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遥感技术与应用, 2019, 34(5): 1064-1072 doi: 10.11873/j.issn.1004-0323.2019.5.1064

遥感应用

1990~2015年吉林省西部耕地变化与“旱改水”时空特征研究

任永星,1,2, 李晓燕,1, 王宗明2, 杨黎敏1

1. 吉林大学地球科学学院,吉林 长春130061

2. 中国科学院湿地生态与环境重点实验室,中国科学院东北地理与农业生态研究所,吉林 长春 130102

Changes of Croplands and Conversions from Dry Farmland to Paddy Field in Western Jilin Province during 1990~2015

Ren Yongxing,1,2, Li Xiaoyan,1, Wang Zongming2, Yang Limin1

1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China

2. Key Laboratory of Wetland Ecology and Environment, Northeast Institute of Geography and Agricultural Ecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun, 130012, China

通讯作者: 李晓燕(1975- ),女,内蒙古阿拉善盟人,教授,主要从事资源遥感与土地信息系统研究。Email: lxyan@jlu.edu.cn

收稿日期: 2018-08-25   修回日期: 2019-08-28   网络出版日期: 2019-11-28

基金资助: 中国科学院野外站联盟项目.  KFJ-SW-YW026
中国科学院科技服务网络计划(STS计划)项目.  KFJ-STS-ZDTP-009

Received: 2018-08-25   Revised: 2019-08-28   Online: 2019-11-28

作者简介 About authors

任永星(1995-),男,河南新乡人,硕士研究生,主要从事资源遥感与土地信息系统研究Email:15271915264@163.com , E-mail:15271915264@163.com

摘要

以Landsat遥感影像为数据源,利用面向对象和决策树方法获得多期土地覆被数据;以此为基础,分析了1990~2015年吉林省西部耕地变化与旱田水田转化特征及驱动因素。结果表明:1990~2015年期间,吉林省西部耕地面积增加了2159.33 km2,增速逐渐变缓。旱田面积在1990~2000和2000~2010年期间有小幅增加,但在2010~2015年期间呈减少趋势。水田面积持续扩张,25年间增加了1139.39 km2(51.7%),旱田净转化为水田的面积不断增加,1990~2000年为69.13 km2,2000~2010年为156.19 km2,2010~2015年为288.27 km2。人口和经济的增长是导致耕地面积迅速增长的主要原因,影响水田面积扩张和旱田向水田转化的驱动因素有:科技进步、水利设施建设、政策倾向和利益驱动。最后提出了吉林省西部地区耕地保护的建议,为区域农业生产和生态建设提供科学借鉴。

关键词: 耕地面积 ; 旱田水田转化 ; 驱动因素 ; 遥感 ; 吉林省西部

Abstract

Studying the changes of croplands in the western Jilin Province and the transformation process of paddy field in dry farmland are of great significance to the rational utilization of regional natural resources. Using remote sensing imagery as a data source, this paper uses a combination of object-oriented and decision trees to obtain information on land use. This study analysis the characteristic changes of cropland and paddy land and dry farmland and driving factors. The results show that: during the period from 1990 to 2015, the area of croplands in the western Jilin Province has increased by 2 157.33 km2, and the growth rate has gradually slowed down. The area of dry farmland has increased slightly during 1990~2000 and 2000~2010. However, there was a decreasing trend during 2010~2015. The area of paddy field has continued to expand, which has increased by 1 139.39 km2(51.7%)in 25 years. The area of the net conversion of dry farmland into paddy field is continuously increasing. It was 69.13 km2 during 1990~2000, 156.19 km2 during 2000~2010, and 288.27 km2 during 2010~2015. Population and economic growth are the main reasons for the rapid growth of croplands. The driving factors that affect the expansion of paddy field and the conversion of dry farmland to paddy field are: scientific and technological progress, construction of water conservancy facilities, policy orientation and interest-driven. This paper puts forward suggestions for the protection of croplands in the western part of Jilin Province, and provides scientific reference for regional agricultural production and ecological construction.

