基于空间自相关的长沙市耕地保护分区研究

范双云，夏琪琪，胡耀躲，邓楚雄

（1.长沙永信土地规划咨询有限责任公司，湖南 长沙 410000；2.湖南师范大学 地理科学学院，湖南 长沙 410081）

耕地是人类赖以生存和发展的物质基础[1-4]。随着新型城镇化建设的加快和部分区域耕地的不合理利用，耕地保护与区域发展的矛盾更加突出。因此，了解区域耕地的数量、质量和生态集聚特征，并以此进行差异化的保护尤为重要。以长沙市为例，构建耕地数量、质量和生态三位一体的指标，借助空间自相关的分析方法，分析长沙市耕地的数量、质量和生态集聚特征，明确耕地保护分区及保护重点[5]，以期为自然资源主管部门制定耕地保护政策提供参考。

1 研究区概况与数据

1.1 研究区概况

研究区土地总面积11 819 km2。区域内地形起伏小，是典型的丘陵地区。区域水系完整，河网密布，坑塘众多，耕作条件相对较好。

1.2 数据来源

采用的数据时间节点为2018年,耕地数据来源于区域土地利用现状数据和耕地质量等别年度更新评价成果。

1.3 研究尺度

在研究尺度上选择了最适宜耕地可持续发展和保护的中等尺度。具体而言，本文选择了长沙市下辖的1 247个行政村（社区）作为空间单元，以行政村（社区）作为研究尺度。

2 研究指标与方法

2.1 耕地数量指标

本研究数量指标采用耕地密度指标。其公式为：

式中：Dio，Sio和Si分别表示第i个村（社区）的耕地密度、耕地面积和土地面积。采用ArcGIS软件分析区域土地利用现状数据，获取研究区域耕地密度数据。

2.2 耕地质量指标

本研究耕地质量指标采用耕地综合质量指数。具体公式如下：

式中：Rj，Rij和Sij分别表示第j个村（社区）的耕地综合质量指数、第i块图斑的耕地等别和第i块图斑的面积。采用ArcGIS软件分析区域土地利用现状数据和耕地质量等别年度更新评价成果，可获取研究区域耕地质量数据。

2.3 耕地生态指标

本研究生态指标采用景观生态安全指数。具体公式如下：

式中：V和ES分别代表景观脆弱度和景观生态安全指数；A，F，D，P和ED分别代表面积加权平均形状因子、分维度、分离度、景观被分割的破碎程度和边界破碎度。α，β和γ为因子的权重，本研究借鉴钱凤魁等学者[6-7]的研究综合确定α，β和γ分别为0.54，0.30和0.16。耕地生态数据具体可通过对耕地现状数据进行空间分析后获取。

2.4 空间自相关分析法

空间自相关分为全局和局部自相关。具体公式如下：

式中：xi和xj分别为在第i和j个空间的属性；n，u，Wij和So分别为样本数、平均值、空间权重矩阵和全部权重之和。同时考虑本研究重点是分析空间单元与附近单元的空间特征，而不考虑空间单元与附近单元的距离，因此， 在确定空间自相关的空间权重时采用最近k点关系法（k=6）。

根据研究空间单元与邻接关系内空间单元的Moran’s I 值平均数的关系，明确高值属性和低值属性区域。若研究空间单元的Moran’s I 值平均数高，则明确为高值属性区域，反之则为低值属性区域。

表1 空间自相关分析类型划分表Table 1 Classification of spatial autocorrelation analysis types

3 结果与分析

3.1 耕地的空间分布

在耕地数量分布上，长沙市西部和北部地区耕地数量普遍高于中部、东部和南部地区，耕地主要集中在宁乡市、望城区西部、长沙县东部等地，中部地区耕地相对较少。在耕地质量分布上，长沙市的西部、北部耕地质量明显高于中部及东部地区。耕地综合质量指数较高的地区主要集中在宁乡市、望城区和岳麓区等地区，而浏阳市耕地质量整体偏低。在耕地生态的空间分布上，高值区域和低值区域空间分布明显，总体来说中部及东部地区景观生态安全性低于周边地区，耕地景观生态安全指数较高的地区主要集中在宁乡市和长沙县等长沙市中心城区周边区域，长沙市中心城区内及浏阳市耕地景观生态安全指数整体较低。

3.2 耕地的空间自相关分析

3.2.1 全局自相关分析

根据耕地全局自相关分析结果，如表2和图1所示，长沙市耕地数量、耕地质量和耕地生态指数的Moran’sI均为正，表明长沙市耕地数量、质量和生态在空间上均存在正相关性。

