楊建宇 徐 凡 趙 龍 張 超 趙冬玲 張 欣

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083； 2.國(guó)土資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100035)

基于綜合質(zhì)量空間自相關(guān)性分析的耕地保護(hù)分區(qū)方法

楊建宇1,2徐 凡1趙 龍1張 超1,2趙冬玲1,2張 欣1

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083； 2.國(guó)土資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100035)

從耕地的自然條件、利用情況和經(jīng)濟(jì)水平出發(fā)，結(jié)合耕地的空間屬性，借助空間自相關(guān)性分析方法，提出了科學(xué)、合理的耕地保護(hù)分區(qū)方法。首先運(yùn)用全局空間自相關(guān)的方法，探究高平市耕地質(zhì)量在空間上整體的分布情況，以便進(jìn)行下一步更細(xì)致的分析；再運(yùn)用局部空間自相關(guān)的方法，以耕地質(zhì)量指數(shù)為變量，探究高平市耕地質(zhì)量的空間分布規(guī)律，最終基于綜合質(zhì)量的分析結(jié)果提出耕地保護(hù)分區(qū)方案。研究結(jié)果表明：整體分析顯示，高平市耕地的自然條件、利用情況和經(jīng)濟(jì)水平皆表現(xiàn)出顯著聚集性；局部分析得出，高平市耕地從自然條件、利用情況和經(jīng)濟(jì)水平3方面呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，HH(高-高)型和LL(低-低)型耕地表現(xiàn)為聚集分布；HL(高-低)型和LH(低-高)型耕地呈零星分布。最終從耕地的3方面分別進(jìn)行局部分析，并依據(jù)3個(gè)局部分析結(jié)果組合，結(jié)合實(shí)際，提出耕地保護(hù)分區(qū)的方法及思路。

耕地質(zhì)量指數(shù)； 空間自相關(guān)； 耕地保護(hù)分區(qū)； 高平市

引言

耕地作為國(guó)家特殊的公共資源，其數(shù)量、質(zhì)量與糧食安全密切聯(lián)系，耕地?cái)?shù)量能達(dá)標(biāo)，質(zhì)量有保證，糧食安全才有保障[1-2]。為了更好地保障國(guó)家糧食安全，國(guó)土資源部1999—2009 年在全國(guó)范圍內(nèi)組織了分省的農(nóng)用地分等調(diào)查評(píng)價(jià)任務(wù)，并于2009 年完成了全國(guó)農(nóng)用地分等工作[3-4]。中國(guó)早在2013年底就劃定了18億畝耕地的“紅線”，經(jīng)過(guò)近幾年的努力，中國(guó)耕地保護(hù)工作開(kāi)始逐步由單純的數(shù)量保障向數(shù)量、質(zhì)量并重轉(zhuǎn)變。然而長(zhǎng)期以來(lái)，與數(shù)量保障相比，忽視了耕地質(zhì)量的保護(hù)[5-6]，因此亟待對(duì)這方面進(jìn)行研究，進(jìn)一步制定明確的政策使耕地質(zhì)量得到應(yīng)有的保護(hù)。

自然條件、利用情況、經(jīng)濟(jì)水平是耕地評(píng)價(jià)的三大屬性，目前大多數(shù)的耕地保護(hù)研究都是圍繞這三大屬性進(jìn)行綜合考慮的[7-8]。在這3方面的基礎(chǔ)上再結(jié)合耕地質(zhì)量空間特性分析的研究正在逐漸增加。孔祥斌等[9]依據(jù)農(nóng)用地利用等別，對(duì)平原區(qū)和山區(qū)具有的差異性耕地生產(chǎn)能力區(qū)別對(duì)待，以有限劃定高等別的耕地資源作為基礎(chǔ)，為區(qū)縣尺度的基本農(nóng)田劃定提供了科學(xué)依據(jù)；孟斌等[10]通過(guò)空間自相關(guān)分析揭示了中國(guó)區(qū)域經(jīng)濟(jì)格局的時(shí)空變化規(guī)律；韋仕川等[11]通過(guò)局部空間自相關(guān)的方法分析廣寧縣耕地質(zhì)量指數(shù)劃定了具體耕地保護(hù)分區(qū)方案；黨國(guó)鋒等[12]通過(guò)局部空間自相關(guān)和Moran散點(diǎn)圖相結(jié)合的方法，對(duì)隴南市武都區(qū)山區(qū)耕地質(zhì)量等級(jí)指數(shù)進(jìn)行分析，為山區(qū)耕地保護(hù)提供了依據(jù)和思路；熊昌盛等[13]引入Moran’sI指數(shù)的空間自相關(guān)分析方法，以廣寧縣的耕地圖斑為研究單元對(duì)其自然等指數(shù)、利用等指數(shù)和等別指數(shù)進(jìn)行空間自相關(guān)分析，據(jù)此探討在縣級(jí)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)尺度上的變化情況及相關(guān)應(yīng)用。與以前的研究相比，近來(lái)的研究開(kāi)始考慮空間特性，但大多數(shù)研究是基于耕地評(píng)價(jià)的三大屬性對(duì)耕地分別進(jìn)行分區(qū)。

