基于空間自相關(guān)的丘陵山區(qū)耕地質(zhì)量保護(hù)分區(qū)

李 燦， 黃萌萌

(1.重慶欣榮土地房屋勘測技術(shù)研究所，重慶 400020；2.重慶市規(guī)劃和自然資源調(diào)查監(jiān)測院，重慶 400020)

堅(jiān)持耕地保護(hù)、確保糧食安全是關(guān)系我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)和諧穩(wěn)定、國家安全自立的重大戰(zhàn)略問題。黨的十九大、中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議、農(nóng)村工作會(huì)議等對耕地保護(hù)工作均提出了嚴(yán)格要求。2017年1月中央印發(fā)了《中共中央 國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)耕地保護(hù)和改進(jìn)占補(bǔ)平衡的意見》，明確要求建立健全耕地質(zhì)量和耕地產(chǎn)能評(píng)價(jià)制度，完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，定期對全國耕地質(zhì)量和產(chǎn)能水平進(jìn)行全面評(píng)價(jià)并發(fā)布結(jié)果，堅(jiān)持最嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度和最嚴(yán)格的用地制度，落實(shí)“藏糧于地、藏糧于技”戰(zhàn)略，保障國家糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，加強(qiáng)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”保護(hù)。在耕地的保護(hù)過程中，耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)和空間分布研究是耕地保護(hù)得以落實(shí)的重要保證。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對耕地質(zhì)量保護(hù)的研究和探討主要集中在評(píng)價(jià)方法[1-3]、質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建[4-6]、評(píng)價(jià)尺度[7-10]等方面，已形成較為成熟的理論體系并開展了實(shí)踐。但對于耕地質(zhì)量空間分布特征的定量研究成果和文獻(xiàn)還較少：孔祥斌等[11]利用全國農(nóng)用地分等匯總成果，概括性總結(jié)了我國西部地區(qū)耕地質(zhì)量空間結(jié)構(gòu)特征；宋戈等[12]對特定空間地域的耕地質(zhì)量總體空間格局特征進(jìn)行了定性分析；李武艷等[13]研究了省域范圍內(nèi)不同尺度下耕地質(zhì)量指數(shù)的空間正相關(guān)性；郭敏等[14]分類研究耕地質(zhì)量的自然等別、利用等別和經(jīng)濟(jì)等別，提出耕地保護(hù)分區(qū)方案。

綜上所述，現(xiàn)階段對于耕地質(zhì)量的研究體系已日趨完善，但對于耕地質(zhì)量空間特征的定量研究和實(shí)驗(yàn)成果還較少，且多在宏觀尺度上開展分析和驗(yàn)證。但在地形地貌環(huán)境較為復(fù)雜的丘陵山區(qū)，宏觀尺度的區(qū)域性研究往往難以準(zhǔn)確體現(xiàn)耕地質(zhì)量空間分布規(guī)律的差異性，微觀尺度的研究則可以對宏觀尺度進(jìn)行彌補(bǔ)?；诖耍疚倪x擇重慶市南川區(qū)為研究對象，通過耕地圖斑加權(quán)計(jì)算村級(jí)質(zhì)量指數(shù)，采用空間自相關(guān)分析的方法，探究南川區(qū)耕地質(zhì)量分布的規(guī)律。根據(jù)空間自相關(guān)分析結(jié)果，提出空間區(qū)劃和保護(hù)措施，以期為西部丘陵地區(qū)耕地保護(hù)提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。

一 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

(一)研究區(qū)概況

南川區(qū)位于重慶市南部，東與貴州省遵義市及武隆縣為鄰，北接涪陵，西連綦江和巴南，是渝黔、渝湘大通道交匯點(diǎn)。境內(nèi)地形以山為主，地勢呈東南向西北傾斜。境內(nèi)屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫16.6℃，年降雨量1 185 mm，年日照時(shí)數(shù)1 273 h。2017年南川土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全區(qū)土地總面積2 589.58 hm2，其中耕地面積84 716.21 hm2，人均耕地面積0.1hm2/人，高于全市人均耕地。境內(nèi)耕地質(zhì)量受東南部中山地形影響，主要分布于西北部，高等地(5～8等)占比11.05%。南川區(qū)作為重慶西部區(qū)域性中心城市，對其進(jìn)行耕地質(zhì)量分析研究對于渝西片區(qū)乃至西部丘陵地區(qū)的耕地保護(hù)研究具有重要的代表意義。

