基于力学平衡模型的高标准农田建设实施协调度分析——以广东省为例

余富祥，王 璐

(1.广东省蕉岭县国土空间规划编制研究中心，广东 蕉玲 514100；2.华南农业大学 资源环境学院,广东 广州 510642)

1 引言

耕地承载着食物供给的重要功能，尽管中国实行最严格的耕地保护制度，但客观上仍面临着不可小觑的粮食安全压力。保障粮食安全的关键举措在于大力推进高标准农田建设，实现耕地地力提升。自2012年在全国各地铺开建设以来，高标准农田建设已上升为国家层面的战略部署。截至2020年底，全国已建成8亿亩高标准农田，成果显著，极大提高了粮食综合生产能力[1]。

高标准农田建设是一项涉及自然、经济、社会多方因素的动态、开放、复杂的系统性活动，而高标准农田建设后评价是检验建设成果的有效手段，可以为管理部门阶段性任务规划、建设资金的区域配置优化等提供理论支撑和技术参考。目前学者们对于农田建设后评价的研究主要包括效益评价[2, 3]和绩效评价[4, 5]两方面，实质内容是选取指标评估单个项目或某个区域内项目建设的实施效益和实施效率[6]，而对一定区域内高标准农田建设的实施状态特征解析方面的研究涉及较少。

已有的农地整理实施状态特征研究中，大多数学者局限于对某一具体实施要素进行分析，如针对项目规模[7]、投资规模[8]或新增耕地面积[9]等单一要素，分析区域或全国在一定时间段内的土地整治项目的安排特征。也有部分学者综合投资规模、项目数量、建设规模以及新增耕地等核心数量指标来分析区域内土地整治项目投入产出的时空分异特征[10, 11]。如熊冰瑶等[12]利用投资规模、建设规模、新增耕地面积和项目个数等指标，采用重心模型、空间自相关等地理空间分析方法多尺度地分析四川省“十二五”期间土地整治项目的空间格局变化。项晓敏等[13]提出基于整治强度、整治潜力、整治难度3项指标来评价全国农用地整治的实施状态。费建波等[14]通过对建设强度、建设潜力和建设难度三项指标的聚类分析，形成四川省高标准农田建设的实施状态综合分区图。这些研究开始解析高标准农田建设实施状态特征的内涵，但对实施状态综合评价的定量化表达不够，且缺乏对各实施要素间耦合协调程度的分析。

农田整理项目的实施状态表现为其潜力、强度和难度三维要素的相互匹配模式，三者的关系直接影响高标建设的实施效果[15]。高标准农田建设中的实施协调度是指其各实施要素间的耦合匹配、有机协调水平。以往的研究重点都在关注项目实施成效，而忽略了区域内高标准农田建设的实施状态及各特征要素间是否协调、是否匹配的问题。基于此，本文以广东省112个县(市、区)为研究区，构建 “潜力-强度-难度”三维要素的实施状态分析框架，引入力学平衡模型分析“十二五”期间广东省高标准农田建设各要素间实施协调度。

2 材料与方法

2.1 研究区域

作为典型的经济快速发展地区，广东省在城市扩张的背景下耕地保护承压巨大。根据广东省耕地质量等级调查的评定结果，全省土壤肥力和灌溉设施较好的高产稳产农田不足40%，而中低产田占60%以上，高标准农田建设任务繁重。2012～2015年是广东省高标准农田建设的起步阶段，在“十二五”期间，广东省建成及在建的高标准农田为1510万亩，总投资210多亿元。虽然取得积极成效，但同时在实践过程中也面临一些实际问题。突出表现为在项目安排上存在“平均主义”和“短期效益”，在实施过程中，注重计划安排和指标下达，缺乏对建设要素实施状态的有效评价[16]。本文以广东省112个区县为研究尺度(剔除一些研究期内无高标项目验收的区域)，研究高标准农田建设各要素的实施状态及整体的实施协调度。

