湖北省耕地产能核算及空间变异规律

聂艳，吴西子，孙轶，赵小灿，戴维斌，邵云

（1．华中师范大学城市与环境科学学院，湖北 武 汉430079；2．湖北省国土资源厅，湖北 武 汉430071）

0 引言

粮食安全问题涉及人口、资源、环境、社会、经济以及农业生产技术水平等多个子系统，一直是当今国际社会面临的主要问题之一，而作为粮食综合生产能力的最基本要素之一的耕地，是实现国家粮食安全的基础和保证［1］．针对我国人多地少、耕地后备资源不足等形势，我国开展了耕地占补平衡，而以耕地分等成果为基础的产能核算可作为耕地占补平衡考核标准，从而推动占补的数量、质量和生态的多重平衡．近年来，在农用地分等成果的基础上，学者们对耕地产能核算方法做了很多研究，如张凤荣等通过审计品种的区域试验产量为基础预测耕地产能［2］，郧文聚等提出了基于耕地分等与农业统计的产能核算方法［3］，并初步构建了耕地产能的动态监测体系［4］；许妍等在产能核算成果的基础上探讨了耕地产能提升的主导因子［5］；部分学者也分别选择不同的研究区域进行粮食综合生产能力的核算研究［6，7］．在成果应用上，耕地整理数量质量潜力测算、耕地保护级别评定、基本农田划定等都可以看到产能核算的身影，并取得了较好的效果［8，9］．从目前的研究来看，对省域尺度上耕地产能核算的研究报道较少，对其结果尤其是省域产能空间分异的研究还缺乏深入分析，而省域尺度是国家粮食安全及耕地保护关注的重点，研究省域耕地产能有重要的意义．本文中即以此为目标，基于农用地分等成果，以湖北省为研究区域，构建不同层次的耕地产能核算模型，测算各耕作区不同层次的单产，并分析省域尺度耕地产能的空间分异规律，全面掌握湖北省耕地综合产能状况，为制定耕地保护对策、划定土地整治重点区域、促进耕地和经济协调发展等具有重要指导意义，是深化耕地资源数量、质量并重管理的重要途径和方法．

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740km，南北宽约470km．现辖12个省辖市、1个自治州、1个林区和3个省管市，2012年底户籍人口为6 217万人．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．全省土地开发程度较高，耕地资源自然质量较好，《农用地分等规程》将湖北省划分为5个二级指标区：鄂豫皖丘陵区、沿江平原区、西部丘陵山地区、盆周秦巴山地和川鄂湘黔浅山区．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，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

耕地产能包括理论产能、可实现产能和实际产能3个层次，形式上可以用单产和总产表示．在农用地分等成果的基础上，采用基于农用地分等与农业统计相结合的方法进行核算．以2010年12月31日为核算基期年，通过建立二级区的产能核算模型测算全省不同层次的产能数据，并作为全省耕地产能空间异质性分析的基础．

2．1 数据来源 湖北省分县（市、区）农用地分等成果（技术报告、数据表格和数据库），理论单产样本调查数据805个，可实现单产抽样调查样本6 109个，2009－2011年县（市、区）统计年鉴和各地填报的《各乡镇指定作物统计产量调查表》、《乡镇近三年主要作物的播种面积、产量》调查表格．

2．2 研究方法 产能核算的主要依据是农用地分等成果，其中核心是自然等指数和利用等指数．基于农用地分等与农业统计的产能核算方法，即在分等成果的基础上，借助外业调查收集的样本单产等数据，构建产能核算模型测算耕地不同层次和不同区域的产能．

2．2．1 耕地理论产能核算 耕地理论产能是指在农业生产条件得到充分保证，其他环境因素均处于最优状态时，在当地实际光、热、水、土等资源条件下，农作物所能达到的最高产量．以二级指标区为单位，通过理论单产样点指定作物审定品种的区域试验单产，建立与对应的自然质量等指数的函数关系，经过数理分析和论证检验，确定各二级区理论单产核算模型（表1）．将分等单元的自然质量等指数代入函数方程获取分等单元的理论单产，然后乘以相对单元的耕地面积得到单元的理论产能；经乡、县、二级区等行政级别的汇总和计算得到对应的理论产能和单产．

