基于耕地質量指數空間自相關的耕地保護分區——以福清市為例

李國煜,張廷玉,鐘 通

(1.福建師范大學 地理科學學院，福建 福州350007；2.江西財經大學 工商管理學院，江西 南昌 330013)

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基于耕地質量指數空間自相關的耕地保護分區
——以福清市為例

李國煜1,張廷玉1,鐘 通2

(1.福建師范大學 地理科學學院，福建 福州350007；2.江西財經大學 工商管理學院，江西 南昌 330013)

以耕地質量指數為空間測度指標，采用局部空間自相關分析的方法，探討了福清市耕地質量的空間分布特征和聚集性規律，基于此劃分了耕地保護分區，并提出了保護方案。研究結果表明：福清市耕地質量在空間上呈現出一定的關聯性與聚集性規律，正相關類型(高-高型)以“走廊”形式出現，聚集性較強；負相關類型(高-低和低-高型)散落分布，聚集性相對較弱。基于局部空間自相關分析的耕地保護分區，綜合考慮了耕地自然條件、利用水平和經濟效益，并將耕地質量的空間屬性納入到耕地保護分區研究中，進一步細化了耕地保護空間和保護細則，為耕地差異化保護提供新的方向。

耕地質量指數；局域空間自相關；保護分區；空間集聚；福清市

1　引言

我國是人口大國，耕地后備資源不足，人均耕地面積不足世界水平的一半。盡管中國實行最嚴格的耕地保護政策與措施,并取得了卓越的成效,然而卻面臨著快速城市化與工業化發展、農業結構調整與生態環境保護等因素的挑戰[1]。在堅持“18 億畝耕地紅線”的基本國策下，積極施行耕地保護是我國未來一段時間內須予以著重關注的任務之一。目前有關耕地保護的研究，主要集中在耕地等級調查評定[2，3]、質量綜合評價[4～9]、耕地數量與質量動態變化[10～12]、耕地保護制度[13，14]以及空間分布規律[15～19]等方面，并取得了一定的成果，為耕地保護的各項工作開展以及國土資源開發與管理提供了科學依據。

耕地質量的差異不僅僅體現在數量等級上，在空間分布上同樣存在差異，表現出一定的空間聚集性或離散性趨勢。即耕地質量在空間上會隨距離的增加或減少而呈現相異或相似的變化，進而形成一定的聚集性分布特征[20]。耕地質量分布的空間異質性格局是耕地保護工作需要考慮的一個重要因素，筆者以耕地質量指數為空間變量，采用局部空間自相關分析的方法，探討福清市耕地質量的空間分布特征和聚集性規律，并基于此劃分耕地保護分區及提出保護方案。

2　研究區域與數據來源

2.1研究區域

福清市位于東經119°03′41″～119°40′41″，北緯25°18′25″～25°51′45″。地處福州市東南部，東瀕福清灣和海壇海峽與平潭縣遙對，南臨興化灣，與莆田市平海半島、南日島相望，西南與莆田市涵江區毗連，西北與永泰縣相鄰，北與閩侯縣為鄰，東北與長樂市相接。境內多低山丘陵，東南部以臺地、低丘為主，龍高半島地勢楔入福清灣、興化灣中，地勢徐緩，以低丘和沿海平原為主。多年平均氣溫20.1 ℃，年平均降水量1535.5 mm。根據福清市2013年土地利用年度變更成果，全市土地總面積為189892.58 hm2，其中耕地總面積為35682.48 hm2，占18.79%。

2.2數據來源

以福清市為研究對象，并以行政村作為研究的基本單元，數據年份均為2013年，包括：①圖件資料，有土地利用現狀變更圖、地形圖及其他矢量圖件等；②數據庫資料，主要有耕地質量等別年度更新數據庫、土地利用變更調查數據庫等。

2.3數據預處理

由于研究區域范圍較廣，耕地圖斑面積過小會影響局部空間自相關分析結果，則以行政村為空間單元進行局部空間自相關分析。行政村耕地質量指數采為：

(1)

