基于Moran’s I的安徽省太湖縣耕地質量時空格局分析

李子杰, 高滬寧, 丁琪洵, 費 坤, 丁世偉, 馬友華

(安徽農業大學 資源與環境學院, 安徽 合肥 230036)

耕地作為不可再生的自然資源，是中國農業長期發展的基本保障，是人類賴以生存和發展的最重要的物質基礎。耕地的質量不僅關系到土壤環境和農產品安全，而且在保障糧食安全、生態安全以及農業可持續發展等方面也具有重要作用[1-4]。

近年來，國內外主要將耕地數量、質量、生態三位一體的保護，耕地質量評價指標體系的構建以及耕地監測與管理等方面作為耕地研究的熱點。其中，國內宋艷華等[5]以河南省為研究區域，采用相關系數法研究耕地質量演變規律及其影響因素；韓宗偉等[6]通過建立耕地模糊優選模型與理想點法構建評價模型，對貴州省各年的耕地質量進行評價，將CA-Markov模型和GIS空間分析功能相結合，模擬推測出貴州省2020年耕地質量及空間分布狀況[5]；馬建輝等[7]基于限制系數法，考慮耕地等別的各類限制因素，劃分耕地等別和監測控制區，并從不同角度進行監測評價。國外研究中，2003年Overmars等[8]首次利用空間自相關分析的方法研究土地利用變化，同時建立空間自回歸模型進行輔助判定。Bogunovic I等[9]利用空間自相關的方法研究了克羅地亞中部地區土壤pH及植物各種中微量元素的空間變異性，繪制養分圖，并為今后耕地的應用提供有用的信息；Singh A K等[10]對耕地土壤進行評估，研究土地利用類型對耕地土壤環境質量和植物生產可持續性發展的影響。

國內外對于耕地質量的研究從內容、尺度、評價方法等方面的研究都日趨成熟，但關于縣域、鄉鎮和村級尺度的研究相對較少，傳統的研究分析方法很難準確地反映小范圍內耕地質量的時空演變，尤其是山地與平原相結合的地區[11]。耕地質量常受到地形地貌、灌排條件、生物多樣性和土壤清潔程度等多方面的影響，而傳統的耕地質量研究方法從空間關聯角度定量研究耕地質量空間屬性能力較弱，無法從空間分布的角度提升和保護耕地[12]。

安徽省太湖縣的地貌類型多樣，區域耕地質量空間差異性具有典型性?；谌硕嗟厣俚目h情，太湖縣耕地長期高強度、超負荷利用，導致目前耕地質量堪憂的現狀。因此耕地質量的分區保護也尤為關鍵。因此本文基于ArcGIS和GeoDa[12]平臺，以安徽省太湖縣2008年和2018年的耕地質量等級評價成果為研究對象，采用空間自相關的分析方法，從全局空間自相關和局部空間自相關兩個方向入手，對太湖縣的耕地質量空間分布格局進行研究，從而更加全面地闡述耕地質量在時空上的變化規律。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

太湖縣坐落于安徽省西南部，大別山山脈以南，介于北緯30°09′至30°46′和東經115°45′至116°30′之間。東與潛山、懷寧相鄰，南與望江、宿松相連，西與湖北蘄春、英山接壤，北與岳西相交。全縣地形復雜，整個地勢依次為中山、低山、丘陵、高崗地、平原、湖泊呈階梯式下降，并沿縣界向中部長河及其支流傾斜，是一個以低山丘陵為主的山區縣(圖1)。

圖1 安徽省太湖縣地形圖

截至2018年，太湖縣行政區劃面積2.04×105hm2，包括15個鄉鎮，184個行政村和12個居委會，農業人口約5.10×105。根據第二次土壤普查結果，太湖縣土壤類型共劃分為7個土類，13個亞類，43個土屬和70個土種。

1.2 數據來源

本研究以安徽省太湖縣為例，時間節點為2008年和2018年，涉及數據主要包括：① 基礎圖件數據，包括土壤圖、DEM數據(30 m)，2018年耕地質量等級評價采樣點信息、耕地質量監測數據；② 數據庫數據，包括2018年國土變更調查農村土地調查數據庫、第二次全國土地調查數據庫、2008年地力評價數據庫；③ 社會經濟數據，包括太湖縣2008年、2018年統計年鑒、耕地生產與管理投入數據。

