基于耦合协调度模型的高标准农田建设项目区优选研究

2018-08-31张合兵赵素霞陈宁丽张秋霞

农业机械学报 2018年8期

张合兵赵素霞陈宁丽张秋霞

(1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，焦作 454000； 2.华北水利水电大学法学与公共管理学院，郑州 450046)

0 引言

随着我国工业化、城镇化的快速发展，耕地数量尤其是优质耕地数量急剧减少，开展高标准农田建设和整治，对提升我国粮食安全保障水平、促进新型农业现代化乃至全面建成小康社会至关重要。2008年以来，我国出台的《十三五规划纲要》、《国土资源“十三五”规划纲要》等相关文件对建设高标准农田做出一系列部署。十三五期间要对基本农田实行特殊保护，全面划定永久基本农田，大规模推进农田水利、土地整治、中低产田的改造和高标准农田建设，以项目为载体建设2 666.67万hm2高标准农田；十三五期末确保建成高标准农田5 333.33万hm2，力争6 666.67万hm2，这些都说明加快推进高标准农田建设迫在眉睫。但目前高标准农田建设还存在建设标准、建设区域不明确，建设规划、布局、时序不明晰，项目选址不科学等问题，亟需进一步深化研究。

目前，国内研究主要集中在通过构建评价指标体系、评价模型，对高标准农田建设的可行性[1]、建设时序[2-5]、建设模式[6-8]、区域划定[9-11]、耕地综合质量与建设难度[12]和建设后效应[13]进行研究，主要通过四象限法[14-15]、限制因素组合法[16]及应用可变模糊集理论[17]开展建设区域研究。但对高标准农田项目区的选址方面的研究还不够深入。鉴于此，本文以新郑市为研究区域，开展基于耦合协调度的高标准农田建设项目区优选研究，解决高标准农田整治中区域不明晰、项目区选址不合理等问题，提高项目区选址科学性，以期为高标准农田建设项目规划实施提供参考。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

新郑市地处郑州市东南部，位于东经113°30′～113°54′、北纬34°16′～34°39′之间。地势西部、中部稍高，东部、南北较低。地貌类型主要有山地、丘陵、岗地和平原等。新郑市土壤类型多样，具有褐土、潮土和风砂土3个类型，新郑市2015年土地总面积88 459.15 hm2，其中耕地面积54 166.98 hm2(包含田坎、沟渠和农村道路)，2015年全市总人口84.02万人，其中城镇人口40.72万人。

1.2 数据来源

本研究数据来源于新郑市土地利用变更数据库(2015年)、《新郑市土地利用总体规划(2009—2020)》及其数据库、《新郑市城乡总体规划(2009—2030年)》、《新郑市土地整治规划(2011—2020年)》及其数据库、新郑市农用地分等成果、新郑市第二次土壤普查、空间分辨率为2.5 m的Spot遥感影像、土壤污染调查数据、基础地理数据、地球化学调查数据、土壤图、地形图、DEM数据和气象资料，人口数据来自2016年《新郑市统计年鉴》。

2 研究方法与模型构建

2.1 研究思路

通过分别建立高标准农田建设适宜性和空间稳定性评价指标体系及评价模型，对区域耕地单元的建设适宜性和空间稳定性进行评价，在此基础上，建立高标准农田建设适宜性与空间稳定性的耦合协调度评价模型，进行高标准农田建设区域评价和遴选，最终形成建设项目区，为高标准农田建设项目决策提供决策依据。

2.2 评价单元划分

评价单元的划分是进行高标准农田建设评价的基础，评价单元既要反映地貌类型、土壤类型及土地利用现状等一致或相对一致的特征，又反映内部属性特征的一致性。按照高标准农田建设要求，其各项建设需落实到具体的地块，本研究确定以地块即耕地图斑为评价单元，同时地块也是数据库管理的单元，对指导每个地块的建设方向更加明确、易于操作。以2015年土地利用变更数据为依据，利用ArcGIS软件提取耕地图斑，以耕地图斑为评价单元，并将碎小图斑合并到周围耕地图斑中，最终形成17 960个评价单元。

2.3 高标准农田建设适宜性和空间稳定性评价指标体系构建

2.3.1评价指标体系构建

高标准农田建设受自然条件、基础设施条件、行政决策、规划控制、生态状况等因素的制约，必须全方位、多角度对高标准农田建设难易程度状况进行分析。依据《高标准农田建设通则》(GB/T 30600—2014)相关要求，本文从自然禀赋、基础设施条件、耕地形态等3个方面，区位条件、耕地性状、规划控制与生态状况等4个方面建立高标准农田建设适宜性、空间稳定性评价指标体系(表1)。

