中国农业“水—土—经济”系统耦合协调发展的时空演化

陈昭玖，阮若卉，陈江华

（江西农业大学 经济管理学院，江西 南昌 330045）

作为关乎社会民生的关键领域，农业发展是推动“三农”工作顺畅实施、建构农业农村现代化体系的基础。从2004年开始，中国连续18年的中央一号文件均聚焦于“三农”发展问题，围绕不同阶段下“三农”发展特征进行部署，旨在强化农业发展动能，推进城乡经济一体化。如2021年的《中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》中阐明，将农业农村发展置于优先战略位置，全面推进乡村振兴实施，为新发展时期“三农”工作顺利开展指明了方向。2022年，中共中央、国务院针对农民、农业、农村专门发布了中央一号文件，对深化农村改革和大力发展农业作出了全面且具体部署。

在推动乡村振兴、城乡经济一体化等战略实施过程中，农业现代化发展目标不只是追求经济效益最大化，还要着重关注生产环境的永续循环。在资源相对匮乏的环境下，农业发展在遵循客观发展规律的同时，既要保障水土资源环境不被破坏，还需强调经济可持续发展，促使农业“水—土—经济”三者间形成有机统一[1-2]。这一背景下，农业水资源、土地生态与经济发展三者关系如何逐渐成为前沿话题，引发诸多学者热切探讨。就农业水资源与农业经济发展而言，农业水资源合理化配置与农业经济发展的协调度长期处于较高水平，二者之间具有相互推动的作用[3-5]；就农业土地生态与农业经济发展而言，土地高效流转与经济发展之间具有显著促进作用，存在长期良性互动关系[6-8]。

梳理现有文献后发现仍存在两类值得考虑的问题：一是既有研究主要聚焦于农业水资源、土地流转对农业经济发展的正向影响，很少涉及农业经济发展反向作用机制的理论解释；二是现有研究并未将三者纳入统一框架展开深入探讨。针对以上不足，本文拟从四个方面进行拓展与创新：（1）丰富现有农业水资源、土地生态与经济发展两两研究框架，更加突出农业长期、均衡与高质量发展属性。农业高质量发展不仅需要发挥其经济效应，更多是在追求增产的同时实现生态健康，保持生态完整性与原真性，是农业“水—土—经济”协同作用、互相影响、由低级共生转向高级耦合的动态发展过程。（2）构建一个涵盖9个维度、28个指标的农业“水—土—经济”系统耦合评价体系。相对于普通系统评价体系，该体系更能彰显农业发展特征、突出农业发展属性。（3）对农业“水—土—经济”系统耦合协调展开比较分析，识别不同区域的系统耦合情况，为各区域执行差异化农业高质量发展战略提供基本思路。（4）从空间配置视角，观察农业“水—土—经济”系统间的空间匹配度，进一步识别三元系统未来耦合的演进态势，为农业长效发展规划制订提供理论支撑。

1 耦合机理解析

“耦合”暗含协调、发展两层内容，其中协调即各系统间相互配合的程度；发展即在一个共同体内各系统相互促进演化的过程[9]。耦合则是综合考量“协调”与“发展”两方面的内容后，各系统整体协同促进的程度。

1.1 二元系统耦合模型解析

依据道格拉斯生产函数概念，可对一个综合系统的发展水平作出界定[10]，据此将二元系统的发展水平表示为：

式中：Eit代表i地区在t时期二元系统的发展度；代表子系统F的发展水平；代表子系统H的发展水平，其中xitk和ok、yitk和pk分别指代二元系统指标及其相对应权重；α和1-α则指代二元系统的重要程度。本研究设定二者具备同等重要性，故α=1-α=0.5。

基于上述分析，为探究二元系统在特定时间节点上的协调态势，进一步引进偏差系数[11]，则：

式中：Cvit代表二元系统偏离程度均值，Cvit越近似于0，表明二元系统协调度越优。由式（2）可知，此时Cit值趋近于1。充分考虑结果具备更强可比性后，将耦合模型设定为：

