晉中市耕地質(zhì)量空間分異格局與影響因素研究

劉慧芳 畢如田 郭永龍 王 瑾

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院， 太谷 030801)

0 引言

2020年受新型冠狀病毒肺炎疫情、非洲沙漠蝗蟲和持續(xù)干旱影響[1]，全球糧食安全面臨新困境。據(jù)世界糧食計(jì)劃署預(yù)測(cè)計(jì)算，2020年全球面臨糧食嚴(yán)重威脅的總?cè)藬?shù)已達(dá)2.65億人[2]，全球糧食危機(jī)引起人們對(duì)糧食安全問題的高度重視。糧食安全的根本在耕地，核心在耕地質(zhì)量。耕地質(zhì)量保護(hù)一方面要求管理部門掌握耕地質(zhì)量的空間分布特征[3]；另一方面，由于區(qū)域自然資源稟賦存在差異，水資源短缺及時(shí)空分布不均衡、水土流失、耕地退化、環(huán)境污染直接造成土地抗災(zāi)能力減弱和有效灌溉面積銳減，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)耕地質(zhì)量分布格局發(fā)生演變。系統(tǒng)地研究耕地質(zhì)量的空間分異規(guī)律，判別其影響因素，是優(yōu)化耕地保護(hù)格局，確保糧食安全的客觀需要，也是當(dāng)今自然資源保護(hù)及可持續(xù)利用方面仍需深化研究的課題。

目前對(duì)耕地質(zhì)量的定義尚不統(tǒng)一，但普遍認(rèn)為耕地質(zhì)量具有自然、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等多重屬性[4-7]。管理部門認(rèn)可的耕地質(zhì)量是依據(jù)GB/T 28407—2012《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》，根據(jù)全國(guó)統(tǒng)一制訂的標(biāo)準(zhǔn)耕作制度，以指定作物的光溫(氣候)生產(chǎn)潛力為基礎(chǔ)，通過對(duì)耕地的自然質(zhì)量、利用水平、經(jīng)濟(jì)水平逐級(jí)訂正后綜合評(píng)定的結(jié)果[8]，能夠反映耕地質(zhì)量的自然-經(jīng)濟(jì)雙重屬性，因此本文采用耕地質(zhì)量分等結(jié)果反映耕地質(zhì)量。然而耕地質(zhì)量研究還要考慮空間屬性[9]。耕地質(zhì)量與空間區(qū)位的關(guān)系表現(xiàn)在兩個(gè)層次：一是耕地質(zhì)量及其影響因素在空間區(qū)位上的特征，從空間上揭示耕地質(zhì)量空間分異格局；二是耕地質(zhì)量與空間區(qū)位相互作用的過程，理解空間區(qū)位如何影響耕地質(zhì)量。總體而言，已有研究從不同方面解釋耕地質(zhì)量變化特征及成因，成果較為豐富[10-20]，但對(duì)耕地質(zhì)量空間分異規(guī)律研究中，缺少考慮影響因素及因素耦合作用對(duì)耕地質(zhì)量的影響，不利于系統(tǒng)分析區(qū)域耕地質(zhì)量空間分布形成機(jī)制。

地理探測(cè)器是探測(cè)空間分異性及其驅(qū)動(dòng)力的一組統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[21]，近年來已廣泛應(yīng)用于耕地評(píng)價(jià)、生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、自然資源及醫(yī)療健康等領(lǐng)域[22-24]，該模型可探測(cè)數(shù)值型單因子、定性型單因子、兩因子交互作用對(duì)因變量的影響，因此本文借用該模型揭示耕地質(zhì)量的空間分異規(guī)律及影響因素。

本文以晉中市村域?yàn)檠芯繂卧柚鄯e分布函數(shù)統(tǒng)計(jì)分析耕地質(zhì)量集疏變化趨勢(shì)；運(yùn)用地理探測(cè)器揭示耕地質(zhì)量的主導(dǎo)影響因素，并提出差別化的提質(zhì)建議，以期豐富耕地質(zhì)量空間分異研究的技術(shù)方法，為耕地保護(hù)提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

晉中市位于山西省中部，東經(jīng)112°38′～113°12′，北緯36°51′～37°24′，市轄區(qū)總面積1.64×104km2，行政區(qū)劃分為11個(gè)縣(市、區(qū))、118個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、2 749個(gè)行政村。區(qū)內(nèi)太行山橫貫東部山區(qū)，地勢(shì)從東向西由高到低，形成了具有山區(qū)、丘陵和平川的復(fù)雜地形，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，但區(qū)內(nèi)差異較大而且特點(diǎn)明顯，自然要素分布極不平衡(圖1)。本區(qū)各地年平均氣溫為3～11℃，年均降水量為440～600 mm，無霜期110～160 d，活動(dòng)積溫在1 860～3 960℃之間。

