基于系统协调的集约化农区县域耕地健康评价*——以河北省曲周县为例

路欣怡，杨智慧，张 璐，温良友，廖宇波，陈文广，孔祥斌※

（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）

0 引言

耕地是最重要的农业资源之一，是现代社会发展的基础,是维护国家稳定与粮食安全的基石[1]。但是严峻的化肥过量施用和高强度利用[2]对耕地健康的影响越发显著。耕作层变浅，土壤表层的有机质显著下降[3]等问题突出，土壤重金属存在超标风险[4]，不仅加剧了耕地生态环境的恶化，由此产生的粮食减产、农产品品质下降等现象引发了人们广泛的关注[5]。为端牢“中国饭碗”、保障耕地健康，“十三五”规划建议提出：“实施藏粮于地、藏粮于技战略”[6]，2016年《耕地草原河湖休养生息规划（2016—2030年）》[7]发布，明确指出耕地休养生息要采取“养、退、休、轮、控”的方式。因此，迫切需要开展耕地健康评价，准确掌握关键区域耕地健康状况，为指导耕地资源可持续利用、落实国家政策及战略要求提供科学依据。

国内学者对于“土地健康”[8]进行深化提出耕地健康概念[9,10]，其内涵、指标体系构建及评价方法均受到了学界广泛关注，现有相关研究呈现以下特点：（1）耕地健康的内涵界定丰富多样，但国际上关于“耕地健康评价”的研究多集中农业生态系统健康和土壤健康[11][12],[13]的单一性研究；国内研究更侧重强调耕地可持续生产能力的耕地健康产能评价[14][15]，现有耕地健康评价研究少有从耕地各子系统协调性出发建立科学的理论框架。（2）耕地健康评价多从质量与功能角度进行指标体系的构建，从耕地质量、产能、环境等多个角度选取相关指标[16][17]，也有学者将健康状况作为耕地质量评价指标体系的一个维度[18]，但是由于耕地利用环节复杂，少有耕地健康评价指标体系构建侧重要素输入、要素耦合作用及其输出。（3）耕地健康评价以逐级修正法[19]最为普遍，也有学者运用最小限制因子方法对耕地生态风险进行评价[20]，但是现有研究更注重耕地健康综合水平的测度，在子系统间的协调程度定量测算不足，进而对耕地健康诊断后提出解决耕地健康问题的方法和措施针对性不够。（4）研究区域呈现多元化趋势，涉及大都市城乡交错带[21]、农牧交错带[22]和黄土丘陵生态脆弱区[23]等地，但缺少对高度集约化区域的耕地健康评价，此类耕地往往具有土壤酸化[24]、抵抗力下降特征，还伴随着地下水下降[25]、温室气体排放等环境问题，评价该区域耕地健康状态对于耕地资源的可持续利用以及实现区域社会经济的协调发展具有重要的应用价值。

华北集约化农区是“北粮南调”的重要生产基地，耕地数量及垦殖率均处于全国一级农区首位[26,27]。曲周县作为华北集约化农区的典型代表，在单产不断提升的同时高强度投入与利用使得区域耕地健康面临严峻挑战。文章创新性地构建以耕地本底宜耕性—产品可接受性—环境可承受性为准则层的集约化农区耕地健康评价指标体系，运用指数和法、最小限制因子法、系统协调性模型等方法在探究耕地健康综合水平的基础上定量测算本底—产品—环境3个子系统间的协调性，弥补现有研究中协调性与耕地健康评价缺乏结合的研究空白，以期为耕地健康评价提供新思路，同时为落实耕地的“数量、质量和生态”的三位一体保护以及“藏粮于地、藏粮于技”的战略提供有益参考。

1 理论框架及耕地健康评价体系构建

1.1 理论框架

耕地系统是土地利用系统的重要组成部分，是由土壤、地形地貌、气候等自然要素和社会实践活动等社会经济要素复合而组成的立体空间[28]，由于其开放性而长期与外界发生着物质与能量交换，自身的结构与功能也会发生相应变化并交换输出大量的初级产品或次级产品[29]。耕地系统具有整体性、复杂性、自组织性和动态平衡性等特点，高度集约化利用下的耕地系统内部、系统和外界环境之间的物质循环、能量流动和信息传递过程更加频繁且复杂，系统内部时刻处于动态变化过程中。现少有研究可以全面、准确地选取指标来囊括耕地系统在利用过程中的变化特征，因此该文通过建立系统本底与产品服务输出间的对应关系，从本底要素、终端产品与服务对耕地健康状态进行综合评价。

