基于数量、质量、生态三位一体的永久基本农田快速优化布局研究

梁晓玲，王璐，2，3，黎诚，蔡宜泳，任少宝，柯春鹏

（1.华南农业大学资源环境学院，广州 510640；2.广东省土地信息工程技术研究中心，广州 510642；3.广东省土地利用与整治重点实验室，广州 510642；4.广东友元国土信息工程有限公司，广州 510642；5.广州市华南自然资源科学技术研究院，广州 510610）

基本农田是指在一定时期内、一定的社会经济发展条件下，依据土地利用总体规划确定的不得占用的以满足区域人口对农产品需求的耕地[1-2]。而永久基本农田则是指对其实行永久性保护的具有土壤肥沃、土质较高、机械化显著等特征的基本农田[3]。耕地是我国最为宝贵的资源，永久基本农田是耕地的精华[4-5]。因此，对永久基本农田实行全面的特殊保护，不仅能够在确保国家粮食安全的基础上，加快推进农业农村现代化，而且有助于深化农业供给侧结构性改革，促进国家经济高质量发展。这一举措对乡村振兴战略的实施和生态文明的建设都具有重要的推动作用，是贯彻落实国家新发展理念的应有之义、应有之举、应尽之责[6]。作为国家级粮产品主产区，耕地是广东省罗定市最珍贵的本底资源，是农村发展和农业现代化的根基命脉，是本区域粮食安全的基石[7]。

通过梳理相关文献可以了解到，我国对于永久基本农田划定与布局优化的相关研究[8-13]已较为丰富，目前的研究多从数量平衡、质量提升等方面进行考虑。董秀茹等[8]从基本农田布局评价的角度进行永久基本农田的空间布局优化研究，以辽宁省东港市为研究区域，从耕地质量和空间形态要素层面选取了农用地等别、坡度、与相邻土地适宜性等7 个指标对该区域的耕地质量进行评价，一定程度上为东港市永久基本农田的划定提供了初步依据，为永久基本农田的空间布局优化提供参考。聂艳等[9]以土地评价作为理论基础，从基本农田划定的“集中”和“质优”入手对湖北省鹤峰县进行基本农田的划定与空间布局的调整，使研究结果更加科学合理。文博等[11]在充分考虑耕地数量、质量和空间形态等方面因素的基础上，还结合了城市开发边界及生态红线等空间规划方面的相关指标，对江西省萍乡市安源区进行了永久基本农田划定与空间布局优化研究。该研究成果进一步丰富了国土空间规划背景下永久基本农田划定与布局优化的研究思路。

然而，对于永久基本农田布局优化，不仅要考虑永久基本农田的数量、质量、空间形态及与其相关的空间规划等因素，还需要考虑生态环境方面的因素，以响应国家生态文明建设的号召，实现农业现代化和城乡绿色发展。从当前的研究成果[14-16]来看，只有少部分学者将生态方面的要素纳入永久基本农田布局优化的影响因素指标体系中，忽视了生态安全对其的重要意义。奉婷等[15]在深入剖析耕地质量评价理论与方法的基础上，综合考虑研究区耕地的质量、空间形态与生态环境三方面因素，选取相关指标进行了耕地质量综合评价，并在此基础上完成了北京平谷区基本农田的划定工作，为该区域的永久基本农田空间布局方案的设计提供了科学参考。汤俊红等[16]在对福州市周边永久基本农田的空间布局进行研究时，也考虑到了生态环境因素对基本农田的影响，并在国土空间背景下采用多因素综合评价法和核密度估计模型分析了研究区永久基本农田的空间布局特征，为永久基本农田的划定与布局调整工作提供了新思路。

因此，本研究选取罗定市作为研究区，从耕地数量、耕地质量、空间形态、空间规划和生态环境等5 个层面构建永久基本农田布局优化指标体系。同时，以GIS 技术作为分析工具，采用综合指标评价法对罗定市的永久基本农田空间布局进行现状分析及布局优化研究，以期为永久基本农田布局优化研究提供一种新思路和新视角。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

