湖北省耕地產(chǎn)能核算及空間變異規(guī)律

聶艷，吳西子，孫軼，趙小燦，戴維斌，邵云

（1．華中師范大學城市與環(huán)境科學學院，湖北 武 漢430079；2．湖北省國土資源廳，湖北 武 漢430071）

0 引言

糧食安全問題涉及人口、資源、環(huán)境、社會、經(jīng)濟以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平等多個子系統(tǒng)，一直是當今國際社會面臨的主要問題之一，而作為糧食綜合生產(chǎn)能力的最基本要素之一的耕地，是實現(xiàn)國家糧食安全的基礎和保證［1］．針對我國人多地少、耕地后備資源不足等形勢，我國開展了耕地占補平衡，而以耕地分等成果為基礎的產(chǎn)能核算可作為耕地占補平衡考核標準，從而推動占補的數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)的多重平衡．近年來，在農(nóng)用地分等成果的基礎上，學者們對耕地產(chǎn)能核算方法做了很多研究，如張鳳榮等通過審計品種的區(qū)域試驗產(chǎn)量為基礎預測耕地產(chǎn)能［2］，鄖文聚等提出了基于耕地分等與農(nóng)業(yè)統(tǒng)計的產(chǎn)能核算方法［3］，并初步構(gòu)建了耕地產(chǎn)能的動態(tài)監(jiān)測體系［4］；許妍等在產(chǎn)能核算成果的基礎上探討了耕地產(chǎn)能提升的主導因子［5］；部分學者也分別選擇不同的研究區(qū)域進行糧食綜合生產(chǎn)能力的核算研究［6，7］．在成果應用上，耕地整理數(shù)量質(zhì)量潛力測算、耕地保護級別評定、基本農(nóng)田劃定等都可以看到產(chǎn)能核算的身影，并取得了較好的效果［8，9］．從目前的研究來看，對省域尺度上耕地產(chǎn)能核算的研究報道較少，對其結(jié)果尤其是省域產(chǎn)能空間分異的研究還缺乏深入分析，而省域尺度是國家糧食安全及耕地保護關(guān)注的重點，研究省域耕地產(chǎn)能有重要的意義．本文中即以此為目標，基于農(nóng)用地分等成果，以湖北省為研究區(qū)域，構(gòu)建不同層次的耕地產(chǎn)能核算模型，測算各耕作區(qū)不同層次的單產(chǎn)，并分析省域尺度耕地產(chǎn)能的空間分異規(guī)律，全面掌握湖北省耕地綜合產(chǎn)能狀況，為制定耕地保護對策、劃定土地整治重點區(qū)域、促進耕地和經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展等具有重要指導意義，是深化耕地資源數(shù)量、質(zhì)量并重管理的重要途徑和方法．

1 研究區(qū)概況

湖北省地處我國中部、長江中游、洞庭湖之北（北緯29°05′～33°20′，東經(jīng)108°21′～116°07′），總面積18．59萬km2，占全國總面積的1．94%，東西長約740km，南北寬約470km．現(xiàn)轄12個省轄市、1個自治州、1個林區(qū)和3個省管市，2012年底戶籍人口為6 217萬人．該區(qū)屬亞熱帶季風性濕潤氣候，光照充足，熱量豐富，是著名的“魚米之鄉(xiāng)”，其中的江漢平原是我國重要的糧食生產(chǎn)基地之一．全省土地開發(fā)程度較高，耕地資源自然質(zhì)量較好，《農(nóng)用地分等規(guī)程》將湖北省劃分為5個二級指標區(qū)：鄂豫皖丘陵區(qū)、沿江平原區(qū)、西部丘陵山地區(qū)、盆周秦巴山地和川鄂湘黔淺山區(qū)．隨著2007年底武漢城市圈被國務院批準為“兩型”社會建設綜合配套改革試點、湖北省實施“兩圈一帶”發(fā)展戰(zhàn)略，作為湖北省探索振興之路的戰(zhàn)略思路集成，以“兩圈”為引擎、以“一帶”為傳動，將掀起湖北省新一輪經(jīng)濟發(fā)展的高峰，形成優(yōu)勢互補、相互聯(lián)動的整體發(fā)展戰(zhàn)略和省域空間協(xié)調(diào)發(fā)展新格局．

