基于“質(zhì)量-產(chǎn)出-效率”的遼寧省耕地利用分區(qū)

張紅梅，宋 戈，王思琢

基于“質(zhì)量-產(chǎn)出-效率”的遼寧省耕地利用分區(qū)

張紅梅，宋 戈※，王思琢

（東北大學(xué) 文法學(xué)院土地管理研究所，沈陽 110169）

耕地利用分區(qū)是引導(dǎo)區(qū)域耕地未來發(fā)展方向的重要依據(jù)，保證區(qū)片空間的連通是增強(qiáng)耕地利用分區(qū)管理可實(shí)施性的關(guān)鍵。以遼寧省為研究區(qū)，采用兩維圖論聚類和GIS空間分析相結(jié)合的方法，基于耕地利用“質(zhì)量-產(chǎn)出-效率”的分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行耕地利用綜合分區(qū)，并探究各分區(qū)耕地利用方向。結(jié)果表明：1）研究區(qū)各縣（市）耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平和利用效率之間存在一定空間差異，高值區(qū)主要分布于遼寧中部和北部地區(qū)，低值區(qū)主要分布在遼寧東部和南部，西部地區(qū)耕地利用狀況參差不齊；2）將遼寧省劃分為遼西糧食生產(chǎn)及生態(tài)保護(hù)區(qū)、遼中耕地綜合開發(fā)先導(dǎo)區(qū)、遼東水田及特色農(nóng)業(yè)種植區(qū)、遼南耕地效率及產(chǎn)能挖掘區(qū)和遼中南耕地利用轉(zhuǎn)型升級區(qū)5個(gè)耕地利用區(qū)；3）兩維圖論聚類和GIS空間分析相結(jié)合的分區(qū)方法有效保證了耕地利用分區(qū)相鄰單元空間上的連通性和行政區(qū)界的完整性，對于耕地利用分區(qū)具有較好的適用性。研究結(jié)果有利于耕地利用分區(qū)的統(tǒng)一管理和實(shí)施，對綜合引導(dǎo)區(qū)域耕地利用方向具有一定參考作用。

土地利用；分區(qū)；耕地；兩維圖論聚類；遼寧省

0 引 言

耕地分區(qū)利用是中國土地利用管理的關(guān)鍵內(nèi)容，是國土空間規(guī)劃編制和耕地利用政策差別化實(shí)施的重要依據(jù)[1]。耕地作為人類賴以生存的稀缺資源，對于保障中國糧食安全和社會穩(wěn)定具有重要戰(zhàn)略地位，特別是對于東北糧食主產(chǎn)區(qū)而言，耕地的科學(xué)利用與管理顯得尤為重要。受氣候、政策、開墾的綜合作用影響，東北地區(qū)耕地利用表現(xiàn)出區(qū)域內(nèi)的相似性和區(qū)域間的差異性特點(diǎn)[2-3]。實(shí)施耕地的差別化和統(tǒng)一化管理對于耕地提質(zhì)增效具有重要意義，而分區(qū)是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的重要手段之一。科學(xué)確定耕地利用分區(qū)，因地制宜地引導(dǎo)不同區(qū)域耕地利用方向，對于緩解耕地保護(hù)壓力、提升耕地價(jià)值、指導(dǎo)區(qū)域空間有序開發(fā)等[4]具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

耕地利用分區(qū)是指根據(jù)耕地利用在某些方面表現(xiàn)出的差異性和相似性，以特定目標(biāo)為導(dǎo)向?qū)σ欢▍^(qū)域內(nèi)耕地利用進(jìn)行分區(qū)劃分的過程。目前，耕地利用分區(qū)相關(guān)研究主要集中于耕地集約利用分區(qū)[5-6]、耕地后備資源利用分區(qū)[7]、耕地利用類型分區(qū)[8]、耕地保護(hù)分區(qū)[9-11]以及基于耕地質(zhì)量[12-14]、耕地產(chǎn)能[15]和耕地生產(chǎn)力[16]的耕地利用分區(qū)等，多側(cè)重于從耕地利用集約度、質(zhì)量、數(shù)量、產(chǎn)能等要素入手進(jìn)行分區(qū)。在研究方法上，一般運(yùn)用熵值法、層次分析法、模糊數(shù)學(xué)法、綜合指數(shù)法或多因素綜合評判法等針對某目標(biāo)進(jìn)行耕地利用評價(jià)，以多指標(biāo)的評價(jià)量化結(jié)果為分區(qū)基礎(chǔ)，結(jié)合區(qū)域特征進(jìn)行分區(qū)，或基于量化結(jié)果運(yùn)用疊加分析法、比較分析法、聚類分析法、空間自相關(guān)分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等確定耕地利用分區(qū)。已有研究多側(cè)重于對耕地利用分區(qū)要素及指標(biāo)的選擇，往往忽略了耕地利用分區(qū)單元之間的空間連通性，保證分區(qū)空間的連續(xù)性和行政區(qū)劃的完整性是決定分區(qū)結(jié)果好壞的關(guān)鍵因素[17]，直接影響耕地利用分區(qū)管理效果，如何采用科學(xué)的分區(qū)方法兼顧分區(qū)單元之間的差異性、相似性和空間連通是亟待解決的問題?；趫D論最小樹法的兩維圖論聚類分區(qū)方法在考慮分區(qū)單元之間差異性和一致性的同時(shí)，有效保證分區(qū)單元的鄰接性，使分區(qū)空間的連通成為可能，對于耕地利用分區(qū)的統(tǒng)一管理十分必要，該方法在土地利用管理[18]、作物估產(chǎn)[19]、農(nóng)村居民點(diǎn)整合[20]和交通分區(qū)[21]方面均有體現(xiàn)，但將兩維圖論聚類運(yùn)用于耕地利用分區(qū)的研究尚不多見?？h（市）是中國土地利用管理與規(guī)劃的基層行政單位，是保證耕地利用政策有效實(shí)施的最直接操作層[22]，以縣（市）為耕地利用單元的兩維圖論聚類分區(qū)可充分考慮相鄰縣（市）的空間關(guān)聯(lián)性和區(qū)片效應(yīng)，有利于耕地利用的統(tǒng)一管理。鑒于此，本文以遼寧省為研究區(qū)，以縣（市）為耕地利用分區(qū)單元，從多層次角度選取分區(qū)要素，運(yùn)用兩維圖論聚類和GIS空間分析相結(jié)合的方法進(jìn)行耕地利用分區(qū)，并結(jié)合遼寧省主體功能區(qū)規(guī)劃成果，對各耕地利用分區(qū)發(fā)展方向提出宏觀性戰(zhàn)略指導(dǎo)，對于增強(qiáng)耕地利用分區(qū)的綜合性和可實(shí)施性具有重要實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

