耕地数量、质量、生态“三位一体”空间保护分区研究——以辽宁省盘锦市为例

钱凤魁，张靖野，王秋兵

（沈阳农业大学 土地与环境学院/土肥资源高效利用国家工程实验室，沈阳 110161）

耕地资源“三位一体”保护是对耕地的数量、质量与生态条件的综合保护，是一个具有层次性和系统性的概念，耕地“三位一体”保护实质上是对农田生产、生态和生活功能的保护[1]。数量保护是耕地保护的基础，质量保护是保障生产力的根本，生态保护则是耕地安全的保障。目前我国耕地资源保护建立了以数量保护为主体，质量保护为升级的“两位一体”保护体系[2-3]。随着理论和实践的发展，耕地的更多功能被发掘和重视，耕地保护的内涵和方法也在丰富和完善。当前，国内外学者的研究多集中在耕地多功能内涵[4-5]、功能类型[6-9]、以及定量化的评价研究[10-12]，部分学者构建了耕地多功能评价指标体系，对耕地多功能水平进行综合评价[13-14]。2015年国务院提出了推进国土资源数量、质量、生态“三位一体”的综合管理，加强耕地资源“三位一体”保护的耕地保护方针，同年发布的《生态文明体制改革总体方案》提出了“山水林田湖是一个生命共同体”的理念，为耕地“三位一体”保护提供了方法论[15]，耕地与生态环境的共生关系，使耕地的生态功能在耕地保护体系中的意义进一步提升，三位一体的科学保护观更加完善。在2017年两会上，“三位一体”耕地保护再度成为关注的热点。然而，要实现耕地“三位一体”保护，发挥耕地的多重效益，就需要理论的创新、方法的进一步探索，以及保护制度的健全。目前学术界对于耕地“三位一体”的研究尚处于起步阶段[16-18]，缺少成熟的融合体系和定量化的方法研究。本研究以盘锦市作为研究区，在理论研究的基础上，融入空间特征研究，开展耕地空间特征分析和“三位一体”空间管护分区研究，探讨耕地资源“三位一体”保护的融合方法和途径，以期为深化耕地资源保护提供理论和方法借鉴。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

盘锦市位于辽宁省西南部，属于辽河三角洲的中心地带。 该区域位于北纬40°39′～41°27′，东经 121°25′～122°31′之间。东北与鞍山市相邻，东南隔大辽河与营口市相望，西北与锦州市相邻，南临渤海辽东湾。土地总面积约4084km2，占辽宁省土地总面积的2．75%。盘锦市下辖3个区（双台子区、兴隆台区、大洼区）、1个县（盘山县）。地势北高南低，由北向南逐渐倾斜，坡度在2°以内。南部沿海滩涂面积约有3．92万hm2，地面海拔高度平均为4m，地面平坦。该区域属暖温带大陆性半湿润季风气候区，四季分明，雨热同季。耕地质量条件优越，自然质量等别集中在8～10等，利用质量等别集中在8～12等，经济质量等别集中在4～12等。

1.2 数据来源

2012年盘锦市土地利用变更数据是提取盘锦市4个行政县域的329个行政村的矢量数据，以及各村级单元中耕地面积数据；2012年盘锦市农用地分等数据是提取耕地评价单元自然等指数、利用等指数、经济等指数等相关数据；耕地生态数据是由Fragstats软件对土地利用现状数据进行栅格化处理和景观格局指数分析后获取。

2 研究方法

2.1 局部空间自相关分析

空间自相关性是指同一变量在不同地域单元之间的相关性[19]，空间自相关的分析工具分为体现整个区域关联性的全局自相关指数[20]，和体现区域内各个地域单元关联性的局部空间自相关指数[21]。本研究采用局部空间自相关分析方法，以Local Moran's I为统计量开展相关分析研究。具体可表达为：

