基于能值分析與模糊評價的糧食主產區耕地健康評價——以石家莊市欒城縣為例

李 強

（首都經濟貿易大學城市經濟與公共管理學院土地資源管理系，北京 100070）

基于能值分析與模糊評價的糧食主產區耕地健康評價
——以石家莊市欒城縣為例

李 強

（首都經濟貿易大學城市經濟與公共管理學院土地資源管理系，北京 100070）

糧食主產區耕地健康是事關糧食安全（產量與品質）的重要因素。該文在探討耕地健康評價方法的基礎上，結合糧食主產區的實際情況，以石家莊市欒城縣為例，進行耕地健康評價實踐研究。結果顯示：研究區域耕地能值指數介于0.631～0.863，耕地健康模糊指數介于0.603～0.878，耕地健康綜合指數介于0.531～0.753，分為很健康、健康和亞健康3個級別，其面積構成分別為7.6%、48.4%和44.0%，區域內耕地健康狀況較好。研究表明：模糊評價與能值分析互為補充，建立耕地健康診斷指標體系與評價模型科學可行，可為不同區域開展耕地健康評價提供方法借鑒。

耕地健康;能值分析;模糊評價;糧食主產區;欒城縣

0 引言

隨著社會經濟的快速發展、人口的持續增加以及環境退化的加劇，糧食安全（產量與品質）以及引致糧食安全的耕地健康問題受到普遍關注［1－3］。中國的糧食安全問題始終是國內外學者的研究熱點，主要包括糧食生產安全、糧食生產潛力、耕地的支撐及持續利用能力以及基于糧食與人口的土地資源承載力研究等方面［4］，而糧食主產區是中國商品糧生產的核心區域，對確保國家主要農產品有效供給具有決定性作用，基于中國糧食主產區的演變驅動分析［5］，耕地作為現代農業生產與人為控制下物質轉化的重要基地，其規模、質量、產能與環境狀況是保障國家糧食安全與社會經濟可持續發展的關鍵因素之一，耕地健康是實現質量目標、產能目標和土壤環境目標等耕地功能的綜合體現［6］。

從20世紀70年代FAO提出土地質量的概念、發布土地評價綱要開始，土地質量（指土地維持生態系統生產力和動植物健康而不發生土壤退化及其它生態環境問題的能力）的界定得到廣泛認可［7］，相關研究在土地質量評價理論框架［8］、土地質量指標（LQIs）［7，9］等方面都取得了豐富的成果，在耕地產能［10］與耕地土壤環境［11］方面也有較多研究。目前研究多對耕地質量、產能和土壤環境分別進行評價，模糊評價方法應用最為普遍［12－14］。本研究在基于能值分析與模糊評判的農用地健康評價方法［15］的基礎上，融合耕地質量、產能、土壤環境等模糊評價指標與能值分析修正，以石家莊市欒城縣耕地為例，開展了糧食主產區耕地健康診斷研究，進一步驗證了耕地健康評價方法的可行性，以期為不同區域開展耕地健康診斷提供方法借鑒，并為實現糧食主產區耕地科學調控與定向培育以及促進糧食主產區耕地數量、質量和生態并重管理的有效推進提供科學依據。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區域

欒城縣地處河北省西南部（114°28′55″～114°47′35″E，37°47′34″～37°59′49″N）、太行山脈東麓山前沖洪積平原，海拔45～65 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，年均氣溫12.4℃，年均日照2 522 h，≥10℃積溫4 220.1℃，多年平均降水量508 mm，無霜期200 d左右。欒城縣是華北平原的糧食高產區，是國家級基本農田示范縣，農業生產條件優越，土質肥沃，耕地集中連片，農業機械化水平高;土壤類型有潮褐土和石灰性褐土兩個亞類，土體構型多為“蒙金土”，土層厚度均大于1 m，主要農作物有小麥、玉米、蔬菜等，基本耕作制度為小麥－玉米一年兩熟制。