遼寧省位于中國東北地區(qū)南部，介于東經(jīng)118°53'至125°46'，北緯38°43'至43°26'之間，土地總面積為14.84×104km2。2015年，遼寧省耕地總面積為49 774.04 km2，占土地總面積的33.54%，人均占有耕地約0.113 6 hm2。遼寧省地貌分異明顯，地勢呈自北向南，自東西兩側(cè)向中部傾斜特點(diǎn)，東部和西部地區(qū)為山地丘陵區(qū)，中部為下遼河平原區(qū)，3個(gè)區(qū)地貌界線清楚，耕地利用區(qū)域差異顯著。受地形影響，遼寧省耕地集中分布于中部平原地區(qū)，零星分布于西部和東部山地丘陵地區(qū)。其中旱地、水田和水澆地占耕地總面積比例依次為82.96%、13.53%和3.51%。水田集中分布于遼寧中部和東南部平原地區(qū)，旱地集中分布于遼寧中部和南部平原地區(qū)。

遼寧省是中國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)和經(jīng)濟(jì)、交通樞紐，是東北振興戰(zhàn)略的關(guān)鍵著力點(diǎn)。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，城市開發(fā)建設(shè)與耕地保護(hù)之間的矛盾加大，耕地供給和需求之間存在一定的不平衡，為有效緩解耕地與建設(shè)用地之間的矛盾，需對遼寧省耕地利用進(jìn)行科學(xué)分區(qū)，引導(dǎo)區(qū)域耕地利用發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)耕地的高效和持續(xù)利用。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文數(shù)據(jù)來源主要為2016年《遼寧統(tǒng)計(jì)年鑒》、2012年遼寧省耕地分等數(shù)據(jù)和調(diào)查數(shù)據(jù)和遼寧省主體功能區(qū)規(guī)劃成果圖（2014年）。其中，2016年《遼寧統(tǒng)計(jì)年鑒》主要用于獲取糧食產(chǎn)量及耕地各項(xiàng)投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)等；2012年遼寧省農(nóng)用地分等數(shù)據(jù)主要用于獲取耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)，本文主要使用2012年遼寧省農(nóng)用地分等定級數(shù)據(jù)中的農(nóng)用地自然質(zhì)量等指數(shù)，短時(shí)期內(nèi)耕地作物的光溫生產(chǎn)潛力幾乎不變，農(nóng)用地自然質(zhì)量等指數(shù)變動(dòng)不大，因此將2012年農(nóng)用地自然質(zhì)量等指數(shù)近似為2015年使用；遼寧省主體功能區(qū)規(guī)劃成果圖與耕地利用分區(qū)結(jié)果相結(jié)合，用于最終確定各耕地利用分區(qū)名稱及耕地利用發(fā)展方向。綜合遼寧省所轄各個(gè)行政區(qū)耕地分布情況和數(shù)據(jù)可獲得性，最終選取78個(gè)縣（市）為研究單元進(jìn)行分區(qū)。

2 研究方法

2.1 耕地利用分區(qū)指標(biāo)

