范雙云，夏琪琪，胡耀躲，鄧楚雄

（1.長(zhǎng)沙永信土地規(guī)劃咨詢有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.湖南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081）

耕地是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)[1-4]。隨著新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的加快和部分區(qū)域耕地的不合理利用，耕地保護(hù)與區(qū)域發(fā)展的矛盾更加突出。因此，了解區(qū)域耕地的數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)集聚特征，并以此進(jìn)行差異化的保護(hù)尤為重要。以長(zhǎng)沙市為例，構(gòu)建耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)三位一體的指標(biāo)，借助空間自相關(guān)的分析方法，分析長(zhǎng)沙市耕地的數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)集聚特征，明確耕地保護(hù)分區(qū)及保護(hù)重點(diǎn)[5]，以期為自然資源主管部門制定耕地保護(hù)政策提供參考。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)土地總面積11 819 km2。區(qū)域內(nèi)地形起伏小，是典型的丘陵地區(qū)。區(qū)域水系完整，河網(wǎng)密布，坑塘眾多，耕作條件相對(duì)較好。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用的數(shù)據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)為2018年,耕地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于區(qū)域土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和耕地質(zhì)量等別年度更新評(píng)價(jià)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(xù)發(fā)展和保護(hù)的中等尺度。具體而言，本文選擇了長(zhǎng)沙市下轄的1 247個(gè)行政村（社區(qū)）作為空間單元，以行政村（社區(qū)）作為研究尺度。

2 研究指標(biāo)與方法

2.1 耕地?cái)?shù)量指標(biāo)

本研究數(shù)量指標(biāo)采用耕地密度指標(biāo)。其公式為：

式中：Dio，Sio和Si分別表示第i個(gè)村（社區(qū)）的耕地密度、耕地面積和土地面積。采用ArcGIS軟件分析區(qū)域土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，獲取研究區(qū)域耕地密度數(shù)據(jù)。

2.2 耕地質(zhì)量指標(biāo)

本研究耕地質(zhì)量指標(biāo)采用耕地綜合質(zhì)量指數(shù)。具體公式如下：

式中：Rj，Rij和Sij分別表示第j個(gè)村（社區(qū)）的耕地綜合質(zhì)量指數(shù)、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(qū)域土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和耕地質(zhì)量等別年度更新評(píng)價(jià)成果，可獲取研究區(qū)域耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)。

2.3 耕地生態(tài)指標(biāo)

本研究生態(tài)指標(biāo)采用景觀生態(tài)安全指數(shù)。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(tài)安全指數(shù)；A，F(xiàn)，D，P和ED分別代表面積加權(quán)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(quán)重，本研究借鑒錢鳳魁等學(xué)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(tài)數(shù)據(jù)具體可通過(guò)對(duì)耕地現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行空間分析后獲取。

2.4 空間自相關(guān)分析法

空間自相關(guān)分為全局和局部自相關(guān)。具體公式如下：

式中：xi和xj分別為在第i和j個(gè)空間的屬性；n，u，Wij和So分別為樣本數(shù)、平均值、空間權(quán)重矩陣和全部權(quán)重之和。同時(shí)考慮本研究重點(diǎn)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(guān)的空間權(quán)重時(shí)采用最近k點(diǎn)關(guān)系法（k=6）。

根據(jù)研究空間單元與鄰接關(guān)系內(nèi)空間單元的Moran’s I 值平均數(shù)的關(guān)系，明確高值屬性和低值屬性區(qū)域。若研究空間單元的Moran’s I 值平均數(shù)高，則明確為高值屬性區(qū)域，反之則為低值屬性區(qū)域。

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

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地的空間分布

在耕地?cái)?shù)量分布上，長(zhǎng)沙市西部和北部地區(qū)耕地?cái)?shù)量普遍高于中部、東部和南部地區(qū)，耕地主要集中在寧鄉(xiāng)市、望城區(qū)西部、長(zhǎng)沙縣東部等地，中部地區(qū)耕地相對(duì)較少。在耕地質(zhì)量分布上，長(zhǎng)沙市的西部、北部耕地質(zhì)量明顯高于中部及東部地區(qū)。耕地綜合質(zhì)量指數(shù)較高的地區(qū)主要集中在寧鄉(xiāng)市、望城區(qū)和岳麓區(qū)等地區(qū)，而瀏陽(yáng)市耕地質(zhì)量整體偏低。在耕地生態(tài)的空間分布上，高值區(qū)域和低值區(qū)域空間分布明顯，總體來(lái)說(shuō)中部及東部地區(qū)景觀生態(tài)安全性低于周邊地區(qū)，耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)較高的地區(qū)主要集中在寧鄉(xiāng)市和長(zhǎng)沙縣等長(zhǎng)沙市中心城區(qū)周邊區(qū)域，長(zhǎng)沙市中心城區(qū)內(nèi)及瀏陽(yáng)市耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)整體較低。

