基于國土空間“三線”劃定與耕地質量自相關的耕地空間布局優化

韓 述，郭貫成,2，史洋洋，崔久富

·土地保障與生態安全·

基于國土空間“三線”劃定與耕地質量自相關的耕地空間布局優化

韓 述1，郭貫成1,2※，史洋洋1，崔久富1

（1. 南京農業大學公共管理學院，南京 210095；2. 南京農業大學中國資源環境與發展研究院，南京 210095）

結合國土空間規劃與耕地質量自相關屬性優化耕地保護空間布局，對于耕地質量提升、保障糧食安全具有重要意義。該研究采用改進空間自相關模型，將生態環境作為耕地質量空間相關性分析框架的“第四維”，從地塊尺度模擬位于“三線”內地塊耕地質量指數的空間自相關性，據此提出優化耕地保護空間布局的方案。結果表明：1）高淳區高質量耕地呈現出東部集中連片、西部零散分布的特征，低質量耕地集中分布在高淳東部，各耕地自然指數均呈現出“西高東低”的特征。2）各耕地質量指數正、負相關類型分別與高、低質量耕地的空間高度吻合，均表現出較強正相關性的空間聚集特征。自然質量、利用管理、經濟價值及生態環境指數的Moran’s值分別為0.79、0.92、0.89、0.77，空間集聚性從大到小的順序為利用管理、經濟價值、自然質量與生態環境指數。3）結合國土空間規劃與耕地質量自相關優化耕地布局，永久基本農田新增968.15 hm2，等級提升0.94，確定永久基本農田保護區、城鎮發展緩沖區、生態環境保護區及綜合調節區4個一級類與14個二級類。其中，永久基本農田保護區綜合質量最優，耕地質量表現出較強的空間擴散效應，應禁止非農建設；城鎮發展緩沖區耕地質量較差但區位優勢突出，是城鎮建設理想區；生態環境保護區耕地綜合質量較差但生態優勢明顯，應開展生態防護工程，形成生態保護格網；綜合調節區應判明耕地障礙因素的作用機理，有序開展田間整治，實現向永久基本農田的躍遷。

布局；優化；生態；耕地質量；國土空間規劃；改進空間自相關；高淳區

0 引 言

“民以食為天，地為糧之母”，耕地作為農業生產的基本單元，不僅是農業生產活動與糧食安全的空間載體，更是鄉村振興的關鍵一環，對于高質量發展背景下的城鄉格局至關重要[1]。國土統計公報數據顯示，2016年中國耕地面積為13 499.87萬hm2，因建設占用、生態退耕等原因減少30.17萬hm2，平均質量等為9.96，耕地質量呈現出總體偏低，區域差異明顯的特征[2]。為此，2022年中央一號文件明確指示要落實“長牙齒”的耕地保護硬措施，嚴格落實18億畝耕地紅線，強化耕地用途管制，實現補充耕地產能與所占耕地同級。國土空間規劃確定的永久基本農田保護紅線、城市開發邊界以及生態紅線（以下簡稱“三線”）是優化資源配置、合理空間布局的重要手段，但在實踐過程中未能充分考慮耕地稟賦的空間相關性，致使耕地空間與生態脆弱、重金屬污染空間高度重疊[3]。因此，耕地保護空間布局優化應結合國土空間規劃“三線”劃定成果與耕地質量自相關性，切實提升耕地生產能力。鑒于此，結合國土空間規劃“三線”與耕地質量自相關性實施差異化的耕地保護策略對耕地精細化管理、保障糧食安全意義重大。

耕地質量包含自然、經濟、區位及生態等內容，目前有關耕地空間布局的研究多以耕地質量評價為基礎，眾多學者從耕地地力[4]、設施完備度[5]、區位條件[6]、政策條件[7]等角度評價耕地質量，其內涵日趨完善。現有研究為科學評價耕地質量、優化耕地空間布局提供了理論基礎，但仍有一些不足之處，主要體現在以下幾個方面：從研究視角上看，已有研究主要從耕地自然等別、區位條件、基礎設施情況及景觀條件[3,8-12]評價耕地質量，關于耕地質量自相關的研究并不深入；從研究內容上看，盡管部分文獻開展了耕地自然、等別以及利用屬性的空間相關性分析[13-15]，但對耕地生態環境的自相關性考慮不足；從研究思路上看，已有研究多基于耕地自然、等別以及利用屬性的自相關性劃定耕地保護分區[5,16-18]，未能將耕地質量自相關性與國土空間規劃結合，深入剖析耕地自然、經濟、利用以及生態4個維度空間相關性的關聯結果對耕地空間布局的影響；從研究尺度上看，已有研究多以縣域為研究對象分析村級尺度耕地質量的自相關性[19]，以耕地地塊為單位的研究尚不多見。鑒于此，本研究將生態環境作為耕地質量空間相關性分析框架的“第四維”，基于江蘇省高淳區國土空間規劃“三線”劃定成果，采用改進空間自相關模型，以耕地斑塊為研究單位，探究耕地自然質量、利用管理、經濟價值以及生態環境指數四者間的空間聯系模式，剖析永久基本農田的保護對策，城鎮發展空間的拓展方向以及生態空間的整治時序，以期為耕地質量提升及優化耕地布局提供借鑒和參考。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

