基于ESDA的湖南省耕地質(zhì)量空間差異分析

唐 暉,黃 翔

(1.湖南省不動產(chǎn)登記中心，中國 長沙 410000；2.湖南萬源評估咨詢有限公司，中國 長沙 410000)

基于ESDA的湖南省耕地質(zhì)量空間差異分析

唐 暉1,黃 翔2*

(1.湖南省不動產(chǎn)登記中心，中國 長沙 410000；2.湖南萬源評估咨詢有限公司，中國 長沙 410000)

利用湖南省2014年度耕地質(zhì)量等別縣級年度更新數(shù)據(jù)，采用面積加權平均法，計算各行政區(qū)的耕地平均等別；采用探索性空間分析方法(ESDA)分析湖南省耕地質(zhì)量等別的空間分布情況.研究結果表明：湖南省耕地質(zhì)量等別在空間分布上呈現(xiàn)較強的聚集性規(guī)律，湖南省東北部的等別普遍低于西部及西北部，即東北部的耕地質(zhì)量要優(yōu)于西部及西北部.耕地質(zhì)量等別空間正相關類型多以“抱團”的形式出現(xiàn)，聚集性較強；而負相關類型則無明顯的集中區(qū)域，國家經(jīng)濟等無負相關區(qū)域.最后結合耕地質(zhì)量等別空間差異分析結果，提出耕地質(zhì)量保護分區(qū)建議.

耕地質(zhì)量等別；空間差異；ESDA方法；湖南省

耕地作為人類必不可少的生存資料，對保證糧食安全、維持社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義[1].為了更好地保障國家糧食安全，國土資源部在1999—2009年組織全國范圍內(nèi)的分省農(nóng)用地分等調(diào)查評價任務，并于2009年完成了全國農(nóng)用地分等工作，為我國耕地質(zhì)量研究提供了一套完善的成果體系[2]，對我國耕地質(zhì)量等別差異性有了初步的了解.但耕地質(zhì)量的差異不僅僅體現(xiàn)在數(shù)量等級上，在空間分布上也存在一定的差異，表現(xiàn)出一定的空間集聚性或者離散性[3]，而空間差異是耕地保護工作需要考慮的一個重要因素，鑒于此，本文以湖南省為例，基于2014年度耕地質(zhì)量等別更新數(shù)據(jù)，借助GeoDA 1.10和ArcGIS 10.2空間分析軟件，利用ESDA方法深入剖析湖南省各縣、區(qū)、市耕地質(zhì)量國家自然等、利用等、經(jīng)濟等分布的空間差異性，以期為湖南省耕地保護分區(qū)提供科學依據(jù).

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)概況

1.1 研究區(qū)概況

圖1 2014年度湖南省耕地質(zhì)量等別劃分成果Fig.1 Cultivated land quality grade in Hunan province in 2014

湖南省地處中國中部、長江中游，東經(jīng)108°47′～114°15′，北以濱湖平原與湖北接壤.東北部是幕連九山脈，東部是羅霄山脈，西部是武陵山脈和雪峰山脈，南部是南嶺，中部是湘中盆地群，北部是兩湖盆地里的洞庭湖平原.湖南省共轄13個地級市、1個自治州；35個市轄區(qū)、16個縣級市、64個縣、7個自治縣，共122個縣區(qū)級行政單元.湖南年日照時數(shù)為1 300～1 800 h，年平均溫度為15～18 ℃.年平均降水量為1 200～1 700 mm.根據(jù)湖南省2014年度耕地質(zhì)量更新評價調(diào)查結果，湖南省耕地總面積4 153 222.61 hm2，耕地自然質(zhì)量等分為15個等別，其中1等地自然質(zhì)量水平最高，15等地自然質(zhì)量水平最低.從圖1可以看出，湖南省耕地自然質(zhì)量等別主要集中分布在1～6等，占全部耕地面積的74.06%，整體質(zhì)量偏好.

