耕地產能評價研究進展與展望

李曉亮，吳克寧，2，褚獻獻，楊淇鈞，張小丹，郝士橫

（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；3.中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

土地的生產能力與食物安全、能源和淡水需求、碳平衡和氣候變化有著密切聯系，維持土地資源滿足人類生產生活需求的生產能力是21世紀最具挑戰性的問題之一[1]，而準確評估耕地生產能力是保障糧食安全、全面了解耕地資源的基礎[2]。2017年國務院頒布《關于加強耕地保護和改進占補平衡的意見》，明確提出“建立健全耕地質量和耕地產能評價制度，完善評價指標體系和評價方法”的要求，標志著中國正逐漸從耕地數量、質量保護向耕地產能保護方向的轉變[3]；2019年中央一號文件在新的戰略背景下進一步提出了穩定糧食產量，推動藏糧于地、藏糧于技，鞏固提高糧食生產能力的要求。不論是建立產能評價指標體系還是開展高標準農田建設、實施藏糧于地政策，國家的核心目標歸根結底是保護和提高耕地的生產能力[4]。目前，中國對耕地產能的研究主要集中在以農用地分等為基礎的產能核算方面[5]，而對于耕地產能機理、耕地健康產能方面的研究相對較少，因此有必要系統梳理國內外有關耕地產能的研究進展，對比分析耕地產能評價的各種方法，為構建一套適合中國的耕地產能評價體系提供借鑒和參考。

1 耕地產能研究進展

1.1 土地自然生產力研究階段

一般認為有關耕地產能方面的研究起源于對土地生產潛力的研究，以1840年VON LIEBIG在Organic chemistry in its applications to agriculture and physiology中提出“最小養分定律（Law of the Minimum）”為開端，他將土地生產力定義為作物種子里和土壤中潛伏的一種力量，憑借這種力量獲得作物產量，并根據區域土壤狀況和獲取營養物質的差異，又將產量劃分為實際產量和理論最高產量[6]，當土壤環境中最低量營養物質能夠滿足作物生長需求時才有可能達到最高產量[7]。基于“最小養分定律”生態學家又提出了“限制因子定律”和“收獲能量定律”，進一步完善了土地生產力研究。之后其他學者也對土地生產能力進行了系統性分析，如德國農學家A. D. THAER依據土壤質地、腐殖質含量等土壤性質建立了土壤生產潛力評級體系，比較了不同土壤之間的生產能力差異[8]；中國學者任美鍔根據統計數據用農作物總價值系數表示農業生產力[9]；1961年美國農業部建立了第一個土地資源生產潛力評價方法，將土地生產潛力劃分了三級，最大程度地考慮了自然適宜性對生產潛力的影響，也奠定了世界范圍內開展土地生產潛力研究的基礎。該階段學者更多關注土壤自身屬性和作物的自然適宜性，更側重土地自然生產能力的研究。

1.2 光溫（氣候）生產力研究階段

通過對作物光合作用中物質能量轉化的研究，人們發現作物的產量與太陽的輻射量、作物的光能利用效率有著緊密的聯系[10]，竺可楨、黃秉維等學者依據太陽輻射量建立了光合潛力的評價方法，但該方法的計算結果明顯高于作物的實際產量，由此學者在光合潛力的基礎上又開展了一系列的修正研究[11]。在實際生產中，田間的水熱條件是影響作物生長的重要因素，為此SLATYER[12]、竺可楨[13]等分別從水分、輻射、溫度等方面開展了對作物產量的研究。在對作物生長與氣候因素之間機理研究的基礎上，Wageningen模型、Miami模型、Thornthwaite Memorial 模型等有關光溫（氣候）生產潛力模型逐漸建立。1978年FAO開展了農業生態區的耕地生產潛力研究，建立了光溫生產潛力、光溫水生產潛力和光溫水土生產潛力評價模型，并逐漸被國際廣泛應用。中國農用地分等工作以AEZ模型為框架，通過逐級修正的方式核算了中國耕地的生產能力，并建立了分等成果與實際標準糧產量關系，摸清了理論產能、可實現產能和實際產能狀況[14]。該階段是在了解光、溫、水對作物產量影響的基礎上開展的耕地生產能力評價，雖然該階段也涉及到了土壤、社會、經濟技術等其他因素對耕地產能的影響，但更多是在光溫（氣候）生產潛力研究的基礎上對耕地產能的進一步完善，因此將該階段納入光溫（氣候）生產力研究階段。