本文依據(jù)山西省高平市的農(nóng)用地分等成果，對(duì)高平市耕地質(zhì)量指數(shù)采用空間自相關(guān)的方法，分析高平市耕地質(zhì)量指數(shù)的空間分布特征，并綜合自然條件、利用情況和經(jīng)濟(jì)水平對(duì)耕地進(jìn)行統(tǒng)一分區(qū)劃定，以期為高平市耕地保護(hù)分區(qū)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)域概況

高平市位于山西省的東南部，澤州盆地北端，太行山西南邊緣。地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°00′～113°10′、北緯30°40′～36°00′，跨度分別為45 km和40 km，整個(gè)行政轄區(qū)范圍內(nèi)的平面圖形基本上呈正方形。高平市下轄北城街道、北詩(shī)鎮(zhèn)、陳區(qū)鎮(zhèn)等16個(gè)鎮(zhèn)，村級(jí)行政單元共456個(gè)。全市多年平均氣溫9.8℃，極端最低氣溫-24℃，極端最高氣溫38.6℃。多年平均日照時(shí)數(shù)2 532.5 h，平均無(wú)霜期180 d，年平均降水量624 mm。高平市土地面積98 034.89 hm2，其中，耕地面積46 387.46 hm2，占高平市土地總面積的47.32%。高平市是國(guó)家級(jí)商品糧生產(chǎn)基地，機(jī)械化旱地農(nóng)業(yè)基地。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

主要數(shù)據(jù)包括：高平市2011年農(nóng)用地分等成果、2011年土地利用現(xiàn)狀圖、高平市行政區(qū)劃圖、地形圖等成果文件以及相關(guān)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料。

2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

2.1 處理流程

本研究過(guò)程分為3部分：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、耕地綜合質(zhì)量分析和耕地保護(hù)區(qū)劃定。首先將選取的研究區(qū)剔除異常值進(jìn)行預(yù)處理；繼而通過(guò)面積加權(quán)的方法得到耕地村級(jí)質(zhì)量指數(shù)，并以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，借助空間自相關(guān)方法，分析耕地質(zhì)量指數(shù)的空間分布模式；最終將耕地各質(zhì)量局部空間自相關(guān)類(lèi)型進(jìn)行組合，依據(jù)分區(qū)原則：空間隨機(jī)分布、異常分布、高值聚集分布、低值聚集分布，劃定高平市耕地保護(hù)區(qū)。具體方法流程見(jiàn)圖1。

圖1 方法流程圖Fig.1 Method process

2.2 全局空間自相關(guān)分析

全局自相關(guān)是對(duì)屬性值在整個(gè)區(qū)域空間特征的描述，能夠反映空間鄰域單元屬性值的相似程度，側(cè)重對(duì)空間數(shù)據(jù)中某一屬性在整個(gè)區(qū)域中的分布狀態(tài)以及趨勢(shì)進(jìn)行分析。空間自相關(guān)有許多表現(xiàn)形式，主要有全局Moran’sI、全局Geary’sC和全局Getis-OrdG統(tǒng)計(jì)量[14-15]判斷空間數(shù)據(jù)的相似性和相異性特征，具體計(jì)算過(guò)程表達(dá)式為

(1)

I表示空間位置i和j的鄰近關(guān)系，當(dāng)i和j符合鄰近這一空間位置關(guān)系時(shí)，wij賦值為1；反之，wij賦值為0。全局空間自相關(guān)中Moran指數(shù)I的取值范圍為[-1,1]，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)量Z來(lái)對(duì)某一個(gè)區(qū)域編號(hào)為n的區(qū)域確定是否存在空間系相關(guān)性，Z值的計(jì)算公式為

(2)

其中E(I)=-1/(n-1)

