基于地塊面積的土地整理耕作效率測算方法研究

羅 丹，徐 艷,2，王躍朋,2，張鳳榮,2

（1.國土資源部農用地質量與監控重點實驗室，北京 100193；2.中國農業大學土地利用與管理中心，北京 100193）

許多國家都開展了各種形式的土地整理，其目標各異，如改善農林業經濟的生產和作業條件、創造良好的生態環境和改善自然景觀、調整土地產權關系等等[1-3]。土地整理最初的主要目標之一是地塊歸并、擴大耕作面積以獲得更高的生產效率，其中，土地規模效益與生產效率間的關系一直是學術界研究的熱點[4-8]。土地規模大小影響著土地利用方式和強度，從而影響土地的生產耕作效率。受土地利用方式和土地產權制度的影響，土地細碎化已經成為提高土地生產效率的重要瓶頸。有數據表明：中國2003年末戶均地塊數5.722塊，戶均土地經營規模為7.517畝，平均每塊的大小為1.314畝[9]，過細及高度分散的土地經營方式是農業生產率和耕作效率提高的障礙[10-12]，導致了效率的損失。進行土地整理可以調整土地利用方式和強度，改善土地生產和生態條件，增加有效耕地數量，擴大生產經營規模，提高耕地質量和土地的生產能力，提高土地的生產耕作效率。中國新農村建設的核心是構建現代農業體系，而現代農業是以農業產業化、規模化為主要標志的。因此土地整理在構建現代農業體系中不僅具有重要作用，而且也是必不可少的途徑，土地整理規模效益研究是土地整理理論和實踐研究的重要組成部分。

近些年，學者對于土地整理效益的研究越發地廣泛起來，從經濟、社會以及生態效益3方面入手來探求土地整理的綜合效益[13-15]。現今的效益評價研究多是注重綜合效益，特別是經濟效益，而對于生產效率這一微觀方面的規模效益研究很少。測量農業生產效率可以依據農業經濟活動中的不同生產要素的效率來判斷，比如土地、勞動和資本，因而考察效率的標準也應有土地生產率、勞動生產率和資本效率[8]。有研究表明[9]，土地生產率與土地經營規模之間基本上是負相關關系，而勞動生產率和資本效率與土地經營規模之間基本上都是正相關關系，為了提高二者效率，必須擴大土地經營規模。本文重點探討一種基于地塊面積的土地整理規模效益測算方法。通過田間實驗對7個面積梯度地塊的耕作效率進行測算，建立地塊面積與耕作效率之間的函數，用以評價地塊的規模效益，為區域土地整理規劃及其成本效益評價提供理論支撐和實踐支持。

1 研究思路

從狹義的角度來說，地塊面積（A）即土地規模，是基于單個農業生產要素而言的[16]。耕作效率（W）即機械的生產效率，指的是農用機械耕作土地的效率，即農業機器按一定質量標準完成單位作業量所耗費的時間[17]。因此，本文基于地塊面積的土地整理規模效率是機械耕作單位有效土地面積所花費的耕作時間，是以土地規模（地塊面積）作為測算基礎，對區域整理地塊進行耕作效率（機械生產效率）核算得到的土地生產效率，實質上是從效率的角度對土地生產率的量化測算，以此衡量整理前后區域的規模效益。

本文假設耕作效率測算僅受地塊面積影響，不考慮地形坡度、機械化發展程度等其他因素的影響，因此僅從單一的地塊因素考慮建立與耕作效率的關系。主要步驟為：（1）設計實驗并實測獲得耕作效率數據；（2）從地塊尺度建立地塊面積與耕作效率的函數關系；（3）量化分析面積與效率的具體關系，確定機耕面積的適宜范圍；（4）劃分效率等級，為評價整理區的規模效益提供依據。

2 耕作效率測算實驗方案

2.1 實驗區選擇

選擇中國農業大學上莊實驗站實驗田，在地塊形狀相同的基礎上開展實地耕作效率測算。該實驗站位于北京市海淀區上莊鎮辛力屯村東，地處黃淮海平原，總面積約1058畝。區內地勢平坦，整個實驗站以鄉間公路為界大致劃分為南北兩大區域，其中，北區面積約553.8畝耕地，地勢平坦，地塊連續平整，同時配套農機具20多套，滿足本項研究所需的科研條件，因此以北區為試驗田。

2.2 實驗設計

本文中耕作效率（W）表示為機械耕作單位有效土地面積所花費的耕作時間。其中，有效耕作面積（UA）指地塊總面積（A）減去機械因掉頭損失掉的地頭面積（EA），耕作時間指的是農用機械耕作完指定地塊所消耗的總時間（T），耕作效率計算公式為：

