基于局部空间自相关的耕地质量空间集聚性和保护分区

郭敏+李淑杰

摘要：空间自相关统计量是空间某位置的地理数据与其他位置地理数据相互关联程度的衡量标准。探讨局部空间自相关在耕地研究中的应用，将耕地质量等指数作为空间变量，通过局部空间自相关，以ArcGIS软件、Open Geoda软件为平台，分析了九台市耕地的自然质量、利用质量、经济质量的空间集聚性，提出九台市耕地保护分区的最优方案。该方法将耕地自然条件、利用条件、经济条件进行分类考虑，科学合理并具有一定的可行性，为实现耕地的精细化管理和差异性保护提供基础。

关键词：耕地质量等指数；局部空间自相关；耕地保护分区；九台市

中图分类号： F323.211文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）03-0206-05

[HJ1.45mm]

收稿日期：2016-05-09

基金项目：国家自然科学基金（编号：71303006）；中国科学院知识创新项目（编号：KZCX2-YW-Q1-07）。

作者简介：郭敏（1990—），女，内蒙古包头人，硕士研究生，主要从事土地经济与管理研究。E-mail：597981287@qq.com。

通信作者：李淑杰，博士，教授，主要从事土地经济与管理研究。E-mail：450127875@qq.com。[HJ]

耕地作為人类生存与发展不可或缺的提供养育功能的土地资源，其数量和质量备受关注。保护耕地的一项重要内容就是耕地的质量管理。中国先后颁布了《土地管理法》《基本农田管理条例》《农用地质量分等规程》等法律法规保护耕地。耕地的空间分布掌握以及质量评定是耕地质量管理中的重要措施。耕地质量差异除了体现在数量上，还体现在空间分布上，其空间差异性主要表现为一定的空间聚集性和离散分布性。本研究将耕地的自然等指数、利用等指数、经济等指数作为空间变量，采用Moran散点图的方法，结合局部空间自相关分析，研究吉林省九台市耕地质量的空间聚集性规律，提出相应的耕地保护分区方案，旨在为更好地保护耕地提供依据。

1研究区概况

九台市位于吉林省长春市东北部，下辖9个镇、2个民族乡。九台市境内地势由西南向东逐渐倾斜，西南高、东北低，年平均气温4.7 ℃，年平均降水量577 mm。有效积温 2 880 ℃，无霜期140～155 d。根据九台市2011年土地利用变更调查成果显示，该市土地面积33.7万hm2，其中耕地面积达21.9万hm2，占土地面积的65%。

2研究方法

2.1局部空间自相关

空间自相关分析是地统计学中最常用的方法之一，主要是根据要素位置和要素值来度量空间的相关性。在给定一组要素及相关属性的前提下，通过计算Morans I指数值、z得分、P值对该指数的显著性进行评估，其中局部空间自相关指数是空间上某一单元与邻接单元相关程度的衡量标准。本研究以Local Morans I为统计量进行局部空间自相关分析，以其来反映空间单元i与其邻域单元之间的空间差异性及显著性。

局部空间自相关分析中，主要以Moran散点图反映空间格局的可视化程度，4个象限分别代表4种关联类型。其中，正相关类型分别用第1象限的HH型和第3象限的LL型表示；负相关类型由第2、4象限代表，分别用HL、LH型表示[1]。

3数据来源与处理

3.1数据来源

本研究区域为九台市，涉及数据的时间节点为2014年，具体资料包括：（1）文本资料，九台市土地利用现状、地形图等成果文件及相关农田水利建设等统计资料，来源于九台市国土资源局；（2）数据库资料，2014年九台市土地利用变更调查数据库、2013年九台市耕地质量等别评价成果和九台市第二次土壤普查数据库等，来源于九台市国土资源局。

3.2数据处理

3.2.1空间权重的确定

为了防止出现比例效应，在数据处理时要求空间权重频率的分布遵循正态分布，根本目的是为了防止因降低数据估计精确程度而导致的某些结构特征无法明显表达的问题[2]。采用局部空间自相关分析研究九台市耕地质量过程中，依据共边相邻（Rook）、共点或共边相邻（Queen）、阈值权重（Threshlod）、指定周围多边形个数（K-nearest）等原则，构建空间邻接矩阵，从空间邻接性频率直方图的分布特征来看，只有共边相邻（Rook）符合正态分布，因此本研究中采用共边相邻原则确定空间权重。

