基于GIS的广东省“旱改水”项目新增水田适宜性评价方法研究

胡智毅,范亚南

(1.广州蓝图地理信息技术有限公司，广东广州 510000；2.广东省土地调查规划院，广东广州 510000)

在快速发展的新型城镇化和工业化的背景下，规模不断扩大的建设用地不可避免地仍将继续占用大量耕地，广东省建设用地与农用地之间的矛盾尤为突出，为加强耕地保护，全国进行10余年耕地占补平衡政策。多数学者认为耕地占补平衡政策对我国耕地保护起到了积极作用，但是也有部分学者提出相应的质疑与改进意见[1-2]，伴随着耕地占补平衡的研究日益丰富[3-4]，耕地占补平衡的内涵逐渐完善，耕地质量占补平衡受到重视。耕地占补平衡过程中多占用水资源丰富、适宜于农业的耕地，而补充的新增耕地多处于水资源匮乏、不适宜于农业耕种的地区[5]，占补过程的耕地类型和质量不对等对我国的粮食及生态安全造成严重威胁。党中央、国务院关于最严格耕地保护制度的总体要求，明确关于建设占用耕地要“占优补优、占水田补水田”的规定，进一步挖掘耕地后备资源，解决占补平衡过程中水田补充不足的问题。

为进一步挖掘耕地后备资源，实现耕地占补平衡“占水田补水田”的目标，广东省采取将等同数量的旱地、可调整地类、未利用地以及现有补充耕地改造为水田的方式间接开发新增水田，该方式称为旱地改水田项目(以下简称“旱改水”项目)。现阶段“旱改水”项目的相关研究较少，部分学者利用“旱改水”的极限值[6-7]，探讨“旱改水”的潜力[8-9]、农业种植最优结构[10-12]，但存在无法确定具体田块是否适宜于改造为水田的局限；也有学者以“旱改水”项目区实际情况为基础，构建“旱改水”适宜性评价体系[13-14]，缺少系统梳理与科学论证，无法应用于实践。在“旱改水”项目设计过程中，新增水田的适宜性评价体系构建是关键问题。笔者以广东省为研究区域，以 GIS空间分析技术为支撑,以现行的耕地质量分等成果为基础，结合国内外学者们关于水田的研究及广东省区域特色，将层次分析法与特尔菲法相结合[15]，构建了科学性、实用性强的广东省新增水田适宜性评价指标体系，以期为旱地改水田项目提供理论依据，缓解耕地质量下降和耕地类型结构破坏所带来的粮食与生态安全压力。

1 数据来源与研究方法

1.1研究区域基本概况广东省位于 109°45′～117°20′E、20°13′～25°31′N，东西最大间距约 800 km，南北最大间距约 600 km。全省陆地总面积为 17.98 万km2，约占全国陆地面积的1.85%。根据2014年土地利用变更调查数据统计，广东省耕地总面积为262.55万hm2，其中水田166.39万hm2，占总量的63.37%；水浇地11.91万hm2，占总量的4.54%；旱地84.25万hm2，占总量的32.09%。2013年广东全省旱地、可调整地类、未利用，现有补充耕地共765 870个图斑，总面积为146.30万hm2，具体分布情况如图1所示。广东水资源相当丰富，年降水总量为3 194亿m3，河川径流总量为1 819亿m3，加上邻省从西江和韩江等流入广东的客水量为2 330亿m3，此外还有深层地下水60亿m3，可供开采的人均水资源占有量达4 735 m3，远高于我国平均水平。

广东省2014年底共有耕地262.55万hm2，人均耕地为246.67 m2/人，低于全国人均耕地水平(966.67 m2/人)。为了实现“占一补一”的要求，严格执行耕地保护目标，广东省2008—2013年补充耕地14.66万hm2以上，目前已储备可用于占补平衡的耕地指标有12.00万hm2以上，位列全国第二，但受可开发资源禀赋所限，全省储备的耕地指标中水田、水浇地较少，难以满足“占优补优、占水田补水田”的新要求。“十二五”期间，全省建设项目承诺补充耕地但尚未落实补充的有水田5 704.48 hm2、水浇地995.79 hm2；未落实补充的优等地2 156.33 hm2、高等地4 016.27 hm2。

