山东省农业机械化与粮食生产耦合协调水平时空分异研究

于志超，李贻学，李进涛

(1.山东农业大学 商学院,山东 泰安 271018;2.山东农业大学 资源与环境学院,山东 泰安 271018;3.山东大学 政治学与公共管理学院，山东 青岛 266237)

“三农”问题是关系国计民生的根本问题，中国共产党第十九次代表大会报告指出，乡村振兴必须坚持农业和农村的优先发展[1]，粮食产业振兴也是乡村振兴战略的重要组成部分之一，而农业机械化是促进粮食生产的必要的条件.自21世纪以来，中国粮食产量一直保持上升趋势，从2000年46 217.52万吨增加到2016年的61 625.05万吨，同一时期，中国农业机械化总动力由52 573.61万千瓦增加到97 250.33万千瓦，农业机械化在粮食生产中发挥着越来越重要的作用[2-4].

目前相关研究集中在粮食生产与农业劳动力的关系[5-7]、农机购置补贴与粮食补贴[8-9]、农业劳动力成本与农业机械化关系[10]、农业机械化对农民增收[11]等方面，国外研究集中在农业机械化对农场农作物生产的影响方面[12-15].中国机械化起步较晚，对粮食和机械化两者关系的研究处于初步发展阶段.近些年来，由于乡村振兴战略的实施，国家对农业生产提出更高的要求，一些学者尝试在粮食作物机械化生产工程模式体系框架[16]、农业机械科技成果转化[17]等方面对粮食生产与机械化关系进行了探索，并取得了一定的成果.

综合分析国内学者对粮食生产与农业机械化的研究可以看出：当前有关粮食产量与农业机械化的单方面研究较多，二者耦合关系研究较少；研究区域多以省为基本单位，而针对县域的粮食与农业机械化的关系研究较少；二者关系的时间或空间单一特性研究较多，针对时空耦合特征研究较少.因此，本文在总结前人研究基础之上，基于中国山东省县域截面数据，结合乡村振兴政策背景，构建粮食产量与农业机械化变化耦合关系模型，深入分析山东省县域粮食产量与农业机械化变化的格局及其耦合关系.

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域

山东省，简称“鲁”，位于北纬34°22.9′-38°24.01′、东经114°47.5′-122°42.3′之间，陆域面积15.71万km2，下辖17个地级市.气候属暖温带季风气候类型，降水集中，雨热同季.2016年，山东省农业增加值2 834.9亿元，比上年增长4.8%，粮食总产量4 700.7万吨.山东省的农业机械化和粮食生产在中国的水平相对较高，因此，研究山东省农业机械化与粮食产量的关系具有重要的现实意义.

1.2 研究方法

主要利用耦合协调模型研究粮食产量与农业机械化的相互影响、相互作用的关系.耦合协调模型来自物理学，研究结果也证明了该模型可以应用于多系统关系的研究[18-19].为了呈现两者变化的动态效应，并考虑到数据的可获取性，选取1995年以来的7期截面数据，采用农业机械化总动力表征农业机械化水平，对山东省县域尺度下农业机械化与粮食产量耦合协调水平进行研究.为体现全面性、准确性，本文将市辖区纳入研究范围，以2018年县域行政分区为基准，经数据处理分析，最终确定为132个研究单元，并采用极值归一化法[20]消除维数和量纲的影响.所用数据来自于相对应的中国县域统计年鉴，山东省各县区统计公报以及政府官方网站.

1.2.1 耦合协调模型 耦合模型适用于度量区域农业机械化与粮食产量之间的动态相关性，反映系统间相互作用的程度[21].

(1)

C表示耦合度，C的取值范围[0,1].当C=0时，系统处于无关状态，当C=1时，表示系统达到最优耦合水平.C∈(0,0.3]，系统处于低水平耦合状态；C∈(0.3,0.5]，系统处于中度耦合状态；C∈(0.5,0.8]，系统处于良性耦合状态；C∈(0.8,1)系统进入高水平耦合状态.U1，U2分别代表农业机械化和粮食产量.由于耦合强度高，但不一定协调，所以本文构建了协调度模型，用来研究了山东省县域农业机械化水平与粮食产量两个系统的总体协调性.

(2)

T=αU1+βU2.

(3)

D表示协调度，T表示协调指数；α,β均表示待定系数，本文将α，β均设定为0.5，表征农业机械化水平与粮食产量同等重要.D越接近于1，表示山东省县域农业机械化与粮食产量发展水平越协调.总结相关研究成果[21-22]，本文将协调度D划分为以下类型：D∈[0,0.4]，拮抗阶段，农业机械化与粮食产量二者发展协调性较弱，二者发展处于失调阶段；D∈(0.4,0.6]，磨合阶段，农业机械化与粮食产量二者发展逐渐优化；D∈(0.6,1]，农业机械化与粮食产量二者发展进入协调发展阶段.