2017年晉中耕地面積3721.34 km2，占行政區(qū)總面積的22.96%，主要集中在西部平川地區(qū)。其中旱地2 463.97 km2，占耕地總面積的66.21%；水澆地1 257.36 km2，占耕地總面積的33.79%；水田為0.009 km2，占比忽略，耕地主要分布在晉中西部平原地區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

晉中市耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)數(shù)據(jù)來源于《2017年晉中市耕地質(zhì)量更新評(píng)價(jià)成果》，自然要素中地貌類型來源于《晉中地區(qū)地貌類型圖》，坡度、海拔及耕地面積來源于2017年晉中市土地利用現(xiàn)狀圖，年均降水量及年積溫來源于《晉中市各氣象要素統(tǒng)計(jì)表(2017年)》，土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤有效土層厚度、鹽漬化程度、表層土壤質(zhì)地來源于2017年晉中市耕地等別更新監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間插值柵格數(shù)據(jù)；社會(huì)要素中田塊規(guī)模、田塊形狀和耕作距離基于2017年晉中市耕地分布圖，利用Fragstate 4.2分別計(jì)算AREA-AM(面積加權(quán)平均斑塊面積)、FRAC-AM(面積加權(quán)平均斑塊分維數(shù))和ENN-AM(面積加權(quán)平均斑塊最近距離)得到，農(nóng)業(yè)機(jī)械投入量來源于《晉中市第三次農(nóng)業(yè)普查綜合資料(2016年)》；工程要素中灌溉保證率來源于《晉中市統(tǒng)計(jì)年鑒(2017)》，道路通達(dá)度利用直線衰減公式[25]計(jì)算得出，田塊平整因子來源于2017年晉中市土地整治項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù)。上述要素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)一利用ArcGIS工具，按行政村范圍統(tǒng)計(jì)。

2 研究單元與方法

2.1 研究單元與影響要素

為保持區(qū)域的完整性和連續(xù)性，以2017年晉中市土地利用現(xiàn)狀為基礎(chǔ)，以2749個(gè)村域?yàn)檠芯繂卧?；由于耕地屬于自然?jīng)濟(jì)綜合實(shí)體，其經(jīng)濟(jì)質(zhì)量在土地業(yè)務(wù)中應(yīng)用更加廣泛，實(shí)用性更強(qiáng)，因此選擇耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)反映耕地質(zhì)量水平。從自然要素、社會(huì)要素和工程要素3方面選取16個(gè)因子分析對(duì)耕地質(zhì)量的影響[7,26-27]。自然要素是耕地質(zhì)量的基礎(chǔ)，直接決定耕地自然質(zhì)量，包括地貌、坡度、海拔、年均降水量、積溫、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤有效土層厚度、鹽漬化程度、表層土壤質(zhì)地；社會(huì)要素主要體現(xiàn)在耕地資源經(jīng)營(yíng)管理過程中對(duì)耕地利用方式的管理，包括耕作距離、田塊規(guī)模、田塊形狀、單位面積農(nóng)業(yè)機(jī)械投入量。耕作距離表示地塊之間的距離，反映耕地的集中連片程度，通常集中程度越高越有利于耕地保護(hù)；田塊規(guī)模反映耕作的便利性，一般田塊規(guī)模越大耕作便利度越高；田塊形狀表明人類對(duì)田塊利用調(diào)形的程度，也反映耕地利用歷史中形成的人地關(guān)系；單位面積農(nóng)業(yè)機(jī)械投入量可反映經(jīng)營(yíng)投入程度。工程要素主要指水利、道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以及田塊平整等措施，能夠有效調(diào)節(jié)光、溫、水等耕地生態(tài)環(huán)境，提升耕地生產(chǎn)穩(wěn)定性，包括灌溉保證率、道路通達(dá)度、田塊平整度。

2.2 研究方法

2.2.1累積分布函數(shù)

累積分布函數(shù)(CDF)是隨機(jī)變量落在樣本空間某一區(qū)間內(nèi)的概率之和，是概率密度函數(shù)的積分，即

FX(a)=P(X≤a)

(1)

