耕地健康产能内涵及评价指标体系研究进展
导读
耕地健康产能是保障国家粮食安全和农业可持续发展的基础。目前大多数研究只针对于土壤健康、土壤质量和耕地产能的某一方面展开，将耕地健康和耕地产能结合起来的研究较少，对耕地健康产能的认识也不够全面。本文采用文献回顾法，综述了国内外有关耕地产能和耕地健康相关的概念和指标，界定了耕地健康产能的内涵，并从气候、土壤、技术水平、生产环境、作物安全性、生产弹性6个方面构建了耕地健康产能评价指标体系，提出了评价思路。本文建议今后应进一步研究指标定量分析和获取方法，探索不同尺度、不同区域耕地健康产能评价指标体系和方法，加强对耕地健康产能的监测，识别限制健康产能的因子，为耕地保护和农业可持续利用提供支持。
文/张小丹1，2，吴克宁1，2 *，杨淇钧1，2，李晓亮1，2(1.中国地质大学；2.自然资源部土地整治重点实验室)
来源：土壤通报（2020年第1期）
粮食安全是维持社会稳定和发展的重要保障，耕地是确保粮食安全最为重要的战略性资源。目前我国经济社会发展迅速，粮食产量逐年增加，但同时也给我国的耕地资源带来多种压力。我国耕地有70%为中低产田，在受到自然灾害和人类长期过度开发利用的影响下，耕地退化问题加剧，耕地的肥力和生产力不断下降。此外，人类生产生活所产生的废弃物以及化肥、农药等过量的施用造成的耕地和水体污染问题日益凸显，有研究显示我国粮食主产区的土壤重金属污染呈上升趋势，点位超标率已达21.49%。耕地的退化和污染问题不仅会破坏生态环境，还会造成农产品数量减少、品质降低，最终通过食物链对人类的健康产生威胁。党的十八大提出将生态文明建设纳入“五位一体”中，《中共中央国务院关于加强耕地保护和改进占补平衡的意见》要求，着力加强耕地数量、质量、生态“三位一体”保护。可持续发展已经是当前需要考虑的关键目标之一，因此保障国家粮食安全，不仅要重视耕地综合生产能力的提高，也要重视耕地环境和农产品对人类健康的影响，实现耕地产能与耕地健康的交叉融合，即强调基于耕地健康意义上的产能。
随着自然环境和人类需求的变化，人们对耕地的研究越来越深入并已经形成一定的理论和成果，而对耕地健康产能还没有形成系统的认识。文章主要从耕地健康产能的内涵、指标体系构建、评价思路进行探讨，对于耕地保护和农业可持续发展具有一定的意义。
1 耕地健康产能内涵
1.1 耕地产能
国际上对耕地产能的研究主要集中在作物生产潜力方面，1840 年德国化学家李比希提出了“最小养分定律”，从光能利用与同化CO2的角度建立了作物生产潜力模型[1]。Mitherlich 将英国学者Blackman 提出的“限制因子定律”发展成“收获量定律”，即作物在环境处于最适状态时，能达到最高产量，而某种因素的缺乏会使产量相应减少[2]。有研究认为光照的多少及光能利用效率的高低是影响作物生产潜力的关键，可从辐射、反射、漏射、呼吸消耗等方式来计算作物光合生产潜力[3]，之后较多研究是关于温度对光合生产潜力的影响，应用较广泛的是联合国粮农组织（FAO）的农业生态地区法，在此基础上，进一步综合考虑光照、温度、降水等因素，研究了气候生产潜力。国内众多学者表述耕地产能的方式也不尽相同，但核心内涵一致，即在一定地域、一定时期和一定的经济社会条件下，各种农业资源要素综合投入所形成的耕地生产能力[4]，并基于农用地分等中的自然等指数、利用等指数以及农业统计资料等研究了不同尺度耕地的理论产能、可实现产能和实际产能，其中，理论产能指社会经济技术条件最优的情况下，耕地在光照、温度、降水等因素的作用下所能达到的最高产能；可实现产能是指现有的社会经济技术水平条件下耕地所能达到的产能；实际产能是当前耕地已经达到的生产能力，即作物的实际产量[5~9]。
1.2 耕地健康