圖1 重慶市南川區(qū)高程分布

(二)數(shù)據(jù)來源

耕地?cái)?shù)量及質(zhì)量數(shù)據(jù)來源于2017年南川區(qū)土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)、耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)庫，土壤屬性數(shù)據(jù)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)來源于統(tǒng)計(jì)年鑒及農(nóng)委測土配方實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

二 原理與方法

(一)實(shí)驗(yàn)流程

本實(shí)驗(yàn)流程如下：首先選擇合適的研究區(qū)域，收集整理耕地質(zhì)量等別、村域界線等相關(guān)資料，并剔除異常值，計(jì)算村級(jí)平均質(zhì)量指數(shù)；其次，通過全局空間自相關(guān)分析和局部空間自相關(guān)分析，分別檢查全域數(shù)據(jù)的集聚特征和三大質(zhì)量等指數(shù)的空間分布模式；最后，根據(jù)三大質(zhì)量等指數(shù)空間分布類型的組合，合理劃定南川區(qū)耕地保護(hù)分區(qū)。

(二)空間自相關(guān)

美國地理學(xué)家W.R.Tobler在1977年提出地理學(xué)第一定律[15]，即一切事物都與其他事物有關(guān)，但相近的事物相關(guān)性更強(qiáng)。該定律說明每個(gè)空間單元與其周圍的單元之間，一般會(huì)存在某種共有的特征，并且他們之間會(huì)產(chǎn)生潛在的依賴性，就是所謂的“空間自相關(guān)”。衡量空間自相關(guān)關(guān)聯(lián)程度主要的計(jì)算指標(biāo)之一是莫蘭指數(shù)(Moran’s I)，莫蘭指數(shù)又分為全局莫蘭指數(shù)(Global Moran’s I)和局部莫蘭指數(shù)(AnselinLocal Moran’s I)。

1.全局空間自相關(guān)

全局空間自相關(guān)是對整個(gè)空間區(qū)域的集聚特征的描述[16]，通過指數(shù)反映空間單元的屬性相似程度。全局空間自相關(guān)最常用的是由澳大利亞統(tǒng)計(jì)學(xué)家帕克·莫蘭提出的全局莫蘭指數(shù)(Global Moran’s I)，具體的計(jì)算表達(dá)式如下：

(1)

(2)

統(tǒng)計(jì)的Z得分按以下形式計(jì)算：

(3)

其中：

E[I]=-1/(n-1)

(4)

V[I]=E[I2]-E[I]2

(5)

2.局部空間自相關(guān)

局部空間自相關(guān)是對全局空間自相關(guān)的分解，是指每個(gè)空間單元與周圍空間單元的自相關(guān)程度，以此發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)空間單元的空間分布現(xiàn)象的特征。計(jì)算局部空間自相關(guān)的方法最常見的有 Moran’s I、Geary’s C 等，本文主要通過局部Moran’s I 進(jìn)行分析。目前，局部統(tǒng)計(jì)量常用的是由美國Luc Anselin教授在1995年提出的LISA ( Local indicator of spatial association)統(tǒng)計(jì)量的局部Moran’s I 系數(shù)表達(dá)，計(jì)算式為：

(6)

局部空間自相關(guān)分析可將空間數(shù)據(jù)劃分為以下5種自相關(guān)類型：(1)高—高型(HH)：局部莫蘭指數(shù)位于第一象限，高值被高值所包圍，表示該對象是高值關(guān)聯(lián)的聚焦點(diǎn)；(2)低—高型(LH)：局部莫蘭指數(shù)位于第二象限，低值被高值所包圍，表示該對象周圍的對象有較強(qiáng)的異質(zhì)性；(3)低—低型(LL)：局部莫蘭指數(shù)位于第三象限，低值被低值所包圍，表示該對象是低值關(guān)聯(lián)的聚焦點(diǎn)；(4)高—低型(HL)：局部莫蘭指數(shù)位于第四象限，高指被低值包圍，表示該對象周圍的對象有較強(qiáng)的異質(zhì)性；(5)非顯著型(NN)：觀測值均勻地分布在4個(gè)象限，則表示地區(qū)之間不存在空間自相關(guān)性，非顯著型是空間呈隨機(jī)分布的區(qū)域，表示沒有通過局部的局部莫蘭指數(shù)顯著性檢驗(yàn)，空間集聚性不強(qiáng)。

