《Agronomy》：Spatial Patterns of Agricultural Parcel Geometry and Their Environmental Associations: A Precision Agriculture Perspective
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农业地块几何形态是精准农业中空间异质性一个重要但相对未被充分探索的组成部分。本研究调查了土耳其布尔杜尔省375个薰衣草地块的空间组织及其与地形和土地资源特征的关系。研究人员将地块面积、形状指数（SI）和紧凑度指数（CI）与海拔、坡度、曲率、主要土壤类型（MSG
农业地块几何形态是精准农业中空间异质性一个重要但相对未被充分探索的组成部分。本研究调查了土耳其布尔杜尔省375个薰衣草地块的空间组织及其与地形和土地资源特征的关系。研究人员将地块面积、形状指数（SI）和紧凑度指数（CI）与海拔、坡度、曲率、主要土壤类型（MSGs）和土地能力等级（LCCs）一起，利用空间和统计分析进行了评估。通过增量空间自相关确定的2500米固定距离阈值被用于全局莫兰指数（Global Moran's I）、局部莫兰指数（Local Moran's I）和Getis–Ord Gi*分析。所有几何和地形变量均表现出显著的正空间自相关，其中海拔（Moran's I = 0.805）和坡度（I = 0.489）的空间依赖性显著更强。面积热点区出现在显著更高的海拔和更陡的坡度上，与非热点区地块相比，坡度的影响最强（r = 0.389）。面积热点区还与主要土壤类型（Cramer's V = 0.528）强相关，与土地能力等级（V = 0.346）中等相关，而形状指数和紧凑度指数表现出较弱的关系。这些发现表明，地块几何形态代表了农业空间异质性的一个补充维度，可以为详细田间评估区域的优先排序提供支持，为未来特定地点的监测提供空间基础，而非直接定义经农艺验证的管理分区。
一、研究背景与问题提出
农业地块的几何形态，包括地块面积、形状复杂度与紧凑度，是农业景观空间组织的重要结构性特征。在精准农业领域，空间异质性的识别与管理单元的划分对于实施定点管理策略至关重要。然而，现有研究对农业异质性的关注主要集中在土壤属性、作物生长状况和管理实践等方面，对地块几何特征——如地块大小和形状——所代表的农业用地物理组织形态关注相对不足。地块几何形态不仅影响农业作业的机械效率、转弯调头需求和整体田间作业效率，还直接关系到耕作与运输成本。尽管已有研究表明，较大且更紧凑的田块往往表现出更高的产量和更低的田内变异性，但关于地块几何形态在景观尺度上的空间分布规律，及其与地形条件、土壤类型和土地能力等级等环境因素之间的关系，仍缺乏系统性的研究。
在此背景下，本研究以土耳其布尔杜尔省375个薰衣草种植地块为研究对象，提出一个核心假设：农业地块几何形态并非在空间中随机分布，而是呈现出与地形和土地资源特征相关联的显著聚类模式。研究旨在回答三个关键问题：地块面积、形状复杂度与紧凑度是否存在显著的空间依赖性；这些几何特征是否表现出局部的聚类、空间异常值及热点-冷点格局；以及识别出的几何热点区与海拔、坡度、曲率、主要土壤类型和土地能力等级之间存在怎样的关联。
二、研究内容与主要结论
研究结果表明，薰衣草地块的空间分布显著偏离随机模式，呈现出强烈的空间聚集特征。在空间自相关方面，所有几何与地形变量均表现出显著的正空间自相关，其中海拔（Moran's I = 0.805）和坡度（I = 0.489）的空间依赖性显著强于地块几何变量。在局部尺度上，面积热点区与显著更高的海拔和更陡的坡度相关联，坡度效应最强（r = 0.389）。面积热点区还与主要土壤类型（Cramer's V = 0.528）和土地能力等级（V = 0.346）表现出显著关联，而形状指数和紧凑度指数的热点区则表现出较弱且更具选择性的环境关联。值得注意的是，研究区域东北部反复出现多个变量共同的显著聚类区，表明该区域可能存在独特的地块配置与环境条件组合。这些发现证实了地块几何形态是农业空间异质性的一个补充维度，可为详细田间评估区域的优先排序提供空间框架，但研究明确强调，所识别的热点区不应被解释为经农艺验证的管理分区。
三、主要技术方法
研究采用了多种空间统计与统计分析方法。空间格局分析方面，依次运用了平均最近邻分析（ANN）评估地块空间分布的整体模式，增量空间自相关分析（ISA）确定最优距离阈值，全局莫兰指数（Global Moran's I）评估整体空间自相关，局部莫兰指数（LISA）识别局部聚类与空间异常值，以及Getis–Ord Gi*统计量划分显著热点与冷点区域。统计分析方面，采用Mann–Whitney U检验比较热点区与非热点区地块的地形特征差异，采用Fisher–Freeman–Halton精确检验评估热点区与分类变量（主要土壤类型和土地能力等级）的关联，并辅以效应量（r）和Cramer's V量化关联强度。数据来源包括布尔杜尔省农业与林业部的薰衣草地块记录、土耳其土地注册与地籍总局的地块边界数据、30米分辨率SRTM数字高程模型以及1：25,000国家土壤数据库。
