基于限制因素和热点分析的耕地整治质量潜力测算

赵冬玲 何珊珊 杨建宇,2 张 超,2 李鹏山,2 杜振博

(1.中国农业大学信息与电气工程学院， 北京 100083； 2.国土资源部农用地质量与监控重点实验室， 北京 100035)

基于限制因素和热点分析的耕地整治质量潜力测算

赵冬玲1何珊珊1杨建宇1,2张 超1,2李鹏山1,2杜振博1

(1.中国农业大学信息与电气工程学院， 北京 100083； 2.国土资源部农用地质量与监控重点实验室， 北京 100035)

以规则网格为评价单元，采用因素组合法对耕地自然质量限制因素进行分析；采用热点分析法对耕地利用水平指标进行局部聚类；并分别测算限制因素改变和利用水平指标提升后的耕地质量变化。以河北省涿州市为研究区进行研究，结果表明：灌溉保证率是涿州市耕地自然质量的限制因素，经改善灌溉条件的耕地自然等指数可平均提升408。涿州市耕地整体利用水平相差较大，可依据热点分析结果提出相应的耕地平整、修建沟渠或田间道路等工程措施，改善土地利用条件，提高耕地利用等指数。综合整治潜力呈现东西低、中部高的分布特点。所提出的耕地整治质量潜力测算方法有助于确定耕地质量限制因素、划分耕地整治区域及指明整治方向。

耕地整治； 质量潜力； 限制因素； 热点分析； 网格

引言

多年来，我国通过实施最严格的耕地保护制度，耕地数量快速下降的趋势得到有效遏制，在耕地面积基本稳定的前提下，着力提升耕地质量、提高耕地产能是保障国家粮食安全的根本途径[1]。耕地整治能够有效挖掘耕地潜力，提升耕地等级，减灾抗灾，能够为使用新技术、新装备、新品种打造良好的基础平台[2]，是实现农业机械化、农业可持续发展的重要途径[3]，也是实现“藏粮于地，藏粮于技”的重要手段。科学合理测算耕地整治潜力，是编制区域土地整治规划的基础工作，可为制定整治目标与任务、划分整治区域、确定整治重点区域等提供科学依据[4]。

耕地整治潜力反映待整治农用地可改善程度，具体表现为耕地有效利用面积增加、耕地质量提高、生产成本降低、生态环境改善等，集中体现在耕地数量潜力、质量潜力和生态潜力方面[5]。我国耕地整治潜力研究与实践正在从最初的单一新增耕地面积向提升耕地质量、改善生态环境方向发展[6]，目前研究集中在数量潜力测算和质量潜力测算。其中，质量潜力测算方法主要有目标产能法[7-8]、目标等别法[9-11]、修正因素分析法[12-13]、模式法[14]等。目标产能法和目标等别法以待整治耕地潜在的生产能力作为质量目标，多数将耕地质量分等单元的理论单产与可实现单产之差作为理论潜力，将可实现单产与实际单产之差作为可实现潜力，将理论等级或最高等别与现状等别之差作为质量潜力，由于缺乏考虑整治难度和可实现性，在当前技术水平和经济社会发展条件下，潜力大的地区往往很难通过整治达到预期的质量目标，甚至有些土地不适合整治成耕地，潜力往往被高估。修正因素分析法和模式法均从因素层面分析因素变化导致的耕地质量提升，多结合现有农用地分等成果进行，但是农用地分等所选的参评因素多表征耕地本底条件，不能全部涵盖土地整治工程所影响的因素，而造成评价结果不能准确反映实际情况。另外，在分析中耕地质量空间属性越来越受到重视，农田建设布局规划多采用空间聚类[15-16]和空间自相关[17-18]等方法，热点分析是常用的局部聚类算法，本文将应用其进行耕地质量分析。

针对土地整治工程对耕地质量的影响特点，总结现有方法的不足，本文提出基于限制因素和热点分析的方法，通过分等因素组合法寻找耕地自然质量的限制因素，通过利用指标热点分析方法指导整治分区，并且测算限制因素条件改变和耕地利用水平指标值提升后的耕地质量变化。