2．2．2 耕地可实现产能核算 耕地可实现产能是指在农业生产条件得到基本保证，其他环境因素均处于正常状态时，在当地实际光、热、水、土等资源条件下，平均投入农作物所形成的正常年景能够达到的粮食产量．以二级指标区为单位，通过可实现单产样点抽样调查正常年景下指定农作物能够获得的最高产量，建立与对应的利用等指数的函数关系，经过数理分析和论证检验，确定各二级区可实现单产核算模型（表2）．同理论产能核算获取不同级别区域的可实现产能和单产．

表1 湖北省各二级区理论单产核算模型

表2 湖北省各二级区可实现单产核算模型

2．2．3 耕地实际产能核算 耕地实际产能是指目前实际实现的产能．数据来源于农业统计部门对作物产量的统计调查．依据农业统计数据，以乡镇为单位，将各指定作物的农业统计单产作为实际单产．然后根据标准粮换算系数，将指定作物的实际单产换算为标准粮实际单产．根据耕作制度，用标准粮实际单产乘以乡镇耕地面积，得到各乡镇耕地实际产能．同理论产能核算获取不同级别区域的实际产能和单产．

2．2．4 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［10］．本文中均采用Moran's I指数分析湖北省耕地产能的全局和局部空间差异特征．

3 湖北省耕地产能的空间分异规律

3．1 省域尺度理论单产和可实现单产的空间变异特征 根据2．2．1和2．2．2计算得到各县（市、区）的理论单产和可实现单产后，借助SPSS进行系统聚类，得到省域尺度理论和可实现单产的空间分类结果（以理论单产为例，图1，表3）．湖北省各县（市、区）的理论单产范围在1．159 9×104～2．264 7×104kg／hm2间，平均达到1．810 2×104kg／hm2；而可实现单产范围在0．902 2×104～2．161 5×104kg／hm2间，平均达到1．632 4×104kg／hm2；两个层次的耕地单产整体上呈现中部向四周递减的趋势，理论和可实现单产超过了1．900 0×104kg／hm2的主要分布在沿江平原区，即江汉平原和鄂东沿江平原．湖北粮食主产县主要分布于此，地属扬子准地台江汉断拗，地势低平，以粘土为主，区域农业基础设施比较完善，江、河、湖泊众多；属亚热带季风气候，日照量较充足，利于水稻等喜温作物栽种，因而该区的理论和可实现单产在湖北省是最高的．鄂东的鄂豫皖丘陵山区和西部丘陵山区所属县（市、区）的理论和可实现单产较高，该区水热资源丰富，虽地处丘陵但地势起伏不大，丘间沟谷开阔，土层较厚，理论上的生物生产潜力为湖北省最高，只是由于复种指数较低，农业产业结构有待进一步优化等原因，造成该区理论和可实现单产较低于沿江平原区．鄂西的川鄂湘黔浅山区和盆周秦巴山地的理论和可实现单产较低，该区地处丘陵山地，地势相对起伏较大，农业基础设施、土地肥沃程度、气候条件以及水利条件相对于沿江平原区来说皆显不足，虽然地域广阔，但耕地零星分布，面积少，质量低，因而其理论和可实现单产也就相对较低．

表3 湖北省耕地生产能力测算结果（面积：×106 hm2，单产：×104 kg／hm2）

3．2 省域尺度实际单产的空间变异特征 根据2．2．3计算得到各县（市、区）的实际单产后，借助SPSS进行系统聚类，得到省域尺度实际单产的分类结果（表3）．尽管实际单产的分布在整体上分布与理论、可实现单产呈现相似的规律，但耕地实际单车的分布更为复杂，呈现出岛状分布的特点，江汉平原区所属县（市、区）的实际单产最高．由于受湖北省不同地区农业基础设施、耕地利用状况、农户个人管理行为以及经济发展程度的影响，全省耕地实际单产的空间差异性要明显高于理论和可实现单产，说明在实际农业生产中，实际单产受社会经济条件、农业利用水平和自然灾害等因素的影响较大．从理论、可实现和实际单产之间的差距来看，湖北省理论和可实现的增产潜力还较大，除了加强农户个人的投入力度外，应更多地通过土地整治等工程，提高农业生产的基础设施条件、耕地开发利用程度和集约经营效率，改善种植条件，提高耕地的实际单产．