高淳區隸屬江蘇省南京市（圖1），地處31°13'～31°26'N，118°41'～119°21'E之間，面積為790.23 km2，是國家級特色農業基地。2020年高淳土地利用變更數據顯示，其耕地面積為40 406.45 hm2，平均質量等為5.18。“十二五”規劃以來，高淳區通過1 073個耕地質量監測單元，建立了完備的土壤環境質量例行監測制度。近年來，高淳區因濫用化肥、污水灌溉、濫用農藥農膜等農業投入品等原因，耕地生態環境嚴重破壞，耕地質量受到嚴重威脅。

圖1 研究區位圖

1.2 數據來源

空間數據來源的時間節點為2017年，包括南京市農業農村局提供的國土空間規劃“三線”成果、高標準基本農田成果、農用地分等定級數據庫、基本農田數據庫、土壤調查數據、高程數據以及1 073個監測點數據。為保證數據真實性，首先對數據歸納整理，統一計量單位的同時完成數據標準化；其次，為便于空間分析，所有空間數據經ArcGIS坐標投影后統一轉換為CGCS2000_3_Degree_GK_Zone_27；最后，為消除極端數據對空間相關性分析的影響，采用探索性數據分析法[8]剔除極端值。

地形坡度、有效土層厚度、質地構型、土壤容重、pH值、有機質、農田林網、排水能力、灌溉能力、有效磷、速效鉀、安全利用率、生物多樣性等指標來自高淳農用地分等定級數據庫；糧食作物產量及成本來自《2021年高淳區統計年鑒》；汞、鎘、鉻、鉛含量數據由高淳1 073個監測點數據經空間插值后得到。此外，本研究涉及的文本數據包括《南京市高淳區土地利用總體規劃修改方案》《2021年南京市基本農田保護報告》《江蘇省高標準農田建設規劃（2014—2020）》《南京市基本農田質量監測報告（2015—2017）》。

2 研究方法

2.1 耕地質量綜合評價

2.1.1 指標選擇

本研究參照《2021年南京市基本農田保護報告》從自然質量、利用管理、經濟價值、生態環境4方面描述耕地質量（表1）。其中，自然質量指數刻畫的是耕地自然本底條件，是耕地生產力的重要來源。選擇地形坡度、有效土層厚度、質地構型、土壤容重、pH值及有機質反映耕地自然質量指數。利用管理指數反映的是農戶利用管理水平，故選擇農田林網、灌溉能力、排水能力、有效磷、速效鉀5個指標反映耕地農田林網、灌排溝渠及施肥培土等利用管理水平的差異。經濟價值指數是按照標準耕作制度所確定的指定作物在農地自然質量條件、農地所在利用分區的平均利用條件及所在土地經濟分區的平均經濟條件下，所獲得的按產量比系數折算的基準作物產量之和（式1），也可以解釋為在當前的農業技術經濟條件下，該分等單元內的農地能實現的最大經濟產量水平。土地經濟系數是地塊特定作物有效產量與總產量的比值，描述地塊在相同經濟發展水平與投入產出強度約束下的生產能力的差異[20]（式3）。此外，現有研究鮮有考慮耕地生態環境質量空間聚集性對耕地空間布局的影響。鑒于此，選擇安全利用率、生物多樣性、重金屬（汞、鎘、鉻、鉛）含量等指標刻畫生態環境指數，并作為耕地質量自相關性分析框架的“第四維”。

式中EI為第個地塊的經濟價值指數；NQI為第個地塊的自然質量指數；K為第個地塊的利用管理系數；UMI為第個地塊的利用管理指數；UMImax為所有地塊利用管理指數的最大值；K為第個地塊的土地經濟系數；a為第個地塊上第種作物的“產量-成本指數”；A為第個地塊上第種作物的“產量-成本指數”的最大值；Y為第種作物的凈單產（kg/hm2）；C為第種作物總單產（kg/hm2）。

表1 耕地質量評價指標體系

2.1.2 耕地質量綜合分值計算

本研究采用加權指數和法對每個地塊的自然質量指數、利用管理指數、經濟價值指數以及生態環境指數綜合評定，并采用自然斷點法分為“優、較優、一般、較差以及差”5級。其中，評價指標體系中權重確定的方法為最優組合賦權法[21]，其一般思路為：1）分別采用專家打分法、層次分析法、熵權法及主成分分析法確定4種權重后構建權重矩陣W；2）計算兩兩標準化指標之間的離差平方和并構建離差平方和矩陣1；3）基于離差平方和最大化的原則將所得權重矩陣與離差平方和矩陣1如式（6）計算后并計算所得矩陣的最大特征向量；4）將最大特征向量歸一化處理后得到各權重的修正系數，加權運算后得到最優組合賦權權重W。

2.2 空間自相關性分析

2.2.1 局部空間自相關模型

局部空間自相關模型是理論地理學應用最廣泛的方法，主要識別空間單元的聚類或分異特征[22-24]。本研究采用局部空間自相關模型描述耕地斑塊與其臨近斑塊耕地質量間的空間相關特征[25]，模擬全局耕地斑塊集聚或分異的空間分布結果，其局域空間相關性指標[26]（Local Indicators of Spatial Association，LISA）具體計算式為：

莫蘭指數（Moran’ I）的取值范圍為[-1,1]，根據其正負將空間自相關性描述為高-高（HH）、低-低（LL）兩種正相關型以及高-低（HL）、低-高（LH）兩種負相關型[27]。正相關型代表耕地斑塊的空間集聚，負相關型代表耕地斑塊空間分異。本研究檢驗統計量（Z得分值標準分數）判別全域空間自相關的顯著性。當Z大于1.96時，表明觀測值間存在較強的正相關性，即全域耕地斑塊整體空間格局表現為空間集聚；當Z小于?1.96時，表明觀測值間存在較強的負相關性，即全域耕地斑塊整體空間表現為空間分異；當|Z|小于1.96時，表明耕地斑塊空間自相關性不顯著，在空間上表現為隨機分布。

