劉 玉 劉巧芹 唐秀美 任艷敏 孫 超 唐林楠

(1.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心， 北京 100097； 2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心， 北京 100097；3.河北地質(zhì)大學(xué)土地資源與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院， 石家莊 050031)

0 引言

耕地尤其是集中連片基本農(nóng)田的合理利用與科學(xué)管理是區(qū)域糧食安全的重要保障。然而，作為目前許多國家尤其是發(fā)展中國家農(nóng)業(yè)的一個重要特征[1]，耕地細碎化限制了理性的農(nóng)業(yè)發(fā)展并降低了農(nóng)村可持續(xù)發(fā)展的機會，已成為很多地區(qū)發(fā)展的主要問題[2]。耕地細碎化的概念最初來自于國外[3-4]，并出現(xiàn)了一些計算地塊細碎化的方法[5-7]。在中國，耕地細碎化是在自然、經(jīng)濟、社會、制度和政策等因素的綜合影響下而形成的一種在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的具有地塊數(shù)相對較多、單個地塊面積較小且存在差異、肥沃程度不一致、家庭距離地塊的遠近不同等特點的農(nóng)戶經(jīng)營耕地的形式[8-9]，其類型包括自然細碎化(地形結(jié)構(gòu)、道路、溝、渠等導(dǎo)致的耕地細碎化現(xiàn)象)和權(quán)屬細碎化(承包土地權(quán)屬分割導(dǎo)致的耕地細碎化現(xiàn)象)[10]，成因可大體歸為地形條件[11]、農(nóng)地資源稀缺、農(nóng)地質(zhì)量[12]等自然原因以及傳統(tǒng)的平均主義與諸子繼承、農(nóng)地產(chǎn)權(quán)制度等經(jīng)濟社會因素[13]。山地丘陵區(qū)的耕地細碎化原因相對復(fù)雜[14]。而在平原區(qū)，“肥瘦搭配”的承包分割是造成耕作單元地塊細碎的主要原因。

已有研究表明，耕地細碎化的影響是雙向的。國外相關(guān)研究主要集中在農(nóng)場種植方面，其正面影響表現(xiàn)在提高種植多樣化、分散農(nóng)業(yè)風(fēng)險等方面[15-16]，負面影響主要反映在降低農(nóng)場利潤等方面。中國耕地細碎化的出現(xiàn)有其合理性，表現(xiàn)在增加農(nóng)民收入、充分利用勞動力等[17-18]，但其制約農(nóng)業(yè)規(guī)模經(jīng)濟、降低糧食生產(chǎn)效率、增加生產(chǎn)成本等負面作用更明顯[19-22]，特別是阻礙大型農(nóng)業(yè)機械設(shè)備的采用、增加農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本[23-24]。目前耕地細碎化對機械作業(yè)效率的影響研究側(cè)重于山地丘陵區(qū)[13,25-26]，且耕地細碎化對于不同作物、不同種植環(huán)節(jié)的機械效率影響均有所涉及[27-28]，多數(shù)研究結(jié)果顯示，耕地細碎化不利于提升機械效率[29-30]。小麥是我國重要的糧食作物，其耕種收機械化率已超過90%，基本實現(xiàn)了生產(chǎn)全過程機械化[14]。但由于耕地細碎化，小麥機收效率難以充分發(fā)揮。研究表明[30-33]，細碎化耕地條件下機械作業(yè)具有頻繁轉(zhuǎn)向、循邊收獲、移動困難等特點，在增加作業(yè)機械的物質(zhì)費用的同時，降低了農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率、土地生產(chǎn)率和成本產(chǎn)值率[21]。平原地區(qū)的耕地權(quán)屬細碎化經(jīng)過土地流轉(zhuǎn)后易達到規(guī)模經(jīng)營，因此客觀評價平原區(qū)耕地細碎化狀況，定量分析其對小麥機收效率的影響，是準確測算區(qū)域耕作效率提升潛力的基礎(chǔ)。

本研究以我國重要的小麥種植區(qū)域——黃淮海平原區(qū)耕地為研究對象，采用實際調(diào)研數(shù)據(jù)，在分析耕地細碎化狀況的基礎(chǔ)上，定量識別耕作單元地塊面積對小麥機收效率的影響程度；結(jié)合農(nóng)用地確權(quán)數(shù)據(jù)，測算耕地小麥機收效率潛力，以期為區(qū)域土地整治與集中化經(jīng)營提供理論支持。

