基于力學平衡模型的高標準農田建設實施協調度分析
——以廣東省為例

余富祥，王 璐

(1.廣東省蕉嶺縣國土空間規劃編制研究中心，廣東 蕉玲 514100；2.華南農業大學 資源環境學院,廣東 廣州 510642)

1 引言

耕地承載著食物供給的重要功能，盡管中國實行最嚴格的耕地保護制度，但客觀上仍面臨著不可小覷的糧食安全壓力。保障糧食安全的關鍵舉措在于大力推進高標準農田建設，實現耕地地力提升。自2012年在全國各地鋪開建設以來，高標準農田建設已上升為國家層面的戰略部署。截至2020年底，全國已建成8億畝高標準農田，成果顯著，極大提高了糧食綜合生產能力[1]。

高標準農田建設是一項涉及自然、經濟、社會多方因素的動態、開放、復雜的系統性活動，而高標準農田建設后評價是檢驗建設成果的有效手段，可以為管理部門階段性任務規劃、建設資金的區域配置優化等提供理論支撐和技術參考。目前學者們對于農田建設后評價的研究主要包括效益評價[2, 3]和績效評價[4, 5]兩方面，實質內容是選取指標評估單個項目或某個區域內項目建設的實施效益和實施效率[6]，而對一定區域內高標準農田建設的實施狀態特征解析方面的研究涉及較少。

已有的農地整理實施狀態特征研究中，大多數學者局限于對某一具體實施要素進行分析，如針對項目規模[7]、投資規模[8]或新增耕地面積[9]等單一要素，分析區域或全國在一定時間段內的土地整治項目的安排特征。也有部分學者綜合投資規模、項目數量、建設規模以及新增耕地等核心數量指標來分析區域內土地整治項目投入產出的時空分異特征[10, 11]。如熊冰瑤等[12]利用投資規模、建設規模、新增耕地面積和項目個數等指標，采用重心模型、空間自相關等地理空間分析方法多尺度地分析四川省“十二五”期間土地整治項目的空間格局變化。項曉敏等[13]提出基于整治強度、整治潛力、整治難度3項指標來評價全國農用地整治的實施狀態。費建波等[14]通過對建設強度、建設潛力和建設難度三項指標的聚類分析，形成四川省高標準農田建設的實施狀態綜合分區圖。這些研究開始解析高標準農田建設實施狀態特征的內涵，但對實施狀態綜合評價的定量化表達不夠，且缺乏對各實施要素間耦合協調程度的分析。

農田整理項目的實施狀態表現為其潛力、強度和難度三維要素的相互匹配模式，三者的關系直接影響高標建設的實施效果[15]。高標準農田建設中的實施協調度是指其各實施要素間的耦合匹配、有機協調水平。以往的研究重點都在關注項目實施成效，而忽略了區域內高標準農田建設的實施狀態及各特征要素間是否協調、是否匹配的問題。基于此，本文以廣東省112個縣(市、區)為研究區，構建 “潛力-強度-難度”三維要素的實施狀態分析框架，引入力學平衡模型分析“十二五”期間廣東省高標準農田建設各要素間實施協調度。

2 材料與方法

2.1 研究區域

作為典型的經濟快速發展地區，廣東省在城市擴張的背景下耕地保護承壓巨大。根據廣東省耕地質量等級調查的評定結果，全省土壤肥力和灌溉設施較好的高產穩產農田不足40%，而中低產田占60%以上，高標準農田建設任務繁重。2012～2015年是廣東省高標準農田建設的起步階段，在“十二五”期間，廣東省建成及在建的高標準農田為1510萬畝，總投資210多億元。雖然取得積極成效，但同時在實踐過程中也面臨一些實際問題。突出表現為在項目安排上存在“平均主義”和“短期效益”，在實施過程中，注重計劃安排和指標下達，缺乏對建設要素實施狀態的有效評價[16]。本文以廣東省112個區縣為研究尺度(剔除一些研究期內無高標項目驗收的區域)，研究高標準農田建設各要素的實施狀態及整體的實施協調度。

