南方丘陵區耕地自然質量與耕作條件耦合研究
——以江西省奉新縣為例

傅聰穎，郭 熙*，韓 逸，江葉楓，賴昭豪

(1.江西農業大學，江西省鄱陽湖流域農業資源與生態重點實驗室，江西 南昌 330045；2.江西農業大學，國土資源與環境學院，江西 南昌 330045)

【研究意義】耕地是關系人類生存和發展的重要物質基礎，對保障糧食安全、生態安全以及可持續發展具有重要作用[1]。《中共中央國務院關于加強耕地保護和改進占補平衡的意見》要求堅持最嚴格的耕地保護政策和最嚴格的節約用地政策，像保護大熊貓一樣保護耕地，著力加強耕地數量、質量、生態“三位一體”保護，牢牢守住耕地紅線。由于受復雜自然環境和社會經濟的影響，不同地區的耕地質量存在著高低差異，尤其是南方丘陵區，耕地自然質量和耕作條件的空間差異更加明顯。近年來，隨著高標準基本農田建設、城鄉建設用地增減掛和低丘緩坡未利用地開發的不斷推進，基本保證了耕地數量穩定，但建成農田質量和耕作條件方面，需要持續關注和研究。耕地質量是耕地各種性質的綜合反映，自然因素和社會經濟因素是構成耕地質量的兩個重要方面[2]。耕地的耕作條件主要體現在農田的基礎設施和布置狀況上，由人為投入與管理水平決定。在地理學上，耦合是指2種或2種以上活動或現象，在地理時空上的相互影響和相互關聯[3]。【前人研究進展】目前，許多學者對耕地質量問題越發重視，研究角度也日趨多樣。方琳娜等[4]將研究區耕地分為6個等級，并針對不同等級因地制宜地提出了耕地資源保護的政策建議。秦元偉等[5]考慮農戶對耕地質量的影響構建指標體系來評價耕地質量。陳印軍等[6]通過對中國耕地質量現狀研究，得到中國耕地質量總體上向好的方向發展。段正松等[7]、伍育鵬等[8]以標準樣地成果為數據源建立耕地質量預警機制。張鴻輝等[9]在耕地質量評價及其變化特征分析的基礎上，進行了耕地質量預警系統的實證研究。楊瑞珍等[10]根據全國耕地土壤長期定位監測點數據得到東北地區耕地質量變化情況。王立為等[11]利用20年歷史氣候數據和土地利用資料，研究我國北方典型半干旱氣候敏感區耕地質量變化情況。段龍龍等[12]、劉榮志等[13]、鄺佛緣等[14]分別從從國家、區域和農戶層次進行的耕地質量保護研究。【本研究切入點】綜合已有的研究成果，基本上揭示了耕地質量的現狀與發展趨勢，但對耕地自然質量與耕作條件之間聯系探究較少，沒有闡釋清楚兩者之間關系。【擬解決的關鍵問題】因此，本文選擇兼具山地、丘陵、平原3種地形的奉新縣作為研究區域，通過Pearson相關性分析來研究耕地自然質量與耕作條件的相關程度，在相關性分析的基礎上進行空間自相關分析來探究耕地自然質量與耕作條件之間在空間上存在的耦合性，深層次挖掘兩者之間相互作用關系，以期為南方地區高標準基本農田建設、土地綜合整治等提供科學依據。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

奉新縣屬宜春市轄縣，地處江西省西北部，位于東經114°45′～115°31′，北緯28°34′～28°52′之間，轄18個鄉鎮場、辦事處、管委會，人口33萬人。全境為東西長、南北窄的長條地域，是一個“七山半水兩分田，半分道路和莊園”的地理輪廓。縣域土地面積為160 306 hm2，其中耕地為39 355 hm2，占總面積的24.55 %；林地為103 046 hm2，占總面積的64.28 %。全縣年平均氣溫為17.3 ℃，屬中亞熱帶濕潤氣候。奉新縣境內三面環山，形成西高東低的地勢，從西向中、東部逐漸傾斜、低落，構成明顯的西部中低山地、中部多丘陵、東部低丘河谷平原，屬典型的丘陵山區。

1.2 數據來源

本研究以奉新縣為研究區域，所涉及數據時間節點主要集中在2016年，包括：①文件資料，主要包括土地利用現狀調查、灌溉規劃、土壤采樣等資料；②圖件資料，主要有土壤類型圖、地形圖、土地利用現狀圖等；③數據庫資料，主要有耕地質量年度更新數據庫、耕地地力評價數據庫、測土配方施肥數據庫、農經權數據庫等。