“健康”通常被定义为“机体处于正常运作状态，没有疾病”。健康的概念最初广泛应用于人体，之后用于动植物和公众健康，随后又应用到环境健康领域。1941年美国生态学家Aldo Leopold 首先提出了“土地健康”的内涵，他认为健康的土地能够维持各项功能的正常发挥，而土壤疾病则表示土地功能出现紊乱[10]。耕地作为农业生态系统的重要组成部分，在维持农业生态系统平衡方面起着关键的作用，加拿大1990 年设立的“国家绿色计划”(National Green Plan)中包含农业生态系统健康的概念，1998 年发表的《农业生态系统健康：分析与评价》以及Smith 等人指出，农业生态系统健康是指农业生态系统避免发生失调综合症、处理胁迫的状态和满足持续生产农产品的能力[11]，耕地是否能保持稳定性和可持续性，决定着农业生态系统是否能够良好的运行。此外，耕地是由自然土壤和人类利用管理（耕作、灌溉、施肥、改良等）综合作用的结果，假设耕地所处的社会经济条件以及人类利用管理水平一致，则耕地健康的核心为土壤健康。
土壤健康这一术语源于土壤质量通过作物质量影响动物和人类健康的观察结果，通常用生物有机体的健康说明[12,13]，例如能够抑制某些疾病的土壤，不会对动植物产生危害[14]。一般认为土壤质量和土壤健康这两个术语可以互换使用[15]。在描述土壤状况时，农民和农学家更倾向于用土壤健康定性描述，强调土壤持续稳定的提供足量优质农产品的能力；而土壤学家更倾向于用土壤质量定量描述，即重视土壤的物理、化学、生物性质[16]。Pankhurst 等人认为虽然土壤质量和土壤健康的概念具有很大的相似性，但土壤质量通常与某一特定使用目的的适宜性有关，土壤健康更多的侧重生态属性，这些属性具有超出其生产特定作物的质量或能力的影响，主要指土壤生物多样性及其发挥的各种功能[17]，从而能够维持作物生长、改善环境质量、促进动植物和人类健康的可持续发展[13, 17~19]。联合国粮农组织在2011 年明确了土壤健康的定义：“土壤作为一个生命系统，具有的维持其功能的能力。健康的土壤能维持多样化的土壤生物群落，这些生物群落有助于控制植物病害、杂草、虫害，有助于与植物的根形成有益的共生关系，促进植物养分的循环；具有良好的持水性能和养分承载能力，从而改善土壤结构，并最终提高作物产量[20]。国内大多数学者基本都认同国际上土壤健康的观念[21~24]，我国土壤健康评价的研究多应用于林地和草地土壤[25,26]。还有学者把土壤健康的概念应用到耕地健康，例如李鹏山认为耕地健康是耕地的作物生产功能、生态服务功能、环境维持功能、观光休闲功能与社会保障功能等各类功能的综合体现[27]。单美将耕地健康归纳为土地肥力高、土壤无污染、土地结构合理、土地利用变化小、土地资源量丰富的动态平衡的生态系统[28]。
1.3 耕地健康产能
随着社会经济的发展，人类的需求也在转变，从强调耕地的生产能力逐渐向耕地健康、可持续的方向发展，耕地的内涵不断深化。我国学者郧文聚认为“耕地健康产能”是基于对耕地生产能力、生产环境、自我恢复能力及其生产的农产品品质等要素管理而提出的“评价式”概念[29]。杨邦杰等认为只有健康的耕地才能确保农产品生产基础健康，只有农产品生产基础健康和农产品生产、加工环节健康，才能确保从地头到餐桌的安全。耕地健康状况是耕地质量的一个重要方面，依据耕地土壤中有益元素、有毒有害元素和有机污染物含量水平等可以综合评定耕地的健康状况。可应用土地质量地球化学评估成果来指导耕地质量建设和耕地污染防治，确保绿色的耕地产能[30]。高丽丽定义“农用地健康产能”为在满足健康标准要求的区域、一定时期和一定的经济、社会、技术条件下所形成的土地生产健康食品的能力[31]。
由以上研究可知耕地健康产能是耕地质量和耕地产能的升级，其目标是满足人类可持续发展的需求，具体可以概括为四方面的内容：一是耕地生产能力的可持续性，即耕地肥力好，产量高，能够持续稳定的发挥其生产功能而不会使耕地质量下降。二是耕地生产环境的可持续性，即耕地的污染程度低，杂草、害虫较少，基础设施完善。三是耕地生产弹性的可持续性，即耕地对不良环境和侵害有一定的抵抗能力，在遭受到自然灾害、污染等情况下具有自我恢复能力和自净能力。四是农产品健康的可持续性，即耕地生产的作物品质高，不会对农产品消费者产生危害，相反能够促进人类和动植物的健康。综上所述，可将耕地健康产能的内涵初步界定为：耕地在发挥持续稳定的生产能力的基础上，能够保持和改善生产环境，生产的农产品能促进人类和动植物的健康，同时具有较强的抵抗力和恢复力。
