美国国家资源清单及其对中国耕地质量动态监测的启示

李奕志，李立强，孔祥斌，3，蔡鹭斌

美国国家资源清单及其对中国耕地质量动态监测的启示

李奕志1，李立强2，孔祥斌1，3，蔡鹭斌4

（1. 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193； 2.内蒙古自治区土地整理中心，内蒙古 呼和浩特 010020；3. 国土资源部农用地质量与监控重点实验室，北京 100193； 4. 湖南农业大学资源环境学院，湖南 长沙 410128）

研究目的：探讨美国国家资源清单的建立方法及其对中国的借鉴。研究方法：文献检索法、比较分析法、逻辑分析法。研究结果：美国国家资源清单值得中国在建立全国尺度耕地质量动态监测系统中作为参考借鉴；借鉴美国国家资源清单“分层布控，重点加密”的监测布设思想，结合中国耕地资源分布的空间特征，建立了以经纬格网为框架的耕地质量动态监测体系。研究结论：（1）应建立统一管理的中国国家资源清单，改变中国多个部门监管耕地质量各自为战的现状，建立完整的县、省、国家监测数据报告机构，推动部门间的联合监管和数据共享；（2）在空间样本均匀分布的格网系统下进行分层二步区域抽样，优化监测精度和成本；（3）完善耕地质量的监测指标，实现耕地质量数量并重的管理。

土地管理；国家资源清单；耕地质量；动态监测；经纬格网

1 引言

通过对耕地质量、数量及生产能力变化情况的长期定位监测，可以发现耕地质量变化的规律和特征[1]，有助于保持和提高耕地质量方法的制定，促进自然资源的可持续发展并对粮食生产能力做出科学的评价和预警，为实施保障国家粮食安全的政策法规提供科学依据[2]。国内学者在对建立中国耕地质量动态监测体系的研究讨论中，常引用美国国家资源清单（national resources inventory， NRI）项目作为成熟经验的参考[3-8]。本文系统地收集和整理了刊载于美国农业部政府报告以及国外学术机构中围绕美国国家资源清单项目的历史背景、取样设计、监测方法与精度等相关的原始资料，首次深入的论述了美国国家资源清单空间样本均匀分布的设计思想和分层二步区域抽样的监测方法，并因此得出对中国耕地质量动态监测体系的启示。

2 NRI项目概括

2.1 项目背景与历史

NRI是一项具有严密科学性和取样调查程序的长期多源监测计划，监测目标覆盖耕地、湿地、牧场、城市与建设用地，旨在调查统计土壤、水和其他自然资源的状况并对其变化趋势进行评价，为政府制定保护政策、规划自然资源项目提供科学依据[9]。在美国农业部自然资源保护局的领导下，国家资源清单项目得到了约323000个监测样本地块和844000个监测样本点在土地利用与覆盖、土壤侵蚀、湿地、生境多样性、保护措施和相关资源分布的情报[10]。

NRI的前身是1956年实施的旨在研究小流域范围内土地利用和水土保持问题的土壤保持需求清单，并首次采用了统计学的取样方法在全国尺度上搜集自然资源的现场勘测数据[11]。NRI曾分别在 1977、1982、1987、1992 和 1997 年实施调查，自2000 年后由每隔5年一次的清单转为每年一次的年度清单[12]。NRI提供了对自然资源随时间变化趋势的记录，也提供了对实施资源保护措施后所获成果的评价[13]。由于NRI监测时间跨度较长，且样本设计符合统计学规律，其监测数据被用于全国、区域或州级的专项研究分析，同时能为其他监测评估项目的开展提供可靠的历史本底数据，实现了很好的数据共享应用。

2.2 监测格网的分层框架

NRI监测系统使用预定义的政治或地理单元来确定纵向研究的分层边界[13]，依靠已有的永久性地理框架结构对美国的50个州及所属的群岛实施监测抽样。分层框架包括公共土地测量系统（Public Land Survey Systems，PLSS）、镇区—高速路网系统、经纬格网系统、横轴墨卡托投影栅格系统以及主要土地资源区域分区系统[12]。

2.2.1 PLSS PLSS是美国联邦政府为公共土地测量和权属登记提供的地籍层级框架，该系统将美国中、西部30个州的土地按矩形格网逐级划分，按照一定的规则为划分出的每个格网单元建立统一编号[14]。PLSS的基本组成单元为（图1）：镇区（6英里×6英里的矩形区域）、区间（在镇区中细分的矩形区域，大小为1英里×1英里）、四分区间（在区间中细分的矩形区域，大小0.5英里×0.5英里）、层级（在镇区中细分的矩形区域，大小为2英里×6英里，每个层级都有48个四分区间）。

