耕地健康产能多要素评价体系构建与应用

高璐璐 张 超，2 吕雅慧 陈婉铃 郧文聚 马佳妮

(1.中国农业大学土地科学与技术学院，北京100083;2.自然资源部农用地质量与监控重点实验室，北京100083;3.自然资源部国土整治中心，北京100035)

0 引言

耕地是我国最为宝贵的资源，是国家粮食安全的根本保障。长期的不合理利用导致我国耕地质量总体偏低［1］，生态环境状况也不容乐观［2］，严重影响了耕地的生产能力及健康状况。《中共中央 国务院关于加强耕地保护和改进占补平衡的意见》要求，着力加强耕地数量、质量、生态“三位一体”保护，推动绿色发展，逐步建立生态环境保护新格局。因此，科学、全面认识耕地状况和存在的问题，对推动我国耕地健康可持续发展具有重要的意义。

国内外学者对于耕地质量和产能评价的研究，主要聚焦于基础地力［3-5］和土壤及环境质量［6-8］等方面，探究耕地的生产能力和环境污染状况等。随着我国生态文明建设的推进，耕地积累的生态环境问题不容忽视，对耕地质量的提升不仅要关注耕地的生产能力和污染状况，也需重视耕地的健康发展能力［9-11］。目前，国内外学者主要从土壤质量和土壤环境等角度出发［12-15］，对耕地健康进行评价。美国康奈尔大学基于土壤功能建立了土壤健康评价系统，包含土壤物理、生物、化学等方面［16］。鲍丽然等［17］叠加土壤养分等级和土壤环境等级评价耕地土壤质量，得出重庆市荣昌区耕地土壤养分总体水平一般、土壤环境质量较好的结论。辛芸娜等［18］从土壤质量、生态质量、土壤环境质量和管理质量等4 个维度评价耕地状况，客观反映了县域耕地土壤质量、土壤污染和生态系统稳定性等。赵瑞等［19］通过作物品质、耕地环境污染状况和系统弹性等要素诊断耕地的健康状况，得出耕地健康受耕地环境和系统弹性影响较大的结论。

目前，我国大力倡导生态文明建设，耕地作为“山水林田湖草”生命共同体的重要组成部分，其所在农田生态系统的生态状况受到广泛关注。已有研究中，鲜有从生态系统健康角度评价耕地状况。实际应用中，需融合生态系统健康，综合耕地产能和耕地健康，对耕地进行更全面的评价。本文从耕地本身和生态系统角度，建立耕地健康产能多要素评价指标体系，对吉林省大安市耕地进行健康产能评价，以期为区域耕地合理利用与可持续发展提供科学依据，为耕地数量、质量、生态“三位一体”保护提供技术支撑。

1 研究区与数据来源

1.1 研究区概况

大安市位于吉林省西北部，地处松嫩平原腹地(44°57' ～45°45' N，123°8' ～124°21' E)(图1)，总面积约为4 879 km2，属中温带季风气候，全年日照时数平均为3 012.8 h，年平均气温4.3℃，年平均积温2 921.3℃，年平均降雨量413.7 mm。大安市是世界著名的黄金玉米带和国家商品粮基地，也是全国最具农业发展潜力的区域之一。未利用地面积约1 886 km2，耕地后备资源丰富。耕地面积约占全域的30%，主要分布在北部和中部。2014 年大安市耕地质量等别更新数据成果显示，国家自然等别集中在7 ～8 等，国家利用等和经济等均集中在10 ～11 等。近年来大安市受气候条件和人类活动的影响，耕地土壤沙化、盐渍化、有机质下降等问题突出，生态环境状况敏感［20］。

1.2 数据来源

本文采用数据包括:①实地调研数据:2017 年8月及2018 年5 月和8 月在大安市野外采集的162个耕地样点，经现场定性分析及土壤取样、实验室化验得到数据。②研究区已有数据库及相关资料:大安市2014 年耕地质量等别年度更新数据;2012 年大安市土壤样品化验数据;2015 年白城市和大安市的环境状况公报;大安市第一次全国水利普查成果分析报告;2015 年大安市统计年鉴等。③遥感影像:大安市2017 年5—8 月GF-1 遥感影像。

