縣域“旱改水”項目遴選布局方法與實證研究

孫 超 潘瑜春 劉 玉 胡月明

(1.北京農業信息技術研究中心， 北京 100097； 2.國家農業信息化工程技術研究中心， 北京 100097；3.華南農業大學信息學院， 廣州 510642)

0 引言

根據GB/T 21010—2007《土地利用現狀分類》，水田是指用于種植水稻、蓮藕等水生農作物的耕地，包括實行水生、旱生農作物輪種的耕地。通常，水田是生產能力較高的耕地，具有供給農產品、維持生物多樣性、改善區域生態環境、旅游觀光等功能。在城鎮化和工業化持續推進的背景下，優質耕地資源占用不可避免，“占優補劣、占水田補旱地”的情況時有發生，不僅造成耕地生產能力的下降，更加重了生態安全隱患[1-2]。特別是在耕地占補平衡政策的持續推進下，耕地后備資源尤其是優質后備資源越來越缺乏，許多地方很難直接開墾補充同等質量的耕地和水田，耕地少且質量不高的情況較為突出[3-4]。2016年以來，國土資源部和廣東省國土資源廳先后印發《關于補足耕地數量與提升耕地質量相結合落實占補平衡的指導意見》(國土資規〔2016〕8號)和《廣東省國土資源廳關于做好耕地提質改造項目管理工作的通知》(粵國土資規字〔2017〕1號)等文件，要求以補足耕地數量和提質改造耕地相結合的方式嚴格落實耕地占補平衡，切實做到占優補優、占水田補水田。因此，科學設定“旱改水”建設項目區是落實最嚴格耕地保護制度的重大舉措，對確保耕地占補平衡數量質量雙到位具有重要意義。

近年來，耕地提質改造的相關研究已形成諸多成果，主要集中在高標準農田建設潛力測算[5]、建設時序與區域劃定[6-7]、生態化設計[8]、戰略措施[9]等。此外，一些學者基于不同視角深入研究了耕地質量。在耕地多功能方面，蔡運龍[10]提出耕地具有生產、生態服務和社會保障功能；趙華甫等[11]將耕地功能歸納為生產、生態、景觀文化、旅游景觀、社會服務等。在耕地質量要素方面，PIAO等[12]研究表明，華北平原土壤鹽分顯著下降；陳紅宇等[13]證實了耕地細碎化和社會經濟發展在空間上具有較強的耦合相關性。在耕地質量評價方面，張鳳榮等[14-17]深入研究了耕地質量變化態勢、監測樣點布控方法、保護機制等。這些研究極大地豐富了耕地質量評價相關理論，并形成了比較完善的體系。但是，“旱改水”的針對性研究較少，主要集中在“旱改水”實施后對水稻[18]、地下水[19]以及生態環境[20]的影響，“旱改水”建設區域劃定、項目區選址等亟待解決。在嚴格落實耕地占補平衡的時代背景下，科學布局并實施“旱改水”項目是實現“占優補優、占水田補水田”的重要措施。基于此，本文首先分析遂溪縣“旱改水”項目的建設適宜性和空間穩定性，并運用二者的耦合協調度來揭示“旱改水”建設的難易程度；在此基礎上，通過冷熱點方法分析“旱改水”建設耦合協調度的空間關聯模式，快速識別“旱改水”建設項目區，為“旱改水”建設區域劃定及項目區選址提供科學依據。

1 數據來源與研究方法

1.1 研究區概況與數據來源

遂溪縣位于廣東省西南部的雷州半島上，西臨北部灣，東臨湛江港灣，是著名的“魚米之鄉”、“中國第一甜縣”。遂溪縣耕地面積為99 806.73 hm2，其中旱地、水澆地和水田面積分別為71 033.08、3 914.35、24 859.3 hm2，旱地面積超過70%，“旱改水”空間較大。其中符合“旱改水”建設標準的旱地46 195.15 hm2，主要分布在廣前公司、北坡鎮、遂城鎮、楊柑鎮和洋青鎮，占總面積的64.48%。數據主要來源于《2014年遂溪縣耕地質量更新成果》、《2015年遂溪縣土地利用變更調查數據》、《遂溪縣統計年鑒(2015年)》等。

1.2 研究方法

結合《廣東省土地整治墾造水田建設標準(試行)》和《遂溪縣耕地質量等別更新成果》等相關成果，按照水田建設標準和遂溪縣耕地實際情況，分別建立遂溪縣“旱改水”建設適宜性和空間穩定性評價指標體系，并通過冷熱點分析確定“旱改水”項目區(圖1)。