耕地利用分區(qū)指標(biāo)的選取需關(guān)注反映耕地利用狀況的關(guān)鍵性因子，揭示耕地利用的深層次問題，并對耕地利用與管理具有指導(dǎo)作用。本文構(gòu)建基于“質(zhì)量-產(chǎn)出-效率”的耕地利用分區(qū)指標(biāo)體系，從不同層次揭示耕地利用狀況，進(jìn)行耕地利用的綜合分區(qū)。其中“質(zhì)量”指耕地自然質(zhì)量，是耕地利用的基礎(chǔ)條件，反映在最優(yōu)土地利用水平和最有利經(jīng)濟(jì)條件下，耕地所能實(shí)現(xiàn)的最大可能單產(chǎn)水平，代表了耕地的“本底”產(chǎn)量水平[23]，決定了耕地的可持續(xù)生產(chǎn)能力[24]，是引導(dǎo)耕地開發(fā)利用的重要指標(biāo)；“產(chǎn)出”指耕地產(chǎn)出水平，是在一定自然條件基礎(chǔ)上耕地生產(chǎn)能力的直接表現(xiàn)，反映耕地現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)出情況和耕地利用水平，體現(xiàn)由于區(qū)域耕地利用的基礎(chǔ)設(shè)施條件、耕地投入和經(jīng)營管理等差異造成的不同耕地利用效果；“效率”指耕地利用效率，是在一定的技術(shù)條件和發(fā)展水平下單位耕地面積所能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)產(chǎn)出的程度，反映耕地利用投入與產(chǎn)出之間的關(guān)系，體現(xiàn)耕地可持續(xù)利用及發(fā)展能力。在一定耕地自然質(zhì)量條件下進(jìn)行生產(chǎn)資料及技術(shù)等投入即得到耕地實(shí)際產(chǎn)出，通過比較耕地自然質(zhì)量與實(shí)際產(chǎn)出水平的標(biāo)準(zhǔn)化差值可反映耕地利用潛力，指導(dǎo)區(qū)域耕地潛力開發(fā)。量化耕地的投入-產(chǎn)出關(guān)系可得到耕地利用效率，通過比較耕地產(chǎn)出水平與利用效率的標(biāo)準(zhǔn)化差值可揭示區(qū)域耕地利用程度，指導(dǎo)區(qū)域耕地的集約高效利用[25]。為進(jìn)一步明確各分區(qū)的耕地利用發(fā)展方向，將分區(qū)結(jié)果與主體功能區(qū)規(guī)劃成果圖疊加，確定耕地利用分區(qū)名稱及發(fā)展方向（圖1）。

圖1 耕地利用分區(qū)指標(biāo)體系構(gòu)建框架圖

2.1.1 耕地自然質(zhì)量

本文運(yùn)用耕地分等數(shù)據(jù)和調(diào)查數(shù)據(jù)中的耕地自然質(zhì)量等指數(shù)表示耕地自然質(zhì)量。耕地自然質(zhì)量等指數(shù)是指在自然質(zhì)量條件下，耕地上的各指定作物所能獲得的按產(chǎn)量比系數(shù)折算的基準(zhǔn)作物產(chǎn)量指數(shù)，可解釋為在最優(yōu)土地利用水平和最有利經(jīng)濟(jì)條件下，分等評價(jià)單元內(nèi)的耕地所能實(shí)現(xiàn)的最大可能單產(chǎn)水平，也稱為耕地的“本底”產(chǎn)量水平，本文采用面積加權(quán)平均法計(jì)算各分區(qū)單元內(nèi)耕地的平均自然等指數(shù)[10]（式1）。

式中R為第個(gè)行政區(qū)的平均耕地自然等指數(shù)；R為第個(gè)行政區(qū)第個(gè)分等單元的耕地自然等指數(shù)；S為第個(gè)行政區(qū)耕地分等單元總面積。

2.1.2 耕地產(chǎn)出水平

耕地產(chǎn)出可分為社會和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出2種，通常以單位耕地面積上農(nóng)作物的產(chǎn)量或產(chǎn)值表示，而耕地作物產(chǎn)值受產(chǎn)量與價(jià)格共同影響，價(jià)格受市場影響具有波動(dòng)性，相比之下，單位耕地面積上農(nóng)作物產(chǎn)量能直接反映耕地生產(chǎn)水平。遼寧省耕地種植的農(nóng)作物主要為糧食作物，73.56%的耕地用于種植糧食，單位耕地面積上的糧食產(chǎn)量在一定程度上表示了區(qū)域耕地產(chǎn)出水平，因此本文以糧食單產(chǎn)表征耕地產(chǎn)出水平。

2.1.3 耕地利用效率

為了更加客觀的評價(jià)耕地利用效率，本文考慮耕地利用對環(huán)境的影響，即耕地利用的非期望產(chǎn)出，運(yùn)用SBM（slacks-based measure）模型對耕地利用效率進(jìn)行測算。

1）耕地利用效率指標(biāo)體系構(gòu)建

耕地生產(chǎn)離不開土地、勞動(dòng)和資本三大要素，選取主要農(nóng)作物播種面積、第一產(chǎn)業(yè)從業(yè)人員、化肥施用折純量和農(nóng)用機(jī)械總動(dòng)力作為耕地利用的投入指標(biāo)。耕地利用產(chǎn)出分為期望產(chǎn)出和非期望產(chǎn)出兩種，選取糧食總產(chǎn)量作為耕地利用期望產(chǎn)出指標(biāo)，耕地利用碳排放量作為耕地利用非期望產(chǎn)出指標(biāo)（表1）。其中，耕地利用碳排放量從農(nóng)業(yè)翻耕、機(jī)械化作業(yè)、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜使用和耕地灌溉幾方面考慮，通過獲取耕地利用主要碳源的碳排放系數(shù)和各類碳源總量進(jìn)行乘積求和得到，具體算法借鑒李波等[26]的研究成果，在此不做贅述。

表1 耕地利用效率指標(biāo)體系

Table.1 Index system of cultivated land utilization efficiency

2）耕地利用效率測度模型

2.2 耕地利用分區(qū)兩維圖論聚類法

2.2.1 兩維圖論聚類的原理

聚類分析法是將一批樣本或變量按照其在性質(zhì)上的親疏和相似程度進(jìn)行分類的一種多元統(tǒng)計(jì)方法，類是指相似元素的集合。兩維圖論聚類算法是聚類分析的一種，可通過構(gòu)造基于位置關(guān)系的無向加權(quán)圖，在一般聚類方法的基礎(chǔ)上，充分考慮聚類單元之間的空間鄰接性，使只有相鄰的單元相連接。耕地利用分區(qū)需根據(jù)耕地利用的多種空間分布特征，在考慮各分區(qū)單元之間的內(nèi)在差異性和相似性的同時(shí)，保證相鄰單元之間空間上的連通性和行政區(qū)界的完整性，運(yùn)用此方法進(jìn)行耕地利用分區(qū)劃分，滿足耕地利用分區(qū)要求，優(yōu)于一般聚類方法。