(1)式中：Gj表示第j個行政村的平均耕地自然等指數；Gij為第j個行政村中第i塊耕地圖斑的自然等指數；Sij為第j個行政村中第i塊耕地圖斑的面積m2；利用等指數及經濟等指數可按同樣的方式求取。參照《福建省耕地質量等別評定與年度更新評價技術培訓教材》，在ArcGIS軟件平臺中，以200和400為間距(等指數區間含下不含上)，將村級耕地質量指數劃分為相應的等別。

3　研究方法

3.1空間相鄰和權重矩陣

空間權重是空間自相關分析的前提：進行空間自相關分析首先要根據研究單元的距離或相鄰關系來確定計算空間權重矩陣。空間鄰接關系可分為Rook、Queen和Bishop等 3 類鄰接標準，研究中選用Rook原則。

3.2全局空間自相關

全局空間自相關采用全局Moran’sI指數，衡量整個研究區域空間要素之間的分布特征，反映具有空間鄰接或臨近關系的區域單元的相似程度，其公式為：

(2)

采用Z檢驗對全局Moran’sI指數的結果進行檢驗，在給定顯著性水平α下，若Moran’sI顯著為正，則表示耕地質量水平相似 (較高或較低)的區域在空間上顯著集聚。反之若Moran’sI顯著為負，則表明區域與其周邊地區的耕地質量水平具有顯著的空間差異。僅當Moran’sI接近期望值-1/(n-1)時，觀測值之間才相互獨立，在空間上隨機分布。

3.3局域空間自相關

為了更好反映局部區域空間聚集特征，需要進一步引入局部空間自相關統計量，即局域Moran’sI指數，其公式為：

(3)

4　基于空間自相關的耕地保護分區劃分

4.1耕地質量指數空間分布格局

在ArcGIS 軟件中，將村級耕地質量指數及其對應等別輸出成圖，得到圖1所示3種類型耕地質量空間分布圖。

圖1　福清市村級耕地質量指數分布

從空間分布上看，福清市耕地其自然等指數高分值耕地主要集中在漁溪鎮、上逕鎮、新厝鎮、龍田鎮、宏路鎮、音西街道、陽下街道等地，以水田為主，自然條件優越，耕地產量較高，多分布在海拔15 m以下的平原及200 m以下的山谷盆地區域。自然等指數低分值耕地主要為旱地，大部分分布在東南沿海的濱海圍墾區與部分低丘臺地區，主要集中于三山鎮、高山鎮、港頭鎮、沙埔鎮、東瀚鎮、龍田鎮、江陰鎮等地。

利用等指數分布特征與自然等指數空間分布特征較為類似，耕地利用等指數的高低與地理條件及社會經濟發展的關系比較大，利用等指數分值較低的主要分布在灘涂面積較大的沿海地區，如東瀚鎮、江陰鎮、沙埔鎮、海口鎮和柯嶼墾區等地。而利用等指數高分值耕地同樣分布在西北部地勢平坦的一都鎮、漁溪鎮、上逕鎮、東閣華僑農場、江鏡華僑農場等沿海平原區和低丘臺地區，該區域耕地生產投入、田間基礎設施狀況以及田間管理技術等方面的社會利用水平較高。

耕地經濟等指數方面，福清市各行政村單元等指數差異較大，仍呈現出“西北高，東南低”的空間格局，與自然等和利用等不同之處是，經濟等中等質量的耕地面積相對較多，中部和北部地區中等質量耕地占據主體位置，其投入產出水平較高，經濟效益好。

4.2Moran散點圖與Moran’s Ii值分析

采用GeoDa 軟件進行局部空間自相關分析，得到研究區村級耕地質量指數局部空間自相關散點圖(圖2)。Moran’s I 值反映了以行政村為單元的局部空間自相關性特征值。Moran’s I 取值在[-1,1]之間，越接近1，正相關越強烈；越接近-1，負相關越強烈；接近0，則表明不存在空間聚集性。采用Monte Carlo模擬的方法檢驗Moran’s I 系數的顯著水平，得到P 值為0.05，說明基于耕地質量指數的空間自相關顯著性為99.5%。