1 數(shù)據(jù)來源與研究思路

1.1 數(shù)據(jù)來源

選擇地處黃淮海平原的河北省定州市韓家莊村作為研究區(qū)域。定州市位于北緯38°14′～38°40′、東經(jīng)114°48′～115°15′之間，太行山東麓，華北平原西緣，全市地勢平坦，由西北向東南微微傾斜；屬溫帶-暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為12.4℃，年際間氣溫差異不大，年均降水量為503.2 mm；市內(nèi)有京廣鐵路、京廣高鐵、朔黃鐵路，107國道、京港澳高速公路縱貫?zāi)媳?，交通便利?015年末，定州市總?cè)丝?24.4萬人，其中常住人口為120.34萬人，城鎮(zhèn)化率為46.84%。定州市戶均耕地0.31 hm2，但是平均地塊面積僅為0.14 hm2，土地細碎化、分散化情況較為嚴重。

基礎(chǔ)耕作單元地塊數(shù)據(jù)是在高清遙感影像數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過實地測繪調(diào)查獲得的基于農(nóng)戶尺度的耕地數(shù)據(jù)。2016年，韓家莊村有居民706戶，共計2 897人；擁有耕地1 859塊，共計267.07 hm2；戶均耕地僅0.38 hm2，戶均地塊數(shù)為2.63塊，平均耕作單元地塊面積僅為0.62 hm2，耕作單元地塊小且分散，權(quán)屬分割是造成耕地細碎的主要原因。本研究采用田間調(diào)查法獲取研究區(qū)小麥機械收割效率數(shù)據(jù)，調(diào)查時間為2016年6月12日至2016年6月17日的08：00—19：00點左右，調(diào)查小組共6人，共獲得313個耕作單元地塊的幾何特征數(shù)據(jù)和機械收割數(shù)據(jù)。田間調(diào)查方法是在小麥收獲季節(jié)開展耕作地塊實際調(diào)查，在韓家莊村偶遇的機械收獲小麥地塊進行田間測試。調(diào)研的機型為占該地區(qū)收獲機保有量80%以上的全喂入式小麥聯(lián)合收獲機，包括雷沃谷神系列、麥客、谷王等機型。以雷沃谷神GE50為例，其屬于全喂入聯(lián)合收獲機，配套功率為77 kW，工作幅寬為250 cm，喂入量為5 kg。使用工具為秒表、滾動式測距儀。調(diào)研方式為：第1天為2人一組，其中1人讀表并記錄收獲機的田間作業(yè)信息及時間，另外1人測量耕作單元地塊的長寬信息，第2天至第6天為一人一組進行測量。通過連續(xù)跟蹤農(nóng)機操作手在各耕地單元地塊中的作業(yè)時間，利用秒表記錄純作業(yè)時間、卸糧時間、故障時間、休息時間、跨田時間等。其中，總作業(yè)時間包括純作業(yè)時間和卸糧時間，純作業(yè)時間為收獲機同時保持行駛與割麥2個操作的時間，卸糧時間為停機卸糧到卸糧結(jié)束并開始作業(yè)的時間，故障時間為故障發(fā)生到排除故障并重新開機的時間。

1.2 研究思路

本研究旨在分析研究區(qū)耕作單元地塊面積、形狀、邊界密度等特征的基礎(chǔ)上，探尋影響小麥機收效率的關(guān)鍵因素；結(jié)合實際調(diào)研數(shù)據(jù)，定量分析其對小麥機收效率的影響，并確定與小麥機收效率的函數(shù)關(guān)系；采用農(nóng)用地確權(quán)數(shù)據(jù)，結(jié)合建立的函數(shù)情景模擬耕作單元地塊合并后小麥機收效率的提升潛力。其研究思路見圖1。

圖1 總體研究思路Fig.1 Research ideas

2 結(jié)果與分析

2.1 耕作單元地塊的特征分析

耕作單元地塊是指農(nóng)戶在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進行耕、種、收等耕作活動時的基本單位地塊[1]。耕作單元地塊的幾何特征是指包括地塊的長、寬、形狀、面積、邊界密度以及道路通達度等在內(nèi)的空間屬性指標的規(guī)律性和相關(guān)性特征。耕作單元地塊邊界密度是指單位面積田塊內(nèi)耕作單元地塊的邊界長度，即田埂長度，地塊邊界密度可以反映因田埂造成的耕地浪費程度。計算公式為

