糧食主產區耕地健康產能評價
——以河南省溫縣為例

趙 瑞，吳克寧，2，張小丹，馮 喆

（1.中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京 100083；2.自然資源部土地整治重點實驗室，北京 100035）

1 引言

糧食安全問題始終是黨和國家最直接、最現實、最根本的挑戰，耕地是確保國家糧食安全的戰略性資源[1]。然而，長期的不合理利用造成耕地數量、質量下降及環境破壞等問題，使得耕地產能及健康受到影響，直接威脅到國家糧食安全[2]。2018年中央一號文件提出制定和實施國家質量興農戰略規劃，深入推進農業綠色化、優質化、特色化、品牌化，調整優化農業生產力布局，推動農業由增產導向轉向提質導向，在國家層面凸顯了“耕地健康產能”的重要性。在國外，關于耕地產能的相關研究有作物生產潛力[3]、土地生產潛力[4]和糧食安全問題[5]等，主要側重于研究作物產量與各環境因子之間的相互作用機制。在國內，從1958年錢學森展望“農業生產還遠遠沒有碰頂”開始[6]，中國學者便紛紛投入糧食安全[7]、土地健康[8]、土壤健康[9]、耕地質量[10]、耕地產能[11]、耕地健康[12]等問題的研究。另外，中國還開展了“全國農用地分等定級與估價”“全國土地質量地球化學評估”“全國土壤現狀調查及污染預防”等工程項目，積累了大量數據，在一定程度上能夠反映出中國目前耕地的質量與生產情況，并在耕地質量評價[13]、基本農田建設[14]、耕地產能核算與預測[15]、耕地生產能力動態變化[16]、土地利用規劃[17]等方面得到廣泛應用，取得豐碩成果。

目前學術界關于耕地產能評價的研究主要集中于氣候條件和基礎地力上，高麗麗[18]、桑玲玲[19]、王立勝[20]等豐富了耕地產能的內涵，創建了耕地產能評價的新方法，但在當前中國新階段耕地保護數量、質量、生態“三位一體”的要求下，迫切需要完善耕地健康產能的科學內涵、評價標準及應用技術。鑒于此，本文在科學界定耕地健康產能內涵的基礎上，基于“需求—功能—維度—要素—指標”理論框架，構建了耕地健康產能評價指標體系，并以河南省溫縣為例，進行了耕地健康產能的應用評價，以期為適應中國耕地保護對耕地產能評價的新要求，開展全國耕地健康產能評價提供科學依據。

2 耕地健康產能評價指標體系

2.1 內涵界定

國內眾多學者認為耕地產能即耕地糧食生產能力[21]、耕地綜合生產能力[22]、耕地綜合產能[23]等，雖然表述方式各異，但其內涵基本一致，即在一定地域、一定時期和一定的經濟、社會、技術條件下所形成的耕地綜合生產能力[24]，并基于農用地分等中的自然等指數、利用等指數以及農業統計資料等研究了不同尺度耕地的理論產能、可實現產能和實際產能[25-27]。國內關于耕地健康產能的研究較少，2011年高麗麗和吳克寧將“農用地健康產能” 定義為在滿足健康標準要求的區域，一定時期和一定的經濟、社會、技術條件下所形成的土地生產健康食品的能力[18]。2012年楊邦杰等認為只有健康的耕地才能確保農產品生產基礎的健康，只有農產品生產基礎健康和農產品生產、加工環節健康，才能確保從地頭到餐桌的安全[28]。耕地健康狀況是耕地質量的一個重要方面，依據土地有益元素、有毒有害元素和有機污染物含量水平等可以綜合評定土地的健康狀況。2015年鄖文聚等提出“耕地健康產能”是基于對耕地生產能力、生產環境、自我恢復能力及其生產的農產品品質等要素管理而提出的“評價式”概念[29]。

綜上，耕地健康產能內涵可以概括為兩個方面：一是耕地生產能力，即耕地地力好，技術設施完善，作物產量高；二是耕地健康狀況，即耕地生產環境無污染，生產的作物不會影響人類和動植物的健康并對不良環境和侵害有一定的抵抗能力，在遭受到自然災害、污染等情況下具有自我恢復能力和自凈能力。由此可見，耕地健康產能是農業土壤健康、土地健康與生態系統健康的有機結合，是一個綜合性概念，“健康”是功能的體現，“健康產能”是耕地的生產功能、健康功能、調節功能等多種功能的復合，產能健康的耕地具有持續穩定的農業生產和自我調節、恢復的能力，生產環境清潔無污染，生產的農作物品質優良。因此，本文將“耕地健康產能”定義為基于耕地生產能力、生產環境、自我恢復能力而形成的土地生產健康食品的綜合能力。

