西南片区耕地等别空间分布特征
2020-10-21杨元智陈运春廖丽君曾维军刘唯佳向冬蕾1李建华
杨元智, 陈运春, 廖丽君, 曾维军, 刘唯佳, 向冬蕾1,, 李建华
(1.云南农业大学 国土资源科学技术工程研究中心, 昆明 605201;2.云南农业大学 资源与环境学院, 昆明 650201; 3.云南农业大学 水利学院, 昆明 605201)
耕地是农业生产和人类生存的物质基础,耕地质量更关乎着国家的粮食安全与人类的可持续发展[1-2]。1999—2009年,国土资源部首次在全国范围内统一开展了农用地分等评价任务,于2012年颁布实施了《农用地质量分等规程》(GB/T28407—2012)[3],分等成果已在我国广泛应用,并且在耕地质量管理与保护中发挥着重要作用[4]。为了满足耕地数量和质量并重管理的需求,切实落实耕地占补平衡政策[5],首要解决的问题就是掌握耕地的利用现状、数量和质量的分布特征,于是我国从2012年起在全国农用地分等的基础上,开展耕地等别的年度更新工作[6]。目前,国内学者对耕地方面的研究主要集中于耕地质量监测[7-8]、耕地质量评价[9-10]、耕地质量变化[11-12]和耕地安全[13]等方面,研究成果涵盖了全国[14-16]、区域[17-18]、省域[19-21]、县域[22-23]等不同空间尺度,成果颇为丰富。随着社会经济的不断发展,农用地分等成果不可避免地发生了变化,然而我国目前研究还绝大多集中在基于农用地分等成果的数据基础之上,很少用到补充完善后的成果和年度更新数据[24]。
西南区是我国较为典型的生态脆弱区和欠发达地区,区域内人地矛盾突出,水资源分布及其不均匀,加之独特的地理位置和复杂的地形地貌,区域内土地利用类型较为多样,土地资源分布呈现极端差异性[25]。耕地质量按自然因素指标和社会经济因素指标来划分,具体可分为自然等、利用等和经济等3类[26],本文利用2015年度西南5省(市、自治区)耕地质量更新评价成果数据,通过ArcGIS完成西南片区耕地区域、省域及市(区、县)际的自然等、利用等及经济等不同视角的分布特征,形成全国统一可比的等别序列,经过局部自相关分析论证,有助于了解西南片区耕地利用现状和耕地的保护管理,为区域内耕地资源的可持续发展、粮食安全及占补平衡政策的实施等问题提供科学依据。
1 研究区概况
西南片区包括云南、四川、贵州、重庆、广西5个省(市、自治区),地处中国西南边陲,位于东经91°21′—112°04′,北纬20°54′—34°19′,东邻湖北、湖南、广东,南靠老挝、越南,西接西藏自治区、缅甸,北连宁夏自治区、甘肃、陕西。境内地势西高东低、北高南低。跨越青藏高原、云贵高原两大高原和四川盆地,区内河流纵横、峡谷广布,地貌以高原和山地为主,广泛分布喀斯特地貌、河谷地貌和盆地等地貌。西南片区土地总量13 632.28万hm2,其中农用地总量为11 422.66万hm2,占总面积的83.79%;建设用地总量为442.33万hm2,占总面积的3.25%;未利用地总量为1 766.29万hm2,占总面积的12.96%。西南片区属亚热带季风气候,年均温分布极不均匀;雨量丰富,平均1 000~1 300 mm,少雨和多雨地区雨量相差可达5倍。独特的地理位置和复杂的地形地貌孕育出多种多样的气候类型和极其丰富的生物资源。
2 研究方法
2.1 数据来源
本次研究数据来源于西南片区(云南、四川、广西、贵州、重庆)农用地分等省(市、自治区)级汇总成果比例尺1∶100万和2015年年度耕地质量更新评价成果数据。
2.2 平均等别计算
区域内耕地质量的平均等别的计算采用面积加权平均法,公式如下所示:
式中:Y为平均质量等别;i为耕地等别;imax为等别最大值;imin为等别最小值;Ai为i等耕地面积(hm2);A为耕地总面积(hm2)。
2.3 ArcGIS空间分析
首先将年西南5省(市、自治区)2015年度更新评价省级汇总成果为分析的基础数据,结合农用地分等成果图件,运用ArcGIS软件,进行空间叠加分析、空间自相关和统计分析等分析方法,揭示西南片区耕地等别的耕地空间分布特征和规律。
2.4 空间权重的确定