Keywords: Cultivated area ; Dry field paddy field conversion ; Driving factors ; Remote sensing ; Western Jilin Province

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本文引用格式

任永星, 李晓燕, 王宗明, 杨黎敏. 1990~2015年吉林省西部耕地变化与“旱改水”时空特征研究. 遥感技术与应用[J], 2019, 34(5): 1064-1072 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2019.5.1064

Ren Yongxing, Li Xiaoyan, Wang Zongming, Yang Limin. Changes of Croplands and Conversions from Dry Farmland to Paddy Field in Western Jilin Province during 1990~2015. Remote Sensing Technology and Application[J], 2019, 34(5): 1064-1072 doi:10.11873/j.issn.1004-0323.2019.5.1064

1 引 言

耕地资源作为一个国家的重要资源,是提供粮食的基本保障[1,2]。近年来,随着人口快速增加、经济不断发展、工业化和城市化进程加快,全国传统农业区的耕地资源普遍呈减少态势,严重威胁粮食生产与国家安全[3]。随着人口增加,我国粮食消费呈刚性增长,同时,城镇化进程加快,水土资源、气候变化等制约因素使得粮食持续增产的难度加大。为着力提高粮食综合生产能力,国家发改委出台了《全国新增1000亿斤粮食生产能力规划(2009~2020年)》,主要目标为:到2020年,全国粮食生产能力增加500亿kg,粮食播种面积稳定在15.8亿hm2以上,全国耕地有效灌溉面积达到0.6亿hm2以上。其中,东北地区承担全国新增粮食产能任务150.5亿kg,占全国新增产能的30%;吉林省承担50亿kg粮食的增产任务[4]

吉林省西部是全国重要的粮食产区,后备耕地资源也较丰富,是《吉林省增产百亿斤商品粮能力建设总体规划》实施的最重要区域[5]。近年来实施了堪称中国规模最大的土地开发整理工程,粮食生产条件得到改善,通过土地整理使得水田大面积增加,耕地内部结构发生了剧烈变化[6],这些变化必然会对区域土地资源和水资源产生重要的影响。开展长时间序列吉林省西部耕地时空特征特别是旱田水田转化进程的系统监测,对于自然资源合理利用、区域农业可持续发展和国家粮食安全,具有重要的科学意义和指导作用[7]

近年来,国内学者针对我国耕地变化和耕地保护等方面做了较多研究,研究集中在基于统计数据的耕地面积变化[8,9]、耕地空间布局[9]、耕地变化与驱动力分析[10,11]和耕地后备资源开垦与粮食安全[12,13]等方面。遥感由于数据获取快、实时性强,在大范围宏观耕地时空变化研究中被广泛应用[14]。刘纪远等[15]从全国和分区角度揭示了2010~2015年间中国土地利用变化的时空特征;冀咏赞等[16]基于MODIS数据对中国耕地高中低产田空间分布格局进行了研究;满卫东等[7]对1990年以来东北地区耕地的数量、空间变化、重心及其驱动因素进行了分析;黄滢冰等[17]对1988~2013年间快速城市化下珠三角地区耕地流失特征及机制进行了分析;欧阳玲等[18]基于遥感研究了吉林省中西部耕地数量和质量空间格局变化特征。也有研究利用回归分析、灰色模糊评价法、平滑预测法、面板模型、耕地压力指数等多种方法对耕地数量变化与粮食安全的关系进行了分析[19,20,21]。这些研究强调保持耕地数量的重要性,但对耕地内部结构变化涉及较少。

旱田与水田的相互转化,不仅改变了耕作制度,影响了粮食生产,而且对当地农业生态、农村经济和民众生活产生了深远影响[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22]。而长时间序列吉林省西部耕地时空变化及水田、旱田转换特征尚缺乏相关研究。利用多期遥感影像,分析了吉林省西部过去25 a来耕地的时空变化及水田旱田相互转化特征,探讨其主要驱动因素,可以为区域粮食生产合理布局、土地资源和水资源科学利用与未来国家粮食增产规划提供数据基础和科学依据。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

