基于需求-功能-维度的耕地健康评价指标体系构建与应用

陈文广 孔祥斌* 温良友 朱红梅 张蚌蚌

(1.中国农业大学 土地科学与技术学院，北京 100193； 2.自然资源部农用地质量与监控重点实验室，北京 100193； 3.湖南农业大学 资源环境学院，长沙 410128； 4.西北农林科技大学 经济管理学院，陕西 杨凌 712100)

耕地作为重要的自然资源和生产要素，是粮食生产的根基[1]。我国用世界上9%的耕地养活了全球20%的人口[2]，耕地高强度集约化利用，实现了粮食产量的“十六连丰”[3]，为经济社会全局发展做出了重要贡献[4]。然而，由于频繁的自然灾害、不当的利用方式、快速的城镇化、不健全的耕作制度安排[5]，致使我国优质耕地不断减少[6]，同时，区域性土壤重金属污染、地下水超采、白色污染、石漠化、生物多样性下降等问题突出[7-8]，严重威胁着我国粮食安全。为加快转变农业发展方式、推进生态修复治理、促进农业可持续发展，我国在2016年开始进行耕地轮作休耕试点，采取“养”、“退”、“休”、“轮”、“控”综合措施，探索耕地保护与利用协调发展之路。在极端气候灾害频发、耕地资源本底性和结构性问题突出的背景下，耕地健康问题得到普遍关注和重视[9]。

国外对耕地健康的相关研究多集中在土壤健康方面。“土壤健康”这一术语源于对土壤质量通过影响作物质量进而影响动物和人类健康的观察[10]，联合国粮农组织指出健康的土壤是满足对食物等产品的各种需求以及确保在世界所有区域提供多种生态系统服务的基本先决条件[11]。土壤是一个支撑植物、动物和人类生存的重要生态系统，土壤健康即为其持续发挥这种功能的能力[12]。土壤健康指数评估主要包括选择评价指标、量化指标和选择评分方法、整合所选指标3 个步骤[13]，选择的指标要求满足可管理、能够代表土壤性质并反映土壤功能与管理目标之间的联系等条件[14]，通常选取水储存、容重、质地、有机质含量、总碳、pH、有效磷、速效钾、总氮、土壤呼吸、微生物量等土壤的物理、化学和生物指标[12]。目前，土壤健康常用的评估工具有康乃尔的土壤健康综合评估、土壤健康管理评估框架和哈尼土壤实验[15]，现有研究涉及全球、国家、流域和斑块等多个尺度[16-18]。

耕地健康是基于国际土壤科学研究前沿比较而凝练出的新概念，是传统土壤质量概念与可持续发展理念的中国式结合[19]。国内对耕地健康的研究主要集中在耕地健康产能方面[20-21]。耕地健康产能是农业土壤健康、土地健康和生态系统健康的有机集合[22]，包含耕地生产能力和耕地健康状况2 个方面。郧文聚[19]认为耕地健康是健康的耕作土壤、可持续的耕地利用以及稳定的耕地资源利用生态系统；李强等[23]认为健康的耕地具有支撑动植物生产能力、保持或增强水和空气质量、促进动植物健康，可通过自我调节而具有对外界胁迫的恢复能力。耕地健康格局由多因素间复杂相互作用形成，并且这种复杂相互作用可能由于区域水热条件与自然-社会-经济格局差异而表现出不同的特征[21]。目前，耕地健康的概念内涵在国内还未形成较为统一的观点，也未建立较为标准的耕地健康评价指标体系，其研究方法主要涉及因素法[22]、能值分析模型[24]、逐级修正法[25]等，研究尺度集中在市、县2 级。

在推进全域土地综合整治工程，加强耕地数量、质量与生态的“三位一体”保护和满足人类多样化需求的背景下，亟需进一步明晰耕地健康的概念内涵，科学评价耕地健康状况。鉴于此，本研究拟在科学界定耕地健康内涵、系统梳理新时代人类社会多样化需求以及分析耕地系统内部的要素-过程-功能的基础上，建立需求-功能-维度的耕地健康评价理论框架，从耕地健康的4 个维度选取指标构建评价指标体系，采用最小因子法评定耕地健康级别，并以北京市大兴区为例进行验证，以期为新时期耕地保护提供科学依据。

