增產格局視角下糧食生產與水土資源配置的耦合協調關系分析

王倩 欒福超

摘? ? 要：糧食生產離不開水土資源的支持，探究農業水土資源配置與糧食產量之間的關系，可以為實現糧食的穩產增產提供決策依據。運用DEA模型，測算2003—2015年三江平原地區糧食產量“十二連增”背景下23個縣域尺度的農業水土資源配置效率，并通過構建耦合協調模型，分別選取2003年和2015年2個時間斷面，從時空維度對各縣域單元的農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合協調水平進行分析。結果表明：（1）從耦合協調關系的時間序列看，三江平原地區整體的耦合度和耦合協調度數值皆呈波動上升趨勢，且由中等協調的磨合階段向高度協調的耦合階段過渡;（2）從空間格局來看，三江平原地區東部、北部的耦合協調水平高于西部、南部，且邊緣優于腹地;（3）研究期間，雖然農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合協調水平皆有所改善，但仍有縣域耦合結果欠佳且地區間差異明顯。總體上看，因地制宜，完善農業生產配套設施，促進農業水土資源合理配置，發展精準農業，是三江平原地區糧食進一步增產的重要保障。

關鍵詞：糧食產量;農業水土資源配置效率;DEA模型;耦合協調;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

農業是國民經濟的基礎，糧食生產關系國計民生，是維護社會穩定與國家長治久安的基石。我國是人口大國，糧食安全問題持續受到世界各國的關注[1-2]。研究表明，水土資源短缺與空間上的錯誤配置直接影響到區域糧食生產能力，并從根本上制約農業現代化的發展[3]。伴隨著我國城鎮化、工業化的快速發展，農業水土資源短缺、配置不合理等現象日益凸顯，已經威脅到糧食生產能力的提升[4]。

三江平原地區是我國重要的商品糧生產基地，也是首批現代農業示范基地之一，該地區的水稻、玉米、大豆產量占全國各作物總產量的11.1%，8.3%和7.4%，在保障國家糧食安全方面發揮著重要作用。2003—2015年，三江平原地區實現了糧食產量以播種面積擴大為主的外延式“十二連增”，2016年受玉米調減等種植結構調整的影響，糧食產量出現下滑趨勢。近些年，三江平原地區后備耕地資源有限、水利設施建設滯后，出現了水土資源配置不合理的問題，農業水土資源已成為當前阻礙三江平原地區糧食產量提高的主要因素。

從目前已有文獻可以看出，關于水土資源的研究成果日趨成熟，研究內容由最初針對水資源、土地資源的單一要素分析[5-6]，發展到對水土資源的整體承載力[7-8]、可持續利用[9-10]、優化配置[11-13]、空間匹配格局[14-15]等多維度的研究;隨著3S技術的應用和專業模型的發展，以遙感與GIS為基礎[16-17]，應用線性或動態規劃[18-20]、多目標決策模型[21]、復雜適應理論[22-23]、DEA等[24]方法對區域水土資源配置的研究日益增多。糧食生產是水土資源密集型產品，國外學者大多基于糧食產量與機械化程度、肥料使用量、生物技術等因素的相關分析，開展糧食生產與水土資源之間的關系研究[25-26];國內學者則多探討糧食安全與水資源或土地資源的關系[27-28]，或分析糧食生產結構調整對水土資源利用的影響[29-31]，且研究尺度多以國家、地區及省域尺度為主，鮮有開展農業水土資源配置效率與糧食生產的耦合分析，亟待豐富縣域尺度的研究成果，以便指導農業生產實踐。

因此，本研究選取了三江平原地區糧食十二連增期間（2003—2015年）的研究數據，通過構建耦合協調模型，分析在糧食增產背景下的三江平原各縣域單元糧食生產與水土資源配置的耦合關系，以期在新形勢下可以對實現三江平原及東北地區糧食產量和質量的提高、技術水平的提升以及保障國家糧食安全方面提供重要的借鑒。

1 研究區域概況和研究方法

1.1 研究區域概況

三江平原位于東北平原東北部，由黑龍江、松花江及烏蘇里江沖積而成，包括23個縣、縣級市、市轄區以及黑龍江省原農墾總局下轄的4個分局，總面積約1 090萬hm2，耕地面積占總面積的比例為44.85%。從農業生產自然條件來看，地處溫帶濕潤、半濕潤大陸季風性氣候區，雨熱同季，年降水量500～650 mm;土壤有機質含量高，主要包括黑土、白漿土、草甸土、沼澤土等土壤類型，近年來該地區主要糧食作物以水稻、玉米、大豆為主，小麥所占比重極少。

