縣·鄉鎮兩級尺度下耕地質量空間自相關分析

何炬　張雪松

摘要 [目的]從縣級、鄉鎮級兩級空間尺度上運用空間自相關分析（Morans I）方法定量研究廣水市耕地質量的空間集聚性規律特征。[方法]基于空間自相關Morans I分析方法，以湖北省廣水市為研究區，將耕地質量國家自然等指數、利用等指數和經濟等指數作為空間變量，以耕地圖斑作為空間單元進行空間自相關分析，從縣級和鄉鎮級兩級尺度上分析耕地質量空間差異性特征并進行兩級對比分析。[結果]廣水市耕地質量在空間分布上呈現出一定的集聚性規律，“中北部”的耕地質量較高，“西北角”耕地質量相對較低，其他地方耕地質量處于中等水平且分布較集中。廣水市耕地質量在縣級和鄉鎮級尺度上呈現出較強的空間自相關，說明在空間格局上呈現出很強的集聚態勢。縣、鄉鎮兩級尺度上，耕地質量指數Morans I值均呈現出國家經濟等指數>國家利用等指數>國家自然等指數的遞減特征，三者均呈現顯著的空間正相關集聚態勢。[結論]耕地質量空間差異在不同尺度上有一定的敏感性和內部差異性特征，耕地質量空間差異特征研究可為土地整治、高標準基本農田劃定等工作提供參考。

關鍵詞 耕地；耕地質量；空間分布；空間自相關；廣水市

中圖分類號 F301.2 文獻標識碼

A 文章編號 0517-6611（2018）14-0007-05

Spatial Autocorrelation Analysis of Arable Land Quality at County and Township Scale —A Case Study of Guangshui City，Hubei Province

HE Ju，ZHANG Xuesong （College of Urban & Environmental Sciences，Central China Normal University，Wuhan，Hubei 430079）

Abstract [Objective] The aim was to study the characteristics of spatial agglomeration law of arable land quality of Guangshui City at county and township scale based on the spatial autocorrelation of Morans I analysis method.[Method] Taking Guangshui City of Hubei Province as the study area，the national natural land quality index，the land use index and economic index as spatial variables，and farming spot as a space unit map spatial autocorrelation analysis，the characteristics of the spatial differences of arable land quality from the county and township scale were analyzed based on the spatial autocorrelation of Morans I analysis method.[Result] Spatial distribution of the quality of arable land in Guangshui City presented a certain clustering rules，quality of arable land in‘North central was high，‘Northwest corner was relatively low，the rest were in the middle level and relatively concentrated.The quality of arable land in Guangshui showed a strong spatial autocorrelation at the county and township level，indicating that the spatial pattern showed a strong agglomeration situation.Morans I value of arable land quality index showed the national economic index，national utilization index，national natural index decline characteristics both at the county and township scale，and all the index showed a significant positive correlation of the spatial agglomeration.[Conclusion] The spatial difference of land quality at different scales has certain characteristics of sensitivity and internal differences，and differences of arable land quality feature space can provide an important reference for land consolidation，high standards of basic farmland.

Key words Arable land；Arable land quality；Spatial distribution；Spatial autocorrelation；Guangshui City

耕地是土地資源中最寶貴的資源，是人類生存和發展的首要物質基礎。目前人均耕地不足、優質耕地少、耕地后備資源不斷建設是我國基本的土地國情[1]。耕地保護是關系我國國民經濟和社會可持續發展的全局性戰略問題，完善的耕地保護政策對于耕地保護有重要作用[2]。耕地質量事關國家糧食安全、經濟持續發展、社會安全穩定和生態環境保護，是實現生產、生活和生態可持續發展的重要保障。