第一步，建立“旱改水”建設適宜性和空間穩定性評價指標體系，并采用層次分析法確定指標權重(表1)。根據《廣東省土地整治墾造水田建設標準(試行)》，應選擇土壤肥沃無明顯障礙因素、田間灌排設施完善，灌排保障較高、與周圍水田集中連片達到一定規模的耕地，或者選擇部分水源充足的低坡低丘或山地，通過抽水(一級揚程提水)，能滿足灌溉條件的補充耕地，經地力培育、增加土壤養分，提高保水保肥能力，水旱輪作逐步改為水田。禁止在地形坡度大于10°、“十二五”期間建設的高標準農田、水土流失易發區等生態脆弱區域、土壤改善后仍不適合種植水稻的區域建設“旱改水”項目。針對上述標準，同時參考相關研究成果[4, 21-25]構建了“旱改水”項目建設適宜性和空間穩定性指標體系。其中，建設適宜性從生產利用角度衡量旱地是否適宜于改造成水田，具體包括自然稟賦和基礎設施2個方面。自然稟賦是“旱改水”建設的基礎，選取田面坡度、有效土層厚度等；基礎設施是衡量“旱改水”的基本條件，通過灌溉保證率和排水條件表征。空間穩定性主要反映經濟社會發展過程中耕地被非農建設占用的潛在威脅和整治意愿，包括區位條件和其他條件2個方面。區位條件體現農田的空間位置，通過與鎮區距離等表征；其他條件重點反映經濟社會發展對耕地占用的可能性，采用耕地性質和整治意愿2個指標。

圖1 “旱改水”項目區選址流程圖Fig.1 Flow chart of project site selection

目標層準則層指標層權重內涵建設適宜性自然稟賦基礎設施田面坡度0.20指田面沿水流方向傾斜的角度,是對灌溉有很大影響的指標有效土層厚度0.13表征植物生長的實際土層厚度有機質含量0.08表征單位體積土壤中含有的各種動植物殘體與微生物及其分解合成的有機物質的數量剖面構型0.13表征土壤發生層或土壤層次的排列組合型式pH值0.06表征土壤固相處于平衡的土壤溶液中H+濃度連片度0.11表征田塊集中連片面積的大小,是影響農業集約化生產經營的重要指標灌溉保證率0.22表征旱地耕作區灌溉用水量在多年灌溉中能夠得到充分滿足年數的出現機率排水條件0.07表征旱地耕作區溝渠等設施排出區域內匯水所用的時間空間穩定性區位條件其他條件與鎮區距離0.19表征地塊與鎮區的遠近與河道距離0.35表征地塊與河道的遠近耕地性質0.17表征土地利用總體規劃中對地塊的管控及被占用的可能性整治意愿0.29表征鎮政府對所在區域“旱改水”的積極程度

第二步，評價指標量化處理。本研究涉及指標較多，并且各指標的屬性、效用不盡相同，對“旱改水”建設的影響方式及程度存在差異。因此，在指標量化處理過程中，根據指標屬性劃分為連續型、中間型和離散型。田面坡度、有機質含量、有效土層厚度、與鎮區距離、與河道距離、連片度等屬于連續型，超過某一臨界值其影響將越來越小；pH值等指標屬于中間型，存在一個最優區間；灌溉保證率、排水條件、剖面構型、耕地性質、整治意愿等屬于離散型。對于連續型指標采用線性比例變換法進行量化處理，而中間型和離散型指標則采用閾值賦值法、經驗法進行量化處理。依據GB/T 28407—2012《農用地質量分等規程》，結合《廣東省農用地分等因素屬性分級確定的說明》及《廣東省農用地分等參數》中各項分等因素的分級標準，確定指標各級別對應分值(表2)。

指標量化處理如下：①依據遂溪縣耕地質量更新成果獲取各耕地圖斑的田面坡度、有機質含量、有效土層厚度、剖面構型、pH值、灌溉保證率、排水條件等指標屬性值。②與鎮區距離、與河道距離采用ArcGIS的Euclidean Distance等功能提取屬性數據計算。連片度采用緩沖區分析的方法判斷耕地是否連片，緩沖區距離為20 m，緩沖區相交的耕地視為連片，具體方法參見文獻[26]。③通過遂溪縣各鄉鎮的實際調研，發現各鄉鎮國土所都有較大意愿將“旱改水”項目建設在已劃定的基本農田保護區內。究其原因：一是基本農田保護區內旱地自然稟賦較好，適宜改造成水田；二是符合各鄉鎮中長期發展計劃。據此確定耕地性質各因素得分。④根據各鄉鎮調研情況和各鄉鎮發展定位確定整治意愿。整治意愿非常積極的包括建新鎮、烏塘鎮和楊柑鎮；積極的包括遂城鎮、嶺北鎮、樂民鎮、城月鎮、界炮鎮、北坡鎮；一般的包括洋青鎮、廣前公司、草潭鎮、江洪鎮、河頭鎮；不積極的包括黃略鎮和港門鎮。

