基于空间自相关的湖北省耕地压力时空演变特征

聂 艳，罗 毅，于 婧，陈 芳

(1.华中师范大学 城市与环境科学学院，武汉430079;2.湖北大学 资源环境学院，武汉430062)

0 引言

耕地是人类赖以生存的物质基础，是保证粮食安全的重要战略需要。随着工业化、城镇化的不断加快，耕地资源的稀缺性日显突出并已成为我国农业生产及国民经济可持续发展的瓶颈因素［1-3］。因此，深入研究耕地压力的变化及其对粮食安全的影响，合理规划、开发和利用有限的土地资源，已成为世界各国所关注的重要议题和当今学术界共同关注的焦点。20世纪50年代起，国外学者开始研究耕地压力问题，但基于不同国情对耕地保护的关注点大不相同:北美和欧洲的学者重点关注耕地非农化过程对环境的影响，亚洲、中美洲的学者则重点关注耕地数量的变化对粮食供给的影响以及政府有关调控措施的确定［4-6］。改革开放特别是近10余年来我国优质耕地持续大量减少，即使在冻结非农建设占用耕地的1997，1998年，每年仍因非农建设减少耕地近20万hm2，这些问题已引起了政府、社会和学者的广泛关注。许多学者从耕地资源态势、粮食安全评价、耕地压力指数和耕地保护政策等方面展开了深入研究，尤其是蔡运龙等提出的耕地压力指数模型能够定量衡量某一区域耕地资源的紧张程度而受到学者们的认同［7-10］。随着空间统计学的快速发展，空间相关分析方法也不断完善，目前多集中在地区间GDP及地价的空间差异、资源的空间分布特征、土地利用变化的尺度响应等方面的研究［11-15］。湖北省地处中国中部，有良好的经济区位优势，随着湖北省城镇化、工业化速度的加快，资源利用规模不断扩大，给生态环境带来了一定压力。为了科学衡量湖北省面临的耕地资源承载压力，本研究借助耕地压力指数模型定量测算了湖北省1999—2011年的耕地压力指数及其变化，借助空间自相关分析法探讨了湖北省耕地压力指数的空间演变特征。这对理解耕地压力的空间分异、有效缓解耕地压力现状、促使城镇扩展沿着高效集约方向发展和推进中部地区城市化与生态环境协调发展具有一定的意义。

1 研究区概况

湖北省地处我国中部、长江中游、洞庭湖之北(北纬29°05＇～33°20＇，东经 108°21＇～116°07＇)，总面积 18.59万km2，占全国总面积的1.94%，东西长约740 km，南北宽约470 km。该区属亚热带季风性湿润气候，光照充足，热量丰富，是著名的“鱼米之乡”，其中的江汉平原是我国重要的粮食生产基地之一。地貌类型多样，山地、丘陵、平原、岗地兼备，呈三面高起、中间低平、向南敞开、北有缺口的不完整盆地。现辖12个省辖市、1个自治州、1个林区和3个省管市，2011年底户籍人口为6 217万人。随着2007年底武汉城市圈被国务院批准为“两型“社会建设综合配套改革试点、湖北省实施“两圈一带”发展战略和城镇化与城镇发展战略，作为湖北省探索振兴之路的战略思路集成，以“两圈”为引擎、以“一带”为传动，将掀起湖北省新一轮经济发展的高峰，形成优势互补、相互联动的整体发展战略和省域空间协调发展新格局。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

按湖北省行政区划划分17个单元，耕地面积、人口、粮食播种面积、总播种面积、粮食总产量等数据来源于2000—2012年湖北统计年鉴、湖北农村统计年鉴和部分地级市的统计年鉴。地级市行政界线来自1∶50万湖北省行政区划图，借助ArcGIS 9.3建立空间数据库。

2.2 研究方法

2.2.1 耕地压力指数模型。借助最小人均耕地面积和耕地压力指数模型［3］，分析1999—2011年湖北省耕地压力的时空动态变化。

(1)最小人均耕地面积。最小人均耕地面积是在一定的区域范围内、一定粮食自给水平和耕地生产力条件下，为满足人口正常生产生活的食物消费所需的耕地面积，它的实质就是保证个人最基本生存粮食量所需要的耕地面积［3］。采用以下公式进行计算:Smin=β×［Gr/(P×q×i)］。式中:Smin为最小人均耕地面积(hm2/人);Gr为人均粮食需求量(kg/人);β为粮食自给率(%);P为粮食单产(kg/hm2);q为粮食播种面积占总面积的比例(%);i为复种指数(%)。

