基于TOPSIS模型的村域高标准基本农田建设时序与整治模式

李 龙, 王兆林, 吴大放, 刘艳艳

(1.广州大学 地理科学学院, 广州 510006; 2.重庆工商大学 旅游与国土资源学院, 重庆 400067 )

高标准基本农田是经过土地整治形成的高产稳产、集中连片、设施配套、生态良好、抗灾能力强，与现代农业生产和经营方式相适应的优质农田[1]。2018年中央1号文件、《乡村振兴战略规划(2018—2022年)》提出“藏粮于地、藏粮于技”战略，加大耕地资源保护、土地整治力度，强化耕地质量提升和建设大规模旱涝保收的高标准基本农田是保障我国粮食安全的新路径。开展村域尺度高标准基本农田建设研究，是新形势下耕地保护制度的一个创新，对于改善农业生产条件，提高耕地综合生产能力，促进现代农业发展，深入理解耕地数量、质量、生态并重保护内涵，保障国家粮食安全具有重要意义。

国外关于基本农田的研究较为成熟，主要集中在耕地保护和耕地质量评价方面[2-3]；国内研究尚处于起步阶段，但经众多学者积极有益探索，已有较多成果。在研究尺度与区域上，主要从省域[4]、市域[5]、县域[6]等尺度开展研究，较多以东北粮食产区[7]、东南部大都市区边缘[8]耕地为研究对象；较少涉及村域和镇域等微观尺度的研究，未具体落实乡村内部耕地的整治，建设精准化程度较低，同时在中部丘陵山区相关研究较为薄弱[9]。在研究内容上，主要涉及高标准基本农田建设条件分析[10-11]、整治潜力测算[12]、建设选址[13]与时序[14]以及规划设计[15]等相关研究，但并未形成集“评价—选址—建设—管控”为一体的高标准基本农田建设方法体系。在评价指标和方法上，学者综合考虑自然质量、社会经济、空间区位等因素[16-17]，但较少体现土地的美学景观功能；较多使用指数加权方法[18]、分等定级[19]、增量修正法[20]、生态位模型[21]、模糊综合评价法[22-23]等进行评价，而适用于多目标决策的理想点逼近法较少被运用于村域尺度的高标准基本农田建设研究中。据此，本文以重庆市玉皇村为研究区域，借助理想点逼近法模型对玉皇村耕地进行建设时序安排和整治模式选择，以期为铜梁区或者其他丘陵山区的高标准基本农田建设与规划拓宽思路，同时为科学编制微观尺度下的土地整治规划和村庄规划提供科学依据。

1 研究区域与数据来源

1.1 研究区概况

玉皇村位于重庆市铜梁区中部，地处东经105°46′22″—106°16′40″、北纬29°31′10″—30°5′55″，距铜梁县城3.5 km，319国道贯穿整个村庄(图1)。全村用地总面积为457.56 hm2，其中耕地面积最大，为381.64 hm2，占总面积的83.41%。2017年末，全村总户数1 116户，总人口3 325人。全村地势西北高、东南低，由西北向东南倾斜，最高海拔为323 m，地形以丘陵为主，属中亚热带湿润气候区，四季分明，年均温度为17.9℃。多年平均降雨量为1 075 mm，雨水充沛且全村共有105个坑塘水面，为该村的农业发展提供充足水源。土壤主要为水稻土，遍布于全村缓坡地带。该村耕地的基底和综合质量较高且地形地貌多样，对于村域尺度下的高标准基本农田建设时序安排和整治模式分区具有典型的代表意义。

图1 玉皇村区位

1.2 数据来源

数据来源包括：(1) 空间数据:铜梁区2016年土地利用变更调查数据库、2016年铜梁区农用地分等成果、铜梁区基础地理数据、1∶50 000重庆市数字高程图(http :∥www.gscloud.cn /)等。空间数据均采用国家大地2000坐标系，经过格式转换、投影转化、坐标校正等过程后，转换为ArcGIS格式，最终实现数据统一。(2) 社会经济相关数据:重庆市统计年鉴(2017年)、铜梁区的统计年鉴(2017年)、重庆市土地利用总体规划(2006—2020年)。(3) 文字资料：铜梁区土地利用总体规划(2006—2020年)、铜梁区土壤志、土地整治项目汇总表、铜梁区农业经济报表等。(4) 补充调查数据：对于无法在网上直接查阅、难以从当地有关部门获取的数据，采取实地考察、问卷调查或者电话访问等手段进行资料收集。

