基于ESDA的武漢城市圈耕地利用集約度空間差異分析

柯新利, 黃 翔, 楊柏寒

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地管理學(xué)院, 武漢 430070)

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基于ESDA的武漢城市圈耕地利用集約度空間差異分析

柯新利, 黃 翔, 楊柏寒

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地管理學(xué)院, 武漢 430070)

通過對(duì)武漢城市圈35個(gè)縣(區(qū)、市)耕地利用集約度全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)分析，剖析了武漢城市圈過去10 a耕地利用集約度差異的時(shí)空分異特征，結(jié)果表明：(1) 武漢城市圈耕地利用集約度總體上處于不斷上升的趨勢；(2) 耕地利用集約化水平受地形條件影響較大，研究期間局部耕地集約度差異顯著，形成了“東西平原高、南北山區(qū)低”的空間格局；(3) 武漢城市圈耕地利用集約度江漢平原高值區(qū)逐漸形成，但其對(duì)整個(gè)武漢城市圈耕地利用集約度的極化效應(yīng)明顯大于其擴(kuò)散效應(yīng)。武漢城市圈縣域耕地集約化水平全面協(xié)調(diào)發(fā)展的道路還需要進(jìn)一步努力。

空間自相關(guān); 耕地利用集約度; ESDA; 武漢城市圈; 空間差異

隨著我國人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)水平的持續(xù)增長，人們對(duì)耕地產(chǎn)品和服務(wù)的需求不斷增加。有兩種途徑可以滿足人們對(duì)耕地功能的需求：擴(kuò)大耕地面積或提高單位面積上的產(chǎn)出[1]。當(dāng)前我國處于快速城鎮(zhèn)化階段，耕地面積減少是這一階段我國土地利用的主要特征。因此，耕地集約度的提升成為維持耕地產(chǎn)出增加、保證糧食安全的重要途徑[2]。在這一背景下，耕地集約利用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，有關(guān)耕地集約利用的研究主要集中在耕地利用集約度評(píng)價(jià)[3]、耕地集約利用變化驅(qū)動(dòng)因素分析[4]以及耕地集約利用變化研究[5]三個(gè)方面，也有少量的研究開始關(guān)注耕地利用集約度的區(qū)域差異性[6]。然而，當(dāng)前有關(guān)耕地利用集約度區(qū)域差異的研究由于缺乏空間視角、忽視地理位置的影響，無法反映區(qū)域間差異變化的空間特征[7]。ESDA(Exploratory Spatial Data Analysis，探索性空間數(shù)據(jù)分析)是以空間關(guān)聯(lián)性測度為核心，用來描述與顯示對(duì)象的空間分布，揭示空間聯(lián)系、簇聚以及其他異質(zhì)性的空間分布模式[8-9]。目前ESDA方法主要應(yīng)用在區(qū)域經(jīng)濟(jì)差異[10]、城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展空間差異[11]、住宅價(jià)格時(shí)空分異[12]等領(lǐng)域。本文以武漢城市圈為例，基于2000—2009年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，借助GeoDA和ArcGIS空間分析軟件，利用ESDA方法深入剖析武漢城市圈各縣(區(qū)、市)耕地利用集約度時(shí)空格局的差異性特征，為揭示區(qū)域耕地利用集約度的時(shí)空特征及空間差異提供科學(xué)依據(jù)。

1　研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1研究區(qū)概況

武漢城市圈位于湖北省東部，長江中游，東經(jīng)112°30′—116°07′，北緯29°05′—31°51′，以湖北省省會(huì)武漢市為城市圈中心城市，黃石市、孝感市為城市圈副中心城市，涵蓋其周邊約100 km以內(nèi)的咸寧市、黃岡市、鄂州市、天門市、潛江市和仙桃市。占全省31.2%面積的武漢城市圈，集中了湖北省51.9%的人口、GDP總量的62.4%。該區(qū)域不僅是湖北經(jīng)濟(jì)發(fā)展的核心區(qū)域，也是中部崛起的重要戰(zhàn)略支點(diǎn)。武漢城市圈位于我國長江中下游地區(qū)，地勢大部分低平，西部和中東部為開闊的江漢平原和鄂東沿江平原，南部、東北部和北部是山地丘陵崗地區(qū)。