1.3 耕地健康產能研究階段

在社會經濟的快速發展下，生態環境惡化、土壤污染等問題逐漸顯現，如何保障土壤的健康狀況，保障糧食數量、質量安全，成為各國關注的焦點。國際上對于耕地健康產能的研究多集中在土壤健康方面，如2002年歐盟實施的土壤環境評價健康項目[15]，2007年美國康奈爾土壤健康團隊建立的土壤健康評價體系[16]，均是對土壤健康、環境進行評價。學者更多是對土壤健康指標影響健康狀況因素和評價框架的關注，如可降解塑料地膜對土壤健康的影響[17]，土壤侵蝕對土壤物理健康狀況的影響[18]等。在評價框架建立方面，部分學者依據土壤健康指標建立了評價體系，如APFELBAUM等提出以生態系統健康為組織框架構建土壤健康評價體系[19]，RINOT等也提出了基于土壤性質和生態系統服務關系的土壤健康評價框架[20]，系統完善了從指標選取到健康評價的整個流程。

目前中國耕地健康產能的研究還處于起步階段，僅有部分學者開展了耕地健康產能研究，李強等基于耕地質量、產能和土壤環境構建了耕地健康綜合指數評價模型，該模型綜合考慮了耕地產能和土壤健康狀況，可較好展現區域耕地健康狀況[21]；單美以耕地地塊為研究尺度，通過耕地的生產功能和生態功能核算耕地的健康狀況[22]；趙瑞等基于“需求—功能—維度—要素—指標”邏輯框架系統地考慮了耕地健康和耕地產能之間的關系[23]。已有研究發現，中國有關耕地健康產能的研究多集中在農地分等和土壤環境質量成果相融合的方面，未構建明確的耕地健康產能評價框架，同時在土壤物理、化學、生物指標對耕地健康產能的影響方面研究相對較少，因此亟需開展耕地健康產能的機理研究，以完善耕地健康產能評價體系。總體來說，該階段在耕地產能的基礎上考慮了土壤的健康狀況，并逐步將產能與健康有機結合，因此將該階段歸納為產能和健康綜合評價階段。

2 產能核算方法研究

2.1 趨勢外推法

趨勢外推法是以作物產量為基礎，采用灰色模型、指數平滑等方法識別產量變化規律預測作物現實產量的一種方法[24]。該方法僅考慮作物產量數據，適用于非土壤學家對耕地產能的核算，如1986年中國開展的土地資源生產能力及人口承載量項目采用趨勢外推法通過灰色模型預測和Logistic Growth Curve Model模擬計算2000年作物單產[24]，估算土地的生產能力；SCHELLBERG根據建立的空間作物產量數據庫在區域范圍內對土地生產力進行預測[25]。該方法雖然簡單易行，但存在對遠期產量預測結果精度低，對豐收年和災害年敏感較差等問題，目前正逐步被其他方法所替代[26]。

2.2 機制法

機制法又稱潛力逐級修正法，是從作物截光特征和光合作用角度出發，依據作物生產能力形成機理，以溫度、水分、土壤逐級修正的計算光溫、氣候、土地生產潛力的一種方法[27]，其中Wageningen模型和AEZ模型應用最為廣泛。與Wageningen模型相比AEZ 模型更全面地考慮了作物生長所需的氣候環境指標，并可應用于更廣泛的作物生產力評估，是一個被廣泛認可的土地生產力評價模型。中國農用地分等體系也沿用了AEZ方法，以全國標準耕作制度二級區的光溫（氣候）生產潛力為控制，利用土壤屬性、利用水平和經濟狀況逐級修正得到相應的生產能力。該體系在縣域范圍內以耕地圖斑為評價單元，融合了氣候、地形地貌、作物熟制和區域特性，考慮了作物生長所需的光、溫、水、土，可較好地評估耕地的生產能力。2017年原國土資源部在“兩套指標體系”耕地產能評價[28]的基礎上開展了耕地健康產能研究，其中由土壤特性、技術水平、田塊狀況和生物特性對氣候條件逐級修正形成耕地產能，由生產環境、作物品質對系統彈性形成耕地健康，通過空間疊加的方式確定區域耕地健康產能狀況。

2.3 作物生長模擬法

作物生長模擬法是根據作物生長全過程所需的輻射量、溫度、水分、土壤等因素，采用相應模型模擬作物生長過程和預測作物產量的方法[29]。1970年DE WIT建立第一個模擬作物生長過程中碳素平衡模型ELCROS[26]，1981年KEULEN在模型中完善了水分和營養狀況對作物生長的影響，形成了ARID CROP模型[30]，拓寬了作物生長模型的應用范圍，隨后美國的DSSAT系統、FAO的AquaCrop模型、中國的水稻生長模型等逐漸建立。但該方法由于缺乏統一的建模標準導致各個模型之間預測結果的可比性差，只能用于特定目標下的特定區域，因此亟需建立作物生長模型標準化因子，進一步擴大適用區域。