2 研究方法

2.1 评价单元的确定

评价单元是评价对象的最小单元，单元内部的地形地貌、土壤和气候等自然特征和社会经济特征应相对均一[24]。目前已有关于高标准基本农田建设的研究，大多数从宏观和中观层面出发，以省域、市域和县域为研究尺度。本文从微观角度出发，以玉皇村耕地图斑为评价单元，精准评价该村耕地综合质量，并对村域内部耕地进行差别化管控与整治，提高精准性、可操作性和实践性，为建设美丽乡村提供科学支撑。

2.2 高标准基本农田建设时序安排

通过对玉皇村耕地自然禀赋、空间区位、社会经济以及景观形态等条件综合评价，利用理想点逼近法对该村高标准基本农田进行建设的时序安排。

2.2.1 评价指标体系构建 依据《高标准基本农田建设标准》这一纲领性文件提出的六点质量要求，以科学性、可行性、层次性、系统性和可比性为原则，从自然禀赋、空间区位、基础设施和景观形态条件4个维度构建高标准基本农田建设条件评价指标体系。

(1) 自然禀赋是耕地综合质量的基础，自然禀赋的优劣决定耕地生产能力高低，对提高农业产出效益有重要作用。最终选取坡度、地下水位、土壤剖面构型、有效土层厚度、pH值、有机质含量和距坑塘水面距离等8个指标反映耕地的自然禀赋。

(2) 基础设施条件可反映高标准基本农田建设设施配套能力和抗灾能力特性。本文选取灌溉保证率和排水体系健全程度两个指标反映该区域耕地基础设施条件和社会经济层面属性。

(3) 地理位置和道路通达度等耕作环境因素都将对村民土地利用行为产生一定影响[25]。因此，本文选入城镇中心影响度(距城镇中心的距离)，耕作距离(距居民点距离)以及道路通达度(距农村道路距离)3项因子进行量化分析，反映耕地在空间区位的适宜度。区位条件越优，农户耕作就越便利，可减少较多人力和运输成本，也可提高商品化率，提高农民社会经济效益产出。这3项因子数据可通过ArcGIS的近邻分析工具获取，由于均属于扩散型指标，因此采用衰减法赋值[26]。城镇中心影响度与耕作距离均计算点之间距离，采用指数衰减法赋值见式(1)；耕作便利程度是计算距线状要素距离，利用直线衰减法赋值见式(2)。线状指标影响半径可通过算数平均分割法得到，见式(4)：

(1)

Fi=Mi(1-r)

(2)

r=di/d

(3)

d=S/2L

(4)

式中：Fi是第i个评价单元作用分值；Mi是规模指数；r为相对距离；di为图斑至道路实际距离(m)；d为线状指标影响半径(m)；S为研究区域面积(m2)；L为路长(m)。

(4) 为提升耕地社会、经济和生态综合效益，需考虑更多景观形态因素，使得高标准基本农田建设更好地服务于构建山水林田湖生命共同体。因此本文选取集中连片程度、田块分维度和斑块面积形状指数作为反映耕地景观形态的指标。

集中连片度：耕地连片度反映图斑在空间邻近集中程度，集中连片程度越高，越有利于农业规模化、机械化经营，反映高标准基本农田“集中连片”质量要求。因田间道路和沟渠等现状地物阻碍耕地集中连片，本文采用GIS分析中的空间连片性计算法，对图斑10 m以内进行缓冲分析形成缓冲区，图斑面积阈值利用ArcGIS的自然分级功能确定，集中连片程度由缓冲区面积标准化处理后结果反映，标准化计算方法如下：

(5)

