湖北省水田旱地空间特征及其梯度分布成因研究

摘要：为了分析湖北省耕地中主要水田和旱地的空间特征和分布成因，采用半变异函数和克吕格插值的方法分析水田旱地的空间分布特点，采用多元对数线性回归方法分析影响因素。结果表明，省内各县级行政单位的水田旱地具有明显的东西方向梯度分布特征;水田旱地结构指数由大到小的顺序为鄂东北低山丘陵区、鄂东南低山丘陵区、江汉平原区、鄂西高山区;多元对数线性回归模型显示，温度年较差、年均温、平均年降水、地形起伏度和人口密度是水田旱地梯度空间分布的主要因素，其中温度年较差、年均温、平均年降水和人口密度发挥正向作用，地形起伏度发挥负向作用。

关键词：水田旱地;半变异函数;克吕格插值;多元对数线性回归;空间特征;梯度分布

中图分类号：S17        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）20-4826-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.014

Spatial Distribution of Paddy Field and Dryland Structure and Its Gradient Distribution Factors in Hubei Province

XU Bei-shena，b， XU Lic

（a. College of Law & Management， b. Emergency Management Research Center，

c. Department of Science & Technology， China Three Gorges University， Yichang 443002， Hubei， China）

Abstract： To study the spatial characteristics and factors influencing paddy field and dryland structure in Hubei province， semi-variable function and spatial interpolation was used to analyze the distribution characteristics of paddy field and dryland according to the data of each county in Hubei province. Multiple logarithm linear regression model was used to quantitatively estimate the key factors affecting the spatial distribution of paddy field and dryland. The results showed that the paddy field and dryland of each county in Hubei province had obvious gradient distribution characteristics from east to west direction. The index for paddy field and dryland structure decreased from low hill area in the northeast， low hill area in the southeast， Jianghan plain to high mountain area in the west of Hubei province. The multiple logarithm linear regression showed that annual range of temperature （ART）， mean annual temperature （MAT）， annual precipitation （AP）， terrain undulation （TU） and population density （PD） were the main factors affecting the spatial distribution of paddy field and dryland. The index for paddy field and dryland structure increased with annual range of temperature （ART）， mean annual temperature （MAT）， annual precipitation （AP） and population density （PD）， and decreased with terrain undulation （TU）.

Key words： paddy field and dryland; semi-variable function; Kriging interpolation; multiple log-linear regression; spatial characteristics; gradient distribution

湖北省自古就是中国的重要粮仓，所谓“湖广熟，天下足”就是对此的美誉。随着城市化的推进，粮食安全问题日益突出，耕地成为影响粮食生产能力的重要因素。湖北省东、西、北三面环山、中部为江汉平原，农业生产环境和经济社会条件各有差异，由此导致农业土地利用方式及其效应的差异性。土地利用现状按国家标准将耕地分为水田、水浇地和旱地，根据《湖北农村统计年鉴》，湖北省耕地中以水田和旱地为主。水田旱地结构是耕地类型中两种耕地类型质和量的比例关系与格局，其空间分布对区域内农业，特别是种植业具有重要的影响，并在某种程度上决定了一个地区的农业发展方向[1]。

据统计，中国各省级行政区中，水田旱地结构指数最大为江西省的456，最小为青海省的0[2]，在各省内部地区之间，水田旱地结构也存在着巨大的差异。这些事实反映了区域水田旱地结构是一种极其复杂的地理现象，这种现象的形成是多种地理因素共同作用的结果。黄妮等[3]利用遥感和GIS技术对三江平原水田和旱地的动态变化和转化特征进行了研究。张国平等[4]对中国水田和旱地分布与降水和地形之间的关系做了较为详细的分析，但没有涉及其他地理因素。总体来看，国内对水田旱地结构的特征及各因素之间的综合分析很少。在全球气候变化、人口增长和经济社会发展对耕地利用和农业生产、粮食安全带来越来越显著影响的背景下，深入研究区域水田旱地结构及其影响因素，对于认识水田旱地分布规律、促进区域农业生产和可持续发展具有重要的指导意义。

