基于GIS的廣東省“旱改水”項目新增水田適宜性評價方法研究

胡智毅,范亞南

(1.廣州藍(lán)圖地理信息技術(shù)有限公司，廣東廣州 510000；2.廣東省土地調(diào)查規(guī)劃院，廣東廣州 510000)

在快速發(fā)展的新型城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的背景下，規(guī)模不斷擴(kuò)大的建設(shè)用地不可避免地仍將繼續(xù)占用大量耕地，廣東省建設(shè)用地與農(nóng)用地之間的矛盾尤為突出，為加強耕地保護(hù)，全國進(jìn)行10余年耕地占補平衡政策。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為耕地占補平衡政策對我國耕地保護(hù)起到了積極作用，但是也有部分學(xué)者提出相應(yīng)的質(zhì)疑與改進(jìn)意見[1-2]，伴隨著耕地占補平衡的研究日益豐富[3-4]，耕地占補平衡的內(nèi)涵逐漸完善，耕地質(zhì)量占補平衡受到重視。耕地占補平衡過程中多占用水資源豐富、適宜于農(nóng)業(yè)的耕地，而補充的新增耕地多處于水資源匱乏、不適宜于農(nóng)業(yè)耕種的地區(qū)[5]，占補過程的耕地類型和質(zhì)量不對等對我國的糧食及生態(tài)安全造成嚴(yán)重威脅。黨中央、國務(wù)院關(guān)于最嚴(yán)格耕地保護(hù)制度的總體要求，明確關(guān)于建設(shè)占用耕地要“占優(yōu)補優(yōu)、占水田補水田”的規(guī)定，進(jìn)一步挖掘耕地后備資源，解決占補平衡過程中水田補充不足的問題。

為進(jìn)一步挖掘耕地后備資源，實現(xiàn)耕地占補平衡“占水田補水田”的目標(biāo)，廣東省采取將等同數(shù)量的旱地、可調(diào)整地類、未利用地以及現(xiàn)有補充耕地改造為水田的方式間接開發(fā)新增水田，該方式稱為旱地改水田項目(以下簡稱“旱改水”項目)。現(xiàn)階段“旱改水”項目的相關(guān)研究較少，部分學(xué)者利用“旱改水”的極限值[6-7]，探討“旱改水”的潛力[8-9]、農(nóng)業(yè)種植最優(yōu)結(jié)構(gòu)[10-12]，但存在無法確定具體田塊是否適宜于改造為水田的局限；也有學(xué)者以“旱改水”項目區(qū)實際情況為基礎(chǔ)，構(gòu)建“旱改水”適宜性評價體系[13-14]，缺少系統(tǒng)梳理與科學(xué)論證，無法應(yīng)用于實踐。在“旱改水”項目設(shè)計過程中，新增水田的適宜性評價體系構(gòu)建是關(guān)鍵問題。筆者以廣東省為研究區(qū)域，以 GIS空間分析技術(shù)為支撐,以現(xiàn)行的耕地質(zhì)量分等成果為基礎(chǔ)，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者們關(guān)于水田的研究及廣東省區(qū)域特色，將層次分析法與特爾菲法相結(jié)合[15]，構(gòu)建了科學(xué)性、實用性強的廣東省新增水田適宜性評價指標(biāo)體系，以期為旱地改水田項目提供理論依據(jù)，緩解耕地質(zhì)量下降和耕地類型結(jié)構(gòu)破壞所帶來的糧食與生態(tài)安全壓力。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1研究區(qū)域基本概況廣東省位于 109°45′～117°20′E、20°13′～25°31′N，東西最大間距約 800 km，南北最大間距約 600 km。全省陸地總面積為 17.98 萬km2，約占全國陸地面積的1.85%。根據(jù)2014年土地利用變更調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計，廣東省耕地總面積為262.55萬hm2，其中水田166.39萬hm2，占總量的63.37%；水澆地11.91萬hm2，占總量的4.54%；旱地84.25萬hm2，占總量的32.09%。2013年廣東全省旱地、可調(diào)整地類、未利用，現(xiàn)有補充耕地共765 870個圖斑，總面積為146.30萬hm2，具體分布情況如圖1所示。廣東水資源相當(dāng)豐富，年降水總量為3 194億m3，河川徑流總量為1 819億m3，加上鄰省從西江和韓江等流入廣東的客水量為2 330億m3，此外還有深層地下水60億m3，可供開采的人均水資源占有量達(dá)4 735 m3，遠(yuǎn)高于我國平均水平。

