耕地細碎化與耕地集約利用水平空間相關特征研究
——以湖北省為例

劉婧鳴，侯現慧，王占岐，夏楚瑜，孟 琦

（1.西安交通大學公共管理學院，陜西 西安 710049；2.西北農林科技大學經濟管理學院，陜西 楊凌712100；3.中國地質大學公共管理學院，湖北 武漢 430074；4.浙江大學公共管理學院，浙江 杭州 310013）

1 引言

中國是一個人多地少的大國，糧食安全問題始終被當作重要的戰略問題。長期以來，由于人口數量的約束，有限的耕地資源給糧食安全生產帶來了巨大壓力，加之城鎮化和工業化進程的持續快速推進，耕地面積減少將發展為一個長期趨勢[1-2]。在此背景下，耕地集約利用成為保障中國糧食安全的突破口，也是促進農業發展、農村進步和農民增收的重要舉措[3]。然而，由于自然和人為等諸多原因，中國耕地細碎化現象較為嚴重，耕地細碎化的存在浪費了耕地資源，提高了農業生產成本，降低了農業規模經營效益，并逐漸成為制約農業生產發展、農村社會穩定的主要因素[4]，因此，耕地集約利用與耕地細碎化的相關研究對于解決耕地高效利用與耕地規模經營具有重要意義。

目前，針對耕地集約利用或耕地細碎化的單方面研究相對較多，主要包括耕地集約利用的結構特征[5]、時空演變[6-7]、驅動力分析[8]和耕地細碎化的形成機理[9]、影響因素等方面[10]，而針對耕地細碎化與集約利用的相關研究仍比較匱乏，且主要集中于利用經濟學方法分析耕地細碎化與農戶收入[11-12]、農業生產[13-16]、農業機械化等[17-18]方面的關系，以及細碎化或集約利用對糧食安全[19]和社會經濟發展水平[20]等方面的影響。由于不同區域自然、社會和經濟條件不同，耕地細碎化與集約利用水平都呈現出明顯的地域特征，探索耕地細碎化和集約利用水平在不同地域單元的空間分異特征，揭示不同區域間耕地細碎化對耕地集約利用的影響規律，將是科學制定耕地利用與保護政策的重要依據，保障區域糧食安全，對實現區域社會經濟可持續發展具有重要意義。

本文結合相關研究成果，以湖北省為例，分別構建耕地細碎化和集約利用水平評價體系，運用空間經濟學計量方法分析區域耕地細碎化程度與集約利用水平的空間分異特征，并對兩者之間的空間相關關系進行探討，旨在揭示湖北省耕地細碎化對集約利用水平空間異質性的影響規律及內在機理，從而為耕地高效利用和規模化經營發展提供決策參考，為其他地區開展類似研究提供一種思路。

2 研究區概況

湖北省作為中部地區戰略崛起的重要支點，境內地勢呈三面高起、中間低平、向南敞開、北有缺口的不完整盆地，農產品類型多樣[21]。全省耕地面積532.30×104hm2，占全國耕地總面積的3.94%；人均占有耕地0.0867 hm2，是全國平均水平的85.52%[22]。2014年湖北省農村人口達2578.2×104人，完成生產總值27367.04×108元，比上年增長9.7%，其中，農業完成增加值3176.89×108元，增長4.8%。農村常住居民人均可支配收入為10849元，比上年增長11.9%[23-24]。耕地斑塊數達219.34×104塊，戶均斑塊數為0.22。近年來，湖北省農業生產力發展迅速，規模化、產業化的現代經營模式逐漸增多，科學定位農業功能，提高農業產出效率，對研究現代農業建設提供重要依據。

3 數據來源與研究方法

3.1 數據來源與處理

本文從縣域尺度揭示湖北省耕地集約利用及細碎化的空間分異特征，結合研究需要和數據的可獲得性，以2014年為基準對行政單元進行調整，將各地的市轄區適度進行歸并處理，最終劃分為87個縣域單元，研究區域行政區劃圖如圖1。研究采用的各縣經濟數據及人口數據來源于2015年《湖北省統計年鑒》，農業生產數據取自2015年《中國農村統計年鑒》。耕地細碎化的相關數據來源于2014年度湖北省土地變更調查成果，使用ArcGIS 10.0提取耕地圖斑，并將矢量數據柵格化，利用Fragstats 3.3計算景觀指數。

