基于地块面积的土地整理耕作效率测算方法研究

罗 丹，徐 艳,2，王跃朋,2，张凤荣,2

（1.国土资源部农用地质量与监控重点实验室，北京 100193；2.中国农业大学土地利用与管理中心，北京 100193）

许多国家都开展了各种形式的土地整理，其目标各异，如改善农林业经济的生产和作业条件、创造良好的生态环境和改善自然景观、调整土地产权关系等等[1-3]。土地整理最初的主要目标之一是地块归并、扩大耕作面积以获得更高的生产效率，其中，土地规模效益与生产效率间的关系一直是学术界研究的热点[4-8]。土地规模大小影响着土地利用方式和强度，从而影响土地的生产耕作效率。受土地利用方式和土地产权制度的影响，土地细碎化已经成为提高土地生产效率的重要瓶颈。有数据表明：中国2003年末户均地块数5.722块，户均土地经营规模为7.517亩，平均每块的大小为1.314亩[9]，过细及高度分散的土地经营方式是农业生产率和耕作效率提高的障碍[10-12]，导致了效率的损失。进行土地整理可以调整土地利用方式和强度，改善土地生产和生态条件，增加有效耕地数量，扩大生产经营规模，提高耕地质量和土地的生产能力，提高土地的生产耕作效率。中国新农村建设的核心是构建现代农业体系，而现代农业是以农业产业化、规模化为主要标志的。因此土地整理在构建现代农业体系中不仅具有重要作用，而且也是必不可少的途径，土地整理规模效益研究是土地整理理论和实践研究的重要组成部分。

近些年，学者对于土地整理效益的研究越发地广泛起来，从经济、社会以及生态效益3方面入手来探求土地整理的综合效益[13-15]。现今的效益评价研究多是注重综合效益，特别是经济效益，而对于生产效率这一微观方面的规模效益研究很少。测量农业生产效率可以依据农业经济活动中的不同生产要素的效率来判断，比如土地、劳动和资本，因而考察效率的标准也应有土地生产率、劳动生产率和资本效率[8]。有研究表明[9]，土地生产率与土地经营规模之间基本上是负相关关系，而劳动生产率和资本效率与土地经营规模之间基本上都是正相关关系，为了提高二者效率，必须扩大土地经营规模。本文重点探讨一种基于地块面积的土地整理规模效益测算方法。通过田间实验对7个面积梯度地块的耕作效率进行测算，建立地块面积与耕作效率之间的函数，用以评价地块的规模效益，为区域土地整理规划及其成本效益评价提供理论支撑和实践支持。

1 研究思路

从狭义的角度来说，地块面积（A）即土地规模，是基于单个农业生产要素而言的[16]。耕作效率（W）即机械的生产效率，指的是农用机械耕作土地的效率，即农业机器按一定质量标准完成单位作业量所耗费的时间[17]。因此，本文基于地块面积的土地整理规模效率是机械耕作单位有效土地面积所花费的耕作时间，是以土地规模（地块面积）作为测算基础，对区域整理地块进行耕作效率（机械生产效率）核算得到的土地生产效率，实质上是从效率的角度对土地生产率的量化测算，以此衡量整理前后区域的规模效益。

本文假设耕作效率测算仅受地块面积影响，不考虑地形坡度、机械化发展程度等其他因素的影响，因此仅从单一的地块因素考虑建立与耕作效率的关系。主要步骤为：（1）设计实验并实测获得耕作效率数据；（2）从地块尺度建立地块面积与耕作效率的函数关系；（3）量化分析面积与效率的具体关系，确定机耕面积的适宜范围；（4）划分效率等级，为评价整理区的规模效益提供依据。

2 耕作效率测算实验方案

2.1 实验区选择

选择中国农业大学上庄实验站实验田，在地块形状相同的基础上开展实地耕作效率测算。该实验站位于北京市海淀区上庄镇辛力屯村东，地处黄淮海平原，总面积约1058亩。区内地势平坦，整个实验站以乡间公路为界大致划分为南北两大区域，其中，北区面积约553.8亩耕地，地势平坦，地块连续平整，同时配套农机具20多套，满足本项研究所需的科研条件，因此以北区为试验田。

2.2 实验设计

本文中耕作效率（W）表示为机械耕作单位有效土地面积所花费的耕作时间。其中，有效耕作面积（UA）指地块总面积（A）减去机械因掉头损失掉的地头面积（EA），耕作时间指的是农用机械耕作完指定地块所消耗的总时间（T），耕作效率计算公式为：

