增产格局视角下粮食生产与水土资源配置的耦合协调关系分析

2020-07-27王倩栾福超

天津农业科学 2020年5期

王倩栾福超

摘要：粮食生产离不开水土资源的支持，探究农业水土资源配置与粮食产量之间的关系，可以为实现粮食的稳产增产提供决策依据。运用DEA模型，测算2003—2015年三江平原地区粮食产量“十二连增”背景下23个县域尺度的农业水土资源配置效率，并通过构建耦合协调模型，分别选取2003年和2015年2个时间断面，从时空维度对各县域单元的农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合协调水平进行分析。结果表明：（1）从耦合协调关系的时间序列看，三江平原地区整体的耦合度和耦合协调度数值皆呈波动上升趋势，且由中等协调的磨合阶段向高度协调的耦合阶段过渡;（2）从空间格局来看，三江平原地区东部、北部的耦合协调水平高于西部、南部，且边缘优于腹地;（3）研究期间，虽然农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合协调水平皆有所改善，但仍有县域耦合结果欠佳且地区间差异明显。总体上看，因地制宜，完善农业生产配套设施，促进农业水土资源合理配置，发展精准农业，是三江平原地区粮食进一步增产的重要保障。

关键词：粮食产量;农业水土资源配置效率;DEA模型;耦合协调;三江平原

Abstract： Food production cannot be separated from the support of water and soil resources. The relationship between the allocation of soil and water resources in agriculture and grain yield was explored to provide decision-making basis for realizing stable grain yield and increase yield.The efficiency of agricultural water and soil resources allocation in Sanjiang Plain from 2003 to 2015 was calculated with DEA model.By constructing a coupling coordination model， two sections in 2003 and 2015 were selected to analyze the coupling coordination level of agricultural water and soil resources allocation efficiency and grain yield at the scale of each county in this period from the spatial and temporal dimension. Research showed that：（1） from the change of time series of coupling coordination relations， the coupling degree and coupling coordination degree of the whole Sanjiang Plain area showed a rising trend of fluctuation， from the moderate coordinated running-in stage to the highly coordinated coupling stage，（2）From the perspective of spatial pattern， the level of coupling and coordination between the East and the North was higher than that of the West and the South， and the edge was better than that of the hinterland，（3）During the study period， although the coupling coordination level between agricultural water and soil resource allocation efficiency and grain yield were improved， the coupling results between counties were not ideal and there were significant regional differences between counties. On the whole， adjusting measures to local conditions， perfecting supporting facilities for agricultural production， realizing rational allocation of agricultural water and soil resources， and developing "precision agriculture" are the basis for further increasing grain yield in the Sanjiang Plain.

Key words： grain yield; allocation efficiency of agricultural water and soil resources; DEA model; coupling and coordination; Sanjiang Plain

農业是国民经济的基础，粮食生产关系国计民生，是维护社会稳定与国家长治久安的基石。我国是人口大国，粮食安全问题持续受到世界各国的关注[1-2]。研究表明，水土资源短缺与空间上的错误配置直接影响到区域粮食生产能力，并从根本上制约农业现代化的发展[3]。伴随着我国城镇化、工业化的快速发展，农业水土资源短缺、配置不合理等现象日益凸显，已经威胁到粮食生产能力的提升[4]。

三江平原地区是我国重要的商品粮生产基地，也是首批现代农业示范基地之一，该地区的水稻、玉米、大豆产量占全国各作物总产量的11.1%，8.3%和7.4%，在保障国家粮食安全方面发挥着重要作用。2003—2015年，三江平原地区实现了粮食产量以播种面积扩大为主的外延式“十二连增”，2016年受玉米调减等种植结构调整的影响，粮食产量出现下滑趋势。近些年，三江平原地区后备耕地资源有限、水利设施建设滞后，出现了水土资源配置不合理的问题，农业水土资源已成为当前阻碍三江平原地区粮食产量提高的主要因素。