1.2 三元系统耦合模型解析

解析并延展前文二元系统耦合思路后，可得三元系统耦合模型。首先，三元系统综合发展水平可表示为：

式中：Eit代表i地区在t时期三元系统的发展度；分别为三个子系统F、H、S的发展水平，其中xitk和ok、yitk和pk、sitk和qk分别为三类指标值及其对应权重；α、β和1-α-β分别代表三元系统的相对重要程度。本研究将F、H、S三者形成的耦合系统影响力假定为同等重要，故权重取值为α=β=1-α-β=1/3。

其次，引入Cv以展现三元系统于特定时间节点下的协调态势，则：

将式（7）简化后，可得：

故设定三元系统的协调度Cit为：

由此得到三元系统的耦合度Dit为：

1.3 耦合度的评判标准与划分类别

借鉴已有成果[12]，将耦合度划分为10个类别。其中，0～0.49为失调衰退类型，0.5～1为协调发展类型，具体如表1所示。

表1 耦合度的评判标准与划分类别

2 指标体系及数据处理

2.1 指标体系构建

为确保指标体系构建更加全面和准确，在充分结合现有研究的基础上[13-15]，将数据可获得性作为前提条件，对农业水资源、农业土地生态、农业经济发展三元系统作出界定，构建如表2所示的可量化评价指标体系。

表2 农业“水—土—经济”系统耦合协调评价指标体系

2.2 数据说明

文章主要基于2006—2020年中国31个省域（由于数据获取问题，港澳台地区不列入研究样本范围）的面板数据展开实证检验。研究过程所涉及四大区域划分标准主要源自国家统计局；所有指标原始数据均取自《中国统计年鉴》《中国人口统计年鉴》《中国区域统计年鉴》《中国农村统计年鉴》，以及历年各省域统计年鉴、区域金融运行报告、WIND数据库；部分缺失数据借助拟合法估算而得。

2.3 实证分析概述

2.3.1 标准化处理

由上述指标体系可以发现，三元系统中各指标值存在较大量级和量纲差异，故展开综合测算前需对其作标准化处理。参照张竣喃等[16]的研究方法，选用组间极值法对各项指标值进行标准化处理，具体公式如下：

式中：i为省份，j为年份，Xij为i省份在第j年的原始数据，为标准化后的数值，minXij、maxXij分别为指标最小值、最大值。

2.3.2 指标权重确定

依据郭晓晶等[17]的研究结论，主观赋权法可能会导致研究结果出现偏误，故最终选用客观赋权法中常见的熵权法对各项指标进行赋权。

2.3.3 综合指数测算

综合指数可反映单个子系统本身的发展状况与水平，主要由各项指标经标准化处理后的数值加权求和所得[18]。具体计算公式如下：

式中：Hij、Sij、Fij分别代表农业水资源、农业土地生态、农业经济发展三元系统的综合指数；分别代表各因子指标权重；分别代表各因子标准化数值。

3 实证分析

3.1 综合指数分析

基于经标准化处理后的指标数据及其权重，可得到各省域农业“水—土—经济”系统耦合的综合指数，具体见表3（由于篇幅所限，仅选取研究时段的初始、中间和结束三个年份数值反映三元系统耦合的综合指数）和图1。

图1 全国整体及四大区域的综合指数发展形态

表3 部分年度中国各省域农业“水—土—经济”系统耦合的综合指数

从整体视角出发：第一，农业水资源维持着较快增长趋势，综合指数均值由2006年的0.13跃升至2013年的0.22，随后又加速上涨至2020年的0.33。就实际情况而言，自2015年起，我国开始全面优化农业结构，开展了大量“粮改饲”与种养相结合的试点工作，为后续农业供给侧结构性改革提供强大支撑。于此饲料和粮食两大需求强劲拉动背景下，中央及各级地方政府部门对水资源系统的投入力度不断加大，促使水资源状态明显提升、水环境大幅改善。第二，农业土地生态呈波动中上升态势，综合指数均值由2006年的0.32上升至2013年的0.35，随后又增长至2020年的0.44，上升速度较为缓慢。究其原因，研究时段前期我国正推行以“牺牲”生态环境为代价的快速经济发展模式，这导致国内整体土地生态环境状态较差，生态系统抗干扰性能较弱。但2017年党的十九大召开以来，我国经济发展模式已正式由高速增长转变为高质量增长，更加注重低碳、绿色、循环发展理念。生态环境的改善、生态文明的建设以及高质量发展理念的引领，促使环境生态系统不断优化，土地生态结构渐趋合理化并长期呈现相对稳定的发展趋向。第三，农业经济发展长期呈现向好持续增长趋向，综合指数均值由2006年的0.15上升至2020年的0.33，尤其是2012年之后增速明显大幅上涨。究其原因，2012年之后金融改革全面铺开，推动国内整体金融和经济发展水平迅猛提升，显著带动了农业经济发展。

