基于ESDA的湖南省耕地質(zhì)量空間差異分析

唐暉+黃翔

摘 要 利用湖南省2014年度耕地質(zhì)量等別縣級(jí)年度更新數(shù)據(jù)，采用面積加權(quán)平均法，計(jì)算各行政區(qū)的耕地平均等別；采用探索性空間分析方法（ESDA）分析湖南省耕地質(zhì)量等別的空間分布情況.研究結(jié)果表明：湖南省耕地質(zhì)量等別在空間分布上呈現(xiàn)較強(qiáng)的聚集性規(guī)律，湖南省東北部的等別普遍低于西部及西北部，即東北部的耕地質(zhì)量要優(yōu)于西部及西北部.耕地質(zhì)量等別空間正相關(guān)類(lèi)型多以“抱團(tuán)”的形式出現(xiàn)，聚集性較強(qiáng)；而負(fù)相關(guān)類(lèi)型則無(wú)明顯的集中區(qū)域，國(guó)家經(jīng)濟(jì)等無(wú)負(fù)相關(guān)區(qū)域.最后結(jié)合耕地質(zhì)量等別空間差異分析結(jié)果，提出耕地質(zhì)量保護(hù)分區(qū)建議.

關(guān)鍵詞 耕地質(zhì)量等別；空間差異；ESDA方法；湖南省

中圖分類(lèi)號(hào) X825文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1000-2537（2017）04-0021-05

Abstract The mean grade in each county-level city was calculated with annual database of 2014 about the cultivated land quality by using the weighted average method. Analysis space difference of cultivated land quality grade in Hunan province based on ESDA. The results showed that the cultivated land quality， which included the natural condition， utilizing situation and economic level， exhibited significant aggregation of global spatial distribution in Hunan province. Besides， the local distribution of cultivated land quality showed that the level of northeast area less than west and northwestern. HH type and LL type emerged as the shape of cluster， while the HL type and LH type were barely sporadic distributed in Hunan province.At last， kinds of protection zoning were put forward according to the results.

Key words cultivated land quality grade； space difference； ESDA； Hunan province

耕地作為人類(lèi)必不可少的生存資料，對(duì)保證糧食安全、維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1].為了更好地保障國(guó)家糧食安全，國(guó)土資源部在1999—2009年組織全國(guó)范圍內(nèi)的分省農(nóng)用地分等調(diào)查評(píng)價(jià)任務(wù)，并于2009年完成了全國(guó)農(nóng)用地分等工作，為我國(guó)耕地質(zhì)量研究提供了一套完善的成果體系[2]，對(duì)我國(guó)耕地質(zhì)量等別差異性有了初步的了解.但耕地質(zhì)量的差異不僅僅體現(xiàn)在數(shù)量等級(jí)上，在空間分布上也存在一定的差異，表現(xiàn)出一定的空間集聚性或者離散性[3]，而空間差異是耕地保護(hù)工作需要考慮的一個(gè)重要因素，鑒于此，本文以湖南省為例，基于2014年度耕地質(zhì)量等別更新數(shù)據(jù)，借助GeoDA 1.10和ArcGIS 10.2空間分析軟件，利用ESDA方法深入剖析湖南省各縣、區(qū)、市耕地質(zhì)量國(guó)家自然等、利用等、經(jīng)濟(jì)等分布的空間差異性，以期為湖南省耕地保護(hù)分區(qū)提供科學(xué)依據(jù).

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)概況

1.1 研究區(qū)概況

湖南省地處中國(guó)中部、長(zhǎng)江中游，東經(jīng)108°47′～114°15′，北以濱湖平原與湖北接壤.東北部是幕連九山脈，東部是羅霄山脈，西部是武陵山脈和雪峰山脈，南部是南嶺，中部是湘中盆地群，北部是兩湖盆地里的洞庭湖平原.湖南省共轄13個(gè)地級(jí)市、1個(gè)自治州；35個(gè)市轄區(qū)、16個(gè)縣級(jí)市、64個(gè)縣、7個(gè)自治縣，共122個(gè)縣區(qū)級(jí)行政單元.

湖南年日照時(shí)數(shù)為1 300～1 800 h，年平均溫度為15～18 ℃.年平均降水量為1 200～1 700 mm.根據(jù)湖南省2014年度耕地質(zhì)量更新評(píng)價(jià)調(diào)查結(jié)果，湖南省耕地總面積4 153 222.61 hm2，耕地自然質(zhì)量等分為15個(gè)等別，其中1等地自然質(zhì)量水平最高，15等地自然質(zhì)量水平最低.從圖1可以看出，湖南省耕地自然質(zhì)量等別主要集中分布在1～6等，占全部耕地面積的74.06%，整體質(zhì)量偏好.

