基于國土空間“三線”劃定與耕地質(zhì)量自相關(guān)的耕地空間布局優(yōu)化

韓 述，郭貫成,2，史洋洋，崔久富

·土地保障與生態(tài)安全·

基于國土空間“三線”劃定與耕地質(zhì)量自相關(guān)的耕地空間布局優(yōu)化

韓 述1，郭貫成1,2※，史洋洋1，崔久富1

（1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)公共管理學(xué)院，南京 210095；2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)中國資源環(huán)境與發(fā)展研究院，南京 210095）

結(jié)合國土空間規(guī)劃與耕地質(zhì)量自相關(guān)屬性優(yōu)化耕地保護(hù)空間布局，對于耕地質(zhì)量提升、保障糧食安全具有重要意義。該研究采用改進(jìn)空間自相關(guān)模型，將生態(tài)環(huán)境作為耕地質(zhì)量空間相關(guān)性分析框架的“第四維”，從地塊尺度模擬位于“三線”內(nèi)地塊耕地質(zhì)量指數(shù)的空間自相關(guān)性，據(jù)此提出優(yōu)化耕地保護(hù)空間布局的方案。結(jié)果表明：1）高淳區(qū)高質(zhì)量耕地呈現(xiàn)出東部集中連片、西部零散分布的特征，低質(zhì)量耕地集中分布在高淳東部，各耕地自然指數(shù)均呈現(xiàn)出“西高東低”的特征。2）各耕地質(zhì)量指數(shù)正、負(fù)相關(guān)類型分別與高、低質(zhì)量耕地的空間高度吻合，均表現(xiàn)出較強(qiáng)正相關(guān)性的空間聚集特征。自然質(zhì)量、利用管理、經(jīng)濟(jì)價(jià)值及生態(tài)環(huán)境指數(shù)的Moran’s值分別為0.79、0.92、0.89、0.77，空間集聚性從大到小的順序?yàn)槔霉芾?、?jīng)濟(jì)價(jià)值、自然質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境指數(shù)。3）結(jié)合國土空間規(guī)劃與耕地質(zhì)量自相關(guān)優(yōu)化耕地布局，永久基本農(nóng)田新增968.15 hm2，等級提升0.94，確定永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)、城鎮(zhèn)發(fā)展緩沖區(qū)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)及綜合調(diào)節(jié)區(qū)4個一級類與14個二級類。其中，永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)綜合質(zhì)量最優(yōu)，耕地質(zhì)量表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間擴(kuò)散效應(yīng)，應(yīng)禁止非農(nóng)建設(shè)；城鎮(zhèn)發(fā)展緩沖區(qū)耕地質(zhì)量較差但區(qū)位優(yōu)勢突出，是城鎮(zhèn)建設(shè)理想?yún)^(qū)；生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)耕地綜合質(zhì)量較差但生態(tài)優(yōu)勢明顯，應(yīng)開展生態(tài)防護(hù)工程，形成生態(tài)保護(hù)格網(wǎng)；綜合調(diào)節(jié)區(qū)應(yīng)判明耕地障礙因素的作用機(jī)理，有序開展田間整治，實(shí)現(xiàn)向永久基本農(nóng)田的躍遷。

布局；優(yōu)化；生態(tài)；耕地質(zhì)量；國土空間規(guī)劃；改進(jìn)空間自相關(guān)；高淳區(qū)

0 引 言

“民以食為天，地為糧之母”，耕地作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本單元，不僅是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動與糧食安全的空間載體，更是鄉(xiāng)村振興的關(guān)鍵一環(huán)，對于高質(zhì)量發(fā)展背景下的城鄉(xiāng)格局至關(guān)重要[1]。國土統(tǒng)計(jì)公報(bào)數(shù)據(jù)顯示，2016年中國耕地面積為13 499.87萬hm2，因建設(shè)占用、生態(tài)退耕等原因減少30.17萬hm2，平均質(zhì)量等為9.96，耕地質(zhì)量呈現(xiàn)出總體偏低，區(qū)域差異明顯的特征[2]。為此，2022年中央一號文件明確指示要落實(shí)“長牙齒”的耕地保護(hù)硬措施，嚴(yán)格落實(shí)18億畝耕地紅線，強(qiáng)化耕地用途管制，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充耕地產(chǎn)能與所占耕地同級。國土空間規(guī)劃確定的永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線、城市開發(fā)邊界以及生態(tài)紅線（以下簡稱“三線”）是優(yōu)化資源配置、合理空間布局的重要手段，但在實(shí)踐過程中未能充分考慮耕地稟賦的空間相關(guān)性，致使耕地空間與生態(tài)脆弱、重金屬污染空間高度重疊[3]。因此，耕地保護(hù)空間布局優(yōu)化應(yīng)結(jié)合國土空間規(guī)劃“三線”劃定成果與耕地質(zhì)量自相關(guān)性，切實(shí)提升耕地生產(chǎn)能力。鑒于此，結(jié)合國土空間規(guī)劃“三線”與耕地質(zhì)量自相關(guān)性實(shí)施差異化的耕地保護(hù)策略對耕地精細(xì)化管理、保障糧食安全意義重大。

耕地質(zhì)量包含自然、經(jīng)濟(jì)、區(qū)位及生態(tài)等內(nèi)容，目前有關(guān)耕地空間布局的研究多以耕地質(zhì)量評價(jià)為基礎(chǔ)，眾多學(xué)者從耕地地力[4]、設(shè)施完備度[5]、區(qū)位條件[6]、政策條件[7]等角度評價(jià)耕地質(zhì)量，其內(nèi)涵日趨完善?，F(xiàn)有研究為科學(xué)評價(jià)耕地質(zhì)量、優(yōu)化耕地空間布局提供了理論基礎(chǔ)，但仍有一些不足之處，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：從研究視角上看，已有研究主要從耕地自然等別、區(qū)位條件、基礎(chǔ)設(shè)施情況及景觀條件[3,8-12]評價(jià)耕地質(zhì)量，關(guān)于耕地質(zhì)量自相關(guān)的研究并不深入；從研究內(nèi)容上看，盡管部分文獻(xiàn)開展了耕地自然、等別以及利用屬性的空間相關(guān)性分析[13-15]，但對耕地生態(tài)環(huán)境的自相關(guān)性考慮不足；從研究思路上看，已有研究多基于耕地自然、等別以及利用屬性的自相關(guān)性劃定耕地保護(hù)分區(qū)[5,16-18]，未能將耕地質(zhì)量自相關(guān)性與國土空間規(guī)劃結(jié)合，深入剖析耕地自然、經(jīng)濟(jì)、利用以及生態(tài)4個維度空間相關(guān)性的關(guān)聯(lián)結(jié)果對耕地空間布局的影響；從研究尺度上看，已有研究多以縣域?yàn)檠芯繉ο蠓治龃寮壋叨雀刭|(zhì)量的自相關(guān)性[19]，以耕地地塊為單位的研究尚不多見。鑒于此，本研究將生態(tài)環(huán)境作為耕地質(zhì)量空間相關(guān)性分析框架的“第四維”，基于江蘇省高淳區(qū)國土空間規(guī)劃“三線”劃定成果，采用改進(jìn)空間自相關(guān)模型，以耕地斑塊為研究單位，探究耕地自然質(zhì)量、利用管理、經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及生態(tài)環(huán)境指數(shù)四者間的空間聯(lián)系模式，剖析永久基本農(nóng)田的保護(hù)對策，城鎮(zhèn)發(fā)展空間的拓展方向以及生態(tài)空間的整治時序，以期為耕地質(zhì)量提升及優(yōu)化耕地布局提供借鑒和參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