在圖論中，將圖定義為空間中點(diǎn)與連接點(diǎn)的線的集合，即=(，)，其中為點(diǎn)的集合，為邊的集合。分區(qū)需同時(shí)考慮各分區(qū)單元之間的鄰接性和內(nèi)在相似性，因此需構(gòu)造加權(quán)連通圖，即=(，，)，在無向加權(quán)圖中，是各分區(qū)單元集合，是各單元鄰接關(guān)系集合，是圖論樹算法中各點(diǎn)之間連接邊的權(quán)值（圖2）。圖論聚類分區(qū)是求加權(quán)連通圖的合理割集，即通過圖論最小樹法求得一個(gè)最小生成樹，并根據(jù)區(qū)內(nèi)分異小、區(qū)間分異大的原則，適當(dāng)?shù)膶⒆钚∩蓸浞指畛蓚€(gè)子樹，將研究區(qū)域分成個(gè)耕地利用區(qū)。其中，空間鄰接性表示各單元的地理位置信息，兩維圖論聚類需利用GIS的空間分析手段提取分區(qū)單元的經(jīng)緯度位置信息，具體分區(qū)技術(shù)路線見圖3。

注：V1~V4為不同的分區(qū)單元；Eij為分區(qū)單元i和j之間的連接邊；D(Eij)為分區(qū)單元i和j之間的連接邊的權(quán)值。

圖3 耕地利用分區(qū)技術(shù)路線圖

2.2.2 連接邊的權(quán)值及分區(qū)單元合并

在構(gòu)造各耕地利用分區(qū)單元基于位置關(guān)系的無向加權(quán)圖過程中，需通過各分區(qū)單元間親疏程度的數(shù)量指標(biāo)表示各連接邊的權(quán)值，并通過權(quán)值大小選取一定的閾值進(jìn)行連接邊分割，將大于這一閾值的最小支撐樹連接邊移去形成獨(dú)立的森林，森林中連通的對象合并形成分區(qū)[21]。距離法可將各分區(qū)單元作為維空間（個(gè)變量）的一個(gè)點(diǎn)，在維空間中定義距離，通過距離的遠(yuǎn)近表示各分區(qū)單元間的親疏程度，距離較近的點(diǎn)歸為同一類，距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)歸為不同類。歐氏距離在聚類分析中被廣泛運(yùn)用，本文運(yùn)用歐氏距離表示各分區(qū)單元之間的親疏程度（式3），即最小生成樹對應(yīng)邊的權(quán)值，距離越大則關(guān)系越疏遠(yuǎn)，距離越小則關(guān)系越親密。結(jié)合分區(qū)單元實(shí)際情況和分區(qū)需要，選取合適的閾值進(jìn)行連接邊分割和分區(qū)。

式中(E)為各分區(qū)單元連接邊的權(quán)值；d為各分區(qū)單元間的歐氏距離；x、x分別為第和個(gè)分區(qū)單元的第個(gè)分區(qū)指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地利用狀況空間分布特征

運(yùn)用ArcGIS10.2軟件將研究區(qū)各單元耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平和利用效率進(jìn)行空間矢量化，運(yùn)用自然斷點(diǎn)法[29]將各指標(biāo)從高到低依次劃分為高、中高、中、中低和低5個(gè)級別（圖4、表2）。

遼寧省各縣（區(qū)）耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平和利用效率之間存在一定空間分異。其中耕地自然質(zhì)量表現(xiàn)為中部地區(qū)較高，自中部向西部、東部兩側(cè)分別呈階梯型逐漸降低，受遼寧地形因素的影響，其耕地的自然質(zhì)量大體呈現(xiàn)中間高兩邊低的特點(diǎn)；耕地產(chǎn)出水平表現(xiàn)為中部地區(qū)較高，東部地區(qū)一般，南部地區(qū)較低，西部地區(qū)耕地產(chǎn)出水平參差不齊；耕地利用效率高值區(qū)集中分布于中部和北部地區(qū)，耕地利用效率低值區(qū)集中分布于南部地區(qū)，西部地區(qū)耕地利用效率參差不齊。各耕地利用要素不同級別分布情況存在一定差異，分別從不同層次反映了耕地利用的區(qū)域特點(diǎn)，對于耕地利用狀況的表達(dá)和耕地利用發(fā)展方向的指導(dǎo)各有側(cè)重，綜合考慮耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平和利用效率3個(gè)要素對耕地利用進(jìn)行綜合分區(qū)，對于耕地利用狀況表達(dá)更加全面客觀，便于綜合指導(dǎo)耕地利用及開發(fā)方向。