四、研究结果
4.1 空间格局分析
平均最近邻分析显示最近邻比率为0.314，z值为?25.405，表明地块呈强烈聚集分布。增量空间自相关分析在2500米距离处识别出第一个显著峰值，该距离被确定为后续分析的空间阈值。全局莫兰指数分析显示，所有变量均表现出显著正空间自相关，海拔的空间依赖性最强（I = 0.805），其次为坡度（I = 0.489）。在几何变量中，形状指数的空间自相关最高（I = 0.134），其次为面积（I = 0.113）和紧凑度指数（I = 0.092）。距离敏感性分析表明，在10000米的更宽邻域下，面积和地形变量仍保持显著空间自相关，而形状指数和紧凑度指数的空间自相关不再显著，表明形状相关指数具有更强的尺度依赖性。
4.2 局部空间聚类与热点
局部莫兰指数分析揭示了变量间不同的局部空间结构。地块面积表现出11个高-高聚类和6个低-高空间异常值；形状指数表现出10个高-高聚类和4个高-低异常值；紧凑度指数则表现出更异质的结构，包括5个高-高、8个高-低、7个低-高和15个低-低位置。地形变量表现出更为广泛的局部聚类，海拔包含37个高-高和27个低-低聚类，坡度包含35个高-高和55个低-低聚类。Getis–Ord Gi*分析显示，面积存在36个显著热点且无冷点；形状指数有19个热点和17个冷点；紧凑度指数有29个热点和34个冷点。相比之下，海拔包含105个热点和65个冷点，坡度包含59个热点和127个冷点。研究区域东北部反复出现多个变量的显著聚类区。
4.3 热点区与非热点区地块的地形特征比较
Mann–Whitney U检验显示，面积热点区地块的海拔和坡度中位数显著高于非热点区地块，坡度差异最强（10.008°对4.269°，r = 0.389），海拔差异中等（1229.283米对1165.000米，r = 0.214），曲率差异较小但显著（r = 0.137）。经Benjamini–Hochberg FDR校正后，形状指数热点区与任何地形变量均无显著差异；紧凑度指数热点区仅在海拔上存在未校正的显著差异（r = 0.116），但校正后不显著。敏感性分析排除了90%置信水平的热点后，面积热点的地形分化模式保持稳定。
4.4 热点区与土壤类型和土地能力等级的关联
Fisher–Freeman–Halton精确检验显示，面积热点区与主要土壤类型存在强关联（Cramer's V = 0.528），36个面积热点中有34个分布在栗钙土（CE）上，调整标准化残差为+10.0，而冲积土（K）、棕色森林土（M）和非石灰性棕色森林土（N）中面积热点少于预期。面积热点区在土地能力等级VII中显著过度代表（调整标准化残差+6.3），在等级II中代表性不足（?3.1），Cramer's V为0.346。紧凑度指数热点区与主要土壤类型显著关联（V = 0.279），主要因棕色森林土（M）过度代表（+4.8）和栗钙土（CE）代表性不足（?3.2）。形状指数热点区与主要土壤类型无显著关联，但在土地能力等级II中过度代表（+3.9）。
五、讨论与结论
讨论部分指出，地形变量，特别是海拔和坡度，表现出远强于地块几何变量的空间组织性，这与地形的固有空间连续性一致。面积热点的地形分化表明，较大地块的空间集中与特定的地形环境相关，但不应被解释为地形的直接因果效应。面积热点在土地能力等级VII中的集中不应被解读为这类土地更适合薰衣草种植，而是表明现有较大薰衣草地块的聚类与受传统耕作限制较大的土地不成比例地关联。由于坡度、土壤类型和土地能力本身具有地理结构，它们与面积热点的关联可能部分反映了同一潜在景观格局的不同表达。研究还强调了观测空间非独立性和局部显著性检验多重比较问题对结果解释的局限性。
结论部分明确，将地块几何形态、地形属性和空间统计相结合，为刻画薰衣草生产景观的空间组织提供了有效框架。在几何指标中，地块面积表现出最清晰的环境分化，而形状指数和紧凑度指数由于是同一面积-周长关系的数学变换，应被视为地块形状的替代表示而非独立维度。所识别的热点区不应被解释为经农艺验证的管理分区，因为研究未包含作物表现、土壤属性或管理实践的直接测量。该空间框架可支持详细田间评估区域的优先排序，并为未来定点监测提供基础。研究区域东北部反复出现的显著空间格局集中区，被确定为特别值得开展田间层面调查的候选区域。未来研究应整合更高分辨率的地形数据、田间尺度的土壤测量、作物表现指标、遥感观测和农场管理信息，以确定所识别的空间格局是否对应农艺上有意义的差异，这是将空间格局转化为定点管理建议的必要前提。