图1 2013年广东省旱地、未利用地、可调整地类、现有补充耕地分布Fig.1 The distribution of dry land,adjustable land,unused land and existing supplementary cultivated land of Guangdong Province in 2013

1.2数据来源该研究采用的基础数据有2011—2014年全省各县(市、区)土地利用变更数据更新包、2014年全省各县(市、区)土地变更调查数据、全省各县(市、区)土地整治规划(2011—2015年)、2013年全省各县(市、区)耕地质量年度更新成果、广东省1∶50万DEM数字高程模型等；社会经济相关统计数据来源于2015年广东省统计年鉴；水资源相关统计数据采用2010—2015年各年度水资源年报数据。其他基础地理数据包括道路、居民点、土壤、水系、水位等空间信息。

1.3研究方法

1.3.1评价指标选取原则。评价指标的选取是整个适宜性评价的基础。该研究遵循以下原则：①稳定性原则。指标选取时，考虑旱地及耕地后备资源开发过程影响稳定的因子，如坡度、高程等，这类因子开发过程中本身属性改变不大，对新增水田适宜性的影响持续稳定。②主要相关性原则。充分考虑对新增水田适宜性主要影响的因子，如水源距离、田面坡度等这类因子与是否适宜于新增水田具有较强的相关性。③实际可用性原则。在科学准确的基础上，选取便于获取、便于应用到实际“旱改水”项目的因子，如灌溉保证率、有机质含量等耕地质量年度更新成果中的因子，便于“旱改水”项目的开展和成果衔接。

1.3.2评价指标选取方法。指标选取采用改进专家调查法，在“旱改水”相关研究与著作中，统计各位专家在“旱改水”领域内关注的指标因子作为初选指标因子。具体方法：在“中国知网(CNKI)”以“旱地改水田”“旱改水”“土地后备资源”为检索词，搜集统计2000年至今的国内期刊、学位论文中新增水田适宜性相关指标因子；同时参考耕地质量年度更新、广东省旱地改水田工程相关标准及广东省实行文件及关于广东省区域特色研究相关论文初步选取广东省新增水田适宜性评价指标因子。进一步结合特尔斐法，以文献查阅的初选指标为基础，询问专家指标因子中重要性程度最高的5个指标，并以重要性排序，制定相应的专家意见咨询表，向土壤学、生态学、水土保持学领域的共10位专家进行咨询。基于指标选取原则及专家推荐指标频率，根据层次分析法理论，建立评价指标的层次结构，对初选指标通过两两比较重要程度进行判断评分，利用计算矩阵的特征向量来确定各指标对上层指标的贡献程度，将出现频率小于3次或贡献程度小于0.05的指标舍去，最终确定灌溉保证率、田面坡度、剖面结构、田块规格、地形坡度5个指标(表1)。

1.3.3评价指标分级与权重确定。为兼顾适宜性评价的科学性与实用性，该研究参照耕地年度更新指标体系分级标准，钟对广东省新增水田开发实际，对确立的5个评价指标构建分级标准并确定其对应的等级指数。适宜性评价因子权重的确定过程：通过制定专家咨询表，询问评价各指标重要性，以专家咨询表指标重要性排名及出现频率进而构建其判断矩阵；对矩阵进行归一化处理，求解该判断矩阵的特征向量和最大特征值，依据所求特征向量对其进行层次总排序和层次单排序；对结果进行一致性检验，利用同一层中所有层次单排序的结果，计算针对上一层次而言的本层中所有因子的重要性权值。该过程中，一致性检验尤为重要，因为通常由于影响因子本身的复杂性和计算过程的理想化，导致在运用层次分析法进行权值计算时往往存在一定的误差，如果不进行一致性检验，则得到因子的权重可能超出合理的范围甚至谬误。因此，需要对判断矩阵进行一致性和随机性检验[16-18]，检验公式为:

Q=(Umax-N)/[D×(N-1)]

(1)

