耕地健康產能評價及其空間分異
——以濟南市為例

王滿意， 陳明慧， 李 申， 閆弘文， 殷冠羿， 王文琦

(1.山東師范大學地理與環境學院，山東濟南 250358； 2.山東省國土空間生態修復中心，山東濟南 250014；3.中國科學院新疆生態與地理研究所，新疆烏魯木齊 830011)

“地乃糧之母”，耕地是糧食生產的基石，是人類生存和發展的基礎。中國用不到全球10%的耕地養活了全世界近1/5的人口[1]，為解決全人類的糧食安全問題做出了巨大貢獻，同時也為我國經濟社會的發展提供了堅實的后盾。然而，建設占用、農業結構調整以及頻繁的自然災害使得耕地的數量和質量不斷下降。據自然資源部發布的耕地數據，我國的耕地總面積已由2009年底的20.307 7億畝(1畝=667 m2)下降到2019年的19.179 3億畝[2]，10年間耕地面積縮減1億畝。與此同時，土地鹽漬化、荒漠化、重金屬污染等耕地生態問題頻發[2-3]，對我國的糧食安全產生嚴重威脅。這為政府和研究者們提出了一個難題：怎樣在耕地數量減少和質量下降的雙重挑戰下，維持耕地的產能，并同時保證農產品的綠色與安全？黨和政府一直高度重視耕地保護，2015年習近平總書記對耕地保護工作做出過重要指示：“要實行最嚴格的耕地保護制度，要像保護大熊貓一樣保護耕地”。2016年中央一號文件提出，要加強農業生態保護和修復，同年我國開始在東北冷涼地等生態脆弱區開展耕地輪作休耕試點工作，著力探尋農業生產質量效益并舉之路[4]。在這樣的背景下，耕地健康產能問題受到學者的廣泛關注[5]。

耕地健康產能的相關研究實質上是國際土壤理化質量的研究與中國可持續發展的有機結合[6]，其淵源可追溯到20世紀40年代。1941年，美國生態學家Leopold曾定義土地健康的概念：土地自身能夠抵御外界侵擾實現自我更新是健康的表現。同時使用土地疾病等術語描述土地功能上的紊亂[7]。之后，國際上與耕地健康相關的研究轉移到土壤健康上。20世紀80年代，加拿大農業部門在其國內開展土壤健康研究項目，并定義土壤健康為土壤能夠支撐作物生長而不危害環境的狀態[8]。2011年聯合國糧食及農業組織指出：土壤健康是土壤維持植物生長和土壤功能穩定的能力。Bünemann等探討了土壤質量與土壤健康的區別，并列舉了包括土壤有機質含量、pH值等在內的表征土壤健康的常見理化指標[9]。目前，國內對于耕地健康產能的研究主要集中在耕地健康的內涵界定、耕地健康產能評價等方面。李強等認為，耕地健康是一個復雜的綜合概念，健康的耕地既要有好的環境、沒有污染，又要有可觀的產能，二者都不能缺少[10-12]。健康是耕地發揮其正常作物生產功能和生態服務功能等五大功能的外在體現。與此同時，健康的耕地應該是可持續的，不僅包括時間而且也包括空間上的可持續。鄖文聚等從4個方面解讀健康的耕地的內涵，受到了較多學者的認可：一是耕地能夠支持作物的正常生長，保證農產品質量可靠；二是耕地土壤擁有一定的肥力基礎和凈化污染的能力；三是耕地有能力抵抗正常的化肥、農藥、沉降物等的侵害，保持其功能不失調；四是耕地生態系統在物質循環和能量流動過程中不會產生有毒有害物質[13-14]。陳文廣等認為，健康的耕地應首先具備持續、穩定的生產能力，其次農業生產的環境綠色無污染，生產的農產品健康無公害，最后還應該對外界干擾有一定的應對能力[15]。隨著人們對耕地數量、質量、生態“三位一體”保護的日益重視，對耕地健康的關注也逐步轉移到耕地健康產能上。鄖文聚等在2015年即提出，耕地健康產能本身是一復合的評價式概念，主要涵蓋耕地的生產能力、生產環境、自我恢復能力及其生產的農產品的品質等方面[14]。趙瑞等則從耕地健康和耕地產能2個方面對耕地健康產能的內涵進行界定[16]。但學界目前對于耕地健康產能的內涵尚未形成統一見解，相關研究也較少。本研究在現有研究的基礎上結合研究區的特點，將耕地健康產能的內涵界定為：首先耕地要有較高的、穩定的產能，這要求耕地要有一定的地力，質量要可靠，水熱條件適合當地作物生長；其次耕地要有良好的健康狀況，這不僅要求耕地要有良好的生態環境，還要求耕地對外界侵害具有一定的抵抗能力和自我修復能力。耕地只有滿足以上2點，才能滿足人們日益增長的美好生活需要。關于耕地健康產能評價的研究則主要圍繞指標體系構建與評價方法創新2方面展開，評價尺度以區(縣)級為主，缺乏更大尺度范圍內的探索。相關學者基于能值分析和模糊評價方法[17]，從耕地質量、耕地產能、耕地環境方面選取指標對縣域耕地健康做評價，區分出其健康、亞健康和不健康的狀態；趙瑞等將耕地健康與耕地產能分別評價后再將二者耦合得到研究區的耕地健康產能情況[16，18-19，15]。在評價方法上，以《農用地質量分等規程》[20]為指導，通過連乘積法、1+X累加模型、最小限制因子法等對耕地健康產能狀況進行測算。但是由于缺乏生物活性指標，使得其評價成果的準確性降低。宏觀尺度上，葉思菁等以全國范圍內的65個試點縣為研究對象對中國的耕地健康產能進行評價，并通過分析各項指標的標準差收斂特征將65個樣本的耕地健康產能等級劃分為健康、亞健康、不健康3類[21]，實現了跨越自然區的耕地健康產能狀況可比。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

