李 強

（首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)城市經(jīng)濟與公共管理學(xué)院土地資源管理系，北京 100070）

基于能值分析與模糊評價的糧食主產(chǎn)區(qū)耕地健康評價
——以石家莊市欒城縣為例

李 強

（首都經(jīng)濟貿(mào)易大學(xué)城市經(jīng)濟與公共管理學(xué)院土地資源管理系，北京 100070）

糧食主產(chǎn)區(qū)耕地健康是事關(guān)糧食安全（產(chǎn)量與品質(zhì)）的重要因素。該文在探討耕地健康評價方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合糧食主產(chǎn)區(qū)的實際情況，以石家莊市欒城縣為例，進(jìn)行耕地健康評價實踐研究。結(jié)果顯示：研究區(qū)域耕地能值指數(shù)介于0.631～0.863，耕地健康模糊指數(shù)介于0.603～0.878，耕地健康綜合指數(shù)介于0.531～0.753，分為很健康、健康和亞健康3個級別，其面積構(gòu)成分別為7.6%、48.4%和44.0%，區(qū)域內(nèi)耕地健康狀況較好。研究表明：模糊評價與能值分析互為補充，建立耕地健康診斷指標(biāo)體系與評價模型科學(xué)可行，可為不同區(qū)域開展耕地健康評價提供方法借鑒。

耕地健康;能值分析;模糊評價;糧食主產(chǎn)區(qū);欒城縣

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展、人口的持續(xù)增加以及環(huán)境退化的加劇，糧食安全（產(chǎn)量與品質(zhì)）以及引致糧食安全的耕地健康問題受到普遍關(guān)注［1－3］。中國的糧食安全問題始終是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，主要包括糧食生產(chǎn)安全、糧食生產(chǎn)潛力、耕地的支撐及持續(xù)利用能力以及基于糧食與人口的土地資源承載力研究等方面［4］，而糧食主產(chǎn)區(qū)是中國商品糧生產(chǎn)的核心區(qū)域，對確保國家主要農(nóng)產(chǎn)品有效供給具有決定性作用，基于中國糧食主產(chǎn)區(qū)的演變驅(qū)動分析［5］，耕地作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人為控制下物質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要基地，其規(guī)模、質(zhì)量、產(chǎn)能與環(huán)境狀況是保障國家糧食安全與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，耕地健康是實現(xiàn)質(zhì)量目標(biāo)、產(chǎn)能目標(biāo)和土壤環(huán)境目標(biāo)等耕地功能的綜合體現(xiàn)［6］。

從20世紀(jì)70年代FAO提出土地質(zhì)量的概念、發(fā)布土地評價綱要開始，土地質(zhì)量（指土地維持生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和動植物健康而不發(fā)生土壤退化及其它生態(tài)環(huán)境問題的能力）的界定得到廣泛認(rèn)可［7］，相關(guān)研究在土地質(zhì)量評價理論框架［8］、土地質(zhì)量指標(biāo)（LQIs）［7，9］等方面都取得了豐富的成果，在耕地產(chǎn)能［10］與耕地土壤環(huán)境［11］方面也有較多研究。目前研究多對耕地質(zhì)量、產(chǎn)能和土壤環(huán)境分別進(jìn)行評價，模糊評價方法應(yīng)用最為普遍［12－14］。本研究在基于能值分析與模糊評判的農(nóng)用地健康評價方法［15］的基礎(chǔ)上，融合耕地質(zhì)量、產(chǎn)能、土壤環(huán)境等模糊評價指標(biāo)與能值分析修正，以石家莊市欒城縣耕地為例，開展了糧食主產(chǎn)區(qū)耕地健康診斷研究，進(jìn)一步驗證了耕地健康評價方法的可行性，以期為不同區(qū)域開展耕地健康診斷提供方法借鑒，并為實現(xiàn)糧食主產(chǎn)區(qū)耕地科學(xué)調(diào)控與定向培育以及促進(jìn)糧食主產(chǎn)區(qū)耕地數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)并重管理的有效推進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)域

