基于国家耕地质量等别指数和空间自相关的苏北地区耕地保护分区

林彤，高建岗，王亚华

（1.南京师范大学地理科学学院，南京 210023；2.重庆市勘测院，重庆 401121）

我国历来重视耕地的利用与保护，“十分珍惜、合理利用土地，切实保护耕地”是我国的基本国策[1]。耕地质量是自然、经济、区位等多种因素综合作用的结果，是保障国家农业生产安全和社会经济和谐的重要基石[2]。2021 年中央“一号文件”提出要落实最严格的耕地保护制度，进一步明确耕地质量保护的重要性。但随着城市化的快速推进，环境恶化、用地失衡、耕地质量下降等问题也日益凸显，耕地空间分异显著等问题亟待解决。因此，开展耕地质量空间分布特征分析，研究耕地质量空间分异规律，可为耕地质量差异化保护、国土空间规划编制提供参考。

国内外学者主要对耕地质量指标体系[3−4]、评价[5−6]、尺度[7−8]、时空分异[9−10]、潜力提升[11−13]、时空演变[14−15]等方面进行了深入探索。关瑜等[16]通过搭建耕地三维评价体系框架，利用热点分析等方法分析耕地质量三维空间关联效应，提出耕地利用分区措施。李子杰等[17]基于太湖县耕地等级评价结果，通过时间序列方法和空间自相关解译了耕地质量空间格局。杨君等[18]通过布设岳阳楼区采样点，基于地块微观尺度，采用LISA 和聚类分析方法探究岳阳楼区耕地质量动态演变分析及积聚性特征，并制定耕地空间保护分区措施。李志芳等[19]采用空间转换和LISA 分析探究耕地质量集聚规律，并制定相应的分区保护措施。刘慧芳等[20]从晋中市村级微观尺度出发，采用空间自相关、地理探测器等分析耕地质量要素聚类特征及其影响机制。史云扬等[21]通过构建“三资”多维耕地质量评价体系，研讨了耕地质量属性内涵，运用局部空间自相关方法分析了寻甸县“三资”维度下空间分异格局。杨慧等[22]通过多维尺度研究陕西省耕地质量等别结构特征，并分析了耕地资源本底要素之间的关系。综上，国内外关于耕地质量的评价方法与指标体系建立的相关研究成果较为丰富，并且学者们从空间分异角度探究了研究对象的异质性。传统的研究分析方法很难定量反映耕地质量的空间差异性及演变规律，文献中从空间聚类角度分析耕地质量异质性的研究较少，且先前的研究往往忽略了耕地质量内部之间的差异，难以深入探讨耕地质量空间分异机制。

鉴于此，本研究基于市县级尺度视角，以苏北地区所属各市县为研究区域，将2020 年度耕地质量三类等别指数作为空间变量，探讨苏北地区市县尺度下耕地质量空间布局及趋势分布，并采用空间聚类法判别苏北地区分区保护优先级，划定基于空间集聚与异质性的分类保护区，以期为国土空间规划编制、耕地差异化管理和质量提升提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

苏北地区位于江苏省北部（北纬31°09′～31°41′、东经119°08′～119°36′），包含徐州、淮安、盐城、宿迁和连云港5 个地级市（图1），下辖37 个县（市、区），总面积5.48 万km2，是我国沿海经济带的重要组成部分。苏北地区地势以平原为主，属温带季风气候，光温水热资源充足，河流湖泊众多。苏北地区作为江苏省重要的粮食主产区域，是中国重要的“粮仓”和“鱼米之乡”。

图1 苏北地区行政区划示意图Figure 1 Administrative divisions of northern Jiangsu

1.2 数据来源

数据来源主要包含苏北地区2020 年度耕地质量等别更新数据库、土地利用现状调查数据库、国土空间规划数据库、“三调”成果数据库，均来自江苏省自然资源厅；遥感影像与高程数据（0.3 m 分辨率）来源于地理空间数据云网站。

本研究首先匹配校正遥感影像与耕地质量等别数据库坐标系，两者均采用2000 国家大地坐标系；其次，通过数据清洗、挂接、验证检查等，提取耕地质量分析单元数据，采用面积加权法转换耕地质量地类赋值，通过趋势面分析研究区域内耕地质量空间分布。

1.3 研究方法

1.3.1 面积加权平均法

以苏北地区市县尺度为研究单元，综合考虑耕地资源的自然禀赋、治理水平、经济条件、要素功能等特性，采用面积加权平均法对市县区域耕地质量分类别指数进行加权空间平衡转换。具体公式如下：