圖1 研究區域行政區劃圖Fig.1 The administrative map of study area

3.2 研究方法

3.2.1 耕地細碎化程度指標的確定 耕地細碎化具有地塊面積小，形狀不規則，分布分散，戶均斑塊數多等特征[25-27]。本文根據上述耕地細碎化特征，從景觀角度選取指標進行評價，共設有斑塊面積指數、斑塊形狀指數、斑塊分布指數三種細碎化指標，全面反映湖北省耕地細碎化的分布規律。具體耕地細碎化評價指標如下：

（1）斑塊面積指數：

式（1）中，PAi代表耕地面積細碎化程度，Ai為研究區斑塊面積，單位為hm2，PAi值越大，耕地細碎化程度越低。

（2）斑塊形狀指數：

式（2）中，PSi代表耕地形狀細碎化程度，Di為研究區斑塊i的分維指數，Gi為斑塊i的伸長指數，PSi值越大，耕地形狀越規整，細碎化程度越低。

（3）斑塊分散指數：

式（3）中，Pli指斑塊分散指數，A′i指研究區域單元中耕地斑塊個數，單位為個/hm2，耕地分散指數越高，耕地破碎程度越高。

3.2.2 耕地集約利用水平指標的確定 耕地集約理論最早起源于李嘉圖等古典經濟學家提出的地租理論，反映耕地等別差異利用對經濟生產效益的影響[28]。耕地集約利用評價通過選取社會經濟指標，定量分析耕地投入產出效率，反映一個地區耕地利用經營效益，也為該區域耕地發展可持續性提供參考建議。本文基于相關學者的研究成果[29-30]，根據科學性、操作性、綜合性、系統性等評價原則從宏觀層面選取投入強度、利用程度、產出效果和可持續狀況4個層面10個指標對湖北省耕地集約利用水平進行調查研究，采用極差標準化法對各指標進行標準化處理，運用熵值法確定指標權重，計算湖北省耕地集約利用水平。耕地集約利用評價指標體系如表1。

表1 湖北省耕地集約利用水平評價指標體系Tab.1 The intensive use levels of cultivated land indicator system in Hubei Province

3.2.3 空間自相關分析 空間自相關是指空間對象在不同空間位置的某一屬性值之間的統計相關性，由空間自相關系數度量，以檢驗空間事物某屬性是否相鄰分布或間錯分布[31]。空間數據分析中主要有兩類工具，即分析整個區域關聯性指數的全局空間關聯性指標和分析區域內各個地域單元關聯性的局部空間自相關指標。本文采用Moran’s I指數對空間數據進行分析，指數計算公式如下：

而對于局部空間單元，其Local Moran’s I指數為：

4 結果與分析

4.1 耕地細碎化的分異特征

研究采用自然斷點分級法（Jenks）對各單元耕地細碎化程度進行劃分，用以展現研究區域內耕地細碎化的空間分異格局（圖2，封二）。

在斑塊面積指數研究中，位于西南山區的恩施市、宜昌市以及西北山區的十堰市耕地面積細碎化指標值均處于6.56—37.02之間，斑塊面積大小不一，耕地較為破碎，其中恩施市咸豐縣斑塊面積指數達到6.56，而位于江漢平原的潛江、天門、仙桃地域，耕地面積細碎度分值均處于45.87—79.88之間。耕地形狀細碎化方面，湖北省整體呈現西部耕地形狀破碎，中部形狀規整的耕地分布特點。對比湖北省其他地域，位于江漢平原地區的荊門、天門、潛江及仙桃地區形狀細碎化程度較之其他區域較小，其中，天門斑塊形狀指數分值達到89.64，耕地形狀更為規整，而位于鄂西南山區的恩施自治州、鄂西北地區的十堰市等地，斑塊形狀指數均低于57.84，耕地斑塊形狀呈現多樣化分布狀態，耕地細碎化程度較為嚴重；耕地斑塊分散方面，位于恩施自治州北部的利川、恩施、建始、巴東地區的耕地分散細碎化指數較高，并形成逐步向內遞減的趨勢，十堰、神農架以及宜昌市西北部地區分散細碎化指數處于61.20—78.84之間，分值分布較為均勻，耕地分布規律較為相似，由于該區域均位于鄂西北山區地域，耕地分布狀況受自然地理因素影響較為嚴重，耕地斑塊坐落較為分散。

