平原区耕作单元地块细碎化对小麦机收效率的影响分析

刘 玉 刘巧芹 唐秀美 任艳敏 孙 超 唐林楠

(1.北京农业信息技术研究中心， 北京 100097； 2.国家农业信息化工程技术研究中心， 北京 100097；3.河北地质大学土地资源与城乡规划学院， 石家庄 050031)

0 引言

耕地尤其是集中连片基本农田的合理利用与科学管理是区域粮食安全的重要保障。然而，作为目前许多国家尤其是发展中国家农业的一个重要特征[1]，耕地细碎化限制了理性的农业发展并降低了农村可持续发展的机会，已成为很多地区发展的主要问题[2]。耕地细碎化的概念最初来自于国外[3-4]，并出现了一些计算地块细碎化的方法[5-7]。在中国，耕地细碎化是在自然、经济、社会、制度和政策等因素的综合影响下而形成的一种在农业生产过程中出现的具有地块数相对较多、单个地块面积较小且存在差异、肥沃程度不一致、家庭距离地块的远近不同等特点的农户经营耕地的形式[8-9]，其类型包括自然细碎化(地形结构、道路、沟、渠等导致的耕地细碎化现象)和权属细碎化(承包土地权属分割导致的耕地细碎化现象)[10]，成因可大体归为地形条件[11]、农地资源稀缺、农地质量[12]等自然原因以及传统的平均主义与诸子继承、农地产权制度等经济社会因素[13]。山地丘陵区的耕地细碎化原因相对复杂[14]。而在平原区，“肥瘦搭配”的承包分割是造成耕作单元地块细碎的主要原因。

已有研究表明，耕地细碎化的影响是双向的。国外相关研究主要集中在农场种植方面，其正面影响表现在提高种植多样化、分散农业风险等方面[15-16]，负面影响主要反映在降低农场利润等方面。中国耕地细碎化的出现有其合理性，表现在增加农民收入、充分利用劳动力等[17-18]，但其制约农业规模经济、降低粮食生产效率、增加生产成本等负面作用更明显[19-22]，特别是阻碍大型农业机械设备的采用、增加农田基础设施建设成本[23-24]。目前耕地细碎化对机械作业效率的影响研究侧重于山地丘陵区[13,25-26]，且耕地细碎化对于不同作物、不同种植环节的机械效率影响均有所涉及[27-28]，多数研究结果显示，耕地细碎化不利于提升机械效率[29-30]。小麦是我国重要的粮食作物，其耕种收机械化率已超过90%，基本实现了生产全过程机械化[14]。但由于耕地细碎化，小麦机收效率难以充分发挥。研究表明[30-33]，细碎化耕地条件下机械作业具有频繁转向、循边收获、移动困难等特点，在增加作业机械的物质费用的同时，降低了农业劳动生产率、土地生产率和成本产值率[21]。平原地区的耕地权属细碎化经过土地流转后易达到规模经营，因此客观评价平原区耕地细碎化状况，定量分析其对小麦机收效率的影响，是准确测算区域耕作效率提升潜力的基础。

本研究以我国重要的小麦种植区域——黄淮海平原区耕地为研究对象，采用实际调研数据，在分析耕地细碎化状况的基础上，定量识别耕作单元地块面积对小麦机收效率的影响程度；结合农用地确权数据，测算耕地小麦机收效率潜力，以期为区域土地整治与集中化经营提供理论支持。

1 数据来源与研究思路

1.1 数据来源

选择地处黄淮海平原的河北省定州市韩家庄村作为研究区域。定州市位于北纬38°14′～38°40′、东经114°48′～115°15′之间，太行山东麓，华北平原西缘，全市地势平坦，由西北向东南微微倾斜；属温带-暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候，年均气温为12.4℃，年际间气温差异不大，年均降水量为503.2 mm；市内有京广铁路、京广高铁、朔黄铁路，107国道、京港澳高速公路纵贯南北，交通便利；2015年末，定州市总人口124.4万人，其中常住人口为120.34万人，城镇化率为46.84%。定州市户均耕地0.31 hm2，但是平均地块面积仅为0.14 hm2，土地细碎化、分散化情况较为严重。

