基于Ward系统聚类的吉林省农用地整治分区及策略研究

刘博文，王冬艳，王 畅，李 红，吴文俊

(吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061)

0 引言

随着我国经济进入高质量发展的新时代，城镇化稳步推进，与此同时，耕地后备资源不断减少，耕地资源流失问题愈发严峻，因此，保障粮食安全，实现耕地数量、质量、生态“三位一体”保护的难度不断加大[1]。土地整治是促进土地资源合理利用、调整土地利用结构和土地关系、保障国家粮食安全的重要手段，对实现土地资源合理配置、提高土地利用效率和改善区域生态环境具有重要作用[2]。

近年来，农用地整治内涵不断丰富，加强对耕地数量、质量、生态“三位一体”保护成为新时期农用地整治工作的重点。同时，考虑到区域的差异性，开展农用地整治分区研究，采取差异化的整治策略，因地制宜开展农用地整治工作，是编制农用地整治规划及安排农用地整治项目的基础。在农用地整治分区方面，现有研究大多基于整治潜力评价结果，利用多因素综合评价法或采用空间叠加的方法划定农用地整治区[3-4]，分区指标体系中涉及的农用地整治潜力评价指标多集中在数量和质量2个层面[5]。目前，土地整治生态转型成为土地整治发展的趋势[6]，在构建分区指标体系时，应充分认识农用地整治的生态功能和景观功能。在研究对象方面，现有的研究一般以地级市或县(市、区)范围的中小尺度分析为主[7]，较少涉及省域范围。土地整治分区研究是编制土地整治规划的重要基础，并且省级土地整治规划发挥着分解落实国家调控指标，指导市、县两级土地整治规划编制工作等承上启下的重要作用。农用地整治作为土地整治的重要组成部分，对实现耕地“三位一体”保护具有重要意义。因此，对省域农用地整治分区的研究至关重要。

基于科学性、综合性、可操作性等基本原则，本文以吉林省为研究对象，通过测算农用地整治的数量潜力、质量潜力、生态潜力及景观指标，结合社会经济要素构建分区指标体系，以县(市、区)为分区单元采用系统聚类分析方法划定农用地整治区，根据分区指标特征及区域实际情况，提出农用地整治策略。

1 研究区概况和数据来源

1.1 研究区概况

吉林省位于东北平原中部，土地总面积19.1×104km2，占全国土地总面积的1.95%。2015年总人口2662.1万人，GDP为14063.1亿元。吉林省属于温带大陆性季风气候，农业生产条件良好，是我国重要的粮食生产区，其耕地总面积达7.0×106hm2，占吉林省总面积的36.61%，其中87.45%的耕地为旱地。吉林省地处“黄金玉米带”和“黄金水稻带”，素有“黑土之乡”的美誉，全年粮食总产量3647.0万t，为实施“藏粮于地”战略提供了根本保障。国家实施振兴东北老工业基地战略以来，吉林省城市化和工业化快速发展，耕地保护与开发建设矛盾较为突出，并且耕地质量下降、水土流失及盐碱化等问题也不容乐观，耕地数量、质量、生态“三位一体”保护面临多重压力。

1.2 数据来源与处理

本文研究涉及的数据资料包括：吉林省2015年度土地利用变更调查数据库、吉林省耕地质量等别更新数据库、《吉林省土地整治规划(2011～2015年)》、《吉林省统计年鉴(2016年)》、《全国农产品成本收益资料汇编(2016年)》等，其他相关指标依据统计数据计算得到。依据吉林省2015年土地利用变更调查数据库，利用ArcGIS软件提取县(市、区)分区单元共计60个，依据权属代码按照坐落统计各分区单元相关指标。

2 指标体系构建与测算方法

2.1 指标体系构建

耕地“三位一体”保护具有层次性和系统性[8]，农用地整治分区的指标也应包含数量、质量、生态3个方面。为提升系统的生态功能和景观功能，同时更好地反映开展农用地整治的社会经济基础，在构建分区指标体系时，除选取表征整治潜力的指标外，引入耕地景观指标及社会经济指标，形成数量、质量、生态“三位一体”并兼顾社会经济要素的分区指标体系(表1)。

表1 吉林省农用地整治分区指标体系

2.2 数量潜力指标测算

本文确定的待整治区包括耕地、为农业生产服务的田坎、沟渠、农村道路、设施农用地等配套设施用地，规模小于600 m2的园地、规模小于1500 m2的林地和草地等零星农用地，以及规模小于1500 m2的内陆滩涂、盐碱地、沙地、裸地等零星未利用地。在此基础上，采用耕地系数法测算数量潜力指标。