廣東省2014年底共有耕地262.55萬hm2，人均耕地為246.67 m2/人，低于全國人均耕地水平(966.67 m2/人)。為了實現(xiàn)“占一補一”的要求，嚴(yán)格執(zhí)行耕地保護(hù)目標(biāo)，廣東省2008—2013年補充耕地14.66萬hm2以上，目前已儲備可用于占補平衡的耕地指標(biāo)有12.00萬hm2以上，位列全國第二，但受可開發(fā)資源稟賦所限，全省儲備的耕地指標(biāo)中水田、水澆地較少，難以滿足“占優(yōu)補優(yōu)、占水田補水田”的新要求。“十二五”期間，全省建設(shè)項目承諾補充耕地但尚未落實補充的有水田5 704.48 hm2、水澆地995.79 hm2；未落實補充的優(yōu)等地2 156.33 hm2、高等地4 016.27 hm2。

圖1 2013年廣東省旱地、未利用地、可調(diào)整地類、現(xiàn)有補充耕地分布Fig.1 The distribution of dry land,adjustable land,unused land and existing supplementary cultivated land of Guangdong Province in 2013

1.2數(shù)據(jù)來源該研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有2011—2014年全省各縣(市、區(qū))土地利用變更數(shù)據(jù)更新包、2014年全省各縣(市、區(qū))土地變更調(diào)查數(shù)據(jù)、全省各縣(市、區(qū))土地整治規(guī)劃(2011—2015年)、2013年全省各縣(市、區(qū))耕地質(zhì)量年度更新成果、廣東省1∶50萬DEM數(shù)字高程模型等；社會經(jīng)濟(jì)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)來源于2015年廣東省統(tǒng)計年鑒；水資源相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)采用2010—2015年各年度水資源年報數(shù)據(jù)。其他基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括道路、居民點、土壤、水系、水位等空間信息。

1.3研究方法

1.3.1評價指標(biāo)選取原則。評價指標(biāo)的選取是整個適宜性評價的基礎(chǔ)。該研究遵循以下原則：①穩(wěn)定性原則。指標(biāo)選取時，考慮旱地及耕地后備資源開發(fā)過程影響穩(wěn)定的因子，如坡度、高程等，這類因子開發(fā)過程中本身屬性改變不大，對新增水田適宜性的影響持續(xù)穩(wěn)定。②主要相關(guān)性原則。充分考慮對新增水田適宜性主要影響的因子，如水源距離、田面坡度等這類因子與是否適宜于新增水田具有較強的相關(guān)性。③實際可用性原則。在科學(xué)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，選取便于獲取、便于應(yīng)用到實際“旱改水”項目的因子，如灌溉保證率、有機質(zhì)含量等耕地質(zhì)量年度更新成果中的因子，便于“旱改水”項目的開展和成果銜接。

1.3.2評價指標(biāo)選取方法。指標(biāo)選取采用改進(jìn)專家調(diào)查法，在“旱改水”相關(guān)研究與著作中，統(tǒng)計各位專家在“旱改水”領(lǐng)域內(nèi)關(guān)注的指標(biāo)因子作為初選指標(biāo)因子。具體方法：在“中國知網(wǎng)(CNKI)”以“旱地改水田”“旱改水”“土地后備資源”為檢索詞，搜集統(tǒng)計2000年至今的國內(nèi)期刊、學(xué)位論文中新增水田適宜性相關(guān)指標(biāo)因子；同時參考耕地質(zhì)量年度更新、廣東省旱地改水田工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及廣東省實行文件及關(guān)于廣東省區(qū)域特色研究相關(guān)論文初步選取廣東省新增水田適宜性評價指標(biāo)因子。進(jìn)一步結(jié)合特爾斐法，以文獻(xiàn)查閱的初選指標(biāo)為基礎(chǔ)，詢問專家指標(biāo)因子中重要性程度最高的5個指標(biāo)，并以重要性排序，制定相應(yīng)的專家意見咨詢表，向土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、水土保持學(xué)領(lǐng)域的共10位專家進(jìn)行咨詢。基于指標(biāo)選取原則及專家推薦指標(biāo)頻率，根據(jù)層次分析法理論，建立評價指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)，對初選指標(biāo)通過兩兩比較重要程度進(jìn)行判斷評分，利用計算矩陣的特征向量來確定各指標(biāo)對上層指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度，將出現(xiàn)頻率小于3次或貢獻(xiàn)程度小于0.05的指標(biāo)舍去，最終確定灌溉保證率、田面坡度、剖面結(jié)構(gòu)、田塊規(guī)格、地形坡度5個指標(biāo)(表1)。

