基于局部空間自相關的耕地質量空間集聚性和保護分區

郭敏+李淑杰

摘要：空間自相關統計量是空間某位置的地理數據與其他位置地理數據相互關聯程度的衡量標準。探討局部空間自相關在耕地研究中的應用，將耕地質量等指數作為空間變量，通過局部空間自相關，以ArcGIS軟件、Open Geoda軟件為平臺，分析了九臺市耕地的自然質量、利用質量、經濟質量的空間集聚性，提出九臺市耕地保護分區的最優方案。該方法將耕地自然條件、利用條件、經濟條件進行分類考慮，科學合理并具有一定的可行性，為實現耕地的精細化管理和差異性保護提供基礎。

關鍵詞：耕地質量等指數；局部空間自相關；耕地保護分區；九臺市

中圖分類號： F323.211文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）03-0206-05

[HJ1.45mm]

收稿日期：2016-05-09

基金項目：國家自然科學基金（編號：71303006）；中國科學院知識創新項目（編號：KZCX2-YW-Q1-07）。

作者簡介：郭敏（1990—），女，內蒙古包頭人，碩士研究生，主要從事土地經濟與管理研究。E-mail：597981287@qq.com。

通信作者：李淑杰，博士，教授，主要從事土地經濟與管理研究。E-mail：450127875@qq.com。[HJ]

耕地作為人類生存與發展不可或缺的提供養育功能的土地資源，其數量和質量備受關注。保護耕地的一項重要內容就是耕地的質量管理。中國先后頒布了《土地管理法》《基本農田管理條例》《農用地質量分等規程》等法律法規保護耕地。耕地的空間分布掌握以及質量評定是耕地質量管理中的重要措施。耕地質量差異除了體現在數量上，還體現在空間分布上，其空間差異性主要表現為一定的空間聚集性和離散分布性。本研究將耕地的自然等指數、利用等指數、經濟等指數作為空間變量，采用Moran散點圖的方法，結合局部空間自相關分析，研究吉林省九臺市耕地質量的空間聚集性規律，提出相應的耕地保護分區方案，旨在為更好地保護耕地提供依據。

1研究區概況

九臺市位于吉林省長春市東北部，下轄9個鎮、2個民族鄉。九臺市境內地勢由西南向東逐漸傾斜，西南高、東北低，年平均氣溫4.7 ℃，年平均降水量577 mm。有效積溫 2 880 ℃，無霜期140～155 d。根據九臺市2011年土地利用變更調查成果顯示，該市土地面積33.7萬hm2，其中耕地面積達21.9萬hm2，占土地面積的65%。

2研究方法

2.1局部空間自相關

空間自相關分析是地統計學中最常用的方法之一，主要是根據要素位置和要素值來度量空間的相關性。在給定一組要素及相關屬性的前提下，通過計算Morans I指數值、z得分、P值對該指數的顯著性進行評估，其中局部空間自相關指數是空間上某一單元與鄰接單元相關程度的衡量標準。本研究以Local Morans I為統計量進行局部空間自相關分析，以其來反映空間單元i與其鄰域單元之間的空間差異性及顯著性。

局部空間自相關分析中，主要以Moran散點圖反映空間格局的可視化程度，4個象限分別代表4種關聯類型。其中，正相關類型分別用第1象限的HH型和第3象限的LL型表示；負相關類型由第2、4象限代表，分別用HL、LH型表示[1]。

3數據來源與處理

3.1數據來源

本研究區域為九臺市，涉及數據的時間節點為2014年，具體資料包括：（1）文本資料，九臺市土地利用現狀、地形圖等成果文件及相關農田水利建設等統計資料，來源于九臺市國土資源局；（2）數據庫資料，2014年九臺市土地利用變更調查數據庫、2013年九臺市耕地質量等別評價成果和九臺市第二次土壤普查數據庫等，來源于九臺市國土資源局。

3.2數據處理

3.2.1空間權重的確定

為了防止出現比例效應，在數據處理時要求空間權重頻率的分布遵循正態分布，根本目的是為了防止因降低數據估計精確程度而導致的某些結構特征無法明顯表達的問題[2]。采用局部空間自相關分析研究九臺市耕地質量過程中，依據共邊相鄰（Rook）、共點或共邊相鄰（Queen）、閾值權重（Threshlod）、指定周圍多邊形個數（K-nearest）等原則，構建空間鄰接矩陣，從空間鄰接性頻率直方圖的分布特征來看，只有共邊相鄰（Rook）符合正態分布，因此本研究中采用共邊相鄰原則確定空間權重。

