基于Moran’s I的安徽省太湖县耕地质量时空格局分析

李子杰, 高沪宁, 丁琪洵, 费 坤, 丁世伟, 马友华

(安徽农业大学 资源与环境学院, 安徽 合肥 230036)

耕地作为不可再生的自然资源，是中国农业长期发展的基本保障，是人类赖以生存和发展的最重要的物质基础。耕地的质量不仅关系到土壤环境和农产品安全，而且在保障粮食安全、生态安全以及农业可持续发展等方面也具有重要作用[1-4]。

近年来，国内外主要将耕地数量、质量、生态三位一体的保护，耕地质量评价指标体系的构建以及耕地监测与管理等方面作为耕地研究的热点。其中，国内宋艳华等[5]以河南省为研究区域，采用相关系数法研究耕地质量演变规律及其影响因素；韩宗伟等[6]通过建立耕地模糊优选模型与理想点法构建评价模型，对贵州省各年的耕地质量进行评价，将CA-Markov模型和GIS空间分析功能相结合，模拟推测出贵州省2020年耕地质量及空间分布状况[5]；马建辉等[7]基于限制系数法，考虑耕地等别的各类限制因素，划分耕地等别和监测控制区，并从不同角度进行监测评价。国外研究中，2003年Overmars等[8]首次利用空间自相关分析的方法研究土地利用变化，同时建立空间自回归模型进行辅助判定。Bogunovic I等[9]利用空间自相关的方法研究了克罗地亚中部地区土壤pH及植物各种中微量元素的空间变异性，绘制养分图，并为今后耕地的应用提供有用的信息；Singh A K等[10]对耕地土壤进行评估，研究土地利用类型对耕地土壤环境质量和植物生产可持续性发展的影响。

国内外对于耕地质量的研究从内容、尺度、评价方法等方面的研究都日趋成熟，但关于县域、乡镇和村级尺度的研究相对较少，传统的研究分析方法很难准确地反映小范围内耕地质量的时空演变，尤其是山地与平原相结合的地区[11]。耕地质量常受到地形地貌、灌排条件、生物多样性和土壤清洁程度等多方面的影响，而传统的耕地质量研究方法从空间关联角度定量研究耕地质量空间属性能力较弱，无法从空间分布的角度提升和保护耕地[12]。

安徽省太湖县的地貌类型多样，区域耕地质量空间差异性具有典型性。基于人多地少的县情，太湖县耕地长期高强度、超负荷利用，导致目前耕地质量堪忧的现状。因此耕地质量的分区保护也尤为关键。因此本文基于ArcGIS和GeoDa[12]平台，以安徽省太湖县2008年和2018年的耕地质量等级评价成果为研究对象，采用空间自相关的分析方法，从全局空间自相关和局部空间自相关两个方向入手，对太湖县的耕地质量空间分布格局进行研究，从而更加全面地阐述耕地质量在时空上的变化规律。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

太湖县坐落于安徽省西南部，大别山山脉以南，介于北纬30°09′至30°46′和东经115°45′至116°30′之间。东与潜山、怀宁相邻，南与望江、宿松相连，西与湖北蕲春、英山接壤，北与岳西相交。全县地形复杂，整个地势依次为中山、低山、丘陵、高岗地、平原、湖泊呈阶梯式下降，并沿县界向中部长河及其支流倾斜，是一个以低山丘陵为主的山区县(图1)。

图1 安徽省太湖县地形图

截至2018年，太湖县行政区划面积2.04×105hm2，包括15个乡镇，184个行政村和12个居委会，农业人口约5.10×105。根据第二次土壤普查结果，太湖县土壤类型共划分为7个土类，13个亚类，43个土属和70个土种。

1.2 数据来源

本研究以安徽省太湖县为例，时间节点为2008年和2018年，涉及数据主要包括：① 基础图件数据，包括土壤图、DEM数据(30 m)，2018年耕地质量等级评价采样点信息、耕地质量监测数据；② 数据库数据，包括2018年国土变更调查农村土地调查数据库、第二次全国土地调查数据库、2008年地力评价数据库；③ 社会经济数据，包括太湖县2008年、2018年统计年鉴、耕地生产与管理投入数据。

