基于作物營養當量修正產量比系數法的農用地質量分等

李俊穎，吳克寧※，宋 文

（1. 中國地質大學（北京）土地科學技術學院，北京 100083；2. 國土資源部土地整治重點實驗室，北京 100035；3. 山東農業大學資源與環境學院，泰安 271018）

0 引 言

農用地分等定級是通過定量指標科學量化農用地數量、質量及其分布[1]，對農用地的質量優劣進行綜合評定并劃分等級[2]，是實現耕地占補平衡、保證耕地總量動態平衡的有效措施。1989年原國家土地管理局制定《農用地分等定級規程（征求意見稿）》，并以此為依據在全國進行試點研究；2003年國土資源部在試點經驗總結的基礎上經過多次研討和修正，正式頒布《農用地分等規程》（TD/T1004-2003）[3]，并于2012年修改頒布《農用地質量分等規程》（GB/T28407-2012）[4]，奠定了全國農用地分等工作的基礎。在此過程中，相關專家學者針對農用地分等工作中出現的問題進行了大量研究。陳安慶、王建國等[5-6]探討了農用土地分等定級的基本理論和方法；張鳳榮等[7-8]分析制定了農用地分等定級野外診斷指標體系，并且構建了農用地分等土壤質量指標體系；安萍莉等[9]提出了標準耕作制度的定義，并探討了確定標準耕作制度的原則和方法。楊建鋒等[10]分析了自然質量分的計算方法以及自然質量分的可比對分等成果可比的作用；孔祥斌、伍育鵬等[11-12]對產量比系數的求算方法進行了對比分析。

農用地分等的核心是全國可比的分等指數計算[13]和等級體系建立[14]。在分等指數計算過程中產量比系數是直接影響農用地分等結果及全國可比性的重要參數，其作用是把糧食折算為標準糧，以實現全國可比[15]。在《農用地質量分等規程》（GB/T28407-2012）（下稱《規程》）中列舉了利用作物最高單產求取產量比系數的計算方法，最高產量比法因其簡單易行而被廣泛利用。產量比系數的計算與各地區的標準耕作制度以及耕作環境等條件有很大的關系[16]，由于不同的工作者對《規程》中所規定的產量比系數的理解不同，以及不同地區的分等因素和標準耕作制度不同，其基準作物和指定作物有所不同，導致了農用地分等成果出現了分值相同但內涵不同的現象[17]，無法完全達到全國可比，因而改進產量比系數的計算方法是有必要的。王秋香[18]提出為保證分等結果的可比性，建議以糧食作物的卡路里熱量和干蛋白含量等生物單位作為折算依據。以此為出發點，考慮到不同地區基準作物和指定作物雖然不同，但在作物供給人體所需能量和營養的營養素層面是可以統一可比的。以此為依據，本文選取蛋白質、脂肪、碳水化合物、礦物質、維生素等20種營養素指標和9種標準耕作制度規定作物，構建營養當量修正法，通過計算不同作物“營養當量”來修正產量比系數，并選取北方以小麥為基準作物的河北省曲周縣土地整治項目區和南方以水稻為基準作物的江蘇省宜興市丁蜀鎮作為案例進行實證，對比通過營養當量修正法和最高產量比法計算產量比系數所得出的農用地自然等的差異。以期為完善農用地質量分等提供借鑒，為相關研究提供參考。

1 試驗區概況及數據獲取

1.1 研究區概況

研究區選擇河北省邯鄲市曲周縣東北部土地整治項目區和江蘇省宜興市丁蜀鎮。曲周縣位于河北省南部，邯鄲市東北部，36°35′～36°57′N，114°50′～115°13′E 之間，總面積676.695 km2。在全國標準耕作制度分區中屬于黃淮海區下的冀魯豫低洼平原區。項目區為河北沖積平原，受河流擺動淤積等影響，地表形態除多為低平地外，還有局部的二坡地、緩崗、決口沖積扇和洼地，海拔為32.7 m至45.4 m。年平均氣溫13.1 ℃，≥10 ℃積溫4 472 ℃，無霜期201 d，年均降水量556.2 mm，土壤以潮土為主，屬河北省農用地分等因素三級指標區的“冀南低平原冬小麥夏玉米一年兩熟區”。丁蜀鎮位于江蘇省宜興市，31°07′～31°37′N，119°31′～120°03′E 之間，地處長江三角洲經濟開發區，東瀕太湖，西部為天目山余脈，總面積205 km2。地處北亞熱帶季風氣候，全年溫暖濕潤，氣候溫和、干濕冷暖、四季分明、雨量充沛、日照充足、無霜期長，年平均氣溫 15.7 ℃，無霜期 240多天，生長期可達 250 d左右，年平均降水量為1 199.5 mm。在全國標準耕作制度分區中屬于江蘇省農用地分等因素三級指標區的“寧鎮揚丘陵小麥水稻一年兩熟區”。