3.2.2耕地质量指数的确定

不同学者对耕地质量内涵有不同解释，本研究采用GB/T 28407—2012《农用地质量分等规程》中对耕地质量的描述，以自然等、利用等、经济等作为评价耕地质量的依据，自然等、利用等、经济等分别对应自然质量等指数、利用等指数、经济等指数，自然质量等指数是在自然质量分的基础上乘以光温生产潜力指数及指定作物产量比系数得到，反映耕地自然属性的优劣；在自然质量等指数的基础上乘以土地利用系数得到利用等指数；经济等指数是在利用等指数的基础上乘以土地经济系数得到[3-5]。

如果以耕地质量评价数据库最小单元（分等单元）为研究对象，会造成局部空间自相关分析结果辨识性差，导致统计结果不够准确。考虑到九台市研究区域范围较广，在分析九台市局部空间自相关时以行政村为单位。因此，本研究需要将地籍库中的分等单元进行合并，合并后的行政村耕地自然等指数等于各分等单元耕地自然等指数按图斑面积比例求取加权平均数。行政村的利用等指数和经济等指数的算法同自然等指数的算法一致。参照《中国耕地质量等级调查与评定（吉林卷）》，在ArcGIS软件平台中[6]，以400分为等别间距确定国家级自然质量等，以200分为等别间距确定国家级利用等和经济等。

4结果与分析

4.1耕地等别空间特征

2014年九台市村级耕地质量等别空间分布情况如图1所示。从空间分布上来看，饮马河和松花江沿岸平原区附近的耕地自然等别较高，主要耕地类型为水田，具有优越的耕地自然条件；九台市东部、南部、西南部的低山丘陵区集中分布等别较低的耕地，耕地自然条件相对较差，且耕地类型以旱地为主。整体来看，九台市耕地的自然质量呈东西两侧高于中部的空间分布特征。其次，利用等别较高的耕地主要分布于饮马河和松花江沿岸的平原地区，该地区拥有较高的耕地生产投入和高水平的田间管理技术，土地经营效益高，产投比高；东南部的低山丘陵区大量分布有低等别的耕地，该地区土地生产投入和田间管理技术均较差；同自然等别一致，从整体来看，利用等别呈东西两侧高于中间的空间分布特征。经济等别的空间分布与利用等别的空间分布类似，不再赘述，详见图1。[FL）]

[FK（W18][TPGM1.tif；S+3mm][FK）]

4.2自相关指数分析

本研究采用Open GeoDa软件对九台市耕地质量指数进行局部空间自相关分析，得到图2所示的Moran散点分布图。其中，Morans I值反映了以行政村为单元的局部空间自相关的特性，提示异常值或集聚所在的区域。Morans I指数的取值范围为[-1，1]，即越接近1，表示正相关性越显著；而越接近-1，则表示负相关性越显著；越接近0，表示不存在空间聚集性[7-8]。

图2中，自然等指数的Morans I为0.66，利用等指数的Morans I为0.61，经济等指数的Morans I为0.57，可以看出九台市耕地质量在空间分布上均表现出较为强烈的正相关性，表明九台市耕地质量自然条件、利用水平、经济状况均具有较大的空间关联性。

4.3局部空间自相关结果分析

对村级耕地自然等指数、利用等指数、经济等指数进行局部[CM（25]空间自相关分析，得到九台市耕地质量指数局部空间自相[CM）]

关表（表1）。由表1可知，在95%置信度下，空间上表现为NS（非显著）型的行政村比例为55%左右。由于本研究以行政村为单元进行局部分析，这便将研究区域的地形地貌、利用管理、人类活动、基础设施建设以及农村居民点的空间区位等因素细碎化，在本研究单元上存在一定差异性，进而导致空间质量相关性不显著，反向观之，行政村之间会存在一定的差异性，差异即为合理，若大量行政村之间是相同的，在实际中反而不合理，故即使NS型所占比例为55%，对其进行空间分析是合理的。图3为耕地的空间关联聚集图，与表1数据相对应，可以直观反映出相关性的空间分布状态。自相关类型共有5种：（1）HH型，表示质量等指数高，且被质量等指数高的行政村包围的区域；（2）HL型，表示质量等指数高，但被质量等指数低的行政村包围的区域；（3）LH型，表示质量等指数低，但被质量等指数高的行政村包围的区域；（4）LL型，表示质量等指数低，且被质量等指数低的行政村包围的区域；（5）NS型，代表质量等指数不存在显著空间相关性且随机分布的区域[9]。

