基于局部空間自相關的思茅區耕地利用保護綜合分區

劉 洋, 余建新, 向冬蕾, 楊 鴻, 李建華

(1.云南農業大學 資環學院, 昆明650210; 2.云南農業大學 水利學院, 昆明650210)

耕地是進行農業活動的基礎，耕地質量關乎農業效益、農產品質量安全、農業生態安全與土地資源的可持續利用等[1]，但我國耕地土地污染、退化現象嚴重，占有補劣現象普遍，致使我國耕地面臨糧食安全保障、農產品安全等諸多現實問題[2]，對耕地的分區能依據資源的差異進行差別化利用與保護，針對耕地質量的分區保護工作迫在眉睫。目前國內對于耕地質量與耕地保護等問題的研究大多對于耕地質量評價[3-4]、耕地安全[5-6]與耕地數量變化[7]等。而基于空間特性的耕地分區保護研究，多基于選定的影響耕地質量的指標。奉婷通過構建耕地質量綜合評價體系，基于GIS平臺實現各指標定量化分析與耕地質量綜合指數測算，分析耕地質量特征，得到北京平谷區基本農田劃定時空配置方案[8]；杜昭陽以河南省望都縣為例，從耕地的自然狀況與利用狀況中選取指標，使用加權平均的評價方法對耕地進行評價，對研究區耕地質量劃分為4個區域[9]；張孟容對山西省10 a的縣級耕地地力評價數據、測土配方采樣點及土地利用現狀進行多尺度分析，將山西省耕地分為5個區域[10]。

一般而言，選定的耕地質量評定指標只能代表耕地質量的一部分，根據農用地分等規程中計算所得耕地質量指數更能代表耕地的整體情況，使用空間自相關的研究方法，能夠體現不同耕地區域在空間中的相似性，對于耕地保護的分區具有更好的效果。因此，本文選取思茅區為研究對象，以研究區內每塊耕地的自然等指數與利用等指數作為空間變量，采用局部空間自相關的分析方法，研究思茅區內耕地質量的空間分異規律，以此對思茅區耕地進行分區，并提出相應的保護分區建議，為區縣級耕地的空間保護政策提供一定的參考與借鑒。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

思茅區位于云南省南部，瀾滄江中下游，位于北緯22°27′—23°06′，東經100°19′—101°27′，轄區總面積3 928 km2，其中，山區面積3 582 km2，占總面積的91.19%；壩區面積346 km2，占總面積的8.81%。海拔范圍578～2 154.8 m，境內地形分割破碎起伏較大。思茅區屬低緯高原南亞熱帶季風氣候區，境內立體氣候明顯，具有低緯、高溫、多雨、濕潤、靜風的特點。年均氣溫17.8℃，年均降雨量1 524.4 mm，無霜期318 d，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季溫和。地帶性土壤以紅棕壤為主，呈明顯的垂直分布。研究區包括7個鄉鎮、50個村民委員會，耕地面積共268.11 km2，其中包括旱地面積176.34 km2；水澆地面積為3.03 km2；水田面積88.73 km2。

1.2 數據來源與處理

本文以思茅區所有耕地圖斑為研究對象，研究數據來源包括：(1) 文件資料。思茅區2015年耕地分等參數調查表格、地形圖及相關農業統計資料。(2)圖件資料。思茅區2015年度耕地等別漸變類型分布范圍及監測單元分布圖、縣級分等單元圖件及其他矢量圖件等。本文基礎數據預處理是根據《GB/T28407—2012農用地質量分等規程》中農用地分等的計算方法，對耕地分等參數進行計算得到各耕地圖斑的國家自然等指數與國家利用等指數。

圖1 思茅區50個村民委員會分布

2 研究方法

2.1 局部空間自相關模型

地理學第一定律指出，地理事物或屬性在空間上分布互為相關，存在聚集，隨機，規則分布[11]。空間自相關分析是為確定某一變量在空間中是否存在相關性，局部空間自相關分析能夠進一步反映每個地塊與其相鄰地塊在某一屬性上的相關性[12]。本文通過局部莫蘭指數來進行空間自相關分析。