1.2 主要數(shù)據(jù)來源

本文所使用的數(shù)據(jù)均來自2014年度湖南省耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)庫以及湖南省行政區(qū)劃圖，涉及1 720 722個圖斑.

2 研究方法

2.1 面積加權平均法

面積加權平均法主要是用來計算區(qū)域耕地質(zhì)量的總體平均水平[4].本文采用面積加權平均法計算湖南省各級行政區(qū)域的平均自然等別、平均利用等別和平均經(jīng)濟等別，用以分析該地區(qū)的耕地質(zhì)量狀況，并為進一步進行空間差異分析奠定基礎.計算公式為：

2.2 ESDA方法

2.2.1 空間權重矩陣 通常，在進行空間自相關分析之前，需要定義一個二元對稱空間權重矩陣W來表現(xiàn)空間對象間相互作用的空間關系.ANSELIN[5]認為空間位置的相鄰關系劃分為三類：鄰接、距離和最近K點.采用Rook contiguity標準鄰接規(guī)則定義的權重矩陣.空間權重的定義表達式如下：

2.2.2 全局空間自相關 全局空間自相關是對屬性值在整個區(qū)域空間特征的描述，反映整個區(qū)域的空間集聚程度[6-7].通過全局空間自相關來衡量區(qū)域間整體上的空間關聯(lián)與差異[8].目前，應用于全局自相關的最主要方法是Moran’sI指數(shù)，本文選用該指數(shù)來對湖南省耕地質(zhì)量等別空間模式整體進行定量描述，其計算公式為：

全局空間自相關中Moran指數(shù)I的取值范圍為[-1,1]，當I值接近于1時，說明相同屬性的單元集聚在一起(高值與高值相鄰、低值與低值相鄰)；當值接近-1時，相異屬性的單元集聚(高值與低值相鄰、低值與高值相鄰).若Moran’sI指數(shù)值接近于0，代表單元屬性隨機分布，單元之間不存在空間相關性[9].

3 結果與分析

3.1 全局空間自相關分析

利用GeoDA 1.10軟件計算出湖南省耕地質(zhì)量國家自然等別、國家利用等別以及國家經(jīng)濟等別的全局Moran’sI值分別為0.69,0.84和0.77(見表1)，均趨近于1，所以認為湖南省縣區(qū)級耕地質(zhì)量等別在全局上都呈現(xiàn)較強的正相關性.為了檢驗各年度Moran’sI是否顯著，采用蒙特卡洛模擬方法進行檢驗，結果顯示各項P-value均為0.001，通過顯著性檢驗.這說明湖南省縣區(qū)耕地質(zhì)量等別相似的地區(qū)在空間上分布集中(見圖2)，就相關程度來說，耕地國家利用等>國家經(jīng)濟等>國家自然等.

表1 湖南省各縣區(qū)耕地質(zhì)量等別Global Moran’s I 估計值

(a)國家自然等 (b)國家利用等 (c)國家經(jīng)濟等圖2 湖南省耕地質(zhì)量等別Moran散點圖Fig.2 Moran’s scatter diagrams of cultivated land quality grade in scale of county in Hunan province

3.2 局部空間自相關分析

通過計算全局Moran’s I指數(shù)，可以知道湖南省的耕地國家自然等、國家利用等和國家經(jīng)濟等全局自相關關系顯著，高值區(qū)和高值區(qū)、低值區(qū)與低值區(qū)出現(xiàn)了明顯的集聚現(xiàn)象.但并不能了解集聚發(fā)生的具體位置，為了進一步了解集聚發(fā)生的位置，采用局部自相關分析進行探索.運行GeoDA1.10中Univariate Local Moran’s I命令，得到2014年度國家自然等、國家利用等和國家經(jīng)濟等Cluster Map(見圖3).

表2 湖南省耕地質(zhì)量等別局部空間自相關類型與行政單元個數(shù)統(tǒng)計匯總

注1：P<0.05.高-高(HH) 型(High-High type)；高-低(HL) 型(High-Low type)；低-高(LH) 型(Low-High type)；低-低(LL) 型(Low-Low type).