欒城縣地處河北省西南部（114°28′55″～114°47′35″E，37°47′34″～37°59′49″N）、太行山脈東麓山前沖洪積平原，海拔45～65 m，屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫12.4℃，年均日照2 522 h，≥10℃積溫4 220.1℃，多年平均降水量508 mm，無霜期200 d左右。欒城縣是華北平原的糧食高產(chǎn)區(qū)，是國家級基本農(nóng)田示范縣，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件優(yōu)越，土質(zhì)肥沃，耕地集中連片，農(nóng)業(yè)機械化水平高;土壤類型有潮褐土和石灰性褐土兩個亞類，土體構(gòu)型多為“蒙金土”，土層厚度均大于1 m，主要農(nóng)作物有小麥、玉米、蔬菜等，基本耕作制度為小麥－玉米一年兩熟制。

區(qū)域土地總面積為350.68 km2，包括農(nóng)用地278.66 km2（耕地273.55 km2，占區(qū)域土地總面積的78.0%，且全部為水澆地和菜地;園地、林地及養(yǎng)殖用地共計5.11 km2），建設(shè)用地70.52 km2，未利用地1.51 km2?；谕恋乩矛F(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫，選擇地塊法劃分評價單元，共劃分662個評價單元。

1.2 研究方法

本研究采用多層次模糊評價與能值分析相結(jié)合構(gòu)建綜合評價模型［15］進(jìn)行耕地健康評價，通過實踐研究，進(jìn)一步驗證模糊評價與能值分析相結(jié)合方法的可行性。

在耕地健康模糊評價體系框架研究［15］的基礎(chǔ)上，針對糧食主產(chǎn)區(qū)耕地的客觀特性，同時遵循主導(dǎo)性、實用性及獨立性原則進(jìn)行指標(biāo)初選，以實現(xiàn)耕地功能的影響因素作為主要指標(biāo)，其中有些因素對于耕地健康有重要影響但在研究區(qū)域內(nèi)無明顯差異的不作為評價指標(biāo)（如土層厚度、土地構(gòu)型、土地利用模式等），再通過主成分分析法進(jìn)行篩選，最終確定16項診斷指標(biāo)構(gòu)成欒城縣耕地健康評價的指標(biāo)體系，并分析各指標(biāo)與耕地健康的關(guān)系。采用層次分析法和變異系數(shù)法綜合計算研究區(qū)域耕地健康模糊評價指標(biāo)體系的權(quán)重值（表1），采用目標(biāo)、亞類和指標(biāo)3個層次依次確定其權(quán)重值，最后計算各評價指標(biāo)的權(quán)重總排序。

表1 研究區(qū)域耕地健康模糊評價指標(biāo)體系Table 1 The appraise indicator system of cultivated land health by fuzzy logic for study region

基于各評價指標(biāo)不同屬性對耕地健康的影響程度，通過調(diào)查資料與實驗結(jié)果的分析，分好、較好、中等、較壞和壞建立各指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究的土地利用現(xiàn)狀數(shù)據(jù)（MapGIS）以2009年土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查為基礎(chǔ)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)均來源于欒城縣國民經(jīng)濟統(tǒng)計資料（2005－2010）。為進(jìn)一步核實耕地的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)，了解農(nóng)民耕作的實際情況，在每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)選擇3個村進(jìn)行實際調(diào)查（共選擇24個村），并在村中隨機選擇5個農(nóng)戶進(jìn)行農(nóng)戶調(diào)查，詳細(xì)了解農(nóng)作物的產(chǎn)量水平與化肥、農(nóng)藥、機械動力等投入情況以及農(nóng)民的收入來源、收入水平和農(nóng)民對提高糧食產(chǎn)量、增加收入計劃采取的措施等。

為了獲取土壤屬性數(shù)據(jù)與土壤環(huán)境數(shù)據(jù)，在整理分析原有土壤普查資料的基礎(chǔ)上，在2009年9月進(jìn)行了土壤采樣與實驗分析。采用3 km×3 km網(wǎng)格法布點，將落在非耕地區(qū)域的樣點移到鄰近的耕地內(nèi)，采集耕作層（0～20 cm）土壤樣品42份。樣品經(jīng)預(yù)處理后，采用常規(guī)方法測定土壤有機質(zhì)含量、土壤碳酸鈣含量和土壤p H值（表2），應(yīng)用反相離子對高效液相色譜－電感耦合等離子體質(zhì)譜（HPLCICP-MS）測定土壤中重金屬（Cd、Hg、As、Cu、Pb、Cr和Zn），應(yīng)用氣象色譜儀測定有機物污染物（六六六、滴滴涕）的含量（表2）。