其中：xi和xj分别代表了在i和j个空间单元上的属性值；u为平均值；n为样本数，即观测值所对应的空间的总个数；Wij为空间权重矩阵。

空间权重对于空间自相关分析非常重要，它是进行空间自相关分析的前提和基础[22]。空间权重函数W被用来描述空间单元在空间位置上的相互依赖程度，本研究选择最近K点关系确定邻接单元的权重。空间自相关分析的结果可分空间正相关（HH型和LL型）和空间负相关（HL型和LH型）。HH型在空间上代表属性值高的相关联区；LL型则代表属性值低的相关联区；HL型代表高值区被低值区包围区域；LH型则代表低值区被高值区包围区域。一个地区的空间特征既不属于正相关类型也不属于负相关类型，则为非显著型区域。

2.2 空间单元与空间变量

2.2.1 空间单元 空间单元是空间分析的基本单元，本研究以行政村作为空间研究基本单元，通过对村级耕地数量、质量、生态空间特征的叠加分析，探讨耕地三位一体保护的有效途径，由于局部空间自相关分析对空间单元之间的距离要求较高，相对于耕地图斑单元，以行政村为空间研究单元更具可辨识性[23]。

2.2.2 耕地数量指标 本研究采用耕地密度作为耕地数量的表达指标，具体公式为：

式中：Di0表示第i个行政村的耕地密度；Si0为第i个行政村中耕地的面积；Si为第i个行政村的面积。

2.2.3 耕地质量指标 耕地质量的空间分析主要以耕地分等数据为基础，对耕地经济等指数进行面积加权处理，测算村级单元耕地质量综合评价值。具体公式为：

式中：Rj表示第j个行政村的平均耕地质量综合分值；Rij为第j个行政村中第i块耕地图斑的等别指数；Sij为第j个行政村中第i块耕地图斑的面积。

2.2.4 耕地生态指标 耕地作为高度耦合的经济社会自然综合体，具有较为显著的景观生态特征[24]。本研究从景观的角度出发，以景观生态安全指数作为耕地生态的指标。耕地景观生态安全指数体现了耕地景观脆弱度、边界破碎度和景观类型破碎度，其在空间上的集聚特征可以反映人为对耕地景观的影响和景观安全性。具体公式为：

式中：V代表景观脆弱度；AWMSI代表面积加权平均形状因子；F代表分维度；D代表分离度；α、β、γ代表权重；ES代表景观生态安全指数；PD代表破碎度；ED代表边界破碎度。

2.2.5 空间叠加分区 在耕地数量、质量、生态指标空间自相关分析基础上，运用GIS软件对集聚类型进行可视化处理，并将盘锦市耕地数量、质量、生态的空间集聚结果进行空间叠加，建立村级单元耕地集聚类型属性数据库，合并及归纳整理相同集聚类型组合的村级单元，最后根据不同组合结果进行研究区域耕地资源“三位一体”管护特征分区。

3 结果与分析

3.1 耕地数量、质量、生态的空间分布特征分析

通过对村级单元耕地密度、耕地综合质量指数和耕地景观生态安全指数的测算结果，利用自然断点法将结果分值进行分级，得到盘锦市耕地密度、耕地综合质量指数和耕地景观生态安全指数空间分布图（图1）。

图1 耕地密度、耕地综合质量指数、景观生态安全指数空间分布图Figure 1 Spatial distribution of cultivated land density,comprehensive quality index and landscape ecological safety index

由图1a可知，耕地高密度区域主要集中在盘锦市东部和中部地区，4个县区的耕地密度从大到小依次为：大洼县、盘山县、兴隆台区、双台子区，其中大洼县和盘山县为盘锦市粮食主产区。由图1b可知，综合质量指数较高的宜农耕地集中在盘锦市中部地区，主要分布于中部的兴隆台区及大洼县，该区域具有相对优势的自然条件和农业设施，生产潜力较大。盘山县和双台子地区耕地综合质量指数较低。在空间上，村级耕地质量指数分布差异明显。由图1c可知，村级耕地景观生态安全指数高值区域和低值区域空间分布散乱。兴隆台区和大洼县的高值区较多，其次为盘山县，双台子区的耕地景观生态安全指数值较低。双台子区生态景观安全指数普遍较低，耕地利用受人为干扰较大，耕地破碎化程度较高，降低了耕地景观生态安全指数。