高淳區(qū)隸屬江蘇省南京市（圖1），地處31°13'～31°26'N，118°41'～119°21'E之間，面積為790.23 km2，是國家級特色農(nóng)業(yè)基地。2020年高淳土地利用變更數(shù)據(jù)顯示，其耕地面積為40 406.45 hm2，平均質(zhì)量等為5.18?！笆濉币?guī)劃以來，高淳區(qū)通過1 073個耕地質(zhì)量監(jiān)測單元，建立了完備的土壤環(huán)境質(zhì)量例行監(jiān)測制度。近年來，高淳區(qū)因?yàn)E用化肥、污水灌溉、濫用農(nóng)藥農(nóng)膜等農(nóng)業(yè)投入品等原因，耕地生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重破壞，耕地質(zhì)量受到嚴(yán)重威脅。

圖1 研究區(qū)位圖

1.2 數(shù)據(jù)來源

空間數(shù)據(jù)來源的時間節(jié)點(diǎn)為2017年，包括南京市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局提供的國土空間規(guī)劃“三線”成果、高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田成果、農(nóng)用地分等定級數(shù)據(jù)庫、基本農(nóng)田數(shù)據(jù)庫、土壤調(diào)查數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)以及1 073個監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)真實(shí)性，首先對數(shù)據(jù)歸納整理，統(tǒng)一計(jì)量單位的同時完成數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化；其次，為便于空間分析，所有空間數(shù)據(jù)經(jīng)ArcGIS坐標(biāo)投影后統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_27；最后，為消除極端數(shù)據(jù)對空間相關(guān)性分析的影響，采用探索性數(shù)據(jù)分析法[8]剔除極端值。

地形坡度、有效土層厚度、質(zhì)地構(gòu)型、土壤容重、pH值、有機(jī)質(zhì)、農(nóng)田林網(wǎng)、排水能力、灌溉能力、有效磷、速效鉀、安全利用率、生物多樣性等指標(biāo)來自高淳農(nóng)用地分等定級數(shù)據(jù)庫；糧食作物產(chǎn)量及成本來自《2021年高淳區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒》；汞、鎘、鉻、鉛含量數(shù)據(jù)由高淳1 073個監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)空間插值后得到。此外，本研究涉及的文本數(shù)據(jù)包括《南京市高淳區(qū)土地利用總體規(guī)劃修改方案》《2021年南京市基本農(nóng)田保護(hù)報(bào)告》《江蘇省高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃（2014—2020）》《南京市基本農(nóng)田質(zhì)量監(jiān)測報(bào)告（2015—2017）》。

2 研究方法

2.1 耕地質(zhì)量綜合評價(jià)

2.1.1 指標(biāo)選擇

本研究參照《2021年南京市基本農(nóng)田保護(hù)報(bào)告》從自然質(zhì)量、利用管理、經(jīng)濟(jì)價(jià)值、生態(tài)環(huán)境4方面描述耕地質(zhì)量（表1）。其中，自然質(zhì)量指數(shù)刻畫的是耕地自然本底條件，是耕地生產(chǎn)力的重要來源。選擇地形坡度、有效土層厚度、質(zhì)地構(gòu)型、土壤容重、pH值及有機(jī)質(zhì)反映耕地自然質(zhì)量指數(shù)。利用管理指數(shù)反映的是農(nóng)戶利用管理水平，故選擇農(nóng)田林網(wǎng)、灌溉能力、排水能力、有效磷、速效鉀5個指標(biāo)反映耕地農(nóng)田林網(wǎng)、灌排溝渠及施肥培土等利用管理水平的差異。經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)是按照標(biāo)準(zhǔn)耕作制度所確定的指定作物在農(nóng)地自然質(zhì)量條件、農(nóng)地所在利用分區(qū)的平均利用條件及所在土地經(jīng)濟(jì)分區(qū)的平均經(jīng)濟(jì)條件下，所獲得的按產(chǎn)量比系數(shù)折算的基準(zhǔn)作物產(chǎn)量之和（式1），也可以解釋為在當(dāng)前的農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，該分等單元內(nèi)的農(nóng)地能實(shí)現(xiàn)的最大經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量水平。土地經(jīng)濟(jì)系數(shù)是地塊特定作物有效產(chǎn)量與總產(chǎn)量的比值，描述地塊在相同經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與投入產(chǎn)出強(qiáng)度約束下的生產(chǎn)能力的差異[20]（式3）。此外，現(xiàn)有研究鮮有考慮耕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量空間聚集性對耕地空間布局的影響。鑒于此，選擇安全利用率、生物多樣性、重金屬（汞、鎘、鉻、鉛）含量等指標(biāo)刻畫生態(tài)環(huán)境指數(shù)，并作為耕地質(zhì)量自相關(guān)性分析框架的“第四維”。

式中EI為第個地塊的經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)；NQI為第個地塊的自然質(zhì)量指數(shù)；K為第個地塊的利用管理系數(shù)；UMI為第個地塊的利用管理指數(shù)；UMImax為所有地塊利用管理指數(shù)的最大值；K為第個地塊的土地經(jīng)濟(jì)系數(shù)；a為第個地塊上第種作物的“產(chǎn)量-成本指數(shù)”；A為第個地塊上第種作物的“產(chǎn)量-成本指數(shù)”的最大值；Y為第種作物的凈單產(chǎn)（kg/hm2）；C為第種作物總單產(chǎn)（kg/hm2）。

表1 耕地質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)體系

2.1.2 耕地質(zhì)量綜合分值計(jì)算

本研究采用加權(quán)指數(shù)和法對每個地塊的自然質(zhì)量指數(shù)、利用管理指數(shù)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)以及生態(tài)環(huán)境指數(shù)綜合評定，并采用自然斷點(diǎn)法分為“優(yōu)、較優(yōu)、一般、較差以及差”5級。其中，評價(jià)指標(biāo)體系中權(quán)重確定的方法為最優(yōu)組合賦權(quán)法[21]，其一般思路為：1）分別采用專家打分法、層次分析法、熵權(quán)法及主成分分析法確定4種權(quán)重后構(gòu)建權(quán)重矩陣W；2）計(jì)算兩兩標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)之間的離差平方和并構(gòu)建離差平方和矩陣1；3）基于離差平方和最大化的原則將所得權(quán)重矩陣與離差平方和矩陣1如式（6）計(jì)算后并計(jì)算所得矩陣的最大特征向量；4）將最大特征向量歸一化處理后得到各權(quán)重的修正系數(shù)，加權(quán)運(yùn)算后得到最優(yōu)組合賦權(quán)權(quán)重W。

2.2 空間自相關(guān)性分析

2.2.1 局部空間自相關(guān)模型

局部空間自相關(guān)模型是理論地理學(xué)應(yīng)用最廣泛的方法，主要識別空間單元的聚類或分異特征[22-24]。本研究采用局部空間自相關(guān)模型描述耕地斑塊與其臨近斑塊耕地質(zhì)量間的空間相關(guān)特征[25]，模擬全局耕地斑塊集聚或分異的空間分布結(jié)果，其局域空間相關(guān)性指標(biāo)[26]（Local Indicators of Spatial Association，LISA）具體計(jì)算式為：

莫蘭指數(shù)（Moran’ I）的取值范圍為[-1,1]，根據(jù)其正負(fù)將空間自相關(guān)性描述為高-高（HH）、低-低（LL）兩種正相關(guān)型以及高-低（HL）、低-高（LH）兩種負(fù)相關(guān)型[27]。正相關(guān)型代表耕地斑塊的空間集聚，負(fù)相關(guān)型代表耕地斑塊空間分異。本研究檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量（Z得分值標(biāo)準(zhǔn)分?jǐn)?shù)）判別全域空間自相關(guān)的顯著性。當(dāng)Z大于1.96時，表明觀測值間存在較強(qiáng)的正相關(guān)性，即全域耕地斑塊整體空間格局表現(xiàn)為空間集聚；當(dāng)Z小于?1.96時，表明觀測值間存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性，即全域耕地斑塊整體空間表現(xiàn)為空間分異；當(dāng)|Z|小于1.96時，表明耕地斑塊空間自相關(guān)性不顯著，在空間上表現(xiàn)為隨機(jī)分布。