式(1)表示為對(duì)離散變量而言，所有小于等于a的值出現(xiàn)概率的和。

本文借助耕地質(zhì)量分布情況分析晉中市村域耕地質(zhì)量的集疏變化趨勢(shì)。具體步驟為，首先將研究區(qū)耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)以分值100為固定間隔，將村域耕地質(zhì)量分成12份，其次統(tǒng)計(jì)每一個(gè)間隔區(qū)域內(nèi)的單元頻次和分布概率，最后采用累計(jì)分布函數(shù)求取處于某一耕地質(zhì)量范圍內(nèi)的所有單元頻次的累積百分比，直觀顯示出耕地質(zhì)量的分布狀況。

2.2.2空間自相關(guān)分析

衡量事物之間空間自相關(guān)性的方法包括全局自相關(guān)和局部自相關(guān)2種，空間鄰接關(guān)系可分為Rook、Queen和Bishop等3種鄰接關(guān)系。全局自相關(guān)重點(diǎn)描述研究區(qū)耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)的整體區(qū)域空間特征，側(cè)重分析整個(gè)區(qū)域中耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)的分布狀態(tài)及趨勢(shì)；局部空間自相關(guān)則用于度量每個(gè)空間單元與鄰近空間單元的相關(guān)性，側(cè)重分析村域經(jīng)濟(jì)等指數(shù)均值的集聚和孤立形成的空間異質(zhì)性。具體公式如下[28]：

全局Moran’s I指數(shù)

(2)

局部Moran’s I指數(shù)

(3)

式中N——村莊數(shù)目，取2 794

Xi、Xj——村莊i和村莊j的耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)

w(i,j)——空間權(quán)重

I——全局Moran’s I指數(shù)

Ii——局部Moran’s I指數(shù)

I取值范圍為[-1，1]，I大于0表示空間正相關(guān)，呈集聚態(tài)勢(shì)；等于0表示空間不相關(guān)，呈隨機(jī)分布；小于0表示空間負(fù)相關(guān)，呈離散態(tài)勢(shì)。Ii取值范圍為[-1，1]，Ii大于0表示耕地質(zhì)量同質(zhì)集聚(高-高集聚HH或低-低集聚LL)，等于0表示空間集聚不顯著，小于0表示耕地質(zhì)量異質(zhì)集聚(高-低集聚HL或低-高集聚LH)，越趨向1或-1表示空間集聚越顯著且空間異質(zhì)性越大。

基于ArcGIS 10.2和GeoDa軟件計(jì)算Rook、Queen和Bishop的一階鄰接空間鄰接性，其中依據(jù)Rook原則計(jì)算的空間鄰接性頻率直方圖更符合正態(tài)分布，故選擇Rook原則計(jì)算空間權(quán)重。

2.2.3地理探測(cè)器

地理探測(cè)器是探測(cè)空間分異性及其驅(qū)動(dòng)力的一組統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，其可以探測(cè)數(shù)值型或定性型因子及兩因子的交互作用。地理探測(cè)器包括分異及因子探測(cè)器、交互作用探測(cè)器、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)探測(cè)器和生態(tài)探測(cè)器。本研究采用分異及因子探測(cè)器和交互作用探測(cè)器。

分異及因子探測(cè)器：探測(cè)影響因子Z對(duì)因變量空間分異的解釋程度，用q度量，表達(dá)式為

(4)

式中L——影響因子Z的分區(qū)(類)數(shù)

σ2——整個(gè)研究區(qū)方差

q取值范圍為[0,1]，越趨向1，表示影響因子對(duì)耕地質(zhì)量的解釋力越強(qiáng)，反之則越弱；q值為0表示影響因子與耕地質(zhì)量沒有關(guān)系。影響因子Z需采用多種分類方法轉(zhuǎn)換為類型變量，因變量為耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)。

交互作用探測(cè)器：探測(cè)影響因子Z1和Z2共同作用時(shí)對(duì)耕地質(zhì)量的影響是增強(qiáng)還是減弱，或是對(duì)耕地質(zhì)量的影響是獨(dú)立的。首先分別計(jì)算影響因子Z1和Z2對(duì)耕地質(zhì)量的q(Z1)、q(Z2)和q(Z1∩Z2)，其次比較q(Z1)、q(Z2)與q(Z1∩Z2)大小，形成5類對(duì)比關(guān)系，代表5種作用類型，如表1所示。