能否构建并选择恰当的空间权重矩阵直接关系到模型的最终估计结果和解释力[28]。对耕地质量进行局部空间自相关分析时,采用由ArcGIS和GeoDa软件生成的空间权重文件来定量表达地理要素在空间上的关系,分别计算基于Rook,Queen和Bishop邻接原则的一阶邻接空间邻接性,经计算模拟对比和研究区图斑分析,Rook邻接关系的空间邻接性频率直方图更符合正态分布特征。故本文采用以Rook邻接原则确定空间权重。
2.5 局部空间自相关分析法
空间自相关分析是基于要素位置和要素值来度量空间的相关性最常用的地统计学方法之一[29]。为揭示西南片区耕地质量在空间上的聚集性或离散型特征,本文利用Geoda软件,选取Local Moran′sI为统计量进行西南片区耕地质量局部空间自相关分析。局部莫兰指数其表达式为:
3 结果与分析
3.1 耕地等别数量构成分布特征
西南片区(图1)耕地总面积2 427.30万hm2。按照农用地分等标准,在16个等别序列中,将1—4等划分为优等地、5—8等为高等地、9—12等为中等地、13—15等为低等地,其中耕地质量最好的为4等,耕地质量最差的为15等[3]。
图1 西南片区耕地等级构成
(1) 就自然等而言,西南片区耕地范围等别为4—15等,等别以9—11等耕地为主,加权平均等为9.85;自然等分布趋于偏正态分布,自然质量中等偏低;西南5省自然等中优等地面积0.17万hm2,占比不足1%;高等地面积383.91万hm2,占耕地总面积的15.82%;中等地面积1 986.77万hm2,占比81.85%;低等地96.45 hm2,仅占2.33%。
(2) 就利用等而言,西南片区耕地等别范围为1等及3—13等,其中以10—11等面积分布最多,面积加权平均等为9.86;总体来看,利用等中等偏低,呈明显偏正态分布特征。优等地面积4.16万hm2,占比不足1%;高等地面积490.34万hm2,占比20.15%;大部分是中等地,面积1 857.79万hm2,占比达到76.34%;低等地81.36 hm2,仅占比3.34%。
(3) 就经济等而言,西南片区等别范围为2—14等,以10—11等地为主,面积加权平均等为9.80。西南区经济等有少量优等地,面积9.08万hm2,仅占比0.37%;高等地面积492.75万hm2,占比20.25%;经济等绝大部分是中等地,面积1 852.82万hm2,占比达76.13%;还有少量低等地,面积共79.00万hm2。
3.2 各省(市、自治区)耕地等别分布特征
3.2.1 各省(市、自治区)自然等分布特征 从自然等在西南片区省际分布特征来看(附图10,图2 ),各省耕地自然等分布存在明显差异,广西自治区耕地自然等最高,位于江南区和华南区的有利自然条件,等别集中分布于6—10等,其中10等地分布最多最广;云南省自然等集中在10—12等;四川省自然等以9,10等为主;重庆市自然等集中在8—11等;贵州省耕地自然等别最低,集中分布在10—12等。
西南片区自然等以中、高等地为主,优等地和低等地少量分布。西南片区优等地仅占比0.01%,优等地来源主要是四川,广西少量分布;高等地主要分布于广西和四川,云南和重庆分布较少,贵州分布极少;西南5省(市、自治区)区域内以中等地为主;低等地大多分布于贵州省,省内低等地面积占低等地总面积高达76.83%,重庆和广西无低等地分布。
从自然等平均等别来看,广西>四川>重庆>云南>贵州。广西平均等别最高,为8.45等;四川和重庆次之,分别为9.30等和9.74等;云南省为10.61等;贵州平均等别最低,为11.05等;其中平均等别最高的广西比平均等别最低的贵州高出了2.6等。
3.2.2 各省(市、自治区)利用等分布特征 从利用等在西南片区省际分布特征来看(附图10,图3),云南省利用等以10—12等分布为主,且1等地只分布于云南省;四川省以8—10等分布为主;重庆市利用等集中分布在8—11等,其中10等分布最多;广西自治区利用等分布在4—12等;贵州省利用等最差,等别广泛集中于10—13等,且14,15等只分布于贵州省。
图2 西南片区各省(市、自治区)耕地自然等级构成
图3 西南区各省(市、自治区)耕地利用等级构成