2 研究方法

2.1 耕地质量等级评价

中国首部耕地质量等级评价的国家标准《耕地质量等级》(GB/T33469-2016)明确定义了耕地质量等级评价是基于耕地地力情况、田间基础设施和耕地健康3方面，对其满足农产品持续产出和质量安全的能力进行评定，是基于GIS技术，通过选取“N+X”的指标模式，利用层次分析法[14]和隶属度函数模型[15]对耕地进行的综合评价。

2.2 耕地数量变化的时间序列分析法

时间序列分析法是通过分析耕地面积随时间变化的情况，并揭示其发展变化规律，预测耕地未来变化情况的方法[16]。其变化率指数反映出耕地面积在研究时间段内的变化情况，通过分析耕地面积变化率指数可以获取研究区域内耕地面积多年变化的趋势和特征。耕地资源平均变化率是指研究期内耕地面积的平均变化率，其计算公式为

(1)

式中：P是指多年耕地面积的平均变化率(%);Sa是指研究期开始时研究区的耕地面积(hm2)；Sb是指研究期结束时的耕地面积(hm2)；T是指较长的研究期。

2.3 耕地空间分布的空间自相关模型

莫兰指数是研究空间相关性的一项重要指标，分为全局莫兰指数和局部莫兰指数。全局莫兰指数是指经过方差归一化后的有理数，其值在-1.0～1.0之间，该指标可以判断出区域内属性值的分布是聚类、离散还是随机模型。在进行局部莫兰指数时会出现高值和低值两种类型，研究单元内有相似成分在空间集聚(高值或低值)可以用高值表示，相反研究单元有不相似的成分在空间集聚，则用低值来表示[17-19]。

全局莫兰指数计算公式：

(2)

局部莫兰指数计算公式：

(3)

这里提到的相关是指相互关系，正相关随自变量增长会带动因变量增长，是可变的。负相关随自变量的增长使得因变量减少。所以空间上的正相关，既是对空间分布的位置进行积累，也是更加显著的相关性。相反，空间上的负相关随离散的空间分布位置分布，相关性就更为显著了。

全局自相关主要由Z得分和P值的正负大小决定。Moran’sI值的正负决定全局自相关的整体趋势是离散，或是聚类。当Moran’sI>0时，空间分布呈正相关，其值越大，空间相关性越明显，表明研究对象具有空间聚合特征；当Moran’sI<0时，空间分布为负相关，其值越小，空间差异性越明显，表明研究对象具有空间分散特征；当Moran’sI=0时，空间分布存在随机性，即研究对象呈现随机分布状态。Z值可用来检验显著性水平，当Z>1.96或Z<-1.96时，表明耕地质量在空间上存在显著的空间自相关性。局部自相关主要利用GeoDa空间数据分析软件实现局部莫兰指数，主要以显著性地图，LISA聚类地图，箱图，Moran散点图反映研究对象的局部自相关性[20-21]。其中LISA聚类图和Moran散点图最能直接反映研究区域间属性的关联性。

3 结果与分析

3.1 耕地数量与质量等级变化

3.1.1 耕地数量变化 2008年太湖县耕地面积为39 233.53 hm2，2018年太湖县耕地面积为45 707.98 hm2，10 a时间跨度上太湖县耕地面积增加了6 474.45 hm2，平均变化率P=1.65%。

其变化主要是因2008年以前太湖县开展了数次以耕地养分为主要内容的调查，对指导当地农业生产、开展平衡配套施肥起到了积极作用。但是，由于调查中使用了较旧的技术路线，调查结果的表达和应用受到很大限制。此外，调查对象主要是大田作物，调查内容仅限于常规营养元素。调查方法和结果不适应太湖县种植结构调整、农业产业结构调整的快速发展，也不能满足种植结构调整和可持续农业产业发展的需要。

2008年以后农业部测土配方施肥[22-23]项目为促进太湖农业持续发展提供了机遇，满足了太湖县开展耕地地力调查与质量评价，推广测土配方施肥技术，发展农业生产，提高农民收入的迫切需求。太湖县耕地面积的增加主要是以政府政策为主要驱动力。