2 研究方法

2.1 耕地質量等級評價

中國首部耕地質量等級評價的國家標準《耕地質量等級》(GB/T33469-2016)明確定義了耕地質量等級評價是基于耕地地力情況、田間基礎設施和耕地健康3方面，對其滿足農產品持續產出和質量安全的能力進行評定，是基于GIS技術，通過選取“N+X”的指標模式，利用層次分析法[14]和隸屬度函數模型[15]對耕地進行的綜合評價。

2.2 耕地數量變化的時間序列分析法

時間序列分析法是通過分析耕地面積隨時間變化的情況，并揭示其發展變化規律，預測耕地未來變化情況的方法[16]。其變化率指數反映出耕地面積在研究時間段內的變化情況，通過分析耕地面積變化率指數可以獲取研究區域內耕地面積多年變化的趨勢和特征。耕地資源平均變化率是指研究期內耕地面積的平均變化率，其計算公式為

(1)

式中：P是指多年耕地面積的平均變化率(%);Sa是指研究期開始時研究區的耕地面積(hm2)；Sb是指研究期結束時的耕地面積(hm2)；T是指較長的研究期。

2.3 耕地空間分布的空間自相關模型

莫蘭指數是研究空間相關性的一項重要指標，分為全局莫蘭指數和局部莫蘭指數。全局莫蘭指數是指經過方差歸一化后的有理數，其值在-1.0～1.0之間，該指標可以判斷出區域內屬性值的分布是聚類、離散還是隨機模型。在進行局部莫蘭指數時會出現高值和低值兩種類型，研究單元內有相似成分在空間集聚(高值或低值)可以用高值表示，相反研究單元有不相似的成分在空間集聚，則用低值來表示[17-19]。

全局莫蘭指數計算公式：

(2)

局部莫蘭指數計算公式：

(3)

這里提到的相關是指相互關系，正相關隨自變量增長會帶動因變量增長，是可變的。負相關隨自變量的增長使得因變量減少。所以空間上的正相關，既是對空間分布的位置進行積累，也是更加顯著的相關性。相反，空間上的負相關隨離散的空間分布位置分布，相關性就更為顯著了。

全局自相關主要由Z得分和P值的正負大小決定。Moran’sI值的正負決定全局自相關的整體趨勢是離散，或是聚類。當Moran’sI>0時，空間分布呈正相關，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Moran’sI<0時，空間分布為負相關，其值越小，空間差異性越明顯，表明研究對象具有空間分散特征；當Moran’sI=0時，空間分布存在隨機性，即研究對象呈現隨機分布狀態。Z值可用來檢驗顯著性水平，當Z>1.96或Z<-1.96時，表明耕地質量在空間上存在顯著的空間自相關性。局部自相關主要利用GeoDa空間數據分析軟件實現局部莫蘭指數，主要以顯著性地圖，LISA聚類地圖，箱圖，Moran散點圖反映研究對象的局部自相關性[20-21]。其中LISA聚類圖和Moran散點圖最能直接反映研究區域間屬性的關聯性。

3 結果與分析

3.1 耕地數量與質量等級變化

3.1.1 耕地數量變化 2008年太湖縣耕地面積為39 233.53 hm2，2018年太湖縣耕地面積為45 707.98 hm2，10 a時間跨度上太湖縣耕地面積增加了6 474.45 hm2，平均變化率P=1.65%。

其變化主要是因2008年以前太湖縣開展了數次以耕地養分為主要內容的調查，對指導當地農業生產、開展平衡配套施肥起到了積極作用。但是，由于調查中使用了較舊的技術路線，調查結果的表達和應用受到很大限制。此外，調查對象主要是大田作物，調查內容僅限于常規營養元素。調查方法和結果不適應太湖縣種植結構調整、農業產業結構調整的快速發展，也不能滿足種植結構調整和可持續農業產業發展的需要。

2008年以后農業部測土配方施肥[22-23]項目為促進太湖農業持續發展提供了機遇，滿足了太湖縣開展耕地地力調查與質量評價，推廣測土配方施肥技術，發展農業生產，提高農民收入的迫切需求。太湖縣耕地面積的增加主要是以政府政策為主要驅動力。