从目前已有文献可以看出，关于水土资源的研究成果日趋成熟，研究内容由最初针对水资源、土地资源的单一要素分析[5-6]，发展到对水土资源的整体承载力[7-8]、可持续利用[9-10]、优化配置[11-13]、空间匹配格局[14-15]等多维度的研究;随着3S技术的应用和专业模型的发展，以遥感与GIS为基础[16-17]，应用线性或动态规划[18-20]、多目标决策模型[21]、复杂适应理论[22-23]、DEA等[24]方法对区域水土资源配置的研究日益增多。粮食生产是水土资源密集型产品，国外学者大多基于粮食产量与机械化程度、肥料使用量、生物技术等因素的相关分析，开展粮食生产与水土资源之间的关系研究[25-26];国内学者则多探讨粮食安全与水资源或土地资源的关系[27-28]，或分析粮食生产结构调整对水土资源利用的影响[29-31]，且研究尺度多以国家、地区及省域尺度为主，鲜有开展农业水土资源配置效率与粮食生产的耦合分析，亟待丰富县域尺度的研究成果，以便指导农业生产实践。

因此，本研究选取了三江平原地区粮食十二连增期间（2003—2015年）的研究数据，通过构建耦合协调模型，分析在粮食增产背景下的三江平原各县域单元粮食生产与水土资源配置的耦合关系，以期在新形势下可以对实现三江平原及东北地区粮食产量和质量的提高、技术水平的提升以及保障国家粮食安全方面提供重要的借鉴。

1 研究区域概况和研究方法

1.1 研究区域概况

三江平原位于东北平原东北部，由黑龙江、松花江及乌苏里江冲积而成，包括23个县、县级市、市辖区以及黑龙江省原农垦总局下辖的4个分局，总面积约1 090万hm2，耕地面积占总面积的比例为44.85%。从农业生产自然条件来看，地处温带湿润、半湿润大陆季风性气候区，雨热同季，年降水量500～650 mm;土壤有机质含量高，主要包括黑土、白浆土、草甸土、沼泽土等土壤类型，近年来该地区主要粮食作物以水稻、玉米、大豆为主，小麦所占比重极少。

1.2 研究方法

1.2.1 农业水土资源配置效率评价的DEA模型数据包络分析法（Data Envelopment Analysis，简称DEA）是一种用于投入产出问题的效率评价方法。该方法通过产出与投入之间加权和之比，计算决策单元的投入产出效率[32]，其优势在于不需考虑投入产出之间的函数关系，不需预先估计参数，也不需做任何权重假设，避免了主观因素的影响。文章选用DEA模型中经典的C2R、BCC模型[33-34]，模型表達式如下：

式中，S+表示产出松弛变量;S-表示投人松弛变量;ε为非阿基米德无穷小量，一般ε=10-6;θ为该决策单元的有效值。

农业水土资源配置效率的模型指标体系中，作物生产用水指标（x1）与耕地指标（x2）为投入指标，分别用研究区的作物生产水足迹（m3）与作物种植面积（hm2）表示，其中，三江平原地区作物生产水足迹计算方法参考栾福超等[24]研究成果;模型输出指标y为粮食产量（t）。DEA模型的评价结果包括综合技术效率、规模效率与纯技术效率3个特征值，其中，综合技术效率值可分解为规模效率与纯技术效率的乘积，规模效率是由规模因素影响的，纯技术效率是由生产过程中技术更新程度与推广速度决定的。其三者的数值范围皆介于0～1，评价结果越接近1，评价单元的农业水土配置综合效率、纯技术效率与规模效率越高;评价结果若趋于0，则评价单元的农业水土配置各效率越低。

1.2.2 耦合协调度模型耦合（Capacitive Coupling）是物理学中的概念，这里指两个或两个以上系统通过相互作用、互动发展彼此影响、甚至联合起来的现象[35]。耦合协调度模型通常由功效函数、耦合度函数、耦合协调度函数三部分组成[36]。