式中E(I)——理論期望 Var(I)——理論方差

當(dāng)Z值為正且這一區(qū)域呈顯著性時(shí)，說(shuō)明區(qū)域n存在正的空間自相關(guān)性，即鄰近的觀測(cè)值有空間聚集的趨勢(shì)；當(dāng)Z值為負(fù)且這一區(qū)域又有顯著性時(shí)，說(shuō)明區(qū)域n存在負(fù)的空間自相關(guān)性，即鄰近的觀測(cè)值有分散的分布趨勢(shì)；當(dāng)Z為零時(shí)，說(shuō)明區(qū)域n的觀測(cè)點(diǎn)都為獨(dú)立隨機(jī)的分布趨勢(shì)。

2.3 局部空間自相關(guān)分析

空間自相關(guān)分析是指某空間單元與其周?chē)臻g單元，通過(guò)計(jì)算某特征值下的空間自相關(guān)程度，以此發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)空間單元的空間分布現(xiàn)象的特征。計(jì)算空間自相關(guān)的方法最常見(jiàn)的有：Moran’sI、Geary’sC等[16-19]。本文主要通過(guò)局部Moran’sI進(jìn)行分析。

目前,局部統(tǒng)計(jì)量常用LISA (Local indicator of spatial association)統(tǒng)計(jì)量的局部Moran’sI系數(shù)表達(dá)，計(jì)算式為

(3)

式中Ii——第i個(gè)行政村的局部Moran’sI

Ii為正值表示該空間單元與鄰近單元的屬性值相似，Ii為負(fù)值表示該空間單元與鄰近單元的屬性值相異。在隨機(jī)分布假設(shè)下，局部Moran’sI系數(shù)需要在標(biāo)準(zhǔn)形式檢驗(yàn)其顯著性水平。

利用ArcMap中的局部自相關(guān)的工具對(duì)研究數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到的新圖層將數(shù)據(jù)分為5類(lèi)表示，分別為：HH、HL、LH、LL和非顯著型。其中HH是高值與高值關(guān)聯(lián)的聚焦點(diǎn)，表示該對(duì)象及周?chē)鷮?duì)象的屬性指數(shù)都較高；LL是低值與低值關(guān)聯(lián)的聚焦點(diǎn)，表示該對(duì)象及周?chē)鷮?duì)象的屬性指數(shù)都較低； LH和HL是異常值關(guān)聯(lián)區(qū)，表示該對(duì)象與周?chē)鷮?duì)象的屬性的指數(shù)有較強(qiáng)的異質(zhì)性；非顯著型是空間呈隨機(jī)分布的區(qū)域，表示沒(méi)有通過(guò)局部的Moran’sI顯著性檢驗(yàn),空間集聚性不強(qiáng)。

2.4 空間權(quán)重

空間自相關(guān)的確定是由ANSELIN[17]提出的，主要把空間位置的相鄰關(guān)系劃分為3類(lèi)：鄰接、距離和最近K點(diǎn)。本文運(yùn)用其中的鄰接關(guān)系，鄰接關(guān)系是根據(jù)空間單元之間是否相鄰來(lái)賦空間權(quán)重值，若相鄰，則wij=1；否則wij=0。鄰接關(guān)系又可分為Rook、Queen和Bishop3種鄰接標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 數(shù)據(jù)處理

2.5.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

結(jié)合高平市縣級(jí)分等單元數(shù)據(jù)和行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)東城街道小北莊村沒(méi)有耕地，為了避免異常值對(duì)分析的影響，因此將小北村莊從行政區(qū)劃中剔除。最終確定高平市涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)行政單元有北城街道、北詩(shī)鎮(zhèn)等16個(gè)，村級(jí)行政單元共455個(gè)。

2.5.2 空間權(quán)重的確定

對(duì)耕地質(zhì)量進(jìn)行全局、局部空間自相關(guān)分析時(shí)，分別采用由GeoDa和ArcMap軟件生成的空間權(quán)重文件來(lái)描述研究單元之間的鄰接關(guān)系，分別計(jì)算基于Rook、Queen和Bishop鄰接原則的一階鄰接空間鄰接性，經(jīng)計(jì)算對(duì)比，Rook鄰接關(guān)系的空間鄰接性頻率直方圖更符合正態(tài)分布特征。故選擇以Rook鄰接原則確定空間權(quán)重。

