湖北省耕地質量空間格局研究

摘要：以湖北省為研究區域，對耕地質量狀況進行了空間自相關分析，并以此為基礎借助克里金插值方法對耕地質量的空間格局進行描述和建模。結果表明，湖北省耕地質量在整體空間上呈現集聚，沿江平原區腹地的仙桃、潛江、天門、荊州為高質量耕地的集聚區，盆周秦巴山區的十堰和神農架以及川鄂湘黔淺山區的恩施為低質量耕地的集聚區；克里金插值生成的湖北省耕地質量的柵格表面直觀揭示了全省耕地質量的空間格局。

關鍵詞：耕地；質量；空間自相關；克里金插值；空間格局；湖北省

中圖分類號：F301.21 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4533-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.045

Abstract： Taking Hubei province as the study area， the quality of arable land was analyzed by spatial autocorrelation analysis，and on this basis，spatial pattern of arable land quality was the described and did modeling with the kriging interpolation method.The results showed that the quality of arable land in Hubei province presented agglomeration in the whole space； Xiantao，Qianjiang，Tianmen，Jingzhou，hinterland along the river plain，were high quality arable land agglomeration； Shiyan，Shennongjia and Enshi were low quality of arable land； the raster surface of arable land quality in Hubei province that generated by Kriging interpolation directly revealed the spatial pattern of arable land quality of whole province.

Key words： arable land； quality； spatial autocorrelation； Kriging interpolation； spatial pattern； Hubei province

中國是一個農業大國，更是一個人口大國。耕地人均占有量少，且分布不均衡，耕地面積減少情況嚴重，總體質量差，生產水平較低，退化現象嚴重，后備資源有限，這是中國耕地資源的基本狀況[1]。對于這個占有全球7%的土地，卻要養活全球1/4人口的國家來說，每一寸土地都顯得彌足珍貴[2]。保護土地資源，尤其是耕地，直接關系到中國農業和整個國民經濟的發展[3]。全面掌握和科學量化耕地的空間分布特征，對于合理規劃耕地利用、保護優質耕地、實現耕地數量與質量的雙重管制起到重要作用[4]。目前國內外相繼開展了土地質量評價、糧食生產能力估算、農用地分等定級與估價、糧食安全與耕地質量保護等方面的研究，但對耕地質量的空間格局的研究還相對缺乏[5-10]。本研究對湖北省耕地質量狀況進行空間自相關分析，揭示了耕地質量的分布特征，并借助克里金插值的方法對耕地質量的空間格局進行描述和建模，以期為農用地管理、農用地等級成果更新、農用地基準地價更新、征地補償、改善耕地質量等提供科學依據與技術支持。

1 研究區域概況

湖北省位于中國的中部，長江中游的洞庭湖以北，故稱湖北，簡稱鄂。湖北省北接河南省，東連安徽省，東南和南鄰江西、湖南兩省，西靠重慶市，西北與陜西省為鄰。湖北省現有12個省轄市、1個自治州、38個市轄區、24個縣級市（其中3個直管市）、38個縣、2個自治縣、1個林區；2014年末，全省常住人口5 816萬人。湖北省是以山地為主，山地、丘陵、崗地、平原兼備的地貌結構，由于地貌類型的復雜多樣，形成了“七山一水二分田”的土地資源格局。全省土地總面積為1 858.88萬hm2，其中耕地466.41萬hm2，林地793.69萬hm2，園地42.45萬hm2，牧草地4.44萬hm2，居民點及工礦用地100.86萬hm2，交通用地9.17萬hm2，水利設施30.02萬hm2，未利用地149.52萬hm2。湖北省屬亞熱帶季風性濕潤氣候，光照充足，降水豐富，是著名的“魚米之鄉”。

2 數據來源

耕地質量數據來源于“湖北省耕地質量補充完善”項目，本研究將該項目中省級標準樣地作為樣點，以標準樣地的分等指數來表征耕地質量。《農用地分等規程》中湖北省劃分為鄂豫皖丘陵山地區、沿江平原區、西部丘陵山地區、盆周秦巴山區和川鄂湘黔淺山區5個二級區，湖北省耕地質量補充完善項目中，湖北省共設立省級標準樣地420個。省級標準樣地分布與二級區劃分如圖1所示。

3 研究過程

3.1 全局空間自相關分析

全局空間自相關分析可以衡量區域之間整體上的空間關聯與空間差異程度，Global Moran’s I統計量是常用的全局空間自相關度量指標[11]。本研究利用 Moran’s I來測度等別指數的全局空間自相關性，以發現耕地質量在空間分布的差異性和相關性。當耕地在區位上臨近，同時等別指數相似，Moran’s I顯著且為正，耕地質量在整體表現出正的空間相關性；而當在區位上相鄰耕地的等別指數有較大差異時，Moran’s I為負，即耕地質量整體上呈現負的空間相關性；若耕地區位與等別指數相互獨立時，Moran’s I為零，耕地質量不存在空間相關性。借助GeoDa創建耕地等別指數Moran散點圖，如圖2所示。Moran’s I為0.772 351，說明湖北省耕地質量在整體上有顯著的空間自相關性，呈現顯著的空間集聚特征。