2.2.2 空間權重矩陣的確定與改進

1）空間權重矩陣的選擇。基于反距離的空間權重矩陣的前提假設為空間自相關效應的強度取決于耕地斑塊間的距離[25]。除自身耕地斑塊單元外，其他所有的臨近斑塊對該觀測地塊的影響程度隨著距離的增加而逐漸削弱，這符合“所有空間單元均存在相關性，且距離較近的空間單元的相關性比距離較遠的空間單元的相關性強”的地理學第一定律的前提假設[28]。此外，基于反距離的空間權重矩陣能夠將非稀疏矩陣轉換為稀疏矩陣，避免因耕地斑塊過多而引致的運算周期過長、準確性不足的問題[29]。鑒于此，本研究基于反距離空間權重矩陣的局部空間自相關模型模擬高淳區耕地地塊空間自相關結果，并據此作為全區耕地保護空間布局優化的前提[14]。

2）空間權重矩陣的改進。已有研究多以耕地斑塊質心之間的距離作為構建反距離空間權重矩陣的依據，對于閾值距離范圍內耕地斑塊間的相關性考慮不足[30]。在傳統反距離空間權重矩陣的構建過程中，距離閾值這一指標的確定存在較強的主觀性，嚴重影響耕地空間布局優化的科學性。鑒于此，本研究以反距離空間權重矩陣為基礎，并以耕地地塊的面積對其改進修正，同時采用增量自相關分析法確定距離閾值，有效提升局部空間自相關模型應用的準確性。具體過程如下所示：

反距離空間權重矩陣的改進。為避免耕地單元面積差異過大而引致的耕地空間自相關結果準確性下降的問題，對高淳區耕地單元面積歸一化處理（式10）。

式中M是耕地斑塊面積矩陣中的元素；Mmax與Mmin分別是為耕地單元在閾值距離范圍內所有臨近地塊面積的最大值和最小值；M為耕地單元的面積。

在不同距離閾值范圍內，耕地單元存在多個的相鄰單元，當耕地單元僅存在一個相鄰單元或所有相鄰單元面積均相等時，即當Mmax=Mmin時，M取值為1；若耕地單元存在一個以上相鄰單元且面積不相等時，參照公式（10）計算標準化面積。隨后，根據計算的標準化耕地單元面積對反距離空間權重矩陣修正改進，具體計算過程如下所示：

式中w是傳統空間矩陣中的元素；spacexy為基于標準化耕地單元面積改進后的反距離空間權重矩陣space的元素，即耕地單元對耕地單元影響的空間權重。

最優閾值距離的確定。本研究的耕地空間布局優化是以耕地自然質量、利用管理、經濟價值以及生態環境指數的空間自相關結果疊加耦合為前提，只有在最優閾值范圍確定后才能準確模擬各耕地質量指數的空間相關結果。鑒于此，借助ArcGIS平臺采用增量自相關分析法模擬耕地單元在不同閾值范圍內的空間集聚或離散特征，根據Z得分值的變動情況來確定最優閾值距離。一般來說，當閾值距離變大時，Z得分值也會增大，表示耕地的空間集聚性逐漸增強。當在某一特定閾值距離范圍內，若Z得分值存在峰值，說明該閾值距離為耕地空間集聚中最顯著的距離，即最優閾值距離。但在特定條件下，若無論閾值如何增加，Z得分值一直增加不存在峰值時，說明耕地已經發生集聚效應。

2.3 基于空間計量模型的改進空間自相關顯著性檢驗

本文在Geoda1.6.7平臺分別采用一階空間自相關模型、空間自回歸模型以及空間誤差模型模擬高淳區耕地地塊空間相關性結果，并根據赤池信息準則、貝葉斯信息準則、漢南-奎因準則、對數似然函數值以及莫蘭指數來檢驗改進空間自相關模型結果的顯著性[31]。

2.4 耕地保護空間布局優化

耕地單元間的質量差異是在多種因素的不斷作用下導致的，各耕地單元對于相同環境變化的敏感度不同[32]。因此，針對同一地塊的耕地質量提升策略而引致的其臨近地塊耕地質量的變動存在較大的差異。根據極化理論，當耕地單元處于同一極化層級時，耕地質量趨于同質；處于不同極化層級時，耕地質量趨于異質。當某一耕地單元質量發生變動時，會對臨近地塊單元產生兩種不同的效應，一種是對周圍臨近地塊耕地質量產生推動和正面影響的擴散效應，另一種是對周圍臨近地塊耕地質量產生抑制和負面影響的回流效應[33]。鑒于此，本研究基于極化理論，分析國土空間規劃“三線”內地塊自然質量、利用管理、經濟價值及生態環境指數的空間自相關性，判別耕地單元某一耕地質量系數的變動對其周圍地塊耕地質量的影響，提出優化耕地空間布局的策略。

3 結果及分析

3.1 耕地質量空間特征

本研究從耕地自然質量、利用管理、經濟價值指數以及生態環境四個維度構建耕地質量評價體系，參照農用地分等定級規程，采用加權指數和法計算耕地質量分。高淳區耕地質量在上述4個維度的評價結果如圖2所示。