从区域视角出发：第一，四大区域的农业水资源综合指数表现出明显发散形态。其中，东部处于领先地位，这与其充足的水资源系统投入有着必然联系；东北区域农业水资源发展指数较低，这可能是由于东北部本身就是我国老工业基地，水资源状态的基底较差，加之其整体产业技术层次滞后，绿色技术研发能力较弱，难以为水资源生态系统改善提供充足动能；中部区域长期以来对水资源系统优化技术、资本投入与挖掘潜能就有所欠缺，且外部资源供给也相对不足，导致其水资源指数明显落后；西部区域除重庆和四川之外，其余省市水资源指数均较低，但领域之间并无明显差异。第二，四大区域农业土地生态指数呈“东部＞西部＞东北部＞中部”的空间分布格局。此种空间分布形态同当前我国区域之间结构差异和发展层次的现实状况具有高度相似性。这表明我国农业土地生态整体呈一路向好趋向。第三，四大区域的农业经济发展指数均呈快速上升趋势，且此种态势在2017年以来尤为明显。其中，东部具有明显的区位优势，且自2010以来同其他区域间的差距日渐拉大。

3.2 三元系统的耦合分析

在公式（5）～（10）的基础上，经测算得出各省域农业“水—土—经济”三元系统的耦合度（表4）。为直观地呈现与对比整体、区域三元系统耦合度的变化趋势，依据表4数据绘制图2。

图2 全国整体及四大区域的耦合度变化趋势

表4 中国农业“水—土—经济”系统耦合度

就整体层面而言，研究期内三元系统整体耦合水平呈现稳中上升势头，耦合指数均值从0.33上升至0.57，耦合度从轻度失调跃升至勉强协调发展阶段。但与此同时，三元系统耦合的绝对水平仍然较低，截至2020年年末，依然没有实现从勉强协调至优质协调的跃迁。另外，各省域三元系统的绝对耦合指数均有明显提升趋势，但省际之间原本的相对关系并未从根本上发生任何变化，耦合水平自东向西逐渐递减趋向依然非常明显。

就四大区域层面而言，东部、中部、西部及东北部三元系统的耦合指数分别由0.38、0.31、0.29、0.35跃迁至0.70、0.54、0.50、0.53。其中，东部三元系统耦合度从轻度失调转变到中级协调发展阶段，具有明显领先优势；中部、东北部从轻度失调转变为勉强协调发展阶段；西部则从中度失调转变至勉强协调发展阶段。总的来看，四大地区三元系统耦合度表现出明显差异化动态演变趋势。针对于此，东北部区域政府部门后续应致力于发挥该地区三大子系统之间相互带动的协同发展作用。

就省际层面而言，我国31个省域三元系统的耦合度均呈现出上升态势，但省际间耦合水平差异仍较大。具体来看，东部地区的上海长期处于领先地位，已率先迈入良好协调阶段；北京、江苏、浙江、广东都已渐入中级协调阶段；其余除海南之外的省域均已步入协调发展阶段。从中部和东北部区域来看，除江西位于濒临失调阶段之外，其余均处于勉强协调阶段。西部区域中除四川进入初级协调阶段，以及陕西、重庆进入勉强协调发展阶段之外，剩余均处于濒临失调阶段。

3.3 耦合比较分析

前文虽对我国农业“水—土—经济”三元系统各自的时序变动特征、相互之间的耦合关系进行了全方面解析，但尚未体现导致此种变化发生的实际影响因素。为此，文章着眼于二元、三元系统耦合关系解析，对影响三元系统耦合关系的因素展开进一步讨论。

