基于“三生”空間協(xié)調(diào)與綜合質(zhì)量評價下的永久基本農(nóng)田布局優(yōu)化

張麗麗，周丙娟

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院/江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗室，江西南昌 330045)

自1994年起至今，隨著相關(guān)政策的出臺，永久基本農(nóng)田的內(nèi)涵不斷地延伸拓展。2020年起實(shí)施的新《土地管理法》中基本農(nóng)田改稱為永久基本農(nóng)田，這是對基本農(nóng)田實(shí)施永久性保護(hù)理念的顯化。永久基本農(nóng)田內(nèi)涵可以理解為集中、連片、穩(wěn)定、高質(zhì)量、生產(chǎn)能力最好的優(yōu)質(zhì)耕地[1]。按照自然資源部以及農(nóng)業(yè)農(nóng)村部相關(guān)文件部署要求，需進(jìn)一步加強(qiáng)耕地 “三位一體”保護(hù)，并構(gòu)建永久基本農(nóng)田特殊保護(hù)新格局，全面核實(shí)劃定成果，清理劃定不實(shí)問題，劃定永久基本農(nóng)田并實(shí)行特殊保護(hù)是耕地保護(hù)工作的重中之重。特別是在國土空間規(guī)劃的背景下，永久基本農(nóng)田布局優(yōu)化尤為重要。

目前，國內(nèi)學(xué)者對永久基本農(nóng)田相關(guān)研究主要涉及永久基本農(nóng)田劃定[2]、高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)[3]、永久基本農(nóng)田布局優(yōu)化[4]、儲備區(qū)劃定[5]等方面，從耕地質(zhì)量、區(qū)位條件、空間利用形態(tài)、景觀形態(tài)指數(shù)等方面構(gòu)建耕地綜合質(zhì)量評價指標(biāo)[6-8]，選取熵值法[9]、LESA[10-11]、空間自相關(guān)[12]、四象限法[13]、層次分析法[14]、TOPSIS模型[2]等方法確定指標(biāo)權(quán)重，研究空間尺度多為縣域以及城市周邊。大多數(shù)學(xué)者的研究都集中在如何劃定永久基本農(nóng)田上，構(gòu)建的耕地質(zhì)量評價指標(biāo)體系中鮮有耕地穩(wěn)定性指標(biāo)，探討生態(tài)約束以及城市發(fā)展限制下的已有劃定永久基本農(nóng)田的布局優(yōu)化研究也不多。該研究以吉安縣為研究區(qū)域，探究基于“三生”(生產(chǎn)、生態(tài)、生活)空間協(xié)調(diào)與綜合質(zhì)量評價下永久基本農(nóng)田空間優(yōu)化調(diào)整思路和建議，擬為后期吉安縣永久基本農(nóng)田科學(xué)劃定提供實(shí)踐依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況吉安縣位于江西省中部，地理坐標(biāo)處東經(jīng)114°24′52″～115°03′23″、北緯26°49′21″～27°37′54″，北端、西部和西南側(cè)隆起，中部地區(qū)平坦，地勢由邊緣山地向中、東部地勢低洼處傾斜，形成朝北東側(cè)開口的一個山間盆地，位于吉泰盆地中心。吉安縣境內(nèi)小河流眾多，小水系遍布各鄉(xiāng)鎮(zhèn)，降雨量充沛，河系發(fā)達(dá)，過境水量充足。受寒暖氣流的交替影響,屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候,四季分明，無霜期長，氣候條件以及區(qū)位條件適宜進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。農(nóng)林用地占比較大，體現(xiàn)典型的南方丘陵地貌土地利用特征，是全國糧食生產(chǎn)先進(jìn)縣。據(jù)第三次全國國土調(diào)查(以下簡稱“三調(diào)”)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，縣域土地總面積為2 122.36 km2，其中耕地面積為46 729.47 hm2，約占土地總面積的20.02%。耕地從結(jié)構(gòu)上分為水田與旱地，不含水澆地。

