基于系統(tǒng)協(xié)調(diào)的集約化農(nóng)區(qū)縣域耕地健康評(píng)價(jià)*
——以河北省曲周縣為例

路欣怡，楊智慧，張 璐，溫良友，廖宇波，陳文廣，孔祥斌※

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2.自然資源部農(nóng)用地質(zhì)量與監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100193）

0 引言

耕地是最重要的農(nóng)業(yè)資源之一，是現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ),是維護(hù)國家穩(wěn)定與糧食安全的基石[1]。但是嚴(yán)峻的化肥過量施用和高強(qiáng)度利用[2]對(duì)耕地健康的影響越發(fā)顯著。耕作層變淺，土壤表層的有機(jī)質(zhì)顯著下降[3]等問題突出，土壤重金屬存在超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)[4]，不僅加劇了耕地生態(tài)環(huán)境的惡化，由此產(chǎn)生的糧食減產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降等現(xiàn)象引發(fā)了人們廣泛的關(guān)注[5]。為端牢“中國飯碗”、保障耕地健康，“十三五”規(guī)劃建議提出：“實(shí)施藏糧于地、藏糧于技戰(zhàn)略”[6]，2016年《耕地草原河湖休養(yǎng)生息規(guī)劃（2016—2030年）》[7]發(fā)布，明確指出耕地休養(yǎng)生息要采取“養(yǎng)、退、休、輪、控”的方式。因此，迫切需要開展耕地健康評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確掌握關(guān)鍵區(qū)域耕地健康狀況，為指導(dǎo)耕地資源可持續(xù)利用、落實(shí)國家政策及戰(zhàn)略要求提供科學(xué)依據(jù)。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)于“土地健康”[8]進(jìn)行深化提出耕地健康概念[9,10]，其內(nèi)涵、指標(biāo)體系構(gòu)建及評(píng)價(jià)方法均受到了學(xué)界廣泛關(guān)注，現(xiàn)有相關(guān)研究呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：（1）耕地健康的內(nèi)涵界定豐富多樣，但國際上關(guān)于“耕地健康評(píng)價(jià)”的研究多集中農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)健康和土壤健康[11][12],[13]的單一性研究；國內(nèi)研究更側(cè)重強(qiáng)調(diào)耕地可持續(xù)生產(chǎn)能力的耕地健康產(chǎn)能評(píng)價(jià)[14][15]，現(xiàn)有耕地健康評(píng)價(jià)研究少有從耕地各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)性出發(fā)建立科學(xué)的理論框架。（2）耕地健康評(píng)價(jià)多從質(zhì)量與功能角度進(jìn)行指標(biāo)體系的構(gòu)建，從耕地質(zhì)量、產(chǎn)能、環(huán)境等多個(gè)角度選取相關(guān)指標(biāo)[16][17]，也有學(xué)者將健康狀況作為耕地質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的一個(gè)維度[18]，但是由于耕地利用環(huán)節(jié)復(fù)雜，少有耕地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建側(cè)重要素輸入、要素耦合作用及其輸出。（3）耕地健康評(píng)價(jià)以逐級(jí)修正法[19]最為普遍，也有學(xué)者運(yùn)用最小限制因子方法對(duì)耕地生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[20]，但是現(xiàn)有研究更注重耕地健康綜合水平的測(cè)度，在子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)程度定量測(cè)算不足，進(jìn)而對(duì)耕地健康診斷后提出解決耕地健康問題的方法和措施針對(duì)性不夠。（4）研究區(qū)域呈現(xiàn)多元化趨勢(shì)，涉及大都市城鄉(xiāng)交錯(cuò)帶[21]、農(nóng)牧交錯(cuò)帶[22]和黃土丘陵生態(tài)脆弱區(qū)[23]等地，但缺少對(duì)高度集約化區(qū)域的耕地健康評(píng)價(jià)，此類耕地往往具有土壤酸化[24]、抵抗力下降特征，還伴隨著地下水下降[25]、溫室氣體排放等環(huán)境問題，評(píng)價(jià)該區(qū)域耕地健康狀態(tài)對(duì)于耕地資源的可持續(xù)利用以及實(shí)現(xiàn)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