2.5.3 研究單元的選擇

查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)有相當(dāng)一部分的研究者在對(duì)縣域范圍進(jìn)行研究時(shí)，將研究單元設(shè)定為鄉(xiāng)或者鎮(zhèn)，這樣做可以解決因圖斑面積過(guò)小導(dǎo)致局部空間自相關(guān)分析結(jié)果辨識(shí)性差的問(wèn)題[20]。為了盡可能降低對(duì)耕地實(shí)際情況的破壞程度，分別基于耕地圖斑(國(guó)家)、鎮(zhèn)級(jí)和村級(jí)3個(gè)層次，計(jì)算其均值以及方差。若將行政村作為研究單元，則村級(jí)耕地質(zhì)量指數(shù)計(jì)算式為

(4)

式中Po——第o個(gè)行政村的平均耕地質(zhì)量(自然等、利用等、經(jīng)濟(jì)等)指數(shù)

Pio——第o個(gè)行政村中第i塊耕地圖斑的(自然等、利用等、經(jīng)濟(jì)等)指數(shù)

Sio——第o個(gè)行政村中第i塊耕地圖斑的面積，hm2

鎮(zhèn)級(jí)耕地質(zhì)量指數(shù)采用類(lèi)比的方式得到。

將耕地圖斑融入到鄉(xiāng)鎮(zhèn)后，村級(jí)自然等指數(shù)、利用等指數(shù)和經(jīng)濟(jì)等指數(shù)的均值和方差較鎮(zhèn)級(jí)的更接近于圖斑(國(guó)家)本身的均值和方差，即村級(jí)耕地質(zhì)量指數(shù)更接近實(shí)際，結(jié)果見(jiàn)表1。因此，將研究單元定為村級(jí)較為合理。

圖2 高平市耕地質(zhì)量國(guó)家等指數(shù)分布圖Fig.2 National distributions of cultivated land index in Gaoping City表1 高平市耕地質(zhì)量指數(shù)均值、方差Tab.1 Cultivated land quality index statistics of mean and variance in Gaoping City

研究單元自然等指數(shù)利用等指數(shù)經(jīng)濟(jì)等指數(shù)均值方差均值方差均值方差國(guó)家2446.89279628.17760.5521384.04439.839594.20鎮(zhèn)級(jí)2407.27193485.59791.787504.04460.793233.43村級(jí)2447.09261012.69777.7418017.15450.848615.91

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地質(zhì)量空間分布特征

國(guó)家耕地質(zhì)量指數(shù)有國(guó)家質(zhì)量等別與之對(duì)應(yīng)，因此為了分析高平市整體的耕地質(zhì)量在空間上的分布特征，選擇國(guó)家質(zhì)量等指數(shù)更為合適。將國(guó)家耕地質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)加載到ArcMap中，并依據(jù)規(guī)范中分等原則，將國(guó)家耕地質(zhì)量指數(shù)及其對(duì)應(yīng)等別制成專(zhuān)題圖，如圖2中3種國(guó)家耕地質(zhì)量空間分布圖所示：高平市耕地質(zhì)量國(guó)家自然等指數(shù)與國(guó)家利用等指數(shù)的空間分布特征相似，在縣域中指數(shù)整體較高，自西南部至東北部指數(shù)呈下降趨勢(shì)；但耕地的國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)整體較低，在高平市中部偏東北部小部分地區(qū)的耕地質(zhì)量國(guó)家經(jīng)濟(jì)等指數(shù)較高，由此判斷高平市對(duì)耕地的資金投入不足。

3.2 全局空間自相關(guān)結(jié)果分析

在Moran散點(diǎn)圖中(圖3)，村級(jí)耕地自然等指數(shù)、利用等指數(shù)和經(jīng)濟(jì)等指數(shù)全局自相關(guān)Moran’sI值分別為0.84、0.77和0.72，均趨于1。因此村級(jí)耕地質(zhì)量指數(shù)在全局上都呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性，其正相關(guān)顯著程度由大到小依次為：村級(jí)耕地自然等指數(shù)、村級(jí)耕地利用等指數(shù)、村級(jí)耕地經(jīng)濟(jì)等指數(shù)。

3.3 局部空間自相關(guān)結(jié)果

圖3 高平市村級(jí)耕地質(zhì)量指數(shù)Moran散點(diǎn)圖Fig.3 Moran’s scatter diagrams of cultivated land quality index in scale of village in Gaoping City