1.2.2 ESDA ESDA是指利用统计原理、图形和图表来分析空间信息的性质，即描述空间分布和揭示空间关系的结构[22-23].ESDA中有两种空间自相关系数：一是全局空间自相关系数Moran’ I，用来分析整个区域观测值的空间分布特征；二是局部Moran’ I，用来分析子区域观测的空间异质性.

(4)

(5)

Zi和Zj分别为山东省县域单元i和j的协调度，n为县域单元总数，Wij为空间权重矩阵，基于Rook邻近性方法构建空间权重矩阵，空间不相邻为0，相邻为1.使用GeoDa软件分别计算全局Moran’I和局部Moran’I，本文采用标准化统计量Z来表征空间自相关的显著性[23-25]，在P=0.05的置信水平下|Z|=1.96，以|Z|>1.96 表示该区域的空间自相关是显著的.

1.2.3 同步发展指标模型 采用了同步发展指标模型[26]，分析农业机械化与粮食产量两个系统之间的状态耦合关系，揭示了山东省农业机械化水平和粮食产量发展特点.

S=U1-U2.

(6)

S表示同步发展指数.当|S|≤0.1，农业机械化与粮食产量二者发展基本同步；当S>0.1时，农业机械化发展比粮食产量发展超前；当S<-0.1时，农业机械化发展比粮食产量发展滞后.

2 结果分析

2.1 耦合协调模型结果分析

2015年，山东省绝大多数县区的农业机械化水平与粮食产量处于中等耦合阶段.芝罘区，奎文区，崂山区耦合度小于0.3，属于低水平耦合类型，其余县区耦合度均处于0.3～0.5之间，属于中等耦合类型.研究期间，中等耦合县区占全部县区数量的96%以上.这表明随着农业机械的发展，粮食产量与农业机械化的耦合作用逐渐体现，但是距离最优的耦合水平仍有差距.

山东省协调度类型的县区数量变化如图1所示，从协调度来看，1995年县区进入拮抗阶段的有103个，1995-1999年间，下降至75个，2005年升高，2005年之后呈逐步下降趋势，2015年处于拮抗阶段的县有77个.处于磨合阶段的县域变化趋势与之相反，1995年，县域协调度进入磨合阶段的有28个，1995-1999年间，升高至56个，1999-2005年，磨合阶段的县域数量减少，2005年达到44个，2015年，处于磨合阶段的县域数量增多，达到53个.在研究期间，处于协调阶段的县域个数变化不大，而青岛平度市一直处于协调阶段，说明平度市的农业机械化与粮食产量之间的已经达到了良性的交互作用.结合图1，可以看出，处于拮抗阶段的县域与处于磨合阶段的县区相互转化.1995-1999年间，由于协调度升高，处于拮抗阶段的县域主要转化为磨合阶段的县域，1999-2005年，处于磨合阶段的县域主要转化为拮抗阶段的县域，2005-2015年，拮抗类型的县域主要转化为磨合类型的县域.但是处于拮抗阶段的县域仍然占的比例较高.

图1 山东省协调度类型的县区数量变化曲线Fig.1 The curve of coordination change in value of country in Shandong

2.2 协调度空间相关性结果分析

运用Geoda软件计算，得到山东省县域协调耦合度的全局莫兰指数，如图2所示.可以看出研究期间，山东省县域协调度莫兰指数变化趋势大体呈三个阶段：1995-2002年，莫兰指数增加，2002-2012年莫兰指数基本保持不变，发展趋势较平稳，2012-2015年，莫兰指数增加明显.研究期间，协调度莫兰指数总体呈增加趋势.

图2 山东省协调度全局莫兰指数变化曲线Fig.2 The curve of coordination Global Moran’ I change in value in Shandong

经计算局部莫兰指数如表1所示，1995年，山东省农业机械化与粮食产量协调度高值-高值集聚主要分布在聊城市地区及青岛市、烟台市和潍坊市的交界地带区.低值-低值集聚主要分布在东营市，其他聚类水平不显著.2005年，协调度高值-高值集聚主要分布在菏泽市和聊城市，德州市部分县区，以及青岛市、烟台市和潍坊市的交界地带区.2015年，高值-高值集聚县区面积和数量进一步增多，达到25个县区，低值-低值集聚县区的数量增加到8个，面积也有进一步扩大的趋势.在总体空间分布上，山东省高值-高值集聚的县区数量呈增加趋势，大体分布在三个地区：菏泽市、聊城市、以及青岛市、烟台市和潍坊市的交界地带区.并以这三个地区作为发源地区逐渐扩大数量和面积，这是因为三个地区分别位于山东省鲁西南黄淮平原、鲁西北平原、胶东平原.地势较低，水源充足，适合发展粮食种植业，同时平原地区的地形特点更适合大中型农业机械的推广和应用.低值-低值集聚的县区在空间分布上规律不明显，低值-高值集聚的县区数量较少，而高值-低值集聚的县区在2005年和2015年并未出现.