2.2.2 空間權(quán)重矩陣的確定與改進(jìn)

1）空間權(quán)重矩陣的選擇?；诜淳嚯x的空間權(quán)重矩陣的前提假設(shè)為空間自相關(guān)效應(yīng)的強(qiáng)度取決于耕地斑塊間的距離[25]。除自身耕地斑塊單元外，其他所有的臨近斑塊對該觀測地塊的影響程度隨著距離的增加而逐漸削弱，這符合“所有空間單元均存在相關(guān)性，且距離較近的空間單元的相關(guān)性比距離較遠(yuǎn)的空間單元的相關(guān)性強(qiáng)”的地理學(xué)第一定律的前提假設(shè)[28]。此外，基于反距離的空間權(quán)重矩陣能夠?qū)⒎窍∈杈仃囖D(zhuǎn)換為稀疏矩陣，避免因耕地斑塊過多而引致的運(yùn)算周期過長、準(zhǔn)確性不足的問題[29]。鑒于此，本研究基于反距離空間權(quán)重矩陣的局部空間自相關(guān)模型模擬高淳區(qū)耕地地塊空間自相關(guān)結(jié)果，并據(jù)此作為全區(qū)耕地保護(hù)空間布局優(yōu)化的前提[14]。

2）空間權(quán)重矩陣的改進(jìn)。已有研究多以耕地斑塊質(zhì)心之間的距離作為構(gòu)建反距離空間權(quán)重矩陣的依據(jù)，對于閾值距離范圍內(nèi)耕地斑塊間的相關(guān)性考慮不足[30]。在傳統(tǒng)反距離空間權(quán)重矩陣的構(gòu)建過程中，距離閾值這一指標(biāo)的確定存在較強(qiáng)的主觀性，嚴(yán)重影響耕地空間布局優(yōu)化的科學(xué)性。鑒于此，本研究以反距離空間權(quán)重矩陣為基礎(chǔ)，并以耕地地塊的面積對其改進(jìn)修正，同時采用增量自相關(guān)分析法確定距離閾值，有效提升局部空間自相關(guān)模型應(yīng)用的準(zhǔn)確性。具體過程如下所示：

反距離空間權(quán)重矩陣的改進(jìn)。為避免耕地單元面積差異過大而引致的耕地空間自相關(guān)結(jié)果準(zhǔn)確性下降的問題，對高淳區(qū)耕地單元面積歸一化處理（式10）。

式中M是耕地斑塊面積矩陣中的元素；Mmax與Mmin分別是為耕地單元在閾值距離范圍內(nèi)所有臨近地塊面積的最大值和最小值；M為耕地單元的面積。

在不同距離閾值范圍內(nèi)，耕地單元存在多個的相鄰單元，當(dāng)耕地單元僅存在一個相鄰單元或所有相鄰單元面積均相等時，即當(dāng)Mmax=Mmin時，M取值為1；若耕地單元存在一個以上相鄰單元且面積不相等時，參照公式（10）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)化面積。隨后，根據(jù)計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)化耕地單元面積對反距離空間權(quán)重矩陣修正改進(jìn)，具體計(jì)算過程如下所示：

式中w是傳統(tǒng)空間矩陣中的元素；spacexy為基于標(biāo)準(zhǔn)化耕地單元面積改進(jìn)后的反距離空間權(quán)重矩陣space的元素，即耕地單元對耕地單元影響的空間權(quán)重。

最優(yōu)閾值距離的確定。本研究的耕地空間布局優(yōu)化是以耕地自然質(zhì)量、利用管理、經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及生態(tài)環(huán)境指數(shù)的空間自相關(guān)結(jié)果疊加耦合為前提，只有在最優(yōu)閾值范圍確定后才能準(zhǔn)確模擬各耕地質(zhì)量指數(shù)的空間相關(guān)結(jié)果。鑒于此，借助ArcGIS平臺采用增量自相關(guān)分析法模擬耕地單元在不同閾值范圍內(nèi)的空間集聚或離散特征，根據(jù)Z得分值的變動情況來確定最優(yōu)閾值距離。一般來說，當(dāng)閾值距離變大時，Z得分值也會增大，表示耕地的空間集聚性逐漸增強(qiáng)。當(dāng)在某一特定閾值距離范圍內(nèi)，若Z得分值存在峰值，說明該閾值距離為耕地空間集聚中最顯著的距離，即最優(yōu)閾值距離。但在特定條件下，若無論閾值如何增加，Z得分值一直增加不存在峰值時，說明耕地已經(jīng)發(fā)生集聚效應(yīng)。

2.3 基于空間計(jì)量模型的改進(jìn)空間自相關(guān)顯著性檢驗(yàn)

本文在Geoda1.6.7平臺分別采用一階空間自相關(guān)模型、空間自回歸模型以及空間誤差模型模擬高淳區(qū)耕地地塊空間相關(guān)性結(jié)果，并根據(jù)赤池信息準(zhǔn)則、貝葉斯信息準(zhǔn)則、漢南-奎因準(zhǔn)則、對數(shù)似然函數(shù)值以及莫蘭指數(shù)來檢驗(yàn)改進(jìn)空間自相關(guān)模型結(jié)果的顯著性[31]。

2.4 耕地保護(hù)空間布局優(yōu)化

耕地單元間的質(zhì)量差異是在多種因素的不斷作用下導(dǎo)致的，各耕地單元對于相同環(huán)境變化的敏感度不同[32]。因此，針對同一地塊的耕地質(zhì)量提升策略而引致的其臨近地塊耕地質(zhì)量的變動存在較大的差異。根據(jù)極化理論，當(dāng)耕地單元處于同一極化層級時，耕地質(zhì)量趨于同質(zhì)；處于不同極化層級時，耕地質(zhì)量趨于異質(zhì)。當(dāng)某一耕地單元質(zhì)量發(fā)生變動時，會對臨近地塊單元產(chǎn)生兩種不同的效應(yīng)，一種是對周圍臨近地塊耕地質(zhì)量產(chǎn)生推動和正面影響的擴(kuò)散效應(yīng)，另一種是對周圍臨近地塊耕地質(zhì)量產(chǎn)生抑制和負(fù)面影響的回流效應(yīng)[33]。鑒于此，本研究基于極化理論，分析國土空間規(guī)劃“三線”內(nèi)地塊自然質(zhì)量、利用管理、經(jīng)濟(jì)價(jià)值及生態(tài)環(huán)境指數(shù)的空間自相關(guān)性，判別耕地單元某一耕地質(zhì)量系數(shù)的變動對其周圍地塊耕地質(zhì)量的影響，提出優(yōu)化耕地空間布局的策略。