武漢城市圈耕地資源十分豐富，“湖廣熟，天下足”，自明朝以來，湖北就是我國糧食主產(chǎn)區(qū)之一，在中國糧食生產(chǎn)格局中占有重要地位。而湖北省46個(gè)糧食主產(chǎn)區(qū)中就有24個(gè)在武漢城市圈，所以提高武漢城市圈耕地利用集約化水平對(duì)湖北省乃至全國的糧食安全具有重大意義。

1.2數(shù)據(jù)來源

本研究涉及的數(shù)據(jù)包括耕地利用投入情況、利用程度、利用效率及持續(xù)狀況四個(gè)方面的數(shù)據(jù)。耕地利用的投入情況涉及的數(shù)據(jù)主要包括武漢城市圈各縣(區(qū)、市)化肥施用量、鄉(xiāng)村勞動(dòng)力、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力；利用程度方面涉及的數(shù)據(jù)主要包括各縣(區(qū)、市)農(nóng)作物總面積、耕地總面積、有效灌溉面積；利用效率方面涉及的數(shù)據(jù)主要包括各縣(區(qū)、市)農(nóng)林牧漁業(yè)總產(chǎn)值、糧食總產(chǎn)量及糧食播種面積；持續(xù)狀況方面包括各縣(區(qū)、市)人均糧食產(chǎn)量、地區(qū)總?cè)丝?、鄉(xiāng)村勞動(dòng)力及耕地總面積。這些數(shù)據(jù)均來源于2000—2009年《湖北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒》。本文所采用的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)是從1∶400萬的國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)提取的武漢城市圈縣域邊界數(shù)據(jù)。為了方便分析，本文在ArcGIS平臺(tái)上將耕地利用投入情況、利用程度、利用效率及持續(xù)狀況四個(gè)方面的數(shù)據(jù)與shape格式的行政區(qū)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行掛接，形成了耕地利用集約度空間差異分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

2　研究方法

2.1耕地利用集約度測算

2.1.1測算指標(biāo)體系及其權(quán)重確定耕地的集約利用是指通過在一定的耕地面積上增加適度的資本、勞動(dòng)、技術(shù)等生產(chǎn)要素，以最大限度獲得耕地利用的效益[13]。耕地利用集約度評(píng)估的思路主要有：(1) 基于PSR模型，從壓力、狀態(tài)、響應(yīng)三個(gè)方面選取指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[14]；(2) 基于耕地利用集約度定義[15]，將耕地利用集約度界定為“一定時(shí)間內(nèi)投入到單位面積耕地上的資金和勞動(dòng)力的總貨幣額”，認(rèn)為耕地利用集約度就是資金集約度同勞動(dòng)集約度兩者之和[16]；(3) 從投入強(qiáng)度、利用程度及利用效益三個(gè)方面選取指標(biāo)構(gòu)成耕地利用集約度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[17]。結(jié)合武漢城市圈實(shí)際情況以及數(shù)據(jù)的可得性，本文參考崔麗等[18]的方法進(jìn)行耕地利用集約度評(píng)價(jià)，結(jié)合武漢城市圈耕地利用現(xiàn)狀，從投入強(qiáng)度、利用程度、利用效率和持續(xù)狀況四個(gè)層面構(gòu)建了包含10項(xiàng)指標(biāo)的武漢城市圈耕地利用集約度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。運(yùn)用極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并采用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重。

表1　武漢城市圈耕地利用集約度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1.2耕地利用集約度的計(jì)算采用多因素加權(quán)分值法計(jì)算耕地集約度。具體操作方法：在通過確定個(gè)參評(píng)因子權(quán)重的基礎(chǔ)上，將各評(píng)價(jià)單元的每一參評(píng)因子的標(biāo)準(zhǔn)化值與其權(quán)重相乘，之后再進(jìn)行累加。計(jì)算表達(dá)式為：

式中：f(w)——耕地利用集約度；wi——評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層權(quán)重；wj——評(píng)價(jià)指標(biāo)層權(quán)重；Aj——各評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值。耕地利用的集約化程度越高，計(jì)算得到的耕地利用集約度值就越大。