耕地系数是单位面积农用地中净耕地所占的比例[9]，标准耕地系数反映待整治农用地经过整治所能达到的理想耕地状态。本文以各分区单元实际耕地系数为基础，依据标准耕作制度分区，结合近5年吉林省农用地整治项目样地指标，采用典型样地法确定标准耕地系数为：三江平原长白山地区0.936，松嫩平原区0.956。

新增耕地系数反映了待整治区经过整治可增加耕地数量的能力，通过计算新增耕地系数，计算各分区单元新增耕地面积，公式为：

λ=G/S

(1)

α=A-λ

(2)

△S=S×α

(3)

式中：λ为耕地系数；G为净耕地面积；S为待整治区面积；α为新增耕地系数(若α<0，则α=0)；A为标准耕地系数；△S为新增耕地面积。

2.3 质量潜力指标测算

农用地整治的质量潜力体现在对土地生产能力的提升，农用地质量分等成果为农用地整治质量潜力评价提供了数据基础和技术依据。光温生产潜力、自然等指数、利用等指数之间相互比较形成自然生产潜力和利用潜力[10]，计算公式如下：

IZ=(a-r)/a

(4)

IL=(r-y)/a

(5)

式中：IZ为农用地整治自然生产潜力指数；a为光温生产潜力；r为农用地自然等指数；IL为农用地整治利用潜力指数；y为农用地利用等指数。

由于农用地质量分等的评价单元为耕地图斑，与本文分区单元不同。因此，根据各分区单元内耕地图斑面积占其耕地面积的比例，加权计算各分区单元农用地自然等指数和利用等指数，进而计算农用地整治自然生产潜力指数和利用潜力指数。

2.4 景观生态指标测算

基于生态经济学理论，本文将生态系统服务价值作为评价生态潜力的重要指标。将待整治区作为一个区域生态系统，采用价值当量因子法评价生态系统服务价值。以谢高地等[11]提出的生态系统单位面积生态服务价值为基础，划分生态景观类型，利用生物量因子对生态服务价值进行区域修正[12]，结合现有研究成果[13]，确定各生态系统的生态服务价值基础当量。

将粮食单产的净利润作为一个标准当量因子的生态服务价值，为减少市场价格波动产生的影响，以2011～2015年指定作物玉米和水稻的净利润为基础，按省内该作物播种面积加权确定标准当量因子经济价值量为554.11元/hm2。由此得到吉林省各生态系统单位面积生态服务价值(表2)，并据此计算各分区单元的单位面积生态服务价值。

表2吉林省各生态系统单位面积生态服务价值元/hm2

项目农田园地森林草地湿地水域荒漠其他气体调节372.361255.391861.80643.66984.10255.3437.23207.46气候调节361.722367.163037.411696.905186.46755.3626.60196.81水源涵养329.81984.101388.37574.509819.7225490.8342.56186.18土壤形成与保持659.621430.932074.59781.961324.54138.3042.56351.09废物净化473.43723.45888.35558.556324.849670.78111.72292.57生物多样性保护234.061223.471734.15712.804186.411324.5490.44164.90食物生产590.46127.67133.00122.35271.30212.785.32297.88原材料生产133.00553.22925.59180.86265.9763.8410.6374.47休闲娱乐42.56500.04680.89313.852516.10526.6215.9531.91合计3197.019165.4312724.165585.4330879.4438438.39383.011803.28

用单位面积生态服务价值增量(△ESV)表示农用地整治可提高生态服务价值的程度，以行政村为单位计算各行政村单位面积生态服务价值增量，加权汇总得到各分区单元的指标值。各行政村目标生态服务价值以与之相邻的行政村生态服务价值的最大值为基础，结合所在县域整体水平，参考已有的农用地整治项目确定，计算公式如下：

△ESV=ESVg-ESVp

(6)

式中：△ESV为单位面积生态服务价值增量；ESVg为单位面积目标生态服务价值；ESVp为单位面积现状生态服务价值。

此外，耕地的生态安全对保障国家粮食安全和维护社会经济可持续发展具有重要意义。因此，在农用地整治分区时，将景观生态指标纳入分区指标体系。耕地景观脆弱度和耕地生态安全指数可以概括区域耕地的景观格局信息，反映耕地景观对外界干扰的敏感程度以及耕地景观生态安全的程度。本文参考裴欢等[14]构建的耕地景观生态安全评价模型，选取景观破碎度、边界破碎度、面积加权平均形状指数、分维数与分离度指标，计算各分区单元的耕地景观脆弱度和耕地景观生态安全指数，计算公式如下：