局部莫蘭指數：

2.2 空間權重的確定

能否構建恰當的空間權重矩陣直接關系到模型的最終估計結果與解釋力[13]。空間權重的使用一般包括鄰接權重、距離權重和最近K點關系。鄰接權重僅以空間是否相鄰判定權重，對零散的耕地圖斑不能判定全部單元，最近K點關系對隨機分布的耕地等數據效果不明顯，使用距離權重來擬合模型，能夠保證空間權重對距離的差異進行判定。通過對研究區耕地圖斑分析，本文選用距離矩陣作為空間自相關分析的基礎。

2.3 耕地保護空間格局分析

由于在區域之間形成的差距是通過多種因素不斷影響形成，各區域對相同環境變化的刺激反應各不相同。根據極化理論，處于不同極化層的區域趨于異質，處于同一極化層的區域趨于同質，且對周邊區域產生兩種效應，一種是對周圍地區產生阻礙作用與不利影響的回流效應，另一是對周圍區域產生推動作用與積極影響的擴散效應[14]。在極化效應理論下，結合國家自然等指數與國家利用等指數的局部空間自相關類型，對耕地空間格局提出保護措施。

3 結果與分析

3.1 局部空間自相關結果與分析

本文利用GeoDa軟件對2015年思茅區14 153個耕地圖斑的國家自然等和國家利用指數等進行局部空間自相關分析。

3.1.1 Moran散點圖分析 分析結果由Moran散點圖與LISA分布圖表示。LISA圖中的HH與LL反應空間正相關，具有較高的空間聚集性；HL與LH表明空間負相關，空間具有離散的特點。根據圖2的Moran指數表明耕地的自然等指數與利用等指數都具有較強的正相關性，在空間上顯示為質量相近的耕地較為聚集，因此為耕地的分區提供依據。

圖2 思茅區耕地質量指數Moran散點圖

基于局部空間自相關的國家自然等指數類型：正相關類型HH型與LL型分別有4 933個與4 239個耕地圖斑，分別占耕地圖斑總數的34.85%與29.95%，占有耕地面積分別為69.26 km2與69.72 km2，分別占耕地面積總量的25.82%與25.99%；負相關類型HL型與LH型分別有794，1 375個耕地圖斑，分別占耕地圖斑總數的5.61%與9.72%，占有耕地面積分別為13.42 km2與7.66 km2，分別占耕地面積總量的5.00%與2.85%；不顯著相關型的耕地圖斑數為2 812個，面積為108.16 km2，占耕地圖斑總數的19.87%，面積總量的40.32%。

基于局部空間自相關的國家利用等指數類型：正相關類型HH型與LL型分別有2 839個與5 696個圖斑，分別占耕地圖斑總數的20.05%與40.22%，占有耕地面積分別為40.99 km2與78.00 km2，占研究區耕地總數的15.28%與29.08%；負相關類型的HL型與LH型分別有584個與642個圖斑，分別占耕地圖斑總數的4.12%與4.60%，占有耕地面積分別為2.67 km2與1.36 km2，分別占耕地面積總量的1.00%與0.51%；不顯著相關的耕地有4 392塊圖斑，面積為145.22 km2，占耕地圖斑總數的31.01%，面積總量的54.13%。

表1 思茅區耕地質量指數局部空間自相關類型統計結果

3.1.2 國家自然等指數 國家自然等指數中HH型主要分布在龍潭鄉的麻栗坪村、龍潭村北部、平掌寨村，六順鎮的炮掌山村、官房村、高筧槽村，云仙鄉的壩塘村、罵木村、大石頭村；倚象鎮西部的下寨村、永慶村、半坡村、大寨村、竜竜村，南屏鎮中東部的整碗村、曼連村、曼歇壩村和三顆樁村北部，以及思茅鎮三家村。LL型主要分布在思茅港鎮，龍潭鄉的老魯寨村和龍潭村南部，六順鎮北部嘎里村，以及倚象鎮的石膏箐村和菠蘿村。負相關類型HL型與LH型在思茅區較少，HL型主要分布在南屏鎮三棵樁村，LH型主要在倚象鎮永慶村與云仙鄉黃竹林村。顯著性不相關地區在云仙鄉的桃子樹村、大地村、干壩村、蘆山村以及大箐村集中分布，在倚象鎮的東南部有少量分散分布。思茅區耕地質量國家自然等指數的LISA聚集圖及分布見圖3—4。