區域土地總面積為350.68 km2，包括農用地278.66 km2（耕地273.55 km2，占區域土地總面積的78.0%，且全部為水澆地和菜地;園地、林地及養殖用地共計5.11 km2），建設用地70.52 km2，未利用地1.51 km2?；谕恋乩矛F狀數據庫，選擇地塊法劃分評價單元，共劃分662個評價單元。

1.2 研究方法

本研究采用多層次模糊評價與能值分析相結合構建綜合評價模型［15］進行耕地健康評價，通過實踐研究，進一步驗證模糊評價與能值分析相結合方法的可行性。

在耕地健康模糊評價體系框架研究［15］的基礎上，針對糧食主產區耕地的客觀特性，同時遵循主導性、實用性及獨立性原則進行指標初選，以實現耕地功能的影響因素作為主要指標，其中有些因素對于耕地健康有重要影響但在研究區域內無明顯差異的不作為評價指標（如土層厚度、土地構型、土地利用模式等），再通過主成分分析法進行篩選，最終確定16項診斷指標構成欒城縣耕地健康評價的指標體系，并分析各指標與耕地健康的關系。采用層次分析法和變異系數法綜合計算研究區域耕地健康模糊評價指標體系的權重值（表1），采用目標、亞類和指標3個層次依次確定其權重值，最后計算各評價指標的權重總排序。

表1 研究區域耕地健康模糊評價指標體系Table 1 The appraise indicator system of cultivated land health by fuzzy logic for study region

基于各評價指標不同屬性對耕地健康的影響程度，通過調查資料與實驗結果的分析，分好、較好、中等、較壞和壞建立各指標的評價標準。

1.3 數據來源與處理

本研究的土地利用現狀數據（MapGIS）以2009年土地利用現狀變更調查為基礎。統計數據均來源于欒城縣國民經濟統計資料（2005－2010）。為進一步核實耕地的投入產出數據，了解農民耕作的實際情況，在每個鄉鎮選擇3個村進行實際調查（共選擇24個村），并在村中隨機選擇5個農戶進行農戶調查，詳細了解農作物的產量水平與化肥、農藥、機械動力等投入情況以及農民的收入來源、收入水平和農民對提高糧食產量、增加收入計劃采取的措施等。

為了獲取土壤屬性數據與土壤環境數據，在整理分析原有土壤普查資料的基礎上，在2009年9月進行了土壤采樣與實驗分析。采用3 km×3 km網格法布點，將落在非耕地區域的樣點移到鄰近的耕地內，采集耕作層（0～20 cm）土壤樣品42份。樣品經預處理后，采用常規方法測定土壤有機質含量、土壤碳酸鈣含量和土壤p H值（表2），應用反相離子對高效液相色譜－電感耦合等離子體質譜（HPLCICP-MS）測定土壤中重金屬（Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr和Zn），應用氣象色譜儀測定有機物污染物（六六六、滴滴涕）的含量（表2）。

2 耕地健康模糊評價

2.1 耕地能值指數

根據耕地系統能值流動概圖，以分鄉鎮的統計資料為基礎結合農戶調查數據，制定耕地系統分鄉鎮能值流簡表，并按照耕地能值指數評價模型，評價研究區內各鄉鎮耕地能值指數（表3）。

2.2 耕地質量

研究區內大部分區域表土質地為壤土，占耕地面積的83.6%，沙壤質和粘土分別占13.3%和3.1%。經試驗測定，耕地表土層有機質含量7.3～38.7 g·kg－1，采用 Kriging插值，建立有機質含量的空間分布情況。研究區耕地主要采用地下水進行灌溉，目前主要開采地下水位在80～120m的含水層［19］，按照該層地下水埋深的分布情況，確定地下水位指標屬性。灌溉保證率和排水條件根據統計資料和實地調查情況確定其各級別的空間分布。交通條件指標是根據地塊距道路的距離，按照確定的評價標準進行量化，應用GIS的空間分析功能，生成緩沖區，確定交通條件的區域分布，并賦值到各評價單元。耕作便利條件是根據各地塊的形狀和面積，按照制定的評價標準確定各單元的耕作便利條件等級。綜合耕地質量的各項指標進行模糊評價，其空間分布見圖1a。

