基于空間自相關的長沙市耕地保護分區研究

范雙云，夏琪琪，胡耀躲，鄧楚雄

（1.長沙永信土地規劃咨詢有限責任公司，湖南 長沙 410000；2.湖南師范大學 地理科學學院，湖南 長沙 410081）

耕地是人類賴以生存和發展的物質基礎[1-4]。隨著新型城鎮化建設的加快和部分區域耕地的不合理利用，耕地保護與區域發展的矛盾更加突出。因此，了解區域耕地的數量、質量和生態集聚特征，并以此進行差異化的保護尤為重要。以長沙市為例，構建耕地數量、質量和生態三位一體的指標，借助空間自相關的分析方法，分析長沙市耕地的數量、質量和生態集聚特征，明確耕地保護分區及保護重點[5]，以期為自然資源主管部門制定耕地保護政策提供參考。

1 研究區概況與數據

1.1 研究區概況

研究區土地總面積11 819 km2。區域內地形起伏小，是典型的丘陵地區。區域水系完整，河網密布，坑塘眾多，耕作條件相對較好。

1.2 數據來源

采用的數據時間節點為2018年,耕地數據來源于區域土地利用現狀數據和耕地質量等別年度更新評價成果。

1.3 研究尺度

在研究尺度上選擇了最適宜耕地可持續發展和保護的中等尺度。具體而言，本文選擇了長沙市下轄的1 247個行政村（社區）作為空間單元，以行政村（社區）作為研究尺度。

2 研究指標與方法

2.1 耕地數量指標

本研究數量指標采用耕地密度指標。其公式為：

式中：Dio，Sio和Si分別表示第i個村（社區）的耕地密度、耕地面積和土地面積。采用ArcGIS軟件分析區域土地利用現狀數據，獲取研究區域耕地密度數據。

2.2 耕地質量指標

本研究耕地質量指標采用耕地綜合質量指數。具體公式如下：

式中：Rj，Rij和Sij分別表示第j個村（社區）的耕地綜合質量指數、第i塊圖斑的耕地等別和第i塊圖斑的面積。采用ArcGIS軟件分析區域土地利用現狀數據和耕地質量等別年度更新評價成果，可獲取研究區域耕地質量數據。

2.3 耕地生態指標

本研究生態指標采用景觀生態安全指數。具體公式如下：

式中：V和ES分別代表景觀脆弱度和景觀生態安全指數；A，F，D，P和ED分別代表面積加權平均形狀因子、分維度、分離度、景觀被分割的破碎程度和邊界破碎度。α，β和γ為因子的權重，本研究借鑒錢鳳魁等學者[6-7]的研究綜合確定α，β和γ分別為0.54，0.30和0.16。耕地生態數據具體可通過對耕地現狀數據進行空間分析后獲取。

2.4 空間自相關分析法

空間自相關分為全局和局部自相關。具體公式如下：

式中：xi和xj分別為在第i和j個空間的屬性；n，u，Wij和So分別為樣本數、平均值、空間權重矩陣和全部權重之和。同時考慮本研究重點是分析空間單元與附近單元的空間特征，而不考慮空間單元與附近單元的距離，因此， 在確定空間自相關的空間權重時采用最近k點關系法（k=6）。

根據研究空間單元與鄰接關系內空間單元的Moran’s I 值平均數的關系，明確高值屬性和低值屬性區域。若研究空間單元的Moran’s I 值平均數高，則明確為高值屬性區域，反之則為低值屬性區域。

表1 空間自相關分析類型劃分表Table 1 Classification of spatial autocorrelation analysis types

3 結果與分析

3.1 耕地的空間分布

在耕地數量分布上，長沙市西部和北部地區耕地數量普遍高于中部、東部和南部地區，耕地主要集中在寧鄉市、望城區西部、長沙縣東部等地，中部地區耕地相對較少。在耕地質量分布上，長沙市的西部、北部耕地質量明顯高于中部及東部地區。耕地綜合質量指數較高的地區主要集中在寧鄉市、望城區和岳麓區等地區，而瀏陽市耕地質量整體偏低。在耕地生態的空間分布上，高值區域和低值區域空間分布明顯，總體來說中部及東部地區景觀生態安全性低于周邊地區，耕地景觀生態安全指數較高的地區主要集中在寧鄉市和長沙縣等長沙市中心城區周邊區域，長沙市中心城區內及瀏陽市耕地景觀生態安全指數整體較低。