3.1.2 耕地质量等级变化 通过特尔菲法[24]和层次分析法确定太湖县耕地质量等级评价指标及其权重，以模糊综合评价法[25-26]建立隶属函数模型并计算各评价指标隶属度，将隶属度(评价分值)与对应权重系数相乘，所得乘积累加求和即为各个评价单元耕地质量综合指数，最后依据综合指数大小对各评价单元耕地质量做出评价。将2008年及2018年太湖县耕地质量等级评价结果划分为3种类型：高等质量类型即高产田(1—3等级耕地)，中等质量类型即中产田(4—6等级耕地)和低等质量类型即低产田(7—10等级耕地)，其对比情况如表1所示。

表1 2008年与2018年太湖县耕地质量等级对比

如图2—3所示，2008年太湖县耕地质量综合等级为6.75等，2018年太湖县耕地质量综合等级为5.07等。太湖县耕地质量在空间分布上呈现出一定的聚集性规律，受地形地貌影响，县域东南部平原丘陵区域的耕地质量等级普遍高于西北部山地区域。太湖县1—3等地主要分布在泊湖及皖河流域的新仓镇、小池镇、江塘乡和徐桥镇；8—10等地主要分布在花亭湖水库上游的北中镇、百里镇、弥陀镇、牛镇镇和刘畈乡。从时间跨度上看，近10 a来，由于太湖县大力推进耕地质量保护和改善，通过完善农田田间设施水平、提高耕地基本肥力等途径，耕地环境和耕地质量得到了改善和优化，10 a间耕地质量综合等级提高了1.68等。

图2 2008年及2018年太湖县耕地质量等级面积比例

3.2 耕地质量空间自相关

3.2.1 全局自相关 Moran’sI值、Z得分和p值3者之间的大小关系如表2所示(其中Z得分和Moran’sI都反映出研究数据具有明显的规律性)，2008年Moran’sI=0.419 478>0，Z得分=8.677 693，太湖县耕地质量等级在全局自相关上成聚类趋势，呈现显著相关性，具有空间正相关。2018年Moran’sI=0.288 328>0，Z得分=5.527 830，太湖县耕地质量等级在全局自相关上依旧成聚类趋势，呈现显著的空间正相关性，但相比于2008年耕地质量等级评价结果相关性有所下降。

表2 2008年与2018年太湖县全局空间自相关对比

3.2.2 局部空间自相关LISA聚类 根据LISA聚类分布(图4)显示，2008年太湖县耕地质量等级有超过50%的行政村空间自相关为不显著，其中成聚合型(高—高型和低—低型)分布的行政村占22.83%，离散型(高—低型和低—高型)分布的行政村占7.07%。结合LISA聚类图可以看出高—高型主要分布在水域附近的晋熙镇、城西乡、天华镇、新仓镇、徐桥镇和弥陀镇河口村；低—低型主要分布在花亭湖水库中上游附近的寺前镇、北中镇、百里镇、牛镇镇、弥陀镇、刘畈乡、汤泉乡和小池镇程岭村。

图3 2008-2018年太湖县耕地质量等级分布

2018年太湖县耕地质量等级有38.59%的行政村空间自相关为不显著，其中成聚合型(高—高型和低—低型)分布的行政村占57.61%；离散型(高—低型和低—高型)分布的行政村占3.80%。结合LISA聚类图可以看出高—高型主要分布在水域附近的小池镇、晋熙镇、城西乡、新仓镇、江塘乡、徐桥镇、大石乡、汤泉乡苗石村和天华镇黄庙村；低—低型主要分布在花亭湖水库附近和西北部山区的北中镇、百里镇、牛镇镇、汤泉乡、寺前镇、弥陀镇、刘畈乡、天华镇、晋熙镇和城西乡凉亭村。

太湖县地形地势为西北高，东南低。西北以山地为主，东南以平原丘陵为主。从2008—2018年10 a的LISA图(图4)变化情况来看，高—高型主要分布在太湖县的东南地区，其中平原和丘陵地区的稻田占较大比例，耕地质量等级较高，且地势平缓，有利于现代农业耕作管理模式，且灌溉、水利设施建设较完备，耕地利用率较高；低—低型主要分布在海拔多达400 m以上的西北地区，耕地质量等别较低；太湖县地处大别山山脉，地形起伏较大，田间管理难度较大。太湖县城区位于晋熙镇，以此为界，东南地区交通便利，其中246省道、105国道、沪渝高速相互贯通，有利于提高耕地的经济效益。在西北部山区，只有两条省道362，211交叉其中，交通相对落后，境内的运输条件限制了耕地综合发展，降低耕地质量等级。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