（1）功效函数。粮食生产和农业水土资源配置效率分属2个系统，各指标存在量纲，为了消除量纲的影响，需要对指标进行无量纲化处理。

正向评价指标μij=[xij-min（xij）]/[max（xij）-min（xij）]

负向评价指标μij=[max（xij）-xij]/[max（xij）-min（xij）]（2）

式中，μij为第i个系统的第j个指标，值xij为（i=1，2;j=1，2，…，n），max（xij）、min（xij）分别为指标xij的最大值与最小值。

指标经过无量纲化处理会出现0值，因此，采用改进的熵值法对数据进行非负化处理[37]，公式如下：

通过集成方法确定农业水土资源配置效率系统与粮食产量系统对综合系统的贡献程度，公式如下：

式中，U1代表农业水土资源配置效率的综合评价系数，U2代表粮食产量的综合评价系数， λij为权重。文章探讨农业水土资源配置效率与粮食产量两个系统的耦合关系，故权重和为1。

（2）耦合度函数。借鉴物理学中容量耦合概念及系数模型，得到多个系统相互作用的耦合度模型，即：

式中，C为复合系统的耦合度，在[0～1]区间取值。当C=0时，说明农业水土资源配置效率与粮食产量之间相互关联程度降低，耦合程度出现退化，综合系统向无序混乱方向发展;当C趋近于1时，说明两个系统之间关联程度加强，综合系统出现良性共振耦合。

（3）耦合协调度函数。由于耦合度只能说明研究区域各个系统相互作用程度的强弱，无法反映同一时间不同地区耦合协调水平的高低[38]，难以揭示农业水土资源配置效率与粮食产量的整体“功效”与“协同”效应，故引入耦合协调度，即：

式中，D是耦合协调度，T是农业水土资源配置效率与粮食产量的综合发展指数，反映两系统综合发展水平对协调度的贡献，α、β为待定系数，由于保障农业水土资源良好配置和粮食产量的安全同等重要，因此，α、β均取值0.5[39]。

本研究参考刘耀彬等[40]的研究成果，并结合实际，建立耦合度与协调度的阶段划分标准（表1）。

1.2.3 数据来源本研究的数据主要包括2003—2015年三江平原地区气象数据、粮食生产统计数据以及作物生产水足迹的基本参数。其中，气象数据（包括月最高气温、月最低气温、平均风速、日照时数和平均风速）来源于中国气象数据共享网站，缺失站点的气象数据借助 ArcGIS10.3.1中克里金插值方法获得;粮食作物播种面积和产量等数据来自《黑龙江省统计年鉴》（2004—2016年）并参考中国农业科学院统计数据;作物生产水足迹的参数结合相关文献[41]及实地调研获取。

2 结果与分析

2.1 农业水土资源配置效率的变化特征

通过DEA模型测算了2003—2015年三江平原地区各县域单元农业水土资源配置综合效率、纯技术效率与规模效率，选取2003年、2015年2个时间断面的数据见表2。由表2可知，三江平原地区的农业水土资源配置综合效率均值由0.757上升到0.793，变化不大，但总体呈上升趋势;从各县域单元来看，绝大部分县域的农业水土资源配置综合效率与纯技术效率在研究期间皆有所改善，但有少数县域（包括鸡东县、穆棱市、七台河市辖区、虎林市）下降明显;三江平原地区规模效率均值也呈下降趋势。