(三)空間權(quán)重

空間權(quán)重是用于表達(dá)鄰近空間單元屬性對研究單元屬性值得貢獻(xiàn)程度，空間位置的相鄰關(guān)系可分為鄰近、距離和最近K點(diǎn)，權(quán)重矩陣的表達(dá)式如下：

(7)

選擇不同的空間位置關(guān)系，對應(yīng)的權(quán)重取值方式也不相同：(1)鄰接關(guān)系。按照只共享邊和共享邊或角點(diǎn)，又可細(xì)分為Rook和Queen兩種鄰接方式，若周圍單元與目標(biāo)單元相鄰接則Wij=1，否則Wij=0；(2)距離關(guān)系。若周圍單元與目標(biāo)單元重合則Wij=1，否則Wij=D-p，即權(quán)重為距離的倒數(shù)；(3)最近K點(diǎn)。距離目標(biāo)單元距離最近的K個(gè)單元Wij=1，其余為0。

(四)村級(jí)平均質(zhì)量指數(shù)的計(jì)算

變更調(diào)查數(shù)據(jù)及耕地質(zhì)量等別數(shù)據(jù)的最小粒度均為耕地圖斑，為有效解決圖斑過小導(dǎo)致局部空間自相關(guān)分析結(jié)果辨識(shí)性差的問題，通過計(jì)算行政村的平均質(zhì)量指數(shù)，將行政村作為最小空間單位，其計(jì)算方式如下(缺少按面積加權(quán)平均的公式)：

(8)

式中：Qn是第n個(gè)村的平均質(zhì)量指數(shù)；Ai是第n個(gè)村第i個(gè)圖斑的面積；qi是第n個(gè)村第i個(gè)圖斑的質(zhì)量指數(shù)。

三 結(jié)果與分析

(一)全局空間自相關(guān)結(jié)果與分析

本文基于ArcGIS Desktop 10.2和Open Geoda軟件平臺(tái)，對南川區(qū)村級(jí)質(zhì)量等指數(shù)進(jìn)行空間自相關(guān)分析。根據(jù)南川區(qū)的質(zhì)量等別莫蘭指數(shù)散點(diǎn)圖，村級(jí)國家利用等指數(shù)、國家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)、國家自然等指數(shù)分別為：0.642 8、0.608 7、0.567 3，三者均位于0到1之間，在全局范圍內(nèi)呈現(xiàn)典型的空間正相關(guān)，其顯著程度關(guān)系為村級(jí)利用等指數(shù)>經(jīng)濟(jì)等指數(shù)>自然等指數(shù)，如圖2所示。

圖2 質(zhì)量指數(shù)莫蘭散點(diǎn)圖

(二)局部空間自相關(guān)結(jié)果與分析

根據(jù)南川區(qū)2017年變更調(diào)查數(shù)據(jù)，轄區(qū)內(nèi)共有行政村249個(gè)，剔除2個(gè)不含耕地的村域單元，剩余247個(gè)行政村。通過Open Geoda多次試驗(yàn)，確定距離為最合適的空間關(guān)系，并生成權(quán)重矩陣，輸出南川區(qū)耕地質(zhì)量指數(shù)LISA聚類圖。從南川區(qū)質(zhì)量指數(shù)LISA聚類圖可知，質(zhì)量指數(shù)的正相關(guān)類型(HH型和LL型)分布如下：村級(jí)利用等指數(shù)的個(gè)數(shù)為118個(gè)，占比47.77%；村級(jí)經(jīng)濟(jì)等指數(shù)的個(gè)數(shù)112個(gè)，占比45.34%；村級(jí)自然等指數(shù)正相關(guān)村域個(gè)數(shù)103個(gè)，占比41.7%。正相關(guān)占比大小關(guān)系為：村級(jí)利用等指數(shù)>經(jīng)濟(jì)等指數(shù)>自然等指數(shù)，支持全局空間自相關(guān)的聚集顯著程度分析結(jié)果(表1，圖3)。