表1 因子交互作用探測(cè)類型Tab.1 Types of interaction between two covariates

2.2.4GIS分組分析

分組分析是基于連通圖(最小跨度樹)原理查找自然分組，根據(jù)對(duì)象的屬性因素和空間特征進(jìn)行綜合聚類分析，生成不同的組數(shù)，分組的結(jié)果要求組內(nèi)要素屬性具有相似性、組間要素屬性具有差異性、空間上具有連續(xù)性，因此通過分組分析形成的分區(qū)更有利于自然資源管理和政策實(shí)施[29]。空間約束條件使分組結(jié)果在空間上相鄰，主要包括僅當(dāng)要素與組中的另一成員共享某條邊 (CONTIGUITY_EDGES_ONLY) 或共享某條邊或某個(gè)折點(diǎn) (CONTIGUITY_EDGES_CORNERS)等2種面鄰接類選項(xiàng)。分組的有效性主要通過偽F統(tǒng)計(jì)量測(cè)量，反映組內(nèi)相似性和組間差異性的比率。

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地質(zhì)量空間分布特征

3.1.1耕地質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析

2017年晉中市耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)在188～1 391之間，其中高于788的耕地主要分布在晉中北部黃土高原區(qū)和西部汾河谷地及平原，在東南部山區(qū)有零星分布；低于788的耕地主要分布在晉中東部山區(qū)和南部丘陵區(qū)。自東向西，村域耕地質(zhì)量與海拔的變化趨勢(shì)一致，表明地形條件與耕地質(zhì)量分異密切相關(guān)(圖2)。

從直方圖(圖3)來看，耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)在188～788范圍內(nèi)分布的村莊最多，共2 241個(gè)，占80.21%；788以上的村莊只有553個(gè)，占19.79%。由此可知晉中市耕地質(zhì)量偏向低值集聚分布；村域耕地質(zhì)量峰度指數(shù)為1.56，偏度指數(shù)為1.55，表明晉中市耕地質(zhì)量呈尖峰右偏尾，集中分布程度明顯。

3.1.2耕地質(zhì)量空間相關(guān)性分析

在1%的顯著水平下，晉中市耕地質(zhì)量的全局Moran’s I指數(shù)為0.552，表明全市耕地質(zhì)量在空間上呈現(xiàn)正相關(guān)，空間格局相對(duì)集聚，耕地質(zhì)量具有一定空間約束性。

根據(jù)表2、圖4，屬于正相關(guān)型HH和LL的耕地面積共167 928.19 hm2，占45.13%；負(fù)相關(guān)型HL和LH的耕地面積共14 734.87 hm2，占3.96%。耕地質(zhì)量顯著高值集聚區(qū)主要分布在晉中北部的壽陽及西部的太谷區(qū)、祁縣和平遙縣等地區(qū)，少量分布在晉中中南部的榆社縣，耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)主要在432.80～1 391.00范圍，表明HH型與高指數(shù)值保持空間一致性；顯著低值集聚區(qū)主要分布在晉中東南部的榆社縣、西南部的介休市和靈石縣，以及晉中中部有零星分布，耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)主要在13.34～422.56范圍，LL型與低指數(shù)值的空間分布也保持較好的一致性；有極少數(shù)顯著HL和LH集聚區(qū)零星分布在壽陽縣和太谷區(qū)；無顯著特征型地區(qū)面積為189 459.44 hm2，占50.91%，耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)范圍為12.61～1 391.00，空間分布呈隨機(jī)狀態(tài)?？傮w而言，耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)高的耕地與HH型保持了較好的空間一致性，而耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)低值空間分布與LL型結(jié)果相一致，局部空間自相關(guān)結(jié)果較好反映了耕地質(zhì)量空間集聚特征。

表2 晉中市耕地質(zhì)量與集聚類型統(tǒng)計(jì)分析Tab.2 Statistical aggregation types and classification of cultivated land quality in Jinzhong City

3.1.3耕地質(zhì)量分區(qū)