2.2 理論框架構建

圖1 耕地健康產能評價指標體系構建理論框架Fig.1 Theoretical framework for constructing evaluation index system of farmland health productivity

耕地健康產能評價是評定各種耕地屬性或條件的綜合狀況，參考德國Muencheberg土壤質量定級方案[30]中從基礎項和風險項兩個維度評價土壤質量以及加拿大農業環境評價系統[31]圍繞土壤質量、農田管理、水質量、空氣質量4大要素評價農業生產情況，本文在借鑒耕地多功能評價指標體系的基礎上[32]，構建了基于“需求—功能—維度—要素—指標”的耕地健康產能評價指標體系理論框架（圖1）。耕地是農業最主要的生產資料，對人類生產生活具有重要的保障作用，隨著社會經濟的發展，人類對耕地的需求，從最初的高產不斷向穩產、高效、健康以及可持續等綜合需求轉變。人類需求與耕地的基本功能（生產能力和可持續發展能力）相聯系，耕地自然條件、耕地生產效率和可持續發展能力決定著耕地健康產能高低。因此，設計耕地產能評價和耕地健康診斷兩個維度，前者主要影響耕地的作物生產能力，后者主要影響耕地的農產品質量、農業生產環境以及耕地生產能力的可持續性。耕地產能是氣候條件、土壤特性、農業技術設施、生物活性等多重要素綜合作用的結果，而耕地生產的作物品質、生產環境和耕地系統彈性等要素決定耕地的健康狀態，是國家糧食安全的重要保障。在此基礎上，選取與之相匹配的影響要素與可以量化的評價指標。

2.3 耕地健康產能評價指標體系

本著協同包容原則，吸收借鑒現有研究成果，遵循針對性、區域性、敏感性、可行性以及生產性原則，運用文獻總結法和專家咨詢法確定耕地健康產能評價指標體系（表1）。

氣候條件要素是區域光、溫、水等影響農業生產的氣候資源狀況，決定耕地產能，是耕地健康產能的核心。參考《農用地質量分等規程》，主要考慮光溫生產潛力和產量比系數2個指標。其中，光溫生產潛力是在農業生產條件得到充分保證，水分、CO2供應充足，其他環境條件適宜情況下，理想作物群體在當地光、熱資源條件下所能達到的最高產量，可宏觀上體現區域產量差異。產量比系數是各指定作物的標準糧折算比率，便于指定作物換算成基準作物的最高理論產量；土壤特性是決定耕地質量狀況的重要因素，土壤的物理和化學特性對作物生長和產量形成具有直接或間接的影響，參考《耕地地力調查與質量評價技術規程》《耕地質量等級》選取剖面構型、有機質含量等11個評價指標；技術設施是農業發展的第一推動力，包含農田基礎設施和灌溉排水等工程建設水平以及農機裝備等技術水平[33]，選取灌溉保證率、農機裝備等6個指標；田塊狀況是建設高標準農田實現耕地高產穩產的基礎保障，參考《高標準基本農田建設標準》《高標準農田建設標準》選取田塊規模、田面坡度等7個指標；土壤中的很多生物可以改善耕地質量狀況，參考美國Cornell土壤健康評估培訓手冊以及美國農業部自然資源保護局土壤質量評價[34]選取土壤蚯蚓和土壤微生物碳2個指標來表征生物活性。耕地健康診斷中作物品質是耕地糧食安全的重要檢驗，參考農業行業標準《綠色食品小麥粉》《無公害食品麥類及面粉》選取作物食用安全性1個指標；生產環境是耕地健康的重要指標，中國耕地土壤中的有害重金屬外源輸入途徑主要為大氣干濕沉降，其次為灌溉水和施肥，此外土壤重金屬污染、有機污染物和農膜殘留的生態風險也嚴重威脅耕地健康[35]，故選取灌溉水環境質量、土壤重金屬污染等5個指標；耕地系統彈性是耕地系統在自然災害、建設占用等干擾下自我調節、自我抵抗的能力以及耕地總量動態平衡的政策實施下，仍然能夠恢復其原來的生產、生態、服務、社會保障等功能的能力[36]。參考奧地利生態研究所農業可持續集約化評價體系[37]，選取有機質含量、土壤陽離子交換量等7個指標。