2.3.2评价指标标准化

在进行评价时，由于评价指标的来源、单位不同，需要对评价指标进行标准化处理，使指标间可进行直接比较。本文依据评价指标属性和内在特点，采用极差标准化法、阈值型赋值法[1]及经验法对评价指标进行标准化，各指标标准化方法见表2。

2.3.3评价指标权重确定

对于高标准农田建设适宜性和稳定性评价，选取的评价指标都会对评价结果产生不同程度的影响，因此，确定各评价指标权重至关重要。目前，主观赋权法完全依据决策者的专业知识和经验，具有较强主观性，易造成逻辑混乱、评价态度单一等问题。客观赋权方法通过客观计算形成权重，避免了人为因素干扰，但实测数据有时会出现一定误差，不能充分反映指标间的差异程度及重要程度。因此，本研究采用主观赋权法(熵权法)与客观赋权法(层次分析法)相结合的组合赋权法确定评价指标的权重，各权重见表1。

表1 高标准农田建设适宜性与建设空间稳定性评价指标体系 Tab.1 Suitability and spatial stability evaluation index system of well-facilitied farmland construction

2.4 高标准农田建设适宜性和空间稳定性评价模型确定及其分级

高标准农田建设适宜性和稳定性评价是多目标决策的过程，本文采用综合指数法模型[19]进行适宜性评价，采用逼近理想点法模型[20]进行空间稳定性评价；在评价基础上，采用自然断裂点方法按照高度适宜、中度适宜、低度适宜及不适宜，高度稳定、中度稳定、低度稳定与不稳定4个等级对适宜性和稳定性进行分级。

2.5 基于耦合协调度的高标准农田建设项目区优选模型构建

耦合是通过对系统关系的研究，揭示要素或系统间相互作用及联合的现象，是子系统间或系统内要素之间相互胁迫、相互影响的关联关系[21]。耦合协调度是衡量系统耦合协调发展状况的依据[22]。

表2 评价指标分值 Tab.2 Values of evaluation index

注：yij为标准化值，xij为评价因子的实际值，max(xj)、min(xj)为第j项评价因子的最大值与最小值。

高标准农田建设项目区优选是解决高标准农田的选址问题，本文利用耦合协调度数学计算方法，构建基于耦合协调度的高标准农田建设项目区优选模型，通过计算评价单元的耦合协调度指数，反映区域高标准农田建设适宜性与稳定性状况的协调程度，判断不同区域高标准农田建设的难易程度，以此为基础遴选确定高标准农田建设项目区，并进行排序，为项目决策和实施提供依据。具体计算步骤如下：

计算高标准农田建设适宜性和空间稳定性耦合度指数

(1)

式中C——高标准农田建设适宜性和空间稳定性耦合度指数

N(x)——建设适宜性评价综合指数

M(y)——建设空间稳定性评价综合指数

k——调节系数，取k=2

计算建设适宜性与空间稳定性综合协调指数

T=αN(x)+βM(y)

(2)

式中T——高标准农田建设适宜性和空间稳定性综合协调指数

α、β——待定权数，分别取0.5

计算建设适宜性与空间稳定性耦合协调度指数

(3)

式中D——高标准农田建设适宜性和空间稳定性耦合协调度指数

耦合协调度指数越高，建设适宜性与建设空间稳定性的总体协调发展水平越高，表明两者的耦合关系越协调。

2.6 高标准农田建设区域适宜性和稳定性耦合协调度分级及项目遴选

在计算耦合协调度基础上，按照优质、良好、中级、勉强协调发展类对高标准农田建设适宜性与空间稳定性耦合协调度进行分级(表3)，等级差异反映了二者的组合方式，也代表了高标准农田建设区域的难易程度。

表3 高标准农田建设区域适宜性和稳定性耦合协调度分级 Tab.3 Coupling coordination degree classification of suitability and stability of well-facilitied farmland

在分析高标准农田建设难易程度基础上，以上级下达区域高标准农田建设规模目标为前提，根据不同区域高标准农田建设难易程度的差异、空间分布及其积聚程度，遴选高标准农田建设重点区域，确定建设项目区，并进行排序。