式1中，時間單位為s，面積單位為m2。耕作效率表示耕作每平方米有效耕地面積所需耗費的時間，其值越大，表明耕作每平方米耕地所需消耗的時間越多，效率也就越低。耕地所需時間不僅僅和地塊的大小、形狀有關，還和耕作的土壤、機器的使用和耕作方式有關。本文的研究在同樣土壤質地的耕地上進行實驗，且均采用相同的機械和耕作方式。

（1）地塊基本形狀。在土地整理工程設計及農用地規劃中[18-19]，根據機械作業要求，地塊形狀最好為長方形、正方形，其次是梯形，三角形和多邊形；同時地塊長度比對機組回轉次數有較大的影響，在面積相同的情況下，邊長越長，則回轉次數越少。地塊的長寬比不小于4∶1，可以滿足機械工作的要求。因此，最終確定選取的地塊形狀為長寬比4∶1的長方形。

（2）地塊面積梯度。在確定地塊幾何空間形狀的基礎上，對地塊的面積大小進行梯度劃分。土地整理規劃的典型地塊面積較大，但在現實中通常還要由農戶進行重新劃分，考慮目前國內農戶所經營耕地的現狀及機械的實際可操作性，將地塊面積由小到大劃分為7個梯度，即500 m2、1000 m2、2000 m2、3000 m2、5000 m2、7000 m2、10000 m2。

（3）耕作機械。考慮并綜合當前國內農民普遍采用的機械馬力，最終確定采用40馬力的泰山TS404拖拉機懸掛三鏵犁進行耕地實驗。

（4）耕作方式。目前耕地的方法主要有以下3種方式[17]：①回耕法。一般拖拉機從地塊一側進入，然后一圈一圈地由地塊兩邊自外向內耕作，最后從地塊中央駛出。采用回耕法，可使地面平坦，減少漏耕。②套耕法。套耕的方法很多，一般采用間隔套耕法。此法在耕完一趟后，留下一個耕幅寬耕第二趟，直到耕完后再反過來耕。這種方法可以避免地頭轉彎小，提高工效，但容易產生漏耕。③穿梭形耕法。拖拉機從一側進入，進行往返耕作。采用這種方法，拖拉機在地頭轉彎，但消耗的時間較多。結合農機手的經驗及實際情況，最終確定用回耕法進行耕地實驗。

3 地塊面積與耕作效率的關系

本文實驗采用回耕法，拖拉機在行進至地頭時，需要一定的區域用于回轉掉頭，在該區域內，拖拉機抬起懸掛犁，不進行耕作，此區域為地頭面積（EA）。實驗中測量并記錄耕作總時間（T），有效耕作時間（UT），地頭面積（EA）。耕作總時間（T）為耕作完成單個地塊花費的總時間，有效耕作時間（UT）為耕作有效耕作面積所花費的時間，地頭面積（EA）為兩端地頭面積之和。根據實驗數據及公式1，求得實際耕作效率W（表1）。

以地塊面積A為橫軸、耕作效率W為縱軸，建立耕作效率與地塊面積的函數。對耕作效率數據進行平滑曲線連接，大致符合指數函數或者冪函數曲線規律，因此選擇兩種模型分別進行擬合。其中，指數函數模型為y=aebx+cedx，冪函數模型為y=axb+c，曲線擬合通過軟件Matlab 7.6來實現。

根據擬合結果，指數函數擬合參數為a=1.925，b=-0.0025，c=1.05，d=-0.000003，即擬合曲線為y =1.925e-0.0025x+1.05e-0.000003x，擬合優度Goodness of Fit中，和方差SSE=0.000064，均方差RMSE= 0.004617，擬合系數R2=0.9997。冪函數擬合參數為a=19290，b=-1.672，c=1.014，即擬合曲線為y=19290x-1.6721+1.014，和方差SSE=0.0002517，均方差RMSE=0.007932，擬合系數R2=0.9991。指數函數的和方差以及均方差均低于冪函數，擬合系數高于冪函數，無論從方差還是擬合系數來講，采用指數函數擬合得到的函數曲線與各點擬合的效果更好，因此耕作效率函數曲線公式為：

通過對該函數的分析可以得出：耕作效率隨著地塊面積的增大而提高，即單位有效面積的耕作時間越短、耕作效率越高，產生了規模效益。地塊面積約在500—1500 m2的范圍內效率急劇變化，從1.605 s/m2提高到1.091 s/m2，耕作時間節省了0.514 s/m2；在1500—3600 m2的范圍內效率變化平緩，從1.091 s/m2提高到1.037 s/m2，耕作時間節省了0.054 s/m2；而在3600—10000 m2的范圍內，變化幅度不大，僅從1.037 s/m2提高到1.021 s/m2，的耕作時間節省了0.016 s/m2；超過10000 m2之后，效率基本穩定，維持在1.017 s/m2。因此，面積在500—1500 m2內的地塊，其效率值較低，不適宜機械化耕作；面積在1500—3600 m2的地塊，效率值提升幅度較小，較為適宜進行小型機械的耕作；面積在3600 m2以上的地塊，效率值較為恒定，是機械化耕作的適宜地塊面積范圍，其中大于10000 m2的地塊是中大型機械的理想耕作面積范圍。