式中：Ri为第i个县域耕地质量指数值；Rij和Sij分别为第i个县域中第j块图斑的耕地质量指数和图斑面积；i和j分别为行政村和图斑序号；n为图斑总个数。

1.3.2 空间自相关

空间自相关描述的是研究区域内测算单元属性与周围测算单元内空间要素的依赖程度，采用Moran′sI指数来判断区域内要素整体性的聚散程度[23]，可表达为：

式中：n代表研究对象的个数；表示空间单元属性值的平均值；xi和xj分别表示空间单元i和j的属性值；Wij为空间邻接矩阵，表示空间单元i和j之间的邻接关系，当i和j相邻时，Wij为1，不相邻时则为0。

局部空间自相关用于分析空间某要素与相邻要素的相关程度，表征其在内部空间及邻域范围内的聚集状态，为后期的耕地利用分区工作提供依据。局部空间自相关分析用局域莫兰指数Local Moran′sI表示，其计算公式如下：

式中：Ii为正值表示该空间单元与邻近单元的属性值近似，Ii为负值表示该空间单元与邻近单元的属性值差异较大。

2 结果与分析

2.1 耕地质量空间分布特征

基于聚类分析与趋势性分析研究，得到苏北区域耕地质量市县分布特征，如图2 所示。苏北地区市县尺度下耕地自然等别较为集中，主要以中等地为主，低等地有少量分布。根据苏北地区农用地分等参数，苏北地区标准耕作制度分区属于江淮平原区，在熟制上以一年两熟为主，将水稻作为苏北地区的基准作物，指定作物为水稻、小麦、玉米。其中，苏北地区指定作物水稻、小麦、玉米光温生产潜力指数分别为1 594、869、2 175，指定作物水稻、小麦、玉米产量比系数分别为1、1.3、0.94。苏北全域耕地自然等别在5～7等之间，以6 等地为主。高等别耕地集中分布于苏北地区的西北部和东北部，即海州区、沛县、铜山县、灌云县等地，耕地条件良好，产量较高。低等别耕地分布于南部区域，主要位于淮安市和盐城市的县级市。总体上，苏北地区耕地自然等呈现由北向南逐渐递减的变化趋势，在东西方向呈现倒“U”形的变化趋势，先逐渐上升后逐渐下降。

图2 苏北地区耕地质量等别空间分布Figure 2 Spatial distribution of cultivated land quality grades in northern Jiangsu

苏北地区耕地利用等指数在市县行政尺度上主要为5～8 等，以6 等地为主。土地利用系数用来衡量补充地块所处区域自然生产潜力平均发挥水平及潜力的利用率，反映的是耕地在自然状态下的平均生产力。运用ArcGIS 软件，参考修正因素的获取和量化方法对等值区间进行修正，按照分等单元计算各单元的因素分值，重新确定权重，通过土地利用系数修正方法对原有土地利用系数进行修正，得到各评价单元修正因素的分值。低利用等指数零星分散在泗洪县、淮阴区、射阳县等地。高等别指数分布于铜山县、灌云县、东海县和淮安区等地，这些区域基础设施、农地整治技术、利用水平较强。总体上，苏北地区耕地利用等呈现由北向南逐级递减的趋势。

苏北地区耕地经济等指数在市县行政尺度上主要为6～9 等，以7 等和8 等地为主。高等别主要分布在东北部的东海县和灌云县、南部的大丰市和淮安区；低等别耕地分布在泗洪县、淮阴区、东台市和射阳县等地。总体上，苏北地区耕地经济等在东西方向上呈现出倒“U”形的趋势，先逐渐上升后逐渐下降，南北方向上无明显变化趋势。

2.2 耕地质量全局空间自相关分析

通过Rook 邻接原则构造空间权重，采用Open GeoDa 分析苏北地区耕地质量要素单元全局空间自相关，分析市县行政尺度下3 类指数的空间关联程度，结果见表1。

表1 苏北地区耕地质量指数Moran′s I值Table 1 Moran′s I value of cultivated land quality index in northern Jiangsu

由表1 可知，苏北地区耕地国家自然等、国家利用等、国家经济等的Moran′sI值分别为0.357、0.389、0.349，均大于0.2，且显著性检验P值均为0.001，明显小于显著性水平0.05。从全局Moran′sI值来看，国家利用等>国家自然等>国家经济等，表明苏北地区耕地质量在市县尺度呈现较强的聚集趋势。

2.3 耕地质量局部空间自相关分析

为了进一步分析耕地质量集聚程度，采用Open GeoDa软件对苏北地区3类耕地等别进行局部空间自相关分析，表2 为市县行政尺度下3 类耕地质量指数局部空间自相关类型与市县数量统计，图3 为苏北地区耕地质量指数局部空间集聚图。