图1 湖北省理论产能单产分布图

3．3 基于空间自相关的湖北省耕地单产的全局空间差异性 以前述核算的湖北省耕地理论、可实现和实际3个层次的单产数据为基础，利用GeoDA软件计算湖北省3个层次的单产的空间自相关指数Moran's I值，3个层次单产的全局指数为0．671、0．561和0．316．在α＝0．05时，3个层次单产的全局Moran's I指数的正态检验统计量均通过显著性检验，表明湖北省3个层次的耕地单产具有一定的分布规律，即在空间上具有相对明显的聚合特性，较高单产的县（市、区）比较靠近，较低单产县（市、区）比较相邻．各层次耕地单产的Moran's I指数的顺序是：理论单产＞可实现单产＞实际单产．该趋势总体上表明受人类活动和农户个人行为的影响，湖北省3个层次的产能的空间聚合特性逐渐减小，实际单产的空间分异更为复杂．

3．4 基于空间自相关的湖北省耕地单产的局部空间差异性 基于各县（市、区）耕地产能核算结果，借助ArcGIS9．3生成县（市、区）中心点图（features－feature to point）；通过GeoDA的Space空间相关分析得到各县（市、区）理论单产、可实现单产和实际单产的Moran散点图，以揭示省域耕地单产的局部空间自相关性（表4、图2）．

从表4可以看出，理论单产局部正相关类型H－H型48个，L－L型27个，合计占总个数的81．52%；可实现单产局部正相关类型H－H型43个，L－L型25个，合计占总个数的73．91%；实际单产局部正相关类型H－H型36个，L－L 型 28 个，合计占总个数的69．57%．表明理论单产的空间差异性较大，存在聚集效应，而实际单产相对来说受农户个人管理行为等影响较大，局部集聚效应相对较差．随着湖北省农业产业结构调整等政策的实施和推进，湖北省不同层次产能的空间聚集性程度将会不断加大，进一步发挥耕地的聚集规模效益和生产潜力，促进循环经济的发展，切实提高耕地的产出．

表4 局部空间自相关类型个数统计表

图2反映出湖北省耕地不同层次耕地单产已表现出较为明显的空间分异格局，基本格局是各层次耕地单产较高的地区集中在江汉平原地区，较低的分布在鄂西和鄂东南的丘陵山地区．根据局部指标LISA计算结果，将理论单产、可实现单产和实际单产的空间差异分为4种类型，尽管不同层次的单产的空间差异有微小变化，但总体趋势和分布规律具有相似性．

图2 湖北省耕地不同层次产能空间关联局部指标（LISA）聚集图

空间差异较小、区域自身和周边水平均较高的区域（H－H）主要分布在江汉平原腹地的仙桃、潜江、天门、荆州、孝感，鄂东沿江平原的鄂州、黄冈以及鄂北襄樊、随州等地区．这些地区地势起伏较小，土层较厚，日照量较充足、气候资源极为丰富，区内河流湖泊较多，能够满足各类作物的生长需求，因而理论上生物生产潜力最大，可实现单产和实际单产也是最高的．

空间差异较小、但区域自身和周边水平均较低的区域（L－L）主要分布在鄂西丘陵山地区的恩施、十堰和鄂东南的通山、崇阳等地区，这些地区地势相对起伏较大，土层较薄，存在一定的水土流失现象，土地肥沃程度、气候条件以及水利条件相对于沿江平原皆显不足，所以其理论单产就相对较低．这类地区的土地利用效率较低，需要加大调整和改革力度，在耕地质量提升方面不断强化，促进这类地区耕地的高效、持续利用．

