洞庭湖区耕地质量空间分异及保护分区研究——以岳阳市君山区为例

邵劲松，杨 君*，袁淑君，周鹏全，娄知斐，谭 鑫

(1.湖南农业大学 资源环境学院，湖南 长沙 410128；2.湖南工程职业技术学院，湖南 长沙 410000)

耕地是人类赖以生存与发展的物质基础，关系到国家的粮食安全以及社会的稳定[1]。然而伴随着工业化和城市化进程的快速推进，大量优质耕地被占用，导致用养地失衡，耕地质量整体下降。因而，协调社会经济发展与耕地质量衰退的矛盾、提高耕地质量管理和建设水平、保障国家粮食安全，是当前亟待解决的问题。

近年来，学者们对耕地质量评价的研究主要围绕耕地质量评价指标体系的构建、评价方法和尺度的选取、保护分区的划定等，其中评价指标的构建主要从自然质量、利用条件、经济水平3个方面进行综合考虑[2-5],研究方法主要包括灰色关联度评价法[6]、主成分分析法[7]、空间自相关[8]、神经网络综合评定法[9]、地统计分析法[10]，评价尺度涉及全国、省、市、县[11-16]。总体而言，当前对于耕地质量的研究日趋完善，为本研究的实施奠定了坚实的基础，但是基于小尺度范围的耕地质量空间异质性等方面的研究却相对较少，现有研究成果存在一定的局限性。故本研究以岳阳市君山区为研究区域，利用耕地质量分等成果，基于ArcGis和Geoda软件，运用空间自相关分析等方法，探究君山区耕地质量指数在空间分布上的集聚性规律和差异性特征，进而了解君山区耕地质量现状情况，以期为区域耕地质量的管护以及耕地资源的可持续利用提供科学依据与理论基础。

1 研究区域概况与数据来源

1.1 研究区域概况

君山区北靠长江，南濒洞庭，位于北纬29°18′～29°38′、东经112°37′～113°08′，为典型的亚热带季风气候区，气候湿润，四季分明，年平均气温与年平均降雨量分别为17 ℃和1417 mm，境内地势北高南低，西高东低，下辖4镇1街道2农场。君山区位于洞庭湖平原上，全区总面积62790 hm2，2019年耕地面积为26855.60 hm2，耕地资源丰富，土壤肥沃，是典型的农业生产大县，也是全国农产品加工示范基地(图1)。因此，研究该区域耕地质量及其空间分布特征具有一定的典型性和代表性。

1.2 数据来源

本文以岳阳市君山区为研究对象，研究的基础数据包括：(1)文本资料：君山区耕地分等参数调查表格、土地利用现状调查表、地形图、君山区土地利用规划(2006～2020年)、相关农业统计数据等；(2)数据库资料：2019年君山区耕地质量等别数据库、2019年君山区土地利用变更调查数据库、君山区土种图。

2 研究方法

2.1 耕地质量指数面积加权求和

本研究考虑到耕地图斑细碎，难以辨识耕地质量内部差异的缘故，故以村为评价单元，采用国家自然等指数、国家利用等指数、国家经济等指数与研究区范围内的耕地图斑进行面积加权求和[17]，汇总到村一级，计算各村耕地质量平均指数，揭示君山区耕地质量的空间分布特征以及空间差异性，计算公式如下：

(1)

式(1)中,Vi为第i个行政村的国家自然等指数平均值；Vij为第i个行政村中第j块耕地图斑的国家自然等指数；Sij代表第i个行政村中第j块耕地图斑面积。国家利用等指数、国家经济等指数平均值按照相同方法处理。

2.2 耕地集中度指数

耕地集中度指数是指耕地在空间分布上集中程度的测算指标，其值越大，表明耕地在空间分布上越集中，反之则越分散[18]。

(2)

式(2)中,C为研究区耕地集中度指数值；xi为第i个研究区耕地面积，S为研究区耕地总面积；n表示研究区个数。

2.3 空间自相关分析

空间自相关分析是研究地理实体之间关联性的重要方法与手段，其中全局空间自相关是对整个研究对象空间分布情况的描述，能够反映空间邻接单元属性值的相似程度[19]，本文采用Moran’s I指数来衡量全局空间自相关性，Moran’s I的计算见公式(3)：

(3)

(4)

