耕地细碎化与耕地集约利用水平空间相关特征研究——以湖北省为例

刘婧鸣，侯现慧，王占岐，夏楚瑜，孟 琦

（1.西安交通大学公共管理学院，陕西 西安 710049；2.西北农林科技大学经济管理学院，陕西 杨凌712100；3.中国地质大学公共管理学院，湖北 武汉 430074；4.浙江大学公共管理学院，浙江 杭州 310013）

1 引言

中国是一个人多地少的大国，粮食安全问题始终被当作重要的战略问题。长期以来，由于人口数量的约束，有限的耕地资源给粮食安全生产带来了巨大压力，加之城镇化和工业化进程的持续快速推进，耕地面积减少将发展为一个长期趋势[1-2]。在此背景下，耕地集约利用成为保障中国粮食安全的突破口，也是促进农业发展、农村进步和农民增收的重要举措[3]。然而，由于自然和人为等诸多原因，中国耕地细碎化现象较为严重，耕地细碎化的存在浪费了耕地资源，提高了农业生产成本，降低了农业规模经营效益，并逐渐成为制约农业生产发展、农村社会稳定的主要因素[4]，因此，耕地集约利用与耕地细碎化的相关研究对于解决耕地高效利用与耕地规模经营具有重要意义。

目前，针对耕地集约利用或耕地细碎化的单方面研究相对较多，主要包括耕地集约利用的结构特征[5]、时空演变[6-7]、驱动力分析[8]和耕地细碎化的形成机理[9]、影响因素等方面[10]，而针对耕地细碎化与集约利用的相关研究仍比较匮乏，且主要集中于利用经济学方法分析耕地细碎化与农户收入[11-12]、农业生产[13-16]、农业机械化等[17-18]方面的关系，以及细碎化或集约利用对粮食安全[19]和社会经济发展水平[20]等方面的影响。由于不同区域自然、社会和经济条件不同，耕地细碎化与集约利用水平都呈现出明显的地域特征，探索耕地细碎化和集约利用水平在不同地域单元的空间分异特征，揭示不同区域间耕地细碎化对耕地集约利用的影响规律，将是科学制定耕地利用与保护政策的重要依据，保障区域粮食安全，对实现区域社会经济可持续发展具有重要意义。

本文结合相关研究成果，以湖北省为例，分别构建耕地细碎化和集约利用水平评价体系，运用空间经济学计量方法分析区域耕地细碎化程度与集约利用水平的空间分异特征，并对两者之间的空间相关关系进行探讨，旨在揭示湖北省耕地细碎化对集约利用水平空间异质性的影响规律及内在机理，从而为耕地高效利用和规模化经营发展提供决策参考，为其他地区开展类似研究提供一种思路。

2 研究区概况

湖北省作为中部地区战略崛起的重要支点，境内地势呈三面高起、中间低平、向南敞开、北有缺口的不完整盆地，农产品类型多样[21]。全省耕地面积532.30×104hm2，占全国耕地总面积的3.94%；人均占有耕地0.0867 hm2，是全国平均水平的85.52%[22]。2014年湖北省农村人口达2578.2×104人，完成生产总值27367.04×108元，比上年增长9.7%，其中，农业完成增加值3176.89×108元，增长4.8%。农村常住居民人均可支配收入为10849元，比上年增长11.9%[23-24]。耕地斑块数达219.34×104块，户均斑块数为0.22。近年来，湖北省农业生产力发展迅速，规模化、产业化的现代经营模式逐渐增多，科学定位农业功能，提高农业产出效率，对研究现代农业建设提供重要依据。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源与处理

本文从县域尺度揭示湖北省耕地集约利用及细碎化的空间分异特征，结合研究需要和数据的可获得性，以2014年为基准对行政单元进行调整，将各地的市辖区适度进行归并处理，最终划分为87个县域单元，研究区域行政区划图如图1。研究采用的各县经济数据及人口数据来源于2015年《湖北省统计年鉴》，农业生产数据取自2015年《中国农村统计年鉴》。耕地细碎化的相关数据来源于2014年度湖北省土地变更调查成果，使用ArcGIS 10.0提取耕地图斑，并将矢量数据栅格化，利用Fragstats 3.3计算景观指数。