研究區(圖1)位于36°01′～37°32′N、116°11′～117°44′E之間，地勢南高北低，南與泰山相依，北跨黃河與德州、濱州比鄰，地處低山丘陵與沖擊平原交界處。研究區屬暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，日照充足，年均溫度13.6 ℃，年均降水量 614.0 mm。研究區屬農用地質量分等一級指標區的黃淮海區，二級分區跨越冀魯豫低洼平原區和山東丘陵區，共計分為魯西北平原區、泰魯沂蒙尼山地丘陵區、濟濰山前平原區和汶、泗及湖東平原區4個指標區；作物熟制為一年兩熟，基準作物為小麥，指定作物為小麥和玉米；共轄歷下、市中、槐蔭、天橋、歷城、長清、章丘、濟陽、萊蕪、鋼城10個區和平陰、商河2個縣。2020年地區生產總值為 10 140.9 億元，戶籍總人口達806.7萬，常住人口920.24萬。研究區系黃河流域生態文明與區域協調的中高點定位，更是我國新舊動能轉換的試驗高地。以2019年研究區耕地質量等別更新數據庫中的耕地圖斑為評價單元，處理后的評價單元共計 202 639 個。

1.2 數據來源

行政區劃矢量數據來源于2019年濟南市土地利用現狀變更調查數據庫，DEM數據和黃河范圍矢量數據來源于地理國情數據云平臺。光溫生產潛力、產量比系數來源于《農用地質量分等規程》[20]；表層土壤質地、鹽漬化程度、障礙層次、排水條件等數據來源于2019年濟南市耕地質量等別成果數據庫；土壤pH值、生物多樣性數據來源于2020年研究區耕地資源質量分類成果數據庫；重金屬污染狀況數據來源于野外采樣檢測；降水量、年平均溫度、農藥化肥施用量、糧食產量等數據來源于各年份研究區統計年鑒和統計公報。

