基于空间自相关的丘陵山区耕地质量保护分区

李 灿， 黄萌萌

(1.重庆欣荣土地房屋勘测技术研究所，重庆 400020；2.重庆市规划和自然资源调查监测院，重庆 400020)

坚持耕地保护、确保粮食安全是关系我国国民经济发展、社会和谐稳定、国家安全自立的重大战略问题。党的十九大、中央经济工作会议、农村工作会议等对耕地保护工作均提出了严格要求。2017年1月中央印发了《中共中央 国务院关于加强耕地保护和改进占补平衡的意见》，明确要求建立健全耕地质量和耕地产能评价制度，完善评价指标体系和评价方法，定期对全国耕地质量和产能水平进行全面评价并发布结果，坚持最严格的耕地保护制度和最严格的用地制度，落实“藏粮于地、藏粮于技”战略，保障国家粮食安全和农产品质量安全，加强耕地数量、质量、生态“三位一体”保护。在耕地的保护过程中，耕地质量评价和空间分布研究是耕地保护得以落实的重要保证。

目前，国内外学者对耕地质量保护的研究和探讨主要集中在评价方法[1-3]、质量评价指标体系构建[4-6]、评价尺度[7-10]等方面，已形成较为成熟的理论体系并开展了实践。但对于耕地质量空间分布特征的定量研究成果和文献还较少：孔祥斌等[11]利用全国农用地分等汇总成果，概括性总结了我国西部地区耕地质量空间结构特征；宋戈等[12]对特定空间地域的耕地质量总体空间格局特征进行了定性分析；李武艳等[13]研究了省域范围内不同尺度下耕地质量指数的空间正相关性；郭敏等[14]分类研究耕地质量的自然等别、利用等别和经济等别，提出耕地保护分区方案。

综上所述，现阶段对于耕地质量的研究体系已日趋完善，但对于耕地质量空间特征的定量研究和实验成果还较少，且多在宏观尺度上开展分析和验证。但在地形地貌环境较为复杂的丘陵山区，宏观尺度的区域性研究往往难以准确体现耕地质量空间分布规律的差异性，微观尺度的研究则可以对宏观尺度进行弥补。基于此，本文选择重庆市南川区为研究对象，通过耕地图斑加权计算村级质量指数，采用空间自相关分析的方法，探究南川区耕地质量分布的规律。根据空间自相关分析结果，提出空间区划和保护措施，以期为西部丘陵地区耕地保护提供理论和实践基础。

一 研究区概况和数据来源

(一)研究区概况

南川区位于重庆市南部，东与贵州省遵义市及武隆县为邻，北接涪陵，西连綦江和巴南，是渝黔、渝湘大通道交汇点。境内地形以山为主，地势呈东南向西北倾斜。境内属于中亚热带湿润季风气候区，年均温16.6℃，年降雨量1 185 mm，年日照时数1 273 h。2017年南川土地利用变更调查数据显示，全区土地总面积2 589.58 hm2，其中耕地面积84 716.21 hm2，人均耕地面积0.1hm2/人，高于全市人均耕地。境内耕地质量受东南部中山地形影响，主要分布于西北部，高等地(5～8等)占比11.05%。南川区作为重庆西部区域性中心城市，对其进行耕地质量分析研究对于渝西片区乃至西部丘陵地区的耕地保护研究具有重要的代表意义。

图1 重庆市南川区高程分布

(二)数据来源

耕地数量及质量数据来源于2017年南川区土地利用变更调查数据、耕地质量等别数据库，土壤属性数据及社会经济数据来源于统计年鉴及农委测土配方实验数据。

二 原理与方法

(一)实验流程

本实验流程如下：首先选择合适的研究区域，收集整理耕地质量等别、村域界线等相关资料，并剔除异常值，计算村级平均质量指数；其次，通过全局空间自相关分析和局部空间自相关分析，分别检查全域数据的集聚特征和三大质量等指数的空间分布模式；最后，根据三大质量等指数空间分布类型的组合，合理划定南川区耕地保护分区。

(二)空间自相关

美国地理学家W.R.Tobler在1977年提出地理学第一定律[15]，即一切事物都与其他事物有关，但相近的事物相关性更强。该定律说明每个空间单元与其周围的单元之间，一般会存在某种共有的特征，并且他们之间会产生潜在的依赖性，就是所谓的“空间自相关”。衡量空间自相关关联程度主要的计算指标之一是莫兰指数(Moran’s I)，莫兰指数又分为全局莫兰指数(Global Moran’s I)和局部莫兰指数(AnselinLocal Moran’s I)。

