基于耕地综合质量及聚类关系的耕地保护分区

宋 聚，罗志军*，赵 越，杨小平，杨星会

(1.江西农业大学国土资源与环境学院，江西 南昌 330045；2. 江西省鄱阳湖流域农业资源与生态重点实验室，江西 南昌 330045；3. 江西省土地开发整理中心，江西 南昌 330025)

【研究意义】耕地是粮食生产的重要保障，也是社会经济发展的物质基础，保证耕地的数量和质量达标是保障国家粮食安全，社会长久治安的关键因素[1]。受到社会压力、环境恶化的影响，我国耕地数量减少、质量下降的趋势明显，因此维持耕地动态平衡对保障粮食安全具有重要意义[2]。加强耕地保护，就要牢牢守住 1.2亿公顷耕地的保护“红线”，“三管齐下”对耕地实行数量、质量、生态“三位一体”的系统性保护，然而在实际工作中，只注重对“量”的保护，忽略了对“质”的保障[3]。因此，对耕地质量综合评定和空间聚类分布进行科学全面的研究是保护耕地质量及保证粮食高产的重要科研基础。【前人研究进展】近年来，关于耕地质量保护的研究主要集中在耕地质量的综合评价，评价指标的选取，评价的方法和范围等方向，马瑞明等[7]基于多层级指标构建省域耕地质量评价体系；温良友等[8]基于“过程-功能-质量-特性-指标”来研究耕地质量评价指标体系；且关于耕地空间聚类特征的研究区域多为高原、平原等地貌类型，分析方向多为基本农田划定等，熊昌盛等[10]利用 Moran’s I 分析方法对广东省广宁县的耕地质量空间上存在的差异性进行研究；赵建军等[12]基于AHP和GIS的方法来研究吉林省耕地质量评价；宋戈等[13]运用多因素综合评价模型，从空间地域与行政区域分布来分析松嫩高平原黑土区耕地质量在空间上的分异特征；曹丽萍等[18]采用改进的局部空间自相关方法来分析耕地质量的空间集聚特征并探索县域基本农田划定方法；总体看来，目前对耕地质量的研究主要集中在高原、平原等地貌类型，而针对丘陵、山区等区域耕地质量的研究相对较少，缺少对丘陵、山区等耕地质量空间分布特性的研究分析。【本研究切入点】本文以地貌类型为山区的井冈山市为研究对象，从自然质量、立地环境、生态环境3个方面构建耕地质量综合评价体系，以耕地综合质量指数为空间变量，引入空间自相关分析法，【拟解决的关键问题】研究井冈山市耕地综合质量在乡级尺度上的空间分布特征，基于此对井冈山市耕地保护分区进行研究，并提出对应的耕地分区保护措施，实现耕地优质集中保护和差异性综合管理。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

井冈山市,江西省吉安市代管县级市，位于113°49′114°23′E，26°27′～26°49′N 。地处江西省西南部，湘东赣西边界，是罗霄山脉中段的北支，境内平均海拔达381.5 m，市内最高峰—江西坳海拔1841 m，境内地貌类型以山地和丘陵为主，是一个典型的山区。境内气候为亚热带季风气候，四季分明，雨水充足，夏季炎热，冬季酷寒，年平均降雨量1856.3mm,年平均降雨日213 d，年平均日照1511 h。井冈山的自然资源丰富，森林面积有126 500 hm2，森林覆盖率为81.2 %，生物资源种类繁多，水资源总量为11.58×108m3，地表水资源丰富，矿产资源储量也相当丰富。全市土地总面积129 750 hm2，其中耕地面积10 200 hm2，林地112 600 hm2。常住人口16.3万余人，辖6个镇、12个乡。井冈山市是红色文化根据地，且耕作历史比较悠久，粮食产量较高。