2.2 数据来源

(1)高标项目实施数据来源于广东省高标准基本农田建设进展报备管理系统和广东省“十二五”高标建设规划数据库。

(2)耕地质量数据采用2011年广东省耕地质量等别更新数据统计各研究单元的耕地面积，通过面积加权的方式求得各研究单元耕地质量的平均利用等。

(3)中国陆地生态系统服务价值空间分布数据集。来源“中国科学院资源环境数据中心”，该数据是谢高地等[17]研究成果。套合广东省耕地图斑数据，获得广东省耕地生态系统服务价值数据，进而计算出广东省耕地生态系统服务基准价值表(表1)，用于计算各单元的高标准农田建设的生态潜力。

表1 广东省耕地生态系统服务基准价值

2.3 研究方法

2.3.1 实施协调度的指标测算

本文采用建设潜力、建设强度及建设难度3项指标来测算高标准农田建设的实施协调度。

通常农田整治潜力包含数量、质量和生态潜力3方面[18]。由于高标准农田建设的关注重点在于提升耕地质量及改善生态条件，实际新增耕地面积很少。因此本文的高标农田建设潜力(X1)只考虑质量潜力及生态潜力2项；其中质量潜力是指耕地质量的理论提升空间，以研究单元内平均耕地质量距所在农用地分等三级指标区的最高利用等的差距来表示；生态潜力是指农田建设过程中生态系统服务价值的可提升程度，以研究单元内建设前后的耕地生态系统服务价值的差值来表示。

生态潜力指标的计算方法可参考已有文献[19]，其原理是根据耕地等级、产量和生态系统服务价值存在的相关关系，来推导不同利用等别的耕地对应的生态系统服务价值。由此得出广东省不同利用等别生态系统服务价值(表2)。最后根据高标准农田建设的耕地质量提升潜力计算各研究单元建设前后的耕地生态系统服务总价值差，即为生态潜力。

表2 广东省不同利用等别生态系统服务价值

建设强度(X2)表征的是各研究单元在广东省高标准农田建设布局中的重要程度，用各县域单元的高标建设规模与全省高标建设面积占比、和耕地占比之间的比值来表示。

建设难度(X3)用单位面积投资额来表征，由于高标准农田建设使用统一的技术规范，因此用投资强度差异来代表各区域间高标建设的难易程度。各指标的具体含义如表3所示。

表3 高标准农田建设实施协调度测算指标及其含义

2.3.2 力学平衡模型

力学平衡模型是三重矢量评价模型的一种，来源于英国学者Elkington在1994年提出的三重底线理论，最早用于企业绩效评价中[20, 21]，后来有学者将其推广到建设用地集约利用度[22]、城镇化协调度[23]、乡村转型均衡度[24]的评价研究中。现在力学平衡模型已开始运用于分析土地整治实施协调性[25]、物流系统协调性[26]和耕地多功能协调度[27]等。跟传统的耦合协调度模型相比[28]，力学平衡模型的优势在于既能得到综合评价的结果，又能根据不同要素作用下合力的偏离程度来判断系统的“短板之处”[29]。

本文采用力学平衡模型来评判高标准农田建设的实施协调度，原理如下：假设其他条件均质，将高标准农田建设中“建设潜力—建设强度—建设难度”三者之间的耦合协调关系抽象为笛卡尔坐标系中3个不同方向作用力的矢量关系[27]。而高标准农田建设的实施协调度可以认为是该坐标系下建设潜力、建设强度、建设难度3个矢量的几何合力。若三者的力均达到预期目标，则合力为0，表明相关建设要素间是均衡、系统协调的，此时作用合力点为图1中的原点O；反之作用合力使得F合偏离均衡点O，此时高标准农田建设的各要素处于失衡状态。因此根据作用合力F合的大小和偏离角度，可以定量测度高标准农田建设的协调度及其匹配问题。模型中，矢量OA、OB、OC分别代表高标准农田建设中的建设潜力、建设强度及建设难度的实施率，两两夹角弧度为2/3，三者的合力F合即为高标建设的协调度。其中变量OA、OB、OC的具体量化方法[25]为：