1 研究区及其数据概况

1.1 研究区域概况

涿州市位于河北省中部，地处太行山山前平原北部，东经115°44′～116°15′、北纬39°21′～39°36′，东临固安，西接涞水，北通北京，南到高碑店。东西横距36.5 km，南北纵距25.5 km。全区总面积739.67 km2，其中耕地面积443.5 km2，耕地面积占区域总面积的60%。地势平坦，起伏较小，处于暖温带半湿润季风气候区，四季分明。区域内河流较多，有永定河、白沟河、小清河、玻璃河、北据马河、胡良河等，适宜小麦、玉米、水稻种植，是黄淮海平原重要粮食产区。涿州市耕地土地利用系数变化幅度较大，证明全市整体水平差异较大，质量较好的耕地分布在中南部，质量较差的耕地分布在东北部和西南部。

涿州市区位特殊，位于京、津、保三角区中心地带，处于太行山山地丘陵区与华北平原区过渡带，同时处于北京都市城区与保定贫困区过渡带(图1)，资源整合和治理是京津冀协同发展的先决条件[19]，涿州市在京津冀一体化发展中处于特殊位置。《河北省土地整治规划(2011—2020年)》指出涿州市是土地整治重点区和示范县，选择该区域进行耕地整治质量潜力研究，具有较强的典型性和代表性。

图1 涿州市区位及空间网格单元Fig.1 Geographical position of Zhuozhou city and space grid unit

1.2 数据预处理

所用数据包括涿州市2013年1∶10 000耕地质量等级成果数据，2011年1∶10 000土地利用现状数据、行政区划数据及调查数据。

网格是对地理空间的划分，具有打破行政界线实现数据脱密、为多源空间信息提供统一评价单元尺度、为耕地质量动态更新提供便利的优点[20-21]。农田网格化有利于基本农田的多级层次化管理，提高信息检索与更新效率，有利于利用GPS等对基本农田定位与现场检查，易于与遥感图像像元匹配，有利于基本农田朝规整化方向建设[22]。

鉴于耕地利用水平各项指标属于中尺度指标，网格不宜过小。另外，考虑到研究区范围不是很大，网格不宜过大。已有研究结果表明中尺度指标网格适宜尺寸为400 m×400 m[23]。因此，选择网格尺寸400 m×400 m。首先，依据研究区范围划分400 m×400 m空间规则网格；其次，用耕地质量数据与规则网格相交，筛除没有耕地的网格；最后，将耕地质量等级成果数据及土地利用现状中的线状地物进行网格化处理，最终获得所需的基础数据。空间网格单元见图1。

2 研究思路与方法

2.1 研究思路

我国于2009年完成的农用地分等工作，是以作物生产量为纽带，将耕地质量分为自然质量、利用质量与综合质量3个层次[24]，按照GB/T 28407—2012《农用地质量分等规程》[25](以下简称“规程”)对耕地质量内涵的定义，耕地自然质量综合反映耕地所处的光、温、水、热、土、地形等自然条件，耕地利用质量综合反映农民对耕地利用状况。本文对耕地生产力的质量表征基本上以上述理论为依据。但是，计算方法略有改进，现阶段处在传统农业向现代农业转型阶段，国家对农业基础设施大力建设，农机化水平迅速提升，已经大大改变了农业的生产经营方式，“规程”以传统农业下的历史经验数据计算利用系数反映现代农业下的耕地利用水平显然已不再适合，不能满足现代农业对耕地质量的定位。因此，本文的利用系数通过耕地本身的规整性、连片性程度和基础设施水平来反映。

通过对耕地质量内涵的认识，耕地质量影响来自多方面。农用地整治通过土地平整、灌溉与排水、田间道路、农田防护等工程措施，可以优化田块布局，改善耕作条件，完善农田水利基础设施和道路布局等，对耕地自然质量及利用质量均有一定的影响。