图1 长沙市耕地全局自相关分析散点图Fig.1 Scatter diagram of global spatial autocorrelation analysis of cultivated land in Changsha

表2 长沙市耕地全局自相关分析结果Table 2 Results of global spatial autocorrelation analysis of cultivated land in Changsha

3.2.2 局部自相关分析

根据耕地局部自相关分析结果，长沙市耕地数量和质量空间正相关区域较多，集聚性显著，耕地生态空间无明显的空间分布特征。具体见表3。

表3 长沙市耕地局部自相关分析结果Table 3 Results of local spatial autocorrelation analysis of cultivated land in Changsha

3.3 基于空间自相关的耕地保护分区

通过将耕地数量、耕地质量和耕地生态的空间自相关分析结果进行叠加分析，发现负相关类型（HL型和LH型）区域在空间聚类结果中占据的区域数量较少，且多分布于HH区域和LL区域周边，因此不纳入本研究分区考虑。在此基础上依据H型、L型和非显著型的不同排列组合方式，同时将笔者研究的长沙市城镇开发建设潜力区域图中潜力面积占行政村（社区）面积比重超过30%的行政村（社区）予以剔除，得到长沙市耕地保护分区结果，涉及718个行政村（社区），总面积为9 530.60 km2，共分为4个一级区和8个二级区，具体见表4、图2和图3。

表4 基于空间自相关的长沙市耕地保护分区Table 4 Zoning of cultivated land protection based on spatial autocorrelation in Changsha

图2 长沙市耕地保护一级分区图Fig.2 The first-level protection zones of cultivated land in Changsha

图3 长沙市耕地保护二级分区图Fig.3 The second-level protection zones of cultivated land in Changsha

3.3.1 重要保护区

本文将H型与非显著型的组合类型划为重要保护区，涉及296个行政村单元。其中耕地面积891.76 km2，约占研究区耕地面积的51.50%。重要保护区连片分布在长沙西部和中部，在耕地数量、质量和生态方面都具有较强的优势，且形成了空间集聚效应。根据耕地数量、质量和生态条件的集聚类型中H型与非显著型的组合，重要保护区划分为核心保护区、重点保护区、侧重保护区3个二级区。

（1）核心保护区是耕地数量、质量和生态的集聚类型均为H型的区域，涉及8个行政村。其中耕地面积27.00 km2，约占研究区耕地面积的1.56%。区域内耕地数量、质量和生态都表现出高值集聚特征，因此是耕地保护的核心区域。该区域应重点加强耕地管护工作，禁止非农建设；同时考虑核心保护区内耕地占比较大和农业设施健全等因素，也应是建设高标准农田的首选，以强化扩散效应。

（2）重点保护区是耕地数量、质量和生态的集聚类型中有2种是H型、另外1种是非显著型的区域，包括123个行政村单元。其中耕地面积406.66 km2，约占研究区耕地面积的23.49%。考虑该区域在某种属性上未表现出空间集聚性，可针对该属性采取积极的保护措施以提升其空间集聚性。

（3）侧重保护区是耕地数量、质量和生态的集聚类型中有1种是H型、另外2种是非显著型的区域，包括165个行政村单元。其中耕地面积458.10 km2，约占研究区范围耕地面积的26.46%。该区域应侧重保护耕地优势属性，并通过工程措施改进耕地非显著型属性，使其向重点保护区和核心保护区发展。

3.3.2 积极保护区

本文将H型、L型与非显著型的组合类型划为积极保护区，呈零散点状分布在重要保护区周边，共涉及4个行政村单元。其中耕地面积32.04 km2，约占研究区范围耕地面积的1.85%。根据耕地数量、质量和生态条件的集聚类型中H型、L型与非显著型的组合，将积极保护区划分为潜力保护区和适度保护区2个二级保护区。

（1）潜力保护区包括1个行政村单元，耕地面积27.00 km2，约占研究区耕地面积的1.56%。区域内耕地具有2种高值集聚的属性和1种低值集聚的属性，而影响其发展的限制因素就是表现为低值集聚特征的属性。该区域内耕地应加强重点管护工作，重视该区域耕地的提升潜力。

