孔祥斌，張蚌蚌，溫良友，胡瑩潔，雷 鳴，姚靜韜，辛蕓娜

（1.中國農業(yè)大學土地科學與技術學院，北京 100193；2.國土資源部耕地質量與監(jiān)控重點實驗室，北京100193；3.西北農林科技大學經濟與管理學院，陜西 楊凌 712100）

1 引言

耕地資源安全始終是中國人的頭等大事，為保障國家糧食安全，中國提出了耕地占補平衡、耕地保護、永久基本農田劃定等一系列耕地資源數量質量保護的政策[1-4]，2017年中發(fā)4號文件再次明確提出耕地數量、質量、生態(tài)“三位一體”耕地保護戰(zhàn)略[5]。而科學、準確、全面認識耕地資源質量狀況是進行耕地資源管理的核心和關鍵[6-8]。從20世紀90年代起，原國土資源部持續(xù)開展了耕地質量的評價研究與實踐工作，并于2009年發(fā)布了全國耕地質量評價成果，制定了農用地質量分等、定級和估價規(guī)程[9-11]；農業(yè)部于2016年發(fā)布了耕地質量等級成果以及耕地質量等級規(guī)程[12]；原環(huán)境保護部和原國土資源部地礦局發(fā)布了耕地污染成果[13]。這些成果都從管理的側面體現出了對耕地質量不同維度的認識，因此，基于國家管理需求，迫切需要從“要素—過程—功能”角度認識耕地質量的多維度特征。

耕地質量是一個由氣候、土壤、母質、地形地貌、水文、植被、人類活動等構成的自然地理—社會經濟綜合體[14]，學術界對耕地質量內涵也有不同的認識。倪紹祥認為耕地質量是耕地的生產率水平[15]；張鳳榮認為耕地質量是土壤狀況、環(huán)境狀況、田間工程狀況的反映[16]；孔祥斌認為耕地質量是自然、社會、經濟與技術進步綜合影響結果，具有多種屬性和功能表現形式[17]；陳印軍認為耕地質量包括土壤質量、空間地理質量、管理質量和經濟質量4個方面[18]。因此，耕地質量是耕地要素及其作用過程所形成諸多功能的客觀存在，耕地的諸多功能隨著人類需求而逐漸顯化的過程正是耕地質量內涵不斷豐富的過程，但是學術界當前對耕地質量尚未有統一的認識，而且缺乏對耕地質量綜合體的要素及其作用過程的理論解釋。耕地具有生產功能、生態(tài)功能、景觀功能、文化功能等多功能特征已經得到國內外的學者的認同[19-21]。耕地質量應充分考慮耕地質量的綜合性，應將耕地質量的客觀性與耕地質量需求的主觀性有機統一[22]。耕地的多功能特征反映了耕地質量的多維層次，但是，關于耕地綜合體要素、作用過程、耕地多功能質量之間的邏輯關系和理論認識尚且不清楚。近5年來，耕地質量、可持續(xù)土地質量指標、土壤功能、土壤過程、土壤健康等方面的研究成為國際上關注和研究的熱點，一系列高水平的成果相繼出現[23-25]。

基于此，本文將耕地資源作為一個自然社會綜合體系統，認識耕地資源質量組成要素及其特征，分析人類對耕地不同的功能需求及其特征。通過匹配耕地資源客體和人類功能需求主體之間的關系，構建基于“要素—過程—功能”的耕地資源質量認識框架，闡述基于“要素—過程—功能”的耕地質量內涵，分析耕地質量特征，提出未來研究趨勢和重點關注方向，以期為進行耕地資源利用、評價與保護提供科學依據。

2 基于要素—過程—功能的耕地質量理論認識

2.1 耕地資源綜合體要素認識

耕地資源是由氣候、土壤、母質、地形地貌、水文、植被、利用、基礎設施與權籍9個維度組成的自然地理—社會經濟綜合體，前6個維度體現耕地的自然地理綜合體特征，后3個維度體現人類活動對耕地的改造和利用（圖1）。這些要素在不同時空尺度上對耕地資源綜合利用產生影響。氣候要素在宏觀上對作物的生長起控制作用，控制了耕地生產能力的上限。土壤是耕地中的核心部分，表現為耕地的基礎地力條件差異。母質決定了土壤的肥沃程度及其形成的耕地自然質量高低。地形地貌，對耕地利用過程中的物質和能量再分配產生作用。水文包括與耕地利用相關的地表水資源和地下水水文地質，以及通過灌溉方式滿足作物需水。植被，是耕地支撐的作物、雜草、防護林等組成的植物群落的總稱，既體現人類耕地利用的目標，又是農田生態(tài)系統穩(wěn)定性和生物多樣性的重要體現。耕地的利用方式、利用強度等直接影響耕地資源的可持續(xù)性，對耕地的生產能力和生態(tài)環(huán)境產生巨大影響?；A設施，即田間道路工程、農田水利工程、防護林網工程等基礎設施。權籍是耕地一經開發(fā)就具備了權利特征[26]。因此，對于耕地資源的認識，既要從傳統的自然地理綜合體角度認識，又要從權籍關系的層面進行認識[26]，這是從土地科學角度認識與分析耕地資源質量的重要特征。