3 結(jié)果及分析

3.1 耕地質(zhì)量空間特征

本研究從耕地自然質(zhì)量、利用管理、經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)以及生態(tài)環(huán)境四個維度構(gòu)建耕地質(zhì)量評價(jià)體系，參照農(nóng)用地分等定級規(guī)程，采用加權(quán)指數(shù)和法計(jì)算耕地質(zhì)量分。高淳區(qū)耕地質(zhì)量在上述4個維度的評價(jià)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在自然質(zhì)量指數(shù)方面，高淳區(qū)耕地自然質(zhì)量表現(xiàn)出“西高東低”的空間特征。高質(zhì)量地塊主要分布在雁翅鄉(xiāng)、淳溪鎮(zhèn)以及古柏鎮(zhèn)，以水田為主，自然條件較優(yōu)；低質(zhì)量地塊主要在東壩、定埠以及固城鎮(zhèn)的崗沖丘陵區(qū)，以旱地為主，自然條件較差，以調(diào)整地類為主。在利用管理指數(shù)方面，整體表現(xiàn)出“西高東低”的空間特征。高分值耕地主要分布在雁翅鄉(xiāng)、淳溪鎮(zhèn)以及古柏鎮(zhèn)，灌溉溝渠、排澇設(shè)施及管理技術(shù)完善；低分值耕地主要在定埠、東壩以及固城鎮(zhèn)，田間基礎(chǔ)設(shè)施較差，田間利用水平較低。在經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)方面，高淳區(qū)地塊在經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)方面整體表現(xiàn)出“西高東低”的空間特征。高分值耕地主要集中分布在雁翅鄉(xiāng)、古柏鎮(zhèn)及淳溪鎮(zhèn)，在漆橋、固城以及定埠鎮(zhèn)零星分布，主要以黑土及重壤為主，耕作經(jīng)濟(jì)效益較高；低分值耕地在高淳區(qū)東部分布較為集中連片，在高淳區(qū)東部分布較為零散，主要以中層石灰土以及白土為主，投入強(qiáng)度以及耕地經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性較低，屬于“高投入、低產(chǎn)出”的生產(chǎn)模式，耕作經(jīng)濟(jì)效益較差。在生態(tài)環(huán)境指數(shù)方面，雖整體上呈現(xiàn)出“西高東低”的空間分布特征，但低分值耕地面積明顯大于高分值耕地。其中，生態(tài)環(huán)境指數(shù)較高的耕地主要分布雁翅鄉(xiāng)以及固城鎮(zhèn)，主要以水田為主，土壤內(nèi)生物多樣性較高，能夠有效促進(jìn)土壤微生物的分解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化；低分值耕地主要分布在東壩鎮(zhèn)以及定埠鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)，耕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量受到嚴(yán)重威脅，土壤內(nèi)生物多樣性較低，部分地區(qū)甚至出現(xiàn)鉛、鎘、鉻等重金屬含量超標(biāo)的問題。

圖2 高淳區(qū)耕地質(zhì)量指數(shù)空間分布圖

3.2 空間自相關(guān)模型顯著性檢

借助ArcGIS以及Geo16.7空間分析平臺，在最優(yōu)閾值距離范圍內(nèi)，采用傳統(tǒng)反距離空間權(quán)重和改進(jìn)空間權(quán)重，根據(jù)一階空間自相關(guān)模型、空間自回歸模型及空間誤差模型模擬高淳區(qū)耕地空間聚類結(jié)果，通過信息準(zhǔn)則指數(shù)以及莫蘭指數(shù)判別各模型的顯著性，如表2所示。

表2 空間自相關(guān)模型顯著性模擬結(jié)果

注：TSW，傳統(tǒng)反距離權(quán)重；ISW，改進(jìn)空間權(quán)重。

Note: TSW, Traditional spatial weight; ISW, Improve spatial weight.

根據(jù)表2可知，傳統(tǒng)反距離空間權(quán)重與改進(jìn)反距離空間權(quán)重的三種模型空間自相關(guān)模擬結(jié)果的信息準(zhǔn)則指數(shù)以及Moran’指數(shù)存在顯著差異。除一階自相關(guān)模型的對數(shù)似然函數(shù)值以及空間自回歸模型貝葉斯信息準(zhǔn)則指數(shù)外，其他信息準(zhǔn)則指數(shù)及莫蘭指數(shù)在采用改進(jìn)空間權(quán)重時的空間模擬結(jié)果更科學(xué)。空間誤差模型中Moran’指數(shù)值（0.761）最高，這表明基于空間誤差模型的空間模擬結(jié)果更為顯著，空間相關(guān)性模擬結(jié)果更具科學(xué)性。此外，通過對比傳統(tǒng)反距離空間權(quán)重與改進(jìn)空間權(quán)重各個信息準(zhǔn)則指數(shù)以及莫蘭指數(shù)，驗(yàn)證了采用基于改進(jìn)空間權(quán)重的空間誤差模型在空間自相關(guān)分析的準(zhǔn)確性。

3.3 Moran散點(diǎn)圖與Moran’s I值分析

本研究采用改進(jìn)空間權(quán)重的局部空間誤差模型對耕地單元空間相關(guān)性結(jié)果分析，耕地質(zhì)量指數(shù)Moran’s散點(diǎn)圖如下所示。圖3顯示：各耕地質(zhì)量指數(shù)Moran’s值的空間散點(diǎn)均分布在第1、3象限，說明四者均表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)性。

圖3 高淳區(qū)耕地質(zhì)量指數(shù)莫蘭散點(diǎn)圖

利用管理指數(shù)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)的Moran’s散點(diǎn)緊密圍繞擬合直線周圍，而質(zhì)量指數(shù)、生態(tài)環(huán)境指數(shù)的Moran’s散點(diǎn)較前者分布較為離散，這說明利用管理指數(shù)與經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)的正相關(guān)性大于自然質(zhì)量指數(shù)與生態(tài)環(huán)境指數(shù)。經(jīng)模型分析可知，耕地自然質(zhì)量、利用管理、經(jīng)濟(jì)價(jià)值及生態(tài)環(huán)境指數(shù)Moran’s值分別為0.79、0.92、0.89、0.77，四者均趨于1。說明高淳區(qū)耕地質(zhì)量均表現(xiàn)出較強(qiáng)正相關(guān)性，相關(guān)程度從大到小的排列順序?yàn)槔霉芾?、?jīng)濟(jì)價(jià)值、自然質(zhì)量及生態(tài)環(huán)境指數(shù)。

3.4 空間相關(guān)性結(jié)果

本研究基于耕地面積改進(jìn)反距離空間權(quán)重矩陣，在最優(yōu)距離閾值范圍內(nèi)，捕捉臨近單元特征對耕地自然質(zhì)量、利用管理、經(jīng)濟(jì)價(jià)值及生態(tài)環(huán)境指數(shù)的影響，得到耕地質(zhì)量局部空間聚集圖。結(jié)果表明：在95%的置信水平下，自然質(zhì)量、利用管理、經(jīng)濟(jì)價(jià)值及生態(tài)環(huán)境指數(shù)表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)型的空間相關(guān)性。各類型地塊數(shù)量及占比如表3所示。

3.4.1 耕地自然質(zhì)量指數(shù)局部空間自相關(guān)

結(jié)合表3與圖4a中高淳區(qū)耕地地塊自然質(zhì)量指數(shù)的空間自相關(guān)結(jié)果：正相關(guān)類型中高-高（HH型）、低-低（LL型）地塊數(shù)量分別占比51.55%、12.19%；負(fù)相關(guān)類型中高-低（HL型）、低-高（LH型）地塊數(shù)量分別占比10.32%、16.37%。其中，正相關(guān)類型在高淳西部分布集中連片，在東部分布零散。HH型主要集中分布在雁翅鄉(xiāng)與古柏鎮(zhèn)，且在定埠鎮(zhèn)南部、漆橋鎮(zhèn)北部以及東壩鎮(zhèn)東部有較小面積的零星分布；LL型主要在雁翅鄉(xiāng)、古柏鎮(zhèn)、東壩鎮(zhèn)與固城鎮(zhèn)交匯處零星分布；HL型在定埠鎮(zhèn)中部較為集中連片，在固城鎮(zhèn)零星分布；LH型在東壩鎮(zhèn)、漆橋鎮(zhèn)集中連片分布，在古柏鎮(zhèn)、雁翅鄉(xiāng)分布較為零散。