3.2 耕地的空間自相關(guān)分析

3.2.1 全局自相關(guān)分析

根據(jù)耕地全局自相關(guān)分析結(jié)果，如表2和圖1所示，長(zhǎng)沙市耕地?cái)?shù)量、耕地質(zhì)量和耕地生態(tài)指數(shù)的Moran’sI均為正，表明長(zhǎng)沙市耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)在空間上均存在正相關(guān)性。

圖1 長(zhǎng)沙市耕地全局自相關(guān)分析散點(diǎn)圖Fig.1 Scatter diagram of global spatial autocorrelation analysis of cultivated land in Changsha

表2 長(zhǎng)沙市耕地全局自相關(guān)分析結(jié)果Table 2 Results of global spatial autocorrelation analysis of cultivated land in Changsha

3.2.2 局部自相關(guān)分析

根據(jù)耕地局部自相關(guān)分析結(jié)果，長(zhǎng)沙市耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量空間正相關(guān)區(qū)域較多，集聚性顯著，耕地生態(tài)空間無(wú)明顯的空間分布特征。具體見表3。

表3 長(zhǎng)沙市耕地局部自相關(guān)分析結(jié)果Table 3 Results of local spatial autocorrelation analysis of cultivated land in Changsha

3.3 基于空間自相關(guān)的耕地保護(hù)分區(qū)

通過(guò)將耕地?cái)?shù)量、耕地質(zhì)量和耕地生態(tài)的空間自相關(guān)分析結(jié)果進(jìn)行疊加分析，發(fā)現(xiàn)負(fù)相關(guān)類型（HL型和LH型）區(qū)域在空間聚類結(jié)果中占據(jù)的區(qū)域數(shù)量較少，且多分布于HH區(qū)域和LL區(qū)域周邊，因此不納入本研究分區(qū)考慮。在此基礎(chǔ)上依據(jù)H型、L型和非顯著型的不同排列組合方式，同時(shí)將筆者研究的長(zhǎng)沙市城鎮(zhèn)開發(fā)建設(shè)潛力區(qū)域圖中潛力面積占行政村（社區(qū)）面積比重超過(guò)30%的行政村（社區(qū)）予以剔除，得到長(zhǎng)沙市耕地保護(hù)分區(qū)結(jié)果，涉及718個(gè)行政村（社區(qū)），總面積為9 530.60 km2，共分為4個(gè)一級(jí)區(qū)和8個(gè)二級(jí)區(qū)，具體見表4、圖2和圖3。

表4 基于空間自相關(guān)的長(zhǎng)沙市耕地保護(hù)分區(qū)Table 4 Zoning of cultivated land protection based on spatial autocorrelation in Changsha

圖2 長(zhǎng)沙市耕地保護(hù)一級(jí)分區(qū)圖Fig.2 The first-level protection zones of cultivated land in Changsha

圖3 長(zhǎng)沙市耕地保護(hù)二級(jí)分區(qū)圖Fig.3 The second-level protection zones of cultivated land in Changsha

3.3.1 重要保護(hù)區(qū)

本文將H型與非顯著型的組合類型劃為重要保護(hù)區(qū)，涉及296個(gè)行政村單元。其中耕地面積891.76 km2，約占研究區(qū)耕地面積的51.50%。重要保護(hù)區(qū)連片分布在長(zhǎng)沙西部和中部，在耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)方面都具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，且形成了空間集聚效應(yīng)。根據(jù)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)條件的集聚類型中H型與非顯著型的組合，重要保護(hù)區(qū)劃分為核心保護(hù)區(qū)、重點(diǎn)保護(hù)區(qū)、側(cè)重保護(hù)區(qū)3個(gè)二級(jí)區(qū)。

（1）核心保護(hù)區(qū)是耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)的集聚類型均為H型的區(qū)域，涉及8個(gè)行政村。其中耕地面積27.00 km2，約占研究區(qū)耕地面積的1.56%。區(qū)域內(nèi)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)都表現(xiàn)出高值集聚特征，因此是耕地保護(hù)的核心區(qū)域。該區(qū)域應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)耕地管護(hù)工作，禁止非農(nóng)建設(shè)；同時(shí)考慮核心保護(hù)區(qū)內(nèi)耕地占比較大和農(nóng)業(yè)設(shè)施健全等因素，也應(yīng)是建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的首選，以強(qiáng)化擴(kuò)散效應(yīng)。