2 耕地健康模糊評價

2.1 耕地能值指數(shù)

根據(jù)耕地系統(tǒng)能值流動概圖，以分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的統(tǒng)計資料為基礎(chǔ)結(jié)合農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)，制定耕地系統(tǒng)分鄉(xiāng)鎮(zhèn)能值流簡表，并按照耕地能值指數(shù)評價模型，評價研究區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地能值指數(shù)（表3）。

2.2 耕地質(zhì)量

研究區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域表土質(zhì)地為壤土，占耕地面積的83.6%，沙壤質(zhì)和粘土分別占13.3%和3.1%。經(jīng)試驗測定，耕地表土層有機質(zhì)含量7.3～38.7 g·kg－1，采用 Kriging插值，建立有機質(zhì)含量的空間分布情況。研究區(qū)耕地主要采用地下水進(jìn)行灌溉，目前主要開采地下水位在80～120m的含水層［19］，按照該層地下水埋深的分布情況，確定地下水位指標(biāo)屬性。灌溉保證率和排水條件根據(jù)統(tǒng)計資料和實地調(diào)查情況確定其各級別的空間分布。交通條件指標(biāo)是根據(jù)地塊距道路的距離，按照確定的評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量化，應(yīng)用GIS的空間分析功能，生成緩沖區(qū)，確定交通條件的區(qū)域分布，并賦值到各評價單元。耕作便利條件是根據(jù)各地塊的形狀和面積，按照制定的評價標(biāo)準(zhǔn)確定各單元的耕作便利條件等級。綜合耕地質(zhì)量的各項指標(biāo)進(jìn)行模糊評價，其空間分布見圖1a。

表2 研究區(qū)域土壤樣點測試結(jié)果Table 2 Experiment results of soil sampling in the study area

表3 研究區(qū)耕地系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出類型及分鄉(xiāng)鎮(zhèn)能值流Table 3 Emergy contributed by each flow of input or output in the cultivated land system of every town

2.3 耕地產(chǎn)能

研究區(qū)域的冬小麥光溫生產(chǎn)潛力指數(shù)為1 302，夏玉米光溫生產(chǎn)潛力指數(shù)為2 228，產(chǎn)量比為0.7，農(nóng)用地分等中測算的自然質(zhì)量分平均值為0.930，據(jù)此測算的研究區(qū)域的理論產(chǎn)能為39 919 kg/hm2。按照耕地健康評價指標(biāo)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)確定的理論產(chǎn)能分級標(biāo)準(zhǔn)，理論產(chǎn)能為2級（較好），在耕地健康評價中，縣級區(qū)域內(nèi)的理論產(chǎn)能為一個值，其作用是為了實現(xiàn)不同區(qū)域間評價結(jié)果的可比。實際產(chǎn)能是指目前已經(jīng)實現(xiàn)的生產(chǎn)能力，以2008－2010年《欒城縣國民經(jīng)濟統(tǒng)計資料》統(tǒng)計的糧食產(chǎn)量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并將全部作物轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)作物產(chǎn)量，分鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行計算。

人均農(nóng)業(yè)收入是反映農(nóng)業(yè)對區(qū)域內(nèi)農(nóng)民的經(jīng)濟保障能力，以2010年《欒城縣國民經(jīng)濟統(tǒng)計資料》統(tǒng)計各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的數(shù)據(jù)。人均耕地面積是區(qū)域糧食安全與耕地社會保障能力的體現(xiàn)，以欒城縣2010年分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照確定的等級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，研究區(qū)域耕地產(chǎn)能的空間分布見圖1b。

2.4 土壤環(huán)境

圖1 耕地健康模糊評價目標(biāo)層評價結(jié)果Fig.1 The objects layer result of cultivated land health with fuzzy decision

土壤p H值、重金屬、有機污染物等指標(biāo)是通過實驗分析測定的點狀數(shù)據(jù)，采用Kriging插值，結(jié)合GIS工具進(jìn)行處理，建立指標(biāo)屬性的區(qū)域分布情況。其中對于重金屬、有機污染物，將其分別與該區(qū)域的土壤環(huán)境背景值相比較，依據(jù)制定的耕地健康評價標(biāo)準(zhǔn)，劃分為3個等級;農(nóng)藥使用量和化肥施用量指標(biāo)以統(tǒng)計資料和農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分村確定指標(biāo)屬性，并按空間位置分別賦值到各評價單元;將養(yǎng)殖場地作為點狀污染源進(jìn)行分析，通過GIS的緩沖區(qū)分析，根據(jù)耕地距離養(yǎng)殖場地的距離，分為5級評價其對耕地健康狀況的影響。綜合土壤環(huán)境的各項指標(biāo)，研究區(qū)域土壤環(huán)境的空間分布狀況見圖1c。

