福建省耕地質量空間自相關分析與耕地保護分區*

楊荔陽，易志輝，林 斌，徐偉銘，王成軍

(1.莆田市國土資源信息中心，福建莆田 351100； 2.福建省國土資源廳信息中心，福州 350002； 3.福州大學福建省空間信息工程研究中心地理空間信息技術國家地方聯合工程研究中心空間數據挖掘與信息共享教育部重點實驗室，福建福州 350108)

0 引言

耕地作為解決“三農”問題的基礎資源，是保障糧食安全以及區域生態安全與改善人居環境的基礎要素，對耕地的保護對保障區域可持續發展具有重要意義[1-2]。隨著經濟的快速增長，我國的耕地資源急劇減少，為保障耕地資源的合理利用，國家實行最嚴格的耕地保護制度，但耕地總量持續快速減少的趨勢并未得到有效遏制，有限的耕地資源仍然被不斷向其他用途轉移，未來的耕地形勢不容樂觀[3-4]。通常所理解的耕地保護是通過一系列手段來遏制耕地減少的趨勢，僅僅是數量上的保護，實際上，耕地保護還應包括耕地質量的保護[5-6]。對于耕地質量，目前學術界還沒有一個明確的定義，劉友兆等認為耕地質量是指各種自然因素和環境條件狀況的總和，具體體現在耕地生產能力、耕地環境狀況以及耕地產品質量上[7]。沈仁芳認為耕地質量是多層次的綜合概念，是指耕地的自然、環境和經濟等因素的總和，耕地質量的內涵應當包括耕地的土壤質量、空間地理質量、管理質量以及經濟質量4個方面[8]。目前對耕地質量評價指標多數僅從耕地本身的土壤質量、土地地力、經濟效益、農戶行為等方面構建評價指標體系[9-12]。李奕志等人借鑒美國國家資源清單的思想，結合中國耕地資源的空間分布特征，建立耕地質量動態監測體系[13]。綜合現有研究對于耕地質量的理解，耕地質量不僅僅是體現在等別差異上，其質量等別在空間分布上亦存在差異，現有的耕地質量的研究僅停留在指標評價的階段，大多以定性評價為主，從耕地分布的空間相關性的角度深入探究耕地質量的空間分布特征對耕地保護影響的研究相對較少，且目前多在縣域層面上對耕地質量的空間自相關特征進行了積極有意義的研究[14-16]，但在省域層面上開展耕地質量空間自相關分析的研究較為欠缺還比較少。文章從耕地空間分異的角度，采用空間自相關的分析方法，探究耕地質量在省域層面上的空間分布規律，據此進行耕地保護分區，并提出相應的分區保護策略，以期為國土部門實行差別化、針對性耕地保護工作提供決策參考。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

福建省位于我國東南沿海，與臺灣隔海相望，境內多山，耕地面積稀少，人均耕地面積不足全國平均水平的1/3， 2014年全省人均耕地僅0.035hm2，遠遠低于全國人均耕地0.099hm2的水平。后備耕地資源十分有限，福建省2014年土地變更調查成果數據顯示，福建省總土地面積1 239.51萬hm2，其中耕地133.77萬hm2，基本農田115.25萬hm2，耕地占總土地面積的10.79%。在城市化進程加快的背景下，大量耕地向非農化轉變，可以開發利用的耕地后備資源空間狹小，耕地占補平衡難度大，耕地資源保護與城市建設發展的矛盾加大，開展耕地質量空間分布格局分析有利于全省耕地質量分等工作，能夠拓寬耕地保護工作的深度和廣度。

1.2 數據來源

該文主要有以下數據來源：福建省各行政縣(市、區)面積以及福建省縣級行政區矢量圖、福建省2014年耕地質量等別年度更新評定結果、福建省2014年土地利用現狀面積匯總表、福建省農村土地整治系統數據庫。

2 數據處理與研究方法

2.1 數據處理方法

該研究中的各區域平均利用等別的計算采用面積加權平均法[17-19]，具體計算公式見下式：

(1)

其中，Y表示該區域的平均利用等；i表示耕地的利用等等別；imax、imin分別表示利用等別中的最大最小值，按照福建省耕地質量分等技術規程，imax=15，imin=1；Si表示i等地的耕地面積； ∑S表示區域耕地總面積。自然等和經濟等的平均等別計算同上式。