2 耕地健康产能评价指标体系
目前国际上提出的有关土壤质量和土壤健康的指标较为全面。在土壤质量指标方面，Larson 和Pierce 提出了最小数据集[32]。瑞士学者Else 等人总结了与土壤质量相关的使用频率较高的物理、化学和生物指标[33]。在土壤健康方面，2002 年欧盟实施了《土壤环境评价健康项目》，该项目覆盖整个欧盟成员国，制定了土壤监测程序和相关规定，确认当前影响欧洲土壤质量的九大威胁为侵蚀、有机物含量下降、污染、土壤压实、土壤盐渍化、生物多样性下降、土壤封闭、山体滑坡和荒漠化，最终选出能够包含所有威胁的27个关键问题和由27 个监测指标组成的最小数据集。康奈尔土壤健康团队于2007 年建立了康奈尔土壤健康评价系统，并根据最小数据集理论，确定了13 个指标，对康奈尔大学Chazy 试验农场进行对比试验[34]，此后逐渐发展为土壤健康综合评估，在2016 年确定了包括物理指标（团聚体稳定性、有效水容量、土壤表层硬度和土壤次表层硬度）、生物指标（活性炭、土壤呼吸、土壤蛋白质、根系健康）、化学指标（pH、P、K、Mg、Fe、Mn、Zn）的15 个健康指标，并对美国大西洋中部、中西部和美国东北部进行了评估[35]。加拿大土壤健康项目选取土壤有机质、土壤结构、土壤侵蚀、盐渍化及化学污染、地下水污染、土地利用及土地管理措施对加拿大土壤健康进行了评价[15]。
我国多个部门也制定了耕地质量相关的评价标准和规范，这些成果在土地整治、高标准农田建设、耕地保护等方面发挥了很大的作用，有效地促进了我国农业的发展，但是不同的管理部门其评价目的和侧重点不同。例如农业部制定的《全国耕地类型区、耕地地力等级划分标准》注重考虑耕地的地形地貌、成土母质、基础设施、土壤理化性状等综合构成的耕地生产能力和农作物的产量，可用来指导农业生产；国土资源部提出的《农用地质量分等规程》以光温（气候）生产潜力为基础，考虑了耕地的地形、土壤条件、灌溉排水条件等，实现了耕地质量在全国范围内具有可比性；环保局制定的《土壤环境质量标准》关注土壤受污染的程度，规定了土壤污染物环境质量的标准值；《土地质量地球化学评价规范》划分了土壤养分和土壤污染物的含量等级以及大气沉降物环境和灌溉水环境的地球化学等级；《耕地质量等级》对耕地质量评价既考虑了耕地地力、也考虑了土壤的健康状况。
人体健康检查是测定反映人体健康的各项指标、使用这些指标对人体健康情况进行诊断；耕地健康产能评价与人体健康检查类似，需要通过多个指标进行综合评价。耕地作为自然社会经济综合体，人类的需求及利用管理赋予了耕地多种功能，耕地健康产能是耕地生产功能、养分循环功能、水源涵养功能、缓冲过滤功能等功能的综合，与气候、土壤、环境、人类技术水平等具有直接的关系。我国目前提出的各评价指标体系均具有一定的局限性，且指标有分类和量化不明确的问题，比如《耕地质量等级》中土壤健康状况考虑了生物多样性，但量化的方式是通过专家的经验来判定，目前国际上土壤健康一般多用生物活性指标表示，指标可以进行测试量化。因此，需要将以往的研究进行整合，更新和完善现有指标。按照耕地健康产能的内涵可将指标集划分为两类，一类是耕地产能指标，即与耕地生产相关的气候、土壤、技术水平指标；一类是反映耕地健康的指标，包括耕地的生产环境、作物安全性、生产弹性指标。指标需要满足以下条件：（1）指标可以定量或定性的分析，能综合反映土壤的物理、化学、生物过程；（2）指标要具有敏感性，能随着环境条件和管理利用方式的改变产生相应的变化规律；（3）指标数据具有可获取性，或者能通过已有数据资料进行收集和转换。基于以上分析，可构建如表1所示的耕地健康产能评价指标体系。