為了避免傳統(tǒng)空間聚類分析只考慮耕地屬性相似性，忽略耕地空間單元的相鄰性，導(dǎo)致分區(qū)結(jié)果在空間不能有效集中而過于分散，采用ArcGIS 10.2的分組分析工具，在保證行政村空間相鄰的前提下，根據(jù)耕地質(zhì)量屬性和空間約束對(duì)研究區(qū)耕地質(zhì)量進(jìn)行分區(qū)。以“CONTIGUITY_EDGES_CORNERS”為空間約束方式，根據(jù)分組結(jié)果的偽F統(tǒng)計(jì)量最大值或鄰近值確定研究區(qū)耕地質(zhì)量空間的有效分組。結(jié)果表明：2～15組的偽F統(tǒng)計(jì)量在321.26～609.90之間變化，其中3組(593.39)和4組(609.90)的偽F統(tǒng)計(jì)量最大，根據(jù)耕地質(zhì)量空間分布的差異性，最后確定有效組數(shù)為3，并根據(jù)各組耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)平均值分別命名為高質(zhì)量區(qū)、中質(zhì)量區(qū)和低質(zhì)量區(qū)。由圖4和圖5可知，耕地高質(zhì)量區(qū)和低質(zhì)量區(qū)的分布特征和耕地質(zhì)量的空間集聚特征基本相符，表明分組結(jié)果能夠客觀地反映區(qū)域耕地質(zhì)量的差異。其中耕地高質(zhì)量區(qū)主要分布在晉中西部汾河谷地和平原區(qū)，中質(zhì)量區(qū)主要以晉中北部黃土堆積區(qū)和東部山區(qū)為主，低質(zhì)量區(qū)主要位于南部山地丘陵一帶。3個(gè)分區(qū)耕地質(zhì)量的空間集聚性總體上弱于晉中地區(qū)整體水平，高質(zhì)量區(qū)和低質(zhì)量區(qū)均在1%的顯著水平下表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間集聚性，表明這兩個(gè)分區(qū)的耕地質(zhì)量在空間上的集聚模式較突出；中質(zhì)量區(qū)呈現(xiàn)隨機(jī)分布狀態(tài)，不同級(jí)別的耕地質(zhì)量交錯(cuò)分布，空間集聚特性不明顯，具體特征值見表3。

表3 不同耕地質(zhì)量分區(qū)的空間集聚特征Tab.3 Characteristics of spatial aggregation types in different cultivated land quality zonings

3.2 因子探測(cè)

將各村的耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)Y作為因變量，16個(gè)要素作為自變量，根據(jù)地理探測(cè)器要求因變量是數(shù)值量，自變量是類型量，本文基于已有資料、規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)[26]和自然斷裂法對(duì)自變量進(jìn)行分類。其中地貌X1參考已有資料分為河漫灘、平原、丘陵、山地和臺(tái)地；海拔X2的分類斷點(diǎn)為200、500、1 000 m；坡度X3的分類斷裂點(diǎn)為2°、5°、8°、15°、25°；表層土壤質(zhì)地X7分為砂土、壤土、黏土和礫質(zhì)土；田塊平整度X16分為已平整、未平整；其余變量均采用自然斷裂法分為4類。另以晉中市及其3個(gè)分區(qū)對(duì)應(yīng)的耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)為因變量，探討各因子對(duì)耕地質(zhì)量的影響作用，探測(cè)結(jié)果見表4。

表4 耕地質(zhì)量分區(qū)因子q值Tab.4 Factor detection results of cultivated land quality zoning

3.2.1因子空間分異探測(cè)

由表4可知，2017年各類因子對(duì)晉中地區(qū)耕地質(zhì)量的影響程度及顯著性存在較大差異。在3大類因子中，自然要素類因子的解釋力均表現(xiàn)為顯著，其中海拔X2、坡度X3、積溫X5和年均降水量X4的解釋力均較強(qiáng)(q>0.3)，表明地理環(huán)境決定晉中地區(qū)的耕地質(zhì)量空間格局；社會(huì)要素類因子均具有顯著性作用，但僅耕作距離X10的解釋力最強(qiáng)，反映耕作距離直接影響耕地的集中連片程度及農(nóng)業(yè)空間穩(wěn)定性；工程要素中僅田塊平整度X16的q值較小，表明田塊平整對(duì)耕地質(zhì)量的作用相對(duì)較弱，這可能與田塊平整工程的區(qū)域性有關(guān)。