2.2 研究方法

空間自相關分析是檢驗具有空間位置要素的觀測值與相鄰空間點上的觀測值是否具有關聯性的方法[20]，地理學第一定律指出：任何事物之間都存在相關性，這種相關性與距離有關，離得越近的事物之間相關性要高[21]。空間自相關的根本出發點正是基于此定律，關注對象(或要素)的屬性值在空間上的相關性[22]。度量空間自相關的指標有很多，其中最常用的是Moran′s I[23]數。Moran′s I是用于衡量空間要素之間的相互關系，取值區間在±1之間，取值大于零說明存在空間正相關關系，取值小于零說明存在空間負相關關系，為零則說明不存在空間相關關系[24]空間自相關又分為全局空間自相關指數和局部空間自相關指數，全局Moran′s I指數的計算公式如下：

(2)

局部空間自相關(LISA，local indicators ofspatial association)是由Anselin于1995年提出的用于反映微觀空間單元及其鄰域空間單元就某一屬性值在局部空間上所表現出的相關性程度[26-27]。全局空間自相關指數(Moran′s I)僅能夠揭示耕地保護成效在空間尺度上是否存在聚集性，無法揭示空間聚集的位置和特征[28]。將全局空間自相關和局部空間自相關結合起來既揭示了耕地質量等別的空間聚集性同時又表明了其空間聚集的分異特征。

3 結果與分析

3.1 耕地質量等別數量分布特征分析

2014年福建省耕地總面積133.771 413萬hm2，占全省面積的10.79%，根據《農用地質量分等規程》將耕地質量分成15等，其中， 1等地最優， 15等地最差，按照2.1節中平均質量等別計算公式得：全省耕地質量自然等等別為6.77，利用等等別為8.12，經濟等等別為8.34。

由圖1可知，福建省3種類型耕地質量大致呈正態分布，其中，自然等集中在5～7等之間，尤以6等地居多，面積高達36.951 192萬hm2，占全省耕地總面積的27.62%； 利用等以7～9等為主， 3等地面積為466.96hm2，占全省總的耕地面積的0.03%，利用等為優的耕地極其稀少，面積最多的為第8等，總面積高達55.671 610萬hm2，占全省耕地總面積的41.62%(圖2)； 經濟等集中在7～9等， 2等地面積為185.27hm2，僅占全省耕地總面積的0.01%， 8等地與9等地面積較為接近，分別為27.055 736萬hm2和27.298 898萬hm2，占全省耕地總面積的20.23%和20.41%(圖3)。總體看來，福建省耕地質量在中等水平。

圖1 福建省耕地自然質量等等別構成 圖2 福建省耕地利用質量等等別構成

圖3 福建省耕地經濟質量等等別構成

3.2 耕地質量等別空間分異特征分析

該文利用ArcGis10.1和Geoda地統計分析軟件進行耕地質量空間自相關分析，得到的Moran′s I指數見表1所示。

表1 福建省耕地質量Moran′s I值

耕地質量等別類型自然等利用等經濟等Moran's I指數0.4250.3410.319

從結果可以得出，福建省耕地質量在空間上表現出一定的空間正相關性，就Moran′s I值的大小來看，自然等>利用等>經濟等，說明在空間分布上，福建省耕地自然質量的空間正相關性表現的相對最強，耕地經濟質量等空間正相關性表現的最弱，耕地利用質量等居中。在空間上偏向于呈聚集形式分布。