2 耕地自然質量與耕作條件評價系統構建

2.1 耕地自然質量指標選取

本研究在參照農用地分等評價體系，并考慮研究區地域特征的基礎上分別從地學條件和土壤特性角度選擇地形部位、田面坡度、有效土層厚度、有機質含量、耕層質地、障礙層類型及距地表深度、土體構型、土壤容重、土壤養分元素、礫石含量共10個指標代表耕地自然質量，利用特爾斐法對耕地自然質量各指標進行級別劃定與賦分(表1)。

表1 耕地自然質量評價指標Table 1 Evaluation index of natural quality of cultivated land

表2 耕作條件評價指標與權重Table 2 Evaluation index and weight of farming condition

2.2 耕作條件評價系統

本研究在參照農用地分等評價體系[15]與耕地質量調查監測評價規范(使用稿)，并考慮社會經濟因素的基礎上，構建耕地耕作條件評價系統(表2)。利用特爾斐法對耕作條件各指標進行級別劃定與賦分并采用指標量化方法以及分級賦值規則結合層次分析法確定指標權重進行耕作條件系數測算，計算公式如下：

式中，Fi為第i個評價單元指標評價分值；fij為第i個評價單元第j個指標評價分值；wij為第i個評價單元第j個指標評價權重，n為評價指標個數。

3 研究方法

3.1 空間權重

空間權重是進行空間自相關分析的前提和基礎[15]。Anselin[16]提出了空間自相關的確定，把空間位置的相鄰關系分為距離關系、最近k點關系和鄰接關系 3 大類。其中，鄰接關系分別基于Rook、Queen和Bishop 3種鄰接原則，依據空間單元之間的相鄰情況來賦空間權重值，根據實際情況來選擇選用何種標準定義空間相鄰。本研究選用Queen鄰接原則來構建一階空間權重矩陣。

3.2 全局空間自相關

全局空間自相關是對屬性在整個區域空間分布特征的描述，用于判斷整個研究區域某一要素或現象在空間上是否存在聚集特征[17]。本文采用Moran’s I 進行全局空間自相關分析。Moran’sI是一個有理數，經過方差歸一化之后，它的值會被歸一化到-1.0～1.0之間。當 Moran’sI>0時，表示空間正相關性，值越大，空間相關性越明顯；當 Moran’sI<0 時，表示空間負相關性，值越小，空間差異越大；當 Moran’sI=0時，空間呈隨機性。Moran’sI值的計算公式如下：

表3 奉新縣耕作條件系數與耕地自然質量評價指標相關系數及檢驗Table 3 Correlation coefficient and test of evaluation index of cultivated condition coefficient and natural quality of cultivated land in Fengxin County

注：**表示在0.01的水平上(雙側)顯著相關。

Note:** indicates a significant correlation at the level of 0.01 (bilateral).

3.3 局部空間自相關

局部空間關聯指標 (Local Indicators of Spatial Association，LISA)用于反映整個區域中，局部范圍內某項指標與相鄰區域的相關程度[18]。本文選用最為常用的Local Moran’sI來分析研究區局部空間差異特征[18-19]。Local Moran’sI的計算公式如下：

式中：zi、zj為分別表示空間單元i與j內研究對象的標準化值；wij為空間權重矩陣。

利用ArcGIS中的局部空間自相關分析工具對數據進行計算，得到的LISA聚集圖將數據分為5類，分別是：H-H、H-L、L-H、L-L和非顯著型。其中“H-H”代表高值聚集，“L-L”代表低值聚集，說明該區域觀測指標與周圍相鄰地域指標值類似，表現為同質性的特征；“H-L” 代表低值圍繞高值，“L-H” 代表高值圍繞低值，說明該區域觀測指標與周邊地域指標值存在著顯著的差異，表現為異質性的特征；非顯著型是觀測指標值在空間上呈隨機分布的區域，說明沒有通過局部Moran’sI顯著性檢驗。

4 結果與分析

4.1 耕地自然質量與耕作條件相關性分析

在SPSS24.0的支持下，將耕作條件系數分別與耕地自然質量各評價指標分值進行正態性檢驗，在確認其符合正態分布的情況下，選擇Pearson相關系數進行雙變量相關性分析，得到結果如表2。