1.2 主要數(shù)據(jù)來(lái)源

本文所使用的數(shù)據(jù)均來(lái)自2014年度湖南省耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)庫(kù)以及湖南省行政區(qū)劃圖，涉及1 720 722個(gè)圖斑.

2 研究方法

2.1 面積加權(quán)平均法

面積加權(quán)平均法主要是用來(lái)計(jì)算區(qū)域耕地質(zhì)量的總體平均水平[4].本文采用面積加權(quán)平均法計(jì)算湖南省各級(jí)行政區(qū)域的平均自然等別、平均利用等別和平均經(jīng)濟(jì)等別，用以分析該地區(qū)的耕地質(zhì)量狀況，并為進(jìn)一步進(jìn)行空間差異分析奠定基礎(chǔ).計(jì)算公式為：

2.2 ESDA方法

2.2.1 空間權(quán)重矩陣 通常，在進(jìn)行空間自相關(guān)分析之前，需要定義一個(gè)二元對(duì)稱(chēng)空間權(quán)重矩陣W來(lái)表現(xiàn)空間對(duì)象間相互作用的空間關(guān)系.ANSELIN[5]認(rèn)為空間位置的相鄰關(guān)系劃分為三類(lèi)：鄰接、距離和最近K點(diǎn).采用Rook contiguity標(biāo)準(zhǔn)鄰接規(guī)則定義的權(quán)重矩陣.空間權(quán)重的定義表達(dá)式如下：

2.2.2 全局空間自相關(guān) 全局空間自相關(guān)是對(duì)屬性值在整個(gè)區(qū)域空間特征的描述，反映整個(gè)區(qū)域的空間集聚程度[6-7].通過(guò)全局空間自相關(guān)來(lái)衡量區(qū)域間整體上的空間關(guān)聯(lián)與差異[8].目前，應(yīng)用于全局自相關(guān)的最主要方法是Morans I指數(shù)，本文選用該指數(shù)來(lái)對(duì)湖南省耕地質(zhì)量等別空間模式整體進(jìn)行定量描述，其計(jì)算公式為：

全局空間自相關(guān)中Moran指數(shù)I的取值范圍為[-1，1]，當(dāng)I值接近于1時(shí)，說(shuō)明相同屬性的單元集聚在一起（高值與高值相鄰、低值與低值相鄰）；當(dāng)值接近-1時(shí)，相異屬性的單元集聚（高值與低值相鄰、低值與高值相鄰）.若Morans I指數(shù)值接近于0，代表單元屬性隨機(jī)分布，單元之間不存在空間相關(guān)性[9].

2.2.3 局部空間自相關(guān) 本文研究的局部空間相關(guān)性主要通過(guò)局部莫蘭指數(shù)（Local Moran Index），統(tǒng)計(jì)量常用LISA（Local indicator of spatial association），表達(dá)式為：LISA=（xi-）S2x∑i[Wij（xi-）].

LISA為正值表示該空間單元與鄰近單元的屬性值相似，即高值被高值包圍或低值被低值包圍；LISA為負(fù)值表示該空間單元與鄰近單元的屬性值相異，即一個(gè)低值被高值區(qū)域包圍或者一個(gè)高值被低值區(qū)域包圍[10].

3 結(jié)果與分析

3.1 全局空間自相關(guān)分析

利用GeoDA 1.10軟件計(jì)算出湖南省耕地質(zhì)量國(guó)家自然等別、國(guó)家利用等別以及國(guó)家經(jīng)濟(jì)等別的全局Morans I值分別為0.69，0.84和0.77（見(jiàn)表1），均趨近于1，所以認(rèn)為湖南省縣區(qū)級(jí)耕地質(zhì)量等別在全局上都呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)性.為了檢驗(yàn)各年度Morans I是否顯著，采用蒙特卡洛模擬方法進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果顯示各項(xiàng)P-value均為0.001，通過(guò)顯著性檢驗(yàn).這說(shuō)明湖南省縣區(qū)耕地質(zhì)量等別相似的地區(qū)在空間上分布集中（見(jiàn)圖2），就相關(guān)程度來(lái)說(shuō)，耕地國(guó)家利用等>國(guó)家經(jīng)濟(jì)等>國(guó)家自然等.