式1中，时间单位为s，面积单位为m2。耕作效率表示耕作每平方米有效耕地面积所需耗费的时间，其值越大，表明耕作每平方米耕地所需消耗的时间越多，效率也就越低。耕地所需时间不仅仅和地块的大小、形状有关，还和耕作的土壤、机器的使用和耕作方式有关。本文的研究在同样土壤质地的耕地上进行实验，且均采用相同的机械和耕作方式。

（1）地块基本形状。在土地整理工程设计及农用地规划中[18-19]，根据机械作业要求，地块形状最好为长方形、正方形，其次是梯形，三角形和多边形；同时地块长度比对机组回转次数有较大的影响，在面积相同的情况下，边长越长，则回转次数越少。地块的长宽比不小于4∶1，可以满足机械工作的要求。因此，最终确定选取的地块形状为长宽比4∶1的长方形。

（2）地块面积梯度。在确定地块几何空间形状的基础上，对地块的面积大小进行梯度划分。土地整理规划的典型地块面积较大，但在现实中通常还要由农户进行重新划分，考虑目前国内农户所经营耕地的现状及机械的实际可操作性，将地块面积由小到大划分为7个梯度，即500 m2、1000 m2、2000 m2、3000 m2、5000 m2、7000 m2、10000 m2。

（3）耕作机械。考虑并综合当前国内农民普遍采用的机械马力，最终确定采用40马力的泰山TS404拖拉机悬挂三铧犁进行耕地实验。

（4）耕作方式。目前耕地的方法主要有以下3种方式[17]：①回耕法。一般拖拉机从地块一侧进入，然后一圈一圈地由地块两边自外向内耕作，最后从地块中央驶出。采用回耕法，可使地面平坦，减少漏耕。②套耕法。套耕的方法很多，一般采用间隔套耕法。此法在耕完一趟后，留下一个耕幅宽耕第二趟，直到耕完后再反过来耕。这种方法可以避免地头转弯小，提高工效，但容易产生漏耕。③穿梭形耕法。拖拉机从一侧进入，进行往返耕作。采用这种方法，拖拉机在地头转弯，但消耗的时间较多。结合农机手的经验及实际情况，最终确定用回耕法进行耕地实验。

3 地块面积与耕作效率的关系

本文实验采用回耕法，拖拉机在行进至地头时，需要一定的区域用于回转掉头，在该区域内，拖拉机抬起悬挂犁，不进行耕作，此区域为地头面积（EA）。实验中测量并记录耕作总时间（T），有效耕作时间（UT），地头面积（EA）。耕作总时间（T）为耕作完成单个地块花费的总时间，有效耕作时间（UT）为耕作有效耕作面积所花费的时间，地头面积（EA）为两端地头面积之和。根据实验数据及公式1，求得实际耕作效率W（表1）。

以地块面积A为横轴、耕作效率W为纵轴，建立耕作效率与地块面积的函数。对耕作效率数据进行平滑曲线连接，大致符合指数函数或者幂函数曲线规律，因此选择两种模型分别进行拟合。其中，指数函数模型为y=aebx+cedx，幂函数模型为y=axb+c，曲线拟合通过软件Matlab 7.6来实现。

根据拟合结果，指数函数拟合参数为a=1.925，b=-0.0025，c=1.05，d=-0.000003，即拟合曲线为y =1.925e-0.0025x+1.05e-0.000003x，拟合优度Goodness of Fit中，和方差SSE=0.000064，均方差RMSE= 0.004617，拟合系数R2=0.9997。幂函数拟合参数为a=19290，b=-1.672，c=1.014，即拟合曲线为y=19290x-1.6721+1.014，和方差SSE=0.0002517，均方差RMSE=0.007932，拟合系数R2=0.9991。指数函数的和方差以及均方差均低于幂函数，拟合系数高于幂函数，无论从方差还是拟合系数来讲，采用指数函数拟合得到的函数曲线与各点拟合的效果更好，因此耕作效率函数曲线公式为：

通过对该函数的分析可以得出：耕作效率随着地块面积的增大而提高，即单位有效面积的耕作时间越短、耕作效率越高，产生了规模效益。地块面积约在500—1500 m2的范围内效率急剧变化，从1.605 s/m2提高到1.091 s/m2，耕作时间节省了0.514 s/m2；在1500—3600 m2的范围内效率变化平缓，从1.091 s/m2提高到1.037 s/m2，耕作时间节省了0.054 s/m2；而在3600—10000 m2的范围内，变化幅度不大，仅从1.037 s/m2提高到1.021 s/m2，的耕作时间节省了0.016 s/m2；超过10000 m2之后，效率基本稳定，维持在1.017 s/m2。因此，面积在500—1500 m2内的地块，其效率值较低，不适宜机械化耕作；面积在1500—3600 m2的地块，效率值提升幅度较小，较为适宜进行小型机械的耕作；面积在3600 m2以上的地块，效率值较为恒定，是机械化耕作的适宜地块面积范围，其中大于10000 m2的地块是中大型机械的理想耕作面积范围。