表3結果研究表明，耕作條件系數與田面坡度分值、有效土層厚度分值、耕層質地分值、土體構型分值和礫石含量分值之間存在顯著正相關關系，即田面越平坦、土層越厚、耕作層壤土含量越高、土體中壤土含量越多且大于2 mm的砂礫含量越少的區域其耕作條件也越好。耕作條件系數與地形部位分值、有機質含量分值、障礙層類型及距地表深度分值、土壤養分元素分值之間相關性顯著(P<0.01)，說明耕作條件受地形部位、有機質含量、障礙層類型及距地表深度、土壤養分元素影響，但相關系數較小，說明耕作條件受這些因素的影響有限。耕作條件系數與土壤容重分值兩者不存在顯著相關性(P>0.05)。

4.2 耕地自然質量與耕作條件全局空間自相關分析

運用ArcGIS軟件對奉新縣20 603個樣本單元的耕作條件系數和耕地自然質量評價指標中相關性較高的有效土層厚度分值、耕層質地分值、土體構型分值、田面坡度分值和礫石含量分值這5個指標，進行全局Moran’sI的計算，并在給定0.05顯著水平下進行檢驗。

從表4可知，田面坡度分值的全局Moran’sI為0.0643，接近0，說明奉新縣田面坡度分值雖然呈空間正相關，但集聚特征不明顯，因此本文不對其進行局部空間自相關分析。奉新縣耕作條件系數和有效土層厚度分值、耕層質地分值、土體構型分值及礫石含量分值的全局Moran’sI均遠大于0，且顯著性檢驗P值均為0，表明奉新縣耕作條件系數和有效土層厚度分值、耕層質地分值、土體構型分值及礫石含量分值均呈空間正相關，在空間上表現出顯著的集聚性。

4.3 耕地自然質量與耕作條件局部空間自相關分析

利用ArcGIS軟件對研究區域耕作條件系數、有效土層厚度分值、耕層質地分值、土體構型分值和礫石含量分值進行局部Moran’sI的計算，并進行檢驗和繪制LISA集聚圖。

表4 奉新縣耕作條件系數與耕地自然質量評價指標全局 Moran’s I與檢驗Table 4 Overall conditions of the farming conditions coefficient and the natural quality evaluation index of cultivated land in Fengxin County Moran’s I and test

根據表5和圖1可知，奉新縣耕作條件系數以“H-H”和“L-L”類型區的占比為主，高達87.93 %，即奉新縣耕作條件系數在空間上表現為正相關。有效土層厚度分值、耕層質地分值、土體構型分值和礫石含量分值均以“L-L”類型區的占比為主，即奉新縣有效土層厚度分值、耕層質地分值、土體構型分值和礫石含量分值在空間上表現為正相關，呈現低值聚集特征。

從空間位置分布來看，耕作條件系數的“H-H”類型區分布范圍較廣，在奉新縣中部、東部均有分布；“L-L”類型區呈“組團”狀，主要分布在奉新縣東部；“L-H”和“H-L”類型區占比較少，分布離散，在奉新縣東部、北部和西部均有零星分布。有效土層厚度分值、耕層質地分值、土體構型分值和礫石含量分值的空間分布規律相同： “L-L”類型區分布范圍較廣，主要分布奉新縣東部；“L-H”和“H-L”類型區占比較少，呈零星分布；無樣本單元落在“H-H”類型區。

4.4 耕地自然質量與耕作條件耦合分析結果

根據耕地耕作條件系數和耕地自然質量評價指標空間自相關分析結果，將耕地耕作條件系數局部空間自相關類型與耕地自然質量評價指標局部空間自相關類型進行對比。

從表6和圖2可以看出，耕作條件系數的“H-H”類型區與有效土層厚度分值、耕層質地分值和土體構型分值的“L-L”類型區的空間耦合程度最高，主要分布在研究區東部，包括赤岸鎮和宋埠鎮等。耕作條件系數局的“L-L”類型區與有效土層厚度分值、耕層質地分值、土體構型分值和礫石含量分值的“L-L”類型區的空間耦合程度最高，主要分布在研究區東部，包括赤田鎮和宋埠鎮等。綜合而言，有效土層厚度分值、耕層質地分值和土體構型分值的“H-L”型和“L-H”型與耕作條件系數的“L-L”型，耕層質地分值的“H-L”型與耕作條件系數的“H-H”型，存在微弱的耦合性；耕層質地分值和土體構型分值的“L-L”型與耕作條件系數的“H-H”型存在較弱耦合性；有效土層厚度分值的“L-L”型與耕作條件系數的“H-H”型和“L-L”型，耕層質地分值、土體構型分值和礫石含量分值的“L-L”型與耕作條件系數的“L-L”型，存在較強的耦合性，均分布在研究區東部。