图1 高标准农田建设协调度判别模型

(1)

(2)

(3)

实际计算中采用极坐标(F合，θ)来表征高标准农田建设的协调状态，其中F合为协调度，值越大说明该评价单元的高标建设协调度越差；极角θ表征偏离方向，反映各要素间的匹配问题。同时OA、OB、OC分别定义其方向角度为π/2、11π/6、7π/6[26]，根据矢量运算规则，极坐标(F合，θ)的计算公式如式(4)～式(6)：

(4)

(5)

(6)

OA、OB、OC及其反向延长线OA’、OB’、OC’两两结合，可将相互作用结果空间划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ象限(图2)，每个象限所表征的矢量动力状态不同，据此识别各单元高标准农田建设实施协调度偏离方向及匹配问题(表4)。

表4 高标准农田建设实施协调度偏离动力状态及其特征

图2 高标准农田建设协调度偏离象限

3 结果与分析

3.1 实施协调度的空间分异特征分析

利用公式1求取广东省各县(市、区)单元的建设潜力实施率(OA)、建设强度实施率(OB)、建设难度实施率(OC)，代入力学平衡模型中得到广东省各区县研究单元的高标准农田建设实施协调度的综合得分值。

为分析广东省高标准农田建设实施协调度在空间区域上的差异，按自然断点法(Jeeks)，将实施协调度(F合值)从小到大分为4类，依次表示为协调状态区(0.06～0.40)、磨合状态区(0.41～0.70)、拮抗状态区(0.71～1.30)及失调状态区(1.31～7.97)，具体范围见表5。

表5 广东省高标建设实施协调度类型划分

据计算，广东省内各研究单元的实施协调度F合值的平均值为1.71，标准差为0.88，变异系数为1.10。从协调度各类型区的数量占比来看，处于协调、磨合状态的研究单元共有80个，占整个研究区的71%，说明广东省多数地区的高标准农田建设实施协调度较好；从空间格局上看，失调区主要在粤西沿海区和珠三角平原核心区；协调区主要位于粤西北山区、粤东沿海区及珠三角的西北端。具体情况如下：

(1)处于协调状态区的研究单元共有43个，占全部研究单元的38%，主要分布在粤西北山区、粤东沿海区及珠三角的西北端。说明这些区域实施协调度最高，建设潜力、强度和难度3要素配置均衡、综合匹配成效最佳。究其原因，该类型区内研究单元的建设潜力平均值0.54，建设强度平均值1.10，建设难度平均值2.19，三项实施要素均处于中等水平，因此耕地提质改造的潜力得到充分释放。

(2)处在磨合状态区的研究单元共有37个，占全部研究单元的33%，在空间上无明显集聚区，特征是散布于协调型区域的周围，以粤西北山区和珠三角平原区为主。该类型区内研究单元的建设潜力平均值为0.60，建设强度指数平均值为0.86，建设难度指数的平均值为2.19，因此可知3项要素中潜力、难度均处在中等水平，而建设强度指数稍低，导致该类型区域在建设要素的综合匹配结果上稍逊于协调型。但总体还是较好，可以通过在实际建设实施中对要素进行调整与改善，使其向协调状态转化。

(3)处于拮抗状态区的研究单元共有17个，占全部研究单元的15%，在空间上无明显的聚集区，分散分布于粤西沿海、粤东沿海地区及珠三角平原的外围地区。较之磨合型，该类要素间的实施协调度较差，建设潜力指数平均值为0.71，建设强度指数平均值为1.34，建设难度指数平均值为2.31。从各项要素平均值看来匹配尚可，但实际情况是该类型区的研究单元往往是建设潜力、强度和难度某一方的发展过度或欠缺，导致要素作用互相抵制影响实施成效，若不及时进行资源的有效调配，将渐渐过渡到失调状态。例如：蓬江区、江海区、霞山区等地的短板主要在于建设潜力欠缺，新丰县、雷州区等地主要表现为建设强度不够，而金湾区则是建设难度过高。