图1 研究区域行政区划图Fig.1 The administrative map of study area

3.2 研究方法

3.2.1 耕地细碎化程度指标的确定 耕地细碎化具有地块面积小，形状不规则，分布分散，户均斑块数多等特征[25-27]。本文根据上述耕地细碎化特征，从景观角度选取指标进行评价，共设有斑块面积指数、斑块形状指数、斑块分布指数三种细碎化指标，全面反映湖北省耕地细碎化的分布规律。具体耕地细碎化评价指标如下：

（1）斑块面积指数：

式（1）中，PAi代表耕地面积细碎化程度，Ai为研究区斑块面积，单位为hm2，PAi值越大，耕地细碎化程度越低。

（2）斑块形状指数：

式（2）中，PSi代表耕地形状细碎化程度，Di为研究区斑块i的分维指数，Gi为斑块i的伸长指数，PSi值越大，耕地形状越规整，细碎化程度越低。

（3）斑块分散指数：

式（3）中，Pli指斑块分散指数，A′i指研究区域单元中耕地斑块个数，单位为个/hm2，耕地分散指数越高，耕地破碎程度越高。

3.2.2 耕地集约利用水平指标的确定 耕地集约理论最早起源于李嘉图等古典经济学家提出的地租理论，反映耕地等别差异利用对经济生产效益的影响[28]。耕地集约利用评价通过选取社会经济指标，定量分析耕地投入产出效率，反映一个地区耕地利用经营效益，也为该区域耕地发展可持续性提供参考建议。本文基于相关学者的研究成果[29-30]，根据科学性、操作性、综合性、系统性等评价原则从宏观层面选取投入强度、利用程度、产出效果和可持续状况4个层面10个指标对湖北省耕地集约利用水平进行调查研究，采用极差标准化法对各指标进行标准化处理，运用熵值法确定指标权重，计算湖北省耕地集约利用水平。耕地集约利用评价指标体系如表1。

表1 湖北省耕地集约利用水平评价指标体系Tab.1 The intensive use levels of cultivated land indicator system in Hubei Province

3.2.3 空间自相关分析 空间自相关是指空间对象在不同空间位置的某一属性值之间的统计相关性，由空间自相关系数度量，以检验空间事物某属性是否相邻分布或间错分布[31]。空间数据分析中主要有两类工具，即分析整个区域关联性指数的全局空间关联性指标和分析区域内各个地域单元关联性的局部空间自相关指标。本文采用Moran’s I指数对空间数据进行分析，指数计算公式如下：

而对于局部空间单元，其Local Moran’s I指数为：

4 结果与分析

4.1 耕地细碎化的分异特征

研究采用自然断点分级法（Jenks）对各单元耕地细碎化程度进行划分，用以展现研究区域内耕地细碎化的空间分异格局（图2，封二）。

在斑块面积指数研究中，位于西南山区的恩施市、宜昌市以及西北山区的十堰市耕地面积细碎化指标值均处于6.56—37.02之间，斑块面积大小不一，耕地较为破碎，其中恩施市咸丰县斑块面积指数达到6.56，而位于江汉平原的潜江、天门、仙桃地域，耕地面积细碎度分值均处于45.87—79.88之间。耕地形状细碎化方面，湖北省整体呈现西部耕地形状破碎，中部形状规整的耕地分布特点。对比湖北省其他地域，位于江汉平原地区的荆门、天门、潜江及仙桃地区形状细碎化程度较之其他区域较小，其中，天门斑块形状指数分值达到89.64，耕地形状更为规整，而位于鄂西南山区的恩施自治州、鄂西北地区的十堰市等地，斑块形状指数均低于57.84，耕地斑块形状呈现多样化分布状态，耕地细碎化程度较为严重；耕地斑块分散方面，位于恩施自治州北部的利川、恩施、建始、巴东地区的耕地分散细碎化指数较高，并形成逐步向内递减的趋势，十堰、神农架以及宜昌市西北部地区分散细碎化指数处于61.20—78.84之间，分值分布较为均匀，耕地分布规律较为相似，由于该区域均位于鄂西北山区地域，耕地分布状况受自然地理因素影响较为严重，耕地斑块坐落较为分散。