D=L/A

式中D——田塊耕作單元邊界密度

L——耕作單元地塊邊界長度

A——田塊內(nèi)耕作單元地塊總面積

圖2 田塊面積直方圖Fig.2 Histogram of cultivated land unit area

圖3 耕作單元地塊長度、寬度數(shù)量比例Fig.3 Proportion of length and width of cultivated land unit area

圖4 耕作單元地塊的平均寬度與邊界密度散點圖Fig.4 Scatter plots of average width and boundary density of cultivated land unit area

該研究首先從面積、形狀和邊界密度分析研究區(qū)耕作單元地塊特征：①耕作單元地塊較為狹小。由圖2可知，313個耕作單元地塊的面積在274～14 756 m2之間，其中，面積在1 000～2 000 m2的比例最高，其次是2 000～3 000 m2和小于1 000 m2的耕作單元地塊，絕大部分耕作單元地塊面積小于4 000 m2?？傮w而言，90%的耕作地塊面積低于3 100 m2。②313個耕作單元地塊以長方形為主，形狀較為規(guī)整。由圖3a可知，其長邊范圍在25.3～340 m之間，標準差為88.07，平均長度為198.94 m，變異系數(shù)為44.27%；由圖3b可知，寬度范圍在2～68 m之間，標準差為9.53，平均寬度為11.55 m，變異系數(shù)為82.52%。耕作單元地塊長度與寬度的平均比值為27∶1。以上說明，耕作單元地塊總體較為狹長，長寬變化范圍都比較大，分布離散；耕作單元平均地塊長度和寬度都較低，僅能適合中小型農(nóng)機作業(yè)。③耕作單元地塊的邊界密度在390～10 100 m/hm2之間，平均值為2 610 m/hm2。根據(jù)文獻以及實際測量結(jié)果，確定田埂的平均寬度為0.3 m，每公頃耕地的田埂面積為780 m2。由圖4可知，耕作單元地塊的寬度和邊界密度之間呈冪函數(shù)關(guān)系，冪函數(shù)關(guān)系式為y=15.347x-0.844(R2=0.975 9)，說明邊界密度隨著耕作單元地塊寬度的增加而降低，二者呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)。

2.2 耕作單元地塊的小麥機收效率分析

結(jié)合文獻[26-29]的研究結(jié)果和研究區(qū)實際情況，確定耕作單元地塊面積是影響小麥機收效率的重要因素?；?13個耕作單元地塊的實際調(diào)研和測量數(shù)據(jù)，分析耕作單元地塊面積與小麥機收效率的關(guān)系。

2.2.1機械收割時間與小麥機收效率

通過連續(xù)觀測同一收獲機在不同耕作單元地塊中的作業(yè)情況發(fā)現(xiàn)，收獲機作業(yè)速度基本保持不變，記錄并統(tǒng)計收獲機在各耕作單元地塊中的純收獲時間、總作業(yè)時間、卸糧時間及其他時間，分析小麥機收效率變化情況。機械收獲效率的計算公式為[12-13]

F1=T1/A

(1)

F2=T2/A

(2)

式中F1——總作業(yè)效率

F2——純作業(yè)效率

T1——總作業(yè)時間,s

T2——純作業(yè)時間,s

將耕作單元地塊劃分為不同面積段，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)收獲機在不同面積段中的作業(yè)時間和效率差異非常明顯(表1)?？傮w而言，隨著耕作單元地塊面積增加，小麥機收的總作業(yè)時間、卸糧時間和純作業(yè)時間增加；小麥機收的總作業(yè)效率、純作業(yè)效率和卸糧效率基本呈現(xiàn)相似的提高趨勢，即田塊面積越大，完成單位面積所消耗的時間越少：在0～1 000 m2的范圍內(nèi)，總作業(yè)效率是0.87 s/m2，純作業(yè)效率是0.64 s/m2。隨著面積增加，小麥機收效率逐漸提高，在1 500～2 000 m2的范圍內(nèi)，總作業(yè)效率是0.64 s/m2，純作業(yè)效率是0.49 s/m2；在2 000～2 500 m2的范圍內(nèi)，總作業(yè)效率是0.62 s/m2，純作業(yè)效率是0.48 s/m2；2 500～3 000 m2的范圍內(nèi)總作業(yè)效率有一定降低，但純作業(yè)效率繼續(xù)提升，總作業(yè)效率為0.63 s/m2，純作業(yè)效率是0.47 s/m2；面積大于3 000 m2之后，小麥機收效率再次提高，總作業(yè)效率為0.57 s/m2，純作業(yè)效率為0.43 s/m2。

