基于土地適宜性的耕地規(guī)劃CA模擬及驗(yàn)證

房阿曼，陳偉強(qiáng)，董霽紅※

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基于土地適宜性的耕地規(guī)劃CA模擬及驗(yàn)證

房阿曼1，陳偉強(qiáng)2，董霽紅1※

(1. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，徐州 221116；2. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，鄭州 450002)

為探究科學(xué)合理的耕地規(guī)劃方法，以河南省蘭考縣為例，從影響耕地規(guī)劃的適宜性、限制性及競(jìng)爭(zhēng)性3個(gè)方面對(duì)土地適宜性進(jìn)行分析，并運(yùn)用CA（cellular automata）模擬系統(tǒng)，模擬2020年蘭考縣指標(biāo)控制下的耕地規(guī)劃情況。結(jié)果表明，蘭考縣2020年耕地面積為76 411.32 hm2，其中因城鎮(zhèn)發(fā)展導(dǎo)致耕地面積減少226.44 hm2，村莊、內(nèi)陸灘涂及果園等其他土地轉(zhuǎn)化為耕地的面積為8 227.13 hm2。結(jié)合耕地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量上模擬規(guī)劃的耕地高于現(xiàn)行的土地利用規(guī)劃中的耕地，空間分布上同時(shí)避開(kāi)城鎮(zhèn)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)及其他因素的影響，具有穩(wěn)定性。該研究為管理者制定耕地規(guī)劃提供重要的方法參考。

土地利用；整治；模型；耕地規(guī)劃；土地適宜性；CA模擬系統(tǒng)；規(guī)劃模擬；蘭考縣

0 引 言

耕地問(wèn)題是政府和社會(huì)各界廣泛關(guān)注的問(wèn)題。現(xiàn)階段土地利用總體規(guī)劃的模式是“指標(biāo)約束+分區(qū)控制”，目標(biāo)是保證耕地總量不減少，但經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，一些省份耕地保有量等指標(biāo)下達(dá)不盡合理[1]，且隨著工業(yè)化、城市化的發(fā)展，建設(shè)用地占用耕地指標(biāo)已嚴(yán)重不足[2]，耕地占補(bǔ)平衡制度的實(shí)施一定程度上也會(huì)由于自然條件等因素帶來(lái)耕地質(zhì)量的下降，導(dǎo)致省相關(guān)部門(mén)不得不對(duì)土地利用總體規(guī)劃做出相應(yīng)調(diào)整。因此，如何合理的規(guī)劃耕地，規(guī)避城鎮(zhèn)發(fā)展、生態(tài)用地及其他地類因素的影響，保證規(guī)劃的耕地在滿足目標(biāo)數(shù)量的前提下，實(shí)現(xiàn)耕地的高質(zhì)量及空間分布的穩(wěn)定性是現(xiàn)階段亟需探究的問(wèn)題。

耕地規(guī)劃是土地利用規(guī)劃的重要組成部分。由于社會(huì)制度、土地產(chǎn)權(quán)及土地基本國(guó)情等的差異性導(dǎo)致世界各國(guó)土地利用規(guī)劃的方法不盡相同。聯(lián)合國(guó)糧食與農(nóng)業(yè)組織（FAO）指出土地評(píng)價(jià)是規(guī)劃方案編制和選擇的科學(xué)基礎(chǔ)。美國(guó)采用公眾參與方法，運(yùn)用地理信息系統(tǒng)技術(shù)、遙感和自動(dòng)制圖等現(xiàn)代空間分析技術(shù)及制圖工具完成規(guī)劃編制的分析及方案的調(diào)整。英國(guó)通過(guò)土地測(cè)量提出土地利用規(guī)劃的方針、政策及發(fā)展框架[3-6]。中國(guó)對(duì)于土地利用規(guī)劃方法的研究集中在目標(biāo)的合理性及規(guī)劃的技術(shù)方面[7-12]，灰色預(yù)測(cè)、多目標(biāo)決策、元胞自動(dòng)機(jī)模型及地理信息系統(tǒng)作為常用的規(guī)劃預(yù)測(cè)模型及技術(shù)[13-26]，只能單一模擬未來(lái)土地利用在數(shù)量上或空間上的變化，并不能模擬規(guī)劃目標(biāo)數(shù)量控制下未來(lái)各類用地在空間上的合理分布。CA（cellular automata）模擬系統(tǒng)從“自下而上”的角度出發(fā)，在實(shí)現(xiàn)規(guī)劃目標(biāo)控制的前提下，從土地適宜性出發(fā)，結(jié)合城鎮(zhèn)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)，模擬未來(lái)耕地空間分布狀況，為耕地的規(guī)劃提供新的思路及方法。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