由圖2可知，在自然質量指數方面，高淳區耕地自然質量表現出“西高東低”的空間特征。高質量地塊主要分布在雁翅鄉、淳溪鎮以及古柏鎮，以水田為主，自然條件較優；低質量地塊主要在東壩、定埠以及固城鎮的崗沖丘陵區，以旱地為主，自然條件較差，以調整地類為主。在利用管理指數方面，整體表現出“西高東低”的空間特征。高分值耕地主要分布在雁翅鄉、淳溪鎮以及古柏鎮，灌溉溝渠、排澇設施及管理技術完善；低分值耕地主要在定埠、東壩以及固城鎮，田間基礎設施較差，田間利用水平較低。在經濟價值指數方面，高淳區地塊在經濟價值指數方面整體表現出“西高東低”的空間特征。高分值耕地主要集中分布在雁翅鄉、古柏鎮及淳溪鎮，在漆橋、固城以及定埠鎮零星分布，主要以黑土及重壤為主，耕作經濟效益較高；低分值耕地在高淳區東部分布較為集中連片，在高淳區東部分布較為零散，主要以中層石灰土以及白土為主，投入強度以及耕地經濟可持續性較低，屬于“高投入、低產出”的生產模式，耕作經濟效益較差。在生態環境指數方面，雖整體上呈現出“西高東低”的空間分布特征，但低分值耕地面積明顯大于高分值耕地。其中，生態環境指數較高的耕地主要分布雁翅鄉以及固城鎮，主要以水田為主，土壤內生物多樣性較高，能夠有效促進土壤微生物的分解和養分轉化；低分值耕地主要分布在東壩鎮以及定埠鎮工業區，耕地生態環境質量受到嚴重威脅，土壤內生物多樣性較低，部分地區甚至出現鉛、鎘、鉻等重金屬含量超標的問題。

圖2 高淳區耕地質量指數空間分布圖

3.2 空間自相關模型顯著性檢

借助ArcGIS以及Geo16.7空間分析平臺，在最優閾值距離范圍內，采用傳統反距離空間權重和改進空間權重，根據一階空間自相關模型、空間自回歸模型及空間誤差模型模擬高淳區耕地空間聚類結果，通過信息準則指數以及莫蘭指數判別各模型的顯著性，如表2所示。

表2 空間自相關模型顯著性模擬結果

注：TSW，傳統反距離權重；ISW，改進空間權重。

Note: TSW, Traditional spatial weight; ISW, Improve spatial weight.

根據表2可知，傳統反距離空間權重與改進反距離空間權重的三種模型空間自相關模擬結果的信息準則指數以及Moran’指數存在顯著差異。除一階自相關模型的對數似然函數值以及空間自回歸模型貝葉斯信息準則指數外，其他信息準則指數及莫蘭指數在采用改進空間權重時的空間模擬結果更科學。空間誤差模型中Moran’指數值（0.761）最高，這表明基于空間誤差模型的空間模擬結果更為顯著，空間相關性模擬結果更具科學性。此外，通過對比傳統反距離空間權重與改進空間權重各個信息準則指數以及莫蘭指數，驗證了采用基于改進空間權重的空間誤差模型在空間自相關分析的準確性。

3.3 Moran散點圖與Moran’s I值分析

本研究采用改進空間權重的局部空間誤差模型對耕地單元空間相關性結果分析，耕地質量指數Moran’s散點圖如下所示。圖3顯示：各耕地質量指數Moran’s值的空間散點均分布在第1、3象限，說明四者均表現出較強的正相關性。

圖3 高淳區耕地質量指數莫蘭散點圖

利用管理指數、經濟價值指數的Moran’s散點緊密圍繞擬合直線周圍，而質量指數、生態環境指數的Moran’s散點較前者分布較為離散，這說明利用管理指數與經濟價值指數的正相關性大于自然質量指數與生態環境指數。經模型分析可知，耕地自然質量、利用管理、經濟價值及生態環境指數Moran’s值分別為0.79、0.92、0.89、0.77，四者均趨于1。說明高淳區耕地質量均表現出較強正相關性，相關程度從大到小的排列順序為利用管理、經濟價值、自然質量及生態環境指數。

3.4 空間相關性結果

本研究基于耕地面積改進反距離空間權重矩陣，在最優距離閾值范圍內，捕捉臨近單元特征對耕地自然質量、利用管理、經濟價值及生態環境指數的影響，得到耕地質量局部空間聚集圖。結果表明：在95%的置信水平下，自然質量、利用管理、經濟價值及生態環境指數表現出較強的正相關型的空間相關性。各類型地塊數量及占比如表3所示。

3.4.1 耕地自然質量指數局部空間自相關

結合表3與圖4a中高淳區耕地地塊自然質量指數的空間自相關結果：正相關類型中高-高（HH型）、低-低（LL型）地塊數量分別占比51.55%、12.19%；負相關類型中高-低（HL型）、低-高（LH型）地塊數量分別占比10.32%、16.37%。其中，正相關類型在高淳西部分布集中連片，在東部分布零散。HH型主要集中分布在雁翅鄉與古柏鎮，且在定埠鎮南部、漆橋鎮北部以及東壩鎮東部有較小面積的零星分布；LL型主要在雁翅鄉、古柏鎮、東壩鎮與固城鎮交匯處零星分布；HL型在定埠鎮中部較為集中連片，在固城鎮零星分布；LH型在東壩鎮、漆橋鎮集中連片分布，在古柏鎮、雁翅鄉分布較為零散。

