耕地质量与耕地产能耦合度研究——以湖南宁远县为例

蔡 琼，朱红梅，肖 婷

（湖南农业大学资源环境学院，湖南·长沙 410128）

20世纪80年代以来，非农建设用地扩张、非农就业机会增加、农药过度施用对耕地数量、质量及产能造成了严重影响[1-3]。为保障粮食安全，我国采取了多种措施促进农业生产，2019年全国粮食总产量再创新高，但粮食供给结构缺乏平衡、有效供给不足，且在实际生产中，存在耕地资源浪费、不合理利用等问题。如何充分利用耕地、提高耕地质量与产能成为学术界关注的重要问题之一。

国内学者对耕地质量提升的研究主要集中在耕地质量内涵[4-6]、耕地质量定级评价[7-8]、耕地质量影响因素分析[9]、耕地质量监测[10]、耕地质量保护研究[11-12]等方面。在耕地产能研究领域，已有学者将耕地产能内涵由理论产能、实际产能和可实现产能延伸到了耕地健康产能并展开评价[13]。此外，也有学者通过分析耕地产能的时空特征及影响因素探讨耕地产能提升路径，促进耕地产能占补平衡[14-15]。在耕地质量方面，国外学者多关注土壤质量的研究，认为土壤质量是土壤维持生物生产力和环境质量的能力[16]。在耕地健康产能方面，国外学者多关注于土壤健康的研究，如Rinot提出通过土壤监测提供的生态系统服务来评估土壤健康[17]。但耕地质量与耕地产能相互关系的研究较少，仅有学者利用相关分析法对耕地质量等别与国家自然等、耕地产能等别与国家利用等进行对比分析[18]。尚无学者从耦合度入手研究耕地质量与耕地产能的耦合关系，而此关系能够反映耕地利用及产能发展状况，对促进耕地资源的高效利用和粮食安全具有重要的指导意义。

宁远县位于湖南省永州市，耕地资源丰富，是我国耕地后备资源开发的重要地区。对宁远县耕地质量与耕地产能展开耦合度研究能够为宁远县耕地后备资源开发奠定理论基础，对耕地保护、粮食安全具有重要意义。利用耦合协调模型分别对国家利用等与耕地理论产能、耕地质量与耕地实际产能展开耦合度研究，以此探寻耕地理论产能测算方法、耕地利用状况及利用潜力，为未来调整农业生产经营方式、提高耕地质量与耕地产能提供参考建议。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

宁远县位于湖南南部，县域总面积25.26万公顷，耕地面积为4.17万公顷，耕地后备资源丰富。宁远县属亚热带季风性湿润气候，四面环山，森林资源、水资源、土壤类型丰富，土壤类型以水稻土、红壤为主，具有明显的喀斯特地貌特征。主要耕作制度为“稻—稻—油”“大豆—甘薯”，标准作物为水稻，指定作物为油菜、大豆、甘薯。2019年宁远县年末常住人口71.43万人，城镇化率为46.33%；粮食总产量达到30.59万吨，同比下降了0.06%；人均地方生产总值约为3.15万元，同比增长8.4%；一产业比重较2018年有所上升，二、三产业比重小幅度下降。

近年来，宁远县致力于加强耕地后备资源开发，加快推进耕地跨区域占补平衡，2019年宁远县新增耕地面积53.56公顷。2020年2月26日宁远县通过了关于开发水田及涔天河灌区的实施方案，进一步推进耕地开发进程。

1.2 数据来源

土地数据来源于2019年宁远县土地利用变更调查数据库，耕地质量与耕地理论产能评价的数据资料来源于湖南省农业农村厅，耕地实际产能的农作物产量指标来源于《宁远县统计年鉴2019》，国家利用等数据来源于宁远县2019年度耕地质量等别更新数据库。耕地质量评价单元是土地质量评价的基础空间、最小单元，是划分项目区土地质量等级的基础，以宁远县2019年土地变更调查数据库中的耕地图斑为基础再和土种图叠加，作为耕地质量和耕地产能的评价单元，共划分出评价单元31058个,其中，水田18651个，旱地12407个。

2 研究方法

2.1 耕地质量与耕地理论产能测算

2.1.1 指标体系构建与指标权重确定

参考现有研究成果[19-21]，从自然、生态、技术等角度分别建立耕地质量与耕地理论产能评价指标体系。耕地质量评价指标权重来源于湖南省农业农村厅所提供的数据资料，评价指标权重采用熵权法确定。熵权法是利用“熵”对不确定性系统的一种度量,对于评价指标，样本数据的差异越大，包含的信息量越小，则该项指标对评价结果的影响作用就越小，被赋予的权重也就越小，反之，熵值越小，包含的信息量越大，指标对整体的影响越大，权重越高。因此，可根据耕地理论产能各指标的变异程度，借助信息熵计算出各评价指标的权重[22]，结果如表1所示。