吉林省西部(121°38′~126°11′E,43°59′~46°18′N)位于松嫩平原西南部,科尔沁大草原东部,面积约为4.69×104 km2,占吉林省总面积的25.4%[23]图1)。吉林省西部行政区域上包括白城市和松原市2个地级市,10个市县,东部与吉林省长春市接壤,西部和南部分别与内蒙古自治区及辽宁省接壤,北部与黑龙江省相邻,区域内主要河流有嫩江、第二松花江、洮儿河等。研究区位于半湿润半干旱地区,地势平坦,耕地资源丰富,年平均气温5.1℃,年降水量300~500 mm。2015年全区总人口为508万人。吉林省西部是我国重要的粮食主产区,耕地面积占全区的60%以上。

图1

图1   研究区位置图

Fig.1   Location of the study area


2.2 数据和方法

研究使用的土地覆被分类数据,来自国家环保部“全国生态环境十年变化(2000~2010年)遥感调查评估”项目组和中国科学院战略性先导科技专项“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”项目组[7,26]。以1990年、2000年、2010年和2015年4期Landsat TM/ ETM+/OLI影像共40景作为主要数据源,影像来源于美国地质勘探局(USGS)(https://www.usgs.gov),所选影像时期均为7~10月,影像无云或少云(云覆盖率<10%),整体质量较好。对影像进行了大气校正、几何校正等预处理,误差控制在1个像元以内。参考《基于碳收支的中国土地覆被分类系统》和《基于遥感技术的全国生态系统分类体系》,结合研究区土地覆被特点,确定土地覆被分类系统,包括耕地、林地、草地、湿地、人工表面和裸土地6个一级类和40个二级类,其中耕地包括水田和旱田两个二级类型[24,25]。采用e Cognition软件作为遥感影像分类平台,利用面向对象和决策树相结合的方法对遥感影像分类,获得不同时期土地覆被空间分布数据[26,27]。经6494个野外验证点和大量高空间分辨率遥感影像补充验证,数据精度评价结果为:林地、草地、湿地、人工表面和裸土地的分类精度分别为95.92%、96.26%、89.86%、96.77%和93.90%,旱田和水田的分类精度分别为97.16%和96.47%。因此,获取的吉林省西部耕地结果是可靠的,分类精度满足本研究的需要。统计数据来源于1991~2016年历年吉林省统计年鉴。本研究所处理而成的数据,通过资源环境期刊数据仓储(jdata.lores.ac.cn)平台开放共享,数据格式为.shp格式,数据DOI:10.10281/rsta.201906021,可在线下载获取。

土地覆被转移矩阵可以反映土地覆被类型面积增减及相互转化模式,是目前应用较为广泛的定量研究土地覆被变化的方法[28],提取不同土地覆被类型变化信息,通过分析水田旱田净转化信息,来研究水田和旱田变化来源和去向,从而确定研究区耕地变化和水田旱田相互转化的特征和规律。净转化具体公式如下:

Si=Si+-Si-

其中:Si代表土地覆被类型i的净变化量,当Si>0时,表示土地覆被类型i净增加,当Si<0时,表示土地覆被类型i净减少;Si+代表其它土地覆被类型转化为土地覆被类型i的总面积;Si-代表土地覆被类型i转化为其它土地覆被类型的总面积。

3 结果与分析

3.1 耕地总体变化特征

1990~2015年间吉林省西部耕地空间分布及数量变化见图2表1。可以看出,1990年、2000年、2010年和2015年吉林省西部耕地面积分别为28191.48、29493.4、30245.9和30350.81 km2。2015年耕地面积占土地总面积的64.71%,其中旱田27007.97 km2,占耕地面积的88.99%,广泛分布于整个研究区;水田面积3342.85 km2,占耕地面积的11.01%,受水源供应的影响,集中分布在镇赉县、扶余市、洮南县和前郭尔罗斯县。

图2

图2   1990~2015年吉林省西部耕地空间分布图

Fig.2   Croplands distribution in the western Jilin Province during 1990~2015


表1   1990~2015年吉林省西部耕地面积变化

Table 1  Change of Croplands in western Jilin Province during 1990~2015

类型面积/km2变化面积(km2)/变化速度(km2/a)
1990年2000年2010年2015年1990~2000年2000~2010年2010~2015年
耕地28191.4829493.4030245.9930350.811301.92130.19754.7375.47104.8220.96
旱田25988.0326910.5327387.4327007.97922.5192.25479.0547.91-379.46-75.84
水田2203.462582.872858.563342.85379.4137.94275.6927.57484.2996.86

