葉思菁，宋長青，程 鋒，張蕾娜，程昌秀，張 超，楊建宇，朱德海

中國耕地健康產(chǎn)能綜合評價與試點評估研究

葉思菁1,2，宋長青1,2，程 鋒3，張蕾娜3，程昌秀1,2※，張 超4，楊建宇4，朱德海4

（1. 北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京，100875；2. 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，北京，100875；3. 自然資源部國土整治中心，北京，100035；4. 自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點實驗室，北京，100083）

評價中國耕地健康產(chǎn)能狀況，分析危及耕地健康的區(qū)域性關(guān)鍵問題，對探索可持續(xù)的耕地利用路徑，維護(hù)國家糧食安全與生態(tài)安全具有重要意義。耕地健康產(chǎn)能是耕地自然系統(tǒng)與利用系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果，直接計算耕地健康產(chǎn)能狀況是復(fù)雜困難的。因此，該文嘗試采用一種簡化的方法評價耕地健康產(chǎn)能，即分別評價耕地健康與耕地產(chǎn)能狀況，并通過耦合耕地健康與產(chǎn)能，分析耕地利用合理程度與生產(chǎn)能力之間的相互作用特征。其中耕地健康狀況強(qiáng)調(diào)從不同方面評價人對耕地利用的適宜程度并體現(xiàn)區(qū)域耕地不合理利用的主導(dǎo)因素。該文以全國范圍65個縣（市）作為研究對象，應(yīng)用地形特征、土壤性狀、耕作條件、環(huán)境狀況和生物特性5類指標(biāo)整合影響耕地健康的關(guān)鍵因子并評價耕地健康狀況，在此基礎(chǔ)上，通過分析指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差收斂特征與評價因子的評分規(guī)則定義各指標(biāo)的臨界健康與亞健康閾值，將試點縣劃分為健康、亞健康與不健康3類，進(jìn)而分析不同健康狀況的分布特征。同時，綜合區(qū)域氣候條件、耕地自然條件與耕作技術(shù)水平評價耕地產(chǎn)能水平，并分析區(qū)域耕地健康-耕地產(chǎn)能作用特征。結(jié)果表明，試點縣耕地亞健康及不健康類型表現(xiàn)出顯著區(qū)域性特征，不同試點縣限制耕地健康的關(guān)鍵要素存在差異；一方面，耕作條件的亞健康狀況普遍（數(shù)量占比約40%），表現(xiàn)為耕地破碎化嚴(yán)重以及農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施不完善，也反映出高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的迫切需求；另一方面，生物特性形式嚴(yán)峻，表明在氣候條件-土壤結(jié)構(gòu)-耕作技術(shù)等因素相互作用下耕地保障動物健康生長的能力正面臨退化。此外，通過耕地健康與耕地產(chǎn)能耦合分析，該文將試點縣耕地健康產(chǎn)能特征劃分為“健康-高產(chǎn)能”、“健康-低產(chǎn)能”、“亞健康-高產(chǎn)能”、“亞健康-低產(chǎn)能”、“不健康-高產(chǎn)能”、“不健康-低產(chǎn)能”6類，并分析不同類型區(qū)域耕地保護(hù)的重點方向，其中“不健康/亞健康-高產(chǎn)能”區(qū)域分布廣泛，是中國實施藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略的關(guān)鍵地帶，應(yīng)兼顧耕地健康與耕地產(chǎn)能，加強(qiáng)提升耕地健康狀況的方法研究與實踐。該項研究為耕地健康產(chǎn)能提升提供科學(xué)依據(jù)，為不同區(qū)域耕地資源保護(hù)路徑設(shè)計提供有效支撐。

土地利用；地理信息系統(tǒng)；耕地；耕地健康；耕地產(chǎn)能；氣候變化

0 引 言

糧食安全問題是關(guān)系人類可持續(xù)發(fā)展基本需求的世界性問題[1]。FAO報告指出，近年來全球仍有近10億人缺乏飲食保障[2]，并且隨著人口數(shù)量、社會經(jīng)濟(jì)狀況、氣候條件等因素變化，至2050年全球糧食需求將增長近70%[3]（也有研究提出糧食需求增長100%～110%[4]）。2019年8月，IPCC《氣候變化與土地報告》則指出耕地退化在危及糧食安全同時也會加劇氣候變化，可持續(xù)耕地利用對減少土壤侵蝕，消除饑餓以及應(yīng)對氣候變化具有重要作用[5]。這為全球科學(xué)家和政策制定者提出了一個艱巨的挑戰(zhàn)—如何在糧食產(chǎn)量持續(xù)增加的同時，保護(hù)耕地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，滿足農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[6-7]。而中國作為世界人口大國，糧食安全問題長期以來更是備受全球眾多學(xué)者與研究機(jī)構(gòu)廣泛關(guān)注[8]。事實證明，近年來即便快速城鎮(zhèn)化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起優(yōu)質(zhì)耕地資源減少、耕地土壤退化等問題，中國用全球7%的耕地養(yǎng)活22%的人口，實現(xiàn)糧食產(chǎn)量的“十三連增”，為實現(xiàn)聯(lián)合國千年發(fā)展目標(biāo)做出重要貢獻(xiàn)[9-10]。然而，在糧食產(chǎn)量不斷增長同時，化肥農(nóng)藥使用量超標(biāo)、重金屬污染[11]、東北土層變薄[12]、土壤有機(jī)質(zhì)含量下降[13]、地下水位降低[14]等問題也日益加劇，嚴(yán)重制約中國耕地可持續(xù)利用與生態(tài)安全。因此，評價耕地健康產(chǎn)能狀況，分析不同區(qū)域危及耕地健康的關(guān)鍵問題，對探索可持續(xù)的耕地利用路徑，維護(hù)國家糧食安全與生態(tài)安全具有重要意義。

