蘇浩 吳次芳 李雪銀

摘要：研究目的：探索建立耕地系統(tǒng)健康診斷理論方法體系，為準(zhǔn)確判別區(qū)域耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)和健康水平提供科學(xué)依據(jù)，為耕地資源可持續(xù)利用提供理論支撐。研究方法：歸納演繹法、調(diào)查法和定性分析法。研究結(jié)果：（1）耕地系統(tǒng)健康是指當(dāng)構(gòu)成耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子或系統(tǒng)外部的水平方向因子和垂直方向因子受到干擾時(shí)，系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定的生產(chǎn)能力、維持能力和恢復(fù)能力。（2）耕地系統(tǒng)健康與突變理論的運(yùn)行機(jī)理具有一定的相似性，突變理論為構(gòu)建耕地系統(tǒng)健康診斷框架提供了重要的理論工具。當(dāng)構(gòu)成耕地系統(tǒng)各因子受到干擾在一定的閾值范圍內(nèi)時(shí)，耕地系統(tǒng)將有序運(yùn)行，則耕地系統(tǒng)處于健康狀態(tài)。反之，系統(tǒng)的各因子發(fā)生突變超出閾值范圍，系統(tǒng)處于無序狀態(tài)，則耕地系統(tǒng)處于非健康狀態(tài)。（3）基于“要素特征—作用機(jī)理—閾值測(cè)算—系統(tǒng)診斷—調(diào)控策略”的耕地系統(tǒng)健康診斷理論框架體系，是測(cè)算區(qū)域耕地系統(tǒng)健康水平和診斷健康狀態(tài)的基本邏輯。研究結(jié)論：耕地系統(tǒng)健康問題是因耕地系統(tǒng)構(gòu)成因子的突變引發(fā)，突變理論能夠有效解釋耕地系統(tǒng)變化機(jī)理和健康狀態(tài)，本文構(gòu)建的耕地系統(tǒng)健康診斷理論框架體系，完善和豐富了耕地資源保護(hù)和可持續(xù)理論體系。

關(guān)鍵詞：耕地系統(tǒng)健康；耕地保護(hù)；突變理論；診斷

中圖分類號(hào)：F301.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-8158（2023）05-0018-09

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42201277）；中國博士后基金（2022M722973）；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ZR2022QD007）；山東省博士后創(chuàng)新項(xiàng)目（SDCX-RS-202203018）。

耕地系統(tǒng)健康診斷是判別耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)和健康水平的重要環(huán)節(jié)。自然條件變化的不確定性、人類過度或不當(dāng)利用[1]使耕地系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，最終產(chǎn)生了耕地系統(tǒng)健康問題。耕地在人類長期的開發(fā)和利用過程中，受光、溫、水、土等自然環(huán)境條件變化[2-3]和政策、價(jià)格、市場(chǎng)、種植主體決策等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素變化[4-5]的多重影響，耕地系統(tǒng)健康出現(xiàn)了不同程度的問題。2014年《全國土壤調(diào)查公報(bào)數(shù)據(jù)》顯示，我國耕地單位面積農(nóng)藥使用量是世界平均水平的2.5倍，其污染面積占比近20%，部分地區(qū)土壤污染比較重?；兽r(nóng)藥的過量施用直接造成耕地土壤酸化、土壤板結(jié)等問題[6]。2015年《中國耕地地球化學(xué)調(diào)查》顯示，自20世紀(jì)80年代以來，中國東北區(qū)、閩粵瓊區(qū)、西北區(qū)和青藏區(qū)部分耕地有機(jī)碳含量下降趨勢(shì)明顯，嚴(yán)重降低了土壤肥力。2022年《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，全國水土流失面積2.95×106 hm2，占國土面積 31.12%。耕地系統(tǒng)健康的種種問題直接影響糧食安全、社會(huì)穩(wěn)定和生態(tài)平衡[7]。增進(jìn)耕地系統(tǒng)健康內(nèi)涵的理論認(rèn)知，探索建立耕地系統(tǒng)健康診斷理論方法體系，科學(xué)準(zhǔn)確診斷區(qū)域耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)和健康水平，對(duì)保護(hù)耕地和保障國家糧食安全及促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