蘭考縣位于河南省東北部，地處豫東平原，具體位置見(jiàn)圖1所示；作為農(nóng)業(yè)大縣，2009年全縣耕地面積為68 410.43 hm2，占土地總面積的62.01%，其中水田、水澆地、旱地的面積分別為2 700.74、65 691.29、18.40 hm2。主要農(nóng)作物有小麥、玉米、大豆、花生等，糧、棉、油產(chǎn)量居全國(guó)百?gòu)?qiáng)，是全國(guó)商品糧基地縣，也是全國(guó)唯一“超級(jí)小麥育種示范推廣基地”，被確定為河南省平原綠化高級(jí)標(biāo)準(zhǔn)縣，享有環(huán)境綜合治理優(yōu)秀縣城稱號(hào)。2016年，全縣生產(chǎn)總值257.6億元，工業(yè)呈加速發(fā)展趨勢(shì)，第三產(chǎn)業(yè)也有了進(jìn)一步發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

土地利用總體規(guī)劃期限為15 a，為保證模擬基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及模擬時(shí)間間隔接近規(guī)劃期限，選取蘭考縣2009年土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)為模擬基期數(shù)據(jù)，并結(jié)合《土地利用總體規(guī)劃（2010-2020年）》、2011年耕地地力評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)、2009-2014年蘭考縣統(tǒng)計(jì)年鑒、《城市總體規(guī)劃（2013-2030年）》及第二次土壤普查數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)位置圖

2 CA模擬系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

本文主要研究指標(biāo)控制下的耕地規(guī)劃分布狀況。土地是否規(guī)劃作為耕地，主要考慮土地的自然條件及空間分布狀況，即土地作為耕地的適宜性。本研究通過(guò)耕地自然條件適宜性、空間限制性及競(jìng)爭(zhēng)性3個(gè)影響因素對(duì)土地進(jìn)行適宜性分析，并以此作為元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則，以規(guī)劃指標(biāo)作為規(guī)模約束條件，采用最優(yōu)概率選擇策略，建立CA模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)耕地規(guī)劃模擬。

耕地規(guī)劃CA模擬系統(tǒng)基于ArcGIS10.2平臺(tái)，利用Python語(yǔ)言，結(jié)合Arcpy與Numpy類庫(kù)，開(kāi)發(fā)CA模擬系統(tǒng)腳本工具，作為ArcGIS的ArcToolbox工具使用，模型腳本工具界面如圖2所示。工具共設(shè)有5個(gè)參數(shù)，含義與功能分別為：

圖2 CA模擬系統(tǒng)界面

1）土地適宜性圖層：土地的適宜性柵格圖層，功能是定義耕地元胞狀態(tài)轉(zhuǎn)變的規(guī)則。

2）土地限制性圖層：土地限制性柵格圖層，柵格取值為1或0，分別表示限制區(qū)和無(wú)限制，功能是定義耕地規(guī)劃的空間約束。

3）競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)圖層：地類競(jìng)爭(zhēng)柵格圖層，柵格取值為1或0，分別表示有競(jìng)爭(zhēng)和無(wú)競(jìng)爭(zhēng)，功能是定義地類演變的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

4）規(guī)模指標(biāo)（元胞數(shù)）：耕地規(guī)模與元胞實(shí)地大小之比，取整數(shù)，功能是定義耕地規(guī)劃的數(shù)量指標(biāo)約束。

