基于要素—过程—功能的耕地质量理论认识及其研究趋势

孔祥斌，张蚌蚌，温良友，胡莹洁，雷 鸣，姚静韬，辛芸娜

（1.中国农业大学土地科学与技术学院，北京 100193；2.国土资源部耕地质量与监控重点实验室，北京100193；3.西北农林科技大学经济与管理学院，陕西 杨凌 712100）

1 引言

耕地资源安全始终是中国人的头等大事，为保障国家粮食安全，中国提出了耕地占补平衡、耕地保护、永久基本农田划定等一系列耕地资源数量质量保护的政策[1-4]，2017年中发4号文件再次明确提出耕地数量、质量、生态“三位一体”耕地保护战略[5]。而科学、准确、全面认识耕地资源质量状况是进行耕地资源管理的核心和关键[6-8]。从20世纪90年代起，原国土资源部持续开展了耕地质量的评价研究与实践工作，并于2009年发布了全国耕地质量评价成果，制定了农用地质量分等、定级和估价规程[9-11]；农业部于2016年发布了耕地质量等级成果以及耕地质量等级规程[12]；原环境保护部和原国土资源部地矿局发布了耕地污染成果[13]。这些成果都从管理的侧面体现出了对耕地质量不同维度的认识，因此，基于国家管理需求，迫切需要从“要素—过程—功能”角度认识耕地质量的多维度特征。

耕地质量是一个由气候、土壤、母质、地形地貌、水文、植被、人类活动等构成的自然地理—社会经济综合体[14]，学术界对耕地质量内涵也有不同的认识。倪绍祥认为耕地质量是耕地的生产率水平[15]；张凤荣认为耕地质量是土壤状况、环境状况、田间工程状况的反映[16]；孔祥斌认为耕地质量是自然、社会、经济与技术进步综合影响结果，具有多种属性和功能表现形式[17]；陈印军认为耕地质量包括土壤质量、空间地理质量、管理质量和经济质量4个方面[18]。因此，耕地质量是耕地要素及其作用过程所形成诸多功能的客观存在，耕地的诸多功能随着人类需求而逐渐显化的过程正是耕地质量内涵不断丰富的过程，但是学术界当前对耕地质量尚未有统一的认识，而且缺乏对耕地质量综合体的要素及其作用过程的理论解释。耕地具有生产功能、生态功能、景观功能、文化功能等多功能特征已经得到国内外的学者的认同[19-21]。耕地质量应充分考虑耕地质量的综合性，应将耕地质量的客观性与耕地质量需求的主观性有机统一[22]。耕地的多功能特征反映了耕地质量的多维层次，但是，关于耕地综合体要素、作用过程、耕地多功能质量之间的逻辑关系和理论认识尚且不清楚。近5年来，耕地质量、可持续土地质量指标、土壤功能、土壤过程、土壤健康等方面的研究成为国际上关注和研究的热点，一系列高水平的成果相继出现[23-25]。

基于此，本文将耕地资源作为一个自然社会综合体系统，认识耕地资源质量组成要素及其特征，分析人类对耕地不同的功能需求及其特征。通过匹配耕地资源客体和人类功能需求主体之间的关系，构建基于“要素—过程—功能”的耕地资源质量认识框架，阐述基于“要素—过程—功能”的耕地质量内涵，分析耕地质量特征，提出未来研究趋势和重点关注方向，以期为进行耕地资源利用、评价与保护提供科学依据。