1.2 数据来源

本文研究对象为井冈山市，采集的研究数据主要包括：①文件资料：2013年井冈山市统计年鉴及农业区划、新农村规划、交通水利工程规划等相关规划的文件成果和农业统计资料。②基础图件资料：2016年井冈山市土地利用现状变更图、2016年土地利用总体规划图、最新地形图、土壤有机质含量及 pH 值分布图等相关图件资料;③数据库资料：2013年井冈山市1∶1万土地利用变更调查数据库、2016年井冈山市耕地质量等级更新评价数据库、2016年井冈山市土地利用现状数据库和耕地地力评价数据库等。

1.3 研究方法

1.3.1 耕地综合质量评价指标体系构建 为了将耕地质量的高低更科学准确地反映出来，结合耕地的自然、经济、生态等属性，遵循针对性、综合性与主导性、相对性、科学性等原则[7]来选取评价指标，通过参考《农用地分等定级规程》、《江西省耕地质量监测成果技术报告》、《江西省井冈山市耕地地力调查与质量评价技术报告》选取土壤自然质量 、立地环境、生态质量 3个评价因子来确立耕地质量评价指标。在土壤自然质量中，重点考虑了剖面构型、有效土层厚度、有机质含量、表层土壤质地、土壤酸碱度等指标；在立地环境方面则选取排水条件、灌溉保证率等因素；生态环境中将坡度、高程和破碎度做重点分析。并对这些指标进行定量化和定性化处理，结合起来做耕地综合质量评价。按照对耕地农作物生长的适宜性，对评价指标进行分级处理，将评价指标分为5级：将每一评价指标分为五级:S1(非常重要)，S2(较重要)，S3(稍微重要)，S4(较不重要)，S5(不重要)，对其进行赋值评分依次为:100、80、60、40、20分(表1)。通过加权求和法计算出综合质量得分后，再确定评价指标因子的权重。综合考虑井冈山市耕地的自然、社会、经济、生态条件，本文在确定指标因子权重时，结合了德尔菲法和层次分析法[6]对评价指标赋予权重，构建耕地综合质量评价指标体系(表1)。

表1 耕地综合质量评价指标体系

1.3.2 耕地质量全局和局部空间自相关 ① 全局空间自相关:全局Moran’sI指数是由Moran于1948年提出[9]，可全面的将区域整体的空间自相关性反映出。它是研究空间中某位置的观察值与其相邻位置的观察值是否相关以及相关程度的一种空间数据分析方法，能直观清晰的反映出空间参考单元与其相邻空间单元属性特征值之间的相似性或相关性[10]。其计算公式：

局部 Moran’s I(Ii)值一般介于-1到1之间，Ii值可为正值或负值，得到的4种空间属性值，分别为 H-H(高-高)型、H-L(高-低)型、L-L(低-低)型、L-H(低-高)型。当Ii为正值时表示一个空间单元高属性值被高属性值所包围(高-高)，或者是一个空间单元低属性值被低属性值所包围(低-低)；当Ii为负值则表示一个空间单元低属性值被高属性值所包围(低-高)，或者是一个空间单元高属性值被低属性值所包围(高-低)，这样就能更形象准确地反映耕地质量空间集聚和离散特征[18]。