5）輸出結(jié)果：輸出文件名，功能是定義元胞自動(dòng)機(jī)模擬結(jié)果存放路徑和文件名。

3 耕地適宜性分析

3.1 耕地適宜性綜合分析

本文對(duì)于耕地的適宜性綜合分析，主要從耕地適宜性及空間鄰域適宜性2方面考慮。能否規(guī)劃為耕地的前提是土壤的質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)、有效土層厚度、灌溉保證率等自然條件適宜作為耕地[27-28]，這是耕地的基本條件；同時(shí)耕地規(guī)劃受其他用地類型，尤其是城鎮(zhèn)建設(shè)用地變化的影響。城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)張主要是在城鎮(zhèn)周邊地區(qū)，因此對(duì)耕地變化的影響較大，將空間鄰域適宜性作為耕地適宜性的評(píng)價(jià)要素，能降低劃定的耕地在未來(lái)受建設(shè)用地變化影響程度，保證耕地的空間穩(wěn)定性。

3.1.1 耕地適宜性評(píng)價(jià)

1）評(píng)價(jià)單元的劃分 評(píng)價(jià)單元具有明顯的界線，是耕地適宜性評(píng)價(jià)最小且最基本的單元。本文用ArcGIS將蘭考縣整個(gè)區(qū)域面積劃為100 m×100 m的柵格，即每個(gè)柵格作為一個(gè)評(píng)價(jià)單元，這樣降低了主觀性，提高數(shù)據(jù)的精度。

2）評(píng)價(jià)因子選擇及權(quán)重確定 影響耕地適宜性的因素很多，本文結(jié)合蘭考縣的實(shí)際情況，選取影響耕地適宜性的評(píng)價(jià)因素，歸納為3個(gè)方面的指標(biāo)：立地條件，包括土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)、有效土層厚度、灌溉保證率4個(gè)指標(biāo)；耕作便利度，包括到道路的距離、到村莊的距離2個(gè)指標(biāo)；地塊適宜性，包括坡度、現(xiàn)狀地類2個(gè)指標(biāo)。權(quán)重的計(jì)算采用特爾斐法和層次分析法相結(jié)合，通過(guò)建立層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)造判斷矩陣及一致性檢驗(yàn)，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重（表1）。

表1 耕地適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)分值化標(biāo)準(zhǔn)及權(quán)重

注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為各指標(biāo)隸屬度。

Note: Values in parentheses are the index membership degree.

3）評(píng)價(jià)指標(biāo)量化處理 分值化標(biāo)準(zhǔn)中，土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)及灌溉保證率采用2011年蘭考縣耕地地力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，有效土層厚度、距道路距離、距村莊距離及現(xiàn)狀地類的標(biāo)準(zhǔn)則通過(guò)專家討論得到（表1）。

①土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)、有效土層厚度、灌溉保證率、土壤質(zhì)地和有效土層厚度從第二次土壤普查資料中獲取，范圍覆蓋全域，土壤有機(jī)質(zhì)通過(guò)空間插值法得到，灌溉保證率是從耕地地力評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)中灌溉分區(qū)圖提取得到，其中土壤有機(jī)質(zhì)、灌溉保證率空間分布圖見(jiàn)圖3。利用ArcGIS對(duì)指標(biāo)依據(jù)表1進(jìn)行相應(yīng)的分值化處理，制成100 m×100 m單因子?xùn)鸥駡D。

②到道路的距離、到村莊的距離從2009年蘭考縣土地利用現(xiàn)狀圖中提取線狀公路、村莊，對(duì)道路、村莊的距離分析如圖3所示。運(yùn)用ArcGIS空間分析功能進(jìn)行距離分析，依據(jù)表1進(jìn)行分值化處理，制成100 m×100 m單因子?xùn)鸥駡D。

圖3 部分評(píng)價(jià)因子及綜合評(píng)價(jià)結(jié)果圖

③坡度、現(xiàn)狀地類坡度圖來(lái)源于地理空間數(shù)據(jù)云下載的Slope數(shù)據(jù)，現(xiàn)狀地類以2009年土地利用現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)，參考表1對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分值化處理，制成100 m× 100 m單因子?xùn)鸥駡D。

④ 耕地適宜性評(píng)價(jià) 運(yùn)用ArcGIS對(duì)多因子進(jìn)行加權(quán)求和，通過(guò)計(jì)算得到，耕地適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果的分值是從0.46～0.91之間的連續(xù)變化值。同時(shí)，本次針對(duì)耕地的適宜性評(píng)價(jià)是全域覆蓋的，這樣在進(jìn)行元胞自動(dòng)機(jī)模擬時(shí)，可以進(jìn)行全域搜索。