2 基于要素—过程—功能的耕地质量理论认识

2.1 耕地资源综合体要素认识

耕地资源是由气候、土壤、母质、地形地貌、水文、植被、利用、基础设施与权籍9个维度组成的自然地理—社会经济综合体，前6个维度体现耕地的自然地理综合体特征，后3个维度体现人类活动对耕地的改造和利用（图1）。这些要素在不同时空尺度上对耕地资源综合利用产生影响。气候要素在宏观上对作物的生长起控制作用，控制了耕地生产能力的上限。土壤是耕地中的核心部分，表现为耕地的基础地力条件差异。母质决定了土壤的肥沃程度及其形成的耕地自然质量高低。地形地貌，对耕地利用过程中的物质和能量再分配产生作用。水文包括与耕地利用相关的地表水资源和地下水水文地质，以及通过灌溉方式满足作物需水。植被，是耕地支撑的作物、杂草、防护林等组成的植物群落的总称，既体现人类耕地利用的目标，又是农田生态系统稳定性和生物多样性的重要体现。耕地的利用方式、利用强度等直接影响耕地资源的可持续性，对耕地的生产能力和生态环境产生巨大影响。基础设施，即田间道路工程、农田水利工程、防护林网工程等基础设施。权籍是耕地一经开发就具备了权利特征[26]。因此，对于耕地资源的认识，既要从传统的自然地理综合体角度认识，又要从权籍关系的层面进行认识[26]，这是从土地科学角度认识与分析耕地资源质量的重要特征。

2.2 耕地资源综合体要素过程的认识

耕地要素过程是指耕地资源综合体要素耦合作用下的生产力形成过程、光合作用过程、物质养分循环过程等，是耕地生产、生态、景观、文化等多功能的客观自然规律体现。从耕地满足农作物生长的角度上看，耕地质量要素可以分解为两个方向的过程：一个是垂直方向上，提供满足作物生长以及物质能量循环的过程；另外一个是水平方向上的过程。

图1 耕地资源综合体组成要素Fig.1 Key elements of cultivated land resource

2.2.1 基于水平方向的耕地过程认识

从水平方向看，耕地与居民点、水系、林地、园地、草地、坑塘以及湖泊组成了一个区域整体的土地利用系统。耕地系统不仅包括为作物生产提供的物理空间，还包括为实施管理所修建的灌排设施、生产道路、防护林网以及农舍等。

从景观生态学的角度，在耕地系统的水平方向上存在物质与能量转化的“源”和“汇”关系，水平方向是水、动物、植物花粉等运行的空间[27-28]。耕地不仅提供了作物生产过程的空间，还要为其他生态过程提供空间，而这些生态过程空间可以与作物生产过程空间共存。其中包括了岛状、廊道和一定面积的未利用地，形成了一个“斑块—廊道—基质”的表现模式，具体可以理解为河流、道路、林地、草地等公共空间。水平空间会影响耕地质量，包括可耕性、可进入性、连通性等质量特征，水平空间的耕地质量决定了动物的多样性、可进入性、土壤抗侵蚀性等质量特征。

从有利于耕地利用的角度来讲，耕地必须具有完整的与作物生产相适宜的支撑系统。同时，耕地系统要发生作用，必须与周边的土地利用系统发生物质和能量的交换，其他的土地利用系统为耕地利用系统提供物质和能量交换的空间，从而维持整个系统的运行，乃至整个系统的稳定和功能的提升。传统的耕地系统即由山、水、林、田、湖、村等组成的一个复合的空间系统，耕地质量系统在空间上与其他土地利用之间发生了物质和能量上的交换与转化。

2.2.2 基于垂直方向的耕地过程认识

（1）耕地质量要素在垂直上的差异。从农田的土层保障来看，垂直空间上必须要保障30～150 cm的土层，作为核心的根系生长支撑空间和满足光、温、水进行作物光合生长的土地上层空间。土层能否满足耕地生产需求，可以表现为耕地质量的适宜性，该层面主要是由于地学条件和土壤条件决定。

在垂直空间上层，作物接受光照、温度以及降水，该界面决定了耕地生产能力的上限，可以称为耕地的气候生产能力。支撑作物空间的耕作表层则是一个受作物生产管理扰动的层次，耕作表层厚度约30 cm，分布在农田的上部，土壤表层的质量表现为空气质量及支撑作物生产的基础地力的一部分。在土壤下层，作物生长需要的水分、养分等与水文地质循环密不可分，并对地下水循环产生影响，因此，土壤深层的质量可理解为基础地力和区域水循环质量。

（2）物质与能量转化特征。耕地系统内部物质循环、能量流动、生物演替和信息传递等过程是耕地产生各项功能的基础[29]。其中，水循环、气热运动等物理过程可以促进作物对水分的吸收利用，为作物的生存和生长提供保障功能；离子交换、酸碱反应以及氧化还原反应等化学过程既可以保证养分的有效性，又对物质在土壤中的移动以及污染物质的缓冲有着深刻的影响[30]；有机质矿化、腐殖化以及碳、氮、磷循环等生物过程不仅可以增加作物生长所需的矿质元素，还可以固定二氧化碳释放氧气，对改善空气、保证作物生长具有重要影响[31]。以上三种过程构成了耕地的生产、健康、缓冲过滤和碳固持功能的基础。