1.2 研究方法

1.2.1 農業水土資源配置效率評價的DEA模型 數據包絡分析法（Data Envelopment Analysis，簡稱DEA）是一種用于投入產出問題的效率評價方法。該方法通過產出與投入之間加權和之比，計算決策單元的投入產出效率[32]，其優勢在于不需考慮投入產出之間的函數關系，不需預先估計參數，也不需做任何權重假設，避免了主觀因素的影響。文章選用DEA模型中經典的C2R、BCC模型[33-34]，模型表達式如下：

式中，S+表示產出松弛變量;S-表示投人松弛變量;ε為非阿基米德無窮小量，一般ε=10-6;θ為該決策單元的有效值。

農業水土資源配置效率的模型指標體系中，作物生產用水指標（x1）與耕地指標（x2）為投入指標，分別用研究區的作物生產水足跡（m3）與作物種植面積（hm2）表示，其中，三江平原地區作物生產水足跡計算方法參考欒福超等[24]研究成果;模型輸出指標y為糧食產量（t）。DEA模型的評價結果包括綜合技術效率、規模效率與純技術效率3個特征值，其中，綜合技術效率值可分解為規模效率與純技術效率的乘積，規模效率是由規模因素影響的，純技術效率是由生產過程中技術更新程度與推廣速度決定的。其三者的數值范圍皆介于0～1，評價結果越接近1，評價單元的農業水土配置綜合效率、純技術效率與規模效率越高;評價結果若趨于0，則評價單元的農業水土配置各效率越低。

1.2.2 耦合協調度模型 耦合（Capacitive Coupling）是物理學中的概念，這里指兩個或兩個以上系統通過相互作用、互動發展彼此影響、甚至聯合起來的現象[35]。耦合協調度模型通常由功效函數、耦合度函數、耦合協調度函數三部分組成[36]。

（1） 功效函數。糧食生產和農業水土資源配置效率分屬2個系統，各指標存在量綱，為了消除量綱的影響，需要對指標進行無量綱化處理。

正向評價指標μij=[xij-min（xij）]/[max（xij）-min（xij）]

負向評價指標μij=[max（xij）-xij]/[max（xij）-min（xij）]（2）

式中，μij為第i個系統的第j個指標，值xij為（i=1，2;j=1，2，…，n），max（xij）、min（xij）分別為指標xij的最大值與最小值。

指標經過無量綱化處理會出現0值，因此，采用改進的熵值法對數據進行非負化處理[37]，公式如下：

通過集成方法確定農業水土資源配置效率系統與糧食產量系統對綜合系統的貢獻程度，公式如下：

式中，U1代表農業水土資源配置效率的綜合評價系數，U2代表糧食產量的綜合評價系數， λij為權重。文章探討農業水土資源配置效率與糧食產量兩個系統的耦合關系，故權重和為1。

（2）耦合度函數。借鑒物理學中容量耦合概念及系數模型，得到多個系統相互作用的耦合度模型，即：

式中，C為復合系統的耦合度，在[0～1]區間取值。當C=0時，說明農業水土資源配置效率與糧食產量之間相互關聯程度降低，耦合程度出現退化，綜合系統向無序混亂方向發展;當C趨近于1時，說明兩個系統之間關聯程度加強，綜合系統出現良性共振耦合。

（3） 耦合協調度函數。由于耦合度只能說明研究區域各個系統相互作用程度的強弱，無法反映同一時間不同地區耦合協調水平的高低[38]，難以揭示農業水土資源配置效率與糧食產量的整體“功效”與“協同”效應，故引入耦合協調度，即：

式中，D是耦合協調度，T是農業水土資源配置效率與糧食產量的綜合發展指數，反映兩系統綜合發展水平對協調度的貢獻，α、β為待定系數，由于保障農業水土資源良好配置和糧食產量的安全同等重要，因此，α、β均取值0.5[39]。