2 評價過程

2.1 評價指標體系的構建

耕地擁有包括生產功能和生態服務功能在內的多項功能[10]，并且這些功能仍隨著人類社會的發展而不斷細化，這是由人類的需求決定的。最初，耕地給人類供給必要的生存要素，僅發揮其生產功能[18]。當人類吃飽以后轉而追求更多其他享受，這些享受仍要以耕地能夠提供足量農產品供給為前提，于是高度集約化生產成為耕地主要的生產方式。這種高強度、高負荷的作業方式給耕地本身帶來了巨大壓力[22]，產生了地力下降[23]、土壤板結、面源污染加劇[24]等眾多問題。生態環境部2014年發布的調查[25]顯示，中國耕地土壤點位超標率近20%。在這種情況下，國民開始意識到保護耕地的重要性，立足于數量、質量、生態的三位一體保護[4]日益受到政府和公眾的重視。這意味著耕地不僅要有持續穩定的產能，還要有良好的健康狀況，以滿足人們日益增長的美好生活需要。因此，耕地的健康狀況也逐漸成為人們關注的重點，基于人類需求-耕地供給構建的耕地健康產能評價理論框架見圖2。耕地產能狀況主要從氣候條件、耕層特征、地塊狀況、技術水平4個方面進行測算，耕地健康狀況主要從耕地彈性、生產環境2個方面進行診斷，耕地產能與耕地健康評測結果疊加構成研究區耕地健康產能狀況。

根據研究區特點和數據獲取難易程度選取指標分別對耕地產能和耕地健康進行評價，指標的選取參考了《農用地質量分等規程》(GB/T 28407—2012)[20]、《耕地地力調查與質量評價技術規程》(NY/T 1634—2008)[26]、《耕地質量等級》(GB/T 33469—2016)[27]、《自然資源分等定級通則》(TD/T 1060—2021)[28]、《第三次全國國土調查耕地資源質量分類工作方案》等。現有研究缺乏生物活性指標，或以蚯蚓條數代替，該指標受外界環境影響較大，且在一定時間內不具有穩定性，使得評價結果的說服力降低。因此，本研究的生物活性選取生物多樣指標進行表征，主要依據土壤樣點的Chao1指數值在全省中的位次確定其等級再根據各區(縣)地類區別賦值到圖斑；地塊破碎度指標計算參考李文灝等的研究成果[29]；糧食生產變異系數、機械化耕種水平、農藥與化肥施用量指標值通過統計各區(縣)各年份相應指標值并計算，最終賦值到圖斑。耕地產能和耕地健康指標賦分與分級參考了《農用地質量分等規程》(GB/T 28407—2012)[20]、《山東省耕地質量等級成果補充完善技術細則》、《自然資源分等定級通則》(TD/T 1060—2021)[28]。部分指標如地塊破碎度、農藥化肥施用量等的賦分和分級參考了現有研究[15，19]。詳細的指標內容及賦分規則見表1、表2、表3。

2.2 評價方法

本研究將耕地產能與耕地健康分別評價，而后將二者疊加形成耕地健康產能狀況結果。分別采用加權求和法、逐級修正法、1+X累加法、疊加法等方法對研究區耕地健康產能進行測算。各指標權重在參考《農用地質量分等規程》(GB/T 28407—2012)的基礎上，采用德爾菲法與熵權法相結合確定。最后，采用空間自相關對評價結果的空間分布狀況進行探究。

2.2.1 研究區耕地產能評價

(1)計算研究區某一評價單元的某一指定作物的耕地產能指數分值。

Rij=αij×βj×(Wijk×fijk)/100。

(1)

式中：Rij為第i個評價單元內第j種指定作物的耕地產能指數(i=1，2，…，202 639；j=1，2)；αij為第i個評價單元所在縣的第j種指定作物的光溫生產潛力；βj為第j種指定作物的產量比系數；Wijk為第i個評價單元所在指標區的第j種指定作物的第k個指標的權重(k=1，2，…)；fijk為第i個評價單元所在指標區的第j種指定作物的第k個指標的分值。

(2)計算研究區某一評價單元的年度耕地產能指數。由于研究區內作物熟制為一年兩熟，且指定作物為玉米和小麥，故第i個評價單元的耕地產能指數為：

Ri=∑Rij。

(2)

式中：Ri為第i個評價單元的耕地產能指數。

2.2.2 研究區耕地健康評價 耕地健康狀況的診斷由耕地彈性和生產環境狀況組成，耕地彈性主要表征耕地受到外界侵害時的恢復能力，生產環境主要衡量耕地的生態環境狀況。