4.2 耕地集约利用分异特征

耕地集约利用水平反映了一个地区耕地利用经营效益。本文分别从投入强度、利用程度、产出效果以及可持续状况分别进行空间分异特征研究。湖北省耕地集约利用水平空间分异特征如图3（封二）。对比发现，4种评价因素空间分异特征差异明显，具体表现如下：投入强度分值相对比较集中，其中在11.5—45.45分值的区域耕地面积占整个湖北省耕地面积的80%以上，湖北省耕地投入强度呈现山区低，平原高、低分值聚集，高分值分散的特点；湖北省耕地利用程度分值分布主要呈现东部高、西部低、平原高于山区的特点，其中东部沿江平原区域灌溉指数与稳产指数明显高于其他地区，分别达到58.78和40.44，高于恩施自治州50%以上，但恩施自治州由于地处鄂西南山区，种植类型多样化，复种指数较高，达到66.89；产出效果分值空间分异特征呈现出以武汉市为中心，宜昌市为副中心，分值逐步递减的趋势。可持续状况整体分值偏低，其中武汉市可持续状况分值较高，平均达到78.23，约为恩施市可持续利用状况分值1.75倍，表明湖北省耕地利用状况可持续空间分异差异较大，需分区进行治理。

4.3 区域耕地细碎化与集约利用水平空间自相关分析

4.3.1 耕地细碎化与集约利用水平的全局相关特征 研究采用GeoDa空间分析工具，通过建立空间权重矩阵，计算不同细碎化指标与耕地集约利用水平之间全局空间自相关指数Moran’s I值（表2）。结果表明：在p= 0.05的显著性约束下，耕地细碎化指标与耕地集约利用水平空间聚集比较显著，其结果均通过双侧显著性检验。三种耕地细碎化指数的Moran’s I指数顺序是：斑块分散指数＞斑块面积指数＞斑块形状指数，表明湖北省耕地斑块形状空间分布相对均匀，而空间聚集程度最小，斑块分散和面积空间集聚效果显著且呈现空间正相关关系。

投入强度、利用程度、产出效果及可持续状况的Moran’s I指数顺序是：可持续状况＞投入强度＞利用程度＞产出效果，表明耕地可持续利用状况即潜在退化压力指标及人均耕地面积的空间集聚程度高于投入强度与利用程度，而耕地产出效果空间中呈现较为均匀的分布形式且集聚程度较小。

表2 耕地细碎化与集约利用度的全局空间自相关分析表Tab.2 The analysis of general spatial auto-correlation in land fragmentation and intensive use degree

4.3.2 耕地细碎化与集约利用水平的局部空间特征 在t检验的基础上（p= 0.05）描绘双变量局部自相关LISA聚集图，用于显示研究指标值与其邻域指标值均值之间低—低（L—L）、高—高（H—H）的空间正相关，或高—低（H—L）、低—高（L—H）的空间负相关以及无显著的空间相关性（空间随机性）。基于研究区域单元（县）的局部相关性测算各耕地细碎化指标和耕地集约利用指标的局部空间集聚状况，输出耕地细碎化指标空间关联局部指标（LISA）聚集图（图4，封二）及耕地集约利用空间关联局部指标（LISA）聚集图（图5，封三），统计研究区域耕地集约利用指标与耕地细碎化指标局部自相关类型的县（市）耕地面积如表3。。