西南片区利用等以高等地和中等地为主。其中优等地的来源主要是云南省,四川和广西也有少量分布;四川和广西两地高等地较多,四川省高等地在省内比重最大,超过中等地;除四川外,中等地在各省(市、自治区)分布最多;低等地集中分布在贵州,少量分布于云南。
从利用等平均等别来看,四川>广西>重庆>云南>贵州。其中四川省平均等别最高,为8.25等;广西自治区和重庆市次之,分别为8.47等和9.77等;云南省为10.49等;贵州省最低,为11.29等;平均等别最高的四川比平均等别最低的贵州高出了3.04等。
3.2.3 各省(市、自治区)经济等分布特征 从经济等在西南片区分布特征来看(附图10,图4),云南省经济等别集中分布在10—11等;四川省经济等以8—10等分布为主;重庆市集中在9—11等;广西自治区各等别中9等和10等地分布最多;贵州省则主要集中在11,12等。
西南片区经济等别分布以中、高等地为主。经济等中少量优等地,分布在2—4等,主要来源于云南,四川和广西少量分布;经济等中高等地主要集中在8等,广西和四川占比较多;西南片区经济等绝大部分是中等地,分布以9—11等为主;而少量低等地全部分布在四川和贵州两地,其中14等地全部分布在贵州。
从经济等平均等别来看,广西>四川>重庆>云南>贵州。广西平均等别最高,为8.42等;四川和重庆次之,分别为9.16等和9.84等;云南和贵州平均等别较低,分别为10.30,11.40等;平均等别最高的广西比平均等别最低的贵州高出了2.98等。
图4 西南区各省(市、自治区)耕地经济等级构成
3.3 耕地等别在市(州、区县)分布特征
在市(州、区县)的尺度上研究耕地质量的空间分布特征,有利于各个市(州、区县)的管理以及制定相关制度,且具有一定的科学意义(附图11)。根据现有资料,四川省2015年耕地质量等别年度更新中尚未明确提供各市(州、区县)耕地等别分布情况,因此本文以其余4省(市、自治区)共有77个市(区、县)为研究单元。
(1) 从自然等来看,云南省高等地主要分布在位于华南区的德宏和西双版纳等地;中等地各州均有分布;低等地则主要分布于横断山区各州市。贵州省高等地仅有8等,集中分布于遵义市;全省大多为中、低等地,其中低等地主要来源于威宁县、毕节市和六盘水市3地。重庆市高等地集中在西部的合川区和江津区;中等地广泛分布于各地。广西优等地仅分布于防城港市;桂林和南宁高等地分布最多;中等地崇左市分布最多。从西南片区各市(区、县)自然等平均等分布来看,平均等在6—7,7—8等两个区间的地区基本聚集在广西省,除了崇左市,其余各市平均等均未超过9等;云南省各市平均等多集中于10—11等,只有西双版纳州和德宏州低于10等;贵州省位于云贵高原区,耕地质量较差,自然等平均等都介于10—11,11—12等两个区间;重庆市各地平均等在区域内分布相对均匀,大多集中于9—10,10—11等两个区间。
(2) 从利用等来看,云南省利用等有少量优等地,主要分布在西双版纳和大理等地;高等地主要分布在德宏、大理和玉溪等地;全省绝大部分是中等地;低等地有少量分布于昭通、迪庆等地。贵州省高等地主要分布在遵义、铜仁两市;中等地主要分布在遵义市、毕节市和铜仁市等地;低等地主要来源于黔西南州、毕节市两地。重庆市高等地主要分布在开县、涪陵区和璧山区等地;全市基本全为中等地。广西利用等优等地只分布在钦州市和百色市;高等地主要分布在桂林市、南宁市和玉林市等地。从西南片区各市(州)利用等平均等分布来看,广西各市平均等较高,基本趋于区间7—8等;云南省和重庆市平均等则大多集中在9—10等;贵州省各市平均等最差,趋于10—11等区间内。
(3) 从经济等来看,云南省经济等有少量优等地,主要分布在德宏、大理及西双版纳等地;高等地主要分布于德宏、大理等地。贵州省高等地主要分布在遵义、铜仁等地;中等地分布较广;低等地主要分布在黔西南州、毕节市和威宁县等地。重庆市经济等高等地主要分布在江津区和合川区两个区县;其余多为中等地。广西优等地在柳州市、梧州市和钦州市等地少量分布;全省高等地最多的为玉林市;崇左市中等地分布最多。从西南片区各市经济等平均等分布来看,云南省耕地质量较好的西双版纳、玉溪和大理等地趋于9—10区间内、其余各地基本在10—11区间内,仅德宏州平均等趋于8—9区间内;贵州省平均等较差,除威宁县为12.65等外,全集中于10—11,11—12两个区间内;重庆市各区县平均等均集中区间9—10,部分区县平均等在10—11等;广西各市平均等较高,分布于7—8,8—9两个区间内,其中玉林市经济等最高为6.90等。