表1 县域农业机械化与粮食产量协调度Tab.1 Coordinative development between agricultural mechanization and grain yield

2.3 协调同步发展模型结果评价

2.3.1 同步发展结果分析 山东省同步发展类型县区数量变化如图3所示，从农业机械化与粮食产量同步发展水平来看，1995年处于基本同步发展水平的县区有86个，1995-2002年间，下降至75个，2005年数量升高，达到最大值96个.2012年与2015年均有92个县区处于同步发展水平.1995年处于滞后水平的县有7个，2002年达到最大值31，2002年之后，处于滞后水平的县域个数减少明显.1995-1999年处于机械化超前发展水平的县区由39个降低到20个，这是由于农业机械化的集约发展，使粮食在一定的机械化条件下能够得到较多的产出，使得机械化发展超前的县域数量减少.1999-2015年，处于农业机械化超前的县域个数变化幅度较小，基本维持稳定状态.总体来看，山东省仍然以同步发展类型的县域为主，约占全部县域数量的50%以上.

图3 山东省同步发展类型县区数量变化曲线Fig.3 The curve of synchronous development type change in value of country in Shandong

2.3.2协调同步发展类型分析 根据协调度模型和同步发展模型计算公式，将结果进行有效整合分析，整合后的农业机械化与粮食产量关系类型具体可分为九类，如表2所示.

表2 农业机械化与粮食产量同步协调发展类型Tab.2 Types of coupling and coordinated development between agricultural mechanization level and grain output

根据表2分类标准，山东省各县域农业机械化与粮食产量同步协调发展类型分布表如表3所示.1995年，山东省大多数县区处于拮抗同步阶段，主要分布在山东省北部的东营市、滨州市、德州市和山东省中部的济宁市、泰安市、枣庄市，处于协调超前阶段的只有青岛的平度市，同时处于拮抗滞后阶段的5个县区位于临沂市，处于拮抗超前的县区主要分布在烟台市，及聊城市与德州市交界地带.2005年拮抗超前和磨合超前阶段的县区数量减少，磨合同步和磨合滞后的县区数量增多，由各县区的地域分布可以看出，这因为拮抗同步县区主要转变为磨合同步阶段，磨合超前的县区主要转变为磨合同步阶段和磨合滞后阶段，平度市处于协调同步阶段，2015年磨合同步的县区数量增多，主要集中在山东省中部的德州市、济南市和聊城市以及山东沿海城市青岛，而磨合滞后的县区主要分布滨州市、菏泽市西南部和潍坊市南部，同时曹县和平度市处于协调同步阶段.

表3 县域农业机械化与粮食产量同步协调发展类型Tab.3 Synchronous coordinated type between agricultural mechanization and grain yiel

研究期间，拮抗同步、拮抗滞后、磨合超前阶段的县区数量呈减少趋势，磨合滞后县区数量呈增加趋势，同时磨合同步阶段的县域数量增加明显.由于耕作技术的发展和国家的鼓励政策，山东省粮食产量呈逐年增加趋势，在此背景下，农业机械化水平与粮食产量由拮抗阶段转变为磨合阶段，说明农业机械化在山东省主要县区的粮食生产中得到较为充分的利用，在促进粮食增产中发挥着重要的作用.因为地形、气候等条件影响，处于鲁西南黄淮平原、鲁西北平原、胶东平原的县区逐渐转变为磨合同步阶段和磨合超前阶段.同时，拮抗滞后和磨合滞后阶段县区仍然存在一定的数量，这表明在少数县区，农业机械化仍然跟不上农作物生产节奏，农业部门制定鼓励的政策，提高农业机械化在粮食生产中的应用仍然任重而道远.

3 结论与讨论

采用协调耦合模型及空间相关性分析，选取7期截面数据，对山东省县域尺度下农业机械化与粮食生产时空耦合协调性进行分析，并结合集聚特征及同步发展模型，提出农业机械化与粮食生产耦合协调优化建议，得到以下结论.

