基于作物营养当量修正产量比系数法的农用地质量分等

2019-06-20李俊颖吴克宁

农业工程学报 2019年9期

李俊颖，吴克宁※，宋文

（1. 中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；2. 国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035；3. 山东农业大学资源与环境学院，泰安 271018）

0 引言

农用地分等定级是通过定量指标科学量化农用地数量、质量及其分布[1]，对农用地的质量优劣进行综合评定并划分等级[2]，是实现耕地占补平衡、保证耕地总量动态平衡的有效措施。1989年原国家土地管理局制定《农用地分等定级规程（征求意见稿）》，并以此为依据在全国进行试点研究；2003年国土资源部在试点经验总结的基础上经过多次研讨和修正，正式颁布《农用地分等规程》（TD/T1004-2003）[3]，并于2012年修改颁布《农用地质量分等规程》（GB/T28407-2012）[4]，奠定了全国农用地分等工作的基础。在此过程中，相关专家学者针对农用地分等工作中出现的问题进行了大量研究。陈安庆、王建国等[5-6]探讨了农用土地分等定级的基本理论和方法；张凤荣等[7-8]分析制定了农用地分等定级野外诊断指标体系，并且构建了农用地分等土壤质量指标体系；安萍莉等[9]提出了标准耕作制度的定义，并探讨了确定标准耕作制度的原则和方法。杨建锋等[10]分析了自然质量分的计算方法以及自然质量分的可比对分等成果可比的作用；孔祥斌、伍育鹏等[11-12]对产量比系数的求算方法进行了对比分析。

农用地分等的核心是全国可比的分等指数计算[13]和等级体系建立[14]。在分等指数计算过程中产量比系数是直接影响农用地分等结果及全国可比性的重要参数，其作用是把粮食折算为标准粮，以实现全国可比[15]。在《农用地质量分等规程》（GB/T28407-2012）（下称《规程》）中列举了利用作物最高单产求取产量比系数的计算方法，最高产量比法因其简单易行而被广泛利用。产量比系数的计算与各地区的标准耕作制度以及耕作环境等条件有很大的关系[16]，由于不同的工作者对《规程》中所规定的产量比系数的理解不同，以及不同地区的分等因素和标准耕作制度不同，其基准作物和指定作物有所不同，导致了农用地分等成果出现了分值相同但内涵不同的现象[17]，无法完全达到全国可比，因而改进产量比系数的计算方法是有必要的。王秋香[18]提出为保证分等结果的可比性，建议以粮食作物的卡路里热量和干蛋白含量等生物单位作为折算依据。以此为出发点，考虑到不同地区基准作物和指定作物虽然不同，但在作物供给人体所需能量和营养的营养素层面是可以统一可比的。以此为依据，本文选取蛋白质、脂肪、碳水化合物、矿物质、维生素等20种营养素指标和9种标准耕作制度规定作物，构建营养当量修正法，通过计算不同作物“营养当量”来修正产量比系数，并选取北方以小麦为基准作物的河北省曲周县土地整治项目区和南方以水稻为基准作物的江苏省宜兴市丁蜀镇作为案例进行实证，对比通过营养当量修正法和最高产量比法计算产量比系数所得出的农用地自然等的差异。以期为完善农用地质量分等提供借鉴，为相关研究提供参考。

1 试验区概况及数据获取

1.1 研究区概况

研究区选择河北省邯郸市曲周县东北部土地整治项目区和江苏省宜兴市丁蜀镇。曲周县位于河北省南部，邯郸市东北部，36°35′～36°57′N，114°50′～115°13′E 之间，总面积676.695 km2。在全国标准耕作制度分区中属于黄淮海区下的冀鲁豫低洼平原区。项目区为河北冲积平原，受河流摆动淤积等影响，地表形态除多为低平地外，还有局部的二坡地、缓岗、决口冲积扇和洼地，海拔为32.7 m至45.4 m。年平均气温13.1 ℃，≥10 ℃积温4 472 ℃，无霜期201 d，年均降水量556.2 mm，土壤以潮土为主，属河北省农用地分等因素三级指标区的“冀南低平原冬小麦夏玉米一年两熟区”。丁蜀镇位于江苏省宜兴市，31°07′～31°37′N，119°31′～120°03′E 之间，地处长江三角洲经济开发区，东濒太湖，西部为天目山余脉，总面积205 km2。地处北亚热带季风气候，全年温暖湿润，气候温和、干湿冷暖、四季分明、雨量充沛、日照充足、无霜期长，年平均气温 15.7 ℃，无霜期 240多天，生长期可达 250 d左右，年平均降水量为1 199.5 mm。在全国标准耕作制度分区中属于江苏省农用地分等因素三级指标区的“宁镇扬丘陵小麦水稻一年两熟区”。