近年來，耕地質量的研究引起了政府管理部門和學術界的高度關注和廣泛研究，研究內容和成果十分豐富。其中，基于空間屬性特征的耕地質量管理與保護日趨成為研究熱點之一[3-6]。熊昌盛等[7-8]運用Morans I 和地統計學分析方法，探討了在縣級和鄉鎮級尺度上的變化情況，比較了縣級與鎮級之間的空間差異性，描述了鎮級的內部差異性。張貞等[4]以重慶市合川區為研究對象，采用空間自相關的方法，探索丘陵山區水田和旱地質量等級在空間分布的相關性。孔祥斌等[9]利用農用地分等國家級匯總成果，采用空間分析等方法，從國家和區域尺度分析耕地質量的空間分異規律，概括性地描述了我國西部耕地質量空間結構特征。總體來看，國內對耕地質量空間關聯性的研究已經日趨完善，而且對宏觀尺度的研究相對成熟，但是對縣級以下如鎮、村級微觀尺度的研究較少，傳統的綜合分析法、統計分析方法等對區域內耕地質量空間差異的分析精度有待于進一步提高，再者，從空間角度研究耕地質量的成果較少，關于耕地質量對研究尺度間存在的差異性的敏感程度研究也很少且不成熟。為了提高以空間特征對耕地質量評價的普適性，運用多種空間分析方法，在宏觀、中觀、微觀多尺度下對耕地質量空間差異特征的研究成為研究方向[10-12]。筆者以2015年為研究時點，以湖北省廣水市耕地質量指數（國家自然等指數、國家利用等指數、國家經濟等指數）作為空間變量，從縣級、鄉鎮級兩級空間尺度上運用空間自相關分析（Morans I）方法定量研究了廣水市耕地質量的空間集聚性規律特征，以期在綜合考慮原有的耕地自然條件、利用狀況和經濟水平3項指標情況下，將空間關聯性作為“第4維”指標[3，13-14]，為耕地保護與分區、土地整治、高標準基本農田建設等的研究提供依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

廣水市位于湖北省北部偏東，隸屬隨州市。地處桐柏山南麓，大別山脈西端，地勢西北高東南低。全境地跨113°21′16″～114°07′16″E，30°23′03″～32°05′05″N；東西長57.50 km，南北長78.75 km。全市國土總面積為2 645.51 km2，行政轄區內共13鎮和4個街道辦事處。其東部與大悟毗連，南部與安陸市、孝昌縣相鄰，西部與隨州曾都區交界，北部與河南省信陽市接壤，自古為南北交通要沖，“鄂北門戶”，也是鄂豫物資重要聚散地，西部大開發的橋頭堡。

依據廣水市2015年土地變更調查數據統計，廣水市土地總面積為264 500 hm2，其中，2015年末全市耕地面積為79 305.08 hm2，占土地總面積的29.98%。耕地內部構成以水田為主，面積為51 760.56 hm2，占耕地總面積的65.27%；旱地次之，面積為25 383.05 hm2，占耕地總面積的32.01%；水澆地面積為2 161.47 hm2，占耕地面積的2.72%。

1.2 數據來源 以湖北省廣水市為研究對象，所采用時間的數據均來源于

2015年廣水市國土資源局和廣水市農業局數據。具體包括：①文件資料。主要包括土地利用年度變更調查、耕地質量等別、更新監測、土壤普查、廣水市統計年鑒、農業區劃、地形圖、水利工程調查等成果文件以及相關農業統計資料。②圖件資料。具體有土地利用現狀變更圖、土地利用總體規劃圖、第二次土壤普查圖、土壤有機質含量圖、土壤pH 分布圖、灌排圖、地形圖及其他矢量圖件等。③數據庫資料。主要有廣水市耕地質量等別、更新監測數據庫、土地利用變更調查數據庫、土壤普查數據庫等。