中國耕地保護(hù)先后經(jīng)歷了從數(shù)量保護(hù)到數(shù)量與質(zhì)量并重再到數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”的耕地保護(hù)政策變遷，中國人多地少，耕地資源稀缺，政府非常重視耕地保護(hù)，實(shí)施了世界上最嚴(yán)格的土地用途管制制度，耕地系統(tǒng)健康是耕地保護(hù)的重要內(nèi)容。關(guān)于耕地系統(tǒng)健康，國內(nèi)外無系統(tǒng)的研究成果，其內(nèi)涵尚無明確的界定，相關(guān)研究主要集中在耕地疾病[8]、耕地質(zhì)量[9-10]、土壤健康[11]、生態(tài)系統(tǒng)健康[12]等方面。近年來，耕地健康引起越來越多國內(nèi)外學(xué)者的重視[13-14]，耕地健康理論體系與量化方法的研究一直充滿了爭(zhēng)議和挑戰(zhàn)，但耕地系統(tǒng)健康研究并沒有因此而得到長足的發(fā)展，相反耕地系統(tǒng)健康相關(guān)研究成果較少。隨著中國耕地健康問題的不斷出現(xiàn)，耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)和水平診斷的理論框架體系亟需構(gòu)建。本文通過界定耕地系統(tǒng)健康的內(nèi)涵，突破已有耕地健康問題的研究缺乏系統(tǒng)性、整體性的局限，闡明耕地系統(tǒng)構(gòu)成因子突變引發(fā)耕地系統(tǒng)不健康的原理，利用突變理論，構(gòu)建了耕地系統(tǒng)健康診斷理論分析框架，以“要素特征—作用機(jī)理—閾值測(cè)算—系統(tǒng)診斷—調(diào)控策略”為技術(shù)路線，提出耕地系統(tǒng)健康診斷研究框架思路，研究成果將豐富耕地保護(hù)理論內(nèi)容，為耕地可持續(xù)利用和保障國家糧食安全提供科學(xué)依據(jù)，為正確診斷區(qū)域耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)和測(cè)算耕地系統(tǒng)健康水平提供科技支撐和實(shí)踐參考。

1 耕地系統(tǒng)健康內(nèi)涵解析

1.1 耕地系統(tǒng)健康的概念

耕地系統(tǒng)健康是指耕地系統(tǒng)能夠持續(xù)維持較高的生產(chǎn)能力，在受到干擾時(shí)系統(tǒng)具有從無序狀態(tài)恢復(fù)到有序狀態(tài)、維持其平穩(wěn)運(yùn)行能力的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子變化在一定閾值范圍內(nèi)，或者耕地系統(tǒng)受到來自系統(tǒng)外部垂直方向和水平方向因子等影響[15]，耕地系統(tǒng)在當(dāng)前的自然和社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件下，通過調(diào)節(jié)能力使其從無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，即耕地系統(tǒng)具備穩(wěn)定的生產(chǎn)能力、維持能力和恢復(fù)能力，稱之為耕地系統(tǒng)健康。反之，當(dāng)構(gòu)成耕地系統(tǒng)內(nèi)部的因子發(fā)生突變，或者系統(tǒng)外部垂直方向和水平方向因子變化超過一定的閾值范圍，即由量變達(dá)到質(zhì)變，耕地系統(tǒng)無法通過調(diào)節(jié)能力使其從無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚧蚍€(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的耕地系統(tǒng)處于非健康狀態(tài)或病態(tài)。耕地系統(tǒng)健康可以用生產(chǎn)能力、維持能力和恢復(fù)能力三個(gè)維度衡量。其中，生產(chǎn)能力是指一定區(qū)域范圍內(nèi)，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和管理水平不變的情況下，耕地能實(shí)現(xiàn)的理論產(chǎn)能，光、溫、水、土等組合情況是反映耕地系統(tǒng)的生產(chǎn)能力的重要因子和條件。維持能力是指當(dāng)耕地系統(tǒng)受到干擾時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)自行恢復(fù)良好狀態(tài)的能力，即在耕地土壤的理化性質(zhì)、生物多樣性等綜合作用下，耕地系統(tǒng)各要素動(dòng)態(tài)匹配合理、系統(tǒng)保持結(jié)構(gòu)完整、能夠持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的能力?；謴?fù)能力是指當(dāng)耕地系統(tǒng)受到干擾時(shí)，系統(tǒng)具備從非穩(wěn)定狀態(tài)再重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力，即耕地系統(tǒng)受干擾后，在當(dāng)前的技術(shù)和投入水平下，通過經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等手段進(jìn)行調(diào)控使系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)的能力。

1.2 耕地系統(tǒng)健康內(nèi)涵的實(shí)質(zhì)