總體上看，思茅城區周圍及六順鄉西部地區相對其他鄉鎮海拔較低，地勢起伏較小，土地的可耕性強；龍潭村與麻栗坡村是龍潭鄉兩個海拔較低的壩子，由于耕地平坦，水資源豐富，土壤肥力較好。由于這些區域自然條件相對更好，HH型耕地即分布于此；思茅港鎮處于橫斷山脈的無量山南延部分，區域內海拔較高，氣溫更低，導致此區域光溫氣候生產潛力指數偏低；六順鎮嘎里村的耕地多修建于山坡上，水肥氣熱條件較差，LL型耕地集中存在于這些區域。云仙鄉土地一半為喀斯特地質，喀斯特地貌導致耕地圖斑破碎，且耕地集中在山體間[15]，巖石露頭度，地形坡度等受隨機因素太大，導致云仙鄉耕地聚類類型主要為不顯著。

圖3 思茅區耕地質量國家自然等指數LISA聚類分析 圖4 思茅區耕地質量國家自然等分布

3.1.3 國家利用等指數 國家利用等指數中HH型耕地主要分布在思茅鎮三家村村；倚象鎮的永慶村、下寨村、大寨村、竜竜村、半坡村；南屏鎮的整碗村、曼連村、曼歇壩村、南島河村；六順鎮的高筧槽村、官房村；思茅港鎮的橄欖壩村；龍潭鎮的龍潭村北部與麻栗坪村北部。LL型耕地在思茅鎮廣泛分布，主要分布在思茅港鎮；龍潭鄉的老魯寨村、龍潭村南部與黃草壩村；六順鎮的嘎里村、南邦河村、團結村、那棵落村；云仙鄉的桃子樹村、蘆山村、大地村的部分地區以及部分倚象鎮的東南地區。HL與LH型耕地在思茅區地圖上分布較少，僅在倚象鎮東南部、南屏鎮三棵樹村、龍潭鄉麻栗坪村有零星分布；不顯著型耕地主要分布在云仙鄉除桃子樹村外區域，其他不顯著型耕地以分散的形式分布在倚象鎮的東南部。

總體上看，由于思茅城區的區位優勢明顯，經濟發展要優于其他鄉鎮，且地勢平坦，有利于農業發展；六順鎮西部交通便利，思瀾公路橫穿六順鎮，耕地面積大，集中連片度高。這些區域對灌溉及道路的使用較為便利，耕地利用效率較高，利用等指數HH型多分布于此。思茅港鎮處于思茅區西北部，遠離城區，交通不便，地形高山峽谷居多，對水資源的利用不易；六順鎮及倚象鎮的東南部耕地分布分散，道路交通較差，LL型多分布于此。云仙鄉地勢呈現西部高，東部低，雖有多條河流過境，水資源豐富，但由于山高谷深，河床低，山坡陡，對水資源開發利用極為困難。云仙鄉西北部山勢不利于道路的修建，農業機械化水平較差，因此耕地類型為LL型；云仙鄉其余區域耕地因用水效率差異明顯，在區域內形成主要類型為不顯著型的分布。

圖5 思茅區耕地質量國家利用等指數LISA聚類分析 圖6 思茅區耕地質量國家利用等分布

3.2 基于局部空間自相關的耕地利用保護綜合分區

3.2.1 耕地利用保護空間分區原則 分區的原則是根據分區的尺度、目的以及分區對象特點所決定的[16]。因此基于局部空間自相關的耕地利用保護綜合分區按分區目的、分區尺度、分區特點三點進行劃分。

(1) 分區的目的。通過對當地自然資源與土地利用狀況進行分析，得到思茅區的耕地利用保護分區，結合當地的農業資源優勢，優化當地的農業生產布局，推動當地農業的生產導向由提量轉變為提質，提升當地農業的整體質量與效率。

