郭笑东， 陈利根,2， 毕如田， 郭永龙， 原丽娟

(1.山西农业大学 资源环境学院， 山西 太谷 030801； 2.南京农业大学 公共管理学院， 江苏 南京 210095)

土地是一切生产要素的聚集点，土地整治是土地要素与田、水、路、林、村等要素进行有效整合的最佳平台[1]。合理安排耕地整治优先度，制定科学的整治模式不仅有利于提高整治绩效，减少资源浪费，还会提升农民生产效率，促进农民增收。耕地整治优先度就是为使社会、经济和生态效益达到最大化，在一定的生产力水平和资金约束前提下，按照一定原则对区域耕地资源状况进行科学评价，并以评价结果为依据确定耕地整治的先后顺序[2]。目前，耕地整治的相关研究主要包括综合效益[3]、整治模式[4-5]、适宜性评价[6]、整治潜力[7]等方面，对耕地整治优先度的研究主要有：马春艳等[8]以耕地整治潜力级判断投入次序；沈立宏等[9]从整治潜力与难度的角度对江苏省宝应县农田整治优先度进行了研究；谢向向等[10]、程文仕等[11]综合考虑土地整治绩效的空间差异和土地数量、质量、生态综合潜力确定了土地整治投入优先序；王东等[2]从整治迫切性和强烈性的视角考虑耕地整治的优先度。可以看出，学者们多从整治的效益、潜力、绩效、难度等单个或多个角度对耕地整治优先度进行划分，但从生态适宜性角度对耕地整治优先度进行评价并对评价后如何确定不同区域整治模式的研究还仍显薄弱。

生态位是生态学中重要理论之一，最早由格林内尔首创[12]，它是指一生物单元在其所处生态系统中的位置，具体为其与环境及其他相关生物之间的功能分工与相互作用。生态位适宜度则是定量表述生物对其生境资源条件的适宜程度，利用这一思想把地理空间中生物的存在条件视作一生态位，其生存条件可用N维空间区域进行描述，区域内各点所处的空间位置不同则生物的生态位适宜度不同[13-14]。耕地整治作为一种系统性综合建设工程，其整治效果的好坏与多维空间上资源状况密切相关，因此耕地整治生态位适宜度可通过区域内现实资源条件与耕地整治需求的资源条件之间的贴近度来揭示。目前生态位理论在耕地整治方面较少，仅谭少军等[15]利用该理论研究了土地整治工程生态化布局，徐小千等[16]借助该理论对耕地整治适宜性进行了评价。而黄土丘陵区地质地貌特殊，水土流失问题严重，耕地布局分散，开展耕地整治时更应十分注重耕地本底条件对整治需求的适宜程度。

基于此，本文拟将黄土丘陵区耕地整治对生产潜力、空间形态和区位条件3个维度的需求所形成的多维资源空间定义为耕地整治最适生态位，将耕地相应的现实条件形成的资源空间定义为现实生态位，利用现实生态位与最适生态位的贴近程度评价耕地整治生态位适宜度，从而将生态位适宜度模型引用到耕地整治优先度和整治模式的研究中，以期为制定差别化耕地整治政策提供科学依据。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

太谷县隶属山西省晋中市，处于黄土高原区汾渭谷地，行政辖区面积1 033.7 km2，分为3个镇和6个乡208个行政村。截止2015年末，县域人口达36万，耕地面积总量为31 738.13 hm2，占研究区行政辖区面积的30.70%，其中有26.71%旱地和73.29%水浇地。

太谷县属于温带大陆性季风气候区，气候温润，年均气温9.8 ℃，年均降水量477 mm，境内主要有象峪河、乌马河两条季节性河流。总体地势东南高西北低，海拔高度范围为768至1 914 m。县域内平原、黄山丘陵、基岩山地并存，分别占到全县总面积的17.0%，20.2%和62.8%。太谷县自然条件与区位优势独特，被省审批为“山西农谷”，承担了引领山西省现代农业转型升级的重要使命。

1.2 数据来源

①2015年太谷县土地利用现状图，主要提取农村道路、沟渠、农村居民点、耕地集中连片度、田块规整度等数据； ②太谷县农用地分等数据，主要获取土壤质地、土壤有机质含量、灌溉保证率、耕层厚度等数据； ③太谷县30 m精度的数字高程图(DEM)，主要提取耕地的高程、坡度信息； ④太谷县行政区划图。