作为耕地系统最本质的要素，本底要素状况直接影响并反映着耕地系统基础状态，决定着耕地系统的可持续性。其中土壤、地貌和气候要素是最为核心的自然要素[30]。土壤的物理、化学、生物特性对作物生长发挥至关重要的作用，其理化反应为作物营造适宜生长的土壤环境，有机质形成、矿化过程及相关的元素循环均可为作物生长提供养分；同时气候要素不仅为作物生长提供光热，也直接影响土壤的水热状况，而地貌引起物质、能量的再分配而间接作用于耕地系统，因此重点通过土壤、地貌和气候等要素研究耕地系统的本底宜耕性。高度集约化利用下的耕地系统土地利用结构和强度变化较普通农区更为剧烈，社会经济要素变化频繁，农田建设、土壤改良和休耕轮作等复杂利用过程及化肥、农药等的投入对耕地健康的影响可以直接体现在系统输出的产品与服务上，首先耕地需输出高品质的产品，还要维持作物高产且供给稳定，以抵御、缓冲外界胁迫；同时，耕地健康还体现在其生态功能的发挥上，耕地在利用过程中与外界发生信息、物质交流，对污染物加以消化、分解来提供生态服务，若农药、化肥等生产要素的过量投入或农膜等材料使用不当、地下水过度超采则可能超出生态环境的可承载范围，继而影响耕地功能的发挥，因此从产品可接受性与环境可承受性两个终端来评价耕地健康状态。耕地健康不仅体现在以上3个准则的综合水平较高，各准则层间也要遵循某种约束条件而进行良性演化过程、实现协调发展[31]。因此，耕地健康表现为耕地本底、产品和环境子系统高度协调、综合水平高，即耕地自净能力强、有一定抵抗力和恢复力，可高产稳产无污染的农产品，同时保证对环境约束性最小，可提供长期生态服务的状态（图1）。

图1 基于系统协调性的耕地健康评价理论框架

1.2 指标体系构建

该文以主导性、区域性、客观性和可持续性为选取原则，从集约化农区耕地利用特征出发，在借鉴已有研究的基础上[32]，结合相关研究将指标体系分为目标层、准则层和指标层等3个层次，包括本底、产品和环境3个子系统。运用频度分析法和专家咨询法并参考我国现行的调查体系，考虑到数据资料的可获得性以及指标计算的复杂性，从中筛选出15个被广泛运用且能充分反映耕地健康特征的指标，构建影响耕地健康的指标体系（表1）。其中，气候要素在研究区小尺度范围内变化并不显著，因此本底宜耕性主要考虑土壤和地貌等要素，选取地形坡度、耕层质地、土壤有机质含量、土壤容重、阳离子交换量、土壤呼吸强度、有效土层厚度、pH、土壤微生物量碳、土壤盐渍化程度等10个能够直观反映本底健康的基础指标来表征；产品可接受性主要指在耕地本底要素和利用过程共同作用下，经过一系列的物质交换和能量流动过程，最终系统输出的农产品状况，要求输出的农产品质量上安全、供应上持续稳定，因此选取产品中重金属含量和粮食生产稳定性指数等2个指标来表征；环境可承受性则关注耕地系统输出的对环境污染和资源消耗的反馈，由于华北集约化农区的环境问题集中在地下水水位降低、水质及重金属污染等三方面上，因此选取灌溉水环境质量、地下水下降速率和土壤中重金属含量等3个指标来分析其对环境可承受性的影响。