不同耕地質(zhì)量分區(qū)影響因子的解釋力分析如下：①對(duì)于耕地高質(zhì)量區(qū)中因子解釋力從大到小總體依次為自然因素、社會(huì)因素、工程因素，自然要素中的9個(gè)因子均具有顯著性且以有效土層厚度X6和表層土壤質(zhì)地X7的解釋力較強(qiáng)，社會(huì)要素中的4個(gè)因子解釋力均具有一定顯著性作用且以耕作距離X10解釋力較強(qiáng)，工程要素投入中僅灌溉保證率X15的q值大于0.3；總體表明優(yōu)質(zhì)的自然條件是該區(qū)耕地質(zhì)量提升的主要驅(qū)動(dòng)力，區(qū)域耕地集中連片程度高為耕地規(guī)模經(jīng)營(yíng)和集約利用提供基礎(chǔ)條件從而提升耕地生產(chǎn)能力，而水仍是該區(qū)耕地質(zhì)量的主要障礙因素，加大灌溉基礎(chǔ)設(shè)施投入會(huì)顯著提升該區(qū)的耕地質(zhì)量水平。②耕地中質(zhì)量區(qū)中因子解釋力從大到小依次為社會(huì)要素、自然要素、工程要素，有效土層厚度X6、田塊規(guī)模X11和單位面積農(nóng)業(yè)機(jī)械投入量X13的解釋力較強(qiáng)，表明在耕地中質(zhì)量區(qū)人類勞動(dòng)投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，依據(jù)自然適宜性調(diào)整耕地利用的影響因素進(jìn)而改變耕地質(zhì)量空間格局分布，但工程要素不是該區(qū)耕地質(zhì)量空間分異的主要驅(qū)動(dòng)力。③耕地低質(zhì)量區(qū)因子解釋力從大到小依次為自然要素、工程要素、社會(huì)要素，自然要素的坡度X3、積溫X5和鹽漬化程度X9，社會(huì)要素中耕作距離X10和田塊形狀X12及工程要素的灌溉保證率X15解釋力均較高，且均比高質(zhì)量區(qū)和低質(zhì)量區(qū)的解釋力高，表明該區(qū)的自然條件、田塊破碎化及水等因素都深刻影響現(xiàn)有耕地質(zhì)量空間格局，加大灌溉工程建設(shè)對(duì)該區(qū)耕地質(zhì)量水平及空間格局會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

3.2.2交互作用

16個(gè)因子對(duì)晉中區(qū)域及3個(gè)分區(qū)的耕地質(zhì)量的交互作用類型表現(xiàn)為雙因子增強(qiáng)或非線性增強(qiáng)，表明各因子對(duì)研究區(qū)耕地質(zhì)量的影響存在一定的聯(lián)系，彼此之間并非完全獨(dú)立(圖6,圖中藍(lán)色代表單因子作用，黃色代表非線性增強(qiáng)，灰色代表雙因子增強(qiáng)，受篇幅限制未表示出各分區(qū)的交互探測(cè)結(jié)果)。

對(duì)于整個(gè)晉中區(qū)域，剔除未通過顯著性檢驗(yàn)的影響因子(田塊平整度X16)，通過交互探測(cè)模型得出耕地質(zhì)量空間分異的交互探測(cè)結(jié)果，結(jié)果表明雙因子交互作用均比單因子作用強(qiáng)，交互作用類型以非線性增強(qiáng)為主。與單因子作用相比，每個(gè)影響因子與其他因子共同作用的q值均有不同程度升高，其中地貌X1對(duì)因子交互作用的影響最強(qiáng)，與其他因子交互作用時(shí)的q值與單獨(dú)作用時(shí)的q值相比增加了數(shù)倍，說明不同的地貌條件影響水熱條件及耕作的便捷性，進(jìn)而影響耕地質(zhì)量空間格局分異；其次為有效土層厚度X6、表層土壤質(zhì)地X7和鹽漬化程度X9，與其他影響因子共同作用時(shí)q值也呈倍數(shù)增長(zhǎng)，說明自然要素對(duì)耕地質(zhì)量空間分異影響最強(qiáng)；從交互類型看，地貌X1、有效土層厚度X6、表層土壤質(zhì)地X7、鹽漬化程度X9與其他因子兩兩相交均呈現(xiàn)非線性增強(qiáng)類型，表明自然要素是決定耕地質(zhì)量的核心因素，強(qiáng)化其他因素的作用力度。

從各耕地質(zhì)量分區(qū)來看，田塊平整度與田塊形狀(X16∩X12)、單位面積機(jī)械投入量(X16∩X13)、道路通達(dá)度 (X16∩X14)之間的交互作用在3個(gè)分區(qū)均表現(xiàn)為非線性增強(qiáng)，說明這4個(gè)因子對(duì)耕地質(zhì)量提升有著重要影響，而田塊平整度與其余3個(gè)因子相結(jié)合為3個(gè)區(qū)的耕地質(zhì)量提升提供強(qiáng)適宜的平臺(tái)，積極促進(jìn)耕地質(zhì)量水平提高，構(gòu)建健康的耕地生產(chǎn)環(huán)境。