(2) 分區的尺度。耕地圖斑是耕地的基本單位，以耕地圖斑的質量指數作為分區的基礎單元。行政區劃是國家為進行分級管理而設置的區域劃分，每個行政區劃有不同的資源配置、治理方式等，為方便對耕地利用保護的管理，選擇行政區劃作為分區尺度的最小單元。通過結合各鄉鎮的行政區劃，分析鄉鎮內耕地圖斑的聚類類型，得到鄉鎮的利用保護分區。

(3) 分區的特點。針對研究區內耕地的不同空間自相關類型，從耕地利用保護的角度出發，做到區域內差異最小，區間差異最大，對分區的劃分提出相應的依據。對于HH型耕地的自然狀況上應當給予該區域最大的保護，維持其較高的自然水平，利用方向上也應維持現有耕地利用水平；LL型耕地自然狀況較差，是經濟作物、綠肥及飼料的理想種植區，需進行綜合改良，利用方向上可積極改造，提高耕地的交通便利度及機械化水平；LH型耕地在自然質量上應著重于耕地的保護，對其低分值耕地進行適當的改良，利用方向上主要提升耕地的利用效率；不顯著型(F型)耕地在區域內質量指數的分布無聚集狀態，自然狀況上該類型耕地灌溉差異較大，在自然與利用狀況都應適當改造；HL型耕地較少，不作為主要類型分析。

3.2.2 耕地利用保護綜合分區 根據綜合分區原則，將思茅區耕地劃分為4個分區，分別是優先保護集約利用區、重點保護高效利用區、提質改良潛力利用區與綜合改良低效利用區。通過對思茅耕地進行分區，建立利用保護區域布局，優化農業生產布局(表2)。

(1) 優先保護集約利用區。針對自然等指數與利用等指數都高分聚集的HH—HH型區域，包括高筧槽村、官房村、炮掌山村、整碗村、曼連村、南島河村、永慶村、半坡村、下寨村、大寨村、竜竜村、魚塘村、橄欖壩村、蓮花村、箐門口村、三家村村、曼歇壩村。分區內耕地面積63.11 km2，包括2.81 km2的水澆地，21.51 km2的旱地，38.79 km2的水田，其中思茅區近半數的水田與水澆地分布于此。這些地方既有優秀的自然條件，又有良好的區位優勢，耕作便利度高，水利設施齊全，應重點保護。但由于這些區域區位優勢明顯，經濟發展也強于其他區域，致使該區域耕地雖處于HH—HH型耕地范圍，但耕地更易受人為因素影響，不規范的建設用地擠占耕地空間，致使耕地呈現斑塊化、破碎化，耕地的自然狀況發生退化，導致即使有良好的區位優勢，卻沒有質量良好的耕地為基礎來實現農業的發展。建議這些地區繼續保持甚至增加現有的投入，完善耕地的監管保護機制，發揮該區域的區位優勢，加強土地整治工程，保障耕地的利用水平，并提升對非農業用地的管理，提升農業機械與信息化水平，實現耕地的精細化管理，保護農業的發展。將該類地塊作為思茅區的糧食主產區，保障當地的糧食生產安全，鞏固當地的糧食生產能力，打造成糧食的供應基地。

(2) 重點保護高效利用區。對于自然等指數高分聚集或高分值圍繞低分值，利用等指數聚類不相關的區域，如壩塘村、罵木村、大石頭村、挖令村、團山村、黃竹林村、平掌寨村、麻栗坪村；自然等指數高分聚集但利用等指數低分聚集的黃草壩村。該分區耕地面積共61.7 km2。包括少量的水澆地，47.92 km2的旱地；13.78 km2的水田，雖然自然條件也相對優越，但相對于優先集約利用區耕地灌溉率較低。且由于缺乏區位優勢，耕地相對分散，道路對于耕地不能起到足夠的連通效果，農用機械的使用程度較低，因此對于土地的利用差于HH—HH型耕地。建議加強此類區域對優質耕地的保護，并重點進行基本農田整治工程的建設，提升農業生產活動的便利，并提高對土地的利用效率，使之能轉化為HH—HH型耕地。耕地利用方式與集約利用區相同，但在耕地的保護上應著重于耕地質量的提升，預防耕地在人為因素影響下向