3.4 耕地质量空间自相关分析
西南5省(市、自治区)因四川省2015年耕地质量等别年度更新中尚未明确提供各市耕地等别分布情况,因此未将四川省地类数据统计在内,剔除其耕地质量空间分析,本文以其余4省(市、自治区)共有77个市(区、县)为研究单元进行空间自相关分析。
3.4.1 Moran散点图分析 采用GeoDa软件进行局部空间自相关分析,得到3类耕地质量指数Moran散点图(图5)。西南片区4省(市、自治区)耕地质量自然等、利用等和经济等指数局部空间自相关指数分别为0.816 9,0.756 8,0.771 9,表明耕地质量3类指标都具有较强的正相关性;3类指数的Moran′s I值相差不大,说明区域内自然条件、利用水平和经济条件在空间上的关联性都相对较大。
图5 西南片区耕地质量指数Moran散点图
3.4.2 局部自相关分析 利用局部空间自相关指数将耕地质量空间分布划分为5 种类型:HH 型(高—高)、LL型(低—低)、HL型(高—低)、LH(低—高)型和NS(非显著)型(农用地分类中,国家等的等别数值越低代表耕地质量最高,反之代表质量越低)。西南片区4省(市、自治区)耕地质量自然等、利用等和经济等指数LISA图如附图12所示。
自然等指数HH地区呈现片状聚集于云南省北部的横断山区、云贵高原区中部及贵州省西部地区,包括迪庆州、黔西南及贵阳市等14个州(市);LL地区也呈现片状分布于广西自治区东南部自然条件较好的江南区和华南区,包括桂林市、玉林市和北海市等11个市,其中LL还包括了重庆市的璧山区;LH和HL区域内无分布。利用等指数HH地区呈团状聚集,区别于自然等的连片聚集,HH型聚集于云南省西北部横断山区和贵州省大部,包括迪庆州、怒江州、六盘水市和毕节市等13个州(市);LL地区呈现片状分布于广西自治区大部,较自然等聚集更多,除河池市和百色市外,其余12个市均为LL型;LH和HL区域内无分布。经济等指数HH云南省地区有所减少,贵州省除遵义市外,都为HH型,云南省昭通市、曲靖市及西北部的怒江州和迪庆州等地,共13个州(市)为HH;LL地区依旧呈现片状分布于广西自治区大部的11个市;大理州是唯一的一个LH型地区,经济等无HL型。
3.5 讨 论
(1) 将自然条件与西南片区自然质量等别进行叠加分析。市际分布和聚类分析均显示云南省西北部的怒江州、丽江市等地与贵州省西部的威宁县和毕节市等地由于地处横断山区和云贵高原区,受到地形地貌的影响,区域内整体地势高低起伏,光热条件较差,水资源匮乏,土壤贫瘠,且多以坡耕地和旱地为主,容易引发水土流失等自然灾害,生态环境极其脆弱,耕地质量整体较差与HH型在空间分布上相匹配;而位于东南部的广西自治区各市(州),地处华南区和江南区,占据优越的自然条件,受到海洋暖气流的影响,降雨量充足,光热条件较好,土壤含水量较高,在一定程度上决定了耕地质量,与自相关LL型空间分布相匹配;此外,重庆市西北部的璧山区、江津区和永川区等地与云南省西南部的西双版纳州和德宏州地处四川盆地区和华南区,地势平坦,虽不及沿海地区的农业自然条件,但光温生产潜力及降雨充沛部分弥补了影响,耕地质量呈现中上水平;其余各区域内耕地数量分布较多但质量较为一般,多以中等地分布为主。
(2) 将耕地自然质量、生产投入等条件与西南片区利用等别进行叠加综合分析。结果显示质量较好的耕地集中分布于广西自治区大部和云南省德宏州和西双版纳州等地,因地处华南区和江南区热量灌溉水源充足,农业条件较好,精细耕种历史悠久,耕作方式多样,生产投入和粮食作物产量明显高于其余地区,利用等别都相对较高,与自相关LL型在空间分布相匹配;利用等别较低的耕地主要分布于横断山区的怒江州、迪庆州等地和云贵高原区的贵州省大部和昭通市等地,区域内耕地多分布于峡谷地带,不利于机械化耕作,少数名族聚集,耕地分布零散且多以旱地和坡耕地为主,农业条件较差,水资源相对匮乏,得不到相应的投入—产出效益,与HH型在空间分布上相匹配;此外,重庆市西部涪陵区和璧山区等地与云南省大理州、玉溪市等地利用等呈现中上水平,地处四川盆地区具有良好的自然条件,也为农业发展提供了基础,而大理州、玉溪市境内的洱海流域及抚仙湖流域灌溉水源充足,土壤肥沃,机械化耕作便利,为当地农业发展提供了良好的基础;其余重庆市南部山区各区(县)和云南省大部耕地质量一般,区域内耕地多分布于地形相对平缓和自然条件较好的坝区,耕地数量分布较多,等别差异明显,但受限于自然条件、水热搭配的影响,利用等整体中等偏下。