3.2 局部空間自相關分析

全局空間自相關指出了湖北省耕地質量在整體空間上呈現顯著集聚，而從全局空間自相關的結果中卻無法判斷集聚區域的空間位置，局部空間自相關分析能夠彌補全局空間自相關分析的這一缺陷。局部空間自相關分析運用Anselin的局部Moran散點圖、LISA顯著性圖、LISA集聚圖來分析每個區域與周邊區域的空間關聯或空間差異程度[12]。

在進行局部空間自相關分析時，“面”比“點”更有優勢，因此在進行局部空間自相關分析前，可以借助ArcGIS工具構建研究樣點的泰森多邊形，如圖3所示。新形成的泰森多邊形具有惟一的屬性，即每個多邊形內僅包含一個樣點，且每個多邊形內部的任何位置與其相關點的距離都比其他多邊形近。

耕地等別指數局部Moran散點圖分為4個象限，分別對應4種局部空間關聯類型。第一、三象限，高值區域（低值區域）的鄰近區域均為高值區域（低值區域），即耕地質量呈現空間集聚，表示正的局部空間自相關；相反，第二、四象限高值區域（低值區域）的鄰近區域均為低值區域（高值區域），即耕地質量呈現空間離群，表示負的局部空間自相關。如果觀測點均勻分布在4個象限，則說明不存在空間自相關。借助GeoDa生成耕地質量的局部Moran散點圖，如圖4所示。從圖4可以看出，耕地質量研究樣點多集中在第一、三象限，說明耕地質量的空間差異程度較小，高質量耕地多被高質量耕地包圍，低質量耕地的周圍往往也是質量較低的耕地；而少量點分布在第二、四象限，而且離原點較遠，呈現出耕地質量在空間上的起伏變化。

Local Moran’s I可以衡量區域i與其周圍區域在空間上的差異程度及顯著性，它是全局空間自相關統計量Global Moran’s I在區域的分解。運用GeoDa軟件創建耕地等別指數的LISA顯著性圖，如圖5所示。從圖5可以看出，在湖北省中南部的沿江平原區，以及西部的盆周秦巴山區和川鄂湘黔淺山區，耕地質量的空間自相關性較為顯著；而湖北省北部的鄂豫皖丘陵山地區和西部丘陵山地區，耕地質量的空間自相關性較弱。

探究耕地質量的局部空間自相關關系，LISA集聚圖更加直觀。它在本質上提供與顯著性圖相同的信息，但LISA集聚圖中用不同的顏色表示的是不同的空間自相關類型，不同顏色分別對應Moran散點圖里的4個象限。借助GeoDa軟件生成耕地質量的LISA集聚圖，如圖6所示。從圖6可以看出，沿江平原區腹地的仙桃、潛江、天門、荊州呈現高質量耕地的集聚，這些區域及其周邊區域的耕地質量均較高；盆周秦巴山區的十堰和神農架，以及川鄂湘黔淺山區的恩施呈現低質量耕地的集聚，這些區域及其周邊區域的耕地質量均較差。

3.3 耕地質量空間格局

通過空間自相關分析發現，湖北省耕地質量在整體空間上呈現顯著集聚的特征；高質量耕地集聚分布在沿江平原區，盆周秦巴山區和川鄂湘黔淺山區多為低質量耕地。為了更深入探究湖北省耕地質量空間分異規律，可以運用ArcGIS地統計分析的克里金插值方法，借助空間自相關對耕地質量的空間格局進行描述和建模、預測未測量位置的值以及評估與未測量位置處的預測值相關聯的不確定性。

3.3.1 正態QQ圖檢驗 克里金插值的數據需要符合正態分布特征，否則就需要對數據進行轉換，使之呈正態分布。借助ArcGIS的地統計分析工具，生成耕地等別指數的正態QQ圖，如圖7a所示，散點與標準正態分布直線有一定差別；對其進行冪變換的結果如圖7b所示，變換后數據接近正態分布。

3.3.2 趨勢分析 在運用克里金法進行插值時，需要移除數據潛在的趨勢。運用ArcGIS地統計分析工具，生成耕地質量趨勢分析圖，如圖8所示。在YZ投影面上的曲線為南北方向上的趨勢線，而在XZ方向上為東西方向上的趨勢線。從圖8可以看出，等別指數在東—南、西—北兩個方向上均呈倒U形，耕地質量呈現中部高，四周相對較低的趨勢。這種趨勢可以用二階多項式進行擬合，因此在進行克里金插值前應移除該二階趨勢，以消除其影響。不過在實際計算最終預測前，趨勢將被重新添加至輸出表面。