3.2 耕地利用分區(qū)結(jié)果

對研究區(qū)各單元耕地利用“質(zhì)量-產(chǎn)出-效率”3個(gè)指標(biāo)因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)合質(zhì)心經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，運(yùn)用兩維圖論聚類進(jìn)行聚類分析，最終得到兩維圖論聚類樹圖（圖5）。78個(gè)分區(qū)單元共產(chǎn)生77個(gè)無回路的連接邊，各聚類樹連接邊權(quán)值范圍為0.207 3~2.947 4，權(quán)值越大說明分區(qū)單元間歐氏距離越大，相似性越低，因此從高值向低值逐漸移去連接邊，結(jié)合各分區(qū)單元實(shí)際特點(diǎn)選取合適的閾值進(jìn)行兩維圖論聚類樹分割。在分割過程中，完全按照移除大于某一閾值連接邊的方法得到的分區(qū)過于細(xì)碎，通過提取細(xì)碎分區(qū)發(fā)現(xiàn)，主要由于個(gè)別分區(qū)單元之間耕地面積相差較大，且存在區(qū)域職能差異，導(dǎo)致歐氏距離較大，例如：龍港區(qū)和興城市、雙臺子區(qū)和臺安縣、清河門區(qū)和北票市，而龍崗區(qū)、雙臺子區(qū)和清河門區(qū)耕地面積相對興城市、臺安縣和北票市很小，且在職能上更多承擔(dān)了城市建設(shè)和發(fā)展的作用，為保證分區(qū)的集中連片可忽略此類差異，直接將此類面積單元就近劃入相應(yīng)分區(qū)?？紤]耕地利用分區(qū)結(jié)果中各分區(qū)間面積相差不能過大，最終選擇1.237 2為閾值進(jìn)行分割，將大于等于此權(quán)值的連接邊移除，共得到5個(gè)耕地利用區(qū)。根據(jù)各分區(qū)耕地利用相關(guān)指標(biāo)特點(diǎn)，結(jié)合遼寧省主體功能區(qū)規(guī)劃成果，將5個(gè)分區(qū)分別命名為遼西糧食生產(chǎn)及生態(tài)保護(hù)區(qū)（Ⅰ區(qū)）、遼中耕地綜合開發(fā)先導(dǎo)區(qū)（Ⅱ區(qū)）、遼東水田及特色農(nóng)業(yè)種植區(qū)（Ⅲ區(qū)）、遼南耕地效率及產(chǎn)能挖掘區(qū)（Ⅳ區(qū)）和遼中南耕地利用轉(zhuǎn)型升級區(qū)（Ⅴ區(qū)）（圖6）。

圖4 遼寧省耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平及利用效率空間分布

表2 遼寧省耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平及利用效率情況

注：2個(gè)縣（市）之間的數(shù)值為分區(qū)單元連接邊的權(quán)值，數(shù)值大小表示各分區(qū)單元間的親疏程度。Ⅰ區(qū)遼西糧食生產(chǎn)及生態(tài)保護(hù)區(qū) (中-中低-中低)；Ⅱ區(qū)遼中耕地綜合開發(fā)先導(dǎo)區(qū)（中高-中高-中高）；Ⅲ區(qū)遼東水田及特色農(nóng)業(yè)種植區(qū)（中低-中高-中）；Ⅳ區(qū)遼南耕地效率及產(chǎn)能挖掘區(qū)（中低-中低-低）；Ⅴ區(qū)遼中南耕地利用轉(zhuǎn)型升級區(qū)（中-中-中）。下同。

Ⅰ區(qū)-遼西糧食生產(chǎn)及生態(tài)保護(hù)區(qū)（中-中低-中低），位于遼寧西部山地丘陵地帶，包括凌海市、龍城區(qū)、朝陽縣等19個(gè)縣（區(qū)）耕地總面積1 406 169.52 hm2，占該類型區(qū)土地總面積的33.21%，占遼寧省耕地總面積的28.25%。耕地自然質(zhì)量一般，耕地自然質(zhì)量等指數(shù)均值為1 709.52；耕地產(chǎn)出水平較低，糧食單產(chǎn)均值為3 793.23 kg/hm2；耕地利用效率較低，均值為0.273 2。該類型區(qū)內(nèi)部分區(qū)單元之間的耕地產(chǎn)出水平和利用效率在空間上表現(xiàn)出相對集聚的特點(diǎn)，耕地產(chǎn)出水平及利用效率較低的單元互相鄰近，而耕地自然質(zhì)量的這一特點(diǎn)主要集中體現(xiàn)在該分區(qū)西部。該分區(qū)耕地面積相對較大，適于糧食作物的集中生產(chǎn)，但耕地產(chǎn)能具有一定的可提升空間，耕地利用開發(fā)程度有待提升。在遼寧省主體功能區(qū)規(guī)劃中，該類型區(qū)位于省級重點(diǎn)水土保持型生態(tài)功能區(qū)，水資源相對匱乏，生態(tài)系統(tǒng)脆弱性偏高。綜合來看，將該類型區(qū)作為遼西糧食生產(chǎn)及耕地生態(tài)保護(hù)區(qū)，需在保障其糧食種植面積不減少的同時(shí)，調(diào)整耕地作物種植結(jié)構(gòu)，適當(dāng)進(jìn)行作物輪作，加強(qiáng)耕地水土保持，關(guān)注對耕地的生態(tài)保護(hù)。