1.2 數據來源

1.2.1 農用地分等指標及權重

遵循農用地分等評價指標選擇的“主導因素原則”“穩定性原則”“差異性原則”和“實際性原則”[19]，依據兩地的不同的自然條件、標準耕作制度，綜合考慮評價農用地等級的影響因子確定相應的分等指標，并分別采用德爾菲法[20]確定指標權重。曲周縣項目區選取表層土壤質地、排水條件、鹽漬化程度、灌溉保證率、土壤有機質含量、剖面構型6個分等指標，數據來源于曲周縣土壤圖、土壤有機質含量分布圖、土地利用現狀圖等，指標分值及權重見表1；丁蜀鎮選取表層土壤質地、耕作層厚度、障礙層距地表深度、土壤有機質含量、土壤pH值、灌溉保證率、排水條件、土壤侵蝕程度等8個分等指標，數據來源于宜興市 2011年度土地利用現狀變更調查數據庫、農田設施基本狀況、農業經濟資料及土壤自然質量資料等，指標分值及權重見表2。

表1 曲周縣項目區分等指標分值及權重Table 1 Score and weight of classification indexes in Quzhou county project area

表2 丁蜀鎮分等指標分值及權重Table 2 Score and weight of classification indexes in Dingshu town

1.2.2 營養素指標和分等作物的選取

人體正常運轉需要很多的營養素，本文選取營養素的標準一是為目前已明確研究并納入中國食物成分表檢測范圍且已給出參考攝入量標準的營養素[21]；二是在維持人類健康所必需的蛋白質、脂類、糖類、維生素、礦物質、膳食纖維等營養素之中。以18歲及以上輕體力活動成年男子膳食營養素平均需要量為參考攝入量標準，以100 g為計算單位，依據《中國食物成分表（第二版）》[22]和《中國居民膳食營養素參考攝入量（2013版）》[23]選取脂肪、碳水化合物、蛋白質、膳食纖維、維生素 A、維生素B1、維生素B2、維生素C、維生素E、鈉、鈣、鐵、煙酸、磷、鉀、鎂、鋅、硒、錳、銅共20種營養素指標，同時根據《規程》選取 9種標準耕作制度規定作物，對作物的營養價值進行評價。

1.2.3 作物營養素含量及參考攝入量

表 3為作物中營養素含量及其日均參考攝入量，營養素參考攝入量標準參考《中國居民膳食營養素參考攝入量（20l3版）》中l8歲及以上輕體力活動成年男子膳食營養素日均平均需要量。如無日均平均需要量，則可依次選取日均推薦攝入量、日均適宜攝入量或日均特定建議值。

表3 100 g作物中營養素含量及各營養素日均參考攝入量Table 3 Nutrient content of crop (100 g) and nutrients reference daily value

2 研究方法

2.1 營養當量系數計算方法

營養當量，即營養相當的量，可以反映食物中所含營養素的總體情況，以食物中營養素密度的算數均數計算營養當量值，是根據食物鮮質量中的各營養素的種類及含量作為衡量食物中不同營養素總體含量的評價指標，評價食物對機體所需營養素的綜合供給能力。可通過比較不同食物的營養當量大小，以對不同食物營養價值做出綜合評價和判斷[24]，作物營養素密度及營養當量計算公式[21]如下：

營養素密度=100 g食物鮮質量中某營養素含量/該營養素參考攝入量標準

營養當量=∑營養素密度/n，其中n=20。

表4 作物的營養素密度及營養當量(100 g)Table 4 Nutrient density and nutrition equivalent unit of crops (100 g)

營養當量系數（γ）=指標區內基準作物的營養當量/指定作物的營養當量

根據表4作物營養素密度及營養當量，以小麥的營養當量為基準計算其他作物的營養當量系數，結果如表5。

表5 營養當量系數Table 5 Nutrition equivalent unit coefficient

2.2 自然質量等指數計算方法

2.2.1 確定光溫生產潛力指數

有灌溉條件的水田、水澆地用光溫生產潛力評價，地形、地貌及水源等限制因素導致無灌溉條件的旱地用氣候生產潛力評價[25]，曲周項目區與丁蜀鎮兩地農用地均具備灌溉條件，因而采用光溫生產潛力進行評價，通過查詢《規程》確定兩個研究區所處二級指標區指定作物的光溫生產潛力。

2.2.2 確定產量比系數

1）最高產量比法產量比系數

指定作物產量比系數=基準作物最高單產/指定作物最高單產

產量比系數是表示在相同光、溫、水、土資源條件下，不同作物產量之間的當量關系。因此，如基準作物與指定作物是在同一生長季節內播種生長，則作物單產可直接用來計算產量比系數；如基準作物與指定作物是在不同季節播種生長，則將指定作物或基準作物的最高單產調整為基準作物或指定作物生長發育所對應光、溫、水條件下的最高單產，再通過上述公式計算作物的產量比系數[26]。