3.3.3 半變異函數建模 半變異函數建模是克里金插值法的關鍵步驟。當進行半變異函數建模時，可對空間相關性進行檢查和量化。半變異函數圖中有3個重要參數：塊金、基臺、變程。塊金值與基臺值的比值稱為基底效應，表示由樣本隨機因子引起的空間異質性占區域總體變異性的比例，具體而言：如該比值小于25%，則說明樣本所代表的系統具有明顯的空間結構性，空間要素具有強烈的空間相關性；如該比值在25%～75%，則說明樣本所代表的系統空間自相關程度一般；如該比值大于75%，則說明樣本所代表的系統空間自相關性很弱，隨機因子對空間變異起到主要的影響作用[13]。

本研究確定步長的方法是使用ArcGIS的平均最近鄰工具確定點與最近的相鄰要素之間的平均距離。這可以提供一個非常好的步長大小，因為所有步長都會在其中至少包含數個點對。通過ArcGIS平均最鄰近工具的運算，步長確定為9 135.17 m。

根據區域變量特點所繪制的變異函數曲線是一種根據樣本實測數據做出的實驗變異函數，由于樣本數據較少，實際上只是一種鋸齒狀的非光滑曲線。因此，在做出變異函數曲線后，還必須用一個適當的圓滑曲線或直線對它進行擬合，并用一個特定的函數來描述它，以反映區域變量的空間變化特征，這就是變異函數的理論模型。本研究選擇球狀模型來進行擬合，球狀模型表述的空間相關性隨距離的增長逐漸衰減，當距離超過變程時，空間相關性消失。

運用ArcGIS的地統計分析工具建立耕地等別指數的半變異函數，如圖9所示。結果顯示塊金值為3 392 815.07，偏基臺值為55 751 749.08，基臺值為59 144 564.15，塊金值與基臺值的比值為5.74%，小于25%，變程為45 305.72 m。半變異函數的結果表明湖北省耕地質量結構性明顯，空間變化對耕地質量的影響遠大于隨機因素的影響；全省耕地質量在45 km左右的范圍內有較強的空間自相關性，相互之間的影響作用明顯。

3.3.4 克里金空間插值 空間插值有多種方法，包括反距離權重法、樣條函數法、自然鄰域法以及克里金插值法等。與其他插值方法相比，克里金插值法不僅考慮了未知點與樣點的距離遠近，還通過變異函數和結構分析考慮了樣點的空間分布及與未知樣點的空間方位關系，普通克里金法是克里金插值方法中應用最廣泛的，它的優點在于考慮了各樣點的空間相關性，而且在給出未知點估算值的同時，還給出了表示估算經度的方差。因此選擇普通克里金法對湖北省耕地等別指數進行插值，插值結果如圖10a所示，同時生成3D效果圖如圖10b所示。從圖10a可以看出，湖北省耕地質量在整體空間上呈現集聚的特征，形成了“中部高，東、西部低”的空間格局，但是在局部地區并不是按照單一趨勢分布的。湖北省中部的江漢平原耕地質量普遍較高，尤其是江漢平原腹地的沙洋、漢川、天門、仙桃、石首、嘉魚、黃陂，為全省耕地質量的“高峰”；湖北省西部丘陵地區的十堰、恩施和神農架林區呈現低質量耕地的集聚，竹溪縣、房縣、五峰縣等為全省耕地質量的“低谷”；湖北省東部地區的黃岡、黃石和咸寧等地區耕地質量整體屬中等，大冶、下陸區以及陽新縣等地的耕地質量較低，同樣為全省耕地質量的“低谷”。圖10b能夠更直觀地展示湖北省耕地質量的高低起伏。

4 結論

1）全局空間自相關分析的結果指出了湖北省耕地質量在整體空間上呈現顯著集聚的特征。局部空間自相關分析發現，湖北省中南部的沿江平原區以及西部的盆周秦巴山區和川鄂湘黔淺山區耕地質量的空間自相關性較為顯著，而湖北省北部的鄂豫皖丘陵山區和西部丘陵山區耕地質量的空間自相關性較弱。具體而言，沿江平原區腹地的仙桃、潛江、天門、荊州呈現高質量耕地的顯著集聚，盆周秦巴山區的十堰和神農架以及川鄂湘黔淺山區的恩施呈現低質量耕地的顯著集聚。

2）運用克里金空間插值法生成了湖北省耕地質量的柵格表面，直觀揭示了全省耕地質量的空間格局。湖北省耕地質量在整體空間上呈現集聚的特征，形成了“中部高，東、西部低”的空間格局；但是在局部地區并不是按照單一趨勢分布的，湖北省中部的江漢平原耕地質量普遍較高，尤其是江漢平原腹地的沙洋、漢川、天門、仙桃、石首、嘉魚、黃陂，為全省耕地質量的“高峰”；湖北省西部丘陵地區的十堰、恩施和神農架林區呈現低質量耕地的集聚，竹溪縣、房縣、五峰縣等為全省耕地質量的“低谷”；湖北省東部地區的黃岡、黃石和咸寧等地區耕地質量整體屬中等，大冶、下陸區以及陽新縣等地的耕地質量較低，同樣為全省耕地質量的“低谷”。

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