式中，Q为判断矩阵的随机一致性比率；Umax为判断矩阵的最大特征根；N为判断矩阵的阶数；Umax-N称为判断矩阵的一致性指标；D为判断矩阵的平均随机一致性指标，根据所构建的矩阵阶数，取 1.12。当Q<0.1 时，认为判断矩阵具有满意的一致性，说明权数分配合理。最终确定广东省“旱改水”项目新增水田适宜性评价体系见表1。

表1 广东省新增水田适宜性评价指标

1.3.4评价模型的构建。根据以上确定的各参评因子权重及各因子分级的等级指数，建立未利用地开发适宜性评价综合分值的数学计算模型如下：

(2)

式中，Cj表示第j个评价单元的综合分值；Aij表示第j个评价单元第i个因子的等级指数；Bi表示第i个评价因子的权重；n表示评价因子的总个数；t表示评价单元的总个数。基于式(2)，以广东省区域内独立的地类图斑为评价单元，借助ArcGIS 10.2地理信息平台，对评价单元各评价指标等级指数与相应权重的乘积进行加和，得到评价单元的综合分值，并将其划分为最适宜(综合得分≥90)、中等适宜(70≤综合得分<90)、勉强适宜(60≤综合得分<70)、不适宜(综合得分<50)4个等级。

2 结果与分析

2.1新增水田、水浇地评价分析水田是指用于种植水稻等水生农作物的耕地，包括实行水生、旱生农作物轮种的耕地。旱地是指无灌溉设施，靠天然降雨种植旱作物的耕地，包括没有灌溉设施，仅靠引洪淤灌的耕地。水浇地，指水田、菜地以外，有水源保证和灌溉设施，在一般年景能正常灌溉的耕地。该研究中新增水田定义为：在现阶段农业技术与实际可行的基础上，通过人为的土地整治，将旱地、可调整地类、未利用地以及现有补充耕地改造为可实际利用的水稻等水生农作物的耕地。至今广东省尚未开展“旱改水”工程试点项目，2013年广东省更新地类图斑中水田与水浇地属非工程“自然”形成，可认定此类田块经过人为的土地整治改造成可实际利用的水稻等水生农作物的耕地可能性极大，其“旱改水”工程新增水田的适宜性程度较高。

利用ArcGIS 10.2筛选出2012年广东省土地利用变更增量包地类类型为旱地、可调整地类、未利用地以及现有补充耕地且2013年广东省土地利用变更增量包地类类型为水田、水浇地的田块单元，共2 359个田块单元，其中水田119个，水浇地2 240个，主要分布珠三角平原地区；并联合2013年广东省耕地质量数据，进行适宜性评价。其中最适宜单元509个，占21%；适宜单元1 646个，占70%；勉强适宜161个，占7%；不适宜单元43个，占2%。具体分布情况见图2。

图2 2013年地类更新水田、水浇地新增水田适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年广东省土地利用变更增量包地类类型为水田、水浇地的田块单元，很大一部分空间分布在广东省珠三角沿海平原区域，主要是由此区域地势平缓、水资源充足所决定的；其他区域由地形坡度等条件限制出现“自然”而成的新增水田数量较少，其他具体分布见图3。

由图3可知，2013年地类更新水田、水浇地新增水田适宜性程度为最适宜和适宜单元占90%，可见，该适宜性评价方法准确性较高，能满足“旱改水”工程项目的实际需要。10%田块单元适宜性程度为勉强适宜和不适宜，其主要由田块规模过小、地形坡度过大从而使“旱改水”工程实施经济成本过大而导致。勉强适宜和不适宜的204单元中，186个单元田块规模得分为10～30分，田块规模多处于900 m2以下；23个单元地形坡度得分为60分，地形坡度处于8°～15°。

2.2评价结果分析提取2013年耕地旱地、可调整地类、未利用地以及现有补充耕地，共765 870个土地单元，总面积1 463 008 hm2。通过适宜性评价，计算得最适宜单元123 082个，总面积366 142 hm2，占评价对象总面积的25.03%；适宜单元244 490个，总面积419 483 hm2，占评价对象总面积的28.67%；勉强适宜单元225 878个，总面积497 581 hm2，占评价对象总面积的34.01%；不适宜单元172 420个，总面积179 800 hm2，占评价对象总面积的12.29%；各地级市分布具体情况见表2。