2.2.2 镇区—高速路网系统 在美国南部6州与俄亥俄州没有覆盖PLSS的部分，采用与镇区线相似的边界线与郡县的高速路网叠置，依照与PLSS类似的方法做出镇区、区间和层级的地理学分层。

2.2.3 经纬格网系统 在美国东北13州，采用2′纬度×4′经度大小的格网作为层级，再将层级细分为类似“四分区间”的20″纬度×30″区域地块，则每个层级都含有48个“四分区间”。

2.2.4 横轴墨卡托投影（UTM）栅格系统 UTM栅格系统被用于划分阿拉斯加州和路易斯安那州的分层边界。

2.2.5 主要土地资源区域（MLRA）分区系统 美国农业部通过地理、土壤、气候、水资源和土地利用类型等因素将全国的3300个郡县划分为185个主要土地资源区域[15]。在NRI调查中，MLRA的边界与郡县的边界相叠加形成被称为MLRACs的区域。

2.3 NRI调查的取样设计

NRI取样设计从统计学角度出发，依据空间均匀分布的原则使样本在地理空间上的广泛均匀分布，并随时间变化对监测目标进行评价，可以根据研究需要在不同地理区域和土地利用类型上改变取样强度以获得足够规模的子样本[16]。

2.3.1 分层二步区域抽样 NRI的抽样设计是基于美国全国50个州及所属群岛土地范围的分层二步区域抽样[17]，根据上述预定义的分层格网框架，在地表上选取需要调查的样本：第一步在每个层级（Stratum）的48个可供抽样的四分区间(Quarter-Section)中按一定抽样率随机选取基础抽样单元（PSU），第二步再根据PSU的大小在其中选取1—3个样本点（Point）[13]。

美国中西部30多个州PSU大小一般为160英亩[11]。在西部州的许多县区由于面积较大且土地类型异质性较高，因此设计了额外的分层和不同的区间大小，例如，在西部州县区有灌溉条件的区域，取样面积为40英亩，而在森林荒地区域的取样面积为640英亩[18]。在NRI调查中，美国本土的PSU分布情况如图2。

在PSU中通过有限随机过程选取样本点，在区间内选取3个样本点（图3），保证了样本点在区间内的广泛均匀分布[19]。

2.3.2 抽样率与取样规模 在取样设计的最初阶段，通过对美国东北部3个具代表性土壤分布的郡县进行试点研究，得出在研究区域内按2%的抽样率抽取PSU最为合适[19]，在对自然资源保护局往期项目的历史数据做先验模型检测时也发现标准误差（SE）会随着取样率发生变化，在取样率为2%—4%时达到监测数据最优的回归精度[20]，其计算公式为：

式1中，N为总体规模，n为样本规模，J为主要土地资源区域内土地利用类型的分层数量，Wj为j层面积，Sj为j层标准偏差。

图1 典型美国郡县在公共土地测量系统下形成的层级、区间、基本抽样单元与样本点示意图Fig.1 A graphical representation of the stratum in American, section, primary sampling unit and sample points under Public Land Survey Systems in a typical county

图2 NRI基础取样单元在美国本土的分布情况示意图Fig.2 The NRI primary sampling units centroid distribution in the United States

图3 样本点在基本抽样单元上的分布示意图Fig.3 Spatial distribution of sample points in primary sampling units

NRI调查的地表空间取样率通常为2%—8%，即在每个层级中选取1—4个PSU，目的是使对任意具有特殊资源条件（或具有其他特殊因素，例如，侵蚀速率）且占有超过MLRACs表面至少10%的区域进行估计时，得到的变异系数小于5%[12]。采样率在各州的郡县与郡县之间都有不同，主要依据“重点加密”的思想，在既定的分层取样框架内，对需要做特殊研究的区域增加取样率[20]。

2.4 NRI项目的监测内容

NRI调查的数据包括三个不同的报告单元：Point、PSU以及MLRACs。主要内容包括土地利用与植被覆盖、土壤信息、耕作和水土保持措施、野生动物栖息地多样性、湿地类型和一系列与牧场相关的因素（表1）[12]。对PSU和Point数据的主要采集手段为航空摄影与遥感，应用高分辨率图像判读样本点的信息。在MLRAC水平得到的数据称为县郡基础数据，用于加权过程的控制总量，这些数据反映了美国土地普查的地表面积，同时也被用于探测实际发生但未在样本点上反映的时空变化格局[13]。

表1 美国国家资源清单在样本点、基本抽样单元以及MLRACs上的监测内容Tab.1 Overview of variables collected for sample points, PSUs, and MLRACs in NRI

3 NRI年度清单（Annual NRI）

在1977—1997年期间，每5年进行一次NRI调查。在20世纪90年代后，数据采集与统计分析技术发展，考虑政府机构间合作与数据共享，美国自然资源保护局与爱荷华州立大学数据统计中心设计了Annual NRI，并于2000年开始实施。Annual NRI具有一组每年进行取样的核心固定样本和一组每年更迭取样的增补固定样本[27]。