華北集約化農(nóng)區(qū)是“北糧南調(diào)”的重要生產(chǎn)基地，耕地?cái)?shù)量及墾殖率均處于全國一級(jí)農(nóng)區(qū)首位[26,27]。曲周縣作為華北集約化農(nóng)區(qū)的典型代表，在單產(chǎn)不斷提升的同時(shí)高強(qiáng)度投入與利用使得區(qū)域耕地健康面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。文章創(chuàng)新性地構(gòu)建以耕地本底宜耕性—產(chǎn)品可接受性—環(huán)境可承受性為準(zhǔn)則層的集約化農(nóng)區(qū)耕地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用指數(shù)和法、最小限制因子法、系統(tǒng)協(xié)調(diào)性模型等方法在探究耕地健康綜合水平的基礎(chǔ)上定量測(cè)算本底—產(chǎn)品—環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性，彌補(bǔ)現(xiàn)有研究中協(xié)調(diào)性與耕地健康評(píng)價(jià)缺乏結(jié)合的研究空白，以期為耕地健康評(píng)價(jià)提供新思路，同時(shí)為落實(shí)耕地的“數(shù)量、質(zhì)量和生態(tài)”的三位一體保護(hù)以及“藏糧于地、藏糧于技”的戰(zhàn)略提供有益參考。

1 理論框架及耕地健康評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

1.1 理論框架

耕地系統(tǒng)是土地利用系統(tǒng)的重要組成部分，是由土壤、地形地貌、氣候等自然要素和社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素復(fù)合而組成的立體空間[28]，由于其開放性而長期與外界發(fā)生著物質(zhì)與能量交換，自身的結(jié)構(gòu)與功能也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化并交換輸出大量的初級(jí)產(chǎn)品或次級(jí)產(chǎn)品[29]。耕地系統(tǒng)具有整體性、復(fù)雜性、自組織性和動(dòng)態(tài)平衡性等特點(diǎn)，高度集約化利用下的耕地系統(tǒng)內(nèi)部、系統(tǒng)和外界環(huán)境之間的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞過程更加頻繁且復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)變化過程中?，F(xiàn)少有研究可以全面、準(zhǔn)確地選取指標(biāo)來囊括耕地系統(tǒng)在利用過程中的變化特征，因此該文通過建立系統(tǒng)本底與產(chǎn)品服務(wù)輸出間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從本底要素、終端產(chǎn)品與服務(wù)對(duì)耕地健康狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

作為耕地系統(tǒng)最本質(zhì)的要素，本底要素狀況直接影響并反映著耕地系統(tǒng)基礎(chǔ)狀態(tài)，決定著耕地系統(tǒng)的可持續(xù)性。其中土壤、地貌和氣候要素是最為核心的自然要素[30]。土壤的物理、化學(xué)、生物特性對(duì)作物生長發(fā)揮至關(guān)重要的作用，其理化反應(yīng)為作物營造適宜生長的土壤環(huán)境，有機(jī)質(zhì)形成、礦化過程及相關(guān)的元素循環(huán)均可為作物生長提供養(yǎng)分；同時(shí)氣候要素不僅為作物生長提供光熱，也直接影響土壤的水熱狀況，而地貌引起物質(zhì)、能量的再分配而間接作用于耕地系統(tǒng)，因此重點(diǎn)通過土壤、地貌和氣候等要素研究耕地系統(tǒng)的本底宜耕性。高度集約化利用下的耕地系統(tǒng)土地利用結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度變化較普通農(nóng)區(qū)更為劇烈，社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素變化頻繁，農(nóng)田建設(shè)、土壤改良和休耕輪作等復(fù)雜利用過程及化肥、農(nóng)藥等的投入對(duì)耕地健康的影響可以直接體現(xiàn)在系統(tǒng)輸出的產(chǎn)品與服務(wù)上，首先耕地需輸出高品質(zhì)的產(chǎn)品，還要維持作物高產(chǎn)且供給穩(wěn)定，以抵御、緩沖外界脅迫；同時(shí)，耕地健康還體現(xiàn)在其生態(tài)功能的發(fā)揮上，耕地在利用過程中與外界發(fā)生信息、物質(zhì)交流，對(duì)污染物加以消化、分解來提供生態(tài)服務(wù)，若農(nóng)藥、化肥等生產(chǎn)要素的過量投入或農(nóng)膜等材料使用不當(dāng)、地下水過度超采則可能超出生態(tài)環(huán)境的可承載范圍，繼而影響耕地功能的發(fā)揮，因此從產(chǎn)品可接受性與環(huán)境可承受性兩個(gè)終端來評(píng)價(jià)耕地健康狀態(tài)。耕地健康不僅體現(xiàn)在以上3個(gè)準(zhǔn)則的綜合水平較高，各準(zhǔn)則層間也要遵循某種約束條件而進(jìn)行良性演化過程、實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展[31]。因此，耕地健康表現(xiàn)為耕地本底、產(chǎn)品和環(huán)境子系統(tǒng)高度協(xié)調(diào)、綜合水平高，即耕地自凈能力強(qiáng)、有一定抵抗力和恢復(fù)力，可高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)無污染的農(nóng)產(chǎn)品，同時(shí)保證對(duì)環(huán)境約束性最小，可提供長期生態(tài)服務(wù)的狀態(tài)（圖1）。

