北京大都市邊緣區耕地多功能評價指標體系構建
——以大興區為例

辛蕓娜，孔祥斌，鄖文聚

（1.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193； 2.國土資源部農用地質量與監控重點實驗室，北京100193；3.國土資源部土地整治中心，北京 100035）

土地評價

北京大都市邊緣區耕地多功能評價指標體系構建
——以大興區為例

辛蕓娜1，2，孔祥斌1，2，鄖文聚2，3

（1.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193； 2.國土資源部農用地質量與監控重點實驗室，北京100193；3.國土資源部土地整治中心，北京 100035）

研究目的：構建基于過程的耕地多功能評價指標體系，探究耕地各功能間相關關系，并以大興區為例加以應用。研究方法：基于“指標—過程—功能—需求”理論框架，構建基于過程的耕地多功能評價指標體系，運用指數和法、內梅羅綜合污染指數法以及有機碳密度方程進行定量化評價。研究結果：（1）大興區耕地生產、緩沖過濾功能處于中等偏下水平；（2）健康功能有進一步惡化的趨勢；（3）碳固持功能較弱，且空間分異較其他三種功能更為明顯；（4）碳固持和健康功能呈現拮抗關系，其他各對功能間均有一定的協同關系。研究結論：基于過程的耕地多功能評價指標體系的是可行的。

土地評價；指標體系；內梅羅綜合污染指數法；指數和法；耕地多功能；空間變異；空間關聯

1 引言

中國人多地少，耕地資源特別是優質耕地資源極為緊缺，只有發揮耕地資源多功能，才能滿足國家糧食安全和生態安全的需求。由于北京大都市區域人口不斷聚集和建設用地增加，區域生態惡化、空氣污染嚴重、生活空間擁擠，人們對耕地資源的功能需求已經從生產功能向生態功能、健康功能和文化功能轉化。因此對北京大都市邊緣區耕地資源多功能進行評價，是提升耕地資源復合利用的關鍵。

傳統農業主要強調耕地的生產功能，隨著現代農業的不斷發展，人類對耕地需求的差異性、階段性變化，耕地的功能日益表現出多樣性的特征。近年來，耕地的多功能性已經得到普遍認可和關注。Blum等認為耕地系統提供了人類社會和環境所需要的功能，包括生產功能、生物棲息及基因庫、過濾緩沖功能等[1]；Coyle等認為耕地具有生產、凈化水資源、碳固持以及生物棲息地等功能[2]。國內學者則多關注耕地的生產、生態、文化、社會等功能[3-8]。在評價指標體系的構建上，國外多以評價土地持續保護或降低生態風險為前提[9-10]；國內主要側重于耕地的生產能力以及基礎地力。在實際應用中，主要從耕地的總體屬性、人類需求等方面構建指標體系[3，11-13]。以協調耕地資源質量與環境要素關系、減少資源耗費為目標，在構建功能質量與水土資源匹配的相關評價指標體系的基礎上，孔祥斌等對中國耕地資源多功能進行評價，實現了大中尺度上耕地資源多功能評價的突破[14]。在耕地多功能評價指標的權重確定與分級方法上，早期多采用專家經驗法（EO）[15-17]，目前多利用主成分分析方法（PCA）[18-21]。

耕地多功能評價指標體系的建立是進行耕地多功能評價以及利用的重要基礎。目前對耕地多功能的認識多從人類的需求出發，缺少從耕地系統物質循環、能量流動、信息傳遞等對耕地多功能起決定作用的物理化學過程角度對耕地多功能指標體系進行構建，缺乏對耕地健康功能指標的選取及評價，鮮有耕地功能間相互關系的研究。明晰耕地生態系統發生過程，分析各功能間相關關系，對區域耕地功能定位以及合理利用具有重要意義。基于此，本文借鑒國內外耕地多功能評價的研究成果，以“指標—過程—功能—需求”為理論框架，構建基于過程的耕地生產、健康、碳固持以及緩沖過濾功能的評價指標體系。同時，以北京市大興區為例對其加以運用，并且對評價過程中采用的確定權重方法、評價的定量化方法以及耕地各功能間的空間差異及關聯特征進行了探討，以期豐富和完善耕地多功能評價指標體系和方法。