1.3.3評價指標(biāo)分級與權(quán)重確定。為兼顧適宜性評價的科學(xué)性與實用性，該研究參照耕地年度更新指標(biāo)體系分級標(biāo)準(zhǔn)，鐘對廣東省新增水田開發(fā)實際，對確立的5個評價指標(biāo)構(gòu)建分級標(biāo)準(zhǔn)并確定其對應(yīng)的等級指數(shù)。適宜性評價因子權(quán)重的確定過程：通過制定專家咨詢表，詢問評價各指標(biāo)重要性，以專家咨詢表指標(biāo)重要性排名及出現(xiàn)頻率進(jìn)而構(gòu)建其判斷矩陣；對矩陣進(jìn)行歸一化處理，求解該判斷矩陣的特征向量和最大特征值，依據(jù)所求特征向量對其進(jìn)行層次總排序和層次單排序；對結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗，利用同一層中所有層次單排序的結(jié)果，計算針對上一層次而言的本層中所有因子的重要性權(quán)值。該過程中，一致性檢驗尤為重要，因為通常由于影響因子本身的復(fù)雜性和計算過程的理想化，導(dǎo)致在運用層次分析法進(jìn)行權(quán)值計算時往往存在一定的誤差，如果不進(jìn)行一致性檢驗，則得到因子的權(quán)重可能超出合理的范圍甚至謬誤。因此，需要對判斷矩陣進(jìn)行一致性和隨機性檢驗[16-18]，檢驗公式為:

Q=(Umax-N)/[D×(N-1)]

(1)

式中，Q為判斷矩陣的隨機一致性比率；Umax為判斷矩陣的最大特征根；N為判斷矩陣的階數(shù)；Umax-N稱為判斷矩陣的一致性指標(biāo)；D為判斷矩陣的平均隨機一致性指標(biāo)，根據(jù)所構(gòu)建的矩陣階數(shù)，取 1.12。當(dāng)Q<0.1 時，認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權(quán)數(shù)分配合理。最終確定廣東省“旱改水”項目新增水田適宜性評價體系見表1。

表1 廣東省新增水田適宜性評價指標(biāo)

1.3.4評價模型的構(gòu)建。根據(jù)以上確定的各參評因子權(quán)重及各因子分級的等級指數(shù)，建立未利用地開發(fā)適宜性評價綜合分值的數(shù)學(xué)計算模型如下：

(2)

式中，Cj表示第j個評價單元的綜合分值；Aij表示第j個評價單元第i個因子的等級指數(shù)；Bi表示第i個評價因子的權(quán)重；n表示評價因子的總個數(shù)；t表示評價單元的總個數(shù)。基于式(2)，以廣東省區(qū)域內(nèi)獨立的地類圖斑為評價單元，借助ArcGIS 10.2地理信息平臺，對評價單元各評價指標(biāo)等級指數(shù)與相應(yīng)權(quán)重的乘積進(jìn)行加和，得到評價單元的綜合分值，并將其劃分為最適宜(綜合得分≥90)、中等適宜(70≤綜合得分<90)、勉強適宜(60≤綜合得分<70)、不適宜(綜合得分<50)4個等級。

