耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”空間保護(hù)分區(qū)研究
——以遼寧省盤錦市為例

錢鳳魁，張靖野，王秋兵

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院/土肥資源高效利用國家工程實驗室，沈陽 110161）

耕地資源“三位一體”保護(hù)是對耕地的數(shù)量、質(zhì)量與生態(tài)條件的綜合保護(hù)，是一個具有層次性和系統(tǒng)性的概念，耕地“三位一體”保護(hù)實質(zhì)上是對農(nóng)田生產(chǎn)、生態(tài)和生活功能的保護(hù)[1]。數(shù)量保護(hù)是耕地保護(hù)的基礎(chǔ)，質(zhì)量保護(hù)是保障生產(chǎn)力的根本，生態(tài)保護(hù)則是耕地安全的保障。目前我國耕地資源保護(hù)建立了以數(shù)量保護(hù)為主體，質(zhì)量保護(hù)為升級的“兩位一體”保護(hù)體系[2-3]。隨著理論和實踐的發(fā)展，耕地的更多功能被發(fā)掘和重視，耕地保護(hù)的內(nèi)涵和方法也在豐富和完善。當(dāng)前，國內(nèi)外學(xué)者的研究多集中在耕地多功能內(nèi)涵[4-5]、功能類型[6-9]、以及定量化的評價研究[10-12]，部分學(xué)者構(gòu)建了耕地多功能評價指標(biāo)體系，對耕地多功能水平進(jìn)行綜合評價[13-14]。2015年國務(wù)院提出了推進(jìn)國土資源數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”的綜合管理，加強耕地資源“三位一體”保護(hù)的耕地保護(hù)方針，同年發(fā)布的《生態(tài)文明體制改革總體方案》提出了“山水林田湖是一個生命共同體”的理念，為耕地“三位一體”保護(hù)提供了方法論[15]，耕地與生態(tài)環(huán)境的共生關(guān)系，使耕地的生態(tài)功能在耕地保護(hù)體系中的意義進(jìn)一步提升，三位一體的科學(xué)保護(hù)觀更加完善。在2017年兩會上，“三位一體”耕地保護(hù)再度成為關(guān)注的熱點。然而，要實現(xiàn)耕地“三位一體”保護(hù)，發(fā)揮耕地的多重效益，就需要理論的創(chuàng)新、方法的進(jìn)一步探索，以及保護(hù)制度的健全。目前學(xué)術(shù)界對于耕地“三位一體”的研究尚處于起步階段[16-18]，缺少成熟的融合體系和定量化的方法研究。本研究以盤錦市作為研究區(qū)，在理論研究的基礎(chǔ)上，融入空間特征研究，開展耕地空間特征分析和“三位一體”空間管護(hù)分區(qū)研究，探討耕地資源“三位一體”保護(hù)的融合方法和途徑，以期為深化耕地資源保護(hù)提供理論和方法借鑒。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

盤錦市位于遼寧省西南部，屬于遼河三角洲的中心地帶。 該區(qū)域位于北緯40°39′～41°27′，東經(jīng) 121°25′～122°31′之間。東北與鞍山市相鄰，東南隔大遼河與營口市相望，西北與錦州市相鄰，南臨渤海遼東灣。土地總面積約4084km2，占遼寧省土地總面積的2．75%。盤錦市下轄3個區(qū)（雙臺子區(qū)、興隆臺區(qū)、大洼區(qū)）、1個縣（盤山縣）。地勢北高南低，由北向南逐漸傾斜，坡度在2°以內(nèi)。南部沿海灘涂面積約有3．92萬hm2，地面海拔高度平均為4m，地面平坦。該區(qū)域?qū)倥瘻貛Т箨懶园霛駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨熱同季。耕地質(zhì)量條件優(yōu)越，自然質(zhì)量等別集中在8～10等，利用質(zhì)量等別集中在8～12等，經(jīng)濟(jì)質(zhì)量等別集中在4～12等。

1.2 數(shù)據(jù)來源

2012年盤錦市土地利用變更數(shù)據(jù)是提取盤錦市4個行政縣域的329個行政村的矢量數(shù)據(jù)，以及各村級單元中耕地面積數(shù)據(jù)；2012年盤錦市農(nóng)用地分等數(shù)據(jù)是提取耕地評價單元自然等指數(shù)、利用等指數(shù)、經(jīng)濟(jì)等指數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)；耕地生態(tài)數(shù)據(jù)是由Fragstats軟件對土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理和景觀格局指數(shù)分析后獲取。