(1)計算研究區某一評價單元的耕地彈性分值。

(3)

式中：REi為第i個評價單元的耕地彈性分值(i=1，2，…，202 639；)；Wik為第i個評價單元的第k個指

表2 濟南市耕地彈性指標體系及賦分規則

表3 濟南市耕地生產環境評價指標分級

標的權重(k=1，2，3，4，5)；fik為第i個評價單元第k個指標的分值。

(2)計算研究區某一評價單元的生產環境分值。

(4)

式中：Ei為第i個評價單元的耕地生產環境分值，“1”表示該評價單元的耕地環境沒有受到污染的風險，Xik代表著第i個評價單元的第k個指標對耕地環境的威脅等級。

(3)計算研究區某一評價單元的耕地健康狀況分值。

Hi=REi×Ei。

(5)

式中：Hi為第i個評價單元的耕地健康狀況分值；REi為第i個評價單元的耕地彈性分值；Ei為第i個評價單元的耕地生產環境分值。

2.2.3 研究區耕地健康產能狀況 使用Jenks分類法將耕地產能指數劃為較優產能、中等產能和較差產能共三等，將耕地健康狀況按照從好到壞劃分為5級。然后通過疊加耕地產能和耕地健康來劃分耕地健康產能狀況，參考趙瑞等的研究結果[16，30]，按照以下疊加原則(表4)最終將耕地健康產能狀況劃分為健康、輕度亞健康、中度亞健康、重度亞健康和不健康共5類。

2.2.4 空間自相關

(1)全局空間自相關。通過Global Moran’s I 對耕地健康與耕地產能狀況在各鄉鎮間的自相關程度進行測算，用以表征研究區評價結果的空間分布特征。公式如下

表4 濟南市耕地健康產能評價疊加原則

(6)

(7)

3 評價結果及空間分布特征

3.1 耕地產能

通過查閱《山東省耕地質量等級成果補充完善技術細則》確定各縣(區)指定作物的光溫生產潛力值，依據前文所述評價方法，對研究區耕地產能狀況進行測算。研究區耕地產能指數范圍在1 095～3 000 之間，耕地產能指數縱向差距為1 905，差距較大。使用Jenks分類法將耕地產能指數劃為較優產能、中等產能和較差產能共3等，其中評價結果為較優產能的耕地數量最大，面積達282 406.22 hm2，占耕地總面積的66.08%；中等產能耕地面積為 111 187.73 hm2，占26.02%；產能較差的耕地數量最小，面積為33 757.69 hm2，占7.90%。

3類耕地產能空間分布情況如圖3(左)所示，通過觀察圖3可以發現，研究區的耕地產能呈現出北高南低、西高東低的總體特征，且在南部平陰縣、長清區、歷城區、章丘區以及萊蕪區具有一條十分明顯的低產能集聚帶，類別上主要以較差產能為主。這條低產能集聚帶跨越了研究區耕地質量分等3級指標區中的泰魯沂蒙尼山地丘陵區和濟濰山前平原區。這一地帶與研究區的其他區域相比，地勢較為起伏，地形以山地丘陵為主；土壤質地方面沙壤土、礫質土、黏質土雜居分布；土層厚度以60～100 cm為主，部分地區土層厚度小于60 cm，土壤有機質含量不高，生物多樣性水平總體一般。這一地帶的機械化耕種水平也較低，或因坡度起伏所致。研究區西部、北部連片區域，包括商河縣、濟陽區、天橋區、市中區、歷城區與章丘區的北部，耕地產能普遍較高，僅有少量低產能耕地異質分布。這些區域主要為耕地質量分等指標區中的魯西北平原區和濟濰山前平原區的西部、北部。這一區域地勢較為平坦，利于機械化作業。土壤質地以壤質為主，土層厚度普遍大于100 cm，適合作物生長發育。產能分類為中等的圖斑不規則分布于研究區各地，其中以濟陽區數量最多，總面積達25 047.30 hm2，占該區耕地總面積的35.53%。

