縣域耕地保護分區方法與實證

孫超 任艷敏 范文洋

摘要：科學合理制定耕地保護分區方案，是實現耕地差異化保護的前提和基礎。運用局部空間自相關分析法，揭示吉林省樺甸市耕地質量的空間集聚特征和空間關聯關系，并據此提出耕地保護分區方案。結果表明：（1）樺甸市耕地自然等指數、利用等指數和經濟等指數整體上均呈現中部高、四周低的分布特征，且空間集聚性顯著。（2）局部空間自相關分析結果顯示，顯著正相關類型多以帶狀或片區形式出現，聚集性較強;顯著負相關類型無明顯集中區域，面積較小，且零星分布。（3）按照耕地保護分區規則，結合樺甸市生態保護紅線，將57種組合劃分為永久耕地保護區、農業結構調整區、土地整治重點區、可調整建設區、休耕輪作區和退耕還林區，制定差異化管理保護措施。結果可為樺甸市耕地保護提供決策依據，為相似縣域耕地保護分區提供方法參考。

關鍵詞：耕地保護;耕地質量;分區方法;空間自相關分析;樺甸市;差異化;耕地保護措施

中圖分類號： F301.21 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）22-0279-05

2017年我國糧食總產量61 791萬t，屬歷史上第2高產年。但是在糧食產量連續增長的背后，我國人均耕地面積由0.11 hm2減少到0.09 hm2[1]，耕地質量總體偏低，中等和低等地面積占全國耕地評定總面積的70.51%，同時面臨著華北平原地下水漏斗區不斷擴大[2]、黃淮海平原區土壤pH值降低[3]、東北平原濕地面積急劇減少[4]、黑土地有機質含量下降、湖南省耕地重金屬污染嚴重[5]、西南地區耕地石漠化[6]等現實問題。為此，中央陸續制定出臺“嚴守18億畝耕地紅線”“實施藏糧于地、藏糧于技戰略”“探索實施耕地休耕輪作制度”“建立糧食生產功能區和重要農產品生產保護區”等政策、戰略，耕地保護的地位不斷上升、耕地保護的內涵持續擴大，對耕地差異化管護提出了現實需求。在縣域尺度上科學設定耕地保護區域，實施差別化管理，是耕地保護制度“落地”的重要保證，也是實現耕地質量保護與提升的重要抓手。

目前，有關耕地保護的研究較多，主要圍繞資源稟賦[7]、生態安全[8]、土地利用功能[9]、經濟補償機制[10]、輪作休耕[11]、耕地質量空間分布[12]、耕地歷史數據重構[13]等方面展開。其中，耕地質量空間分布特征備受關注，孔祥斌等基于農用地分等國家級匯總結果，分析了西部地區12省份耕地質量的空間分布特征[14];熊昌盛等引入局部空間自相關分析模型，在廣東省廣寧縣劃分出高標準農田建設優化區域、重點區域、后備區域和一般區域[15];楊建宇等運用局部空間自相關和Moran散點圖結合的方法，基于村域尺度從耕地3個維度（自然、利用、經濟）分析陜西省高平市耕地質量的空間局部特征，提出耕地保護分區的思路[16];張貞等采用MoranI（莫蘭指數）空間自相關分析方法，證實了重慶市丘陵山區水田和旱地的質量等級存在顯著的空間正相關關系[17]。總體來看，關于宏觀、中觀尺度上的耕地質量空間特征研究較多，但大多研究未能落到具體地塊，影響了空間特征描述與分區的精確程度。本研究以耕地綜合質量指數為空間變量，引入局部空間自相關分析法，探索耕地質量在地塊尺度上的空間聚集規律，并結合生態保護紅線劃分耕地保護區，以期為吉林省樺甸市耕地保護提供決策依據，并為相似縣域耕地保護分區提供方法參考。