2）營養當量修正法產量比系數

營養當量修正法是在原有的最高產量比系數基礎上乘以營養當量系數，將產量比系數由單位面積產量比修正為單位面積營養比，營養當量修正法產量比系數的計算公式為：式中β新ij為修正后第j種作物的產量比系數；βij為最高產量比法確定的第j種作物的產量比系數：γij為第i個分等單元內第j種指定作物的營養當量系數；j為指定作物種數。

2.2.3 計算分等單元自然質量分

采用加權平均法計算分等單元指定作物的農用地自然質量分，計算公式為

式中CLij為分等單元指定作物的農用地自然質量分；i為分等單元編號；j為指定作物編號；k為分等因素編號：m為分等指標的數目，ωk為分等指標的權重；fijk為第 i個分等單元內第j種指定作物第k個分等指標的分值。

2.2.4 計算分等單元自然質量等指數

分別采用最高產量比法、營養當量修正法計算分等單元的自然質量等指數

最高產量比法自然等指數的計算公式為

式中Rij為第i單元第j種指定作物的自然質量等指數；αij為第j種作物的光溫生產潛力指數：CLij為分等單元指定作物的農用地自然質量分；i為分等單元編號，j為指定作物編號，k為分等因素編號；βij為第j種作物的產量比系數：Ri為第i個分等單元的農用地自然質量等指數；j為指定作物種數。

營養當量修正法的計算公式為

式中β新ij為修正后第j種作物的產量比系數。

3 結果與分析

3.1 曲周縣土地整治項目區農用地自然等計算結果分析

按照《規程》確定曲周項目區農用地分等工作中的基準作物為小麥，指定作物為玉米，標準耕作制度為一年兩熟，主要糧食作物是小麥、玉米。項目區基準作物小麥光溫生產潛力指數為1 096，玉米光溫生產潛力指數為2 700。按照最高產量比法求取小麥、玉米的產量比系數分別為1.0、0.7。按前文方法求取小麥、玉米的營養當量系數為 1.0、1.41。通過最高產量比法計算得出曲周項目區農用地自然等指數分布在2 060～2 896之間，通過等間距法劃分等別序列為11～15等，共5個等別；通過營養當量修正法計算得出項目區的自然等指數分布在2 516～3580之間，通過等間距法劃分等別序列為13～18等，共6個等別，與最高產量比法相比最低等提高2等，最高等提高3等，等指數和等別整體呈上升趨勢（圖1、表6），等別差異擴大。

3.2 宜興市丁蜀鎮農用地自然等計算結果分析

按照《規程》確定丁蜀鎮農用地分等工作中的基準作物為水稻，指定作物為小麥，標準耕作制度為一年兩熟，主要糧食作物是水稻、小麥。水稻光溫生產潛力指數為1 977，小麥為930。按照最高產量比法求取水稻、小麥的產量比系數分別為1.0、1.3。按前文方法求取水稻、小麥的營養當量系數分別為 1.0、0.63。采用最高產量比法計算可得，丁蜀鎮農用地自然等指數分布在 2 460～2 918之間，通過等間距法劃分等別序列為13～15等，共 3個等；通過營養當量修正法計算得出丁蜀鎮的自然等指數分布在2 013～2 393，通過等間距法劃分等別序列為11～12等，共2個等，與最高產量比法相比最低等降低2等，最高等降低3等（表6），等別整體呈下降趨勢（圖2、表6），等別差異縮小。

圖1 曲周項目區自然質量等指數散點圖Fig.1 Scatter plot of natural quality index in Quzhou county project area

圖2 丁蜀鎮自然質量等指數散點圖Fig.2 Scatter plot of natural quality index in Dingshu town

表6 不同產量比系數計算農用地分等指數Table 6 Statistics of farmland classification index with different methods

此外，丁蜀鎮與曲周縣項目區相比，采用最高產量比法求得農用地自然等，最高等均為15等，最低等高于項目區 2等；采用營養當量修正法求得農用自然等，最高等低于項目區6等，最低等低于項目區2等，兩個案例區間的等別差異增大。