1 耕地健康评价指标体系构建

1.1 耕地健康内涵界定

国内对耕地健康内涵的理解有2 种代表性观点：第一种观点认为耕地健康状况是耕地质量的1个重要方面，依据土壤有益元素、有毒有害元素和有机污染物含量水平等可以综合评定耕地的健康状况[26-28]。温良友等[29]将耕地健康状况列为北京市大兴区耕地质量评价指标体系的1 个维度，并选择灌溉水环境质量和土壤重金属评价了大兴区耕地健康状况；余慧敏等[25]选取土壤肥力指标、耕地土壤环境污染性指标及有益性指标构建了南方典型丘陵区耕地健康诊断体系；第二种观点认为耕地健康是耕地所具有的作物生产、生态服务、环境维持等功能的综合体现，表现为好的环境、好的质量、高的产能[23]。叶思菁等[21]选取了地形特征、土壤性状、耕作条件、环境状况和生物特性5 个维度评价了全国65 个县的耕地健康状况，李强等[24,30]从耕地质量、耕地产能和耕地环境3 个维度选取指标对我国粮食主产区和大都市边缘区进行了耕地健康诊断。

上述研究极大地丰富了耕地健康的概念内涵。随着极端气候灾害频繁发生、优质耕地资源不断减少、“镉大米”事件爆发，人类社会开始不断注重耕地持续稳定的生产能力、作物生产环境以及生产的农产品对人类健康的影响，并强调耕地系统的稳定性[5,31]。只有健康的土壤，才有健康的食物、健康的生活。因此，健康的耕地首先应始终具备持续、稳定的生产能力；其次，生产环境无污染；再次，生产的农产品不会对人类和动植物的健康造成影响；最后，能够对外界的干扰进行自我调整、具备维持自身稳定的能力。

1.2 耕地健康评价理论框架

我国社会主要矛盾已经发生转变，人类社会对耕地的需求也从最初的高产高效向生产能力稳定、生产环境清洁、绿色产品以及耕地系统可持续利用等综合需求转变[22,27]，从关注耕地质量转变到关注耕地健康。耕地系统是以耕地资源为主体的自然生态系统和以人类活动为主体的社会经济系统在特定区域内通过协同和拮抗作用而形成的复合系统[32-33]。耕地自然生态系统内部的水、土、气、生等要素在水平和垂直方向上进行着水循环、酸碱反应、腐殖化等物理、化学和生物反应过程[34-36]。同时，耕地社会经济系统中的农业经营主体投入劳动、资本、技术等要素进行着农业生产、设施建设和权属调整等过程[32]。耕地自然生态系统和社会经济系统内部进行的这些过程产生了粮食生产、缓冲过滤、水土保持、污染净化、抑制疾病等耕地功能[35-36]。耕地功能的显化和表达是相对于人类需求而言的[34]。而“健康”是功能的体现，耕地健康诊断就是评价耕地多功能实现程度[23]。因此，在全球可持续发展和国家生态文明建设背景下，基于人类社会对耕地的多样化需求、耕地系统的多功能性以及耕地健康的内涵，建立“需求-功能-维度”的耕地健康评价理论框架(图1)。

图1 耕地健康评价理论框架Fig.1 Theoretical framework of cultivated land health evaluation

1.3 评价指标体系及分级标准

基于耕地健康评价理论框架，从生产能力、耕地弹性、生产环境和产品品质4 个维度建立耕地健康评价指标体系，以区域差异性、因地制宜性、敏感性和可操作性为原则对指标进行筛选。耕地生产能力是气候条件、耕地地力、利用状况等综合作用的结果。气候条件宏观上对农作物的生产起到控制性作用，主要考虑农用地分等中的光温(气候)生产潜力和作物产量比系数2 个指标；耕地地力反映耕地内在的、基本素质的地力要素所构成的基础地力[37]，选取了耕层质地、土体构型、有效土层厚度、土壤有机质、土壤养分元素、土壤pH值6 个指标；利用状况指人类为提高耕地利用效率而进行的基础设施建设等，影响着耕地生产潜力的实现程度[38]，选取了灌溉保证程度、排水条件、灾害防治水平、农机化水平、地块破碎度和田间道路通达度6 个指标。耕地弹性是指受到外界干扰时仍具有维持耕地系统动态平衡和可持续利用的能力，参考温良友等[29]、赵瑞等[22]的研究成果，选取了耕层质地、土壤容重、阳离子交换量(CEC)、土壤有机质、土壤蚯蚓5个指标。耕地生产环境主要受到人类社会生产活动的影响，参考叶思菁等[21]、刘黎明等[39]的研究成果，选取了土壤重金属、灌溉水环境质量、大气干湿沉降物年沉降通量、农药施用量、化肥施用量5个指标。产品品质是耕地健康状况的决定性因素，选取了农产品农药残留量、农产品重金属残留量2个指标。耕地健康评价指标、权重及赋分规则分别见表1、表2和表3。