3.1.2 空間鄰域適宜性評(píng)價(jià)

運(yùn)用ArcGIS對(duì)2009年土地利用現(xiàn)狀圖轉(zhuǎn)化為100 m× 100 m的柵格圖層，然后進(jìn)行重分類，城鎮(zhèn)建設(shè)用地為1，其他各類用地為0；對(duì)2009年土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行3×3像元鄰域分析[29]，得到城鎮(zhèn)建設(shè)用地鄰域圖，如圖3所示。對(duì)鄰域適宜性進(jìn)行評(píng)價(jià)，土地單元3×3鄰域窗口內(nèi)的城鎮(zhèn)建設(shè)用地單元數(shù)越多，評(píng)價(jià)得分越低，單元數(shù)越少，評(píng)價(jià)得分越高，評(píng)價(jià)得分在0～0.9之間。城鎮(zhèn)建設(shè)用地影響下的耕地適宜性，距城鎮(zhèn)越近的地類元胞，耕地適宜性越低，轉(zhuǎn)化為耕地的概率越小，距城鎮(zhèn)越遠(yuǎn)，地類元胞的耕地適宜性越高，轉(zhuǎn)化為耕地的概率越大。

根據(jù)耕地適宜性及空間鄰域適宜性的評(píng)價(jià)結(jié)果，考慮因素的影響程度及重要性，結(jié)合專家打分法，對(duì)影響耕地適宜性綜合評(píng)價(jià)的兩個(gè)因素權(quán)重賦值，其中耕地適宜性權(quán)重為0.8，空間鄰域適宜性權(quán)重為0.2，運(yùn)用ArcGIS空間分析，對(duì)兩個(gè)因素加權(quán)求和得到耕地適宜性綜合評(píng)價(jià)得分在0.49～0.90之間，從圖3耕地適宜性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果圖中看出，現(xiàn)狀為城鎮(zhèn)建設(shè)用地的適宜性得分偏低，因?yàn)槌擎?zhèn)建設(shè)用地作為耕地的適宜性較低，且在空間分布上，不適宜轉(zhuǎn)化為耕地；西北部地區(qū)，由于土地利用現(xiàn)狀為河流，不適宜作為耕地，因此耕地適宜性綜合評(píng)價(jià)得分較低。

3.2 限制性約束分析

3.2.1 城鎮(zhèn)發(fā)展區(qū)條件約束

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增加，建設(shè)用地的需求量也在不斷增加，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)張是當(dāng)前土地利用變化的主要特征，城鎮(zhèn)建設(shè)用地的擴(kuò)張與耕地保護(hù)之間存在著很大的矛盾。在保護(hù)耕地的同時(shí)，需要滿足不斷增加的人口對(duì)建設(shè)用地的需求。因此，對(duì)于城鎮(zhèn)規(guī)劃發(fā)展區(qū)，要作為耕地變化的空間限制條件。將蘭考縣城市總體規(guī)劃（2013—2020年）矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為100 m×100 m柵格圖層，然后進(jìn)行重分類，鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展區(qū)為1，表示對(duì)耕地空間發(fā)展有約束；其他地區(qū)為0，對(duì)耕地發(fā)展沒(méi)有約束。

3.2.2 生態(tài)條件約束

1）黃河及蘭考縣境內(nèi)的其他河流水系，不僅提供居民生活飲水、農(nóng)業(yè)灌溉用水及工業(yè)用水，而且具有調(diào)蓄洪水和凈化水質(zhì)等功能[30-31]，因此，要嚴(yán)格保護(hù)蘭考縣具有生態(tài)功能的河流，保證居民生產(chǎn)生活正常用水，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及重分類，生態(tài)河流為1，限制其轉(zhuǎn)化為耕地；其他非河流水系為0，對(duì)耕地發(fā)展無(wú)限制。