V=0.59AWMSI+0.28F+0.13D

(7)

ES=1-[(PD+ED)×2.5V]

(8)

式中：V为景观脆弱度；AWMSI为面积加权平均形状指数；F为分维数；D为分离度；ES为景观生态安全指数；PD为景观破碎度；ED为边界破碎度。

2.5 社会经济指标测算

本文选取的社会经济指标包括人均GDP、人口密度及耕地压力指数。人均GDP和人口密度可以反映开展农用地整治的资金和劳动力条件，相关指标可根据统计年鉴计算得到。

目前，耕地短缺问题在城市化与粮食安全需求的矛盾中日益凸显，耕地压力指数可以反映区域耕地资源的稀缺程度和供需冲突程度，本文参考蔡运龙等[15]最小人均耕地面积和耕地压力指数模型计算，公式如下：

(9)

K=Smin/Sa

(10)

式中：Smin为最小人均耕地面积(hm2/人)；β为食物自给率(%)；Gr为人均食物需求量(kg/人)；P为食物单产(kg/hm2)；q为食物播种面积占总播种面积之比(%)；k为复种指数(%)；K为耕地压力指数；Sa为实际人均耕地面积(hm2/人)。

3 结果与分析

3.1 农用地整治分区结果

聚类分析可以突出类型区内的相似性以及类型区间的差异性[16]，因此将聚类分析结果作为区域划分的依据。本文利用极差标准化方法对分类变量进行标准化处理，采用平方Euclidean距离作为区间变量距离测度，以相似性最大化为原则，利用离差平方和法进行聚类分析，首先将每个样本视为单独的一类，根据两类之间的距离逐步合并，直到所有的样本归为一个单独的大类。

通过Ward系统聚类法，结合数量潜力、质量潜力、景观生态及社会经济指标对分区单元进行聚类分析(图1)，将分区单元初步划分为4类。进一步考虑各指数内部的差异，结合吉林省行政区划、资源禀赋、发展战略等实际情况，兼顾区域连片性和整治区划完整性，对聚类分析结果进行修正，最终将吉林省划分为4个农用地整治区，并汇总得到各区域相关指标(表3)。

图1 吉林省农用地整治分区单元聚类分析图

农用地整治区新增耕地系数新增耕地面积/hm2自然生产潜力指数利用潜力指数单位面积生态服务价值增量/(元/hm2)耕地景观脆弱度耕地生态安全指数人均GDP/(万元/人)人口密度/(人/km2)耕地压力指数Ⅰ区0.0163562.060.3130.5364037.790.3380.7914.4596.470.230Ⅱ区0.010780.850.2180.2824950.830.3070.9176.79727.232.137Ⅲ区0.002173.400.2590.3954073.470.6650.6964.91321.200.693Ⅳ区0.018523.740.2550.5643179.000.2860.8144.71141.142.822

结合各区域特点，为突出不同区域的农用地整治主导方向和重点，采用“空间方位+农用地整治策略”的命名方法，由此形成吉林省西部农用地综合整治与生态保护区、吉林省中部农用地质量保护与高标准农田建设区、吉林省中东部农用地精细化整治与景观修复区、吉林省东部农用地质量整治与林地保育区4个整治区(图2)，有利于把握农用地整治方向，制定整治政策。

3.2 区域整治方向及重点

通过进一步分析各农用地整治区数量、质量、景观生态及社会经济指标特征，结合各整治区实际，提出相应的农用地整治方向及重点。

Ⅰ区：吉林省西部农用地综合整治与生态保护区，该区域土地生态系统敏感性强，土地盐碱化、荒漠化较为严重，抗干扰能力和自然恢复能力较弱。

区域耕地面积2.28×106hm2，各县(市、区)耕地比重较大，平均耕地比重达51.40%。数量潜力方面，该区域新增耕地面积最大，达3.2×104hm2，新增耕地系数较高，地处平原地带，土地整治潜力开发难度较小。农用地整治质量潜力较大，应重点改善土地自然生产条件和利用条件，逐步消除耕地限制性因素，提高土地质量和粮食产量。区域平均单位面积生态服务价值为6410.91元/hm2，为4个区域内最低，生态潜力整体较大。由于地处生态脆弱区，在开展农用地整治时，应着力探索综合整治模式，借助杂粮杂豆种植阳光区域优势，因地制宜开发耕地潜能。同时，确保还水、还湿、还草，着力修复和保护生态环境，积极开展生态景观建设，并注重对生态系统和生物多样性的保护。