Ⅱ區(qū)-遼中耕地綜合開發(fā)先導(dǎo)區(qū)（中高-中高-中高），位于遼寧中部平原地帶，包括北鎮(zhèn)市、彰武縣、興隆臺區(qū)等23個(gè)縣（區(qū)）耕地總面積2 104 471.3 hm2，占該類型區(qū)土地總面積的56.83%，占遼寧省耕地總面積的42.28%。耕地自然質(zhì)量較高，耕地自然質(zhì)量等指數(shù)均值為2 051.47；耕地產(chǎn)出水平較高，糧食單產(chǎn)均值為8 020.41 kg/hm2；耕地利用效率較高，均值為0.670 7。該類型區(qū)內(nèi)部分區(qū)單元之間的耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平和利用效率在空間上均表現(xiàn)為較強(qiáng)的集聚現(xiàn)象，耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平及利用效率較高的單元互相鄰近。該分區(qū)耕地集中連片，耕地資源稟賦高，耕地生產(chǎn)水平較高，是耕地利用較成熟區(qū)域，且占據(jù)有利的區(qū)位優(yōu)勢，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)與城市開發(fā)建設(shè)并重。在遼寧省農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略格局中，該類型區(qū)大部分位于糧油和畜牧業(yè)區(qū)、糧食畜牧精品農(nóng)業(yè)區(qū)。綜合來看，將該類型區(qū)作為遼中耕地綜合開發(fā)先導(dǎo)區(qū)，可重點(diǎn)結(jié)合區(qū)位優(yōu)勢和區(qū)域發(fā)展戰(zhàn)略對其耕地進(jìn)行綜合開發(fā)利用，利用該區(qū)域耕地資源稟賦優(yōu)勢，大力發(fā)展農(nóng)地規(guī)模經(jīng)營，創(chuàng)新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營模式，并依托其區(qū)位優(yōu)勢，優(yōu)先發(fā)展農(nóng)村一、二、三產(chǎn)業(yè)融合，發(fā)展特色農(nóng)業(yè)和休閑農(nóng)業(yè)等，對其他類型區(qū)耕地利用起到先導(dǎo)和示范的作用。

Ⅲ區(qū)-遼東水田及特色農(nóng)業(yè)種植區(qū)（中低-中高-中），位于遼寧東部山地丘陵地帶，包括撫順縣、新賓縣、清原縣等17個(gè)縣（區(qū)）。耕地總面積569 413.07 hm2，占該類型區(qū)土地總面積的15.68%，占遼寧省耕地總面積的11.44%。耕地自然質(zhì)量較低，耕地自然質(zhì)量等指數(shù)均值為1 563.61；耕地產(chǎn)出水平較高，糧食單產(chǎn)均值為6 550.85 kg/hm2；耕地利用效率一般，均值為0.396 8。該類型區(qū)內(nèi)部分區(qū)單元之間的耕地自然質(zhì)量和產(chǎn)出水平在空間上表現(xiàn)出較強(qiáng)的集聚特點(diǎn)，耕地自然質(zhì)量較低的單元互相鄰近，而耕地產(chǎn)出水平較高的單元互相鄰近。該分區(qū)耕地自然質(zhì)量較低，產(chǎn)出水平較高，耕地產(chǎn)能可提升潛力較小，耕地開發(fā)利用程度提升空間一般。在遼寧省主體功能區(qū)規(guī)劃中，該類型區(qū)位于林業(yè)及特色農(nóng)業(yè)區(qū)，且大部分位于省級重點(diǎn)水源涵養(yǎng)性生態(tài)功能區(qū)，森林覆蓋率大，水資源豐富，生態(tài)系統(tǒng)重要性程度高。綜合來看，將該類型區(qū)作為遼東水田及特色農(nóng)業(yè)種植區(qū)，重點(diǎn)借助該地區(qū)水資源和森林資源稟賦優(yōu)勢，重點(diǎn)發(fā)展水田和特色種植業(yè)，并通過實(shí)行農(nóng)田平整、修筑溝渠、坡地改梯田等措施，改善該區(qū)生產(chǎn)條件，提升耕地利用效率，實(shí)現(xiàn)耕地利用價(jià)值的綜合提升。

圖6 基于兩維圖論聚類的遼寧省耕地利用分區(qū)結(jié)果

Ⅳ區(qū)-遼南耕地效率及產(chǎn)能挖掘區(qū)（中低-中低-低），位于遼寧南部沿海平原-丘陵地帶，包括金州區(qū)、長?？h、莊河市等7個(gè)縣（區(qū)）。耕地總面積415 422.37 hm2，占該類型區(qū)土地總面積的30.73%，占遼寧省耕地總面積的8.35%。耕地自然質(zhì)量較低，耕地自然質(zhì)量等指數(shù)均值為1 634.16；耕地產(chǎn)出水平較低，糧食單產(chǎn)均值為3 037.81 kg/hm2；耕地利用效率低，均值為0.117 4。該類型區(qū)內(nèi)部分區(qū)單元之間的耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平和利用效率在空間上均表現(xiàn)出極強(qiáng)的集聚特點(diǎn)，耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平和利用效率低的單元互相鄰近。該分區(qū)耕地面積相對較小，耕地生產(chǎn)水平低，耕地產(chǎn)能可挖掘空間大，是耕地利用效率的重點(diǎn)提升地區(qū)。在遼寧省主體功能區(qū)規(guī)劃中，該類型區(qū)位于省級重點(diǎn)和國家級優(yōu)先開發(fā)區(qū)并處于遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶。綜合來看，將該類型區(qū)作為遼南耕地效率及產(chǎn)能挖掘區(qū)，需優(yōu)化耕地生產(chǎn)要素投入結(jié)構(gòu)，提升耕地開發(fā)利用程度，進(jìn)而增加耕地產(chǎn)能，協(xié)調(diào)該類型區(qū)城市開發(fā)建設(shè)與耕地保護(hù)之間的用地矛盾問題將成為未來該地區(qū)耕地利用管理的難點(diǎn)。