2.2ESDA方法

2.2.1空間權(quán)重矩陣通常，需要定義一個(gè)二元對(duì)稱空間權(quán)重矩陣W來定義空間對(duì)象間相互作用的空間關(guān)系?？臻g權(quán)重的確定是進(jìn)行空間分析的前提和基礎(chǔ)，空間權(quán)重有兩種定義方式：一是基于鄰接規(guī)則，二是基于距離規(guī)則，本文采用的是鄰接規(guī)則定義的權(quán)重矩陣?？臻g權(quán)重的定義表達(dá)式如下所示：

式中:Wij——區(qū)域i和j的臨近關(guān)系，它可以根據(jù)鄰接標(biāo)準(zhǔn)或距離標(biāo)準(zhǔn)來度量?；卩徑右?guī)則定義的權(quán)重矩陣為：

2.2.2全局空間自相關(guān)全局空間自相關(guān)用來反映整個(gè)區(qū)域的空間集聚程度，是對(duì)其屬性值在整個(gè)區(qū)域空間特征上的描述。通過全局空間自相關(guān)來衡量區(qū)域間整體上的空間關(guān)聯(lián)與差異[19]。目前，應(yīng)用于全局自相關(guān)的最主要方法是Moran′sI指數(shù)，本文選用Moran′sI指數(shù)來對(duì)武漢城市圈耕地集約度空間模式整體進(jìn)行定量描述，其計(jì)算公式為：

Moran′s I指數(shù)值介于-1，1間，當(dāng)I值接近于1時(shí)，說明相同屬性的縣域集聚在一起(高值與高值相鄰、低值與低值相鄰)；當(dāng)值接近-1時(shí)，說明相異屬性的縣域集聚(高值與低值相鄰、低值與高值相鄰)。若Moran′s I指數(shù)值接近于0，代表縣域?qū)傩噪S機(jī)分布，縣域之間不存在空間相關(guān)性[20]。

2.2.3局部空間自相關(guān)局部空間自相關(guān)是區(qū)別于全局空間自相關(guān)，其主要分析不同空間位置上可能存在的不同空間關(guān)聯(lián)模式，以便于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的空間異質(zhì)性。本文研究的局部空間相關(guān)性主要通過局部莫蘭指數(shù)(Local Moran Index)，又稱LISA(Local Indicator of Spatial Association)，可以用來表明空間差異程度的顯著性，度量縣域i和其他區(qū)域的關(guān)聯(lián)程度。

3　結(jié)果與分析

3.1全局空間自相關(guān)分析

全局空間自相關(guān)顯著。利用GeoDA1.4.6軟件計(jì)算出武漢城市圈2000—2009年歷年的縣域耕地利用集約度的全局Moran′sI值(圖1)。

圖1　武漢城市圈縣域耕地集約度的全局Moran′s I值

圖1顯示，自2000年以來，武漢城市圈耕地利用集約度的全局Moran′sI計(jì)算值在0.25～0.55之間，說明武漢城市圈耕地利用集約度呈現(xiàn)較大的空間正相關(guān)性，線性趨勢先平穩(wěn)，再下降、后上升的態(tài)勢。整體上可以分為兩個(gè)階段：第一階段自2000—2005年，耕地利用集約度線性趨勢平穩(wěn)，空間關(guān)聯(lián)度都較強(qiáng)，空間極化作用明顯；第二階段自2006—2009年，耕地利用集約度線性趨勢先下降后上升，波動(dòng)性較大，區(qū)域內(nèi)部空間差異變化較大，但總體呈現(xiàn)高度集聚的狀態(tài)。為了檢驗(yàn)各年度Moran′sI是否顯著，在GeoDA中采用蒙特卡洛模擬的方法檢驗(yàn)，2000年、2003年、2004年、2005年、2009年p-value均小于或等于0.001，其余年度的p-value均小于0.05，通過顯著性檢驗(yàn)。這說明，武漢城市圈縣域耕地利用集約度相似(高高或低低)的地區(qū)的在空間上集中分布(表2)。