（2）重點(diǎn)保護(hù)區(qū)是耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)的集聚類型中有2種是H型、另外1種是非顯著型的區(qū)域，包括123個(gè)行政村單元。其中耕地面積406.66 km2，約占研究區(qū)耕地面積的23.49%。考慮該區(qū)域在某種屬性上未表現(xiàn)出空間集聚性，可針對(duì)該屬性采取積極的保護(hù)措施以提升其空間集聚性。

（3）側(cè)重保護(hù)區(qū)是耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)的集聚類型中有1種是H型、另外2種是非顯著型的區(qū)域，包括165個(gè)行政村單元。其中耕地面積458.10 km2，約占研究區(qū)范圍耕地面積的26.46%。該區(qū)域應(yīng)側(cè)重保護(hù)耕地優(yōu)勢(shì)屬性，并通過(guò)工程措施改進(jìn)耕地非顯著型屬性，使其向重點(diǎn)保護(hù)區(qū)和核心保護(hù)區(qū)發(fā)展。

3.3.2 積極保護(hù)區(qū)

本文將H型、L型與非顯著型的組合類型劃為積極保護(hù)區(qū)，呈零散點(diǎn)狀分布在重要保護(hù)區(qū)周邊，共涉及4個(gè)行政村單元。其中耕地面積32.04 km2，約占研究區(qū)范圍耕地面積的1.85%。根據(jù)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)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(hù)區(qū)劃分為潛力保護(hù)區(qū)和適度保護(hù)區(qū)2個(gè)二級(jí)保護(hù)區(qū)。

（1）潛力保護(hù)區(qū)包括1個(gè)行政村單元，耕地面積27.00 km2，約占研究區(qū)耕地面積的1.56%。區(qū)域內(nèi)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(fā)展的限制因素就是表現(xiàn)為低值集聚特征的屬性。該區(qū)域內(nèi)耕地應(yīng)加強(qiáng)重點(diǎn)管護(hù)工作，重視該區(qū)域耕地的提升潛力。

（2）適度保護(hù)區(qū)包括3個(gè)行政村單元，耕地面積5.04 km2，約占研究區(qū)耕地面積的0.29%，區(qū)域內(nèi)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(méi)有集聚特征的離散分布的屬性。本區(qū)域應(yīng)針對(duì)優(yōu)勢(shì)屬性進(jìn)行重點(diǎn)保護(hù)，并發(fā)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(hù)區(qū)和重點(diǎn)保護(hù)區(qū)發(fā)展。

3.3.3 調(diào)控保護(hù)區(qū)

本文將耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)的空間集聚特征均表現(xiàn)為非顯著型的區(qū)域劃為調(diào)控保護(hù)區(qū)，涉及369個(gè)行政村。其中耕地面積777.32 km2，約占研究區(qū)耕地面積的44.89%，集中分布于瀏陽(yáng)市、長(zhǎng)沙縣東北部、岳麓區(qū)西部和寧鄉(xiāng)市西部等地。該區(qū)域大多位于重要保護(hù)區(qū)與一般保護(hù)區(qū)的中間地帶，相鄰區(qū)域間耕地水平具有一定差異。未來(lái)應(yīng)在其他類型保護(hù)區(qū)進(jìn)行保護(hù)或整治的同時(shí)，監(jiān)測(cè)其變化，促進(jìn)其向重點(diǎn)保護(hù)區(qū)轉(zhuǎn)變，以提高長(zhǎng)沙耕地的整體水平。另外可適當(dāng)采取農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的方式，以發(fā)揮耕地的比較優(yōu)勢(shì)[8]。

3.3.4 一般保護(hù)區(qū)

本文將L型與非顯著型的組合類型劃為一般保護(hù)區(qū)，共包括49個(gè)行政村單元。其中耕地面積30.36 km2，約占研究區(qū)耕地面積的1.75%，在寧鄉(xiāng)市黃材鎮(zhèn)、瀏陽(yáng)市中部及東北部呈片狀分布。該區(qū)域在耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)方面都低于平均水平，且這種劣勢(shì)形成了空間集聚效應(yīng)，在耕地保護(hù)上受到諸多影響因素的限制，對(duì)耕地保護(hù)的意義不大，是耕地整治與改良的重點(diǎn)對(duì)象。根據(jù)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)條件的集聚類型中L型與非顯著型的組合，將一般保護(hù)區(qū)劃分為一般整治區(qū)、側(cè)重改良區(qū)2個(gè)二級(jí)保護(hù)區(qū)。

