基于ESDA的湖南省耕地质量空间差异分析

唐晖+黄翔

摘 要 利用湖南省2014年度耕地质量等别县级年度更新数据，采用面积加权平均法，计算各行政区的耕地平均等别；采用探索性空间分析方法（ESDA）分析湖南省耕地质量等别的空间分布情况.研究结果表明：湖南省耕地质量等别在空间分布上呈现较强的聚集性规律，湖南省东北部的等别普遍低于西部及西北部，即东北部的耕地质量要优于西部及西北部.耕地质量等别空间正相关类型多以“抱团”的形式出现，聚集性较强；而负相关类型则无明显的集中区域，国家经济等无负相关区域.最后结合耕地质量等别空间差异分析结果，提出耕地质量保护分区建议.

关键词 耕地质量等别；空间差异；ESDA方法；湖南省

中图分类号 X825文献标识码 A文章编号 1000-2537（2017）04-0021-05

Abstract The mean grade in each county-level city was calculated with annual database of 2014 about the cultivated land quality by using the weighted average method. Analysis space difference of cultivated land quality grade in Hunan province based on ESDA. The results showed that the cultivated land quality， which included the natural condition， utilizing situation and economic level， exhibited significant aggregation of global spatial distribution in Hunan province. Besides， the local distribution of cultivated land quality showed that the level of northeast area less than west and northwestern. HH type and LL type emerged as the shape of cluster， while the HL type and LH type were barely sporadic distributed in Hunan province.At last， kinds of protection zoning were put forward according to the results.

Key words cultivated land quality grade； space difference； ESDA； Hunan province

耕地作为人类必不可少的生存资料，对保证粮食安全、维持社会经济可持续发展具有重要的现实意义[1].为了更好地保障国家粮食安全，国土资源部在1999—2009年组织全国范围内的分省农用地分等调查评价任务，并于2009年完成了全国农用地分等工作，为我国耕地质量研究提供了一套完善的成果体系[2]，对我国耕地质量等别差异性有了初步的了解.但耕地质量的差异不仅仅体现在数量等级上，在空间分布上也存在一定的差异，表现出一定的空间集聚性或者离散性[3]，而空间差异是耕地保护工作需要考虑的一个重要因素，鉴于此，本文以湖南省为例，基于2014年度耕地质量等别更新数据，借助GeoDA 1.10和ArcGIS 10.2空间分析软件，利用ESDA方法深入剖析湖南省各县、区、市耕地质量国家自然等、利用等、经济等分布的空间差异性，以期为湖南省耕地保护分区提供科学依据.

1 研究区及数据概况

1.1 研究区概况

湖南省地处中国中部、长江中游，东经108°47′～114°15′，北以滨湖平原与湖北接壤.东北部是幕连九山脉，东部是罗霄山脉，西部是武陵山脉和雪峰山脉，南部是南岭，中部是湘中盆地群，北部是两湖盆地里的洞庭湖平原.湖南省共辖13个地级市、1个自治州；35个市辖区、16个县级市、64个县、7个自治县，共122个县区级行政单元.

湖南年日照时数为1 300～1 800 h，年平均温度为15～18 ℃.年平均降水量为1 200～1 700 mm.根据湖南省2014年度耕地质量更新评价调查结果，湖南省耕地总面积4 153 222.61 hm2，耕地自然质量等分为15个等别，其中1等地自然质量水平最高，15等地自然质量水平最低.从图1可以看出，湖南省耕地自然质量等别主要集中分布在1～6等，占全部耕地面積的74.06%，整体质量偏好.

1.2 主要数据来源

本文所使用的数据均来自2014年度湖南省耕地质量等别年度更新数据库以及湖南省行政区划图，涉及1 720 722个图斑.