1.2 数据来源

1.2.1 农用地分等指标及权重

遵循农用地分等评价指标选择的“主导因素原则”“稳定性原则”“差异性原则”和“实际性原则”[19]，依据两地的不同的自然条件、标准耕作制度，综合考虑评价农用地等级的影响因子确定相应的分等指标，并分别采用德尔菲法[20]确定指标权重。曲周县项目区选取表层土壤质地、排水条件、盐渍化程度、灌溉保证率、土壤有机质含量、剖面构型6个分等指标，数据来源于曲周县土壤图、土壤有机质含量分布图、土地利用现状图等，指标分值及权重见表1；丁蜀镇选取表层土壤质地、耕作层厚度、障碍层距地表深度、土壤有机质含量、土壤pH值、灌溉保证率、排水条件、土壤侵蚀程度等8个分等指标，数据来源于宜兴市 2011年度土地利用现状变更调查数据库、农田设施基本状况、农业经济资料及土壤自然质量资料等，指标分值及权重见表2。

表1 曲周县项目区分等指标分值及权重Table 1 Score and weight of classification indexes in Quzhou county project area

表2 丁蜀镇分等指标分值及权重Table 2 Score and weight of classification indexes in Dingshu town

1.2.2 营养素指标和分等作物的选取

人体正常运转需要很多的营养素，本文选取营养素的标准一是为目前已明确研究并纳入中国食物成分表检测范围且已给出参考摄入量标准的营养素[21]；二是在维持人类健康所必需的蛋白质、脂类、糖类、维生素、矿物质、膳食纤维等营养素之中。以18岁及以上轻体力活动成年男子膳食营养素平均需要量为参考摄入量标准，以100 g为计算单位，依据《中国食物成分表（第二版）》[22]和《中国居民膳食营养素参考摄入量（2013版）》[23]选取脂肪、碳水化合物、蛋白质、膳食纤维、维生素 A、维生素B1、维生素B2、维生素C、维生素E、钠、钙、铁、烟酸、磷、钾、镁、锌、硒、锰、铜共20种营养素指标，同时根据《规程》选取 9种标准耕作制度规定作物，对作物的营养价值进行评价。

1.2.3 作物营养素含量及参考摄入量

表 3为作物中营养素含量及其日均参考摄入量，营养素参考摄入量标准参考《中国居民膳食营养素参考摄入量（20l3版）》中l8岁及以上轻体力活动成年男子膳食营养素日均平均需要量。如无日均平均需要量，则可依次选取日均推荐摄入量、日均适宜摄入量或日均特定建议值。

表3 100 g作物中营养素含量及各营养素日均参考摄入量Table 3 Nutrient content of crop (100 g) and nutrients reference daily value

2 研究方法

2.1 营养当量系数计算方法

营养当量，即营养相当的量，可以反映食物中所含营养素的总体情况，以食物中营养素密度的算数均数计算营养当量值，是根据食物鲜质量中的各营养素的种类及含量作为衡量食物中不同营养素总体含量的评价指标，评价食物对机体所需营养素的综合供给能力。可通过比较不同食物的营养当量大小，以对不同食物营养价值做出综合评价和判断[24]，作物营养素密度及营养当量计算公式[21]如下：

营养素密度=100 g食物鲜质量中某营养素含量/该营养素参考摄入量标准

营养当量=∑营养素密度/n，其中n=20。

表4 作物的营养素密度及营养当量(100 g)Table 4 Nutrient density and nutrition equivalent unit of crops (100 g)

营养当量系数（γ）=指标区内基准作物的营养当量/指定作物的营养当量

根据表4作物营养素密度及营养当量，以小麦的营养当量为基准计算其他作物的营养当量系数，结果如表5。

表5 营养当量系数Table 5 Nutrition equivalent unit coefficient

2.2 自然质量等指数计算方法

2.2.1 确定光温生产潜力指数

有灌溉条件的水田、水浇地用光温生产潜力评价，地形、地貌及水源等限制因素导致无灌溉条件的旱地用气候生产潜力评价[25]，曲周项目区与丁蜀镇两地农用地均具备灌溉条件，因而采用光温生产潜力进行评价，通过查询《规程》确定两个研究区所处二级指标区指定作物的光温生产潜力。