2）泡桐作為蘭考縣的主要林地，發(fā)揮重要的生態(tài)服務(wù)價(jià)值。蘭考縣的生態(tài)環(huán)境曾遭受風(fēng)沙、澇漬、鹽堿危害，泡桐具有生長(zhǎng)速度快、生命力頑強(qiáng)，能夠在極其貧瘠的土壤中成活的優(yōu)點(diǎn)，成為綠色屏障，尤其靠近河流的泡桐更具有防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、保持水土的作用，有效地阻擋了風(fēng)沙，改善了農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境，提高糧食產(chǎn)量。因此，靠近河流的林地雖然評(píng)價(jià)具有耕地適宜性的特點(diǎn)，但其生態(tài)功能價(jià)值遠(yuǎn)大于作為耕地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)價(jià)值，根據(jù)蔣琛、徐有鋼等關(guān)于河流生態(tài)環(huán)境敏感性分析研究表明，河流生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)分布在距離河流20～50 m的緩沖區(qū)內(nèi)[32-33]，依據(jù)蘭考縣綠地系統(tǒng)規(guī)劃，并結(jié)合蘭考縣林地分布現(xiàn)狀，以50 m距離為閾值，運(yùn)用ArcGIS對(duì)河流圖斑且在面外部做緩沖區(qū)分析，在2009年土地利用現(xiàn)狀圖中選擇與緩沖區(qū)相交的林地作為生態(tài)林地，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及重分類，生態(tài)林地為1，限制轉(zhuǎn)化為耕地；其他非生態(tài)林地為0，對(duì)耕地發(fā)展無(wú)限制。

3.2.3 地類條件約束

土地利用現(xiàn)狀地類中，鐵路、公路、風(fēng)景名勝、水工建筑及建制鎮(zhèn)用地在未來(lái)不會(huì)轉(zhuǎn)化為耕地，因此作為限制條件。對(duì)2009年蘭考縣土地利用現(xiàn)狀圖進(jìn)行轉(zhuǎn)換及重分類，鐵路、公路、風(fēng)景名勝、水工建筑及建制鎮(zhèn)用地為1，對(duì)耕地發(fā)展有約束；其他地類為0，對(duì)耕地發(fā)展無(wú)約束。

3.3 競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)分析

在本文開(kāi)發(fā)的CA模擬系統(tǒng)中，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)是重要的元胞演變規(guī)則?！吨腥A人民共和國(guó)土地管理法》第四十二條中明確提出復(fù)墾的土地當(dāng)優(yōu)先用于農(nóng)業(yè)，這充分落實(shí)了最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度。作為土地利用總體規(guī)劃中的允許建設(shè)區(qū)，是指城鄉(xiāng)建設(shè)用地規(guī)模邊界所包含的范圍，是規(guī)劃期內(nèi)新增城鎮(zhèn)、工礦、村莊建設(shè)用地規(guī)劃選址的區(qū)域，也是規(guī)劃確定的城鄉(xiāng)建設(shè)用地指標(biāo)落實(shí)到空間上的預(yù)期用地區(qū)，因此，不能轉(zhuǎn)化為耕地的允許建設(shè)區(qū)轉(zhuǎn)化為其他地類具有優(yōu)勢(shì)；而作為有條件建設(shè)區(qū)、限制建設(shè)區(qū)及禁止建設(shè)區(qū)轉(zhuǎn)化為其他地類的優(yōu)勢(shì)較弱。根據(jù)分析，對(duì)規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)中的建設(shè)用地管制圖層進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及重分類，其中允許建設(shè)區(qū)為1，轉(zhuǎn)化為其他地類具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，其他建設(shè)區(qū)為0，轉(zhuǎn)化為其他地類無(wú)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

4 耕地規(guī)劃模擬

4.1 基于CA模擬系統(tǒng)的耕地規(guī)劃模擬

根據(jù)土地適宜性分析結(jié)果，得到適宜性、限制性以及競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)3個(gè)柵格圖層參數(shù)，根據(jù)蘭考縣2020年耕地規(guī)劃指標(biāo)為76 411.32 hm2，作為模擬系統(tǒng)的規(guī)?？刂浦笜?biāo)。由于本文劃分的元胞柵格為100 m′100 m，因此，每個(gè)元胞柵格為10 000 m2，所以將研究的元胞規(guī)模指標(biāo)設(shè)置為76 412個(gè)。經(jīng)元胞自動(dòng)機(jī)的迭代計(jì)算，得到2020年的耕地規(guī)劃分布圖，如圖4所示。