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

耕地產(chǎn)能包括理論產(chǎn)能、可實現(xiàn)產(chǎn)能和實際產(chǎn)能3個層次，形式上可以用單產(chǎn)和總產(chǎn)表示．在農(nóng)用地分等成果的基礎上，采用基于農(nóng)用地分等與農(nóng)業(yè)統(tǒng)計相結(jié)合的方法進行核算．以2010年12月31日為核算基期年，通過建立二級區(qū)的產(chǎn)能核算模型測算全省不同層次的產(chǎn)能數(shù)據(jù)，并作為全省耕地產(chǎn)能空間異質(zhì)性分析的基礎．

2．1 數(shù)據(jù)來源 湖北省分縣（市、區(qū)）農(nóng)用地分等成果（技術(shù)報告、數(shù)據(jù)表格和數(shù)據(jù)庫），理論單產(chǎn)樣本調(diào)查數(shù)據(jù)805個，可實現(xiàn)單產(chǎn)抽樣調(diào)查樣本6 109個，2009－2011年縣（市、區(qū)）統(tǒng)計年鑒和各地填報的《各鄉(xiāng)鎮(zhèn)指定作物統(tǒng)計產(chǎn)量調(diào)查表》、《鄉(xiāng)鎮(zhèn)近三年主要作物的播種面積、產(chǎn)量》調(diào)查表格．

2．2 研究方法 產(chǎn)能核算的主要依據(jù)是農(nóng)用地分等成果，其中核心是自然等指數(shù)和利用等指數(shù)．基于農(nóng)用地分等與農(nóng)業(yè)統(tǒng)計的產(chǎn)能核算方法，即在分等成果的基礎上，借助外業(yè)調(diào)查收集的樣本單產(chǎn)等數(shù)據(jù)，構(gòu)建產(chǎn)能核算模型測算耕地不同層次和不同區(qū)域的產(chǎn)能．

2．2．1 耕地理論產(chǎn)能核算 耕地理論產(chǎn)能是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得到充分保證，其他環(huán)境因素均處于最優(yōu)狀態(tài)時，在當?shù)貙嶋H光、熱、水、土等資源條件下，農(nóng)作物所能達到的最高產(chǎn)量．以二級指標區(qū)為單位，通過理論單產(chǎn)樣點指定作物審定品種的區(qū)域試驗單產(chǎn)，建立與對應的自然質(zhì)量等指數(shù)的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)過數(shù)理分析和論證檢驗，確定各二級區(qū)理論單產(chǎn)核算模型（表1）．將分等單元的自然質(zhì)量等指數(shù)代入函數(shù)方程獲取分等單元的理論單產(chǎn)，然后乘以相對單元的耕地面積得到單元的理論產(chǎn)能；經(jīng)鄉(xiāng)、縣、二級區(qū)等行政級別的匯總和計算得到對應的理論產(chǎn)能和單產(chǎn)．

2．2．2 耕地可實現(xiàn)產(chǎn)能核算 耕地可實現(xiàn)產(chǎn)能是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件得到基本保證，其他環(huán)境因素均處于正常狀態(tài)時，在當?shù)貙嶋H光、熱、水、土等資源條件下，平均投入農(nóng)作物所形成的正常年景能夠達到的糧食產(chǎn)量．以二級指標區(qū)為單位，通過可實現(xiàn)單產(chǎn)樣點抽樣調(diào)查正常年景下指定農(nóng)作物能夠獲得的最高產(chǎn)量，建立與對應的利用等指數(shù)的函數(shù)關(guān)系，經(jīng)過數(shù)理分析和論證檢驗，確定各二級區(qū)可實現(xiàn)單產(chǎn)核算模型（表2）．同理論產(chǎn)能核算獲取不同級別區(qū)域的可實現(xiàn)產(chǎn)能和單產(chǎn)．

表1 湖北省各二級區(qū)理論單產(chǎn)核算模型

表2 湖北省各二級區(qū)可實現(xiàn)單產(chǎn)核算模型

2．2．3 耕地實際產(chǎn)能核算 耕地實際產(chǎn)能是指目前實際實現(xiàn)的產(chǎn)能．數(shù)據(jù)來源于農(nóng)業(yè)統(tǒng)計部門對作物產(chǎn)量的統(tǒng)計調(diào)查．依據(jù)農(nóng)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單位，將各指定作物的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計單產(chǎn)作為實際單產(chǎn)．然后根據(jù)標準糧換算系數(shù)，將指定作物的實際單產(chǎn)換算為標準糧實際單產(chǎn)．根據(jù)耕作制度，用標準糧實際單產(chǎn)乘以鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地面積，得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地實際產(chǎn)能．同理論產(chǎn)能核算獲取不同級別區(qū)域的實際產(chǎn)能和單產(chǎn)．

