耕地健康產能多要素評價體系構建與應用

高璐璐 張 超，2 呂雅慧 陳婉鈴 鄖文聚 馬佳妮

(1.中國農業大學土地科學與技術學院，北京100083;2.自然資源部農用地質量與監控重點實驗室，北京100083;3.自然資源部國土整治中心，北京100035)

0 引言

耕地是我國最為寶貴的資源，是國家糧食安全的根本保障。長期的不合理利用導致我國耕地質量總體偏低［1］，生態環境狀況也不容樂觀［2］，嚴重影響了耕地的生產能力及健康狀況。《中共中央 國務院關于加強耕地保護和改進占補平衡的意見》要求，著力加強耕地數量、質量、生態“三位一體”保護，推動綠色發展，逐步建立生態環境保護新格局。因此，科學、全面認識耕地狀況和存在的問題，對推動我國耕地健康可持續發展具有重要的意義。

國內外學者對于耕地質量和產能評價的研究，主要聚焦于基礎地力［3-5］和土壤及環境質量［6-8］等方面，探究耕地的生產能力和環境污染狀況等。隨著我國生態文明建設的推進，耕地積累的生態環境問題不容忽視，對耕地質量的提升不僅要關注耕地的生產能力和污染狀況，也需重視耕地的健康發展能力［9-11］。目前，國內外學者主要從土壤質量和土壤環境等角度出發［12-15］，對耕地健康進行評價。美國康奈爾大學基于土壤功能建立了土壤健康評價系統，包含土壤物理、生物、化學等方面［16］。鮑麗然等［17］疊加土壤養分等級和土壤環境等級評價耕地土壤質量，得出重慶市榮昌區耕地土壤養分總體水平一般、土壤環境質量較好的結論。辛蕓娜等［18］從土壤質量、生態質量、土壤環境質量和管理質量等4 個維度評價耕地狀況，客觀反映了縣域耕地土壤質量、土壤污染和生態系統穩定性等。趙瑞等［19］通過作物品質、耕地環境污染狀況和系統彈性等要素診斷耕地的健康狀況，得出耕地健康受耕地環境和系統彈性影響較大的結論。

目前，我國大力倡導生態文明建設，耕地作為“山水林田湖草”生命共同體的重要組成部分，其所在農田生態系統的生態狀況受到廣泛關注。已有研究中，鮮有從生態系統健康角度評價耕地狀況。實際應用中，需融合生態系統健康，綜合耕地產能和耕地健康，對耕地進行更全面的評價。本文從耕地本身和生態系統角度，建立耕地健康產能多要素評價指標體系，對吉林省大安市耕地進行健康產能評價，以期為區域耕地合理利用與可持續發展提供科學依據，為耕地數量、質量、生態“三位一體”保護提供技術支撐。

1 研究區與數據來源

1.1 研究區概況

大安市位于吉林省西北部，地處松嫩平原腹地(44°57' ～45°45' N，123°8' ～124°21' E)(圖1)，總面積約為4 879 km2，屬中溫帶季風氣候，全年日照時數平均為3 012.8 h，年平均氣溫4.3℃，年平均積溫2 921.3℃，年平均降雨量413.7 mm。大安市是世界著名的黃金玉米帶和國家商品糧基地，也是全國最具農業發展潛力的區域之一。未利用地面積約1 886 km2，耕地后備資源豐富。耕地面積約占全域的30%，主要分布在北部和中部。2014 年大安市耕地質量等別更新數據成果顯示，國家自然等別集中在7 ～8 等，國家利用等和經濟等均集中在10 ～11 等。近年來大安市受氣候條件和人類活動的影響，耕地土壤沙化、鹽漬化、有機質下降等問題突出，生態環境狀況敏感［20］。

1.2 數據來源

本文采用數據包括:①實地調研數據:2017 年8月及2018 年5 月和8 月在大安市野外采集的162個耕地樣點，經現場定性分析及土壤取樣、實驗室化驗得到數據。②研究區已有數據庫及相關資料:大安市2014 年耕地質量等別年度更新數據;2012 年大安市土壤樣品化驗數據;2015 年白城市和大安市的環境狀況公報;大安市第一次全國水利普查成果分析報告;2015 年大安市統計年鑒等。③遙感影像:大安市2017 年5—8 月GF-1 遙感影像。

1.3 評價單元劃分

以大安市2014 年耕地質量等別年度更新數據庫中的矢量圖層為評價底圖，以耕地圖斑為評價單元，共計21 142 個單元，總面積1 480.53 km2，建立1∶10 000 的耕地健康產能評價基礎數據庫。