结合前述思路，可求得三类二元系统的耦合度数值（表5）。整体上来看：（1）研究期内农业水资源—农业土地生态系统耦合指数从0.29上涨至0.53，耦合度从中度失调转变至勉强协调阶段，保持着较快增速。（2）农业土地生态—农业经济发展系统耦合指数从2006年0.36的轻度失调衰退阶段转为2020年0.60的初级协调阶段。四大区域之中，东部耦合指数从0.39上升至0.66，实现了从轻度失调向初级协调阶段的转变；中部、西部耦合指数从0.33上升至0.55，实现了从轻度失调向勉强协调阶段的转变；东北地区耦合指数从0.40上升至0.59，实现了从濒临失调向勉强协调阶段的转变。可见，四大区域均实现了从失调向协调的转变，土地生态与经济发展融合情况良好。（3）农业水资源—农业经济发展系统耦合指数均值从0.26上升至0.50，耦合度从中度失调转变至勉强协调阶段。四大区域中只有东部和中部在2020年实现了“失调—协调”转变。综上，三类二元系统中与农业水资源有关的两类耦合指数均值都相对更低。这表明，农业水资源尚未有效发挥其对农业土地生态、农业经济发展的支撑作用。进一步将三类二元系统与三元系统进行比较后发现，其总体与三类二元系统耦合指数动态演变趋势基本维持一致。为此，后续推进过程中，有关政府部门应致力于发挥农业土地生态、农业经济增长之间的良性互动作用，逐渐增强农业农村经济对实体经济增长的支撑能效。

表5 农业水资源、农业土地生态与农业经济发展三类二元系统的耦合度

基于上述分析，利用截面多项式拟合法针对二元和三元两个系统间的具体关系作出进一步探讨。实际操作过程中，拟合选取2006年、2020年作为研究时段，所得结果如图3所示。每条拟合曲线均表现为斜率为正的线性演进特征，意味着三类二元系统耦合度对三元系统的耦合度能够产生明显促进作用。农业水资源—农业土地生态、农业土地生态—农业经济发展、农业水资源—农业经济发展三类二元系统的耦合度和三元系统耦合度的拟合线回归系数分别由2006年的0.637 4、0.671 1、1.024 7转变为2020年的0.655 7、0.864 5、0.669 3，同前文分析结果相同。究其缘由，当前我国土地生态和农业经济的耦合协调度最高，所以对三元系统整体耦合水平的促进作用便最大。综合考量之后，可作出如下设想：我国以农业供给侧结构性改革、生态促进农业经济增长的“调结构”正再次面临缓慢尝试的窘境。细究其因，水资源生态与农业经济经过前期加速融合后，进入了耦合协调发展难以深化的困境。这意味着目前我国各区域大力推广的农业经济与生态融合战略，可能与全国整体三系统耦合发展模式并不相符。

另外，通过观察图3可以发现，2006年、2020年我国各省份之间的相对耦合位置尚未产生实质性转变。具体而言，东部区域各省份主要集聚在拟合线的右上方位置；东北部和中部各省份大多集中于拟合线的中间位置；西部区域大多数省份均处于拟合线的左下方位置。这说明二元系统、三元系统的作用关系呈由东向西依次递减分布的特征，发展水平越高，表示二元系统对三元系统的促进作用越明显。这一点同前文研究结果相一致。

图3 四大区域各省域三类二元系统的耦合度与三元系统耦合度发展趋势

3.4 系统空间匹配度分析

上述研究对我国农业“水—土—经济”系统耦合关系的变化特征展开了深入讨论。从分析结果来看，我国四大区域三元系统的耦合发展水平具有明显差异，并未显现出趋同现象。有鉴于此，并考虑到我国目前区域间要素流动障碍已被逐渐清除、区域间经济联系日渐紧密的实际现状，接下来从空间布局视角对未来三元系统的耦合演进态势展开进一步观察。具体将空间重心模型引入研究对其进行解释，以期对前文耦合分析结果作出有益拓展。

