基于聚类分析的农用地整理条件分区研究

基于聚类分析的农用地整理条件分区研究

0土地整理研究土地整理是土壤科学体系的重要分支。主要用于土地、道路、森林网络、居民区和水保护设施的改造，以及土地使用结构和土地覆盖层的调整，以增加有效的土地利用，改善农业生产条件，提高土地生产能力，改善土壤环境，优化土地景观结构，促进农村精神文明建设。学者关于土地整理的研究涉及土地整理潜力评价与测算、土地整理生态效益与风险以及环境影响等评价、土地整理绩效评价、基于3S技术与算法的土地整理项目配置与管理、国内外土地整理差别分析、土地整理相关政策研究、不同区域的土地整理模式研究和土地整理相关分区研究等方面。在相关分区研究方面,研究基础涉及整理潜力、自然条件、生态环境、社会条件、经济条件等,部分研究因子指标过多,导致数据不易采集;研究对象一般以地级市或直辖市为主,极少为某省全域范围,更少有涉及广西壮族自治区。本文以广西壮族自治区为研究对象,从农用地整理潜力、生态环境状况、自然条件状况和社会经济条件4个方面构建指标体系,多方面测算区域内各县(市、区)农用地整理的条件与限制性因素,针对不同特点进行条件分区,并分析以不同条件为基础的不同整理模式,为未来广西壮族自治区土地整治相关规划提供参考。1研究区域的总结和指标体系1.1临北部湾地区的地质概况广西壮族自治区地处中国南疆,位于104°26′~112°04′E,20°54′~26°24′N之间。东邻广东省,西连云南省,西北靠贵州省,东北接湖南省,南临北部湾与海南省隔海相望,西南与越南社会主义共和国接壤,行政区域总面积23.67万km2。地势由西北向东南倾斜,四周多被山地、高原环绕,呈盆地状。盆地边缘多缺口,桂东北、桂东、桂南沿江一带有大片谷地。石灰岩地层分布广,岩层厚,褶纹断裂发育,为典型的岩溶地貌地区。根据广西土地利用总体规划,未来广西工业化、城镇化发展将进一步加快,大量建设项目占用给耕地保障带来巨大压力,但全区宜耕后备资源严重不足,且多处于生态脆弱地区或边远地区,为保证粮食安全,农用地整理任务量大。1.2调查与统计概况本研究以县(市、区)为基本评价单元,原始数据的来源有广西第二次土地大调查数据(以下简称“二调数据”)、2009年末已实施农用地整理项目库、《农用地分等技术报告》、《广西壮族自治区岩溶地区石漠化综合治理规划(2008-2015年)》、广西坡耕地调查数据、《广西壮族自治区土地开发整理工程建设标准》(以下简称“工程分区成果”)、2010年《广西统计年鉴》等。2建立指标体系和计算方法2.1经营目标分区农用地整理是在以农用地(主要是耕地)为主的区域,采取土地平整、建设灌溉排水、道路、农田防护与生态环境保持等农业基础设施工程,增加有效耕地数量,提高耕地质量,改善农田生态环境,促进农田适度规模经营和现代农业发展的土地利用活动。综合参考土地整理相关分区指标体系,认为农用地整理分区应从农用地整理潜力、生态环境状况、自然条件状况和社会经济条件4个方面考虑,指标体系详见表1。权重的确定采用层次分析法(AHP),数值见表1。2.2可整理人才资源量测算农用地整理潜力包括数量潜力和质量潜力。由于地方技术力量有限,地方上报资源数据存在局限性,因此采用二调数据,测算出实际可整理规模,并结合广西历年已实施农用地整理项目库,最终测算出各县(市、区)农用地整理数量潜力。2.2.1基于数调佐量图的耕地分布及融合广西以山地为主,喀斯特地貌分布广泛,耕地较少且分布零散,而农用地整理对象为耕地相对集中连片区域。根据《国家投资土地开发整理项目管理暂行办法》(国土资发316号)的相关规定,分析部分已实施项目的划定规则,认为在划定可整理范围时,平原地区的单片耕地面积不应小于60hm2,丘陵地区的单片耕地面积不应小于40hm2。由此引入耕地连片系数概念,是指在一定区域内,平原地区集中连片程度大于规定面积(平原地区大于60hm2、丘陵地区大于40hm2)的耕地面积与耕地总面积之比。