本研究參考劉耀彬等[40]的研究成果，并結合實際，建立耦合度與協調度的階段劃分標準（表1）。

1.2.3 數據來源? ?本研究的數據主要包括2003—2015年三江平原地區氣象數據、糧食生產統計數據以及作物生產水足跡的基本參數。其中，氣象數據（包括月最高氣溫、月最低氣溫、平均風速、日照時數和平均風速）來源于中國氣象數據共享網站，缺失站點的氣象數據借助 ArcGIS10.3.1中克里金插值方法獲得;糧食作物播種面積和產量等數據來自《黑龍江省統計年鑒》（2004—2016年）并參考中國農業科學院統計數據;作物生產水足跡的參數結合相關文獻[41]及實地調研獲取。

2 結果與分析

2.1 農業水土資源配置效率的變化特征

通過DEA模型測算了2003—2015年三江平原地區各縣域單元農業水土資源配置綜合效率、純技術效率與規模效率，選取2003年、2015年2個時間斷面的數據見表2。由表2可知，三江平原地區的農業水土資源配置綜合效率均值由0.757上升到0.793，變化不大，但總體呈上升趨勢;從各縣域單元來看，絕大部分縣域的農業水土資源配置綜合效率與純技術效率在研究期間皆有所改善，但有少數縣域（包括雞東縣、穆棱市、七臺河市轄區、虎林市）下降明顯;三江平原地區規模效率均值也呈下降趨勢。

采用Jenks 自然斷裂法（類內差異最小、類間差異最大），將不同時期水土資源配置綜合效率等級界定為較差（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）、較好（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年三江平原地區多數縣域的農業水土資源配置綜合效率處于較好級別，研究區東南部的密山市、虎林市等6個縣域由于靠近烏蘇里江和黑龍江，水源充足，且耕地多為旱地，所需水資源量較小，且從表2中可以看出這6個縣域的純技術效率值較高，技術優勢明顯，因此農業水土資源配置效果最好，處于良好級別;23個縣域中雞西市轄區和樺南縣的綜合效率最差，主要是由于遠離松花江等水系，水資源短缺，且純技術效率不超過0.5，技術水平低下，因此三江平原中部和西南部地區在2003年呈現出水土資源配置效率明顯低下的問題。2015年三江平原地區農業水土資源配置效率與2003年的空間格局差異不大，呈現出東部優于西部、北部優于南部、邊緣優于腹地特點。多數縣域仍處于較好等級，西部的依蘭縣、湯原縣和中部的佳木斯市轄區、集賢縣、友誼縣綜合效率最高，處于良好等級;其中，依蘭縣、湯原縣和佳木斯市轄區變化顯著，配置效率等級由一般發展至良好水平，而以七臺河市轄區和穆棱市為代表的部分縣域的綜合效率等級則由良好、較好降至較差水平，原因如下：（1）自2003年以來，三江平原地區耕地面積雖然不斷擴大，但從表2中可以看出規模效率值未達到最優值，規模收益仍有遞增空間;（2）這些縣域的純技術效率比較低，因水利工程設施失修、灌溉方式不科學等技術原因導致水土資源利用結構不合理;（3）以市轄區為代表的部分縣域由于旱田改水田現象的加劇，導致農業用水與生活用水競爭激烈。

2.2 糧食產量的空間分布特征

2003—2015年三江平原地區實現了糧食產量的“十二連增”，2003年、2015年各縣域糧食產量空間分布格局見圖1。由圖1可知，2003年和2015年三江平原地區糧食產量的空間分布格局與糧食增產分布格局大致相同，表現為東北高、西南低，邊緣高于腹地的特征;從增產角度看，糧食增產最少的縣域主要分布在三江平原南部和中部地區，增產量僅為115萬t;其中，研究區中部的佳木斯市轄區、雙鴨山市轄區、七臺河市轄區與雞西市轄區雖然在研究期間糧食產量有所增加，但因市轄區的農業用地數量較少，僅靠單產提高增產能力有限，上述市轄區的糧食總產量處于最低級別。糧食增產高的縣域集中連片分布在三江平原東北部地區，如東北部的寶清縣、虎林市等縣域耕地擴張明顯、糧食增產顯著，其糧食增產量占研究區的51.8%。

2.3 農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合協調關系時序特征

通過耦合協調模型測算2003—2015年三江平原地區所轄23個縣域單元的農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合度、耦合協調度，選取23個縣域的均值代表研究區當年的整體水平，其時序特征變化見圖2。