圖2　福清市村級耕地質量指數Moran 散點

從 Moran’s I 值大小來看，全市耕地質量在空間上均表現出正相關性。耕地自然質量、利用質量和經濟質量表現出一定的空間正相關性，反映出福清市耕地質量無論是自然條件還是利用水平和經濟效益，在空間上的關聯性均較為相似。

4.3耕地質量指數空間自相關結果分析

由圖2可知，在5%的顯著水平下，福清市耕地自然等指數、利用等指數、經濟等指數的Global Moran’s I估計值均顯著為正，其中利用等指數與經濟等指數的Global Moran’s I估計值較為接近，結合表1中耕地質量局域空間自相關類型個數，可以得出福清市耕地在利用水平和經濟效益方面在空間上的關聯性較為相似。

表1　福清市耕地質量指數局部空間自相關類型與行政村個數統計匯總

4.3.1耕地自然等指數

由表1可知，在95%的置信度下，福清市大部分行政村在空間上表現為非顯著型。自然等指數局域空間自相關結果表明，共有92個行政村空間自相關類型為HH型，占行政村總數的16.73%，空間上主要分布在一都鎮東部、漁溪鎮、新厝鎮東南角、宏路街道、上逕鎮、音西街道、石竹街道、玉屏街道、陽下街道以及江鏡鎮內有零星分布；負相關類型中HL型與LH型的行政村分別有14個和15個，主要散落分布在濱海圍墾區，如海口鎮國有灘涂、三山鎮國有灘涂、龍田鎮中部、江陰鎮南部以及東瀚鎮東側的大部分行政村；LL型的行政村僅有5個，零星分布于鎮政府、部隊用地和村級爭議地，無明顯空間集聚特征。

實際情況中，福清境內最大的河流龍江自西向東流經東張鎮、宏路街道、音西街道、海口鎮，龍江主要支流太城溪、虎溪、大北溪分支較多，流經陽下街道、鏡洋鎮等鄉鎮，流域周邊土壤肥沃，水資源充足，HH型集中分布于此。海口鎮及三山鎮的沿海大面積灘涂周圍以灘涂、淤積改良而成的田地或旱地為主，土壤肥力不強，HL型與LH型即分布在此。因此基于耕地自然等指數的局部空間自相關分析所得結果與福清市實際耕地自然質量條件相符合。

4.3.2耕地利用等指數

耕地利用等指數的局部空間自相關統計結果表現為HH型的行政村個數為105個，占行政村總數的19.09%，在空間上集中分布于從新厝鎮到一都鎮、鏡洋鎮、陽下街道的“西南—東北向走廊”，正相關類型為LL型的行政村為7個，零星散布于若干村級爭議地、東閣鹽場和清華糖廠，無明顯空間聚集分布規律。負相關類型中HL型與LH型的行政村分別有20個和10個，主要分布在福清市東南濱海圍墾區，海口鎮與三山鎮東部國有灘涂，沙埔鎮西側國有灘涂，東瀚鎮等地。

實際情況中，在一都鎮、太城農場、音西街道、陽下街道、上逕鎮和漁溪鎮等鄉鎮的村莊周邊多分布有設施農用地或高標準基本農田，在空間上與農村居民點距離較短，利于開展現代化的耕作經營管理方式，且在空間上距離東張水庫、建新水庫等水源地較近，排灌條件良好，基于利用等指數的空間關聯類型為HH型即集中分布于該區域。表現為HL型和LH型的行政村空間分布情況與自然等指數類似，地處龍高半島的東瀚鎮、沙埔鎮、三山鎮地表與地下水資源均較少，是福清市最為嚴重的缺水區，灌溉條件較差，且以旱地為主的耕地呈離散型分布，田間管理難度大，而小范圍集中分布的高分值水田被旱地所包圍，形成了典型的表現為負相關類型的空間關聯格局。