2 基于過程的耕地多功能評價指標體系的構建

2.1 耕地多功能評價的理論框架

耕地作為一個自然客體，既能夠生產出實物，具有供給功能，也能夠凈化水質、分解相關污染物，具有緩沖過濾功能，還能夠固持大氣中的二氧化碳，具有固碳功能。另外，還具有文化功能和景觀功能等。從客觀角度來看，耕地功能是一個集合，即耕地的功能集合。在耕地功能集中，有顯化的功能還有未顯化的功能。顯化的功能就包括了生產功能、健康功能、緩沖過濾功能、固碳功能，未顯化的功能包括文化功能、區域氣候協調功能等。

本文根據耕地作為一種典型的人工—自然交互的生態系統具有“結構—過程—功能—服務”的演化特點[22]，借鑒生物多樣性與生態系統服務評估指標體系[23]，構建基于“指標—過程—功能—需求”的耕地多功能指標體系理論框架（圖1）。耕地系統內部物質循環、能量流動、生物演替和信息傳遞等過程是耕地產生各項功能的基礎[24]。其中，水循環、氣熱運動等物理過程可以促進作物對水分的吸收利用，為作物的生存和生長提供保障；離子交換、酸堿反應以及氧化還原反應等化學過程既可以保證養分的有效性，又對物質在土壤中的移動以及污染物質的緩沖性有著深刻的影響[25]；有機質礦化，腐殖化以及碳、氮、磷循環等生物過程不僅可以增加作物生長所需的礦質元素，還可以固定二氧化碳釋放氧氣，對改善空氣，保證作物生長具有重要影響[26]。以上三種過程構成了耕地的生產功能、健康功能、緩沖過濾功能和碳固持功能的基礎。而耕地系統中各項過程的順利進行主要依靠土壤中各物理、化學性質間的協調作用。人類對耕地的需求由耕地多功能及其相互作用提供。因此，深入分析影響各功能發揮的土壤過程，選取影響該過程進行的重要土壤物化特性是構建耕地多功能評價指標體系的關鍵。

圖1 “指標—過程—功能—需求”理論框架Fig.1 A theoretical framework for index-process-function-demand

2.2 基于過程的耕地多功能評價指標體系構建

綜合考慮北京大都市邊緣區人們對耕地在生產、生態以及糧食綠色無公害等方面的需求，本文重點對耕地的生產功能、健康功能、緩沖過濾功能、碳固持功能4項功能的指標體系進行構建。在指標選取過程中以主導性、保護性、區域性、社會認可性、經濟性、可操作性為原則[27-28]，綜合運用頻度分析法和專家咨詢法對指標進行篩選。首先利用頻度分析法，選取國內外耕地多功能評價體系研究成果中廣泛使用的指標。同時，深入分析影響功能發揮起關鍵作用的物理過程如徑流、入滲、沉降、揮發等；化學過程如離子交換、土壤酸堿反應、氧化還原反應；生物過程如有機質礦化、腐殖化以及養分循環等。從土壤學角度深入剖析影響一系列過程反應的關鍵因素，進而對評價指標進行初步篩選。在此基礎上，征詢有關專家意見，對指標進行調整，得到基于過程的耕地多功能評價指標體系。其中，生產功能評價指標包括地貌類型、有效土層厚度、剖面構型、土壤質地、pH值、土壤容重、陽離子交換量、有機質含量、速效磷、速效鉀、地下水埋深11項指標；健康功能包括Cr、Ni、Zn、Hg、Cu、As、Cd、Pb8項指標；緩沖過濾功能包括土壤質地、pH值、有機質含量、土壤容重、陽離子交換量5項指標；碳固持功能包括土壤質地、容重、土層厚度、有機質含量4項指標（表1）。