表1 聯(lián)合收獲機在不同大小田塊的作業(yè)時間與效率Tab.1 Time and efficiency of combine harvester in different cultivated land unit areas

圖5 小麥機收效率與田塊面積的散點圖Fig.5 Scatter plots of map area and mechanical harvesting efficiency of wheat

在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，小麥機收效率的影響因素較多，除了耕作單元地塊面積外，耕作單元地塊形狀、小麥種植密度及成熟程度、農(nóng)機操作手的技術(shù)水平等因素也會直接或者間接影響小麥機收效率。為減少偶然因素影響，結(jié)合圖2中的分布特征對耕作地塊面積進行分段分析，從200 m2起，每隔200 m2進行一次分段，分段計算平均地塊面積和平均機械收獲時間。由圖5可知，小麥機收效率和耕地面積之間呈現(xiàn)冪指數(shù)關(guān)系，且均呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，說明單位面積的機械收獲時間隨著耕作單元地塊面積的增大而減小?？傮w上看，隨著面積增加，小麥機械收獲的總作業(yè)效率呈現(xiàn)增加趨勢：0～2 800 m2，總作業(yè)效率逐漸增加，收獲單位面積小麥所用的時間越來越少；2 800～3 200 m2，總作業(yè)效率有所降低；大于3 200 m2之后，總作業(yè)效率又呈現(xiàn)增加趨勢。純作業(yè)效率與總作業(yè)效率的變化趨勢較為一致，但與總作業(yè)效率相比，純作業(yè)效率的變化波動小，且與地塊面積的相關(guān)性較小。由于地塊種植密度、農(nóng)機操作手技術(shù)水平等的差異，小麥機收效率在2 800～3 000 m2區(qū)間呈現(xiàn)一定的波動。分段計算機械收獲時間和耕作單元地塊面積的關(guān)系。由圖6可知，總作業(yè)時間、純作業(yè)時間與耕作單元地塊面積的擬合函數(shù)分別為y=0.430 1x+404.77(R2為0.963 6)和y=0.304 9x+346.38(R2為0.937 6)，表明作業(yè)時間與耕作單元地塊面積呈現(xiàn)明顯的線性相關(guān)關(guān)系，即地塊面積越大，作業(yè)效率越高。在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機械裝備水平下，總作業(yè)效率理論上可以達到0.430 1 s/m2，純作業(yè)效率理論上可以達到0.304 9 s/m2。根據(jù)擬合函數(shù)進行計算，當(dāng)耕作單元地塊面積達到8 500 m2時，作業(yè)效率就可以達到理想效率的90%；當(dāng)耕作單元地塊面積達到17 885 m2時，作業(yè)效率就可以達到理想效率的95%。

圖6 機械收獲時間和耕作單元地塊面積散點圖Fig.6 Scatter plots of mechanical harvesting time and cultivated land unit area

2.2.2耕作單元地塊合并后的小麥機收效率提升潛力分析

圖7 研究區(qū)調(diào)整前后的耕作單元地塊分布Fig.7 Cultivated land unit distributions before and after adjustment of land ownership

根據(jù)實際調(diào)研情況及數(shù)據(jù)分析，研究區(qū)主要是由于耕作單元地塊歸屬于不同農(nóng)戶造成的地塊細碎。因此，如果合理進行權(quán)屬調(diào)整和耕地流轉(zhuǎn)，比較容易實現(xiàn)耕地集中連片。在ArcGIS中進行dissolve操作，在考慮耕地內(nèi)部主要道路、河流等阻隔要素的情況下，合并相鄰的耕作單元地塊，作為土地整治后理想情況下的耕作單元地塊分布(圖7)。地塊合并后，耕作單元地塊數(shù)量明顯減小，由1 859塊降低到43塊，面積大于5 hm2的耕作單元地塊占到了總面積的70%以上，耕作單元地塊的面積和連片程度明顯提高。