2.4 經驗法

經驗法是通過氣候因素與作物產量之間的函數關系建立的產能核算模型[31]，其主要機理是以氣候因素綜合情況表征作物的生產能力，計算的結果表示的是氣候生產能力。該種方法中Miami模型和Thornthwaite Memorial 模型較為成熟。Miami模型是由LEITH依據全球50個實測自然植被的凈出生產力和與之相對應的年降水量、年均溫之間的函數關系建立的模擬模型[32]；Thornthwaite Memorial 模型采用年實際蒸散量預測生產能力是對Miami模型的進一步完善。由于這兩種模型所需指標較少，從而被各國廣泛應用，但也存在缺乏對其他因素考慮的弊端，僅能表現大的氣候環境背景下的平均狀況，因此該方法更適合大尺度的耕地氣候生產潛力的測算[29]。

2.5 Storie指數法

Storie指數法是基于土壤分類系統和環境特性建立的一種半定量化的土壤生產力評價方法[33]，依據土壤剖面狀況、表層質地、坡度和土壤及景觀條件4個方面核算土壤生產力，每個評價因素取值范圍為0～100，將各因素評分相乘得到生產力指數。由于影響因子分級和評分的主觀性較強，2005年O’GEEN等對原有Storie指數法進行了修訂，增加了pH值、EC、SAR等因素，并依據美國農業部自然資源保護局（NRCS）和國家土壤信息系統（NAIS）的土壤屬性數據，對各指標分值采用模糊函數的方法劃定分值區間，將原有因素分級進一步合并，系統地完善了該評價方法[34]。修訂后的Storie指數法在Libya北部區域[33]、Andipatti流域[35]都得到了很好地應用。

2.6 耕地地力評價體系

2016年原農業部實施的耕地質量等級評價框架是由土壤立地條件、自然屬性等相關要素綜合構成的土地生產能力[36]評價方法。該方法將全國劃分為9大區域，并規定了每個區域的基礎性指標和區域補充性指標，在基礎性指標中增加了生物多樣性指標，進一步完善了2008年原農業部頒布的《耕地地力調查與質量評價技術規程》在耕地健康評價方面的不足。該方法以層次分析法確定指標權重，以隸屬函數確定各指標分值，最終采用累加法計算耕地質量綜合指數，該綜合指數即表征耕地的生產能力狀況。

2.7 M-SQR法

The Muencheberg Soil Quality Rating（M-SQR）法是基于絕大多數的陸生植物都需要良好的生長條件和最佳的土壤質量的理念建立的耕地產能評價方法[37]。該方法由基礎指標（Basic Indicators）和危害指標（Hazard Indicators）兩個維度構成[37]，其中基礎指標主要是與作物生長發育有關的土壤性狀指標，包括表層土壤結構、坡度等共8種評價因子；危害指標主要是限制作物生長的環境指標，包括污染狀況、鹽化等超過13種評價因子。采用加權求和的方式計算基礎指標得到耕地本底的生產能力，總分值在0～34之間；采用求積的方式計算危害指標得到耕地的限制情況，總分值在0～2.94之間，通過計算基礎指標和危害指標乘積得到耕地生產潛力。該方法采用危害指標修正基礎指標的方式較好地體現了耕地的基礎地力和限制情況，可滿足不同管理需求，但目前該方法僅編制了谷類作物和草地的指標和評分體系，還需進一步擴展應用范圍。

3 產能核算方法對比研究

為清楚了解各評價方法之間的相互關系，根據已有研究對上述部分方法進行了梳理。由于趨勢外推法不能甄別出對耕地產能有影響的因素，因此未選取該方法進行對比；在機制法中選取了中國廣泛應用的農用地分等體系和2017年耕地健康產能評價體系試點研究（產能指數與產量相關性選取的是“兩套指標體系”中耕地產能評價結果與產量之間的擬合關系）；作物生長模擬法選取了較為完善的DSSAT系統；由于經驗法計算的是氣候生產潛力，不涉及土壤狀況因此未選取該方法進行對比；Storie指數法（與產量相關性包括修訂前和修訂后）、耕地地力評價體系和M-SQR法也被選取進行對比。表1是各評價方法及典型應用，雖未遍及所有文獻，但所選文獻均是典型案例研究，能夠表現出各評價方法之間的差異性和趨勢性。在文獻梳理的基礎上依據評分規則對各評價方法進行評分，表2是各評價方法依據標準及各維度分值。

依據表2評價分值建立各評價方法的多維尺度分析圖，圖1表示各評價方法之間的相似程度。從圖中可以看出這6種評價方法大致可分為4類。

表1 評價方法及典型應用Tab.1 Evaluation method and typical applications

第一類是DSSAT模型，以全生育期內作物生長數據來模擬作物產量變化，是在田塊范圍內選取對作物產量有影響的指標進行分析，因此該方法可精確模擬田塊范圍內耕地的生產能力，能夠準確測算各指標對耕地產能的影響程度。雖然目前隨著遙感技術與模