表1 重慶市南川區(qū)局部空間自相關(guān)類型與行政村個(gè)數(shù)、耕地面積情況

圖3 質(zhì)量指數(shù)LISA聚類圖

1.村級(jí)利用等指數(shù)耕地質(zhì)量局部自相關(guān)結(jié)果分析

從利用等指數(shù)LISA聚類圖可知，HH型主要沿渝相公路西北部連片分布，該區(qū)域重點(diǎn)布局了南兩高速、包茂高速等重點(diǎn)交通項(xiàng)目，區(qū)域交通便利，農(nóng)業(yè)設(shè)施也較為齊全。由于外部客觀條件較好，調(diào)動(dòng)了農(nóng)民的生產(chǎn)積極性，因此土地的利用情況比較充分，產(chǎn)量穩(wěn)定；LL型主要沿渝相公路東南部連片分布，該區(qū)域?qū)俅髪渖今薨櫟貛?，呈中山地貌，地形起伏較大，全區(qū)25°以上耕地大多分布于此，部分耕地已納入退耕還林計(jì)劃，難以形成集中連片的耕地，耕地的集中作業(yè)程度低，利用情況較差。LH型零散分布于HH型周圍，無HL型。

2.村級(jí)經(jīng)濟(jì)等指數(shù)耕地質(zhì)量局部自相關(guān)結(jié)果分析

從經(jīng)濟(jì)等指數(shù)LISA聚類圖可知，HH型主要分布于南川區(qū)西北部，形成白沙鎮(zhèn)—黎香湖鎮(zhèn)—河圖鄉(xiāng)—福壽鄉(xiāng)組團(tuán)、西城街道—東城街道—南城街道北部—興隆鎮(zhèn)南部組團(tuán)、石墻鄉(xiāng)—鐵村鄉(xiāng)—水江鎮(zhèn)—中橋鄉(xiāng)組團(tuán)，該區(qū)域地勢平坦、土壤肥沃，水源分布較廣泛，坡地少且坡度較小，地塊成片，區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)狀況較好，該區(qū)域在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上各方面都占有很大的自然和區(qū)位優(yōu)勢；LL型主要分布于南川區(qū)東南部，該區(qū)域受地形條件影響，水源分布較弱，灌溉條件不足，區(qū)域經(jīng)濟(jì)狀況較差、農(nóng)業(yè)資金投入??；LH 型零散分布于HH型周圍，HL型分布于南城街道南部。

3.村級(jí)自然等指數(shù)耕地質(zhì)量局部自相關(guān)結(jié)果分析

從自然等指數(shù)LISA聚類圖可知，HH型主要呈帶狀連片分布于南川區(qū)西北部，該區(qū)域地形以低丘緩坡為主，水系發(fā)達(dá)，灌溉條件良好，土壤多為壤土，土壤有機(jī)質(zhì)含量和有效土層厚度較高，具有良好的耕種自然條件；LL型集中分布于南川區(qū)東南部，該區(qū)域地形以中山地貌為主，水系分布欠缺，土壤以黏土和砂土交叉分布為主，土壤質(zhì)地較為貧瘠，耕種條件受限；HL型分布于慶元鄉(xiāng)東部和金山鎮(zhèn)南部，LH型零散分布于HH型周圍。

(三)耕地保護(hù)分區(qū)

本文通過空間自相關(guān)分析將南川區(qū)耕地利用等指數(shù)、經(jīng)濟(jì)等指數(shù)、自然等指數(shù)各自劃分為HH型、LL型、LH型、HL型、NN型5種類型。將質(zhì)量等指數(shù)的空間類型進(jìn)行組合，可將南川區(qū)的耕地保護(hù)分區(qū)劃分為4種類型：農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整區(qū)、永久農(nóng)業(yè)保護(hù)區(qū)、非農(nóng)建設(shè)理想?yún)^(qū)、土地整治重點(diǎn)區(qū)(圖4)。