高淳區耕地自然質量指數正相關型空間分布與耕地自然質量指數較高的地塊的空間特征高度吻合。正相關類型主要分布在耕地自然優勢突出的高淳西部，在東部零星分布；負相關類型主要分布在耕地自然質量較差的東部。其中，正相關類型區域中，雁翅鄉以重壤為主，土質較好，土壤肥沃，有效土層厚度較為理想，土壤保水育肥能力較優，耕地連通性較強，分布較為集中連片，自然質量較好；負相關類型主要以定埠鎮、東壩鎮為主，土壤質地較差、肥力不足，局部區域地勢不平，不利于機械化作業，土壤厚度不足，有機質含量較低，受公路受楔入切割的影響較深，主要分布在遠離公路的地區。

3.4.2 耕地利用管理指數局部空間自相關

結合表3與圖4b中高淳區耕地地塊利用管理指數的空間自相關的模擬結果來看，正相關類型中高-高區（HH型）、低-低區（LL型）地塊數量分別占比36.97%、29.59%；負相關類型中高-低區（HL型）、低-高區（LH型）地塊數量分別占比11.31%、11.23%。正相關類型在高淳西部分布較為集中連片，在高淳東部零星分布；負相關類型在高淳東部及北部地區較為集中連片。HH型集中分布在雁翅鄉、淳溪鎮，在古柏鎮、定埠鎮以及東壩鎮公路兩側有較小面積的零星分布；LL型集中分布在雁翅鄉西部、淳溪鎮東部以及東壩鎮南部，在古柏鎮東部、定埠鎮北部、漆橋鎮北部分布零散；HL型整體分布較少，主要分布在定埠鎮北部、東壩鎮中部，且在雁翅鄉、固城鎮有較小面積的零星分布；LH型整體空間分布呈現出多塊狀集中分布的特征，主要以定埠鎮、固城鎮、漆橋鎮為主。

高淳區耕地利用管理指數正相關型空間分布與耕地利用管理指數較高的地塊的空間特征同樣較為相似。雁翅鄉西部有水陽江水系通過，東部有固城湖水系，水資源較為豐富，田間灌排溝渠密集，灌溉條件的優勢突出，與村莊距離較近，耕作距離較短，便于農業要素投入和產出，耕地集中連片，便于大規模機械農業生產和管理。位于東壩鎮的地塊面積較小，連片性不高，嚴重阻礙大規模機械耕作，耕作利用限制性因素較多，土地利用的基礎設施尚不完備，導致耕地利用管理指數偏低。固城鎮雖然水源較為豐富，灌溉條件較好，但因處于崗沖丘陵地帶，地形因素嚴重制約農業生產，排水溝渠鋪設不合理，耕地利用條件較差。位于定埠鎮南部片區及北部零散區域遠離公路兩側的地塊，區位優勢不夠明顯，嚴重阻礙農業產出要素的輸出，利用和管理水平較差。

3.4.3 耕地經濟價值指數局部空間自相關

結合表3和圖4c中的高淳區耕地經濟價值指數空間自相關的模擬結果來看，正相關類型中高-高區（HH型）、低-低區（LL型）地塊數量分別占比52.56%、12.30%；負相關類型中高-低區（HL型）、低-高區（LH型）地塊數量分別占比9.98%、9.67%。在空間特征方面，經濟價值指數正相關類型主要集中分布在高淳東部地區，表現出“片區”和“帶狀”的空間集聚，在高淳西部分布較為零散，負相關型在高淳東部較為集中，在高淳西部零散分布。HH型主要集中分布在雁翅鄉，在古柏鎮臨近河流道路兩側區域、淳溪環鎮中心地帶及東壩鎮北部地區有較小面積的零散分布；LL型主要分布在古柏鎮中心帶狀區域并在雁翅鄉、漆橋鎮零散分布；HL型主要集中分布在東壩鎮、定埠鎮以及固城鎮片狀區，在漆橋鎮北部零星分布；LH型集中分布在漆橋鎮、定埠鎮塊狀區，在古柏鎮、固城鎮、東壩鎮以及雁翅鄉零星分布。

高淳區地塊經濟價值指數正相關型主要分布在高附加值農業區、道路兩側以及固城湖周邊。HH區域中雁翅鄉土壤以中壤為主，土質較好，土壤肥沃，且與高淳縣城較為臨近，交通方便，整體經濟效益較優。古柏鎮鄰河塊狀地區地勢較為平坦，溧高高速、蕪太公路等多條道路橫貫古柏鎮東西方向，便于農產品要素向外輸送，有效提升了耕地經濟效益；淳溪鎮環鎮中心地帶憑借其緊鄰高淳城市中心的區位優勢，緊鄰固城湖水系，保證灌排作用的同時兼顧經濟效益。位于東壩鎮、定埠鎮以及固城鎮片狀區塊狀區的地塊，區位優勢不夠明顯，耕地單位化肥、農藥、勞動力等投入要素不足，作物品種較為單一，耕地管理模式較為落后，“低投入、低產出”的生產模式嚴重妨礙了耕地經濟效益的提升。

3.4.4 耕地生態環境指數局部空間自相關

結合表3與圖4d中高淳區耕地地塊生態環境指數的空間自相關的模擬結果來看，正相關類型高-高（HH型）、低-低（LL型）地塊數量分別占比26.04%、27.99%；負相關類型高-低（HL型）、低-高區（LH型）地塊數量分別占比20.56%、14.65%。在空間分布方面，正相關型集中分布在高淳西部，表現出片狀、帶狀的集聚特征，負相關型分布在高淳東部，分布形式較為零散。HH型主要集中雁翅鄉、古柏鎮西部及定埠鎮臨近道路地帶區；LL型主要分布在古柏鎮環高淳縣城塊區以及“東壩-固城片區”，在固城鎮、雁翅鄉有較小面積的零散分布；HL型主要分布在定埠鎮遠離公路地帶、固城鎮東部片區，在東壩鎮北部零星分布；LH型主要集中分布在東壩、漆橋鎮，在定埠、古柏以及固城鎮零散分布。