以广西36个具有代表性的县(市、区)二调矢量图为基础,通过ArcGIS中的“Dissolve”功能将二调矢量图中提取的水田、旱地、水浇地、田坎、沟渠和农村道路的地类图斑进行融合操作,生成相邻耕地被合并的耕地分布图,图1为提取一小片区域所做的融合效果对比示意图,图1a为未融合的零散图斑,图1b为经过融合操作的相对完整图斑。从而计算出36个县(市、区)单片面积大于规定面积的图斑面积的和与图斑总面积之比,即耕地连片系数。运用工程分区成果与地形地貌图高程量化数据,采用SPSS中层次聚类法,将广西全域89个县(市、区)划分为13类,因量化数据并无法完全代表耕地连片程度的相似性,针对该问题征求有关专家意见,对原有13类部分县(市、区)进行类别重划归并,最终调整为10类。使用之前测算的36个样点,对10类中的每一类内已知样点数据求算术平均值,每一类内非样点县(市、区)的耕地连片系数则以该平均值代表,即通过该方法将36个样点的耕地连片系数外拓到89个县(市、区)。2.2.2共作任务:耕地系数,%式中,P1为农用地整理数量潜力,hm2;Ag为耕地总面积,hm2;Ic为耕地连片系数,%;Ip为项耕系数,%,指农用地整理项目中耕地占项目实施面积的比重,该值参考广西农用地整理项目有效样点313个;Ai为已实施规模,hm2,至2009年末,广西已立项、已实施、已验收农用地整理项目441个;In为增加耕地系数,%,指项目中新增耕地与项目实施规模的比值,该值亦参考测算项耕系数时所用313个样点。2.2.3耕地生产企业产出提高量测算农用地整理质量潜力,一方面源于原有耕地在综合条件提高后带来的产量提高,另一方面源于新增耕地的产量。有学者采用多指标评价法评估质量潜力,其弊端在于指标数据采集复杂且量大,需采用模糊评价的方法进行量化,也无法完全体现产量的实际提高状况。本文采用直接测算的方法,测算公式为式中,P2为农用地整理质量潜力,t;On为新增耕地的产量,t/hm2,该数据测算以广西《农用地分等技术报告》中最低分等指数为基础,通过构建指数与产量对应模型,从而得出结果;Ou为单产提高量,t/hm2,测算方法为,依据广西《农用地分等技术报告》将全域细分为7个二级区,相同的二级分区,在农用地等别、耕作物、产量等方面具有一定相似性,提取已验收的115个农用地整理项目作为基础数据,删除部分异常值,使用求均计算,最终得出各二级区的原有耕地整理后单产提高量;其余同公式(1)。其他指标值测算详见表1。2.3各因子选取首先运用标准差标准化法,消除因子数值量纲。然后针对不同因子对土地作用方式不同,采用2种打分法。第1种打分法适用于农用地整理潜力、自然条件状况和社会经济条件中的因素因子,其数值越大,越有利于农用地整理,测算公式如下式中,Sk为k因子的分值;Xk为k因子标准化后数值;Dkmax为剔除Xk集合中几个特异最大值后,选取的最大值;Dkmin为剔除Xk集合中几个特异最小值后,选取的最小值。第2种打分法仅适用于生态环境状况中的因素因子,因子数值代表的生态环境状况越差,越不利于农用地整理,当数值达到限定值,则普通的农用地整理工作已不适于在该地开展。石漠化率是指石漠化土地占总面积的比例,坡度级别采用了坡耕地占耕地面积之比,因此石漠化率和坡度级别因子数值越大,代表生态环境状况越差,而植被覆盖率代表了林地、园地、其他草地的总覆盖情况,其因子数值越小,代表生态环境状况越差,因此分别采用公式(4)和公式(5)。石漠化率和坡度级别因子采用公式(4)式中,Dktl为Xk集合中的最高限定值,即当Xk大于该限定值时,Sk分值为负,其余同公式(3)。植被覆盖率采用公式(5)式中,Dkll为Xk集合中的最低限定值,即当Xk小于该限定值时,Sk分值为负,其余同公式(3)。3条件区分和模式3.1分析区域特点,提出主要问题农用地整理条件分区,是在潜力、自然、生态、社会经济状况分析的基础上,按照区域特点分门别类,提出在各县(市、区)开展工作时应注意的主要问题,从而实现在增加耕地面积、提高耕地产量的同时,保障多方面协调发展。