表1 基于系统协调性的耕地健康评价指标体系

1.3 评价方法

1.3.1 本底宜耕性指数计算（X1）

利用指数和法对耕层质地、土壤有机质含量、pH等10个耕地健康的弱限制因素进行加权求和，计算耕地本底宜耕性指数，公式为：

式（1）中，X1为耕地本底宜耕性指数，Bi表示耕地本底子系统中第i个指标的分值，Ci表示第i个指标的权重，n为指标个数，i=1，2，3，…，n。

1.3.2 产品可接受性指数计算（X2）

利用最小限制因子法计算产品可接受性指数，产品重金属含量直接影响消费者健康，按照产品中重金属含量值划分等级，分为无污染、轻微污染、轻度污染、重度污染和重度污染；粮食生产的稳定性可以体现粮食高产、稳产及可持续生产的程度，根据粮食生产稳定性指数将其划分为低波动、中波动和高波动。以上两者为耕地健康的强限制因素，采用两者最低等级的等级值作为产品可接受性指数X2。粮食生产稳定性指数S用于表征粮食单产的波动幅度[33]，稳定性系数与耕地结构成正比，计算公式为：

式（2）中，Di为第i年粮食单产，D为多年平均单产，i为年份，i=1，2，3，…，n，i为粮食生产稳定性指数，在该文中以10年为一稳定期衡量标准，Di为2008—2017年曲周县10年的粮食单产。

1.3.3 环境可承受性指数计算（X3）

选取灌溉水环境质量、土壤重金属含量和地下水下降速率3项指标反映环境状况，这3项指标同样是耕地健康的强限制因素，可以直接反映出耕地水环境的洁净程度、耕地结构及功能的完整性，体现耕地利用可能带来的环境风险。通过计算得出灌溉水水质评价指数P并与相应标准对比；计算地下水下降速率k，划分为未超采、一般超采和严重超采；计算土壤中重金属环境质量指数q来反映土壤中重金属含量，划分为清洁、轻微污染、轻度污染、中度污染和重度污染。最终采用最小限制因子法，以其中最低得分的指标值作为耕地环境可承受性指数（X3）。

1.3.4 系统协调性模型

由于本底宜耕性指数、产品可接受性指数、环境可承受性指数的计算方法、数据大小及单位不同，为了便于不同指标间的对比，计算协调度及综合水平，采用极差标准化的方法对三者进行标准化处理[34]，方法为：

式（3）中，Xi，X′i为原始值和标准化后的数值；Ximin和Ximax分别为最小值和最大值。

作为复合系统，评价一定区域内耕地健康的协调性，即判断其各个子系统间的同步性。根据空间解析几何的原理，参考已有研究后[35]使用本底宜耕性（X′1）、产品可接受性（X′2）、环境可承受性（X′3）所处的状态来对应一个三维空间（图2），空间中的任一点P0都对应唯一一个（X′1、X′2、X′3）坐标，P0就表示该图斑耕地健康状态,则OP1上的点均为“完全协调点”，直线OP1上的点均满足X1=X2=X3，表示3个子系统状态“完全同步发展”，系统处于“完全协调状态”[35]；d1表示在OP1之外的点到OP1的垂直距离，tanθ为P点偏离完全协调状态的程度，表示3个子系统间的协调性，因此tanθ越大，偏离程度越大，协调性越差；考虑到较好的协调度可能对应较低的协调发展程度，无法完全表征系统发展的综合水平[36]，因此引入该点到原点O的距离（d2）表示协调性的综合发展水平，d2越大协调性综合水平越高。d1，d2，tanθ计算公式为：

图2 县域本底宜耕性—产品可接受性—环境可承受性三维空间［35］

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

曲周县位于邯郸市的东北部，东临邱县、馆陶，南接广平、肥乡，西与永年、鸡泽搭界，北临邢台市的平乡、广宗两县。地处36°34′N～36°57′N，114°50′E～115°13′E，位于太行山东麓海河平原的黑龙港流域，属于太行山山前平原南段、漳河冲积扇下缘，呈南宽北窄的三角形分布。地势自西南向东北倾斜，平均海拔约42.5m。属暖温带半湿润大陆性季风气候区，降水集中在7—9月，年均降水量为556mm。土壤发育主要受到河流冲积和河流改道的影响，形成了包括潮土、盐土、褐土3个土类，褐土化潮土、潮土、盐化潮土、内陆盐土和褐土性土5个亚类为主的土壤类型。截止2020年，曲周县辖6镇4乡（曲周镇、河南疃镇、第四疃镇、安寨镇、侯村镇、白寨镇、槐桥乡、南里岳乡、大河道乡、依庄乡），342个行政村（图3）。2018年全县土地总面积约为6.670 0万hm²，其中耕地面积为5.259 6万hm²，占土地总面积的78.85%，是华北集约化农区的典型区域。20世纪曲周县的农业生产曾一直受到旱、涝、碱、咸的制约，所属的黑龙港流域是华北平原水资源最为匮乏的地区，自1973年开展“旱涝碱咸综合治理”以来，耕地生产力水平虽有显著提升，但随之而来的耕地健康问题进一步加剧，该地区也成为华北平原典型的“地下水漏斗区”。因此，建立科学的耕地健康评价指标体系、及时掌握其耕地健康变化动态，提升曲周县耕地健康已成为该地可持续发展的必然选择。