1.農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整區(qū)

三項(xiàng)質(zhì)量等指數(shù)的局部空間自相關(guān)類型均為NN型，該區(qū)涉及84個(gè)行政村，主要分布于南平鎮(zhèn)、南城街道東部、三泉鎮(zhèn)西部、魚泉鄉(xiāng)西部、水江鎮(zhèn)西部、神童鎮(zhèn)、興隆鎮(zhèn)北部、乾豐鄉(xiāng)、冷水關(guān)鄉(xiāng)、民主鄉(xiāng)等，該區(qū)域耕地綜合質(zhì)量呈隨機(jī)分布，建議根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H情況，因地制宜，發(fā)揮地區(qū)優(yōu)勢，以“宜農(nóng)則農(nóng)、宜耕則耕、宜林則林”的思路調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)。

2.永久農(nóng)業(yè)保護(hù)區(qū)

全部為HH型以及HH型和NN型的組合，該區(qū)域涉及91個(gè)行政村，主要分布南川區(qū)中心城區(qū)、石蓮鄉(xiāng)、興隆鎮(zhèn)、鐵村鄉(xiāng)、石墻鎮(zhèn)、中橋鄉(xiāng)、騎龍鄉(xiāng)、河圖鄉(xiāng)、黎香湖鎮(zhèn)、太平場鎮(zhèn)、白沙鎮(zhèn)等，該區(qū)域耕地綜合質(zhì)量呈空間高值集聚分布，建議維持其質(zhì)量高值現(xiàn)狀，并嚴(yán)禁非農(nóng)建設(shè)，繼續(xù)加強(qiáng)對耕地的保護(hù)，并作為基本農(nóng)田紅線劃定首選區(qū)域。

3.非農(nóng)建設(shè)理想?yún)^(qū)

全部為LL以及LL和NN型的組合，該區(qū)域涉及48個(gè)行政村，主要分布于金山鎮(zhèn)、頭渡鎮(zhèn)、德隆鄉(xiāng)、合溪鎮(zhèn)、古花鄉(xiāng)、慶元鄉(xiāng)、大有鎮(zhèn)、三泉鎮(zhèn)東部、魚泉鄉(xiāng)東部、水江鎮(zhèn)東部，該區(qū)域耕地綜合質(zhì)量呈空間低值集聚分布，建議對該區(qū)域進(jìn)行進(jìn)行綜合性改良，如若進(jìn)行退耕還林等非農(nóng)化整治，該區(qū)域應(yīng)作為首選區(qū)域。

4.土地整治重點(diǎn)區(qū)

除上述組合以外的其余類型，該區(qū)域涉及24個(gè)行政村，主要分布于中心城區(qū)外圍、乾豐鄉(xiāng)北部、大觀鎮(zhèn)西部和北部、金山鎮(zhèn)南部、慶元鄉(xiāng)西北部，該區(qū)域耕地綜合質(zhì)量呈空間異質(zhì)分布，建議采取有效的工程措施對耕地進(jìn)行綜合整治，增加有效耕地面積，提高土地質(zhì)量和利用效率，該區(qū)域應(yīng)作為整治項(xiàng)目安排的首選區(qū)域。

圖4 耕地保護(hù)分區(qū)結(jié)果

四 結(jié)論與討論

研究區(qū)域內(nèi)耕地質(zhì)量指數(shù)在空間上呈現(xiàn)集聚特征，集聚顯著程度大小關(guān)系為利用等指數(shù)>經(jīng)濟(jì)等指數(shù)>自然等指數(shù)。

研究區(qū)域內(nèi)的耕地質(zhì)量在空間分布上呈現(xiàn)出一定規(guī)律，正相關(guān)類型多以連片或組團(tuán)的形式呈集聚分布；負(fù)相關(guān)類型多呈零散分布。高值集聚區(qū)(HH型)主要分布于西北部，低值集聚區(qū)(LL型)主要分布西南部，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與南川的地形、水系、交通設(shè)施布局等自然經(jīng)濟(jì)條件相吻合。