3.2.2耕地質量指數的確定

不同學者對耕地質量內涵有不同解釋，本研究采用GB/T 28407—2012《農用地質量分等規程》中對耕地質量的描述，以自然等、利用等、經濟等作為評價耕地質量的依據，自然等、利用等、經濟等分別對應自然質量等指數、利用等指數、經濟等指數，自然質量等指數是在自然質量分的基礎上乘以光溫生產潛力指數及指定作物產量比系數得到，反映耕地自然屬性的優劣；在自然質量等指數的基礎上乘以土地利用系數得到利用等指數；經濟等指數是在利用等指數的基礎上乘以土地經濟系數得到[3-5]。

如果以耕地質量評價數據庫最小單元（分等單元）為研究對象，會造成局部空間自相關分析結果辨識性差，導致統計結果不夠準確?？紤]到九臺市研究區域范圍較廣，在分析九臺市局部空間自相關時以行政村為單位。因此，本研究需要將地籍庫中的分等單元進行合并，合并后的行政村耕地自然等指數等于各分等單元耕地自然等指數按圖斑面積比例求取加權平均數。行政村的利用等指數和經濟等指數的算法同自然等指數的算法一致。參照《中國耕地質量等級調查與評定（吉林卷）》，在ArcGIS軟件平臺中[6]，以400分為等別間距確定國家級自然質量等，以200分為等別間距確定國家級利用等和經濟等。

4結果與分析

4.1耕地等別空間特征

2014年九臺市村級耕地質量等別空間分布情況如圖1所示。從空間分布上來看，飲馬河和松花江沿岸平原區附近的耕地自然等別較高，主要耕地類型為水田，具有優越的耕地自然條件；九臺市東部、南部、西南部的低山丘陵區集中分布等別較低的耕地，耕地自然條件相對較差，且耕地類型以旱地為主。整體來看，九臺市耕地的自然質量呈東西兩側高于中部的空間分布特征。其次，利用等別較高的耕地主要分布于飲馬河和松花江沿岸的平原地區，該地區擁有較高的耕地生產投入和高水平的田間管理技術，土地經營效益高，產投比高；東南部的低山丘陵區大量分布有低等別的耕地，該地區土地生產投入和田間管理技術均較差；同自然等別一致，從整體來看，利用等別呈東西兩側高于中間的空間分布特征。經濟等別的空間分布與利用等別的空間分布類似，不再贅述，詳見圖1。[FL）]

[FK（W18][TPGM1.tif；S+3mm][FK）]

4.2自相關指數分析

本研究采用Open GeoDa軟件對九臺市耕地質量指數進行局部空間自相關分析，得到圖2所示的Moran散點分布圖。其中，Morans I值反映了以行政村為單元的局部空間自相關的特性，提示異常值或集聚所在的區域。Morans I指數的取值范圍為[-1，1]，即越接近1，表示正相關性越顯著；而越接近-1，則表示負相關性越顯著；越接近0，表示不存在空間聚集性[7-8]。

圖2中，自然等指數的Morans I為0.66，利用等指數的Morans I為0.61，經濟等指數的Morans I為0.57，可以看出九臺市耕地質量在空間分布上均表現出較為強烈的正相關性，表明九臺市耕地質量自然條件、利用水平、經濟狀況均具有較大的空間關聯性。

4.3局部空間自相關結果分析

對村級耕地自然等指數、利用等指數、經濟等指數進行局部[CM（25]空間自相關分析，得到九臺市耕地質量指數局部空間自相[CM）]

關表（表1）。由表1可知，在95%置信度下，空間上表現為NS（非顯著）型的行政村比例為55%左右。由于本研究以行政村為單元進行局部分析，這便將研究區域的地形地貌、利用管理、人類活動、基礎設施建設以及農村居民點的空間區位等因素細碎化，在本研究單元上存在一定差異性，進而導致空間質量相關性不顯著，反向觀之，行政村之間會存在一定的差異性，差異即為合理，若大量行政村之間是相同的，在實際中反而不合理，故即使NS型所占比例為55%，對其進行空間分析是合理的。圖3為耕地的空間關聯聚集圖，與表1數據相對應，可以直觀反映出相關性的空間分布狀態。自相關類型共有5種：（1）HH型，表示質量等指數高，且被質量等指數高的行政村包圍的區域；（2）HL型，表示質量等指數高，但被質量等指數低的行政村包圍的區域；（3）LH型，表示質量等指數低，但被質量等指數高的行政村包圍的區域；（4）LL型，表示質量等指數低，且被質量等指數低的行政村包圍的區域；（5）NS型，代表質量等指數不存在顯著空間相關性且隨機分布的區域[9]。

