珠三角耕地質量局部空間自相關分析

葉云 趙小娟 胡月明

摘要：目前關于耕地質量空間格局方面的研究相對較少，以農業、農村經濟發展最快以及經濟發達的華南丘陵平原區珠三角為研究區域，在對珠三角耕地質量進行科學評價的基礎上，分析其鎮級耕地質量空間分布特征，利用局部Morans I指數，探索其空間關聯性。結果表明：珠三角耕地各類型質量的空間分布格局均有所差異。耕地質量存在局部空間自相關，表現為質量高和質量低的地方有較顯著空間聚集性。各類型質量空間聚集類型有較大差異，大部分鄉鎮在空間上表現為非顯著型。從空間關聯格局來看，自然質量正、負相關類型均呈現零散分布;經濟質量無負相關類型，HH和LL型都是以組團形式出現，集中性較強;利用質量中屬于正相關類型分布范圍較廣，負相關類型多零星分布無明顯集中區域，局部空間關聯格局同利用質量基本一致;生態質量與經濟質量的空間布局類似。

關鍵詞：中國珠三角地區;耕地質量;空間格局;局部空間自相關;Morans I指數;結構特征;耕地分區保護;政策建議

確保足夠數量和一定質量的耕地，是保障國家糧食安全、經濟發展和社會穩定的需要，也是生態環境保護的需要[1]。對耕地質量空間格局的深入分析，有助于耕地分區保護等政策或措施的制定，為實現國土資源空間優化配置提供空間依據，對其他類似地區耕地資源保護及合理利用具有重要的理論和實踐意義[2]。耕地質量研究仍然是當今耕地研究的核心和重點之一，國內外學者從不同角度對耕地質量內涵[3]、評價指標體系[4-5]、評價方法[6-7]以及評價結果運用等方面展開了相關研究。但是關于耕地質量空間格局差異性特征等方面的研究卻相對較少，近年來才相繼有學者從不同側重點對農用地質量的空間格局進行了相關研究[8]。任奎等學者分別對不同省份農用地質量的空間分布規律及其影響因素進行了研究[9-12]。在研究內容上，袁天鳳等分析了耕地質量分布與經濟發展的空間耦合關系[13];張貞等對重慶丘陵山區耕地自然質量向耕地經濟質量轉變的過程及其空間分布格局進行了分析[14];宋戈等分析了松嫩高平原黑土區的耕地質量總體特征及空間與行政區域分布特征[15]。Kraemer等對哈薩克斯坦地區農業用地覆蓋變化及耕地擴張潛力格局進行了分析[16]。在研究方法上，學者們也采用不同的方法對耕地質量空間格局進行分析，如張超等采用空間自相關分析方法對北京市大興區耕地自然質量的空間分布特征進行研究[17];而趙丹等運用趨勢面和相關分析相結合的方法研究了耕地質量空間分布規律及影響因素[18];李濤等則基于農戶決策行為分析耕地質量空間變異性特征規律[19]。總體來看，目前對耕地質量空間格局進行空間自相關分析的研究還比較少。珠三角是廣東經濟最發達的地區，也是農業、農村經濟發展最快的地區，同時作為華南典型丘陵平原區，具有很好的研究價值和代表性。因此本研究以珠三角為研究區域，在對珠三角耕地質量進行科學評價的基礎上，開展其耕地質量空間格局特征及相關研究，以耕地質量的空間差異為切入點，考慮質量及空間分布影響，尤其是從空間格局分布上探討其差異及結構特征，有助于耕地分區保護等政策或措施的制定。

1 研究區域概況

珠三角位于廣東省的中南部，珠江下游，地處111°59′～115°26′E，21°27′～23°56′N。行政轄域包括9個地級市，涉及48個縣（區），土地面積占廣東省國土面積的 23.2%。屬南亞熱帶海洋季風氣候，雨熱充沛，溫暖濕潤，年均氣溫為21～23 ℃，多年平均降水量在1 600～2 300 mm之間，界內有數千條大小河道縱橫交錯。三角洲平原土地肥沃，土壤類型多樣，可分為5個土類，包括水稻土、赤紅壤、石灰土、紫色土、潮土等。2014年珠三角土地總面積為547.54萬hm2，其中耕地面積為61.59萬hm2（不包含可調整地類），占全省耕地總面積的23.49%。

