河北省耕地生态安全及空间聚集格局_王千

第27卷第8期农业工程学报V ol.27 No.8 338 2011年8月Transactions of the CSAE Aug. 2011河北省耕地生态安全及空间聚集格局王千，金晓斌※，周寅康（南京大学地理与海洋科学学院，南京 210093）摘要：为了科学评判耕地生态安全态势与空间聚集格局。

基于地理学研究中的空间格局分析技术，在压力-状态-响应框架下，结合生态学中的能值理论，构建县级耕地生态安全评价指标体系，估算河北省138个县耕地生态安全状况，重点探讨其空间聚集格局差异特征，分析聚集格局产生的主要影响因素。

研究结果表明：河北省138个县的耕地生态安全状况呈空间聚集分布格局，空间聚集度Moran's I值为0.630；省域范围内存在2个聚集区，高值聚集区由石家庄、邢台以及邯郸组成，共23个县，耕地生态安全综合指数平均值为0.377，低值聚集区由张家口和承德大部组成，共22个县，耕地生态安全综合指数平均值为0.169，其他县市呈零散分布；高值聚集区内各县Theil指数大于低值聚集区；宏观角度上的地形地貌、降雨、土壤、耕地质量等因素是空间聚集格局分布与差异的主要动因。

耕地生态安全评价与空间聚集格局特征分析为科学划定区域生态安全功能区，保障区域粮食安全生产提供科学依据。

关键词：生态，模型，降雨，耕地生态安全，能值理论，压力-状态-响应模型，空间聚集格局，河北省doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.08.059中图分类号：F304.5 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2011)-08-0338-07王千，金晓斌，周寅康. 河北省耕地生态安全及空间聚集格局[J]. 农业工程学报，2011，27(8)：338－344.Wang Qian, Jin Xiaobin, Zhou Yinkang.Cultivated land ecological security and spatial aggregation Pattern pattern in Hebei Provinceprovince[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(8): 338－344. (in Chinese with English abstract)0 引 言耕地资源是最宝贵的自然资源，具有生产、空间承载以及环境保护等多种功能，经过人类长期干预，耕地生态系统逐渐演变成为具有高度耦合性的社会-经济-生态复合系统[1]。

随着人类对耕地资源利用的深度和广度增加，耕地资源的稀缺性增强，耕地利用生态问题逐渐凸显，引起了政府部门与学者的广泛关注。

在此背景下，耕地利用生态安全研究逐渐成为亟待深入开展的前沿课题。

国际上，学者主要将耕地生态安全与可持续利用相结合进行系统研究，K. B. Beesley[2]指出在农用地保护中，耕地生态价值与安全越来越受到农场主的认可与关注；G. Rasu[3]从农业生态环境、社会经济方面构建了评价指标体系，分析了南亚国家-孟加拉的耕地地持续利用与生态状况。

国内耕地生态安全问题研究主要集中在耕地生态安全概念及内涵分析[4-5]，评价指标选取与指标体系构建[6-7]，区域生态安全现状评价与格局研究[8]等方面。

从现有研究分析可知，中国耕地生态安全评价研究刚刚起步，现有研究还存在需要进一步完善和丰富的地方。

空间格局研究是地理学研究的重要组成部分，是科学地进行农业区划与功能分区的基础。

耕地生态安全评收稿日期：2010-12-19 修订日期：2011-07-20基金项目：国家科技支撑计划（2008BAB38B06-2）。

作者简介：王千（1981－），男，河北廊坊人，博士，中国自然资源学会会员，中国地理学会会员，CPGIS会员，主要从事土地利用和土地评价研究。

南京南京大学地理与海洋科学学院，210093。

Email: luccnju@※通信作者：金晓斌，男，（1974－），甘肃兰州人，副教授，博士，主要从事土地资源管理研究。

南京南京大学地理与海洋科学学院，210093。

Email: jinxb@。

价属于区域宏观战略研究，因而，空间格局研究对区域生态安全具有重要的理论与现实意义，是耕地生态安全研究的重要组成。

现有生态安全格局研究主要集中在中、小尺度上[9]，缺少区域大尺度上的耕地安全聚集格局特征分析研究，使得研究成果难以为区域耕地生态保护提供宏观上的技术支持与决策依据。

同时从生态安全压力、状态、响应3个方面，对中国粮食主产区耕地生态全状态与空间聚集格局进行实证分析的研究还需要丰富。

本研究以吴次芳[10]关于土地生态安全的定义为基础，将生态学研究中的能值理论与土地利用/土地覆盖变化结合，在压力-状态-响应（Press-State-Response，简称PSR）框架下，遴选和构建县级耕地生态安全评价指标体系，测算河北省138个县耕地生态安全综合指数，结合地理学研究中的空间自相关分析技术，重点探讨其空间分布规律、特征及其动因。

以期从方法论和认识论角度丰富耕地生态安全评价研究内容，为在大中尺度上，更准确评判区域耕地生态安全态势，科学划定区域生态安全功能区划，保障区域粮食安全生产提供科学依据。