圖1 基于系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的耕地健康評(píng)價(jià)理論框架

1.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

該文以主導(dǎo)性、區(qū)域性、客觀性和可持續(xù)性為選取原則，從集約化農(nóng)區(qū)耕地利用特征出發(fā)，在借鑒已有研究的基礎(chǔ)上[32]，結(jié)合相關(guān)研究將指標(biāo)體系分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層等3個(gè)層次，包括本底、產(chǎn)品和環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)。運(yùn)用頻度分析法和專家咨詢法并參考我國現(xiàn)行的調(diào)查體系，考慮到數(shù)據(jù)資料的可獲得性以及指標(biāo)計(jì)算的復(fù)雜性，從中篩選出15個(gè)被廣泛運(yùn)用且能充分反映耕地健康特征的指標(biāo)，構(gòu)建影響耕地健康的指標(biāo)體系（表1）。其中，氣候要素在研究區(qū)小尺度范圍內(nèi)變化并不顯著，因此本底宜耕性主要考慮土壤和地貌等要素，選取地形坡度、耕層質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤容重、陽離子交換量、土壤呼吸強(qiáng)度、有效土層厚度、pH、土壤微生物量碳、土壤鹽漬化程度等10個(gè)能夠直觀反映本底健康的基礎(chǔ)指標(biāo)來表征；產(chǎn)品可接受性主要指在耕地本底要素和利用過程共同作用下，經(jīng)過一系列的物質(zhì)交換和能量流動(dòng)過程，最終系統(tǒng)輸出的農(nóng)產(chǎn)品狀況，要求輸出的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量上安全、供應(yīng)上持續(xù)穩(wěn)定，因此選取產(chǎn)品中重金屬含量和糧食生產(chǎn)穩(wěn)定性指數(shù)等2個(gè)指標(biāo)來表征；環(huán)境可承受性則關(guān)注耕地系統(tǒng)輸出的對(duì)環(huán)境污染和資源消耗的反饋，由于華北集約化農(nóng)區(qū)的環(huán)境問題集中在地下水水位降低、水質(zhì)及重金屬污染等三方面上，因此選取灌溉水環(huán)境質(zhì)量、地下水下降速率和土壤中重金屬含量等3個(gè)指標(biāo)來分析其對(duì)環(huán)境可承受性的影響。

表1 基于系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的耕地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.3 評(píng)價(jià)方法

1.3.1 本底宜耕性指數(shù)計(jì)算（X1）

利用指數(shù)和法對(duì)耕層質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量、pH等10個(gè)耕地健康的弱限制因素進(jìn)行加權(quán)求和，計(jì)算耕地本底宜耕性指數(shù)，公式為：

式（1）中，X1為耕地本底宜耕性指數(shù)，Bi表示耕地本底子系統(tǒng)中第i個(gè)指標(biāo)的分值，Ci表示第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，n為指標(biāo)個(gè)數(shù)，i=1，2，3，…，n。

1.3.2 產(chǎn)品可接受性指數(shù)計(jì)算（X2）

利用最小限制因子法計(jì)算產(chǎn)品可接受性指數(shù)，產(chǎn)品重金屬含量直接影響消費(fèi)者健康，按照產(chǎn)品中重金屬含量值劃分等級(jí)，分為無污染、輕微污染、輕度污染、重度污染和重度污染；糧食生產(chǎn)的穩(wěn)定性可以體現(xiàn)糧食高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)及可持續(xù)生產(chǎn)的程度，根據(jù)糧食生產(chǎn)穩(wěn)定性指數(shù)將其劃分為低波動(dòng)、中波動(dòng)和高波動(dòng)。以上兩者為耕地健康的強(qiáng)限制因素，采用兩者最低等級(jí)的等級(jí)值作為產(chǎn)品可接受性指數(shù)X2。糧食生產(chǎn)穩(wěn)定性指數(shù)S用于表征糧食單產(chǎn)的波動(dòng)幅度[33]，穩(wěn)定性系數(shù)與耕地結(jié)構(gòu)成正比，計(jì)算公式為：