湖北省位于华中地区，面积18.59万km2。湖北省西部、东北部、东部三面环山，中南部为江汉平原，地貌类型多样，地势高低相差悬殊，属于亚热带季风气候，具有气候纷杂多变、季节变化明显和南北过渡性的气候特征。湖北省社会经济发展水平相差巨大，呈现出以武汉为中心，东高西低的格局。湖北省内各自然和人文地理要素分异明显，具有区域研究的代表性和典型性。本研究以2010年湖北省各县级行政区水田旱地结构数据为基础，运用半变异函数分析和克吕格插值的方法，对湖北省水田旱地的空间分布特征进行了分析，并运用多元对数线性回归从统计学的角度分析了水田旱地空间分布的影响因子。

1  数据来源与研究方法

1.1  影响因素的选择

水田旱地作为重要的土地利用类型，是自然历史的综合体，同时也具有明显的人文属性。因此区域水田旱地结构作为一种特殊的地理现象，受到各种自然地理因素和人类社会经济活动的影响。根据地理现象分布的一般规律（纬度地带性、经向地带性、垂直地带性和非地带性）[5]和农业土地利用的影响因素[6]，共选择了4类因素共9个影响因子[7-9]开展分析，其中自然地理因素主要分为能量因素、降水因素和地形因素，能量因素包括年均温（MAT）、平均温度年较差（ART）和温度季节性（TSN），降水因素包括年均降水量（AP）和降水季节性（PS），地形因素包括平均高程（ME）和地形起伏度（TU）;人文地理因素包括人口密度（PD）和地均GDP（MGDP）。

1.2  数据来源和处理

1.2.1  水田旱地结构指数  根据2010年《湖北农村统计年鉴》数据计算湖北省各县级行政区（地级市市辖区和郊区分别计算）水田旱地结构指数，并运用ARCGIS9.3软件将数据导入湖北省行政区图。

1.2.2  气候数据  数据来源于世界气候数据网[10]，空间分辨率为0.008 3°×0.008 3°的栅格数据。该数据以全球约27 000个气象观测站点1950-2000年的观测数据为基础，进行空间三位插值得到。本研究利用该数据，通过ARCGIS 9.3软件叠加得到边长为10 km网格为基础的全省气候数据。

1.2.3  地形数据  以2009年NASA制作的ASTER GDEM全球电子地形数据为基础[11]（分辨率为30 m×30 m），与上述边长为10 km网格在ARCGIS9.3中进行叠加和邻域分析，得到每个网格的平均高程和地形起伏度数据。地形起伏度为网格内高程最高点和最低点的差值。

1.2.4  社会经济数据  根据2010年《湖北省统计年鉴》数据计算湖北省各县级行政区（地级市市辖区和郊区分别计算）的人口密度和地均GDP，在ARCGIS中进行克吕格插值，并与边长为10 km的网格叠加得到全市人口密度和地均GDP的空间分布图。各影响因子的分布见图1。

1.3  研究方法

1.3.1  半变异函数分析  水田旱地结构和区域的自然地理要素分布、社会经济发展状况直接相关。这些因素在空间上均具有随机性和结构性，具有地学特征，因此水田旱地和各种地理实体一样，存在着一定的空间关联性，可以运用地学统计分析方法[12]。

半变异函数分析是地统计学中的重要组成部分，半变异函数分析的主要作用是描述和识别格局的空间结构，以及用于空间局部最优化插值。计算公式为：

r（h）=■■[Z（xi+h）-Z]2

式中，h为样本间距;N（h）为以h为间距的所有观测点的成对数目。Z（xi）和Z（xi+h）分别是水田旱地结构指数在空间位置xi和xi+h上的观测值（i=1，2，…，N（h）），N（h）是分隔距离为h时的样本对总数。应用最小二乘法对实测半方差进行不同模型的拟合，可以估计不同距离的半变异值，进而对变量进行克吕格插值。

1.3.2  多元对数线性回归模型  为了探讨水田旱地空间分布的驱动因素，本研究将水田旱地结构作为因变量，各自然地理因素以及社会经济因素作为驱动因子，建立水田旱地结构和驱动因子的多元回归模型。