2 結(jié)果與分析

2.1新增水田、水澆地評價分析水田是指用于種植水稻等水生農(nóng)作物的耕地，包括實行水生、旱生農(nóng)作物輪種的耕地。旱地是指無灌溉設(shè)施，靠天然降雨種植旱作物的耕地，包括沒有灌溉設(shè)施，僅靠引洪淤灌的耕地。水澆地，指水田、菜地以外，有水源保證和灌溉設(shè)施，在一般年景能正常灌溉的耕地。該研究中新增水田定義為：在現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)技術(shù)與實際可行的基礎(chǔ)上，通過人為的土地整治，將旱地、可調(diào)整地類、未利用地以及現(xiàn)有補充耕地改造為可實際利用的水稻等水生農(nóng)作物的耕地。至今廣東省尚未開展“旱改水”工程試點項目，2013年廣東省更新地類圖斑中水田與水澆地屬非工程“自然”形成，可認(rèn)定此類田塊經(jīng)過人為的土地整治改造成可實際利用的水稻等水生農(nóng)作物的耕地可能性極大，其“旱改水”工程新增水田的適宜性程度較高。

利用ArcGIS 10.2篩選出2012年廣東省土地利用變更增量包地類類型為旱地、可調(diào)整地類、未利用地以及現(xiàn)有補充耕地且2013年廣東省土地利用變更增量包地類類型為水田、水澆地的田塊單元，共2 359個田塊單元，其中水田119個，水澆地2 240個，主要分布珠三角平原地區(qū)；并聯(lián)合2013年廣東省耕地質(zhì)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行適宜性評價。其中最適宜單元509個，占21%；適宜單元1 646個，占70%；勉強適宜161個，占7%；不適宜單元43個，占2%。具體分布情況見圖2。

圖2 2013年地類更新水田、水澆地新增水田適宜性程度百分比分布Fig.2 The percentage distribution of suitability of paddy field and new paddy field in 2013

2013年廣東省土地利用變更增量包地類類型為水田、水澆地的田塊單元，很大一部分空間分布在廣東省珠三角沿海平原區(qū)域，主要是由此區(qū)域地勢平緩、水資源充足所決定的；其他區(qū)域由地形坡度等條件限制出現(xiàn)“自然”而成的新增水田數(shù)量較少，其他具體分布見圖3。

由圖3可知，2013年地類更新水田、水澆地新增水田適宜性程度為最適宜和適宜單元占90%，可見，該適宜性評價方法準(zhǔn)確性較高，能滿足“旱改水”工程項目的實際需要。10%田塊單元適宜性程度為勉強適宜和不適宜，其主要由田塊規(guī)模過小、地形坡度過大從而使“旱改水”工程實施經(jīng)濟(jì)成本過大而導(dǎo)致。勉強適宜和不適宜的204單元中，186個單元田塊規(guī)模得分為10～30分，田塊規(guī)模多處于900 m2以下；23個單元地形坡度得分為60分，地形坡度處于8°～15°。

2.2評價結(jié)果分析提取2013年耕地旱地、可調(diào)整地類、未利用地以及現(xiàn)有補充耕地，共765 870個土地單元，總面積1 463 008 hm2。通過適宜性評價，計算得最適宜單元123 082個，總面積366 142 hm2，占評價對象總面積的25.03%；適宜單元244 490個，總面積419 483 hm2，占評價對象總面積的28.67%；勉強適宜單元225 878個，總面積497 581 hm2，占評價對象總面積的34.01%；不適宜單元172 420個，總面積179 800 hm2，占評價對象總面積的12.29%；各地級市分布具體情況見表2。

圖3 2013年地類更新水田、水澆地新增水田適宜性程度空間分布Fig.3 The spatial distribution of suitability of paddy field and new paddy field in 2013