表2 研究區域土壤樣點測試結果Table 2 Experiment results of soil sampling in the study area

表3 研究區耕地系統能值投入產出類型及分鄉鎮能值流Table 3 Emergy contributed by each flow of input or output in the cultivated land system of every town

2.3 耕地產能

研究區域的冬小麥光溫生產潛力指數為1 302，夏玉米光溫生產潛力指數為2 228，產量比為0.7，農用地分等中測算的自然質量分平均值為0.930，據此測算的研究區域的理論產能為39 919 kg/hm2。按照耕地健康評價指標等級劃分標準確定的理論產能分級標準，理論產能為2級（較好），在耕地健康評價中，縣級區域內的理論產能為一個值，其作用是為了實現不同區域間評價結果的可比。實際產能是指目前已經實現的生產能力，以2008－2010年《欒城縣國民經濟統計資料》統計的糧食產量為基礎數據，并將全部作物轉換為基準作物產量，分鄉鎮進行計算。

人均農業收入是反映農業對區域內農民的經濟保障能力，以2010年《欒城縣國民經濟統計資料》統計各鄉鎮的數據。人均耕地面積是區域糧食安全與耕地社會保障能力的體現，以欒城縣2010年分鄉鎮的土地利用數據為基礎，按照確定的等級標準進行劃分，研究區域耕地產能的空間分布見圖1b。

2.4 土壤環境

圖1 耕地健康模糊評價目標層評價結果Fig.1 The objects layer result of cultivated land health with fuzzy decision

土壤p H值、重金屬、有機污染物等指標是通過實驗分析測定的點狀數據，采用Kriging插值，結合GIS工具進行處理，建立指標屬性的區域分布情況。其中對于重金屬、有機污染物，將其分別與該區域的土壤環境背景值相比較，依據制定的耕地健康評價標準，劃分為3個等級;農藥使用量和化肥施用量指標以統計資料和農戶調查數據為基礎，分村確定指標屬性，并按空間位置分別賦值到各評價單元;將養殖場地作為點狀污染源進行分析，通過GIS的緩沖區分析，根據耕地距離養殖場地的距離，分為5級評價其對耕地健康狀況的影響。綜合土壤環境的各項指標，研究區域土壤環境的空間分布狀況見圖1c。

2.5 耕地健康模糊評價

綜合耕地質量、產能與土壤環境各指標的評定，按耕地健康多層次模糊評價模型［15］進行評價，結果分別隸屬1級（很健康）、2級（健康）和3級（亞健康等），其空間分布情況見圖2。

圖2 研究區域耕地健康模糊評價結果Fig.2 The evaluation result of cultivated land health with fuzzy decision in the study region

2.6 耕地健康綜合指數

按耕地健康評價方法探討［15］中的公式（5）對模糊評價結果進行非模糊化處理，計算得耕地健康模糊指數介于0.603～0.878。按公式（6）計算各單元的耕地健康綜合指數，其結果介于0.531～0.753。按照總分頻率法劃分耕地健康級別，分為很健康（≥0.700）、健康（0.600～0.700）和亞健康（＜0.600）3個 級 別，其 面 積 構 成 分 別 為 7.6%、48.4% 和44.0%，空間分布見圖3。

圖3 研究區域耕地健康綜合評價結果Fig.3 The compositive evaluation result of cultivated land health in the study region

3 評價結果分析

分鄉鎮的耕地能值指數介于0.631～0.863，由于研究區域范圍較小，單位面積的可更新資源投入相同，農產品產量與購買資源投入的不同導致耕地能值指數的差異。其中樓底鎮的耕地能值指數最高，為0.863，耕地質量最高，灌溉用水、化肥、農藥的投入較為合理，耕地種植形成了適度的規模，農業機械化程度高。竇嫗鎮的耕地能值指數最低，為0.471，該鄉鎮交通、區位優勢明顯，各類企業發展迅速，主要勞動力已從事非農產業，但耕地經營模式并沒有改變，農業種植靠高投入（化肥、機械、農藥等）維持，導致購買資源投入大，而農產品產出反而不高。