4.3.1自然等指數自相關分析

結合表1、圖3可以看出，自然等指數下的局部空間自相關分析中，正相關類型中HH、LL型的行政村數量共占44.25%；然而，負相關類型中有4個行政村為HL型，沒有LH型的行政村，負相關類型的行政村占行政村總數的1.21%；NS型行政村有180個?？臻g分布上，HH型主要分布在興隆鎮東部、龍家堡鎮東部、葦子溝鎮西部、九郊辦事處西部、其塔木鎮東部、莽卡滿族鄉北部；LL型主要分布于上河灣鎮西部、城子街鎮東部交匯處，胡家回族鄉南部，沐石河鎮南部、土們嶺鎮、西營城鎮、波泥河鎮交匯處等；HL型主要零星分布于沐石河鎮北部和葦子溝鎮中南部。

實際情況下，興隆鎮東部、龍家堡鎮東部、葦子溝鎮西部、九郊辦事處西部耕地位于飲馬河沿岸的平原地帶，其塔木鎮東部、莽卡滿族鄉北部位于松花江沿岸的平原區，地勢平坦，土壤肥沃，具有好的灌排條件和優越的自然條件，在空間上與HH型相重疊。耕地自然條件較差的區域主要集中在東南部低山丘陵地帶，以胡家回族鄉南部以及沐石河鎮南部、土們嶺鎮、西營城鎮、波泥河鎮交匯處為典型代表，上述鄉鎮部分區域地勢不平，且不具有適宜的有效土壤厚度、優良的排水條件和灌溉水源條件，在空間分布上與LL型相匹配。綜上，通過采用局部空間自相關的方法對九臺市耕地的自然等指數進行分析，得出的結果與九臺市的實際情況相符，表明該方法科學合理。

4.3.2利用等指數自相關分析

結合表1、圖3可以看出，利用等指數下的局部空間自相關分析中，正相關類型中HH、LL型的行政村數量共占行政村數量的43.94%；負相關類型中HL型僅有2個行政村，LH型僅有1個行政村，二者分別占行政村數量的0.61%、0.30%；NS型行政村有182個。從空間分布角度進行分析，正相關類型多集中連片并且呈“團狀”形式出現；而負相關類型則呈零星離散狀分布，與正相關類型具有鮮明的對比特征。HH型主要分布于興隆鎮東部、龍家堡鎮東部、葦子溝鎮西部、九郊辦事處西部（“飲馬河沿岸”組團）、其塔木鎮東部、莽卡滿族鄉的北部（“松花江沿岸”組團）；LL型主要分布于“上河灣-城子街”組團、“沐石河-土門嶺-西營城-波泥河”組團， 包括上河灣鎮西部、城子街[FL）]

[FK（W17][TPGM3.tif][FK）]

鎮東部交匯處，胡家回族鄉南部、沐石河鎮南部、土們嶺鎮、西營城鎮、波泥河鎮交匯處等。負相關類型（HL、LH型）零星分布在靠近“飲馬河沿岸”組團的興隆鎮中部，以及沐石河鎮北部的“上河灣-城子街”組團周邊。

從實際上來說，興隆鎮東部、龍家堡鎮東部、葦子溝鎮西部、九郊辦事處西部、其塔木鎮東部、莽卡滿族鄉北部的耕地因多分布于市域河流兩側，使得耕作灌溉水源豐富且充沛，對水資源的利用比較方便，因此土地利用條件相對較好，空間分布上“飲馬河沿岸”組團和“松花江沿岸”組團在很大程度上與農村居民點相鄰，這不僅縮短了農戶與耕作區域的距離，方便農戶耕作，而且對耕作區的管理也大有裨益，在空間上與HH型分布重疊。而“上河灣-城子街”組團、“沐石河-土門嶺-西營城-波泥河”組團均處于典型的低山丘陵區域，地勢不平坦，高低起伏，且可耕作的范圍小，可利用條件差，因此不便于耕作管理，該實際情況與對耕地的利用等指數進行局部空間自相關分析的LL型耕地聚集區在空間上十分吻合。