2.2 數據來源

(1)高標項目實施數據來源于廣東省高標準基本農田建設進展報備管理系統和廣東省“十二五”高標建設規劃數據庫。

(2)耕地質量數據采用2011年廣東省耕地質量等別更新數據統計各研究單元的耕地面積，通過面積加權的方式求得各研究單元耕地質量的平均利用等。

(3)中國陸地生態系統服務價值空間分布數據集。來源“中國科學院資源環境數據中心”，該數據是謝高地等[17]研究成果。套合廣東省耕地圖斑數據，獲得廣東省耕地生態系統服務價值數據，進而計算出廣東省耕地生態系統服務基準價值表(表1)，用于計算各單元的高標準農田建設的生態潛力。

表1 廣東省耕地生態系統服務基準價值

2.3 研究方法

2.3.1 實施協調度的指標測算

本文采用建設潛力、建設強度及建設難度3項指標來測算高標準農田建設的實施協調度。

通常農田整治潛力包含數量、質量和生態潛力3方面[18]。由于高標準農田建設的關注重點在于提升耕地質量及改善生態條件，實際新增耕地面積很少。因此本文的高標農田建設潛力(X1)只考慮質量潛力及生態潛力2項；其中質量潛力是指耕地質量的理論提升空間，以研究單元內平均耕地質量距所在農用地分等三級指標區的最高利用等的差距來表示；生態潛力是指農田建設過程中生態系統服務價值的可提升程度，以研究單元內建設前后的耕地生態系統服務價值的差值來表示。

生態潛力指標的計算方法可參考已有文獻[19]，其原理是根據耕地等級、產量和生態系統服務價值存在的相關關系，來推導不同利用等別的耕地對應的生態系統服務價值。由此得出廣東省不同利用等別生態系統服務價值(表2)。最后根據高標準農田建設的耕地質量提升潛力計算各研究單元建設前后的耕地生態系統服務總價值差，即為生態潛力。

表2 廣東省不同利用等別生態系統服務價值

建設強度(X2)表征的是各研究單元在廣東省高標準農田建設布局中的重要程度，用各縣域單元的高標建設規模與全省高標建設面積占比、和耕地占比之間的比值來表示。

建設難度(X3)用單位面積投資額來表征，由于高標準農田建設使用統一的技術規范，因此用投資強度差異來代表各區域間高標建設的難易程度。各指標的具體含義如表3所示。

表3 高標準農田建設實施協調度測算指標及其含義

2.3.2 力學平衡模型

力學平衡模型是三重矢量評價模型的一種，來源于英國學者Elkington在1994年提出的三重底線理論，最早用于企業績效評價中[20, 21]，后來有學者將其推廣到建設用地集約利用度[22]、城鎮化協調度[23]、鄉村轉型均衡度[24]的評價研究中。現在力學平衡模型已開始運用于分析土地整治實施協調性[25]、物流系統協調性[26]和耕地多功能協調度[27]等。跟傳統的耦合協調度模型相比[28]，力學平衡模型的優勢在于既能得到綜合評價的結果，又能根據不同要素作用下合力的偏離程度來判斷系統的“短板之處”[29]。

本文采用力學平衡模型來評判高標準農田建設的實施協調度，原理如下：假設其他條件均質，將高標準農田建設中“建設潛力—建設強度—建設難度”三者之間的耦合協調關系抽象為笛卡爾坐標系中3個不同方向作用力的矢量關系[27]。而高標準農田建設的實施協調度可以認為是該坐標系下建設潛力、建設強度、建設難度3個矢量的幾何合力。若三者的力均達到預期目標，則合力為0，表明相關建設要素間是均衡、系統協調的，此時作用合力點為圖1中的原點O；反之作用合力使得F合偏離均衡點O，此時高標準農田建設的各要素處于失衡狀態。因此根據作用合力F合的大小和偏離角度，可以定量測度高標準農田建設的協調度及其匹配問題。模型中，矢量OA、OB、OC分別代表高標準農田建設中的建設潛力、建設強度及建設難度的實施率，兩兩夾角弧度為2/3，三者的合力F合即為高標建設的協調度。其中變量OA、OB、OC的具體量化方法[25]為：