3.2 局部空間自相關(guān)分析

通過(guò)計(jì)算全局Morans I指數(shù)，可以知道湖南省的耕地國(guó)家自然等、國(guó)家利用等和國(guó)家經(jīng)濟(jì)等全局自相關(guān)關(guān)系顯著，高值區(qū)和高值區(qū)、低值區(qū)與低值區(qū)出現(xiàn)了明顯的集聚現(xiàn)象.但并不能了解集聚發(fā)生的具體位置，為了進(jìn)一步了解集聚發(fā)生的位置，采用局部自相關(guān)分析進(jìn)行探索.運(yùn)行GeoDA1.10中Univariate Local Morans I命令，得到2014年度國(guó)家自然等、國(guó)家利用等和國(guó)家經(jīng)濟(jì)等Cluster Map（見(jiàn)圖3）.

3.2.1 耕地質(zhì)量國(guó)家自然等局部空間自相關(guān)分析 根據(jù)表2中耕地質(zhì)量國(guó)家自然等局部空間自相關(guān)類(lèi)型統(tǒng)計(jì)可知，同類(lèi)聚集分布的HH型和LL型縣區(qū)個(gè)數(shù)占總行政單元個(gè)數(shù)的43.90%；在空間上呈現(xiàn)異常分布的HL型和LH型只有3個(gè)縣區(qū)，僅占湖南省縣區(qū)行政單元總數(shù)的2.44%；非顯著型呈現(xiàn)隨機(jī)分布的縣區(qū)有66個(gè)，占湖南省縣區(qū)行政單元總數(shù)的53.66%.結(jié)合圖3湖南省耕地質(zhì)量國(guó)家自然等集聚圖，LL型主要“組團(tuán)”分布在常德市、益陽(yáng)市、岳陽(yáng)市、長(zhǎng)沙市以及衡陽(yáng)市部分區(qū)域；而HH型主要集中分布在湘西北的湘西、張家界地區(qū)以及湘西南的邵陽(yáng)市.

結(jié)合湖南省實(shí)際地形地勢(shì)分析，LL型“組團(tuán)”出現(xiàn)在省域東北區(qū)域，該地區(qū)屬于環(huán)洞庭湖平原地區(qū)以及湘南南嶺丘陵槽谷地帶，該區(qū)域地勢(shì)平坦、土壤肥沃，多為良田沃土，歷來(lái)就是“魚(yú)米之鄉(xiāng)”，這個(gè)結(jié)果與局部空間關(guān)聯(lián)圖基本符合；HH型則分布在湘西與湘南的丘陵山地區(qū)，易產(chǎn)生水土流失，多開(kāi)墾為梯田，一部分為坡耕旱地或林地，耕地質(zhì)量一般較差，這個(gè)結(jié)果與局部空間關(guān)聯(lián)圖基本符合.

3.2.2 耕地質(zhì)量國(guó)家利用等局部空間自相關(guān)分析 根據(jù)表2中耕地質(zhì)量國(guó)家利用等局部空間自相關(guān)類(lèi)型統(tǒng)計(jì)可知，同類(lèi)聚集分布的HH型和LL型縣區(qū)個(gè)數(shù)為70個(gè)，占總行政單元個(gè)數(shù)的56.91%；在空間上呈現(xiàn)異常分布的HL型和LH型只有1個(gè)縣區(qū)；非顯著型呈現(xiàn)隨機(jī)分布的縣區(qū)有52個(gè)，占湖南省縣區(qū)行政單元總數(shù)的42.28%.空間分布上，正相關(guān)類(lèi)型呈現(xiàn)鮮明的“組團(tuán)”分布特征，聚集性較強(qiáng)，這跟全局空間自相關(guān)得到的結(jié)果一致.HH型主要分布在湘南、湘西南和湘西北地區(qū)，LL型主要分布在湘東北地區(qū)，包括岳陽(yáng)、常德、益陽(yáng)、長(zhǎng)沙等地區(qū).

根據(jù)湖南省耕地利用實(shí)際情況分析，岳陽(yáng)—常德—長(zhǎng)沙—株洲—益陽(yáng)這一區(qū)域的耕地多分布與京廣線以及交通主干道附近，地勢(shì)較為平緩，距離居民點(diǎn)較近，能夠得到較好的管理，耕地利用情況好，因此耕地質(zhì)量國(guó)家利用等表現(xiàn)為低值聚集分布；而湘西、懷化、邵陽(yáng)、永州和郴州大部分地區(qū)位于湘西北山原山地區(qū)、湘西山地區(qū)、湘南山丘區(qū)，地形起伏較大，難以進(jìn)行大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)，對(duì)耕地的利用較困難，因此耕地質(zhì)量國(guó)家利用等表現(xiàn)為高值聚集分布.