在高質(zhì)量區(qū)中，因子交互作用以雙因子增強(qiáng)為主要類型，自然要素和社會(huì)要素也具有較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，交互作用的驅(qū)動(dòng)力相對(duì)較弱，作用類型為雙因子增強(qiáng)；工程要素中的田塊平整度X16和社會(huì)要素各因子的交互作用均表現(xiàn)為非線性增強(qiáng)，由于優(yōu)質(zhì)的自然條件對(duì)耕地質(zhì)量貢獻(xiàn)較大，社會(huì)因素和自然因素耦合作用就相對(duì)不明顯，而田塊平整克服耕地利用中的障礙因素，直接提升耕地本底質(zhì)量并改善經(jīng)營(yíng)管理?xiàng)l件，工程要素和社會(huì)要素相互作用更能強(qiáng)化耕地質(zhì)量保護(hù)。在中質(zhì)量區(qū)中，因子交互作用類型以雙因子增強(qiáng)為主，自然要素與其他類型因子的交互作用表現(xiàn)為非線性增強(qiáng)類型的比例高于其他分區(qū)，其中年均降水量X4、表層土壤質(zhì)地X7與其他因子的交互作用更強(qiáng)；社會(huì)要素中田塊形狀與灌溉保證率(X12∩X15)、田塊形狀與田塊平整度(X12∩X16)、單位面積農(nóng)業(yè)機(jī)械投入量與灌溉保證率(X13∩X15)、單位面積農(nóng)業(yè)機(jī)械投入量與田塊平整度(X13∩X16)的交互作用表現(xiàn)為非線性增強(qiáng)，總體表明在中質(zhì)量區(qū)，自然條件在短時(shí)間不會(huì)產(chǎn)生顯著變化，對(duì)耕地質(zhì)量的影響深刻但穩(wěn)定，因此只有因地制宜提出有效的經(jīng)營(yíng)管理措施，調(diào)整耕地權(quán)屬關(guān)系，積極提升耕地質(zhì)量進(jìn)而推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展。在低質(zhì)量區(qū)，作用類型為雙因子增強(qiáng)為主，自然要素中的地貌X1及有效土層厚度X6和其他因子交互作用后解釋力顯著提升；工程要素中的田塊平整度X16與地貌X1、年均降水量X4、有效土層厚度X6、田塊規(guī)模X11、田塊形狀X12、單位面積農(nóng)業(yè)機(jī)械投入量X13、道路通達(dá)度X14、灌溉保證率X15的交互作用類型為非線性增強(qiáng)。因此要重視地貌X1、有效土層厚度X6與田塊平整度X16的耦合對(duì)低質(zhì)量區(qū)耕地質(zhì)量的提升作用。

3.3 分區(qū)主導(dǎo)因子識(shí)別及優(yōu)化策略

根據(jù)各因素的q值、顯著性和交互作用，選擇解釋力顯著且大于0.2的因子作為各分區(qū)的主導(dǎo)因素。高質(zhì)量區(qū)的主導(dǎo)因素為有效土層厚度X6和田塊平整度X16，中質(zhì)量區(qū)的主要因素為有效土層厚度X6、單位面積農(nóng)業(yè)機(jī)械投入量X13和灌溉保證率X15，低質(zhì)量區(qū)的主要因素為地貌X1、坡度X3、耕作距離X10、灌溉保證率X15和田塊平整度X16?？傮w上可判定高質(zhì)量區(qū)為自然要素及工程要素驅(qū)動(dòng)型，中質(zhì)量區(qū)和低質(zhì)量區(qū)為綜合要素驅(qū)動(dòng)型。

綜上分析，制定差別化耕地質(zhì)量提升策略:①耕地高質(zhì)量區(qū)的地形地貌及水熱條件優(yōu)越，為永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)。當(dāng)前，有效土層厚度X6與田塊平整度X16為雙因子增強(qiáng)作用，說明兩者間的交互作用可有效提高耕地質(zhì)量，但還需優(yōu)化。未來可依托國(guó)家高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)目，改善耕地自然條件，提高耕地抗災(zāi)能力，通過田塊平整與有效土層厚度的正向耦合交互來提高耕地質(zhì)量。②耕地中質(zhì)量區(qū)耕地資源豐富但地形條件復(fù)雜，多為黃土堆積區(qū)及丘陵山區(qū)，且受到水熱條件及地形地貌等自然要素的諸多限制，未來該區(qū)可依托土地綜合整治，增加經(jīng)營(yíng)管理力度和工程要素投入，適當(dāng)加大農(nóng)業(yè)機(jī)械投入和農(nóng)業(yè)灌溉基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，多方位推動(dòng)耕地質(zhì)量提升；受地形地貌限制較大的區(qū)域，可借助鄉(xiāng)村振興政策，深度挖掘耕地的休閑等非生產(chǎn)功能。③耕地低質(zhì)量區(qū)受自然、經(jīng)營(yíng)和工程等方面的多約束，建議結(jié)合地理環(huán)境特點(diǎn)和自身發(fā)展需求，借助技術(shù)創(chuàng)新增強(qiáng)耕地經(jīng)營(yíng)管理力度，適度推動(dòng)耕地質(zhì)量提升工程建設(shè)，有效耦合自然要素、社會(huì)要素和工程要素，提升該區(qū)耕地質(zhì)量水平。