(2)耕地压力指数。耕地压力指数(k)是最小人均耕地面积与实际人均耕地面积之比，它可以衡量一个地区的耕地资源紧张程度，是测试特定区域粮食安全的重要指标。当k＜1时，人均耕地实际值大于最小人均耕地面积，耕地无明显压力;当k=1时，粮食供给需求平衡，耕地明显压力不大，但需加强耕地的保护，以免出现粮食安全危机;当k＞1时，耕地压力明显，粮食供给小于需求，粮食生产不能保证区域内的正常需求，应加强耕地保护并增加耕地的经济供给量。k值与1偏离越大，粮食安全或耕地压力也越大。耕地压力指数给出了耕地保护的阈值，可作为耕地保护的调控指标，某一地区不同时空截面的k值反映了耕地资源所承受的压力水平，根据k值的变化制定或选择不同的调控对策，可缓解区域耕地资源压力，实现耕地资源的可持续利用。

2.2.2 空间自相关分析。空间自相关是空间依赖性的重要形式，是指研究对象与其空间位置之间存在的相关性。空间自相关是检验某一要素属性值与其相邻空间要素上的属性值是否显著相关联的重要指标。空间自相关通常有全局空间自相关和局部空间自相关两大类［12-15］。全局空间自相关是对属性值在整个区域的空间特征的描述，通过对全局 Moran’s I、全局Geary’s C和全局Getis-Ord G等统计量的估计，分析区域总体的空间关联和空间差异的平均程度，但不能充分描述研究区域内所有单元之间的空间联系模式，尤其当空间过程在空间上出现非平稳的状态时，需要进行局部空间自相关分析。局部空间自相关分析主要分析局部乃至每个空间单元的属性值在异质性空间的分布格局，可以度量每个区域与周边地区之间的局部空间关联程度，常用统计量为局部 Moran’s I指数和局部Geary’s C指数。本研究均采用Moran’s I指数分析湖北省耕地压力的全局和局部空间差异特征。

3 湖北省耕地压力的时空演变特征

3.1 湖北省耕地压力的时序变异规律

选择1999—2011年中间隔2 a为一个时间点，以2000，2002，2004，2006，2008，2010，2012 年湖北统计年鉴、湖北农村统计年鉴和部分地级市的统计年鉴中耕地面积、人口、粮食播种面积、总播种面积、粮食总产量等为基础，以17个地级市为评价单元，经统计、计算、整理得到各单元7个年度的粮食作物平均单产、粮食播种面积占总面积的比例和复种指数。根据国务院《中国食物与营养发展纲要(2001—2010年，2011—2020年)》规定的小康营养目标及国内相关研究资料，确定湖北省1999，2001，2003，2005，2007，2009，2011 年的人均粮食需求量分别为 390，395，400，410，420，430，435 kg;粮食自给率根据湖北省各行政区的地形地貌及区域发展战略，设定武汉市为80%，十堰、恩施和神农架林区为90%，仙桃、潜江、天门、荆州、荆门等粮食主产区为120%，其他均为100%。按照耕地压力指数模型，分别计算1999—2011年湖北省各地级市7个年度的耕地压力指数(表1)。可以看出，在国家、地方政策以及市场机制的驱动下，近10年来湖北省经济快速发展，伴随着工业化、城镇化的快速推进和人口的增长，不可避免地导致耕地资源的流失和实际人均耕地面积的减少;同时人民生活水平的改善促使人均食物需求量不断增长、农业产业结构调整以及农业投入的减少，引起粮食播种面积和复种指数的相应减少，造成最小人均耕地面积有所增加，进而出现湖北省各区域耕地压力指数总体上呈现波动和上涨的趋势，除了1999年湖北省耕地压力指数平均值小于1外，其他年份均大于1，耕地压力较大。

根据各地级市耕地压力指数的时序变化特征，湖北省区域耕地压力在空间上可分为持续拉升区(图1)、和缓保持区(图2)、平稳下降区(图3)3种类型。近10年来湖北省耕地压力变化呈弱倒“U”型，与环境库兹涅茨倒“U”型曲线 EKC相吻合，分为 1999—2003年和2003—2011年2个阶段。20世纪90年代以来，中国城市经济体制改革不断加快，城市经济迅速发展，城市化率不断提高，但由于国家及地方政策的阶段性、基础设施建设的不确定性等原因，使得耕地压力的反馈出现滞后，同时加上国家生态退耕政策对山区的耕地转用作用明显，耕地压力逐渐增大。2003年以后，国家实行严格的耕地保护和积极的土地开发整理政策的效果逐渐显现，城市发展开始摆脱过去传统的“摊大饼”模式，耕地减少速度得到有效遏制;国土整治工程改善了农业基础设施现状，极大提高了耕地数量和质量，农业科技水平的提高也提高了粮食作物的单产和复种指数，因而湖北省尤其是江汉平原粮食主产区的耕地压力有降低的趋势。到2011年，荆州、荆门、孝感、襄阳、随州的耕地压力指数小于1，天门、潜江、仙桃、咸宁的耕地压力指数在粮食自给率为120%时也接近1，耕地压力不大，粮食安全风险较小。