從概念與內(nèi)涵角度梳理，國內(nèi)外與耕地健康產(chǎn)能相關(guān)的研究主要集中在土壤健康、生態(tài)系統(tǒng)健康、耕地產(chǎn)能等方面。在土壤健康方面，1941年，Leopold首先提出土地健康是指土地被人類占用但其功能沒有被破壞的狀態(tài)，土地有機(jī)體具有自我更新能力，并使用土地疾病來描繪土地功能紊亂[15]。Rapport與Sparling等則提出相比于土壤質(zhì)量，土壤健康更側(cè)重于土壤內(nèi)在屬性的狀態(tài)而忽略其對確切功能的考量（后者正是土壤質(zhì)量評價的重點）[16-17]。Hodgson與Kumar等也分別探討了耕地健康的內(nèi)涵[18-19]。在生態(tài)系統(tǒng)健康方面，眾多學(xué)者提出通過活力、組織結(jié)構(gòu)和恢復(fù)力等特征來表達(dá)生態(tài)系統(tǒng)所具有穩(wěn)定性和持續(xù)性[20-22]。在耕地產(chǎn)能方面，眾多學(xué)者認(rèn)為耕地產(chǎn)能即耕地綜合生產(chǎn)能力，是一定時期、一定經(jīng)濟(jì)與地域條件下形成的耕地生產(chǎn)能力，并研究不同尺度下耕地的理論產(chǎn)能、可實現(xiàn)產(chǎn)能與實際產(chǎn)量相互關(guān)系[23-26]。上述研究均已形成相對完整的概念和內(nèi)涵，并對耕地健康產(chǎn)能有重要借鑒作用，但未能對自然-社會-經(jīng)濟(jì)綜合影響的耕地健康產(chǎn)能進(jìn)行系統(tǒng)性的理論梳理。在上述研究基礎(chǔ)上，近年來中國學(xué)者開始逐漸關(guān)注耕地健康產(chǎn)能的概念與內(nèi)涵。葉興慶等提出“五毒產(chǎn)能”，歸納了5種不健康的耕地產(chǎn)能挖掘模式[27]。李強(qiáng)等人提出耕地健康內(nèi)涵[28]，并構(gòu)建由耕地質(zhì)量、產(chǎn)能和土壤環(huán)境組成的耕地健康多層次模糊評價體系，評價研究區(qū)耕地的健康、亞健康和不健康狀態(tài)[29]。本文采用鄖文聚等的觀點[30]，認(rèn)為健康產(chǎn)能是耕地利用過程中各種功能的正常體現(xiàn)，始終具備持續(xù)、穩(wěn)定地進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能力，具有自我調(diào)節(jié)和對損害的恢復(fù)能力，在一個完整的生產(chǎn)周期內(nèi)能夠通過耕地的自凈能力實現(xiàn)自我更新，且生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品不會對人體健康造成影響。

從評價方法角度梳理，20世紀(jì)60年代以來，美國、英國、荷蘭、澳大利亞等國均開展了土地評價方面的研究工作，但多以土地分類和土地潛力分類為主，例如美國于1961年采用劃分土地利用潛力等級的方法，從土壤特征出發(fā)進(jìn)行土地潛力評價，分為潛力級、亞潛力級和潛力單位3級[31]。1976年，F(xiàn)AO頒布的“土地評價綱要”從土地適宜性角度，應(yīng)用綱、類、亞類、單元4級評價土地生產(chǎn)的適宜性程度、限制性因素與管理需求，并被廣泛應(yīng)用于各國土地評價項目[32-35]。至80年代末，隨著人口增長、土地退化和環(huán)境問題的日益加劇，土地可持續(xù)利用問題逐漸成為該領(lǐng)域研究重點，而“土地評價綱要”由于缺乏空間、過程和動態(tài)分析，未能指出土地利用持續(xù)性問題，逐漸無法滿足應(yīng)用需求[36-38]。1993年，F(xiàn)AO制定“可持續(xù)土地利用管理大綱”，從生產(chǎn)、穩(wěn)定、可行、可承受、保護(hù)性進(jìn)行土地可持續(xù)評價[39]。2001年起，康奈爾土壤健康團(tuán)隊綜合考慮數(shù)據(jù)獲取的難易程度與農(nóng)戶的可接受度，確定了13項指標(biāo)（包括物理指標(biāo)5項，生物指標(biāo)4項，化學(xué)指標(biāo)4項）綜合評定土壤健康狀況[40]。Vincent等人應(yīng)用縮減回歸（RR），主成分回歸（PCR），偏最小二乘回（PLSR），等方法分析了10種土壤理化屬性指標(biāo)的相互作用特征，并提出土壤有機(jī)碳，土壤容重，碳氮比與導(dǎo)電率是影響土壤質(zhì)量的最主要變量[41]。然而，上述研究更多關(guān)注“土壤在生態(tài)系統(tǒng)和土地利用范圍內(nèi)發(fā)揮作用以維持生物生產(chǎn)能力、維持環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)植物和動物健康的能力”[42]，缺乏對影響耕地可持續(xù)利用的各種核心要素的綜合分析。2016年，美國自然保護(hù)協(xié)會針對土壤退化嚴(yán)重問題制定土壤健康路線圖[43]，從科學(xué)，經(jīng)濟(jì)與政策3方面提出建議，以期推動美國農(nóng)田管理模式轉(zhuǎn)變，為耕地保護(hù)與利用提供指導(dǎo)。該研究將增強(qiáng)氣候-土壤-耕作系統(tǒng)綜合認(rèn)知分析作為未來重要發(fā)展方向。此外，由于中國幅員遼闊，區(qū)域氣候-土壤-基礎(chǔ)設(shè)施-自然資源-社會經(jīng)濟(jì)條件差異化特征復(fù)雜，也提升了耕地評價的難度。2008年，農(nóng)業(yè)部以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、提升耕地產(chǎn)量為目標(biāo)頒布《耕地地力調(diào)查與質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)程》[44]，從耕地地力和土壤環(huán)境質(zhì)量2個方面評價耕地質(zhì)量，取得良好的應(yīng)用成果，但一定程度上未能體現(xiàn)氣候條件與基礎(chǔ)設(shè)施條件對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。原國土資源部也先后頒布《農(nóng)用地質(zhì)量分等規(guī)程》[45]與《土地質(zhì)量地球化學(xué)評價規(guī)范》[46]，以耕地資源保護(hù)為目標(biāo)系統(tǒng)全面地調(diào)查農(nóng)用地產(chǎn)能狀況、土壤養(yǎng)分元素、土壤重金屬環(huán)境、灌溉水環(huán)境、大氣干濕沉降物等指標(biāo)，但存在相關(guān)成果缺乏統(tǒng)一梳理整合，無法反映土壤動物活性等問題。