表1 北京大都市邊緣區耕地功能質量評價指標體系Tab.1 Index system for multi-functional quality evaluation for cultivated land in metropolitan fringe of Beijing

3 研究區概況與數據收集

3.1 研究區概況

大興區地處東經 116°12′—116°43′、北緯39°26′—39°50′之間，位于北京灣小平原，屬于華北大平原的一部分。整個平原均屬永定河沖積物，總的地勢自西北向東南傾斜，海拔在15—45 m之間，坡度在0.8‰—1.0‰左右。全區轄16個鄉鎮，面積1039 km2，區位優勢得天獨厚。大興區屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫 11.5℃，年平均降雨量 568.9 mm。土壤發育于現代河流（主要是永定河）的沖積洪積母質，地勢低平，地下水位較高（一般在1.5—2.5 m之間）。絕大部分土壤是在地下水直接參與下形成的自然土壤，多屬于淺色草甸土。長期的耕作促進了土壤的熟化過程，已演變為耕作潮土。在地下水位較低的地區，土壤經歷粘化過程，發育為褐土；在靠近永定河河堤的地區，由于成土時間較短，仍然分布有少量的風沙土和固定沙丘。大興區是北京市唯一的國家基本農田保護示范區，是北京市都市型現代農業建設的重點區域，統籌協調區域土地利用、城鄉發展的任務艱巨[29]。因此，本文以北京市大興區為例進行耕地多功能評價指標體系的應用具有一定的代表性。

3.2 數據收集與獲取

本文所需的行政區劃矢量數據來自大興區2014年土地利用現狀變更調查數據；有效土層厚度、剖面構型、土壤質地數據來自北京市第二次土壤普查數據（1∶50000）；pH值、土壤容重、有機質、速效磷、速效鉀來自2010年北京市測土配方施肥數據；陽離子交代換量來自2010年土壤實際采樣點數據。重金屬含量數據源于《土壤重金屬和養分的空間變異分析及其評價研究——以北京市大興區為例》[30]中2008年的91個實測數據，本研究主要依據樣點在各鄉鎮分布情況，取均值得到不同鄉鎮各重金屬元素含量。

4 耕地多功能評價指標體系的應用

4.1 評價單元的確定

依據大興區2014年土地利用現狀變更調查數據，提取其中的耕地地類圖斑作為大興區耕地質量評價單元，全區評價單元共計13754個，總面積40816.57 hm2，評價比例尺為1∶10000。

4.2 評價指標的選取

根據耕地功能內涵、評價指標的選取原則以及大興區實際情況對評價指標進行選取（圖2）。在生產功能評價指標體系中，大興區地貌類型、有效土層厚度以及地下水埋深3個指標在空間分布上沒有明顯差異，因此，在大興區生產功能評價指標體系中僅涉及質地、剖面構型、pH值、有機質、容重、速效磷、速效鉀以及陽離子交換量（CEC）8項指標。

圖2 大興區耕地多功能指標體系Fig.2 Index system for multi-functional evaluation for cultivated land in Daxing District

4.3 評價分級標準及評價指數的確定

根據相關文獻及專家意見，制定生產功能和緩沖過濾功能相關指標的評判標準（表2）。將評價因子值與評分標準進行對照，根據各因素權重，最終得出生產功能和緩沖過濾功能綜合等指數。

健康功能評價標準采用綠色食品產地環境質量現行標準——中華人民共和國農業行業標準《綠色食品產地環境技術條件》（NY/T391-2000），在此基礎上對重金屬污染指數進行分級（表3）。

4.4 評價方法的選取

本文綜合利用定性和定量的方法對大興區耕地不同功能進行評價。其中，運用層次分析法以及專家咨詢法對生產功能和緩沖過濾功能相關指標進行權重的設定，并利用指數和法確定兩種功能的綜合等指數；利用內梅羅綜合污染指數法得到的耕地綜合指數來反映各個重金屬元素對土壤不同作用，進而對耕地健康功能進行表