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1990~2015年期间,吉林省西部地区耕地变化具有明显的时空异质性,耕地呈持续增加的态势。1990~2000年耕地增加1 301.92 km2,增加速度为130.19 km2/a,增加区域主要集中在研究区的西部和中东部,增加来源主要有林地和草地,主要去向为人工表面;2000~2010年增加速度有所减缓,增加量为754.73 km2,增加速度为75.47 km2/a,增加来源主要有林地、草地和裸土地,减少去向主要为人工表面和湿地;2010~2015年耕地增加速度进一步减慢,净增加量为104.82 km2,增加速度为20.96 km2/a,增加来源主要为湿地和草地,减少去向主要为湿地和人工表面(表2)。

表2   1990~2015年吉林省西部耕地面积与其它土地覆被类型相互转化量

Table 2  Change area between cropland and other land cover in western Jilin Province during 1990~2015

类型1990~2000年/km22000~2010年/km22010~2015年/km2
耕地水田旱地耕地水田旱地耕地水田旱地
减少耕地总计30.40<0.0130.40219.0815.72203.36402.5328.30374.22
林地→耕地<0.01<0.01<0.012.10<0.012.1038.784.1934.59
草地→耕地784.0940.88743.20177.1528.30148.85201.26110.0791.20
人工表面→耕地<0.01<0.01<0.0117.82<0.0117.8218.874.1914.68
湿地→耕地545.09268.35276.74691.84100.63591.21179.2553.46125.79
裸土地→耕地3.141.052.1084.916.2978.6269.1852.4116.77
新增耕地总计1332.32310.281022.04973.82135.22838.59507.35224.32283.03
耕地→林地4.19<0.014.1935.643.1432.5055.5610.4845.07
耕地→草地<0.01<0.01<0.0118.87<0.0118.8752.412.1050.32
耕地→人工表面23.06<0.0123.0698.538.3990.1562.896.2956.61
耕地→湿地3.14<0.013.1457.654.1953.46206.507.34199.17
耕地→裸土地<0.01<0.01<0.018.39<0.018.3925.162.1023.06

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3.2 旱田面积变化特征

1990年、2000年、2010年和2015年旱田面积分别为25 988.0326 910.53、27 387.43、27 007.97 km2表1),1990~2015年旱田面积共增加了1019.94 km2;其中,1990~2000年是旱田面积增长最快的阶段,旱田面积增加速度为92.25 km2/a;2000~2010年旱田面积增加速度较1990~2000年明显减少,增加速度降为47.91 km2/a;2010~2015年旱田面积出现减少趋势,减少速度为75.84 km2/a。

图3表2可知,1990~2000年期间净增加的旱田主要来源于草地和湿地,草地和湿地净转化为旱田的面积分别为734.20 km2(72.94%)和273.59 km2(26.85%)。2000~2010年期间,湿地成为净增加旱田的最主要来源(537.75 km2,72.87%)。2010~2015年期间,旱田面积呈减少趋势,净减少的旱田大部分转化为水田,转化面积为288.27 km2,占68.58%;同时还有73.38 km2和41.93 km2净转化为湿地和人工表面。

图3

图3   1990~2015年吉林省西部旱田净转化贡献

Fig.3   Contribution of net conversion of dry farmland in western Jilin Province from 1990 to 2015


3.3 水田面积变化特征

表1可知,1990年、2000年、2010年和2015年吉林省西部水田面积分别为2 203.46 km2、2 582.87 km2、2858.56 km2、3 342.85 km2;过去25 a间水田面积共增加1139.39 km2,增长率达到51.71%。其中,1990~2000年水田面积增加379.41 km2,增加速率为37.94 km2/a;2000~2010年水田面积增加275.69 km2,增加速率为27.57 km2/a;2010~2015年水田面积和增加速率显著增加,增加量和增加速率分别为484.29 km2和96.86 km2/a。