表2　武漢城市圈2000-2009年耕地利用集約度的Global Moran′s I估計(jì)值

3.2局部空間自相關(guān)分析

通過計(jì)算全局Moran′s I，可以得到武漢城市圈的耕地利用集約度全局自相關(guān)顯著，出現(xiàn)了明顯的集聚現(xiàn)象的結(jié)論。但武漢城市圈縣區(qū)總體空間差異的縮小，并不能說明這個(gè)地區(qū)的耕地利用集約化水平已經(jīng)是全面、健康的發(fā)展道路，高高地區(qū)和低低地區(qū)的集聚同時(shí)說明了武漢城市圈耕地利用集約化水平空間分異的反映。為了更具體的表現(xiàn)集聚發(fā)生的位置，即耕地利用集約度空間分異現(xiàn)象，利用局部自相關(guān)探索集聚發(fā)生的位置。運(yùn)行GeoDA中的Local Moran′s I Map命令得到2000年，2004年，2009年LISA集聚地圖(圖2)。

圖2顯示，耕地利用集約度High—High集聚中心主要出現(xiàn)在武漢城市圈西部的江漢平原(天門，孝感部分區(qū)域)，且隨著年份的增長，High—High集聚中心變多，高耕地利用集約度區(qū)域集聚性增強(qiáng)；Low—Low集聚中心主要出現(xiàn)在武漢城市圈的南部和東南部黃岡市、咸寧市，且隨著年份的增長，Low—Low集聚由南部向東南部擴(kuò)散。

圖2　武漢城市圈耕地利用集約度LISA集聚地圖

圖3　武漢城市圈耕地利用集約度空間格局

為了更進(jìn)一步表現(xiàn)武漢城市圈西北部耕地利用集約度高值區(qū)的形成過程，選取間隔大致相當(dāng)?shù)?000年，2004年，2009年三個(gè)年份，按照武漢城市圈2000—2009年平均耕地利用集約度值的75%，100%和125%，依次將縣域耕地利用集約度劃分為低水平、中低水平、中高水平和高水平四個(gè)等級(jí)(圖3)。圖3顯示在2000年高水平集約度地區(qū)只有潛江市和大悟縣2個(gè)，沒有明顯連片高值區(qū)；到2004年，高水平集約度地區(qū)達(dá)到了7個(gè)，包括潛仙桃、漢川、應(yīng)城、云夢、安陸、大悟縣和鄂州市轄區(qū)，其中6個(gè)縣域分布在漢江流域，初步形成了臨江耕地利用集約度高值區(qū)；2009年，武漢城市圈高水平集約度地區(qū)達(dá)到了14個(gè)，包括潛江市、仙桃市、天門市、漢川市、蔡甸區(qū)、應(yīng)城市、云夢縣、安陸市、孝昌縣、大悟縣、黃梅縣、鄂州市轄區(qū)、武穴市、嘉魚縣，這些縣域大都分布在江漢平原、鄂東沿江平原及其輻射地帶，表明江漢平原縣域之間存在著正的空間效應(yīng)，從而使得縣域與相鄰地區(qū)的耕地利用集約化水平呈現(xiàn)相互聯(lián)系和相互影響的態(tài)勢，至此形成了江漢平原耕地利用集約度高值區(qū)。

通過局部空間自相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)，2000年以來，武漢城市圈縣區(qū)耕地利用集約化水平發(fā)展較快，但局部空間差異卻在增加。近年來，雖然隨著經(jīng)濟(jì)水平和技術(shù)水平不斷改善，武漢城市圈縣區(qū)間經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)技術(shù)的交流明顯增加，促使縣區(qū)間耕地利用集約化水平發(fā)展不同步的現(xiàn)象大大減少，到2009年低水平耕地利用集約度區(qū)域已經(jīng)沒有。但由于武漢城市圈南部和北部耕地自身?xiàng)l件比較差，導(dǎo)致這些地區(qū)及其周邊地區(qū)，經(jīng)過近10 a的發(fā)展，依然沒有擺脫耕地利用集約化水平相對(duì)滯后的局面。到2009年為止，武漢城市圈的崇陽、通山、陽新等地區(qū)依舊處于耕地利用集約度中低水平。這個(gè)結(jié)果也表明武漢城市圈耕地利用集約化水平全面協(xié)調(diào)發(fā)展的道路還需要進(jìn)一步努力。