耕地系統(tǒng)健康出現(xiàn)問題，其本質(zhì)上是由構(gòu)成耕地系統(tǒng)各因子變化引發(fā)的。耕地系統(tǒng)是一個(gè)與外界不斷進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換的開放系統(tǒng)，是具有長、寬、高的有機(jī)立體空間，耕地系統(tǒng)的長、寬由耕地規(guī)模決定，高度由種植作物種類和耕層厚度決定，耕地系統(tǒng)內(nèi)部包括作用在耕地上的技術(shù)條件、耕作制度以及土壤條件、種植結(jié)構(gòu)等，它同時(shí)又受系統(tǒng)外部周圍環(huán)境影響，與垂直方向、水平方向因子共同形成一個(gè)微生態(tài)環(huán)境[15]。當(dāng)耕地系統(tǒng)受到干擾時(shí)，構(gòu)成耕地系統(tǒng)的內(nèi)部因子和外部的水平方向與垂直方向因子會(huì)產(chǎn)生變化，這種變化的大小、方向、強(qiáng)度等在一定的閾值范圍內(nèi)，耕地系統(tǒng)將有序健康運(yùn)行，反之，構(gòu)成耕地系統(tǒng)的各因子產(chǎn)生突變，超過閾值范圍，耕地系統(tǒng)將朝著非正常、無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變，耕地系統(tǒng)便處于非健康狀態(tài)（圖1）。在垂直方向上，耕地系統(tǒng)受上方光照、溫度、降水等和下方地下水位、障礙層厚度、母質(zhì)種類等各種因子影響，其影響范圍上層至對(duì)流層，下層至土壤母質(zhì)層以上。在水平方向上，受周圍土地利用方式、所在地域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等因素的影響，不同土地利用方式對(duì)耕地系統(tǒng)的影響范圍不同，超過影響范圍的其他土地利用方式對(duì)該耕地系統(tǒng)的影響忽略不計(jì)。在生態(tài)環(huán)境變化不確定的大背景下，適當(dāng)改善耕地系統(tǒng)所處的微生態(tài)也可以提高耕地系統(tǒng)的穩(wěn)定性和耕地系統(tǒng)的健康水平。

若其他自然條件保持不變，在高水平管理和治理?xiàng)l件下，耕地具備生產(chǎn)能力、自我調(diào)節(jié)更新能力、改善環(huán)境和促進(jìn)生物多樣性能力。健康的耕地系統(tǒng)能良性循環(huán)，具有較好的自我恢復(fù)能力和維持能力，能夠抵抗外界的脅迫與干擾，土地結(jié)構(gòu)和功能能夠保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)?？傊?，耕地系統(tǒng)健康與土地健康[13，16]、耕地健康[17-18]、土壤健康[19-20]、土地系統(tǒng)健康[21-22]、生態(tài)系統(tǒng)健康[23-24]等概念在內(nèi)涵和外延上有所不同，但這些內(nèi)涵的界定有一個(gè)基本的共識(shí)，其均受自然因素、環(huán)境因素和人文因素共同作用的影響。健康的耕地系統(tǒng)當(dāng)受到外界影響或壓力時(shí)，具有穩(wěn)定的生產(chǎn)能力、維持能力和恢復(fù)能力。耕地系統(tǒng)健康研究對(duì)象是耕地系統(tǒng)，問題聚焦于耕地，核心是耕地安全和糧食安全，側(cè)重于耕地系統(tǒng)的恢復(fù)性和維持性，落腳點(diǎn)在于耕地的可持續(xù)利用和維持穩(wěn)定的生產(chǎn)功能。

1.3 耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)解析

耕地系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，具有復(fù)雜性、自組織性、時(shí)空動(dòng)態(tài)性、恢復(fù)性和非線性等特征[25-26]。在一定區(qū)域內(nèi)，耕地系統(tǒng)內(nèi)部各組成要素之間相互關(guān)聯(lián)、相互依存和相互制約共同作用形成了具有特定功能的有機(jī)整體，并與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換。自然條件變化具有不確定性，人類長期開發(fā)和利用耕地過程中，受自然環(huán)境立地條件和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多重因素影響，不同區(qū)域、不同時(shí)點(diǎn)自然和人文的主導(dǎo)驅(qū)動(dòng)因素不同，耕地系統(tǒng)集中體現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)部各因子變化及其與人類活動(dòng)、自然、環(huán)境的交互作用，通常存在兩種情況：一是當(dāng)耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子受到干擾并在一定閾值范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)具有維持或恢復(fù)其平穩(wěn)運(yùn)行能力的穩(wěn)定狀態(tài)，或者耕地系統(tǒng)受到來自外界的垂直方向和水平方向因子等影響，耕地系統(tǒng)在當(dāng)前條件下，通過系統(tǒng)自身的維持和恢復(fù)等調(diào)節(jié)能力使其從非穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)耕地系統(tǒng)處于健康狀態(tài)；二是當(dāng)耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子發(fā)生突變或外界因子入侵超過一定的閾值范圍，會(huì)使耕地系統(tǒng)健康受損，導(dǎo)致耕地系統(tǒng)的穩(wěn)定性、恢復(fù)力及維持能力等受到嚴(yán)重影響，系統(tǒng)處于無序非穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)，耕地系統(tǒng)處于非健康狀態(tài)（圖2）。

2 耕地系統(tǒng)健康診斷的理論依據(jù)

本文以突變理論為工具，突變理論（Catastrophe theory）是1972年由法國著名的數(shù)學(xué)家THOM R[27]提出，是自微積分發(fā)明以來，世界數(shù)學(xué)史上的巨大突破。該理論是以拓?fù)鋵W(xué)、奇點(diǎn)理論、動(dòng)力系統(tǒng)的分岔理論為基礎(chǔ)，研究非連續(xù)變化對(duì)象的跳躍、突變現(xiàn)象、量變達(dá)質(zhì)變的數(shù)學(xué)分支[28]。