图2 吉林省农用地整治分区

Ⅱ区：吉林省中部农用地质量保护与高标准农田建设区，该区域为吉林省主要黑土区，土质肥沃，土地垦殖率高。同时，产业基础雄厚，农业优势较为突出。

该区域耕地面积达3.07×106hm2，各县(市、区)平均耕地比重在50%以上。区域内农用地整治数量潜力较小，通过土地整治提高耕地数量难度较大。另一方面，较低的自然生产潜力指数和利用潜力指数反映出该区域耕地质量等别较高，农用地整治的质量潜力较小。景观生态方面，耕地生态安全指数整体较高，平均生态安全指数达0.92。由于地处松花江流域，加强流域治理，提高水源涵养功能，对保障粮食安全具有重要意义。因此，该区域应重点加强耕地保护，注重水土流失预防与治理，防止黑土资源流失。同时，部分地区为长吉一体化的重点开发区域，要从确保粮食安全的角度出发，严格控制建设占用耕地。充分发挥区域比较优势，着力打造连片粮田，积极发展现代农业，加强高标准农田建设，提升粮食综合生产能力。

Ⅲ区：吉林省中东部农用地精细化整治与景观修复区，该区域主要为低山与丘陵地带，地形条件复杂，不利于开展大田整治和农业机械化。

该区域耕地面积为1.23×106hm2，以旱地为主，农用地整治的数量潜力和质量潜力相对较小，生态潜力相对较大，平均单位面积生态服务价值增量为4073.47元/hm2。从景观生态指标来看，区域内斑块和景观格局复杂程度较高，反映耕地景观受人为干扰程度较大，景观脆弱度远高于其他区域，耕地平均景观生态安全指数为4个区域最低，仅为0.70。因此，在开展农用地整治时，应着力提升耕地集中连片程度和生产稳定性。结合土地利用现状，因地制宜开展以小田块为主的精细化整治，依据局部地形地貌进行调整与改造，提高整治效率，降低整治成本，积极打造半山区农业区。着力构建生态景观良好的耕地生态斑块，减少对生态环境的人为干扰和破坏，最大限度地提高耕地利用效率，加强土地整治生态设计，保障耕地景观生态安全。

Ⅳ区：吉林省东部农用地质量整治与林地保育区，该区域生态环境优良，自然资源丰富，耕地主要分布在城镇周边地区且连片性较差，田间基础设施相对薄弱。

该区域耕地面积为6.56×105hm2，各县(市、区)林地面积较大，平均林地覆盖率达82.08%。从土地整治数量潜力来看，新增耕地系数较大，但耕地比重较小，不利于开展集中连片的土地整治项目，地形条件致使潜力开发难度较大。农用地整治的质量潜力较大，在整治中可以从提高基础设施配套程度等改善土地利用方式的角度开发质量潜力。由于区域大部分被林地覆盖，平均单位面积生态服务价值达12134.88元/hm2，为4个区域中最高。耕地生态安全程度整体良好，但耕地破碎程度较大，应重点加强耕地的连通性，降低景观脆弱度。由于地处东部长白山森林带，且为吉林省重点生态功能区。因此，在土地整治中应注重森林资源的保护与培育，加强小流域治理，发展特色农林产品产业，拓宽农民增收渠道，以提供生态产品为首要任务。

4 结论

本文以省域为研究对象开展农用地整治分区研究，通过构建数量、质量、生态“三位一体”并兼顾社会经济要素的分区指标体系，在GIS地理信息系统及SPSS数据分析等技术的支持下，使用Ward系统聚类法，将吉林省划分为4个农用地整治区，即吉林省西部农用地综合整治与生态保护区、吉林省中部农用地质量保护与高标准农田建设区、吉林省中东部农用地精细化整治与景观修复区、吉林省东部农用地质量整治与林地保育区。从分区指标特征来看，吉林省农用地整治数量潜力整体较小，质量潜力在吉林省东部和西部相对较高，生态潜力在吉林省西北部及松花江流域较为集中。针对各区域农用地整治的主要问题，本文结合各农用地整治区实际情况，因地制宜地提出整治方向及重点，为吉林省农用地整治工作的开展提供借鉴和参考。