綜上所述，耕地健康產(chǎn)能是耕地自然系統(tǒng)與利用系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果，其中耕地產(chǎn)能較大程度上是由自然系統(tǒng)主導(dǎo)的（如光照、溫度、降水、土壤理化性質(zhì)等），而耕地健康問題則主要由于人類的不合理利用。并且由于耕地健康產(chǎn)能的內(nèi)涵豐富，影響耕地健康產(chǎn)能的因素眾多且作用過程復(fù)雜，直接計算耕地健康產(chǎn)能狀況是困難的。因此，本文嘗試采用一種簡化的方法評價耕地健康產(chǎn)能，即分別評價耕地健康與耕地產(chǎn)能狀況，并通過耦合耕地健康與產(chǎn)能分析耕地利用合理程度與生產(chǎn)能力之間的相互作用特征。其中耕地健康狀況強(qiáng)調(diào)從不同方面評價人對耕地利用的適宜程度并體現(xiàn)區(qū)域耕地不合理利用的主導(dǎo)因素。在此基礎(chǔ)上，本文根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)耕作制度[47]差異在全國范圍選取65個縣（市）作為研究區(qū)域，從地形特征、土壤性狀、耕作條件、環(huán)境狀況和生物特性5個維度梳理影響耕地健康的關(guān)鍵因子并評價耕地健康狀況，綜合區(qū)域氣候條件、耕地自然條件與耕作技術(shù)水平評價耕地產(chǎn)能水平，并分析區(qū)域耕地健康-耕地產(chǎn)能作用特征，以期為不同區(qū)域耕地資源保護(hù)路徑設(shè)計提供支持。

1 方 法

1.1 耕地健康評價方法

耕地健康格局由包含土壤結(jié)構(gòu)、耕作技術(shù)、土壤養(yǎng)分含量、污染狀況、生物群落狀態(tài)等在內(nèi)的多因素間復(fù)雜相互作用形成，并且這種復(fù)雜相互作用可能由于區(qū)域水熱條件與自然-社會-經(jīng)濟(jì)格局差異而表現(xiàn)出不同的特征。因此，耕地健康保護(hù)與提升需要厘清影響耕地可持續(xù)利用的關(guān)鍵因素。本文耕地健康評價在溫良友[48-49]等耕地質(zhì)量評價體系基礎(chǔ)上面向不同區(qū)域分異特征梳理修正評價指標(biāo)（表1），應(yīng)用地形特征系數(shù)、土壤性狀系數(shù)、耕作條件系數(shù)、環(huán)境狀況系數(shù)和生物特性系數(shù)5類指標(biāo)表達(dá)人對耕地利用的合理程度，評價單元為耕地地塊圖斑。其中，地形特征旨在從地形形態(tài)對水肥供給與運移的影響角度評價耕地地理位置的合理度；土壤性狀綜合體現(xiàn)耕地土壤的物理和化學(xué)特性對作物生長的適宜性；耕作條件體現(xiàn)人對耕地進(jìn)行的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和改造狀況；環(huán)境狀況表達(dá)耕地面臨的污染程度；生物特性表達(dá)耕地利用對動物健康生長的影響，應(yīng)用物種指示方法[50]，通過單位面積土壤蚯蚓數(shù)量計算。

表1 耕地健康評價指標(biāo)體系（除環(huán)境狀況）與賦分規(guī)則

在實際評價過程中，本研究首先依據(jù)區(qū)域水熱條件，以“不損傷耕地利用可持續(xù)性前提下最大限度發(fā)揮耕地生產(chǎn)潛力”為標(biāo)準(zhǔn)制定不同縣區(qū)的適宜種植制度[47]。隨后應(yīng)用德爾菲法針對不同二級分區(qū)遴選區(qū)域備選因子并設(shè)計各評價因子權(quán)重與評價指標(biāo)權(quán)重；同時我們預(yù)先結(jié)合經(jīng)驗知識定義各評價因子的評分規(guī)則（表1），以將不同量綱的評價因子觀測/調(diào)查數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一標(biāo)準(zhǔn)[51-52]。其中地形特征，土壤性狀與耕作條件通過評價因子加權(quán)平均計算；環(huán)境狀況系數(shù)計算在應(yīng)用單項污染指數(shù)法分別評價土壤與灌溉水中某種元素的污染程度基礎(chǔ)上采用“1+土+水”累加模型突出高濃度污染元素對耕地環(huán)境的影響。如式（1）所示