4 討 論

農用地分等是依據構成土地質量穩定的自然條件和經濟條件，在全國范圍內進行的農用地質量綜合評定[11]。由于各省自然、經濟、技術條件不同，農用地的地域性比較強，農用地分等所采取的方法和所選技術參數不一致，同一評價方法往往很難適用于不同的區域，分等成果不具備直觀可比性[27-28]。產量比系數是農用地分等中的一個基礎參數，產量比系數的正確與否對農用地分等起著關鍵作用，鑒于農用地分等結果需要進行全國匯總，因此全國范圍內應該采用統一的產量比系數計算方法[29]。如何選擇合理的產量比系數，將各種不同的作物換算到同一基準上（可比的標準糧）進行比較或計算，保證農用地分等成果的全國可比是一項重要內容[30]。目前計算產量比系數的方法中最高產量比法以簡單易行而得到廣泛使用，但其確定的最高單產具有一定的區域性，所獲得的數據也受到時間和社會經濟條件的限制，對于計算的精確度產生一定的影響；生產潛力比法通過作物的光溫（氣候）生產潛力計算產量比系數，較適用于單一指標區內的耕地生產能力計算，如同一個區域內跨兩個或以上的指標區就存在選取何種生產潛力參加計算的問題；市場價格比法受市場影響強烈，不能保證時間上的持續性，穩定性較差，精確度較低；熱量比法采用作物熱量這一的生物能量指標進行計算，不受因素指標區的限制，但選用這種方法進行產量比系數的計算，對外業調查的精度要求較高，數據獲取的難度較大，數據精度相對較低；生產潛力—熱量綜合比法，就是在耕地本底生產能力的基礎上，以作物的生物能量指標加以控制，剔除了人為因素的影響，提高了計算結果的精度，但是由于兩個指標對外業調查數據要求精度較高，適用范圍也有一定的限制，可操作性較差[16-17]。營養當量修正法中所選的蛋白質、脂肪和碳水化合物不僅具有給人體供給熱量的功能，其分解產生的氨基酸、脂肪酸等物質還具有構成及修補人體組織、調節生理功能的作用，例如脂肪除為機體提供高深度的熱量和必要的熱量儲備外，還可以提供人體所必需脂肪酸，促進維生素的吸收。蛋白質、脂肪和碳水化合物與其他所選營養素共同促進人體生長，保持代謝平衡，維持體內環境穩態。種植作物的主要目的是為了獲取其中的營養以滿足人體機能的需求，營養當量修正法不僅涵蓋了熱量，還包含了維持人類人體生理機能所必須營養素，與熱量法相比，其數據獲取的難度小、精度高，且更為完整、全面。現有農用地分等工作主要是基于耕地的自然屬性、利用水平等相關因素，從產出的角度看，盡管考慮到產量差異的問題，但是對于不同作物對人體所需營養素的貢獻程度，也就是土地產出作物的營養價值沒有被科學考慮，即使不同地域具有不同的標準耕作制度，基準作物、指定作物也有所不同，但不同作物供給人體所需能量和營養是統一可比的，不存在區域性的影響，那么用營養當量來修正產量比系數較現有的產量比系數計算方法更具科學性、準確性和實用性。因此在《規程》的框架下，可通過構建不同作物的“營養當量”來修正現有的產量比系數，建立更為規范的等級體系，服務于農用土地開發整理設計、耕地占補平衡[31]。

與最高產量法相比，曲周縣項目區營養當量修正法計算得出的農用地自然等等別提高，而丁蜀鎮通過營養當量修正法計算得出的自然等等別降低，由于營養當量修正法是將產量比系數由單位面積的最高產量比修正為單位面積生產作物所產出的營養比，曲周項目區為小麥玉米一年兩熟制，其基準作物為小麥，丁蜀鎮為小麥水稻一年兩熟制，其基準作物為水稻，而水稻的脂肪、膳食纖維、礦物質、維生素的含量均低于小麥，營養素含量的差異是造成 2個案例區等別差異變化的主要原因。但根據“營養當量”計算產量比系數，僅適用于可食用的作物，對于標準耕作制度為棉花等不可食用作物的區域，該方法則不適用。因此在后續的研究中，可將“營養當量”這一方法與其他計算方法相結合，形成合理有效的產量比系數綜合計算方法，并選擇研究區進行實證研究，為查清資源質量，實現國土資源從數量管護到數量質量管護并重，耕地的異地占補平衡提供科學依據。

5 結 論

本文通過構建不同作物的“營養當量”來計算產量比系數，選擇以小麥為基準作物的河北省曲周縣土地整治項目區和以水稻為基準作物的江蘇省宜興市丁蜀鎮南北方兩個項目區檢驗不同方法對農用地自然質量等等別的影響，研究結果表明：

1）營養當量修正法不存在區域性影響，較現有產量比系數計算方法更具科學性；

2）與最高產量比法相比，營養當量修正法得出的自然質量等在曲周項目區呈現整體上升趨勢，由11～15等提升為13～18等；在丁蜀鎮呈現整體下降趨勢，由13～15等降為11～12等；

3）營養當量修正法增加了位于北方的曲周項目區和位于南方的丁蜀鎮兩個研究區間自然質量等的等別差異。