式中：q为连片度；s为耕地图斑缓冲区面积(hm2)。

田块分维度：田块分维度是不规则几何形状的非整数维度，是对耕地图斑形状复杂程度进行度量及反映的结果，为逆向指标。其反映田块形状规整程度，田块规整有利于农业机械耕作，且有助于强化乡村景观质量提升，满足乡村振兴战略要求。公式如下：

(6)

式中：P为图斑的周长(m)；A为图斑的面积(m2)；Fd为分维数；k为常数。

面积形状指数：图斑面积形状指数通过计算某一图斑形状与同样大小的圆或正方形之间的偏离程度来测算其形状复杂程度，在一定程度上反映了耕地景观质量高低。耕地图斑形状整齐有利于生产管理、田间排灌及机械化作业。结合玉皇村实际情况，本文选择以正方形为参照几何形状，进行图斑面积形状指数计算。图斑形状面积指数越大，越扁长、越复杂，景观质量越低。计算公式如下：

(7)

式中：S为斑块形状指数；P为图斑周长(m)；A为图斑面积(m2)。

2.2.2 指标无量纲处理 玉皇村耕地共有267个评价单元参与评价，连续性指标采用极值法进行无量纲化处理，不连续指标采用[0,100]赋值法处理，见表1。

表1 不连续性指标标准化分级

2.2.3 建设时序区域划分

(1) 构建标准化决策矩阵x：玉皇村耕地共有267个评价单元xi{i=1,2…,m}，16个指标xj{j=1,2…,n}参与评价，对数据进行标准化处理，组成规范化决策矩阵Xij：

(8)

(2) 综合确定指标权重。首先基于AHP模型计算获取各指标权重，其次采用熵权法对权重进行修正，最后结合主客观综合赋权方法，提高耕地质量评价合理性，实现数据科学客观化。综合赋权方法计算公式如下：

(9)

(3) 构造加权矩阵。由熵权法和层次分析法综合得出的指标权重gj=[g1,g2,g3，…，gn]与标准化矩阵相乘，从而构建加权矩阵R：

(10)

表2 指标权重

(11)

(5) 计算距离。在确定理想解的基础上，计算各评价单元与理想解之间的距离，计算见式12:

(12)

(6) 计算相对接近度(Cj)。衡量每一个评价单元与理想点相对接近程度，即根据现代农业发展需要，每一个耕地图斑被选为高标准基本农田建设对象的可行程度。

(13)

(7) 高标准基本农田建设时序分区。基于Cj大小对高标准基本农田建设进行排序，Cj越大，表明该耕地越满足高标准基本农田建设要求[28]。基于GIS标准分类法自然断点功能，将玉皇村耕地划分为3个建设时序区域，分别为近期、中期和远期建设区域。

2.3 高标准基本农田整治模式分类

补短板并制定差异化土地整治措施可补充高标准基本农田的后备资源，推动土地利用可持续发展[29]。划分土地整治模式取决于可改造或消除的限制因子，在土地整治工程中，坡改梯、田间道路建设、农田水利设施建设是较为普遍的3种整治模式。因此本研究从田水路林村角度出发，选取坡度、灌溉保证率、耕作距离作为核心的限制因子。基于自然分等功能，将各限制因子限制程度分别划为高中低3个等级，最后利用互斥矩阵形成如“高中低”的组合，见图2，经汇总分析实际上只有21种。土地整治难度主要取决于限制因子数量和限制程度。当耕地的限制因子数量相同时，因子种类和属性决定了耕地整治改造方向，从而决定了耕地整治模式。组合的划分结果如表3所示。

图2 限制因素分级

表3 耕地整治限制指标组合类型

耕地整治模式组合类型面积/hm2比例/%坡改梯工程高高高、高高低、高高中、高低高、高中高、高中中、高低低、高中低、高低中、中中低、中低中42.1619.82灌排设施建设低高低、低高中、中中中、中高低、中高中78.6936.99道路工程建设低低高、低中高、低低低、中低高、中中高91.9143.19