式（2）中，Di為第i年糧食單產(chǎn)，D為多年平均單產(chǎn)，i為年份，i=1，2，3，…，n，i為糧食生產(chǎn)穩(wěn)定性指數(shù)，在該文中以10年為一穩(wěn)定期衡量標(biāo)準(zhǔn)，Di為2008—2017年曲周縣10年的糧食單產(chǎn)。

1.3.3 環(huán)境可承受性指數(shù)計(jì)算（X3）

選取灌溉水環(huán)境質(zhì)量、土壤重金屬含量和地下水下降速率3項(xiàng)指標(biāo)反映環(huán)境狀況，這3項(xiàng)指標(biāo)同樣是耕地健康的強(qiáng)限制因素，可以直接反映出耕地水環(huán)境的潔凈程度、耕地結(jié)構(gòu)及功能的完整性，體現(xiàn)耕地利用可能帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。通過計(jì)算得出灌溉水水質(zhì)評(píng)價(jià)指數(shù)P并與相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比；計(jì)算地下水下降速率k，劃分為未超采、一般超采和嚴(yán)重超采；計(jì)算土壤中重金屬環(huán)境質(zhì)量指數(shù)q來反映土壤中重金屬含量，劃分為清潔、輕微污染、輕度污染、中度污染和重度污染。最終采用最小限制因子法，以其中最低得分的指標(biāo)值作為耕地環(huán)境可承受性指數(shù)（X3）。

1.3.4 系統(tǒng)協(xié)調(diào)性模型

由于本底宜耕性指數(shù)、產(chǎn)品可接受性指數(shù)、環(huán)境可承受性指數(shù)的計(jì)算方法、數(shù)據(jù)大小及單位不同，為了便于不同指標(biāo)間的對(duì)比，計(jì)算協(xié)調(diào)度及綜合水平，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化的方法對(duì)三者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[34]，方法為：

式（3）中，Xi，X′i為原始值和標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值；Ximin和Ximax分別為最小值和最大值。

作為復(fù)合系統(tǒng)，評(píng)價(jià)一定區(qū)域內(nèi)耕地健康的協(xié)調(diào)性，即判斷其各個(gè)子系統(tǒng)間的同步性。根據(jù)空間解析幾何的原理，參考已有研究后[35]使用本底宜耕性（X′1）、產(chǎn)品可接受性（X′2）、環(huán)境可承受性（X′3）所處的狀態(tài)來對(duì)應(yīng)一個(gè)三維空間（圖2），空間中的任一點(diǎn)P0都對(duì)應(yīng)唯一一個(gè)（X′1、X′2、X′3）坐標(biāo)，P0就表示該圖斑耕地健康狀態(tài),則OP1上的點(diǎn)均為“完全協(xié)調(diào)點(diǎn)”，直線OP1上的點(diǎn)均滿足X1=X2=X3，表示3個(gè)子系統(tǒng)狀態(tài)“完全同步發(fā)展”，系統(tǒng)處于“完全協(xié)調(diào)狀態(tài)”[35]；d1表示在OP1之外的點(diǎn)到OP1的垂直距離，tanθ為P點(diǎn)偏離完全協(xié)調(diào)狀態(tài)的程度，表示3個(gè)子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性，因此tanθ越大，偏離程度越大，協(xié)調(diào)性越差；考慮到較好的協(xié)調(diào)度可能對(duì)應(yīng)較低的協(xié)調(diào)發(fā)展程度，無法完全表征系統(tǒng)發(fā)展的綜合水平[36]，因此引入該點(diǎn)到原點(diǎn)O的距離（d2）表示協(xié)調(diào)性的綜合發(fā)展水平，d2越大協(xié)調(diào)性綜合水平越高。d1，d2，tanθ計(jì)算公式為：

