基于健康可持续需求下的涞源县耕地产能评价研究

王策，徐聪，陈亚恒

(河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000)

洪范八政，食为政首[1]。粮食安全问题始终是中国治国理政的头等大事[2]，保障国家粮食安全的根本在耕地，耕地是粮食生产的命根子[3]。2007年国务院要求对耕地数量、质量、生态三位一体加强保护[4]，2018年中央一号文件提出，要深入推进农业的绿色化和优质化，推动农业由增产转向提质[5]。随着社会经济的发展，人类对耕地的需求从最初的高产向高产高质、健康和可持续利用等综合需求转变。我国山区耕地数量有限、质量较差且生态环境脆弱，保护山区耕地资源迫在眉睫。基于高产高质、健康和可持续利用等需求对山区耕地产能进行评价研究满足新时代生产需求，是保护山区耕地资源的重要途径。

近年来我国开展的一系列产能评价工作多侧重自然要素对产能的影响，极少考虑耕地生态环境要素的作用，不能满足我国对耕地健康可持续利用的要求。现有的学者研究成果中对山区耕地产能的理论研究较少，对于山区耕地健康状况、生态质量的关注不足，且评价成果时效性弱，难以动态监测和实时更新耕地质量状况。基于这些问题，现有的产能理论与评价方法已无法满足现实需要，迫切需要建立更加完善、高效的山区耕地产能评价体系。

本研究基于人类需求同产能影响因素匹配，科学界定山区耕地产能内涵，据此构建山区耕地产能评价体系，提出高产高效、绿色健康和可持续利用3种需求下的山区耕地产能评价方法，并以河北省的山区县涞源为研究对象，对涞源县的耕地产能水平及空间分布格局进行评价分析，为涞源县及其他山区的耕地产能评价提供借鉴；为我国耕地产能分维度研究提供依据；为我国耕地产能评价体系构建与评价方法研究提供参考；满足新时代国家耕地生产和耕地保护的需要。

1 材料与方法

1.1 内涵界定

耕地产能是耕地质量的一种功能表现形式，影响耕地生产水平的因素与耕地产能直接相关。其中，气候条件是区域光、温、水等影响农业生产的气候资源状况，是山区耕地产能的基础核心；土壤质量主要由土壤本身状态决定，是山区耕地产能的基础；空间地理质量是地球表面的各种形态，它通过影响物质与能量的再分配间接影响山区的耕地产能[6-9]。

山区耕地的健康状况也是耕地质量的一个重要方面，耕地的环境质量可以通过反映耕地土壤污染状况对农产品品质的影响来表征耕地健康，间接限制山区耕地产能[10]。山区耕地的可持续利用指生态不退化或人为采取措施控制其恶化，使其长期满足粮食作物生长的需要，提升耕地生产率，保证山区耕地持续稳定增收。所以耕地生态稳定性和人类管理水平对山区耕地可持续利用具有重要意义。耕地生态质量可反映生态系统的稳定性，对山区耕地的可持续利用具有重要意义。耕地管理质量可决定山区耕地利用效率的高低，进而影响农户的耕作意愿，也对山区耕地的持续利用具有一定的限制性。因此，基于健康与可持续需求的山区耕地产能不仅会受到气候条件、土壤、地理等自然因素的影响[6-8]，还会受到耕地管理、生态环境等的影响。

综上，基于健康与可持续需求的山区耕地产能是一个系统的概念：以光、温、水等天然要素为保障，以土壤等自然要素为基础，以耕地管理水平为支撑，以满足健康可持续的生产为核心，在一定时期内能够相对稳定地实现农业最佳产出水平的能力。也可将其界定为土壤质量、空间地理质量、管理质量、环境质量、生态质量5个维度的综合和集成反映，是影响耕地质量内在要素及其组合特征综合作用的结果[11-14]。

1.2 理论框架的构建

山区耕地产能评价研究的理论框架见图1。

图1 山区耕地产能评价理论框架Figure 1 Theoretical framework for the evaluation of cultivated land in mountain regions

由图1可知，依据山区耕地产能新内涵，参考加拿大农业环境评价系统[15]，以气候条件为基础，从土壤质量、管理质量、环境质量、生态质量、空间地理质量5个维度构建山区耕地产能评价理论框架，并遵循综合性、全面性等原则进行评价指标初选[16]。