2.3 权籍对耕地利用过程的影响

耕地不仅是自然因素和人类活动的综合体，耕地的开发利用还是人类产权形成的过程[31-32]，权籍是耕地社会经济特性的直接体现，是综合体的一个方面，直接或间接影响耕地利用或耕地质量。目前，土地所有权分为国家所有和集体所有两种形式。对于耕地而言，在明确所有权为国家或集体所有的基础上，实行土地承包经营，土地承包经营权为30年不变。承包经营权的相对稳定性，在一定程度上保障了农村社会的稳定，提高了农业生产积极性[32]，有利于农户进行多元化种植，使农户或从事农业生产的经济组织能够对土地长期有效投资，改良土壤条件，提高耕地质量。但是，耕地产权平均，导致耕地过细切割，田块出现破碎化，难以形成规模，加上人为因素的作用，田块形状不一，平整度降低，对农田水利基础设施建设、生物工程的建设、病虫害的防治都形成阻力，农业技术管理水平难以提高[33]。因此，耕地的长期承包经营，权属分散在各个农户手中，虽然在一定程度上有利于耕地保护和农户的长期投资，但是，从长时间来看，过度的权属分散化以及耕地的破碎化、条块化，增大土地整治难度，导致道路通达不便，农业机械化水平低下等影响耕地质量提高的一系列问题。

图2 基于要素—过程—功能的耕地质量认识Fig.2 The cognition of cultivated land quality based on elements-process-function

2.4 基于要素与过程的耕地功能认识

耕地质量是耕地综合体要素在其相应的生产过程、光合过程、物质转化过程等所体现的功能反映，耕地质量具有生产、生态、景观、文化等多维功能表现（图2）。耕地“要素—过程—功能—特性—质量”是认识和研究耕地质量的逻辑路线，人类对于耕地有一种需求，就有一种对应的功能，与功能相对应的则是支撑功能的相应要素及其作用过程。从这个意义上讲，功能是耕地质量的体现，是耕地质量的载体，耕地质量的内涵随着功能显化（人类需求增加）而逐渐丰富；耕地的功能多种多样，耕地质量也多种多样。

耕地的功能既包括学术界已认识的一些功能，还存在目前无法认识到的功能。比如耕地土壤子系统是一些特殊物种资源的栖息地，对于这种功能的重要认识，可能会超越目前的认识能力。从客观的角度来看，耕地功能存在一个集合，即耕地的功能集合。

耕地功能的显化和表达是相对于人类需求而言，当社会发展到一定阶段，就需要耕地提供相应的功能，人类也通过现代的工程和技术手段，满足其自身对功能的需求，且耕地不同功能质量既相互区别，又相互作用，体现出耕地的整体功能[21-22]。同时，由于人类需求的差异性、阶段性和多样性，耕地的功能就表现为多样性特征。例如，1978年以来，对耕地功能的需求，从生产功能（解决温饱），到支撑功能（建设发展），到景观功能（都市周边的休闲），到生态功能（发挥耕地的调节功能），乃至教育功能（农耕文化）等，就是让耕地功能满足人类的一定需求（图2）。

3 基于要素—过程—功能的耕地质量特征

耕地的承载力、生产性、固定性等基本特征已经得到了学术界的公认，本文主要根据笔者长期对耕地质量的研究与思考，基于国内外对土地质量、耕地质量、土壤质量、土壤健康[19-25]等方面的前沿观点，从“要素—过程—功能”的角度，重点探讨耕地质量在形成过程中的遗传性和变异性，在演化过程中的动态性，在生态过程中的抵抗力与恢复力。