采用Jenks 自然断裂法（类内差异最小、类间差异最大），将不同时期水土资源配置综合效率等级界定为较差（2003年：0.462～0.468;2015年：0.448～0.559）、一般（2003年：0.469～0.645;2015年：0.560～0.720）、较好（2003年：0.646～0.841;2015年：0.721～0.880）和良好（2003年：0.842～1;2015年：0.881～1）。2003年三江平原地区多数县域的农业水土资源配置综合效率处于较好级别，研究区东南部的密山市、虎林市等6个县域由于靠近乌苏里江和黑龙江，水源充足，且耕地多为旱地，所需水资源量较小，且从表2中可以看出这6个县域的纯技术效率值较高，技术优势明显，因此农业水土资源配置效果最好，处于良好级别;23个县域中鸡西市辖区和桦南县的综合效率最差，主要是由于远离松花江等水系，水资源短缺，且纯技术效率不超过0.5，技术水平低下，因此三江平原中部和西南部地区在2003年呈现出水土资源配置效率明显低下的问题。2015年三江平原地区农业水土资源配置效率与2003年的空間格局差异不大，呈现出东部优于西部、北部优于南部、边缘优于腹地特点。多数县域仍处于较好等级，西部的依兰县、汤原县和中部的佳木斯市辖区、集贤县、友谊县综合效率最高，处于良好等级;其中，依兰县、汤原县和佳木斯市辖区变化显著，配置效率等级由一般发展至良好水平，而以七台河市辖区和穆棱市为代表的部分县域的综合效率等级则由良好、较好降至较差水平，原因如下：（1）自2003年以来，三江平原地区耕地面积虽然不断扩大，但从表2中可以看出规模效率值未达到最优值，规模收益仍有递增空间;（2）这些县域的纯技术效率比较低，因水利工程设施失修、灌溉方式不科学等技术原因导致水土资源利用结构不合理;（3）以市辖区为代表的部分县域由于旱田改水田现象的加剧，导致农业用水与生活用水竞争激烈。

2.2 粮食产量的空间分布特征

2003—2015年三江平原地区实现了粮食产量的“十二连增”，2003年、2015年各县域粮食产量空间分布格局见图1。由图1可知，2003年和2015年三江平原地区粮食产量的空间分布格局与粮食增产分布格局大致相同，表现为东北高、西南低，边缘高于腹地的特征;从增产角度看，粮食增产最少的县域主要分布在三江平原南部和中部地区，增产量仅为115万t;其中，研究区中部的佳木斯市辖区、双鸭山市辖区、七台河市辖区与鸡西市辖区虽然在研究期间粮食产量有所增加，但因市辖区的农业用地数量较少，仅靠单产提高增产能力有限，上述市辖区的粮食总产量处于最低级别。粮食增产高的县域集中连片分布在三江平原东北部地区，如东北部的宝清县、虎林市等县域耕地扩张明显、粮食增产显著，其粮食增产量占研究区的51.8%。

2.3 农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合协调关系时序特征

通过耦合协调模型测算2003—2015年三江平原地区所辖23个县域单元的农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合度、耦合协调度，选取23个县域的均值代表研究区当年的整体水平，其时序特征变化见图2。

从图2可知，三江平原地区在粮食产量“十二连增”期间，农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合度、耦合协调度变化趋势基本一致，呈现总体上升趋势。（1）从耦合度来看，三江平原地区整体耦合度数值从2003年的0.595增长至2015年的0.912，表明研究区的耦合关系由研究初期磨合状态逐渐向高水平耦合阶段过渡，至2015年，两系统的耦合已达到良性共振状态。（2）三江平原地区各时期的耦合协调度数值皆低于耦合度值，耦合协调度由初始值0.471波动增长至0.726，说明研究区整体的耦合协调关系由初期的中度协调阶段逐渐过渡到高度协调阶段。到2015年，农业水土资源配置效率与粮食产量之间进入相互促进的良好协调发展时期，农业水土资源实现高效率配置，粮食生产达到高产稳产水平。

2.4 农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合协调关系空间特征

为进一步分析2003—2015年三江平原地区农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合协调关系空间变化特征，本研究测算了2003年和015年三江平原地区所辖23个县域单元的耦合度和协调度（表3），并利用ArcGIS10.3.1对三江平原地区农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合协调水平进行空间可视化分析。