2 研究方法

2.1 耕地整治生态位适宜度评价

2.1.1 研究单元的确定 本文以耕地地类图斑为研究单元，截止2015年底研究区共10 557个耕地地类图斑。

2.1.2 评价指标体系的构建 根据研究区土地利用现状并考虑到数据可获得性，以科学性、系统性、层次性、可行性、可比性为原则，从生产潜力、空间形态和区位条件3个维度构建了黄土丘陵区耕地整治生态位适宜度评价体系。指标体系及指标效应见表1。

表1 耕地整治生态位适宜度评价指标体系及指标效应

注：+为正效应； -为负效应。

土地生产潜力是土地利用的基础条件，主要由土地空间内植物、动物及微生物所构成的生命系统以及气候、土壤、温度、水文等构成的物质系统组成[17]，这些条件通过影响土地的自然供给进而限制其经济供给。由于县域范围内光温生产潜力、气候生产潜力、生物特征无明显差别，通过文献查阅和资料查找最终选取了土壤有机质含量、耕层厚度、土壤质地、灌溉保证率和地形坡度5个指标。

空间形态主要指耕地本身面积大小、形状以及区域范围内耕地景观格局的分布状况，是区域内耕地破碎化程度的直接决定因素，对耕地整治的可操作性及难易程度有显著影响。因此，本文选取了田块规整度、耕地集中连片度2个指标对耕地空间形态进行描述。

区位条件与耕地整治后综合效益释放的难度与速度有密切的联系，村民的耕作半径、灌溉的难易程度、各种机械的使用效率以及农产品运输成本均应考虑在内。因此，本文选取了耕地与农村居民点距离、耕地与沟渠距离和耕地与农村道路距离3个指标对耕地区位条件进行描述。

2.1.3 指标说明与标准化

(1) 指标说明。现实生态位是指影响耕地整治生态适宜性的各指标的实际值，用x1，x2，x3，…，xn表示。当指标效应为正时，现实生态位值越大对耕地整治的适宜性越强，高于一定现实生态位值后其对耕地整治的适宜性达到最佳，此时这一现实生态位值即为正向指标的生态位上限值，也就是正向指标的最适生态位值；相反，现实生态位值越小对耕地整治的适宜性越差，低于一定现实生态位值后其对耕地整治的适宜性达到最差，此时这一现实生态位值即为正向指标的生态位下限值。同理，当指标效应为负时，现实生态位值越小对耕地整治的适宜性越强，低于一定现实生态位值后，其对耕地整治的适宜性达到最佳，此时这一现实生态位值即为负向指标的生态位下限值，也就是负向指标的最适生态位值；相反，现实生态位值越大对耕地整治的适宜性越差，高于一定现实生态位值后，其对耕地整治的适宜性达到最差，此时这一现实生态位值即为负向指标的生态位上限值。

①土壤有机质含量(C1)：是重要的养分容量指标。含量越小，土地生产潜力越小；反之越大。该指标最适生态位值和下限值根据已有研究[18]确定。

②耕层厚度(C2)：是土壤肥力的富集地，对促进作物生长、提高土壤养分与水分的作用重大。耕层越薄，耕地生产潜力越小；反之生产潜力则大。该指标最适生态位值和下限值根据已有研究[18]确定。

③土壤质地(C3)：是评估耕地生产力高低的重要指标，能较好地表达土壤耕作性能特征。壤土、黏土、砂土和砾质土的现实生态位值分别为1，0.8，0.7和0.4[19]。其中，壤土最有利于作物生长，将其现实生态位值视为该指标的最适生态位值；砾质土最不利于作物生长，将其现实生态位值视为该指标的生态位下限值。

④灌溉保证率(C4)：研究区共包括无灌溉条件、一般满足、基本满足和充分满足四种情况，其现实生态位值分别为0.5，0.6，0.9和1[19]。其中，“充分满足”最有利于作物生长，将其现实生态位值视为该指标的最适生态位值；“无灌溉条件”最不利于作物生长，将其现实生态位值视为该指标的生态位下限值。

⑤地形坡度(C5)：是影响耕地整治难度与成效的重要因素，也是发生土壤侵蚀的主要原因。坡度增大，耕地整治难度也会随之加大。从30m精度的DEM中运用Arc GIS10.5 slope工具获得。该指标最适生态位值和上限值根据已有研究[18]确定。

