傅聰穎，郭 熙*，韓 逸，江葉楓，賴昭豪

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，江西省鄱陽湖流域農(nóng)業(yè)資源與生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330045；2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，國土資源與環(huán)境學(xué)院，江西 南昌 330045)

【研究意義】耕地是關(guān)系人類生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)保障糧食安全、生態(tài)安全以及可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[1]。《中共中央國務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)耕地保護(hù)和改進(jìn)占補(bǔ)平衡的意見》要求堅(jiān)持最嚴(yán)格的耕地保護(hù)政策和最嚴(yán)格的節(jié)約用地政策，像保護(hù)大熊貓一樣保護(hù)耕地，著力加強(qiáng)耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”保護(hù)，牢牢守住耕地紅線。由于受復(fù)雜自然環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響，不同地區(qū)的耕地質(zhì)量存在著高低差異，尤其是南方丘陵區(qū)，耕地自然質(zhì)量和耕作條件的空間差異更加明顯。近年來，隨著高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)、城鄉(xiāng)建設(shè)用地增減掛和低丘緩坡未利用地開發(fā)的不斷推進(jìn)，基本保證了耕地?cái)?shù)量穩(wěn)定，但建成農(nóng)田質(zhì)量和耕作條件方面，需要持續(xù)關(guān)注和研究。耕地質(zhì)量是耕地各種性質(zhì)的綜合反映，自然因素和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素是構(gòu)成耕地質(zhì)量的兩個(gè)重要方面[2]。耕地的耕作條件主要體現(xiàn)在農(nóng)田的基礎(chǔ)設(shè)施和布置狀況上，由人為投入與管理水平?jīng)Q定。在地理學(xué)上，耦合是指2種或2種以上活動(dòng)或現(xiàn)象，在地理時(shí)空上的相互影響和相互關(guān)聯(lián)[3]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前，許多學(xué)者對(duì)耕地質(zhì)量問題越發(fā)重視，研究角度也日趨多樣。方琳娜等[4]將研究區(qū)耕地分為6個(gè)等級(jí)，并針對(duì)不同等級(jí)因地制宜地提出了耕地資源保護(hù)的政策建議。秦元偉等[5]考慮農(nóng)戶對(duì)耕地質(zhì)量的影響構(gòu)建指標(biāo)體系來評(píng)價(jià)耕地質(zhì)量。陳印軍等[6]通過對(duì)中國耕地質(zhì)量現(xiàn)狀研究，得到中國耕地質(zhì)量總體上向好的方向發(fā)展。段正松等[7]、伍育鵬等[8]以標(biāo)準(zhǔn)樣地成果為數(shù)據(jù)源建立耕地質(zhì)量預(yù)警機(jī)制。張鴻輝等[9]在耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)及其變化特征分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了耕地質(zhì)量預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)證研究。楊瑞珍等[10]根據(jù)全國耕地土壤長期定位監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)得到東北地區(qū)耕地質(zhì)量變化情況。王立為等[11]利用20年歷史氣候數(shù)據(jù)和土地利用資料，研究我國北方典型半干旱氣候敏感區(qū)耕地質(zhì)量變化情況。段龍龍等[12]、劉榮志等[13]、鄺佛緣等[14]分別從從國家、區(qū)域和農(nóng)戶層次進(jìn)行的耕地質(zhì)量保護(hù)研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】綜合已有的研究成果，基本上揭示了耕地質(zhì)量的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，但對(duì)耕地自然質(zhì)量與耕作條件之間聯(lián)系探究較少，沒有闡釋清楚兩者之間關(guān)系?！緮M解決的關(guān)鍵問題】因此，本文選擇兼具山地、丘陵、平原3種地形的奉新縣作為研究區(qū)域，通過Pearson相關(guān)性分析來研究耕地自然質(zhì)量與耕作條件的相關(guān)程度，在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行空間自相關(guān)分析來探究耕地自然質(zhì)量與耕作條件之間在空間上存在的耦合性，深層次挖掘兩者之間相互作用關(guān)系，以期為南方地區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)、土地綜合整治等提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