高淳區耕地生態環境指數正相關類型集聚區與生態環境質量較高等級的地塊空間位置較為相似。HH型區域中雁翅鄉塊狀區土壤微生物多樣性豐富，能有效發揮生物固氮效應，改善土壤微觀環境，距離重工業區較遠，重金屬污染程度較小，部分地區甚至已形成生態格網，生態環境質量較為突出；定埠鎮遠離公路地帶由于臨近高淳區東部工業區，受工業污染較為嚴重，部分地區甚至出現土壤鎘、鉻、鉛等重金屬超標問題，嚴重威脅耕地生態質量；固城鎮東部片區土壤微生物物種較為單一，不利于土壤高分子物質的降解，在土壤結構、肥力保持等方面處于較低水平，生態環境質量較差。

表3 高淳區耕地質量指數局部空間自相關類型及占比匯總

圖4 高淳區耕地質量局部空間聚集分布

3.5 耕地空間布局劃定及優化策略

3.5.1 耕地空間布局劃定

理論地理學指出，各區域單元之間互相影響，可能會存在擴散或者回流效應，從而降低或擴大臨近單元間的質量差異[34]。為此，本研究將耕地質量空間自相關類型中的正相關類型視為空間擴散效應，而負相關類型視為空間回流效應[35]。其中，HH型代表質量較高的地塊的空間集聚區，在該區域耕地質量趨于同質，應作為禁止非農建設的核心保護區。LL型與之相反，代表耕地質量較差地塊空間集聚區域，在該區域內耕地質量趨于同質，應基于耕地質量稟賦，分批次的開展生態還林還草建設，是非農建設的理想區域。HL型代表的是“凸地”，表現出高質量耕地被低質量耕地包圍的空間特征，在回流效應的影響下該區域的高質量地塊極易被低質量地塊同化，退化為LL型。LH型代表的是“凹地”，表現出低質量耕地被高質量耕地包圍的空間特征，在擴散效應的作用下低質量地塊極易被臨近高質量地塊同化，躍遷為HH型。具體分區結果和優化策略如圖5及表4所示。

圖5 高淳區耕地質量局部空間關聯聚集圖

表4 基于改進局部空間自相關的高淳區耕地保護布局優化

鑒于此，本研究從區域發展理論與實踐出發，根據高淳“三線”成果，分析位于永久基本農田保護邊界、城鎮開發邊界以及生態紅線內地塊的空間相關性，將各耕地指數空間關聯結果疊加后產生的14種類型分為永久基本農田保護區、城市發展緩沖區、生態環境保護區及綜合調節區4個一級類與14個二級類，針對不同類型的空間效應提出耕地布局優化策略。研究表明：結合“三線”劃定成果與耕地質量空間相關性優化耕地空間布局，不僅保障國土空間規劃的實施，還提出耕地布局優化的策略，永久基本農田新增968.15 hm2，等級提升0.94。

3.5.2 耕地空間布局優化策略

本研究將“三線”劃定成果納入空間自相關優化耕地空間布局的研究框架，剖析位于永久基本農田保護紅線、城鎮開發邊界以及生態紅線內的地塊自然質量、利用管理、經濟價值及生態環境指數的空間相關性劃分耕地保護分區，評估各分區耕地布局優化難度，提出布局優化策略，各分區耕地保護分區優化策略如下所示：

1）永久基本農田保護區主要分布在雁翅鄉、古柏鎮、固城鎮及定埠鎮，總面積為32 238.30 hm2，占比為82.51%。永久基本農田保護區內的地塊不但隸屬于國土空間規劃中的永久基本農田范疇，且各耕地質量指數均表現出較強的空間擴散效應，綜合質量較優，無任何障礙因素。其中，基本農田核心區是自然質量優越、基礎設施較完備、經濟價值較高、生態環境較優的聚集地，也是永久基本農田保護區中最應優先保護的核心。位于基本農田改良區、基本農田整治區內的地塊在利用管理和生態環境的空間聚集優勢減弱，應分別采取田間管理設施建設和生態整治工程為治理要點的耕地質量提升策略。位于基本農田退出區內的地塊在耕地質量、利用管理水平、經濟效益以及生態環境質量的優勢減弱的同時，在空間上表現出較強的空間回流效應，限制周圍地塊的耕地質量，應通過產權轉移有序退出基本農田。綜上，該區域內的地塊隸屬于永久基本農田范疇，質量優勢突出，是承擔糧食安全的核心，應禁止非農建設；對于空間回流效應明顯、質量較差的地塊，應基于基本農田管理平臺有序退出、轉移，防止基本農田被損毀。