式中土和水分別為土壤重金屬污染與灌溉水環(huán)境影響系數(shù)；表示《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB15618—2008》[53]中砷（As）、鉻（Cr）、鎘（Cd）、銅（Cu）、汞（Hg）、鉛（Pb）、鎳（Ni）和鋅（Zn）8個重金屬元素指標(biāo)的實測含量，mg/kg；則為GB15618中規(guī)定的相應(yīng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg；P表示對應(yīng)分值（表2），當(dāng)小于或等于1時，評價指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)，等級為1級，P為0；當(dāng)大于1時，指標(biāo)含量高于GB15618標(biāo)準(zhǔn)值，P隨著增大而減??；取值為P最小值,且當(dāng)大于5時耕地退出使用，環(huán)境狀況系數(shù)為0。同理，與分別表示《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB5084—2005》[54]中水質(zhì)評價指標(biāo)（例如總砷、六價鉻、總鎘、總汞、總鉛等）的實測含量與標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L，當(dāng)水j大于1時，指標(biāo)含量高于標(biāo)準(zhǔn)值，等級為2級，P為-0.1。生物特性則計算“土壤蚯蚓數(shù)量對應(yīng)分值/100”。

表2 耕地環(huán)境狀況評價指標(biāo)體系與賦分規(guī)則

1.2 耕地產(chǎn)能評價方法

耕地產(chǎn)能是指一定時期內(nèi)一個地區(qū)在一定經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件下，由各生產(chǎn)要素特別是長期要素（自然條件，技術(shù)條件）綜合投入所形成的、可以穩(wěn)定實現(xiàn)一定產(chǎn)量的糧食產(chǎn)出能力[55]。產(chǎn)量是指實際種植的糧食作物，在應(yīng)對作物生長期各種自然、經(jīng)濟(jì)、社會、技術(shù)條件變化下，在耕地面積上實現(xiàn)的實際糧食產(chǎn)出數(shù)量。從邏輯關(guān)系上看，耕地產(chǎn)能是本，糧食產(chǎn)量是相。耕地產(chǎn)能是糧食產(chǎn)量的前提和基礎(chǔ)，只有耕地產(chǎn)能得到根本提升和良好保育，糧食產(chǎn)量才有可能提高。產(chǎn)量是產(chǎn)能的有效釋放和挖掘，產(chǎn)量接近產(chǎn)能或高于產(chǎn)能，表現(xiàn)為耕地過渡挖掘利用；產(chǎn)量遠(yuǎn)低于產(chǎn)能，則表現(xiàn)為耕地利用不足，如圖1示。張晉科等通過對比耕地生產(chǎn)能力與糧食現(xiàn)實產(chǎn)量分析全國耕地利用程度，提出利用程度高的區(qū)域主要分布在東南沿海省份、東北省份以及自然條件差的青海、西藏兩省，而利用低的省份主要分布在中國北部以及南部的云貴高原區(qū)[56]。

圖1 耕地產(chǎn)能與作物產(chǎn)量關(guān)系

本文耕地產(chǎn)能評價通過綜合區(qū)域氣候條件系數(shù)，耕地自然條件系數(shù)與技術(shù)水平系數(shù)表達(dá)天地相互作用形成的耕地生產(chǎn)力水平和產(chǎn)出效果。在實際評價過程中，本研究一方面以種植制度為參考，將物候觀測數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)導(dǎo)入AEZ模型[57-58]，計算不同縣級行政區(qū)相關(guān)作物對應(yīng)的光溫/氣候生產(chǎn)潛力與產(chǎn)量比系數(shù)。其中根據(jù)耕地灌溉條件區(qū)分灌溉農(nóng)業(yè)與雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，相應(yīng)計算光溫生產(chǎn)潛力或氣候生產(chǎn)潛力，并應(yīng)用試驗田產(chǎn)量數(shù)據(jù)修正；用于將不同作物的單產(chǎn)轉(zhuǎn)換到同一種作物。另一方面應(yīng)用德爾菲法遴選區(qū)域備選因子并設(shè)計各評價因子權(quán)重（表3），并預(yù)先定義各評價因子的評分規(guī)則（表1），以將不同量綱的評價因子觀測/調(diào)查數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一標(biāo)準(zhǔn)。耕地產(chǎn)能指數(shù)計算公式如下

表3 耕地產(chǎn)能評價指標(biāo)體系

2 試驗數(shù)據(jù)

3 試驗與分析

3.1 耕地健康格局分析

本文嘗試從5種評價指標(biāo)維度，分析限制耕地健康的關(guān)鍵因素。圖2a～2e分別列出了縣級地形特征系數(shù)、土壤性狀系數(shù)、耕作條件系數(shù)、環(huán)境狀況系數(shù)與生物特性系數(shù)平均值與其相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差的相關(guān)性特征。如圖所示，一方面，各系數(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)差無顯著的線性相關(guān)特征，2均小于0.48；另一方面，隨著平均值增大，各系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差均趨于減小，這表明對于某種系數(shù)平均水平較高的試點縣，其縣內(nèi)不同耕地地塊對應(yīng)的該系數(shù)的離散程度低，表現(xiàn)出更高的一致性。在此基礎(chǔ)上，本文將這種標(biāo)準(zhǔn)差收斂特征與各評價因子的評分規(guī)則相結(jié)合，定義各系數(shù)的臨界健康閾值與臨界亞健康閾值，如圖2f所示。以耕作條件系數(shù)為例，其平均值大于75的樣點，相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差顯著收斂，樣點分布表現(xiàn)出更高的聚集特征（即高頻特征）；并且隨著平均值減小，樣點頻率逐漸降低，高頻數(shù)據(jù)與低頻數(shù)據(jù)在平均值約為50處產(chǎn)生間斷（這種間斷可以視為自然分類法的基礎(chǔ)[59]）；此外，相關(guān)評分規(guī)則中應(yīng)用分值80（或90）表征評價因子較好狀態(tài)，分值60（或70）表征中等狀態(tài)，分值40（或50）表征較差狀態(tài)；綜上，本文定義耕作條件系數(shù)的臨界健康閾值為75，臨界亞健康閾值為50。

a. 地形特征系數(shù)相關(guān)性分析 a. Correlation analysis of topographic feature coefficientb. 土壤性狀系數(shù)相關(guān)性分析 b. Correlation analysis of soil property coefficientc. 耕作條件系數(shù)相關(guān)性分析 c. Correlation analysis of farming condition coefficient

d. 環(huán)境狀況系數(shù)相關(guān)性分析 d. Correlation analysis of environmental status coefficiente. 生物特性系數(shù)相關(guān)性分析 e. Correlation analysis of biological property coefficientf. 臨界健康-臨界亞健康閥值設(shè)計 f. Critical threshold of health and sub-health status