4.3.1自然等指数自相关分析

结合表1、图3可以看出，自然等指数下的局部空间自相关分析中，正相关类型中HH、LL型的行政村数量共占44.25%；然而，负相关类型中有4个行政村为HL型，没有LH型的行政村，负相关类型的行政村占行政村总数的1.21%；NS型行政村有180个。空间分布上，HH型主要分布在兴隆镇东部、龙家堡镇东部、苇子沟镇西部、九郊办事处西部、其塔木镇东部、莽卡满族乡北部；LL型主要分布于上河湾镇西部、城子街镇东部交汇处，胡家回族乡南部，沐石河镇南部、土们岭镇、西营城镇、波泥河镇交汇处等；HL型主要零星分布于沐石河镇北部和苇子沟镇中南部。

实际情况下，兴隆镇东部、龍家堡镇东部、苇子沟镇西部、九郊办事处西部耕地位于饮马河沿岸的平原地带，其塔木镇东部、莽卡满族乡北部位于松花江沿岸的平原区，地势平坦，土壤肥沃，具有好的灌排条件和优越的自然条件，在空间上与HH型相重叠。耕地自然条件较差的区域主要集中在东南部低山丘陵地带，以胡家回族乡南部以及沐石河镇南部、土们岭镇、西营城镇、波泥河镇交汇处为典型代表，上述乡镇部分区域地势不平，且不具有适宜的有效土壤厚度、优良的排水条件和灌溉水源条件，在空间分布上与LL型相匹配。综上，通过采用局部空间自相关的方法对九台市耕地的自然等指数进行分析，得出的结果与九台市的实际情况相符，表明该方法科学合理。

4.3.2利用等指数自相关分析

结合表1、图3可以看出，利用等指数下的局部空间自相关分析中，正相关类型中HH、LL型的行政村数量共占行政村数量的43.94%；负相关类型中HL型仅有2个行政村，LH型仅有1个行政村，二者分别占行政村数量的0.61%、0.30%；NS型行政村有182个。从空间分布角度进行分析，正相关类型多集中连片并且呈“团状”形式出现；而负相关类型则呈零星离散状分布，与正相关类型具有鲜明的对比特征。HH型主要分布于兴隆镇东部、龙家堡镇东部、苇子沟镇西部、九郊办事处西部（“饮马河沿岸”组团）、其塔木镇东部、莽卡满族乡的北部（“松花江沿岸”组团）；LL型主要分布于“上河湾-城子街”组团、“沐石河-土门岭-西营城-波泥河”组团， 包括上河湾镇西部、城子街[FL）]

[FK（W17][TPGM3.tif][FK）]

镇东部交汇处，胡家回族乡南部、沐石河镇南部、土们岭镇、西营城镇、波泥河镇交汇处等。负相关类型（HL、LH型）零星分布在靠近“饮马河沿岸”组团的兴隆镇中部，以及沐石河镇北部的“上河湾-城子街”组团周边。

从实际上来说，兴隆镇东部、龙家堡镇东部、苇子沟镇西部、九郊办事处西部、其塔木镇东部、莽卡满族乡北部的耕地因多分布于市域河流两侧，使得耕作灌溉水源丰富且充沛，对水资源的利用比较方便，因此土地利用条件相对较好，空间分布上“饮马河沿岸”组团和“松花江沿岸”组团在很大程度上与农村居民点相邻，这不仅缩短了农户与耕作区域的距离，方便农户耕作，而且对耕作区的管理也大有裨益，在空间上与HH型分布重叠。而“上河湾-城子街”组团、“沐石河-土门岭-西营城-波泥河”组团均处于典型的低山丘陵区域，地势不平坦，高低起伏，且可耕作的范围小，可利用条件差，因此不便于耕作管理，该实际情况与对耕地的利用等指数进行局部空间自相关分析的LL型耕地聚集区在空间上十分吻合。