2.2 耕地資源綜合體要素過程的認識

耕地要素過程是指耕地資源綜合體要素耦合作用下的生產力形成過程、光合作用過程、物質養(yǎng)分循環(huán)過程等，是耕地生產、生態(tài)、景觀、文化等多功能的客觀自然規(guī)律體現。從耕地滿足農作物生長的角度上看，耕地質量要素可以分解為兩個方向的過程：一個是垂直方向上，提供滿足作物生長以及物質能量循環(huán)的過程；另外一個是水平方向上的過程。

圖1 耕地資源綜合體組成要素Fig.1 Key elements of cultivated land resource

2.2.1 基于水平方向的耕地過程認識

從水平方向看，耕地與居民點、水系、林地、園地、草地、坑塘以及湖泊組成了一個區(qū)域整體的土地利用系統。耕地系統不僅包括為作物生產提供的物理空間，還包括為實施管理所修建的灌排設施、生產道路、防護林網以及農舍等。

從景觀生態(tài)學的角度，在耕地系統的水平方向上存在物質與能量轉化的“源”和“匯”關系，水平方向是水、動物、植物花粉等運行的空間[27-28]。耕地不僅提供了作物生產過程的空間，還要為其他生態(tài)過程提供空間，而這些生態(tài)過程空間可以與作物生產過程空間共存。其中包括了島狀、廊道和一定面積的未利用地，形成了一個“斑塊—廊道—基質”的表現模式，具體可以理解為河流、道路、林地、草地等公共空間。水平空間會影響耕地質量，包括可耕性、可進入性、連通性等質量特征，水平空間的耕地質量決定了動物的多樣性、可進入性、土壤抗侵蝕性等質量特征。

從有利于耕地利用的角度來講，耕地必須具有完整的與作物生產相適宜的支撐系統。同時，耕地系統要發(fā)生作用，必須與周邊的土地利用系統發(fā)生物質和能量的交換，其他的土地利用系統為耕地利用系統提供物質和能量交換的空間，從而維持整個系統的運行，乃至整個系統的穩(wěn)定和功能的提升。傳統的耕地系統即由山、水、林、田、湖、村等組成的一個復合的空間系統，耕地質量系統在空間上與其他土地利用之間發(fā)生了物質和能量上的交換與轉化。

2.2.2 基于垂直方向的耕地過程認識

（1）耕地質量要素在垂直上的差異。從農田的土層保障來看，垂直空間上必須要保障30～150 cm的土層，作為核心的根系生長支撐空間和滿足光、溫、水進行作物光合生長的土地上層空間。土層能否滿足耕地生產需求，可以表現為耕地質量的適宜性，該層面主要是由于地學條件和土壤條件決定。

在垂直空間上層，作物接受光照、溫度以及降水，該界面決定了耕地生產能力的上限，可以稱為耕地的氣候生產能力。支撐作物空間的耕作表層則是一個受作物生產管理擾動的層次，耕作表層厚度約30 cm，分布在農田的上部，土壤表層的質量表現為空氣質量及支撐作物生產的基礎地力的一部分。在土壤下層，作物生長需要的水分、養(yǎng)分等與水文地質循環(huán)密不可分，并對地下水循環(huán)產生影響，因此，土壤深層的質量可理解為基礎地力和區(qū)域水循環(huán)質量。

（2）物質與能量轉化特征。耕地系統內部物質循環(huán)、能量流動、生物演替和信息傳遞等過程是耕地產生各項功能的基礎[29]。其中，水循環(huán)、氣熱運動等物理過程可以促進作物對水分的吸收利用，為作物的生存和生長提供保障功能；離子交換、酸堿反應以及氧化還原反應等化學過程既可以保證養(yǎng)分的有效性，又對物質在土壤中的移動以及污染物質的緩沖有著深刻的影響[30]；有機質礦化、腐殖化以及碳、氮、磷循環(huán)等生物過程不僅可以增加作物生長所需的礦質元素，還可以固定二氧化碳釋放氧氣，對改善空氣、保證作物生長具有重要影響[31]。以上三種過程構成了耕地的生產、健康、緩沖過濾和碳固持功能的基礎。