图3 曲周县位置

2.2 数据来源与处理

2018年6月对曲周县进行均匀样点布设和土壤采样，共布设192个采样点，采样189个土壤样本（图4）。研究中的数据主要通过前期大量的外业土壤采样和内业化验测定工作获取，还有部分来源于地方部门及线上数据平台（表2），具体数据来源如下。

图4 2018年曲周县实地采样点分布

依据2015年河北省曲周县耕地质量等别年度更新数据，提取其中的耕地图斑作为曲周县耕地系统健康评价的评价单元，全县评价单元共计4 413个，总面积为5.443 661万hm2。

2.3 评价指标分级与权重确定

根据相关文献及专家意见，参考《农用地分等规程》《农用地定级规程》《耕地质量等级》《土地质量地球化学评价规程》制定评价指标的分级标准。结合层次分析法及专家打分法确定耕地健康本底宜耕性各指标权重及评价规则如表3。耕地产品可接受性、环境可承受性评价规则如表4。

表3 耕地健康本底宜耕性指标分级、赋值及权重

表4 耕地健康产品可接受性、环境可承受性指标分级及赋值

3 结果与分析

3.1 耕地本底宜耕性结果

将曲周县耕地本底宜耕性结果利用自然断点法按照从优至差划分为“一级”“二级”和“三级”，结果表明曲周县2018年耕地资源本底宜耕性较高，但在全县范围内有较大差异。在数量分布上，曲周县本底宜耕性表现为二级的耕地面积为30 264.32hm²，占比55.60%；其次为一级的耕地，面积为17 601.03hm²，占比32.33%；三级的耕地较少，占耕地总面积的12.07%。从空间分布看（图5），耕地本底宜耕性在空间上分异明显，总体上以二级为主，槐桥乡二级耕地占比可达82.99%。东南地区耕地本底宜耕性较差，依庄乡本底宜耕性为三级的耕地占比最高，为29.99%，与其相邻的侯村镇、南里岳乡和安寨镇本底宜耕性较差的耕地占比也均在20%以上，东南地区受土壤质地限制较大，有机质含量低，土壤呼吸及生物活性较差；而曲周镇、大河道乡、河南疃镇和安寨镇土壤保水保肥能力强，生物活性高，处于一级的耕地占比均在50%以上，最高的曲周镇可达到69.53%。

图5 2018年曲周县耕地本底宜耕性空间分布

3.2 耕地产品可接受性结果

曲周县作物样品中的重金属含量值均为Ⅰ级，处于合理范围之内，因此将粮食生产稳定性指数作为影响耕地产品可接受性的主要因素，将结果利用自然断点法按照从优至差划分为“一级”“二级”和“三级”。2018年曲周县不同程度的耕地产品可接受性间面积分布情况较为均一，全县处于一级的耕地面积为2.031 642万hm²，处于二级的耕地面积为1.974 628万hm²，处于三级的耕地面积为14 373.91hm²，占比依次为37.32%、36.27%和26.40%。由图6可知，全县各乡镇间耕地产品可接受性空间差异较大，曲周县中部地区的产品可接受性差，以此为中心向外逐渐加强，曲周镇、安寨镇、侯村镇均处于高等别，槐桥乡、白寨镇处于耕地产品可接受性低等别的面积为100%，其余乡镇则均为适中。