如圖3所示，本文依據(jù)臨界健康閾值與臨界亞健康閾值將試點縣劃分為健康（A類），亞健康（B類）與不健康（C類）3類，對于5種系數(shù)均大于（或等于）臨界健康閾值的試點縣歸于A類；對于存在一個或多個系數(shù)小于臨界亞健康閾值的試點縣歸于C類，其它則歸于B類。對于A類試點縣，影響耕地可持續(xù)利用的關(guān)鍵因素均處于良好水平，耕地安全在一定時期內(nèi)得以保障；對于B類試點縣，部分因素由于耕地不合理利用而逐漸退化并成為耕地健康隱患，應(yīng)側(cè)重厘清制約耕地利用的短板與驅(qū)動因子，及其預(yù)防與提升策略；對于C類試點縣，耕地健康面臨嚴(yán)重威脅，應(yīng)以治理為主，通過土地整治工程與減小耕地利用強(qiáng)度（例如休耕）等方法改善耕地健康狀況，并加強(qiáng)耕地健康評價指標(biāo)監(jiān)測。在空間分布特征方面，A類與B類試點縣多分布在中國東部地區(qū)，例如長江中下游區(qū)，江南區(qū)，東北區(qū)以及黃淮海區(qū)等；其中A類試點縣集中分布在東部平原地區(qū)，如黃淮平原，江淮平原，沿江平原，松嫩平原等；C類試點縣橫跨中國北部地區(qū)，在云貴高原與四川盆地交界地帶以及南部沿海地區(qū)也存在樣例，并且相關(guān)地形顯著為山地或丘陵；而B類試點縣作為A類與C類間的過渡類型，分布最為廣泛，在山地區(qū)與平原區(qū)均有樣例。

圖4a～4c分別展示3類試點縣對應(yīng)的評價指標(biāo)分布特征，圖4d則統(tǒng)計不同評價指標(biāo)健康、亞健康以及不健康狀態(tài)對應(yīng)的試點縣數(shù)量。如圖所示，不同試點縣限制耕地健康的關(guān)鍵要素表現(xiàn)出顯著區(qū)域性特征，耕地健康保護(hù)路徑研究需要面向區(qū)域?qū)嶋H“短板”問題。對于不同類型試點縣，生物特性系數(shù)分布離散程度均顯著高于其它評價指標(biāo)；大部分B類試點縣的“短板”在于生物特性系數(shù)與耕作條件系數(shù)，其它評價指標(biāo)基本處于健康狀態(tài)；而大部分C類試點縣的生物特性系數(shù)低于亞健康臨界閾值，其它評價指標(biāo)低于亞健康臨界閾值的現(xiàn)象很少。由圖4d可見，本研究中存在地形特征、土壤性狀與環(huán)境狀況處于亞健康或不健康狀態(tài)的試點縣樣例，但這種現(xiàn)象并不普遍。比較而言，一方面，耕作條件的亞健康狀況更為普遍，表現(xiàn)為耕地破碎化嚴(yán)重以及農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施不完善，也反映出高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的迫切需求。另一方面，生物特性形式嚴(yán)峻，表明耕地保障動物健康生長的能力正面臨退化，這可能與近40a來耕地利用強(qiáng)度持續(xù)加大，農(nóng)藥、化肥、除草劑大量使用，農(nóng)機(jī)裝備趨于中重型，缺乏深耕細(xì)作及土壤有機(jī)質(zhì)含量下降有關(guān)，也與蚯蚓數(shù)量區(qū)域分異特征以及缺乏長期觀測實踐經(jīng)驗有一定聯(lián)系。此外，通過土地平整、規(guī)?；?jīng)營、加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等能夠在較長期間內(nèi)有效提升并維持耕作條件水平，而生物特性狀況面臨成因復(fù)雜、觀測體系不完善、改良困難、變化性強(qiáng)等難題，亟需進(jìn)一步完善評價指標(biāo)與觀測評價方法，加強(qiáng)多因素綜合作用過程認(rèn)知研究。

圖3 試點縣健康-亞健康-不健康類型空間分布特征

a. A類試點縣系數(shù)分布特征 a. Coefficient characteristics of counties belong to class Ab. B類試點縣系數(shù)分布特征 b. Coefficient characteristics of counties belong to class Bc. C類試點縣系數(shù)分布特征 c. Coefficient characteristics of counties belong to class Cd. 不同健康狀態(tài)對應(yīng)試點縣數(shù)量 d. Pilot county count of different health status

3.2 耕地產(chǎn)能格局分析

圖5 試點縣耕地產(chǎn)能格局

3.3 耕地健康-產(chǎn)能耦合分析

耕地健康與耕地產(chǎn)能各有側(cè)重又緊密聯(lián)系：一方面，耕地健康側(cè)重體現(xiàn)區(qū)域耕地不合理利用的主導(dǎo)因素，耕地產(chǎn)能則側(cè)重刻畫天地綜合作用形成的耕地生產(chǎn)力水平；另一方面，耕地健康是影響耕地產(chǎn)能的重要因素，不健康的耕地往往較大程度上限制作物生長過程對區(qū)域水-熱-肥條件的利用，而對耕地產(chǎn)能的過度挖掘也易于引發(fā)耕地健康問題。因此分析耕地健康與耕地產(chǎn)能的關(guān)聯(lián)特征，對認(rèn)知區(qū)域耕地保護(hù)的重點方向具有重要參考作用。