3.1 耕地质量的遗传性和变异性

耕地的物质组成来源于土壤，耕地的质量特征具有一定空间遗传性[34-36]。对于在一定立地条件下耕作的农田来讲，其继承了耕作土壤的土体构型、质地、土壤有机质含量、pH、黏土矿物类型、障碍层次、地形、坡度、海拔等特征以及立地空间对应的光照、温度和降水条件。耕地质量的高低不仅是耕地本身的特征，更是在一定的地理环境下的产物。耕地质量既有对原生环境下土壤质量的继承，也有按人类需求而进行改造的特征，从这个角度来讲，耕地质量具有变异性[34-36]。

3.2 耕地质量的动态变化性

耕地的质量存在一个本底的基础值，这个基础值就是耕地利用系统的本底值。该值受两方面影响：一是在将其他用地类型转为耕地的过程中，由于采取了一定的土地整治措施，从而形成一个农田系统，这是突变的改造过程；另外一种改变，则由于长时期的灌溉、排水、施肥等对土壤质量产生的累积性的影响，主要表现为土地利用状态，是粗放、集约还是可持续，都会对耕地质量产生一定的影响，而区域气候变化也会对耕地质量要素产生一定的影响。对于一个区域而言，常常是不同的过程叠加起来对耕地质量在时间上产生影响。

这种累积性的影响将产生三种可能：第一种是使原来的耕地质量得到提升；第二种是维持原来的耕地质量水平；第三种是导致耕地质量水平下降。

3.3 耕地质量的抵抗力与恢复力

作为一种人工调控的系统，好的耕地质量具有抵抗外界压力的条件，并具备自我恢复的能力，这种恢复能力有一个时间上的变化特征。

对耕地质量抵抗力的影响是在水平方向和垂直方向上起作用。一种是通过耕地利用，累积产生影响。对于任何质量要素来讲，可以承受一定强度的土地利用，并且具有恢复的能力，只不过这种恢复能力所用的时间长短发生了变化。比如，对于土壤中有机质含量变化，一般是在几年内发生变化，而对于土壤中养分来讲，则是一年之中发生变化。耕地质量的发挥需要特定的微生物种群，土地利用强度导致微生物种群发生了变化，要恢复微生物的种群，显然是困难的。因此，耕地的利用不仅是对耕地系统产生了重要影响，还对耕地所依存的环境系统产生了影响，这种影响的累积性，是决定耕地质量是否具有抵抗力和恢复力[36-37]。

在水平方向上，土地利用转型、土地的切割以及其他用地类型的嵌入，都会对耕地质量产生影响。比如在一个完整的耕地系统中，防护林网的破坏，可能会导致病虫害的发生，而对耕地的生产功能产生负面影响，一旦林网系统恢复，耕地质量很快就会得到改进。如果是一个独立工矿用地，镶嵌在农田系统中，独立工矿用地的排放物会对农田的环境产生影响，也会对耕地地块水平下土壤的净化能力和循环能力产生影响，还可能使一些外源物质进入，和土壤中的某些元素快速增加。这种情况的发生，会影响整个农田系统，甚至摧毁耕地质量的抵抗力。

4 基于要素—过程—功能的耕地质量研究趋势

4.1 耕地质量的关键功能要素识别

随着土地利用多功能研究不断推进，耕地质量多重属性也得到了越来越多的关注。未来耕地质量研究应从耕地多功能角度出发，从垂直—水平两个不同方向研究耕地的多功能维度质量，研究基于多功能形成过程的耕地质量维度特征、内涵及要素，进而形成基于耕地多功能的多层次耕地质量内涵体系“耕地质量系统—耕地质量子系统—耕地质量要素”。在此基础上，结合各功能质量的形成过程以及区域实际特点，借鉴已有的农田生态系统过程理论，如土壤养分循环、碳循环、水文地质循环以及景观格局形成过程等，识别耕地多功能质量关键要素；依据要素—过程—功能关系，从地学特性、土壤特征、生物特性等全维度、多视角建立与功能质量相匹配的具体表征要素。

4.2 耕地质量演化过程、阶段特征和多功能质量转型

从耕地质量各功能维度的耦合协调过程来分析耕地质量的演化过程，从耕地质量各要素的耦合系统过程来分析耕地质量各功能维度的演化过程；基于耕地质量表征属性数据库的分析、耕地质量要素确定的评价模型，评价耕地质量不同时点的耕地质量演化方向，识别耕地质量时空分异的关键转化节点。