2 研究方法

2.1 耕地健康產能評價指標體系構建

隨著社會經濟的發展，人們對耕地的需求，從最初的高產轉變為穩產、健康以及可持續利用等綜合需求［21］。因此，本文界定的耕地健康產能，即耕地需要滿足:支撐農作物持續、穩定地生長;自我凈化能力;一定時間內抗逆境脅迫的回復能力;維持動物、植物、土壤微生物等正?；顒樱ＷC生物豐富多樣;保障生態系統穩定性和持續性，維持耕地所在生態系統的健康［22-23］等。已有耕地健康產能評價相關研究主要從耕地產能［3］、土壤質量和土壤環境［16］等角度反映耕地的生產能力、環境、污染狀況，無法體現耕地生態系統的健康狀況。本文在已有研究基礎上，加入生態系統健康，對耕地進行綜合評價。耕地健康產能包含耕地產能和耕地健康2 個評價維度，包括氣候條件、土壤特性、利用狀況、環境脅迫狀況和有益生態狀況5 個要素。氣候條件宏觀上對農作物的生產起到控制性作用;土壤是農作物生長的基礎，土壤的物理和化學特性表達耕地的基礎地力水平和土壤的限制性因素;在基礎地力基礎上，耕地的現代化利用狀況進一步表征耕地的有效、合理利用水平。以上3 個要素體現了耕地的產能狀況。環境脅迫狀況主要反映大氣、水、土壤等非閉合空間的貯藏和自我凈化的能力;有益生態狀況通過生物豐富程度表示生態系統的穩定性和回復能力，這2 個要素反映耕地及其所在生態系統的健康狀況。基于以上分析，借鑒前人研究成果［24］，本文構建了“需求—功能—維度—要素—指標”的耕地健康產能評價理論框架，如圖2 所示。在農用地質量分等、土壤環境質量、生態環境狀況評價等基礎上，綜合分析耕地健康產能的不同要素，以主導性、區域差異性和穩定性等為原則，建立了耕地健康產能評價指標體系，如表1 所示。

圖2 耕地健康產能評價框架Fig.2 Evaluation framework of healthy productivity of cultivated land

表1 耕地健康產能評價指標及其權重Tab.1 Evaluation index and weight of healthy productivity of cultivated land

2.2 評價指標計算與分級

氣候條件要素指標數據通過查閱統計資料獲取;土壤特性、利用狀況及環境脅迫狀況等要素指標和有益生態狀況要素中土壤呼吸指標數據主要來自于實地調查、取樣化驗及相關部門數據;有益生態狀況要素中植被覆蓋度與生物多樣性指標，通過遙感數據分析結合實地調查獲取。

植被覆蓋度指耕地評價單元中農作物生長期內的植被覆蓋程度，本文利用2017 年5—8 月6 期GF-1 WFV 數據，預處理后分別計算歸一化差值植被指數(NDVI)，利用NDVI 月最大值的均值表示植被覆蓋度。生物多樣性表征評價單元中生物的豐富度，反映生態系統的回復能力和補償能力。本文在遙感影像分類基礎上，結合實地調查數據，計算生物多樣性指數，計算式為

式中 D——生物多樣性指數

K——耕地圖斑中植被的類型序號

N——耕地圖斑中植被類型的總數

PK——植被類型K 在耕地圖斑中出現的概率

耕地健康產能各指標的分級及賦分標準分別依據《農用地質量分等規程》(GB/T 28407—2012)、《耕地質量等級》(GB/T 33469—2016)、《生態環境狀況評價技術規范》(HJ 192—2015)等，有益生態狀況要素中植被覆蓋度與生物多樣性指標采用自然斷點法分級。采用層次分析法和專家打分法確定各指標權重(表1)。

2.3 耕地健康產能計算與分級

耕地健康產能評價采用耕地產能和耕地健康2 個因素指數疊加法。耕地產能指數計算采用連乘法，其中氣候條件指數用光溫生產潛力指數和作物產量比系數表示;土壤特性指數和利用狀況指數分別采用加權求和法，即對耕地評價單元的評價指標及其權重進行指數綜合，計算式為

其中

式中 C——耕地產能指數

W——氣候條件指數

S——土壤特性指數

U——利用狀況指數

L——光溫生產潛力指數

R——作物產量比系數

αi、βi——指標權重

Xi——指標分值

n——評價指標數量

結合大安市的具體情況，耕地產能指數被劃分為優等(1 350，1 600］、良等(1 100，1 350］、中等(850，1 100］、低等［600，850］4 個等級。耕地健康指數計算也采用連乘法，其中環境脅迫狀況指數和有益生態狀況指數計算式為