4.2 耕地集約利用分異特征

耕地集約利用水平反映了一個地區耕地利用經營效益。本文分別從投入強度、利用程度、產出效果以及可持續狀況分別進行空間分異特征研究。湖北省耕地集約利用水平空間分異特征如圖3（封二）。對比發現，4種評價因素空間分異特征差異明顯，具體表現如下：投入強度分值相對比較集中，其中在11.5—45.45分值的區域耕地面積占整個湖北省耕地面積的80%以上，湖北省耕地投入強度呈現山區低，平原高、低分值聚集，高分值分散的特點；湖北省耕地利用程度分值分布主要呈現東部高、西部低、平原高于山區的特點，其中東部沿江平原區域灌溉指數與穩產指數明顯高于其他地區，分別達到58.78和40.44，高于恩施自治州50%以上，但恩施自治州由于地處鄂西南山區，種植類型多樣化，復種指數較高，達到66.89；產出效果分值空間分異特征呈現出以武漢市為中心，宜昌市為副中心，分值逐步遞減的趨勢。可持續狀況整體分值偏低，其中武漢市可持續狀況分值較高，平均達到78.23，約為恩施市可持續利用狀況分值1.75倍，表明湖北省耕地利用狀況可持續空間分異差異較大，需分區進行治理。

4.3 區域耕地細碎化與集約利用水平空間自相關分析

4.3.1 耕地細碎化與集約利用水平的全局相關特征 研究采用GeoDa空間分析工具，通過建立空間權重矩陣，計算不同細碎化指標與耕地集約利用水平之間全局空間自相關指數Moran’s I值（表2）。結果表明：在p= 0.05的顯著性約束下，耕地細碎化指標與耕地集約利用水平空間聚集比較顯著，其結果均通過雙側顯著性檢驗。三種耕地細碎化指數的Moran’s I指數順序是：斑塊分散指數＞斑塊面積指數＞斑塊形狀指數，表明湖北省耕地斑塊形狀空間分布相對均勻，而空間聚集程度最小，斑塊分散和面積空間集聚效果顯著且呈現空間正相關關系。

投入強度、利用程度、產出效果及可持續狀況的Moran’s I指數順序是：可持續狀況＞投入強度＞利用程度＞產出效果，表明耕地可持續利用狀況即潛在退化壓力指標及人均耕地面積的空間集聚程度高于投入強度與利用程度，而耕地產出效果空間中呈現較為均勻的分布形式且集聚程度較小。

表2 耕地細碎化與集約利用度的全局空間自相關分析表Tab.2 The analysis of general spatial auto-correlation in land fragmentation and intensive use degree

4.3.2 耕地細碎化與集約利用水平的局部空間特征 在t檢驗的基礎上（p= 0.05）描繪雙變量局部自相關LISA聚集圖，用于顯示研究指標值與其鄰域指標值均值之間低—低（L—L）、高—高（H—H）的空間正相關，或高—低（H—L）、低—高（L—H）的空間負相關以及無顯著的空間相關性（空間隨機性）。基于研究區域單元（縣）的局部相關性測算各耕地細碎化指標和耕地集約利用指標的局部空間集聚狀況，輸出耕地細碎化指標空間關聯局部指標（LISA）聚集圖（圖4，封二）及耕地集約利用空間關聯局部指標（LISA）聚集圖（圖5，封三），統計研究區域耕地集約利用指標與耕地細碎化指標局部自相關類型的縣（市）耕地面積如表3。。