Ⅴ區(qū)-遼中南耕地利用轉(zhuǎn)型升級區(qū)（中-中-中），位于遼寧中南部山地-丘陵-平原交錯(cuò)地帶，包括千山區(qū)、岫巖縣、老邊區(qū)等12個(gè)縣（區(qū)）。耕地總面積438 909.66 hm2，占該類型區(qū)土地總面積的26.41%，占遼寧省耕地總面積的8.82%。耕地自然質(zhì)量一般，耕地自然質(zhì)量等指數(shù)均值為1 881.40；耕地產(chǎn)出水平一般，糧食單產(chǎn)均值為6 231.52 kg/hm2；耕地利用效率一般，均值為0.439 8。該類型區(qū)在空間上處于耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平和利用效率由高-高集聚到低-低集聚的過渡區(qū)，各分區(qū)單元之間耕地利用各指標(biāo)的集聚性不明顯。該分區(qū)耕地面積相對較小，耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平和利用效率狀況僅次于Ⅱ區(qū)，處于遼寧南部平原、丘陵和山地交錯(cuò)地帶，地形比較復(fù)雜。在遼寧省主體功能區(qū)規(guī)劃中，該類型區(qū)位于省級重點(diǎn)開發(fā)區(qū)、國家級優(yōu)先開發(fā)區(qū)、省級重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)和遼寧沿海經(jīng)濟(jì)帶交錯(cuò)地帶。綜合來看，將該類型區(qū)作為遼中南耕地利用轉(zhuǎn)型升級區(qū)，借助耕地資源稟賦和利用狀況優(yōu)勢，并結(jié)合其區(qū)位優(yōu)勢，依托鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，優(yōu)先發(fā)展質(zhì)量興農(nóng)、綠色興農(nóng)計(jì)劃，提升該類型區(qū)農(nóng)產(chǎn)品的綠色化、優(yōu)質(zhì)化、特色化和品牌化水平，并提高設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展水平，提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、促進(jìn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級是該類型區(qū)耕地利用的重點(diǎn)發(fā)展方向。

4 討 論

耕地利用分區(qū)指標(biāo)的選擇直接影響分區(qū)結(jié)果的科學(xué)合理性，本文選取耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平和利用效率三個(gè)反映耕地利用狀況的關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行耕地利用分區(qū)，并結(jié)合主體功能區(qū)規(guī)劃確定未來耕地利用方向，對于綜合指導(dǎo)區(qū)域耕地利用及開發(fā)具有一定實(shí)踐參考價(jià)值。耕地利用在空間上具有一定關(guān)聯(lián)性，保證分區(qū)單元空間上的連通性和行政區(qū)界的完整性有助于耕地利用分區(qū)的統(tǒng)一管理和實(shí)施，兩維圖論聚類法對于耕地利用分區(qū)具有一定適用性，可在一定程度上緩解相鄰行政單位間由于耕地界線模糊和局部差別化管理導(dǎo)致的糾紛問題。但集中連片的分區(qū)結(jié)果在一定程度上忽略了個(gè)別分區(qū)內(nèi)部單元之間的差異性，例如，遼西糧食生產(chǎn)及生態(tài)保護(hù)區(qū)的建平縣與其他單元耕地自然質(zhì)量、產(chǎn)出水平和利用效率存在一定差異，但為實(shí)現(xiàn)空間連通的分區(qū)效果不得不忽略這一差異，為更好的實(shí)現(xiàn)耕地分區(qū)利用，還需根據(jù)各分區(qū)實(shí)際情況制定差別化的耕地利用引導(dǎo)政策和保障機(jī)制，確保各分區(qū)內(nèi)耕地利用管理的有效實(shí)施。此外，地域分異理論、統(tǒng)籌區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展理論等是分區(qū)研究的重要理論依據(jù)[30]，耕地利用分區(qū)研究需進(jìn)一步結(jié)合分區(qū)理論探索耕地利用中人口、經(jīng)濟(jì)、城市建設(shè)和資源環(huán)境的協(xié)調(diào)性問題，以更好的實(shí)現(xiàn)耕地可持續(xù)利用和社會的協(xié)調(diào)發(fā)展，如何從可持續(xù)發(fā)展和協(xié)調(diào)發(fā)展視角選取并識別耕地利用分區(qū)的關(guān)鍵性因素，將耕地利用的自然生態(tài)和人文要素等相結(jié)合進(jìn)行耕地利用分區(qū)仍有待進(jìn)一步探討。

5 結(jié) 論

本文以遼寧省縣（區(qū)）為分區(qū)單元，基于耕地利用“質(zhì)量-產(chǎn)出-效率”的耕地利用分區(qū)指標(biāo)，運(yùn)用兩維圖論聚類法和GIS空間分析技術(shù)，結(jié)合主體功能區(qū)規(guī)劃成果進(jìn)行耕地利用綜合分區(qū)，并探究各分區(qū)耕地利用發(fā)展方向，得出以下主要結(jié)論：

1）研究區(qū)各縣（區(qū)）耕地利用產(chǎn)出、潛力和效率之間存在一定空間分異，高值區(qū)主要分布在遼寧中部和北部地區(qū)，低值區(qū)主要分布在遼寧東部和南部，西部地區(qū)耕地利用狀況參差不齊。同時(shí)考慮耕地利用產(chǎn)出、潛力和效率3個(gè)不同層次要素對耕地利用進(jìn)行綜合分區(qū)，有利于全面表達(dá)耕地利用狀況。