局部空间自相关是反映微观空间单元及其邻域空间单元就某一属性值在局部空间上所呈现出的相关性程度[20]。计算公式为：

(5)

空间权重是进行空间自相关分析的基础与前提，用于度量空间单元之间的相互关联程度，因此选择适宜的空间权重对于结果分析是十分重要的。空间权重主要分为3类，即邻接关系、距离关系以及最近K点关系[21]，本研究通过对比分析，确定使用距离关系表示研究单元在空间位置上的邻接关系。

3 结果与分析

3.1 耕地质量空间分布特征

耕地质量是以耕地的自然质量等、耕地利用等、耕地经济等来具体体现，反映了耕地的自然状况、利用水平和经济水平[22]。由表1、图2可知，2019年君山区耕地国家自然等分布在1～2等地、8～10等地，其中8等地面积分布最广，占耕地总面积的48.22%，主要分布在钱粮湖镇、良心堡镇；其次为1等地，占耕地总面积的40.28%，主要分布在广兴洲镇；10等地分布最少，为1.2 hm2，全部位于许市镇。全区耕地国家利用等分布在1～4等和8～10等，共7个国家利用等。其中9等地面积最大，是君山区国家利用等的主体，占耕地总面积的39.17%，主要分布在建新农场；2等地与3等地占比相似，分别为20.39%和18.71%，主要分布在钱粮湖镇、广兴洲镇；10等地分布最少，为14.80 hm2。全区耕地国家经济等分布在5～8、10和11等，共6个国家经济等别。其中8等地分布面积最广，占耕地总面积的40.10%，主要分布在广兴洲镇和许市镇；11等地面积仅次于8等地，占耕地总面积的35.53%，有2个乡镇耕地面积大于2000 hm2，分别为钱粮湖镇和建新农场；5等地面积最小，为150.58 hm2，占耕地总面积的0.56%，主要分布在采桑湖镇。整体来看，君山区耕地自然状况和利用质量水平较好，经济水平相对较低。

表1 君山区耕地质量等别面积分布 hm2

从耕地面积分布来看，君山区耕地主要集中在钱粮湖镇、良心堡镇以及广兴洲镇，且耕地面积皆超过4000 hm2，其次为采桑湖镇以及许市镇，面积超过3000 hm2，耕地分布最少的为天井山林场、广兴洲镇，面积不足10 hm2。通过对耕地集中度指数计算，得出以乡镇为研究单元的君山区，其耕地集中度指数为36.84，而以行政村为研究尺度的君山区耕地集中度指数呈现出“东部高、西部低”的分布规律，由雷达图及其分布图可知，广兴洲渔场的耕地集中度指数最高，其次为天井山林场、西城办事处、许市镇等，良心堡镇最低，为22.57，从测算结果来看，大部分乡镇耕地集中度指数低于君山区耕地集中度指数，表明君山区各乡镇整体上耕地分布较为分散且存在一定的空间差异性(图3)。

3.2 耕地质量全局空间自相关分析

本研究利用ArcGis 10.2和Geoda软件，对君山区耕地质量等指数进行测算与分析(图4)。由耕地质量等指数莫兰散点图可知，2019年君山区国家自然等指数、国家利用等指数、国家经济等指数的Moran’s I指数分别为0.232、0.220和0.287，表明全区耕地质量在空间上均呈现出正相关性，并均通过显著性检验，但总体上空间相关性较弱。通过比较各类耕地质量等指数的莫兰指数值，其显著程度关系表现为村级国家经济等指数>村级国家自然等指数>村级国家利用等指数，说明君山区耕地质量国家经济等指数在空间分布上表现出的集聚性较强，变异性较弱，耕地质量国家自然等指数、国家利用等指数聚集性较弱，空间格局相对分散。

3.3 耕地质量局部空间自相关分析

3.3.1 国家自然等指数 由表2和图4可知，呈正相关的HH型与LL型的行政村，各有15个，占比均为11.45%；负相关类型HL型以及LH型各有2个和6个，分别占比1.53%和4.58%，非显著型有93个行政村，占比70.99%。HH型以组团状形式聚集在君山区北部地区，主要包括许市镇中部，广兴洲镇的北部与西部、采桑湖镇小部。该地区位于地势较为平坦、土壤肥沃的低山丘陵或平原地带，区域内土壤有机质含量高，有效土层深厚，灌溉水源充足，如广兴洲镇的团湖、许市镇的横垱湖、白浪湖、冷家湖、椒子湖、太阳湖、象牙湖等湖泊贯穿而过等，耕地自然条件优越；LL型主要呈片状分布在良心堡镇的南部、建新农场东南部，该区域主要以旱地为主，地形坡度大，水土流失较为严重，土壤有机质含量较低，地表岩石露头度相对较大，排灌条件较差，耕地适宜性不高；HL型则点状分布在广兴洲镇南部，LH型零散分布在钱粮湖镇中部、建新农场北部。