2 耕地健康评价方法

2.1 计算生产能力指数

采用逐级修正法计算耕地生产能力。用光温(气候)生产潜力指数和作物产量比系数反映气候条件，作为耕地生产能力评价的基础，再用耕地地力系数和利用状况系数进行逐级修正，计算耕地生产能力指数。计算公式如下：

(1)

(2)

式中：G为生产能力指数；αi为第i种作物的光温(气候)生产潜力指数；βi为第i种作物的产量比系数；q为耕地地力系数；t为利用状况系数。式(1)为一年一熟、两熟和三熟时，式(2)为两年三熟时。

2.2 计算耕地弹性指数

运用综合指数法计算耕地弹性指数[29]。计算公式如下：

(3)

式中：R为耕地弹性指数；Wk为第k个指标权重，Fk为第k个指标的分值。

2.3 计算生产环境指数

采用“1+X”累加模型计算耕地生产环境指数[22]。耕地生产环境的恶化，会影响到农产品品质、耕地资源安全和经济社会可持续发展，因此，以没有污染的耕地作为基准“1”，依据分级标准累加得到生产环境指数(E)。

2.4 计算产品品质指数

运用内梅罗综合污染指数法确定农产品农药残留量、重金属残留量[40]。由于农产品品质直接影响人体健康，采用最小因子法确定产品品质指数。一旦产品品质维度中任一指标超过无残留的标准，则认为农产品受污染，产品品质指数为0，耕地不健康；反之农产品无污染，产品品质指数为100。计算公式如下：

(4)

(5)

(6)

2.5 确定耕地健康等别

运用最小因子法确定耕地健康等别。将耕地图斑的生产能力指数(G)、耕地弹性指数(R)和生产环境指数(E)按照自然断点法分为优、中、差3个等级，采用如下分级标准确定耕地健康等级(表4)。

3 耕地健康评价方法应用

3.1 研究区概况

大兴区地处39°26′～39°50′ N，116°12′～116°43′ E，全区辖14个乡镇，土地面积为103 633.7 hm2，其中耕地总面积为40 814.57 hm2。属暖温带半湿润大陆季风气候，四季分明，年均温度11.6 ℃，年均降雨量556.4 mm。土壤类型以砂质潮土、壤质潮土为主，且由西南向东北，土壤质地由砂到黏。标准耕作制度为冬小麦和夏玉米轮作的一年两熟制。此外，大兴区是首都重要的农副食品生产供应基地和绿甜旅游基地。

表1 耕地生产能力、耕地弹性评价指标权重及赋分规则Table 1 Weights and sore standard of indicators of cultivated land potential productivity and resilience

表2 耕地生产环境评价指标分级Table 2 Classification of indicators of cultivated land production environment

表3 产品品质评价指标分级Table 3 Classification of indicators of product quality

表4 耕地健康分级标准Table 4 Classification standards for cultivated land health

3.2 数据来源与处理

数据来源：1)大兴区2014年耕地质量等别年度更新数据，获取耕地地类图斑、耕层质地、土体构型、有效土层厚度、灌溉保证程度、排水条件、地块破碎度、田间道路通达度等数据，田间道路通达度数据利用2014年耕地质量等别年度更新数据库中的道路线状数据和耕地图斑数据进行缓冲区分析获取；2)实地采样和实验室化验数据，2017年100 个土壤样点获取土壤有机质、土壤养分元素、土壤重金属、土壤容重、CEC、土壤pH、土壤蚯蚓等数据，2017年18 个灌溉水水样获取灌溉水环境质量数据，18 个作物样本获取农产品农药残留、重金属残留数据；3)实地调查与部门走访数据，获取各乡镇灾害防治水平、大气干湿沉降物年沉降通量数据并赋值到耕地图斑；4)统计资料与规程，《农用地质量分等规程》[41]获取光温生产潜力指数和作物产量比系数，《2018年大兴统计年鉴》获取2017年大兴区各乡镇农机化水平数据并赋值到耕地图斑，《北京市大兴区第三次全国农业普查资料汇编》获取各乡镇农药、化肥施用量数据并赋值到耕地图斑。

地块破碎化指数(FS)计算公式如下：

(7)

(8)

式中：MSI是地块平均形状指数；Pi表示第i个耕地地块的周长，Ai表示第i个耕地地块的面积；N表示耕地地块数量。

3.3 单维度评价结果

依据确定的指标体系和计算方法，测算了大兴区耕地图斑的生产能力、耕地弹性、生产环境和产品品质指数，运用ArcGIS 10.5软件中的自然断点法对生产能力、耕地弹性、生产环境指数进行分级(图2)。