2）將研究區(qū)分為遼西糧食生產(chǎn)及生態(tài)保護(hù)區(qū)（Ⅰ區(qū)）、遼中耕地綜合開發(fā)先導(dǎo)區(qū)（Ⅱ區(qū)）、遼東水田及特色農(nóng)業(yè)種植區(qū)（Ⅲ區(qū)）、遼南耕地效率及產(chǎn)能挖掘區(qū)（Ⅳ區(qū)）和遼中南耕地利用轉(zhuǎn)型升級區(qū)（Ⅴ區(qū)）5個(gè)耕地利用區(qū)。其中Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)耕地所占比重大，耕地資源稟賦較高，并處于國家級農(nóng)產(chǎn)品主產(chǎn)區(qū)，是遼寧耕地利用核心區(qū)域，應(yīng)在保證該區(qū)域耕地面積不減少和質(zhì)量不降低的同時(shí)，結(jié)合戰(zhàn)略目標(biāo)對其耕地進(jìn)行綜合開發(fā)利用。Ⅲ區(qū)和Ⅴ區(qū)處于山地丘陵地區(qū)，耕地所占比重較小，應(yīng)結(jié)合資源稟賦優(yōu)勢發(fā)展特色農(nóng)業(yè)、提升農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量、促進(jìn)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，以提升區(qū)域優(yōu)勢和農(nóng)業(yè)競爭力。Ⅳ區(qū)處于沿海平原丘陵地區(qū)，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，耕地利用潛力較大，需在協(xié)調(diào)其建設(shè)發(fā)展與耕地保護(hù)矛盾的同時(shí)挖掘耕地產(chǎn)能。

3）兩維圖論聚類與GIS空間分析相結(jié)合的分區(qū)方法，能夠在考慮分區(qū)多指標(biāo)相似性和差異性特征的同時(shí)，兼顧相鄰單元空間上的連通性，對耕地利用分區(qū)具有較好的適用性，可緩解相鄰行政單位間由于耕地界線模糊和局部差別化管理導(dǎo)致的糾紛問題，有利于耕地利用的統(tǒng)一管理，增強(qiáng)耕地利用管理的可實(shí)施性。

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Zoning of cultivated land use in Liaoning Province based on "quality-output-efficiency"

Zhang Hongmei, Song Ge※, Wang Sizhuo

(110169,)

Cultivated land use zoning is an important part of China's land use management, and it is an important basis for guiding the future development of cultivated land in the region. It is the key to enhance the feasibility of the management of cultivated land use. Most studies have focused on the selection of zoning elements and indicators for cultivated land use, often overlooking the spatial connectivity between the cultivated land use partition units and the integrity of administrative divisions, directly affecting the zoning management effect of cultivated land use. How to adopt the scientific zoning method, and take into account the differences, similarities and spatial connectivity between partitioned units is an urgent problem to be solved. In order to guide the orderly development of regional space according to local conditions, alleviate the pressure of cultivated land protection and enhance the value of cultivated land, in this paper, Liaoning Province was taken as research area, and two-dimensional graph theory clustering and GIS spatial analysis were adopted. Based on the zoning indicators of cultivated land use quality, output and efficiency, the comprehensive zoning of cultivated land use was carried out, and the utilization direction of cultivated land in each district was explored. The results showed that: 1) There were some spatial differences in the natural quality, output level and use efficiency of cultivated land among the counties (cities) in the study area. The high-value areas were mainly distributed in the central and northern areas of Liaoning. The low-value areas were mainly distributed in the east and south of Liaoning Province, while the western areas were uneven. 2) The research area was divided into five cultivated land use areas: Grain production and ecological protection area in western Liaoning, pilot area of comprehensive development of cultivated land in central Liaoning, paddy field and characteristic agricultural planting area in eastern Liaoning, potential tapping area of cultivated land efficiency and productivity in southern Liaoning and transformation and upgrading area of cultivated land utilization in central and Southern Liaoning. 3) The zoning method combining two-dimensional graph theory clustering and GIS spatial analysis effectively guaranteed the connectivity of the adjacent unit space of the cultivated land and the integrity of the administrative boundary, which has good applicability to the cultivated land use zoning; it was conducive to the unified management and implementation of the use of cultivated land. This paper selected the cultivated land use quality, output level and utilization efficiency as key indicators to reflect the status of cultivated land use, and to divide cultivated land into different utilization areas, and combined with the main functional area planning to determine the future direction of cultivated land use, it has certain practical reference value for comprehensive guidance of regional cultivated land use and development. The cultivated land use zoning results neglect the difference between the internal units of individual zoning to some extent, but this difference has to be neglected in order to achieve spatial connectivity. To better realize the cultivated land use, it is necessary to formulate differentiated cultivated land use guidance policies and guarantee mechanisms according to the actual conditions of each area to ensure the effective implementation of cultivated land use management.

land use; zoning; cultivated land; two dimensional graph theory clustering; Liaoning Province

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.028

F301.2

A

1002-6819(2019)-13-0234-9

2019-01-14

2019-03-29

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41571165，41071346）；遼寧省自然資源科技創(chuàng)新項(xiàng)目（19LNZRZY28）

張紅梅，博士生，主要研究方向?yàn)橥恋乩?。Email：18640553575@163.com

宋 戈，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橥恋乩门c管理。Email：songgelaoshi@163.com

張紅梅，宋 戈，王思琢.基于“質(zhì)量-產(chǎn)出-效率”的遼寧省耕地利用分區(qū)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(13)：234－242. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.028 http://www.tcsae.org

Zhang Hongmei, Song Ge, Wang Sizhuo.Zoning of cultivated land use in Liaoning Province based on "quality-output-efficiency" [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 234－242. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.028 http://www.tcsae.org