表1 耕地质量与耕地理论产能评价指标及权重Table 1 Evaluation indexes and weights of cultivated land quality and theoretical productivity

2.1.2 耕地质量与耕地理论产能指数测算方法

（1）测算第j个评价单元的耕地质量指数Gj

式中：Aij、Bij分别为第j个评价单元的第i个二级指标对应分值和权重，n为二级指标的个数。

（2）利用逐级修正法测算耕地理论产能指数Pj

式中：ak和bk分别为第k种作物的光温（气温）生产潜力和产量比系数，qj和tj分别为第j个评价单元的耕地自然质量系数和技术水平系数，Nj和Lj分别为第j个评价单元的耕地自然质量得分和技术水平得分，r为作物种类总数量。

（3）由于宁远县耕地地块较为细碎，为便于针对各乡镇（街道）提出耕地质量、耕地产能提升建议，利用面积加权平均法计算各乡镇（街道）的耕地质量分数f(x)和耕地理论产能分数g(y)。

式中：m为某乡镇区域内的评价单元数量，sj为此乡镇内第j个评价单元的面积，S为此乡镇内的耕地总面积。

2.2 耕地实际产能测算

依照《农用地产能核算技术规范》中确定的实际产能测算方法，将国家指定作物单产通过表2中的折算系数换算成标准粮单产，再汇总求和作为耕地实际产能值。

表2 宁远县各指定作物折算系数Table 2 Conversion coefficient of each designated crop in Ningyuan County

2.2.1 耦合协调模型

耦合协调模型是判断两个或两个以上系统的相互作用和影响程度的物理模型。计算过程如下：

（1）计算耦合度Cn

（2）计算调和关系T

（3）计算耦合协调度D

（4）计算耦合相对发展度E

式中：α与β之和为1，耦合度Cn反映的是系统之间的联系程度，取值为0～1，值越靠近1表示耦合程度越高、联系越紧密。D能够反映系统间的协调状况，取值越大，耦合协调程度越高，耦合发展状态越好。参考已有研究成果[23]，将耦合协调程度划为10个等级，划分结果如表3所示。

表3 耦合协调度等级划分Table 3 The results of coupling coordination grade division

3 结果分析

3.1 耕地质量与耕地产能特征分析

3.1.1 耕地质量特征

按照《耕地质量等级》（GB/T 33469-2016）中规定的耕地质量等级划分方法，将宁远县耕地评价单元质量等级划分为1～10等。从表4中的等级分布来看，4等耕地面积最大，占耕地总面积的24.45%，1等耕地面积最小，仅占耕地总面积的1.98%。宁远县以3、4、5、6等耕地为主，占总耕地面积的73.78%。从各地类来看，如表5所示，旱地的耕地质量均未达到1等水平，以7等和8等和9等地为主，耕地质量为7、8、9、10等的耕地中，旱地面积均大于水田面积，旱地和水田耕地等级存在明显差异。

表4 宁远县分等级耕地面积及占比统计Table 4 Statistical table of cultivated land area and proportion by grades in Ningyuan County

表5 宁远县各地类分等级耕地面积及占比统计Table 5 Statistic table of cultivated land area and proportion in different categories and grades in Ningyuan County

利用面积加权平均法将各评价单元耕地质量等级换算为各乡镇（街道）耕地质量等级。从空间布局来看，由图1可知，宁远县北部、中部、南部旱地较少水田比例高，耕地的质量等级较高，西部天堂镇、东部太平镇和保安镇旱地较多，水田比例低的耕地质量等级较低。中部地区地形较为平坦，灌溉能力、土壤熟化程度和管理水平较高，故而耕地质量等级较高；西部、东部地区因受地形的影响，耕地细碎化程度较高，灌溉能力较差，耕地利用类型中旱地比例较高，加上受障碍因素影响的程度较深，土壤肥力较低，耕地实际产能较低，导致耕地质量等级较低。旱地分布越多的区域耕地质量等级就越低，宁远县耕地质量总体呈现中间高东西两边低的特征。

图1 宁远县耕地质量等级空间分布Fig.1 Spatial distribution of cultivated land quality grade in Ningyuan County

3.1.2 耕地产能特征

耕地产能包括理论产能与实际产能，理论产能是当光温条件处于理想状态且在现有技术水平下所能达到的产能水平；实际产能是现实生产中耕地的实际产出水平。测算两者是为了了解宁远县耕地产能水平，探寻耕地理论产能测算方法及耕地质量与实际产能之间的发展关系。由表1、表2并结合公式（6）测算出两者的评价值后利用自然间断点分级法划分等级，结果如图2所示。