（1）耕地细碎化局部空间自相关性分析。湖北省耕地斑块面积指数弱势L—L型则主要包含恩施自治州、宜昌市西北地区等山地区域，该区域斑块面积指数呈现低聚集状态，面积细碎化程度明显。强势H—H型主要分布在天门市、潜江市、仙桃市等江汉平原中部地带，耕地斑块面积较大，且呈现规模化发展趋势。耕地斑块形状指数弱势L—L型则主要分布在西南地区的恩施自治州（利川市与来凤县除外）、宜昌市西北部地区以及神农架林区，而强势H—H型分布较为分散，主要集中于襄阳市城区以及位于江汉平原地区的潜江市、仙桃市等地及黄冈市中部地区，斑块形状指数反映了耕地形状的规整程度，是机械化耕种的必要条件。耕地斑块分散指数局部自相关弱势L—L型则主要分布在中部襄阳市城区、老河口市、天门市、潜江市、仙桃市、荆州市监利县及石首县，而强势H—H型主要分布宜昌市西北地区、咸宁市崇阳县以及恩施自治州巴东县，其主要原因由于斑块分散指数越大，耕地细碎化程度越高，而斑块形状指数越大，耕地细碎化程度越小，耕地形状越规整，所以导致斑块形状指数与斑块分散指数强势H—H型分布范围有所差异。

表3 局部空间自相关性类型的县（市）耕地面积统计表 单位：103 hm2Tab.3 Statistical table of cultivated land areas of local spatial autocorrelation types unit: 103 hm2

（2）耕地集约利用局部空间自相关性分析。耕地投入强度弱势L—L型主要分布在西南地区的恩施自治州（宣恩县除外），而强势H—H型耕地主要分布于武汉市蔡甸、汉南以及江夏区，耕地投入强度反映了单位面积内劳动力，机械及化肥投入的数量，武汉周边县区由于地处平原地带，机械化程度较高，人口密集，耕地投入强度较大；耕地利用程度弱势L—L型则主要分布在西南地区的恩施自治州（建始县与宣恩县除外），神农架林区及宜城市也呈现弱势L—L型，强势H—H型耕地主要分布于黄冈市浠水县，其分布趋势与投入强度较为相似，弱势L—L型耕地由于受山区耕地坡度的影响，水土流失较为严重，灌溉保证率较低，其耕作制度仍保留传统的一年一熟制；产出效果低产出效聚集区主要分布于恩施自治州一带，由于自然条件及交通条件的局限，单位面积粮食产量及产值明显低于江汉平原地带，而高聚集区域仅表现在宜昌市当阳市，武汉江夏区及汉南区，分布零散且覆盖面积较小，湖北省耕地高产出耕地未能实现规模经营；可持续利用L—L型则主要分布在恩施市自治州（来凤县与宣恩县除外），强势H—H型主要分布在宜昌市枝江市及当阳市、荆门市沙洋县、荆州区以及武汉市江夏区、蔡甸区及汉南区。整体而言，湖北省耕地集约利用水平的各项二级指标均呈现出西低东高，L—L型聚集，H—H型分散等问题，除了自然条件等因素的限制外，也与区域内差异化的经营方式密切相关。

4.3.3 耕地细碎化和集约利用水平的空间耦合分析 通过对比耕地集约利用与耕地细碎化的空间聚集性差异（图4，图5），以县（市）为研究单元，分析耕地集约利用与耕地细碎化之间的空间耦合关系，并对不同类型的空间关联局部指标进行个数统计（表4），探讨两者之间的空间相关性。

斑块面积指数与耕地集约利用之间呈现高比例的L—L型耦合关系反应了斑块面积的细碎化程度对于耕地集约利用的影响程度呈现明显的负面作用。其中，投入强度与斑块面积指数的25.92%，H—H型耦合区域分布于汉南区，该区域劳动力集中，化肥投入强度较高，区域单位斑块耕地面积较大，L—L型耦合区域分布于鄂西南山区地带，斑块面积较小，且不利于机械投入及劳动力集中。产出效果、利用程度与斑块面积指数均呈现L—L型聚集的分布，表明面积细碎化对于单位面积的产值及灌溉保证率均呈现负面聚集效应。总体上看，斑块面积指数与投入强度和利用程度的空间耦合性最高，可持续利用状况次之，产出效果最低。

斑块形状指数局部自相关类型为L—L型代表区域内耕地斑块形状破碎严重，而耕地集约与斑块形状的L—L型空间耦合关系，表明了斑块形状破碎化对耕地集约利用呈现负面影响作用。整体而言，斑块形状指数与利用程度的空间耦合性最高，其次为可持续状况，投入强度与产出效果最低。斑块形状的不规整对耕地的灌溉保证率及复种指数的影响最为严重，其中，恩施自治州由于地处山区地带，对比平原地带难以形成较为规整的耕地斑块，稀缺的耕地资源使得不少农户选择坡地种植，对于农田的灌溉保证率产生影响，其次，山地的耕地水土流失较为严重，导致土壤种植层较薄，养分流失严重，农业收益率逐年下降，存在潜在退化风险。