图3 2013年地类更新水田、水浇地新增水田适宜性程度空间分布Fig.3 The spatial distribution of suitability of paddy field and new paddy field in 2013

通过分析各地级市区域内新增水田适宜性程度为最适宜、适宜田块单元面积占广东省总最适宜、适宜田块面积的百分比，将广东省行政地级市区域按上述面积百分比按0～5%、5%～10%、10%以上划分为3个“旱改水”项目重点等级，其具体空间分布情况见图4。广东省“旱改水”项目的重点区域主要在湛江市、茂名市、云浮市、肇庆市、江门市、广州市等区域，由这些区域旱地、可调整地类、未利用地以及现有补充耕地总面积大，且“旱改水”工程后新增水田的面积占全省总面积的比例较大所决定的；韶关市、惠州市、东莞市、深圳市、汕尾市、潮州市等区域“旱改水”项目新增水田面积有限，其本身旱地及耕地面积较少，是导致其面积比不足5%的主要原因。以深圳市为例，位于珠三角平原的深圳地势平坦、水资源丰富，经评价其旱地及耕地后备资源中有占总面积比75%的田块适宜于土地整治为新增水田，但由于深圳市旱地及耕地后备资源总面积小，其总适宜新增水田的面积仅占广东省适宜新增水田面积的0.008%。

表2 广东省适宜性评价各地级市情况

图4 “旱改水”项目新增水田重点地级市分布Fig.4 Key prefecture-level city distribution of new paddy field in ‘dry land is changed to paddy fields’ project

“旱改水”项目的直接实际意义是达到耕地占卜平衡“占水田补水田”的最新要求。理论上不计成本的经济投入，任何土地单元都可以改造成水田，该研究的实际意义是在现阶段科技水平下，筛选出最易于改造的旱地及耕地后备资源，同时满足广东省耕地占补平衡需补充的水田数量。通过“旱改水”工程新增水田适宜性评价指标对2013年广东耕地质量中旱地及可调整地类进行适宜性评价，估算广东省新增水田潜力是否满足于补充新增水田要求以验证该研究的实用性。通过分析2011—2014年广东省建设用地占用地类，可知被占用的水田占耕地面积比重为56.73%；该研究适宜性评价出广东省新增水田最适宜单元和适宜单元占总面积百分比之和为54%，基本上满足补充建设用地占用水田面积的需求。

3 结论与讨论

现阶段国内关于“旱改水”项目新增水田的研究较少，相关研究主要集中在土地后备资源的适宜性评价[19]、潜力[20]、分区[21]、生态环境[22]等方面以及水资源与耕地相关研究方面[23]。该研究以广东省旱地、可调整地类、未利用地以及现有补充耕地为评价对象，借鉴土地后备资源、水资源与耕地相关研究方法，将层次分析法与特尔菲法相结合，选取灌溉保证率、地形坡度、田面坡度、有机质含量、田块规模5个具体指标，构建了广东省“旱改水”项目新增水田适宜性评价模型，并通过广东省新增水田评价与实际情况比较验证该方法的科学性和实用性。目前，新增水田适宜性评价工作还没有统一的方法，该研究适宜性评价方法较刘正国等[14]在江西省试点“旱改水”项目适宜性评价方法及王君[13]在湖南省华容县“旱改水”项目适宜性评价方法，侧重于广东省区域特色，同时注重与耕地质量年度更新成果结合，更具备广东省区域研究科学实用性。该研究方法对于广东省即将开展的“旱改水”项目具有指导意义，同时可为新增水田的研究、“旱改水”潜力测算及分区、耕地占卜平衡完善等提供参考。

“旱改水”项目新增水田适宜性评价方法仅仅是耕地占卜平衡完善的前期研究，为更好地完成耕地占卜平衡，在今后的研究工作中，需要进一步进行“旱改水”项目潜力测算及分区，提供实际科学的方法，以缓解耕地质量下降和耕地类型结构破坏所带来的粮食与生态安全压力。

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