美国自然资源保护局以美国538个郡县的5972个取样区间的数据来研究NRI年度中核心固定样本与增补固定样本的设计以及所得数据的相关性和测量变异误差，发现当核心固定样本数为全部固定样本数的50%时可以得到良好的数据精度[21]。考虑取样层级的稳定和变量估计的需要，2000年Annual NRI从1997年资源清单所确立的30万个PSU中选取了42000个核心固定样本和35000个增补固定样本，固定样本总数达到77000个，在2000—2007年的年度资源清单中，所设立的固定样本总数都维持在77000个[19]。

4 NRI数据库的建立与应用

4.1 NRI数据库的建立

每次完成NRI调查后，将PSU和Point的数值数据做自行误差边际分析，在所有数据误差的边际估计都达到95%置信水平后录入数据库[12]。利用历史数据为含有缺失数据的样本点建立包含相似特点（例如，空间位置、土地利用类型、土地生产能力、灌溉条件和风蚀因素）的潜在数据供应位点的嵌套组合插值模型，再通过分层热板插值过程估测缺失的数据以提供完整的数据库[22]。

4.2 NRI数据库的应用

NRI设立的监测系统遍布全美50个州及所属岛屿，所调查的800000个样本点中仅有220000个点所处的土地利用类型为耕地，即对耕地资源的监测仅占NRI项目内容的1/4[18]。NRI监测内容侧重于报告土地利用类型的面积变化和土壤侵蚀状况，而目前对耕地质量评价有意义的监测指标设置较少[23]。

美国农业部会定期将NRI调查所得到的数据制成大量的信息地图和统计图表在互联网上向公众发布，帮助政策制订者和公众获悉自然资源的利用水平和变化趋势，支持农业—环境政策的发展[9]。NRI数据库具有易用性的特点，便于同其他已有的调查数据相结合评价自然资源状况。将其调查得到的灌溉条件，耕作和管理制度，土地利用情况与土壤调查的本底数据相结合，在全美国范围内监测耕地土壤流失和养分流失情况以及土壤碳含量变化，并绘制出可视化图形，直观显示耕地质量变动较大而需要持续关注的区域[24]。

5 美国NRI对中国耕地质量监测网络布控的启示

5.1 中国耕地土壤长期定位监测的现状

中国目前有4个部门参与了耕地质量监测项目（表2），但是由于监测点布置时标准不一，监测指标体系各异，并且在监测网点的数量和精度上存在较大差异，不能做到部门间的数据整合汇报与共享。例如农业部的监测点是以区域经济特色作为布点依据，监测指标侧重土壤理化性质；环境保护部的监测点以行政执法网点作为布点依据，侧重土壤污染物的监测报告；国土部的监测点以农用地质量分等所设立的标准样地为布点依据，监测内容囊括农用地的土壤环境指标、地形因素和水利条件，可以反映农用地的经济价值和生产水平[3]。此外，这些项目在监测内容上存在一定重复性，造成了监管资源的浪费。所以中国应当整合耕地监测资源，建立国家尺度的布点方法统一，监测内容全面高效，样点数量优化配制的中国国家资源清单。

表2 中国现行耕地监测项目比较Tab.2 The comparison between current cultivated land monitoring programs of China

5.2 中国建立耕地质量动态监测网络的要求

对耕地质量与耕地面积的动态监测，是指导耕地保护和地力建设的重要基础工作，同时能就粮食生产能力进行核算评价和预测，并对可能存在的资源环境危机做出预警。中国耕地主要分布在东北、华北和长江中下游区域，且耕地连片性较差，在建立监测网络时需要兼顾样本点空间均匀分布的原则和大尺度上耕地不均匀分布的现状，采用NRI体系所具有的自上而下的需求分析功能和自下而上的数据信息归纳流程，建立整体的县、省、国家三级报告结构，同时满足土地利用变动频繁，耕地细碎化等现实情况下的监测需要。

5.3 监测格网布控方法与内容的探讨

耕地质量动态监测是从耕地的地域性差异分布出发，遵循监测样本的典型代表性原则，在合理的人力财务投入下，利用具有一定精度的样本数据对整体耕地质量变化进行报告和评价，其指导思想为“分层布控，重点加密”。监测格网应当根据区域耕地数量和分布情况分层布控，在耕地分布较少的区域设置小面积的PSU，在耕地集中的粮食主产区或生态系统脆弱的农牧交错带区域提高取样强度，加密区域样本容量。在监测指标的设计中，应当分别纳入影响耕地质量变化的短期和长期变化因素。