1.3 评价单元划分

以大安市2014 年耕地质量等别年度更新数据库中的矢量图层为评价底图，以耕地图斑为评价单元，共计21 142 个单元，总面积1 480.53 km2，建立1∶10 000 的耕地健康产能评价基础数据库。

2 研究方法

2.1 耕地健康产能评价指标体系构建

随着社会经济的发展，人们对耕地的需求，从最初的高产转变为稳产、健康以及可持续利用等综合需求［21］。因此，本文界定的耕地健康产能，即耕地需要满足:支撑农作物持续、稳定地生长;自我净化能力;一定时间内抗逆境胁迫的回复能力;维持动物、植物、土壤微生物等正常活动，保证生物丰富多样;保障生态系统稳定性和持续性，维持耕地所在生态系统的健康［22-23］等。已有耕地健康产能评价相关研究主要从耕地产能［3］、土壤质量和土壤环境［16］等角度反映耕地的生产能力、环境、污染状况，无法体现耕地生态系统的健康状况。本文在已有研究基础上，加入生态系统健康，对耕地进行综合评价。耕地健康产能包含耕地产能和耕地健康2 个评价维度，包括气候条件、土壤特性、利用状况、环境胁迫状况和有益生态状况5 个要素。气候条件宏观上对农作物的生产起到控制性作用;土壤是农作物生长的基础，土壤的物理和化学特性表达耕地的基础地力水平和土壤的限制性因素;在基础地力基础上，耕地的现代化利用状况进一步表征耕地的有效、合理利用水平。以上3 个要素体现了耕地的产能状况。环境胁迫状况主要反映大气、水、土壤等非闭合空间的贮藏和自我净化的能力;有益生态状况通过生物丰富程度表示生态系统的稳定性和回复能力，这2 个要素反映耕地及其所在生态系统的健康状况。基于以上分析，借鉴前人研究成果［24］，本文构建了“需求—功能—维度—要素—指标”的耕地健康产能评价理论框架，如图2 所示。在农用地质量分等、土壤环境质量、生态环境状况评价等基础上，综合分析耕地健康产能的不同要素，以主导性、区域差异性和稳定性等为原则，建立了耕地健康产能评价指标体系，如表1 所示。

图2 耕地健康产能评价框架Fig.2 Evaluation framework of healthy productivity of cultivated land

表1 耕地健康产能评价指标及其权重Tab.1 Evaluation index and weight of healthy productivity of cultivated land

2.2 评价指标计算与分级

气候条件要素指标数据通过查阅统计资料获取;土壤特性、利用状况及环境胁迫状况等要素指标和有益生态状况要素中土壤呼吸指标数据主要来自于实地调查、取样化验及相关部门数据;有益生态状况要素中植被覆盖度与生物多样性指标，通过遥感数据分析结合实地调查获取。

植被覆盖度指耕地评价单元中农作物生长期内的植被覆盖程度，本文利用2017 年5—8 月6 期GF-1 WFV 数据，预处理后分别计算归一化差值植被指数(NDVI)，利用NDVI 月最大值的均值表示植被覆盖度。生物多样性表征评价单元中生物的丰富度，反映生态系统的回复能力和补偿能力。本文在遥感影像分类基础上，结合实地调查数据，计算生物多样性指数，计算式为

式中 D——生物多样性指数

K——耕地图斑中植被的类型序号

N——耕地图斑中植被类型的总数

PK——植被类型K 在耕地图斑中出现的概率

耕地健康产能各指标的分级及赋分标准分别依据《农用地质量分等规程》(GB/T 28407—2012)、《耕地质量等级》(GB/T 33469—2016)、《生态环境状况评价技术规范》(HJ 192—2015)等，有益生态状况要素中植被覆盖度与生物多样性指标采用自然断点法分级。采用层次分析法和专家打分法确定各指标权重(表1)。

2.3 耕地健康产能计算与分级

耕地健康产能评价采用耕地产能和耕地健康2 个因素指数叠加法。耕地产能指数计算采用连乘法，其中气候条件指数用光温生产潜力指数和作物产量比系数表示;土壤特性指数和利用状况指数分别采用加权求和法，即对耕地评价单元的评价指标及其权重进行指数综合，计算式为