圖4 2020年耕地模擬結(jié)果

經(jīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2020年模擬的耕地總規(guī)模為76 412個(gè)元胞。由于每個(gè)元胞柵格面積為10 000 m2，因此，模擬2020年蘭考縣耕地總面積為76 412 hm2，即滿足2020年76 411.32 hm2的耕地規(guī)劃指標(biāo)。從圖中地類空間分布可以看出，通過(guò)元胞轉(zhuǎn)換規(guī)則的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)了2020年蘭考縣河流及部分林地作為生態(tài)用地的目標(biāo)，并沒(méi)有轉(zhuǎn)化為耕地，體現(xiàn)了生態(tài)用地及城鎮(zhèn)發(fā)展變化對(duì)耕地規(guī)劃的限制性影響；城鎮(zhèn)建設(shè)用地基本上作為非耕地存在，因?yàn)閺母剡m宜性及空間鄰域性因素考慮，建設(shè)用地不適宜作為耕地；作為2020年土地利用總體規(guī)劃的允許建設(shè)區(qū)轉(zhuǎn)化為其他地類具有優(yōu)勢(shì)。

4.2 模擬結(jié)果分析

為了研究2020年耕地結(jié)構(gòu)變化，將2020年模擬結(jié)果與2009年土地利用現(xiàn)狀疊加，分析耕地的增減變化如表2所示。分析表2得到，與2009年相比，2020年蘭考縣耕地面積增加了8 000.69 hm2。其中，有8 227.13 hm2其他土地轉(zhuǎn)化為耕地，且主要由村莊、內(nèi)陸灘涂及果園等地類轉(zhuǎn)化而來(lái)。由于城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)劃，建設(shè)用地占用耕地，使得2020年蘭考縣水田、水澆地及旱地總面積相比較2009年減少226.44 hm2。

從耕地的自然條件角度考慮，村莊通過(guò)空心村整治，節(jié)約的土地能夠滿足作為耕地需要的灌溉、質(zhì)地等自然條件，土地的適耕性較好；內(nèi)陸灘涂作為耕地后備資源具有較好的土壤質(zhì)地及水源條件，耕地適宜性較好，轉(zhuǎn)化為耕地的可能性比較大。因此，從2020年轉(zhuǎn)化為耕地的地類可以看出，此次耕地變化的模擬結(jié)果更好的考慮了土地的適耕性的自然條件。

表2 2020年模擬耕地與2009年土地利用現(xiàn)狀疊加分析

4.3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

土地適宜性CA模擬規(guī)劃的耕地是否能滿足預(yù)期的目標(biāo)，需要對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)模擬結(jié)果的驗(yàn)證主要是對(duì)模擬的耕地及現(xiàn)行規(guī)劃的耕地進(jìn)行質(zhì)量差異性分析，耕地的質(zhì)量主要體現(xiàn)在適宜性評(píng)價(jià)結(jié)果中。通過(guò)ArcGIS的分析統(tǒng)計(jì)功能，分別統(tǒng)計(jì)模擬耕地和現(xiàn)行規(guī)劃中耕地的適宜性評(píng)價(jià)分值狀況，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 耕地適宜性評(píng)價(jià)分值對(duì)比分析

從表3中平均值看出，模擬的耕地適宜性評(píng)價(jià)得分平均值為0.77，現(xiàn)行規(guī)劃耕地適宜性得分平均值為0.73，低于模擬的平均值，說(shuō)明用本次元胞自動(dòng)機(jī)模擬的耕地，土地適宜性分值高于現(xiàn)行規(guī)劃中的耕地。從最小值、最大值和標(biāo)準(zhǔn)差3個(gè)指標(biāo)可以看出，模擬耕地的自然基礎(chǔ)條件較高于現(xiàn)行規(guī)劃中耕地的現(xiàn)狀，且狀況更加均一。因此，用本文開(kāi)發(fā)的土地適宜性CA模擬系統(tǒng)進(jìn)行土地利用總體規(guī)劃中的耕地模擬，可以得到更優(yōu)的結(jié)果。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)土地進(jìn)行適宜性分析，運(yùn)用土地適宜性CA模擬系統(tǒng)對(duì)河南省蘭考縣2020年的耕地規(guī)劃進(jìn)行模擬，得到如下結(jié)論：