2．2．4 空間自相關(guān)分析 空間自相關(guān)是空間依賴性的重要形式，是指研究對象與其空間位置之間存在的相關(guān)性．空間自相關(guān)是檢驗某一要素屬性值與其相鄰空間要素上的屬性值是否顯著相關(guān)聯(lián)的重要指標．空間自相關(guān)通常有全局空間自相關(guān)和局部空間自相關(guān)兩大類［10］．本文中均采用Moran's I指數(shù)分析湖北省耕地產(chǎn)能的全局和局部空間差異特征．

3 湖北省耕地產(chǎn)能的空間分異規(guī)律

3．1 省域尺度理論單產(chǎn)和可實現(xiàn)單產(chǎn)的空間變異特征 根據(jù)2．2．1和2．2．2計算得到各縣（市、區(qū)）的理論單產(chǎn)和可實現(xiàn)單產(chǎn)后，借助SPSS進行系統(tǒng)聚類，得到省域尺度理論和可實現(xiàn)單產(chǎn)的空間分類結(jié)果（以理論單產(chǎn)為例，圖1，表3）．湖北省各縣（市、區(qū)）的理論單產(chǎn)范圍在1．159 9×104～2．264 7×104kg／hm2間，平均達到1．810 2×104kg／hm2；而可實現(xiàn)單產(chǎn)范圍在0．902 2×104～2．161 5×104kg／hm2間，平均達到1．632 4×104kg／hm2；兩個層次的耕地單產(chǎn)整體上呈現(xiàn)中部向四周遞減的趨勢，理論和可實現(xiàn)單產(chǎn)超過了1．900 0×104kg／hm2的主要分布在沿江平原區(qū)，即江漢平原和鄂東沿江平原．湖北糧食主產(chǎn)縣主要分布于此，地屬揚子準地臺江漢斷拗，地勢低平，以粘土為主，區(qū)域農(nóng)業(yè)基礎設施比較完善，江、河、湖泊眾多；屬亞熱帶季風氣候，日照量較充足，利于水稻等喜溫作物栽種，因而該區(qū)的理論和可實現(xiàn)單產(chǎn)在湖北省是最高的．鄂東的鄂豫皖丘陵山區(qū)和西部丘陵山區(qū)所屬縣（市、區(qū)）的理論和可實現(xiàn)單產(chǎn)較高，該區(qū)水熱資源豐富，雖地處丘陵但地勢起伏不大，丘間溝谷開闊，土層較厚，理論上的生物生產(chǎn)潛力為湖北省最高，只是由于復種指數(shù)較低，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有待進一步優(yōu)化等原因，造成該區(qū)理論和可實現(xiàn)單產(chǎn)較低于沿江平原區(qū)．鄂西的川鄂湘黔淺山區(qū)和盆周秦巴山地的理論和可實現(xiàn)單產(chǎn)較低，該區(qū)地處丘陵山地，地勢相對起伏較大，農(nóng)業(yè)基礎設施、土地肥沃程度、氣候條件以及水利條件相對于沿江平原區(qū)來說皆顯不足，雖然地域廣闊，但耕地零星分布，面積少，質(zhì)量低，因而其理論和可實現(xiàn)單產(chǎn)也就相對較低．

表3 湖北省耕地生產(chǎn)能力測算結(jié)果（面積：×106 hm2，單產(chǎn)：×104 kg／hm2）

3．2 省域尺度實際單產(chǎn)的空間變異特征 根據(jù)2．2．3計算得到各縣（市、區(qū)）的實際單產(chǎn)后，借助SPSS進行系統(tǒng)聚類，得到省域尺度實際單產(chǎn)的分類結(jié)果（表3）．盡管實際單產(chǎn)的分布在整體上分布與理論、可實現(xiàn)單產(chǎn)呈現(xiàn)相似的規(guī)律，但耕地實際單車的分布更為復雜，呈現(xiàn)出島狀分布的特點，江漢平原區(qū)所屬縣（市、區(qū)）的實際單產(chǎn)最高．由于受湖北省不同地區(qū)農(nóng)業(yè)基礎設施、耕地利用狀況、農(nóng)戶個人管理行為以及經(jīng)濟發(fā)展程度的影響，全省耕地實際單產(chǎn)的空間差異性要明顯高于理論和可實現(xiàn)單產(chǎn)，說明在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，實際單產(chǎn)受社會經(jīng)濟條件、農(nóng)業(yè)利用水平和自然災害等因素的影響較大．從理論、可實現(xiàn)和實際單產(chǎn)之間的差距來看，湖北省理論和可實現(xiàn)的增產(chǎn)潛力還較大，除了加強農(nóng)戶個人的投入力度外，應更多地通過土地整治等工程，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎設施條件、耕地開發(fā)利用程度和集約經(jīng)營效率，改善種植條件，提高耕地的實際單產(chǎn)．