表2 君山区耕地质量指数局部空间自相关类型与行政村个数统计表

3.3.2 国家利用等指数 结合表2、图4，国家利用等指数呈空间正相关的HH型和LL型村级单元分别为15和6个，各占行政村个数的11.45%和4.58%；负相关类型的HL型行政村仅有1个，占比为0.76%，HL型有5个，占比为3.82%；非显著型行政村占到村总数的79.39%。国家利用等指数HH型与国家自然等指数HH型分布大致相同，该区域杭瑞高速、省道306穿插其中，交通便利，农村居民点分布集中且耕地集中连片分布，农户耕作距离较短，农田规模化和机械化程度高，农业设施较为齐全，耕地利用条件优越。LL型主要分布在建新农场东南部，该区域农村居民点分布离散，农业基础设施不完备，耕作力度不够，田间道路通达度较差，不利于田间耕作和管理，此外，该地区因靠近东洞庭湖与长江，土壤受到了河流的侵蚀，盐渍化现象较为严重，土壤养分易流失，导致耕地利用等指数偏低。负相关类型中HL型与LH型则零星分布在钱粮湖镇、广兴洲镇和建新农场。

3.3.3 国家经济等指数 结合表2、图4，正相关类型中HH、LL型各有22和19个行政村，分别占16.79%和14.50%；HL型与LH型行政村个数共占比9.16%；不显著型的行政村个数占59.54%。由国家经济等指数LISA聚类图可知，HH型主要分布于采桑湖大部、许市镇中部与北部以及广兴洲镇北部地区，该区域距离城镇较近，受城镇辐射带动作用强，道路通达度高，便于农产品运输与流通，此外农业基础设施配套完备，耕地的投入产出效益较好；LL型分布在建新农场大部以及柳州镇南部、西城办事处北部，该区域居民点分布较密集，受城市化进程的影响，大量优质耕地被城镇建设用地占用，耕地非农化现象较为普遍，致使耕地种植和耕作成本大幅提升，耕作经济效益积累缓慢，因而国家经济等指数相对较低。国家经济等指数LH型与国家利用等指数LH型在空间分布上大致一致，零星分布在钱粮湖镇中部以及广兴洲镇、建新农场的北部；HL型团状分布在西城办事处南部。

3.4 耕地质量保护分区

本研究基于耕地质量等别成果、局部空间自相关分析以及结合君山区实际情况，将其耕地保护划分为4种类型：核心保护区、结构调整区、质量提升区和非农建设理想区(图5)。HH型是耕地质量指数高值集聚区，耕地质量优渥，应重点保护，禁止非农占用，故划为核心保护区；HL型与LH型耕地，易受到空间极化效应的影响，故划到土地整治区，进行综合治理；LL型与HH型情况相反，耕地质量差，在保证粮食产量的基础上，可适当进行开发，故划为非农建设理想区；NN型在空间上随机分布，应根据当地实际情况，因地制宜提出保护措施，划为农业结构调整区。

核心保护区：该区涉及29个行政村，主要分布采桑湖镇大部、许市镇与广兴洲镇中部，所占面积为8047.08 hm2。该区域地势平坦，水源充足，耕层质地以砂壤和重壤为主，质地构型以夹层型和上松下紧为主，耕地连片程度高，农业基础设施完善，耕地自然和利用条件好，同时该区域因S202、S306、杭瑞高速、X072穿插其中，交通便利，区位条件好。因此，对于核心保护区的耕地应实行最严格的耕地保护制度和建设用途管制，禁止非农建设，并在维持现有耕地质量的基础上，继续强化对耕地的保护，提高耕地的生产能力和利用效率，使农业朝向规模化和现代化的方向发展。