4.3.3耕地經濟等指數

結合表1和圖3c，經濟等指數自相關類型中，正相關類型HH有104個行政村，占全區行政村總個數的18.91%，同樣具有沿河、沿水庫分布的特征，空間上更加集中分布于音西街道、龍江街道與宏路街道等地；負相關類型HL有17個行政村，LH型為13個，分別占全區村總個數的3.09%和2.36%，空間分布特征與利用等指數基本一致；LL型的行政村僅有8個，散落分布且面積較小，無明顯空間特征。

實際情況中，鏡洋鎮、音西街道、石竹街道、玉屏街道、陽下街道等鄉鎮環繞龍江流域，有高速公路與多條國道、省道穿插其中，道路通達度高，交通運輸便利，且該區域大部分行政村在地理位置上靠近福清市區，經濟發展能增加對農業的“反哺”，從而提高耕地的投入產出水平和經濟效益，HH型空間分布情況與福清市實際經濟條件相符；相反，三山鎮、東瀚鎮等沿海島嶼交通可達性較低，耕地投入產出比極低，不利于發展耕種農業，與基于經濟等指數的局部空間關聯分析結果相吻合。

4.4基于耕地質量指數空間自相關的耕地保護分區

根據區域發展的相關理論，區域之間存在著極化與擴散效應，隨著區域經濟差異擴大，區域極化不斷增強，反之區域擴散則不斷加強[21]。即極化效應的作用結果會使生產進一步向條件好的高梯度地區集中；擴散效應會促使生產向其周圍的低梯度地區擴散。一般而言，正相關類型(HH 與LL 型)可視為空間擴散效應的一種客觀反映；而負相關類型(HL與LH型)則是空間極化效應的體現。在這2種不同效應的作用下，結合空間關聯聚集圖，針對不同的空間自相關類型提出差異化的耕地保護措施。

圖3福清市耕地質量局部空間關聯聚集

4.4.1耕地保護空間格局分析

由圖3可知，從福清市東北部地區的一都鎮、鏡洋鎮、玉屏街道、陽下街道、音西街道、石竹街道、到宏路街道、漁溪鎮東部再到西南部地區的新厝鎮、江鏡鎮部分行政村形成的是高值集簇區(HH型)，HH型是高分值耕地集聚區，局部范圍內呈明顯均質狀態；海口鎮南部國有灘涂、三山鎮國有灘涂、龍田鎮中部、江陰鎮南部以及東瀚鎮東側的大部分行政村等形成的為高低孤立區(HL型)和低高空心區(LH型)，HL型即低分值耕地環繞在高分值耕地周圍，根據空間極化理論，在周圍低分值耕地的影響下,高分值耕地區域極易演變成低值蕭索區(LL型)；相反LH型內中部地區多以低分值耕地集聚，周圍高分值耕地環繞，根據空間極化理論，低分值耕地易被周圍高分值耕地同化，應重點改良低分值耕地，使之向HH型轉變。而LL型區域內耕地整體低分值且分布均勻，但福清市LL型耕地極少且空間分布無明顯特征。如表2。