(3) 经济等反映了耕地的综合质量的优劣,将自然条件、生产投入、区域经济发展状况和基础设施建设等各方面因素与西南片区经济等别进行叠加分析。经济等较低的区域与自然等及利用等相似,聚集于横断山区的怒江、迪庆等地与云贵高原区的毕节市和威宁县等地,区域内地形地貌已严重影响耕地的综合投入—产出效益,农业生产交通不便,此外由于城镇化的推进,占用了地势较为平缓区域的耕地,经济等质量整体较差,与自相关HH型在空间分布上相匹配;而位于华南区的德宏州以及广西省大部,由于优越的自然条件,地势平坦,生产交通和机械化耕作便利,农业发展可观,刺激农业发展的因素较多,建设投入也相对较高,耕地综合质量都较高,与LL型空间分布相匹配;重庆市西部及西北部各区(县)和云南省大理、玉溪和昆明等地经济等呈现中上水平,除地处四川盆地区或境内的高原湖泊影响外,这些区域都为社会经济发展发达,交通便利的平坝区;经济等一般的耕地主要聚集在云南省大部和重庆市北部和南部山区,区域内耕地分布较广且零散,交通不便,依据各地经济发展状况,综合质量中等偏下。
综合来看,西南片区耕地质量整体呈现出由北往南耕地质量逐渐上升的空间分布规律,西南片区的自然环境、社会经济条件复杂多样与各地农业生产条件和方式、农业生产力水平差异,是耕地质量呈现区域差异的自然基础。生产投入和区域经济发展等在空间地域上分布有部分影响,但耕地等别的聚集很大程度上受到自然条件限制。通过以上分析,3类指数整体呈现出位于西北横断山区的怒江州、迪庆州等地和位处云贵高原区的贵州省大部由于自然条件和农业生产等条件的限制,直接影响耕地的综合投入—产出效益,区域内低等地高度聚集,此外地形坡度和气候等因素影响,土地整治及生态建设等措施也难以大幅度提高该地区各市的耕地质量,与HH型在空间分布上相匹配。而位于江南区和华南区的广西大部,有充足的灌溉水源,土壤肥沃,热量充足等优越的自然条件,刺激农业发展因素也较多,从而在一定程度上对耕地质量具有较大的影响,其表现特征也与LL型空间分布相匹配。
4 结 论
(1) 从西南片区整体出发,耕地自然等、利用等和经济等平均等别分别为9.85,9.86,9.80,耕地质量整体中等偏低,3类质量等别以中、高等地为主,面积之和占比均超过90%。
(2) 耕地在省(市、自治区)际分布存在较大差异,广西自治区受到江南区和华南区自然区位的影响,农业发展可观,3类指标平均等均在8.5等以下;四川省大部地处四川盆地区,具有良好的自然条件,也为农业发展提供了基础,其中利用等最高,自然和经济等仅次于广西;重庆市3类指标平均等别在区间9—10等;云南省为10—11等内;贵州省3类指标均显示质量最差,平均等在11—12等区间内,云南省西北横断山区的怒江州、迪庆州等地和位处云贵高原区的贵州省大部由于自然条件和农业生产等条件的限制,区域内低等地聚集。
(3) 西南片区(除四川省)3类质量等别的市际分布和自相关分析均显示,质量较高的耕地集中在江南区和华南区的各市(州),除优越的自然条件外,区域内生产交通便利、地形地貌等也是耕地利用和质量的重要影响因素,其平均等趋于7—8,8—9两个区间内,与自相关空间分布LL型相匹配;而相对质量较差的耕地则集中分布在横断山区和云贵高原区的各市(州),区域内自然条件和农业生产等条件的限制,直接影响耕地的综合投入产出效益,此外地形坡度和气候等因素影响,土地整治及生态建设等措施也难以大幅度提高该地区各市的耕地质量,平均等趋于11—12区间内,与HH型相匹配。
本文仅从西南片区耕地数量和质量两方面进行分析,随着生态建设的不断推进,今后应加强耕地生态方面的研究,更好地实现耕地资源数量、质量、生态“三位一体”建设与管控;再者,由于受限于无法获得全面高精度耕地数量质量变化的同步数据,今后应加强耕地质量等级动态监测等方面的研究,更好地为区域内耕地质量保护和管理提供科学依据。