4.3.3经济等指数自相关分析

结合表1、图3可以看出，经济等指数下的局部空间自相关分析中，正相关类型中HH、LL型分别有75、71个行政村，二者之和占行政村数量的 44.25%，所占比例较大；负相关类型中HL型有3个行政村，LH型仅有1个行政村，二者分别占行政村数量的0.91%、0.30%；NS型行政村有180个。从空间分布角度进行分析，正相关类型多集中连片并且呈“团状”形式出现；而负相关类型则呈零星离散状分布，与正相关类型具有鲜明的对比特征。HH型主要分布在“饮马河沿岸”组团、“松花江沿岸”组团处；LL型主要在“上河湾-城子街”组团、“沐石河-土门岭-西营城-波泥河”组团处集中分布。负相关类型零星分布在兴隆镇中部，附着于“饮马河沿岸”组团以及沐石河镇北部、城子街镇南部依附于“上河湾-城子街”组团周边，无明显聚集性特征。

在实际中，兴隆镇东部、龙家堡镇东部、苇子沟镇西部、九郊办事处西部、其塔木镇东部、莽卡满族乡北部区域内耕地，市域内穿插有多条省道，道路通达性较高，地势平坦，利于提升耕地的经济效益。在空间分布上与HH型耕地聚集区保持重合。LL型的胡家回族乡南部、沐石河镇南部、土们岭镇、西营城镇、波泥河镇属典型低山丘陵地带，地势起伏不定，不利于交通运输，且经济欠发达，不利于增加耕地的经济效益。

4.4耕地保护分区的划分

4.4.1耕地保护分区结果

在耕地保护实践方案制定过程中，可从耕地的利用水平、经济状况、自然水平3方面，设计恰当的分区方案。其中，若该区域耕地自然条件的空间聚集性在利用条件和经济条件中最显著，则该分区方案是该区域耕地保护分区划分的最优方案。本研究以九台市为实证对象，根据九台市实际情况，其自然条件的空间聚集性最显著（Morans I=0.66），本研究优先选择基于耕地自然质量的分区保护方案。

耕地自然质量不同，其可改良的角度便不同，因此可将耕地保护划分为4种类型，分别是重点改良区、适度改良区、综合改良区、限制建设区[10]。对于不同自相关类型来说，HH型区域内自然质量等指数分值高的耕地十分集中，并且局部范围内呈明显均质状态，基于这种情况，该类型区域应该禁止非农建设，且划入高标准基本农田保护区。LL型的情况与HH型背道而驰，该区域属于综合改良区，要增加有效耕地面积，并且提高耕地整体质量，以便经济社会可持续发展和后续土地利用都需要进行整体综合性整治。HL型区域内高自然等指数分值的耕地集中分布在被低分值耕地包围的区域中部，由于空间极化效应对区域的影响，质量好的耕地将慢慢被同化为质量较差的耕地，HL型将最终演变成LL型，因此该类型需要进行适度保护。LH型耕地分布情况与HL型恰恰相反，在极化效应的作用下演变成HH型，在改良过程中应将重点放在高质量耕地的改良上，在类型上属于重点改良区（表2）。

4.4.2耕地分区保护措施

针对九台市耕地保护分区结果，提出具体保护措施如下：（1）继续维护HH型对应的兴隆镇东部、龙家堡镇东部、苇子沟镇西部、九郊办事处西部、其塔木镇东部、莽卡满族乡北部等耕地自然质量高值区域，以高自然等指数分值单元为中心，加强其扩散效应对周边耕地的影响，限制其非农业建设；（2）沐石河镇北部、苇子沟镇中南部区域属于HL型，为减少周边低自然等指数分值耕地对中心高自然等指数分值的影响，应加强对中心区域耕地的保护并逐步加大保护范围；（3）九台市上河湾镇西部、城子街镇东部交汇处，胡家回族乡南部，沐石河镇南部、土们岭镇、西营城镇、波泥河镇交汇处等区域属于LL型，应进行适度改良。这些区域的耕地自然条件普遍较差，需要采取有针对性的改良保护手段，具体保护实践过程中要分主次、逐步推进综合改良措施；同时，LL型区域也是进行非农建设的理想区域。根据上述结果，结合空间分布的差异性，遵循因地制宜的原则，科学合理地制定相应的九台市耕地保护方式，详见表2。