1.3 评价方法

以稳定的气候条件为基础，以山区的土壤质量、空间地理质量、管理质量为限制要素，以山区环境质量、生态质量为修正系数，利用限制系数逐级修正的方法计算耕地产能指数。

1.3.1 计算土壤质量/空间地理质量/管理质量指数 采用以下模型：

(1)

t=T/100

(2)

k=K/100

(3)

g=G/100

(4)

式中：Tij/Kij/Gij表示第i个评价单元第j个指标的山区土壤质量/空间地理质量/管理质量分值；t、k、g分别表示山区土壤质量、空间地理质量、管理质量系数；i表示评价单元编号；j表示评价指标编号；m为评价指标数目;Hij表示第i个评价单元的第j个土壤质量/空间地理质量/管理质量评价指标的量化值；Wij表示第i个评价单元的第j个山区土壤质量/空间地理质量/管理质量评价指标的权重。

1.3.2 计算耕地环境质量、生态质量系数 一定范围内的耕地环境、生态质量改变并不会使山区的作物产量产生较大波动，但会降低作物品质。因此，耕地环境质量系数(h)、生态质量系数(s)采用“1±X”的累加模型，根据分级标准累加计算。

1.3.3 耕地产能指数核算

1.3.3.1 高产高效需求 高产高效需求的山区耕地产能评价，主要考虑山区的土壤质量、空间地理质量、管理质量3个维度，通过综合算法，把区域光温(气候)生产潜力指数作为山区耕地产能的理论值，用各个维度系数和产量比系数修正得到基于高产高效的山区耕地产能指数(Q1)[16]。计算公式为：

Q1=α×β×(t+k+g)

(5)

式中：α为光温(气候)生产潜力指数；β为作物产量比系数；Q1为高产高效需求的山区耕地产能指数。

1.3.3.2 绿色健康需求 绿色健康需求的山区耕地产能评价，主要考虑山区土壤质量、管理质量、空间地理质量、环境质量4个维度，计算公式为：

Q2=α×β×(t+k+g)×h

(6)

式中：Q2为绿色健康需求的山区耕地产能指数。

1.3.3.3 健康可持续需求 健康可持续需求的山区耕地产能评价，主要考虑山区土壤质量、管理质量、空间地理质量、环境质量、生态质量5个维度，计算公式为：

Q3=α×β×(t+k+g)×h×s

(7)

式中：Q3为健康可持续需求的山区耕地产能指数。

1.4 研究区域概况及数据处理

1.4.1 研究区概况 涞源县是隶属河北省保定市的一个全山区县，县域内群山起伏，1 000 m以上的山有115座。该县位于河北省保定地区西北部，太行山北端两省三市交界处，介于东经114°20′～115°05′，北纬39°01′～39°40′之间，全县总面积2 448 km2，辖17个乡镇，285个行政村。平均海拔1 000 m左右，境内高差较大，整体地势为西北高，东南低。研究区属暖温带大陆性季风气候，年平均降雨量551 mm。全县土壤包括棕壤、褐土、潮土等6个大类，耕地中以棕壤和褐土的分布面积最大，农业为一年一熟或两年三熟制，耕地面积为30 371.335 1 hm2，占土地总面积的12.49%，比较敏感脆弱。

1.4.2 数据来源 各评价指标数据的具体来源详见表1。

由表1可知，涞源县耕地产能评价体系中的指标数据主要是从遥感数据、社会经济资料、野外调查及数据收集4个方面获取的。

1.4.3 数据处理 利用ArcGIS10.2软件对涞源县耕地质量等别年度更新数据库中的矢量数据进行提取，可得到土体构型、有效土层厚度等指标数据；利用ArcGIS10.2软件使用空间插值的方法将样点数据赋到整个研究区域，可得到农田防洪标准、农机化水平等指标数据，由此建立涵盖9 649个耕地斑块的数据库，总面积30 371.335 1 hm2。

1.4.4 评价单元划分 涞源县耕地产能评价的研究对象是行政区域内的所有耕地。综合考虑评价资料的承接性、可获取性、代表性和成果应用的便利性，将涞源县最新耕地质量等别年度更新数据库中的耕地图斑作为本次评价单元。