3 结果与分析

3.1 高标准基本农田建设时序安排

基于理想点逼近模型评价得到玉皇村耕地相对接近度在0.278 6～0.955 3，标准差为0.126 1，平均值为0.754 4，其中158个图斑相对接近度值大于平均值，面积为223.55 hm2，占玉皇村耕地总面积的58.58%。从以上结果可知，玉皇村耕地质量总体情况较好。通过对相对接近度进行排序，运用GIS空间分析技术中自然分等功能将玉皇村耕地质量评价结果划分为近期、中期和远期建设区3类，见图3和表4。其中，相对接近度为0.770 2～0.995 3的耕地所在区域为近期建设区，该区域耕地面积为80.29 hm2，占全村耕地面积的21.04%，主要分布在该村西北区域，其中以二、三、四、五组所占比例居多，耕地自然禀赋极佳、空间条件便利、生态良好以及基础设施完备，可以直接划入高标准基本农田范围，或者需要较少的投入。相对接近度为0.545 2～0.770 1的耕地所在区域为中期建设区域，该区域的耕地面积为212.76 hm2，占全村耕地面积的55.75%，主要分布在东部区域和南部区域，其中以7～15组居多。该类耕地虽然综合条件较好，但需采用措施手段对耕地进行综合整治，并增加较多资金投入以期达到建设标准，才可纳入高标准基本农田范围，此两类耕地均属于玉皇村高标准基本农田建设划定指标，面积为293.05 hm2。相对接近度为0.278 6～0.545 1的耕地所在区域为远期建设区域，该类耕地面积为88.59 hm2，占全村耕地面积的23.21%，零散分布于各组中，该类耕地地形起伏较大，土壤肥力低下，灌排体系不全，同时该类耕地本底适宜性差、整治工程量多，短期难以通过整治手段提高耕地质量，使其向机械化、规模化、产业化方向发展，可适当退耕还林提高景观功能。

图3 高标准基本农田建设时序分区

表4 高标准基本农田建设时序面积统计

建设时序区域面积/hm2比例/%主要分布区域近期建设区域80.2921.042～5组中期建设区域212.7655.757～15组远期建设区域88.5923.21零散分布

3.2 TOPSIS划定的科学性和可行性验证

本文基于TOPSIS模型，将293.05 hm2耕地划入高标准基本农田范围，占2016年铜梁区上级下达建设指标的0.56%。从铜梁区土地利用总体规划(2006—2020年)调整方案和修改方案可知(表5)，2012年玉皇村高标准基本农田建设指标为269.44 hm2，占铜梁区高标准基本农田建设指标的0.47%；2016年玉皇村高标准基本农田建设指标为241.22 hm2，占铜梁区高标准基本农田建设指标的0.46%。运用TOPSIS模型划定高标准基本农田建设数量远大于上级下达的指标，比例也高于实际玉皇村高标准基本农田建设指标比例，保证玉皇村高标准基本农田数量能够得到有效供给。从TOPSIS法的实证结果可以看出，玉皇村高标准基本农田数量和质量得到充分保障，证明该研究方法具有较强的科学性和可行性，为丘陵山区微观尺度高标准基本农田建设指标划定提供方法参考。

表5 高标准基本农田指标对比

3.3 整治区模式确定

针对不同限制程度的限制因素组合类型，玉皇村中期建设区域耕地被划分为3种整治模式类型，如图4所示。

图4 整治模式分区

类型区一：坡改梯整治区，以山坡地改造为梯田为主要内容的整治模式，该模式以坡度为主导限制，是提高水土保持特性和粮食生产量的有效措施。该类耕地面积为42.16 hm2，占建设区耕地总面积的19.82%，主要分布于七、十组，少量分布于八和十一组。主要的工程措施是坡改梯，同时要增加土壤改良治理和移土培肥等改良手段，注重土壤侵蚀和水土流失的防护治理，加快推进乡村治理体系和治理能力现代化。

类型区二：水利设施整治区，以完善农田水利设施建设为主要内容的整治模式，该模式以灌排设施完备度为主导限制，以在耕地周围建造一定数量的灌溉渠和排水沟等基础设施，是保证高标准基本农田设施配套、高产稳产的重要手段。该类耕地面积为78.69 hm2，占建设区耕地总面积的36.99%，主要分布一组和十二组，其余零散分布于319国道两侧。该区域坑塘水面可提供一定数量水源，但分布不均匀、数量较少以及灌排水利基础设施不完备等条件难以满足水源要求。主要的工程手段为建设更多灌溉排水设施，促进机械设施集成配套，提高耕地灌溉、排水条件，以达到高标准基本农田旱涝保收要求，加强农田水利基础设施建设力度，强化耕地质量保护和提升，为《乡村振兴战略规划》提出的2022年达到0.69亿hm2有效灌溉农田目标奠定基础。