基础耕作单元地块数据是在高清遥感影像数据基础上，通过实地测绘调查获得的基于农户尺度的耕地数据。2016年，韩家庄村有居民706户，共计2 897人；拥有耕地1 859块，共计267.07 hm2；户均耕地仅0.38 hm2，户均地块数为2.63块，平均耕作单元地块面积仅为0.62 hm2，耕作单元地块小且分散，权属分割是造成耕地细碎的主要原因。本研究采用田间调查法获取研究区小麦机械收割效率数据，调查时间为2016年6月12日至2016年6月17日的08：00—19：00点左右，调查小组共6人，共获得313个耕作单元地块的几何特征数据和机械收割数据。田间调查方法是在小麦收获季节开展耕作地块实际调查，在韩家庄村偶遇的机械收获小麦地块进行田间测试。调研的机型为占该地区收获机保有量80%以上的全喂入式小麦联合收获机，包括雷沃谷神系列、麦客、谷王等机型。以雷沃谷神GE50为例，其属于全喂入联合收获机，配套功率为77 kW，工作幅宽为250 cm，喂入量为5 kg。使用工具为秒表、滚动式测距仪。调研方式为：第1天为2人一组，其中1人读表并记录收获机的田间作业信息及时间，另外1人测量耕作单元地块的长宽信息，第2天至第6天为一人一组进行测量。通过连续跟踪农机操作手在各耕地单元地块中的作业时间，利用秒表记录纯作业时间、卸粮时间、故障时间、休息时间、跨田时间等。其中，总作业时间包括纯作业时间和卸粮时间，纯作业时间为收获机同时保持行驶与割麦2个操作的时间，卸粮时间为停机卸粮到卸粮结束并开始作业的时间，故障时间为故障发生到排除故障并重新开机的时间。

1.2 研究思路

本研究旨在分析研究区耕作单元地块面积、形状、边界密度等特征的基础上，探寻影响小麦机收效率的关键因素；结合实际调研数据，定量分析其对小麦机收效率的影响，并确定与小麦机收效率的函数关系；采用农用地确权数据，结合建立的函数情景模拟耕作单元地块合并后小麦机收效率的提升潜力。其研究思路见图1。

图1 总体研究思路Fig.1 Research ideas

2 结果与分析

2.1 耕作单元地块的特征分析

耕作单元地块是指农户在农业生产中进行耕、种、收等耕作活动时的基本单位地块[1]。耕作单元地块的几何特征是指包括地块的长、宽、形状、面积、边界密度以及道路通达度等在内的空间属性指标的规律性和相关性特征。耕作单元地块边界密度是指单位面积田块内耕作单元地块的边界长度，即田埂长度，地块边界密度可以反映因田埂造成的耕地浪费程度。计算公式为

D=L/A

式中D——田块耕作单元边界密度

L——耕作单元地块边界长度

A——田块内耕作单元地块总面积

图2 田块面积直方图Fig.2 Histogram of cultivated land unit area

图3 耕作单元地块长度、宽度数量比例Fig.3 Proportion of length and width of cultivated land unit area

图4 耕作单元地块的平均宽度与边界密度散点图Fig.4 Scatter plots of average width and boundary density of cultivated land unit area

该研究首先从面积、形状和边界密度分析研究区耕作单元地块特征：①耕作单元地块较为狭小。由图2可知，313个耕作单元地块的面积在274～14 756 m2之间，其中，面积在1 000～2 000 m2的比例最高，其次是2 000～3 000 m2和小于1 000 m2的耕作单元地块，绝大部分耕作单元地块面积小于4 000 m2。总体而言，90%的耕作地块面积低于3 100 m2。②313个耕作单元地块以长方形为主，形状较为规整。由图3a可知，其长边范围在25.3～340 m之间，标准差为88.07，平均长度为198.94 m，变异系数为44.27%；由图3b可知，宽度范围在2～68 m之间，标准差为9.53，平均宽度为11.55 m，变异系数为82.52%。耕作单元地块长度与宽度的平均比值为27∶1。以上说明，耕作单元地块总体较为狭长，长宽变化范围都比较大，分布离散；耕作单元平均地块长度和宽度都较低，仅能适合中小型农机作业。③耕作单元地块的边界密度在390～10 100 m/hm2之间，平均值为2 610 m/hm2。根据文献以及实际测量结果，确定田埂的平均宽度为0.3 m，每公顷耕地的田埂面积为780 m2。由图4可知，耕作单元地块的宽度和边界密度之间呈幂函数关系，幂函数关系式为y=15.347x-0.844(R2=0.975 9)，说明边界密度随着耕作单元地块宽度的增加而降低，二者呈现显著的负相关。