2.1 突變理論的核心

突變理論是用來描述或預(yù)測(cè)自然現(xiàn)象、社會(huì)活動(dòng)非連續(xù)變化的質(zhì)變過程，即從穩(wěn)定態(tài)躍遷到另一穩(wěn)定態(tài)的現(xiàn)象和規(guī)律，突變理論常用來認(rèn)識(shí)和分析復(fù)雜的系統(tǒng)行為，其核心是研究一些不連續(xù)現(xiàn)象的形態(tài)、結(jié)構(gòu)突然發(fā)生變化的規(guī)律，突變的發(fā)生是系統(tǒng)狀態(tài)的整體性“躍遷”或“突躍”，突變過程是連續(xù)的，但其結(jié)果并不連續(xù)，體現(xiàn)出系統(tǒng)的狀態(tài)從一種穩(wěn)定組態(tài)躍遷到另一種穩(wěn)定組態(tài)。自然界和人類社會(huì)均存在穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)兩種現(xiàn)象，穩(wěn)態(tài)是在各種因素?cái)_動(dòng)下，仍保持原來的狀態(tài)；非穩(wěn)態(tài)則在受到擾動(dòng)后突變到其他狀態(tài)，處于非穩(wěn)態(tài)。非穩(wěn)態(tài)通過調(diào)控可以恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，在一定條件下，穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)之間可以相互轉(zhuǎn)換。

2.2 突變理論應(yīng)用于耕地系統(tǒng)健康診斷框架構(gòu)建的解析

耕地系統(tǒng)健康與突變理論運(yùn)行機(jī)理具有一定的相似性，當(dāng)耕地系統(tǒng)受到某種或某幾種干擾時(shí)，耕地系統(tǒng)內(nèi)部及外界的水平和垂直方向因子連續(xù)受干擾累積達(dá)到突變臨界點(diǎn)，發(fā)生了從量變到質(zhì)變，產(chǎn)生了耕地系統(tǒng)健康問題，在這一過程中，耕地系統(tǒng)通過不斷與外界進(jìn)行物質(zhì)、能量與信息交換，系統(tǒng)通過自身的維持能力和恢復(fù)能力進(jìn)行調(diào)整修復(fù)，體現(xiàn)出系統(tǒng)狀態(tài)從一種穩(wěn)定組態(tài)（耕地健康）躍遷到另一種穩(wěn)定組態(tài)（耕地健康）。相反，當(dāng)耕地系統(tǒng)突變通過物質(zhì)、能量和信息交換系統(tǒng)無法恢復(fù)到穩(wěn)定組態(tài)，突躍到非穩(wěn)態(tài)（耕地系統(tǒng)不健康），需要通過制度、政策、技術(shù)和管理等諸多方面的調(diào)控使耕地系統(tǒng)到達(dá)穩(wěn)定組態(tài)（耕地健康）。體現(xiàn)了耕地系統(tǒng)健康類似于突變理論存在穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)的特征。影響耕地系統(tǒng)健康的各因子連續(xù)變化，形成累積效應(yīng)導(dǎo)致突變，但耕地系統(tǒng)健康的結(jié)果總是從非穩(wěn)態(tài)（耕地系統(tǒng)不健康）到穩(wěn)態(tài)（耕地系統(tǒng)健康）又到非穩(wěn)態(tài)（耕地系統(tǒng)不健康）再到穩(wěn)態(tài)（耕地系統(tǒng)健康）的不斷變化中，體現(xiàn)了突變理論中的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)之間在一定的條件下發(fā)生互換的特征以及影響耕地系統(tǒng)健康因子連續(xù)變化，耕地系統(tǒng)健康結(jié)果不連續(xù)的突變性特征。

耕地系統(tǒng)健康是保障耕地提供良好農(nóng)產(chǎn)品和保障糧食安全的必要條件。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)耕地資源利用和開發(fā)的強(qiáng)度加大，耕地系統(tǒng)健康不可能只靠耕地系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成要素的自組織能力來維系，它還與來自耕地系統(tǒng)外垂直和水平方向如降水、光照、溫度和人類活動(dòng)因素的輸入有關(guān)，這些因素保證耕地系統(tǒng)向穩(wěn)態(tài)方向發(fā)展，達(dá)到耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)。耕地系統(tǒng)具有生產(chǎn)能力、維持能力和恢復(fù)能力，系統(tǒng)同時(shí)具有能夠自我組織并維持系統(tǒng)穩(wěn)定正常運(yùn)行的功能，針對(duì)耕地?cái)?shù)量減少、質(zhì)量下降、生態(tài)惡化，特別是耕地退化等問題，國家高度重視，出臺(tái)了相關(guān)的制度、政策、法律法規(guī)和條例，相關(guān)職能管理部門為減少和避免耕地?cái)?shù)量和質(zhì)量下降及生態(tài)環(huán)境破壞而做出相應(yīng)調(diào)控，保障耕地系統(tǒng)健康平穩(wěn)運(yùn)行。