4　結(jié)論與討論

(1) 武漢城市圈耕地利用集約度總體上處于不斷上升的階段；(2) 耕地利用集約化水平受地形條件影響較大，研究期間局部耕地集約度差異顯著，形成了“東西平原高、南北山區(qū)低”的空間格局；(3) 武漢城市圈耕地利用集約度江漢平原高值區(qū)逐漸形成，但其對(duì)整個(gè)武漢城市圈區(qū)域的極化效應(yīng)明顯大于其擴(kuò)散效應(yīng)。武漢城市圈縣域耕地利用集約化水平全面協(xié)調(diào)發(fā)展的道路還需要進(jìn)一步努力。

本研究揭示了武漢城市圈耕地利用集約度的時(shí)空特征及空間差異，對(duì)推進(jìn)武漢城市圈耕地利用集約度的提升具有如下政策啟示：(1) 江漢平原地區(qū)的耕地憑借良好的地貌特征，其耕地利用集約度在研究期間內(nèi)都是處于武漢城市圈領(lǐng)先地位，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)借鑒東北平原大型農(nóng)業(yè)合作社經(jīng)驗(yàn)，通過建立合作社、土地流轉(zhuǎn)等措施，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化、現(xiàn)代化，不斷加強(qiáng)其耕地利用集約化經(jīng)營水平；(2) 應(yīng)加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)技術(shù)的投入，通過技術(shù)水平的提高減小地形地勢對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響，以提高武漢城市圈南部和北部山區(qū)耕地利用集約度，減小耕地利用集約度的空間差異。要實(shí)現(xiàn)武漢城市圈縣域耕地利用集約化水平的全面協(xié)調(diào)發(fā)展，在保障現(xiàn)有優(yōu)質(zhì)耕地利用集約化水平不斷提升的基礎(chǔ)上，應(yīng)著力改善山區(qū)耕地利用條件，最終達(dá)到維持耕地產(chǎn)出增加、保障糧食安全的目的。

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Analysis on Spatial Heterogeneity of Cultivated Land Use Intensity in Wuhan City Circle Based on ESDA

KE Xinli, HUANG Xiang, YANG Bohan

(College of Land Management, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China)

In this paper, both global and local spatial autocorrelation analysis were employed to figure out the temporal-spatial heterogeneity of cultivated land use intensity at county-level in Wuhan City Circle during the past 10 years. The results showed that: (1) generally, the degree of cultivated land intensive use advanced obviously in Wuhan City Circle and increased obviously in the past 10 years; (2) terrain conditions have the significant impact on cultivated land intensive use degree, during the period of this research, there was a significant spatial heterogeneity of cultivated land use intensity in Wuhan City Circle with the characteristics of “higher intensity in eastern and western plain areas and lower intensity in northern and southern mountainous regions”; (3) the high-value area of cultivated land use intensity of Wuhan City Circle has formed in Jianghan Plain. However, for the whole research area, the polarization effect of the high-value area was significantly stronger than its diffusion effect. It can be safely drawn that more attention should be paid to comprehensive and coordinated development of cultivated land use intensity in Wuhan City Circle.

spatial autocorrelation; cultivated land use intensity; ESDA; Wuhan City Circle; spatial hetero-geneity

2015-04-04

2015-04-27

國家社會(huì)科學(xué)基金項(xiàng)目(13CGL092);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41371113,41101098);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(2013QC012);華中農(nóng)業(yè)大學(xué)人文社會(huì)學(xué)科優(yōu)秀青年人才計(jì)劃項(xiàng)目“耕地利用變化與耕地功能演變的互動(dòng)機(jī)理及其調(diào)控策略研究—以武漢市為例”

柯新利(1977—),男,湖北天門人,副教授,博士,主要研究方向:土地利用變化建模及土地利用變化效應(yīng)。E-mail:kexl@mail.hzau.edu.cn

黃翔(1991—),女,湖南長沙人,碩士研究生,主要研究方向:土地利用變化效應(yīng)。E-mail:hx_0521@webmail.hzau.edu.cn

F301.21

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1005-3409(2016)02-0287-05