2.1 耕地产能指标
气候条件是区域光、温、水等影响农业生产的资源状况，是决定耕地产能的核心因素。气候条件指标在大尺度的土地质量评价中（区域、国家和全球尺度）一般考虑太阳辐射、温度、降水量、气象灾害等[36]。《农用地质量分等规程GBT 28407-2012》中规定的光温（气候）生产潜力指数是农业生产条件得到充分保证，即水分、CO2 供应充足和其他环境条件适宜的情况下，理想作物群体在当地光、热资源条件下，所能达到的最高产量。光温（气候）生产潜力在一定程度上指代了气候指标，但不能作为最终的产能，耕地产能还受到当地土壤特性和人类利用管理的约束。
土壤特性主要指土壤的自然属性，是表征土壤肥力的基础指标，能够直接影响耕地的质量，土壤特性指标可参考土壤质量和土壤健康指标。其中物理指标一般表现土壤的结构性，决定了土壤的透气性、透水性，比如土壤容重、质地等；土壤结构性差，会影响养分、水分等的循环，进而影响作物的生长发育。土壤化学指标一般指pH 值、养分元素、电导率等指标，这些指标在一定阈值下为土壤生物以及植物生长提供了条件[37]；土壤生物指标越来越受到重视，有研究表明土壤生物指标是土壤健康评价中确定和诊断土壤污染和退化程度的重要方面，主要包括生物的数量、活性、多样性等[38]。微生物生物量是指土壤有机质中的有生命成分，例如土壤微生物碳/ 氮、可溶性有机碳等；生物活性一般用土壤呼吸表示，其强度与某些污染物的分解速率呈正相关；生物多样性指土壤动物和微生物的群落结构，对于土壤功能具有重要的影响。Pankhurst 建立了土壤健康的生态指标体系，包括微生物量、土壤微生物、根病原菌、中型土壤动物区系、大型土壤动物、土壤酶和植物[17]。
技术水平是推动农业发展的动力和保障，也是土壤条件以外实现耕地高产稳产主要途径，可以在一定程度上改良某些不利因素，一般指农田基础设施建设，主要包括灌溉保证率、排水条件、田块规模、田间道路通达度等。灌溉和排水等对于土壤盐渍化防治、抵御旱涝灾害有重要的作用。田块规模和田间道路通达度会影响农业机械化程度和农民对耕地生产资料的投入和管理，农田防护林能影响田块的气流、温度、水分、土壤等环境因子，从而改善农田小气候，具有降低风速、阻滞风沙、涵养水源的作用。
2.2 耕地健康指标
耕地生产环境与农产品的安全具有直接的关系，耕地生产环境面临的主要问题是耕地污染，土壤具有一定容纳、吸收和降解各种污染物的能力，但过量的污染物会在土壤中积累、迁移、转化。土壤重金属是土壤污染的主要污染物质，重金属通过大气干湿沉降[39]、污水灌溉[40]以及化肥、农药的使用等进入土壤中，重金属元素很容易在土壤中积累，对植物-土壤系统产生毒害，并会通过直接接触和食物链威胁人类健康[41]。因此，耕地生产环境选取灌溉水环境质量、土壤重金属含量、单位面积化肥和农药施用量四个指标。作物安全与人类的健康息息相关，因为它决定着粮食安全。土壤中微量的Fe、Mn、Cu、Zn 等重金属元素有利于作物的生长发育，但Hg、Cd、As、Cr 等作物非必需的重金属元素不仅对作物有害，还会对人体健康造成危害[42]，《食品安全国家标准食品中污染物限量》中规定了不同农产品中污染物的限量标准，可作为作物安全指标使用。
耕地弹性是其抵抗力和恢复力概括，又包括土壤弹性和系统弹性两个方面。有研究将稳产指数、耕地旱涝保证面积比率、耕地退化比率等作为耕地弹性指标[43,44]。土壤团聚体稳定性决定了土壤结构的稳定性及其抗侵蚀能力，团聚体稳定性好的土壤更具弹性，对土壤结构的保持具有重要的作用，能够防止土壤板结，抵抗干旱、径流和侵蚀风险，能维持良好的渗透性和储水能力。土壤团聚体稳定性通常用平均重量直径（MWD）表示，其值越大表示土壤团聚体团聚度越高、稳定性越强。土壤恢复力指“土壤在受到干扰后恢复其功能和结构完整性的能力”[45]。Ketterings 等人认为土壤阳离子交换量表达了保持和释放阳离子等营养物质的能力，是土壤缓冲性能、恢复力重要指标[46]。Bonetti 对氧化土和老成土进行了长期的田间试验，在干湿循环过程中，氧化土比老成土更具有恢复力，因为氧化土中含有更多的有机质、粘粒和铁氧化物[47]。