1）蘭考縣耕地適宜性綜合評(píng)價(jià)得分在0.49～0.90之間，其中城鎮(zhèn)建設(shè)用地區(qū)及西北部的河流區(qū)域適宜性得分偏低，不適宜作為耕地。

2）對(duì)耕地規(guī)劃模擬結(jié)果進(jìn)行分析得到：2020年耕地空間分布基本上避開(kāi)城鎮(zhèn)發(fā)展、河流及林地生態(tài)用地及其他地類因素的影響；數(shù)量上有226.44 hm2的耕地變?yōu)槠渌玫兀? 227.13 hm2的其他土地轉(zhuǎn)變?yōu)楦?，主要由村莊、內(nèi)陸灘涂及果園等地類轉(zhuǎn)化而來(lái)。

3）對(duì)耕地規(guī)劃模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證得到：通過(guò)CA模擬系統(tǒng)模擬規(guī)劃的耕地在質(zhì)量及自然基礎(chǔ)條件方面都高于現(xiàn)行規(guī)劃的耕地。

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CA simulation and verification of cultivated land planning based on land suitability

Fang Aman1, Chen Weiqiang2, Dong Jihong1※

(1.221116,;2.450002,)

CA simulation system of cultivated land planning can be used for planning cultivated land scientifically and rationally, so as to provide a reference for managers to make the general land use planning. Indices constraining and partitions controlling, as the existing pattern of general land use planning, is to ensure the total amount stable of cultivated land. However, phenomenon such as the unreasonable index of land quantity, the inadequate index of building land occupation, and the decline of cultivated land quality from ‘Dynamic Balance of Total Amount of Cultivated Land’, leads to the relevant departments cannot but make adjustments to the planning. Previous research of cultivated land is mainly focused on its protection, evaluation as well as change. There is a little literature on cultivated land planning. CA simulation system is a user-defined tool of ArcGIS, which is easy to be invoked in Geographic Information System (GIS). In the CA simulation system, the land suitability and planning indicators are taken as the cell transformation rule and constraint condition respectively, and optimal probability is used to select strategy. The paper taking Lankao County in Henan Province as example, selected the natural factors which affect the distribution of cultivated land, including soil texture, soil organic matter, effective thickness of soil layer, irrigation guarantee rate, distance to roads, distance to villages and slope; the ecological limiting factors of river and forest land that restrict the spatial distribution of cultivated land; and competitive factors for the conversion of other land to cultivated land from the three aspects of suitability, limitation and competition. Delphi method and expert scoring method were applied to calculating the weights of those factors. The evaluation score of cultivated land suitability is 0.46-0.91, while that of land suitability is 0.49-0.90 combining with spatial neighborhood analysis. The research result shows that in 2020 the area of cultivated land in Lankao County will increase by 8 000.69 hm2and reach to 76 411.32 hm2by overlaying with the land use status map in 2009. Because the urban development made the area of cultivated land decreased by 226.44 hm2, while the utilization conversion of village, inland beach, orchard land and other land made the area of cultivated land increased by 8 227.13 hm2. The results show that the quality of cultivated land in 2020 is relatively higher than that of the cultivated land in current land use planning, and the space distribution is stable by avoiding the town development, ecological protection and other factors. The study has important guiding significance for the future land planning.

land use; consolidation; models; cultivated land planning; land suitability; CA simulation system; planning simulation; Lankao County

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.030

F301.23

A

1002-6819(2017)-08-0219-07

2016-08-29

2017-03-28

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51374208）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41501189）

房阿曼（漢族），女，河南鄧州人，博士生，主要從事礦山生態(tài)與景觀生態(tài)規(guī)劃方面的研究。徐州中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，221116。Email：fangaman123@163.com

董霽紅（漢族），女，山西芮城人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事礦山生態(tài)與景觀生態(tài)規(guī)劃方面的研究。徐州中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，221116。Email：dongjihong@cumt.edu.cn