5结论

本研究探索了局部空间自相关方法在耕地质量中的实际应用，将耕地自然等指数、经济等指数、利用等指数作为空间变量，通过应用局部空间自相关方法，以ArcGIS软件、Open Geoda软件为平台，分析了九台市耕地质量的空间集聚性，提出针对九台市实际情况的耕地保护分区的最优方案。研究结果如下：（1）在空间分布上，九台市耕地质量从宏观上呈现出一定规律的聚集性特点。具体来说，从耕地自然质量来看，九台市东西两侧地区明显高于中部地区；从耕地利用状况来看，市域东部、西部利用质量普遍高于东南部的低山丘陵区。耕地经济质量分布规律同利用质量相同，也是市域东西两侧地区高于南部的低山丘陵区。同时，耕地质量在空间分布上呈正相关类型的区域集聚性较强，且大部分以“组团”形式结团出现；而呈负相关类型的区域多零星分布，無集中连片现象。（2）在Morans I值方面，自然等指数的Morans I为0.66，利用等指数的Morans I为0.61，经济等指数的Morans I为 0.57，可见九台市耕地质量在空间分布上均表现出较强的正相关性，反映九台市耕地质量自然条件、利用水平、经济状况均具有较大的空间关联性。（3）耕地自然质量不同，其可改良的角度便不同。本研究采用局部空间自相关方法对九台市耕地空间分布特征及其相关程度进行分析，根据研究结果提出了九台市耕地保护分区方案，将耕地保护划分为4种类型：重点改良区、适度改良区、综合改良区、限制建设区。针对九台市耕地实际情况，只有适度改良区、综合改良区、限制建设区3大类。对于适度改良区，对其进行保护的措施集中于积极保护高值地块耕地的自然条件，加强对其周边低值地块的保护力度，增加农业投资，防止高值区向低值区的退化；对于综合改良区，需要实施综合性的改良措施，同时由于该地区均为低值区，耕地较为贫瘠，耕作效率不高，因此该区域也是农地非农业化的理想区域；对于限制建设区，该区域耕地条件较好，应维持现有水平的耕地条件，该区可划为高标准基本农田保护区，保证粮食产量和安全。

综上，本研究根据耕地的自然质量、利用质量、经济质量的空间集聚类型划定九台市耕地保护分区。该方法将耕地的自然条件、利用条件、经济条件分类考虑，科学合理并具有一定的可行性，为实现耕地的精细化管理和差异性保护提供基础。

[HS2*3]参考文献：[HJ1.85mm]

[1]韦仕川，熊昌盛，栾乔林，等. 基于耕地质量指数局部空间自相关的耕地保护分区[J]. 农业工程学报，2014，30（18）：249-256.

[2]孙英君，王劲峰，柏延臣. 地统计学方法进展研究[J]. 地球科学进展，2004，19（2）：268-274.

[3]陈印军，肖碧林，方琳娜，等. 中国耕地质量状况分析[J]. 中国农业科学，2011，44（17）：3557-3564.

[4]沈仁芳，陈美军，孔祥斌，等. 耕地质量的概念和评价与管理对策[J]. 土壤学报，2012，49（6）：1210-1217.

[5]胡科，石培基. 甘肃省耕地质量评价研究[J]. 中国土地科学，2008，22（11）：38-43.

[6]赵建军，张洪岩，王野乔，等. 基于AHP和GIS的省级耕地质量评价研究——以吉林省为例[J]. 土壤通报，2012（1）：70-75.

[7]张松林，张昆. 空间自相关局部指标Moran指数和G系数研究[J]. 大地测量与地球动力学，2007，27（3）：31-34.

[8]张松林，张昆. 局部空间自相关指标对比研究[J]. 统计研究，2007，24（7）：65-67.

[9]Anselin L. Local indicators of spatial association-LISA[J]. Geographical Analysis，1995，27（2）：93-115.

[10]熊昌盛，谭荣，岳文泽. 基于局部空间自相关的高标准基本农田建设分区[J]. 农业工程学报，2015，31（22）：276-284.