表2 苏北地区耕地质量指数局部空间自相关类型与市县数量统计Table 2 Local spatial autocorrelation types and quantitative statistics of cultivated land quality index in northern Jiangsu

图3 苏北地区耕地质量指数局部空间自相关（LISA）集聚图Figure 3 Local spatial autocorrelation（LISA）clustering map of cultivated land quality index in northern Jiangsu

（1）耕地质量国家自然等

根据表2与图3a可知，以市县为研究单元，HH型和LL 型分别包含5、2 个市县，占苏北地区市县的18.9%，LH 型和HL 型分别包含3、1 个市县，占苏北地区市县的10.8%，NN型包含26个市县区域，占苏北地区总数的70.3%。自然等指数LISA 分析中正相关类型高于负相关类型，且正相关类型聚合特性较强。负相关类型呈现零散分布。

其中，HH 型呈组团状集聚分布，主要分布在赣榆区、东海县、海州区、灌云县、连云区等地，HH 型区域地势较为平缓，土壤肥力较高，自然条件较好，道路通达度高。LL 型主要以片状形式分布，包含洪泽区、清江浦区等区域。LH和HL型呈零星分布，主要包含丰县、沭阳县、响水县、淮阴区等地区。

（2）耕地质量国家利用等

根据表2 与图3b 可知，以市县为研究单元，HH型和LL 型分别包含6、3 个市县，占苏北地区市县的24.3%，LH 型和HL 型分别各包含2 个市县，占苏北地区市县的10.8%，NN型包含24个市县区域，占苏北地区总数的64.9%。利用等指数LISA 分析中正相关类型高于负相关类型，且正相关类型聚合特性较强。负相关类型呈现零散分布。

其中，HH 型呈组团状集聚分布，包括丰县、东海县、海州区、连云区、灌云县、赣榆区等地区，HH 型区域耕地利用条件良好，机械化程度较高，生产便利，便于耕作和管理。LL 型则聚集在泉山区、鼓楼区、云龙区等地区，LL 型区域地形起伏大，耕地破碎化程度较高，利用条件较差，不利于农业生产和发展。LH 型零散分布于沭阳县和响水县。HL型分布在铜山区和淮阴区，管理水平有待进一步提高。

（3）耕地质量国家经济等

根据表2与图3c可知，以市县为研究单元，HH型和LL 型分别包含4、3 个市县，占苏北地区市县的18.9%，LH 型和HL 型分别包含2、1 个市县，占苏北地区市县的8.1%，NN 型包含27 个市县区域，占苏北地区总数的73.0%。

其中，HH 型通过组团状集聚分布，主要分布在东海县、海州区、连云区、灌云县等地，HH 型区域积极调整农业生产方式，道路通达度高，耕地投入产出较高，发展农业规模化建设，经济效益也随之提高。LL 型主要以片状形式分布，主要分布在鼓楼区、泉山区和云龙区等区域。LH和HL型呈零星分布，主要包含铜山区、赣榆区和沭阳县。

今年71岁的芦廷元，是一名退离休党员干部，四十三年前的现在，他正是一名风华正茂刚走出学校门的青年。一个偶然的机会，他跟随一个回老家探亲的亲戚来新疆游玩，那时正是国家三年自然灾害的最后年头，看到兵团的农场一派生机盎然的景象，平整的条田，笔直的林带，四通八达的道路，机械化生产的模式，给他留下了深刻印象，他当时就产生了留疆的念头，而后被分配到农四团八连工作。

2.4 耕地保护分区

根据空间极化理论，聚集分布和离散分布在空间极化过程中呈现出明显特征。根据县级耕地质量等别指数局部空间自相关LISA 分析，构建耕地质量保护分区规则体系（表3）。根据LISA 多维度集聚类型组合特征，对苏北地区进行耕地保护分区，划分为核心保护区、质量提升区、综合改良区、结构调整区4 类保护分区（图4），并提出对应的分区保护措施。

表3 基于局部空间自相关类型组合的苏北耕地综合质量分区Table 3 Partition of comprehensive quality of cultivated land in northern Jiangsu based on the combination of local spatial autocorrelation types

图4 苏北地区耕地保护分区Figure 4 Cultivated land protection zone in northern Jiangsu

HH 型为高质量集聚度范围，应划为核心保护区，强化其对周边耕地的辐射效应。LL 型为低质量集聚度范围，应划为综合改良区，改善农业生产条件，提高生产功能。HL 型和LH 型高等地与低等地交织环绕，应划为质量提升区，通过重点改良举措，避免低质量耕地进行非农建设，使其转化为高质量耕地。NN型无明显集聚性分布特征，应划为结构调整区，因地制宜，加强土地整理，采取综合性调整措施，优化耕地空间布局，提高粮食产量。