3.2.3 耕地質(zhì)量國(guó)家經(jīng)濟(jì)等局部空間自相關(guān)分析 根據(jù)表2中耕地質(zhì)量國(guó)家經(jīng)濟(jì)等局部空間自相關(guān)類(lèi)型統(tǒng)計(jì)可知，同類(lèi)聚集分布的HH型和LL型縣區(qū)個(gè)數(shù)為63個(gè)，占總行政單元個(gè)數(shù)的51.22%；在空間上無(wú)異常分布的HL型和LH型縣區(qū)；非顯著型呈現(xiàn)隨機(jī)分布的縣區(qū)有70個(gè)，占湖南省縣區(qū)行政單元總數(shù)的48.78%.空間分布上，正相關(guān)類(lèi)型呈現(xiàn)鮮明的“組團(tuán)”分布特征，聚集性較強(qiáng).HH型主要分布在湘南、湘西南和湘西北地區(qū)，LL型主要分布在湘東北地區(qū)，包括岳陽(yáng)、常德等地區(qū).

根據(jù)湖南省耕地投入產(chǎn)出實(shí)際情況分析，岳陽(yáng)、常德和長(zhǎng)沙大部分地區(qū)處于環(huán)洞庭湖平原地區(qū)，土壤肥沃、交通條件良好，因此耕作的投入產(chǎn)出比較高，表現(xiàn)為耕地質(zhì)量國(guó)家經(jīng)濟(jì)等別低值聚集分布；而湘西州、懷化、邵陽(yáng)和永州大部分地區(qū)位于湘西北山地區(qū)、湘南山丘區(qū)，地形起伏大，土壤貧瘠，交通不便，該區(qū)域的耕地投入產(chǎn)出比較低，經(jīng)濟(jì)狀況較差，表現(xiàn)為耕地質(zhì)量國(guó)家經(jīng)濟(jì)等別高值聚集分布.

4 結(jié)論與討論

采用探索性空間分析方法（ESDA），以耕地質(zhì)量等別為變量，探討湖南省耕地質(zhì)量的空間集聚性規(guī)律及空間差異情況，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：湖南省耕地質(zhì)量等別在空間分布上呈現(xiàn)較強(qiáng)的集聚性規(guī)律.就耕地質(zhì)量國(guó)家自然等別而言，湖南省東北部的等別低于西部及西北部，也就是說(shuō)東北部的耕地質(zhì)量要由于西部及西北部；國(guó)家利用等和經(jīng)濟(jì)等在聚集區(qū)域在空間分布上較為一致，高等別區(qū)域集中在省域西部及南部，而低等別區(qū)域集中在東北部.耕地質(zhì)量等別空間正相關(guān)類(lèi)型多以“抱團(tuán)”的形式出現(xiàn)，集聚性較強(qiáng)；而負(fù)相關(guān)類(lèi)型則無(wú)明顯的集中區(qū)域，國(guó)家經(jīng)濟(jì)等無(wú)負(fù)相關(guān)區(qū)域.

湖南省耕地質(zhì)量等別空間分布及差異分析是進(jìn)行永久基本農(nóng)田劃定、耕地保護(hù)分區(qū)的基礎(chǔ)和前提，根據(jù)前文的耕地質(zhì)量等別空間分布特征及差異分析結(jié)果，提出以下耕地質(zhì)量保護(hù)分區(qū)建議：

（1） 空間自相關(guān)類(lèi)型呈現(xiàn)LL型區(qū)域的耕地應(yīng)作為永久基本農(nóng)田劃定的重點(diǎn)區(qū)域.該地區(qū)耕地質(zhì)量等別呈現(xiàn)空間低值聚集分布，即高質(zhì)量耕地集聚區(qū)域，該區(qū)域耕地應(yīng)優(yōu)先劃定為永久基本農(nóng)田，維持高質(zhì)量現(xiàn)狀.

（2） 空間自相關(guān)類(lèi)型呈現(xiàn)HH型區(qū)域的耕地應(yīng)作為非農(nóng)化理想?yún)^(qū)域.該地區(qū)耕地質(zhì)量等別呈現(xiàn)空間高值聚集分布，即低質(zhì)量、難利用、產(chǎn)出低下的耕地集聚區(qū)域，對(duì)于該區(qū)域的耕地可以進(jìn)行綜合性改良，如果需要進(jìn)行退耕還林應(yīng)優(yōu)先考慮這部分耕地.

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