可見，耕地系統(tǒng)健康與突變理論的特征和運(yùn)行機(jī)理具有一定的相似性，將突變理論應(yīng)用于耕地系統(tǒng)健康分析具有針對(duì)性和可操作性，該理論為耕地系統(tǒng)健康因子變化機(jī)理分析及耕地系統(tǒng)健康診斷研究提供了重要理論依據(jù)。

3 耕地系統(tǒng)健康診斷理論研究框架體系的構(gòu)建及其解析

耕地系統(tǒng)健康診斷理論框架是進(jìn)行區(qū)域耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)診斷的理論依據(jù)，是方法論和解決問題的方案。針對(duì)耕地利用過程中存在的種種問題，本文利用突變理論，基于耕地系統(tǒng)健康影響要素演化特征、影響因子作用機(jī)理、閾值測(cè)算、系統(tǒng)診斷和調(diào)控策略，構(gòu)建耕地系統(tǒng)健康理論框架（圖3）。這樣有利于全面掌握耕地系統(tǒng)健康診斷各環(huán)節(jié)之間的邏輯關(guān)系，有助于集成不同區(qū)域的耕地系統(tǒng)健康診斷成果，實(shí)現(xiàn)理論應(yīng)用與實(shí)踐的統(tǒng)一，推進(jìn)耕地保護(hù)理論的發(fā)展。

3.1 耕地系統(tǒng)健康的影響要素演化特征

耕地系統(tǒng)健康的影響要素對(duì)于塑造耕地系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、功能演化和健康運(yùn)行具有重要作用，是診斷耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)的基礎(chǔ)，也是判斷耕地系統(tǒng)健康水平的邏輯起點(diǎn)。不同組成要素在不同區(qū)域和時(shí)間序列對(duì)耕地系統(tǒng)健康作用的大小、強(qiáng)度、速度和作用方向均不相同，因此需要篩選影響耕地系統(tǒng)健康的系統(tǒng)內(nèi)部因子和外部因子（水平方向和垂直方向），這些因子能夠反映耕地系統(tǒng)健康的不同維度。通常情況下：第一，指標(biāo)要素?cái)?shù)據(jù)可獲取?？捎枚糠治龇椒êY選影響耕地系統(tǒng)健康指標(biāo)，也可選取區(qū)域的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)年鑒、市（縣）志、相關(guān)的統(tǒng)計(jì)公報(bào)數(shù)據(jù)，也可使用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心、“WorldClim數(shù)據(jù)庫”等。總之，選取來源須可靠、真實(shí)、成本低、可獲取的數(shù)據(jù)。第二，指標(biāo)數(shù)據(jù)可量化。3S手段、編程技術(shù)和大數(shù)據(jù)資源等為數(shù)據(jù)的獲取和量化提供了可能性。實(shí)際應(yīng)用中篩選出的指標(biāo)，可以通過運(yùn)用ENVI解譯、Matlab編程和ArcGIS手段進(jìn)行提取和計(jì)算獲取。第三，操作簡單易行?？蓪^(qū)域不同時(shí)間序列或研究時(shí)點(diǎn)的影響耕地系統(tǒng)健康因子提取出來，充分考慮到不同時(shí)段因子對(duì)耕地系統(tǒng)健康的影響。篩選出的指標(biāo)針對(duì)性強(qiáng)，避免指標(biāo)過多，重點(diǎn)不突出指向性差的弊端。以此為基礎(chǔ)，分析耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子和系統(tǒng)外部水平方向、垂直方向等各要素之間的影響關(guān)系，對(duì)比各要素變化的同向與異向、同速與異速關(guān)系，揭示要素作用于耕地系統(tǒng)健康的演化特征。如耕地系統(tǒng)的內(nèi)部因子和系統(tǒng)外部的水平與垂直因子，包括自然本底要素各因子如光照、溫度、降水、土壤、地形地貌、高程、坡度等，同時(shí)也包括農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力數(shù)量、種植主體行為、政策、區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施、市場(chǎng)、農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格等人文要素，這里涉及單一要素的演化特性，也涉及因子交互作用的演化特征等，為診斷耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)和判斷耕地系統(tǒng)健康水平奠定基礎(chǔ)。