征；運用土壤有機碳密度（SOCD）公式對耕地碳固持功能進行估算。

表2 耕地生產功能單因子指標分級參考標準Tab.2 The referenced grade standards of single index for product function and buffering and fi ltration function

（表2續）

表3 土壤內梅羅綜合污染指數分級標準Tab.3 Claddi fi cation of soil pollution indexes

4.4.1 層次分析法和指數和法 耕地生產功能、緩沖過濾功能綜合運用層次分析法（AHP）建立不同功能評價因子判斷矩陣，參考相關文獻以及專家意見最終得出各評價因子的權重值（表4）。然后利用指數和法，即對評價指數和權重進行指數綜合，來確定不同耕地功能綜合等指數，采用函數如下：

表4 耕地功能質量評價指標權重Tab.4 Index weights of cultivated land function evaluation

式（1）中，C表示每一個評價單元的綜合評價指數，Ai表示評價指標的分值，Bi表示評價指標的權系數，即權重，n為評價指標個數。

4.4.2 內梅羅綜合污染指數法 利用實地采樣化驗得到的土壤重金屬含量，一般采用內梅羅綜合污染指數法對土壤重金屬污染程度進行評價。內梅羅（Nemerow）污染指數法特點是反映各個重金屬元素對土壤的不同作用，突出高濃度重金屬對環境質量的影響。

式（2）—式（3）中，P為土壤污染綜合指數；Pi為土壤中重金屬元素i的環境質量指數；Ci為重金屬元素i的實測濃度（mg·kg-1）；Si為重金屬元素i的評價標準（mg·kg-1）；為土壤中各污染指數平均值；ma（xPi）為土壤中各污染指數最大值。

4.4.3 土壤有機碳密度計算 利用土壤有機碳密度來表征單位面積耕地碳固持能力，耕地表層土壤有機碳密度（ kg·m-2） 的計算方法采用以下公式：

式（4）中，θi是土壤大于2 mm的較粗顆粒體積分數，SOCD是有機碳的密度（kg·m-2），ρi是土壤的容重（g·cm-3），Ci是土壤中有機碳的含量（g·kg-1） ，Ti是土層厚度（cm）。

4.5 評價結果分析

利用上述評價方法，使用ArcGIS 10.2圖件分析功能，采用自然斷點法將耕地生產功能、緩沖過濾功能以及碳固持功能得出的分值結果劃分為三等；依據污染等級高低將耕地健康功能分為三等，其中，安全為一等地；警戒線和輕污染為二等地，中污染和重污染為三等地。利用ArcMap將評價等級結果圖示化，得到耕地功能評價的等級分布圖（圖3）。

4.5.1 耕地生產功能的評價 大興區生產功能綜合等指數在62.1—93.1之間，不同鄉鎮間差異較大（圖3）。結果顯示，大興區耕地生產功能等級總體呈現從東北部到西南部斜向條帶狀分布。其中，一等地大多分布在該區的東部和北部，南部局部地區也有分布，分布面積較大鄉鎮主要包括西紅門、舊宮、亦莊、瀛海、青云店、長子營、安定、采育、禮賢等鎮。這些區域土壤質地多為壤質，有機質含量較高，蓄水保肥能力強，且有些土壤土體為蒙金土構型。雖然有些土壤存在障礙層次，但出現位置較深，基本上對農業生產影響不大。因此，這些地區的土壤較有利于農業生產，因此耕地生產功能較高；三等地大多數分布在該區的西部、中部和西南部地區，涉及鄉鎮主要包括黃村、北臧村、魏善莊、龐各莊、榆垡等鎮。這些區域土壤質地多為砂質或砂壤質，有機質含量偏低，蓄水保肥能力差，不利于農業生產，因此耕地生產功能較低。