（2）适度保护区包括3个行政村单元，耕地面积5.04 km2，约占研究区耕地面积的0.29%，区域内耕地具有一种高值集聚的属性、一种低值集聚的属性和一种没有集聚特征的离散分布的属性。本区域应针对优势属性进行重点保护，并发挥外部性影响非显著型属性，尽量保障非显著型属性受到L型属性的影响，使其向潜力保护区和重点保护区发展。

3.3.3 调控保护区

本文将耕地数量、质量和生态的空间集聚特征均表现为非显著型的区域划为调控保护区，涉及369个行政村。其中耕地面积777.32 km2，约占研究区耕地面积的44.89%，集中分布于浏阳市、长沙县东北部、岳麓区西部和宁乡市西部等地。该区域大多位于重要保护区与一般保护区的中间地带，相邻区域间耕地水平具有一定差异。未来应在其他类型保护区进行保护或整治的同时，监测其变化，促进其向重点保护区转变，以提高长沙耕地的整体水平。另外可适当采取农业结构调整的方式，以发挥耕地的比较优势[8]。

3.3.4 一般保护区

本文将L型与非显著型的组合类型划为一般保护区，共包括49个行政村单元。其中耕地面积30.36 km2，约占研究区耕地面积的1.75%，在宁乡市黄材镇、浏阳市中部及东北部呈片状分布。该区域在耕地数量、质量和生态方面都低于平均水平，且这种劣势形成了空间集聚效应，在耕地保护上受到诸多影响因素的限制，对耕地保护的意义不大，是耕地整治与改良的重点对象。根据耕地数量、质量和生态条件的集聚类型中L型与非显著型的组合，将一般保护区划分为一般整治区、侧重改良区2个二级保护区。

（1）一般整治区包括11个行政村单元，耕地面积3.19 km2，约占研究区耕地面积的0.18%，耕地数量、质量和生态3种属性中有2种属性显示出低值集聚。区内耕地较少，耕地质量较差，农业设施不健全，生态脆弱，是耕地中难以整治的区域。该区域应采取有效的整治手段，改善耕地的利用方式，提升耕地地力或者考虑适当调整为非农用地。同时也应关注非显著型属性，防止耕地条件进一步退化。

（2）侧重改良区包括38个行政村单元，耕地面积27.17 km2，约占研究区耕地面积的1.57%，该类区域的耕地在数量、质量和生态中的某一方面表现出低值集聚的空间特征。该区域应针对劣势属性进行改良。另外因该区域靠近一般整治区，具有与一般整治区较为相似的自然条件和生态环境，易受到负面的外部性影响，缺乏因地制宜的管护，因此，应采取侧重改良与宏观调控相结合的方式进行保护。

4 结论

本文通过运用空间自相关分析法对耕地的数量、质量和生态特征进行挖掘，并明确了长沙市耕地保护分区及保护重点。

在耕地数量分布上，长沙市耕地密度较高的地区主要集中在宁乡市、望城区西部、长沙县东部等地区。在耕地质量分布上，耕地综合质量指数较高的地区主要集中在宁乡市、望城区、岳麓区等地区。在耕地生态的空间分布上，耕地景观生态安全指数较高的地区主要集中在宁乡市和长沙县等长沙市中心城区周边区域。总体上看，长沙市宁乡市、长沙县、望城区及岳麓区等区域是耕地保护的重点区域。

根据对耕地数量、质量和生态空间自相关分析，长沙市耕地数量集聚性显著，高密度集聚区主要在宁乡市，是长沙最主要的农业发展区。低密度集聚区主要是在长沙市中心城区呈片状分布。长沙中部耕地质量的集聚特征相对显著，产生正相关类型的区域较多，耕地质量空间集聚整体呈“西优东劣”分布格局。长沙耕地生态的集聚特征较呈离散片状分布，耕地景观生态安全指数集聚性较低，无明显的空间分布格局。

针对耕地数量、质量及生态集聚类型的组合，综合确定将长沙市耕地保护区域共分为重要保护区、积极保护区、调控保护区和一般保护区4类一级区和8类二级区，并制定差异化的保护方案[9]，为自然资源主管部门制定三位一体的耕地保护政策提供参考。

对耕地现状情况的分析采用自然断点法分级，断点的区别可能直接影响耕地数量、质量及生态的分布特征；同时耕地图斑的质量评定采用耕地综合质量指数，可能无法全面反映影响耕地质量的土壤条件、立地条件和生态条件的变化情况：以上因素在一定程度上影响了耕地保护分区的结果。如何提高耕地保护分区的科学性，还需要进一步实践与探索。