2 研究數據及方法

2.1 數據來源及處理

研究數據主要涉及氣象、水文、土壤、地貌等自然條件統計資料。包括珠三角區域2014年行政區劃圖、交通道路，土地利用現狀調查及規劃資料等;珠三角及周邊區域41個氣象站點2014年的年日照時數、年降水量等數據，均來源于廣東省氣象局;土壤屬性數據來源于第2次土壤普查資料，包括土壤志、土種志、土壤普查報告等;地質災害易發區相關數據來源于《廣東省地質災害防治規劃》（2011—2020年）。影像數據主要是在地理空間數據云平臺下載的2014年多幅30 m分辨率TM遙感數據。社會經濟數據來源于2015年《廣東農村統計年鑒》、《廣東統計年鑒》及2014年各地市統計年鑒、國民經濟和社會發展統計公報等，所涉及的部門包括農業、國土、水利、規劃、環保、統計等部門。

對TM遙感影像數據的預處理主要包括輻射定標、大氣校正以及影像的拼接和裁剪等。遙感數據分類參考GB/T 21010—2007《土地利用現狀分類》以及中科院土地利用覆蓋分類體系，結合珠三角區域TM遙感影像特點和景觀異質性，提取出耕地、林地、草地、水域、建設用地和未利用地。分類結果的精度檢驗是從遙感圖像上隨機選擇了100個樣點，保證各地類都有覆蓋，采用目視解譯的方法結合實地調查與第2次土地調查成果，結果表明影像分類總體精度達到87.3%，Kappa系數大于0.7，分類達到了使用要求。

2.2 研究方法

2.2.1 耕地質量評價體系及權重 劃分珠三角耕地質量評價單元采用網格法，考慮到評價區域的因素差異及面積，以500 m×500 m網格作為評價單元。采用資料統計和專家咨詢法，根據珠三角區域特點，從自然質量、經濟質量、利用質量、生態質量等4個方面構建適用于該區域的評價體系，依據層次分析法結合專家經驗判斷指標權重，各指標量化分析參考相關文獻[20-23]，具體見表1。

質量評價采用多因素綜合法，根據各參評因子的分級得分值及其權重，利用加權指數和模型計算耕地質量綜合得分值。并采用[0，100]實現指標屬性分值到耕地質量綜合評價分值之間的轉換[24]，利用ArcGIS柵格計算器將上述各個因素圖層進行加權疊加，得出耕地單元的平均評價分值。

3 結果與分析

3.1 珠三角鎮級耕地質量空間分布特征

參照上述方法實現耕地質量分由耕地單元向鄉鎮尺度的轉換。在ArcGIS平臺中，對于鄉鎮耕地質量分值參照自然斷點法進行分級，將其劃分為相應等級，并輸出得到如圖1所示的鄉鎮耕地自然質量分值、經濟質量分值、利用質量分值、生態質量分值的分布圖，分值分為5級，分值越高質量越好的為1級，依次遞減，最差的為5級，0表示此區域沒有耕地。

由圖1可知，在空間分布特征上，鎮級耕地自然質量等級的空間分布較零散，珠三角縣域中的鄉鎮均有不同自然質量級別的耕地分布，整體來看，中部珠三角平原區如廣州市部分鄉鎮，以及深圳市、中山市的大部分鄉鎮耕地自然質量較好;鎮級耕地經濟質量地域差異較明顯，質量等級分布比較集中，中部發達地區耕地經濟質量相對較高，西北部山地丘陵區經濟相對落后，其耕地經濟質量等級也較低;鎮級耕地利用質量表現為珠三角區域偏東南整體水平較差，其余地區耕地利用質量則相對較高;鎮級耕地生態質量等級分布也較集中，生態質量較差的耕地主要集中在珠三角北部廣寧縣、四會市、鼎湖區的部分鄉鎮以及南部中山市、南沙區、新會區的部分鄉鎮，生態質量較好的耕地主要集中在西南部臺山市以及中部地區的部分鄉鎮。