本文通過建立耕地健康類型與耕地產(chǎn)能指數(shù)的組合關(guān)系，將試點縣耕地健康產(chǎn)能特征劃分為“健康-高產(chǎn)能”、“健康-低產(chǎn)能”、“亞健康-高產(chǎn)能”、“亞健康-低產(chǎn)能”、“不健康-高產(chǎn)能”、“不健康-低產(chǎn)能”6類，并統(tǒng)計不同類型試點縣對應(yīng)歸一化耕地平均產(chǎn)能以及地形特征、土壤性狀、耕作條件、環(huán)境狀況、生物特性平均值，如圖6所示。對比統(tǒng)計結(jié)果，健康（-低產(chǎn)能/高產(chǎn)能）類耕地相較于同等產(chǎn)能水平的不健康、亞健康耕地顯著表現(xiàn)出更高的平均產(chǎn)能，反映出耕地健康對耕地產(chǎn)能的正向促進(jìn)作用；健康/亞健康-高/低產(chǎn)能4種類型試點縣對于生物特性指標(biāo)差異大，而對其他4項指標(biāo)差異較小，反映出生物特性指標(biāo)對耕地健康-產(chǎn)能耦合關(guān)系的指示性作用；相比不健康-低產(chǎn)能類型，不健康-高產(chǎn)能類型的土壤性狀與生物特性水平更低，反映出不健康狀態(tài)下產(chǎn)能高的耕地面臨更大的退化風(fēng)險。此外，不健康-低產(chǎn)能類型的地形特征，耕作條件與環(huán)境狀況均顯著較低，這可能表現(xiàn)出該類耕地?zé)o序開墾、投入不足、粗放利用的問題。“健康-高產(chǎn)能”地區(qū)在長江中下游及黃淮海南部地區(qū)形成聚集，是中國糧食核心產(chǎn)區(qū)的重要體現(xiàn)，同時也是重點防護(hù)區(qū)域，需要加強(qiáng)觀測以防止耕地過度利用引發(fā)土壤、環(huán)境、資源、生態(tài)等方面問題?！皝喗】?高產(chǎn)能”地區(qū)具有良好的糧食產(chǎn)出能力，對于中國糧食安全有重要影響，是中國實施藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略的關(guān)鍵地帶；但不合理的利用已經(jīng)危及耕地可持續(xù)性，表現(xiàn)出耕地健康-產(chǎn)能不平衡特征，因此，對于這類區(qū)域耕地保護(hù)的重點方向應(yīng)兼顧耕地健康與耕地產(chǎn)能，加強(qiáng)提升耕地健康狀況的方法研究與實踐，同時以不惡化健康狀況為目標(biāo)研究合理的耕地利用強(qiáng)度。“不健康-低產(chǎn)能”類型主要分布在中國北部地區(qū)，對于這類區(qū)域應(yīng)重點關(guān)注耕地健康修復(fù)，例如通過休耕、輪作等方式修復(fù)土壤性狀問題嚴(yán)重區(qū)域或生態(tài)嚴(yán)重退化地區(qū)。

注：耕地健康產(chǎn)能類型分別為：不健康-低產(chǎn)能類型、不健康-高產(chǎn)能類型、亞健康-低產(chǎn)能類型、亞健康-高產(chǎn)能類型、健康-低產(chǎn)能類型、健康-高產(chǎn)能類型。

4 討 論

耕地健康產(chǎn)能是耕地自然系統(tǒng)與利用系統(tǒng)綜合作用的結(jié)果，既包含影響耕地健康格局的自然環(huán)境要素和社會經(jīng)濟(jì)要素，也包含人類利用導(dǎo)致的不穩(wěn)定要素。本文在整合已有評價指標(biāo)體系與評價方法成果基礎(chǔ)上，計算全國65個試點縣影響耕地健康的關(guān)鍵要素格局，并通過耦合耕地健康與耕地產(chǎn)能格局分析兩者間相互作用特征，以期為不同區(qū)域耕地資源保護(hù)路徑設(shè)計提供信息支持，但仍存在不足：

1）生物特性狀況是氣候條件-土壤結(jié)構(gòu)-土壤養(yǎng)分-耕作技術(shù)等多因素作用的結(jié)果，面臨成因復(fù)雜、改良困難、變化性強(qiáng)等難題。蚯蚓活動對提高和保持土壤肥力，土壤結(jié)構(gòu)和團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有重要作用[60-61]。實驗表明，草地中蚯蚓的缺失增加了土壤容重和抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而大大降低了土壤有機(jī)質(zhì)、土壤水分和入滲率[62]。泥漿，氨基無機(jī)肥料，酸化肥料，有機(jī)磷農(nóng)藥以及高強(qiáng)度耕作均可能對蚯蚓的繁殖或生長產(chǎn)生不利影響[63-69]。同時，土壤微生物群落是創(chuàng)造和保持良好土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，例如通過改善通風(fēng)和腐殖質(zhì)影響顆粒團(tuán)聚體的形成。絲狀真菌和放線菌尤其能吸附土壤顆粒，使其形成團(tuán)聚體。此外，細(xì)胞外代謝物，如多糖、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)，具有穩(wěn)定聚集物的功能[70-73]。但由于計算微生物物種多樣性的難度，以及解釋土壤呼吸測試的難度而應(yīng)用較少[74-76]。此外，研究表明土壤有機(jī)碳是土壤生物群落動力學(xué)的最佳代表，在農(nóng)田的肥力、土壤水分有效性和團(tuán)聚體穩(wěn)定性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[77]。本文從數(shù)據(jù)易獲取性角度考慮，選擇土壤蚯蚓數(shù)量表征該項指標(biāo)，存在評價指標(biāo)單一、觀測經(jīng)驗不足、觀測體系不完善、觀測數(shù)據(jù)積累較少等不足，因此在未來的研究中亟需進(jìn)一步加強(qiáng)多因素作用過程認(rèn)知研究，研究微生物群落、有益微生物種群數(shù)等指標(biāo)作用特征，完善評價指標(biāo)與觀測調(diào)查技術(shù)。