2.5 耕地健康模糊評價

綜合耕地質(zhì)量、產(chǎn)能與土壤環(huán)境各指標(biāo)的評定，按耕地健康多層次模糊評價模型［15］進(jìn)行評價，結(jié)果分別隸屬1級（很健康）、2級（健康）和3級（亞健康等），其空間分布情況見圖2。

圖2 研究區(qū)域耕地健康模糊評價結(jié)果Fig.2 The evaluation result of cultivated land health with fuzzy decision in the study region

2.6 耕地健康綜合指數(shù)

按耕地健康評價方法探討［15］中的公式（5）對模糊評價結(jié)果進(jìn)行非模糊化處理，計算得耕地健康模糊指數(shù)介于0.603～0.878。按公式（6）計算各單元的耕地健康綜合指數(shù)，其結(jié)果介于0.531～0.753。按照總分頻率法劃分耕地健康級別，分為很健康（≥0.700）、健康（0.600～0.700）和亞健康（＜0.600）3個 級 別，其 面 積 構(gòu) 成 分 別 為 7.6%、48.4% 和44.0%，空間分布見圖3。

圖3 研究區(qū)域耕地健康綜合評價結(jié)果Fig.3 The compositive evaluation result of cultivated land health in the study region

3 評價結(jié)果分析

分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的耕地能值指數(shù)介于0.631～0.863，由于研究區(qū)域范圍較小，單位面積的可更新資源投入相同，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與購買資源投入的不同導(dǎo)致耕地能值指數(shù)的差異。其中樓底鎮(zhèn)的耕地能值指數(shù)最高，為0.863，耕地質(zhì)量最高，灌溉用水、化肥、農(nóng)藥的投入較為合理，耕地種植形成了適度的規(guī)模，農(nóng)業(yè)機械化程度高。竇嫗鎮(zhèn)的耕地能值指數(shù)最低，為0.471，該鄉(xiāng)鎮(zhèn)交通、區(qū)位優(yōu)勢明顯，各類企業(yè)發(fā)展迅速，主要勞動力已從事非農(nóng)產(chǎn)業(yè)，但耕地經(jīng)營模式并沒有改變，農(nóng)業(yè)種植靠高投入（化肥、機械、農(nóng)藥等）維持，導(dǎo)致購買資源投入大，而農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出反而不高。

研究區(qū)耕地質(zhì)量好、較好和中等級別的面積構(gòu)成分別為26.2%、64.3%和9.5%，可見區(qū)域內(nèi)耕地質(zhì)量普遍較高，適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，但區(qū)域地下水位的逐年下降，水資源狀況是區(qū)域耕地質(zhì)量的主要限制因素。耕地產(chǎn)能則評價了耕地的社會保障功能與現(xiàn)實生產(chǎn)能力，其中好、較好、中等和較差級別的面積構(gòu)成分別為12.3%、20.5%、54.1%和13.1%，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地產(chǎn)能狀況有較大差異，大部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地產(chǎn)能還有待于提高。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展、人民生活及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，部分區(qū)域的污染物有增加趨勢，耕地土壤環(huán)境狀況有潛在污染風(fēng)險，從模糊評價劃分的4個級別看，好、較好、中等和較差的面積構(gòu)成分別為 30.55%、37.90%、21.33%和10.21%。

耕地健康模糊評價結(jié)果顯示，很健康、健康和亞健康級別的面積構(gòu)成分別為10.96%、72.00%和17.04%，可見研究區(qū)內(nèi)耕地整體健康狀況良好，其結(jié)果也綜合體現(xiàn)了耕地質(zhì)量、耕地產(chǎn)能與耕地環(huán)境的區(qū)域差異性。從各健康級別的區(qū)域分布看，亞健康級別的耕地主要分布在區(qū)域內(nèi)的工業(yè)區(qū)周圍，該區(qū)域的耕地土壤環(huán)境狀況較差，且農(nóng)民的種糧積極性不高，主要從事非農(nóng)產(chǎn)業(yè)，導(dǎo)致實際產(chǎn)能較低，但面積較少，僅占區(qū)域耕地面積的17.04%;很健康和健康級別的耕地面積合計占區(qū)域耕地面積的82.96%，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有分布，體現(xiàn)了區(qū)域耕地的主體狀況。