时间利用率η表示为有效耕作时间占总耕作时间的比例，公式为：

其反映了不同地块面积的时间利用效率，数值越大，表明进行耕地所花费的总时间中纯作业时间占的比重越大，用于机械掉头等所消耗的无效时间越少，时间的利用效率就越高。

表1 实验数据汇总表Tab.1 Summary table of experimental data

表2 不同面积时间利用率Tab.2 Time utilization of different plot size

从表2中可以看出，随着地块面积的增大，时间利用系数逐渐增大，10000 m2的地块时间利用系数约为500 m2地块的两倍多。且在500—3000 m2的范围内，系数的增量变化较大，从39%增长到74%，增长了35%。而在5000—10000 m2的范围内，系数的增量变化很小，仅从81%增长到83%，增长了2%，这表明随着地块面积的增大，最终的时间利用率趋于稳定。

综上，地块大小与耕作效率之间存在相关关系，随着地块面积的增大，耕作效率、时间利用率均有所提高，最终两者渐渐趋于稳定。因此，在土地整理地块规划时应当尽量扩大地块面积，条件允许时至少规划面积在3600 m2以上，可大大缩短耕作时间，有利于提高土地的生产效率，实现规模效益。

4 结论

通过对耕作效率的实验设计及结果分析得到：地块面积与耕作效率之间近似呈指数函数关系W=1.925e-0.025A+1.05e-0.000003A。随着地块面积的增大，耕作效率呈指数倍提高，最终稳定在1.017 s/m2。同时时间利用率也随着面积的增加而增大，且提升幅度逐渐变小，地块面积越大，进行耕地所花费的总时间中纯作业时间占的比重越大，用于机械掉头等所消耗的无效时间越少，时间的利用效率越高。结果表明面积在500—1500 m2内的地块，其效率值较低，不适宜进行机械化耕作；面积在1500—3600 m2的地块，效率值提升幅度较小，面积在3600 m2以上的地块，效率值较为恒定，是机械化耕作的适宜地块面积范围。

5 讨论

（1）本文假设耕作效率测算仅受地块面积影响，不考虑其他因素的影响，但地形地貌条件、经济发展水平、机械化程度、耕作方式以及地块形状等因素对土地的耕作效率有着不同程度的影响。①中国国土面积辽阔、地形多样，南北差异较大。在平原区，地势起伏不大，较为平缓，在山地等地形起伏地区，地形坡度影响土地的水土动力特性和机械稳定性，即便同样大小的地块，两者的耕作效率也会有所不同。②经济发展水平及机械化程度也会对耕作效率产生影响。对于经济发展水平高、机械化程度高的地区，耕作机械会有差异。③不同的耕作方式会影响耕作效率。本文实验采用回耕法，实际中农户会根据具体情况及耕作习惯采取其他两种方法，使得效率值发生变化。④地块形状可分为很多种，矩形、梯形、三角形等以及其他不规则形状。本文设计为4∶1的长方形地块，未对所有形状地块全部考虑。复杂、不规则的地块形状会影响实际的耕作效率，造成效率的下降。本文未对所有的影响因素进行具体探讨，因而在未来的规模效益测算及研究工作中，需要综合深入地研究诸多影响因素，加入地形因子、经济因子、耕作方式因子、形状因子等来计算耕作效率，进而更好地推广到区域中，建立一套较为完善的土地整理规模效益核算体系，为土地整理后效应评价提供依据。

（2）由于实验条件和机械设备的限制，相关研究结果的应用要受到诸多限制：①实验面积设定仅仅到10000 m2，未能达到通常土地整理项目中典型地块面积；②实验选定机械功率有限，对于大型机械来讲，其机械效率可能和研究结果差别较大。

（3）在实践中，各土地整理项目的具体情况不同，对于地块大小的设计不能一概而论，文中得到3600 m2以上为适宜耕作面积，但对于山地、丘陵等地势起伏较大以及整理项目较小的区域，地块大小的规划设计不能满足理想的设计状态，应当结合具体实际情况、因地制宜地进行规划，对于以上地区可以适当缩小面积范围。

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