圖4 福建省耕地質量等別空間分布

圖5 耕地質量LSA聚集

從圖4可以看出，福建省耕地自然質量等別以6等地為主，主要分布在內陸地區，福建沿海一帶亦有聚集分布， 5等地分布較少，且較為分散，沿海地區中莆田市轄區、龍海、長泰以及詔安，內陸地區的建寧、寧化、清流以及武平自然等為5等； 9等地集中分布在閩西北地區的寧德市境內的屏南、周寧以及柘榮3地； 利用等在空間上表現為較明顯的聚集趨勢，全省利用等等別以8等地為主，大多分布在閩中以及閩西南地區，閩南內陸地區除三明市的大田以及泉州市的安溪、德化地區為9等地外，其他地區均為8等地，個別地區可達到6等，如漳州市轄區、龍海以及長泰， 10等地分布較少，主要集中在閩北的寧德市的屏南、周寧一帶； 福建省耕地經濟質量等別以9等地居多， 6等地至9等地以條帶狀形式分布，主要在閩東南沿海以及閩西北部內陸一帶，尤其以閩西北南平市的武夷山、建陽、建甌、浦城和松溪地區均為7等地，呈聚集形態分布， 8等地中沿南平市的光澤、邵武由北向南至三明市市轄區呈帶狀聚集分布，閩中地區以9～10等地為主。總的看來，福建省耕地質量自然等等別空間分布較均勻，全省各個地區自然等等別差異較小，利用等等別和經濟等等別較高的地區在空間分布上表現為以沿海一帶城市為主，特別是閩南沿海經濟較發達地區，耕地質量的利用等和經濟等等別較高，這與沿海一帶經濟發展迅速，耕地資源集約節約、土地開發整理利用高效有關。

全局空間自相關僅能表明耕地質量等別在縣級尺度上存在一定的空間自相關性，但是具體的空間聚集特征還需要通過LSA聚集圖來表示，為此，該文在全局空間自相關的基礎上對不同的耕地質量等別局部空間自相關進行分析。LSA圖中，High-High(簡稱HH)和Low-Low(簡稱LL)表示耕地質量空間分布具有較高的空間聚集特征，Low-High(簡稱LH)以及High-Low(簡稱HL)表示耕地質量的空間分布聚集呈空間負相關特征，Not-Significance表示不存在顯著的空間聚集現象。結果如圖5所示。

從LSA圖可以看出，經濟等的空間分布聚集狀態較為零散，HH型和LL型聚集主要分布在閩中內陸一帶，LH聚集則主要是在閩南沿海地區，HL型聚集較為明顯的是閩北的柘榮縣； 利用等和自然等的空間聚集特征較經濟等則更為明顯，在利用等LSA分布圖中，HH型聚集集中在閩北的寧德市各縣區，而LL聚類則分布零散，HL聚類主要集中在閩東南內陸地區，LH型聚集較為明顯的是建甌市； 自然等中HH型聚集與利用等較為相似，主要集中在閩北一帶，且較利用等多，有一定的外延趨勢，沙縣和寧化也有零星分布，LL型分布較利用等少，僅分布在廈門市，HL型聚集零星分布于閩中地區，LH型聚集同樣也是聚集在閩北一帶的建甌古田地區。總體看來，3種耕地質量等別的HH型空間聚集特征主要分布在內陸特別是閩北一帶，沿海地區分布則較少。這是由于，閩中一帶政和、周寧、福安等地屬于武夷山脈與中部鷲峰山—戴云山之間，海拔400m以下地區，地形較平緩，分布于低海拔的水田所占比重較大，自然等等別較高，且地勢平緩，有利于現代化的農業耕作管理方式，農田水利設施建設較為齊全，耕地利用等等別較高，武平地區水土流失嚴重，自然等等別較低； 建甌市地處武夷山脈，丘陵較多，地形起伏較大，田間管理難度較大，利用等等別較低； 閩侯、大田以及龍巖市轄區境內交通便利，多條省道、國道穿插其中，有利于耕地經濟效益提升，而柘榮地區，交通較為落后，境內無火車站等運輸條件限制了耕地經濟效益的提升。