其中

式中 H——耕地健康指數

γi、δi——指標權重E——環境脅迫狀況指數B——有益生態狀況指數

耕地健康指數表示指標對耕地健康影響程度，指數的分值越高，表示耕地健康狀況越好，用［0，2］對維度指數進行定量化分級，劃分為AAAA 健康(1.75，2］、AAA 健康(1.5，1.75］、AA 健康(1.25，1.5］、A 健康(1，1.25］、不健康［0，1］5 個等級。

2.4 耕地健康產能指標貢獻分值計算

綜合考慮耕地健康產能評價各個指標的權重、分級得分及其比例情況，對耕地健康產能評價中各個指標的貢獻情況進行分析，從而得到耕地健康產能各個要素的控制指標因素，計算式為

式中 Yi——指標貢獻分值

fi——指標權重

yi——指標等級得分

qi——指標等級比例

3 結果及分析

3.1 不同要素和指標的評價結果分析

大安市主要種植作物為水稻和春玉米，其光溫生產潛力指數分別為1 701 和2 727，在《農用地質量分等規程》(GB/T 28407—2012)中作物產量比系數分別為1 和0.644，經計算大安市域內各耕地圖斑的氣候條件指數相差不大。大安市土壤特性指數在［0.67，0.92］之間，其中土壤特性優等耕地占大安市總耕地面積的99.42%，良等占0.58%，耕地的土壤整體狀況較好。依據指標貢獻度，如圖3 所示，大安市耕地土壤特性的控制指標為耕層質地和鹽漬化程度，耕層質地為黏土和砂土的耕地占29.1%，重度鹽化、中度鹽化和輕度鹽化的耕地占14.19%。大安市利用狀況優等、良等、中等耕地分別占大安市總耕地面積的61.23%、38.60%、0.17%，其中，良等、中等耕地主要分布在大安市的北部、西部等地區(圖4c)，主要受灌溉保證率和林網化程度的影響，灌溉保證率一般滿足的耕地占大安市總耕地面積的71.54%，林網化程度一般及低等的耕地占總耕地面積的40.63%和37.99%。

圖3 土壤特性和利用狀況指標在耕地健康產能評價中貢獻分值Fig.3 Contribution score of soil characteristics and utilization status indicators in healthy productivity assessment of cultivated land

大安市耕地環境脅迫狀況指數分布區間為［0.94，0.98］，因此環境脅迫狀況均為優等。其中，大氣環境、灌溉水環境、土壤重金屬等均為清潔，環境脅迫主要受化肥、農藥等過量施用的影響，如圖5所示。有益生態狀況指數范圍為［1.34，1.94］，其優等、良等和中等耕地分別占大安市總耕地面積的69.17%、23.42%和7.41%，有益生態狀況中等耕地主要分布在紅崗子鄉、太山鎮、海坨鄉和龍沼鎮等鄉鎮(圖4e)，植被覆蓋度和生物多樣性是影響有益生態狀況的重要指標，兩者優等耕地分別占耕地總面積的68.19%和47.50%。

圖4 大安市耕地健康產能不同要素評價結果Fig.4 Evaluation results of different elements of healthy productivity of cultivated land in Da'an City

圖5 環境脅迫狀況和有益生態狀況指標在耕地健康產能等級評價中貢獻分值Fig.5 Contribution score of environmental stress and beneficial ecological conditions indicators in healthy productivity assessment of cultivated land

3.2 不同維度的評價結果分析

綜合氣候條件、土壤特性和利用狀況3 個要素評價耕地產能狀況，經計算大安市耕地產能指數范圍為［618.81，1 530.37］，主要為良等和中等，分別占大安市耕地面積的37.38%和45.19%;優等占比為6.67%，主要分布在大安市的東北部;低等占10.76%，主要在大安市的西北部及西南部等區域(圖6b)。根據2014 年耕地質量等別年度更新數據，大安市耕地質量國家利用等集中在10 ～12 等別，如圖6a 所示，質量較高的10 等地主要分布在北部，質量較低的12 等地零星分布在新平安、大崗子等鎮。將耕地產能評價結果與國家利用等成果進行對比分析，由于兩者的評價指標和計算方法不同，分別用自然斷點法對各評價成果指數分成3 等，對比國家利用等與耕地產能評價結果的分等差距(圖6c)，可以看出，等級一致的耕地占總面積的38.06%，小差距(-1 和1)占總面積的54.06%，大差距(-2 和2)占7.87%，部分區域耕地產能等與國家利用等的評價結果有小幅差異，主要是農用地質量分等綜合考慮了自然因素和作物產量，耕地產能包含了耕地的生產能力和利用狀況等，本文的耕地產能評價是對農用地質量分等的延伸與發展。