根據(jù)機械收獲時間和耕作單元地塊面積的關(guān)系(表1)，計算地塊合并前后研究區(qū)耕地收獲時間變化。由表2可知，合并前，耕作單元地塊數(shù)量為1 859塊，耕作單元地塊平均面積為1 438 m2，總作業(yè)效率為0.71 s/m2，研究區(qū)總作業(yè)時間為1 902 196 s(528 h)，純作業(yè)效率為0.54 s/m2，研究區(qū)總的純作業(yè)時間為1 458 970 s(405 h)；地塊合并后，耕作單元地塊數(shù)量為43塊，總作業(yè)效率為0.44 s/m2，總作業(yè)時間為1 167 136 s(324 h)，純作業(yè)效率為0.31 s/m2，總的純作業(yè)時間為829 944 s(230 h)?？梢钥闯觯傋鳂I(yè)時間和純作業(yè)時間都有了明顯降低，其中，總作業(yè)時間減少幅度為38.64%，純作業(yè)時間減少幅度為43.11%。由此可知，耕地小麥機收效率有很大的提升潛力。

表2 耕作單元地塊合并前后小麥機械收獲時間與收獲效率變化Tab.2 Changes of mechanical harvesting time and efficiency before and after adjustment of land ownership

3 結(jié)論

(1)以黃淮海平原區(qū)耕作單元地塊為研究對象，基于實際調(diào)研數(shù)據(jù)分析了耕地的細碎化狀況；在此基礎(chǔ)上，采用相關(guān)分析法分析了小麥機收時間、機收效率與耕作單元地塊面積的關(guān)系；隨后，情景模擬了耕作單元地塊合并前后小麥機收效率的變化，本研究可為區(qū)域土地整治和土地流轉(zhuǎn)提供技術(shù)支持。

(2)平原區(qū)耕地細碎化嚴重，且以權(quán)屬細碎化為主。研究區(qū)耕作單元地塊面積在274～14 756 m2之間，大部分耕作單元地塊的面積小于4 000 m2，土地細碎化程度較高，耕作單元地塊面積小且分布分散。耕作單元地塊總體較為狹長，長寬度變化范圍都比較大，分布離散，耕作單元地塊的平均長度和平均寬度都較低，比較適合中小型農(nóng)機作業(yè)；邊界密度隨著耕作單元地塊的寬度增加而明顯降低，擴大田塊面積可以明顯降低耕地邊界密度，進而增加耕地利用率。由于研究區(qū)耕地細碎多為權(quán)屬分割造成，整治的工程難度相對小，比較容易實現(xiàn)耕地的集中連片。

(3)小麥機收效率受耕地面積影響大?？傋鳂I(yè)效率、純作業(yè)效率均隨著耕作單元地塊面積的增加而增加，耕地面積與總作業(yè)效率的相關(guān)性大于純作業(yè)效率。在現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機械裝備水平下，總作業(yè)效率和純作業(yè)效率理論上可以達到0.430 1、0.304 9 s/m2；耕作單元地塊面積達到8 500 m2時，小麥機收效率將得到比較充分的發(fā)揮。耕作單元地塊合并后，總作業(yè)時間、純作業(yè)時間將分別減少38.64%和43.11%，小麥機收效率將明顯提升。

(4)規(guī)?；?jīng)營的其他效益。合理合并耕作單元地塊可以有效提高小麥機收效率，表現(xiàn)在耕作單元地塊連片收獲時，可以統(tǒng)一作業(yè)，避免機械空跑；節(jié)約單戶收獲的較長等待時間；合理安排卸糧地點和運輸小麥車輛，提高卸糧效率；科學(xué)安排農(nóng)機駕駛員的作業(yè)時間，提高機械利用率；同時，也大大減少了機械在不同耕作單元地塊間的跨田時間，提高了總作業(yè)效率。此外，耕作單元地塊集中連片，便于合理有效地安排農(nóng)業(yè)種植和作物收獲，在一定程度上提高農(nóng)民的議價能力，降低收獲成本以及其他農(nóng)業(yè)成本；可以避免搶種搶收，縮短收獲時間，延長了作物生長期，增加產(chǎn)量。

(5)本研究中，耕作單元地塊合并后的小麥機收效率提升潛力分析是基于現(xiàn)有的中小型收獲機計算的，而如果規(guī)模化經(jīng)營后，可以采用大型的機械進行收獲，小麥機收效率會有進一步的提高；本研究中理想田塊規(guī)模是基于當(dāng)前機械動力情況得出的，將來應(yīng)在理想田塊面積方面繼續(xù)深化研究，確定不同機械對應(yīng)的適合田塊規(guī)模及適合不同區(qū)域的田塊規(guī)模。另外，地塊合并后機械跨田時間也將大幅度減少，小麥機收綜合效率提升潛力的測算也是將來研究的重點。

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