通過(guò)對(duì)研究區(qū)進(jìn)行全局自相關(guān)性分析得出，村級(jí)耕地質(zhì)量指數(shù)在整體上都呈現(xiàn)出較顯著的正相關(guān)性，在此基礎(chǔ)上，局部自相關(guān)分析能夠更深入地發(fā)現(xiàn)局部的集聚和變異特征，通常用Moran散點(diǎn)圖、LISA的聚類(lèi)圖來(lái)判定。而局部Moran’sI是對(duì)全局Moran’sI的分解，反映的是空間對(duì)象的空間集聚程度。結(jié)合表2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，3種村級(jí)耕地質(zhì)量指數(shù)在局部的空間分布模式為：在95%的置信度下，大部分空間對(duì)象的局部空間自相關(guān)類(lèi)型表現(xiàn)為非顯著型；呈HH型和LL型的行政村個(gè)數(shù)和占比反映了耕地質(zhì)量指數(shù)的正相關(guān)顯著程度，其正相關(guān)顯著程度由大到小依次為：村級(jí)耕地自然等指數(shù)、村級(jí)耕地利用等指數(shù)、村級(jí)耕地經(jīng)濟(jì)等指數(shù)，此結(jié)果與全局空間自相關(guān)結(jié)果分析一致。與表2對(duì)應(yīng)的還有各自相對(duì)應(yīng)的局部空間關(guān)聯(lián)聚集圖(圖4～6)。

表2 高平市耕地質(zhì)量指數(shù)局部空間自相關(guān)類(lèi)型與 行政村個(gè)數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.2 Types of local spatial autocorrelation and statistics summary of rural committee in Gaoping City

3.3.1 村級(jí)耕地質(zhì)量自然等指數(shù)局部自相關(guān)分析

表2中村級(jí)耕地質(zhì)量自然等指數(shù)的局部自相關(guān)結(jié)果顯示，聚集分布的HH型和LL型行政村個(gè)數(shù)和占總行政村個(gè)數(shù)的50.77%，超過(guò)1/2行政村的村級(jí)耕地自然等指數(shù)呈聚集分布；不存在空間上呈現(xiàn)異常分布的HL型和LH型；非顯著型行政村個(gè)數(shù)占行政村總數(shù)的49.23%，該類(lèi)型行政村沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，呈空間隨機(jī)分布。結(jié)合圖4，HH型行政村主要“組團(tuán)”出現(xiàn)在野川鎮(zhèn)東南部、原村鄉(xiāng)、馬村鎮(zhèn)、河西鎮(zhèn)西部以及南城街道西南部，聚集分布于高平市的西南部；LL型則主要沿寺莊鎮(zhèn)北部、永錄鄉(xiāng)北部、神農(nóng)鎮(zhèn)、陳區(qū)鎮(zhèn)、建寧鄉(xiāng)、北詩(shī)鎮(zhèn)北部以及東部6鎮(zhèn)連線分布，聚集分布于高平市的北部。

結(jié)合高平市實(shí)際地形地勢(shì)分析，HH型“組團(tuán)”出現(xiàn)在縣域西南部區(qū)域，該區(qū)域地勢(shì)平坦、雨水充足、土壤肥沃，且有丹河及其支流貫穿，與局部控件關(guān)聯(lián)圖基本符合；LL型沿寺莊鎮(zhèn)北部、永錄鄉(xiāng)北部、神農(nóng)鎮(zhèn)、陳區(qū)鎮(zhèn)、建寧鄉(xiāng)、北詩(shī)鎮(zhèn)北部以及東部6鎮(zhèn)“連線”分布，該區(qū)域地形起伏較大，群山環(huán)繞，平地較少，礦藏資源豐富，自然條件較差，這也與局部空間關(guān)聯(lián)圖基本符合。

圖4 村級(jí)自然等指數(shù)局部空間關(guān)聯(lián)聚集圖Fig.4 Local saptial agglomeration of cultivated land quality index in scale of village

