0 引言

在我国耕地资源有限和保障粮食安全的背景下,提高耕地资源耕作效率与规模化生产水平显得尤为重要[1-6]。耕地资源规模经营是促进农业经济发展,提高农业竞争力的重要手段[7-8],在保障粮食安全与农业增产增收方面发挥着极大作用[9],是农业领域必然的发展趋势[10-11]。然而在实际生产过程,宝贵的耕地资源却被分割为很多细小的耕作单元,阻碍了现代化农业机械的使用和农业的转型,增加了农业生产成本[12-15]。近年来,各地区逐步开展土地整治工程,其核心任务是促进农业机械化、规模化发展[16]。土地整治工程的实施改变了耕作地块的面积与形状,减少了土地质量差别,在一定程度上对耕地资源利用方式与耕作规模产生了重大影响[17-18]。耕地规模经营是影响农业发展的主要因素,决定了农业机械化水平和规模效益。机械耕作效率是评价耕地规模经营的重要指标,在一定程度上反映了耕地规模经营的潜力,耕作地块是农户土地利用选择的基础单元,也是经营效率衡量的基础单位。因此有必要基于耕作地块尺度对机械耕作效率进行量化研究,为土地整治工程实施提供数据参考[19-22]。

现有研究主要集中在耕作地块的土地整治规划设计、土地整治后田块耕作便利度评价以及对农户耕作效率影响等内容,所采用的方法主要是基于农户实地调查数据建立评价模型,如数据包络分析模型[23]、线性回归模型[15]以及建立综合评价指标模型[24]等。对于土地整治耕作效率测算与评价相关研究较少,刘玉等[6]采用相关分析法探究了黄淮海地区的小麦机收效率,但主要侧重于分析地块细碎化对耕作效率的影响。从耕作地块尺度上来讲,田块大小和形状对于农田的机械耕作效率有着直接影响[25-30],文献[31]测算在29.4 kW拖拉机耕作条件下不同地块面积的机械耕作效率,该种情景仅考虑地块面积未考虑地块形状对机械耕作效率的影响,实际上耕作地块形状也对机械耕作效率有很大的影响,在面积相同情况下,地块边长越长,则回转次数越少,机械耕作效率也会更高,且文献[31]研究尺度较小,仅针对实验田区域,不具有普遍指导意义。基于此,本文以地块面积和形状为出发点,构建一套标准地块,设计7个面积梯度和8个形状类型,共46个标准地块,采用田间实验法研究不同形状和面积标准地块机械旋耕效率差异,在实际测算标准地块机械旋耕效率基础上,对区域内所有地块形状进行耦合、归并,根据形状确定对应的面积断点值并进行形状和面积修正,得到区域内所有地块机械旋耕效率,以期为促进地区农业规模经营提供科学依据。

1 研究方法

假定机械旋耕效率只受地块面积和形状的影响,而不考虑机械化程度、地形坡度、耕作方式、劳动力效率和气候变化等其他的影响因素,从区域尺度探究机械旋耕效率,分析面积和形状对机械旋耕效率的影响,研究路线图见图1。在地块尺度,设计一套标准田块,通过田间实验计算机械耕作过程中单位有效面积的耕作时间,并以此来反映标准地块的机械旋耕效率。在区域尺度,在地块单元(自然因素和田间基础设施分割形成的土地单元)的基础上进行二维形状系数和一维形状系数计算,对其进行形状耦合并归并到最相近的标准地块形状。根据标准地块形状确定对应的面积断点值,套用标准地块形状对应的拟合函数,计算出对应机械旋耕效率作为标准地块的机械旋耕效率,进行形状和面积修正,最终得到区域内所有地块的机械旋耕效率,即区域尺度机械旋耕效率。

1.1 标准地块机械旋耕效率测算

1.1.1 实验方案

(1)实验区域选择

选择中国农业大学曲周实验站周边的农田进行实地机械旋耕效率测算,实验开展时间为春耕前。具体实验区域位于河北省邯郸市曲周县第四疃镇,详细位置如图2所示。该块田地地势平坦,有较强的连续性,适于开展机械耕作。

(2)实验地块面积和形状设计

地块面积受到土地平整、灌溉排水以及田间管理等多项因素的影响。在实际了解第四疃镇的耕地面积情况后,结合实验区农户经营耕地现状以及机械的实际可操作性,最终确定地块面积区间,并对地块面积进行梯度划分。拟将地块面积由小到大划分为7个梯度。同时,由于实验耕作地块条件所限等因素,形状组合分成8个梯度。