表1 1999—2011年湖北省各地级市耕地压力指数结果Tab.1 The pressure index of cultivated land in Hubei Province from 1999 to 2011

图1 1999—2011年持续拉升区耕地压力变化曲线Fig.1 Changing curve of pressure for cultivated land in continuous increase area(1999—2011)

3.2 湖北省耕地压力时序变化类型分区

3.2.1 持续拉升区。包括武汉、黄石、鄂州和宜昌。这一类型地区作为湖北省经济发展的重点，城市化速度不断加快，加上行政辖区面积有限，后备耕地资源不足，耕地补充与流失难以达到动态平衡，耕地压力逐年增大。武汉市作为湖北省省会、中部大城市，其城市化速度、经济发展水平一直排在前列，尤其是2007年底武汉城市圈被国务院批准为“两型”社会建设综合配套改革试点和“一主两副”的发展战略，宜昌市“十二五”期间主城区要扩大1倍，因而耕地压力指数高居不下;黄石、鄂州作为武汉城市圈最重要的副中心城市，人多地少，耕地资源有限，粮食作物播种比例偏少，国家和湖北省大力推行的以增加耕地数量、提高耕地质量为核心的国土整治工程影响有限，耕地压力较大，年均增长速度接近4%;宜昌处于鄂西山区与江汉平原的过渡地带，山地面积较大，约占总面积的67.64%，2011年人均耕地面积仅有0.057 2 hm2;同时宜昌作为湖北省副省级中心城市，将承担更多的城镇化和经济建设的重任，耕地压力将进一步加大。

3.2.2 和缓保持区。包括位于湖北西部、西北部和东北部的恩施、十堰、神农架、襄阳、黄冈和孝感地区。这类地区生态环境比较脆弱，地区经济发展水平一般，以传统农业为主，城镇化、工业化对该类地区造成的压力影响不大;但自20世纪90年代末期开始实行的生态退耕还林政策对山区耕地转用作用明显，根据国土资源部门提供的调查资料显示，2001—2005年全国耕地减少约827万hm2，生态退耕就占了71%，而在1997—2005年恩施、十堰等地区耕地因生态退耕减少约占耕地减少总量的75%左右，而且一些部门为了经济利益，以退耕还林为借口，加速了耕地资源的流失，结果造成1999—2003年间耕地压力快速加大;2004年后湖北省开始全面实施国土整治政策，尤其是针对这类地区提出了南水北调丹江口库区“移土培肥”工程、鄂西北山区坡耕地生态整理工程、三峡库区移民人均一亩当家田工程、鄂东低丘岗地改造工程、鄂北岗地及汉江中游节水整地治理工程和鄂西南次高山平地整理工程等，对山区耕地补充起到了明显作用，一定程度上弥补了这类地区因生态退耕、城镇化和基础设施建设引起的耕地减少态势。

3.2.3 平稳下降区。位于江汉平原的粮食主产区，耕地压力呈明显的弱倒“U”型，我国城市经济体制改革的影响同样出现在这里，因此2003年以前耕地压力持续上涨;2003年以后，人口自然增长率达到较为稳定的状态，有些地方甚至因为政策性移民和外出务工，人口呈下降趋势，加上2004年以后全面推行的基本农田和高产农田建设、汉江中下游滩涂开发、矿区废弃地复垦等国土整治工程，农业基础设施不断完善，人均实际耕地面积呈增加态势;江汉平原作为我国商品粮基地，农业自然条件优越，农业现代化水平高，粮食作物单产复种指数不断提升，近些年耕地压力呈持续下降态势。

3.3 湖北省耕地压力的空间差异特征

3.3.1 耕地压力的全局空间差异特征。以湖北省各行政区域耕地压力指数为基础，借助ArcGIS计算1999—2011年湖北省耕地压力的全局Moran’s I指数(表2)。