2）城鎮發展緩沖區主要分布在淳溪鎮的環高淳鎮中心以及固城鎮的“環固城湖”塊區，在漆橋鎮、定埠鎮、雁翅鄉有較小面積的零散分布，總面積為1 024.23 hm2，占比為2.62%。城鎮發展緩沖區隸屬高淳國土空間規劃中的城鎮開發邊界，緊鄰城鎮中心，區位優勢突出，耕地質量表現出明顯劣勢。其中，位于城鎮發展調節區內的耕地，耕地質量較優，且各耕地質量指數均表現出較強的正向空間擴散效應，應有選擇的納入基本農田。位于城鎮發展側重區的地塊，耕地在生態環境質量表現出較強的空間擴散效應，應通過退耕還林、還草工程使其成為生態格點提升周圍地塊生態質量。位于城鎮發展理想區內的地塊，臨近城鎮周圍，各耕地質量指數均表現出較強的空間回流效應，耕地質量劣勢突出的同時還會引致周圍地塊耕地質量下降，應作為城鎮發展最優先占用的地塊。綜上，城鎮發展緩沖區耕地質量優勢下降，各耕地質量指數均表現出較強的空間回流效應，是城鎮發展農轉用的理想空間，也為城鎮發展指明方向。

3）生態環境保護區主要分布在“東壩-定埠-固城”沿胥河帶區、漆橋鎮與東壩鎮交匯處以及定埠東壩交匯處，總面積為1 835.36 hm2，占比為4.70%。生態保護緩沖區隸屬高淳國土空間規劃的生態紅線，生態環境優勢較為突出，主要分布在河流、湖泊以及公路沿線。其中，生態適度保護區內的地塊，耕地質量優勢較為突出，各耕地質量指數均表現出較強的空間擴散效應，建議有選擇地納入基本農田；位于生態側重保護區內的地塊，耕地自然質量、利用管理水平以及經濟價值指數的優勢較為突出，但生態環境指數卻表現出較強的負向空間回流效應，建議大力通過田間生態防護、重金屬降解技術等一系列生態整治工程改良其生態環境質量；位于生態重點建設區內的地塊，耕地質量劣勢較為突出，且各質量指數均表現出較強的空間回流效應，生產能力有限，建議通過生態還林、還草工程以形成生態紅線防護格網。綜上，位于生態環境保護區內的地塊，耕地質量較差，各耕地質量指數均表現出較強的回流效應，應有選擇、有序地退耕還林、還草，以發揮其生態防護價值。

4）綜合調節區位于高淳國土空間規劃“三線”劃定外，主要分布在雁翅鄉東部沿固城湖塊區、定埠鎮北部片區以及“淳溪-漆橋-東壩”塊區，總面積為3 973.91 hm2，占比為10.17%。其中，重點綜合調節區內的地塊耕地質量較優，各耕地質量指數均表現出較強的空間擴散效應，應有選擇的納入基本農田。位于重點綜合保護區、側重綜合整治區以及適度綜合調節區內的地塊，耕地質量優勢較弱，耕地質量的障礙因素較多也最復雜，需判明各項障礙因素的作用機理，實現各耕地質量指數向HH型的躍遷，具體措施包括：根據地塊限制因素的作用機理、限制因素的多少及整治成本，確定各地塊的整治次序；針對耕地質量條件較差的耕地，采取移土培肥、土壤改良等措施；針對基礎設施不完善的耕地，應加快田間道路、溝渠等設施建設；對于投入產出水平較差的耕地，應通過耕地流轉、置換等措施，優化土地管理模式，增加農業生產附加值；對于生態條件較差的耕地，應積極探索土壤污染修復新技術，完善土壤污染微觀環境。

4 結論與討論

4.1 結 論

本研究基于高淳區“一城兩湖兩翼”的國土空間規劃“三線”劃定成果，通過構建改進局部空間自相關模型，以耕地自然質量、利用管理、經濟價值及生態環境指數為空間變量，分析高淳永久基本農田保護紅線、城鎮開發邊界、生態紅線內耕地質量指標的空間集聚特征，提出相應的耕地空間布局優化策略。主要結論如下：

1）高淳西部地塊的耕地綜合質量優于東部地區。其中，高質量耕地在西部分布集中連片，在東部分布較為零散，低質量耕地在西部分布較為集中。自然質量、利用管理、經濟價值以及生態環境指數均表現出“西高東低”的空間特征。

2）高淳耕地質量空間相關性以正相關型為主，正、負相關型與高、低質量耕地的空間分布高度吻合。各耕地質量指數均表現出明顯的空間聚集特征，自然質量、利用管理、經濟價值及生態環境指數的Moran’s值分別為0.79、0.92、0.89、0.77，空間集聚性從大到小的排列順序為利用管理、經濟價值、自然質量與生態環境指數。

3）結合國土空間規劃與耕地質量空間相關性優化耕地空間布局，永久基本農田新增968.15 hm2，等級提升0.94，劃定永久基本農田保護區、城鎮發展緩沖區、生態環境保護區及綜合調節區4個一級類與14個二級類。其中，永久基本農田保護區綜合質量較優，表現出強烈的空間擴散效應，應作為耕地保護核心，禁止非農建設；城鎮發展緩沖區質量較差但區位優勢突出，各耕地質量指數表現出較強的空間回流效應，是城鎮發展農轉用的理想空間；生態環境保護區耕地質量劣勢明顯但生態條件優越，應開展生態防護工程，形成生態防護格網；綜合調節區耕地質量限制因素復雜，應判明障礙因素作用機理，開展田間整治工程，促進其向永久基本農田躍遷。