圖1 吉安縣區(qū)位圖Fig.1 Location of Ji’an County

1.2 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理研究數(shù)據(jù)主要來源于吉安縣自然資源局提供的“三調(diào)”數(shù)據(jù)、2017年永久基本農(nóng)田數(shù)據(jù)庫、交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)、2018年耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)、遙感影像、生態(tài)紅線范圍、國土空間規(guī)劃劃定的城市開發(fā)邊界線以及安排的項目選址矢量數(shù)據(jù)。通過Arc GIS 10.2空間分析平臺，將研究數(shù)據(jù)統(tǒng)一為高斯-克呂格投影、2000坐標(biāo)系，以“三調(diào)”耕地圖斑為評價單元，提取土壤有機(jī)質(zhì)含量、有效土層厚度、土壤酸堿度、表層土壤質(zhì)地、剖面結(jié)構(gòu)、排水條件、灌溉保證率等屬性值，確定該研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 評價指標(biāo)體系構(gòu)建永久基本農(nóng)田的劃定最主要是考慮耕地的綜合質(zhì)量情況。之前學(xué)者們的耕地綜合質(zhì)量評價指標(biāo)體系構(gòu)建主要從自然條件、環(huán)境條件、生態(tài)條件、基礎(chǔ)設(shè)施條件以及區(qū)位條件等幾個方面考慮。該研究綜合考慮當(dāng)前學(xué)者使用的耕地質(zhì)量評價指標(biāo)和自然資源部有關(guān)要求，結(jié)合現(xiàn)有吉安縣基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料的可獲取性，遵循客觀性原則、綜合性原則、針對性原則、可持續(xù)性原則和可操作性原則，并參考《農(nóng)用地分等》、《江西省耕地質(zhì)量監(jiān)測成果技術(shù)報告》、《吉安縣耕地質(zhì)量等別更新技術(shù)報告》，選取地類現(xiàn)狀條件、土壤條件、區(qū)位條件和灌排條件4個要素層，其下13個二級評價因子，建立吉安縣永久基本農(nóng)田劃定的評價因子體系表(表1)。

表1 耕地綜合質(zhì)量評價指標(biāo)體系Table 1 Evaluation index system of cultivated land comprehensive quality

地類現(xiàn)狀條件是影響耕地質(zhì)量的基礎(chǔ)因素，其在一定程度上限制了區(qū)域耕地的利用方向與程度，主要包括坡度、現(xiàn)狀地類、“三調(diào)”屬性、圖斑規(guī)整度4個指標(biāo)。坡度高低直接影響土地生產(chǎn)力狀況，坡度會影響光照條件和土壤的排水性能，坡度越大對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)限制越大；根據(jù)“三調(diào)”圖斑細(xì)化屬性，耕地被分為穩(wěn)定耕地和不穩(wěn)定耕地，耕地穩(wěn)定性主要影響耕地的利用方式，該研究將不穩(wěn)定耕地定義為25°以上坡耕地、河道耕地、湖區(qū)耕地、林區(qū)耕地、牧區(qū)耕地、沙漠化耕地、石漠化耕地、鹽堿耕地以及城鎮(zhèn)村屬性代碼為20X的耕地?，F(xiàn)狀地類代表耕地類型會影響種植方式及種植結(jié)構(gòu)，研究區(qū)屬于秦嶺—淮河以南，耕地類型以水田為主，適合種植水稻等水生作物，因此在該研究中水田所賦分值較旱地高。以上指標(biāo)均可從“三調(diào)”屬性庫中提取。圖斑規(guī)整度反映耕地形狀是否規(guī)則，田塊越規(guī)整，越能保證田間的各項機(jī)械作業(yè)，有利于提高機(jī)械作業(yè)效率，提高生產(chǎn)力。斑塊規(guī)整度借鑒景觀生態(tài)學(xué)中的分維數(shù)FRAC表示。分維數(shù)計算所得值越小表征形狀越規(guī)則，反之則田塊形狀越復(fù)雜。