空间差异较大、区域自身水平较高，但周边较低的区域（H－L）数量不多，零星分在在各个地区，主要包括鄂西的恩施、建始、秭归、宜昌和鄂东的赤壁等地区，受局部条件的影响，自身区位优势和生产力水平要比周边地区高．对这类地区，今后应发挥其带动作用，帮助周边区域提高农用地的生产力水平．

空间差异较大、区域自身水平较高，但周边较高的区域（L－H）数量不多，同样零星分布在各个地区，主要包括江汉平原往鄂北岗地过渡的钟祥、京山以及鄂豫皖丘陵山区的英山、大悟、麻城等地区，受自身限制因素的影响，没有发展起来，生产力水平比周边地区相对较低．对于这类区域，今后需要积极分析和探讨限制其土地资源潜力发挥的因素，有针对、有目的地加以调整和改善，实现与周边地区的协调．

从以上分析可知湖北省不同层次产能单产虽然存在着正的空间效应，使其与周边地区之间呈现相互联系和相互影响的发展趋势，但高值区的扩散效应还可以进一步扩大，对周边区域产生的辐射带动作用也应进一步加强．因此，今后应加强各区域之间的合作和交流，以土地整治工程入手，引导土地使用者提高耕地生产能力．

4 小结

1）基于农用地分等和调查数据，构建了理论与可实现产能核算模型，表明农用地自然等指数、利用等指数与标准粮存在正相关性，农用地分等理论不仅具有很强的科学性，还具有广泛的实践性和应用性．

2）从耕地单产分异规律来看，理论单产与可实现单产的空间分异规律较为一致，表现出中－中东高西部低的分布格局，单产最高地区出现在沿江平原区；耕地实际单产的分布格局较为复杂，呈现出岛状分布的特点；从耕地单产的全局自相关来看，3个层次的耕地单产表现出空间聚集特征，同时受农户个人管理行为等影响，Moran's I指数的顺序是理论单产＞可实现单产＞实际单产；局部自相关LSIA指数表明耕地不同层次单产表现出较为明显的空间分异格局，基本格局是各层次单产较高的地区集中在江汉平原地区，较低的分布在鄂西和鄂东南的丘陵山地区．

3）我国国土资源调查评价在“十二五”期间的重点任务之一是建立农用地质量等级监测体系，重点对土地整治重大工程区域、基本农田保护示范区的耕地质量等级和产能变化进行监测管理．本文中虽然进行了省域3个层次的产能核算，但如何结合农用地分等、测土配方施肥以及其他国土整治工程，提炼主导限制因子作为耕地质量和产能监测的指标，是后续研究的重点．

［1］赵玉领，郧文聚，吴克宁，等．中国近10年耕地总量变化评价［J］．资源与产业，2010，12（3）：54－58．

［2］张凤荣，张晋科．1996—2004年中国耕地的粮食生产能力变化研究［J］．中国土地科学，2006，20（2）：8－14．

［3］郧文聚，王洪波，王国强，等．基于农用地分等与农业统计的产能核算研究［J］．中国土地科学，2007，21（4）：32－37．

［4］王洪波，郧文聚，吴次芳，等．基于农用地分等的耕地产能监测体系研究［J］．农业工程学报，2008，24（4）：122－126．

［5］许妍，吴克宁，程先军，等．东北地区耕地产能空间分异规律及产能提升主导因子分析［J］．资源科学，2011，33（11）：2030－2040．

［6］崔永清，门明新，许嗥，等．河北省不同耕作区综合产能空间分异规律［J］．农业工程学报，2008，24（5）：84－89．

［7］王秋香，任向宁，孙伟杰，等．广东省耕地粮食综合生产能力研究［J］．地理与地理信息科学，2008，24（6）：68－71．

［8］张晓燕，陈影，门明新，等．基于产能的耕地资源人口承载力研究［J］．水土保持研究，2010，17（3）：176－180．

［9］刘华宾，张俊梅，门明新，等．基于产能的耕地资源保护级别评定方法研究——以河北省卢龙县为例［J］．自然资源学报，2009，24（8）：1325－1333．

［10］沈体雁．空间计量经济学［M］．北京：北京大学出版社，2010：30－100．