其中

式中 C——耕地产能指数

W——气候条件指数

S——土壤特性指数

U——利用状况指数

L——光温生产潜力指数

R——作物产量比系数

αi、βi——指标权重

Xi——指标分值

n——评价指标数量

结合大安市的具体情况，耕地产能指数被划分为优等(1 350，1 600］、良等(1 100，1 350］、中等(850，1 100］、低等［600，850］4 个等级。耕地健康指数计算也采用连乘法，其中环境胁迫状况指数和有益生态状况指数计算式为

其中

式中 H——耕地健康指数

γi、δi——指标权重E——环境胁迫状况指数B——有益生态状况指数

耕地健康指数表示指标对耕地健康影响程度，指数的分值越高，表示耕地健康状况越好，用［0，2］对维度指数进行定量化分级，划分为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 个等级。

2.4 耕地健康产能指标贡献分值计算

综合考虑耕地健康产能评价各个指标的权重、分级得分及其比例情况，对耕地健康产能评价中各个指标的贡献情况进行分析，从而得到耕地健康产能各个要素的控制指标因素，计算式为

式中 Yi——指标贡献分值

fi——指标权重

yi——指标等级得分

qi——指标等级比例

3 结果及分析

3.1 不同要素和指标的评价结果分析

大安市主要种植作物为水稻和春玉米，其光温生产潜力指数分别为1 701 和2 727，在《农用地质量分等规程》(GB/T 28407—2012)中作物产量比系数分别为1 和0.644，经计算大安市域内各耕地图斑的气候条件指数相差不大。大安市土壤特性指数在［0.67，0.92］之间，其中土壤特性优等耕地占大安市总耕地面积的99.42%，良等占0.58%，耕地的土壤整体状况较好。依据指标贡献度，如图3 所示，大安市耕地土壤特性的控制指标为耕层质地和盐渍化程度，耕层质地为黏土和砂土的耕地占29.1%，重度盐化、中度盐化和轻度盐化的耕地占14.19%。大安市利用状况优等、良等、中等耕地分别占大安市总耕地面积的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、西部等地区(图4c)，主要受灌溉保证率和林网化程度的影响，灌溉保证率一般满足的耕地占大安市总耕地面积的71.54%，林网化程度一般及低等的耕地占总耕地面积的40.63%和37.99%。

图3 土壤特性和利用状况指标在耕地健康产能评价中贡献分值Fig.3 Contribution score of soil characteristics and utilization status indicators in healthy productivity assessment of cultivated land

大安市耕地环境胁迫状况指数分布区间为［0.94，0.98］，因此环境胁迫状况均为优等。其中，大气环境、灌溉水环境、土壤重金属等均为清洁，环境胁迫主要受化肥、农药等过量施用的影响，如图5所示。有益生态状况指数范围为［1.34，1.94］，其优等、良等和中等耕地分别占大安市总耕地面积的69.17%、23.42%和7.41%，有益生态状况中等耕地主要分布在红岗子乡、太山镇、海坨乡和龙沼镇等乡镇(图4e)，植被覆盖度和生物多样性是影响有益生态状况的重要指标，两者优等耕地分别占耕地总面积的68.19%和47.50%。

图4 大安市耕地健康产能不同要素评价结果Fig.4 Evaluation results of different elements of healthy productivity of cultivated land in Da'an City

图5 环境胁迫状况和有益生态状况指标在耕地健康产能等级评价中贡献分值Fig.5 Contribution score of environmental stress and beneficial ecological conditions indicators in healthy productivity assessment of cultivated land

3.2 不同维度的评价结果分析

综合气候条件、土壤特性和利用状况3 个要素评价耕地产能状况，经计算大安市耕地产能指数范围为［618.81，1 530.37］，主要为良等和中等，分别占大安市耕地面积的37.38%和45.19%;优等占比为6.67%，主要分布在大安市的东北部;低等占10.76%，主要在大安市的西北部及西南部等区域(图6b)。根据2014 年耕地质量等别年度更新数据，大安市耕地质量国家利用等集中在10 ～12 等别，如图6a 所示，质量较高的10 等地主要分布在北部，质量较低的12 等地零星分布在新平安、大岗子等镇。将耕地产能评价结果与国家利用等成果进行对比分析，由于两者的评价指标和计算方法不同，分别用自然断点法对各评价成果指数分成3 等，对比国家利用等与耕地产能评价结果的分等差距(图6c)，可以看出，等级一致的耕地占总面积的38.06%，小差距(-1 和1)占总面积的54.06%，大差距(-2 和2)占7.87%，部分区域耕地产能等与国家利用等的评价结果有小幅差异，主要是农用地质量分等综合考虑了自然因素和作物产量，耕地产能包含了耕地的生产能力和利用状况等，本文的耕地产能评价是对农用地质量分等的延伸与发展。