注2：湖南省包含122個縣區(qū)，但常德市鼎城區(qū)的行政范圍分為兩個獨立的區(qū)域，為了進行空間分析，所以將鼎城區(qū)分為兩個圖斑，但相關屬性保持一致.

(a)國家自然等 (b)國家利用等 (c)國家經(jīng)濟等圖3 湖南省耕地質(zhì)量等別LISA聚集圖Fig.3 Local spatial agglomeration of cultivated land quality grade in Hunan province

3.2.1 耕地質(zhì)量國家自然等局部空間自相關分析 根據(jù)表2中耕地質(zhì)量國家自然等局部空間自相關類型統(tǒng)計可知，同類聚集分布的HH型和LL型縣區(qū)個數(shù)占總行政單元個數(shù)的43.90%；在空間上呈現(xiàn)異常分布的HL型和LH型只有3個縣區(qū)，僅占湖南省縣區(qū)行政單元總數(shù)的2.44%；非顯著型呈現(xiàn)隨機分布的縣區(qū)有66個，占湖南省縣區(qū)行政單元總數(shù)的53.66%.結合圖3湖南省耕地質(zhì)量國家自然等集聚圖，LL型主要“組團”分布在常德市、益陽市、岳陽市、長沙市以及衡陽市部分區(qū)域；而HH型主要集中分布在湘西北的湘西、張家界地區(qū)以及湘西南的邵陽市.

結合湖南省實際地形地勢分析，LL型“組團”出現(xiàn)在省域東北區(qū)域，該地區(qū)屬于環(huán)洞庭湖平原地區(qū)以及湘南南嶺丘陵槽谷地帶，該區(qū)域地勢平坦、土壤肥沃，多為良田沃土，歷來就是“魚米之鄉(xiāng)”，這個結果與局部空間關聯(lián)圖基本符合；HH型則分布在湘西與湘南的丘陵山地區(qū)，易產(chǎn)生水土流失，多開墾為梯田，一部分為坡耕旱地或林地，耕地質(zhì)量一般較差，這個結果與局部空間關聯(lián)圖基本符合.

3.2.2 耕地質(zhì)量國家利用等局部空間自相關分析 根據(jù)表2中耕地質(zhì)量國家利用等局部空間自相關類型統(tǒng)計可知，同類聚集分布的HH型和LL型縣區(qū)個數(shù)為70個，占總行政單元個數(shù)的56.91%；在空間上呈現(xiàn)異常分布的HL型和LH型只有1個縣區(qū)；非顯著型呈現(xiàn)隨機分布的縣區(qū)有52個，占湖南省縣區(qū)行政單元總數(shù)的42.28%.空間分布上，正相關類型呈現(xiàn)鮮明的“組團”分布特征，聚集性較強，這跟全局空間自相關得到的結果一致.HH型主要分布在湘南、湘西南和湘西北地區(qū)，LL型主要分布在湘東北地區(qū)，包括岳陽、常德、益陽、長沙等地區(qū).

根據(jù)湖南省耕地利用實際情況分析，岳陽—常德—長沙—株洲—益陽這一區(qū)域的耕地多分布與京廣線以及交通主干道附近，地勢較為平緩，距離居民點較近，能夠得到較好的管理，耕地利用情況好，因此耕地質(zhì)量國家利用等表現(xiàn)為低值聚集分布；而湘西、懷化、邵陽、永州和郴州大部分地區(qū)位于湘西北山原山地區(qū)、湘西山地區(qū)、湘南山丘區(qū)，地形起伏較大，難以進行大規(guī)模機械化作業(yè)，對耕地的利用較困難，因此耕地質(zhì)量國家利用等表現(xiàn)為高值聚集分布.