表1 耕地健康產能評價指標體系Tab.1 The evaluation index system of farmland health productivity

3 耕地健康產能評價方法

3.1 耕地產能評價

借鑒農用地質量分等思路，耕地產能采用了綜合算法。雖然耕地受氣候條件、土壤特性、技術設施、生物活性和田塊狀況共同影響，但不等于各影響要素的簡單加和，處于極限的要素對耕地產能有著關鍵性的制約作用。由于氣候條件的穩定性特征，本文以氣候條件為基礎，將土壤特性、生物活性、技術設施和田塊狀況作為影響耕地地力和利用水平的要素。從耕地可持續利用角度來看，本文認為耕地地力和利用水平為限制性因素，利用連乘積法對氣候條件進行修正，具體算法如下：

（1）土壤特性/技術設施/田塊狀況指數。

式（1）中：S/T/F表示土壤特性、技術設施和田塊狀況指數；Mi表示各要素第i個二級指標對應分值；Ni表示第i個二級指標權重；n為指標個數。

（2）生物活性指數。生物數量的增加或減少并不能直接影響耕地產能，但通過改變土壤物理、化學性質間接影響地力水平。此外，由于土壤微生物和土壤蚯蚓受外界因素的較大影響，因此把區域調查樣點的土壤微生物量碳和土壤蚯蚓數量均值設置為基準“1”，采用“1 +X”的累加模型依據分級標準累加計算生物活性指數（B）。

（3）耕地產能指數。通過綜合算法，把區域光溫（氣候）生產潛力指數作為耕地產能的理論值，用各個特性指數以及產量比系數分別修正得到耕地產能指數（P）。

式（2）中：α為光溫（氣候）生產潛力指數；β為作物產量比系數。

3.2 耕地健康診斷

參考耕地產能算法，考慮生產環境和作物品質對耕地健康的限制性作用，對較為穩定的耕地系統彈性進行修正。

（1）生產環境指數。在一定的濃度范圍內，耕地生產環境的改變并不會對作物產量有影響，但會降低作物品質。因此，耕地健康診斷中生產環境指數（E）采用“1 +X”的累加模型，即以沒有污染的耕地作為基準“1”。

（2）作物品質指數。如果農作物在食用與應用中對生態環境、人類健康、生物多樣性產生良好影響和作用，表明其具有安全性。根據農作物重金屬元素安全性分級標準，采用“1 +X”的累加模型，以安全無污染的作物作為基準“1”，累加得到作物品質指數（C）。

（3）耕地系統彈性指數。耕地系統彈性決定耕地的可持續利用，健康的耕地要有完整的系統彈性功能，通過加權求和法計算系統彈性指數（R）。

式（3）中：Wij是指標權重；Xij是指標分級后分值。

（4）耕地健康診斷指數。通過連乘積法得到健康診斷指數（M）。

式（4）中：E是生產環境指數；C是作物品質指數；R是系統彈性指數。

3.3 耕地健康產能分級方法

首先用ArcGIS自然斷點法把耕地產能指數分為1～5等；耕地健康分為健康、亞健康和不健康三級。參考《土地質量地球化學評價規范》中土壤質量地球化學綜合等級劃分方法，耕地健康產能等級由評價單元的耕地產能等級和健康分級結果疊加得到，分為健康、輕度亞健康、中度亞健康、重度亞健康和不健康5級（表2），值得注意的是，當耕地生產環境指數（E≤0.7）的時候，耕地一律視為不健康。

表2 耕地健康產能評價結果分級法Tab.2 Classi fi cation method of farmland health productivity evaluation results

4 耕地健康產能評價方法應用

4.1 研究區概況

溫縣位于豫北平原西部，屬焦作市所轄，轄3鄉7鎮，包括262個行政村。介于北緯34°48′30″～35°02′48″、東經112°51′0″～113°13′30″，行政區總面積48 130.05 hm2，其中耕地31 428.90 hm2。南濱黃河，北依沁河，全境地勢平坦，屬黃沁河沖積平原，部分小兩合土、兩合土在20～50 cm深處存在漏肥漏水問題，部分砂質潮土，砂性較強、易風蝕。自西北向東南傾斜，海拔75～120 m，自然坡降約為1/2 000，土壤類型為潮土。屬暖溫帶大陸性季風氣候區，氣候溫和。全國小麥最高產縣，國家重要糧食主產區。