从环境胁迫状况和有益生态状况2 个要素评价耕地健康状况，大安市的耕地健康指数范围为［1.28，1.89］，其中AAAA 健康耕地占大安市总耕地面积的61.87%;AAA 健康耕地占大安市的30.55%，AA 健康耕地仅占7.58%，无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，以烧锅镇乡、舍力镇、叉干镇和两家子镇等乡镇为主;AA 健康耕地主要分布在大安市中部和南部，以新岗子镇、两家子镇、海坨乡、龙沼镇等为主(图7a);AAA 健康和AA 健康耕地主要分布在盐碱含量高的区域，土壤偏碱性，土壤呼吸较低，植被覆盖度和生物多样性较差。

图6 大安市农用地国家利用等、耕地产能等及等级差距Fig.6 National utilization of agricultural land，cultivated land productivity，and grade difference in Da'an City

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

3.3 耕地健康产能评价结果分析

将耕地产能和耕地健康2 个因素叠加分析，大安市健康优等耕地占大安市总耕地面积的40.35%，主要分布在大安市东北部、北部及东南部等地区;健康低等耕地占大安市的52.07%，主要分布在大安市西北部、北部及西南部等区域;亚健康优等和亚健康低等耕地比例比较低，分别占大安市的3.7%和3.88%;无不健康优等和低等耕地(图7b)。总体上，大安市耕地产能较低，耕地健康状况较好。

将耕地健康产能的气候条件指数按水稻和玉米2 种作物区分，其他4 个要素指数按0.25 为间隔，划分为优等、良等、中等、低等4 个等级，对比每个要素不同等级的比例(图8)，耕地健康产能在气候条件限制下，受利用状况、有益生态状况要素影响较大，土壤特性次之，环境胁迫状况影响最小。综上，健康优等耕地综合状况最好，耕地质量高，作物高产稳产，利用状况好，未受到任何污染，生态系统稳定、健康、可持续，可优先划定为永久基本农田和高标准农田;健康低等耕地的产量低，利用状况差，土壤清洁，生态系统健康，耕地的灌溉设施和防护林经过改善后可被划定为高标准农田建设区;亚健康优等耕地高产稳产且清洁，利用状况高，有益生态状况较差;亚健康低等耕地利用状况低，有益生态状况较差，亚健康优等和亚健康低等耕地需经改良后划定为永久基本农田。

4 结论

(1)沿用农用地分等中的部分内容，在耕地产能评价的基础上，同时兼顾耕地健康状态，综合评价耕地状况。从耕地本身和生态系统角度，构建了“需求—功能—维度—要素—指标”的耕地健康产能评价理论框架，其中要素包括气候条件、土壤特性、利用状况、环境胁迫状况和有益生态状况5 方面，并在植被覆盖度、生物多样性等指标的计算中，充分利用了国产GF-1 遥感数据，增加了数据可获取性和实时性。

(2)对大安市耕地进行健康产能评价应用，并与农用地质量分等结果进行对比，结果表明，大安市耕地健康状况较好，但产能较差;耕地健康产能受利用状况、有益生态状况要素影响比较大，其状况较差，主要受灌溉保证率、林网化程度、植被覆盖度和生物多样性等指标的影响;土壤特性要素对耕地健康产能的影响次之，土壤质地和盐渍化程度等指标状况较差。本文方法可以综合评价耕地健康产能状况，为永久基本农田划定和高标准农田建设提供理论依据和技术支持。

(3)耕地健康产能评价指标存在地域差异性，因此，不同要素指标的选取需结合区域实际情况和发展需求进一步优化与选择。此外，生物多样性主要考虑了植被情况，对于动物活动评价有待丰富和完善。