1 研究方法1.1 空间自相关分析空间格局研究指通过对事物空间分布差异与变化研究，揭示事物在一定空间范围内的分布规律与运行机制。

空间自相关分析是探索性空间数据分析（exploratory spatial data analysis，ESDA）研究中的重要方法之一，反映一个区域单元上某种地理现象或某一属性与邻近区域单元上同一现象或属性相关程度，是空间域内聚集程度的一种量度，包括全局空间自相关和局部空间自相关2第8期 王 千等：河北省耕地生态安全及空间聚集格局339大类[11]。

全局空间自相关是对某种地理现象或某属性在整个区域的空间特征的描述，进而利用Moran's I 指数判断此现象或属性值在空间上是否存在聚集特性。

而局部空间自相关能够测度一个局部小区域单元上的某种地理现象或某一属性值的空间异质性，能够推算出聚集地的空间位置和范围，用局域LISA 指标能够揭示各个区域单元空间自相关的程度[12]。

全局空间自相关计算公式11111()()()/()nmnmi j i j i ij i j i i j I d n w x x n x w ======−−−∑∑∑∑∑（1）式中，n 为研究对象的数目；x i 为第i 县观测值；x j 为第j 县域观测值；x 为x i 的平均值；w (i,j )为研究对象i 与j 之间的空间连接矩阵，表示空间单元间潜在相互作用程度。

空间连接矩阵一般表示为N 维的矩阵W (n ×n )，通过空间相邻和空间距离来确定。

本文主要采用Rook 方式，构建空间相邻矩阵。

局部空间自相关Local Moran's I 计算公式ni i jijj iI w z z≠=∑ （2）式中，Z i 和Z j 分别为局部县域i 和与其相邻县域j 的能值指标的标准化值，表示各县域能值指标与其均值的偏差程度，即()/i i Z x x S =−；S=x i 为第i 县观测值，x j 为第j 县域观测值；n 为所有县域的总数，w ij 是空间权重矩阵W (i,j )的元素。

Local Moran's I 的期望值为1()(1)ni ij j E I n w ==−−∑ （3）当I i ≥E (I i )时，表明地理单元i 的周围有一种相似属性值的空间集聚现象，即空间正相关现象；当I i ＜E (I i )时，表明地理单元i 与其周围区域的属性值差别较大，即存在着一种空间负相关现象[13]。

1.2 能值理论能值（Emergy ）理论是美国生态学家H. T. Odum [14]于20世纪80年代在能量系统基础上创立的新方法，为准确评价资源环境价值提供了科学依据，将能值定义为一种流动或储存的能量所包含的另一种类别能量的数量，其单位为太阳能焦耳（sej ）。

单位能量（或物质）所含的太阳能量称为太阳能值转换率，单位为sej/J （或sej/g ），它是度量某种能量（或物质）的尺度。

通过其相应的能值转换率，将不同能质的能量转换为其所包含的太阳能值，达到统一度量评价的目的。

20世纪90年代以来能值分析研究已国内外得到广泛应用。

在农业方面，国外的H. T. Odum [15]，Edward Lefroy [16]，G.Q.Chen [17]等以及国内张耀辉等[18]，张洁瑕等[19]分别应用到国家、区域以及农场等尺度进行了应用，在能值指标选取，能值流程分析等方面取得一定研究意义的成果。

1.2 PSR 模型压力-状态-响应框架模型（PSR 模型）是联合国经济合作开发署建立用于研究环境问题的框架体系，遵循“原因-效应-响应”思维逻辑，体现了人类与环境之间的相互作用关系[20]。

近年来压力-状态-响应模型广泛地应用于区域可持续发展评价以及生态环境评价等方面的研究。

相对于其他方法和模型，基于PSR 框架构建的耕地生态系统评价指标体系具有综合性、灵活性以及指标间因果关系等特点[21-22]。

根据PSR 模型原理分析河北省耕地生态安全特征，构建耕地生态安全评价值指体系。

图1 耕地生态安全的压力-状态-响应框架Fig.1 Press-State-Response framework of cultivated landeco-economic system2 研究区域与数据来源2.1 研究区概况河北省位于华北平原中部，地跨N36°03′－2°40′，E113°27′－19°50′，总面积为18.78×104 km 2。

地貌类型主要包括高原、山地、丘陵、盆地和平原等地貌类型，其中从北向南依次为，最北部的冀北坝上高原，其次为冀北（燕山）山地和冀西北山间盆地，东部为太行山山地，中部为太行山山前平原-燕山山前平原，西部为冀中平原-滨海平原[23]。

河北省是《全国新增1000亿斤粮食生产能力规划（2009－2020年）》中确定的重点区域之一。

根据2009年河北省政府工作报告显示，2009全省耕地面积为590.14×104 hm 2，占全国耕地总面积的4.84%，其中水土流失面积6.3×104 hm 2，荒漠化土地2.72×104 hm 2，耕地污染面积约为98.33×104 hm 2，河北省严峻的耕地生态安全态势，影响了区域粮食产量与安全。

2.2 数据来源与处理本研究中数据主要来源于2009年河北省农村统计年鉴、土地资源调查数据、水资源公报、土地利用总体规划、河北省生态环境本底数据库以及生态环境建设规划等相关资料。