高淳區(qū)耕地自然質(zhì)量指數(shù)正相關(guān)型空間分布與耕地自然質(zhì)量指數(shù)較高的地塊的空間特征高度吻合。正相關(guān)類型主要分布在耕地自然優(yōu)勢突出的高淳西部，在東部零星分布；負(fù)相關(guān)類型主要分布在耕地自然質(zhì)量較差的東部。其中，正相關(guān)類型區(qū)域中，雁翅鄉(xiāng)以重壤為主，土質(zhì)較好，土壤肥沃，有效土層厚度較為理想，土壤保水育肥能力較優(yōu)，耕地連通性較強(qiáng)，分布較為集中連片，自然質(zhì)量較好；負(fù)相關(guān)類型主要以定埠鎮(zhèn)、東壩鎮(zhèn)為主，土壤質(zhì)地較差、肥力不足，局部區(qū)域地勢不平，不利于機(jī)械化作業(yè)，土壤厚度不足，有機(jī)質(zhì)含量較低，受公路受楔入切割的影響較深，主要分布在遠(yuǎn)離公路的地區(qū)。

3.4.2 耕地利用管理指數(shù)局部空間自相關(guān)

結(jié)合表3與圖4b中高淳區(qū)耕地地塊利用管理指數(shù)的空間自相關(guān)的模擬結(jié)果來看，正相關(guān)類型中高-高區(qū)（HH型）、低-低區(qū)（LL型）地塊數(shù)量分別占比36.97%、29.59%；負(fù)相關(guān)類型中高-低區(qū)（HL型）、低-高區(qū)（LH型）地塊數(shù)量分別占比11.31%、11.23%。正相關(guān)類型在高淳西部分布較為集中連片，在高淳東部零星分布；負(fù)相關(guān)類型在高淳東部及北部地區(qū)較為集中連片。HH型集中分布在雁翅鄉(xiāng)、淳溪鎮(zhèn)，在古柏鎮(zhèn)、定埠鎮(zhèn)以及東壩鎮(zhèn)公路兩側(cè)有較小面積的零星分布；LL型集中分布在雁翅鄉(xiāng)西部、淳溪鎮(zhèn)東部以及東壩鎮(zhèn)南部，在古柏鎮(zhèn)東部、定埠鎮(zhèn)北部、漆橋鎮(zhèn)北部分布零散；HL型整體分布較少，主要分布在定埠鎮(zhèn)北部、東壩鎮(zhèn)中部，且在雁翅鄉(xiāng)、固城鎮(zhèn)有較小面積的零星分布；LH型整體空間分布呈現(xiàn)出多塊狀集中分布的特征，主要以定埠鎮(zhèn)、固城鎮(zhèn)、漆橋鎮(zhèn)為主。

高淳區(qū)耕地利用管理指數(shù)正相關(guān)型空間分布與耕地利用管理指數(shù)較高的地塊的空間特征同樣較為相似。雁翅鄉(xiāng)西部有水陽江水系通過，東部有固城湖水系，水資源較為豐富，田間灌排溝渠密集，灌溉條件的優(yōu)勢突出，與村莊距離較近，耕作距離較短，便于農(nóng)業(yè)要素投入和產(chǎn)出，耕地集中連片，便于大規(guī)模機(jī)械農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理。位于東壩鎮(zhèn)的地塊面積較小，連片性不高，嚴(yán)重阻礙大規(guī)模機(jī)械耕作，耕作利用限制性因素較多，土地利用的基礎(chǔ)設(shè)施尚不完備，導(dǎo)致耕地利用管理指數(shù)偏低。固城鎮(zhèn)雖然水源較為豐富，灌溉條件較好，但因處于崗沖丘陵地帶，地形因素嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，排水溝渠鋪設(shè)不合理，耕地利用條件較差。位于定埠鎮(zhèn)南部片區(qū)及北部零散區(qū)域遠(yuǎn)離公路兩側(cè)的地塊，區(qū)位優(yōu)勢不夠明顯，嚴(yán)重阻礙農(nóng)業(yè)產(chǎn)出要素的輸出，利用和管理水平較差。

3.4.3 耕地經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)局部空間自相關(guān)

結(jié)合表3和圖4c中的高淳區(qū)耕地經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)空間自相關(guān)的模擬結(jié)果來看，正相關(guān)類型中高-高區(qū)（HH型）、低-低區(qū)（LL型）地塊數(shù)量分別占比52.56%、12.30%；負(fù)相關(guān)類型中高-低區(qū)（HL型）、低-高區(qū)（LH型）地塊數(shù)量分別占比9.98%、9.67%。在空間特征方面，經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)正相關(guān)類型主要集中分布在高淳東部地區(qū)，表現(xiàn)出“片區(qū)”和“帶狀”的空間集聚，在高淳西部分布較為零散，負(fù)相關(guān)型在高淳東部較為集中，在高淳西部零散分布。HH型主要集中分布在雁翅鄉(xiāng)，在古柏鎮(zhèn)臨近河流道路兩側(cè)區(qū)域、淳溪環(huán)鎮(zhèn)中心地帶及東壩鎮(zhèn)北部地區(qū)有較小面積的零散分布；LL型主要分布在古柏鎮(zhèn)中心帶狀區(qū)域并在雁翅鄉(xiāng)、漆橋鎮(zhèn)零散分布；HL型主要集中分布在東壩鎮(zhèn)、定埠鎮(zhèn)以及固城鎮(zhèn)片狀區(qū)，在漆橋鎮(zhèn)北部零星分布；LH型集中分布在漆橋鎮(zhèn)、定埠鎮(zhèn)塊狀區(qū)，在古柏鎮(zhèn)、固城鎮(zhèn)、東壩鎮(zhèn)以及雁翅鄉(xiāng)零星分布。

高淳區(qū)地塊經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)正相關(guān)型主要分布在高附加值農(nóng)業(yè)區(qū)、道路兩側(cè)以及固城湖周邊。HH區(qū)域中雁翅鄉(xiāng)土壤以中壤為主，土質(zhì)較好，土壤肥沃，且與高淳縣城較為臨近，交通方便，整體經(jīng)濟(jì)效益較優(yōu)。古柏鎮(zhèn)鄰河塊狀地區(qū)地勢較為平坦，溧高高速、蕪太公路等多條道路橫貫古柏鎮(zhèn)東西方向，便于農(nóng)產(chǎn)品要素向外輸送，有效提升了耕地經(jīng)濟(jì)效益；淳溪鎮(zhèn)環(huán)鎮(zhèn)中心地帶憑借其緊鄰高淳城市中心的區(qū)位優(yōu)勢，緊鄰固城湖水系，保證灌排作用的同時兼顧經(jīng)濟(jì)效益。位于東壩鎮(zhèn)、定埠鎮(zhèn)以及固城鎮(zhèn)片狀區(qū)塊狀區(qū)的地塊，區(qū)位優(yōu)勢不夠明顯，耕地單位化肥、農(nóng)藥、勞動力等投入要素不足，作物品種較為單一，耕地管理模式較為落后，“低投入、低產(chǎn)出”的生產(chǎn)模式嚴(yán)重妨礙了耕地經(jīng)濟(jì)效益的提升。

3.4.4 耕地生態(tài)環(huán)境指數(shù)局部空間自相關(guān)