2 结果与分析

2.1 耕地综合质量评价结果

根据土壤自然质量、立地环境、生态环境3个评价因子确定的评价指标确定的分值，将井冈山市耕地综合质量级别最终结果共划分4 个级别(图1)，分别为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级。通过耕地综合质量评价结果(表2)得知，井冈山市耕地综合质量指数处于42～80之间，以得分结果作为耕地综合质量等级划分标准，将其分为4个等级，Ⅰ级分值区间为[74,+100)；Ⅱ级分值区间为[69,+74)；Ⅲ级分值区间为[63,+69)；Ⅳ级分值区间为[42,+63)。从总体空间分布来看(表2) ，其中综合质量评价为Ⅰ级区的图斑面积为1945.07 hm2，占耕地面积的 15.8 %；集中在西北方向的新城镇、古城镇和鹅岭乡，东北方向的厦坪镇也有较多分布，在中部的大井林场有部分分布，西北方向的坳里乡和东北方向的拿山乡有少量分布。西北部地势平缓，耕地集中连片，土壤有机质含量高，排水灌溉条件良好，以水田为主，道路通达程度较高；Ⅱ级区图斑面积为5175.77 hm2，占耕地面积的 42.06 %，较高值的Ⅱ级区在东北部的坳里乡、古城镇、新城镇和鹅岭乡较为集中分布，睦村乡、龙市镇、葛田乡、茅坪乡和大陇镇有小面积分布，西北方向的厦坪镇和拿山乡较多分布，南部的黄坳乡和下七乡等有小面积零散分布，较高值区比高分值区分布更为零散。Ⅲ级为较低值区，图斑面积为4089.44 hm2，占耕地面积的 33.24 %，主要集中分布在东上乡、睦村乡、葛田乡、茅坪乡、荷花乡、龙市镇等，零散分布在西部的大陇镇、古城镇、柏路乡、茅坪乡和南部的3个乡镇。这个区域的耕地地形坡度逐渐加大，土层厚度变薄，灌溉条件相对降低。Ⅳ级区为低分值区，其图斑面积为1094.05 hm2，占耕地面积的 8.89 %，主要集中分布在东北部的龙市镇、茅坪乡和南部的长坪乡，葛田乡、大陇镇、古城镇、拿山乡、下七乡等乡镇都有小面积分布。这部分地地势较高，田块较为破碎，表层土壤质地差，且主要为旱地，灌溉排水条件较差，道路通达程度低，耕地质量低下。总体来看，东北部乡镇耕地质量级别较高，西南部丘陵区耕地质量级别较差。通过构建耕地综合质量评价体系的评价结果较好的体现出耕地质量的数量分布规律。

表2 井冈山市耕地质量综合评价结果及类型划分

图1 耕地综合质量等级Fig.1 Comprehensive quality grade of cultivated land

表3 集聚类型进行面积和数量统计及分布范围

2.2 耕地质量空间差异分析

以耕地质量综合分值为变量，利用Geo Da软件对井冈山市耕地综合质量指数在乡镇级尺度上进行空间自相关分析，得到井冈山市耕地综合质量 Moran’s I 指数为 0.79，P<0.05，z>1.96，在空间分布上呈现出较强的空间自相关性。根据 LISA集聚结果(图2)，分析其空间集聚格局，得到以下5种集聚类型进行面积和数量统计及分布范围(表3)。

3 讨 论

3.1 基于空间局部自相关的耕地保护分区

基于对耕地综合质量的分析以及以综合质量为变量进行的空间自相关类型的分析结果，从耕地的整治保护角度出发，将耕地保护划分为重点保护区、适度保护区、调控改良区以及重点整治区4类。其中，H-H 型是耕地综合质量评价分值高的耕地高度聚集区域，表现出一定的均质性，应划入重点保护区，禁止一切非农建设；与之相反，L-L 型耕地质量综合指数低，应划入重点整治区，发掘其耕作潜力，实施全面综合性整治；H-L型主要聚集了耕地质量综合指数高的耕地，且集中于中部。此区域的耕地被低指数的耕地包围。受空间极化效应的影响，指数较高的耕地会被周围低指数耕地同化，导致质量下降，应划入适度保护区；与之相反，LH 型区域，综合质量分值较低的耕地被周围分值较高的耕地所包围，受空间极化效应的影响，低分值耕地易被周围高分值耕地同化，应划入调控改良区，以改良高分值耕地为重点。

通过以上分析，各区域空间分布与空间自相关类型空间分布一致，并将各分区与耕地综合质量进行对比分析。从优至劣将耕地保护区划分为重点保护区、适度保护区、调控改良区以及重点整治区4类(图3、表4)。