图2 生产能力(a)、耕地弹性(b)、生产环境(c)和产品品质(d)空间分布图Fig.2 Spatial distribution map of potential productivity (a), cultivated landresilience (b), production environment (c) and product quality (d)

由图2可知，耕地生产能力和耕地弹性整体上呈东高西低空间分布，耕地生产环境呈中部高、东西两侧低的空间分布，产品品质区域内无差异，均为无污染。依据1.3耕地生产能力评价指标体系和2.1耕地生产能力计算方法，测算出大兴区耕地生产能力指数为1 135.81～2 807.23，面积加权平均值为1 960.52。由图2(a)可知，生产能力优的耕地主要分布在安定镇、采育镇、礼贤镇、庞各庄镇、青云店镇、榆垡镇和长子营镇，耕地有效土层厚，土体构型以通体壤、壤/砂/壤为主，有机质和养分元素含量较高，土壤肥沃；灌溉排水设施完善，灾害防治水平、农机化水平、田间道路通达度高，耕地生产条件好。生产能力一般的耕地主要分布在礼贤镇、庞各庄镇、魏善庄镇和榆垡镇，耕地耕层质地为砂土、土体构型以通体砂为主，有机质含量低，田间道路通达度较低，但灌排条件好，农机化水平较高；生产能力差的耕地主要分布在北臧村镇、礼贤镇、魏善庄镇、庞各庄镇和榆垡镇等区域，耕地耕层质地为砂土、土体构型以通体砂为主，漏水漏肥，有机质和土壤养分元素含量较少且田间道路不完善，不便于机械作业。

依据1.3耕地弹性评价指标体系和2.2耕地弹性计算方法，测算出大兴区耕地弹性指数为63.95～94.67，面积加权平均值为80.54，区域内耕地弹性状况较好。由图2(b)可知，耕地弹性能力优的耕地主要分布在安定镇、采育镇、礼贤镇、青云店镇和长子营镇，土壤质地为壤土，土壤呈弱碱性且结构性和通透性好，阳离子交换量大、土壤蚯蚓较多，能够较好的抵抗外界干扰。耕地弹性能力中等的耕地主要分布在安定镇、礼贤镇、庞各庄镇、魏善庄镇和榆垡镇，耕地耕层质地较差、阳离子交换量适中、有机质含量一般，但土壤蚯蚓数量较大，耕地抵抗外界干扰能力适中。黄村地区、庞各庄镇、魏善庄镇和榆垡镇部分耕地图斑阳离子交换量小、有机质含量低、土壤质地差，弹性能力差。

依据1.3耕地生产环境评价指标体系和2.3耕地生产环境计算方法，测算出大兴区耕地生产环境指数为0.40～1.00，面积加权平均值为0.65，区域内耕地生产环境一般。由图2(c)可知，生产环境优的耕地主要分布在街道地区、礼贤镇、魏善庄镇和瀛海地区，未发现土壤重金属污染、灌溉水环境清洁、农药化肥施用量少，农业生产环境较优。生产环境一般的耕地主要分布在采育镇、长子营镇、青云店镇和北臧村镇，区域内未发现土壤重金属污染、灌溉水环境清洁，农药、化肥施用量适中。生产环境差的耕地主要分布在安定镇、庞各庄镇和榆垡镇，区域内农药、化肥施用量大，严重影响到耕地资源可持续利用，此外，北臧村镇、庞各庄镇由于过去采用电镀厂产生的含有Cu、Cr、Co污水灌溉，重金属积累量大，导致耕地土壤重金属污染较严重。

依据1.3产品品质评价指标体系和2.4产品品质计算方法，测算出大兴区产品品质指数为100，农产品未受到污染(图2(d))，符合大兴区作为首都重要的农副食品生产供应基地的功能定位，能够满足人类社会对绿色、健康食品的需求。