1.全局空间自相关

全局空间自相关是对整个空间区域的集聚特征的描述[16]，通过指数反映空间单元的属性相似程度。全局空间自相关最常用的是由澳大利亚统计学家帕克·莫兰提出的全局莫兰指数(Global Moran’s I)，具体的计算表达式如下：

(1)

(2)

统计的Z得分按以下形式计算：

(3)

其中：

E[I]=-1/(n-1)

(4)

V[I]=E[I2]-E[I]2

(5)

2.局部空间自相关

局部空间自相关是对全局空间自相关的分解，是指每个空间单元与周围空间单元的自相关程度，以此发现研究区内空间单元的空间分布现象的特征。计算局部空间自相关的方法最常见的有 Moran’s I、Geary’s C 等，本文主要通过局部Moran’s I 进行分析。目前，局部统计量常用的是由美国Luc Anselin教授在1995年提出的LISA ( Local indicator of spatial association)统计量的局部Moran’s I 系数表达，计算式为：

(6)

局部空间自相关分析可将空间数据划分为以下5种自相关类型：(1)高—高型(HH)：局部莫兰指数位于第一象限，高值被高值所包围，表示该对象是高值关联的聚焦点；(2)低—高型(LH)：局部莫兰指数位于第二象限，低值被高值所包围，表示该对象周围的对象有较强的异质性；(3)低—低型(LL)：局部莫兰指数位于第三象限，低值被低值所包围，表示该对象是低值关联的聚焦点；(4)高—低型(HL)：局部莫兰指数位于第四象限，高指被低值包围，表示该对象周围的对象有较强的异质性；(5)非显著型(NN)：观测值均匀地分布在4个象限，则表示地区之间不存在空间自相关性，非显著型是空间呈随机分布的区域，表示没有通过局部的局部莫兰指数显著性检验，空间集聚性不强。

(三)空间权重

空间权重是用于表达邻近空间单元属性对研究单元属性值得贡献程度，空间位置的相邻关系可分为邻近、距离和最近K点，权重矩阵的表达式如下：

(7)

选择不同的空间位置关系，对应的权重取值方式也不相同：(1)邻接关系。按照只共享边和共享边或角点，又可细分为Rook和Queen两种邻接方式，若周围单元与目标单元相邻接则Wij=1，否则Wij=0；(2)距离关系。若周围单元与目标单元重合则Wij=1，否则Wij=D-p，即权重为距离的倒数；(3)最近K点。距离目标单元距离最近的K个单元Wij=1，其余为0。

(四)村级平均质量指数的计算

变更调查数据及耕地质量等别数据的最小粒度均为耕地图斑，为有效解决图斑过小导致局部空间自相关分析结果辨识性差的问题，通过计算行政村的平均质量指数，将行政村作为最小空间单位，其计算方式如下(缺少按面积加权平均的公式)：

(8)

式中：Qn是第n个村的平均质量指数；Ai是第n个村第i个图斑的面积；qi是第n个村第i个图斑的质量指数。

三 结果与分析

(一)全局空间自相关结果与分析

本文基于ArcGIS Desktop 10.2和Open Geoda软件平台，对南川区村级质量等指数进行空间自相关分析。根据南川区的质量等别莫兰指数散点图，村级国家利用等指数、国家经济等指数、国家自然等指数分别为：0.642 8、0.608 7、0.567 3，三者均位于0到1之间，在全局范围内呈现典型的空间正相关，其显著程度关系为村级利用等指数>经济等指数>自然等指数，如图2所示。

图2 质量指数莫兰散点图

(二)局部空间自相关结果与分析

根据南川区2017年变更调查数据，辖区内共有行政村249个，剔除2个不含耕地的村域单元，剩余247个行政村。通过Open Geoda多次试验，确定距离为最合适的空间关系，并生成权重矩阵，输出南川区耕地质量指数LISA聚类图。从南川区质量指数LISA聚类图可知，质量指数的正相关类型(HH型和LL型)分布如下：村级利用等指数的个数为118个，占比47.77%；村级经济等指数的个数112个，占比45.34%；村级自然等指数正相关村域个数103个，占比41.7%。正相关占比大小关系为：村级利用等指数>经济等指数>自然等指数，支持全局空间自相关的聚集显著程度分析结果(表1，图3)。