3.2 耕地的空間自相關分析

3.2.1 全局自相關分析

根據耕地全局自相關分析結果，如表2和圖1所示，長沙市耕地數量、耕地質量和耕地生態指數的Moran’sI均為正，表明長沙市耕地數量、質量和生態在空間上均存在正相關性。

圖1 長沙市耕地全局自相關分析散點圖Fig.1 Scatter diagram of global spatial autocorrelation analysis of cultivated land in Changsha

表2 長沙市耕地全局自相關分析結果Table 2 Results of global spatial autocorrelation analysis of cultivated land in Changsha

3.2.2 局部自相關分析

根據耕地局部自相關分析結果，長沙市耕地數量和質量空間正相關區域較多，集聚性顯著，耕地生態空間無明顯的空間分布特征。具體見表3。

表3 長沙市耕地局部自相關分析結果Table 3 Results of local spatial autocorrelation analysis of cultivated land in Changsha

3.3 基于空間自相關的耕地保護分區

通過將耕地數量、耕地質量和耕地生態的空間自相關分析結果進行疊加分析，發現負相關類型（HL型和LH型）區域在空間聚類結果中占據的區域數量較少，且多分布于HH區域和LL區域周邊，因此不納入本研究分區考慮。在此基礎上依據H型、L型和非顯著型的不同排列組合方式，同時將筆者研究的長沙市城鎮開發建設潛力區域圖中潛力面積占行政村（社區）面積比重超過30%的行政村（社區）予以剔除，得到長沙市耕地保護分區結果，涉及718個行政村（社區），總面積為9 530.60 km2，共分為4個一級區和8個二級區，具體見表4、圖2和圖3。

表4 基于空間自相關的長沙市耕地保護分區Table 4 Zoning of cultivated land protection based on spatial autocorrelation in Changsha

圖2 長沙市耕地保護一級分區圖Fig.2 The first-level protection zones of cultivated land in Changsha

圖3 長沙市耕地保護二級分區圖Fig.3 The second-level protection zones of cultivated land in Changsha

3.3.1 重要保護區

本文將H型與非顯著型的組合類型劃為重要保護區，涉及296個行政村單元。其中耕地面積891.76 km2，約占研究區耕地面積的51.50%。重要保護區連片分布在長沙西部和中部，在耕地數量、質量和生態方面都具有較強的優勢，且形成了空間集聚效應。根據耕地數量、質量和生態條件的集聚類型中H型與非顯著型的組合，重要保護區劃分為核心保護區、重點保護區、側重保護區3個二級區。

（1）核心保護區是耕地數量、質量和生態的集聚類型均為H型的區域，涉及8個行政村。其中耕地面積27.00 km2，約占研究區耕地面積的1.56%。區域內耕地數量、質量和生態都表現出高值集聚特征，因此是耕地保護的核心區域。該區域應重點加強耕地管護工作，禁止非農建設；同時考慮核心保護區內耕地占比較大和農業設施健全等因素，也應是建設高標準農田的首選，以強化擴散效應。

（2）重點保護區是耕地數量、質量和生態的集聚類型中有2種是H型、另外1種是非顯著型的區域，包括123個行政村單元。其中耕地面積406.66 km2，約占研究區耕地面積的23.49%。考慮該區域在某種屬性上未表現出空間集聚性，可針對該屬性采取積極的保護措施以提升其空間集聚性。

（3）側重保護區是耕地數量、質量和生態的集聚類型中有1種是H型、另外2種是非顯著型的區域，包括165個行政村單元。其中耕地面積458.10 km2，約占研究區范圍耕地面積的26.46%。該區域應側重保護耕地優勢屬性，并通過工程措施改進耕地非顯著型屬性，使其向重點保護區和核心保護區發展。

3.3.2 積極保護區

本文將H型、L型與非顯著型的組合類型劃為積極保護區，呈零散點狀分布在重要保護區周邊，共涉及4個行政村單元。其中耕地面積32.04 km2，約占研究區范圍耕地面積的1.85%。根據耕地數量、質量和生態條件的集聚類型中H型、L型與非顯著型的組合，將積極保護區劃分為潛力保護區和適度保護區2個二級保護區。

（1）潛力保護區包括1個行政村單元，耕地面積27.00 km2，約占研究區耕地面積的1.56%。區域內耕地具有2種高值集聚的屬性和1種低值集聚的屬性，而影響其發展的限制因素就是表現為低值集聚特征的屬性。該區域內耕地應加強重點管護工作，重視該區域耕地的提升潛力。