4.2 數據來源與處理

實地采樣以均勻布點為原則，在1∶5萬土地質量地球化學調查2053個樣點和測土配方施肥2939個樣點的基礎上，考慮農用地質量自然和利用等別分布、土壤類型分布、土地利用現狀，確定40個采樣點，清除地被物，用鐵鍬挖掘60 cm×60 cm×20 cm的樣方，破碎土塊并置于白塑料布上，統計土塊內的蚯蚓數量，之后按照土種類型賦值給評價單元。另取土壤表層5～10 cm處土壤，維持土壤溫度在4 ℃左右，采用氯仿熏蒸浸提法測試土壤微生物碳。

圖文資料主要有：（1）溫縣2014年土地利用變更調查成果；（2）1∶5萬和1∶25萬土地質量地球化學評價成果；（3）土壤圖；（4）溫縣統計年鑒；（5）農田水利、灌溉水源等工程規劃圖；（6）2015年6月覆蓋溫縣范圍的30 m空間分辨率LandsatTM影像圖和DEM。對于土體構型、田間輸水方式等定性因素，采用“以點代面”的方式將點位的屬性賦值給評價單元；對于土壤養分元素、土壤微生物碳等采用空間插值的方法賦值給評價單元。

通過ArcGIS將各指標值通過空間疊加添加至圖層屬性表中，建立了涵蓋21 888個耕地斑塊數據庫，比例尺為1∶10 000。

4.3 確定評價指標

根據耕地健康產能評價目的與原則，通過綜合分析各土地管理部門的評價指標值、問卷調查和現場調查結果，溫縣礫石含量、有效土層厚度、灌溉保證率、災害防治水平、農機裝備、農藝管理、田塊地形部位、地表巖石露頭度、田面坡度、大氣干濕沉降物年沉降通量和灌溉水環境質量共11個指標在空間上沒有差異，都是100分，參照表1耕地健康產能指標體系，溫縣耕地健康產能評價中將這11個指標剔除。

4.4 評價指標分級及權重確定

依據《農用地質量分等規程》等相關研究成果確定指標分級及賦分規則，采用層次分析法和專家打分法確定各評價指標權重，并通過一致性檢驗（CR＜0.1），評價要素加權求和法的指標分級賦分標準及權重因文章版面有限未列出，如有疑問可聯系筆者咨詢。此外，評價要素“1 +X”累加模型的指標分級賦分規則以及農作物重金屬元素安全性分級標準如表3、表4所示。

4.5 評價結果分析

4.5.1 耕地產能評價

溫縣耕地產能指數分布在7 079.75～9 445.28之間，1～5等的面積構成分別為45.91%、26.56%、9.89%、15.33%和2.31%。以青峰嶺為界，具有明顯的地域分異特征（圖2），北部耕地產能較南部高。產能較高的一等和二等地主要分布在番田鎮、黃莊鎮、武德鎮以及祥云鎮和南張羌鎮，大部分位于青峰嶺以北，這部分區域屬于沁河沖積扇形平原，地勢開闊平坦，土壤類型多發育為兩合土、小兩合土，土質疏松、耕性良好，土壤有機質含量較高，剖面構型多為通體壤，有益微量元素含量高，土壤保水保肥能力強，土壤蚯蚓和微生物分布多。此外，該區域中部地區排水條件較好，采用防滲渠道輸水，技術設施條件好。產能較低的三等、四等、五等地主要分布在岳村鄉、招賢鄉、溫泉鎮、祥云鎮等青峰嶺以南的大部分以及北冷鄉的部分區域，主要因青峰嶺以南為黃河漫灘地，土壤本身肥力較低，土壤養分和有益微量元素含量低，質地以砂土為主，不適合土壤蚯蚓和土壤微生物生存，保水保肥能力低，農業生產條件落后。

4.5.2 耕地健康診斷

溫縣耕地健康指數分布在55.44～101.20，健康、亞健康和不健康三級面積構成分別為84.54%、15.39%和0.07%。以青峰嶺為界，南北各鄉鎮耕地健康狀況差異較大（圖3），北部番田鎮、黃莊鎮、武德鎮和北冷鄉的耕地健康，主要因其土壤生產環境無污染、農作物安全性達標，土壤有機質含量和土壤陽離子交換量高，耕地系統彈性好。而招賢鄉、祥云鎮、岳村鄉、溫泉鎮和趙堡鎮等零星地塊因土壤質地以砂土為主，有機質含量和土壤陽離子交換量低導致耕地亞健康，而趙堡鎮生產的糧食年產量變異系數較大，糧食產量不穩定。此外溫縣的耕地基本上沒有重金屬污染，只有零星地塊因有輕微的重金屬污染、白色污染以及較低的農藥殘留導致耕地不健康。總體來說溫縣大部分耕地被診斷為健康。