广东省罗定市是云浮市的一个县级市，位于广东省西部，地处北纬22°25′～22°57′、东经111°03′～111°52′（图1）。地势呈现西南高、东北低之势，地貌类型以山地、丘陵和台地为主，平原较少。罗定市土地总面积233 468 hm2[17-18]。2017年，罗定市永久基本农田划定面积为40 359.5 hm2，该市是国家级的粮产品主产区，科学协调生态、农业、城镇三大空间，合理界定建设用地、农业用地、生态用地，体现了“活力新罗定，魅力新家园”的美好愿景，是确保罗定市可持续发展的基础。因此，选取罗定市作为研究对象进行国土空间规划背景下基于数量、质量、生态三位一体的永久基本农田布局优化研究。

图1 罗定市行政区划及地理区位示意图Figure 1 Schematic diagram of the administrative division and geographical location of Luoding City

1.2 数据来源

本研究所用数据主要来源于2020 年罗定市土地利用总体规划调整完善数据库（基于罗定市2017 年土地利用总体规划数据库）、2018 年罗定市耕地质量等别评定成果、“三调”统一时点更新成果和双评价成果等，各类数据的具体信息如表1 所示。此外，永久基本农田的划定注重实际操作性，要求落实到地块，因此本研究结合外业调查以及罗定市基本农田的实际情况，以永久基本农田划定中确定的保护图斑为单元进行布局优化研究。

表1 数据来源信息Table 1 Data source information

1.3 指标体系

永久基本农田的空间布局优化需要综合考虑多方面指标因素，在遵循系统性、典型性、动态性、科学性、可行性以及可比性原则的基础上科学合理地选取评价指标。永久基本农田作为一个涉及自然、社会经济、生态环境以及利用管理的综合复杂性系统，指标体系要能够客观地反映其空间布局的本质和系统性，并且所选取的每个指标不仅具有代表性，还应有明确的科学内涵，指标数据的获得也应具有可信度和合理性，能够直接运用和易于计算。因此，本研究以永久基本农田内涵为出发点，在国土空间规划背景下参考相关文献[2，19-21]并结合研究区域的耕地利用现状及其永久基本农田的布局特征，选取了永久基本农田面积、耕地质量等别、田块规整度、连片度、与城市中心距离、生境质量指数、土壤重金属污染程度、多规合一性等8 个较有代表性的指标。这些指标从耕地数量、耕地质量、空间形态、生态环境和空间规划5个评价维度构建指标体系，为罗定市永久基本农田空间布局合理性评价提供了基础数据。

1.4 数据处理

1.4.1 指标计算

（1）永久基本农田面积

该指标直接选取土地利用总体规划调整完善数据库中的永久基本农田面积（即“JBNTMJ”字段）作为指标数值来表征耕地数量。

（2）耕地质量等别

该指标主要是参照《农用地质量分等规程》（GB/T 28407—2012）中推荐的方法进行选取，因而选择耕地质量等别评定成果库中的耕地利用等指数（即“GJLYD”字段）作为耕地质量等别的表征数值，用以评定划入的永久基本农田质量。

（3）田块规整度

田块是进行灌溉、排耕和管理的基本单位，其设计的合理性，即田块规整度不仅影响耕作条件，而且对耕地生态有很大的影响，田块规整度也可用于表征具有聚居地功能的田块的物种丰度。本研究采用景观生态学中的分维数来表达田块规整度[22-23]：

式中：FRAC为景观分维数，代表田块规整度；P为地块周长；A为地块面积。

（4）连片度

连片度通常用来表示在同一质量范围内，各耕地地块之间的相连程度。集中连片的基本农田更有利于农田所有者进行农业机械化、产业化和规模化经营，从而有效减少面源污染，提高农户经济效益，提升农用地价值。因此连片度是永久基本农田划定和布局优化的重要指标[24-25]。为提高工作效率、简化操作流程，本研究基于ArcGIS 软件设计了一个基于Arcpy库的可独立调用的Python 模块。该模块主要包括两个工具：永久基本农田预处理工具能对永久基本农田进行连片性分析，得到某个阈值下的永久基本农田分析结果；储备区连片性分析工具能对储备区以及永久基本农田预处理结果进行分析，得到储备区的相对连片分组结果，永久基本农田预处理工具（图2）是进行连片度计算的核心手段。完整的连片性分析工具如图3 所示，用户只需通过输入研究区永久基本农田和储备区划定图层，并设定缓冲区距离和相对连片组团的最小面积，即可输出该区域永久基本农田的组团情况和图斑间最小距离，得到每个图斑的连片面积，最后由公式（2）[24]实现连片度的快速计算。

