。

4 結(jié)論

(1)將耕作便利度界定為：在農(nóng)田耕作過程中影響農(nóng)業(yè)機(jī)械耕作效率發(fā)揮的程度，包括田間機(jī)械作業(yè)效率和居住地到田間地頭的機(jī)械通行效率2方面。

(2)從土地平整、集中連片、交通便利和其他條件等4方面構(gòu)建了耕作便利度綜合評價(jià)模型，并結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械化耕作實(shí)際探索了連片度、耕作距離、田間道路通達(dá)度3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的快速獲取方法。其中，連片度同時(shí)考慮了影響機(jī)械通行的障礙要素以及農(nóng)田連片程度對機(jī)械化規(guī)?；鞯挠绊?；耕作距離反映了居民點(diǎn)到達(dá)田塊的實(shí)際通行路徑以及不同等級道路對機(jī)械通行效率的影響；田間道路通達(dá)度綜合考慮了田塊與田間道路的直接通達(dá)性以及不同等級道路對農(nóng)業(yè)機(jī)械的實(shí)際運(yùn)輸能力。

(3)評價(jià)結(jié)果表明，研究區(qū)農(nóng)田耕作便利度整體較好，82.41%的耕地處于非常便利(25.89%)和比較便利(56.52%)的級別，平均地塊面積大，集中連片且交通便利，是發(fā)展高效農(nóng)業(yè)、推廣機(jī)械化耕作的最適宜區(qū)域；而一般便利和不便利級別的田塊平均面積較小，分布分散且遠(yuǎn)離村莊，不利于機(jī)械化耕作和規(guī)模效益的發(fā)揮。

(4)提出的耕作便利度評價(jià)方法對耕地質(zhì)量評價(jià)與高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)項(xiàng)目選址等有一定指導(dǎo)意義。隨著大型農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的研發(fā)應(yīng)用和主要農(nóng)作物全程機(jī)械化生產(chǎn)的推進(jìn)實(shí)施，可結(jié)合土地整治、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)等實(shí)踐，按地理區(qū)位、作物類型進(jìn)一步完善影響因素和評價(jià)指標(biāo)體系，以推進(jìn)該研究的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性。