4.3.3經濟等指數自相關分析

結合表1、圖3可以看出，經濟等指數下的局部空間自相關分析中，正相關類型中HH、LL型分別有75、71個行政村，二者之和占行政村數量的 44.25%，所占比例較大；負相關類型中HL型有3個行政村，LH型僅有1個行政村，二者分別占行政村數量的0.91%、0.30%；NS型行政村有180個。從空間分布角度進行分析，正相關類型多集中連片并且呈“團狀”形式出現；而負相關類型則呈零星離散狀分布，與正相關類型具有鮮明的對比特征。HH型主要分布在“飲馬河沿岸”組團、“松花江沿岸”組團處；LL型主要在“上河灣-城子街”組團、“沐石河-土門嶺-西營城-波泥河”組團處集中分布。負相關類型零星分布在興隆鎮中部，附著于“飲馬河沿岸”組團以及沐石河鎮北部、城子街鎮南部依附于“上河灣-城子街”組團周邊，無明顯聚集性特征。

在實際中，興隆鎮東部、龍家堡鎮東部、葦子溝鎮西部、九郊辦事處西部、其塔木鎮東部、莽卡滿族鄉北部區域內耕地，市域內穿插有多條省道，道路通達性較高，地勢平坦，利于提升耕地的經濟效益。在空間分布上與HH型耕地聚集區保持重合。LL型的胡家回族鄉南部、沐石河鎮南部、土們嶺鎮、西營城鎮、波泥河鎮屬典型低山丘陵地帶，地勢起伏不定，不利于交通運輸，且經濟欠發達，不利于增加耕地的經濟效益。

4.4耕地保護分區的劃分

4.4.1耕地保護分區結果

在耕地保護實踐方案制定過程中，可從耕地的利用水平、經濟狀況、自然水平3方面，設計恰當的分區方案。其中，若該區域耕地自然條件的空間聚集性在利用條件和經濟條件中最顯著，則該分區方案是該區域耕地保護分區劃分的最優方案。本研究以九臺市為實證對象，根據九臺市實際情況，其自然條件的空間聚集性最顯著（Morans I=0.66），本研究優先選擇基于耕地自然質量的分區保護方案。

耕地自然質量不同，其可改良的角度便不同，因此可將耕地保護劃分為4種類型，分別是重點改良區、適度改良區、綜合改良區、限制建設區[10]。對于不同自相關類型來說，HH型區域內自然質量等指數分值高的耕地十分集中，并且局部范圍內呈明顯均質狀態，基于這種情況，該類型區域應該禁止非農建設，且劃入高標準基本農田保護區。LL型的情況與HH型背道而馳，該區域屬于綜合改良區，要增加有效耕地面積，并且提高耕地整體質量，以便經濟社會可持續發展和后續土地利用都需要進行整體綜合性整治。HL型區域內高自然等指數分值的耕地集中分布在被低分值耕地包圍的區域中部，由于空間極化效應對區域的影響，質量好的耕地將慢慢被同化為質量較差的耕地，HL型將最終演變成LL型，因此該類型需要進行適度保護。LH型耕地分布情況與HL型恰恰相反，在極化效應的作用下演變成HH型，在改良過程中應將重點放在高質量耕地的改良上，在類型上屬于重點改良區（表2）。

4.4.2耕地分區保護措施

針對九臺市耕地保護分區結果，提出具體保護措施如下：（1）繼續維護HH型對應的興隆鎮東部、龍家堡鎮東部、葦子溝鎮西部、九郊辦事處西部、其塔木鎮東部、莽卡滿族鄉北部等耕地自然質量高值區域，以高自然等指數分值單元為中心，加強其擴散效應對周邊耕地的影響，限制其非農業建設；（2）沐石河鎮北部、葦子溝鎮中南部區域屬于HL型，為減少周邊低自然等指數分值耕地對中心高自然等指數分值的影響，應加強對中心區域耕地的保護并逐步加大保護范圍；（3）九臺市上河灣鎮西部、城子街鎮東部交匯處，胡家回族鄉南部，沐石河鎮南部、土們嶺鎮、西營城鎮、波泥河鎮交匯處等區域屬于LL型，應進行適度改良。這些區域的耕地自然條件普遍較差，需要采取有針對性的改良保護手段，具體保護實踐過程中要分主次、逐步推進綜合改良措施；同時，LL型區域也是進行非農建設的理想區域。根據上述結果，結合空間分布的差異性，遵循因地制宜的原則，科學合理地制定相應的九臺市耕地保護方式，詳見表2。