（1）一般整治區(qū)包括11個(gè)行政村單元，耕地面積3.19 km2，約占研究區(qū)耕地面積的0.18%，耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)3種屬性中有2種屬性顯示出低值集聚。區(qū)內(nèi)耕地較少，耕地質(zhì)量較差，農(nóng)業(yè)設(shè)施不健全，生態(tài)脆弱，是耕地中難以整治的區(qū)域。該區(qū)域應(yīng)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(dāng)調(diào)整為非農(nóng)用地。同時(shí)也應(yīng)關(guān)注非顯著型屬性，防止耕地條件進(jìn)一步退化。

（2）側(cè)重改良區(qū)包括38個(gè)行政村單元，耕地面積27.17 km2，約占研究區(qū)耕地面積的1.57%，該類區(qū)域的耕地在數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)中的某一方面表現(xiàn)出低值集聚的空間特征。該區(qū)域應(yīng)針對(duì)劣勢(shì)屬性進(jìn)行改良。另外因該區(qū)域靠近一般整治區(qū)，具有與一般整治區(qū)較為相似的自然條件和生態(tài)環(huán)境，易受到負(fù)面的外部性影響，缺乏因地制宜的管護(hù)，因此，應(yīng)采取側(cè)重改良與宏觀調(diào)控相結(jié)合的方式進(jìn)行保護(hù)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)運(yùn)用空間自相關(guān)分析法對(duì)耕地的數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)特征進(jìn)行挖掘，并明確了長(zhǎng)沙市耕地保護(hù)分區(qū)及保護(hù)重點(diǎn)。

在耕地?cái)?shù)量分布上，長(zhǎng)沙市耕地密度較高的地區(qū)主要集中在寧鄉(xiāng)市、望城區(qū)西部、長(zhǎng)沙縣東部等地區(qū)。在耕地質(zhì)量分布上，耕地綜合質(zhì)量指數(shù)較高的地區(qū)主要集中在寧鄉(xiāng)市、望城區(qū)、岳麓區(qū)等地區(qū)。在耕地生態(tài)的空間分布上，耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)較高的地區(qū)主要集中在寧鄉(xiāng)市和長(zhǎng)沙縣等長(zhǎng)沙市中心城區(qū)周邊區(qū)域?？傮w上看，長(zhǎng)沙市寧鄉(xiāng)市、長(zhǎng)沙縣、望城區(qū)及岳麓區(qū)等區(qū)域是耕地保護(hù)的重點(diǎn)區(qū)域。

根據(jù)對(duì)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量和生態(tài)空間自相關(guān)分析，長(zhǎng)沙市耕地?cái)?shù)量集聚性顯著，高密度集聚區(qū)主要在寧鄉(xiāng)市，是長(zhǎng)沙最主要的農(nóng)業(yè)發(fā)展區(qū)。低密度集聚區(qū)主要是在長(zhǎng)沙市中心城區(qū)呈片狀分布。長(zhǎng)沙中部耕地質(zhì)量的集聚特征相對(duì)顯著，產(chǎn)生正相關(guān)類型的區(qū)域較多，耕地質(zhì)量空間集聚整體呈“西優(yōu)東劣”分布格局。長(zhǎng)沙耕地生態(tài)的集聚特征較呈離散片狀分布，耕地景觀生態(tài)安全指數(shù)集聚性較低，無(wú)明顯的空間分布格局。

針對(duì)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量及生態(tài)集聚類型的組合，綜合確定將長(zhǎng)沙市耕地保護(hù)區(qū)域共分為重要保護(hù)區(qū)、積極保護(hù)區(qū)、調(diào)控保護(hù)區(qū)和一般保護(hù)區(qū)4類一級(jí)區(qū)和8類二級(jí)區(qū)，并制定差異化的保護(hù)方案[9]，為自然資源主管部門制定三位一體的耕地保護(hù)政策提供參考。

對(duì)耕地現(xiàn)狀情況的分析采用自然斷點(diǎn)法分級(jí)，斷點(diǎn)的區(qū)別可能直接影響耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量及生態(tài)的分布特征；同時(shí)耕地圖斑的質(zhì)量評(píng)定采用耕地綜合質(zhì)量指數(shù)，可能無(wú)法全面反映影響耕地質(zhì)量的土壤條件、立地條件和生態(tài)條件的變化情況：以上因素在一定程度上影響了耕地保護(hù)分區(qū)的結(jié)果。如何提高耕地保護(hù)分區(qū)的科學(xué)性，還需要進(jìn)一步實(shí)踐與探索。