圖1 湖北省理論產(chǎn)能單產(chǎn)分布圖

3．3 基于空間自相關(guān)的湖北省耕地單產(chǎn)的全局空間差異性 以前述核算的湖北省耕地理論、可實現(xiàn)和實際3個層次的單產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎，利用GeoDA軟件計算湖北省3個層次的單產(chǎn)的空間自相關(guān)指數(shù)Moran's I值，3個層次單產(chǎn)的全局指數(shù)為0．671、0．561和0．316．在α＝0．05時，3個層次單產(chǎn)的全局Moran's I指數(shù)的正態(tài)檢驗統(tǒng)計量均通過顯著性檢驗，表明湖北省3個層次的耕地單產(chǎn)具有一定的分布規(guī)律，即在空間上具有相對明顯的聚合特性，較高單產(chǎn)的縣（市、區(qū)）比較靠近，較低單產(chǎn)縣（市、區(qū)）比較相鄰．各層次耕地單產(chǎn)的Moran's I指數(shù)的順序是：理論單產(chǎn)＞可實現(xiàn)單產(chǎn)＞實際單產(chǎn)．該趨勢總體上表明受人類活動和農(nóng)戶個人行為的影響，湖北省3個層次的產(chǎn)能的空間聚合特性逐漸減小，實際單產(chǎn)的空間分異更為復雜．

3．4 基于空間自相關(guān)的湖北省耕地單產(chǎn)的局部空間差異性 基于各縣（市、區(qū)）耕地產(chǎn)能核算結(jié)果，借助ArcGIS9．3生成縣（市、區(qū)）中心點圖（features－feature to point）；通過GeoDA的Space空間相關(guān)分析得到各縣（市、區(qū)）理論單產(chǎn)、可實現(xiàn)單產(chǎn)和實際單產(chǎn)的Moran散點圖，以揭示省域耕地單產(chǎn)的局部空間自相關(guān)性（表4、圖2）．

從表4可以看出，理論單產(chǎn)局部正相關(guān)類型H－H型48個，L－L型27個，合計占總個數(shù)的81．52%；可實現(xiàn)單產(chǎn)局部正相關(guān)類型H－H型43個，L－L型25個，合計占總個數(shù)的73．91%；實際單產(chǎn)局部正相關(guān)類型H－H型36個，L－L 型 28 個，合計占總個數(shù)的69．57%．表明理論單產(chǎn)的空間差異性較大，存在聚集效應，而實際單產(chǎn)相對來說受農(nóng)戶個人管理行為等影響較大，局部集聚效應相對較差．隨著湖北省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等政策的實施和推進，湖北省不同層次產(chǎn)能的空間聚集性程度將會不斷加大，進一步發(fā)揮耕地的聚集規(guī)模效益和生產(chǎn)潛力，促進循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，切實提高耕地的產(chǎn)出．

表4 局部空間自相關(guān)類型個數(shù)統(tǒng)計表

圖2反映出湖北省耕地不同層次耕地單產(chǎn)已表現(xiàn)出較為明顯的空間分異格局，基本格局是各層次耕地單產(chǎn)較高的地區(qū)集中在江漢平原地區(qū)，較低的分布在鄂西和鄂東南的丘陵山地區(qū)．根據(jù)局部指標LISA計算結(jié)果，將理論單產(chǎn)、可實現(xiàn)單產(chǎn)和實際單產(chǎn)的空間差異分為4種類型，盡管不同層次的單產(chǎn)的空間差異有微小變化，但總體趨勢和分布規(guī)律具有相似性．

圖2 湖北省耕地不同層次產(chǎn)能空間關(guān)聯(lián)局部指標（LISA）聚集圖

空間差異較小、區(qū)域自身和周邊水平均較高的區(qū)域（H－H）主要分布在江漢平原腹地的仙桃、潛江、天門、荊州、孝感，鄂東沿江平原的鄂州、黃岡以及鄂北襄樊、隨州等地區(qū)．這些地區(qū)地勢起伏較小，土層較厚，日照量較充足、氣候資源極為豐富，區(qū)內(nèi)河流湖泊較多，能夠滿足各類作物的生長需求，因而理論上生物生產(chǎn)潛力最大，可實現(xiàn)單產(chǎn)和實際單產(chǎn)也是最高的．