图6 2018年曲周县耕地产品可接受性空间分布

3.3 耕地环境可承受性结果

曲周县20个实采灌溉水样本化验及计算结果显示，曲周县灌溉水环境质量为一级，对189个实采土壤样本中的8种金属元素化验结果表明该地区土壤重金属元素含量均未超标，清洁程度为一级，因此曲周县耕地环境可承受性主要受地下水下降速率约束，空间上体现出南部快于北部，尤其是侯村镇和伊庄乡等乡镇自2000年以来地下水水位明显下降。将结果利用自然断点法按照从优至差划分为“一级”“二级”和“三级”，综合分析后由图7可知，2018年曲周县处于环境可承受性一级的耕地面积最大，占比47.42%，处于二级状态的耕地与前者相差较少，面积为2.201 424万hm²占耕地总面积的40.44%，只有12.14%的耕地环境可承受性处于三级。在曲周县耕地总体环境风险较小的同时，呈现出北低南高的分布特征，其中只有河南疃镇、第四疃镇的耕地完全处于一级，其余乡镇均有部分耕地环境可承受性处于二、三级，白寨镇与大河道乡的耕地环境可承受性均为二级，伊庄乡环境可承受性差的耕地面积占比可达本区域耕地面积的61.33%。

图7 2018年曲周县耕地环境可承受性空间分布

3.4 耕地健康子系统协调性及综合水平结果和分析

根据曲周县域本底—产品—环境子系统协调性的评价结果（表5、图8），将系统协调性划分为4个等级，以此来表征曲周县内不同区域的耕地子系统协调性空间分异情况。当0≤tanθ＜0.20时为高度协调区，主要分布在曲周镇和伊庄乡等4个乡镇，占曲周县耕地总面积的12.9%；0.20≤tanθ＜0.33时为中度协调区，以曲周县北部的河南疃镇、第四疃镇为主，同时零散分布在大河道乡和曲周镇等乡镇，占曲周县耕地总面积的24.9%；0.33≤tanθ＜0.55时为轻度协调区，曲周县中南部区安寨镇、侯村镇和白寨镇的大部分耕地处于轻度协调状态，分别占本乡镇总面积的79.1%，63.1%，92.3%，轻度协调区占曲周县耕地总面积的23.60%；0.55≤tanθ＜1.42为弱协调区，集中分布在白寨镇、槐桥乡、南里岳乡、安寨镇东南部和侯村镇南部，占曲周县耕地总面积的38.5%。这表明曲周县耕地系统的协调性整体状况较差，其中中偏东部分区域系统不协调明显。但需注意，系统协调性主要体现子系统间的相互作用与制约，判断本底输入和输出产品、服务是否同步发展，并不完全决定耕地健康，需结合协调性综合水平进行考量。

图8 2018年曲周县耕地健康子系统协调性空间分异

表5 曲周县域本底—产品—环境子系统协调性的评价

根据曲周县域协调性综合水平评价结果（表6、图9），曲周县域内协调性综合水平空间分异特征较为明显，以曲周镇为代表的地区协调性处于高等综合水平，占曲周县耕地总面积的10.1%；河南疃镇、第四疃镇、安寨镇与侯村镇等乡镇协调性综合水平中等，占曲周县耕地总面积的44.2%；中部地区如槐侨乡、南里岳乡等乡镇耕地处于低等综合水平，占曲周县耕地总面积的22.8%；白寨镇与伊庄乡耕地较其他地区协调性综合水平处于差等，占曲周县耕地总面积的22.9%。

图9 2018年曲周县耕地健康协调性综合水平空间分异

表6 曲周县域协调性综合水平评价

综合分析曲周县耕地协调度分区结果与协调性综合水平等别划分结果，中部的曲周镇协调度与综合水平均处于理想状态，耕地较为健康，资源本底与产品、服务协调性较高；因此对于此类耕地应重点关注产能提升路径，可以开展土地整治工程，通过平整土地、重构生产单元空间，解决田块细碎化问题，引导规模化经营，进一步提高耕地利用效率。北部的河南疃镇、第四疃镇的综合水平与协调度次之，而南部安寨镇、侯村镇处于轻度协调区且综合水平中等，中部的南里岳乡和槐桥乡处于弱协调区且综合水平较低，中南部的白寨镇协调度及其综合水平均低于上述地区，说明在一定程度上曲周县域本底状况—产品状况—环境状况协调性与协调性综合水平高低之间呈正相关关系；其中，典型区域白寨镇耕地资源本底与产品的不协调多受粮食生产稳定性限制，该镇耕地抵御极端气候等外界风险的能力较弱，因此需加大耕地基础设施建设，构建合理的田水路林渠网络，满足作物在不同气候差异下的生产需求。值得注意的是，伊庄乡北部和大河道乡北部地区为高度协调区，但协调性综合水平并不乐观，在曲周县局部发生的协调度与综合水平背离现象表明以上地区的耕地健康状况和3个子系统状况均不理想；该地区主要受土壤和地下水条件限制，土壤质地以砂质土或偏砂质土为主，土壤的保水保肥性较差，有机质含量普遍不高，地下水下降速率也明显高于北部；在该区域内需落实国家耕地休养生息规划，以治理为核心，适当降低耕地利用强度，提高用水效率，根据实际情况适当配套滴灌、喷灌工程，减少地下水的使用，耕地健康极差的应及时退耕、休耕。