表3 “1 + X”累加模型的指標分級賦分規則Tab.3 Index classi fi cation rules for the “1+X” accumulation model

表4 農作物重金屬元素安全性分級標準Tab.4 Safety classi fi cation criteria for heavy metals in crops (mg/kg)

4.5.3 耕地健康產能評價

溫縣耕地健康產能狀況差異較大，健康、輕度亞健康、中度亞健康、重度亞健康和不健康5級面積占比分別為65.20%、15.07%、12.31%、6.26%和1.16%，其分布趨勢（圖4）更接近于耕地健康診斷結果（圖3）。耕地健康產能整體狀況較好，以青峰嶺為界，北部番田鎮、黃莊鎮和武德鎮耕地處于健康產能狀態，北冷鄉的大部分耕地處于輕度或中度亞健康產能狀態，而青峰嶺以南的招賢鄉、祥云鎮、岳村鄉等大部分耕地耕地健康產能處于中度亞健康和重度亞健康狀態，只有零星地塊不健康，這部分區域耕地產能較低，耕地健康狀況較差，影響了耕地的可持續利用。此外，耕地健康產能評價中，耕地健康狀況比耕地產能高低更具影響力，即使耕地的地力水平較好，農業技術設施完善，但耕地生產環境存在污染或者耕地系統彈性差，其耕地處于不健康產能狀態。

圖2 耕地產能評價等級分布圖Fig.2 Grade distribution map of farmland productivity evaluation

圖3 耕地健康診斷等級分布圖Fig.3 Grade distribution map of farmland health diagnosis

圖4 耕地健康產能評價等級分布圖Fig.4 Grade distribution map of farmland health productivity evaluation

5 結論和討論

本文豐富了耕地健康產能的內涵，并從耕地產能評價與耕地健康診斷兩個維度出發，選取了耕地氣候條件、土壤特性、技術設施等8個要素，提出了基于“需求—功能—維度—要素—指標”的耕地健康產能評價指標體系構建的理論框架，并設計了指標體系和分級標準。部分指標如土壤蚯蚓和土壤微生物量碳作為耕地產能高低的指示性指標，受外界環境，如溫度、水分、土地利用等影響較大，在一定時間內不具有穩定性，由此可能會對最終的評價結果造成影響，因此生物活性指標及其分級標準是否可行值得下一步研究驗證。

根據耕地健康產能內涵和指標體系，采用定性和定量分析相結合的方法，評價了糧食主產區——河南省溫縣的耕地產能并診斷其耕地的健康狀況。評價結果表明，溫縣耕地產能和耕地健康地域分異特征明顯，以青峰嶺為界，北部耕地產能和健康狀況較南部好，武德鎮、黃莊鎮和北冷鄉三個鄉鎮耕地產能高，耕地健康，是重點保護的區域。而青峰嶺以南的岳村鄉、祥云鎮等因土壤肥力低和砂土的土壤質地導致耕地系統彈性差，進而導致耕地亞健康，是溫縣需要重點整改提升的集中區域。

本文借鑒《土地質量地球化學評價規范》中土壤質量地球化學綜合等級劃分方法，疊加評價單元的耕地產能等級和耕地健康診斷結果獲得耕地健康產能等級。溫縣耕地健康產能整體狀況較好，以青峰嶺為界，北部番田鎮、黃莊鎮等耕地處于健康產能狀態，而青峰嶺以南的大部分耕地健康產能處于中度亞健康和重度亞健康狀態，只有零星地塊不健康。耕地健康產能評價更多取決于耕地健康診斷結果，耕地的健康狀況比耕地產能高低重要，而鄉鎮間差異主要受耕地健康狀況的影響。

理論上，耕地健康產能評價是新時代耕地保護和持續利用的有效工具，而合理的評價方法是基礎。本文利用綜合算法體現影響耕地健康產能敏感度的評價要素，打破了指數求和常規法，對不符合健康產能標準的地區可針對障礙因素進行改良，為未來的土地管理提供依據。值得說明的是，本文重點旨在耕地健康產能內涵、指標體系、評價方法的探討，為未來土地整治工程作參考，為相關研究提供新思路與方法，后續還需擴大研究區域，選擇環境差異更為顯著的研究區進行對比研究，不斷完善指標體系和評價方法。此外，指標權重的確定還需進一步科學探討。