3.2 局部LISA分析及Moran散點圖

將珠三角鄉鎮行政單元先進行處理，由于城市中心部分街道、鄉鎮沒有耕地數據，因此采用合并的方式進行處理，例如廣州市荔灣區的花地街、石圍塘街、茶滘街、多寶街、沙面街、嶺南街、華林街、昌華街、彩虹街、南源街、西村街、逢源街、龍津街、金花街、站前街等，將這些沒有耕地的鎮街合并成一個空間單元，便于后續分析處理，其他相類似區域也進行相同處理，合并后珠三角仍有廣州市越秀區、深圳市福田區和鹽田區3個縣級行政區沒有耕地分布。

對以珠三角鄉鎮為空間單元的耕地質量進行局部空間自相關分析，采用Rook關系取一階鄰接方式來構造空間鄰接矩陣。在確定空間權重的基礎上，采用GeoDa軟件進行數據處理，得到珠三角各鄉鎮耕地質量指數局部空間自相關性散點圖，如圖2所示，Morans I值即為反映局部空間自相關性的特征值，均表現出正相關性，其空間相關性呈現逐漸增加的特征，須要注意的是，自然質量的指數表現出較弱的空間正相關性。

3.3 局部自相關結果分析

對鎮級各類耕地質量分值的局部自相關性類型進行統計得到表2，表中各空間自相關類型統計個數是在P<0.05，即置信度為95%下的統計結果。與統計結果相對應的局部空間關聯聚集圖見圖3，反映具體的空間分布情況。

由表2與圖3-a可知，在95%的置信度下，珠三角大部分鄉鎮耕地自然質量在空間上表現為非顯著型。針對以鄉鎮為研究單元的耕地自然質量局部空間自相關類型結果而言，屬正相關類型的HH型與LL型各有51、67個鄉鎮，分別占珠三角鄉鎮總數的10.58%、13.90%，總計占鄉鎮總數的 24.48%;而屬負相關類型的HL型與LH型的鄉鎮分別有7、12個，合計占鄉鎮總數的3.94%;非顯著型鄉鎮有345個，占鄉鎮總數的71.58%。相較而言，正相關類型鄉鎮個數相對于負相關類型占多數，正、負相關類型對比來看，正相關類型處于優勢主導地位。從空間分布格局來看，正、負相關類型均呈現零散分布，其中HH型主要分布珠三角中部如白云區、荔灣

區的大部分區域，三水區中南部，番禺區北部以及南沙區北部、中山市中部部分鄉鎮，斗門區與新會區相鄰區域鄉鎮，寶安區大部分區域等。從實際分布來看，這些地區地處珠三角平原地帶，地勢平坦，珠江、西江、北江、東江等河流貫穿而過，有良好的灌溉排水條件，土質較好、土壤肥沃，耕作自然條件優越;LL型則主要分布于在廣寧縣、德慶縣的大部分區域，高明區西部，鶴山市、恩平市北部，順德區中部，東莞市東南部以及惠城區和惠陽區的部分區域，與此相對應的區域也多數處于半山丘陵地帶，地勢較高，排灌條件較差，自然適宜性不高。HL型和LH型多呈現零星分布，其中HL型散布于廣寧縣東南部鄉鎮，東莞市西南部，博羅縣的北部和南部以及惠城區的部分鄉鎮;LH型主要分布于花都區東部，高要區北部，博羅縣西部，廣州市中心城區，深圳市南部以及中山市中部靠北的區域。