图4可知,1990~2000年净增加的水田主要来源于湿地(70.73%),面积为268.35 km2,另外还有少量水田净增加量来源于旱田(18.22%)和草地(10.78%)。2000~2010年旱田成为净增加为水田的主要来源(156.19 km2,54.38%),其次为湿地(96.44 km2,33.58%)和草地(28.30 km2,9.85%)。2010~2015年期间旱田仍为水田面积净增加的主要来源(288.27 km2),且比例明显高于前两个时期,增大为58.51%;与前一时期相比,净增加的水田中,来自于草地的比例有所增加(21.91%),而来自于湿地的比例有所降低(9.36%)。

图4

图4   1990~2015年吉林省西部水田净转化贡献

Fig.4   Contribution of net conversion of paddy field in western Jilin Province from 1990 to 2015


4 讨 论

4.1 吉林省西部耕地面积扩张

尽管从长时间尺度上看,自然和人为因素都驱动着土地覆被变化,但人类活动无疑是土地覆被变化最主要的驱动因素。与全国其它地区土地覆被变化驱动力相比,吉林省西部属于以最优经济福利、粮食安全驱动为主多种驱动力并存的地区[18]。吉林省西部是国家重要的商品粮生产基地, 既能从事无灌溉的旱作农业, 也具有发展水田种植业的水源条件,在各种影响因素制下,土地利用与强度变化较大。

已有研究表明,20世纪80年代末以来,中国耕地变化在空间上呈现出明显的西增东减、北增南减的趋势[29]。本文研究结果表明,1990~2015年期间吉林省西部耕地面积持续扩张,25 a间增加了2159.33 km2表1),这一结果与已有研究中整个东北地区耕地扩张的总体趋势基本一致[18]。大量研究表明,区域人口增长、经济发展和政策规划是耕地面积变化的重要驱动力[7,8,10] 。1990~2015年期间,吉林省西部总人口增加了82万人,是导致耕地面积不断扩大的直接驱动力。随着改革开放及市场经济驱动下农民对利益最大化的追求,吉林西部耕地开垦面积不断扩大;1990年以来,由于人口快速增长,耕地保护受到重视,基本农田保护条例等保护性政策的实施,使得1990~2000年期间吉林省耕地面积稳定增加。随着环境问题的频频出现,20世纪最后10 a吉林省西部相继实施了退耕还林/草、天然林保护工程、湿地保护工程等生态保护和恢复工程[30];2001年加入世贸组织后,中国进入了新一轮的快速工业化与城市化进程,2003年东北老工业基地振兴战略的实施,使东北地区城市速度加快,大规模开发区的兴建导致人工表面大面积增加,这些因素的综合作用使得耕地大规模开发的趋势得到控制,2000~2010年间耕地总面积增加的速率有所减缓(表1)。为保障国家粮食安全,2008年国务院批准通过《吉林省增产百亿斤商品粮能力建设总体规划》,分别启动实施了“引嫩入白工程”“哈达山水利枢纽工程”“吉林省西部地区土地开发整理重大项目”等工程[31],这些工程的实施促进了该区耕地面积在2010~2015年间继续扩张。

虽然2010~2015年期间,耕地总面积在小幅增加,但吉林省西部旱田面积开始出现净减少的趋势,其中净减少的面积中有41.93 km2(31.75%)转化为人工表面,城市扩张导致周边耕地资源的损失是该区未来经济发展与耕地保护需要协调的重要问题(图3)。

4.2 水田大幅度扩张与旱田向水田的转化

近年来,我国东北地区发生大面积“旱改水”(旱地改为水田)现象[7],吉林省西部处于东北地区腹地,水田快速扩张和“旱改水”现象更为明显。研究发现,1990~2015年期间,吉林省西部水田面积增加了51.71%,增长速度达到45.58 km2/a(表1)。净增加的水田面积中,来源于旱田的比例逐渐增加,1990~2000年期间为18.22%,2000~2010年期间为54.38%,2010~2015年达到58.51%(图4)。主要驱动因素包括:①科技进步为水田的扩张创造了内在条件。进入新世纪以来,东北地区培育出了高产、优质、抗性优良适应研究区生长的新型水稻品种,吉林省的吉粳系列和通化系列优良品种得到大面积种植;旱育秧苗、机械插秧和药剂灭草等新技术广泛应用,水田机械化程度越来越高,“旱改水”面积大幅度增加。②水利建设力度的加大保证了“旱改水”的水源条件。1990年以来,吉林省西部相继实施了“引松入波”、“引嫩入莫”等工程,特别是2008年以后《吉林省增产百亿斤商品粮能力建设总体规划》出台以来,实施了“引嫩入白”和“哈达山水利枢纽”等水利工程。水利工程建设为水田的扩张提供了水源保障,“旱改水”的速率在2000~2015年间明显提高。③政策倾向对旱田改水田起了一定的导向作用。由于东北大米质量好、市场需求量增加,政府提高了旱田改水农田的补贴,积极引导旱田改水田的农业调整,极大地提高了农民对种植水稻的积极性;耕地占补平衡政策中水田的补偿也明显高于旱田,这些政策的实施使“旱改水”的面积明显增加。④种植收益是促使旱田水田相互转化的直接原因。由于单位面积种植水稻的收益远远高于种植玉米的收益,农民在比较利益驱动下会优先种植水稻,利益驱动是“旱改水”面积持续增加的主要动因。