從環境脅迫狀況和有益生態狀況2 個要素評價耕地健康狀況，大安市的耕地健康指數范圍為［1.28，1.89］，其中AAAA 健康耕地占大安市總耕地面積的61.87%;AAA 健康耕地占大安市的30.55%，AA 健康耕地僅占7.58%，無A 健康耕地和不健康耕地。AAA 健康耕地主要分布在大安市西部和中部，以燒鍋鎮鄉、舍力鎮、叉干鎮和兩家子鎮等鄉鎮為主;AA 健康耕地主要分布在大安市中部和南部，以新崗子鎮、兩家子鎮、海坨鄉、龍沼鎮等為主(圖7a);AAA 健康和AA 健康耕地主要分布在鹽堿含量高的區域，土壤偏堿性，土壤呼吸較低，植被覆蓋度和生物多樣性較差。

圖6 大安市農用地國家利用等、耕地產能等及等級差距Fig.6 National utilization of agricultural land，cultivated land productivity，and grade difference in Da'an City

圖7 大安市耕地健康及耕地健康產能分等Fig.7 Grades of cultivated land health and health productivity in Da'an City

3.3 耕地健康產能評價結果分析

將耕地產能和耕地健康2 個因素疊加分析，大安市健康優等耕地占大安市總耕地面積的40.35%，主要分布在大安市東北部、北部及東南部等地區;健康低等耕地占大安市的52.07%，主要分布在大安市西北部、北部及西南部等區域;亞健康優等和亞健康低等耕地比例比較低，分別占大安市的3.7%和3.88%;無不健康優等和低等耕地(圖7b)?？傮w上，大安市耕地產能較低，耕地健康狀況較好。

將耕地健康產能的氣候條件指數按水稻和玉米2 種作物區分，其他4 個要素指數按0.25 為間隔，劃分為優等、良等、中等、低等4 個等級，對比每個要素不同等級的比例(圖8)，耕地健康產能在氣候條件限制下，受利用狀況、有益生態狀況要素影響較大，土壤特性次之，環境脅迫狀況影響最小。綜上，健康優等耕地綜合狀況最好，耕地質量高，作物高產穩產，利用狀況好，未受到任何污染，生態系統穩定、健康、可持續，可優先劃定為永久基本農田和高標準農田;健康低等耕地的產量低，利用狀況差，土壤清潔，生態系統健康，耕地的灌溉設施和防護林經過改善后可被劃定為高標準農田建設區;亞健康優等耕地高產穩產且清潔，利用狀況高，有益生態狀況較差;亞健康低等耕地利用狀況低，有益生態狀況較差，亞健康優等和亞健康低等耕地需經改良后劃定為永久基本農田。

4 結論

(1)沿用農用地分等中的部分內容，在耕地產能評價的基礎上，同時兼顧耕地健康狀態，綜合評價耕地狀況。從耕地本身和生態系統角度，構建了“需求—功能—維度—要素—指標”的耕地健康產能評價理論框架，其中要素包括氣候條件、土壤特性、利用狀況、環境脅迫狀況和有益生態狀況5 方面，并在植被覆蓋度、生物多樣性等指標的計算中，充分利用了國產GF-1 遙感數據，增加了數據可獲取性和實時性。

(2)對大安市耕地進行健康產能評價應用，并與農用地質量分等結果進行對比，結果表明，大安市耕地健康狀況較好，但產能較差;耕地健康產能受利用狀況、有益生態狀況要素影響比較大，其狀況較差，主要受灌溉保證率、林網化程度、植被覆蓋度和生物多樣性等指標的影響;土壤特性要素對耕地健康產能的影響次之，土壤質地和鹽漬化程度等指標狀況較差。本文方法可以綜合評價耕地健康產能狀況，為永久基本農田劃定和高標準農田建設提供理論依據和技術支持。

(3)耕地健康產能評價指標存在地域差異性，因此，不同要素指標的選取需結合區域實際情況和發展需求進一步優化與選擇。此外，生物多樣性主要考慮了植被情況，對于動物活動評價有待豐富和完善。