2 研究方法

2.1 局部空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)性是指同一變量在不同地域單元之間的相關(guān)性[19]，空間自相關(guān)的分析工具分為體現(xiàn)整個區(qū)域關(guān)聯(lián)性的全局自相關(guān)指數(shù)[20]，和體現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各個地域單元關(guān)聯(lián)性的局部空間自相關(guān)指數(shù)[21]。本研究采用局部空間自相關(guān)分析方法，以Local Moran's I為統(tǒng)計量開展相關(guān)分析研究。具體可表達(dá)為：

其中：xi和xj分別代表了在i和j個空間單元上的屬性值；u為平均值；n為樣本數(shù)，即觀測值所對應(yīng)的空間的總個數(shù)；Wij為空間權(quán)重矩陣。

空間權(quán)重對于空間自相關(guān)分析非常重要，它是進(jìn)行空間自相關(guān)分析的前提和基礎(chǔ)[22]。空間權(quán)重函數(shù)W被用來描述空間單元在空間位置上的相互依賴程度，本研究選擇最近K點關(guān)系確定鄰接單元的權(quán)重?？臻g自相關(guān)分析的結(jié)果可分空間正相關(guān)（HH型和LL型）和空間負(fù)相關(guān)（HL型和LH型）。HH型在空間上代表屬性值高的相關(guān)聯(lián)區(qū)；LL型則代表屬性值低的相關(guān)聯(lián)區(qū)；HL型代表高值區(qū)被低值區(qū)包圍區(qū)域；LH型則代表低值區(qū)被高值區(qū)包圍區(qū)域。一個地區(qū)的空間特征既不屬于正相關(guān)類型也不屬于負(fù)相關(guān)類型，則為非顯著型區(qū)域。

2.2 空間單元與空間變量

2.2.1 空間單元 空間單元是空間分析的基本單元，本研究以行政村作為空間研究基本單元，通過對村級耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)空間特征的疊加分析，探討耕地三位一體保護(hù)的有效途徑，由于局部空間自相關(guān)分析對空間單元之間的距離要求較高，相對于耕地圖斑單元，以行政村為空間研究單元更具可辨識性[23]。

2.2.2 耕地數(shù)量指標(biāo) 本研究采用耕地密度作為耕地數(shù)量的表達(dá)指標(biāo)，具體公式為：

式中：Di0表示第i個行政村的耕地密度；Si0為第i個行政村中耕地的面積；Si為第i個行政村的面積。

2.2.3 耕地質(zhì)量指標(biāo) 耕地質(zhì)量的空間分析主要以耕地分等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對耕地經(jīng)濟(jì)等指數(shù)進(jìn)行面積加權(quán)處理，測算村級單元耕地質(zhì)量綜合評價值。具體公式為：

式中：Rj表示第j個行政村的平均耕地質(zhì)量綜合分值；Rij為第j個行政村中第i塊耕地圖斑的等別指數(shù)；Sij為第j個行政村中第i塊耕地圖斑的面積。

2.2.4 耕地生態(tài)指標(biāo) 耕地作為高度耦合的經(jīng)濟(jì)社會自然綜合體，具有較為顯著的景觀生態(tài)特征[24]。本研究從景觀的角度出發(fā)，以景觀生態(tài)安全指數(shù)作為耕地生態(tài)的指標(biāo)。耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)體現(xiàn)了耕地景觀脆弱度、邊界破碎度和景觀類型破碎度，其在空間上的集聚特征可以反映人為對耕地景觀的影響和景觀安全性。具體公式為：

式中：V代表景觀脆弱度；AWMSI代表面積加權(quán)平均形狀因子；F代表分維度；D代表分離度；α、β、γ代表權(quán)重；ES代表景觀生態(tài)安全指數(shù)；PD代表破碎度；ED代表邊界破碎度。

2.2.5 空間疊加分區(qū) 在耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)指標(biāo)空間自相關(guān)分析基礎(chǔ)上，運用GIS軟件對集聚類型進(jìn)行可視化處理，并將盤錦市耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)的空間集聚結(jié)果進(jìn)行空間疊加，建立村級單元耕地集聚類型屬性數(shù)據(jù)庫，合并及歸納整理相同集聚類型組合的村級單元，最后根據(jù)不同組合結(jié)果進(jìn)行研究區(qū)域耕地資源“三位一體”管護(hù)特征分區(qū)。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)的空間分布特征分析