由表2與圖3-b可知，從耕地經濟質量局部空間自相關分析的結果來看，屬于正相關類型的HH型和LL型各有121、107個鄉鎮，分別占珠三角鄉鎮總數的25.10%、22.20%，合計占47.30%，負相關類型HL型和LH型均有0個鄉鎮;其余則為非顯著型，共有254個鄉鎮，占珠三角鄉鎮總數的52.70%。再從空間格局來分析，HH型和LL型都是以組團的形式出現，集中性較強，其中HH型主要集中在珠三角的中部區域，廣州-佛山-中山一線，包括廣州市北部大部分區域和南部的南沙區，佛山市的南海、順德區域，西部的端州區、鼎湖區、高要區的部分鄉鎮，蓬江區、江海區的北部，以及中山市的大部分地區。因為這一帶區域內經濟發展水平相對較高，交通道路四通八達使得產品相互流通，便于耕地經濟效益的提升，耕地產出率也相應較高，靠近城市中心因此輻射帶動作用也強;LL型也是以組團的形式分布在珠三角區域的四周，主要包括珠三角西北部的懷集縣、封開縣和廣寧縣的西部鄉鎮，珠三角西南部的恩平市和開平市、臺山市的大部分鄉鎮，珠三角東北部的從化市、龍門縣，東部的惠東縣和惠城區部分區域。LL型的組團區域多屬于丘陵山地，灌排條件較差，經濟發展水平相對落后，交通通達度相對較低，城市中心輻射帶動作用也較弱。

根據表2與圖3-c可知，以鄉鎮為研究單元的利用質量局部空間自相關結果中，屬正相關類型的HH型和LL型分別有86、79個鄉鎮，合計占珠三角鄉鎮總數的34.23%，屬于負相關類型的HL型和LH型分別有5、9個鄉鎮，兩者僅占鄉鎮總數的2.91%，其余非顯著型鄉鎮占鄉鎮總數的62.86%。對比正、負相關類型來看，正相關類型處于絕對優勢地位。就其空間格局而言，正相關類型分布范圍較廣，負相關類型多零星分布，無明顯集中區域，各類型空間分布格局同耕地利用質量局部空間關聯格局基本一致。正相關類型中HH型分布于懷集縣東部、南部部分鄉鎮，廣寧縣、德慶縣交界處區域，珠三角東北部從化市、龍門縣、增城市、博羅縣的部分鄉鎮，以及珠三角西南部臺山市、開平市、鶴山市一帶。這些區域耕地利用條件較好，耕地連片性及人均耕地面積都相對較高，且多分布在住宅周邊，便于農民耕種;LL型主要分布在東莞市，深圳市部分區域，海珠區、番禺區的小范圍鄉鎮，順德區大部分區域，南部的新會區、江海區相接區域，以及中山市、香洲區中部地區。這些區域耕地利用條件相對較差，可利用面積較少，且耕地較破碎，不利于大范圍機械化操作與耕作管理。負相關類型中HL型僅離散分布于天河區、斗門區和中山市的幾個鄉鎮;LH型則零星分布在鼎湖區西北角，端州區南部，博羅縣的幾個鄉鎮，以及惠城區、惠東縣部分區域，均無明顯的集中特征。

根據表2與圖3-d可知，以鄉鎮為研究單元的生態質量局部空間自相關結果中，屬正相關類型的HH型和LL型分別有106、83個鄉鎮，合計占珠三角鄉鎮總數的39.21%，屬于負相關類型的只有LH型，僅有3個鄉鎮，占鄉鎮總數的 0.62%，其余的非顯著型鄉鎮占鄉鎮總數的60.17%。對比正、負相關類型來看，正相關類型處于絕對主導地位。從空間格局來看，與經濟質量的空間布局類似，HH型和LL型也都是以組團的形式分片區集中分布。其中HH型主要分為4個片區，包括懷集縣北部，高要-高明-禪城-番禺一帶，臺山市、開平市大部分區域以及增城-博羅-惠城片區。LL型集中分在廣寧-四會-德慶-高要-鼎湖片區、蓬江-江海-新會-中山-南沙片區，以及龍門縣部分區域。負相關類型LH型主要零散分布在博羅縣和惠城區的幾個鄉鎮。總體而言，基于耕地生態質量的局部空間自相關分析所得到的空間關聯聚集圖也與珠三角實際耕地生態質量情況相符合。