斑块分散指数与耕地集约利用二级指标的区域耦合相关性中主要呈现H—L型的局部相关类型，斑块分散指数局部自相关类型为H—H型代表区域内斑块细碎化程度较为严重，耕地集约利用L—L型表示耕地集约利用程度较低，H—L型的空间耦合关系反映了低集约利用与高分散指数之间的空间关系。对比斑块面积指数及斑块形状指数，斑块分散指数与集约利用的空间耦合关系较小，其中斑块分散指数与产出效果的空间耦合性最高，其次为利用程度与可持续状况，投入强度与分散指数在空间中不存在交集。

综合而言，斑块面积指数、形状指数与耕地集约利用的各项指标均有一定的耦合关系，且主要集中于西南山区地带，呈现低集约高细碎化的空间耦合关系。由于山区耕地自然条件薄弱，资源稀缺，坡地种植现象较为严重，造成耕地斑块面积较小，形状不规整，劳动力投入较高，灌溉保证率较低，导致地均产值低下。因此，鄂西北地区应多加强耕地细碎整治，合并耕地斑块，合理布局，对于不宜种植区域应采取退耕还林，休耕手段予以治理。

表4 耕地细碎化与耕地集约利用水平空间自相关性类型对应县（市）数Tab.4 Numbers of correspondence nexus regarding spatial auto-correlations types of land fragmentation and land utilization indicators

5 结论与讨论

在耕地细碎化指数的测算基础上，利用地理学研究中的探索性空间数据分析的技术和方法，重点讨论了耕地细碎化的空间集聚格局以及耕地集约利用评价与耕地细碎化指数的空间耦合性。结论如下：

（1）湖北省耕地斑块面积指数与斑块形状指数在空间中呈现较强的相似性，局部正相关类型H—H型主要分布在襄阳市以及潜江、仙桃、荆州等江汉平原地区，而弱势L—L型则主要聚集于西南地区的恩施自治州以及神农架林区。耕地分散指数则呈现相反分布状态，在江汉平原地区主要呈现弱势L—L型，而在西部地区，如宜昌市西部及神农架林区，则呈现正相关类型H—H型。耕地集约利用指标弱势L—L型则主要分布在恩施自治州及神农架地区，而强势H—H型则主要分布于武汉市及宜昌与荆州交界地带。

（2）运用耦合法分析耕地细碎化与集约利用之间的空间关系。斑块面积指数、形状指数与耕地集约利用的各项指标均有一定的耦合关系，且主要集中于西南山区地带，呈现低集约高细碎化的空间耦合关系，斑块分散指数与集约利用指标的耦合相关性不强。在4个耕地集约利用指标中，斑块面积指数对耕地投入强度及产出效果有较强的负面影响，而斑块面积的细小化及形状的不规整对于耕地的灌溉的保证率及潜在的退化压力指标有着负面影响。

（3）耕地细碎化与耕地集约利用的耦合关系在不同区域表现不同。西南山区主要为高细碎化低集约利用的耦合关系，而对于中部江汉平原地带，两者之间的空间耦合关系不强，主要表现为低细碎化斑块聚集而高集约利用斑块空间集聚性较弱。因此，在山区，应多加强耕地细碎整治，合并耕地斑块，合理布局。而江汉平原地带，由于城镇化进程速度的加快，大量劳动力流失，耕地投入较少，部分耕地有抛荒现象，政府部门应当严格管制耕地，对于弃耕抛荒现象应该予以处罚并及时收回耕地，从而提高耕地的集约利用程度。

（4）由于搜集的数据资料有限，本文仅选了2014年湖北省耕地细碎化及集约利用之间的关联性进行研究，缺乏时间序列中的对比性，无法在时空中对耕地集约利用及耕地细碎化的历史演变进行分析，这在今后的研究中还需进一步补充完善。

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