FRAC=2ln(p/4)/lna

式中，F(xiàn)RAC為斑塊規(guī)整度，p為地塊周長，a為地塊面積[15]。

土壤條件是耕地綜合質(zhì)量評價中最重要的一個組成部分，包括有效土層厚度、土壤質(zhì)地、剖面構(gòu)型、土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤pH 5個典型指標(biāo)。有效土層厚度為耕作層、底土層與心土層厚度之和，是農(nóng)作物的生長條件；剖面構(gòu)型主要反映土壤發(fā)生層的排列狀況，影響土壤的保水、保肥能力，土壤質(zhì)地中壤土最適宜種植，砂礫土最不適宜耕種；土壤有機(jī)質(zhì)含量是表征土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)，有機(jī)質(zhì)含量越高，土壤越肥沃，耕地適宜性越高；土壤pH在一定范圍內(nèi)最適宜農(nóng)作物生長，其值過高或過低都不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，超出適宜區(qū)間作物生長受阻甚至停滯。以上5個指標(biāo)可從耕地質(zhì)量分等數(shù)據(jù)庫中直接提取。

灌排條件指排水條件以及灌溉保證率，灌溉保證率影響土壤的水分條件、決定作物類型，其值越大，越能滿足農(nóng)作物生長條件；排水條件由當(dāng)?shù)氐匦?、排水體系共同決定，排水條件等級越高，耕地適宜性等級也越高。以上2個指標(biāo)可從耕地質(zhì)量分等數(shù)據(jù)庫中直接提取。

區(qū)位條件是耕地資源空間分布是否合理的重要因素，選取距農(nóng)村道路距離和距居民點(diǎn)距離2個指標(biāo)因子。距農(nóng)村道路距離體現(xiàn)當(dāng)?shù)馗胤N植的交通便捷度，通達(dá)度越高，人地交流越密切。距離農(nóng)村道路距離越遠(yuǎn)，耕地適宜性越低下；該指標(biāo)可通過多環(huán)緩沖區(qū)進(jìn)行分析提取。距居民區(qū)距離越近，耕地的種植與利用也越便利，受到人為因素的改造越強(qiáng)，更便于農(nóng)戶對耕地的管理，耕地空間區(qū)位也越優(yōu)異。農(nóng)村道路主要根據(jù)“三調(diào)”數(shù)據(jù)的提取并結(jié)合遙感影像補(bǔ)充完善，該指標(biāo)可通過鄰近分析提取。

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及權(quán)重確定主觀賦權(quán)法例如層次分析法、特爾斐法對各個指標(biāo)權(quán)重的設(shè)置上存在一定的主觀性，目前大部分學(xué)者都是采用熵權(quán)法賦權(quán)和計算，以減少人為主觀因素干擾。為盡量減少和避免權(quán)重確定過程中的主觀因素及某些客觀局限原因帶來誤差，該研究選用熵值法。

計算各指標(biāo)權(quán)重的具體步驟如下：

第一步，根據(jù)構(gòu)建的指標(biāo)體系，形成13項評價指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣X= {xij}a×b(其中0≤i≤a,0≤j≤b),xij為第i個圖斑第j個指標(biāo)的指標(biāo)值。

第二步，對單位不一的初始指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。指標(biāo)分為正向指標(biāo)與負(fù)向指標(biāo)，兩種不同類型的指標(biāo)無量綱化計算公式有差異：對于正向指標(biāo)xij′=(xij-xmin)/(xmax-xmin),對于負(fù)向指標(biāo)，xij′=(xmax-xij)/(xmax-xmin)。