時間利用率η表示為有效耕作時間占總耕作時間的比例，公式為：

其反映了不同地塊面積的時間利用效率，數值越大，表明進行耕地所花費的總時間中純作業時間占的比重越大，用于機械掉頭等所消耗的無效時間越少，時間的利用效率就越高。

表1 實驗數據匯總表Tab.1 Summary table of experimental data

表2 不同面積時間利用率Tab.2 Time utilization of different plot size

從表2中可以看出，隨著地塊面積的增大，時間利用系數逐漸增大，10000 m2的地塊時間利用系數約為500 m2地塊的兩倍多。且在500—3000 m2的范圍內，系數的增量變化較大，從39%增長到74%，增長了35%。而在5000—10000 m2的范圍內，系數的增量變化很小，僅從81%增長到83%，增長了2%，這表明隨著地塊面積的增大，最終的時間利用率趨于穩定。

綜上，地塊大小與耕作效率之間存在相關關系，隨著地塊面積的增大，耕作效率、時間利用率均有所提高，最終兩者漸漸趨于穩定。因此，在土地整理地塊規劃時應當盡量擴大地塊面積，條件允許時至少規劃面積在3600 m2以上，可大大縮短耕作時間，有利于提高土地的生產效率，實現規模效益。

4 結論

通過對耕作效率的實驗設計及結果分析得到：地塊面積與耕作效率之間近似呈指數函數關系W=1.925e-0.025A+1.05e-0.000003A。隨著地塊面積的增大，耕作效率呈指數倍提高，最終穩定在1.017 s/m2。同時時間利用率也隨著面積的增加而增大，且提升幅度逐漸變小，地塊面積越大，進行耕地所花費的總時間中純作業時間占的比重越大，用于機械掉頭等所消耗的無效時間越少，時間的利用效率越高。結果表明面積在500—1500 m2內的地塊，其效率值較低，不適宜進行機械化耕作；面積在1500—3600 m2的地塊，效率值提升幅度較小，面積在3600 m2以上的地塊，效率值較為恒定，是機械化耕作的適宜地塊面積范圍。

5 討論

（1）本文假設耕作效率測算僅受地塊面積影響，不考慮其他因素的影響，但地形地貌條件、經濟發展水平、機械化程度、耕作方式以及地塊形狀等因素對土地的耕作效率有著不同程度的影響。①中國國土面積遼闊、地形多樣，南北差異較大。在平原區，地勢起伏不大，較為平緩，在山地等地形起伏地區，地形坡度影響土地的水土動力特性和機械穩定性，即便同樣大小的地塊，兩者的耕作效率也會有所不同。②經濟發展水平及機械化程度也會對耕作效率產生影響。對于經濟發展水平高、機械化程度高的地區，耕作機械會有差異。③不同的耕作方式會影響耕作效率。本文實驗采用回耕法，實際中農戶會根據具體情況及耕作習慣采取其他兩種方法，使得效率值發生變化。④地塊形狀可分為很多種，矩形、梯形、三角形等以及其他不規則形狀。本文設計為4∶1的長方形地塊，未對所有形狀地塊全部考慮。復雜、不規則的地塊形狀會影響實際的耕作效率，造成效率的下降。本文未對所有的影響因素進行具體探討，因而在未來的規模效益測算及研究工作中，需要綜合深入地研究諸多影響因素，加入地形因子、經濟因子、耕作方式因子、形狀因子等來計算耕作效率，進而更好地推廣到區域中，建立一套較為完善的土地整理規模效益核算體系，為土地整理后效應評價提供依據。

（2）由于實驗條件和機械設備的限制，相關研究結果的應用要受到諸多限制：①實驗面積設定僅僅到10000 m2，未能達到通常土地整理項目中典型地塊面積；②實驗選定機械功率有限，對于大型機械來講，其機械效率可能和研究結果差別較大。

（3）在實踐中，各土地整理項目的具體情況不同，對于地塊大小的設計不能一概而論，文中得到3600 m2以上為適宜耕作面積，但對于山地、丘陵等地勢起伏較大以及整理項目較小的區域，地塊大小的規劃設計不能滿足理想的設計狀態，應當結合具體實際情況、因地制宜地進行規劃，對于以上地區可以適當縮小面積范圍。

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