3.2 耕地系統(tǒng)健康影響因子作用機(jī)理

耕地系統(tǒng)健康問題是由耕地系統(tǒng)內(nèi)、外因子發(fā)生變化超過一定閾值范圍時(shí)引發(fā)的。應(yīng)根據(jù)區(qū)域的實(shí)際情況，可采取地理探測(cè)器[29]、GA-BP降維模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[30]、障礙度模型[31]、灰色關(guān)聯(lián)[32]、空間自相關(guān)模型[33]等方法，客觀識(shí)別影響耕地系統(tǒng)變化的敏感性因子，篩選作用程度顯著的影響因子。需要注意的是，個(gè)別單一因子作用對(duì)耕地系統(tǒng)變化影響不顯著，交互作用可能產(chǎn)生顯著的影響，因此這些因子可能是單一影響因子，也可能是交互作用的復(fù)合影響因子。運(yùn)用通徑分析、小波相干模型等方法[34]，分析這些因子在不同時(shí)間維度上對(duì)耕地系統(tǒng)健康影響的大小、強(qiáng)度、速度和方向等作用機(jī)理，依據(jù)其影響范圍、影響方向和影響程度，進(jìn)一步識(shí)別與確定耕地系統(tǒng)健康指標(biāo)。從區(qū)域耕地系統(tǒng)變化特征的實(shí)際出發(fā)，因地制宜，客觀分析區(qū)域耕地系統(tǒng)的要素特征。充分考慮區(qū)域耕地系統(tǒng)構(gòu)成內(nèi)部因子和系統(tǒng)外界的水平與垂直方向影響因子作用，在定量提取耕地系統(tǒng)變化的敏感性因子基礎(chǔ)上，依據(jù)耕地系統(tǒng)健康因子作用機(jī)理，結(jié)合衡量耕地系統(tǒng)健康的生產(chǎn)能力、維持能力和恢復(fù)能力三個(gè)維度，構(gòu)建適合區(qū)域特點(diǎn)的耕地系統(tǒng)健康指標(biāo)體系。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，生產(chǎn)能力實(shí)質(zhì)是反映耕地系統(tǒng)的理論產(chǎn)能，指在光、溫、水、土等各種自然因子合理組合匹配條件下能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)能力，是衡量耕地系統(tǒng)健康的基礎(chǔ)要素。維持能力反映耕地系統(tǒng)內(nèi)部受到干擾時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)通過影響因子的自行調(diào)節(jié)和自行修復(fù)良好狀態(tài)保持系統(tǒng)持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行的能力，是衡量耕地系統(tǒng)健康的關(guān)鍵要素?；謴?fù)能力反映耕地系統(tǒng)受到外界干擾時(shí)，系統(tǒng)具備從無序狀態(tài)重新達(dá)到有序狀態(tài)的能力，是衡量耕地系統(tǒng)健康的重要因素。

3.3 耕地系統(tǒng)健康的閾值測(cè)算與診斷

耕地系統(tǒng)作為自然與人類活動(dòng)綜合作用的復(fù)雜系統(tǒng)，受到敏感性因子影響其量變躍遷至質(zhì)變，耕地系統(tǒng)狀態(tài)在連續(xù)變化中產(chǎn)生突變，導(dǎo)致系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。運(yùn)用突變模型，計(jì)算閾值系數(shù)，確定耕地系統(tǒng)突變閾值范圍，分析區(qū)域耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)變化的過程。

以突變理論為指導(dǎo)，耕地系統(tǒng)作為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)可以用勢(shì)函數(shù)表示，函數(shù)中的狀態(tài)變量為系統(tǒng)行為狀態(tài)，控制變量為引起系統(tǒng)突變的因素。假定該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)可以導(dǎo)出一個(gè)光滑的勢(shì)函數(shù)，不同性質(zhì)的不連續(xù)突變現(xiàn)象不是取決于狀態(tài)變量數(shù)目，而是取決于控制變量的數(shù)目[27]。根據(jù)耕地系統(tǒng)的勢(shì)函數(shù)這些不連續(xù)現(xiàn)象皆可用特定的幾何形狀表示?？刂谱兞坎怀^4的情況下，常用初等突變模型有8種：分別為當(dāng)狀態(tài)變量為1時(shí)，采取折疊突變模型、尖點(diǎn)突變模型、燕尾突變模型、蝴蝶突變和印第安人茅舍突變5種模型；當(dāng)狀態(tài)變量為2時(shí)，利用雙曲型臍點(diǎn)模型、橢圓型臍點(diǎn)模型、拋物型臍點(diǎn)3種模型。當(dāng)應(yīng)用突變理論分析耕地系統(tǒng)受多因素影響產(chǎn)生突變，探討耕地系統(tǒng)健康診斷及其閾值問題時(shí)，只需考慮狀態(tài)變量為1的突變模型[35]（表1）。

以區(qū)域耕地系統(tǒng)健康的敏感性影響因子為數(shù)據(jù)源，基于突變理論，建立耕地系統(tǒng)健康閾值模型，計(jì)算一定時(shí)間范圍內(nèi)耕地系統(tǒng)健康閾值系數(shù)，確定區(qū)域典型年份耕地系統(tǒng)健康突變時(shí)間節(jié)點(diǎn)及其耕地系統(tǒng)健康閾值范圍，從而進(jìn)一步確定耕地系統(tǒng)健康水平，診斷耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)，按照閾值范圍，劃分耕地系統(tǒng)健康優(yōu)、良、中、差等級(jí)。