結(jié)合表3與圖4d中高淳區(qū)耕地地塊生態(tài)環(huán)境指數(shù)的空間自相關(guān)的模擬結(jié)果來看，正相關(guān)類型高-高（HH型）、低-低（LL型）地塊數(shù)量分別占比26.04%、27.99%；負(fù)相關(guān)類型高-低（HL型）、低-高區(qū)（LH型）地塊數(shù)量分別占比20.56%、14.65%。在空間分布方面，正相關(guān)型集中分布在高淳西部，表現(xiàn)出片狀、帶狀的集聚特征，負(fù)相關(guān)型分布在高淳東部，分布形式較為零散。HH型主要集中雁翅鄉(xiāng)、古柏鎮(zhèn)西部及定埠鎮(zhèn)臨近道路地帶區(qū)；LL型主要分布在古柏鎮(zhèn)環(huán)高淳縣城塊區(qū)以及“東壩-固城片區(qū)”，在固城鎮(zhèn)、雁翅鄉(xiāng)有較小面積的零散分布；HL型主要分布在定埠鎮(zhèn)遠(yuǎn)離公路地帶、固城鎮(zhèn)東部片區(qū)，在東壩鎮(zhèn)北部零星分布；LH型主要集中分布在東壩、漆橋鎮(zhèn)，在定埠、古柏以及固城鎮(zhèn)零散分布。

高淳區(qū)耕地生態(tài)環(huán)境指數(shù)正相關(guān)類型集聚區(qū)與生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較高等級的地塊空間位置較為相似。HH型區(qū)域中雁翅鄉(xiāng)塊狀區(qū)土壤微生物多樣性豐富，能有效發(fā)揮生物固氮效應(yīng)，改善土壤微觀環(huán)境，距離重工業(yè)區(qū)較遠(yuǎn)，重金屬污染程度較小，部分地區(qū)甚至已形成生態(tài)格網(wǎng)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較為突出；定埠鎮(zhèn)遠(yuǎn)離公路地帶由于臨近高淳區(qū)東部工業(yè)區(qū)，受工業(yè)污染較為嚴(yán)重，部分地區(qū)甚至出現(xiàn)土壤鎘、鉻、鉛等重金屬超標(biāo)問題，嚴(yán)重威脅耕地生態(tài)質(zhì)量；固城鎮(zhèn)東部片區(qū)土壤微生物物種較為單一，不利于土壤高分子物質(zhì)的降解，在土壤結(jié)構(gòu)、肥力保持等方面處于較低水平，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量較差。

表3 高淳區(qū)耕地質(zhì)量指數(shù)局部空間自相關(guān)類型及占比匯總

圖4 高淳區(qū)耕地質(zhì)量局部空間聚集分布

3.5 耕地空間布局劃定及優(yōu)化策略

3.5.1 耕地空間布局劃定

理論地理學(xué)指出，各區(qū)域單元之間互相影響，可能會存在擴(kuò)散或者回流效應(yīng)，從而降低或擴(kuò)大臨近單元間的質(zhì)量差異[34]。為此，本研究將耕地質(zhì)量空間自相關(guān)類型中的正相關(guān)類型視為空間擴(kuò)散效應(yīng)，而負(fù)相關(guān)類型視為空間回流效應(yīng)[35]。其中，HH型代表質(zhì)量較高的地塊的空間集聚區(qū)，在該區(qū)域耕地質(zhì)量趨于同質(zhì)，應(yīng)作為禁止非農(nóng)建設(shè)的核心保護(hù)區(qū)。LL型與之相反，代表耕地質(zhì)量較差地塊空間集聚區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)耕地質(zhì)量趨于同質(zhì)，應(yīng)基于耕地質(zhì)量稟賦，分批次的開展生態(tài)還林還草建設(shè)，是非農(nóng)建設(shè)的理想?yún)^(qū)域。HL型代表的是“凸地”，表現(xiàn)出高質(zhì)量耕地被低質(zhì)量耕地包圍的空間特征，在回流效應(yīng)的影響下該區(qū)域的高質(zhì)量地塊極易被低質(zhì)量地塊同化，退化為LL型。LH型代表的是“凹地”，表現(xiàn)出低質(zhì)量耕地被高質(zhì)量耕地包圍的空間特征，在擴(kuò)散效應(yīng)的作用下低質(zhì)量地塊極易被臨近高質(zhì)量地塊同化，躍遷為HH型。具體分區(qū)結(jié)果和優(yōu)化策略如圖5及表4所示。

圖5 高淳區(qū)耕地質(zhì)量局部空間關(guān)聯(lián)聚集圖

表4 基于改進(jìn)局部空間自相關(guān)的高淳區(qū)耕地保護(hù)布局優(yōu)化

鑒于此，本研究從區(qū)域發(fā)展理論與實(shí)踐出發(fā)，根據(jù)高淳“三線”成果，分析位于永久基本農(nóng)田保護(hù)邊界、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界以及生態(tài)紅線內(nèi)地塊的空間相關(guān)性，將各耕地指數(shù)空間關(guān)聯(lián)結(jié)果疊加后產(chǎn)生的14種類型分為永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)、城市發(fā)展緩沖區(qū)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)及綜合調(diào)節(jié)區(qū)4個一級類與14個二級類，針對不同類型的空間效應(yīng)提出耕地布局優(yōu)化策略。研究表明：結(jié)合“三線”劃定成果與耕地質(zhì)量空間相關(guān)性優(yōu)化耕地空間布局，不僅保障國土空間規(guī)劃的實(shí)施，還提出耕地布局優(yōu)化的策略，永久基本農(nóng)田新增968.15 hm2，等級提升0.94。

3.5.2 耕地空間布局優(yōu)化策略

本研究將“三線”劃定成果納入空間自相關(guān)優(yōu)化耕地空間布局的研究框架，剖析位于永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界以及生態(tài)紅線內(nèi)的地塊自然質(zhì)量、利用管理、經(jīng)濟(jì)價(jià)值及生態(tài)環(huán)境指數(shù)的空間相關(guān)性劃分耕地保護(hù)分區(qū)，評估各分區(qū)耕地布局優(yōu)化難度，提出布局優(yōu)化策略，各分區(qū)耕地保護(hù)分區(qū)優(yōu)化策略如下所示：

1）永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)主要分布在雁翅鄉(xiāng)、古柏鎮(zhèn)、固城鎮(zhèn)及定埠鎮(zhèn)，總面積為32 238.30 hm2，占比為82.51%。永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)內(nèi)的地塊不但隸屬于國土空間規(guī)劃中的永久基本農(nóng)田范疇，且各耕地質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間擴(kuò)散效應(yīng)，綜合質(zhì)量較優(yōu)，無任何障礙因素。其中，基本農(nóng)田核心區(qū)是自然質(zhì)量優(yōu)越、基礎(chǔ)設(shè)施較完備、經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高、生態(tài)環(huán)境較優(yōu)的聚集地，也是永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)中最應(yīng)優(yōu)先保護(hù)的核心。位于基本農(nóng)田改良區(qū)、基本農(nóng)田整治區(qū)內(nèi)的地塊在利用管理和生態(tài)環(huán)境的空間聚集優(yōu)勢減弱，應(yīng)分別采取田間管理設(shè)施建設(shè)和生態(tài)整治工程為治理要點(diǎn)的耕地質(zhì)量提升策略。位于基本農(nóng)田退出區(qū)內(nèi)的地塊在耕地質(zhì)量、利用管理水平、經(jīng)濟(jì)效益以及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的優(yōu)勢減弱的同時，在空間上表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間回流效應(yīng)，限制周圍地塊的耕地質(zhì)量，應(yīng)通過產(chǎn)權(quán)轉(zhuǎn)移有序退出基本農(nóng)田。綜上，該區(qū)域內(nèi)的地塊隸屬于永久基本農(nóng)田范疇，質(zhì)量優(yōu)勢突出，是承擔(dān)糧食安全的核心，應(yīng)禁止非農(nóng)建設(shè)；對于空間回流效應(yīng)明顯、質(zhì)量較差的地塊，應(yīng)基于基本農(nóng)田管理平臺有序退出、轉(zhuǎn)移，防止基本農(nóng)田被損毀。