通過對村級單元耕地密度、耕地綜合質(zhì)量指數(shù)和耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)的測算結(jié)果，利用自然斷點法將結(jié)果分值進(jìn)行分級，得到盤錦市耕地密度、耕地綜合質(zhì)量指數(shù)和耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)空間分布圖（圖1）。

圖1 耕地密度、耕地綜合質(zhì)量指數(shù)、景觀生態(tài)安全指數(shù)空間分布圖Figure 1 Spatial distribution of cultivated land density,comprehensive quality index and landscape ecological safety index

由圖1a可知，耕地高密度區(qū)域主要集中在盤錦市東部和中部地區(qū)，4個縣區(qū)的耕地密度從大到小依次為：大洼縣、盤山縣、興隆臺區(qū)、雙臺子區(qū)，其中大洼縣和盤山縣為盤錦市糧食主產(chǎn)區(qū)。由圖1b可知，綜合質(zhì)量指數(shù)較高的宜農(nóng)耕地集中在盤錦市中部地區(qū)，主要分布于中部的興隆臺區(qū)及大洼縣，該區(qū)域具有相對優(yōu)勢的自然條件和農(nóng)業(yè)設(shè)施，生產(chǎn)潛力較大。盤山縣和雙臺子地區(qū)耕地綜合質(zhì)量指數(shù)較低。在空間上，村級耕地質(zhì)量指數(shù)分布差異明顯。由圖1c可知，村級耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)高值區(qū)域和低值區(qū)域空間分布散亂。興隆臺區(qū)和大洼縣的高值區(qū)較多，其次為盤山縣，雙臺子區(qū)的耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)值較低。雙臺子區(qū)生態(tài)景觀安全指數(shù)普遍較低，耕地利用受人為干擾較大，耕地破碎化程度較高，降低了耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)。

3.2 耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)的空間自相關(guān)分析

通過提取耕地密度、耕地質(zhì)量指數(shù)、耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)為空間屬性值，采用空間自相關(guān)分析方法，以最近K點關(guān)系（K=6）定義空間鄰接關(guān)系，得到空間權(quán)重矩陣，基于GeoDa平臺，對盤錦市耕地數(shù)量、質(zhì)量與生態(tài)條件特征進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析，形成耕地數(shù)量、質(zhì)量與生態(tài)條件的莫蘭散點圖（圖2）和空間集聚圖（圖3），空間自相關(guān)面積統(tǒng)計如表1所示。

表1 盤錦市局部空間自相關(guān)類型匯總Table 1 Types of local spatial autocorrelation in scale of village in Panjin

圖2 盤錦市耕地局部自相關(guān)分析散點圖Figure 2 Scatter plot of cultivated land's local autocorrelation analysis in Panjin

通過對耕地密度的空間集聚特征分布分析（圖2a，圖3a和表1），盤錦市耕地密度正相關(guān)類型區(qū)域面積占43.46%，負(fù)相關(guān)類型區(qū)域占2.12%。耕地高密度集聚區(qū)（HH型）占8.38%，分布在盤山縣北部和大洼縣南部等地，低密度（LL型）集聚特征更加明顯，占35.08%，集中分布在興隆臺區(qū)和盤山縣中西部地區(qū)?？傮w反映出盤錦市耕地數(shù)量空間集聚性呈“西少東多”態(tài)勢。

通過對耕地質(zhì)量空間集聚特征分布分析（圖2b，圖3b和表1），盤錦市耕地質(zhì)量的空間集聚性水平一般。耕地高質(zhì)量集聚區(qū)（HH型）占盤錦市耕地面積的13.89%，大多集中在盤錦市大洼縣。低質(zhì)量集聚區(qū)（LL型）占11.59%，但集聚區(qū)域相對集中，集中連片分布在盤山縣北部，具有一定的開發(fā)潛力。負(fù)相關(guān)類型區(qū)域占3.19%，分布較為零散。HL型集中在LL型周圍，而LH型則集中在HH型周圍。盤錦市耕地質(zhì)量空間集聚呈“中優(yōu)外劣”分布格局。非顯著型區(qū)域占71.34%，大多是盤錦市外圍待開發(fā)灘涂區(qū)域。

圖3 盤錦市耕地局部自相關(guān)分析空間集聚圖Figure 3 LISA of cultivated land's local autocorrelation analysis in Panjin