3.3.2 村級(jí)耕地質(zhì)量利用等指數(shù)局部自相關(guān)分析

表2中村級(jí)耕地質(zhì)量利用等指數(shù)的局部自相關(guān)結(jié)果顯示，聚集分布的HH型和LL型行政村個(gè)數(shù)共占高平市行政村總數(shù)的25.05%；在空間上呈現(xiàn)異常分布的HL型和LH型分別有2個(gè)和1個(gè)行政村，分別占高平市行政村總數(shù)的0.44%和0.22%；非顯著型行政村個(gè)數(shù)占行政村總數(shù)的74.29%。結(jié)合圖5，HH型主要分布在寺莊鎮(zhèn)東南部、野川鎮(zhèn)中部、北城街道西北部、南城街道中部及其以南及以西部分、河西鎮(zhèn)中部及其以西地區(qū)，構(gòu)成了自寺莊鎮(zhèn)往南至河西鎮(zhèn)這一連線聚集分布模式，即寺莊鎮(zhèn)—北城街道—東城街道—南城街道—河西鎮(zhèn)；LL型主要分布在寺莊鎮(zhèn)的北部及西部、野川鎮(zhèn)西北部、陳區(qū)鎮(zhèn)北部、北詩(shī)鎮(zhèn)東部，LL型主要分布在高平市的較靠近邊界部分。HL型分布在寺莊鎮(zhèn)中部及野川鎮(zhèn)北部。LH型分布在野川鎮(zhèn)的西部。

結(jié)合實(shí)際，寺莊鎮(zhèn)—北城街道—東城街道—南城街道—河西鎮(zhèn)這一連線的耕地多分布于鐵路公路附近，地勢(shì)平緩，耕地條件較好，距離居民點(diǎn)較近，能得到較好的管理，因此在耕地利用情況上表現(xiàn)出高值的聚集分布，這與HH型在局部空間關(guān)聯(lián)聚集圖相符；而高平市整體東、西、北三面環(huán)山，寺莊鎮(zhèn)—野川鎮(zhèn)“組團(tuán)”以及陳區(qū)鎮(zhèn)—北詩(shī)鎮(zhèn)“組團(tuán)”部分地形起伏較大，耕作作業(yè)難以連片化進(jìn)行，因此耕地的利用情況較差，而呈現(xiàn)出典型的LL型分布，與局部空間關(guān)聯(lián)聚集圖相符；HL型和LH型都是零散分布在寺莊鎮(zhèn)的中部、野川鎮(zhèn)北部及野川鎮(zhèn)的西部，只有3個(gè)行政村分別呈現(xiàn)出這2種現(xiàn)象。

圖5 村級(jí)利用等指數(shù)局部空間自相關(guān)關(guān)聯(lián)聚集圖Fig.5 Local spatial agglomeration of cultivated land use index in scale of village

3.3.3 村級(jí)耕地質(zhì)量經(jīng)濟(jì)等指數(shù)局部自相關(guān)分析

表2中村級(jí)耕地質(zhì)量經(jīng)濟(jì)等指數(shù)的局部自相關(guān)結(jié)果顯示，聚集分布的HH型和LL型的行政村個(gè)數(shù)共占高平市行政村總數(shù)的23.3%；不存在空間上呈現(xiàn)異常分布的HL型；異常分布的LH型有1個(gè)行政村；非顯著型的行政村個(gè)數(shù)占高平市行政村總數(shù)的76.48%。結(jié)合圖6，發(fā)現(xiàn)HH型主要分布在寺莊鎮(zhèn)東南部、永錄鄉(xiāng)西南部、南城街道中部及東部、米山鎮(zhèn)的中部及西部，出現(xiàn)了寺鎮(zhèn)莊—永錄鄉(xiāng)和南城街道—米山鎮(zhèn)2“組團(tuán)”聚集分布的現(xiàn)象；LL型主要分布在寺莊鎮(zhèn)北部及西部、陳區(qū)鎮(zhèn)中部、北詩(shī)鎮(zhèn)東部，與村級(jí)耕地質(zhì)量利用等指數(shù)的空間分布基本一致；LH型分布在寺莊鎮(zhèn)西部。

結(jié)合實(shí)際，寺莊鎮(zhèn)、永錄鄉(xiāng)、南城街道、米山鎮(zhèn)境內(nèi)皆地勢(shì)相對(duì)平緩，高平市內(nèi)鐵路、公路穿插其中，因此這幾個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地的投入產(chǎn)出較周邊幾個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)相對(duì)較好，即為HH型分布，與局部空間關(guān)聯(lián)聚集圖在空間分布上基本相符；而高平市整體東、西、北三面環(huán)山，屬于LL型的寺莊鎮(zhèn)、陳區(qū)鎮(zhèn)—北詩(shī)鎮(zhèn)“組團(tuán)”部分地形起伏較大，鐵路公路在這些地區(qū)難以普及，道路通達(dá)度較低，耕地的投入產(chǎn)出相對(duì)較差，經(jīng)濟(jì)狀況較差；表現(xiàn)為L(zhǎng)H型的寺莊鎮(zhèn)西部地形起伏較大，多為山區(qū)，對(duì)耕地的資金投入相對(duì)較少。