2 研究方法

2.1 面积加权平均法

面积加权平均法主要是用来计算区域耕地质量的总体平均水平[4].本文采用面积加权平均法计算湖南省各级行政区域的平均自然等别、平均利用等别和平均经济等别，用以分析该地区的耕地质量状况，并为进一步进行空间差异分析奠定基础.计算公式为：

2.2 ESDA方法

2.2.1 空间权重矩阵 通常，在进行空间自相关分析之前，需要定义一个二元对称空间权重矩阵W来表现空间对象间相互作用的空间关系.ANSELIN[5]认为空间位置的相邻关系划分为三类：邻接、距离和最近K点.采用Rook contiguity标准邻接规则定义的权重矩阵.空间权重的定义表达式如下：

2.2.2 全局空间自相关 全局空间自相关是对属性值在整个区域空间特征的描述，反映整个区域的空间集聚程度[6-7].通过全局空间自相关来衡量区域间整体上的空间关联与差异[8].目前，应用于全局自相关的最主要方法是Morans I指数，本文选用该指数来对湖南省耕地质量等别空间模式整体进行定量描述，其计算公式为：

全局空间自相关中Moran指数I的取值范围为[-1，1]，当I值接近于1时，说明相同属性的单元集聚在一起（高值与高值相邻、低值与低值相邻）；当值接近-1时，相异属性的单元集聚（高值与低值相邻、低值与高值相邻）.若Morans I指数值接近于0，代表单元属性随机分布，单元之间不存在空间相关性[9].

2.2.3 局部空间自相关 本文研究的局部空间相关性主要通过局部莫兰指数（Local Moran Index），统计量常用LISA（Local indicator of spatial association），表达式为：LISA=（xi-）S2x∑i[Wij（xi-）].

LISA为正值表示该空间单元与邻近单元的属性值相似，即高值被高值包围或低值被低值包围；LISA为负值表示该空间单元与邻近单元的属性值相异，即一个低值被高值区域包围或者一个高值被低值区域包围[10].

3 结果与分析

3.1 全局空间自相关分析

利用GeoDA 1.10软件计算出湖南省耕地质量国家自然等别、国家利用等别以及国家经济等别的全局Morans I值分别为0.69，0.84和0.77（见表1），均趋近于1，所以认为湖南省县区级耕地质量等别在全局上都呈现较强的正相关性.为了检验各年度Morans I是否显著，采用蒙特卡洛模拟方法进行检验，结果显示各项P-value均为0.001，通过显著性检验.这说明湖南省县区耕地质量等别相似的地区在空间上分布集中（见图2），就相关程度来说，耕地国家利用等>国家经济等>国家自然等.

3.2 局部空间自相关分析

通过计算全局Morans I指数，可以知道湖南省的耕地国家自然等、国家利用等和国家经济等全局自相关关系显著，高值区和高值区、低值区与低值区出现了明显的集聚现象.但并不能了解集聚发生的具体位置，为了进一步了解集聚发生的位置，采用局部自相关分析进行探索.运行GeoDA1.10中Univariate Local Morans I命令，得到2014年度国家自然等、国家利用等和国家经济等Cluster Map（见图3）.

3.2.1 耕地质量国家自然等局部空间自相关分析 根据表2中耕地质量国家自然等局部空间自相关类型统计可知，同类聚集分布的HH型和LL型县区个数占总行政单元个数的43.90%；在空间上呈现异常分布的HL型和LH型只有3個县区，仅占湖南省县区行政单元总数的2.44%；非显著型呈现随机分布的县区有66个，占湖南省县区行政单元总数的53.66%.结合图3湖南省耕地质量国家自然等集聚图，LL型主要“组团”分布在常德市、益阳市、岳阳市、长沙市以及衡阳市部分区域；而HH型主要集中分布在湘西北的湘西、张家界地区以及湘西南的邵阳市.

结合湖南省实际地形地势分析，LL型“组团”出现在省域东北区域，该地区属于环洞庭湖平原地区以及湘南南岭丘陵槽谷地带，该区域地势平坦、土壤肥沃，多为良田沃土，历来就是“鱼米之乡”，这个结果与局部空间关联图基本符合；HH型则分布在湘西与湘南的丘陵山地区，易产生水土流失，多开垦为梯田，一部分为坡耕旱地或林地，耕地质量一般较差，这个结果与局部空间关联图基本符合.