從圖2可知，三江平原地區在糧食產量“十二連增”期間，農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合度、耦合協調度變化趨勢基本一致，呈現總體上升趨勢。（1）從耦合度來看，三江平原地區整體耦合度數值從2003年的0.595增長至2015年的0.912，表明研究區的耦合關系由研究初期磨合狀態逐漸向高水平耦合階段過渡，至2015年，兩系統的耦合已達到良性共振狀態。（2）三江平原地區各時期的耦合協調度數值皆低于耦合度值，耦合協調度由初始值0.471波動增長至0.726，說明研究區整體的耦合協調關系由初期的中度協調階段逐漸過渡到高度協調階段。到2015年，農業水土資源配置效率與糧食產量之間進入相互促進的良好協調發展時期，農業水土資源實現高效率配置，糧食生產達到高產穩產水平。

2.4 農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合協調關系空間特征

為進一步分析2003—2015年三江平原地區農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合協調關系空間變化特征，本研究測算了2003年和015年三江平原地區所轄23個縣域單元的耦合度和協調度（表3），并利用ArcGIS10.3.1對三江平原地區農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合協調水平進行空間可視化分析。

從表3可以看出，（1）2003年，耦合度最高的是虎林市（0.849），已達到高水平耦合階段;而耦合度最低的是七臺河市轄區（0.197），處于低水平耦合階段;到2015年，撫遠縣和同江市的耦合度最高（1），其農業水土資源配置效率與糧食產量已達到良性共振的水平;佳木斯市轄區耦合度最低，其耦合水平仍處于拮抗階段。（2）從耦合協調度來看，2003年23個縣域的耦合協調度值多介于0.3～0.6，耦合協調水平處于中度協調階段。其中，雙鴨山市轄區耦合協調度值最低（0.272），處于低度協調階段;耦合協調度值最高為虎林市（0.749），耦合協調水平已達到高度協調階段。到2015年，大多縣域的耦合協調度值已處于0.6～0.9，耦合協調水平多處于高度協調階段和極度協調階段。耦合協調度值最低的是雞西市轄區，處于中度協調階段;最高為富錦市（0.924），處于極度協調階段。

2.4.1 耦合度的空間變化特征 2003年和2015年三江平原地區農業水土資源配置效率與糧食產量耦合關系的空間分布格局見圖3。

從圖3A可以看出，2003年三江平原地區農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合度空間格局大體是北部優于南部，邊緣優于中心腹地。此時，虎林市是耦合度最高的縣域，已達到高水平耦合階段，七臺河市轄區和雙鴨山市轄區都處于低水平耦合階段;23個縣域中有15個縣域的耦合度處于磨合階段。這些數據表明，三江平原地區大部分縣域水土資源配置與糧食增產之間的關系欠佳，但通過水利工程設施的完善，水土資源配置有進一步提升的空間。

由圖3B可知，到2015年，除了4個市轄區（佳木斯市轄區、雞西市轄區、雙鴨山市轄區、七臺河市轄區），三江平原地區的耦合度已全面進入高水平耦合階段;撫遠縣和同江市耦合度最高，已實現良性共振;耦合度空間格局仍表現為邊緣優于腹地。期間，通過加強“兩江”沿岸引提水工程的建設，有針對性地對水土資源配置較差的地區進行資金、技術、工程等方面的投入和改善，三江平原大多數地區實現了農業水土資源配置效率與糧食產量的良性互動、協調發展階段。

2.4.2 耦合協調度的空間變化特征 2003年和2015年三江平原地區農業水土資源配置效率與糧食產量耦合協調度空間分布如圖4所示。2003—2015年，三江平原地區耦合協調度總體呈現出東北高、西南低，邊緣優于腹地的分布格局。（1）從圖4A可知，2003年三江平原地區東北部大部分縣域耦合協調度數值介于0.5～0.8，耦合協調發展水平處于高度協調階段;西南部縣域的耦合協調水平大多還處于中度協調階段（數值介于0.3～0.5）。在研究區所轄23個縣域中，僅雙鴨山市轄區與雞西市轄區的耦合協調度水平處于低度協調階段。（2）到2015年，整個研究區域已不存在低度協調發展階段的縣域。由圖4B可知，三江平原地區東北部的富錦市、虎林市等多數縣域與西南部依蘭縣的耦合協調水平已經發展到極度協調階段;西北部的蘿北縣、湯原縣和中部的樺川縣、友誼縣等縣域也已由中度協調階段發展到高度協調階段;僅有5個縣域（包括佳木斯市轄區、雙鴨山市轄區、七臺河市轄區、雞西市轄區和穆棱市）的耦合協調度值較低，處于中度協調階段。總體來看，三江平原地區各縣域的農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合協調度水平明顯改善。