圖6 村級(jí)經(jīng)濟(jì)等指數(shù)局部空間自相關(guān)關(guān)聯(lián)聚集圖Fig.6 Local spatial agglomeration of cultivated land economic index in scale of village

3.3.4 耕地保護(hù)分區(qū)

本文先對(duì)耕地村級(jí)自然等指數(shù)、經(jīng)濟(jì)等指數(shù)和利用等指數(shù)的局部空間自相關(guān)結(jié)果進(jìn)行順序組合，統(tǒng)計(jì)得出：本文涉及17種組合，其中絕大部分組合為非，非，非(表3)。最終基于耕地村級(jí)質(zhì)量指數(shù)局部空間自相關(guān)類(lèi)型組合，結(jié)合相關(guān)管護(hù)規(guī)范，按照以下規(guī)則進(jìn)行分區(qū)：局部空間自相關(guān)類(lèi)型組合呈空間隨機(jī)分布、異常分布、高值聚集分布、低值聚集分布對(duì)應(yīng)將耕地保護(hù)劃分為農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整區(qū)域、土地整治重點(diǎn)區(qū)域、永久農(nóng)業(yè)建設(shè)區(qū)域和非農(nóng)建設(shè)理想?yún)^(qū)域(表4)。本文對(duì)高平市耕地進(jìn)行如下劃分并提出相應(yīng)管護(hù)措施(表5，對(duì)應(yīng)的還有分區(qū)結(jié)果圖7)：

(1)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整區(qū)域：對(duì)北城街道、三甲鎮(zhèn)、東城街道等區(qū)域耕地，根據(jù)各自實(shí)際情況實(shí)施適應(yīng)各自獨(dú)特的綜合性地調(diào)整措施，突出特色，改善布局，形成“一鄉(xiāng)一業(yè)”、“一村一品”的特色經(jīng)濟(jì)，從而“提高”本區(qū)域的耕地質(zhì)量，達(dá)到投入產(chǎn)出最大化的目的。

表3 高平市耕地質(zhì)量指數(shù)局部空間自相關(guān)類(lèi)型組合Tab.3 Combination of types of local spatial autocorrelation and statistics in Gaoping City

表4 耕地保護(hù)分區(qū)規(guī)則Tab.4 Zoning rules for cultivated land protection

(2)土地整治重點(diǎn)區(qū)域：本區(qū)域的耕地質(zhì)量呈異常情況，對(duì)野川鎮(zhèn)與寺莊鎮(zhèn)交匯處以及寺莊鎮(zhèn)東部小部分地區(qū)，可根據(jù)實(shí)際情況重點(diǎn)改善當(dāng)?shù)馗氐睦们闆r以及投入產(chǎn)出現(xiàn)狀，結(jié)合土地整治相關(guān)規(guī)范對(duì)本區(qū)域耕地進(jìn)行相應(yīng)整治。

(3)永久農(nóng)業(yè)建設(shè)區(qū)域：本區(qū)域的耕地自然條件優(yōu)越，對(duì)寺莊鎮(zhèn)、野川鎮(zhèn)、原村鄉(xiāng)、馬村鎮(zhèn)、河西鎮(zhèn)、南城街道與米山鎮(zhèn)一線的耕地維持其現(xiàn)狀，并嚴(yán)禁非農(nóng)建設(shè)，繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)耕地的保護(hù)，以期對(duì)周邊質(zhì)量較低的耕地產(chǎn)生擴(kuò)散效應(yīng)[21]。

(4)非農(nóng)建設(shè)理想?yún)^(qū)域：本區(qū)域的耕地自然條件較差，地勢(shì)起伏較大，道路通達(dá)度較低，耕地的投入產(chǎn)出相對(duì)較差，對(duì)寺莊鎮(zhèn)、永錄鄉(xiāng)、神農(nóng)鎮(zhèn)、陳區(qū)鎮(zhèn)、建寧鄉(xiāng)與北詩(shī)鎮(zhèn)沿縣域邊境一線的耕地，結(jié)合實(shí)際綜合性改良措施。此外，如若進(jìn)行退耕還林等農(nóng)地非農(nóng)化整治，該區(qū)域是較為理想的區(qū)域。