⑥田块规整度[20](C6)：耕地田块形状规整则方便农机耕作，从而提高农民生产效率。田块规整度(FRAC)小表示田块形状规则；反之，田块形状复杂。该指标最适生态位值与上限值通过Arc GIS10.5的自然间断点分级法确定，分别为1.04和1.89。

(1)

式中：FRAC——田块规整度；p——耕地田块的周长(m)；a——耕地田块的面积(m2)。

⑦耕地集中连片度(C7)：现实情况中因为有田间道路、沟渠等线状地物阻碍了耕地连片度，在Arc GIS10.5中对耕地图斑做10 m缓冲融合生成新图层，每块耕地集中连片度以新图层中对应地块面积大小为依据进行标准化，耕地面积越大，则连片程度越高；反之，则连片程度越低。该指标最适生态位值与下限值通过Arc GIS10.5的自然间断点分级法确定，分别为3 114.52和124.74。

⑧与农村居民点距离(C8)：用耕地几何中心到对应农村居民点的距离表示。相关研究表明最佳耕作的空间半径为0.5 km[21]。农民可接受的耕作时间半径为30 min，假设农业机械20 min移动10 km、农民10 min行走1 km，则最远耕作空间半径为1 km。考虑到研究区地势地貌状况，在平原地区，农民可乘坐农用运输工具到达耕地，则耕作半径在0.5 km到11 km之间是合理的；在丘陵山区，按农民30 min可行走3 km，其耕作半径在0.5 km到3 km之间是合理的。距离越近，越方便耕作；反之，则不方便耕作。故在平原地区，该指标最适生态位值为0.5，上限值为11；在丘陵山区，该指标最适生态位值为0.5，上限值为3。

⑨与沟渠距离(C9)：用耕地几何中心到沟渠的最短距离表示。一般要求农渠间隔宜为200至400 m[22]，本文按农渠的间隔300 m计算，则沟渠的影响距离为300 m。距离越远，越不方便灌溉；反之，则越利于灌溉。故该指标最适生态位值为0，上限值为300。

⑩与农村道路距离(C10)：用耕地几何中心到农村道路的最短距离表示。相关研究表明[23]，耕地与农村道路距离小于1 km时，耕地可达性较好，大于5 km时，耕地可达性非常差。故该指标最适生态位值为1，上限值为5。

(2) 指标标准化。各指标生态位适宜度值通过评判评价单元耕地现实生态位与最适值的贴近程度确定。其中土壤有机质含量、耕层厚度、地形坡度3个指标参考已有研究的经验函数[18]，其余指标通过线性评价模型[16]确定各指标的生态位适宜度值(见表2)。

表2 数值型评价因子的生态位适宜度值

注：NFi为第i个评价指标的生态位适宜度值；xopt为每个指标的最适生态位值；当指标效应为正时，xt表示指标生态位的下限值，当指标函数为负时，xt表示指标生态位的上限值；x为耕地的现实生态位值。

2.1.4 权重确定 利用层次分析法确定10个指标权重Wi1，IC=0.056 0，RC=0.037 6<0.1，结果可以通过一致性检验；利用熵权法得到权重Wi2(见表3)。其中，层次分析法充分利用相关知识与经验将评价过程层次化、数量化，从而判断相应指标权重，但其主观性较强；熵权法充分利用数据挖掘技术求得权重，虽然客观性较强，但有可能违背指标本质意义。两种方法各有优缺点，故采用平均法确定综合指标权重，公式：

Wi=(Wi1+Wi2)/2

(2)

式中：Wi——第i个指标的综合权重；Wi1——第i个指标运用AHP得到的权重；Wi2——第i个指标的熵权，i从1到10。

表3 耕地整治生态位适宜度评价指标权重

2.1.5 耕地整治生态位适宜度的计算 采用综合指数法，公式如下：

(3)

式中：NF——耕地整治生态位适宜度值； NFi——第i个评价指标的生态位适宜度值；Wi——第i个评价指标的综合权重；n从1到10。

2.2 耕地整治优先度划分

根据生态位适宜度评价结果对研究区所有耕地的整治优先度排序，NF值越大，表示其现实条件越符合耕地整治的要求，越适宜优先整治；NF值越小，表示其现实条件中存在的耕地整治障碍因素越大，受现阶段土地整治技术与成本的约束，耕地整治改造的难度也就越大。具体方法是在Arc GIS 10.5中以耕地整治生态位适宜度值NF作为分类字段，采用GIS标准分类法中的自然间断点分级法，将耕地整治优先度划为3个等级，NF由高到低分别对应优先整治区域、一般整治区域和限制整治区域。