通過分析各地級市區(qū)域內(nèi)新增水田適宜性程度為最適宜、適宜田塊單元面積占廣東省總最適宜、適宜田塊面積的百分比，將廣東省行政地級市區(qū)域按上述面積百分比按0～5%、5%～10%、10%以上劃分為3個“旱改水”項目重點等級，其具體空間分布情況見圖4。廣東省“旱改水”項目的重點區(qū)域主要在湛江市、茂名市、云浮市、肇慶市、江門市、廣州市等區(qū)域，由這些區(qū)域旱地、可調(diào)整地類、未利用地以及現(xiàn)有補充耕地總面積大，且“旱改水”工程后新增水田的面積占全省總面積的比例較大所決定的；韶關(guān)市、惠州市、東莞市、深圳市、汕尾市、潮州市等區(qū)域“旱改水”項目新增水田面積有限，其本身旱地及耕地面積較少，是導(dǎo)致其面積比不足5%的主要原因。以深圳市為例，位于珠三角平原的深圳地勢平坦、水資源豐富，經(jīng)評價其旱地及耕地后備資源中有占總面積比75%的田塊適宜于土地整治為新增水田，但由于深圳市旱地及耕地后備資源總面積小，其總適宜新增水田的面積僅占廣東省適宜新增水田面積的0.008%。

表2 廣東省適宜性評價各地級市情況

圖4 “旱改水”項目新增水田重點地級市分布Fig.4 Key prefecture-level city distribution of new paddy field in ‘dry land is changed to paddy fields’ project

“旱改水”項目的直接實際意義是達(dá)到耕地占卜平衡“占水田補水田”的最新要求。理論上不計成本的經(jīng)濟(jì)投入，任何土地單元都可以改造成水田，該研究的實際意義是在現(xiàn)階段科技水平下，篩選出最易于改造的旱地及耕地后備資源，同時滿足廣東省耕地占補平衡需補充的水田數(shù)量。通過“旱改水”工程新增水田適宜性評價指標(biāo)對2013年廣東耕地質(zhì)量中旱地及可調(diào)整地類進(jìn)行適宜性評價，估算廣東省新增水田潛力是否滿足于補充新增水田要求以驗證該研究的實用性。通過分析2011—2014年廣東省建設(shè)用地占用地類，可知被占用的水田占耕地面積比重為56.73%；該研究適宜性評價出廣東省新增水田最適宜單元和適宜單元占總面積百分比之和為54%，基本上滿足補充建設(shè)用地占用水田面積的需求。

3 結(jié)論與討論

現(xiàn)階段國內(nèi)關(guān)于“旱改水”項目新增水田的研究較少，相關(guān)研究主要集中在土地后備資源的適宜性評價[19]、潛力[20]、分區(qū)[21]、生態(tài)環(huán)境[22]等方面以及水資源與耕地相關(guān)研究方面[23]。該研究以廣東省旱地、可調(diào)整地類、未利用地以及現(xiàn)有補充耕地為評價對象，借鑒土地后備資源、水資源與耕地相關(guān)研究方法，將層次分析法與特爾菲法相結(jié)合，選取灌溉保證率、地形坡度、田面坡度、有機質(zhì)含量、田塊規(guī)模5個具體指標(biāo)，構(gòu)建了廣東省“旱改水”項目新增水田適宜性評價模型，并通過廣東省新增水田評價與實際情況比較驗證該方法的科學(xué)性和實用性。目前，新增水田適宜性評價工作還沒有統(tǒng)一的方法，該研究適宜性評價方法較劉正國等[14]在江西省試點“旱改水”項目適宜性評價方法及王君[13]在湖南省華容縣“旱改水”項目適宜性評價方法，側(cè)重于廣東省區(qū)域特色，同時注重與耕地質(zhì)量年度更新成果結(jié)合，更具備廣東省區(qū)域研究科學(xué)實用性。該研究方法對于廣東省即將開展的“旱改水”項目具有指導(dǎo)意義，同時可為新增水田的研究、“旱改水”潛力測算及分區(qū)、耕地占卜平衡完善等提供參考。

“旱改水”項目新增水田適宜性評價方法僅僅是耕地占卜平衡完善的前期研究，為更好地完成耕地占卜平衡，在今后的研究工作中，需要進(jìn)一步進(jìn)行“旱改水”項目潛力測算及分區(qū)，提供實際科學(xué)的方法，以緩解耕地質(zhì)量下降和耕地類型結(jié)構(gòu)破壞所帶來的糧食與生態(tài)安全壓力。

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