3.1.2 耕地質量等級變化 通過特爾菲法[24]和層次分析法確定太湖縣耕地質量等級評價指標及其權重，以模糊綜合評價法[25-26]建立隸屬函數模型并計算各評價指標隸屬度，將隸屬度(評價分值)與對應權重系數相乘，所得乘積累加求和即為各個評價單元耕地質量綜合指數，最后依據綜合指數大小對各評價單元耕地質量做出評價。將2008年及2018年太湖縣耕地質量等級評價結果劃分為3種類型：高等質量類型即高產田(1—3等級耕地)，中等質量類型即中產田(4—6等級耕地)和低等質量類型即低產田(7—10等級耕地)，其對比情況如表1所示。

表1 2008年與2018年太湖縣耕地質量等級對比

如圖2—3所示，2008年太湖縣耕地質量綜合等級為6.75等，2018年太湖縣耕地質量綜合等級為5.07等。太湖縣耕地質量在空間分布上呈現出一定的聚集性規律，受地形地貌影響，縣域東南部平原丘陵區域的耕地質量等級普遍高于西北部山地區域。太湖縣1—3等地主要分布在泊湖及皖河流域的新倉鎮、小池鎮、江塘鄉和徐橋鎮；8—10等地主要分布在花亭湖水庫上游的北中鎮、百里鎮、彌陀鎮、牛鎮鎮和劉畈鄉。從時間跨度上看，近10 a來，由于太湖縣大力推進耕地質量保護和改善，通過完善農田田間設施水平、提高耕地基本肥力等途徑，耕地環境和耕地質量得到了改善和優化，10 a間耕地質量綜合等級提高了1.68等。

圖2 2008年及2018年太湖縣耕地質量等級面積比例

3.2 耕地質量空間自相關

3.2.1 全局自相關 Moran’sI值、Z得分和p值3者之間的大小關系如表2所示(其中Z得分和Moran’sI都反映出研究數據具有明顯的規律性)，2008年Moran’sI=0.419 478>0，Z得分=8.677 693，太湖縣耕地質量等級在全局自相關上成聚類趨勢，呈現顯著相關性，具有空間正相關。2018年Moran’sI=0.288 328>0，Z得分=5.527 830，太湖縣耕地質量等級在全局自相關上依舊成聚類趨勢，呈現顯著的空間正相關性，但相比于2008年耕地質量等級評價結果相關性有所下降。

表2 2008年與2018年太湖縣全局空間自相關對比

3.2.2 局部空間自相關LISA聚類 根據LISA聚類分布(圖4)顯示，2008年太湖縣耕地質量等級有超過50%的行政村空間自相關為不顯著，其中成聚合型(高—高型和低—低型)分布的行政村占22.83%，離散型(高—低型和低—高型)分布的行政村占7.07%。結合LISA聚類圖可以看出高—高型主要分布在水域附近的晉熙鎮、城西鄉、天華鎮、新倉鎮、徐橋鎮和彌陀鎮河口村；低—低型主要分布在花亭湖水庫中上游附近的寺前鎮、北中鎮、百里鎮、牛鎮鎮、彌陀鎮、劉畈鄉、湯泉鄉和小池鎮程嶺村。

圖3 2008-2018年太湖縣耕地質量等級分布

2018年太湖縣耕地質量等級有38.59%的行政村空間自相關為不顯著，其中成聚合型(高—高型和低—低型)分布的行政村占57.61%；離散型(高—低型和低—高型)分布的行政村占3.80%。結合LISA聚類圖可以看出高—高型主要分布在水域附近的小池鎮、晉熙鎮、城西鄉、新倉鎮、江塘鄉、徐橋鎮、大石鄉、湯泉鄉苗石村和天華鎮黃廟村；低—低型主要分布在花亭湖水庫附近和西北部山區的北中鎮、百里鎮、牛鎮鎮、湯泉鄉、寺前鎮、彌陀鎮、劉畈鄉、天華鎮、晉熙鎮和城西鄉涼亭村。

太湖縣地形地勢為西北高，東南低。西北以山地為主，東南以平原丘陵為主。從2008—2018年10 a的LISA圖(圖4)變化情況來看，高—高型主要分布在太湖縣的東南地區，其中平原和丘陵地區的稻田占較大比例，耕地質量等級較高，且地勢平緩，有利于現代農業耕作管理模式，且灌溉、水利設施建設較完備，耕地利用率較高；低—低型主要分布在海拔多達400 m以上的西北地區，耕地質量等別較低；太湖縣地處大別山山脈，地形起伏較大，田間管理難度較大。太湖縣城區位于晉熙鎮，以此為界，東南地區交通便利，其中246省道、105國道、滬渝高速相互貫通，有利于提高耕地的經濟效益。在西北部山區，只有兩條省道362，211交叉其中，交通相對落后，境內的運輸條件限制了耕地綜合發展，降低耕地質量等級。