基于以上分析，本文从自然质量和利用质量两方面来分析土地整治潜力。首先，将耕地质量数据和土地利用数据网格化，得到涿州市网格化后的耕地数据库。其次，通过因素组合法研究分析耕地自然质量的限制因素，建立因素组合与自然等别和自然等指数的对应关系，查表计算得到限制因素改变后的耕地自然质量潜力。再次，构建土地利用水平指标体系，用层次分析法赋予权重，计算各指标值并归一化得到各类指标得分，继而通过热点分析法来探究耕地利用水平较差区域并进行整治分区，提升这些区域各类指标得分值。最后，计算整治前后耕地利用系数、耕地利用等指数和利用质量潜力。研究流程见图2。

图2 研究框架Fig.2 Research framework

2.2 耕地自然质量潜力测算方法

2.2.1 因素组合法

涿州市位于太行山北段冀中山前平原冬小麦、夏玉米一年两熟分等因素指标区，参与农用地分等的指标及计分规则见表1。涿州市4个分等因素：

表1 涿州市农用地分等因素及其分级分值Tab.1 Arable land grading indicators and their classification and scores in Zhuozhou city

注：各因素分值分级标准与GB/T 28407—2012《农用地质量分等规程》一致。

灌溉保证率、表层土壤质地、土壤有机质含量(质量分数)、剖面构型，分别有3、3、2、2个分级水平(表1)。因素组合法遵循“2位或3位数得分缩记为1位代码”的规则，将一个分等单元内的因素得分代码按照表1中分等因素的顺序合并到一起，作为该分等单元的因素组合标识。即规则为“100分”记为“+”，“90分”记为“9”，“80”分记为“8”以此类推。如某单元因素组合标识为“9+6+”，则说明该单元灌溉保证率为基本满足，表层土壤质地为壤土，土壤有机质含量2%，剖面构型为通体壤、壤/粘/壤。已有研究表明分等因素得分在50分以下时，因素对作物生长有主要限制作用[20]。本文中定义得分小于50分的因素为自然质量限制因素。

2.2.2 自然质量潜力测算

建立因素组合与耕地质量自然等指数的对应关系。类比参照已完成的耕地整治项目对耕地自然因素的改造程度，模拟耕地整治工程对分等因素的改变来改变因素组合。得到整治后的耕地自然等指数。整治后自然等指数与整治前自然等指数差值为耕地自然质量潜力，计算公式为

Ai=R′i-Ri

(1)

2.3 耕地利用质量潜力测算

2.3.1 耕地利用系数计算

将土地整治对耕地利用的影响归纳为田块空间形态、田间道路设施、田间沟渠设施3个方面，因此选取耕地空间形态、田间道路基础设施水平、田间沟渠基础设施水平来反映耕地利用水平，并构建耕地利用水平指标体系。以网格为单元计算各类指标，应用层次分析法并通过一致性检验后给各指标赋予权重(表2)。极差归一化方法解决指标正逆取向问题，并消除量纲。依据自然断点法并辅助手动修改设置各类指标的打分规则，利用加权求和法计算耕地利用系数，其计算式为

(2)

式中Ki——第i个网格单元耕地利用系数wij——第i个网格单元第j类耕地利用指标对应的权重

fij——第i个网格单元第j类耕地利用指标对应的分值，在10～100分之间

表2 涿州市耕地利用水平指标体系及权重Tab.2 Indicators and their weights of cultivated land utilization level in Zhuozhou city

2.3.2 热点分析法

热点分析(Getis-OrdGi*)工具可分析得到高值或低值要素在空间上发生聚类的位置。冷点是本文中所要寻找的聚类区域，即某网格内耕地利用各类指标得分较低并被得分较低的网格包围的局部聚类区域，这些区域急需进行土地整治工程。本文采用Getis-OrdGi*局部统计来分析耕地利用水平局部聚类，计算式为