3.1.1物种面的特征区域为难成岩石山区、水资源丰富区、社会经济条件良好区对不同类型分别进行分区,采用层次聚类法,依据分值聚类并根据专家意见进行部分微调。将农用地整理潜力分为高潜力区、中潜力区和低潜力区;自然条件状况中,地形地貌被分为平原盆地区、岩溶低丘区和土石山区,水资源状况被分为水资源丰富区和水资源受限区;社会经济条件被分为社会经济条件优秀区、社会经济条件良好区和社会经济条件改进区;任何生态环境因子超过极限值都是生态环境脆弱的体现,因此将石漠化率、坡度级别、植被覆盖率因子分值分别划分为“高”、“中”、“低”3个级别,通过制定规则得到生态安全区、生态改进区和生态脆弱区,生态脆弱区又被细分为坡耕地治理区和生态恢复区。3.1.2被划定区域潜力充足重点区域是指在未来十多年内进行大规模农用地整理项目的区域,是确定农用地整理重点工程和重点项目的指导性依据,应保证被划定区域潜力充足,各方面条件较好;非重点区域是小规模的一般项目区域或不开展项目区。重点区域的划定以农用地整理潜力分区为基础,潜力分区中的高潜力区和中潜力区作为备选区,剔除被划为生态环境脆弱区、土石山区或社会经济条件改进区的区域,余下的便为农用地整理重点区域。3.1.3农林整理条件分区在ArcGIS平台下,采用“Join”功能,综合生态环境状况分区、自然条件状况分区、社会经济条件分区和农用地整理重点区域划分数据,最终得出农用地整理条件分区图,见图2。3.2广西农田整理模式集合生态环境、地形地貌、水资源状况、社会经济条件的各种组合,以及是否处于重点区域,会产生不同的农用地整理需求,参照其他学者对土地整理模式的研究方法,得出广西农用地整理模式集合,详见表2。生态脆弱区不适合普通的农用地整理,需采用专项治理的方式,如坡耕地治理区需进行坡耕地治理,生态恢复区需石漠化治理和植树造林等;重点区域内以大规模项目为主,非重点区域以一般规模和小规模项目为主;现有广西土整项目资金仍以政府投资为主,在社会经济条件优秀区或良好区,可尝试引入民间投资,而在落后区,还需依靠政府投资;生态环境较差、水资源受限都需增加额外的应对措施,从而需提升单位面积投资量。3.3不同地区的投资重点区域:适合大规模整理项目;来宾市市辖区、贵港市市辖区、柳州市部分区域以及扶绥县、合浦县等地需采取工程措施防止生态恶化和干旱,单位面积投资稍高,其余区域单位面积投资普通;这些区域社会经济条件较好,可尝试引入民间投资。非重点区域:桂西北多为生态恢复区和坡耕地治理区,生态恢复区为不整理区;整理难度大,所需针对性工程措施较多,适合小规模整理,单位面积投资高;社会经济条件落后,应以政府投资为主。桂西南多为土石山区,整理难度大,部分区域水资源受限,适合小规模整理项目,单位面积投资稍高;社会经济条件较好,可尝试引入民间投资。桂东北与桂东区,三江县、龙胜县和资源县为坡耕地治理区,需进行以政府为主导的坡耕地治理,改善生态环境;阳朔县为生态恢复区,不建议开展农用地整理项目;余下的桂林市与玉林市内县(市、区),主要为岩溶低丘区,适合一般规模整理项目,单位面积投资稍高,社会经济条件较好,可尝试引入民间投资;贺州市与梧州市内县(市、区),主要为土石山区,适合小规模项目,单位面积投资稍高,部分区域社会经济条件落后,应以政府投资为主。4确定农田整理目标区域1)本文通过多因素评价法,根据整理潜力、生态环境、自然条件、社会经济条件等指标,尝试构建了服务于农用地整理规划的分区方法体系,区域条件的不同,在农用地整理时应制定相应的模式策略,相关部门在项目审批时也应将其作为审核标准。2)所划定重点区域涉及桂中和桂南,区域内整理潜力较高、各方面条件较好,是未来土地整治规划确定农用地整理重点工程和重点项目的主要备选目标。除来宾以北区域存在水资源受限情况外,良好的整体条件适合较大规模低成本高回报的高标准农田建设模式。3)非重点区域内,生态恢复区为不整理