图2 永久基本农田预处理工具Figure 2 The permanent basic farmland pretreatment tool

图3 连片性分析工具Figure 3 The contiguous analysis tool

式中：P为连片度；Si为连片面积现状值，hm2；Smin为连片面积最小值，hm2；Smax为连片面积最大值，hm2。连片度指标取值结果范围为[0，1]。

（5）与城市中心距离

永久基本农田距离城市中心的距离不仅对耕作便利度造成了很大的影响，对永久基本农田自身的空间形态也具有一定的影响，因此本研究采用该指标因子作为空间形态准则层的表征指标之一[16]。通过ArcGIS 软件的近邻分析工具对罗定市的永久基本农田地块与城市中心（罗定市县政府和各镇政府）距离进行计算。

（6）生境质量指数

生境质量是指生态系统能够提供给物种生存所需条件的潜力[26]，生境质量指数越高，说明该系统的生态环境越好，能够为生物生存、生活与繁衍提供更为丰富的资源，且生物多样性也越丰富。本研究从生态系统质量的定义出发，以罗定市永久基本农田保护为落脚点，围绕生态系统结构质量、生态系统服务功能、生态系统胁迫和生态系统恢复能力4 个方面进行生境质量指数的计算[27-28]。

（7）土壤重金属污染程度

该指标直接选取“三调”统一时点更新成果数据库中的土壤重金属污染程度（即“WRTD”字段）作为指标属性值来表征生态环境因素对永久基本农田的影响。因其为定性指标，可参考云浮市双评价成果的要求对指标分级赋分：基本无污染0.8，轻度污染0.6，重度污染0.2。

（8）多规合一性

多规合一是指为解决现有各类规划（如土地利用规划、城乡规划等）中存在于技术、管理和制度等方面的问题，把现行的多个规划融合到一个区域上，以便做到一个市县一本规划和一张蓝图[29]。立足于国土空间规划的时代背景，多规合一性对永久基本农田的布局优化也有所影响，且影响程度逐年增大。本研究采用GIS 的空间分析工具对预期划定的罗定市生态红线、城市开发边界线等空间规划数据进行多规合一性指标计算，并在此基础上参考《生态文明体制改革总体方案》和《省级空间规划试点方案》[16，30-31]采取专家咨询法确定多规合一性分值，具体分级标准：吻合0.8，较吻合0.6，不吻合0。

1.4.2 标准化处理

为保证各项指标之间具有可比性，消除永久基本农田布局优化指标体系中各个指标之间由于量纲不同所造成的数据差异，采用极差标准化方法对各指标进行数据预处理，使之标准化，便于数据之间进行比较[32]。根据指标正负向型选择规范化公式：

1.4.3 研究方法

（1）层次分析法确定权重

确定权重的方法有很多，包括特尔菲法、层次分析法、模糊综合评判法[33]、灰色关联度法[34]等。永久基本农田具有“六大特点”，既应选择自然条件好、集中连片性高、水利与水土保持设施良好、生态环境佳的优质田块，又应结合当地的城镇发展，带有一定的主观性。故而本研究主要运用层次分析法（AHP）来确定各指标权重系数[26]（表2）。具体步骤如下：

表2 永久基本农田布局优化指标体系Table 2 Indicators system for optimization of permanent basic farmland layout

①首先通过咨询相关研究领域的多位专家，在综合分析和评价各项指标的基础上，依照其经验初步确定各指标的权重；

②以上层指标为准则对同一层级的各指标的重要性进行两两比较，从而构造比较判断矩阵；

③将判断矩阵输入到层次分析法软件（yaahp）进行一致性检验，最终计算得到各项指标的权重（Wi）[35-36]。

（2）综合指标评价法

综合指标评价法是指选取多个指标，经过标准量化处理后，转化到同一尺度上以便全面反映评价对象整体情况，进行综合比较的一种方法[24]。永久基本农田布局合理性综合指数评价模型如下：

式中:Fj为罗定市永久基本农田图斑j的布局合理性综合指数；Yij为罗定市永久基本农田图斑j第i个指标的标准化值；Wi为第i个指标的权重；n为指标总数。

2 结果与分析

2.1 罗定市永久基本农田布局合理性指数

经上述公式（3）、（4）、（5）计算得到罗定市每个永久基本农田图斑的综合指数，使用ArcGIS 软件中的自然间断点分级法（Jenks）进行聚类与分级，将罗定市永久基本农田布局合理性指数自高到低分为5 个级别（表3），具体空间分布如图4所示，可知罗定市永久基本农田布局合理性指数在0.26～0.81 范围内。同时，综合考虑罗定市的现状永久基本农田情况，将永久基本农田空间布局划分为高度合理区、中度合理区、临近合理区、不合理区四种不同类型区域。