第五步，計算評價指標(biāo)j的差異性系數(shù)(Cj)：Cj=1-Ej。

2.3 指標(biāo)賦值因所選取的指標(biāo)性質(zhì)不同，指標(biāo)顯化方式表現(xiàn)出定性和定量2種，無法直接無量綱化統(tǒng)一，需要根據(jù)《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》內(nèi)容，對所選取的指標(biāo)進(jìn)行分等賦值處理，根據(jù)指標(biāo)情況分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5級，按照0～100的分級標(biāo)準(zhǔn)分別賦值100、80、60、40、20，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)耕地屬性到具體分值之間的轉(zhuǎn)換，賦值后的指標(biāo)分值越高，表征適宜性越好。

表2 評價指標(biāo)分級及賦分情況Table 2 Evaluation index grading and scoring

式中，QUi表示耕地圖斑的綜合質(zhì)量評價得分，Wj表示各個指標(biāo)的權(quán)重，xij′表示各評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，i表示第i個圖斑。

2.5 布局優(yōu)化布局優(yōu)化采用疊加整合分析法，主要在適宜性評價的基礎(chǔ)上，再考慮生態(tài)沖突，協(xié)調(diào)城市需求，綜合確定適合劃入和需要調(diào)出永久基本農(nóng)田的地塊，最后確定優(yōu)化結(jié)果。疊加整合分析法是一種基本的土地評價方法[4]，是通過運(yùn)用 GIS 空間分析工具，有效疊加“三生”空間和耕地綜合質(zhì)量評價結(jié)果圖，按照“優(yōu)先生態(tài)，穩(wěn)定生產(chǎn)，統(tǒng)籌生活”原則，篩選和確定調(diào)入、調(diào)出永久基本農(nóng)田圖斑，形成永久基本農(nóng)田布局優(yōu)化結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地質(zhì)量綜合評價結(jié)果根據(jù)加權(quán)指數(shù)綜合法，得到耕地圖斑的綜合質(zhì)量得分，在GIS中通過自然斷點(diǎn)法，得到指標(biāo)分級標(biāo)準(zhǔn)。測算出耕地質(zhì)量綜合分值在[47.26,89.75]，分值極差大，并且在空間上呈現(xiàn)了比較明顯的地域分異。按照綜合得分情況將適宜度劃分為高度適宜、中度適宜、一般適宜、低度適宜和不適宜劃入永久基本農(nóng)田5個等級。高度適宜、中度適宜、一般適宜以及低度適宜的耕地面積共有44 560.89 hm2，占吉安縣耕地總量的95.36%，表明吉安縣耕地的綜合質(zhì)量適宜性總體上較高。

高度適宜的耕地綜合質(zhì)量得分分值在[70.73,89.75)，面積共6 465.94 hm2，占全域耕地總面積的13.84%，主要分布于吉安縣中部的梅塘鎮(zhèn)、大沖鄉(xiāng)、浬田鎮(zhèn)。高度適宜區(qū)域內(nèi)的耕地資源，其自然地理條件優(yōu)異，地勢較為平緩，坡度小，適宜耕作；距離溝渠河流較近，其中水利設(shè)施較為豐富，可以保證農(nóng)作物種植所必須的水源條件，排水條件也較好，有利于農(nóng)作物的種植與生長；區(qū)域土壤質(zhì)量整體較高，土體構(gòu)成良好，土壤質(zhì)地均為壤土，最適宜農(nóng)作物種植，土壤有機(jī)質(zhì)含量高，土壤肥沃程度好。在空間尺度上，區(qū)域內(nèi)的耕地資源與主要居民點(diǎn)之間的距離及與農(nóng)村道路之間的距離近，極大地便利人們的耕作，路網(wǎng)密布，交通通達(dá)度高，方便農(nóng)作物及相關(guān)物品的運(yùn)輸。