参照物理学中有关于重心的定义，空间重心统计可理解为通过刻画变量值的空间作用合力点，反映变量值的空间平衡结构。该方法一直是空间统计分析技术中用于分析系统值空间地理分布特征的重要工具[19]。将研究对象引入该方法，首先分别计算农业水资源、农业土地生态、农业经济发展三个子系统的空间重心，然后计算各子系统之间的空间重心距离，最后以此为依据对各子系统在空间格局上呈现出的匹配态势作出有效判别。具体的空间重心模型如下所示[20]：

式中：Xt、Yt分别代表研究对象区域在第t年的空间重心经纬度坐标，主要反映系统综合指数值的空间平均中心；xi、yi分别代表第i个次级区域的经纬度坐标；Eit代表第i个次级区域在第t年的系统值。式（15）重点体现了系统值的空间重心偏离程度，用以反映二者在空间格局上的不匹配度。其中，f、h代表任意两个子系统，代表对应第t年两个子系统之间的空间重心距离，可反映二者的偏离程度；C代表经纬度距离转变为平面距离的转变系数，设定为111.111。各省域经纬度均取自谷歌地图。利用式（14）～（15）可测算出各类系统之间的空间中心距离（图4）。

据图4可知，“农业水资源—农业土地生态”“农业土地生态—农业经济发展”“农业水资源—农业经济发展”的空间中心距离均呈现出缩小趋势，即各类系统间的空间匹配度越来越高。结合于此，联系前文中有关于二元系统耦合的分析可知：

图4 子系统之间的空间重心距离变动轨迹

（1）“农业水资源—农业土地生态”的空间中心距离最大，而且仍在持续上升中。尽管近年来我国农业水资源配置程度及土地生态体系优化程度不断提高，但二者间却存在空间配置低效问题。这说明我国持续提升的农业水资源配置程度并未对农业土地生态提供有效支持。而农业土地生态若得不到水资源系统的有力支撑，将会使得我国农业供给侧结构性改革处于较低层次，无法契合当前高质量发展的宏观政策背景。由此，虽然“农业水资源—农业土地生态”二者协调发展趋势得到明显改善，但倘若现阶段的空间匹配形态无法从本质上发生转变，这将成为后续二者从失调衰退向协调发展阶段转变的关键限制因素，对三元系统耦合态势持续演进形成阻碍。

（2）“农业土地生态—农业经济发展”的空间重心距离变动轨迹呈明显倒“U”型特征。具体来看，2013年以前二者的重心距离不断上升，之后又开始逐步下滑，这反映出农业土地生态与农业经济发展的空间匹配程度在逐渐提升。农业经济增长及其空间配置效率的提升为农业土地生态体系优化提供有力资本支撑，而农业土地生态也为农业经济发展奠定坚实要素基础。这充分印证了前文中“农业土地生态—农业经济发展”的耦合优于其他两个二元系统，且其耦合即将跃迁至协调发展阶段的结论。

（3）“农业水资源—农业经济发展”的空间重心距离变动轨迹呈明显“U”型特征，2012年以前，二者的空间中心距离不断下降，但在此之后又开始逐渐上升，匹配程度持续下降。究其原因，农业水资源系统优化是一个较为长期且存在诸多不确定性的过程，需要长期资本要素投入，而二者的空间重心距离波动和扩大过程将对农业水资源系统持续优化造成极大阻碍。2017年以后，二者的空间重心距离开始出现反转，呈向下趋势，同时匹配度开始逐渐回升。可以预见，后续协调发展进程中，这必然会促进农业经济与农业土地生态协同效应进一步发挥，二者协调发展趋势将逐渐向上跃升，并促使三元系统耦合形态持续演进。综合上述，农业经济发展的空间重心与其他两个子系统间的空间重心距离在逐渐下降，空间匹配度不断上升。这主要得益于我国大力推进农业供给侧结构性改革，促使农业生态逐渐改善，新兴农业业态蓬勃发展。与之相反，目前“农业水资源—农业经济发展”的空间匹配度较低，严重制约三元系统耦合态势持续演进，故后续优化水资源系统、改善农业土地生态将成为三元系统耦合协调发展水平不断提升的关键所在。