2.3 耕地整治模式研究

从表3可以看出，地形坡度(C5)，与沟渠距离(C9)，与农村道路距离(C10)的综合权重值最大，说明这3个指标对研究区耕地整治的影响有显著地作用强度，同时，C5，C9和C10的限制条件均具有可改造性，所以是研究该区域的必选指标。

运用指标组合法分析耕地整治模式。依据郭力娜等[24]对主要限制指标及其限制程度的划分，将NF在0～0.6之间的界定为高限制指标，NF在0.6～0.8之间的界定为中等限制指标，NF在0.8～1之间的界定为低限制指标。利用C5，C9，C10各指标的限制程度相互组合，形成如“高中高”的分组。将不同分组划入不同类型区的基本原则如下：①克服和改造坡度要更多地考虑水土保持与生态影响，在黄土丘陵区其工程难度更显复杂，并不是短时间内可以实现的，因此只要地形坡度的限制程度为强和中，该组合划入类型区Ⅰ。 ②农田水利设施是保证耕地高产稳产不可或缺的设施，耕地与沟渠距离的限制程度为强和中的组合划入类型区Ⅱ；若耕地与农村道路距离、耕地与沟渠距离的限制程度同时为高或中时，优先考虑耕地与沟渠距离。 ③与农村道路的距离决定着各种机械的使用效率以及农产品运输成本，对耕地整治效益的释放有重要的影响，所以当与农村道路距离的限制程度为高时，该组合划入类型区Ⅲ。此外，当3个指标的限制程度均为低时，该组合也入划类型区Ⅲ。

3 结果与分析

3.1 耕地整治优先度划分

研究区耕地整治生态位适宜度NF范围在26.02与93.57之间，标准差为17.91，平均值63.08，其中5 931个研究单元生态位适宜度值大于平均值，占研究单元总量的56.18%，占研究区耕地面积的71.69%，可见，研究区耕地整治生态位适宜度的分布非均衡性突出。且NF整体呈现由西北向东南逐渐递减的趋势，而研究区地形地貌由西北向东南依次为平原、丘陵和山地，可以看出，地形地貌对耕地整治生态位适宜度有一定的阻隔作用。

以耕地整治生态位适宜度评价结果为依据，在Arc GIS 10.5中采用自然间断点分级法，将耕地整治优先度划为优先整治区域(73.29≤NF≤93.57)，一般整治区域(52.93≤NF<73.29)和限制整治区域(26.02≤NF<52.93)，2个间断点分别为52.93，73.29，不同区域内各指标生态位适宜度均值见图1，空间分布状况见图2。

图1 黄土丘陵区耕地整治生态位适宜度均值

图2 黄土丘陵区耕地整治优先度分布

其中，优先整治区域包含3 870个研究单元，面积为15 713.07 hm2，占研究区耕地总面积的49.50%，该部分主要位于研究区平原区和丘陵区中北部，整体地势相对平坦，经济发达，土地利用率高，该区域耕地状态整体优越，耕地生产潜力大，空间形态和区位条件优势显著，整治难度系数小，整治效益容易释放；一般整治区域包含3 150个研究单元，面积为9 609.15 hm2，占研究区耕地总面积的30.28%，主要分布在研究区丘陵区的西南部，生产潜力状况(C1，C2，C3，C4，C5)、耕地的田块规整度C6和耕地与农村居民点距离C8与优先整治区域耕地状况基本相同，而耕地集中连片度C7、耕地与沟渠距离C9、与农村道路距离C10比优先整治区域耕地差距较为明显，耕地集中连片度的生态适宜度平均值为0.82，与沟渠距离的生态位适宜度平均值仅为0.53，与农村道路距离的生态位适宜度平均值仅为0.34；土地整治限制区域包含3 537个研究单元，面积6 415.91 hm2，占研究区耕地总面积的20.22%，该区域主要位于研究区东部山区，整体指标生态位适宜度平均值低于优先整治区域和一般整治区域，其中地形坡度C5，耕地集中连片度C7，与沟渠距离C9，与农村道路距离C10差别最明显，主要因为限制整治区域内海拔较高，受地形起伏的限制，耕地坡度变化大，分布破碎、分散且土壤侵蚀严重。同样因地形起伏的原因，该区域道路稀疏，基本没有灌排系统，生态环境最为脆弱，不仅整治难度大，而且对生态破坏的风险也大，在现有整治技术条件下，不宜过早实施土地整治工程，应重点使其发挥生态涵养功能。