第三步，采用綜合指數法計算“旱改水”建設適宜性和空間穩定性。其表達式為

(1)

(2)

式中Si——評價單元i的建設適宜性指數Fi——評價單元i的空間穩定性指數Iij——評價單元i第j個評價指標標準化值

Wj——第j個評價指標權重

n——建設適宜性評價指標總數

m——空間穩定性評價指標總數

第四步，“旱改水”建設難易程度識別。經過上述步驟得到各耕地圖斑的建設適宜性指數和空間穩定性指數，通過耦合度模型明確各耕地圖斑“旱改水”的難易程度，同時引入耦合協調度模型體現系統之間的協同，避免出現適宜性和穩定性分值都較低，耦合度較高的情況，使得評價清晰、層次分明。耦合度和耦合協調度的計算公式為

(3)

Ti=αSi+βFi

(4)

(5)

式中Ci——評價單元i的耦合度，越大表示系統耦合程度越好，反之越差

k——子系統個數，取2

Ti——評價單元i的綜合協調指數

α、β——待定系數，取α=β=0.5(建設適宜性和空間穩定性同等重要)

Di——評價單元i的耦合協調度

廖重斌[27]將耦合協調度結果從簡潔到詳細劃分為3個層次，共30種基本類型，對于“旱改水”建設難易程度判定而言太過復雜且不便于操作。因此本文依據廖重斌研究結果并結合《廣東省土地整治墾造水田建設標準(試行)》重新制定了“旱改水”建設適宜性和空間穩定性的耦合協調類型判別標準(表3)。

表3 “旱改水”建設耦合協調類型判別標準Tab.3 Coupling coordination classification standard of reclaiming dryland soil into paddy soil construction

第五步，項目區域判定。第四步已經得到各耕地圖斑開展“旱改水”建設的難易程度，但是“旱改水”建設以項目為載體實施，不能只研究單個地塊的建設難度，有必要在識別“旱改水”建設難易程度的基礎上，通過聚類分析將建設難度較小且相連地塊篩選出來劃定項目區。冷熱點分析工具是通過查看鄰近要素環境中的每一個要素，將高值要素(低值要素)且被其他同樣高值要素(低值要素)所包圍的區域標為熱點(冷點)，進而得到高值或低值要素在空間上發生聚類的位置[28-29]。因此本文選取冷熱點分析方法，將“旱改水”耦合協調度圖層依次劃分為熱點、次熱點、過渡、次冷點和冷點5個區域(熱點區“旱改水”難度較小，冷點區難度較大)，進一步明晰項目區選址。結合研究區調研情況在熱點和次熱點聚集區遴選“旱改水”建設項目。

2 結果與分析

2.1 “旱改水”建設適宜性和空間穩定性評價結果

遂溪縣“旱改水”建設適宜性指數介于51.8～82.6之間，均值為67.2，該指數整體較高，但存在區域差異。運用自然斷點分級法將遂溪縣“旱改水”建設適宜性劃分為4級，分別為高適宜、中適宜、低適宜和不適宜。其中，高適宜區和中適宜區的耕地面積分別為13 416.61、24 038.14 hm2，占研究區耕地總面積的29.04%和52.04%。由圖2a可知，高適宜區、中適宜區主要分布在遂溪縣西部沿海鄉鎮(草潭鎮、港門鎮、樂民鎮、江洪鎮和河頭鎮)外的其他鄉鎮。低適宜區和不適宜區面積較小，占總面積的18.92%，主要分布在沿海鄉鎮，洋青鎮、烏塘鎮、建新鎮和廣前公司也有零星分布。這些地塊靠近海邊、山地或丘陵區，田面坡度較大、灌溉設施缺乏、土壤養分較差，整體自然稟賦較差，建設適宜性較低。

圖2 “旱改水”建設適宜性和空間穩定性評價結果Fig.2 Evaluation results of reclaiming dryland soil into paddy soil construction subsystems