2）耕地系統(tǒng)是一個由多種要素組成、組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜、演化方向多樣，具有區(qū)域差異特征、區(qū)域綜合特征的復(fù)雜巨系統(tǒng)。以資源可持續(xù)利用為目標(biāo)的耕地健康產(chǎn)能評價研究已經(jīng)進(jìn)入系統(tǒng)階段。傳統(tǒng)的多要素加權(quán)平均方法沿襲自然科學(xué)研究“還原論”經(jīng)典的思維邏輯，因在很大程度上忽略了要素的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和相互作用關(guān)系，不能表達(dá)耕地整體特征而逐漸無法滿足應(yīng)用需求[78-79]。因此，耕地健康產(chǎn)能評價指標(biāo)綜合方法研究需要在已有數(shù)據(jù)成果基礎(chǔ)上，促發(fā)從模式思維向數(shù)據(jù)思維轉(zhuǎn)變，通過研究評價因子空間分異特征及因子間相互作用過程認(rèn)知耕地系統(tǒng)變化規(guī)律，創(chuàng)建耦合的土地計算方法體系。

3）在耕地健康評價指標(biāo)設(shè)計方面，本文從地形特征、土壤性狀、耕作條件、環(huán)境狀況和生物特性5個方面計算表達(dá)人對耕地利用的適宜程度，這與國外土壤健康、土壤質(zhì)量評價研究側(cè)重土壤物理、化學(xué)與生物性質(zhì)[80]是一致的。此外考慮到耕地侵占、破碎化嚴(yán)重、技術(shù)水平不足等中國特色問題，本文進(jìn)一步集成地形特征與耕作條件方面的評價。本文試點研究表明耕作條件的亞健康狀況較為普遍，反映出高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的迫切需求。耕地健康內(nèi)涵豐富，涉及因素眾多，例如耕作方式（輪作/保護(hù)性耕作/免耕/覆蓋作物）、利用強(qiáng)度、水資源承載力、農(nóng)作物安全、大氣環(huán)境等均是影響耕地健康的重要因素。后續(xù)研究中我們將完善評價指標(biāo)體系，更全面表達(dá)耕地健康狀況。

4）在評價因子數(shù)據(jù)獲取方面，本研究以縣級行政區(qū)為單元開展評價研究，相關(guān)數(shù)據(jù)多來源于已有資料成果（例如縣級土壤普查成果、縣級地球化學(xué)調(diào)查成果、縣級耕地質(zhì)量等級評價成果、縣級水利普查數(shù)據(jù)等），存在數(shù)據(jù)年份不一致的現(xiàn)象；少量數(shù)據(jù)來源于實地采樣檢測或外業(yè)調(diào)查（例如土壤理化性質(zhì)檢測，灌溉保障程度外業(yè)調(diào)查等），存在數(shù)據(jù)采集人工成本高、數(shù)據(jù)更新周期長等問題；此外，部分評價因子（例如災(zāi)害防治水平和農(nóng)藝管理水平）的判定標(biāo)準(zhǔn)以定性描述為主，數(shù)據(jù)采集難度大，并受外業(yè)人員主觀認(rèn)識、知識水平及對當(dāng)?shù)厍闆r了解程度影響較大，不利于調(diào)查成果的橫向?qū)Ρ取Ｒ虼?，需要進(jìn)一步研究基于遙感與地面?zhèn)鞲芯W(wǎng)絡(luò)的評價因子數(shù)據(jù)采集獲取方法與技術(shù)[81-84]，發(fā)展?jié)M足客觀快速觀測需求的評價因子指標(biāo)體系，加強(qiáng)數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確性、時效性與統(tǒng)一可比性。

5）閾值確定是國內(nèi)外生態(tài)系統(tǒng)健康、土壤健康、土壤質(zhì)量等方面研究廣泛面臨的難題。相關(guān)方法包括基于專業(yè)知識的德爾菲法，基于指標(biāo)空間格局的多項式擬合方法[85]以及基于長期觀測數(shù)據(jù)的機(jī)理模型方法[86]，其中機(jī)理模型方法最為客觀，但由于機(jī)理過程復(fù)雜在實際應(yīng)用中往往針對單個評價因子，在多因子綜合研究中難以應(yīng)用。本文對于耕地健康-亞健康臨界閾值確定嘗試采用將前兩種方法相結(jié)合，以專家知識為主導(dǎo)并應(yīng)用指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差收斂特征修正，目的是將地塊尺度的因子內(nèi)在屬性評分與縣域尺度指標(biāo)一致性特征結(jié)合，但由于缺乏機(jī)理模型而存在可解釋性不足的問題。因此，在未來亟需進(jìn)一步加強(qiáng)評價指標(biāo)狀態(tài)-壓力-響應(yīng)過程研究，發(fā)展耕地健康評價閾值確定方法。