3.2.2 耕地质量国家利用等局部空间自相关分析 根据表2中耕地质量国家利用等局部空间自相关类型统计可知，同类聚集分布的HH型和LL型县区个数为70个，占总行政单元个数的56.91%；在空间上呈现异常分布的HL型和LH型只有1个县区；非显著型呈现随机分布的县区有52个，占湖南省县区行政单元总数的42.28%.空间分布上，正相关类型呈现鲜明的“组团”分布特征，聚集性较强，这跟全局空间自相关得到的结果一致.HH型主要分布在湘南、湘西南和湘西北地区，LL型主要分布在湘东北地区，包括岳阳、常德、益阳、长沙等地区.

根据湖南省耕地利用实际情况分析，岳阳—常德—长沙—株洲—益阳这一区域的耕地多分布与京广线以及交通主干道附近，地势较为平缓，距离居民点较近，能够得到较好的管理，耕地利用情况好，因此耕地质量国家利用等表现为低值聚集分布；而湘西、怀化、邵阳、永州和郴州大部分地区位于湘西北山原山地区、湘西山地区、湘南山丘区，地形起伏较大，难以进行大规模机械化作业，对耕地的利用较困难，因此耕地质量国家利用等表现为高值聚集分布.

3.2.3 耕地质量国家经济等局部空间自相关分析 根据表2中耕地质量国家经济等局部空间自相关类型统计可知，同类聚集分布的HH型和LL型县区个数为63个，占总行政单元个数的51.22%；在空间上无异常分布的HL型和LH型县区；非显著型呈现随机分布的县区有70个，占湖南省县区行政单元总数的48.78%.空间分布上，正相关类型呈现鲜明的“组团”分布特征，聚集性较强.HH型主要分布在湘南、湘西南和湘西北地区，LL型主要分布在湘东北地区，包括岳阳、常德等地区.

根据湖南省耕地投入产出实际情况分析，岳阳、常德和长沙大部分地区处于环洞庭湖平原地区，土壤肥沃、交通条件良好，因此耕作的投入产出比较高，表现为耕地质量国家经济等别低值聚集分布；而湘西州、怀化、邵阳和永州大部分地区位于湘西北山地区、湘南山丘区，地形起伏大，土壤贫瘠，交通不便，该区域的耕地投入产出比较低，经济状况较差，表现为耕地质量国家经济等别高值聚集分布.

4 结论与讨论

采用探索性空间分析方法（ESDA），以耕地质量等别为变量，探讨湖南省耕地质量的空间集聚性规律及空间差异情况，通过研究发现：湖南省耕地质量等别在空间分布上呈现较强的集聚性规律.就耕地质量国家自然等别而言，湖南省东北部的等别低于西部及西北部，也就是说东北部的耕地质量要由于西部及西北部；国家利用等和经济等在聚集区域在空间分布上较为一致，高等别区域集中在省域西部及南部，而低等别区域集中在东北部.耕地质量等别空间正相关类型多以“抱团”的形式出现，集聚性较强；而负相关类型则无明显的集中区域，国家经济等无负相关区域.

湖南省耕地质量等别空间分布及差异分析是进行永久基本农田划定、耕地保护分区的基础和前提，根据前文的耕地質量等别空间分布特征及差异分析结果，提出以下耕地质量保护分区建议：

（1） 空间自相关类型呈现LL型区域的耕地应作为永久基本农田划定的重点区域.该地区耕地质量等别呈现空间低值聚集分布，即高质量耕地集聚区域，该区域耕地应优先划定为永久基本农田，维持高质量现状.

（2） 空间自相关类型呈现HH型区域的耕地应作为非农化理想区域.该地区耕地质量等别呈现空间高值聚集分布，即低质量、难利用、产出低下的耕地集聚区域，对于该区域的耕地可以进行综合性改良，如果需要进行退耕还林应优先考虑这部分耕地.

参考文献：

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