1.3 研究方法

1.3.1 全局空間自相關。

Global Morans I 指數用來表示一個區域里面全部空間范圍里空間要素屬性值的聚散程度。 Morans I的取值范圍為[-1，1]，當Morans I >0表示空間正相關性，其值越大，空間相關性越明顯，表明研究對象具有空間聚合特征；當Morans I <0表示空間負相關性，其值越小，空間差異越大，表明研究對象具有空間離散特征；當Morans I = 0，空間呈隨機性，也就是研究對象呈現隨機分布狀態。Z值用來進行檢驗顯著性水平，當Z>1.96或Z<-1.96（α值為0.05）時，表明耕地質量在空間上存在顯著的空間自相關性。表達式如下：

I= n n i=1

n j≠i wij（xi- ）（xj- ）

n i=1 n j≠i wij（xi- ）2 （1）

Zscore= I-E（I） VAR（I） （2）

式中，n表示研究對象個數；wij表示空間要素i和要素j的權重；xi- 和xj- 分別表示第i、j個空間單元上的觀測站與平均值的偏差；Z代表標準化統計量的閾值，E（I）表示觀察變量自相關性的期望；VAR（I）代表方差。

1.3.2 變異系數。對比2組數據離散水平大小時，若是2組數據的測量尺度相差太大，或數據量綱不同，直接使用標準差來進行對比不合適，此時就應該消除測量尺度和量綱的影響，而變異系數是原始數據標準差與原始數據平均數的比值，無量綱，可以進行客觀比較。

該研究主要用變異系數來分析度量耕地質量的空間內部差異性，一般來說，變異系數越小，說明耕地質量空間自相關性波動性較小，反之，則波動性越大。計算公式如下：

CV= n i=1 （yi- ）/（n-1） （3）

式中，CV表示研究變量的變異系數；n代表研究對象的個數；yi表示第i個單元中耕地質量的Morans I 值； 表示yi的平均值。

1.4 數據預處理

1.4.1 基礎數據預處理。

在收集 “1.2” 所有數據后，進行嚴格的數據準確性核對篩選工作，再根據《耕地質量等級》（GB T 33469—2016）中提供的方法對數據進行進一步的分類和整理，運用ArcGIS 10.2軟件平臺，將數據進行必要的格式轉換、地圖投影和坐標校正，坐標統一采用1980西安平面坐標系和1985國家高程基準，將“縣級分等單元”（XJFDDY）矢量數據與行政界限等基礎要素進行空間疊加分析操作。其中，剔除6個涉及中華山林場、花山林場等沒有耕地的行政村，共剩余400個行政村。

1.4.2 耕地質量指數面積加權平均。耕地質量指數（耕地質量國家自然等指數、利用等指數和經濟等指數）和耕地面積是耕地的2項主要空間屬性。所收集的廣水市2015年耕地質量等別、更新監測矢量成果是圖斑空間單元，需要通過加權平均法預處理數據，得到廣水市各個行政村的國家級加權等指數，再通過ArcGIS 10.2提取工具，提取出行政鎮的國家級加權等指數。將廣水市、行政鄉鎮（含街道辦事處）分別作為研究單元進行空間自相關分析處理。村級耕地質量指數加權平均公式：

Ri= Rij×Sij Sij （4）

式中，Ri為第i個行政村的國家級耕地質量指數；Rij為第i個行政村中第j塊圖斑的國家級耕地質量指數；Sij代表第i個行政村中第j塊圖斑的地類面積。

2 結果與分析

2.1 耕地質量空間分布

對耕地質量進行評價時，自然等指數、利用等指數、經濟等指數這3項耕地質量指數是衡量耕地質量高低的重要指標和依據。自然指數表示耕地的自然質量情況，是基礎；利用指數表示耕地利用情況好壞，是保障；經濟指數是表示耕地的經濟利用價值，關乎耕地經濟實際狀況。