4 討論

(1)耕地質(zhì)量空間分布格局是自然要素、社會(huì)要素和工程要素等在空間上綜合作用的過程，客觀反映了耕地質(zhì)量的空間分異格局，但自然要素是決定耕地質(zhì)量的核心因素，只有社會(huì)、工程要素與自然要素耦合作用，才能改變土地貧瘠情況，減少耕地質(zhì)量區(qū)域分異較大的空間格局，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。

(2)社會(huì)要素對(duì)耕地質(zhì)量的解釋度較自然要素和工程因素偏弱，今后在耕地自然質(zhì)量提升的基礎(chǔ)上，需加大社會(huì)要素投入的強(qiáng)度，提升耕地單產(chǎn)水平及產(chǎn)品品質(zhì)，調(diào)整人地關(guān)系，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，確保耕地可持續(xù)利用與保護(hù)。

5 結(jié)論

(1)從整個(gè)市域來看，基于2017年晉中市土地利用現(xiàn)狀圖及耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)成果，耕地分布呈現(xiàn)“梯度遞減”特征，主要集中在晉中西部平原地區(qū)并向東部山區(qū)遞減；耕地質(zhì)量集中分布特征顯著且偏向低值集聚，耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)平均值低于788的村莊占80.21%；耕地質(zhì)量在空間上呈現(xiàn)正相關(guān)且空間格局相對(duì)集聚，HH型主要分布在晉中北部及西部，LL型主要分布在晉中東南部及西南部，集聚類型與耕地國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)分布保持空間一致性。

(2)晉中市耕地質(zhì)量空間分布具有一定的空間分異性和集聚性，基于GIS分組分析的耕地質(zhì)量分區(qū)能夠客觀反映市域耕地質(zhì)量差異總體趨勢(shì)；高質(zhì)量區(qū)主要分布在晉中西部汾河谷地和平原區(qū)，低質(zhì)量區(qū)主要位于南部山地丘陵一帶，兩區(qū)空間集聚特征顯著；中質(zhì)量區(qū)主要集中在晉中北部黃土堆積平原及東部山區(qū)，空間分布呈隨機(jī)狀態(tài)。

(3)市域耕地質(zhì)量空間分異與影響因子密切相關(guān)，是多個(gè)因子交互作用的結(jié)果。從整體區(qū)域看，自然因子對(duì)晉中市耕地質(zhì)量空間分異解釋力度較強(qiáng)。從各分區(qū)來看，耕地高質(zhì)量區(qū)的自然因素解釋力較強(qiáng)，主要影響因素為有效土層厚度X6、表層土壤質(zhì)地X7、耕作距離X10和灌溉保證率X15；中質(zhì)量區(qū)的社會(huì)因素解釋力較強(qiáng)，主要影響因素為有效土層厚度X6、田塊規(guī)模X11和單位面積農(nóng)業(yè)機(jī)械投入量X13；低質(zhì)量區(qū)的自然因素解釋力較強(qiáng)，坡度X3、積溫X5、鹽漬化程度X9、耕作距離X10、田塊形狀X12和灌溉保證率X15對(duì)該區(qū)耕地質(zhì)量空間分異的解釋度較高。雙因子交互作用驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)于單因子，交互作用類型以非線性增強(qiáng)為主，耕地質(zhì)量的影響因素呈多元復(fù)合性。

(4)綜合考慮單因子的q值、顯著性和交互作用，判定高質(zhì)量區(qū)為自然要素及工程要素驅(qū)動(dòng)型，中質(zhì)量區(qū)和低質(zhì)量區(qū)為綜合要素驅(qū)動(dòng)型。