3 耕地健康产能评价思路
耕地健康产能评价的根本目标是实现耕地产能和耕地健康的可持续发展。美国土壤保持局建立的土地评价与立地分析系统（LESA） 中，土地评价系统（LE）评价农用地自然条件，由地力等级、土壤生产力等级、土壤潜在等级和重要农田等级四部分组成；立地分析系统（SA）评价农用地的社会经济条件，包括土地分布、位置、适宜性、时间性以及相应的土地利用规划和税收政策LE 和SA 可以独立使用，也可以结合起来使用，LE 和SA 的比例可根据实际情况确定比例[48]。德国的明歇贝格土壤质量评估方案（M-SQR）中，将土壤质量划分为土壤基础指标和土壤威胁指标，其中土壤基础指标包括土壤基质、土层厚度、团聚体和孔隙度、土壤压实、根系深度和微生物活性、土壤持水性、灌溉和排水、坡度和地势；土壤威胁指标包括土壤污染、土壤盐渍化、土壤酸化、干旱、洪涝等指标，该方案是用土壤威胁乘数来修正土壤基础指标得分，最终得到土壤质量评价分值[49]。
耕地健康产能的评价思路可参考LESA 和M-SQR，将评价分为耕地产能评价和耕地健康诊断两个维度。在耕地产能核算方面，对于农用地质量分等体系采用农业生态区模型（AEZ），即利用对土壤、农田设施等的修正来评估耕地产能。我国学者在此基础上对产能的研究有了进一步深化，例如郧文聚提出了耕地分等与农业统计的产能核算方法，并初步构构建了耕地产能动态监测体系[5]；吴克宁等在产能核算成果的基础上探讨了东北三省耕地产能提升的主导因子[8]；还有学者研究产能核算与耕地整理数量质量潜力、产能动态变化预测、耕地保护、基本农田划定结合应用。
耕地产能评价沿用农用地分等的思路，以光温（气候）生产潜力为基础，然后利用土壤特性和技术水平修正。耕地健康诊断是由耕地生产弹性、生产环境和作物安全性三部分组成的综合评价；其中，生产弹性越大，耕地越健康，但当耕地环境污染严重和农产品中污染物严重超标时，污染物会通过人类呼吸、接触和食用等途径中进入人体并累积，威胁人类健康。因此采用最小限制因子法来评价耕地的生产环境和作物安全性，即当其中某项指标超标时，则将耕地划为不健康的类别。最后将耕地产能和耕地健康进行叠加分析，最终的评价结果既能体现出耕地产能状况，又能反映产能的健康程度（图1）。
4 结论与展望
国内外对于土壤质量、土壤健康以及产能的研究较多；从研究内容看，近年来随着人们对粮食安全和农业可持续发展重视程度提高，仅研究耕地的生产能力已不能满足社会经济发展需求。本文将耕地的生产环境、作物安全性、对人类健康的影响以及对外界干扰的响应等因素纳入耕地产能范畴，界定了耕地健康产能的内涵，在此基础上融合国内外有关耕地健康的理念构建了耕地健康产能评价指标体系，增加了生物、生产弹性、作物安全性指标。耕地健康内容的界定和评价指标的构建，可望改变现有评价指标不能充分体现耕地健康状况的现状，从而丰富和深化耕地产能研究。
今后对于耕地健康产能的研究应围绕以下三方面开展：一是规范耕地健康产能评价指标。由于所涉及评价指标较多，需规范指标数据来源、获取方式及其分级标准，推动数据资料定量化、并能适时更新，保证数据的时效性，以实现不同管理部门的数据共享；二是评价指标体系应根据研究区域及其尺度不同进行适当的调整。调整后可满足不同管理层面和不同管理部门的需求。例如，田块、农场等小尺度耕地的健康产能动态变化用于服务生产实践和田间管理，而流域、国家等大、中尺度范围的耕地主要考虑其固有质量以服务于宏观管理与决策，而不同尺度之间的协同则是满足耕地健康产能可持续化管理的重要问题；三是建立耕地健康产能的长期监测和预警机制。特别是在粮食和其它农产品主产区、功能区，及时掌握区内耕地健康产能的时空变化等，研究限制耕地健康产能提升的因子，提出相应的改良措施，才能为耕地保护和农业可持续发展提供依据。
参考文献略