型的融合，研究尺度已由田塊尺度發展到區域尺度模擬[63-64]，但當研究尺度擴大時，氣象、土壤、管理數據等方面存在較大的空間變異性，導致模擬結果與現實產量的擬合精度將存在較大差異。

（表1續）

表2 各評價方法及各維度分值Tab.2 Evaluation methods and dimensional scores

圖1 多維尺度分析圖Fig.1 Multi-dimensional analysis

第二類是農用地分等體系和M-SQR法，這兩種方法在指標體系、尺度和評價結果方面都有很好的相似性，二者之間存在的主要區別是農用地分等是在全國范圍內依據光、溫、水采用黃秉維法核算光溫（氣候）生產潛力，依據區域土壤、技術等因素逐級修正得到的結果，使得分等成果能夠全國可比，而M-SQR法是通過建立World Reference Base for Soil Resources（WRB）中參考土壤類型的各指標分值計算基礎指標分值，實現全國乃至全世界范圍內可比。兩種方法評價結果與糧食現實產量具有較好的相關性，但分等體系對耕地健康指標選取不足。

第三類是耕地健康產能評價體系，該體系是以AEZ模型為框架，延續了農用地分等思路、細化了技術水平指標、突出了基礎設施建設水平和現代農業技術利用水平特點，理論上該方法可適用于田塊、區域和國家范圍內，但由于目前缺少相應研究，在評分時將田塊尺度和國家尺度給定了0分。除此之外，該評價結果與實際標準糧產量之間擬合程度較差，主要是由于所選指標過多，不能反映主要指標對產能的影響；其次技術水平部分指標不夠細化，往往是一個鄉鎮給定一個值，沒有對局部差異進行區分。與其他方法相比，雖然該方法涵蓋了耕地健康診斷層次，但未對耕地健康指標尺度進行區分（如蚯蚓指標多應用于田塊尺度），導致評價結果在大尺度范圍內存在較高的不確定性。

第四類是耕地地力評價體系和Storie指數法，這兩種方法更側重土壤性質對土地生產力的影響。耕地地力評價體系雖選取了易受施肥影響的土壤養分指標，但沒有考慮光溫降水等大尺度變異指標，致使計算結果雖然能夠在小尺度范圍內準確評估短期時間內耕地現實產量狀況，但不能達到全國可比的目的[65]。Storie指數法同樣更適合小尺度范圍內的耕地生產力評價[66]。與Storie指數法相比，耕地地力評價體系考慮了土壤生物多樣性和清潔程度指標，關注了耕地健康狀況；同時將技術條件指標納入其中，使得評價結果更符合作物的現實產量情況，評價結果與產量擬合結果的波動性相對較小。與其他方法相比，這兩種方法均采用了數學方法獲取相應的指標分值，一定程度上避免了人為的主觀性。

總體來說，這6種方法在指標體系、應用尺度和與產量相關性方面均有不同，可借鑒各方法所具有的優勢建立中國耕地健康產能評價體系。

4 耕地產能研究展望

目前中國廣泛應用于較大尺度、與耕地產能相關的評價體系有農用地分等體系和耕地地力評價體系；與耕地健康相關的評價體系一種是土壤污染調查體系，一種是地球化學調查評價體系。自然資源部成立之后統一行使全民所有自然資源資產所有者職責，統一現有評價方法建立一套標準化的耕地健康產能評價方法勢在必行。耕地健康和耕地產能是兩個復雜的巨系統，二者之間既有聯系又有區別，因此可以借鑒M-SQR評價框架，將耕地健康產能評價體系分為耕地產能評價和耕地健康評價兩大維度，最終以空間疊加或修正的方式計算耕地健康產能評價結果，為耕地數量、質量、生態“三位一體”保護提供核算依據。

耕地產能維度可繼續沿用農用地分等體系的理論框架，以作物生長模擬法探索影響耕地產能指標，結合耕地地力評價選取與耕地生產能力相關的土壤指標，選取對土地整治、高標準農田建設后有顯著變化的技術水平指標，各指標分值可借鑒耕地地力評價采用隸屬函數的方式確定，最終形成以光溫（氣候）生產力為基礎，以土壤、技術為修正因子建立耕地產能評價體系，評價結果可作為耕地占補平衡核算依據，滿足中國實行按等補貼、按等折算的政策要求。

耕地健康維度可參考康奈爾土壤評價框架[66]，結合土壤污染調查體系和地球化學調查評價體系選取對耕地健康狀況有影響的指標。同時應探索適合不同尺度下的土壤健康指標，避免因各尺度之間指標的混用造成評價結果的不準確性。通過對耕地健康指標綜合評價，得到的耕地健康指數可用于監測土壤改良和退化狀況，提供改善土壤健康的管理策略，滿足耕地生態保護的要求。