图2 空间集聚格局Fig.2 Spatial agglomeration pattern

(1)重点保护区。此区主要分布于 H-H 聚集类型，耕地面积为4016.99 hm2，占井冈山市耕地总面积的32.65 % ，该区域是耕地综合质量高分值区，且周边均为高分值耕地，耕地综合质量等级以Ⅰ、Ⅱ级为主，部分综合质量等级为Ⅲ级的耕地，分别占耕地面积的15.58 %、17.00 %和0.10 %。空间分布上该类型区耕地主要集中于在坳里乡、古城镇、新城镇、鹅岭乡和厦坪镇等乡镇。综合实际情况来看，此类型区域耕地海拔高度低于500 m，地形坡度为0～6°，地势平坦，土壤有机含量高，土壤肥沃，土壤耕作种类以水稻为主，水源充足，距离农村居民点、城镇主干道近，道路交通网络便捷发达，便于人力与机械耕作管理，排水灌溉条件良好，耕作自然条件优越。具有较高的耕地综合质量等级和较优越的综合质量聚类关系，综合考虑耕地自然环境条件和综合质量聚集格局来看，应划为重点保护区，被重点保护，禁止农用地转为建设用地。

(2)适度保护区。此类型耕地是H-L型区域，耕地面积为207.34 hm2，占井冈山市耕地总面积的 0.29 %，此区域耕地综合质量分布比较集中，涵盖了耕地综合质量等级为Ⅰ～Ⅲ级3个等级的土地。其中综合质量等级为Ⅰ级的耕地占比0.07 %，Ⅱ级占耕地面积的1.27 %，Ⅲ级耕地所占比例是0.34 %。从空间分布来看，该类型区耕地在各乡镇中分布较分散，主要分布在东上乡、茅坪乡、拿山乡等乡镇。H-L型集中了耕地质量综合指数高的耕地，该区域海拔坡度较低，土壤肥力较高，土壤质地较好，耕地分布集中，破碎度较低，临近城镇周边和主要交通干道，耕作便捷，交通通达。此类型区应划入适度保护区，适当保护耕地并改造周围耕地。

(3)调控改良区。该类型耕地是H—L型区域，耕地面积为206.33 hm2，占井冈山市耕地总面积的1.68 %。耕地综合质量等级主要集中了Ⅲ级和Ⅳ级，Ⅲ级高分值区耕地的比例占 0.63 %，Ⅳ级耕地占比为1.04 %。从空间分布来看，该区域耕地大多集中的分布在睦村乡、龙市镇、大陇镇、黄坳镇、下七乡等几个乡镇，该类型综合质量分值较低的耕地被周围分值较高的耕地所包围，且此区域耕地土壤有机质含量较低，土壤条件较差，地形坡度较高，田块分布较破碎，灌溉排水等水利基础设施欠缺，交通便捷程度较差，不便于耕作。故应划入调控改良区，加强对耕地的整治，改良耕作基础设施，提高耕地管理水平。

(4)重点整治区。该类型区耕地是L-L 型区域，耕地面积1134.58 hm2，占9.22 %，这类耕地以综合质量等级为Ⅲ级和Ⅳ级为主，耕地面积所占比例分别为5.82 %和3.40 %。其主要分布在东北部的荷花乡、柏路乡和葛田乡，南部的长坪乡等乡镇以及中部的大井林场。L-L 型耕地所在区域地形以山地丘陵为主，沟壑纵横，海拔高，地形坡度起伏大，地块破碎，分布零散，土壤有机质含量低，土壤贫瘠，不利于水稻等农作物生长；且偏离农村居民点和主要交通干道，道路通达程度低，农田水利等灌溉排水条件差，耕作难度大。应将其划入重点整治区，发掘出有发展潜力的耕地，进行综合性管理整治。

3.2 耕地分区保护措施

依据以耕地综合质量以及空间局部自相关分析得出的耕地保护分区结果，从耕地的自然条件出发，保护措施有如下几种。

重点保护区即 H-H型所对应区域，主要分布在坳里乡、古城镇、新城镇、鹅岭乡和厦坪镇一线，该区域耕地自然条件优越，集中了优质耕地，土壤条件及土壤环境等耕作条件都处于较高水平，耕地综合质量较高。此类型耕地适宜种植水稻，结合2017年农业发展情况，全年粮食总产量81 413 t，比上年增167 t，增长0.2 %，粮食粮食生产保持高产值。保护和维持好现有的高分值耕地，优质耕地集中与重点保护，加强严格的耕地管理，提高耕地的生产能力，禁止非农用地被占用。