圖1 高標準農田建設協調度判別模型

(1)

(2)

(3)

實際計算中采用極坐標(F合，θ)來表征高標準農田建設的協調狀態，其中F合為協調度，值越大說明該評價單元的高標建設協調度越差；極角θ表征偏離方向，反映各要素間的匹配問題。同時OA、OB、OC分別定義其方向角度為π/2、11π/6、7π/6[26]，根據矢量運算規則，極坐標(F合，θ)的計算公式如式(4)～式(6)：

(4)

(5)

(6)

OA、OB、OC及其反向延長線OA’、OB’、OC’兩兩結合，可將相互作用結果空間劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ象限(圖2)，每個象限所表征的矢量動力狀態不同，據此識別各單元高標準農田建設實施協調度偏離方向及匹配問題(表4)。

表4 高標準農田建設實施協調度偏離動力狀態及其特征

圖2 高標準農田建設協調度偏離象限

3 結果與分析

3.1 實施協調度的空間分異特征分析

利用公式1求取廣東省各縣(市、區)單元的建設潛力實施率(OA)、建設強度實施率(OB)、建設難度實施率(OC)，代入力學平衡模型中得到廣東省各區縣研究單元的高標準農田建設實施協調度的綜合得分值。

為分析廣東省高標準農田建設實施協調度在空間區域上的差異，按自然斷點法(Jeeks)，將實施協調度(F合值)從小到大分為4類，依次表示為協調狀態區(0.06～0.40)、磨合狀態區(0.41～0.70)、拮抗狀態區(0.71～1.30)及失調狀態區(1.31～7.97)，具體范圍見表5。

表5 廣東省高標建設實施協調度類型劃分

據計算，廣東省內各研究單元的實施協調度F合值的平均值為1.71，標準差為0.88，變異系數為1.10。從協調度各類型區的數量占比來看，處于協調、磨合狀態的研究單元共有80個，占整個研究區的71%，說明廣東省多數地區的高標準農田建設實施協調度較好；從空間格局上看，失調區主要在粵西沿海區和珠三角平原核心區；協調區主要位于粵西北山區、粵東沿海區及珠三角的西北端。具體情況如下：

(1)處于協調狀態區的研究單元共有43個，占全部研究單元的38%，主要分布在粵西北山區、粵東沿海區及珠三角的西北端。說明這些區域實施協調度最高，建設潛力、強度和難度3要素配置均衡、綜合匹配成效最佳。究其原因，該類型區內研究單元的建設潛力平均值0.54，建設強度平均值1.10，建設難度平均值2.19，三項實施要素均處于中等水平，因此耕地提質改造的潛力得到充分釋放。

(2)處在磨合狀態區的研究單元共有37個，占全部研究單元的33%，在空間上無明顯集聚區，特征是散布于協調型區域的周圍，以粵西北山區和珠三角平原區為主。該類型區內研究單元的建設潛力平均值為0.60，建設強度指數平均值為0.86，建設難度指數的平均值為2.19，因此可知3項要素中潛力、難度均處在中等水平，而建設強度指數稍低，導致該類型區域在建設要素的綜合匹配結果上稍遜于協調型。但總體還是較好，可以通過在實際建設實施中對要素進行調整與改善，使其向協調狀態轉化。

(3)處于拮抗狀態區的研究單元共有17個，占全部研究單元的15%，在空間上無明顯的聚集區，分散分布于粵西沿海、粵東沿海地區及珠三角平原的外圍地區。較之磨合型，該類要素間的實施協調度較差，建設潛力指數平均值為0.71，建設強度指數平均值為1.34，建設難度指數平均值為2.31。從各項要素平均值看來匹配尚可，但實際情況是該類型區的研究單元往往是建設潛力、強度和難度某一方的發展過度或欠缺，導致要素作用互相抵制影響實施成效，若不及時進行資源的有效調配，將漸漸過渡到失調狀態。例如：蓬江區、江海區、霞山區等地的短板主要在于建設潛力欠缺，新豐縣、雷州區等地主要表現為建設強度不夠，而金灣區則是建設難度過高。