奉新縣屬宜春市轄縣，地處江西省西北部，位于東經(jīng)114°45′～115°31′，北緯28°34′～28°52′之間，轄18個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)場(chǎng)、辦事處、管委會(huì)，人口33萬人。全境為東西長、南北窄的長條地域，是一個(gè)“七山半水兩分田，半分道路和莊園”的地理輪廓?？h域土地面積為160 306 hm2，其中耕地為39 355 hm2，占總面積的24.55 %；林地為103 046 hm2，占總面積的64.28 %。全縣年平均氣溫為17.3 ℃，屬中亞熱帶濕潤氣候。奉新縣境內(nèi)三面環(huán)山，形成西高東低的地勢(shì)，從西向中、東部逐漸傾斜、低落，構(gòu)成明顯的西部中低山地、中部多丘陵、東部低丘河谷平原，屬典型的丘陵山區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究以奉新縣為研究區(qū)域，所涉及數(shù)據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)主要集中在2016年，包括：①文件資料，主要包括土地利用現(xiàn)狀調(diào)查、灌溉規(guī)劃、土壤采樣等資料；②圖件資料，主要有土壤類型圖、地形圖、土地利用現(xiàn)狀圖等；③數(shù)據(jù)庫資料，主要有耕地質(zhì)量年度更新數(shù)據(jù)庫、耕地地力評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫、測(cè)土配方施肥數(shù)據(jù)庫、農(nóng)經(jīng)權(quán)數(shù)據(jù)庫等。

2 耕地自然質(zhì)量與耕作條件評(píng)價(jià)系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 耕地自然質(zhì)量指標(biāo)選取

本研究在參照農(nóng)用地分等評(píng)價(jià)體系，并考慮研究區(qū)地域特征的基礎(chǔ)上分別從地學(xué)條件和土壤特性角度選擇地形部位、田面坡度、有效土層厚度、有機(jī)質(zhì)含量、耕層質(zhì)地、障礙層類型及距地表深度、土體構(gòu)型、土壤容重、土壤養(yǎng)分元素、礫石含量共10個(gè)指標(biāo)代表耕地自然質(zhì)量，利用特爾斐法對(duì)耕地自然質(zhì)量各指標(biāo)進(jìn)行級(jí)別劃定與賦分(表1)。

表1 耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 1 Evaluation index of natural quality of cultivated land

表2 耕作條件評(píng)價(jià)指標(biāo)與權(quán)重Table 2 Evaluation index and weight of farming condition

2.2 耕作條件評(píng)價(jià)系統(tǒng)

本研究在參照農(nóng)用地分等評(píng)價(jià)體系[15]與耕地質(zhì)量調(diào)查監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)規(guī)范(使用稿)，并考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的基礎(chǔ)上，構(gòu)建耕地耕作條件評(píng)價(jià)系統(tǒng)(表2)。利用特爾斐法對(duì)耕作條件各指標(biāo)進(jìn)行級(jí)別劃定與賦分并采用指標(biāo)量化方法以及分級(jí)賦值規(guī)則結(jié)合層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行耕作條件系數(shù)測(cè)算，計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)i為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元指標(biāo)評(píng)價(jià)分值；fij為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)分值；wij為第i個(gè)評(píng)價(jià)單元第j個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)權(quán)重，n為評(píng)價(jià)指標(biāo)個(gè)數(shù)。

3 研究方法

3.1 空間權(quán)重

空間權(quán)重是進(jìn)行空間自相關(guān)分析的前提和基礎(chǔ)[15]。Anselin[16]提出了空間自相關(guān)的確定，把空間位置的相鄰關(guān)系分為距離關(guān)系、最近k點(diǎn)關(guān)系和鄰接關(guān)系 3 大類。其中，鄰接關(guān)系分別基于Rook、Queen和Bishop 3種鄰接原則，依據(jù)空間單元之間的相鄰情況來賦空間權(quán)重值，根據(jù)實(shí)際情況來選擇選用何種標(biāo)準(zhǔn)定義空間相鄰。本研究選用Queen鄰接原則來構(gòu)建一階空間權(quán)重矩陣。

3.2 全局空間自相關(guān)

全局空間自相關(guān)是對(duì)屬性在整個(gè)區(qū)域空間分布特征的描述，用于判斷整個(gè)研究區(qū)域某一要素或現(xiàn)象在空間上是否存在聚集特征[17]。本文采用Moran’s I 進(jìn)行全局空間自相關(guān)分析。Moran’sI是一個(gè)有理數(shù)，經(jīng)過方差歸一化之后，它的值會(huì)被歸一化到-1.0～1.0之間。當(dāng) Moran’sI>0時(shí)，表示空間正相關(guān)性，值越大，空間相關(guān)性越明顯；當(dāng) Moran’sI<0 時(shí)，表示空間負(fù)相關(guān)性，值越小，空間差異越大；當(dāng) Moran’sI=0時(shí)，空間呈隨機(jī)性。Moran’sI值的計(jì)算公式如下：

表3 奉新縣耕作條件系數(shù)與耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)系數(shù)及檢驗(yàn)Table 3 Correlation coefficient and test of evaluation index of cultivated condition coefficient and natural quality of cultivated land in Fengxin County

注：**表示在0.01的水平上(雙側(cè))顯著相關(guān)。

Note:** indicates a significant correlation at the level of 0.01 (bilateral).