(3)

其中

(4)

(5)

2.3.3 利用质量潜力测算

耕地利用等指数计算式为

Yi=RiKi

(6)

式中Yi——第i个网格单元耕地利用等指数

类比参照已完成的耕地整治项目对各指标的改造程度，来提高各类指标得分，并重复2.3.1节步骤计算第i个网格单元整治后的利用系数，记作K′i。

整治后利用等指数与整治前利用等指数差值为耕地利用质量潜力，即

Ci=Y′i-Yi

(7)

式中Ci——第i个网格单元耕地利用质量潜力值Y′i——第i个网格单元整治后耕地利用等指数，计算方法与Yi相同

3 结果与分析

3.1 自然质量潜力

理论上，涿州市农用地分等单元因素组合类型是4个因素组合成的36种，经汇总分析，发现因素组合类型实际有23种(3768、3788、3+8+、3968、3988、398+、7788、3+6+、7768、7988、7+8+、796+、7968、798+、9768、9988、7+6+、9+68、9+8+、976+、9968、998+、9+6+)。按照定义，各因素得分小于50为耕地自然质量限制因素，即在因素组合中代码小于5，可知无灌溉条件是限制因素，无灌溉条件对作物生长产生了限制作用，无灌溉条件的耕地分布较广，零星分布在整个研究区范围内，见图3。

图4 耕地整治分区Fig.4 Arable land consolidation zoning

图3 限制因素分布Fig.3 Limiting factors distribution

结合周边地区已完成的土地整治项目及整治难度，建议进行节水灌溉，确定涿州市无灌溉条件的耕地经土地整治能够达到灌溉一般满足。其他分等因素不是限制因素且整治工程也较难改变，因此保持其他因素代码不变，仅改变灌溉保证率的代码来改变因素组合，查找因素组合与地方自然等别和自然等指数的对应关系得到整治前、后因素组合及自然等指数(表3)，并测算自然质量潜力，结果表明经改变灌溉条件的耕地，其自然等指数平均提高408。

表3 整治前后因素组合及自然等指数Tab.3 Elements association and physical quality grade index before and after land consolidation

3.2 利用质量潜力

3.2.1 局部聚类结果

以网格为单元计算并归一化处理得到各类指标得分。耕地空间形态、田间道路设施、沟渠设施3类指标热点分析结果如图4所示，蓝色区域为冷点局部聚类区域，耕地空间形态和2类基础设施综合得分较低，水平较差，建议进行相应整治工程。

耕地空间形态热点分析结果如图4a所示，中部蓝色区域为冷点区域，即表现为耕地空间形态得分较低，耕地占比重低，耕地破碎，不够集中连片，分布在涿州市中北部地区，这些区域的耕地需进行平整，加强集中连片建设。田间道路设施水平热点分析结果如图4b所示，蓝色表示显著性冷点聚集区域，即田间道路设施综合得分较低，田间道路设施不够完善，不足以满足生产建设要求。主要分布在中西北部地区，这些区域应建议加强道路建设，修建并完善农村田间道路设施。田间沟渠基础设施水平热点分析结果如图4c所示，蓝色表示显著性冷点聚集区域，即田间沟渠设施综合得分较低，田间沟渠设施不够完善，不足以满足生产建设的要求。主要分布贯穿整个涿州市的中部地区，从南到北，这些地区田间沟渠设施不够完善，应加强沟渠建设。

3.2.2 潜力测算及分级

参照表2权重和式(2)计算整治前的耕地利用系数Ki和耕地利用等指数Yi，Ki在0.10～0.99之间，Yi在137.8～2 292.3之间。

对比周边地区已有土地整治项目对耕地空间形态、道路设施、沟渠设施的改变程度，对上述冷点区域进行相应的土地整治工程，分值提升为区域内该类指标的最高得分。并计算指标提升后的利用系数Ki和整治后的利用等指数Yi。Ki在0.10～0.99之间，Yi在178.7～2 456.0之间。整治潜力分级见图5和表4。