（1）耕地理论产能特征

总体上，宁远县耕地理论产能大致呈现出由南向北逐渐降低的趋势。从各乡镇来看，中部仁和镇及南部水市镇、湾井镇的耕地理论产能居全县最高水平；良等理论产能的乡镇（街道）主要位于中部及南部地区；中和镇、天堂镇、冷水镇等表现出中等理论产能等级；劣等理论产能的乡镇则主要集中在北部地区。结合图1可得，耕地质量为4等的地区的理论产能为优等；耕地质量为5等的地区对应的理论产能主要为良等或中等；等级为6等的地区中，除太平镇理论产能为劣等外，其它地区均为中等水平。由此得出，耕地质量影响耕地理论产能的大小。

图2 宁远县耕地理论产能与实际产能等级空间分布Fig.2 Spatial distribution of theoretical productivity and practical productivity of cultivated land in Ningyuan County

（2）耕地实际产能特征

从空间布局来看，实际产能为优等的乡镇（街道）主要分布在中部地区；良等实际产能的乡镇大多位于东西两侧；中等实际产能的乡镇则主要位于北部地区且包括南部的九疑瑶族乡及西部的天堂镇；实际产能为劣等的只有县政府以北的棉花坪瑶族乡和桐木漯瑶族乡。从整体变化趋势来看，宁远县耕地实际产能呈现出由中心地区向周边地区逐渐较低的分布趋势。造成这种分布特征的原因是：平坦地区的耕地集中连片程度比山区高，居民的长期耕作习惯提高了土壤的熟化程度，有利于开展大规模农业生产、实行多样化管理方式；便利的交通为东部、中部、西部地区农业生产提供了良好的物流运输条件；中部地区是宁远县重要的政治经济活动区，与东西两侧乡镇的联系较为密切，对农业生产产生了一定的积极作用；棉花坪瑶族乡和桐木漯瑶族乡地形复杂，耕地支离破碎，农业生产水平受限，导致实际产能等级为劣等。

3.2 宁远县耕地质量与耕地产能耦合特征分析

3.2.1 国家利用等与耕地理论产能耦合特征

为确定耕地理论产能评价指标体系的可行性，将耕地理论产能指数与国家利用等指数做标准化处理后进行耦合协调分析，耦合结果如表6所示。由表可知，宁远县各乡镇（街道）的国家利用等与耕地理论产能的耦合度均接近1且耦合协调度均处于耦合区间内，表示两者之间具有较为紧密的联系且耦合发展状态较好。出现此结果的原因是：采用的耕地理论产能测算方法与国家利用等指数测算方法有相似之处，都是在各作物光温（气候）生产潜力的基础上通过系数修正后所得，与农用地质量分等中利用粮食单产水平确定土地利用系数不同，此测算方法综合考虑了耕地自然质量因素及技术因素，更能科学地反映宁远县耕地理论产能水平。

表6 宁远县各乡镇（街道）耕地理论产能与国家利用等耦合 协调程度Table 6 The coupling and coordination degree between theoretical productivity of cultivated land and national utilization grade of towns (streets) in Ningyuan County

3.2.2 耕地质量与耕地实际产能耦合特征

对各乡镇（街道）耕地质量与耕地实际产能做标准化处理后，纳入耦合协调模型进行分析，结果如图3所示。

从耦合度来看，除天堂镇、桐木漯瑶族乡的耕地质量与耕地实际产能耦合度较低之外，其它地区均具有较高的耦合度，表明两地区的耕地质量与实际产能之间不具有较强的联系。究其原因，天堂镇耕地质量较低，但其耕地实际产能居全县中等水平，说明其耕地质量虽对耕地实际产能存在重要影响但影响程度不大，耕地实际产能大小并不完全取决于耕地质量，耕地条件也是造成耕地产能差异的重要因素。桐木漯瑶族乡的耕地质量接近全县平均水平，而耕地实际产能却位于全县最低水平，表明该乡镇在农业生产过程中并未充分发挥出耕地质量优势，耕作条件、农业基础设施和管理水平较差，未来要加强耕地管理，改善耕作条件，加大农业基础设施建设的资金和技术投入，科学提高耕地实际产能。

从耦合协调程度来看，多数地区的耦合协调程度为良好协调或优质协调且多分布在中部及南部地区，其中，仁和镇为优质协调，表明耕地质量水平与耕地实际产能水平相当，耕地质量提高必定会促进耕地实际产能提升；北部清水桥镇、鲤溪镇，西北部中和镇以及中部东溪街道的耦合协调程度为中级协调；保安镇、棉花坪瑶族乡为初级协调，太平镇为勉强协调，说明耕地质量对耕地实际产能的影响程度较低；只有天堂镇和桐木漯瑶族乡处于失调状态。保安镇、棉花坪瑶族乡、天堂镇和桐木漯瑶族乡四个乡镇地区的耦合协调程度结果表明，这四个乡镇的耕地质量对耕地实际产能的影响不大，耕地基础设施、管理水平的差异才是造成耕地产能差异的主要原因。