3.2 耕地数量、质量、生态的空间自相关分析

通过提取耕地密度、耕地质量指数、耕地景观生态安全指数为空间属性值，采用空间自相关分析方法，以最近K点关系（K=6）定义空间邻接关系，得到空间权重矩阵，基于GeoDa平台，对盘锦市耕地数量、质量与生态条件特征进行局部空间自相关分析，形成耕地数量、质量与生态条件的莫兰散点图（图2）和空间集聚图（图3），空间自相关面积统计如表1所示。

表1 盘锦市局部空间自相关类型汇总Table 1 Types of local spatial autocorrelation in scale of village in Panjin

图2 盘锦市耕地局部自相关分析散点图Figure 2 Scatter plot of cultivated land's local autocorrelation analysis in Panjin

通过对耕地密度的空间集聚特征分布分析（图2a，图3a和表1），盘锦市耕地密度正相关类型区域面积占43.46%，负相关类型区域占2.12%。耕地高密度集聚区（HH型）占8.38%，分布在盘山县北部和大洼县南部等地，低密度（LL型）集聚特征更加明显，占35.08%，集中分布在兴隆台区和盘山县中西部地区。总体反映出盘锦市耕地数量空间集聚性呈“西少东多”态势。

通过对耕地质量空间集聚特征分布分析（图2b，图3b和表1），盘锦市耕地质量的空间集聚性水平一般。耕地高质量集聚区（HH型）占盘锦市耕地面积的13.89%，大多集中在盘锦市大洼县。低质量集聚区（LL型）占11.59%，但集聚区域相对集中，集中连片分布在盘山县北部，具有一定的开发潜力。负相关类型区域占3.19%，分布较为零散。HL型集中在LL型周围，而LH型则集中在HH型周围。盘锦市耕地质量空间集聚呈“中优外劣”分布格局。非显著型区域占71.34%，大多是盘锦市外围待开发滩涂区域。

图3 盘锦市耕地局部自相关分析空间集聚图Figure 3 LISA of cultivated land's local autocorrelation analysis in Panjin

通过对耕地景观生态安全指数空间集聚特征分布分析（图2c，图3c和表1），该区域耕地生态条件的空间集聚性特征较差，正相关类型区域面积占7.64%，负相关类型区域占4.71%，零星分布在盘锦市四个县区，无明显的集聚特征。而非显著型区域占87.65%，反映盘锦市耕地生态条件特征在空间上处于离散分布状况，空间特征不显著。

3.3 空间分区

以盘锦市耕地数量、质量和生态的空间自相关分析结果为依据，结合产生不同空间集聚类型的差异性原因，本研究将HH型聚集区及其附近范围内优质属性特征耕地划入重点保护范畴，LL型区域由于其核心区域及附近范围内耕地空间特征属性值较低需要整治和改良，因此在进行空间数据叠加时，不仅考虑HH和LL核心区域，同时将耕地特征属性值较高的临近区域划入，最终将盘锦市346个村级单元耕地资源区域划分为4类一级区（图4a）和10类二级区（图4b）。

图4 盘锦市耕地保护分区Figure 4 Cultivated land protection zone in Panjin

3.3.1 优势保护区 该区域共包括150个村级评价单元，集中分布在大洼县、盘山县和兴隆台区的部分地区。优势保护区内耕地密度大，耕地质量及耕地生态条件优越。根据耕地数量、质量、生态H型集聚的不同组合方式，可将优势保护区进行二级分区，划分为重点保护区、积极保护区、侧重保护区。其中重点保护区是H型集聚分布区域，包括12个村级单元，占总面积的1.68%，是耕地三位一体空间保护的核心区域，对该区域进行严格保护的同时，还应强化扩散效应的影响，使其影响周边耕地向更高水平演进。积极保护区面积占12.75%，是两种属性为H型，另一种为非显著型的区域，该类耕地条件仅次于重点保护区的耕地条件，盘锦市积极保护区面积占12.75%；侧重保护区面积占12.91%，是一种聚类属性为H型，其他两种为非显著型的区域，建议针对H型属性进行侧重性保护，并通过整治改进耕地非显著型属性。