4.5.2 耕地健康功能評價 大興區土壤綜合污染指數在0.48—0.91之間，鄉鎮間差異較小（圖4）。大興區大部分區域屬一等地，即這些區域土壤屬于安全級別，適宜發展綠色產品；采育鎮、禮賢鎮以及西紅門鎮的耕地為二等地，屬于警戒水平，這與這些區域有過境污水河以及長期的施肥和灌溉有關，從糧食安全角度來看這些區域不太適宜發展綠色產品；大興區沒有三等地。以上結果表明，大興區大部分耕地可以提供綠色健康的糧食，但是隨著大興區經濟的迅猛發展以及人類活動的增加，耕地健康功能有進一步惡化的趨勢。少數處于警戒狀態的耕地應減少化肥農藥的使用，并側重向其他耕地功能的轉移。

4.5.3 耕地緩沖過濾功能評價 大興區緩沖過濾功能綜合等指數在63.3—96.6之間，鄉鎮間差異同樣較大。由圖5看出，一等地主要位于大興區的東部和西南部，涉及鄉鎮主要為瀛海、青云店、長子營、安定、采育以及禮賢等鎮，這些區域土壤質地多為壤質，有機質含量較高，陽離子交換量較大，緩沖過濾功能較強；三等地主要分布在大興區的西部和南部，涉及鄉鎮主要有榆垡、龐各莊、魏善莊以及黃村等鎮，這些區域土壤質地多為砂質，容重過大，陽離子交換量小，對養分、污染物的緩沖與過濾能力都較差，緩沖過濾功能較弱。

圖3 耕地生產功能等級分布圖Fig.3 Evaluation grade of product function

圖4 耕地健康功能等級分布圖Fig.4 Evaluation grade of health function

4.5.4 耕地碳固持功能的評價 大興區耕地有機碳密度在2.15 kg·m-2—13.77 kg·m-2之間。圖6結果顯示一等地主要分布在大興區的北部地區，涉及鄉鎮主要包括西紅門、瀛海以及舊宮地區，這些區域土壤容重以及有機質含量均較高；二等地主要分布在大興區的西南部和中部地區，涉及鄉鎮主要包括榆垡、龐各莊、魏善莊、青云店等鎮，長子營鎮也有零星分布。雖然這些區域土壤有機質含量偏低，但土壤容重較其他鄉鎮而言偏高；三等地在各個鄉鎮均有分布，這些區域不僅有機質含量偏低，而且土壤容重含量較低。從結果來看，大興區土壤有機質碳密度的差異即耕地碳固持功能的差異主要受土壤容重和土壤有機質含量的影響。

4.5.5 大興區耕地多功能空間差異與關聯特征分析 為分析耕地功能的空間差異，利用z-score標準化法對各結果數據進行標準化處理，并分別對研究區耕地功能變異系數進行計算。結果顯示耕地生產功能、健康功能、緩沖過濾功能以及碳固持功能的變異系數分別為0.06、0.18、0.09以及0.27，可見耕地碳固持功能相較其他三種功能而言，空間分異特征更明顯。

通過計算各功能相關系數，分析大興區耕地功能的空間關聯關系，結果顯示僅有碳固持功能和健康功能呈現拮抗關系，其他各對功能間均有一定的協同關系。整體而言，耕地功能空間關聯結果揭示了以下兩點：（1）由生產功能與代表生態功能的緩沖過濾和碳固持呈協同關系可知，耕地的生態功能與生產功能的發揮并不一定產生矛盾；（2）由代表糧食安全的健康功能和碳固持功能呈拮抗關系可知，雖有研究表明化肥投入增加與合理養肥配比可以提高耕地生產能力，進而提高土壤有機質含量[31]，增加土壤固碳能力，但是農藥化肥的過量使用顯然對于耕地的質量安全有一定的影響。