4.4.2耕地保護分區及措施

針對耕地自然質量，從耕地的自然條件與可改良角度出發，將耕地保護劃分為限制建設區、適度改良區以及綜合整治區3類。將HH型劃入限制建設區，即西南—東北走向的“農業走廊”覆蓋區域內禁止非農建設，限制非農用地的擴張，以自然等指數高值單元為中心，加強耕地和基本農田的建設和保護，強化其擴散效應，同時推進土地整理，適度開發宜耕后備土地資源，重點整治龍江流域、東張水庫、虎溪水庫、建新水庫、莊上水庫、東皋水庫、占貝水庫和梨壁水庫等重要水源地，全面推進水環境綜合整治措施的實施。HL型內局部區域內自然等指數高分值耕地集中在中心，周圍多以低分值耕地包圍，在空間極化效應的影響下，高分值耕地極易被低分值耕地同化，從而演化成LL型，應劃入適度改良區，在積極保護的同時可考慮適度改良或改變土地利用方式，灘涂周邊的低分值耕地具有一定非農建設的開發利用潛力，可為全市未來臨港工業的發展和沿海灘涂的圍墾提供巨大用地空間。與之相反，LH型內局部區域內自然等指數高分值耕地環繞著低分值耕地分布，在空間極化效應的影響下，低分值耕地易被周圍高分值耕地同化，進而演化成“HH”型，應劃入重點改良區，以改良高分值耕地為重點。LL型所對應的耕地自然條件普遍較差，應實施整體綜合性整治。基于耕地利用質量和經濟質量的耕地保護分區，分別從耕地的土地利用條件投入產出水平2個角度，遵循相應的空間自相關格局特征，結合空間擴散效應與極化效應的作用，劃分成相應的利用區和產能區。

表2　基于局部空間自相關的福清市耕地保護分區

5　結論與討論

以耕地質量指數為空間變量，利用局部空間自相關分析的方法，探討了基于福清市耕地質量的空間聚類趨勢與分布規律，并以此為基礎提出相應的耕地保護分區方案。結論如下。

(1)福清市耕地質量表現出較強的空間聚集性，以行政村為單元的耕地質量空間異質性格局基本穩定，且耕地自然條件、利用水平和經濟效益皆表現出一定的空間關聯性。綜合分析研究區地形、地貌、水文等自然環境特點，可以發現，高質量耕地空間集聚性較強，集中分布在縱貫福清市西南至東北的“農業走廊”上，由于地形地貌的天然優勢，該區域水土協調度和道路通達度占有明顯優勢。從耕地的利用質量和經濟質量上看，該區域勞動力豐富，在支援農村生產支出、農機總動力等方面明顯優于其他地區，耕地的生產管理體系可持續性較好。低質量耕地主要分布在遠離水源的龍高半島以及東南部沿海地區，局域空間自相關為負相關類型的耕地即分布于該區域。

(2)基于耕地局域空間自相關結果劃分耕地保護分區，分別依據其自然、利用和經濟屬性有針對性地制定相應的保護方案，并且考量了耕地質量的空間屬性與集聚特征，從空間關聯的角度拓寬了耕地保護的依據，進一步細化了耕地保護空間和保護細則，為耕地差異化保護提供了新的方向。

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Protection Section for Arable Land Quality Index Based on Local Spatial Autocorrelation-A Case Study of Fuqing City

Li Guoyu1, Zhang Tingyu1, ZhongTong2

(1.CollegeofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou,Fujian350007,China;2.CollegeofBusinessAdministration,JiangxiUniversityofFinanceandEconomics,Nanchang,Jiangxi330013，China)

By taking arable land quality as an index and using local spatial autocorrelation method, this paper discussed the spatial distribution characteristics and aggregation pattern of arable land’s quality in Fuqing City,zoned agrarian conservation area and proposed corresponding measures for protecting cultivated land on the basis of the analysis. The results indicated: the arable land quality exhibited an agglomerate regulation in spatial distribution in Fuqing cityto some extent .The type of positive correlation(High-High type) emerged as the shape of corridor with a strong aggregation, while the type of negative correlation (High-Low type and Low-High type) distributed dispersedly with relatively weak aggregation. The section for protecting arable land based on the spatial autocorrelation method, which comprehensively considered multi-factor of cultivated land including natural conditions, utility level and economic effectiveness, also probed into the spatial attribute of arable land. The local spatial autocorrelation analysis refined agrarian protection space ulteriorly and optimized the conservation measures, and provided a new direction for the differential protection of arable land.

arable land quality index; local spatial autocorrelation; conservation area; spatial agglomerate; Fuqing

2016-04-15

國家基礎科學人才培養基金(編號：J1210067)

李國煜(1993—)，男，福建師范大學地理科學學院碩士研究生。

F301.21

A

1674-9944(2016)14-0208-06