耕地系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，依據(jù)突變理論，一定區(qū)域典型年份的突變函數(shù)的選擇取決于與之對(duì)應(yīng)的控制變量數(shù)量（典型年份的耕地系統(tǒng)健康關(guān)鍵影響因子數(shù)量）與狀態(tài)變量數(shù)量（典型年份的耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)數(shù)量）。鑒于此，需要根據(jù)由耕地系統(tǒng)健康突變時(shí)間節(jié)點(diǎn)切分的不同時(shí)段控制變量的個(gè)數(shù)來選取和改進(jìn)突變模型（圖4），建立符合區(qū)域?qū)嶋H的耕地系統(tǒng)健康突變模型，用于測(cè)算突變時(shí)間點(diǎn)耕地系統(tǒng)健康閾值，確定耕地系統(tǒng)健康突變時(shí)間節(jié)點(diǎn)耕地系統(tǒng)健康水平，評(píng)價(jià)其健康狀態(tài)。

3.4 調(diào)控策略

耕地保護(hù)從數(shù)量、質(zhì)量轉(zhuǎn)向數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)“三位一體”保護(hù)，進(jìn)一步向耕地系統(tǒng)健康保護(hù)深化。耕地保護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，具有經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)效益等，鑒于耕地系統(tǒng)的區(qū)域性、復(fù)雜性、不確定性、開放性、整體性、動(dòng)態(tài)性，耕地系統(tǒng)健康涉及多層級(jí)沖突、多中心分布、多主體參與，耕地在利用過程中會(huì)出現(xiàn)種種健康問題，調(diào)控耕地系統(tǒng)健康其實(shí)質(zhì)是對(duì)耕地利用系統(tǒng)各構(gòu)成要素、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行調(diào)控的行為。建立區(qū)域耕地保護(hù)的共同責(zé)任體系，解決中央政府、地方政府、村集體、農(nóng)戶及社會(huì)其他組織等不同主體協(xié)調(diào)互動(dòng)問題，解決耕地系統(tǒng)健康保護(hù)的多元主體責(zé)、權(quán)、利問題。

由于不同區(qū)域耕地系統(tǒng)的自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)狀況差異較大，結(jié)合區(qū)域耕地利用的實(shí)際情況，建立區(qū)域耕地專項(xiàng)調(diào)查、大數(shù)據(jù)平臺(tái)和耕地系統(tǒng)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域耕地系統(tǒng)健康全生命周期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、問題識(shí)別的可視化和智能化管理。同時(shí)建立區(qū)域耕地系統(tǒng)健康“體檢表”和問題識(shí)別清單，實(shí)現(xiàn)區(qū)域耕地系統(tǒng)健康生產(chǎn)能力、維持能力、恢復(fù)能力要素層面全覆蓋持續(xù)性動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、問題識(shí)別與健康診斷的基礎(chǔ)上，采取“休（休耕）、輪（輪作）、養(yǎng)（養(yǎng)護(hù)）、退（適度退耕）、治（綜合治理）”的耕地系統(tǒng)健康管控措施，構(gòu)建耕地系統(tǒng)健康源頭管控、過程監(jiān)測(cè)和后期管護(hù)的全生命周期保護(hù)體系，達(dá)到對(duì)耕地系統(tǒng)健康的全程監(jiān)測(cè)和科學(xué)調(diào)控管理，實(shí)現(xiàn)多層級(jí)協(xié)作、多中心協(xié)同、多主體參與的耕地系統(tǒng)健康全覆蓋、全生命周期的調(diào)控。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文界定了耕地系統(tǒng)健康內(nèi)涵，以突變理論為依據(jù)，構(gòu)建了耕地系統(tǒng)健康診斷理論框架體系。

（1）耕地系統(tǒng)健康是耕地系統(tǒng)能夠持續(xù)維持較高的生產(chǎn)能力，在受到不同程度影響時(shí)，系統(tǒng)具有從無序狀態(tài)恢復(fù)到有序狀態(tài)、維持其平穩(wěn)運(yùn)行的能力。即當(dāng)構(gòu)成耕地系統(tǒng)各因子受到干擾，系統(tǒng)仍能穩(wěn)定保持的生產(chǎn)能力、維持能力和恢復(fù)能力。耕地系統(tǒng)健康注重耕地系統(tǒng)的恢復(fù)性和維持性，落腳點(diǎn)在于耕地的可持續(xù)利用和維持穩(wěn)定的生產(chǎn)功能。

（2）耕地系統(tǒng)健康是因耕地系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)或幾個(gè)因子發(fā)生突變，或者是系統(tǒng)外界的水平和垂直方向某些因子發(fā)生突變引起的，這種因子突變引發(fā)的耕地系統(tǒng)健康問題與突變理論特征與運(yùn)行機(jī)理相似。同時(shí)，耕地系統(tǒng)類似于生命有機(jī)體。系統(tǒng)內(nèi)部因子及系統(tǒng)外部因子受到干擾發(fā)生突變時(shí)，系統(tǒng)則產(chǎn)生免疫功能，通過維持能力和恢復(fù)能力調(diào)控耕地系統(tǒng)使之向穩(wěn)態(tài)即耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變。