空間差異較小、但區(qū)域自身和周邊水平均較低的區(qū)域（L－L）主要分布在鄂西丘陵山地區(qū)的恩施、十堰和鄂東南的通山、崇陽等地區(qū)，這些地區(qū)地勢相對起伏較大，土層較薄，存在一定的水土流失現(xiàn)象，土地肥沃程度、氣候條件以及水利條件相對于沿江平原皆顯不足，所以其理論單產(chǎn)就相對較低．這類地區(qū)的土地利用效率較低，需要加大調(diào)整和改革力度，在耕地質(zhì)量提升方面不斷強化，促進這類地區(qū)耕地的高效、持續(xù)利用．

空間差異較大、區(qū)域自身水平較高，但周邊較低的區(qū)域（H－L）數(shù)量不多，零星分在在各個地區(qū)，主要包括鄂西的恩施、建始、秭歸、宜昌和鄂東的赤壁等地區(qū)，受局部條件的影響，自身區(qū)位優(yōu)勢和生產(chǎn)力水平要比周邊地區(qū)高．對這類地區(qū)，今后應發(fā)揮其帶動作用，幫助周邊區(qū)域提高農(nóng)用地的生產(chǎn)力水平．

空間差異較大、區(qū)域自身水平較高，但周邊較高的區(qū)域（L－H）數(shù)量不多，同樣零星分布在各個地區(qū)，主要包括江漢平原往鄂北崗地過渡的鐘祥、京山以及鄂豫皖丘陵山區(qū)的英山、大悟、麻城等地區(qū)，受自身限制因素的影響，沒有發(fā)展起來，生產(chǎn)力水平比周邊地區(qū)相對較低．對于這類區(qū)域，今后需要積極分析和探討限制其土地資源潛力發(fā)揮的因素，有針對、有目的地加以調(diào)整和改善，實現(xiàn)與周邊地區(qū)的協(xié)調(diào)．

從以上分析可知湖北省不同層次產(chǎn)能單產(chǎn)雖然存在著正的空間效應，使其與周邊地區(qū)之間呈現(xiàn)相互聯(lián)系和相互影響的發(fā)展趨勢，但高值區(qū)的擴散效應還可以進一步擴大，對周邊區(qū)域產(chǎn)生的輻射帶動作用也應進一步加強．因此，今后應加強各區(qū)域之間的合作和交流，以土地整治工程入手，引導土地使用者提高耕地生產(chǎn)能力．

4 小結(jié)

1）基于農(nóng)用地分等和調(diào)查數(shù)據(jù)，構(gòu)建了理論與可實現(xiàn)產(chǎn)能核算模型，表明農(nóng)用地自然等指數(shù)、利用等指數(shù)與標準糧存在正相關(guān)性，農(nóng)用地分等理論不僅具有很強的科學性，還具有廣泛的實踐性和應用性．

2）從耕地單產(chǎn)分異規(guī)律來看，理論單產(chǎn)與可實現(xiàn)單產(chǎn)的空間分異規(guī)律較為一致，表現(xiàn)出中－中東高西部低的分布格局，單產(chǎn)最高地區(qū)出現(xiàn)在沿江平原區(qū)；耕地實際單產(chǎn)的分布格局較為復雜，呈現(xiàn)出島狀分布的特點；從耕地單產(chǎn)的全局自相關(guān)來看，3個層次的耕地單產(chǎn)表現(xiàn)出空間聚集特征，同時受農(nóng)戶個人管理行為等影響，Moran's I指數(shù)的順序是理論單產(chǎn)＞可實現(xiàn)單產(chǎn)＞實際單產(chǎn)；局部自相關(guān)LSIA指數(shù)表明耕地不同層次單產(chǎn)表現(xiàn)出較為明顯的空間分異格局，基本格局是各層次單產(chǎn)較高的地區(qū)集中在江漢平原地區(qū)，較低的分布在鄂西和鄂東南的丘陵山地區(qū)．

3）我國國土資源調(diào)查評價在“十二五”期間的重點任務之一是建立農(nóng)用地質(zhì)量等級監(jiān)測體系，重點對土地整治重大工程區(qū)域、基本農(nóng)田保護示范區(qū)的耕地質(zhì)量等級和產(chǎn)能變化進行監(jiān)測管理．本文中雖然進行了省域3個層次的產(chǎn)能核算，但如何結(jié)合農(nóng)用地分等、測土配方施肥以及其他國土整治工程，提煉主導限制因子作為耕地質(zhì)量和產(chǎn)能監(jiān)測的指標，是后續(xù)研究的重點．

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