根据空间极化理论，随着事物发展变化，同一极化层内部单元趋同，不同极化层单元趋异；且同一极化层内各单元对周边单元产生两种效应：一是优势单元对周边单元的阻碍作用；二是推进作用和周边优势单元对中心单元的带动作用[27]。相关研究往往基于该理论及实践，依据空间扩散(高—高，低—低型)和空间极化(高—低，低—高型)效应，对空间自相关后的结果进行分区划定，并提出分区保护方案[28-29]。本研究基于空间极化理论，结合太湖县的耕地质量等级评价结果和局部自相关分析结果对太湖县耕地划分出4类分区管理方案：限制建设区、综合改良区、适度改良区和重点整治区。并基于2018年分析结果，从自然条件、耕地资源利用、产出效益等角度，分别提出符合实际情况的耕地管护措施。

(1) 以白沙村、观音村为例的43个高—高型的行政村区域耕地质量等级较高且分布相对集中，可设置限制建设区，禁止非农建设。

(2) 以王田村、大竹村为例的63个低—低型行政村区域耕地质量等级相对较低，建立综合改良区，全面综合考虑耕地现状和农业转产建设的理想区。

(3) 以玉岭村为例的高—低型聚集区域表明，耕地质量高的区域被耕地质量低的区域包围，根据空间极化理论，耕地质量差的区域会对耕地质量高的地区产生一定的负面影响，使高—低型聚集逐渐演化成低—低型聚集，因此，需重点保护耕地质量较好区域，属于高—低型聚集的区域应当划分为适度改良区，对耕地质量较差区域进行改良、可适度开展非农建设。

(4) 低—高型聚集由于是耕地质量较差的区域被耕地质量较高的区域包围，因耕地质量较高的区域的推进，耕地质量较低的区域极易向高耕地质量区域转化，该种聚集区域作为重点整治区，需重点改善耕地质量较低地块的自然条件，尽量避免非农业建设，使之向HH型转变。基于局部空间自相关类型组合的太湖县耕地质量分区表见表3。

表3 基于局部空间自相关类型组合的2018年太湖县耕地质量分区

(5) 在耕地保护工作中，应重点对高—高，低—低，高—低，低—高4种不同聚集形态采取对应的工作方案，在实际耕地保护分区及耕地资源合理利用方案制定中，需结合实际情况选择适宜的分区方案，因地制宜，对耕地区域位置空间集聚性进行精准表达，最终实现分区管理的精确化。

4.2 结 论

本文对太湖县2008年和2018年的耕地质量等级进行评价，分析其时间变化情况，并基于Moran’sI分析了太湖县耕地质量的空间分布特征，结合局部自相关结果提出太湖县分区保护方案。

(1) 太湖县2018年耕地质量等级(5.07)优于2008年耕地质量等级(6.75)，总体提高1.68等。主要原因是全县2008年以来大力推广测土配方施肥，培肥土壤。并在15 a以来兴建高标准农田，西北部山区的水利条件设施日趋完备，东南部河流下游平原地区开展的农田整治项目，使得全县耕地质量等级有了显著提高。后续应继续增强对基本农田的保护，加大耕地土壤污染防治工作，从多方面加强耕地质量提升与保护力度。

(2) 从太湖县耕地质量等级全局自相关结果来看，2018年整体上呈聚类趋势，呈现显著空间正相关性，相比2008年耕地质量等级相关性有所上升。

(3) 从太湖县耕地质量等级在局部自相关结果来看，2018年聚集型(高—高型，低—低型)的分布相比于2008年明显增加，而离散型(高—低型，低—高型)的分布较2008年明显减少。基于局部自相关的结果将太湖县耕地分为限制建设区、综合改良区、适度改良区和重点整治区进行分区管理和保护。