5 結論與討論

（1）本文根據耕地生態系統的演化特點，構建了基于“指標—過程—功能—服務”的北京大都市邊緣區耕地多功能評價指標體系，對目前耕地質量評價指標體系進行了豐富和完善。

圖6 耕地碳固持功能等級分布圖Fig.6 Evaluation grade of carbon sequestration function

（2）根據所建的評價指標體系，采用定性和定量相結合的方法，對北京市大興區耕地生產功能、健康功能、緩沖過濾功能以及碳固持功能進行了評價。評價結果表明，大興區耕地生產、緩沖過濾功能處于中等偏下水平；健康功能有進一步惡化的趨勢；碳固持功能較弱，且空間分異較其他三種功能更為明顯。另外，對大興區耕地各功能的空間關聯關系進行了分析，得出的結果符合實際情況。

（3）通過大興區的應用研究，證明本文建立的基于過程的耕地功能質量評價指標體系的是可行的。本文著重對顯化的生產功能、健康功能、緩沖過濾功能以及碳固持功能進行了評價，但是隱化的功能如景觀功能、文化功能也逐漸呈現顯化態勢，后期應針對這些功能加強基于過程的指標評價體系的構建和評價研究。

（4）本文的重點在于對耕地多功能評價指標體系構建方法方面的探究。在以大興區為例對所構建耕地多功能評價體系應用的過程中，存在部分指標獲取難、樣本量多少不一以及年份不同等問題，因此得出的結果與實際情況不免存在一定的偏差。后期還應加強采用先進技術手段如遙感方法，科學、快速獲取指標數據以提高耕地多功能評價的時效性和科學性。

本文對北京大都市邊緣區的耕地不同功能進行了評價，并對不同功能間的相關性進行了探索，可以為大都市邊緣區耕地功能分區以及耕地質量的綜合評價提供一定的借鑒。在今后的大都市邊緣區耕地多功能評價研究中，可以結合區域的實際情況，因地制宜地對評價指標進行進一步的擴充和選取。另外，隨著大都市邊緣區耕地不斷減少，環境污染問題日趨嚴峻，必須根據區域耕地功能空間分布以及空間關聯關系有針對性的進行耕地保護、耕地功能分區，在實現耕地的可持續利用的前提下，充分滿足人們對耕地日益增加的需求。

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Design and Application of Multi-functional Evaluation Index System for Cultivated Land in Metropolitan Fringe of Beijing: A Case Study in Daxing District

XIN Yun-na1，2, KONG Xiang-bin1，2, YUN Wen-ju2，3
（1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China;2. Key Laboratory of Agricultural Land Quality and Monitoring of Land and Resource, Beijing 100193, China;3. Land Consolidation and Rehabilitation Center, Ministry of Land and Resources, Beijing 100035, China）

The purpose of this paper is to construct a multi-functional evaluation index system for cultivated land based on the process, to explore the relationship among the cultivated land functions, and to apply it to Daxing District as an example. The methods including Nemerow index method, exponential sum method and soil organic carbon density equation are used based on the theoretical framework of “index-process-function-demand” to construct the multifunctional evaluation index system. The results are as follows: 1）the production function and buffering and filtration function of cultivated land in Daxing District were below the medium level. 2）The health function had a trend of furtherdeterioration. 3）The carbon sequestration function was weak, and its spatial differentiation was more obvious than the other three functions. 4）The carbon sequestration function and the health function showed an antagonistic relationship,while the other pairs of functions had a certain degree of synergies. The conclusion is that the multi-functional evaluation index system of cultivated land constructed in this study is feasible.

land assessment; index system; Nemerow index method; exponential sum method; cultivated land functions;spatial variation; spatial association

F301.21

A

1001-8158（2017）08-0077-11

10.11994/zgtdkx.20170831.151622

2017-03-29；

2017-06-30

國家自然科學基金面上項目（41771561）；北京市自然科學基金重點項目（8151001）；北京市大興區耕地質量和耕地產能評價研究與試點項目。

辛蕓娜（1990-），女，河北石家莊人，碩士生。主要研究方向為耕地質量監測。E-mail: 962937356@qq.com

孔祥斌（1969-），男，河北承德市人，教授，博士。主要研究方向為土地資源評價、利用與保護。E-mail: kxb@cau.edu.cn

（本文責編：王慶日）