由表2與圖3-e可知，以鄉鎮為研究單元的綜合質量局部空間自相關結果中，屬正相關類型的HH型和LL型分別有113、78個鄉鎮，合計占珠三角鄉鎮總數的39.63%，屬于負相關類型的也是只有LH型，僅有3個鄉鎮，占鄉鎮總數的 0.62%，其余的非顯著型鄉鎮占鄉鎮總數的59.75%。從正、負相關類型來看，正相關類型也是處于絕對主導地位。整體來看，綜合質量的空間集聚分布與經濟質量相似，以組團的形式分布并且整體格局也有部分區域一致。HH型主要集中在高要-禪城-南海-花都-從化-白云-番禺-蘿崗-增 城- 博羅一帶;LL型主要以組團的形式分片區分布，包括封開-德慶-廣寧片區，恩平-臺山片區，以及龍門縣、惠東縣部分區域;LH型零星分布在鼎湖區、博羅縣的幾個鄉鎮。空間關聯聚集圖也與珠三角實際耕地綜合質量情況相符。

4 結論與討論

珠三角耕地各類型質量的空間分布格局均有所差異。自然質量等級分布主要集中在2級和3級，耕地自然質量呈中等偏上水平，自然質量高等級的耕地主要分布于珠三角中部、東部和南部的平原地區，而自然質量低等級耕地主要分布于北部和西部的丘陵地區;經濟質量等級屬較高水平，耕地經濟質量等級高的耕地基本集中在中部地區，低等級地多位于珠三角的外圍區域，與珠三角在此區域的經濟發展程度想吻合;耕地利用等級呈現較高水平，利用質量等級高的耕地在整個區域分布較為廣泛，散布在整個區域，利用質量等級低的耕地多位于珠三角的南部地區;耕地生態質量等級呈現中等偏上水

平，生態質量高等級的耕地主要分布于珠三角中部、東部和西南部的部分區域，生態質量等級低的耕地多集中于珠三角北部山地丘陵區。

珠三角耕地質量局部均存在空間自相關，表現為耕地質量高的地方和耕地質量低的地方有較顯著的空間聚集性。而各類型質量空間聚集類型有較大差異，大部分鄉鎮在空間上表現為非顯著型。自然質量中屬于正相關類型的鄉鎮占鄉鎮總數的24.48%，從空間分布格局來看，正、負相關類型均呈現零散分布;經濟質量無負相關類型，HH型和LL型都是以組團的形式出現，集中性較強;利用質量中屬于正相關類型的鄉鎮占鄉鎮總數的34.23%，正相關類型分布范圍較廣，負相關類型多零星分布，無明顯集中區域，各類型空間分布格局同耕地利用質量局部空間關聯格局基本一致;生態質量屬正相關類型的鄉鎮占鄉鎮總數的39.21%，與經濟質量的空間布局類似，HH型和LL型也都是以組團的形式分片區集中分布。

就目前來看，空間自相關研究已應用于許多領域，但運用其在耕地中的研究還較少，而分析耕地質量在空間上的自相關性及其結構性特征的研究文獻更為少見，空間自相關在耕地質量空間格局分析中的應用還較少，本研究也只是簡單地運用自相關法對耕地質量的空間關聯性特征進行分析，下一步可進行深入研究，依據珠三角耕地不同類型質量空間關聯格局特征進行分區分類保護，以制定不同措施確保耕地受到保護。

參考文獻：

[1]吳次芳，徐保根. 土地生態學[M]. 北京：中國大地出版社，2003.

[2]熊昌盛，韋仕川，欒喬林，等. 基于Morans I分析方法的耕地質量空間差異研究——以廣東省廣寧縣為例[J]. 資源科學，2014，36（10）：2066-2074.

[3]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.

[4]袁秀杰，趙庚星，朱雪欣. 平原和丘陵區耕地地力評價及其指標體系銜接研究[J]. 農業工程學報，2008，24（7）：65-71.

[5]Morari F，Lugato E，Giardini L. Olsen Phosphorus，exchangeable cations and salinity in two long-term experiments of north-eastern Italy and assessment of soil quality evolution[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2008，124（1/2）：85-96.