图4 罗定市永久基本农田布局合理性指数空间分布Figure 4 Spatial distribution map of rationality index of permanent basic farmland layout in Luoding City

表3 罗定市永久基本农田布局合理性等级结果Table 3 Results of rationality grade of permanent basic farmland layout in Luoding City

（1）一等地空间布局合理性指数为0.55～0.81，各项指标综合最优，该类型永久基本农田总面积为6 813.6 hm2，主要分布在黎少镇、素龙街道、罗平镇和生江镇，分别占该类型总面积的23.6%、15.0%、13.4%和12.1%。一等地所在区域地处亚热带，阳光充足，雨水充沛，永久基本农田分布相对比较集中，且田块都较为平整，离城镇较近，交通与耕作更为便利。同时该区土壤污染程度较低，生境质量指数高，生态环境相对优良，永久基本农田红线、生态红线、城市开发边界线等多项规划高度吻合，属于永久基本农田空间布局高度合理区。

（2）二等地空间布局合理性指数在0.48到0.55之间，该区域基本农田各指标综合值略低于一等地。其所处区位热量充足，土壤相对肥沃，水资源相对充足，永久基本农田分布较一等地分散，田块规整度、耕作交通便捷度、多规合一性、生态环境等方面相对于高度合理区有所削弱。故而该区域属于永久基本农田空间布局中度合理区。该类型永久基本农田总面积为10 657.8 hm2，占全市永久基本农田总面积的26.4%，大多分布在高度合理基本农田的周围，集中在罗平镇、素龙街道、连州镇、太平镇、罗镜镇、船步镇、黎少镇和泗纶镇。

（3）属于临近合理区的有三等地和四等地，该区域的空间布局合理性指数在0.37～0.48 之间，各指标综合值相对偏低。与前面两者相比，该区域的永久基本农田多以“插花”形态分布于各镇（街道），无论是耕地质量和空间形态方面的指标，还是生态环境和空间规划方面的指标，其数值都不高，属于一般水平，具有较大的整治优化潜力。该类型永久基本农田总面积为18 235.6 hm2，占全市永久基本农田总面积的45.2%。

（4）五等地面积较少，总面积为4 652.5 hm2，只占罗定市永久基本农田总面积的11.5%，该区域永久基本农田的空间布局合理性指数在0.26～0.37 之间，指标综合值最低，属于永久基本农田空间布局不合理区，其零星分布在各镇（街道）。该类型耕地的质量比较差，生境质量指数普遍偏低，土壤污染程度也相对较为严重，永久基本农田红线、生态红线、城市开发边界线等多项规划的吻合度不高。因此，依据此类型区内的地类图斑来确定罗定市永久基本农田布局优化方案中所需要调出的基本农田，为罗定市新一轮的永久基本农田划定工作提供参考。

2.2 罗定市永久基本农田布局优化调整结果

2.2.1 永久基本农田的拟调出

在国土空间规划背景下，结合罗定市永久基本农田布局合理性指数结果，初步确定调出的永久基本农田面积为4 573.1 hm2，占罗定市永久基本农田总面积的11.3%，拟调出的永久基本农田都是五等地，属于永久基本农田空间布局不合理区。从空间分布上看，除了罗城街道没有调出的永久基本农田外，其他各镇（街道）的永久基本农田布局均进行了调整。其中，泗纶镇调出的永久基本农田面积最大，有390.6 hm2，占比为8.5%；罗平镇、素龙街道和罗镜镇的永久基本农田布局变化也比较大，分别占罗定市调出永久基本农田总面积的7.1%、7.3%、6.6%（表4）。经过深入剖析罗定市现状永久基本农田情况，本研究总结归纳出罗定市拟调出的永久基本农田主要有以下几种类型：