适度保护区主要分布东上乡、茅坪乡、拿山乡等乡镇，是即H-L型所对应区域的耕地。该区域耕地自然条件和产能效益较高，但在耕地利用与管理水平方面有待提高。应该防止周围高质量耕地被极化效应影响，同时积极保护高质量耕地，重点整治低分值耕地；积极改善其土壤条件，如在不适宜种植水稻的地块，可因地制宜的耕作蔬菜，油菜等其他农作物，提高耕地利用效率，维持耕地多效益高产量。

表4 井冈山市耕地综合质量与耕地保护分区对比

图3 耕地保护分区Fig.3 Cultivated land protection zoning

调控改良区零散分布在睦村乡、龙市镇、大陇镇、黄坳镇、下七乡等乡镇，即L-H型所对应的耕地。除了积极保护周边高质量耕地，还应重点整治低质量耕地。对于大陇镇、荷花乡等综合质量低下的耕地，应采取精耕细作、合理施肥和土壤培肥等措施提高土壤有机质含量，改良土壤条件，改善土壤排水灌溉等耕作基础设施，兴修沟槽水渠等水利设施，提高耕作便捷度；对于田块破碎、空间分散的地块应采取土地平整等措施，使其成块连片，便于耕作与人工管理。

重点整治区即 L-L 型耕地，分布在东北部的荷花乡、柏路乡和葛田乡，南部的长坪乡等区域。该区域耕地自然条件普遍较差，地块分散，空间格局破碎，耕地质量无明显集聚现象。可结合井冈山市耕地特征，发展区域优势产业与新兴特色产业，如海拔较高的山区、呈梯田状的耕地或土壤质地为砂壤的耕地可以种植油茶、柑橘等农作物；在土壤自然条件或产出效益较差的耕地，可种植油菜、花生、玉米或中药药材等经济作物，全面提高本区域的耕地综合质量和耕地利用率。

4 结 论

本研究结合耕地的土壤自然质量、立地环境和生态质量3个方面选取13项指标，对研究区耕地综合质量进行评价。以耕地质量综合分值为变量，利用Geo Da软件对井冈山市耕地综合质量指数在乡镇级尺度上进行空间自相关分析，探讨研究区耕地综合质量空间聚集性规律，提出相应的保护分区方案。

(1) 井冈山市耕地质量水平属于中上等，耕地综合质量分值处于42～80之间。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级分别占耕地总面积的18.65 %、39.74 %、20.54 %和 21.06 %。耕地质量在空间上呈现出集聚性规律，Ⅰ、Ⅱ级高分值区域主要集中在西北部的新城镇、鹅岭乡、古城镇、坳里乡及东北部的厦坪镇和拿山乡等乡镇；Ⅲ、Ⅳ级低分值区主要分布在西部的葛田乡、荷花乡、睦村乡及龙市镇等区域。耕地质量从整体上来看，西北部高于东北部。

(2) 井冈山市耕地质量呈现空间正相关类型，H-H 型和L-L 型耕地聚集性较强。H-H 型耕地综合质量高，几乎所有的Ⅰ级耕地被包含其中，L-L 型耕地综合质量较差，多以Ⅲ、Ⅳ级耕地为主，H-L型及H-L型耕地分布较零散，无明显集中现象。

(3) 根据对各耕地综合质量与综合质量聚类关系的分析，将耕地保护区划分为重点型、适宜型、调控型和后备型 4 类。依据各类型耕地的特性，将各类型耕地的自然条件，区位条件，耕地综合质量等综合考虑后，提出了因地制宜的保护措施。积极保护好综合质量较高的耕地，精耕细作，合理管理利用，发展区域特色农业，提高耕地利用效率，禁止一切非农地建设占用；低质量耕地应该从土壤属性到耕作条件等方面全方位综合整治，发掘其潜在特质，培育成后备型耕地。