(4)处于失调状态区的研究单元共有15个，占全部研究单元的14%，集中分布在粤西沿海区和珠三角平原核心区。该类型区的研究单元建设潜力指数平均值为0.58，建设强度指数为2.71，建设难度指数平均值为2.94，因此在实施特征上表现为资源要素未得到有效匹配。甚至建设潜力、强度和难度3要素无法均衡发展且相互影响，综合成效低下。该区域也是当前广东省高标准农田建设中的最主要的问题区域和扼待调整的实施类型区。

3.2 高标准农田建设的实施偏离度特征分析

通过ArcGIS空间查询提取拮抗状态区和失调状态区，并结合其所属象限的矢量动力特征信息来判定广东省高标准农田建设的问题区域(表6)。

结果表明，共有32个研究单元的高标准农田建设实施处于问题状态，共包含高标准农田建设项目1021个，建设总规模27.627万hm2。将问题区域分为3类，具体如下：

(1)高潜力低强度失调型(第Ⅱ象限)。共涉及14个研究单元，主要分布在粤西地区和粤东沿海地区。该区域的F合均值为1.07，总体表现为较高的建设潜力和偏低的建设强度。该区域本身耕地资源丰富，是广东省的传统农业区，也是高标准农田建设的重点规划区，建议后期加大投资力度，大力提升区内中低等耕地的提质改造力度。

(2)高强度低难度失调型(第Ⅳ象限)。共涉及3个研究单元。该区域的F合均值为0.88，在实施状态上表现为建设强度较高，而建设难度较低。该区域的高标建设潜力中等，但耕地整治活动较活跃，只是对高标建设的投资力度稍显不够。建议后期加强区域内的统筹规划，积极引导涉农项目的资金整合，提高建设标准。

(3)高难度低潜力失调型(第Ⅵ象限)。共涉及15个研究单元，主要分布在珠三角平原区及粤东、粤西沿海的部分市域范围，该类F合均值为2.01，总体表现为建设难度过高，而建设潜力偏低。这一格局与其区域特征紧密联系。该地区是广东省的经济发达地区，本身耕地资源紧缺且耕地质量偏低，耕地相对分散导致农业产业化规模较小，加上当地的劳动力成本较高，因此高标准农田建设任务重、难度大。但另一方面当地政府对高标建设的配套资金较充裕，所以建设规模较小且投资集中。建议后期进一步调整区域土地整治的主攻方向，优化项目布局和整治时序。

4 结论与建议

4.1 结论

(1)运用力学平衡模型可以有效测算高标准农田建设的实施协调度。广东省高标建设的实施协调度整体尚好，处于协调、磨合状态的研究单元共有80个，占整个研究区的71%；同时也存在明显的空间差异，失调区主要在粤西沿海区和珠三角平原核心区；协调区主要位于粤西北山区、粤东沿海区及珠三角的西北端。

(2)结合实施偏离度特征象限信息来判定，有32个研究单元被划入问题区域，问题类型可划分为高潜力低强度失调型、高强度低难度失调型和高难度低潜力失调型3种。

4.2 建议

(1)对于粤西沿海地区高标建设的实施失调问题，最有效的措施应该是在省级层面上加大涉农资金的统筹力度，要充分利用政府的财政转移支付能力，加大政策上的倾斜力度，提倡探索“先富带动后富”的做法，采取定向转移支付的措施，扶持耕地基础条件好、改造潜力大的区域的高标准农田建设。

(2)珠三角地区后期在进一步优化项目布局、建设时序的同时，应结合自身区位特点，借助高标准基本农田建设资金，重点发展都市农业、休闲农业，发挥基本农田改善生态环境、景观格局等方面的作用。