3.3 局部空間自相關(guān)

局部空間關(guān)聯(lián)指標(biāo) (Local Indicators of Spatial Association，LISA)用于反映整個(gè)區(qū)域中，局部范圍內(nèi)某項(xiàng)指標(biāo)與相鄰區(qū)域的相關(guān)程度[18]。本文選用最為常用的Local Moran’sI來分析研究區(qū)局部空間差異特征[18-19]。Local Moran’sI的計(jì)算公式如下：

式中：zi、zj為分別表示空間單元i與j內(nèi)研究對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)化值；wij為空間權(quán)重矩陣。

利用ArcGIS中的局部空間自相關(guān)分析工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到的LISA聚集圖將數(shù)據(jù)分為5類，分別是：H-H、H-L、L-H、L-L和非顯著型。其中“H-H”代表高值聚集，“L-L”代表低值聚集，說明該區(qū)域觀測(cè)指標(biāo)與周圍相鄰地域指標(biāo)值類似，表現(xiàn)為同質(zhì)性的特征；“H-L” 代表低值圍繞高值，“L-H” 代表高值圍繞低值，說明該區(qū)域觀測(cè)指標(biāo)與周邊地域指標(biāo)值存在著顯著的差異，表現(xiàn)為異質(zhì)性的特征；非顯著型是觀測(cè)指標(biāo)值在空間上呈隨機(jī)分布的區(qū)域，說明沒有通過局部Moran’sI顯著性檢驗(yàn)。

4 結(jié)果與分析

4.1 耕地自然質(zhì)量與耕作條件相關(guān)性分析

在SPSS24.0的支持下，將耕作條件系數(shù)分別與耕地自然質(zhì)量各評(píng)價(jià)指標(biāo)分值進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，在確認(rèn)其符合正態(tài)分布的情況下，選擇Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析，得到結(jié)果如表2。

表3結(jié)果研究表明，耕作條件系數(shù)與田面坡度分值、有效土層厚度分值、耕層質(zhì)地分值、土體構(gòu)型分值和礫石含量分值之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系，即田面越平坦、土層越厚、耕作層壤土含量越高、土體中壤土含量越多且大于2 mm的砂礫含量越少的區(qū)域其耕作條件也越好。耕作條件系數(shù)與地形部位分值、有機(jī)質(zhì)含量分值、障礙層類型及距地表深度分值、土壤養(yǎng)分元素分值之間相關(guān)性顯著(P<0.01)，說明耕作條件受地形部位、有機(jī)質(zhì)含量、障礙層類型及距地表深度、土壤養(yǎng)分元素影響，但相關(guān)系數(shù)較小，說明耕作條件受這些因素的影響有限。耕作條件系數(shù)與土壤容重分值兩者不存在顯著相關(guān)性(P>0.05)。

4.2 耕地自然質(zhì)量與耕作條件全局空間自相關(guān)分析

運(yùn)用ArcGIS軟件對(duì)奉新縣20 603個(gè)樣本單元的耕作條件系數(shù)和耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)中相關(guān)性較高的有效土層厚度分值、耕層質(zhì)地分值、土體構(gòu)型分值、田面坡度分值和礫石含量分值這5個(gè)指標(biāo)，進(jìn)行全局Moran’sI的計(jì)算，并在給定0.05顯著水平下進(jìn)行檢驗(yàn)。

從表4可知，田面坡度分值的全局Moran’sI為0.0643，接近0，說明奉新縣田面坡度分值雖然呈空間正相關(guān)，但集聚特征不明顯，因此本文不對(duì)其進(jìn)行局部空間自相關(guān)分析。奉新縣耕作條件系數(shù)和有效土層厚度分值、耕層質(zhì)地分值、土體構(gòu)型分值及礫石含量分值的全局Moran’sI均遠(yuǎn)大于0，且顯著性檢驗(yàn)P值均為0，表明奉新縣耕作條件系數(shù)和有效土層厚度分值、耕層質(zhì)地分值、土體構(gòu)型分值及礫石含量分值均呈空間正相關(guān)，在空間上表現(xiàn)出顯著的集聚性。