5 結論與討論

5.1 結論

本文在綜合運用SPSS和ArcGIS軟件平臺的基礎上，對耕地自然質量評價指標和耕作條件系數進行了相關性分析和空間自相關分析，得出以下研究結論。

表5 通過顯著性檢驗的奉新縣耕作條件系數和耕地自然質量評價指標局部空間自相關類型匯總Table 5 Summary of local spatial autocorrelation types of Fenning County’s tilling condition coefficient and cultivated land natural quality evaluation index through significant test

圖1 耕地自然質量與耕作條件系數LISA集聚圖Fig.1 LISA concentration map of cultivated land natural quality and farming condition coefficient

(1)奉新縣耕作條件系數與耕地自然質量評價指標之間表現出不同程度的相關性。其中，耕作條件系數與田面坡度分值、有效土層厚度分值、耕層質地分值、土體構型分值和礫石含量分值之間存在顯著正相關關系。

(2)奉新縣耕作條件系數在空間分布上呈現出顯著的集聚特征，表現為正相關，以“H-H”和“L-L”類型區的占比為主。其中，L-L類型區主要分布在奉新縣東部，呈現出明顯的沿平原地區分布特征。

(3)奉新縣耕地自然質量評價指標呈現出不同程度的空間正相關性。其中，田面坡度分值的Moran’sI為0.0643，接近0，在空間上的集聚特征不明顯。

(4)耕作條件系數與部分耕地自然質量評價指標在空間分布上呈現在趨同性。耕作條件系數與有效土層厚度分值、耕層質地分值、土體構型分值以及礫石含量分值這4個耕地自然質量評價指標在奉新縣東部呈現相似集聚性，表現為低值聚集。

5.2 討論

目前，一些學者[20-27]從土地整治角度對耕地自然質量與耕作條件之間的關系進行了研究，得到耕地自然質量是影響土地整治中田間道路布局的重要因素，土地整治在改善耕地耕作條件的同時提高耕地自然質量。根據前人研究，耕地自然質量與耕作條件之間呈現出：耕作條件的改善能夠使耕地自然質量得到提高，同時耕地自然質量也會制約土地整治具體實施，從而影響耕作條件的改善。其中土地整治對耕作條件的改善具體表現在田間道路布局的優化、灌排設施的完善等方面，進而對耕地自然質量產生影響。雖然耕地的有效土層厚度、土壤質地、剖面構型、地形坡度和土壤有機質在短期內難以隨著耕作條件的改善產生變化，但土地整治項目對耕地自然質量的影響會隨著時間的延長而持續發揮作用。

表6 耕地自然質量與耕作條件局部空間自相關類型對比Table 6 Comparison of local spatial autocorrelation types between cultivated land natural quality and farming conditions

圖2 耕地自然質量評價指標與耕作條件系數空間耦合狀況Fig.2 Spatial coupling status of cultivated land natural quality evaluation index and farming condition coefficient

本文通過對奉新縣耕地自然質量與耕作條件進行Pearson相關性分析和空間自相關研究，得到耕作條件與有效土層厚度、耕層質地、土體構型以及礫石含量在統計學上和空間上都存在較強的正相關性，且“L-L”類型區均分布在奉新縣東部。表明區域內耕地耕作條件過差會對耕地的有效土層厚度、耕層質地、土體構型以及礫石含量造成負面影響，進而導致耕地自然質量降低；耕地的有效土層厚度、耕層質地、土體構型以及礫石含量過差也會制約耕作條件改善。根據研究發現，重點關注項目區內耕作條件與有效土層厚度、耕層質地、土體構型以及礫石含量過差區域，針對性進行治理，能夠取得更好的效果。這為今后南方丘陵地區高標準基本農田建設、土地綜合整治過程中，確定整治項目重點內容，針對性改善區域耕地耕作條件和耕地自然質量方面提供理論支持和思路參考。