3.2 耕地健康

依據前文所述方法，對研究區耕地健康狀況進行測算，結果發現，研究區耕地健康狀況分值處于38.4～93.1分之間，相差54.7分，分值差距較大。采用Jenks分類法將耕地健康狀況從好到壞分為5級，耕地健康狀況等級為1級的耕地數量為 229 301.18 hm2，占53.66%，數量最多；2、3、4級耕地數量分別為84 280.91、63 067.81、44 251.16 hm2，分別占19.72%、14.76%、10.35%；耕地健康狀況最差的耕地數量最少，為6 450.57 hm2，占1.51%。由圖3(右)可知，研究區耕地健康狀況呈現出外優內差的分布特征，即研究區中部地區的耕地健康狀況較差，外圍地區耕地健康狀況較好。中部以歷城區為代表，連帶天橋區、長清區、萊蕪區以及章丘區北部，耕地健康狀況處于較低水平。歷城區耕地健康等級以4級和5級為主，耕地健康狀況較差。主要因為其表層土壤質地較差，以礫石土、沙壤土為主，等級過低；其次，該區域的糧食年產量變異系數較大，糧食年產量不穩定，導致其耕地彈性分值偏低；在農業生產過程中，該區域趨向于使用大量農藥與化肥，致使耕地生產環境評分也較低，進而影響整體的耕地健康狀況。研究區北部的商河縣、濟陽區和章丘區耕地健康狀況以1級為主，明顯區別于中部地區。這一地區土壤質地以輕壤土為主，利于作物生長；此外，該地區生物多樣性水平亦明顯優于其他部位，所有圖斑評級皆為豐富。

3.3 空間自相關

表5 研究區耕地產能(健康)全局空間自相關結果

3.3 耕地健康產能狀況

通過對研究區耕地產能與耕地健康評價結果進行疊加，得到研究區耕地健康產能評價分級結果。研究區耕地健康產能狀況總體良好，健康耕地數量最多，面積為178 912.29 hm2，占41.87%；評級為輕度亞健康的耕地數量排在第2位，面積94 812.94 hm2，占22.19%；緊接著的是重度亞健康、中度亞健康耕地，面積分別為69 235.85、64 607.58 hm2，占比依次為16.20%、15.12%；數量最少的為不健康耕地，面積為19 782.98 hm2，占研究區耕地總面積的4.63%。借助軟件將研究區耕地產能評價結果進行可視化表達(圖6)，研究區的耕地健康產能空間格局與耕地健康和耕地產能的空間格局具有極強的相關性。首先，研究區北部的商河縣、濟陽區、章丘區和萊蕪區的中西部的耕地產能與耕地健康狀況都表現較佳。因此，除少量輕度及中度亞健康圖斑雜居分布外，這些區域耕地健康產能的測算結果以健康和輕度亞健康為主。而耕地產能的低產能聚集帶和耕地健康的較差區域都覆蓋的歷城區，其耕地健康產能狀況也堪憂。在歷城區內部，基本無健康、輕度亞健康圖斑分布，全區呈現不健康與重度亞健康圖斑交叉布局。不僅如此，耕地產能評級較優的歷城區北部，耕地健康產能狀況為不健康與重度亞健康。這是因為歷城區北部的耕地表層土壤質地較差，而這一指標在耕地彈性評價中占比較高，從而導致該區域耕地彈性分值較低，同時也說明耕地健康狀況對耕地健康產能評價結果影響更大；與此同時，歷城區農業與化肥施用量較周邊區(縣)更多，因此其生產環境分值也較低。這樣可能導致原本較優的耕地產能被分值較低的耕地健康狀況所覆蓋，最終該區域耕地健康產能狀況較差。平陰縣的耕地健康狀況對其耕地產能評價結果也有一定的“拖拽”作用，最終使得該縣耕地健康產能總體狀況較優，不健康耕地僅占該縣耕地總面積的5.5%。但其耕地健康產能狀況的布局與長清區、鋼城區相似，皆為各等級圖斑雜居分布，這給耕地的治理帶來了一定的難度；最后，研究區市中心周邊的耕地健康產能狀況較差，而這部分耕地的有機質含量等級偏低，或因郊區高度集約化的農業生產導致其耕地地力下降，最終造成其耕地健康產能狀況偏低。

4 結論