（1）耕地細碎化局部空間自相關性分析。湖北省耕地斑塊面積指數弱勢L—L型則主要包含恩施自治州、宜昌市西北地區等山地區域，該區域斑塊面積指數呈現低聚集狀態，面積細碎化程度明顯。強勢H—H型主要分布在天門市、潛江市、仙桃市等江漢平原中部地帶，耕地斑塊面積較大，且呈現規模化發展趨勢。耕地斑塊形狀指數弱勢L—L型則主要分布在西南地區的恩施自治州（利川市與來鳳縣除外）、宜昌市西北部地區以及神農架林區，而強勢H—H型分布較為分散，主要集中于襄陽市城區以及位于江漢平原地區的潛江市、仙桃市等地及黃岡市中部地區，斑塊形狀指數反映了耕地形狀的規整程度，是機械化耕種的必要條件。耕地斑塊分散指數局部自相關弱勢L—L型則主要分布在中部襄陽市城區、老河口市、天門市、潛江市、仙桃市、荊州市監利縣及石首縣，而強勢H—H型主要分布宜昌市西北地區、咸寧市崇陽縣以及恩施自治州巴東縣，其主要原因由于斑塊分散指數越大，耕地細碎化程度越高，而斑塊形狀指數越大，耕地細碎化程度越小，耕地形狀越規整，所以導致斑塊形狀指數與斑塊分散指數強勢H—H型分布范圍有所差異。

表3 局部空間自相關性類型的縣（市）耕地面積統計表 單位：103 hm2Tab.3 Statistical table of cultivated land areas of local spatial autocorrelation types unit: 103 hm2

（2）耕地集約利用局部空間自相關性分析。耕地投入強度弱勢L—L型主要分布在西南地區的恩施自治州（宣恩縣除外），而強勢H—H型耕地主要分布于武漢市蔡甸、漢南以及江夏區，耕地投入強度反映了單位面積內勞動力，機械及化肥投入的數量，武漢周邊縣區由于地處平原地帶，機械化程度較高，人口密集，耕地投入強度較大；耕地利用程度弱勢L—L型則主要分布在西南地區的恩施自治州（建始縣與宣恩縣除外），神農架林區及宜城市也呈現弱勢L—L型，強勢H—H型耕地主要分布于黃岡市浠水縣，其分布趨勢與投入強度較為相似，弱勢L—L型耕地由于受山區耕地坡度的影響，水土流失較為嚴重，灌溉保證率較低，其耕作制度仍保留傳統的一年一熟制；產出效果低產出效聚集區主要分布于恩施自治州一帶，由于自然條件及交通條件的局限，單位面積糧食產量及產值明顯低于江漢平原地帶，而高聚集區域僅表現在宜昌市當陽市，武漢江夏區及漢南區，分布零散且覆蓋面積較小，湖北省耕地高產出耕地未能實現規模經營；可持續利用L—L型則主要分布在恩施市自治州（來鳳縣與宣恩縣除外），強勢H—H型主要分布在宜昌市枝江市及當陽市、荊門市沙洋縣、荊州區以及武漢市江夏區、蔡甸區及漢南區。整體而言，湖北省耕地集約利用水平的各項二級指標均呈現出西低東高，L—L型聚集，H—H型分散等問題，除了自然條件等因素的限制外，也與區域內差異化的經營方式密切相關。

4.3.3 耕地細碎化和集約利用水平的空間耦合分析 通過對比耕地集約利用與耕地細碎化的空間聚集性差異（圖4，圖5），以縣（市）為研究單元，分析耕地集約利用與耕地細碎化之間的空間耦合關系，并對不同類型的空間關聯局部指標進行個數統計（表4），探討兩者之間的空間相關性。

斑塊面積指數與耕地集約利用之間呈現高比例的L—L型耦合關系反應了斑塊面積的細碎化程度對于耕地集約利用的影響程度呈現明顯的負面作用。其中，投入強度與斑塊面積指數的25.92%，H—H型耦合區域分布于漢南區，該區域勞動力集中，化肥投入強度較高，區域單位斑塊耕地面積較大，L—L型耦合區域分布于鄂西南山區地帶，斑塊面積較小，且不利于機械投入及勞動力集中。產出效果、利用程度與斑塊面積指數均呈現L—L型聚集的分布，表明面積細碎化對于單位面積的產值及灌溉保證率均呈現負面聚集效應。總體上看，斑塊面積指數與投入強度和利用程度的空間耦合性最高，可持續利用狀況次之，產出效果最低。

斑塊形狀指數局部自相關類型為L—L型代表區域內耕地斑塊形狀破碎嚴重，而耕地集約與斑塊形狀的L—L型空間耦合關系，表明了斑塊形狀破碎化對耕地集約利用呈現負面影響作用。整體而言，斑塊形狀指數與利用程度的空間耦合性最高，其次為可持續狀況，投入強度與產出效果最低。斑塊形狀的不規整對耕地的灌溉保證率及復種指數的影響最為嚴重，其中，恩施自治州由于地處山區地帶，對比平原地帶難以形成較為規整的耕地斑塊，稀缺的耕地資源使得不少農戶選擇坡地種植，對于農田的灌溉保證率產生影響，其次，山地的耕地水土流失較為嚴重，導致土壤種植層較薄，養分流失嚴重，農業收益率逐年下降，存在潛在退化風險。