形状规则与否则直接影响机械作业效率与田间管理的方便程度,确定田块基本形状为矩形、梯形和三角形。以选择最优作业效率的边长比例为原则,确定标准地块。本文将矩形长宽比定为4∶1,以满足机械工作的要求。为了减少地头掉头次数和频率,所有实验组耕作方向均选择沿着较长边进行。

(3)耕作机械和方式选择

机械耕作效率涉及到旋耕、播种、收获等多个环节,选取69.83 kW的东方红LX950型拖拉机配套旋耕机进行耕地[32],分析旋耕作业效率。该旋耕机工作幅宽为200 cm,耕深为12～18 cm。在实际田间实验中,为了使各组标准地块形状均达到最佳机械旋耕效率,在实验过程中结合机耕手的经验和地块形状面积的实际状况,对不同的标准地块采用了不同的旋耕方式,具体见图3。

(4)数据测量方式

在以上条件具备及确定之后,选用技术状态良好的机械在待耕地块进行作业,且作业时地块平整,无自然障碍。在每组实验前需要划定不同面积,从最小面积开始,用卷尺量好长宽,之后用标志性竹竿固定地块角点,在划定范围内按照每个形状逐面积梯度地采用合适的耕作方法开展耕作实验。不同地块面积、形状为直接测量所得,不同地块总耕作时间、有效耕作时间为实验直接记录所得,不同地块机械旋耕效率为间接计算所得。

1.1.2 机械旋耕效率测算

通过田间实验,进行标准地块的机械旋耕效率测算。标准地块机械旋耕效率计算公式为

(1)

式中 W——机械旋耕效率,即机械耕作过程中单位有效面积的耕作时间,s/m2

t——耕作时间,即农用机械耕作完指定地块所消耗的总时间,s

A——有效面积,即有效耕作时间内耕作的地块面积,m2

1.2 区域机械旋耕效率测算

在区域尺度,将一维形状系数和二维形状系数作为识别地块形状的标准,对区域内所有地块形状进行耦合、归并。在此基础上,根据地块形状确定对应的面积断点值并进行形状和面积修正,得到区域内所有地块的机械旋耕作效率。

1.2.1 区域地块与标准地块机械旋耕效率耦合

利用ArcGIS软件对曲周县第四疃镇的地块图斑进行面积、周长等属性的统计获取,并在软件中进行相应指标数据计算。

(1)形状耦合

一维空间形状系数与景观形状系数类似,是周长与面积之间的相互关系,计算公式为

(2)

式中 I1——一维空间形状系数

L——地块图斑总长度,m

Az——地块图斑总面积,m2

二维空间形状系数指地块面积与其最小外包络矩形面积比,反映地块相对于其最小外包络矩形的面积紧凑度,计算公式为

(3)

式中 I2——二维空间形状指数

Ap ——地块图斑面积,m2

Amin-ref——地块图斑最小外包络矩形面积,m2

一维形状系数将二维空间的形状信息压缩到一维空间,仅能反映一维线状特征。二维形状系数更多反映面积紧凑度,而在反映形状的周长面积比上较为欠缺[33]。两种形状系数均有各自的优缺点,其中二维形状系数能够更好地识别归并未知图形的形状,故本文主要使用二维形状系数与一维形状系数相结合的方法对地块形状进行分类。由于挑选形状时并未对此方法多做考虑,致使梯形与组合5的二维形状系数一致、组合6与组合7的二维形状系数一致,也就是说这几种形状与其最小外包络矩形的面积紧凑度一致,为了保证一定的区分度,故使用一维空间形状系数对其进行区分(表1)。

(2)面积耦合

根据一维形状系数和二维形状系数将地块归类成标准地块形状,在标准地块形状的7个面积梯度中确定面积断点。面积断点依据在500～10 000 m2范围内每相邻两个面积梯度的耕作时间中点结合相应函数所求的面积点而确定。根据前期拟合所得函数代入相邻两梯度的耕作时间中点,求得面积断点,结果见表2。

1.2.2 机械旋耕效率测算

(1)系数修正

在实际情况中,地块形状及其面积的复杂程度比较高,因此在确定面积区间后,以实验所得标准地块机械旋耕效率为基础,对第四疃镇耕作地块的机械旋耕效率进行形状和面积修正。由数据分析可以看出,大于10 000 m2耕作地块,随着面积增大机械旋耕效率基本保持不变。因此,面积小于10 000 m2的耕作地块,系数修正包括面积修正和形状修正两部分;而对面积超过10 000 m2的耕作地块,只进行形状修正。