圖2 耕地適宜性程度Fig.2 Suitability degree of cultivated land

中度適宜的耕地綜合質(zhì)量得分在[63.79,70.73)內(nèi),面積共8 413.93 hm2，占全域耕地總面積的18.01%，主要分布在吉安縣北部地區(qū)的浬田鎮(zhèn)、登龍鄉(xiāng)和梅塘鎮(zhèn)。中度適宜的耕地資源所處地區(qū)地勢相對平緩，坡度較高度適宜區(qū)要高，但仍適宜農(nóng)作物的種植；灌溉保證率與排水條件也相對良好，可以滿足農(nóng)作物種植需求；在空間區(qū)位方面，與主要道路和農(nóng)用道路的距離較近，交通便利；土壤質(zhì)地壤土、黏土均有，比較符合農(nóng)業(yè)種植條件，土壤的酸堿度適中，土壤條件較為適宜；大部分耕地的有效土層厚度較小，因此處于該區(qū)域耕地資源的空間適宜性程度較永久基本農(nóng)田內(nèi)的耕地等級更低。

一般適宜的耕地共21 739.74 hm2，占全域耕地總面積的46.52%。一般適宜區(qū)自然條件較為適中，坡度相對較小，灌排條件較中度適宜區(qū)耕地差，不能保證充分滿足作物生長需求；土壤酸堿度并不充分適宜農(nóng)作物生長，土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，有效土層厚度較薄，土壤較為貧瘠，不能為耕作提供良好的營養(yǎng)條件，利用僅合理。

低度適宜的耕地共7 941.28 hm2，占全域耕地總面積的16.99%，主要分布在吉安縣北部的萬福鎮(zhèn)、油田鎮(zhèn)以及桐坪鎮(zhèn)。低度適宜區(qū)有效土層厚度、灌排條件、土壤酸堿度適宜度偏低，此類耕地需完善灌排設(shè)施條件，進(jìn)一步提高適宜性。

不適宜的耕地資源面積較小，共2 168.58 hm2，占全域耕地總面積的4.64%，主要分布在安塘鄉(xiāng)、永陽鎮(zhèn)和指陽鄉(xiāng)。主要限制因子為坡度、土壤質(zhì)量、灌排條件。不適宜區(qū)所處地形較為復(fù)雜，坡度相對其他區(qū)域較高。水利設(shè)施不夠完善，基本灌溉條件不能得到有效保證，導(dǎo)致該區(qū)域大部分耕地的空間適宜性程度偏低。

3.2 基于空間協(xié)調(diào)與耕地綜合質(zhì)量的布局優(yōu)化該研究將高度適宜、中度適宜、一般適宜、低度適宜的耕地作為永久基本農(nóng)田初步補(bǔ)劃潛力，根據(jù)“優(yōu)質(zhì)、集中、連片、穩(wěn)定”原則，初步篩選適宜劃入永久基本農(nóng)田的耕地，綜合考慮生態(tài)安全約束性條件以及協(xié)調(diào)城市建設(shè)發(fā)展，并參考現(xiàn)有劃定的永久基本農(nóng)田，將耕地分為調(diào)出、調(diào)入、保留3類，最后得到永久基本農(nóng)田優(yōu)化后的結(jié)果。得到應(yīng)調(diào)出面積為5 503.43 hm2，保留面積為36 077.41 hm2，補(bǔ)劃潛力為7 020.07 hm2，最終得到優(yōu)化布局后的面積為43 097.48 hm2，比上輪劃定的永久基本農(nóng)田數(shù)量超出1 516.64 hm2，個別鄉(xiāng)鎮(zhèn)由于耕地的適宜程度不高，導(dǎo)致調(diào)出面積占比較高。整體基本滿足質(zhì)量不降、數(shù)量不減、布局穩(wěn)定的布局優(yōu)化要求。

表3 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)適宜等級面積統(tǒng)計Table 3 Statistics of suitable grade area of each township

表4 各鄉(xiāng)鎮(zhèn)永久基本農(nóng)田優(yōu)化布局調(diào)整數(shù)量結(jié)構(gòu)變化Table 4 The adjustment of permanent basic farmland optimized layout of each township 單位：hm2