2）城鎮(zhèn)發(fā)展緩沖區(qū)主要分布在淳溪鎮(zhèn)的環(huán)高淳鎮(zhèn)中心以及固城鎮(zhèn)的“環(huán)固城湖”塊區(qū)，在漆橋鎮(zhèn)、定埠鎮(zhèn)、雁翅鄉(xiāng)有較小面積的零散分布，總面積為1 024.23 hm2，占比為2.62%。城鎮(zhèn)發(fā)展緩沖區(qū)隸屬高淳國土空間規(guī)劃中的城鎮(zhèn)開發(fā)邊界，緊鄰城鎮(zhèn)中心，區(qū)位優(yōu)勢突出，耕地質(zhì)量表現(xiàn)出明顯劣勢。其中，位于城鎮(zhèn)發(fā)展調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)的耕地，耕地質(zhì)量較優(yōu)，且各耕地質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的正向空間擴(kuò)散效應(yīng)，應(yīng)有選擇的納入基本農(nóng)田。位于城鎮(zhèn)發(fā)展側(cè)重區(qū)的地塊，耕地在生態(tài)環(huán)境質(zhì)量表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間擴(kuò)散效應(yīng)，應(yīng)通過退耕還林、還草工程使其成為生態(tài)格點(diǎn)提升周圍地塊生態(tài)質(zhì)量。位于城鎮(zhèn)發(fā)展理想?yún)^(qū)內(nèi)的地塊，臨近城鎮(zhèn)周圍，各耕地質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間回流效應(yīng)，耕地質(zhì)量劣勢突出的同時還會引致周圍地塊耕地質(zhì)量下降，應(yīng)作為城鎮(zhèn)發(fā)展最優(yōu)先占用的地塊。綜上，城鎮(zhèn)發(fā)展緩沖區(qū)耕地質(zhì)量優(yōu)勢下降，各耕地質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間回流效應(yīng)，是城鎮(zhèn)發(fā)展農(nóng)轉(zhuǎn)用的理想空間，也為城鎮(zhèn)發(fā)展指明方向。

3）生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)主要分布在“東壩-定埠-固城”沿胥河帶區(qū)、漆橋鎮(zhèn)與東壩鎮(zhèn)交匯處以及定埠東壩交匯處，總面積為1 835.36 hm2，占比為4.70%。生態(tài)保護(hù)緩沖區(qū)隸屬高淳國土空間規(guī)劃的生態(tài)紅線，生態(tài)環(huán)境優(yōu)勢較為突出，主要分布在河流、湖泊以及公路沿線。其中，生態(tài)適度保護(hù)區(qū)內(nèi)的地塊，耕地質(zhì)量優(yōu)勢較為突出，各耕地質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間擴(kuò)散效應(yīng)，建議有選擇地納入基本農(nóng)田；位于生態(tài)側(cè)重保護(hù)區(qū)內(nèi)的地塊，耕地自然質(zhì)量、利用管理水平以及經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)的優(yōu)勢較為突出，但生態(tài)環(huán)境指數(shù)卻表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)向空間回流效應(yīng)，建議大力通過田間生態(tài)防護(hù)、重金屬降解技術(shù)等一系列生態(tài)整治工程改良其生態(tài)環(huán)境質(zhì)量；位于生態(tài)重點(diǎn)建設(shè)區(qū)內(nèi)的地塊，耕地質(zhì)量劣勢較為突出，且各質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間回流效應(yīng)，生產(chǎn)能力有限，建議通過生態(tài)還林、還草工程以形成生態(tài)紅線防護(hù)格網(wǎng)。綜上，位于生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)內(nèi)的地塊，耕地質(zhì)量較差，各耕地質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的回流效應(yīng)，應(yīng)有選擇、有序地退耕還林、還草，以發(fā)揮其生態(tài)防護(hù)價(jià)值。

4）綜合調(diào)節(jié)區(qū)位于高淳國土空間規(guī)劃“三線”劃定外，主要分布在雁翅鄉(xiāng)東部沿固城湖塊區(qū)、定埠鎮(zhèn)北部片區(qū)以及“淳溪-漆橋-東壩”塊區(qū)，總面積為3 973.91 hm2，占比為10.17%。其中，重點(diǎn)綜合調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)的地塊耕地質(zhì)量較優(yōu)，各耕地質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間擴(kuò)散效應(yīng)，應(yīng)有選擇的納入基本農(nóng)田。位于重點(diǎn)綜合保護(hù)區(qū)、側(cè)重綜合整治區(qū)以及適度綜合調(diào)節(jié)區(qū)內(nèi)的地塊，耕地質(zhì)量優(yōu)勢較弱，耕地質(zhì)量的障礙因素較多也最復(fù)雜，需判明各項(xiàng)障礙因素的作用機(jī)理，實(shí)現(xiàn)各耕地質(zhì)量指數(shù)向HH型的躍遷，具體措施包括：根據(jù)地塊限制因素的作用機(jī)理、限制因素的多少及整治成本，確定各地塊的整治次序；針對耕地質(zhì)量條件較差的耕地，采取移土培肥、土壤改良等措施；針對基礎(chǔ)設(shè)施不完善的耕地，應(yīng)加快田間道路、溝渠等設(shè)施建設(shè)；對于投入產(chǎn)出水平較差的耕地，應(yīng)通過耕地流轉(zhuǎn)、置換等措施，優(yōu)化土地管理模式，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)附加值；對于生態(tài)條件較差的耕地，應(yīng)積極探索土壤污染修復(fù)新技術(shù)，完善土壤污染微觀環(huán)境。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

本研究基于高淳區(qū)“一城兩湖兩翼”的國土空間規(guī)劃“三線”劃定成果，通過構(gòu)建改進(jìn)局部空間自相關(guān)模型，以耕地自然質(zhì)量、利用管理、經(jīng)濟(jì)價(jià)值及生態(tài)環(huán)境指數(shù)為空間變量，分析高淳永久基本農(nóng)田保護(hù)紅線、城鎮(zhèn)開發(fā)邊界、生態(tài)紅線內(nèi)耕地質(zhì)量指標(biāo)的空間集聚特征，提出相應(yīng)的耕地空間布局優(yōu)化策略。主要結(jié)論如下：

1）高淳西部地塊的耕地綜合質(zhì)量優(yōu)于東部地區(qū)。其中，高質(zhì)量耕地在西部分布集中連片，在東部分布較為零散，低質(zhì)量耕地在西部分布較為集中。自然質(zhì)量、利用管理、經(jīng)濟(jì)價(jià)值以及生態(tài)環(huán)境指數(shù)均表現(xiàn)出“西高東低”的空間特征。

2）高淳耕地質(zhì)量空間相關(guān)性以正相關(guān)型為主，正、負(fù)相關(guān)型與高、低質(zhì)量耕地的空間分布高度吻合。各耕地質(zhì)量指數(shù)均表現(xiàn)出明顯的空間聚集特征，自然質(zhì)量、利用管理、經(jīng)濟(jì)價(jià)值及生態(tài)環(huán)境指數(shù)的Moran’s值分別為0.79、0.92、0.89、0.77，空間集聚性從大到小的排列順序?yàn)槔霉芾?、?jīng)濟(jì)價(jià)值、自然質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境指數(shù)。

3）結(jié)合國土空間規(guī)劃與耕地質(zhì)量空間相關(guān)性優(yōu)化耕地空間布局，永久基本農(nóng)田新增968.15 hm2，等級提升0.94，劃定永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)、城鎮(zhèn)發(fā)展緩沖區(qū)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)及綜合調(diào)節(jié)區(qū)4個一級類與14個二級類。其中，永久基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)綜合質(zhì)量較優(yōu)，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間擴(kuò)散效應(yīng)，應(yīng)作為耕地保護(hù)核心，禁止非農(nóng)建設(shè)；城鎮(zhèn)發(fā)展緩沖區(qū)質(zhì)量較差但區(qū)位優(yōu)勢突出，各耕地質(zhì)量指數(shù)表現(xiàn)出較強(qiáng)的空間回流效應(yīng)，是城鎮(zhèn)發(fā)展農(nóng)轉(zhuǎn)用的理想空間；生態(tài)環(huán)境保護(hù)區(qū)耕地質(zhì)量劣勢明顯但生態(tài)條件優(yōu)越，應(yīng)開展生態(tài)防護(hù)工程，形成生態(tài)防護(hù)格網(wǎng)；綜合調(diào)節(jié)區(qū)耕地質(zhì)量限制因素復(fù)雜，應(yīng)判明障礙因素作用機(jī)理，開展田間整治工程，促進(jìn)其向永久基本農(nóng)田躍遷。