1.4.5 指标体系的构建及权重确定 基于以上分析，结合涞源县实际情况，运用频度分析法和专家咨询法对评价指标进行筛选[17]。依据《农用地质量分等规程》、《土地质量地球化学评价规范》等制定了各指标分级及赋分标准[18]。采用层次分析法与专家打分相结合的方法[19-21]，确定耕地产能评价指标体系的指标因素权重。

各指标权重和内涵见表2。

表2 涞源县耕地产能评价指标权重汇总表Table 2 Weight summary of Laiyuan county cultivated land productivity evaluation index

由表2可知，最终选取了19个指标，其中土壤质量的权重为0.4、空间地理质量的权重为0.12、管理质量的权重为0.48。

2 结果与分析

2.1 基于高产高效需求的耕地产能评价结果

2.1.1 等别划分 根据公式(5)计算各评价单元的耕地产能指数，可得涞源县耕地产能指数介于797.46～1 148.88之间。按照[750,1 200]等间距法将耕地产能划分为3个等级，耕地产能指数[1 050,1 200)、[900,1 050)、[750,900)，分别是优等地、良等地和低等地。

2.1.2 结果分析 涞源县良等地面积最大，总共22 578.53 hm2，占全县耕地总面积的64.34%。涞源县各乡镇不同等别差异不明显。其中，涞源镇、白石山镇、南屯乡等12个乡镇的良等地占比最高。留家庄乡、上庄乡等5个乡镇低等地最多。

基于高产高效需求的涞源县耕地产能等级空间分布情况见图2。

图2 基于高产高效需求的耕地产能等级空间分布Figure 2 Spatial distribution of cultivated land productivity grade based on high yield and high efficiency demand

由图2可知，涞源县产能等级空间分布格局为中部和南部高、北部低。优等地主要分布在涞源镇、走马驿镇等乡镇，这些地区土壤条件相对较好，基础条件较优。良等地分布相对均匀，在各乡镇均有分布。低等地主要在涞源县北部的上庄乡、东团堡乡等乡镇分布。这些地区土壤贫瘠，交通不发达，故其耕地产能等别较低。

2.2 基于绿色健康需求的耕地产能评价结果

2.2.1 等别划分 根据公式(6)计算各评价单元的耕地产能指数，可得涞源县耕地产能指数介于398.73～1 052.91之间。按照[300,1 200]等间距法将耕地产能划分为3个等级，耕地产能指数[900,1 200)、[600,900)、[300,600)，分别是优等地、良等地和低等地。

2.2.2 结果分析 涞源县的耕地产能指数在[600,900)区间段内面积最大，共16 075.60 hm2，占全县耕地总面积的比重为52.93%。涞源县各乡镇不同等别差异不明显。其中，涞源镇、白石山镇、南屯乡、银坊镇、走马驿镇等12个乡镇的良等地占比最高。北石佛乡、水堡镇、金家井乡、留家庄乡、上庄乡这5个乡镇低等地最多。

基于绿色健康需求的耕地产能等级空间分布情况见图3。

图3 基于绿色健康需求的耕地产能等级空间分布Figure 3 Spatial distribution of cultivated land productivity grade based on green and healthy demand

由图3可知，涞源县产能等级空间分布格局整体呈现为中部高、西北部低。优等地主要分布在涞源镇、走马驿镇、白石山镇等乡镇，这些地区土壤条件相对较好，土壤质地为壤土，无污染。良等地的耕地分布相对均匀，在各乡镇均有分布，其中涞源镇的良等地分布占比最大。低等地主要分布在涞源镇、北石佛乡、金家井乡、上庄乡、东团堡乡等乡镇，主要因为这5个乡镇的土壤健康状况相对较差，耕地存在轻微污染。

2.3 基于健康可持续需求的耕地产能评价结果

2.3.1 等别划分 根据公式(7)计算各评价单元的耕地产能指数，由结果可得涞源县耕地产能指数介于292.69～843.87之间。按照[250,850]等间距法将耕地产能划分为3个等级，耕地产能指数[650,850)、[450,650)、[250,450)，分别是优等地、良等地和低等地。