耕地健康綜合指數(shù)是耕地健康模糊評價與耕地能值指數(shù)的綜合，綜合評價結(jié)果體現(xiàn)了研究區(qū)域耕地健康狀況的實際差異，在評價結(jié)果的實際檢驗過程中，發(fā)現(xiàn)不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)間的耕地投入狀況、經(jīng)營管理模式有較大差別，評價結(jié)果的鄉(xiāng)鎮(zhèn)分異性與實際一致。

4 結(jié)論

耕地健康診斷體系包含了耕地質(zhì)量目標(biāo)、產(chǎn)能目標(biāo)和土壤環(huán)境目標(biāo)，同時進(jìn)行了耕地能值指數(shù)修正，避免了常規(guī)土地質(zhì)量評價中投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)考慮不全的缺陷，通過模糊評價補充了能值分析中無法涉及的耕地自然屬性、土壤環(huán)境狀況、社會保障功能與耕地保護(hù)政策等對耕地系統(tǒng)的影響，并充分利用了不同指標(biāo)的特性。在欒城縣的實踐應(yīng)用中，進(jìn)一步驗證了評價體系的科學(xué)性與數(shù)據(jù)的可獲得性。在評價方法上，通過運用能值分析方法與模糊評價方法相結(jié)合建立的綜合評價模型評價耕地健康狀況，采用地理信息系統(tǒng)作為工作平臺，實現(xiàn)指標(biāo)量化處理與評價結(jié)果綜合表達(dá)，形成了一套完整、可操作的耕地健康評價方法。

通過以欒城縣為例的實證研究，評價結(jié)果很好地反映了耕地功能所體現(xiàn)的耕地健康狀況，評價結(jié)果的空間分布與實際情況相一致，耕地健康評價體系與評價模型便于應(yīng)用，所需數(shù)據(jù)易于獲取，進(jìn)一步驗證了基于模糊評價與能值分析進(jìn)行耕地健康評價的科學(xué)可行性。

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Health Evaluation of Cultivated Land in the Major Grain Production Region Based on Emergy Analysis and Fuzzy Decisions：A Case Study in Luancheng County

LI Qiang
（DepartmentofLandManagement，SchoolofUrbanEconomicsandPublicAdministration，Capital UniversityofEconomicsandBusiness，Beijing100070，China）

The regional economic development and national food security（production and quality）were direct influenced by the status of cultivated land health，especially，in the region of major grain production.Based on the exploration the appraisal method of cultivated land health，investigation the actual situation of the region of major grain production in the North China Plain，Luancheng County was selected for the case study of cultivated land health evaluation.The evaluation results show that emergy index of cultivated land changes from 0.631 to 0.863，the fuzzy index of cultivated land health changes from 0.603 to 0.878，the composite index of cultivated land health changes from 0.531 to 0.753.The result of composite index was divided into three classes，namely in perfect health，normal health and subhealth in this study area，the area proportion is 7.6%，48.4%and 44.0%，respectively.The whole status of cultivated land health is good in Luancheng County.This study indicates that the cultivated land health diagnosis index system and evaluation model are scientific and feasible，the fuzzy decision and emergy analysis can complement each other，and this study can provide the method reference for cultivated land health assessment in different regions.

cultivated land health;emergy analysis;fuzzy decision;the major grain production region;Luancheng County

F301

A

1672－0504（2012）06－0085－05

2012－04- 11;

2012－07－25

教育部人文社會科學(xué)研究青年基金項目（11YJC630101）;國土資源部公益性行業(yè)科研專項（201111010－01）;北京市教委人才強教計劃學(xué)術(shù)創(chuàng)新團隊“首都圈生態(tài)文明建設(shè)研究”;北京地區(qū)普通高等學(xué)校學(xué)科群建設(shè)項目“首都可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略研究”

李強（1977－），男，博士，主要從事土地科學(xué)與資源環(huán)境評價等方面的研究。E－mail：eq1977＠163.com