研究區耕地質量好、較好和中等級別的面積構成分別為26.2%、64.3%和9.5%，可見區域內耕地質量普遍較高，適宜農業生產，但區域地下水位的逐年下降，水資源狀況是區域耕地質量的主要限制因素。耕地產能則評價了耕地的社會保障功能與現實生產能力，其中好、較好、中等和較差級別的面積構成分別為12.3%、20.5%、54.1%和13.1%，各鄉鎮耕地產能狀況有較大差異，大部分鄉鎮耕地產能還有待于提高。隨著工農業生產的發展、人民生活及農業生產方式的轉變，部分區域的污染物有增加趨勢，耕地土壤環境狀況有潛在污染風險，從模糊評價劃分的4個級別看，好、較好、中等和較差的面積構成分別為 30.55%、37.90%、21.33%和10.21%。

耕地健康模糊評價結果顯示，很健康、健康和亞健康級別的面積構成分別為10.96%、72.00%和17.04%，可見研究區內耕地整體健康狀況良好，其結果也綜合體現了耕地質量、耕地產能與耕地環境的區域差異性。從各健康級別的區域分布看，亞健康級別的耕地主要分布在區域內的工業區周圍，該區域的耕地土壤環境狀況較差，且農民的種糧積極性不高，主要從事非農產業，導致實際產能較低，但面積較少，僅占區域耕地面積的17.04%;很健康和健康級別的耕地面積合計占區域耕地面積的82.96%，各鄉鎮均有分布，體現了區域耕地的主體狀況。

耕地健康綜合指數是耕地健康模糊評價與耕地能值指數的綜合，綜合評價結果體現了研究區域耕地健康狀況的實際差異，在評價結果的實際檢驗過程中，發現不同鄉鎮間的耕地投入狀況、經營管理模式有較大差別，評價結果的鄉鎮分異性與實際一致。

4 結論

耕地健康診斷體系包含了耕地質量目標、產能目標和土壤環境目標，同時進行了耕地能值指數修正，避免了常規土地質量評價中投入產出數據考慮不全的缺陷，通過模糊評價補充了能值分析中無法涉及的耕地自然屬性、土壤環境狀況、社會保障功能與耕地保護政策等對耕地系統的影響，并充分利用了不同指標的特性。在欒城縣的實踐應用中，進一步驗證了評價體系的科學性與數據的可獲得性。在評價方法上，通過運用能值分析方法與模糊評價方法相結合建立的綜合評價模型評價耕地健康狀況，采用地理信息系統作為工作平臺，實現指標量化處理與評價結果綜合表達，形成了一套完整、可操作的耕地健康評價方法。

通過以欒城縣為例的實證研究，評價結果很好地反映了耕地功能所體現的耕地健康狀況，評價結果的空間分布與實際情況相一致，耕地健康評價體系與評價模型便于應用，所需數據易于獲取，進一步驗證了基于模糊評價與能值分析進行耕地健康評價的科學可行性。

［1］WIEBE K.Land Quality，Agricultural Productivity and Food Security［M］.Cheltenham，UK，Northampton，USA：Edward Elgar Publishing，2003.

［2］BROUWER F.Sustaining Agriculture and the Rural Environment［M］.Cheltenham，UK：Edward Elgar Publishing，2004.1－14.

［3］RANDOLPH J.Environmental Land Use Planning and Management［M］.Washington：Island Press，2004.1－8.

［4］劉東，封志明，楊艷昭，等.中國糧食生產發展特征及土地資源承載力空間格局現狀［J］.農業工程學報，2011，27（7）：1－6.

［5］顧莉麗，郭慶海.中國糧食主產區的演變與發展研究［J］.農業經濟問題，2011，32（8）：4－9.