(3) 提質改良潛力利用區。對于耕地自然等指數聚類為高分值耕地圍繞在低分值耕地周圍或不相關類型，利用等指數低分聚集的桃子樹村、蘆山村；自然等指數與利用等指數聚類皆為不相關類型的大地村、干壩村、曼東山村、大箐村、石膏箐村。該分區內耕地共42.34 km2。其中包括少量水澆地，34.73 km2的旱地以及7.59 km2的水田，雖然水田的在耕地總量中占比較大，但由于區域中自然等高分值耕地與低分值耕地交互存在，該區域耕地的自然質量有概率在極化效應的影響下降低，并且該區域土地利用指數分值一般較低。建議針對該類耕地指定嚴格政策方針，以政策為導向，既對自然條件較差耕地進行改良或對農業基礎設施薄弱地塊進行補充建設，又對高分值耕地進行監測控制，找出當地可能造成高分值耕地退化的原因，以此預防區域內優質耕地在自然因素影響下衰退。在耕地的利用方面，需盡快調整產業結構，限制需要大量自然資源的土地生產項目，有序調整非優勢農產品的生產，優化特色農產品產業，提升耕地的經濟產出。

(4) 綜合改良低效利用區。對于自然等指數低分聚集，利用等指數低分聚集的LL—LL型區域，包括大車樹村、彎手寨村、茨竹林村、涼水箐村、蓮花塘村、那瀾村、老魯寨村、三棵樁村、嘎里村、南邦河村、菠蘿村、那棵落村、龍潭村、蚌弄村、大開河村。該分區耕地面積為100.96 km2，其中思茅區近半數的旱地分布在此區域，面積為72.18 km2，分區內還有28.58 km2水田及少量水澆地。區域內灌溉條件普遍較差，且區位優勢不明顯，農業基礎設施建設不健全。對于耕地圖斑較為集中的區域進行提質改造，平整田塊，方便施肥管理，使土壤肥力提升至較高水平；并完善基礎設施建設，如灌排設施、田間道路等，方便進行農業生產活動；對于部分較小且分散的耕地圖斑，這些區域不便進行農業生產活動，可進行增減掛鉤工程，作為耕地應適當舍棄。耕地在利用上，可作為茶葉、煙葉等特色農產品的種植區域。合理利用耕地的種植空間，調整種植的生產結構，發展種植與養殖一體，農牧結合的現代農業，促進農業結構的升級。

表2 基于局部空間自相關的思茅區耕地保護改良分區

4 結論與討論

(1) 總體來看，思茅區耕地質量在空間上呈現較強的聚集分布，正相關類型占耕地總量的多數并呈聚集分布，負相關類型分布較少且為分散分布。就自然等指數而言，高分聚集大多分布在地勢較平，海拔較低區域，低分聚集多分布在思茅區西北部高山峽谷區；對于耕地利用等指數，高分聚集區域主要靠近城區及道路交通方便地區，低分聚集區域與自然等指數低分聚集區域重合度高。

(2) 根據局部自相關的LISA圖分析結果，對思茅區耕地的自然等指數與利用等指數聚類進行分析，將思茅區耕地分為4個分區，并針對不同分區提出合適的利用保護建議，對思茅區耕地利用與農業發展提供思路與借鑒。

本文對于耕地的利用保護分區僅使用耕地自然等指數與利用等指數進行聚類分析，并未對經濟等指數的影響加入分析。經濟等指數是在利用等的基礎上，通過成本—產量指數計算所得，但由于農作物產量易受氣象變化、農業政策和科技進步等因素影響[17]，作物種植成本會隨著經濟形式、耕作效率等產生較大幅度的波動，因此經濟等指數的分析對農戶的農業生產具有較高的指導意義，但將經濟等指數的分析加入對耕地保護改良的分區規劃有待商榷。由于不同行政單位的政策對于耕地有絕對的影響，文中對于耕地的分區基于村級行政單位進行，為不同行政單位對所屬耕地進行的改良保護提供參考，但部分村存在多種聚類類型，因此分區結果對于村內大部分耕地適用，部分與主要聚類類型有差異的耕地圖斑管理措施應根據實際情況設置不同的利用保護政策，才能對農戶的農業生產提供更有效的幫助。