（2）適度保護區包括3個行政村單元，耕地面積5.04 km2，約占研究區耕地面積的0.29%，區域內耕地具有一種高值集聚的屬性、一種低值集聚的屬性和一種沒有集聚特征的離散分布的屬性。本區域應針對優勢屬性進行重點保護，并發揮外部性影響非顯著型屬性，盡量保障非顯著型屬性受到L型屬性的影響，使其向潛力保護區和重點保護區發展。

3.3.3 調控保護區

本文將耕地數量、質量和生態的空間集聚特征均表現為非顯著型的區域劃為調控保護區，涉及369個行政村。其中耕地面積777.32 km2，約占研究區耕地面積的44.89%，集中分布于瀏陽市、長沙縣東北部、岳麓區西部和寧鄉市西部等地。該區域大多位于重要保護區與一般保護區的中間地帶，相鄰區域間耕地水平具有一定差異。未來應在其他類型保護區進行保護或整治的同時，監測其變化，促進其向重點保護區轉變，以提高長沙耕地的整體水平。另外可適當采取農業結構調整的方式，以發揮耕地的比較優勢[8]。

3.3.4 一般保護區

本文將L型與非顯著型的組合類型劃為一般保護區，共包括49個行政村單元。其中耕地面積30.36 km2，約占研究區耕地面積的1.75%，在寧鄉市黃材鎮、瀏陽市中部及東北部呈片狀分布。該區域在耕地數量、質量和生態方面都低于平均水平，且這種劣勢形成了空間集聚效應，在耕地保護上受到諸多影響因素的限制，對耕地保護的意義不大，是耕地整治與改良的重點對象。根據耕地數量、質量和生態條件的集聚類型中L型與非顯著型的組合，將一般保護區劃分為一般整治區、側重改良區2個二級保護區。

（1）一般整治區包括11個行政村單元，耕地面積3.19 km2，約占研究區耕地面積的0.18%，耕地數量、質量和生態3種屬性中有2種屬性顯示出低值集聚。區內耕地較少，耕地質量較差，農業設施不健全，生態脆弱，是耕地中難以整治的區域。該區域應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慮適當調整為非農用地。同時也應關注非顯著型屬性，防止耕地條件進一步退化。

（2）側重改良區包括38個行政村單元，耕地面積27.17 km2，約占研究區耕地面積的1.57%，該類區域的耕地在數量、質量和生態中的某一方面表現出低值集聚的空間特征。該區域應針對劣勢屬性進行改良。另外因該區域靠近一般整治區，具有與一般整治區較為相似的自然條件和生態環境，易受到負面的外部性影響，缺乏因地制宜的管護，因此，應采取側重改良與宏觀調控相結合的方式進行保護。

4 結論

本文通過運用空間自相關分析法對耕地的數量、質量和生態特征進行挖掘，并明確了長沙市耕地保護分區及保護重點。

在耕地數量分布上，長沙市耕地密度較高的地區主要集中在寧鄉市、望城區西部、長沙縣東部等地區。在耕地質量分布上，耕地綜合質量指數較高的地區主要集中在寧鄉市、望城區、岳麓區等地區。在耕地生態的空間分布上，耕地景觀生態安全指數較高的地區主要集中在寧鄉市和長沙縣等長沙市中心城區周邊區域。總體上看，長沙市寧鄉市、長沙縣、望城區及岳麓區等區域是耕地保護的重點區域。

根據對耕地數量、質量和生態空間自相關分析，長沙市耕地數量集聚性顯著，高密度集聚區主要在寧鄉市，是長沙最主要的農業發展區。低密度集聚區主要是在長沙市中心城區呈片狀分布。長沙中部耕地質量的集聚特征相對顯著，產生正相關類型的區域較多，耕地質量空間集聚整體呈“西優東劣”分布格局。長沙耕地生態的集聚特征較呈離散片狀分布，耕地景觀生態安全指數集聚性較低，無明顯的空間分布格局。

針對耕地數量、質量及生態集聚類型的組合，綜合確定將長沙市耕地保護區域共分為重要保護區、積極保護區、調控保護區和一般保護區4類一級區和8類二級區，并制定差異化的保護方案[9]，為自然資源主管部門制定三位一體的耕地保護政策提供參考。

對耕地現狀情況的分析采用自然斷點法分級，斷點的區別可能直接影響耕地數量、質量及生態的分布特征；同時耕地圖斑的質量評定采用耕地綜合質量指數，可能無法全面反映影響耕地質量的土壤條件、立地條件和生態條件的變化情況：以上因素在一定程度上影響了耕地保護分區的結果。如何提高耕地保護分區的科學性，還需要進一步實踐與探索。