遂溪縣“旱改水”空間穩定性指數介于38～100之間，均值為69，分為高穩定、中穩定、低穩定和不穩定4個級別，其分布與建設適宜性存在較大差異。其中，高穩定區面積最大，為23 155.56 hm2，中穩定區和低穩定區面積分別為11 212.40、10 319.34 hm2，不穩定區面積最小，僅為1 507.85 hm2。由圖2b可知，低穩定區和不穩定區集中在遂城鎮、洋青鎮等北部鄉鎮和城月鎮南部，這些地塊距離鎮區較近且多屬于一般耕地，整治意愿較低，穩定性偏低。

2.2 “旱改水”建設難易程度識別

根據“旱改水”建設適宜性、空間穩定性的耦合協調度及其類型判別標準，將研究區“旱改水”建設難易程度劃分為容易改造地塊、重點改造地塊、較難改造地塊和不宜改造地塊。由圖3可知，遂溪縣“旱改水”難易程度整體呈現“北部易于南部、東部易于西部”的特征。其中，容易改造地塊和重點改造地塊占總面積的79.17%，說明遂溪縣“旱改水”基礎較好，可操作空間較大。

圖3 “旱改水”建設難易程度劃分Fig.3 Difficulty in construction of reclaiming dryland soil into paddy soil

容易改造地塊面積為18 958.66 hm2，占總面積的41.04%，主要分布在北坡鎮、界炮鎮、楊柑鎮和廣前公司等，其他鄉鎮也有分布，是“旱改水”建設的主要區域。該類地塊耕地自然稟賦較好、基礎設施完備，耕地集中連片度高，并且與城鎮、交通干線有一定距離，建設占用的可能性較小，耕地利用水平較高，旱地改造成水田難度較小。

重點改造地塊面積為17 611.99 hm2，占總面積的38.13%，主要分布在廣前公司、嶺北鎮、遂城鎮和北坡鎮等。該類耕地集中連片度較高，農業基礎設施較完善，但由于土壤肥力稍低、田面有起伏等因素，區域“旱改水”難度稍高。針對該區域特點，重點做好土壤修復與改良，以土地整治項目為依托，建設一批“田面平整、基礎設施完備、景觀生態良好”的優質水田。

較難改造地塊面積為7 496.42 hm2，占總面積的16.22%，主要分布在洋青鎮、港門鎮、遂城鎮和黃略鎮等。該類地塊耕地靠近城鎮、公路等，受經濟社會發展影響較大，并且耕地自然稟賦較差、集中連片度不高，建設難度較大。

不宜改造地塊面積為2 128.08 hm2，占總面積的4.61%，主要分布在河頭鎮、港門鎮和城月鎮南部等。該類地塊耕地自然稟賦較差，加之基礎設施不完善，整治意愿也較低，當前不適宜建設“旱改水”項目。

2.3 “旱改水”建設項目區遴選

“旱改水”建設以項目為載體實施，在“旱改水”難易程度識別的基礎上，基于ArcGIS冷熱點分析法分析“旱改水”建設適宜性和空間穩定性的耦合協調度在空間上的關聯特征，得到“旱改水”建設區域空間關聯集聚圖。由圖4可知，遂溪縣“旱改水”建設適宜性和空間穩定性耦合協調度的熱點區聚類值介于2.57～15.36之間，主要分布在楊柑鎮、北坡鎮、界炮鎮和廣前公司等中部鄉鎮；次熱點區聚類值介于1.96～2.57之間，主要分布在熱點區的周圍。根據冷熱點分析，“旱改水”建設項目應該主要布局在楊柑鎮、北坡鎮、界炮鎮、嶺北鎮、建新鎮、烏塘鎮和城月鎮北部。廣前公司雖然處于熱點范圍內，但是該公司屬于制糖企業，每年需要執行湛江市農墾局下達的甘蔗種植配額，因此廣前公司需要保留旱地種植甘蔗，不宜作為“旱改水”重點區域。同時，應該注意到冷熱點分析是聚類分析的一種，不排除熱點區內會有零星旱地不適宜改造成水田，同理冷點區也會有小部分旱地適宜“旱改水”建設。

圖4 “旱改水”建設區域空間關聯集聚及項目區遴選Fig.4 Dryland soil reclaiming into paddy soil construction area spatial association and project site selection