根據耕地質量指數面積加權公式（4），將廣水市的XJFDDY中耕地圖斑的耕地質量指數與圖斑地類面積轉換到村級尺度，得到廣水市擁有可利用耕地的400個行政村的耕地質量指數和耕地等別。借助ArcGIS 10.2軟件平臺，將耕地等指數采用等間距法對耕地進行劃分，其中國家自然等指數按照400的間距劃分，國家利用等指數和國家經濟等指數按照200的間距劃分，得到3種類型的各行政村耕地質量空間分布圖。由圖1可知，國家自然等指數主要集中在4 000～4 400區間，5等地占大多數，整體處于較高水平，中北部的蔡河鎮、郝店鎮、吳店鎮3鎮的大多區域耕地質量處于高值區，其他區域處于相對較低的分布狀態；國家利用等指數主要集中在1 800～2 200區間，整體水平較高，空間上呈現“西北角”（余店、關廟2鎮）低，其他區域相對較高的分布狀態；國家經濟等指數的空間分布特征與國家利用等指數空間分布特征相似。

2.2 縣級尺度耕地質量空間自相關

通過ArcGIS 10.2和GeoDa軟件，分別對2015年廣水市耕地質量國家自然等指數、利用等指數、經濟等指數進行全局Morans I值進行計算。由表1可知，廣水市耕地質量指數Morans I值均大于0.5，且處于較高水平，顯著性檢驗值P都為0，小于顯著性水平0.05，Z 得分均較高，則隨機 產生此聚類模式的可能性小于1%，綜上表明，廣水市耕地質量呈現較強的空間正相關集聚狀態。3項耕地質量指數Morans I值為國家經濟等指數>國家利用等指數>國家自然等指數，表明廣水耕地經濟質量和利用質量所表現出的空間正相關集聚特性相對較強，空間格局上的空間變異性相對較弱，呈現出集聚態勢；而耕地自然質量空間正相關性最弱，在空間格局上表現為相對分散。

上述結果進一步表明，在廣水市域范圍內，其耕地自然屬性在空間格局上分布相對分散，空間變異性相對較強；而耕地利用水平或經濟狀況表現出相對集聚的態勢。究其原因，廣水市長期以來對耕地過度使用和開發，而疏于耕地的養護和改良，導致其自然屬性呈現出較差的狀態。據此，在未來耕地保護及改良過程中，應結合當地實際，在適當對耕地進行開發利用的過程中，提高耕地保護和管理水平，加強遭到破壞的劣質耕地的改良工作，使耕地呈現出“經濟+生態”的優質狀態。

2.3 鄉鎮級尺度下耕地質量空間自相關分析

為了探究更小尺度下的耕地質量空間自相關性，更好地了解廣水市在縣級尺度下耕地質量的內部差異和細節特征，借助Arcgis 10.2平臺，將廣水市下屬的17個鄉鎮（含街道辦事處）作為研究單元，提取相關數據分析，并進行鄉鎮級尺度上的耕地質量指數Morans I值計算。

由表2和圖2可知，鄉鎮級的各項耕地質量指數Morans 值平均值均小于縣級耕地質量指數Morans 值，表明鄉鎮級尺度下的耕地質量空間表現出的相關性小于縣級，鄉鎮級尺度下的耕地質量表現出來的空間正相關集聚態勢不如縣級明顯。根據公式（3）分別求出各鄉鎮耕地質量國家自然等指數、利用等指數、經濟等指數的變異系數，分別是37.71%、32.79%、31.80%，呈現出遞減態勢，表明國家自然等指數的波動幅度最大，國家經濟等指數的波動幅度最小，國家利用等指數波動幅度居中但也偏小。在對17個鄉鎮耕地質量指數Morans 值計算中，應山街道辦事處的3項耕地質量指數Morans 值均高于縣級水平，而楊寨鎮3項耕地質量指數Morans 值均處于較低水平，空間格局上則表現出離散性較強的態勢。耕地質量國家自然等指數Morans I值大于縣級水平的有應山街道辦事處、吳店鎮、城郊鄉；耕地質量國家利用等指數Morans I值大于縣級水平的有應山街道辦事處、城郊鄉；耕地質量國家經濟等指數Morans I值大于縣級水平的有應山街道辦事處。