斑塊分散指數與耕地集約利用二級指標的區域耦合相關性中主要呈現H—L型的局部相關類型，斑塊分散指數局部自相關類型為H—H型代表區域內斑塊細碎化程度較為嚴重，耕地集約利用L—L型表示耕地集約利用程度較低，H—L型的空間耦合關系反映了低集約利用與高分散指數之間的空間關系。對比斑塊面積指數及斑塊形狀指數，斑塊分散指數與集約利用的空間耦合關系較小，其中斑塊分散指數與產出效果的空間耦合性最高，其次為利用程度與可持續狀況，投入強度與分散指數在空間中不存在交集。

綜合而言，斑塊面積指數、形狀指數與耕地集約利用的各項指標均有一定的耦合關系，且主要集中于西南山區地帶，呈現低集約高細碎化的空間耦合關系。由于山區耕地自然條件薄弱，資源稀缺，坡地種植現象較為嚴重，造成耕地斑塊面積較小，形狀不規整，勞動力投入較高，灌溉保證率較低，導致地均產值低下。因此，鄂西北地區應多加強耕地細碎整治，合并耕地斑塊，合理布局，對于不宜種植區域應采取退耕還林，休耕手段予以治理。

表4 耕地細碎化與耕地集約利用水平空間自相關性類型對應縣（市）數Tab.4 Numbers of correspondence nexus regarding spatial auto-correlations types of land fragmentation and land utilization indicators

5 結論與討論

在耕地細碎化指數的測算基礎上，利用地理學研究中的探索性空間數據分析的技術和方法，重點討論了耕地細碎化的空間集聚格局以及耕地集約利用評價與耕地細碎化指數的空間耦合性。結論如下：

（1）湖北省耕地斑塊面積指數與斑塊形狀指數在空間中呈現較強的相似性，局部正相關類型H—H型主要分布在襄陽市以及潛江、仙桃、荊州等江漢平原地區，而弱勢L—L型則主要聚集于西南地區的恩施自治州以及神農架林區。耕地分散指數則呈現相反分布狀態，在江漢平原地區主要呈現弱勢L—L型，而在西部地區，如宜昌市西部及神農架林區，則呈現正相關類型H—H型。耕地集約利用指標弱勢L—L型則主要分布在恩施自治州及神農架地區，而強勢H—H型則主要分布于武漢市及宜昌與荊州交界地帶。

（2）運用耦合法分析耕地細碎化與集約利用之間的空間關系。斑塊面積指數、形狀指數與耕地集約利用的各項指標均有一定的耦合關系，且主要集中于西南山區地帶，呈現低集約高細碎化的空間耦合關系，斑塊分散指數與集約利用指標的耦合相關性不強。在4個耕地集約利用指標中，斑塊面積指數對耕地投入強度及產出效果有較強的負面影響，而斑塊面積的細小化及形狀的不規整對于耕地的灌溉的保證率及潛在的退化壓力指標有著負面影響。

（3）耕地細碎化與耕地集約利用的耦合關系在不同區域表現不同。西南山區主要為高細碎化低集約利用的耦合關系，而對于中部江漢平原地帶，兩者之間的空間耦合關系不強，主要表現為低細碎化斑塊聚集而高集約利用斑塊空間集聚性較弱。因此，在山區，應多加強耕地細碎整治，合并耕地斑塊，合理布局。而江漢平原地帶，由于城鎮化進程速度的加快，大量勞動力流失，耕地投入較少，部分耕地有拋荒現象，政府部門應當嚴格管制耕地，對于棄耕拋荒現象應該予以處罰并及時收回耕地，從而提高耕地的集約利用程度。

（4）由于搜集的數據資料有限，本文僅選了2014年湖北省耕地細碎化及集約利用之間的關聯性進行研究，缺乏時間序列中的對比性，無法在時空中對耕地集約利用及耕地細碎化的歷史演變進行分析，這在今后的研究中還需進一步補充完善。

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