5結論

本研究探索了局部空間自相關方法在耕地質量中的實際應用，將耕地自然等指數、經濟等指數、利用等指數作為空間變量，通過應用局部空間自相關方法，以ArcGIS軟件、Open Geoda軟件為平臺，分析了九臺市耕地質量的空間集聚性，提出針對九臺市實際情況的耕地保護分區的最優方案。研究結果如下：（1）在空間分布上，九臺市耕地質量從宏觀上呈現出一定規律的聚集性特點。具體來說，從耕地自然質量來看，九臺市東西兩側地區明顯高于中部地區；從耕地利用狀況來看，市域東部、西部利用質量普遍高于東南部的低山丘陵區。耕地經濟質量分布規律同利用質量相同，也是市域東西兩側地區高于南部的低山丘陵區。同時，耕地質量在空間分布上呈正相關類型的區域集聚性較強，且大部分以“組團”形式結團出現；而呈負相關類型的區域多零星分布，無集中連片現象。（2）在Morans I值方面，自然等指數的Morans I為0.66，利用等指數的Morans I為0.61，經濟等指數的Morans I為 0.57，可見九臺市耕地質量在空間分布上均表現出較強的正相關性，反映九臺市耕地質量自然條件、利用水平、經濟狀況均具有較大的空間關聯性。（3）耕地自然質量不同，其可改良的角度便不同。本研究采用局部空間自相關方法對九臺市耕地空間分布特征及其相關程度進行分析，根據研究結果提出了九臺市耕地保護分區方案，將耕地保護劃分為4種類型：重點改良區、適度改良區、綜合改良區、限制建設區。針對九臺市耕地實際情況，只有適度改良區、綜合改良區、限制建設區3大類。對于適度改良區，對其進行保護的措施集中于積極保護高值地塊耕地的自然條件，加強對其周邊低值地塊的保護力度，增加農業投資，防止高值區向低值區的退化；對于綜合改良區，需要實施綜合性的改良措施，同時由于該地區均為低值區，耕地較為貧瘠，耕作效率不高，因此該區域也是農地非農業化的理想區域；對于限制建設區，該區域耕地條件較好，應維持現有水平的耕地條件，該區可劃為高標準基本農田保護區，保證糧食產量和安全。

綜上，本研究根據耕地的自然質量、利用質量、經濟質量的空間集聚類型劃定九臺市耕地保護分區。該方法將耕地的自然條件、利用條件、經濟條件分類考慮，科學合理并具有一定的可行性，為實現耕地的精細化管理和差異性保護提供基礎。

[HS2*3]參考文獻：[HJ1.85mm]

[1]韋仕川，熊昌盛，欒喬林，等. 基于耕地質量指數局部空間自相關的耕地保護分區[J]. 農業工程學報，2014，30（18）：249-256.

[2]孫英君，王勁峰，柏延臣. 地統計學方法進展研究[J]. 地球科學進展，2004，19（2）：268-274.

[3]陳印軍，肖碧林，方琳娜，等. 中國耕地質量狀況分析[J]. 中國農業科學，2011，44（17）：3557-3564.

[4]沈仁芳，陳美軍，孔祥斌，等. 耕地質量的概念和評價與管理對策[J]. 土壤學報，2012，49（6）：1210-1217.

[5]胡科，石培基. 甘肅省耕地質量評價研究[J]. 中國土地科學，2008，22（11）：38-43.

[6]趙建軍，張洪巖，王野喬，等. 基于AHP和GIS的省級耕地質量評價研究——以吉林省為例[J]. 土壤通報，2012（1）：70-75.

[7]張松林，張昆. 空間自相關局部指標Moran指數和G系數研究[J]. 大地測量與地球動力學，2007，27（3）：31-34.

[8]張松林，張昆. 局部空間自相關指標對比研究[J]. 統計研究，2007，24（7）：65-67.

[9]Anselin L. Local indicators of spatial association-LISA[J]. Geographical Analysis，1995，27（2）：93-115.

[10]熊昌盛，譚榮，岳文澤. 基于局部空間自相關的高標準基本農田建設分區[J]. 農業工程學報，2015，31（22）：276-284.