2.3.2 结果分析

2.3.2.1 数量分析结果 涞源县各乡镇耕地产能等别对比见图4。

由图4可知，涞源县的良等地面积最大，共17 223.27 hm2，占全县耕地总面积的比重高达49.71%。涞源县各乡镇不同等别差异显著。其中，涞源镇、白石山镇、南屯乡、银坊镇等11个乡镇中的良等地占比最高。水堡镇、金家井乡、留家庄乡等6个乡镇的低等地占比最高。

2.3.2.2 空间分布特点和规律 基于健康可持续需求的耕地产能等级空间分布情况见图5。

由图5可知，涞源县不同耕地产能等别整体空间分布格局为中部高、南北部低。优等地主要分布在涞源镇、白石山镇等乡镇。这些乡镇大多处于涞源盆地，地势平坦海拔低，土壤质量等自然因素优良，接近涞源县城，交通等管理设施完备，生物特性状况良好。

图5 基于健康可持续需求的耕地产能等级空间分布Figure 5 Spatial distribution of cultivated land productivity based on healthy and sustainable demand

良等地的耕地分布相对均匀，在各乡镇均有分布，在涞源镇分布面积最大。这些区域的管理质量与生态质量相对较好，土壤质量略低，如部分地区为砂质土，蓄水保肥能力相对较差，因此耕地产能等级稍低。

低等地主要分布在涞源县西北部的北石佛乡、上庄乡、东团堡乡、金家井乡、留家庄乡等大部分地区。这些地区耕地主要分布在沟谷中，面积相对较小，田间交通条件相对较差，土层厚度较薄，土壤质地多为砂质，蓄水保肥能力差，有机质含量较低，不利于农业生产，另外，耕地生物特性状况较差，故其耕地产能等别较低。

2.4 小结

不同需求条件下的涞源县耕地产能评价研究结果见表3。

表3 不同需求条件下耕地产能评价结果Table 3 Evaluation results of cultivated land productivity under different demand conditions %

由表3可知，通过比较不同需求下的涞源县耕地产能评价结果可得：高产高效需求下，涞源县耕地产能主要以良等地最多，占耕地总面积的64.34%。在绿色健康需求条件下，虽也以良等地最多，但其占耕地总面积的比例比高产高效下的比例减少了11.41%，这说明耕地环境对涞源县耕地产能有比较明显的影响。健康可持续需求下的结果与绿色健康、高产高效需求下的结果相比，优等地和良等地比例都有所下降，低等地比例升高。表明在现代农药化肥高用量和生态环境持续恶化的情况下，山区耕地的生态和环境质量对耕地产能的影响较大，并且已经是约束山区耕地产能提升的重要因素。

3 结论

立足于当今时代发展及现有研究成果，基于人类需求与产能影响因素匹配，科学界定了山区耕地产能新内涵，确定了3种需求层次的山区耕地产能评价方法，并将涞源县行政区内的所有耕地作为研究对象，应用ARCGIS10.2等软件确定了涞源县耕地产能水平及空间分布情况，具体结论如下：

(1)高产高效需求下，涞源县耕地产能评价结果主要以良等地为主，占耕地总面积的64.34%，绿色健康需求下也以良等地最多，占耕地总面积的52.93%；两种需求条件下的产能空间分布相似，优等地大多分布在涞源县中部和西南部地区，良等地在各乡镇均有分布，低等地主要分布在涞源县北部地区。

(2)健康可持续需求下，涞源县主要以良等地为主，占耕地总面积的49.71%。从空间分布上看，涞源县不同耕地产能等别交错分布，整体呈现出中部高、南北部低的空间分布格局。优等地集中分布在涞源县的中部和西南部，涉及涞源镇、白石山镇等乡镇。良等地的耕地分布相对均匀，在各乡镇均有分布，在涞源镇分布面积最大。低等地主要分布在涞源县西北部的上庄乡、东团堡乡等乡镇。

(3)3种需求条件下涞源县耕地产能评价结果表明，山区耕地的环境和生态质量已成为影响耕地产能的重要因素，对山区耕地产能的提升具有重要影响。从5个维度，3种需求层次进行山区耕地产能评价，满足人类健康可持续利用山区耕地的需求，对国家耕地数量、质量、生态“三位一体”管理具有重要意义。