①不稳定利用的耕地；

②位于生态保护红线内按要求需退出的耕地；

③位于城镇开发边界内按要求需退出的耕地；

④土壤污染详查中被严格管控的经论证无法恢复治理的耕地；

⑤已纳入市县国土空间总体规划的线性基础设施占用的耕地。

2.2.2 永久基本农田的拟调入

与上述计算罗定市永久基本农田布局合理性指数进行现状分析的研究思路类似，在新一轮的国土空间规划背景下，采用综合指标评价法，从永久基本农田范围外的“三调”纯耕地图斑确定调入的永久基本农田。初步确定调入的永久基本农田面积为4 577.9 hm2，占优化调整后罗定市永久基本农田总面积的11.3%。从空间分布上看，调入的永久基本农田主要来自于素龙街道、罗镜镇、黎少镇、生江镇以及连州镇耕地综合质量好且集中连片的的耕地，而属于中心城镇的罗城街道、附城街道、双东街道和龙湾镇没有耕地被拟定为调入的永久基本农田（表4）。可以发现，拟调入的永久基本农田是具有稳定利用特性的良好水利与水土保持设施的集中连片优质耕地、未划入永久基本农田的已建和在建高标准农田以及土地综合整治新增加的耕地。

2.2.3 优化结果分析由表5 可知，布局优化后罗定市的永久基本农田总面积增加了4.8 hm2。一等地面积为14 515.1 hm2，占调整后的永久基本农田总面积的36.0%，所占比例最大，比调整优化前增加了7 701.5 hm2。二等地面积相较于调整优化前也有所增加。三等地、四等地和五等地面积则均比调整优化前减少，减少面积总和为9 922.5 hm2。这说明罗定市永久基本农田布局优化调整方案更为优良，对实现永久基本农田的科学合理空间配置具有参考价值。

从空间分布（图5）来看，调整后的永久基本农田分布格局主要呈现中间密四周疏、东西密南北疏的布局特征。总体上，布局优化后罗定市的永久基本农田相较于调整前其空间布局合理性有所提升。也进一步说明了经过对永久基本农田空间布局的调整，罗定市在确保耕地数量、提升耕地质量及优化空间形态的同时，还从一定程度上改善了生态环境、优化了空间规划。

3 讨论

本研究以永久基本农田内涵为出发点，基于国土空间规划编制视角，将生态要素纳入永久基本农田布局优化指标体系中，从耕地数量、耕地质量、空间形态、空间规划和生态环境等5 个层面因地制宜地补充完善了区域永久基本农田布局优化方法，为永久基本农田布局优化提供了一种新思路，为完善国土空间规划编制提供了参考。

此外，为解决连片度指标计算复杂、耗时、工作量大的问题，本研究基于ArcGIS 软件设计了一个基于Arcpy 库的可独立调用的Python 模块（即连片度计算工具）。该模块能够实现连片度的快速计算，不仅简化了操作流程，还有效提高了工作效率。

当然，本研究仍存在一些不足之处：一是评价指标的确定及量化。采用层次分析法进行指标的选择与赋权，存在主观性较强等问题。在之后的研究中可以主客观结合采用熵权法和层次分析法对永久基本农田布局优化的评价指标进行量化，以保证其客观性与科学性。二是并未考虑到永久基本农田、城镇开发边界和生态红线三要素的优先次序及重要性对永久基本农田布局优化造成的不同结果和影响。因此，协调永久基本农田、城镇开发边界和生态红线之间的动态平衡以实现更为合理永久基本农田的布局是下一步研究的重点。

总体来说，如何把现有的永久基本农田布局调整技术与信息化管理结合以实现永久基本农田快速优化布局是未来发展的趋势。

4 结论

（1）从评价结果来看，罗定市的现状永久基本农田空间布局处于临近合理的状态，在布局优化方面仍有较大的提升空间。耕地地块布局合理性的评判对永久基本农田划定工作具有重要作用。未来可根据现状耕地和永久基本农田的布局合理性进行永久基本农田的调入、调出，有效推进罗定市永久基本农田划定工作进程。

（2）在“两山”理论、大数据挖掘、信息时代和新时代国土空间规划的背景下，本研究立足于耕地数量、质量、生态三位一体理念，综合耕地数量、耕地质量、空间形态、空间规划和生态环境5 方面的要素探究罗定市永久基本农田布局优化方法，为丰富基本农田划定研究提供了新的思路。同时，本研究也为全国其他的粮食主产区的永久基本农田布局优化提供了借鉴及参考。另外，在指标计算方面，利用Python 语言调用Arcpy 库快速计算连片度，在一定程度上提高了永久基本农田划定的工作效率。