3.2 耕地整治模式确定

补“短板”和制定差异化整治策略是推动耕地整治效果释放和可持续发展的关键。本文只针对优先整治区域、一般整治区域提出不同整治模式，而耕地整治限制区域现阶段不适宜进行整治，在此不再讨论。

根据指标组合法，理论上3个限制指标可形成27(3×3×3)种限值指标组合，汇总结果显示，研究区实际只存在21种。按照上述划分原则将21种限值指标组合划分到3个类型区。类型区Ⅰ：坡改梯模式，包含12种组合；类型区Ⅱ：农田水利建设及完善模式，包含5种组合；类型区Ⅲ：道路通达度提升模式，包含4种组合，组合的划分结果见表4，不同类型区整治模式的空间分布见图3。

表4 黄土丘陵区耕地整治限制指标组合类型

图3 黄土丘陵区耕地整治模式分布

(1) 类型区Ⅰ。坡改梯模式，可有效解决黄土丘陵区水土流失问题，是保持水土资源、增强地力、提高粮食产出率的有效手段。该模式耕地面积1 258.44 hm2，该模式占优先整治区域和一般整治区域耕地面积比例最小，仅占4.97%，主要分布在研究区山区与丘陵区的边缘过渡带。该模式范围内99.50%的耕地坡度小于15°，可采用“土坎梯地”工程措施，成本低，工期短，对生态环境的改动较小。只有0.50%耕地坡度大于25°，应选择退耕还林。

(2) 类型区Ⅱ。农田水利建设及完善模式，是以增加耕地灌排设施为主的建设模式。该模式耕地面积11 776.56 hm2，占优先整治区域和一般整治区域耕地总面积的46.51%，主要分布于研究区平原区和丘陵区的中南部。该区域象峪河、乌马河两河流水资源可用于灌溉，但灌溉水源、沟渠建设等农田水利基础设施布局稀疏不均匀，需要进一步完善。整体整治难度较小，因此可作为研究区耕地整治的重点区域，主要以完善农田基础设施、建设高标准农田为目标。

(3) 类型区Ⅲ。道路通达度提升模式，是以改善交通条件、提升耕地可达性为主的整治模式，主要分布于研究区丘陵区的中北部。该模式耕地面积为12 287.22 hm2，占优先整治区域和一般整治区域耕地总面积最大，所占比例为48.52%。通过优化区位布局，提高交通便捷度，促进耕地整治效益释放，同时可在农村道路两侧种植防护林，以加强农业生产环境保护和优化。需要注意的是，田间道路布局应注重修缮与新建并重，做好骨干与次级路网的合理配置，避免过度追求道路密度，对动物迁徙的生态廊道造成影响。

4 结论与讨论

本文借助生态位适宜度模型，从生产潜力、空间形态、区位条件3个维度构建了黄土丘陵区耕地整治生态位适宜度评价体系，以山西省太谷县为研究区，结合综合指数法和GIS标准分类法确定耕地整治优先度、关键指标组合法确定不同区域耕地整治模式。结果如下：

(1) 研究区耕地整治生态位适宜度范围介于26.02与93.57之间，且整体分布非均衡性突出。

(2) 根据研究区耕地整治生态位适宜度评价结果，研究区可划为优先整治区域、一般整治区域和限制整治区域，分别占研究区耕地面积的49.50%，30.28%和20.22%。

(3) 运用指标组合法对地形坡度、耕地与沟渠距离、耕地与农村道路距离3个关键性限制指标分析，将优先整治区域、一般整治区域的耕地整治划分为坡改梯、农田水利建设及完善、道路通达度提升三种模式，分别占优先和一般整治区域耕地面积的4.97%，46.51%和48.52%。

耕地整治优先度的划分结果与研究区耕地利用现状基本吻合，这表明使用生态位适宜度模型研究耕地整治优先度科学可行，研究结果有一定的实用价值。借助生态位适宜度模型研究耕地整治优先度，不仅丰富了耕地整治优先度的研究方法，而且促进了耕地整治理论与现代生态学理论的交叉、融合与渗透，这为因地制宜地开展黄土丘陵区耕地整治提供了一定的理论依据。研究的不足之处是，由于该研究区的经济资料获取有限，没有将相关的经济指标纳入评价体系，今后的研究可以适当指标扩展，如加入劳动力水平、财政支持力度等社会经济指标，从而实现更加复杂的分析研究。