表1 重庆市南川区局部空间自相关类型与行政村个数、耕地面积情况

图3 质量指数LISA聚类图

1.村级利用等指数耕地质量局部自相关结果分析

从利用等指数LISA聚类图可知，HH型主要沿渝相公路西北部连片分布，该区域重点布局了南两高速、包茂高速等重点交通项目，区域交通便利，农业设施也较为齐全。由于外部客观条件较好，调动了农民的生产积极性，因此土地的利用情况比较充分，产量稳定；LL型主要沿渝相公路东南部连片分布，该区域属大娄山褶皱地带，呈中山地貌，地形起伏较大，全区25°以上耕地大多分布于此，部分耕地已纳入退耕还林计划，难以形成集中连片的耕地，耕地的集中作业程度低，利用情况较差。LH型零散分布于HH型周围，无HL型。

2.村级经济等指数耕地质量局部自相关结果分析

从经济等指数LISA聚类图可知，HH型主要分布于南川区西北部，形成白沙镇—黎香湖镇—河图乡—福寿乡组团、西城街道—东城街道—南城街道北部—兴隆镇南部组团、石墙乡—铁村乡—水江镇—中桥乡组团，该区域地势平坦、土壤肥沃，水源分布较广泛，坡地少且坡度较小，地块成片，区域内经济状况较好，该区域在农业生产上各方面都占有很大的自然和区位优势；LL型主要分布于南川区东南部，该区域受地形条件影响，水源分布较弱，灌溉条件不足，区域经济状况较差、农业资金投入小；LH 型零散分布于HH型周围，HL型分布于南城街道南部。

3.村级自然等指数耕地质量局部自相关结果分析

从自然等指数LISA聚类图可知，HH型主要呈带状连片分布于南川区西北部，该区域地形以低丘缓坡为主，水系发达，灌溉条件良好，土壤多为壤土，土壤有机质含量和有效土层厚度较高，具有良好的耕种自然条件；LL型集中分布于南川区东南部，该区域地形以中山地貌为主，水系分布欠缺，土壤以黏土和砂土交叉分布为主，土壤质地较为贫瘠，耕种条件受限；HL型分布于庆元乡东部和金山镇南部，LH型零散分布于HH型周围。

(三)耕地保护分区

本文通过空间自相关分析将南川区耕地利用等指数、经济等指数、自然等指数各自划分为HH型、LL型、LH型、HL型、NN型5种类型。将质量等指数的空间类型进行组合，可将南川区的耕地保护分区划分为4种类型：农业结构调整区、永久农业保护区、非农建设理想区、土地整治重点区(图4)。

1.农业结构调整区

三项质量等指数的局部空间自相关类型均为NN型，该区涉及84个行政村，主要分布于南平镇、南城街道东部、三泉镇西部、鱼泉乡西部、水江镇西部、神童镇、兴隆镇北部、乾丰乡、冷水关乡、民主乡等，该区域耕地综合质量呈随机分布，建议根据区域实际情况，因地制宜，发挥地区优势，以“宜农则农、宜耕则耕、宜林则林”的思路调整优化农业结构。

2.永久农业保护区

全部为HH型以及HH型和NN型的组合，该区域涉及91个行政村，主要分布南川区中心城区、石莲乡、兴隆镇、铁村乡、石墙镇、中桥乡、骑龙乡、河图乡、黎香湖镇、太平场镇、白沙镇等，该区域耕地综合质量呈空间高值集聚分布，建议维持其质量高值现状，并严禁非农建设，继续加强对耕地的保护，并作为基本农田红线划定首选区域。

3.非农建设理想区

全部为LL以及LL和NN型的组合，该区域涉及48个行政村，主要分布于金山镇、头渡镇、德隆乡、合溪镇、古花乡、庆元乡、大有镇、三泉镇东部、鱼泉乡东部、水江镇东部，该区域耕地综合质量呈空间低值集聚分布，建议对该区域进行进行综合性改良，如若进行退耕还林等非农化整治，该区域应作为首选区域。

4.土地整治重点区

除上述组合以外的其余类型，该区域涉及24个行政村，主要分布于中心城区外围、乾丰乡北部、大观镇西部和北部、金山镇南部、庆元乡西北部，该区域耕地综合质量呈空间异质分布，建议采取有效的工程措施对耕地进行综合整治，增加有效耕地面积，提高土地质量和利用效率，该区域应作为整治项目安排的首选区域。

图4 耕地保护分区结果

四 结论与讨论

研究区域内耕地质量指数在空间上呈现集聚特征，集聚显著程度大小关系为利用等指数>经济等指数>自然等指数。

研究区域内的耕地质量在空间分布上呈现出一定规律，正相关类型多以连片或组团的形式呈集聚分布；负相关类型多呈零散分布。高值集聚区(HH型)主要分布于西北部，低值集聚区(LL型)主要分布西南部，实验结果与南川的地形、水系、交通设施布局等自然经济条件相吻合。