从表3可以看出，（1）2003年，耦合度最高的是虎林市（0.849），已达到高水平耦合阶段;而耦合度最低的是七台河市辖区（0.197），处于低水平耦合阶段;到2015年，抚远县和同江市的耦合度最高（1），其农业水土资源配置效率与粮食产量已达到良性共振的水平;佳木斯市辖区耦合度最低，其耦合水平仍处于拮抗阶段。（2）从耦合协调度来看，2003年23个县域的耦合协调度值多介于0.3～0.6，耦合协调水平处于中度协调阶段。其中，双鸭山市辖区耦合协调度值最低（0.272），处于低度協调阶段;耦合协调度值最高为虎林市（0.749），耦合协调水平已达到高度协调阶段。到2015年，大多县域的耦合协调度值已处于0.6～0.9，耦合协调水平多处于高度协调阶段和极度协调阶段。耦合协调度值最低的是鸡西市辖区，处于中度协调阶段;最高为富锦市（0.924），处于极度协调阶段。

2.4.1 耦合度的空间变化特征 2003年和2015年三江平原地区农业水土资源配置效率与粮食产量耦合关系的空间分布格局见图3。

从图3A可以看出，2003年三江平原地区农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合度空间格局大体是北部优于南部，边缘优于中心腹地。此时，虎林市是耦合度最高的县域，已达到高水平耦合阶段，七台河市辖区和双鸭山市辖区都处于低水平耦合阶段;23个县域中有15个县域的耦合度处于磨合阶段。这些数据表明，三江平原地区大部分县域水土资源配置与粮食增产之间的关系欠佳，但通过水利工程设施的完善，水土资源配置有进一步提升的空间。

由图3B可知，到2015年，除了4个市辖区（佳木斯市辖区、鸡西市辖区、双鸭山市辖区、七台河市辖区），三江平原地区的耦合度已全面进入高水平耦合阶段;抚远县和同江市耦合度最高，已实现良性共振;耦合度空间格局仍表现为边缘优于腹地。期间，通过加强“两江”沿岸引提水工程的建设，有针对性地对水土资源配置较差的地区进行资金、技术、工程等方面的投入和改善，三江平原大多数地区实现了农业水土资源配置效率与粮食产量的良性互动、协调发展阶段。

2.4.2 耦合协调度的空间变化特征 2003年和2015年三江平原地区农业水土资源配置效率与粮食产量耦合协调度空间分布如图4所示。2003—2015年，三江平原地区耦合协调度总体呈现出东北高、西南低，边缘优于腹地的分布格局。（1）从图4A可知，2003年三江平原地区东北部大部分县域耦合协调度数值介于0.5～0.8，耦合协调发展水平处于高度协调阶段;西南部县域的耦合协调水平大多还处于中度协调阶段（数值介于0.3～0.5）。在研究区所辖23个县域中，仅双鸭山市辖区与鸡西市辖区的耦合协调度水平处于低度协调阶段。（2）到2015年，整个研究区域已不存在低度协调发展阶段的县域。由图4B可知，三江平原地区东北部的富锦市、虎林市等多数县域与西南部依兰县的耦合协调水平已经发展到极度协调阶段;西北部的萝北县、汤原县和中部的桦川县、友谊县等县域也已由中度协调阶段发展到高度协调阶段;仅有5个县域（包括佳木斯市辖区、双鸭山市辖区、七台河市辖区、鸡西市辖区和穆棱市）的耦合协调度值较低，处于中度协调阶段。总体来看，三江平原地区各县域的农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合协调度水平明显改善。

3 结论与建议

3.1 结论

本研究基于DEA模型，利用2003—2015年三江平原地区所辖23个县域单元的面板数据，测算其农业水土资源配置效率;利用耦合协调度模型测算23个县域的农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合度与耦合协调度，选取2003年和2015年的截面数据，分析其耦合度与耦合协调度的时空变化特征，得到如下结论。