［6］李強，趙燁，嚴金明.城市化驅動機制下的農用地健康評價［J］.農業工程學報，2010，26（9）：301－307.

［7］DUMANSKI J，PIERI C.Land quality indicators：Research plan［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2000，81：93－102.

［8］ROSSITER D G.A theoretical framework for land evaluation［J］.Geoderma，1996，72（3）：165－190.

［9］BOUMA J.Land quality indicators of sustainable land management across scales［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2002，88：129－136.

［10］王洪波，鄖文聚，吳次芳，等.基于農用地分等的耕地產能監測體系研究［J］.農業工程學報，2008，24（4）：122－126.

［11］楊軍，鄭袁明，陳同斌，等.北京市涼鳳灌區土壤重金屬的積累及其變化趨勢［J］.環境科學學報，2005，25（9）：1175－1181.

［12］BURRONGH P A.Fuzzy mathematical methods for soil survey and land evaluation［J］.Soil Sci.，1989，40：477－492.

［13］GROENEMANS R，VAN RANST E，KERRE E.Fuzzy relational calculus in land evaluation［J］.Geoderma，1997，77：283－298.

［14］KAUFMANN M，TOBIAS S，SCHULIN R.Quality evaluation of restored soils with a fuzzy logic expert system［J］.Geoderma，2009，151：290－302.

［15］李強.基于能值分析與模糊評判的農用地健康評價方法探討［J］.地理與地理信息科學，2011，27（2）：87－91.

［16］MARTIN J F，DIEMONT S A W，POWELL E，et al.Emergy evaluation of the performance and sustainability of three agricultural systems with different scales and management［J］.Agriculture，Ecosystems and Environment，2006，115：128－140.

［17］ODUM H T.Environmental Accounting：Emergy and Environmental Decision Making［M］.New York：Wiley，1996.

［18］舒幫榮，劉友兆，陸效平，等.能值分析理論在耕地可持續利用評價中的應用研究——以南京市為例［J］.自然資源學報，2008，23（5）：876－885.

［19］賈金生，劉昌明.華北平原地下水動態及其對不同開采量響應的計算——以河北省欒城縣為例［J］.地理學報，2002，57（2）：201－209.

Health Evaluation of Cultivated Land in the Major Grain Production Region Based on Emergy Analysis and Fuzzy Decisions：A Case Study in Luancheng County

LI Qiang
（DepartmentofLandManagement，SchoolofUrbanEconomicsandPublicAdministration，Capital UniversityofEconomicsandBusiness，Beijing100070，China）

The regional economic development and national food security（production and quality）were direct influenced by the status of cultivated land health，especially，in the region of major grain production.Based on the exploration the appraisal method of cultivated land health，investigation the actual situation of the region of major grain production in the North China Plain，Luancheng County was selected for the case study of cultivated land health evaluation.The evaluation results show that emergy index of cultivated land changes from 0.631 to 0.863，the fuzzy index of cultivated land health changes from 0.603 to 0.878，the composite index of cultivated land health changes from 0.531 to 0.753.The result of composite index was divided into three classes，namely in perfect health，normal health and subhealth in this study area，the area proportion is 7.6%，48.4%and 44.0%，respectively.The whole status of cultivated land health is good in Luancheng County.This study indicates that the cultivated land health diagnosis index system and evaluation model are scientific and feasible，the fuzzy decision and emergy analysis can complement each other，and this study can provide the method reference for cultivated land health assessment in different regions.

cultivated land health;emergy analysis;fuzzy decision;the major grain production region;Luancheng County

F301

A

1672－0504（2012）06－0085－05

2012－04- 11;

2012－07－25

教育部人文社會科學研究青年基金項目（11YJC630101）;國土資源部公益性行業科研專項（201111010－01）;北京市教委人才強教計劃學術創新團隊“首都圈生態文明建設研究”;北京地區普通高等學校學科群建設項目“首都可持續發展戰略研究”

李強（1977－），男，博士，主要從事土地科學與資源環境評價等方面的研究。E－mail：eq1977＠163.com