通過對耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)空間集聚特征分布分析（圖2c，圖3c和表1），該區(qū)域耕地生態(tài)條件的空間集聚性特征較差，正相關(guān)類型區(qū)域面積占7.64%，負(fù)相關(guān)類型區(qū)域占4.71%，零星分布在盤錦市四個縣區(qū)，無明顯的集聚特征。而非顯著型區(qū)域占87.65%，反映盤錦市耕地生態(tài)條件特征在空間上處于離散分布狀況，空間特征不顯著。

3.3 空間分區(qū)

以盤錦市耕地數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)的空間自相關(guān)分析結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合產(chǎn)生不同空間集聚類型的差異性原因，本研究將HH型聚集區(qū)及其附近范圍內(nèi)優(yōu)質(zhì)屬性特征耕地劃入重點保護(hù)范疇，LL型區(qū)域由于其核心區(qū)域及附近范圍內(nèi)耕地空間特征屬性值較低需要整治和改良，因此在進(jìn)行空間數(shù)據(jù)疊加時，不僅考慮HH和LL核心區(qū)域，同時將耕地特征屬性值較高的臨近區(qū)域劃入，最終將盤錦市346個村級單元耕地資源區(qū)域劃分為4類一級區(qū)（圖4a）和10類二級區(qū)（圖4b）。

圖4 盤錦市耕地保護(hù)分區(qū)Figure 4 Cultivated land protection zone in Panjin

3.3.1 優(yōu)勢保護(hù)區(qū) 該區(qū)域共包括150個村級評價單元，集中分布在大洼縣、盤山縣和興隆臺區(qū)的部分地區(qū)。優(yōu)勢保護(hù)區(qū)內(nèi)耕地密度大，耕地質(zhì)量及耕地生態(tài)條件優(yōu)越。根據(jù)耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)H型集聚的不同組合方式，可將優(yōu)勢保護(hù)區(qū)進(jìn)行二級分區(qū)，劃分為重點保護(hù)區(qū)、積極保護(hù)區(qū)、側(cè)重保護(hù)區(qū)。其中重點保護(hù)區(qū)是H型集聚分布區(qū)域，包括12個村級單元，占總面積的1.68%，是耕地三位一體空間保護(hù)的核心區(qū)域，對該區(qū)域進(jìn)行嚴(yán)格保護(hù)的同時，還應(yīng)強化擴散效應(yīng)的影響，使其影響周邊耕地向更高水平演進(jìn)。積極保護(hù)區(qū)面積占12.75%，是兩種屬性為H型，另一種為非顯著型的區(qū)域，該類耕地條件僅次于重點保護(hù)區(qū)的耕地條件，盤錦市積極保護(hù)區(qū)面積占12.75%；側(cè)重保護(hù)區(qū)面積占12.91%，是一種聚類屬性為H型，其他兩種為非顯著型的區(qū)域，建議針對H型屬性進(jìn)行側(cè)重性保護(hù)，并通過整治改進(jìn)耕地非顯著型屬性。

3.3.2 一般保護(hù)區(qū) 該區(qū)域共包括85個村級評價單元，分布在盤錦市四個縣區(qū)。依據(jù)耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)集聚類型的不同組合方式，在一級分區(qū)基礎(chǔ)上劃分潛力保護(hù)區(qū)、適度保護(hù)區(qū)和限制保護(hù)區(qū)3個二級區(qū)。潛力保護(hù)區(qū)為兩種屬性為H型集聚、另一種屬性L型集聚的區(qū)域，該區(qū)域耕地具有良好的提升潛力，應(yīng)重點改良耕地低值屬性，向3H型集聚區(qū)域發(fā)展轉(zhuǎn)變；適度保護(hù)區(qū)為耕地兩種屬性為L型集聚、另一種屬性為H型集聚的區(qū)域，該區(qū)域在保證其H型屬性穩(wěn)定高值的同時，應(yīng)綜合整治改良其他兩類低值屬性；限制保護(hù)區(qū)為耕地屬性H型、L型和非顯著型組合的區(qū)域，該區(qū)域耕地各屬性值特征不統(tǒng)一，受到不同的限制因素的影響，應(yīng)對其H型集聚的屬性進(jìn)行重點保護(hù)，對其產(chǎn)生L型集聚的屬性進(jìn)行重點提升。