图3 宁远县耕地质量与耕地实际产能耦合协调程度空间分布Fig.3 Spatial distribution of the coupling coordination degree between cultivated land quality and practical cultivated land productivity in Ningyuan County

从总体布局来看，宁远县耕地质量与耕地实际产能耦合协调程度大致呈现出南高、北低的分布特征，表明南部地区的耕地质量与耕地实际产能的协调发展状态较好，北部地区应当通过基础设施、管理等的投入提高耕地质量与耕地产能，促进两者的协调发展。

3.2.3 耕地质量与耕地实际产能耦合模式

为进一步探求耕地质量与耕地实际产能的发展关系，将各乡镇（街道）划分为三种耦合模式。将耦合协调程度为良好协调和优质协调的乡镇（街道）定义为协调发展型；将耦合协调程度低于良好协调，耕地质量高于全县平均水平，耕地实际产能低于全县平均水平的乡镇（街道）定义为产能滞后型；将耦合协调程度低于良好协调，耕地质量低于全县平均水平，耕地实际产能高于全县平均水平的乡镇（街道）定义为产能提升型。划分结果如表7所示。鲤溪镇、棉花坪瑶族乡、清水桥镇、桐木漯瑶族乡为产能滞后型，主要位于宁远县北部；协调发展型乡镇（街道）主要位于中部及南部地区；保安镇、东溪街道、太平镇、天堂镇、中和镇为产能提升型，主要位于宁远县东、西两侧。根据耦合模式的划分准则，未来应当通过调整农业生产经营方式提高产能滞后型乡镇的耕地实际产能，而对于产能提升型和协调发展型乡镇（街道），应当加强耕地保护、提高耕地利用效率，进一步提高耕地产能，从而促进耕地质量与耕地实际产能的协调发展。

表7 宁远县各乡镇（街道）发展类型划分结果Table 7 Result of development type division of each township (street) in Ningyuan County

4 结论与建议

4.1 结论

（1）宁远县整体耕地质量为中等水平，各乡镇（街道）耕地质量等级为4～6等；耕地理论产能等级大致由南向北逐渐降低，与耕地质量等级存在一定的内在联系；各地耕地实际产能差异较大，产能等级由中心地区向四周逐渐降低，且仅有棉花坪瑶族乡和桐木漯瑶族乡的实际产能较差。

（2）构建的耕地理论产能评价指标体系综合了耕地自然质量与技术因素，且耕地理论产能与国家利用等耦合度较高、耦合协调状况较好，在一定程度上能够更加科学地反映出宁远县各乡镇（街道）之间的耕地理论产能差异。

（3）总体上，宁远县耕地质量与耕地实际产能耦合协调程度呈现出南高北低的分布特征。在划分的三种耦合模式中：冷水镇、仁和镇等协调发展型乡镇（街道）的耕地质量与实际产能相互协调，耕地得到合理利用，但耕地产能仍然存在提升空间；位于北部的鲤溪镇、清水桥镇、棉花坪瑶族乡等产能滞后型乡镇（街道）未能充分利用耕地资源，耕地利用潜力有待挖掘；保安镇、东溪街道等产能提升型乡镇（街道）极大地发挥了耕地质量优势，并综合了其它有效资源，耕地产能水平较高。

4.2 建议

基于上述研究结论，为提高宁远县耕地质量与耕地产能并促进两者协调发展，对协调发展型、产能滞后型及产能提升型三种耦合模式的乡镇（街道）提出如下建议：

（1）协调发展型乡镇（街道）应当借鉴产能提升型乡镇（街道）的产能提升经验，通过引进科学技术、整合各类生产资料来优化农业生产结构。在充分利用耕地的基础上，通过利用区位优势、发展特色农业等方式提高耕地产能。

（2）产能滞后型乡镇（街道）应当致力于耕地产能提升。在充分了解当地耕地质量水平、土壤理化性质、生态环境状况的基础上，根据耕地特征选择适宜生长的农作物，充分发挥出耕地质量水平；通过合理轮作、施加有机肥等措施提高土壤质量，为农作物提供健康的生长环境；加强农业生产管理，通过开展规模化种植促进农业生产资料的集约利用，实现节能、高效生产。

（3）产能提升型乡镇（街道）应当总结农业生产经验，打造典型农业生产示范点，为其它地区提供参考建议。另外，耕地质量水平较低的地区应当通过开展土地整治工程提高耕地质量，通过归并零散的耕地地块促进耕地资源的规模利用，为耕地产能的进一步提升创造良好的外在条件。