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論筆者將耕地綜合質(zhì)量、“三生”空間協(xié)調(diào)與永久基本農(nóng)田布局優(yōu)化相結(jié)合，探究永久基本農(nóng)田布局優(yōu)化的方法及思路，主要結(jié)論如下：

(1)采用GIS技術(shù)手段，以吉安縣現(xiàn)有耕地資源為評價對象，選取地類現(xiàn)狀條件、土壤條件、區(qū)位條件和灌排條件4個層面共13個指標(biāo)作為耕地綜合質(zhì)量評價指標(biāo)體系，應(yīng)用熵權(quán)法得出權(quán)重值，通過加權(quán)求和得到吉安縣耕地空間適宜性綜合評價結(jié)果，發(fā)現(xiàn)吉安縣耕地綜合質(zhì)量評分平均較高，但空間分布差異較大，吉安縣中部以及偏北部地區(qū)質(zhì)量較優(yōu)，交通便捷，灌排設(shè)施較為完善，而靠近南部地區(qū)如安塘鄉(xiāng)，土壤條件較劣，基礎(chǔ)設(shè)施條件并不完善。

(2)在耕地綜合質(zhì)量評價分值的基礎(chǔ)上，將高度適宜、中度適宜、一般適宜、低度適宜的耕地作為初步補(bǔ)劃潛力，結(jié)合原有永久基本農(nóng)田劃定結(jié)果，考慮生態(tài)約束性條件，協(xié)調(diào)城市發(fā)展需要，將不適宜耕地，與生態(tài)紅線、自然保護(hù)地相沖突耕地以及與城市開發(fā)邊界相重疊地塊調(diào)出，將三線以外的適宜耕地作為調(diào)入地塊，最終得到優(yōu)化結(jié)果，優(yōu)化后的永久基本農(nóng)田較上輪劃定成果數(shù)量增加，布局更穩(wěn)定，保障了耕地質(zhì)量，整體達(dá)到布局優(yōu)化要求。

(3)基于空間協(xié)調(diào)的布局優(yōu)化方法，科學(xué)合理地調(diào)整了永久基本農(nóng)田布局，以生態(tài)優(yōu)先，保障了城市建設(shè)發(fā)展。運(yùn)用GIS空間分析，將永久基本農(nóng)田布局優(yōu)化具體落到圖斑，避免優(yōu)化過程中的主觀性，將永久基本農(nóng)田保護(hù)落到實(shí)處。

4.2 討論該研究在構(gòu)建耕地綜合質(zhì)量評價指標(biāo)體系時，從自然條件、質(zhì)量條件等選取指標(biāo)，構(gòu)建綜合質(zhì)量評價體系，將耕地分為5個適宜等級。以耕地質(zhì)量綜合評價結(jié)果為基礎(chǔ)，運(yùn)用GIS空間分析法將“三生”空間與綜合質(zhì)量評價結(jié)果兩者有效整合，綜合考慮生態(tài)、城市發(fā)展等因素，因地制宜補(bǔ)充并完善區(qū)域永久基本農(nóng)田布局優(yōu)化方法。今后在耕地綜合質(zhì)量評價時還應(yīng)考慮耕地質(zhì)量的空間自相關(guān)性，從微觀尺度觀察耕地綜合質(zhì)量的空間差異特征，建立并不斷完善耕地質(zhì)量評價指標(biāo)體系。研究永久基本農(nóng)田調(diào)入調(diào)出時，還應(yīng)綜合考慮當(dāng)前重點(diǎn)項目選址或者在建未建成的工程等限制性因素，完善永久基本農(nóng)田調(diào)整的相關(guān)要求，協(xié)調(diào)多方規(guī)劃，避免造成沖突，增強(qiáng)國土空間規(guī)劃彈性，加強(qiáng)對永久基本農(nóng)田實(shí)行特殊保護(hù)。