3.3.2 一般保护区 该区域共包括85个村级评价单元，分布在盘锦市四个县区。依据耕地数量、质量、生态集聚类型的不同组合方式，在一级分区基础上划分潜力保护区、适度保护区和限制保护区3个二级区。潜力保护区为两种属性为H型集聚、另一种属性L型集聚的区域，该区域耕地具有良好的提升潜力，应重点改良耕地低值属性，向3H型集聚区域发展转变；适度保护区为耕地两种属性为L型集聚、另一种属性为H型集聚的区域，该区域在保证其H型属性稳定高值的同时，应综合整治改良其他两类低值属性；限制保护区为耕地属性H型、L型和非显著型组合的区域，该区域耕地各属性值特征不统一，受到不同的限制因素的影响，应对其H型集聚的属性进行重点保护，对其产生L型集聚的属性进行重点提升。

3.3.3 整治改良区 该区域共包括84个村级评价单元，集中分布在盘山县和大洼县的西部、兴隆台区东部以及双台子区南部地区。依据L型与非显著型的组合，整治改良区可划分为综合整治区、一般整治区和侧重改良区3类二级区。耕地数量、质量、生态都属于L型集聚的行政村被划分为综合整治区，这类地区及周边地区的耕地表现出数量少、质量差、生态条件低的特征，建议作为土地增减挂钩项目储备区域；一般整治区和侧重改良区同样具有明显的耕地低值属性聚集的空间特征，建议对于单一耕地属性特征低值集聚区域，进行重点整治，对于双重耕地属性特征低值集聚区域，建立耕地退出机制，重点进行生态环境保护。

3.3.4 农业结构调整区 该区域共包括27个村级评价单元，主要分散分布在盘山县和大洼县境内。通过对该区域耕地密度、综合质量指数及景观生态安全指数的空间分布图与LISA图对比分析，该区域耕地既包括高值特征斑块，又包括低值特征斑块，耕地三种属性特征的空间集聚性均不显著，属于无规则分布区域，建议适当调整优化农业结构，发挥耕地比较优势，与周边其他优质特征区域形成连片集聚趋势。

4 讨论与结论

对盘锦市耕地资源数量、质量和生态条件特征现状分析基础上，运用局部自相关分析法对耕地资源三位一体的空间集聚类型及特征进行分析，最后提出了盘锦市耕地资源三位一体保护的空间分区方案。盘锦市耕地资源数量、质量和生态指数的现状分析结果表明，耕地数量高密度区域集中分布在盘山县和大洼县，该区域耕地数量总量较大，属于粮食主产区；耕地质量指数空间分布差异较大，高质量区域较为分散，主要分布在盘锦市中部的兴隆台区和大洼县；而盘锦市中东部区域形成了相对均质的耕地生态集聚区域。综合现状值分析，盘锦市中东部地区耕地数量、质量、生态条件特征均较其他区域优势显著，属于耕地三位一体空间保护的重点区域。

盘锦市耕地空间自相关分析结果表明，耕地各类属性特征值具有不同的空间关联度。耕地数量的空间集聚性相对较高，高值集聚区主要集中在盘山县和大洼县的大部分区域，低值集聚区主要分布在兴隆台区和双台子区；耕地质量的空间集聚性一般，高值集聚区集中在盘山县东部和大洼县南部，低值集聚区分布在兴隆台区和双台子区。耕地生态的空间集聚性特征最差，非显著型区域占主体，空间相关性特征不显著。

针对耕地数量、质量、生态空间集聚类型的组合，本研究将盘锦市划定为优势保护区、一般保护区、整治改良区和农业结构调整区等4个一级保护分区。在此基础上，依据耕地斑块属性空间集聚特征，细分为10个二级耕地保护分区。根据耕地属性不同空间自相关类型的特征，提出具体整治措施和保护方案，为耕地资源三位一体保护提供了理论和方法依据。

研究中还存在一系列的亟待解决的问题，一是耕地资源三位一体保护是一个概念性的问题，也是中国耕地保护政策的具体落地，需要全面考虑耕地资源的属性特征及功能特性；二是从理论研究到实践研究需要不断探索，尤其是耕地资源保护需要立体空间保护，从对耕地地表属性特征的认识逐渐深入到三维空间或四维空间属性的认知，需要理论与实践相结合的探索研究。