（1）研究期间，三江平原地区的农业水土资源配置效率整体处于较好等级，配置效果东部优于西部、北部优于南部、边缘优于腹地;粮食产量的高低与农业水土资源配置效率高低的格局基本一致，农业水土资源配置佳的县域，粮食产量较高。

（2）从耦合度与耦合协调度的时间序列变化看，2003—2015年，三江平原地区农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合度与耦合协调度整体呈现上升趋势，且耦合度与耦合协调度的变化趋势基本一致，但耦合协调度值皆低于耦合度值。自2003年以来，耦合水平由磨合阶段逐渐向高水平耦合阶段过渡;耦合协调程度仅在2003年为中等协调阶段，其余年份皆处于高度协调阶段，其耦合协调水平比较理想。

（3）从耦合度与耦合协调度的空间格局来看，由于三江平原地区边缘县域多以耕地为主尤其东北部为低平平原、耕地面积多而集中，为传统农业区，但中部及南部以林地为主，且受全球气候变暖的影响，研究区的降水量也日渐增加，水土资源配置效率高。另外，研究期间东北部地区旱改水现象明显，水稻代替小麦和玉米成为主要粮食作物，粮食内部种植结构的调整成为该地区粮食产量增高的重要原因，而中部及西南部南部县域由于靠近经济发展较好且交通便捷的城市，出现非农就业机会大、传统农业吸引力不及非农产业的现象。因此，三江平原地区在2003年、2015年的农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合度和耦合协调度皆存在明显的地区差异，表现出东北部县域的耦合协调水平高于西南部，边缘优于腹地县域的分布规律。研究期间，三江平原地区各县域的农业水土配置效率与粮食产量的耦合度与耦合协调度在空间分布较为一致。

3.2 建议

三江平原地区是我国重要的商品粮生产基地，提高农业水土资源配置效率与粮食产量的良性耦合协调水平是一个渐进和长期的过程。研究期间，虽然23个县域的农业水土资源配置效率与粮食产量的耦合协调水平皆有所改善，但还有部分县域的耦合协调水平不理想，为进一步提升三江平原地区的粮食生产水平，提出以下建议。

（1）为解决研究区存在的粮食生产及水土资源的耦合协调水平不理想现象，首先考虑从农业水土资源合理配置入手：一是建议在两江沿岸建设新的引提水灌溉工程，完善水利配套设施，政府加强科学引导和管理，合理分配各类用水比例，大力发展节水节地农业，提高农业水土资源配置的纯技术效率;二是加强农业水土资源投入规模的科学性，因地因水制宜，避免水土资源投入过少或冗余，以实现农业水土资源的规模有效;三是完善保障粮食安全的城镇化战略，促进农业技术改革，以弥补耕地减少带来的粮食生产能力减弱的不良影响，促进研究区整体由高耦合低协调向高耦合高协调阶段的转变。

（2）虽然三江平原地区农业水土资源配置效率与粮食产量整体耦合协调水平有所改善，但仍存在明显的地区差异，尤其是耕地后备资源有限，仅依靠不断扩大耕地面积、粗放式的农业发展道路的方式不能持续。因此，各地区应充分借鉴高度耦合协调县域的农业发展策略，做到因地制宜、精准施策，发展精准农业。从不同作物来看，水稻是当前研究区内利润优势明显的作物，三江连通工程为其水稻高产稳产提供了重要的设施保障，但要避免利润驱动下盲目扩种水稻可能引发的生态环境恶化问题;随着“市场定价、价补分离”的粮食收储政策改革以及国家对镰刀湾地区玉米种植面积的调减，种植玉米的利润优势应通过优化玉米品质、提高单产水平得以实现;黑龙江省大豆受国际市场的冲击较大，应加大国家政策补贴力度、激发豆农的种粮积极性，确保大豆生产规模的稳定性，同时加大新技术应用，推广高产品种，提高机械化作业水平，推动大豆种植规模化，实现增产增收。

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