3 结果分析

3.1 适宜性分析

经分析，研究区高标准农田建设适宜程度整体较高，如图1所示。高度适宜建设区面积最大，为30 361.26 hm2，占耕地总面积的56.05%，主要分布于市域南部和西北部，集中观音寺镇、城关乡、梨河镇、辛店镇、龙湖镇等乡镇；中度适宜建设区面积为19 618.97 hm2，所占比例为36.22%，集中分布于郭店镇南部、新村镇西部、薛店镇、八千乡、龙王乡、孟庄镇等区域；低度适宜建设区面积为4 123.32 hm2，所占比例为7.61%，主要位于市域东部，呈现破碎化趋势，分布在和庄镇京广铁路沿线、薛店镇东部等区域。不适宜建设区面积为63.43 hm2，所占比例为0.12%，分布较零散，集中连片性差，薛店镇较多，其余各乡镇均有零星分布。

3.2 空间稳定性分析

研究区高标准农田建设空间稳定性较高区域主要分布于市域南部和北部，见图2。其中，高度稳定等级面积最大，为20 815.38 hm2，占耕地总面积的38.43%，集中分布在辛店镇、观音寺镇、梨河镇东南部、八千乡南部、孟庄镇西部、龙湖镇西部等区域；中度稳定等级面积为14 550.51 hm2，所占比例为26.86%，包括观音寺镇中部、梨河镇中部、新村镇西南部、城关乡北部、辛店镇东北等区域，其余乡镇有零星分布；低度稳定等级面积为10 208.39 hm2，所占比例为18.85%，集中分布在中心城区北部，包括八千乡北部、和庄镇北部、新村镇东部及中北部、郭店镇中南部、薛店镇东南部、龙王乡中部等区域；不稳定等级面积为8 592.70 hm2，所占比例为15.86%，主要位于市域中东部和北部，其余区域零星分布。

图1 高标准农田建设适宜性空间分布图 Fig.1 Grade map of construction suitability

图2 高标准农田建设空间稳定性空间分布图 Fig.2 Grade map of construction spatial stability

3.3 适宜性和空间稳定性耦合协调度分析

3.3.1耦合协调度计算

适宜性和空间稳定性耦合度指数C为

其中

A=N(x)M(y)=

高标准农田建设适宜性和空间稳定性综合协调指数T为

高标准农田建设适宜性和空间稳定性耦合协调度指数D为

3.3.2耦合协调度分级及空间特征

经分析，全市高标准农田建设适宜性和空间稳定性耦合协调度等级为优质协调发展类(建设难易程度为基本具备)所占面积最大，为33 731.84 hm2，占耕地总面积的62.28%，包括10 080个评价单元，主要集中于全市南部和北部，包括辛店镇、观音寺镇、城关乡、梨河镇、八千乡南部、龙湖镇中西部、郭店镇东部、孟庄镇西部等，该区域建设适宜性与建设空间稳定性均较高。

耦合协调度等级为良好协调发展类(建设难易程度为稍加改造)面积为1 616.45 hm2，所占比例为2.98%，包含893个评价单元，该等级所占面积较小，分布较分散，建设适宜性和空间稳定性稍差。

耦合协调度等级为中级协调发展类(建设难易程度为全面整治)面积较小，为8 997.74 hm2，所占比例为16.61%，包含3 084个评价单元，集中分布于研究区中部，主要分布在郭店镇中南部、新村镇中东部、和庄镇、八千乡北部、薛店镇南部等区域，该区域建设空间稳定性较低，建设适宜性稍高，自然基础较差。

耦合协调度等级为勉强协调发展类(不适宜建设)面积为9 820.95 hm2，所占比例为18.13%，包括3 903个评价单元，主要分布于中心城区和产业集聚区周边，集中在龙王乡、孟庄镇东部等区域，其余乡镇有零星分布，该区域受城市、土地规划约束，建设空间稳定性较低，不适宜建设高标准农田。具体统计和分布见表4和图3。

表4 高标准农田建设适宜性和空间稳定性耦合协调度分级统计 Tab.4 Statistics of coupling coordination degree of suitability and stability of well-facilitied farmland

图3 高标准农田建设耦合协调度等级空间分布图 Fig.3 Coupling coordination degree distribution map of well-facilitied farmland construction

3.3.3新郑市高标准农田建设项目区遴选

按照国土资源部《高标准基本农田建设标准》(TD/T 1033—2012)、《高标准农田建设通则》(GB/T 30600—2014)、《高标准农田建设评价规范》(GB/T 33130—2016)对高标准农田建设区域的要求，以集中连片、高产稳产、生态良好、设施配套等为原则，综合考虑上级下达新郑市高标准农田建设规模任务、耦合协调度分级、空间积聚特征、自然条件及区位条件，确定了5个高标准农田建设项目，高标准农田建设项目共涉及新村镇、城关乡、观音寺镇、梨河镇、八千乡及辛店镇等6个乡镇，项目建设总规模3 591.18 hm2，项目实施后可建成高标准农田面积3 455.87 hm2(图4、表5)。