表2显示，Moran’s I标准值都大于0，呈现出显著的空间正相关特征，表明湖北省耕地压力指数存在较高的空间自相关特性，耕地压力相似(高高或低低)的地区在空间上集中分布，空间分异较为明显，即存在耕地压力大的区域相互邻接，反之亦然;在空间上表现为环状分布，而镶嵌形式则表现不明显，而且统计显著性水平很高，除了2005年在5%水平外，其他6个年度均达到了1%的显著性水平。这主要与湖北省的农业发展现状和经济发展水平有关，尽管湖北省大力推行“两圈一带”和“一主两副”的空间发展战略，但长期以来湖北省就存在着鄂西、鄂中和鄂东经济发展水平的较大差距，武汉独大再加上黄石、鄂州行政辖区面积的影响而出现耕地压力在空间上明显聚集的特点。

表2 1999—2011年湖北省耕地压力指数的全局Moran’s I分析结果Tab.2 Global Moran’s I of pressure index of cultivated land from 1999 to 2011 in Hubei Province

从时间角度看，1999—2011年耕地压力指数的空间正相关性呈下降趋势，这主要与依法贯彻落实最严格的耕地保护制度、大力推进农村土地整治工程有关;尤其是随着《全国土地开发整理规划(2001—2010年)》的编制，大量土地开发整理复垦项目的实施一定程度上弥补了因建设占用耕地的问题，实现了耕地数量和质量的双提升，耕地压力逐年减少。7个年度的Moran’s I值中2001年Moran’s I值最高，空间集聚特征最明显;2005年Moran’s I值最低，这主要是由于2005年以后国家推行的土地开发整理政策由基本农田整理逐渐向不同地区不同类型的国土整治工程转变，造成2005年耕地补充量在空间上分布不平衡，一定程度上弱化了耕地压力聚集的空间特征。

3.3.2 耕地压力的局部空间差异特征。以湖北省各行政区域的耕地压力指数计算结果为基础，借助ArcGIS计算了2011年湖北省17个单元耕地压力的局部Moran’s I指数，经SPSS聚类后将其分为4类，以检验湖北省局部地区耕地压力在空间上的集聚或分异特征(图4)。从图4和局部Moran’s I指数可以看出，武汉市及受其吸引最大的黄石、鄂州、仙桃、潜江和天门局部自相关系数较大，具有较高的耕地压力聚集特征，构成湖北省耕地压力的一个高峰，成为耕地压力聚集发展的区域，对这类区域应制定更加严格可行的耕地保护政策并适时提出耕地生态补充标准，积极盘活存量建设用地，以缓解区域耕地压力及带来的粮食安全风险。神农架林区、黄冈、荆州的局部自相关系数为负值且最小，与周围地区耕地压力差异显著，构成一个谷地，这主要是由于神农架林区、黄冈林多生态环境好，经济发展速度也不快，对耕地造成的压力较小;而荆州位于江汉平原腹地，自古以来就是粮仓，粮食播种面积、复种指数和单产均较高，因此耕地压力也不大。其他8个单元的局部自相关系数在0左右浮动。由于各地资源禀赋、区位条件、经济发展等的差异，造成了各地耕地压力指数聚集特征的不同，各地应根据自身的特点加强耕地资源保护并提高耕地经济供给量，减少耕地流失，保证粮食生产。

图4 基于局部Moran’s I指数确定的耕地压力聚类结果图Fig.4 Clustering map of pressure index of cultivated land based on local Moran’s I

4 结论

(1)1999—2011年湖北省耕地压力指数的结果表明武汉、黄石、鄂州耕地压力较大，湖北省耕地压力变化呈弱倒“U”型，2003年以前耕地压力快速上升，随着国土整治工程的全面推进，2003年以后耕地压力有下降的趋势;根据17个单元的耕地压力指数的时序变化特征，可分为持续拉升区、和缓保持区、平稳下降区3种类型。

(2)1999—2011年正的全局空间自相关指数说明湖北省耕地压力具有较明显的聚集特征，空间分异明显。其中2001年Moran’s I值最高，2005年Moran’s I值最低。2011年的局部空间自相关系数表明武汉及周边黄石等构成湖北省耕地压力的一个高峰，而神农架林区、黄冈、荆州形成湖北省耕地压力的一个低谷。

(3)研究借助耕地压力指数模型测算了湖北省各区域的耕地压力的动态变化，但最小人均耕地面积和耕地压力指数都是在一定区域范围内界定的，无论哪一级区域粮食自给率、人均粮食需求、粮食单产等都直接影响最小人均耕地面积的计算，这些参数的确定需要进一步研究;同时以耕地压力指数1为安全节点的科学性也有待商榷。

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