結合實地調研，確定了遂溪縣耕地“旱改水”范圍為921.69 hm2，主要分布在楊柑鎮、城月鎮、北坡鎮等10個鄉鎮。根據各地塊“旱改水”難易程度將遂溪縣劃分為近期建設區(“十三五”期間)和中遠期建設區，詳見圖4和表4。“旱改水”建設區域內旱地一般都符合以下一點或幾點標準：①屬于基本農田或基本農田整備區里的旱地。②與周圍水田相鄰的旱地。③水源充足經過工程措施可以滿足水稻生長的旱地。④部分水源充足低坡、低丘或山地，通過抽水工程，能滿足灌溉條件的旱地。近期建設區總面積約462.75 hm2，主要分布在楊柑鎮(龍眼村、老陸村、蘇屋村交界處)、城月鎮(石塘村)、建新鎮(那仙村)、界炮鎮(山內村)和烏塘鎮(湛川村)。中遠期建設區總面積約458.94 hm2，主要分布在遂城鎮、烏塘鎮、北坡鎮、草潭鎮、嶺北鎮、城月鎮、廣前公司、界炮鎮、楊柑鎮等。

表4 “旱改水”建設項目區Tab.4 Dryland soil reclaiming into paddy soil construction project region hm2

3 討論

以目標為導向，根據中央和地方積極推進“旱改水”建設的要求與內涵，從建設適宜性和空間穩定性兩個層面構建指標體系，并結合實地調研最終確定項目區。經遂溪縣國土局討論和再調研，目前已經計劃將城月鎮石塘村列為“十三五”期間的第一個“旱改水”項目。由此可見，本研究構建的“旱改水”建設項目遴選方法具有較強的實用性。雖然該方法已經運用到實際工作中，但是仍有待于進一步改進完善：①遂溪縣部分地區存在旱地租金高于水田的現象，導致農民不愿意將旱地改成水田。由于涉及17 746個耕地圖斑，很難全面統計每個圖斑的農民意愿，因此沒有體現在指標體系中，現有評價指標體系中的整治意愿主要反映的是政府意愿，今后調研應逐步深入，完善相關信息。②空間穩定性既包括建設占用的風險，也包括了水土流失易發區等生態脆弱區域發生自然災害的風險，由于數據獲取難，并且該地區易受臺風侵襲，很難在縣域尺度區分各地塊的差異，因此空間穩定性中忽略了自然災害的風險，但是在南方丘陵等水土流失多發地區，“旱改水”建設應該充分考慮水土流失風險以及其他自然災害風險所帶來的隱患。③“旱改水”項目遴選方法只是篩選出適合提質改造成水田的旱地，改造成水田后產量需要經過若干年的管護才能達到最佳。有研究表明[30]，隨著水田種植年限的增加，犁底層厚度和深度不斷的增加，可以使水田逐漸達到高產田。因此后期管護尤為重要，要使物盡其用不僅要“選”好更要“管”好。

4 結論

(1)根據“旱改水”項目建設的內涵和目標，從建設適宜性和空間穩定性2個層面構建指標體系，并以耦合協調度模型統籌建設適宜性和空間穩定性，從而明確“旱改水”建設區域，解決“旱改水”項目“建在哪兒”這一關鍵問題，為“旱改水”建設項目的遴選布局提供方法借鑒。

(2)遂溪縣“旱改水”建設適宜性指數介于51.8～82.6之間，該指數整體較高，但區域差異明顯，其中北坡鎮、界炮鎮、城月鎮和廣前公司等耕地的建設適宜性較好。空間穩定性與適宜性存在較大差異，穩定性較低的區域主要集中在鎮區周圍且多屬于一般耕地，整治意愿較低，穩定性偏低。

(3)通過耦合協調度計算方法及類型判別標準，將遂溪縣“旱改水”建設難易程度劃分為4類。其中，容易改造地塊面積為18 958.66 hm2，主要分布在北坡鎮、界炮鎮、楊柑鎮和廣前公司等，是建設“旱改水”項目的主要區域，該區域中大多地塊自然稟賦較好，且與周圍已有水田集中連片，可以達到一定建設規模；重點改造地塊面積為17 611.99 hm2，該區域大部分是水源充足的旱地，經過工程和生物措施，能滿足水稻等農作物正常生長；較難改造地塊和不宜改造地塊面積為7 496.42、2 128.08 hm2，這兩個區域主要受限于灌溉水源無法保障、土壤改善后仍不適合種植水稻等因素，不宜建設旱改水項目。

(4)基于冷熱點分析，確定了“旱改水”項目建設熱點區、次熱點區等5個區域，并結合實地調研最終確定了遂溪縣“十三五”期間“旱改水”建設區總面積462.75 hm2，主要分布在楊柑鎮(龍眼村、老陸村、蘇屋村交界處)、城月鎮(石塘村)、建新鎮(那仙村)、界炮鎮(山內村)和烏塘鎮(湛川村)。

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