空間極化指在一定空間范圍內的區域發展不均衡，處于不同極化層的區域發展差異越來越大，而處于同一極化層的區域發展差異越來越小[29]。根據空間極化理論，隨著事物發展變化，同一極化層內部單元趨同，不同極化層單元趨異； 且同一極化層內各單元對周邊單元產生兩種效應：優勢單元對周邊單元的阻礙作用、推進作用和周邊優勢單元對中心單元的帶動作用[30]。結合空間極化理論與LSA空間聚集圖對局部空間自相關較為明顯的區域進行耕地保護分區，為耕地保護分區工作提供參考，針對耕地自然等質量，從耕地自然條件以及可改良兩個角度出發，將耕地保護分區劃分為限制建設區、綜合改良區、適度改良區以及重點整治區； HH型聚集范圍內耕地質量較高且分布較均勻，可以作為限制建設區； LL型則恰好相反，聚集區域內耕地質量整體較差且分布較均勻，應作為土地開發整治綜合改良區，但由于該區域內耕地質量普遍較差，需兼顧整體綜合性整治逐步改善； HL型聚集區域表示耕地質量較高的區域被耕地質量較低的區域圍繞，根據空間極化理論，耕地質量較差的區域對耕地質量較高的區域有一定的消極影響，使HL型聚集逐漸演化成LL型聚集，由此，屬于HL型聚集的區域應當劃分為適度改良區，重點改良耕地質量較差的地區，同時維持耕地質量較高地區的現狀； LH型聚集由于是耕地質量較差的區域被耕地質量較高的區域包圍，耕地質量較低的區域極易在耕地質量較高的區域的推進作用下由低等別向高等別轉化，該種聚集區域應當作為重點整治區，同樣應當重點改良低等別區域，使之向HH型轉變。針對耕地經濟等和利用等，從耕地可利用水平以及產能效益兩個方面出發，將耕地保護分區劃分為利用區和產能區，具體分區見表2。

表2 基于局部空間自相關的耕地質量分區

耕地質量類型空間自相關類型典型區域分區方案保護方案自然質量HH政和縣、屏南縣、周寧縣、壽寧縣、寧德市轄區、福安縣、柘榮縣、福鼎縣、霞浦縣、沙縣、寧化縣限制建設區維持耕地現有水平、禁止非農建設LL廈門市綜合改良區全面綜合考慮地區耕地現狀、農轉用建設理想區域HL大田縣、泰寧縣適度改良區重點保護耕地質量較好的區域,改良質量較差區域、可適度進行非農建設LH建甌市、古田縣、武平縣重點整治區對耕地質量較差的區域進行重點改良利用質量HH政和縣、屏南縣、周寧縣、寧德市轄區、福安縣可持續利用區維持現有的耕地質量建設和利用水平、禁止非農化建設LL武夷山市、寧化縣、龍海市低效利用區根據現狀水平制定耕地利用方案、非農化建設理想區域HL安溪縣、南靖縣、平和縣、上杭縣集約節約利用區重點整治利用水平較低的區域、可適度非農化建設LH建甌市潛力利用區重點提高利用水平低的區域、限制非農化建設經濟質量HH閩侯縣、大田縣、龍巖市轄區高效產能區維持現有的產能水平、禁止非農化建設LL寧化縣、浦城縣低效產能區根據現有水平,制定綜合整治方案、非農化建設理想區域HL柘榮縣產能調整區調整現有產能結構、提高耕地經濟效益LH建甌市、莆田市轄區、泉州市轄區潛力產能區重點保護耕地經濟質量較高的區域、提高經濟質量較低的區域、可適度進行非農化建設

4 結論與討論

該文分析了福建省質量的自然等等別、經濟等等別、利用等等別的數量特征，通過空間自相關指數分析耕地質量的空間分布特征，結論如下。

(1)福建省耕地質量的自然等等別(6.77)優于利用等等別(8.12)優于經濟等等別(8.34)，福建省總體耕地質量處于中等水平，經濟和利用質量等等別較低，特別是閩中部地區，要充分利用好耕地自然本地質量的優勢，根據土地利用規劃，加大土地整理的力度，對災毀和棄耕的土地進行復墾，提高土地的利用效率，增加耕地的有效利用面積，改善耕地質量； 同時，還需要加強農田水利設施的建設，合理用肥，改善土壤不良理化性狀，提高糧食產量，做到用地養地相結合。

(2)福建省耕地質量在空間分布上表現出較強的正的空間自相關性，耕地質量在空間上表現出一定的空間相關性，在LSA分析中，經濟等的空間聚集特征分布較為零散，利用等和自然等則呈現出明顯的空間聚集形態。

(3)結合空間局部自相關的結果從空間極化理論的角度對耕地分區保護工作提出了參考，在耕地保護工作中，應重點對HH、LL、HL、LH 4種不同聚集形態采取相應的工作方案，在實際耕地保護分區以及耕地資源合理利用方案制定中，綜合考慮耕地的自然、利用和經濟質量現狀情況選擇適宜的分區方案，因地制宜，調整農村產業結構、便于精細化、差別化管理。