2.3 權籍對耕地利用過程的影響

耕地不僅是自然因素和人類活動的綜合體，耕地的開發(fā)利用還是人類產權形成的過程[31-32]，權籍是耕地社會經濟特性的直接體現，是綜合體的一個方面，直接或間接影響耕地利用或耕地質量。目前，土地所有權分為國家所有和集體所有兩種形式。對于耕地而言，在明確所有權為國家或集體所有的基礎上，實行土地承包經營，土地承包經營權為30年不變。承包經營權的相對穩(wěn)定性，在一定程度上保障了農村社會的穩(wěn)定，提高了農業(yè)生產積極性[32]，有利于農戶進行多元化種植，使農戶或從事農業(yè)生產的經濟組織能夠對土地長期有效投資，改良土壤條件，提高耕地質量。但是，耕地產權平均，導致耕地過細切割，田塊出現破碎化，難以形成規(guī)模，加上人為因素的作用，田塊形狀不一，平整度降低，對農田水利基礎設施建設、生物工程的建設、病蟲害的防治都形成阻力，農業(yè)技術管理水平難以提高[33]。因此，耕地的長期承包經營，權屬分散在各個農戶手中，雖然在一定程度上有利于耕地保護和農戶的長期投資，但是，從長時間來看，過度的權屬分散化以及耕地的破碎化、條塊化，增大土地整治難度，導致道路通達不便，農業(yè)機械化水平低下等影響耕地質量提高的一系列問題。

圖2 基于要素—過程—功能的耕地質量認識Fig.2 The cognition of cultivated land quality based on elements-process-function

2.4 基于要素與過程的耕地功能認識

耕地質量是耕地綜合體要素在其相應的生產過程、光合過程、物質轉化過程等所體現的功能反映，耕地質量具有生產、生態(tài)、景觀、文化等多維功能表現（圖2）。耕地“要素—過程—功能—特性—質量”是認識和研究耕地質量的邏輯路線，人類對于耕地有一種需求，就有一種對應的功能，與功能相對應的則是支撐功能的相應要素及其作用過程。從這個意義上講，功能是耕地質量的體現，是耕地質量的載體，耕地質量的內涵隨著功能顯化（人類需求增加）而逐漸豐富；耕地的功能多種多樣，耕地質量也多種多樣。

耕地的功能既包括學術界已認識的一些功能，還存在目前無法認識到的功能。比如耕地土壤子系統是一些特殊物種資源的棲息地，對于這種功能的重要認識，可能會超越目前的認識能力。從客觀的角度來看，耕地功能存在一個集合，即耕地的功能集合。

耕地功能的顯化和表達是相對于人類需求而言，當社會發(fā)展到一定階段，就需要耕地提供相應的功能，人類也通過現代的工程和技術手段，滿足其自身對功能的需求，且耕地不同功能質量既相互區(qū)別，又相互作用，體現出耕地的整體功能[21-22]。同時，由于人類需求的差異性、階段性和多樣性，耕地的功能就表現為多樣性特征。例如，1978年以來，對耕地功能的需求，從生產功能（解決溫飽），到支撐功能（建設發(fā)展），到景觀功能（都市周邊的休閑），到生態(tài)功能（發(fā)揮耕地的調節(jié)功能），乃至教育功能（農耕文化）等，就是讓耕地功能滿足人類的一定需求（圖2）。

3 基于要素—過程—功能的耕地質量特征

耕地的承載力、生產性、固定性等基本特征已經得到了學術界的公認，本文主要根據筆者長期對耕地質量的研究與思考，基于國內外對土地質量、耕地質量、土壤質量、土壤健康[19-25]等方面的前沿觀點，從“要素—過程—功能”的角度，重點探討耕地質量在形成過程中的遺傳性和變異性，在演化過程中的動態(tài)性，在生態(tài)過程中的抵抗力與恢復力。