2.2.2 确定产量比系数

1）最高产量比法产量比系数

指定作物产量比系数=基准作物最高单产/指定作物最高单产

产量比系数是表示在相同光、温、水、土资源条件下，不同作物产量之间的当量关系。因此，如基准作物与指定作物是在同一生长季节内播种生长，则作物单产可直接用来计算产量比系数；如基准作物与指定作物是在不同季节播种生长，则将指定作物或基准作物的最高单产调整为基准作物或指定作物生长发育所对应光、温、水条件下的最高单产，再通过上述公式计算作物的产量比系数[26]。

2）营养当量修正法产量比系数

营养当量修正法是在原有的最高产量比系数基础上乘以营养当量系数，将产量比系数由单位面积产量比修正为单位面积营养比，营养当量修正法产量比系数的计算公式为：式中β新ij为修正后第j种作物的产量比系数；βij为最高产量比法确定的第j种作物的产量比系数：γij为第i个分等单元内第j种指定作物的营养当量系数；j为指定作物种数。

2.2.3 计算分等单元自然质量分

采用加权平均法计算分等单元指定作物的农用地自然质量分，计算公式为

式中CLij为分等单元指定作物的农用地自然质量分；i为分等单元编号；j为指定作物编号；k为分等因素编号：m为分等指标的数目，ωk为分等指标的权重；fijk为第 i个分等单元内第j种指定作物第k个分等指标的分值。

2.2.4 计算分等单元自然质量等指数

分别采用最高产量比法、营养当量修正法计算分等单元的自然质量等指数

最高产量比法自然等指数的计算公式为

式中Rij为第i单元第j种指定作物的自然质量等指数；αij为第j种作物的光温生产潜力指数：CLij为分等单元指定作物的农用地自然质量分；i为分等单元编号，j为指定作物编号，k为分等因素编号；βij为第j种作物的产量比系数：Ri为第i个分等单元的农用地自然质量等指数；j为指定作物种数。

营养当量修正法的计算公式为

式中β新ij为修正后第j种作物的产量比系数。

3 结果与分析

3.1 曲周县土地整治项目区农用地自然等计算结果分析

按照《规程》确定曲周项目区农用地分等工作中的基准作物为小麦，指定作物为玉米，标准耕作制度为一年两熟，主要粮食作物是小麦、玉米。项目区基准作物小麦光温生产潜力指数为1 096，玉米光温生产潜力指数为2 700。按照最高产量比法求取小麦、玉米的产量比系数分别为1.0、0.7。按前文方法求取小麦、玉米的营养当量系数为 1.0、1.41。通过最高产量比法计算得出曲周项目区农用地自然等指数分布在2 060～2 896之间，通过等间距法划分等别序列为11～15等，共5个等别；通过营养当量修正法计算得出项目区的自然等指数分布在2 516～3580之间，通过等间距法划分等别序列为13～18等，共6个等别，与最高产量比法相比最低等提高2等，最高等提高3等，等指数和等别整体呈上升趋势（图1、表6），等别差异扩大。

3.2 宜兴市丁蜀镇农用地自然等计算结果分析

按照《规程》确定丁蜀镇农用地分等工作中的基准作物为水稻，指定作物为小麦，标准耕作制度为一年两熟，主要粮食作物是水稻、小麦。水稻光温生产潜力指数为1 977，小麦为930。按照最高产量比法求取水稻、小麦的产量比系数分别为1.0、1.3。按前文方法求取水稻、小麦的营养当量系数分别为 1.0、0.63。采用最高产量比法计算可得，丁蜀镇农用地自然等指数分布在 2 460～2 918之间，通过等间距法划分等别序列为13～15等，共 3个等；通过营养当量修正法计算得出丁蜀镇的自然等指数分布在2 013～2 393，通过等间距法划分等别序列为11～12等，共2个等，与最高产量比法相比最低等降低2等，最高等降低3等（表6），等别整体呈下降趋势（图2、表6），等别差异缩小。

图1 曲周项目区自然质量等指数散点图Fig.1 Scatter plot of natural quality index in Quzhou county project area

图2 丁蜀镇自然质量等指数散点图Fig.2 Scatter plot of natural quality index in Dingshu town

表6 不同产量比系数计算农用地分等指数Table 6 Statistics of farmland classification index with different methods