3.2.3 耕地質(zhì)量國家經(jīng)濟等局部空間自相關分析 根據(jù)表2中耕地質(zhì)量國家經(jīng)濟等局部空間自相關類型統(tǒng)計可知，同類聚集分布的HH型和LL型縣區(qū)個數(shù)為63個，占總行政單元個數(shù)的51.22%；在空間上無異常分布的HL型和LH型縣區(qū)；非顯著型呈現(xiàn)隨機分布的縣區(qū)有70個，占湖南省縣區(qū)行政單元總數(shù)的48.78%.空間分布上，正相關類型呈現(xiàn)鮮明的“組團”分布特征，聚集性較強.HH型主要分布在湘南、湘西南和湘西北地區(qū)，LL型主要分布在湘東北地區(qū)，包括岳陽、常德等地區(qū).

根據(jù)湖南省耕地投入產(chǎn)出實際情況分析，岳陽、常德和長沙大部分地區(qū)處于環(huán)洞庭湖平原地區(qū)，土壤肥沃、交通條件良好，因此耕作的投入產(chǎn)出比較高，表現(xiàn)為耕地質(zhì)量國家經(jīng)濟等別低值聚集分布；而湘西州、懷化、邵陽和永州大部分地區(qū)位于湘西北山地區(qū)、湘南山丘區(qū)，地形起伏大，土壤貧瘠，交通不便，該區(qū)域的耕地投入產(chǎn)出比較低，經(jīng)濟狀況較差，表現(xiàn)為耕地質(zhì)量國家經(jīng)濟等別高值聚集分布.

4 結論與討論

采用探索性空間分析方法(ESDA)，以耕地質(zhì)量等別為變量，探討湖南省耕地質(zhì)量的空間集聚性規(guī)律及空間差異情況，通過研究發(fā)現(xiàn)：湖南省耕地質(zhì)量等別在空間分布上呈現(xiàn)較強的集聚性規(guī)律.就耕地質(zhì)量國家自然等別而言，湖南省東北部的等別低于西部及西北部，也就是說東北部的耕地質(zhì)量要由于西部及西北部；國家利用等和經(jīng)濟等在聚集區(qū)域在空間分布上較為一致，高等別區(qū)域集中在省域西部及南部，而低等別區(qū)域集中在東北部.耕地質(zhì)量等別空間正相關類型多以“抱團”的形式出現(xiàn)，集聚性較強；而負相關類型則無明顯的集中區(qū)域，國家經(jīng)濟等無負相關區(qū)域.

湖南省耕地質(zhì)量等別空間分布及差異分析是進行永久基本農(nóng)田劃定、耕地保護分區(qū)的基礎和前提，根據(jù)前文的耕地質(zhì)量等別空間分布特征及差異分析結果，提出以下耕地質(zhì)量保護分區(qū)建議：

(1) 空間自相關類型呈現(xiàn)LL型區(qū)域的耕地應作為永久基本農(nóng)田劃定的重點區(qū)域.該地區(qū)耕地質(zhì)量等別呈現(xiàn)空間低值聚集分布，即高質(zhì)量耕地集聚區(qū)域，該區(qū)域耕地應優(yōu)先劃定為永久基本農(nóng)田，維持高質(zhì)量現(xiàn)狀.

(2) 空間自相關類型呈現(xiàn)HH型區(qū)域的耕地應作為非農(nóng)化理想?yún)^(qū)域.該地區(qū)耕地質(zhì)量等別呈現(xiàn)空間高值聚集分布，即低質(zhì)量、難利用、產(chǎn)出低下的耕地集聚區(qū)域，對于該區(qū)域的耕地可以進行綜合性改良，如果需要進行退耕還林應優(yōu)先考慮這部分耕地.

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(編輯 CXM)

Space Difference Analysis of Cultivated Land Quality Grade in Hunan Province Based on ESDA

TANGHui1,HUANGXiang2*

(1. Hunan Real Estate Registration Center, Changsha 410000, China; 2. Hunan Wanyuan Assessment Advisory Co.Ltd.,Changsha 410000, China)

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.

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

10.7612/j.issn.1000-2537.2017.04.004

2017-07-16

國家社會科學基金資助項目(10CJY027)

X825

A

1000-2537(2017)04-0021-05

*通訊作者,E-mail：hxh66698@sohu.com