形状修正系数计算公式为

(4)

式中 a1——形状修正系数

Lc——待测耕作地块周长,m

Ac——待测耕作地块面积,m2

L*——对应标准地块形状耕作地块周长,m

A*——对应标准地块形状耕作地块面积,m2

面积修正系数计算公式为

(5)

式中 b1——面积修正系数

(2)区域机械旋耕效率

区域机械旋耕效率指区域所有地块机械旋耕效率平均值,计算公式为

(6)

其中

(7)

式中 Wp——整个区域机械旋耕效率

n——区域内所有耕作地块总数

Wi——第i个地块机械旋耕效率

第i个地块对应标准地块的机械旋耕效率

根据数据可知,机械旋耕效率以2 000、3 000、7 000、10 000 m2作为划分效率等级的面积标准(衍生组合缺少大于5 000 m2的实验数据,故以矩形的实验数据代替),以0～2 000 m2、2 000～3 000 m2、3 000～7 000 m2、7 000～10 000 m2、10 000 m2～+∞为区间,对应各标准地块形状机械旋耕效率作为各地块单元机械旋耕效率等级划分标准,见表3。

2 结果与分析

2.1 实验结果

对实地实验的结果所获取的数据进行记录和测算,最终结果如表4所示。

2.2 标准地块机械旋耕效率

根据实验数据及式(1),计算得出不同面积、不同标准地块形状组合的机械旋耕效率(表5)。

分析表5可知,在相同面积梯度上,矩形、梯形的机械旋耕效率远高于其它标准地块形状,其中矩形的机械旋耕效率最高,直角三角形的机械旋耕效率最低,在5个衍生形状组合中,组合6的机械旋耕效率最低,其它4组衍生标准地块形状组合的机械旋耕效率处于相同的水平,这表明形状越规整,拐点越少,转弯角度越大,机械旋耕效率越高,说明不规则的形状会降低工作机组的机械旋耕效率。

为了构建不同地块形状的机械旋耕效率模型,通过Matlab 7.0软件进行曲线拟合,得到不同标准地块形状的机械旋耕效率曲线公式,具体如下:

(1)矩形地块:根据旋耕效率曲线(图4),大致看出图形的走势符合指数函数或幂函数的曲线规律,分别选择这2种模型进行曲线拟合。根据拟合结果,指数函数和方差(SSE)为0.000 135 2,均方根误差(RMSE)为0.006 173 s/m2,决定系数R2=0.989 7,幂函数的SSE为0.000 758 9,RMSE为0.013 77 s/m2,R2=0.942。SSE和RMSE越趋近于0,说明数据预测越成功,R2越接近1,数据拟合得就越好。由此可知,指数函数的拟合度优于幂函数,其中指数函数拟合参数中:a=0.511 3,b=-0.004 078,c=0.327 4,d=-0.000 029,因此矩形地块机械旋耕效率函数公式为

W=0.551 3e-0.004 078A+0.327 4e-0.000 029A

(8)

(2)梯形地块:根据旋耕效率曲线(图4),大致看出图形的走势符合指数函数或幂函数,分别用这2种模型函数进行曲线拟合。根据拟合结果,指数函数的SSE为0.002 803 7,RMSE为0.030 57 s/m2,R2=0.904 5,而幂函数的SSE为0.002 401 9,RMSE为0.024 5 s/m2,R2=0.918 2。由此可知,幂函数拟合度均比指数函数好,其中幂函数拟合参数中:a=1.302,b=-0.136 4,c=-0.112,因此梯形地块机械旋耕效率函数为

W=1.302A-0.136 4-0.112

(9)

(3)用同样的方法处理其他5种形状,得到标准地块形状的旋耕效率函数曲线分别为:

直角三角形

W=1.893e-0.002 26A+0.399 6e-0.000 039A

(10)

组合4

W=0.521 8e-0.001 918A+0.366 9e-0.000 047 46A

(11)

组合5

W=0.555 7e-0.001 762A+0.338 6e-0.000 035 14A

(12)

组合6

W=2.954e-0.003 865A+0.338 6e-0.000 101A

(13)

组合7

W=0.478 3e-0.001 709A+0.356 3e-0.000 030 91A

(14)

组合8

W=0.580 6e-0.000 194 7A+0.002 558e-0.000 673 8A

(15)