此外，丁蜀镇与曲周县项目区相比，采用最高产量比法求得农用地自然等，最高等均为15等，最低等高于项目区 2等；采用营养当量修正法求得农用自然等，最高等低于项目区6等，最低等低于项目区2等，两个案例区间的等别差异增大。

4 讨论

农用地分等是依据构成土地质量稳定的自然条件和经济条件，在全国范围内进行的农用地质量综合评定[11]。由于各省自然、经济、技术条件不同，农用地的地域性比较强，农用地分等所采取的方法和所选技术参数不一致，同一评价方法往往很难适用于不同的区域，分等成果不具备直观可比性[27-28]。产量比系数是农用地分等中的一个基础参数，产量比系数的正确与否对农用地分等起着关键作用，鉴于农用地分等结果需要进行全国汇总，因此全国范围内应该采用统一的产量比系数计算方法[29]。如何选择合理的产量比系数，将各种不同的作物换算到同一基准上（可比的标准粮）进行比较或计算，保证农用地分等成果的全国可比是一项重要内容[30]。目前计算产量比系数的方法中最高产量比法以简单易行而得到广泛使用，但其确定的最高单产具有一定的区域性，所获得的数据也受到时间和社会经济条件的限制，对于计算的精确度产生一定的影响；生产潜力比法通过作物的光温（气候）生产潜力计算产量比系数，较适用于单一指标区内的耕地生产能力计算，如同一个区域内跨两个或以上的指标区就存在选取何种生产潜力参加计算的问题；市场价格比法受市场影响强烈，不能保证时间上的持续性，稳定性较差，精确度较低；热量比法采用作物热量这一的生物能量指标进行计算，不受因素指标区的限制，但选用这种方法进行产量比系数的计算，对外业调查的精度要求较高，数据获取的难度较大，数据精度相对较低；生产潜力—热量综合比法，就是在耕地本底生产能力的基础上，以作物的生物能量指标加以控制，剔除了人为因素的影响，提高了计算结果的精度，但是由于两个指标对外业调查数据要求精度较高，适用范围也有一定的限制，可操作性较差[16-17]。营养当量修正法中所选的蛋白质、脂肪和碳水化合物不仅具有给人体供给热量的功能，其分解产生的氨基酸、脂肪酸等物质还具有构成及修补人体组织、调节生理功能的作用，例如脂肪除为机体提供高深度的热量和必要的热量储备外，还可以提供人体所必需脂肪酸，促进维生素的吸收。蛋白质、脂肪和碳水化合物与其他所选营养素共同促进人体生长，保持代谢平衡，维持体内环境稳态。种植作物的主要目的是为了获取其中的营养以满足人体机能的需求，营养当量修正法不仅涵盖了热量，还包含了维持人类人体生理机能所必须营养素，与热量法相比，其数据获取的难度小、精度高，且更为完整、全面。现有农用地分等工作主要是基于耕地的自然属性、利用水平等相关因素，从产出的角度看，尽管考虑到产量差异的问题，但是对于不同作物对人体所需营养素的贡献程度，也就是土地产出作物的营养价值没有被科学考虑，即使不同地域具有不同的标准耕作制度，基准作物、指定作物也有所不同，但不同作物供给人体所需能量和营养是统一可比的，不存在区域性的影响，那么用营养当量来修正产量比系数较现有的产量比系数计算方法更具科学性、准确性和实用性。因此在《规程》的框架下，可通过构建不同作物的“营养当量”来修正现有的产量比系数，建立更为规范的等级体系，服务于农用土地开发整理设计、耕地占补平衡[31]。

与最高产量法相比，曲周县项目区营养当量修正法计算得出的农用地自然等等别提高，而丁蜀镇通过营养当量修正法计算得出的自然等等别降低，由于营养当量修正法是将产量比系数由单位面积的最高产量比修正为单位面积生产作物所产出的营养比，曲周项目区为小麦玉米一年两熟制，其基准作物为小麦，丁蜀镇为小麦水稻一年两熟制，其基准作物为水稻，而水稻的脂肪、膳食纤维、矿物质、维生素的含量均低于小麦，营养素含量的差异是造成 2个案例区等别差异变化的主要原因。但根据“营养当量”计算产量比系数，仅适用于可食用的作物，对于标准耕作制度为棉花等不可食用作物的区域，该方法则不适用。因此在后续的研究中，可将“营养当量”这一方法与其他计算方法相结合，形成合理有效的产量比系数综合计算方法，并选择研究区进行实证研究，为查清资源质量，实现国土资源从数量管护到数量质量管护并重，耕地的异地占补平衡提供科学依据。