4.2 討 論

本研究基于高淳區國土空間規劃“三線”劃定成果，深入探討耕地在自然質量條件、利用管理水平、經濟價值指數及生態環境質量4個維度的空間集聚分布，據此提出優化耕地空間布局的策略，對于耕地質量提升、保障糧食安全具有重要的參考意義。在耕地質量內涵方面，除耕地自然質量、基礎設施條件及經濟價值指數外，將生態質量作為耕地質量的“第四維”納入耕地質量內涵，突破了單純以耕地自然質量、利用管理及經濟價值指數3個維度的空間相關性優化耕地空間布局的局限；在研究方法上，基于耕地面積與距離修正空間權重，采用改進局部空間相關性模型更加科學準確的描述耕地質量空間聚集分布；在研究思路上，基于高淳區1 073個監測點數據對耕地生態環境指數展開空間相關性分析，彌補了以往研究對耕地生態質量空間相關性的不足，對于耕地精細化管理、全局耕地質量提升具有重要參考意義；在研究內容上，結合國土空間規劃“三線”劃定成果與耕地質量空間自相關優化耕地空間布局，確保國土空間規劃成果有效實施。值得說明的是，本研究主要探討各耕地質量空間自相關性對耕地保護布局優化的影響，至于如何實現“數量與質量”結合的耕地保護分區，如何深入貫徹“布局-規模-實踐”的耕地保護研究框架是今后重點研究方向。政府應盡快建立數量、質量與生態“三位一體”的耕地保護機制，在保障耕地數量的同時，將耕地生態安全納入耕地質量框架；完善全民耕地保護意識，建立耕地保護社會扶持機制；加強村集體經濟組織建設，培育耕地質量和生態保護的監管主體；確立山水林田湖全要素保護理念，實現耕地保護與生態保護目標；建立耕地有償使用及交易制度，緩解建設占用耕地壓力。

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Optimization of the spatial layout of arable land protection using “Three Lines” delineation of territorial spatial planning and spatial autocorrelation attributes of arable land quality

Han Shu1, Guo Guancheng1,2※, Shi Yangyang1, Cui Jiufu1

(1.,y,210095,; 2.,,210095,)

The “Three line” of land spatial planning and the spatial characteristics of cultivated land quality can greatly contribute to the spatial layout optimization of cultivated land protection and food security. In this study, an improved local spatial autocorrelation model was proposed to optimize the spatial layout of arable land protection using “Three line” delineation of territorial spatial planning and spatial autocorrelation attributes of arable land quality. The ecological environment served as the “fourth dimension” of the spatial correlation analysis of cultivated land quality. A plan was also presented to improve the spatial layout of cultivated land protection. The spatial autocorrelation correlation was then simulated for the natural quality, utilization management, economic value, and ecological environment index of cultivated land in the “Three line” from the plot scale. There was a positive influence on the geographical evolution of agricultural ecological landscape patterns, food safety, and farmland pollution control. The specific procedures were as follows. Firstly, some indexes were estimated to obtain the three-line delineation of land spatial planning, including the natural quality, utilization management, economic value, and ecological environment index. The plot data was collected from 1 073 soil monitoring stations in the Gaochun District, Nanjing City, Jiangsu Province of China. Secondly, the spatial correlation of each indicator was analyzed using the spatial error model of the enhanced spatial weights. Finally, a new strategy was proposed to optimize the spatial layout of cultivated land, according to the geographical association findings of permanent basic farmland, urban development boundary, and the quality of inland blocks of ecological protection red line. The results indicated: 1) Much more high-quality cultivated land was concentrated in the west and dispersed in the east, in terms of the geographical distribution of cultivated land quality. Low-quality agricultural land was more prevalent in the eastern part than in the western. The ecological environment, economic value, utilization management, and natural quality index all demonstrated the "west high, east low" features of geographical distribution. 2) Each cultivated land quality index presented a positive geographic correlation, according to the spatial autocorrelation analysis of the cultivated land quality index. Both positive and negative correlation types were quite compatible with the spatial distribution of high and low-quality cultivated land. The natural quality, utilization management, economic value, and ecological environment index all presented the Moran's I values of 0.79, 0.92, 0.89, and 0.77, respectively, all of which were the spatial aggregation features. The indexes were ranked in descending order of the Utilization Management, Economic Value, Natural Quality, and Ecological Environment Index. 3) The cultivated land was divided into 14 second-level categories and four first-level categories using the spatial correlation of the cultivated land quality, including the permanent basic farmland protection, urban development buffer, ecological environment protection, and comprehensive adjustment zone. Both the permanent basic cropland and the grade rose by 0.94. The best quality was found in the permanent basic farmland protection zone. There was a significantly positive spatial dispersion impact of each quality measure for the cultivated land protection to forbid non-agricultural building. The urban development buffer zone was the best place for urban growth, due to the low quality of the farmed land and the significant geographical benefit. The ecological environmental protection zone was utilized to carry out ecological protection in the field. An ecological red line protection grid was constructed for the outstanding ecological circumstances, especially with a relatively visible deficit in the overall quality.

layout; optimization; ecology; farmland quality; territorial space planning; improving spatial autocorrelation；Gaochun District

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.026

F301.12

A

1002-6819(2022)-19-0237-12

韓述，郭貫成，史洋洋，等. 基于國土空間“三線”劃定與耕地質量自相關的耕地空間布局優化[J]. 農業工程學報，2022，38(19)：237-248.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.026 http://www.tcsae.org

Han Shu, Guo Guancheng, Shi Yangyang, et al. Optimization of the spatial layout of arable land protection using “Three Lines” delineation of territorial spatial planning and spatial autocorrelation attributes of arable land quality[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(19): 237-248. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.19.026 http://www.tcsae.org

2022-06-19

2022-09-02

國家社科基金重點項目（20AGL024）

韓述，博士生，主要研究方向為土地經濟與政策。Email：hanshu@njau.edu.cn

郭貫成，博士，教授，博士生導師。主要研究方向為土地經濟與政策、不動產評估與管理。Email：ggc@njau.edu.cn