由图4可知,随着地块面积的增大,机械旋耕效率不断提高,当地块面积达到一定程度时,机械旋耕效率的提升速度变慢,机械旋耕效率曲线趋于平稳。

地块面积处于500～3 000 m2区间时,随着地块面积的不断增加,不同形状地块的机械旋耕效率提升较快;地块面积处于3 000～7 000 m2区间时,随着地块面积的不断增加,不同形状地块的机械旋耕效率提升较为平稳;地块面积处于7 000～10 000 m2区间时,随着地块面积的不断增加,不同形状地块的机械旋耕效率提升幅度不大,矩形、梯形地块机械旋耕效率较高,维持在0.25 s/m2,其他形状地块机械旋耕效率较低,维持在0.30 s/m2左右;地块面积超过10 000 m2时,机械旋耕效率基本保持不变。因此,对于69.83 kW机械而言,地块面积在500～7 000 m2区间时,其效率未达到理想状态,不适宜进行机械化耕作;地块面积在7 000 m2以上时,机械旋耕效率较稳定,是该功率机械耕作的适宜规模面积。

2.3 区域机械旋耕效率

第四疃镇的地块单元等级图以曲周县2018年比例尺1∶50 000的土地利用现状图为底图,对第四疃镇进行单独切割分离。根据区域机械旋耕效率的测算方法,研究区基于地块单元的机械耕作效率为0.27 s/m2。其中,中低效地块单元数量最少,占比7.10%;高效地块单元数量最多,占比58.24%(表6)。

将第四疃镇的机械旋耕效率计算结果进行空间化(图5),从该区域地块单元机械旋耕效率来看,主路东侧区域的土地细碎化程度高于西侧区域,因此第四疃镇主路西侧的区域高效地块数量多于主路东侧区域。其中围绕在居民点附近的地块单元受居民活动的极大影响,细碎化程度远高于远离居民点的地块单元,这些地块单元受道路、居民点、末级渠道等的影响较大,面积较小,形状也不尽规则,极大地降低了区域机械旋耕效率。这说明形状的规则程度极大地影响机械旋耕效率。

3 讨论

本文实验是在标准的华北平原地区实施,选取69.83 kW拖拉机进行耕作,与29.4 kW拖拉机耕作条件下不同地块面积的机械旋耕效率相比,大型机械的机械旋耕效率更高。以矩形地块为例,使用29.4 kW小型机械进行耕作时,当地块面积大于3 600 m2 时,机械旋耕效率趋于稳定,保持在1.017 s/m2;使用69.83 kW大型机械进行耕作时,地块面积大于7 000 m2时,机械旋耕效率较为稳定,维持在0.25 s/m2。因此,对于地形平坦、耕地连片等有条件进行规模化生产的区域,可以适当扩大耕作地块面积,达到大型机械进行农业生产的适宜规模,有效提高规模效益。但对于丘陵、山地地区,地块大小受到自然因素限制,可以适当选择中小型机械,达到中小型机械耕作的理想旋耕效率。丘陵、山地地区的地块面积虽然受限,但可以提高地块的规则化程度,进而提高机械旋耕效率。

本文假定机械耕作效率只受地块面积和形状影响,只讨论了地块形状和面积对区域机械旋耕效率的影响,在实际中,机械耕作效率还会受到其他因素影响,如受到人口数量的约束,还会受到当地政府对未来经济相关规划的影响。同时机械旋耕效率还与当地机械化程度、机耕手耕作熟练程度、机械耕作方式、机械型号、当地农田土壤的易耕程度有很大的关系。在同一地区机耕手旋耕作业熟练程度、耕作方式的选择也会影响到机械旋耕效率。同时,本文主要是针对大型机械旋耕作业实验数据开展机械旋耕效率分析,该旋耕机械工作宽幅为 200 cm, 实际上农机耕作效率涉及到旋耕、播种、收获等环节,而这些作业环节的作业效率与动力机械、农机幅宽等密切相关,因此,未来土地整治要充分考虑以上因素,综合确定耕作田块规模。

受到实验条件、实验时间和其他一些因素的限制,几组组合面积只在实验中测算到5 000 m2,未能达到通常土地整理中典型地块的面积,致使本文在分析标准地块形状对机械旋耕效率影响和评价时有一定的缺憾,应在未来的测算研究工作中弥补。