2.4 縣、鄉鎮兩級尺度下耕地質量空間自相關對比分析

目前，國內對耕地質量的評價主要是以自然等指數、利用等指數和經濟等指數或者等別情況來進行描述。對于3項耕地質量指數，在空間格局上表現態勢也已經有一些較為成熟的研究成果，但是對于在不同尺度下對同一耕地質量指數的研究較少。主要對廣水市在縣、鄉鎮兩級尺度下耕地質量空間自相關情況進行對比分析。由表3可知，縣、鄉鎮兩級尺度下的3類耕地質量指數Morans I值均呈現出國家經濟等指數>國家利用等指數>國家自然等指數的遞減關系；且3類耕地質量指數Morans I均值均大于0.5，表現出顯著的正相關性；3類耕地質量指數Morans I值，縣級值明顯大于鄉鎮級值，表明縣級相對鄉鎮級來說，表現出更加強烈的正相關，也就表明在空間格局上表現出更加集聚的態勢；從鄉鎮級的變異系數來看，呈國家經濟等指數<國家利用等指數<國家自然等指數的遞增關系，表明國家自然等指數的Morans I值變動幅度最大，其空間變異性最強，耕地的集聚性不夠大，國家經濟等指數Morans I值變動幅度最小，其空間變異性最弱，耕地的集聚性夠大。

3 結論與討論

基于空間自相關Morans I分析方法，以湖北省廣水市為例，以國家自然等指數、國家利用等指數、國家經濟等指數為空間變量，從縣、鄉鎮兩級尺度上分別進行全局空間自相關分析，探討了耕地質量的空間集聚規律和內部差異性特征。得出以下結論：

（1）廣水市耕地質量在空間分布上呈現出一定的集聚性規律，就分布規律而言，“中北部”的耕地質量較高，“西北角”耕地質量相對較低，其他地方耕地質量處于中等水平且較集中。

（2）廣水市耕地質量在縣級尺度上，3項耕地質量指數Morans I值均大于0.7，呈現出較強的空間自相關，說明在空間格局上呈現出很強的集聚態勢；在鄉鎮級尺度上，3項耕地質量指數Morans I值平均值均大于0.5，同樣呈現出較強的空間自相關和空間上的集聚態勢。

（3）縣、鄉鎮兩級尺度上，耕地質量指數Morans I值均呈現出國家經濟等指數>國家利用等指數>國家自然等指數的遞減特征，表示耕地經濟質量表現出的空間正相關特性相對較強，空間變異性相對較弱，而耕地自然質量表現出的空間正相關集聚性相對較弱，空間變異性相對較強。另一方面，縣級尺度的耕地質量指數Morans I值均大于鄉鎮級耕地質量指數Morans I值平均值，但應山街道辦、城郊鄉、吳店鎮等鄉鎮耕地質量指數Morans I值又在很高的水平，大于縣級尺度耕地質量指數Morans I值，在一定程度上表現出耕地質量空間內部的相關性和差異性等內部細節特征。

通過上述研究，提出以下思考：耕地質量空間自相關的研究，可以進一步利用ArcGIS和GeoDa軟件評價，結合局部自相關的分析方法和LISA集聚圖，更加科學、全面、綜合地探討耕地質量的空間相關性這個“第4維”指標；對于尺度的選取，可以再嘗試擴大到全國、省宏觀尺度，亦或縮小的行政村微觀尺度，全方位、多角度地進行比較和分析，更加深刻地認識耕地質量的空間格局特征。通過耕地質量的空間自相關研究，對耕地質量保護和評價、耕地文化保護、耕地保護區分區和耕地的精細化管理等提供了更加有力的依據，對土地整治、基本農田劃定等工作具有更高的參考價值。

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