5 結(jié) 論

本文以全國范圍65個縣（市）作為研究區(qū)域，應(yīng)用地形特征、土壤性狀、耕作條件、環(huán)境狀況和生物特性5類指標(biāo)整合影響耕地健康的關(guān)鍵因素并評價耕地健康狀況，在此基礎(chǔ)上通過分析指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)差收斂特征與評價因子的評分規(guī)則，定義各指標(biāo)的臨界健康閾值與臨界亞健康閾值，將試點縣劃分為健康、亞健康與不健康3類，進(jìn)而分析不同健康狀況的分布特征。同時，綜合區(qū)域氣候條件、耕地自然條件與耕作技術(shù)水平評價耕地產(chǎn)能水平，并分析研究區(qū)域耕地健康-耕地產(chǎn)能作用特征。研究表明，試點縣耕地亞健康及不健康類型表現(xiàn)出顯著區(qū)域性特征，不同試點縣限制耕地健康的關(guān)鍵要素存在差異；一方面，耕作條件的亞健康狀況更為普遍，表現(xiàn)為耕地破碎化嚴(yán)重以及農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施不完善，也反映出高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的迫切需求；另一方面，生物特性形式嚴(yán)峻，表明在氣候條件-土壤結(jié)構(gòu)-耕作方式等因素相互作用下耕地保障動物健康生長的能力正面臨退化。此外，通過耕地健康與耕地產(chǎn)能耦合分析，本文將試點縣耕地健康產(chǎn)能特征劃分為“健康-高產(chǎn)能”、“健康-低產(chǎn)能”、“亞健康-高產(chǎn)能”、“亞健康-低產(chǎn)能”、“不健康-高產(chǎn)能”、“不健康-低產(chǎn)能”6類，并分析不同類型區(qū)域耕地保護(hù)的重點方向。

致 謝

感謝張鳳榮，孔祥斌，吳克寧，高培超，沈石對本文指標(biāo)體系的討論與建議。感謝北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部地理數(shù)據(jù)與應(yīng)用分析中心地學(xué)高性能計算平臺支持[https://gda.bnu.edu.cn/]。

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Cultivated land health-productivity comprehensive evaluation and its pilot evaluation in China

Ye Sijing1,2, Song Changqing1,2, Cheng Feng3, Zhang Leina3, Cheng Changxiu1,2※, Zhang Chao4, Yang Jianyu4, Zhu Dehai4

(1.100875;2.100875; 3.100035; 4.100083)

Evaluation of the healthy productivity of cultivated land in China, analysis of key problems of different regions that endangers cultivated land health is of great significance to explore sustainable cultivated land utilization path and safeguard national food security and ecological security. The evaluation of cultivated land healthy productivity should be executed base on integration of existing evaluation indicators system and evaluation method achievements and clarification of key factor states and driving processes that affecting cultivated land health from the perspective of cultivated land components. And interaction characteristics between cultivated land health and cultivated land productivity should be analyzed by coupling them with each other. In this paper, we selected 65 counties (cities) nationwide as research regions with considering the difference of climate conditions in different regions of China, and used 5 categories of indicators including topographic characteristics, soil properties, tillage conditions, environmental conditions and biological characteristics to present the cultivated land health status. And on that basis, we defined critical health threshold and critical sub-health threshold of different indicators by analyzing counties’ indicator standard deviation convergence characteristics and scoring rules. We divided all pilot counties into three statuses: Health, sub-health and unhealth, and analyzed spatial distribution features of counties with different health status. Furthermore, regional climate conditions indicator, cultivated land natural conditions indicator and tillage technique level indicator had been synthetically integrated to evaluate the productivity of cultivated land, and regional cultivated land health-productivity interaction characteristic had been analyzed. Experimental result showed that counties whose cultivated land in sub-healthy or unhealthy status expressed significant regional features, and the key factors of limiting cultivated land health were different among pilot counties. On the one hand, the sub-health status cases caused by inferior farming conditions indicator were more common (accounting for nearly 40% of pilot counties) than other indicators, which was not only manifested by serious fragmentation of cultivated land and imperfect farmland infrastructure, but also reflected the urgent requirement for promoting high-standard farmland construction. On the other hand, the form of biological characteristics was severe, indicating that under the interaction of climatic conditions, soil structure and tillage technology, the ability of cultivated land to guarantee the healthy growth of animals was facing degradation. Furthermore, through coupling analysis of cultivated land health and cultivated land productivity, we divided the cultivated land healthy productivity characteristics of pilot counties into six categories: “health-high productivity”, “health-low productivity”, “sub-health-high productivity”, “sub-health-low productivity”, “unhealth-high productivity” and “unhealth-low productivity”, and respectively analyzed the regional farmland protection directions for each category. “Sub-health/unhealth-high productivity” type was widely distributed, which was the core region for implementation of “storing grain on land and storing grain in technology” strategy in China. Therefore, it is necessary to give consideration to the health and productivity of cultivated land in this region, and strengthen the research and practice on methods to improve the health of cultivated land. This study provides scientific basis for improving cultivated land healthy productivity and provides effective support for designing protection paths of cultivated land resources in different regions.

land use; GIS; cultivated land; cultivated land health; cultivated land productivity; climate change

葉思菁，宋長青，程 鋒，張蕾娜，程昌秀，張 超，楊建宇，朱德海. 中國耕地健康產(chǎn)能綜合評價與試點評估研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(22)：66－78.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.008 http://www.tcsae.org

Ye Sijing, Song Changqing, Cheng Feng, Zhang Leina, Cheng Changxiu, Zhang Chao, Yang Jianyu, Zhu Dehai. Cultivated land health-productivity comprehensive evaluation and its pilot evaluation in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 66－78. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.008 http://www.tcsae.org

2019-08-12

2019-09-26

“美麗中國”科學(xué)院先導(dǎo)科技專項（XDA23100303）；國家自然科學(xué)基金資助項目（41801300）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金（2018NTST03）。

葉思菁，博士，講師，主要從事耕地安全評價與耕地可持續(xù)利用路徑研究。Email：yesj@bnu.edu.cn

程昌秀，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事空間信息技術(shù)及其在土地資源領(lǐng)域應(yīng)用研究。Email：chengcx@bnu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.008

F323.21

A

1002-6819(2019)-22-0066-13