4 討論與結論

4.1 討 論

根據空間極化理論，隨著事物發展變化，同一極化層內部單元趨同，不同極化層單元趨異；且同一極化層內各單元對周邊單元產生兩種效應：一是優勢單元對周邊單元的阻礙作用；二是推進作用和周邊優勢單元對中心單元的帶動作用[27]。相關研究往往基于該理論及實踐，依據空間擴散(高—高，低—低型)和空間極化(高—低，低—高型)效應，對空間自相關后的結果進行分區劃定，并提出分區保護方案[28-29]。本研究基于空間極化理論，結合太湖縣的耕地質量等級評價結果和局部自相關分析結果對太湖縣耕地劃分出4類分區管理方案：限制建設區、綜合改良區、適度改良區和重點整治區。并基于2018年分析結果，從自然條件、耕地資源利用、產出效益等角度，分別提出符合實際情況的耕地管護措施。

(1) 以白沙村、觀音村為例的43個高—高型的行政村區域耕地質量等級較高且分布相對集中，可設置限制建設區，禁止非農建設。

(2) 以王田村、大竹村為例的63個低—低型行政村區域耕地質量等級相對較低，建立綜合改良區，全面綜合考慮耕地現狀和農業轉產建設的理想區。

(3) 以玉嶺村為例的高—低型聚集區域表明，耕地質量高的區域被耕地質量低的區域包圍，根據空間極化理論，耕地質量差的區域會對耕地質量高的地區產生一定的負面影響，使高—低型聚集逐漸演化成低—低型聚集，因此，需重點保護耕地質量較好區域，屬于高—低型聚集的區域應當劃分為適度改良區，對耕地質量較差區域進行改良、可適度開展非農建設。

(4) 低—高型聚集由于是耕地質量較差的區域被耕地質量較高的區域包圍，因耕地質量較高的區域的推進，耕地質量較低的區域極易向高耕地質量區域轉化，該種聚集區域作為重點整治區，需重點改善耕地質量較低地塊的自然條件，盡量避免非農業建設，使之向HH型轉變?；诰植靠臻g自相關類型組合的太湖縣耕地質量分區表見表3。

表3 基于局部空間自相關類型組合的2018年太湖縣耕地質量分區

(5) 在耕地保護工作中，應重點對高—高，低—低，高—低，低—高4種不同聚集形態采取對應的工作方案，在實際耕地保護分區及耕地資源合理利用方案制定中，需結合實際情況選擇適宜的分區方案，因地制宜，對耕地區域位置空間集聚性進行精準表達，最終實現分區管理的精確化。

4.2 結 論

本文對太湖縣2008年和2018年的耕地質量等級進行評價，分析其時間變化情況，并基于Moran’sI分析了太湖縣耕地質量的空間分布特征，結合局部自相關結果提出太湖縣分區保護方案。

(1) 太湖縣2018年耕地質量等級(5.07)優于2008年耕地質量等級(6.75)，總體提高1.68等。主要原因是全縣2008年以來大力推廣測土配方施肥，培肥土壤。并在15 a以來興建高標準農田，西北部山區的水利條件設施日趨完備，東南部河流下游平原地區開展的農田整治項目，使得全縣耕地質量等級有了顯著提高。后續應繼續增強對基本農田的保護，加大耕地土壤污染防治工作，從多方面加強耕地質量提升與保護力度。

(2) 從太湖縣耕地質量等級全局自相關結果來看，2018年整體上呈聚類趨勢，呈現顯著空間正相關性，相比2008年耕地質量等級相關性有所上升。

(3) 從太湖縣耕地質量等級在局部自相關結果來看，2018年聚集型(高—高型，低—低型)的分布相比于2008年明顯增加，而離散型(高—低型，低—高型)的分布較2008年明顯減少?；诰植孔韵嚓P的結果將太湖縣耕地分為限制建設區、綜合改良區、適度改良區和重點整治區進行分區管理和保護。