5.3.1 格网系统与抽样设计 考虑中国经纬度位置与领土面积同美国相似，可以采用2′纬度×4′经度大小的经纬格网作为抽样的层级分层框架，再依据《农用地质量分等规程》（GB/T 28407—2012）所设立的标准耕作制度二级区，参考区域内种植制度、耕作和栽培管理措施、地质地貌类型、水文土壤条件和土地利用与经济发展情况等方面因素对层级格网进行划分。

在耕地质量格网法监测的初期阶段，可以每3—5年对中国耕地质量情况进行全面的摸底调查。当监测数据积累至一定数量后，再结合地统计学方法与各区域的具体监测需求，从基础调查的PSU中选取核心固定样本和增补固定样本，开展年度监测调查。

5.3.2 耕地质量的监测内容 耕地质量监测的数据来源包括PSU和Point，其监测内容包括抽样区的地理信息位置，农业生产的立地条件，土壤养分状况和环境健康指标。同时涵盖对样本区域耕地面积的监测，从样本上反映县级和耕作二级区内耕地数量的变动趋势，实现耕地质量数量并重的管理。耕地质量监测的数据来源包括PSU和Point，其监测内容包括抽样区的地理信息位置，农业生产的立地条件，土壤养分状况和环境健康指标。同时涵盖对样本区域耕地面积的监测，从样本上反映县级和二级区内耕地数量的变动趋势，实现耕地质量数量并重的管理（表3）。

表3 耕地质量动态监测指标内容Tab.3 The contents of cultivated land dynamic monitoring

6 结论与讨论

（1） 应尽快建立统一布设管理的中国国家资源清单，改变中国多个部门进行监管耕地质量各自为战的现状。推动建立多部门跨机构合作的数据资源共享，使耕地资源监测数据能够结合国土资源、农业生产、环境保护等领域的监测项目。

（2）参考美国国家资源清单的格网结构，从空间统计分析角度出发，由国家相关部门在经纬格网框架内统一布设监测样本区域和样本点，建立整体的县、省、国家三级数据报告机构。当监测内容随监测目标逐渐改变发展时，可以在经纬格网框架内灵活增设符合评估分析要求的样本和抽样内容，有利于在监测框架内对某个观测项目做特殊研究，实现数据自下而上的归纳流程和自上而下的分析需求，使监测数据适合用作长期的纵向比较研究，保证数据建模过程中的可靠性。

（3）利用国外较为先进成熟的经验，考虑中国耕地破碎化等现实问题，建立适合中国国情的耕地质量动态监测网络体系，设立从无到有、从繁到简的监测网络发展规划，建立长期和短期的监测指标，关注高标准基本农田的设施建设，探测引起耕地土壤质量下降的因素，实现对耕地资源科学精细的保护和管理。

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(本文责编：郎海鸥)

The National Resources Inventory in the US and Its Implication to China’s Dynamic Monitoring on Cultivated Land Quality

LI Yi-zhi1, LI Li-qiang2, KONG Xiang-bin1,3, CAI Lu-bin4
(1. College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China; 2. Land Consolidation centor of Inner Mongolia Autonomous Region, Hohehot 010020, China; 3. Key Laboratory for Arable Land Quality, Monitoring and Controlling of National Ministry of Land Resources, Beijing 100193, China;4. College of Resources and Environment, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)

The purpose of this paper is to discuss the national resources inventory (NRI) in the US and explore its implication on China. The methods include literature review and comparative analysis. The results show that NRI could provide enlightenment on establishing nationalstandard-cultivated lands quality monitoring system in China. The results presented in the article indicated the following： 1） the establishment of cultivated lands quality monitoring system should combine the current situation of China’s cultivated land and the oversea advanced experience, and determine the short-term or long-term monitoring content depending on the actual demand; 2）making up the standard and uniform sample units with sample points of cultivated lands quality monitoring among national region longitude and latitude networks, with the integral three-tier architecture of county-province-state in updating monitoring contents will guarantee the reliability and usability of the observed data; 3）by promoting inter-agency and multi-resources monitoring, the monitoring data could be used in various natural resources monitoring projects, which lead to good sharable monitoring sample units.

land administration; national resources inventory; cultivated land quality; dynamic monitoring; graticule

F301.2

A

1001-8158（2014）07-0082-08

2013-10-05

2014-03-24基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助（2014RW014）；中国农业大学哲学社会科学资金资助（2014RW014）；国家社会科学基金重点项目（14AZD031）。

李奕志（1991-），男，湖北荆州人，本科。主要研究方向为土地利用评价研究。E-mail:lyzh_cau@qq.com

孔祥斌（1969-），男，河北承德人，教授，博士生导师。主要研究方向为土地资源可持续利用和土地资源评价。E-mail:kxb@cau.edu.cn