2.2 耕作单元地块的小麦机收效率分析

结合文献[26-29]的研究结果和研究区实际情况，确定耕作单元地块面积是影响小麦机收效率的重要因素。基于313个耕作单元地块的实际调研和测量数据，分析耕作单元地块面积与小麦机收效率的关系。

2.2.1机械收割时间与小麦机收效率

通过连续观测同一收获机在不同耕作单元地块中的作业情况发现，收获机作业速度基本保持不变，记录并统计收获机在各耕作单元地块中的纯收获时间、总作业时间、卸粮时间及其他时间，分析小麦机收效率变化情况。机械收获效率的计算公式为[12-13]

F1=T1/A

(1)

F2=T2/A

(2)

式中F1——总作业效率

F2——纯作业效率

T1——总作业时间,s

T2——纯作业时间,s

将耕作单元地块划分为不同面积段，统计发现收获机在不同面积段中的作业时间和效率差异非常明显(表1)。总体而言，随着耕作单元地块面积增加，小麦机收的总作业时间、卸粮时间和纯作业时间增加；小麦机收的总作业效率、纯作业效率和卸粮效率基本呈现相似的提高趋势，即田块面积越大，完成单位面积所消耗的时间越少：在0～1 000 m2的范围内，总作业效率是0.87 s/m2，纯作业效率是0.64 s/m2。随着面积增加，小麦机收效率逐渐提高，在1 500～2 000 m2的范围内，总作业效率是0.64 s/m2，纯作业效率是0.49 s/m2；在2 000～2 500 m2的范围内，总作业效率是0.62 s/m2，纯作业效率是0.48 s/m2；2 500～3 000 m2的范围内总作业效率有一定降低，但纯作业效率继续提升，总作业效率为0.63 s/m2，纯作业效率是0.47 s/m2；面积大于3 000 m2之后，小麦机收效率再次提高，总作业效率为0.57 s/m2，纯作业效率为0.43 s/m2。

表1 联合收获机在不同大小田块的作业时间与效率Tab.1 Time and efficiency of combine harvester in different cultivated land unit areas

图5 小麦机收效率与田块面积的散点图Fig.5 Scatter plots of map area and mechanical harvesting efficiency of wheat

在调研中发现，小麦机收效率的影响因素较多，除了耕作单元地块面积外，耕作单元地块形状、小麦种植密度及成熟程度、农机操作手的技术水平等因素也会直接或者间接影响小麦机收效率。为减少偶然因素影响，结合图2中的分布特征对耕作地块面积进行分段分析，从200 m2起，每隔200 m2进行一次分段，分段计算平均地块面积和平均机械收获时间。由图5可知，小麦机收效率和耕地面积之间呈现幂指数关系，且均呈现负相关关系，说明单位面积的机械收获时间随着耕作单元地块面积的增大而减小。总体上看，随着面积增加，小麦机械收获的总作业效率呈现增加趋势：0～2 800 m2，总作业效率逐渐增加，收获单位面积小麦所用的时间越来越少；2 800～3 200 m2，总作业效率有所降低；大于3 200 m2之后，总作业效率又呈现增加趋势。纯作业效率与总作业效率的变化趋势较为一致，但与总作业效率相比，纯作业效率的变化波动小，且与地块面积的相关性较小。由于地块种植密度、农机操作手技术水平等的差异，小麦机收效率在2 800～3 000 m2区间呈现一定的波动。分段计算机械收获时间和耕作单元地块面积的关系。由图6可知，总作业时间、纯作业时间与耕作单元地块面积的拟合函数分别为y=0.430 1x+404.77(R2为0.963 6)和y=0.304 9x+346.38(R2为0.937 6)，表明作业时间与耕作单元地块面积呈现明显的线性相关关系，即地块面积越大，作业效率越高。在现有农业机械装备水平下，总作业效率理论上可以达到0.430 1 s/m2，纯作业效率理论上可以达到0.304 9 s/m2。根据拟合函数进行计算，当耕作单元地块面积达到8 500 m2时，作业效率就可以达到理想效率的90%；当耕作单元地块面积达到17 885 m2时，作业效率就可以达到理想效率的95%。

图6 机械收获时间和耕作单元地块面积散点图Fig.6 Scatter plots of mechanical harvesting time and cultivated land unit area

2.2.2耕作单元地块合并后的小麦机收效率提升潜力分析

图7 研究区调整前后的耕作单元地块分布Fig.7 Cultivated land unit distributions before and after adjustment of land ownership