4 研究结论与政策建议

通过构建农业“水—土—经济”系统耦合模型，对我国31个省域在2006—2020年的农业“水—土—经济”三元系统的耦合关系进行分析，以评价三元系统的协同效应。就实证分析结果来看，我国整体的农业“水—土—经济”系统耦合水平在不断改善。具体研究结论如下：

（1）各省域农业水资源与农业经济发展两类系统的综合指数均呈现出快速上升趋势，这同国内2005年以来开展农业供给侧结构性改革与深化金融体制改革战略息息相关。同时，农业土地生态的综合指数呈小幅波动中维持相对稳定发展的态势，这说明我国农业土地生态体系更趋向合理化。

（2）农业“水—土—经济”三元系统的耦合度呈平稳上升趋势，但耦合的绝对水平仍较低。截至2020年年末，我国依然没有实现从勉强协调向优质协调发展阶段的跃升。而且，三元系统的耦合发展水平呈显著区域异质性，主要表现为东部区域优势明显，西部区域发展速度最快。

（3）农业土地生态与农业经济发展的协同共进对三元系统耦合发展水平提升具有显著影响；相对来说，农业水资源与农业经济发展的协同作用较低。

（4）二元系统和三元系统耦合度在区域间、区域内均呈现出显著差异，且四大区域间耦合水平差异仍存在持续扩大态势，区域间尚未表现出耦合趋同现象。有鉴于此，为有效提高三元系统协调度，缩小区域间发展差异，各省域在摸索三元系统实现良性耦合发展现实路径的同时，应结合当地实际发展情况及比较优势，强化本土农业生产资源保护，加快农业高质量发展进程。

（5）从空间配置层面的拓展分析可知，农业经济发展与其他两个子系统拥有较好的空间匹配度。其中，“农业土地生态—农业经济发展”二者较高的空间匹配度为三元系统的耦合态势持续演进提供了强大支撑，而“农业水资源—农业经济发展”空间匹配度的逐渐回升未必会成为三元系统耦合形态持续演进的关键推力。然而，就“农业水资源—农业土地生态”的空间匹配度来看，倘若二者空间匹配态势没有发生本质性变化，未来极有可能会对三元系统耦合态势持续跃升形成制约。

基于上述研究结论可知，保持农业水资源、农业土地生态与农业经济发展的协同共进具有极强不确定性及实践困境。为此，若要提升三系统耦合协同程度，需分别着眼于三类二元系统探究实践策略。

（1）统筹规划农业水土资源配置，推进可持续发展战略。一方面，明确各地区差异化发展方向。中央应在充分了解各农业生产区域水土资源利用现状的基础上，通过科学调整水土资源配置，及时改善现存问题，提高农业水土资源利用率，实现农业水资源和土地生态协调发展。另一方面，重视农业水土资源开发利用情况。针对部分资源开发不合理区域，当地政府部门应作出详细总体规划与部署，明确农业水土资源具体用途，严格管控资源利用过程，确保资源配置合理和均衡。

（2）推行高效节水农业机制，带动农业经济快速发展。水资源利用率较低区域应确立节约使用、科学配水理念，强化水资源管理。具体而言，地方政府可采取总量控制和定额管理手段，对农业灌溉用水实行定额配水、定额管理、超用加价、节约有奖措施，逐渐形成以政府引导为主、市场调控为辅、公众参与为次的节水型机制。另外，政府可适当回购部分水权，用以出售作为工业用水或生态建设，使农民群众获得节水惠利，调动农民节水积极性。通过落实科学节水机制，提升农业水资源利用率，从而带动农业经济可持续增长。

（3）实施规模化土地流转，强化农业经济发展新动能。首先，政府部门可在各级乡镇建立专门监管土地流转的机构，加速乡镇土地流转工作进程；其次，中央可对大规模承包土地经营者予以一定补贴，利用财政政策促进土地流转渐成规模；最后，各地方政府部门应依据当地实际情况，制定合理化土地流转政策，建立先行先试推行区，发挥试点区域带动作用，促使土地流转规模持续扩张，以此拉动农业经济快速提升。