1 研究區域概況與研究方法

1.1 研究區概況與數據來源

樺甸市位于吉林省東南部，地處長白山區向松遼平原過渡的前緣，土地面積為6 520.80 km2，全市明顯分為山地、低山丘陵和溝川溝谷平地3個部分。耕地面積為 174 019.57 hm2，約占土地總面積的26.69%。當前，樺甸市耕地處于高利用率的狀態，加之長期粗放耕作、保護性措施缺失、養護管理水平低等因素，耕地出現了土壤肥力下降、黑土層變薄以及土地沙化、鹽堿化等問題。本研究數據主要來源于《2014年樺甸市耕地質量更新成果》《2015年樺甸市土地利用變更調查數據》《樺甸市生態保護紅線劃定報告》和2015年高分二號衛星影像等。

1.2 研究方法

本研究的基本思路是：將研究區的耕地圖斑進行剔除異常值等預處理;借助空間自相關方法，揭示耕地自然等指數、利用等指數、經濟等指數的空間分布模式;開展耕地質量局部空間自相關類型的組合分析，依據數據的空間隨機分布、空間異常分布、高值聚集分布、低值聚集分布特點，并結合樺甸市生態保護紅線范圍，劃分耕地保護類型區。

式中：Ii為單元i的局部Morans I;σ2為方差。利用GeoDa中的局部自相關工具對研究數據進行計算得出，Z得分大于正態分布函數在0.01水平下的臨界值2.58，通過顯著性檢驗，將評價單元劃分為5種類型，其中顯著高-高型（HH型）是高值與高值關聯的聚焦點，表示該評價單元及其周圍評價單元的屬性特征值都較高;顯著低-低型（LL型）是低值與低值關聯的聚焦點，表示該評價單元及其周圍評價單元的屬性特征值都較低;顯著高-低型（HL型）和顯著低-高型（LH型）是異常值關聯區，表示該評價單元及其周圍評價單元的屬性特征值有較強的異質性;非顯著型（N型）是空間隨機分布的區域，表示沒有通過局部Morans I顯著性檢驗，空間集聚性不強。

1.2.3 耕地保護分區 為了直觀清楚地了解各耕地圖斑的綜合質量和其相鄰區域耕地質量情況，將自然等指數、利用等指數和經濟等指數的局部空間自相關結果進行順序組合，制定了耕地保護分區規則（表1），即在一個圖斑組合情況為 HH-LL-HL 中，HH、LL、HL分別代表該圖斑自然等指數、利用等指數、經濟等指數的空間自相關結果。分區規則為：（1）HH型是高指數分值耕地高度聚集區域，且局部范圍內呈現明顯的均質狀態，因此將耕地綜合質量組合中遴選出的包含HH且不包含LL、HL、LH的組合作為永久耕地保護區。（2）LL型恰好與HH型相反，表示低分值聚集區域，且局部范圍內呈現均值狀態，將遴選出的包含LL且不包含HH、HL、LH的組合作為可調整建設區域。此外，對該區域進一步細分，將可調整建設區與樺甸市生態保護紅線劃定范圍疊加，提取生態紅線保護區內的可調整建設區圖斑，將地形坡度小于15°的耕地劃入休耕輪作區;將地形坡度大于15°的耕地劃入退耕還林區，而生態保護紅線外的可調整建設區依然為可調整建設區。（3）局部空間自相關組合N-N-N是指該區域耕地質量在空間上隨機分布，從空間集聚特性中很難分辨該圖斑或區域耕地特征，將其劃入農業結構調整區域。（4）HL型（或LH型）是局部區域內高（低）分值指數耕地集中在中部，周圍多以低（高）分值耕地包圍，為避免耕地綜合質量下降，應實施土地綜合整治工程，以改良低分值耕地為重點。將永久耕地保護區、可調整建設區、農業結構調整區外的其他組合劃為土地整治重點區。