涿州市耕地整治质量潜力较大，呈现中部地区高于东西部地区的特点，对不同潜力级别的区域提出整治方向与建议，具体见表4。

4 结论

(1)本文提出的耕地整治质量潜力测算方法，综合考虑了自然质量潜力和利用质量潜力。在分析研究耕地自然质量的限制因素和耕地利用水平的基础上，提出了更具针对性的整治方向。

图5 综合潜力分布Fig.5 Potential distribution

潜力分级潜力值分布网格比例/%整治工程130.910东西两侧40.14节水灌溉2304.87西北部,中南部,东北部43.02修建沟渠、田间道路3693.54中北部16.84土地平整、修建田间道路和沟渠

(2)通过分析可知，涿州市耕地整治潜力较大，灌溉保证率是耕地自然质量的限制因素，改善灌溉条件后耕地自然等指数可平均提升408，进行土地平整、修建沟渠或道路工程可提高耕地利用等指数。

(3)综合整治潜力呈现中部地区大于东部和西部区域的分布特点，应该加强对中部地区耕地的整治。

(4)本文只讨论了耕地整治理论质量潜力，经济条件、整治工程难度、农民整治意愿等因素对于理论潜力实现的限制作用需要进一步修正。另外，不同网格单元产量提升潜力对耕地利用质量的影响需进一步研究。

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Qualitative Potential Calculation of Arable Land Consolidation Based on Limiting Factors and Hot Spot Analysis

ZHAO Dongling1HE Shanshan1YANG Jianyu1,2ZHANG Chao1,2LI Pengshan1,2DU Zhenbo1

(1.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.KeyLaboratoryforAgriculturalLandQualityMonitoringandControl,MinistryofLandandResources,Beijing100035,China)

Land consolidation can excavate the potential of arable land quality effectively. In order to calculate the potential of arable land quality scientifically and reasonably and guide corresponding land consolidation projects, a new method was proposed based on limiting factors and hot spot analysis. Zhuozhou city was chosen as the study area for experiment with space grid as basic unit. Firstly, element association method was used to analyze factors influencing arable land natural quality. Secondly, an index system was established to response to arable land utilization level and calculated one by one, and then hot spot analysis was adopted to find low values cluster area. Thirdly, land consolidation projects were carried out to figure out the influence of changes of limiting factors and improvement of indicator values. Eventually, potential of arable land quality was calculated to examine the effects after limiting factors changing and indicator values improving. The results showed that physical quality grade index could be improved by an average of 408. Irrigation was the top limiting factor of arable land natural quality and the overall utilization levels of arable lands in Zhuozhou city were varied widely with the characteristics of both eastern and western areas being higher than that of the central region. It was put forward to carry out water-saving irrigation in low irrigation areas and to carry out corresponding measures in cold spot cluster areas, such as building arable land roads, arable land shelterbelts and irrigation systems. Statistically significant cold spots of arable land space form score located in north-central areas, these areas should strengthen arable land leveling. Statistically significant cold spots of rural roads located in northern and western areas, these areas should be recommended to strengthen the construction of roads. Statistically significant cold spots of ditches throughout the central region of Zhuozhou, from south to north, these areas should strengthen the construction of ditch. The method proposed was helpful to determine the limiting factors，divide zones of arable land consolidation and provide relevant measures. The result was an important gist for regional land consolidation planning, land consolidation project as well as land consolidation zone dividing.

land consolidation; quality potential; limiting factors; hot spot analysis; grid

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.021

2016-07-13

2016-08-17

国土资源部公益性行业科研专项(201511010-06)

赵冬玲(1961—)，女，副教授，主要从事工程测量及航空摄影测量研究，E-mail： zhaodongling@cau.edu.cn

杨建宇(1974—)，男，教授，博士生导师，主要从事3S技术及其土地应用研究，E-mail： ycjyyang@cau.edu.cn

F301.21

A

1000-1298(2017)02-0158-07