4 结论

(1)旋耕机作业效率受地块形状影响程度较大。地块形状的规则程度影响机械旋耕效率,形状越规整,拐点越少,转弯角度越大,机械旋耕效率越高。在相同的面积梯度上,矩形、梯形比其他形状的机械旋耕效率要高,其中矩形的机械旋耕效率最高,直角三角形的机械旋耕效率最低,在5个形状组合中,组合6的机械旋耕效率最低,其他4组形状组合机械旋耕效率处于较为一致的水平。

(2)面积大于7 000 m2地块是大型机械旋耕作业的适宜规模。随着地块面积的增大,机械旋耕效率不断增加,当地块面积超过7 000 m2时,机械旋耕效率基本保持不变,矩形、梯形地块机械旋耕效率较高,维持在0.25 s/m2,其他形状地块机械旋耕效率较低,维持在0.30 s/m2左右。

(3)案例区地块单元水平机械旋耕效率为0.27 s/m2。其中,中低效地块单元数量最少,占比7.10%;高效地块单元数量最多,占比58.24%。主路东侧区域的土地细碎化程度高于西侧区域,地块单元面积较小,形状也不尽规则,从而极大地降低了区域机械旋耕效率,因此第四疃镇主路西侧的区域高效地块数量多于主路东侧区域,说明形状规则程度对机械旋耕效率有很大的影响。因此,在土地整治过程中不能盲目追求耕作地块面积扩大化,在扩大面积的同时更要保证形状规则化程度。

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Mechanical Tillage Efficiency of Land Consolidation Based on Plot Area and Shape

ZHENG Huihui1 DU Ning2 WEI Chenbo1 ZHANG Chao1 XU Yan1,3

(1.College of Land Science and Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China 2.Grandjoy Holdings Group Co., Ltd., Beijing 100020, China 3.Land Use and Administration Research Center, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

Abstract：In order to quantify the difference in mechanical tillage efficiency of plots with different areas and shapes, and scientifically evaluate the potential of land improvement in mechanical tillage efficiency, a set of standard plots was designed, and a 69.83 kW Dongfanghong LX950 tractor supporting rotary tiller was selected for tillage, with a working width of 200 cm. The mechanical rotary tillage efficiency of plots with different area gradients and shapes was measured by field experiment. On this basis, the coupling relationship and function model of the plot area, shape and mechanical rotary tillage efficiency were established based on regional scale, and the regional mechanical rotary tillage efficiency was modified. The results showed that the regularity of plot shape affected the mechanical rotary tillage efficiency. The more regular the shape was, the higher the mechanical rotary tillage efficiency was. In the same area gradient, the mechanical rotary tillage efficiency of rectangular plots was the highest, followed by trapezoidal plots, and triangle plots were the lowest. With the increase of the land area, the mechanical rotary tillage efficiency was increased continuously. When the land area reached a certain degree, the mechanical rotary tillage efficiency tended to be stable. When the land area exceeded 7 000 m2, the mechanical rotary tillage efficiency basically remained unchanged. The mechanical rotary tillage efficiency of rectangular and trapezoidal plots was higher, maintaining at 0.25 s/m2; the mechanical rotary tillage efficiency of other shaped plots was lower, maintaining at about 0.30 s/m2. The mechanical rotary tillage efficiency at the unit level in the case area was 0.27 s/m2. Among them, the number of low-efficiency land units was the least, accounting for 7.10%. The number of efficient land units was the largest, accounting for 58.24%. The mechanical rotary tillage efficiency in the western part of the case area was greater than that in the eastern part of the case area, mainly because the land fragmentation degree in the eastern part was higher than that in the western part, the land unit area was smaller and the shape was not regular, which greatly reduced the regional mechanical rotary tillage efficiency value. The experimental results showed that plots with an area greater than 7 000 m2 were suitable for large-scale mechanized farming, and both the plot area and the regularity of the shape affected the efficiency of mechanical rotary farming. While expanding the plot area, the land regulation project also needed to ensure the regularity of the plot shape.

Key words：mechanical tillage efficiency; plot area; plot shape; plot unit; land consolidation

中图分类号：F301.2

文献标识码：A

文章编号：1000-1298(2024)07-0232-09

OSID：

doi：10.6041/j.issn.1000-1298.2024.07.022

收稿日期：2023-11-17

修回日期: 2024-02-27

基金项目：国土资源部公益性行业科研专项(201411009)

作者简介：郑慧慧(1998—),女,博士生,主要从事土地整治和土地利用与评价研究,E-mail: zhenghuihui@cau.edu.cn

通信作者：徐艳(1977—),女,副教授,博士生导师,主要从事可持续土地利用管理研究,E-mail: xyan@cau.edu.cn