2 結果與分析

2.1 耕地質量空間分布特征

由圖1可知，自然等指數較高的耕地主要分布在金沙鎮、橫道河子鄉等平原地區，該區域耕地自然稟賦良好;自然等指數較低的耕地在各鄉（鎮）均有分布，主要集中在丘陵地區，受地形坡度較大、障礙層距地表深度較小等因素制約，自然條件較差。利用等指數空間分布類似于自然等指數，高分值區域聚集在縣域中部金沙鎮周圍，以組團形式出現，低分值區域分布在山區丘陵地區。與自然等指數和利用等指數相比，經濟等指數在等別占比和空間分布上均存在較大差異，高等別耕地分布在橫道河子鄉和二道甸子鎮，最低等別面積占總面積的43.07%，占比較大。

2.2 全局、局部空間自相關分析

采用GeoDa軟件進行全局空間自相關分析，樺甸市耕地自然等指數、利用等指數、經濟等指數的Morans I值分別為0.810 7、0.887 6、0.942 4，表明全市耕地質量在空間上表現出顯著正相關性，且耕地利用等指數和經濟等指數的空間正相關性更強。采用局部Morans I進一步分析評價單元的空間集聚程度，以便更深入地發現局部的集聚和變異特征。結果表明，在99%的置信度下，大部分評價單元的空間分布模式表現為N型。HH型和LL型的圖斑個數和占比反映了耕地質量指數的正相關顯著程度，其結果與全局空間自相關結果基本一致。

2.2.1 耕地各指數局部自相關分析 結合表2與圖2-a可知，在自然等指數局部空間自相關中，N型耕地面積最大，為115 900.18 hm2，其次是HH型與LL型，面積分別為 35 261.61、21 009.78 hm2;LH型與HL型的面積較小，分別為1 475.51、372.49 hm2。從空間上看，HH型主要分布在金沙鎮中部、樺郊鄉北部、橫道河子鄉和八道河子鎮;LL型主要分布在紅石砬子鎮北部、八道河子鎮、橫道河子鄉，其余各鄉（鎮）也有少量分布;LH型和HL型主要分布在HH型四周，呈點狀分布。

結合表2與圖2-b可知，在利用等指數局部空間自相關中，N型面積仍然最大，占總面積的62.84%。與自然等指數自相關分析相比，變化最大的是LL型，增加了 12 306.77 hm2;HH型面積略有減少，為30 606.52 hm2;LH型與HL型由于基數較小，變化量也較小。從空間上看，樺甸市利用等指數局部空間自相關呈現明顯的“西北組團”“東南組團”低值集聚以及“中部組團”高值集聚的特征。金沙鎮、公吉鄉、樺郊鄉以及二道甸子鎮西部利用等指數高于其他鄉（鎮），且呈空間集聚狀態。

結合表2與圖2-c可知，經濟等指數局部空間自相關各類型面積與利用等指數相比差異不大，N型面積在 110 000 hm2 以上，正相關類型HH型與LL型的面積均大于30 000 hm2，負相關類型LH型與HL型的面積均低于 500 hm2。從空間上看，經濟等指數局部空間差異較為明顯，HH型集中在市區周邊、橫道河子鄉、金沙鎮中部和二道甸子鎮中部4個片區，LL型主要分布在金沙鎮東部、二道甸子鎮北部、夾皮溝鎮東北部和公吉鄉北部。

2.3 耕地保護分區結果

依據耕地自然等指數、利用等指數和經濟等指數局部空間自相關關聯集聚類型進行組合，得到57種組合。按照耕地保護分區規則（表1），結合樺甸市生態保護紅線，將57種組合劃分為永久耕地保護區、可調整建設區、休耕輪作區、退耕還林區、農業結構調整區和土地整治重點區（圖3），并提出差異化的耕地保護措施。

（1）永久耕地保護區。該區耕地面積為47 305.35 hm2，主要分布在金沙鎮中部、樺郊鄉中部、橫道河子鄉中南部。該區耕地綜合條件優越，建議嚴禁非農占用，繼續加強對耕地的建設和保護，以期對周邊質量較低的耕地產生擴散效應。