土地整治区：该区涉及14个行政村，主要分布西城办事处南部、建新农场西北部、广兴洲镇北部与南部以及钱粮湖镇小部，所占面积为2075.30 hm2。该区高质量耕地与低质量耕地交错分布，应重点保护高质量耕地，积极改善低质量耕地，防止高质量耕地受空间极化效应影响。因此，需对该部分耕地进行综合整治，改善农业生产条件，提高农民对耕地的可持续利用以及治理水平，保障粮食安全。如加强农业基础设施建设资金投入，逐渐完善区域灌排系统，同时对耕地增施有机肥，进行秸秆还田，提高土壤肥力；对村民进行土肥技术培训并加大测土配方施肥的宣传力度，增强农民群众用地养地科学意识。

非农建设理想区：该区涉及28个行政村，主要分布在良心堡镇南部、建新农场东南部以及西城办事处北部地区，所占面积为4681.82 hm2。该区主要以旱地为主，土壤有机质含量较低，耕层质地以黏土为主，质地构型主要为紧实型，农田水利等灌溉排水条件差，此外该部分耕地因靠近城区，虽交通和区位条件较好，但也因受到城市化进程的影响，大量优质耕地被占用，导致耕地质量整体呈下降趋势，耕地保护压力较大。对于该部分耕地需根据区域实际发展情况进行合理规划。一方面，如靠近城区且耕地质量差的耕地，可结合君山区城市经济发展规划以及土地利用规划等，适当进行开发建设，调整土地利用结构，处理好耕地保护与城市经济发展之间的矛盾与冲突；对于受到工业发展而被污染的耕地，需加大农田的修复力度，提升土壤养分。另一方面，结合城乡接合部的特征，充分利用区位优势，延长产业链，发展观光、生态旅游以及休闲娱乐等现代化农业。

农业结构调整区：该区涉及60个行政村，所占面积最大，为12051.40 hm2，主要分布在良心堡镇北部、钱粮湖镇西北、东南部、许市镇西北、东北部、广兴洲镇南部以及柳林州镇大部。对于农业结构调整区的耕地应因地制宜采取综合措施，可从耕地自然、利用、经济效益方面着手，深度挖掘耕地的利用潜力，充分发挥区域比较优势，形成“一乡一业”“一村一品”的特色农业经济体系。例如广兴洲镇的和兴村、柳林洲镇的新洲村，蔬菜、葡萄种植业较为发达，为此可依托本村有利的地理位置，培育自己的优势产业，形成规模经济；钱粮湖镇龙虾产业兴盛，应以洞庭湖沿湖大堤为核心，打造生态龙虾旅游公园，大力发展乡村观光旅游和乡村生态旅游；许市镇林业资源丰富，可发展果林业，如种植桃、李、脐橙、柑桔、西瓜等。

4 结论与讨论

本研究以君山区耕地质量等别成果为基础，运用面积加权求和、耕地集中度指数法以及空间自相关分析法，分析了君山区耕地质量空间分布特征与规律，并以此提出耕地分区保护方案，得出以下结论。

(1)君山区大部分耕地的国家自然等别在空间分布上以1等和8等为主，主要分布在广兴洲镇、钱粮湖镇以及良心堡镇；国家利用等别以9等为主，主要分布在建新农场和钱粮湖镇；国家经济等别以8等、11等为主，主要分布在广兴洲镇、钱粮湖镇。

(2)2019年君山区耕地质量各指数集聚显著程度表现为国家经济等指数>国家自然等指数>国家经济等指数，且Moran’s I均大于0.2，表明君山区耕地质量在空间上呈正相关集聚。而局部空间自相关表明，君山区大部分村级耕地质量指数表现为非显著性，耕地质量国家自然等指数、国家利用等指数、国家经济等指数在空间位置上的分布具有较大的相似性，其中正相关HH型主要呈团状分布在许市镇和广兴洲镇中部，LL型则分布在建新农场与柳林洲镇交界处；负相关HL、LH型耕地则零星分布在各镇。

(3)根据对耕地质量等别以及空间自相关的分析，将君山区耕地划为核心保护区、土地整治区、非农建设理想区以及农业结构调整区4类，并结合君山区自然、经济以及区位条件因地制宜地提出保护措施，通过发挥地区优势，为耕地精细化、差别化管理提供了新的思路。

本文对君山区耕地质量空间格局研究以某一时间点进行探讨，没有从多个时间跨度考虑，因此，今后的研究需要收集更多资料，研究耕地质量在不同时空维度下的变化情况。