[6]Masto R E，Chhonkar P K，Singh D，et al. Alternative soil quality indices for evaluating the effect of intensive cropping，fertilisation and manuring for 31 years in the semi-arid soils of India[J]. Environmental Monitoring and Assessment，2008，136（1/2/3）：419-435.

[7]郄瑞卿，關 俠，鄢旭久，等. 基于自組織神經網絡的耕地自然質量評價方法及其應用[J]. 農業工程學報，2014，30（23）：298-305.

[8]張桂花，于 婧，羅清泉，等. 武漢市遠城區耕地質量空間格局分析[J]. 農業與技術，2014（2）：221-224.

[9]任 奎，周生路，張紅富，等. 江蘇農用地資源質量空間格局及影響機制研究[J]. 農業工程學報，2008，24（4）：127-134，封3.

[10]張紅富，周生路，吳紹華，等. 江蘇省農用地質量空間格局及其影響因素分析[J]. 資源科學，2008，30（2）：221-227.

[11]賈樹海，邱志偉，潘錦華. 遼寧省農用地質量空間分布格局及影響因素研究[J]. 生態環境學報，2010，19（5）：1143-1150.

[12]張曉燕，張 利，陳 影，等. 河北省農用地質量空間格局的計量地理分析[J]. 水土保持研究，2010，17（1）：101-106.

[13]袁天鳳，邱道持. 重慶市耕地質量分布與經濟發展的耦合[J]. 經濟地理，2008，28（3）：133-146.

[14]張 貞，魏朝富，尚 慧. 丘陵山區耕地質量的空間格局分析[J]. 長江流域資源與環境，2010，19（8）：901-907.

[15]宋 戈，李 丹，梁海鷗，等. 松嫩高平原黑土區耕地質量特征及其空間分異——以黑龍江省巴彥縣為例[J]. 經濟地理，2012，32（7）：129-134.

[16]Kraemer R，Prishchepov A V，Mueller D A，et al. Long-term agricultural land-cover change and potential for cropland expansion in the former Virgin Lands area of Kazakhstan[J]. Environmental Research Letters，2015，10（5）：054012.

[17]張 超，張海鋒，楊建宇，等. 耕地自然質量空間分布及其影響因子分析——以北京市大興區為例[J]. 測繪學報，2015，44（增刊1）：75-81.

[18]趙 丹，趙華甫，饒 杰，等. 基于趨勢面的耕地質量空間分異特征及影響因素[J]. 水土保持研究，2015，22（6）：219-223.

[19]李 濤，孔祥斌，梁 穎，等. 基于農戶決策行為的耕地質量評價理論與方法構建[J]. 中國農業大學學報，2010，15（3）：101-107.

[20]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.

[21]奉 婷，張鳳榮，李 燦，等. 基于耕地質量綜合評價的縣域基本農田空間布局[J]. 農業工程學報，2014，30（1）：200-210.

[22]路 婕，李 玲，吳克寧，等. 基于農用地分等和土壤環境質量評價的耕地綜合質量評價[J]. 農業工程學報，2011，27（2）：323-329.

[23]陳 朝，呂昌河. 基于綜合指數的湖北省耕地質量變化分析[J]. 自然資源學報，2010，25（12）：2018-2029.

[24]趙小娟，葉 云，周晉皓，等. 珠三角丘陵區耕地質量綜合評價及指標權重敏感性分析[J]. 農業工程學報，2017，33（8）：226-235.

[25]王 磊，李 濤，曹小曙. 基于ESDA-GIS的廣東省城鄉統籌發展空間分異[J]. 經濟地理，2012，32（9）：44-50.

[26]王 永，沈 毅. 空間自相關方法及其主要應用現狀[J]. 中國衛生統計，2008，25（4）：443-445.

[27]謝花林，李秀彬，張燕婷，等. 基于ESDA的京津冀地區草地變化空間分異[J]. 自然資源學報，2012，27（7）：1224-1232.張桀滈，李江風，譚 旭，等. 基于ArcScene的丘陵地區土地整治三維可視化方法[J]. 江蘇農業科學，2019，47（6）：203-207.