3.1 耕地質量的遺傳性和變異性

耕地的物質組成來源于土壤，耕地的質量特征具有一定空間遺傳性[34-36]。對于在一定立地條件下耕作的農田來講，其繼承了耕作土壤的土體構型、質地、土壤有機質含量、pH、黏土礦物類型、障礙層次、地形、坡度、海拔等特征以及立地空間對應的光照、溫度和降水條件。耕地質量的高低不僅是耕地本身的特征，更是在一定的地理環(huán)境下的產物。耕地質量既有對原生環(huán)境下土壤質量的繼承，也有按人類需求而進行改造的特征，從這個角度來講，耕地質量具有變異性[34-36]。

3.2 耕地質量的動態(tài)變化性

耕地的質量存在一個本底的基礎值，這個基礎值就是耕地利用系統的本底值。該值受兩方面影響：一是在將其他用地類型轉為耕地的過程中，由于采取了一定的土地整治措施，從而形成一個農田系統，這是突變的改造過程；另外一種改變，則由于長時期的灌溉、排水、施肥等對土壤質量產生的累積性的影響，主要表現為土地利用狀態(tài)，是粗放、集約還是可持續(xù)，都會對耕地質量產生一定的影響，而區(qū)域氣候變化也會對耕地質量要素產生一定的影響。對于一個區(qū)域而言，常常是不同的過程疊加起來對耕地質量在時間上產生影響。

這種累積性的影響將產生三種可能：第一種是使原來的耕地質量得到提升；第二種是維持原來的耕地質量水平；第三種是導致耕地質量水平下降。

3.3 耕地質量的抵抗力與恢復力

作為一種人工調控的系統，好的耕地質量具有抵抗外界壓力的條件，并具備自我恢復的能力，這種恢復能力有一個時間上的變化特征。

對耕地質量抵抗力的影響是在水平方向和垂直方向上起作用。一種是通過耕地利用，累積產生影響。對于任何質量要素來講，可以承受一定強度的土地利用，并且具有恢復的能力，只不過這種恢復能力所用的時間長短發(fā)生了變化。比如，對于土壤中有機質含量變化，一般是在幾年內發(fā)生變化，而對于土壤中養(yǎng)分來講，則是一年之中發(fā)生變化。耕地質量的發(fā)揮需要特定的微生物種群，土地利用強度導致微生物種群發(fā)生了變化，要恢復微生物的種群，顯然是困難的。因此，耕地的利用不僅是對耕地系統產生了重要影響，還對耕地所依存的環(huán)境系統產生了影響，這種影響的累積性，是決定耕地質量是否具有抵抗力和恢復力[36-37]。

在水平方向上，土地利用轉型、土地的切割以及其他用地類型的嵌入，都會對耕地質量產生影響。比如在一個完整的耕地系統中，防護林網的破壞，可能會導致病蟲害的發(fā)生，而對耕地的生產功能產生負面影響，一旦林網系統恢復，耕地質量很快就會得到改進。如果是一個獨立工礦用地，鑲嵌在農田系統中，獨立工礦用地的排放物會對農田的環(huán)境產生影響，也會對耕地地塊水平下土壤的凈化能力和循環(huán)能力產生影響，還可能使一些外源物質進入，和土壤中的某些元素快速增加。這種情況的發(fā)生，會影響整個農田系統，甚至摧毀耕地質量的抵抗力。

4 基于要素—過程—功能的耕地質量研究趨勢

4.1 耕地質量的關鍵功能要素識別

隨著土地利用多功能研究不斷推進，耕地質量多重屬性也得到了越來越多的關注。未來耕地質量研究應從耕地多功能角度出發(fā)，從垂直—水平兩個不同方向研究耕地的多功能維度質量，研究基于多功能形成過程的耕地質量維度特征、內涵及要素，進而形成基于耕地多功能的多層次耕地質量內涵體系“耕地質量系統—耕地質量子系統—耕地質量要素”。在此基礎上，結合各功能質量的形成過程以及區(qū)域實際特點，借鑒已有的農田生態(tài)系統過程理論，如土壤養(yǎng)分循環(huán)、碳循環(huán)、水文地質循環(huán)以及景觀格局形成過程等，識別耕地多功能質量關鍵要素；依據要素—過程—功能關系，從地學特性、土壤特征、生物特性等全維度、多視角建立與功能質量相匹配的具體表征要素。

4.2 耕地質量演化過程、階段特征和多功能質量轉型

從耕地質量各功能維度的耦合協調過程來分析耕地質量的演化過程，從耕地質量各要素的耦合系統過程來分析耕地質量各功能維度的演化過程；基于耕地質量表征屬性數據庫的分析、耕地質量要素確定的評價模型，評價耕地質量不同時點的耕地質量演化方向，識別耕地質量時空分異的關鍵轉化節(jié)點。