4.2 討 論

本研究基于高淳區(qū)國土空間規(guī)劃“三線”劃定成果，深入探討耕地在自然質(zhì)量條件、利用管理水平、經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)及生態(tài)環(huán)境質(zhì)量4個維度的空間集聚分布，據(jù)此提出優(yōu)化耕地空間布局的策略，對于耕地質(zhì)量提升、保障糧食安全具有重要的參考意義。在耕地質(zhì)量內(nèi)涵方面，除耕地自然質(zhì)量、基礎(chǔ)設(shè)施條件及經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)外，將生態(tài)質(zhì)量作為耕地質(zhì)量的“第四維”納入耕地質(zhì)量內(nèi)涵，突破了單純以耕地自然質(zhì)量、利用管理及經(jīng)濟(jì)價(jià)值指數(shù)3個維度的空間相關(guān)性優(yōu)化耕地空間布局的局限；在研究方法上，基于耕地面積與距離修正空間權(quán)重，采用改進(jìn)局部空間相關(guān)性模型更加科學(xué)準(zhǔn)確的描述耕地質(zhì)量空間聚集分布；在研究思路上，基于高淳區(qū)1 073個監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)對耕地生態(tài)環(huán)境指數(shù)展開空間相關(guān)性分析，彌補(bǔ)了以往研究對耕地生態(tài)質(zhì)量空間相關(guān)性的不足，對于耕地精細(xì)化管理、全局耕地質(zhì)量提升具有重要參考意義；在研究內(nèi)容上，結(jié)合國土空間規(guī)劃“三線”劃定成果與耕地質(zhì)量空間自相關(guān)優(yōu)化耕地空間布局，確保國土空間規(guī)劃成果有效實(shí)施。值得說明的是，本研究主要探討各耕地質(zhì)量空間自相關(guān)性對耕地保護(hù)布局優(yōu)化的影響，至于如何實(shí)現(xiàn)“數(shù)量與質(zhì)量”結(jié)合的耕地保護(hù)分區(qū)，如何深入貫徹“布局-規(guī)模-實(shí)踐”的耕地保護(hù)研究框架是今后重點(diǎn)研究方向。政府應(yīng)盡快建立數(shù)量、質(zhì)量與生態(tài)“三位一體”的耕地保護(hù)機(jī)制，在保障耕地?cái)?shù)量的同時，將耕地生態(tài)安全納入耕地質(zhì)量框架；完善全民耕地保護(hù)意識，建立耕地保護(hù)社會扶持機(jī)制；加強(qiáng)村集體經(jīng)濟(jì)組織建設(shè)，培育耕地質(zhì)量和生態(tài)保護(hù)的監(jiān)管主體；確立山水林田湖全要素保護(hù)理念，實(shí)現(xiàn)耕地保護(hù)與生態(tài)保護(hù)目標(biāo)；建立耕地有償使用及交易制度，緩解建設(shè)占用耕地壓力。

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Optimization of the spatial layout of arable land protection using “Three Lines” delineation of territorial spatial planning and spatial autocorrelation attributes of arable land quality

Han Shu1, Guo Guancheng1,2※, Shi Yangyang1, Cui Jiufu1

(1.,y,210095,; 2.,,210095,)

The “Three line” of land spatial planning and the spatial characteristics of cultivated land quality can greatly contribute to the spatial layout optimization of cultivated land protection and food security. In this study, an improved local spatial autocorrelation model was proposed to optimize the spatial layout of arable land protection using “Three line” delineation of territorial spatial planning and spatial autocorrelation attributes of arable land quality. The ecological environment served as the “fourth dimension” of the spatial correlation analysis of cultivated land quality. A plan was also presented to improve the spatial layout of cultivated land protection. The spatial autocorrelation correlation was then simulated for the natural quality, utilization management, economic value, and ecological environment index of cultivated land in the “Three line” from the plot scale. There was a positive influence on the geographical evolution of agricultural ecological landscape patterns, food safety, and farmland pollution control. The specific procedures were as follows. Firstly, some indexes were estimated to obtain the three-line delineation of land spatial planning, including the natural quality, utilization management, economic value, and ecological environment index. The plot data was collected from 1 073 soil monitoring stations in the Gaochun District, Nanjing City, Jiangsu Province of China. Secondly, the spatial correlation of each indicator was analyzed using the spatial error model of the enhanced spatial weights. Finally, a new strategy was proposed to optimize the spatial layout of cultivated land, according to the geographical association findings of permanent basic farmland, urban development boundary, and the quality of inland blocks of ecological protection red line. The results indicated: 1) Much more high-quality cultivated land was concentrated in the west and dispersed in the east, in terms of the geographical distribution of cultivated land quality. Low-quality agricultural land was more prevalent in the eastern part than in the western. The ecological environment, economic value, utilization management, and natural quality index all demonstrated the "west high, east low" features of geographical distribution. 2) Each cultivated land quality index presented a positive geographic correlation, according to the spatial autocorrelation analysis of the cultivated land quality index. Both positive and negative correlation types were quite compatible with the spatial distribution of high and low-quality cultivated land. The natural quality, utilization management, economic value, and ecological environment index all presented the Moran's I values of 0.79, 0.92, 0.89, and 0.77, respectively, all of which were the spatial aggregation features. The indexes were ranked in descending order of the Utilization Management, Economic Value, Natural Quality, and Ecological Environment Index. 3) The cultivated land was divided into 14 second-level categories and four first-level categories using the spatial correlation of the cultivated land quality, including the permanent basic farmland protection, urban development buffer, ecological environment protection, and comprehensive adjustment zone. Both the permanent basic cropland and the grade rose by 0.94. The best quality was found in the permanent basic farmland protection zone. There was a significantly positive spatial dispersion impact of each quality measure for the cultivated land protection to forbid non-agricultural building. The urban development buffer zone was the best place for urban growth, due to the low quality of the farmed land and the significant geographical benefit. The ecological environmental protection zone was utilized to carry out ecological protection in the field. An ecological red line protection grid was constructed for the outstanding ecological circumstances, especially with a relatively visible deficit in the overall quality.

layout; optimization; ecology; farmland quality; territorial space planning; improving spatial autocorrelation；Gaochun District

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.026

F301.12

A

1002-6819(2022)-19-0237-12

韓述，郭貫成，史洋洋，等. 基于國土空間“三線”劃定與耕地質(zhì)量自相關(guān)的耕地空間布局優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(19)：237-248.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.026 http://www.tcsae.org

Han Shu, Guo Guancheng, Shi Yangyang, et al. Optimization of the spatial layout of arable land protection using “Three Lines” delineation of territorial spatial planning and spatial autocorrelation attributes of arable land quality[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(19): 237-248. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.026 http://www.tcsae.org

2022-06-19

2022-09-02

國家社科基金重點(diǎn)項(xiàng)目（20AGL024）

韓述，博士生，主要研究方向?yàn)橥恋亟?jīng)濟(jì)與政策。Email：hanshu@njau.edu.cn

郭貫成，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)橥恋亟?jīng)濟(jì)與政策、不動產(chǎn)評估與管理。Email：ggc@njau.edu.cn