4.3 耕地自然質(zhì)量與耕作條件局部空間自相關(guān)分析

利用ArcGIS軟件對(duì)研究區(qū)域耕作條件系數(shù)、有效土層厚度分值、耕層質(zhì)地分值、土體構(gòu)型分值和礫石含量分值進(jìn)行局部Moran’sI的計(jì)算，并進(jìn)行檢驗(yàn)和繪制LISA集聚圖。

表4 奉新縣耕作條件系數(shù)與耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)全局 Moran’s I與檢驗(yàn)Table 4 Overall conditions of the farming conditions coefficient and the natural quality evaluation index of cultivated land in Fengxin County Moran’s I and test

根據(jù)表5和圖1可知，奉新縣耕作條件系數(shù)以“H-H”和“L-L”類型區(qū)的占比為主，高達(dá)87.93 %，即奉新縣耕作條件系數(shù)在空間上表現(xiàn)為正相關(guān)。有效土層厚度分值、耕層質(zhì)地分值、土體構(gòu)型分值和礫石含量分值均以“L-L”類型區(qū)的占比為主，即奉新縣有效土層厚度分值、耕層質(zhì)地分值、土體構(gòu)型分值和礫石含量分值在空間上表現(xiàn)為正相關(guān)，呈現(xiàn)低值聚集特征。

從空間位置分布來看，耕作條件系數(shù)的“H-H”類型區(qū)分布范圍較廣，在奉新縣中部、東部均有分布；“L-L”類型區(qū)呈“組團(tuán)”狀，主要分布在奉新縣東部；“L-H”和“H-L”類型區(qū)占比較少，分布離散，在奉新縣東部、北部和西部均有零星分布。有效土層厚度分值、耕層質(zhì)地分值、土體構(gòu)型分值和礫石含量分值的空間分布規(guī)律相同： “L-L”類型區(qū)分布范圍較廣，主要分布奉新縣東部；“L-H”和“H-L”類型區(qū)占比較少，呈零星分布；無樣本單元落在“H-H”類型區(qū)。

4.4 耕地自然質(zhì)量與耕作條件耦合分析結(jié)果

根據(jù)耕地耕作條件系數(shù)和耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)空間自相關(guān)分析結(jié)果，將耕地耕作條件系數(shù)局部空間自相關(guān)類型與耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)局部空間自相關(guān)類型進(jìn)行對(duì)比。

從表6和圖2可以看出，耕作條件系數(shù)的“H-H”類型區(qū)與有效土層厚度分值、耕層質(zhì)地分值和土體構(gòu)型分值的“L-L”類型區(qū)的空間耦合程度最高，主要分布在研究區(qū)東部，包括赤岸鎮(zhèn)和宋埠鎮(zhèn)等。耕作條件系數(shù)局的“L-L”類型區(qū)與有效土層厚度分值、耕層質(zhì)地分值、土體構(gòu)型分值和礫石含量分值的“L-L”類型區(qū)的空間耦合程度最高，主要分布在研究區(qū)東部，包括赤田鎮(zhèn)和宋埠鎮(zhèn)等。綜合而言，有效土層厚度分值、耕層質(zhì)地分值和土體構(gòu)型分值的“H-L”型和“L-H”型與耕作條件系數(shù)的“L-L”型，耕層質(zhì)地分值的“H-L”型與耕作條件系數(shù)的“H-H”型，存在微弱的耦合性；耕層質(zhì)地分值和土體構(gòu)型分值的“L-L”型與耕作條件系數(shù)的“H-H”型存在較弱耦合性；有效土層厚度分值的“L-L”型與耕作條件系數(shù)的“H-H”型和“L-L”型，耕層質(zhì)地分值、土體構(gòu)型分值和礫石含量分值的“L-L”型與耕作條件系數(shù)的“L-L”型，存在較強(qiáng)的耦合性，均分布在研究區(qū)東部。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

本文在綜合運(yùn)用SPSS和ArcGIS軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，對(duì)耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)和耕作條件系數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性分析和空間自相關(guān)分析，得出以下研究結(jié)論。

表5 通過顯著性檢驗(yàn)的奉新縣耕作條件系數(shù)和耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)局部空間自相關(guān)類型匯總Table 5 Summary of local spatial autocorrelation types of Fenning County’s tilling condition coefficient and cultivated land natural quality evaluation index through significant test