根据实际调研情况及数据分析，研究区主要是由于耕作单元地块归属于不同农户造成的地块细碎。因此，如果合理进行权属调整和耕地流转，比较容易实现耕地集中连片。在ArcGIS中进行dissolve操作，在考虑耕地内部主要道路、河流等阻隔要素的情况下，合并相邻的耕作单元地块，作为土地整治后理想情况下的耕作单元地块分布(图7)。地块合并后，耕作单元地块数量明显减小，由1 859块降低到43块，面积大于5 hm2的耕作单元地块占到了总面积的70%以上，耕作单元地块的面积和连片程度明显提高。

根据机械收获时间和耕作单元地块面积的关系(表1)，计算地块合并前后研究区耕地收获时间变化。由表2可知，合并前，耕作单元地块数量为1 859块，耕作单元地块平均面积为1 438 m2，总作业效率为0.71 s/m2，研究区总作业时间为1 902 196 s(528 h)，纯作业效率为0.54 s/m2，研究区总的纯作业时间为1 458 970 s(405 h)；地块合并后，耕作单元地块数量为43块，总作业效率为0.44 s/m2，总作业时间为1 167 136 s(324 h)，纯作业效率为0.31 s/m2，总的纯作业时间为829 944 s(230 h)。可以看出，总作业时间和纯作业时间都有了明显降低，其中，总作业时间减少幅度为38.64%，纯作业时间减少幅度为43.11%。由此可知，耕地小麦机收效率有很大的提升潜力。

表2 耕作单元地块合并前后小麦机械收获时间与收获效率变化Tab.2 Changes of mechanical harvesting time and efficiency before and after adjustment of land ownership

3 结论

(1)以黄淮海平原区耕作单元地块为研究对象，基于实际调研数据分析了耕地的细碎化状况；在此基础上，采用相关分析法分析了小麦机收时间、机收效率与耕作单元地块面积的关系；随后，情景模拟了耕作单元地块合并前后小麦机收效率的变化，本研究可为区域土地整治和土地流转提供技术支持。

(2)平原区耕地细碎化严重，且以权属细碎化为主。研究区耕作单元地块面积在274～14 756 m2之间，大部分耕作单元地块的面积小于4 000 m2，土地细碎化程度较高，耕作单元地块面积小且分布分散。耕作单元地块总体较为狭长，长宽度变化范围都比较大，分布离散，耕作单元地块的平均长度和平均宽度都较低，比较适合中小型农机作业；边界密度随着耕作单元地块的宽度增加而明显降低，扩大田块面积可以明显降低耕地边界密度，进而增加耕地利用率。由于研究区耕地细碎多为权属分割造成，整治的工程难度相对小，比较容易实现耕地的集中连片。

(3)小麦机收效率受耕地面积影响大。总作业效率、纯作业效率均随着耕作单元地块面积的增加而增加，耕地面积与总作业效率的相关性大于纯作业效率。在现有农业机械装备水平下，总作业效率和纯作业效率理论上可以达到0.430 1、0.304 9 s/m2；耕作单元地块面积达到8 500 m2时，小麦机收效率将得到比较充分的发挥。耕作单元地块合并后，总作业时间、纯作业时间将分别减少38.64%和43.11%，小麦机收效率将明显提升。

(4)规模化经营的其他效益。合理合并耕作单元地块可以有效提高小麦机收效率，表现在耕作单元地块连片收获时，可以统一作业，避免机械空跑；节约单户收获的较长等待时间；合理安排卸粮地点和运输小麦车辆，提高卸粮效率；科学安排农机驾驶员的作业时间，提高机械利用率；同时，也大大减少了机械在不同耕作单元地块间的跨田时间，提高了总作业效率。此外，耕作单元地块集中连片，便于合理有效地安排农业种植和作物收获，在一定程度上提高农民的议价能力，降低收获成本以及其他农业成本；可以避免抢种抢收，缩短收获时间，延长了作物生长期，增加产量。

(5)本研究中，耕作单元地块合并后的小麦机收效率提升潜力分析是基于现有的中小型收获机计算的，而如果规模化经营后，可以采用大型的机械进行收获，小麦机收效率会有进一步的提高；本研究中理想田块规模是基于当前机械动力情况得出的，将来应在理想田块面积方面继续深化研究，确定不同机械对应的适合田块规模及适合不同区域的田块规模。另外，地块合并后机械跨田时间也将大幅度减少，小麦机收综合效率提升潜力的测算也是将来研究的重点。

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