利用典型相關分析、偏相關分析、脫鉤分析等方法，剖析耕地自然質量演化（地下水位、區(qū)域水資源可用量）、利用程度（農田水利、田間道路、機械化程度）、效率（生產能力投入和產出特征）、環(huán)境容量（區(qū)域水資源、地下水位）等要素間的相互作用關系；采用Markov-CA模型、CLUE-S模型等方法，刻畫耕地質量空間演變特征，劃分耕地質量演化階段，并歸納階段特征。

利用耕地質量評價模型，計算關鍵時點的耕地綜合質量及耕地功能維度質量大小，如生產功能質量、調節(jié)功能質量和景觀功能質量，剖析耕地不同功能質量在時間上的轉型特征；基于空間分異特征，分析耕地多功能質量在區(qū)域上的轉型與權衡關系，揭示耕地質量空間的分異規(guī)律。

4.3 耕地質量遺傳性與變異性、抵抗性與恢復性

基于土壤剖面縱斷面數據以及長時間序列關鍵時點耕地質量要素數據，從自然遺傳性和高強度土地利用導致的變異性出發(fā)，定量分析耕地質量遺傳性和變異性特征以及耦合關系，揭示耕地質量要素對耕地質量遺傳性與變異性的影響；依據地理學空間分異規(guī)律，設定滿足既定精度要求的土壤剖面樣點并進行取樣測定，基于土壤剖面的縱斷面分層數據，刻畫耕地質量關鍵要素在垂直方向的變異性；利用土壤剖面數據定量分析耕地質量遺傳性和變異性特征以及二者之間的耦合關系；揭示刻畫影響耕地質量關鍵要素對耕地質量遺傳性與變異性的貢獻程度及其變化特征。

4.4 多功能協調下的耕地質量調控

以“要素—過程—功能”相互作用機理為基礎，研究耕地各功能質量之間的協同/拮抗關系；結合耕地質量的演化過程、階段特征、空間分異及驅動機制的研究，識別當前耕地多功能失調的關鍵功能質量以及對應的限制性關鍵要素，提出改進措施和手段，針對性地尋求克服限制的解決途徑，形成多功能協調導向的差別化耕地質量調控對策。

5 結論與討論

（1）耕地資源是由氣候、土壤、母質、地形地貌、水文、植被、利用、基礎設施與權籍等9個維度組成的自然地理—社會經濟綜合體；這些組成要素從不同時空尺度上對耕地資源的綜合利用產生影響。從大尺度上看，氣候對耕地生產功能產能的影響比較大，而從地塊尺度，土壤是影響耕地生產功能的主要因素。

（2）耕地在水平方向和垂直方向的過程存在一定差異，垂直方向上耕地功能是由水循環(huán)、養(yǎng)分循環(huán)、大氣循環(huán)等不同過程決定的包括生產功能在內的緩沖過濾功能、碳固持功能等關鍵功能。在水平方向上，在耕地系統的水平方向上存在物質與能量轉化的“源”和“匯”關系，耕地的功能則包括景觀功能、生態(tài)功能等。

（3）耕地“要素—過程—功能”是認識和研究耕地質量的邏輯路線，耕地質量是耕地綜合體要素在其相應的生產過程、光合過程、物質轉化過程等所體現的功能反映，耕地質量具有生產、生態(tài)、景觀、文化等多維功能表現。人類對于耕地有一種需求，就有一種對應的功能，因而形成耕地質量的一個維度，人類對于耕地的功能需求是多方面的，因此，耕地的質量也是多功能維度。

（4）耕地質量具有顯著的遺傳性和變異性特征。遺傳特征強烈受到土壤母質的影響，而變異性特征則顯著受到區(qū)域土地利用和人類活動的影響。耕地質量具有抵抗力和可恢復力，在一定范圍內耕地質量能夠抵御外界干擾并自然恢復。但是，耕地利用過度則導致系統的抵抗力和恢復力顯著降低，超過一定閾值后，導致耕地退化。

（5）耕地質量的未來研究趨勢和重點是：基于耕地質量的“要素—過程—功能”之間的內在關系，識別耕地質量的關鍵功能要素；利用多學科知識綜合，定量揭示耕地質量演化過程、階段特征，采用作物模型等方法分析耕地質量要素之間的耦合作用關系；構建耕地質量遺傳性與變異性、抵抗性與恢復性定量測度方法；揭示耕地質量要素之間的相互作用機制，分析耕地功能轉型與權衡關系。