3.4 耕地健康等级划分

按照上述确定的耕地健康分级方法，得到大兴区耕地健康分级状况(图3，表5)。

图3 耕地健康等级空间分布图Fig.3 Spatial distribution map of cultivatedland health level

表5 耕地健康等级统计Table 5 Classification statistics of cultivated land health

由图3和表5可知：大兴区耕地健康状况包括健康、亚健康、病态3 种等级，无不健康耕地。健康的耕地面积为4 726.51 hm2，占耕地总面积的11.58%，集中分布在旧宫地区、礼贤镇、魏善庄镇、西红门地区和瀛海地区。耕地图斑土壤质地为壤土，土体构型以通体壤为主，土壤有机质含量较高，地块集中连片，田间道路通达度高，耕地生产能力高；土壤pH适中，阳离子交换量大，土壤生物活性强，耕地弹性强；此外，区域内无土壤重金属、灌溉水、大气污染，且农药化肥施用量少，耕地生产环境优。亚健康的耕地面积为19 333.12 hm2，占耕地总面积的47.37%，主要分布在采育镇、礼贤镇、青云店镇、魏善庄镇、榆垡镇和长子营镇。亚健康耕地图斑土体构型以砂/粘/砂为主，田间道路通达度较差，耕地生产能力一般；土壤容重较大，阳离子交换量适中，耕地弹性较好；区域内过度施用农药、化肥，耕地生产环境一般。病态的耕地面积为16 754.94 hm2，占耕地总面积的41.05%，主要分布在北臧村镇、黄村地区、礼贤镇、庞各庄镇、魏善庄镇和榆垡镇。病态耕地图斑耕层质地以砂土为主，土体构型为通体砂，土壤有机质含量低，地块较为破碎，田间道路通达度差，耕地生产能力低；土壤容重较大，阳离子交换量低，耕地弹性较弱；土壤存在轻微重金属污染，农药、化肥施用量较多，耕地生产环境差。

4 讨论与结论

4.1 讨论

大兴区无不健康耕地，但健康的耕地较少、亚健康耕地和病态耕地多，严重威胁到区域耕地资源可持续利用。亚健康耕地主要是受到耕地弹性、生产环境、耕地弹性-生产环境3 种类型的限制，占亚健康耕地面积的88.40%。其中:耕地弹性限制型主要分布在礼贤镇和魏善庄镇，耕地土壤质地较差、土壤容重较大、阳离子交换量小、有机质含量低；生产环境限制型主要分布在采育镇、青云店镇和长子营镇，区域内农药、化肥施用量较大。病态耕地主要是受到生产能力、生产环境2 种类型的限制，占病态耕地面积的72.94%。其中:生产能力限制型主要分布在礼贤镇、魏善庄镇和榆垡镇，耕地的耕层质地为砂土、土体构型以通体砂为主，漏水漏肥，有机质和土壤养分元素含量较少且田间道路不完善；生产环境限制型主要分布在安定镇、庞各庄镇和榆垡镇，区域内农药、化肥施用量大且庞各庄镇存在土壤重金属轻度污染，严重威胁到粮食品质安全、人类健康和区域可持续发展。未来，应该结合各区域耕地健康限制因素进行差异化土地整治，进一步提升耕地健康状况。

构建的耕地健康评价指标体系能够较好的反应区域耕地健康状况。但研究中涉及耕地健康评价的指标较多，未来研究应该对指标进行简化，建立耕地健康评价最小数据集；其次，应加强研究区甚至全国范围内耕地健康评价指标的长期定点监测，进行长时间序列的耕地健康评价并确定耕地健康状况的时空动态变化，建立耕地健康负面清单及预警机制，对耕地健康的风险因子进行分区分级修复；最后，灌溉水环境质量、农产品农药残留量、农产品重金属残留量指标实际样本数量较少，选取的指标存在数据年份不一的情况，在后续的评价过程中，要增加样本数量并争取获取同一年度的最新数据，保证评价结果的准确、客观。

4.2 结论

1)明晰了耕地健康的内涵，健康的耕地应始终具备持续、稳定的生产能力，生产环境无污染，生产的农产品不会对人类和动植物的健康造成影响，并且能够对外界的干扰进行自我调整、维持自身的稳定性。从生产能力、耕地弹性、生产环境和产品品质4个维度选取指标构建的耕地健康评价指标体系，较以往耕地健康评价的质量、产能和环境维度更能突出新时代背景下人类社会对健康生活和可持续发展的需求。采用最小因子法测算了大兴区耕地健康状况，相比因素法能够更好地识别耕地健康状况的限制因子，为区域高标准基本农田建设、全域土地综合整治提供基础研究。

2)大兴区耕地图斑的生产能力、耕地弹性和生产环境指数分别为1 135.81～2 807.23、63.95～94.67、0.40～1.00。耕地生产能力和耕地弹性空间上呈东高西低分布，耕地生产环境整体上呈现中部高、东西两侧低的分布；产品品质指数为100，符合大兴区作为北京市农副食品生产供应基地的功能定位。大兴区耕地健康级别包括健康、亚健康和病态3 级，无不健康耕地。健康、亚健康和病态的耕地面积分别为4 726.51、19 333.12、16 754.94 hm2，占耕地总面积的比例分别为11.58%、47.37%、41.05%。