3.3.3 整治改良區(qū) 該區(qū)域共包括84個村級評價單元，集中分布在盤山縣和大洼縣的西部、興隆臺區(qū)東部以及雙臺子區(qū)南部地區(qū)。依據(jù)L型與非顯著型的組合，整治改良區(qū)可劃分為綜合整治區(qū)、一般整治區(qū)和側(cè)重改良區(qū)3類二級區(qū)。耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)都屬于L型集聚的行政村被劃分為綜合整治區(qū)，這類地區(qū)及周邊地區(qū)的耕地表現(xiàn)出數(shù)量少、質(zhì)量差、生態(tài)條件低的特征，建議作為土地增減掛鉤項目儲備區(qū)域；一般整治區(qū)和側(cè)重改良區(qū)同樣具有明顯的耕地低值屬性聚集的空間特征，建議對于單一耕地屬性特征低值集聚區(qū)域，進(jìn)行重點整治，對于雙重耕地屬性特征低值集聚區(qū)域，建立耕地退出機制，重點進(jìn)行生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

3.3.4 農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整區(qū) 該區(qū)域共包括27個村級評價單元，主要分散分布在盤山縣和大洼縣境內(nèi)。通過對該區(qū)域耕地密度、綜合質(zhì)量指數(shù)及景觀生態(tài)安全指數(shù)的空間分布圖與LISA圖對比分析，該區(qū)域耕地既包括高值特征斑塊，又包括低值特征斑塊，耕地三種屬性特征的空間集聚性均不顯著，屬于無規(guī)則分布區(qū)域，建議適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮耕地比較優(yōu)勢，與周邊其他優(yōu)質(zhì)特征區(qū)域形成連片集聚趨勢。

4 討論與結(jié)論

對盤錦市耕地資源數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)條件特征現(xiàn)狀分析基礎(chǔ)上，運用局部自相關(guān)分析法對耕地資源三位一體的空間集聚類型及特征進(jìn)行分析，最后提出了盤錦市耕地資源三位一體保護(hù)的空間分區(qū)方案。盤錦市耕地資源數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)指數(shù)的現(xiàn)狀分析結(jié)果表明，耕地數(shù)量高密度區(qū)域集中分布在盤山縣和大洼縣，該區(qū)域耕地數(shù)量總量較大，屬于糧食主產(chǎn)區(qū)；耕地質(zhì)量指數(shù)空間分布差異較大，高質(zhì)量區(qū)域較為分散，主要分布在盤錦市中部的興隆臺區(qū)和大洼縣；而盤錦市中東部區(qū)域形成了相對均質(zhì)的耕地生態(tài)集聚區(qū)域。綜合現(xiàn)狀值分析，盤錦市中東部地區(qū)耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)條件特征均較其他區(qū)域優(yōu)勢顯著，屬于耕地三位一體空間保護(hù)的重點區(qū)域。

盤錦市耕地空間自相關(guān)分析結(jié)果表明，耕地各類屬性特征值具有不同的空間關(guān)聯(lián)度。耕地數(shù)量的空間集聚性相對較高，高值集聚區(qū)主要集中在盤山縣和大洼縣的大部分區(qū)域，低值集聚區(qū)主要分布在興隆臺區(qū)和雙臺子區(qū)；耕地質(zhì)量的空間集聚性一般，高值集聚區(qū)集中在盤山縣東部和大洼縣南部，低值集聚區(qū)分布在興隆臺區(qū)和雙臺子區(qū)。耕地生態(tài)的空間集聚性特征最差，非顯著型區(qū)域占主體，空間相關(guān)性特征不顯著。

針對耕地數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)空間集聚類型的組合，本研究將盤錦市劃定為優(yōu)勢保護(hù)區(qū)、一般保護(hù)區(qū)、整治改良區(qū)和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整區(qū)等4個一級保護(hù)分區(qū)。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)耕地斑塊屬性空間集聚特征，細(xì)分為10個二級耕地保護(hù)分區(qū)。根據(jù)耕地屬性不同空間自相關(guān)類型的特征，提出具體整治措施和保護(hù)方案，為耕地資源三位一體保護(hù)提供了理論和方法依據(jù)。

研究中還存在一系列的亟待解決的問題，一是耕地資源三位一體保護(hù)是一個概念性的問題，也是中國耕地保護(hù)政策的具體落地，需要全面考慮耕地資源的屬性特征及功能特性；二是從理論研究到實踐研究需要不斷探索，尤其是耕地資源保護(hù)需要立體空間保護(hù)，從對耕地地表屬性特征的認(rèn)識逐漸深入到三維空間或四維空間屬性的認(rèn)知，需要理論與實踐相結(jié)合的探索研究。