（3）基于“要素特征—作用機(jī)理—閾值測(cè)算—系統(tǒng)診斷—調(diào)控策略”的耕地系統(tǒng)健康診斷理論框架體系，為不同區(qū)域耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)的診斷和健康閾值水平的測(cè)算提供科學(xué)依據(jù)。具體表現(xiàn)為揭示耕地系統(tǒng)健康影響的單一要素和因子交互作用的演化特性，闡明這些因子在不同時(shí)間維度上對(duì)耕地系統(tǒng)健康影響的大小、強(qiáng)度、速度和方向等作用機(jī)理，運(yùn)用突變模型測(cè)算耕地系統(tǒng)健康的閾值并診斷耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)，根據(jù)上述情況調(diào)控耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)。

4.2 討論

隨著中國耕地利用問題的不斷呈現(xiàn)，區(qū)域耕地系統(tǒng)健康問題受到高度關(guān)注，本文仍有需要深入討論的問題。

因影響耕地系統(tǒng)健康的不同組成要素在不同區(qū)域和時(shí)間維度對(duì)耕地系統(tǒng)健康作用的大小、強(qiáng)度、速度和方向均不相同，在篩選耕地系統(tǒng)內(nèi)部因子和外界的水平方向與垂直方向影響因子時(shí)，應(yīng)因地制宜，確保篩選的因子能夠真實(shí)可靠地反映耕地系統(tǒng)健康的不同維度。

耕地系統(tǒng)健康閾值是耕地系統(tǒng)健康不同狀態(tài)等級(jí)的臨界值，它反映耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)突變的節(jié)點(diǎn)。本文耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)閾值測(cè)算方式采用突變模型，需要通過區(qū)域大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，探究系統(tǒng)內(nèi)部的動(dòng)態(tài)變化過程及數(shù)據(jù)之間關(guān)系，找出變化拐點(diǎn)，從而確定閾值。目前，主要采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和回歸分析等方法確定如生態(tài)安全閾值[36]，其標(biāo)準(zhǔn)為：一是參考國際、國家、行業(yè)和地方規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；二是參考世界平均值、國家平均值、國際公認(rèn)值；三是依據(jù)與研究區(qū)域相似的、更廣范圍的地區(qū)平均值作為該區(qū)域的本底標(biāo)準(zhǔn)；四是參照被廣泛引用的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。這種方法簡單易行，但精確度較低[37]，本文盡管應(yīng)用突變模型，改變已有研究精度低的弊端，但方法相對(duì)復(fù)雜，在耕地系統(tǒng)健康狀態(tài)閾值測(cè)算方法上，開發(fā)和建立精度高且簡單易行的方法模型應(yīng)是未來重點(diǎn)考慮的方向。

在耕地系統(tǒng)健康調(diào)控策略方面，該研究具有普適性。在不同的研究區(qū)，還應(yīng)針對(duì)其實(shí)際情況，制定耕地系統(tǒng)健康問題的具體清單，“對(duì)癥下藥”解決區(qū)域耕地系統(tǒng)健康仍是下一步重點(diǎn)研究的方向。

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Construction and Analysis of Theoretical Research Framework for Cultivated Land System Health Diagnosis

SU Hao1， WU Cifang2， LI Xueyin1

（1. School of International Affairs and Public Administration， Ocean University of China， Qingdao 266100， China； 2. Land Academy for National Development， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China）

Abstract： The purposes of this paper are to establish a theoretical and methodological system for cultivated land system health diagnosis， to provide a scientific basis for accurately identifying the health status and health level of regional cultivated land systems， and to provide theoretical support for the sustainable use of cultivated land resources. The research methods include induction and deduction， investigation and qualitative analysis. The results indicate that： 1） cultivated land system health refers to the ability of the system to maintain stable production capacity， maintenance capacity and recovery capacity when the internal factors of cultivated land system or the horizontal and vertical factors outside the system are disturbed. 2） The characteristics and operating mechanism of cultivated land system health and catastrophe theory are similar to some extent， and catastrophe theory provides important theoretical support for the construction of cultivated land system health diagnosis framework. When the factors constituting the cultivated land system are disturbed within a certain threshold range， the cultivated land system will operate orderly， and the cultivated land system will be healthy. On the contrary， if the factors of the system mutate beyond the threshold， and the system is in disorder， it is not healthy. 3） The theoretical framework system of cultivated land system health diagnosis based on “factor characteristics-influence mechanism-threshold measurement-system diagnosis-regulation strategy” is the basic logic for measuring regional cultivated land system health level and status. In conclusion， cultivated land system health is caused by the mutation of its constituent factors， and the mutation theory can effectively explain the changing mechanism and cultivated land system health status. The theoretical framework system of cultivated land system health diagnosis built in this paper further promotes the improvement and enrichment of the theory of cultivated land resource protection and sustainability， and provides scientific basis for the diagnosis and measurement of cultivated land system health status in different regions.

Key words： cultivated land system health； cultivated land protection； catastrophe theory； diagnosis

（本文責(zé)編：張冰松）