在利用多元线性回归方法进行分析前，需要进行复共线性检验、等方差检验、误差项正态分布检验[13]。复共线性检验用来判断自变量之间是否存在自相关的情况，采用方差膨胀模型进行复共线性检验，其中平均温度年较差、温度季节性、人口密度和地均GDP的方差膨胀因子大于10，未通过复共线性检验。通过剔除相关性较高的温度季节性、地均GDP和平均高程之后，剩余六个驱动因子通过复共线性检验，各因子的方差的膨胀因子分别为3.367，2.755，2.982，4.452，4.454和3.887。等方差检验是考察残差是否满足等方差的条件，并判断最小二乘法是否为最优的无偏估计。采用White检验方法[14]，结果模型的显著性水平小于5%，即多元回归模型存在异方差，因此需要采用加权最小二乘法或对数据进行变换。误差项的正态分布状况采用学生化残差方法检验，结果表明误差满足正态分布的假设。经过上述三个检验，本文对数据取自然对数后，选择对数线性模型进行回归分析，以消除异方差的影响。

2  结果和分析

2.1  各县水田旱地结构指数分析

湖北省各县级行政区的水田旱地结构指数分级如图2所示。湖北省位于秦岭——淮河一线以南，属于以水田为主的区域。2010年湖北省的水田面积为18 900 km2，旱地为13 365 km2，水田旱地结构指数约为150，全省水田旱地结构指数的重心位于东经113°48′，北纬30°40′，即湖北省中部的汉川市境内。省内各区域之间水田旱地结构指数相差悬殊，最低的为湖北省西部的神农架林区，指数为1，东端蕲春县的结构指数高达1 122;从水田旱地结构指数分级统计来看，指数小于50，即区域内旱地占绝对优势的区域分布最为集中，全部位于湖北省西部，其他各级分布相对零散。通过对各分级所含范围进行重心分析（图3），从东向西水田旱地结构指数逐步减小的趋势依稀可见，但南北方向上的各点的分布较为杂乱，规律性不显著。

2.2  各县水田旱地空间分布分析

为了更加清晰地展现湖北省水田旱地结构的空间分布特征，运用克吕格插值的方法实现水田旱地结构指数的空间化并分析其整体变化趋势。

在ARCGIS 9.3软件的Geostatistical Analyst模块中，对各县水田旱地结构指数经log变换后进行正态QQ图检验，结构显示其分布符合正态分布规律，满足半变异函数分析的前提条件。应用最小二乘法对各个县水田旱地结构指数的半方差进行不同模型（球面模型、指数模型、线性模型和高斯模型）的计算和拟合（图4），通过比较各方程标准平均值、均方根预测误差、平均标准误差和标准均方根预测误差4个参数的大小，对各种模型的拟合效果进行检验，最终确定采用球面模型，模型如下：

r（h）=0，                    h=0;C0+C[■（■）-■（■）3]，0

式中，半方差达到稳态的最小距离称为变程a，用来判断空间自相关的最大范围;C0为距离h=0时的半方差值，称为块金方差，主要表示由试验误差和小于取样尺度引起的变异;C为结构方差，表示空间自相关部分引起的变异;C0+C为稳态时的半方差值，称为基台值，表征系统内总的变异;C0/（C0+C）表示随机因素引起的空间异质性占系统总变异的比例。

结果表明，C0=0.593，C0+C=3.338，a=71 136 m，数据具有很强的空间自相关性;通过软件检验，标准平均值（-0.427 1）接近于0;均方根预测误差（141.5）最小，平均标准误差（156.7）最接近于均方根预测误差;标准均方根预测误差（0.914 5）接近于1，以上数据表明误差在允许范围内。由此采用普通克吕格法对各县水田旱地结构指数进行插值预测和模拟，并和湖北省边长为10 km的矩形网格进行叠加，生成等值区图（图5）。

从生成的等值区图可以发现，湖北省水田旱地空间分布具有明显的梯度分布特征，总体上以东经116°36′为界线，分为东西两大区域。西部区域的水田旱地结构指数全部小于100，是水田面积小于旱地面积的区域，且这一区域的范围和鄂西高山区的范围非常接近。东部区域的水田旱地结构指数全部大于100，是以水田为主的区域。其中，指数大于100小于150，即水田占优势但低于全省平均水平的狭长区域的范围大致分布于江汉平原和鄂西高山区之间的过渡地带;江汉平原地区的水田旱地结构指数基本在150至300之间;鄂东北和鄂东南的低山丘陵区是指数值最高的区域。