（2）可調整建設區。該區耕地面積為37 640.32 hm2，主要分布在八道河子鎮中部、公吉鄉中部、二道甸子鎮和金沙鎮交界處（原樺樹林子鄉）以及橫道河子鄉東部，紅石砬子鎮和夾皮溝鎮也有少量分布。該區耕地的自然條件較差，地勢起伏較大，道路通達度較低，耕地的投入產出相對較低，是進行非農化整治的可選區域。

（3）休耕輪作區。該區耕地面積為11 584.2 hm2，主要分布在松花江沿岸以及橫道河子鄉北部肇大雞山國家森林公園，紅石砬子鎮、夾皮溝鎮和樺郊鄉有少量分布。該區域屬于樺甸市生態保護紅線范圍內的飲用水源保護區和水源涵養水土保持區，耕地綜合質量較差。建議按照東北冷涼區休耕輪作模式，結合自身自然資源稟賦，推廣“一主三輔”種植模式。“一主”：實行玉米與大豆輪作，發揮大豆根瘤固氮養地作用，提高土壤肥力。“三輔”：實行玉米與馬鈴薯等薯類輪作，改變重迎茬，減輕土傳病蟲害，改善土壤物理和養分結構;實行玉米與谷子、高粱、燕麥、紅小豆等耐旱耐瘠薄的雜糧雜豆輪作，減少灌溉用水量，滿足多元化消費需求;實行玉米與花生、向日葵、油用牡丹等油料作物輪作，增加食用植物油供給量。

（4）退耕還林區。該區的耕地面積最小，僅為 2 050.25 hm2，主要分布在肇大雞山國家森林公園和松花江“三湖”國家級自然保護區內。該區耕地質量很差，耕地坡度均在15°以上且遠離村莊，耕作十分不便，部分耕地已經出現撂荒現象，因此劃入退耕還林區。

（5）農業結構調整區。該區耕地面積最大為 62 820.36 hm2，主要分布在金沙鎮、八道河子鎮、樺郊鄉3個鄉（鎮），紅石砬子鎮、常山鎮、公吉鄉也有分布。緊密結合“一園一帶兩區”的農業發展格局，因地制宜實施綜合性調整措施，突出特色，改善布局，形成“一鄉一業”“一村一品”的特色經濟，進而實現投入產出最大化。

（6）土地整治重點區。該區耕地面積為12 619.06 hm2，主要分布在公吉鄉北部和二道甸子鎮。該區域耕地質量呈現

異常分布，按照“改、培、控”的思路對低分值耕地予以重點改良，針對耕地土壤障礙因素，治理水土侵蝕，改良土壤理化性狀;通過增施有機肥、實施秸稈還田、開展測土配方施肥，提高土壤有機質含量、平衡土壤養分，培肥地力;控施化肥，提高化肥利用率，減少不合理施肥造成的面源污染。

3 結論

樺甸市耕地質量總體偏低，在空間上呈現“中部高、四周低，平原高、丘陵低”的分布特征;耕地自然等指數、利用等指數和經濟等指數均呈現顯著的空間自相關性，空間集聚特征明顯;空間正相關類型多以組團形式出現，集聚性較強;負相關類型無明顯集聚性，零散分布在各鄉（鎮）。

結合耕地質量局部自相關分析結果和分區原則，將樺甸市耕地劃分為6個類型區。其中，農業結構調整區和永久耕地保護區面積較大，占耕地總面積的63.28%，且分布較為集中;可調整建設區面積為37 640.32 hm2，主要分布在公吉鄉中部、二道甸子鎮和金沙鎮交界處等地區，是非農化利用的可選區域;土地整治重點區和休耕輪作區面積分別為 12 619.06 hm2 和11 584.20 hm2，是樺甸市耕地質量提升的重點區域;退耕還林區面積最小，僅為2 050.25 hm2。

本研究依據不同耕地質量內涵和對應的空間聚類組合類型制定耕地保護分區方法，該方法不僅考慮了耕地的自然條件、利用水平和經濟狀況，同時將空間屬性納入到耕地保護分區中，為耕地保護分區提供了新思路。

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