类型区三：田间道路整治区，以完善交通便利条件为主要内容的整治模式，该模式以交通便利度为主导限制，在耕地周边修建田间道路，是提高耕作便利度和降低农产品运输成本的有效措施。该类耕地面积是91.91 hm2，占建设区耕地总面积的43.19%，主要分布九组、十三组、十四组和十五组。主要的工程措施是修建田间道和生产路等，通过空间区位优化布局，构建完善的交通运输体系，搭建一体化运作的农产品物流网络，提高耕作交通便利程度，促进社会、经济效益的产出。同时可在道路两旁种植防护林，保障生态系统稳定以及提高农村景观质量补充，以期进一步响应乡村振兴战略要求。

4 讨 论

(1) 本研究目的是提供一种村域等微观尺度下高标准基本农田建设时序安排方法，补充并完善该领域的尺度研究和理论体系。然而由于受到某些数据难以获取等客观因素影响，文章侧重于自然禀赋、基础设施、空间区位和景观形态等因素，未能兼顾政策等因素。从TOPSIS法的实证结果可以看出，玉皇村高标准基本农田数量和质量得到充分保障，证明该研究方法具有较强的科学性和可行性，为丘陵山区微观尺度高标准基本农田建设指标划定提供方法参考。但是建设布局结果还需与该区域的生态红线、城市开发边界、建设用地等限制要求结合，由于篇幅有限以及行政部门的相关数据难以获取，未能开展深入研究，这些问题将在以后的研究中进一步深化。

(2) 高标准基本农田的划定与建设工作涉及各行政单元利益博弈，具有显著多尺度特征。以村域为研究尺度，从微观角度出发，对单一尺度研究有较好创新，但与宏观、中观尺度的研究如何更有效衔接，实现不同尺度划定和建设工作协调、统一，是进一步需要研究的方向与重点。同时研究虽对玉皇村耕地进行全面科学的静态评估，但评价成果仅反映研究区耕地质量现状，难以把握未来耕地质量动态变化，具有一定滞后性，对高标准基本农田建设有一定影响。因此，运用现代“3S”技术实现耕地质量评价从静态评价向动态监测发展，提高耕地信息时效性和准确性，向智慧农田发展是未来的趋势。

5 结 论

(1) 近期建设区内的耕地面积为80.29 hm2，中期建设区内的耕地面积为212.76 hm2，远期建设内的耕地面积为88.59 hm2，其中坡改梯整治区的耕地面积为42.16 hm2，占建设区耕地总面积的19.82%，主要分布于七、十组；水利设施建设整治区的耕地面积为78.69 hm2，占建设区耕地总面积的36.99%，主要分布一组和十二组；田间道路整治区的耕地面积为91.91 hm2，占建设区耕地总面积的43.19%，主要分布九组、十三组、十四组和十五组。

(2) 以高标准基本农田建设要求为目标导向，基于理想点逼近法确定高标准基本农田建设时序，结合土地整治的一般规律与玉皇村地方性特点，提高了评价结果的应用性和科学性，完善了耕地质量评价方法体系。同时为丘陵山区的高标准基本农田建设布局以及土地整治提供了科学的理论借鉴与技术支持。

(3) 为更好对村域内部耕地进行差别化管控与整治，以村域为研究尺度，突破原有的宏观和中观尺度研究，落实地块建设并新增景观指标进行客观、全面评价，更注重数量、质量、生态“三位一体”保护。研究结果更具精准性和可操作性，为国家政策实施提供科学支撑。

(4) 论文直接划定近期建设的优质耕地为高标准基本农田，且对中期整治区域耕地进行整治模式划分，并采取相应整治措施手段，进一步完善了“评价—选址—建设—管控”系统的保护机制。