在ARCGIS 9.3软件中对插值得到的等值区图进行趋势线分析（图6），图A为长轴和短轴投影面分别平行于东西（X）方向和南北（Y）方向，图B为X轴逆时针旋转45°后所得。两图中绿线所显示的湖北省东西方向和西北—东南方向水田旱地空间分布的趋势基本相同，都为从右向左不断下降;两图中蓝线所显示的湖北省南北方向和西南—东北方向水田旱地空间分布的趋势表现出明显的不同。这种情况体现了水田旱地结构指数的分布是东西方向上的空间规律性和南北方向上的空间多样性的综合反映，是地带性因素和非地带性因素综合作用的结果。

2.3  梯度分布成因分析

在对数据进行对数处理后，采用SPSS 17.0计算得到湖北省水田旱地空间分布与影响因子之间的回归模型：

ln （ICL）=-28.33+0.811ln（MAT）+2.278ln（ART）+0.814ln（AP）-0.135ln（PSN）+1.746ln（PD）-0.123ln （TU）

方程总体拟合优度较好，R2=0.763。在显著性水平小于0.01时对数线性模型通过F检验（F=1 488.986），回归方差占总体方差的76.29%。回归系数的t检验中，年均温（MAT）、平均温度年较差（ART）、年降水（AP）、地形起伏度（TU）和人口密度（PD）通过显著性水平小于0.05的t检验，降水季节性（PSN）的显著性水平为0.057，未通过t检验，说明降水季节性的回归系数不显著。

从回归方程可以看出，能量因素中温度年较差和年均温、降水因素中的平均年降水和人文地理因素中的人口密度与水田旱地结构的作用方向相同，且对水田旱地结构梯度变化的驱动力均较大，即这些因素数值越大的区域，水田在耕地中所占的比例也越大。

湖北省地处我国中部湿润地区，省域内部年均温相对较高、年降水量相对更大，热量条件和降水条件更为优越的区域，更有利于采用水田为主的耕地利用形式;人口密度相对较大的区域面对日益增长的粮食等主要农产品的生产压力，更重视开发水田这种耕地利用方式，以充分发挥水田在灌溉等生产方面的优势，提高耕地的利用效率。地形因素中起伏度与水田旱地结构指数的作用方向相反，地势的崎岖不平不利于灌溉系统的建设和维护，因此起伏度越大的区域水田所占比重越小，更适宜于旱地开发。

3  小结和讨论

通过以上研究可以发现，湖北省内水田旱地呈现出明显的东西方向梯度分布特征。从湖北省地理区域的划分来看，水田旱地结构指数由大到小的顺序为鄂东北低山丘陵区、鄂东南低山丘陵区、江汉平原区、鄂西高山区。作为湖北省降水、热量和地形条件最为优越的江汉平原，一般认为其应为水田所占比例最大区域，但本研究的结果明显有悖于这一平常认识，这反映了在省域范围内，县级和更小的空间尺度上，水田和旱地的数量结构在区域中的分异特点不可能通过某一种因素来准确描述和解释，而是多种自然和人文因素综合作用的结果。通过对水田旱地空间分布和各因子进行多元对数线性回归分析，得到了湖北省水田旱地空间分布的回归模型，年均温、温度年较差、平均年降水和人口密度对水田旱地空间分布起正向作用，且对水田旱地空间分布变化的驱动力较大，而地形起伏度发挥负向作用。综合以上分析，地带性因子和非地带性因子的共同作用形成了水田和旱地在省域范围内数量和梯度空间分布的现状，这些地理因子本身都具有独特的地理空间分异格局，这些分异格局的综合作用又决定了水田旱地结构的分布形态。需要指出的是，有些对区域水田和旱地的分布具有影响的因素如农业政策、耕作传统和制度、市场变化等，因研究方法的限制无法开展定量的分析，有待进一步的深入研究。

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