表5 基于局部空間自相關(guān)類(lèi)型組合的高平市 耕地綜合質(zhì)量分區(qū)Tab.5 Zoning of cultivated land protection based on combination of local spatial autocorrelation in Gaoping City

圖7 高平市耕地保護(hù)分區(qū)Fig.7 Cultivated land protection zoning in Gaoping City

4 結(jié)論

(1)針對(duì)耕地質(zhì)量局部自相關(guān)結(jié)果類(lèi)型的組合，將耕地保護(hù)區(qū)劃定為農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整區(qū)域、土地整治重點(diǎn)區(qū)域、永久農(nóng)業(yè)建設(shè)區(qū)域和非農(nóng)建設(shè)理想?yún)^(qū)域4類(lèi)。在耕地全局空間自相關(guān)分析結(jié)果呈整體聚集現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，對(duì)耕地進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析，并綜合耕地綜合質(zhì)量局部空間分析結(jié)果提出了耕地保護(hù)分區(qū)的方案。

(2)縣域耕地質(zhì)量在空間分布上呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。耕地質(zhì)量在空間上呈現(xiàn)出正相關(guān)類(lèi)型(HH型和LL型)多以“組團(tuán)”或者連線的形式存在，聚集性較為明顯；空間上負(fù)相關(guān)類(lèi)型(LH型和HL型)多為零星分布，聚集性不明顯。

(3)本研究方法考慮了耕地的綜合質(zhì)量，同時(shí)從空間角度出發(fā)，依據(jù)耕地綜合質(zhì)量的局部自相關(guān)結(jié)果的組合，結(jié)合實(shí)際情況，劃定了針對(duì)性的保護(hù)區(qū)，為耕地保護(hù)分區(qū)和管護(hù)拓寬了思路。

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2 謝俊奇，蔡玉梅，鄭振源，等．基于改進(jìn)的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)法的中國(guó)耕地糧食生產(chǎn)潛力評(píng)價(jià)[J]．中國(guó)土地科學(xué)，2004，18(4)：31-37． XIE Junqi, CAI Yumei, ZHENG Zhenyuan, et al. AEZ-based assessment for food productivity potential of cultivated land in China[J]. China Land Science,2004,18(4):31-37.(in Chinese)

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5 陳百明，周小萍．中國(guó)糧食自給率與耕地資源安全底線的探討[J]．經(jīng)濟(jì)地理，2005，25(2)：145-148． CHEN Baiming， ZHOU Xiaoping．Analysis on the grain self-sufficient ratio and the safe baseline of cultivated land and in China[J]. Economic Geography,2005,25(2):145-148.(in Chinese)

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Protection Zoning of Cultivated Land Comprehensive Quality Based on Spatial Autocorrelation

YANG Jianyu1,2XU Fan1ZHAO Long1ZHANG Chao1,2ZHAO Dongling1,2ZHANG Xin1

(1.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.KeyLaboratoryforAgriculturalLandQualityMonitoringandControl,MinistryofLandandResources,Beijing100035,China)

A scientific and reasonable protection zoning scheme of cultivated land was given by using the spatial autocorrelation analysis method, which combined the natural condition, utilize situation and economic level with the spatial characteristics of cultivated land. Firstly, the global autocorrelation was used to explore the global distribution of cultivated land quality in Gaoping City for further analysis. Then the local autocorrelation was used to study the local distribution of cultivated land quality in Gaoping City, regarding the cultivated land quality index as vitiate. Finally, a protection scheme was formulated based on the analysis results of the comprehensive quality. The main results were as follows: firstly, the cultivated land quality which included the natural condition, utilize situation and economic level exhibited significant aggregation of global spatial distribution in Gaoping City. Besides, the local distribution of cultivated land quality showed a regular pattern, which contained the HH type (high-high) and LL type (low-low) emerged as the shape of cluster, while the HL type (high-low) and LH type (low-high) were barely sporadic distributed in Gaoping City. At last, kinds of protection zoning were put forward according to the combination of comprehensive cultivated land quality index based on local spatial autocorrelation and actual situation, which would provide a reference for cultivated land protection in Gaoping City.

cultivated land quality index; spatial autocorrelation; regional protection of cultivated land; Gaoping City

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.020

2016-07-18

2016-08-04

國(guó)土資源部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)(201511010-06)

楊建宇(1974—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事3S技術(shù)及其土地應(yīng)用研究，E-mail： ycjyyang@cau.edu.cn

F301.21

A

1000-1298(2017)03-0156-08