利用典型相关分析、偏相关分析、脱钩分析等方法，剖析耕地自然质量演化（地下水位、区域水资源可用量）、利用程度（农田水利、田间道路、机械化程度）、效率（生产能力投入和产出特征）、环境容量（区域水资源、地下水位）等要素间的相互作用关系；采用Markov-CA模型、CLUE-S模型等方法，刻画耕地质量空间演变特征，划分耕地质量演化阶段，并归纳阶段特征。

利用耕地质量评价模型，计算关键时点的耕地综合质量及耕地功能维度质量大小，如生产功能质量、调节功能质量和景观功能质量，剖析耕地不同功能质量在时间上的转型特征；基于空间分异特征，分析耕地多功能质量在区域上的转型与权衡关系，揭示耕地质量空间的分异规律。

4.3 耕地质量遗传性与变异性、抵抗性与恢复性

基于土壤剖面纵断面数据以及长时间序列关键时点耕地质量要素数据，从自然遗传性和高强度土地利用导致的变异性出发，定量分析耕地质量遗传性和变异性特征以及耦合关系，揭示耕地质量要素对耕地质量遗传性与变异性的影响；依据地理学空间分异规律，设定满足既定精度要求的土壤剖面样点并进行取样测定，基于土壤剖面的纵断面分层数据，刻画耕地质量关键要素在垂直方向的变异性；利用土壤剖面数据定量分析耕地质量遗传性和变异性特征以及二者之间的耦合关系；揭示刻画影响耕地质量关键要素对耕地质量遗传性与变异性的贡献程度及其变化特征。

4.4 多功能协调下的耕地质量调控

以“要素—过程—功能”相互作用机理为基础，研究耕地各功能质量之间的协同/拮抗关系；结合耕地质量的演化过程、阶段特征、空间分异及驱动机制的研究，识别当前耕地多功能失调的关键功能质量以及对应的限制性关键要素，提出改进措施和手段，针对性地寻求克服限制的解决途径，形成多功能协调导向的差别化耕地质量调控对策。

5 结论与讨论

（1）耕地资源是由气候、土壤、母质、地形地貌、水文、植被、利用、基础设施与权籍等9个维度组成的自然地理—社会经济综合体；这些组成要素从不同时空尺度上对耕地资源的综合利用产生影响。从大尺度上看，气候对耕地生产功能产能的影响比较大，而从地块尺度，土壤是影响耕地生产功能的主要因素。

（2）耕地在水平方向和垂直方向的过程存在一定差异，垂直方向上耕地功能是由水循环、养分循环、大气循环等不同过程决定的包括生产功能在内的缓冲过滤功能、碳固持功能等关键功能。在水平方向上，在耕地系统的水平方向上存在物质与能量转化的“源”和“汇”关系，耕地的功能则包括景观功能、生态功能等。

（3）耕地“要素—过程—功能”是认识和研究耕地质量的逻辑路线，耕地质量是耕地综合体要素在其相应的生产过程、光合过程、物质转化过程等所体现的功能反映，耕地质量具有生产、生态、景观、文化等多维功能表现。人类对于耕地有一种需求，就有一种对应的功能，因而形成耕地质量的一个维度，人类对于耕地的功能需求是多方面的，因此，耕地的质量也是多功能维度。

（4）耕地质量具有显著的遗传性和变异性特征。遗传特征强烈受到土壤母质的影响，而变异性特征则显著受到区域土地利用和人类活动的影响。耕地质量具有抵抗力和可恢复力，在一定范围内耕地质量能够抵御外界干扰并自然恢复。但是，耕地利用过度则导致系统的抵抗力和恢复力显著降低，超过一定阈值后，导致耕地退化。

（5）耕地质量的未来研究趋势和重点是：基于耕地质量的“要素—过程—功能”之间的内在关系，识别耕地质量的关键功能要素；利用多学科知识综合，定量揭示耕地质量演化过程、阶段特征，采用作物模型等方法分析耕地质量要素之间的耦合作用关系；构建耕地质量遗传性与变异性、抵抗性与恢复性定量测度方法；揭示耕地质量要素之间的相互作用机制，分析耕地功能转型与权衡关系。