(4)處于失調狀態區的研究單元共有15個，占全部研究單元的14%，集中分布在粵西沿海區和珠三角平原核心區。該類型區的研究單元建設潛力指數平均值為0.58，建設強度指數為2.71，建設難度指數平均值為2.94，因此在實施特征上表現為資源要素未得到有效匹配。甚至建設潛力、強度和難度3要素無法均衡發展且相互影響，綜合成效低下。該區域也是當前廣東省高標準農田建設中的最主要的問題區域和扼待調整的實施類型區。

3.2 高標準農田建設的實施偏離度特征分析

通過ArcGIS空間查詢提取拮抗狀態區和失調狀態區，并結合其所屬象限的矢量動力特征信息來判定廣東省高標準農田建設的問題區域(表6)。

結果表明，共有32個研究單元的高標準農田建設實施處于問題狀態，共包含高標準農田建設項目1021個，建設總規模27.627萬hm2。將問題區域分為3類，具體如下：

(1)高潛力低強度失調型(第Ⅱ象限)。共涉及14個研究單元，主要分布在粵西地區和粵東沿海地區。該區域的F合均值為1.07，總體表現為較高的建設潛力和偏低的建設強度。該區域本身耕地資源豐富，是廣東省的傳統農業區，也是高標準農田建設的重點規劃區，建議后期加大投資力度，大力提升區內中低等耕地的提質改造力度。

(2)高強度低難度失調型(第Ⅳ象限)。共涉及3個研究單元。該區域的F合均值為0.88，在實施狀態上表現為建設強度較高，而建設難度較低。該區域的高標建設潛力中等，但耕地整治活動較活躍，只是對高標建設的投資力度稍顯不夠。建議后期加強區域內的統籌規劃，積極引導涉農項目的資金整合，提高建設標準。

(3)高難度低潛力失調型(第Ⅵ象限)。共涉及15個研究單元，主要分布在珠三角平原區及粵東、粵西沿海的部分市域范圍，該類F合均值為2.01，總體表現為建設難度過高，而建設潛力偏低。這一格局與其區域特征緊密聯系。該地區是廣東省的經濟發達地區，本身耕地資源緊缺且耕地質量偏低，耕地相對分散導致農業產業化規模較小，加上當地的勞動力成本較高，因此高標準農田建設任務重、難度大。但另一方面當地政府對高標建設的配套資金較充裕，所以建設規模較小且投資集中。建議后期進一步調整區域土地整治的主攻方向，優化項目布局和整治時序。

4 結論與建議

4.1 結論

(1)運用力學平衡模型可以有效測算高標準農田建設的實施協調度。廣東省高標建設的實施協調度整體尚好，處于協調、磨合狀態的研究單元共有80個，占整個研究區的71%；同時也存在明顯的空間差異，失調區主要在粵西沿海區和珠三角平原核心區；協調區主要位于粵西北山區、粵東沿海區及珠三角的西北端。

(2)結合實施偏離度特征象限信息來判定，有32個研究單元被劃入問題區域，問題類型可劃分為高潛力低強度失調型、高強度低難度失調型和高難度低潛力失調型3種。

4.2 建議

(1)對于粵西沿海地區高標建設的實施失調問題，最有效的措施應該是在省級層面上加大涉農資金的統籌力度，要充分利用政府的財政轉移支付能力，加大政策上的傾斜力度，提倡探索“先富帶動后富”的做法，采取定向轉移支付的措施，扶持耕地基礎條件好、改造潛力大的區域的高標準農田建設。

(2)珠三角地區后期在進一步優化項目布局、建設時序的同時，應結合自身區位特點，借助高標準基本農田建設資金，重點發展都市農業、休閑農業，發揮基本農田改善生態環境、景觀格局等方面的作用。