4 讨论

耕地健康评价方法是实现耕地可持续利用的一项重要研究。该文从耕地系统内部与外界之间的相互反馈作用出发构建基于本底、产品与服务子系统间的协调性程度及综合水平的耕地健康评价框架，不仅可以对耕地单项子系统优劣进行判断，还可以有效识别三者间是否同步发展，在县域尺度上综合评价耕地健康状态，为差异化的耕地健康提升路径提供科学依据。该文构建的本底宜耕性—产品可接受性—环境可承受性“三性”协调评价体系，适用于某一时点县域尺度上耕地健康状态的诊断及空间分异规律研究，研究结果为县域耕地健康诊断及可持续利用提供了科学依据。该文构建的耕地健康评价框架在传统评价体系上加入了3个子系统的协调性分析，在诊断结果与已有研究中不同学者对曲周县耕地综合质量、土壤肥力等评价结果保持较高一致性的同时[38-40]，进一步探索了耕地系统整体健康、各子系统间的状况与相互关系，对曲周县耕地健康状况及其空间分异特征进行实证分析，再评价方法上做出一定探索与创新在县域尺度上具有较强的科学性和可行性。此外，该文指标体系构建上聚焦华北集约化农区耕地利用特征，数据的主要来源为实地采样并化验，有较强说服力。

该文重点为构建耕地健康评价框架，并从空间分异角度对曲周县耕地健康进行实证分析，故未基于时间尺度对曲周县耕地健康状态进行探讨。此外，部分指标获取难度较大，需在后续研究中尽可能多的收集实验样本，进一步增加评价的可靠性。

5 结论

（1）从系统观的角度出发，构建侧重耕地本底要素和输出的产品与服务协调性的耕地健康评价理论框架，并以耕地的本底宜耕性—产品可接受性—环境可承受性为准则层，选取评价指标，利用协调性模型有效识别各子系统间的协调程度，进一步综合评价耕地健康状态，该方法弥补了现有研究中协调性与耕地健康评价缺乏结合的空白。

（2）以曲周县为典型案例的评价结果显示，2018年曲周县耕地本底宜耕性较好，受土壤质地等要素限制，较差耕地主要集中在东南区域，仅占全县耕地的12.07%；全县耕地输出产品可接受性从优至差占比依次为37.32%、36.27%和26.40%，其中白寨镇、南里岳乡等乡镇粮食生产处于弱稳定状态；在耕地总体环境风险较小的同时，呈现出北低南高的分布特征，受地下水下降速率影响，其中伊庄乡环境可承受性差的耕地面积占比可达本区域耕地面积的61.33%。

（3）经协调性模型测算，曲周县耕地系统的协调性整体状况较差，其中中部及东部区域系统不协调明显。综合评价结果显示，以曲周镇为代表的地区协调性处于高等综合水平，占曲周县耕地总面积的10.1%，其耕地资源本底、产品和环境各准则层总体上呈现出同向向好发展趋势，对于此类耕地应重点关注生产单元空间的重构，解决田块细碎化问题，实现产能的提升路径。白寨镇与伊庄乡耕地受土壤和地下水条件限制，协调性综合水平处于差等，占曲周县耕地总面积的22.9%，在该区域内需引导农户使用有机肥，改善土壤结构，适当降低耕地利用强度，耕地健康极差的应及时退耕、休耕，实现其本底宜耕性、环境可承受性的恢复。综上，该文构建的基于系统协调性的耕地健康评价指标体系可行性较强。