圖1 耕地自然質(zhì)量與耕作條件系數(shù)LISA集聚圖Fig.1 LISA concentration map of cultivated land natural quality and farming condition coefficient

(1)奉新縣耕作條件系數(shù)與耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)之間表現(xiàn)出不同程度的相關(guān)性。其中，耕作條件系數(shù)與田面坡度分值、有效土層厚度分值、耕層質(zhì)地分值、土體構(gòu)型分值和礫石含量分值之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系。

(2)奉新縣耕作條件系數(shù)在空間分布上呈現(xiàn)出顯著的集聚特征，表現(xiàn)為正相關(guān)，以“H-H”和“L-L”類型區(qū)的占比為主。其中，L-L類型區(qū)主要分布在奉新縣東部，呈現(xiàn)出明顯的沿平原地區(qū)分布特征。

(3)奉新縣耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)呈現(xiàn)出不同程度的空間正相關(guān)性。其中，田面坡度分值的Moran’sI為0.0643，接近0，在空間上的集聚特征不明顯。

(4)耕作條件系數(shù)與部分耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)在空間分布上呈現(xiàn)在趨同性。耕作條件系數(shù)與有效土層厚度分值、耕層質(zhì)地分值、土體構(gòu)型分值以及礫石含量分值這4個(gè)耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)在奉新縣東部呈現(xiàn)相似集聚性，表現(xiàn)為低值聚集。

5.2 討論

目前，一些學(xué)者[20-27]從土地整治角度對(duì)耕地自然質(zhì)量與耕作條件之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，得到耕地自然質(zhì)量是影響土地整治中田間道路布局的重要因素，土地整治在改善耕地耕作條件的同時(shí)提高耕地自然質(zhì)量。根據(jù)前人研究，耕地自然質(zhì)量與耕作條件之間呈現(xiàn)出：耕作條件的改善能夠使耕地自然質(zhì)量得到提高，同時(shí)耕地自然質(zhì)量也會(huì)制約土地整治具體實(shí)施，從而影響耕作條件的改善。其中土地整治對(duì)耕作條件的改善具體表現(xiàn)在田間道路布局的優(yōu)化、灌排設(shè)施的完善等方面，進(jìn)而對(duì)耕地自然質(zhì)量產(chǎn)生影響。雖然耕地的有效土層厚度、土壤質(zhì)地、剖面構(gòu)型、地形坡度和土壤有機(jī)質(zhì)在短期內(nèi)難以隨著耕作條件的改善產(chǎn)生變化，但土地整治項(xiàng)目對(duì)耕地自然質(zhì)量的影響會(huì)隨著時(shí)間的延長而持續(xù)發(fā)揮作用。

表6 耕地自然質(zhì)量與耕作條件局部空間自相關(guān)類型對(duì)比Table 6 Comparison of local spatial autocorrelation types between cultivated land natural quality and farming conditions

圖2 耕地自然質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)與耕作條件系數(shù)空間耦合狀況Fig.2 Spatial coupling status of cultivated land natural quality evaluation index and farming condition coefficient

本文通過對(duì)奉新縣耕地自然質(zhì)量與耕作條件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析和空間自相關(guān)研究，得到耕作條件與有效土層厚度、耕層質(zhì)地、土體構(gòu)型以及礫石含量在統(tǒng)計(jì)學(xué)上和空間上都存在較強(qiáng)的正相關(guān)性，且“L-L”類型區(qū)均分布在奉新縣東部。表明區(qū)域內(nèi)耕地耕作條件過差會(huì)對(duì)耕地的有效土層厚度、耕層質(zhì)地、土體構(gòu)型以及礫石含量造成負(fù)面影響，進(jìn)而導(dǎo)致耕地自然質(zhì)量降低；耕地的有效土層厚度、耕層質(zhì)地、土體構(gòu)型以及礫石含量過差也會(huì)制約耕作條件改善。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)目區(qū)內(nèi)耕作條件與有效土層厚度、耕層質(zhì)地、土體構(gòu)型以及礫石含量過差區(qū)域，針對(duì)性進(jìn)行治理，能夠取得更好的效果。這為今后南方丘陵地區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)基本農(nóng)田建設(shè)、土地綜合整治過程中，確定整治項(xiàng)目重點(diǎn)內(nèi)容，針對(duì)性改善區(qū)域耕地耕作條件和耕地自然質(zhì)量方面提供理論支持和思路參考。