3 結論與建議

3.1 結 論

本研究基于DEA模型，利用2003—2015年三江平原地區所轄23個縣域單元的面板數據，測算其農業水土資源配置效率;利用耦合協調度模型測算23個縣域的農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合度與耦合協調度，選取2003年和2015年的截面數據，分析其耦合度與耦合協調度的時空變化特征，得到如下結論。

（1） 研究期間，三江平原地區的農業水土資源配置效率整體處于較好等級，配置效果東部優于西部、北部優于南部、邊緣優于腹地;糧食產量的高低與農業水土資源配置效率高低的格局基本一致，農業水土資源配置佳的縣域，糧食產量較高。

（2）從耦合度與耦合協調度的時間序列變化看，2003—2015年，三江平原地區農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合度與耦合協調度整體呈現上升趨勢，且耦合度與耦合協調度的變化趨勢基本一致，但耦合協調度值皆低于耦合度值。自2003年以來，耦合水平由磨合階段逐漸向高水平耦合階段過渡;耦合協調程度僅在2003年為中等協調階段，其余年份皆處于高度協調階段，其耦合協調水平比較理想。

（3）從耦合度與耦合協調度的空間格局來看，由于三江平原地區邊緣縣域多以耕地為主尤其東北部為低平平原、耕地面積多而集中，為傳統農業區，但中部及南部以林地為主，且受全球氣候變暖的影響，研究區的降水量也日漸增加，水土資源配置效率高。另外，研究期間東北部地區旱改水現象明顯，水稻代替小麥和玉米成為主要糧食作物，糧食內部種植結構的調整成為該地區糧食產量增高的重要原因，而中部及西南部南部縣域由于靠近經濟發展較好且交通便捷的城市，出現非農就業機會大、傳統農業吸引力不及非農產業的現象。因此，三江平原地區在2003年、2015年的農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合度和耦合協調度皆存在明顯的地區差異，表現出東北部縣域的耦合協調水平高于西南部，邊緣優于腹地縣域的分布規律。研究期間，三江平原地區各縣域的農業水土配置效率與糧食產量的耦合度與耦合協調度在空間分布較為一致。

3.2 建 議

三江平原地區是我國重要的商品糧生產基地，提高農業水土資源配置效率與糧食產量的良性耦合協調水平是一個漸進和長期的過程。研究期間，雖然23個縣域的農業水土資源配置效率與糧食產量的耦合協調水平皆有所改善，但還有部分縣域的耦合協調水平不理想，為進一步提升三江平原地區的糧食生產水平，提出以下建議。

（1）為解決研究區存在的糧食生產及水土資源的耦合協調水平不理想現象，首先考慮從農業水土資源合理配置入手：一是建議在兩江沿岸建設新的引提水灌溉工程，完善水利配套設施，政府加強科學引導和管理，合理分配各類用水比例，大力發展節水節地農業，提高農業水土資源配置的純技術效率;二是加強農業水土資源投入規模的科學性，因地因水制宜，避免水土資源投入過少或冗余，以實現農業水土資源的規模有效;三是完善保障糧食安全的城鎮化戰略，促進農業技術改革，以彌補耕地減少帶來的糧食生產能力減弱的不良影響，促進研究區整體由高耦合低協調向高耦合高協調階段的轉變。

（2）雖然三江平原地區農業水土資源配置效率與糧食產量整體耦合協調水平有所改善，但仍存在明顯的地區差異，尤其是耕地后備資源有限，僅依靠不斷擴大耕地面積、粗放式的農業發展道路的方式不能持續。因此，各地區應充分借鑒高度耦合協調縣域的農業發展策略，做到因地制宜、精準施策，發展精準農業。從不同作物來看，水稻是當前研究區內利潤優勢明顯的作物，三江連通工程為其水稻高產穩產提供了重要的設施保障，但要避免利潤驅動下盲目擴種水稻可能引發的生態環境惡化問題;隨著“市場定價、價補分離”的糧食收儲政策改革以及國家對鐮刀灣地區玉米種植面積的調減，種植玉米的利潤優勢應通過優化玉米品質、提高單產水平得以實現;黑龍江省大豆受國際市場的沖擊較大，應加大國家政策補貼力度、激發豆農的種糧積極性，確保大豆生產規模的穩定性，同時加大新技術應用，推廣高產品種，提高機械化作業水平，推動大豆種植規模化，實現增產增收。

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