（1）核心保护区

基于局部空间自相关类型分类规则，苏北地区核心保护区以6、7 等地为主，主要分布在赣榆区、灌云县及周边区域。该区域高质量耕地聚集分布，自然禀赋较高，地势较为平坦、临近水源，土壤肥沃，耕地破碎化程度较低。同时，该区域拥有完善的道路体系，基础设施齐全，耕地利用条件较好，应继续加强耕地保护，优化种植模式，建设耕地质量动态监测系统，强化其对周边耕地的辐射效应。

（2）质量提升区

基于局部空间自相关类型分类规则，苏北地区质量提升区以5、6 等地为主，主要分布在丰县、铜山区、沭阳县、响水县和淮阴区。该区域高等地与低等地交织环绕、或高等地覆盖低等地，应重点保护高质量耕地；同时对低质量地块进行土地整治，完善土地整治优化措施，提升低质量耕地产出率，在生态资源较好的区域发展现代生态农业；通过重点改良举措，避免低质量耕地开展非农建设，使其转化为高质量耕地。

（3）综合改良区

基于局部空间自相关类型分类规则，苏北地区综合改良区以4、5 等地为主，主要分布在邳州市−盱眙县沿线、灌南县−东台市沿线。综合改良区需结合农业发展布局，对低等耕地地块进行土地整治，完善农业基础配套设施，改善农业生产条件，提高生产功能；突出区域传统产业与特色产业，增加农产品生产与供应，满足多元化发展需求，实现增产增收，提高耕地质量。盱眙县等丘陵山区可发展薄壳山核桃等特色种植业；涟水县可适当发展芦笋种植业。

（4）结构调整区

结构调整区主要分布在鼓楼区、泉山区、云龙区、洪泽区、清江浦区。苏北地区结构调整区耕地质量LISA 关系无明显集聚性分布特征，空间格局表现为随机分布。结构调整区耕地自然资源投入产出相对较差，应根据苏北地区结构调整区的现状发展情况，因地制宜，加强土地整理，采取结构调整措施，优化耕地空间布局，提高粮食产量。同时，对于泉山区等生态农业示范区的耕地，可加强生态农业品牌建设，发展优势生态农业产业，同时逐步拓展生态旅游模式。

3 讨论

本研究以苏北地区市县尺度的耕地质量等别指数为空间变量，借助ArcGIS、Open Geoda 等软件，运用趋势性分析方法解析了苏北地区耕地质量空间布局及趋势分布。通过空间LISA 自相关分析，揭示了苏北地区耕地质量的空间分异特征，划定苏北地区基于空间集聚与异质性的分类保护区，制定符合实际的分区保护模式。

本研究仍存在不足之处，将从以下方面进行改进：

（1）深入挖掘耕地质量各指标之间的空间分异规律，以进一步探析空间分异影响机制。

（2）深入探究多尺度耕地质量空间自相关性，基于市县、乡镇、村级尺度探究耕地质量空间分异特征，基于宏观和微观尺度研究耕地质量空间集聚规律。

4 结论

（1）苏北地区市县尺度下耕地自然等别分布较为集中，以中等地为主。自然等指数呈现由北向南逐渐递减的变化趋势，在东西方向呈现倒“U”形的变化趋势，先逐渐上升后逐渐下降。利用等指数呈现由北向南逐级递减趋势。经济等指数在东西方向上呈现倒“U”形的变化趋势，先逐渐上升后逐渐下降，南北方向上无明显变化趋势。

（2）苏北地区耕地国家自然等、国家利用等、国家经济等的Moran′sI值分别为0.357、0.389、0.349，表明苏北地区耕地质量在市县尺度呈现较强的聚集趋势。受投入产出等经济条件的影响，人类活动对苏北地区耕地经济质量影响空间差异明显。苏北地势以平原为主，土地利用程度较高，其耕地利用质量和自然质量空间分异明显，且空间关联度较强。

（3）苏北地区耕地质量指数LISA 分析中正相关类型高于负相关类型，且正相关类型聚集性较强，负相关类型呈现零散分布。高−高型通过组团状集聚分布，低−低型主要以片状、条带状形式分布，低−高和高−低型呈零星分布。根据LISA 多维度集聚类型组合特征，苏北地区耕地可划分为核心保护区、质量提升区、综合改良区、结构调整区4 类保护分区，并实施对应的分区保护措施。