山东省县域尺度农业机械化与粮食产量呈现出以“中度耦合”为主的特征，粮食产量与农业机械化的耦合作用逐渐增强，但是距离最优的耦合水平仍有较大的差距.研究时段内，处于拮抗阶段的县区与处于磨合阶段的县区数量相互转化，而处于协调阶段的县域数目较少且变化不大.研究后期，拮抗阶段的县域仍然占比较高.研究期间，协调度莫兰指数总体呈增加趋势，山东省县域尺度下农业机械化水平和粮食产量协调度主要呈高值-高值集聚和低值-低值集聚.在分布上，山东省高值-高值集聚的县区大体分布在鲁西南黄淮平原、鲁西北平原、胶东平原，并在这三个地区内逐渐扩张，而低值-低值集聚县区分布较为零星.

山东省仍然以同步发展类型的县域为主.研究期初，大多数县区处于拮抗同步阶段，研究期末，拮抗同步类型县区数量减少，磨合同步类型的县域数量增加明显，磨合同步类型县域呈现出了显著的空间集聚性，主要集中于鲁西南黄淮平原、鲁西北平原、胶东平原.同时山东省仍然存在一定的数量拮抗滞后和磨合滞后类型的县区，增强各县区农业机械化与粮食生产耦合水平仍是农业发展重点之一.

山东省的农业机械化和粮食生产在中国的水平相对较高，本文以山东省为例，具有一定的代表性.通常在描述粮食产量时会综合考虑县域面积的大小、人口以及粮食生产在该县所占的比重等相关的指标.但是该文研究注重于揭示山东省县域农业机械化和粮食产量系统间的协调发展水平及耦合状态，为制定更加具有针对性的机械与粮食种植业协同发展策略提供参考，在选择衡量粮食产量的指标时未做细致划分.同时研究期间农业机械化主要集中在粮食种植和生产等环节，但是随着时间的推移，农业机械化在渔业及畜牧业等方面也越来越突出，也会对研究结果造成影响，对农机作业的作物对象更细致的划分与不同地形的作物产量的时空耦合分析将是下一步的研究重要方向.

4 对策与建议

山东省各县区农业机械化与粮食产量的存在着明显的耦合关系，在空间上也呈现出了空间集聚性，但是二者的耦合性和协调性仍处于最初发展阶段，耦合度和协调度较低.在粮食种植业生产中，考虑到资源禀赋、经济发展情况、农业技术发展水平等因素，结合山东省实际情况，因地制宜，建议采取积极的政策措施改善、优化山东省县域的农业机械化与粮食生产的耦合水平和空间格局.

第一，农业机械化滞后的县区数量较多，如临朐县、平阴县、沂南县、平邑县等县区，针对农业机械化与粮食产量系统发展处于滞后的县区，一方面，应制定更加积极的农业机械补贴政策，完善并更新山东省农机补贴产品目录，促进农机水平的提高，进而使农业机械化与粮食生产系统向更高的耦合协调类型发展；另一方面，农业部门应建立跨区域农机联动平台，及时反馈附近县域农业机械作业情况，合理引进农业机械化发展超前县域的农业机械到本地区作业.同时，对于曲阜市、高青县等属于拮抗滞后型的县区，可通过发展高水平基本农田，加强特色粮食种植业发展，如互联网智能化农业、节水农业等，提升其粮食生产能力水平，增强农业机械化和粮食生产的协调性和耦合性.

第二，农业机械化发展属于拮抗超前类型的县区逐渐向胶东半岛范围转移，如荣成市、乳山市、蓬莱市等，这些地区经济、交通、水源、气候等对种植业发展较为有利，而农业机械动力多分散到果树种植产业，如苹果种植等.这些县区在积极响应农机补贴政策的基础上，可结合区位、地形等优势，引进自动化大型农业机械设施，对粮食种植区域进行规模化耕种，在机械化播种与收割过程中，要做到机械化与传统“精耕细作”相结合，避免粮食浪费，带动粮食产量提升，以增强其耦合协调性.而莱阳市、莒县、安丘市等磨合超前发展类型县域，农业机械化和粮食产量均处于较高水平，在接下来的农业发展中，可通过调整粮食生产品种与规模、适当扩大粮食补贴规模，提高粮食产量.

第三，农业机械化与粮食产量发展拮抗同步的县区，自身农业机械化水平和粮食生产能力均不高.一方面，这些县区需积极响应农机补贴政策，加强农业基础设施建设.另一方面，因地制宜，调整粮食种植品种与规模，积极拓展粮食生产、销售等渠道，提高农民种植粮食的积极性.此外，农业机械化与粮食产量发展磨合同步的县区，在空间上呈现出了显著的空间集聚性，这类县区机械动力基本适应当地粮食产业发展情况，将来应加大农业机械技术投入与创新等方式促进粮食产量的提升，以增强农业机械化与粮食生产的互动性和协同性.