4.3 生态保护与土地资源合理利用建议

1990年以来,我国耕地呈南减北增、总量持平的大趋势下,东北地区耕地扩张明显,旱田持续转化为水田。吉林省西部近年来耕地面积持续增长,粮食生产量持续提高[32]。但与1990~2000耕地面积增加1 301.92 km2相比,2010~2015年间耕地增加面积已降至104.82 km2,耕地垦殖率已经达到64.68%;耕地后备资源逐渐开发殆尽,通过开垦自然生态系统来增加耕地面积的困难增大。因此,通过提升耕地利用的集约化水平来增加粮食产能,依靠土地整治,增加水田面积从而增加耕地有效面积,将吉林省西部农业发展的重要方向[33]

本文研究表明,2000~2010年和2010~2015年期间,旱田已成为净增加水田面积的最主要来源(图4)。值得注意的是,并非所有农田都适合旱田改水田,一些缺少水源或沙地地区不宜进行旱田改水田[34],旱田大面积转化为水田所引起的生态环境问也已引起了广泛关注[21],需要对吉林省西部水田开发的承载能力和水田开发阈值进行科学评估和系统监测。另外,水田扩张也占用了部分草地和湿地,1990~2000年、2000~2010年、2010~2015年期间,净增加的水田占用草地面积分别为40.88 km2、28.30 km2、107.97 km2,所占用湿地面积分别为268.35 km2、96.44 km2、46.12 km2。草地和湿地的减少会严重影响区域生态平衡和生态系统可持续性。

吉林省西部大规模耕地扩张虽然为国家粮食安全提供了保障,但自然资源被大量消耗,区域生态环境遭到破坏。草地和湿地面积的减少引起区域自然生态系统面积的萎缩,导致区域生态系统服务能力的降低,会引起水源涵养能力、洪峰调节能力、防风固沙能力、生态系统固碳能力的降低,可能引发一系列生态环境问题[35,36,37]。为兼顾农田增加特别是水田扩张带来的经济收益与区域生态环境的健康与稳定,本论文针对吉林省西部生态保护与土地资源合理利用提出如下建议:①保护基本农田,培养土壤肥力;加强基本农田建设,增强抵抗自然灾害的能力;调整农业产业和农村经济结构。②合理调度流域水资源、实施河湖连通工程;③控制水田开发规模,禁止开荒草原,加强草原植被保护与恢复;④加强湿地自然保护区建设,进行退耕还湿和湿地生态移民;⑤科学划定生态保护红线,强化林地、草原和湿地保护主体责任。

5 结 语

吉林省西部地区在1990~2015年期间耕地总量增加了2159.33 km2。旱田面积变化存在阶段性差异,前两个时段旱田呈增加趋势,2010~2015年旱田呈减少趋势;1990~2010年旱田净增加主要源于湿地和草地的转入,2010~2015年期间旱田减少主要原因为向水田的净转化。水田面积持续增长,1990~2000年水田增加主要来源于湿地的净转化,而2000~2010年和2010~2015年期间水田的增加主要来源于旱田的净转化。人口和经济的增长是导致耕地面积迅速增长的主要原因,科技进步、水利设施建设、政策倾向和利益驱动是影响水田面积扩张和旱田向水田转化的重要因素。

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