圖2 縣域本底宜耕性—產(chǎn)品可接受性—環(huán)境可承受性三維空間［35］

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

2.1 研究區(qū)概況

曲周縣位于邯鄲市的東北部，東臨邱縣、館陶，南接廣平、肥鄉(xiāng)，西與永年、雞澤搭界，北臨邢臺(tái)市的平鄉(xiāng)、廣宗兩縣。地處36°34′N～36°57′N，114°50′E～115°13′E，位于太行山東麓海河平原的黑龍港流域，屬于太行山山前平原南段、漳河沖積扇下緣，呈南寬北窄的三角形分布。地勢(shì)自西南向東北傾斜，平均海拔約42.5m。屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，降水集中在7—9月，年均降水量為556mm。土壤發(fā)育主要受到河流沖積和河流改道的影響，形成了包括潮土、鹽土、褐土3個(gè)土類，褐土化潮土、潮土、鹽化潮土、內(nèi)陸鹽土和褐土性土5個(gè)亞類為主的土壤類型。截止2020年，曲周縣轄6鎮(zhèn)4鄉(xiāng)（曲周鎮(zhèn)、河南疃鎮(zhèn)、第四疃鎮(zhèn)、安寨鎮(zhèn)、侯村鎮(zhèn)、白寨鎮(zhèn)、槐橋鄉(xiāng)、南里岳鄉(xiāng)、大河道鄉(xiāng)、依莊鄉(xiāng)），342個(gè)行政村（圖3）。2018年全縣土地總面積約為6.670 0萬hm2，其中耕地面積為5.259 6萬hm2，占土地總面積的78.85%，是華北集約化農(nóng)區(qū)的典型區(qū)域。20世紀(jì)曲周縣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)曾一直受到旱、澇、堿、咸的制約，所屬的黑龍港流域是華北平原水資源最為匱乏的地區(qū)，自1973年開展“旱澇堿咸綜合治理”以來，耕地生產(chǎn)力水平雖有顯著提升，但隨之而來的耕地健康問題進(jìn)一步加劇，該地區(qū)也成為華北平原典型的“地下水漏斗區(qū)”。因此，建立科學(xué)的耕地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、及時(shí)掌握其耕地健康變化動(dòng)態(tài)，提升曲周縣耕地健康已成為該地可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

圖3 曲周縣位置

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

2018年6月對(duì)曲周縣進(jìn)行均勻樣點(diǎn)布設(shè)和土壤采樣，共布設(shè)192個(gè)采樣點(diǎn)，采樣189個(gè)土壤樣本（圖4）。研究中的數(shù)據(jù)主要通過前期大量的外業(yè)土壤采樣和內(nèi)業(yè)化驗(yàn)測(cè)定工作獲取，還有部分來源于地方部門及線上數(shù)據(jù)平臺(tái)（表2），具體數(shù)據(jù)來源如下。

圖4 2018年曲周縣實(shí)地采樣點(diǎn)分布

依據(jù)2015年河北省曲周縣耕地質(zhì)量等別年度更新數(shù)據(jù)，提取其中的耕地圖斑作為曲周縣耕地系統(tǒng)健康評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)單元，全縣評(píng)價(jià)單元共計(jì)4 413個(gè)，總面積為5.443 661萬hm2。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)與權(quán)重確定

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及專家意見，參考《農(nóng)用地分等規(guī)程》《農(nóng)用地定級(jí)規(guī)程》《耕地質(zhì)量等級(jí)》《土地質(zhì)量地球化學(xué)評(píng)價(jià)規(guī)程》制定評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合層次分析法及專家打分法確定耕地健康本底宜耕性各指標(biāo)權(quán)重及評(píng)價(jià)規(guī)則如表3。耕地產(chǎn)品可接受性、環(huán)境可承受性評(píng)價(jià)規(guī)則如表4。

表3 耕地健康本底宜耕性指標(biāo)分級(jí)、賦值及權(quán)重

表4 耕地健康產(chǎn)品可接受性、環(huán)境可承受性指標(biāo)分級(jí)及賦值

3 結(jié)果與分析

3.1 耕地本底宜耕性結(jié)果

將曲周縣耕地本底宜耕性結(jié)果利用自然斷點(diǎn)法按照從優(yōu)至差劃分為“一級(jí)”“二級(jí)”和“三級(jí)”，結(jié)果表明曲周縣2018年耕地資源本底宜耕性較高，但在全縣范圍內(nèi)有較大差異。在數(shù)量分布上，曲周縣本底宜耕性表現(xiàn)為二級(jí)的耕地面積為30 264.32hm2，占比55.60%；其次為一級(jí)的耕地，面積為17 601.03hm2，占比32.33%；三級(jí)的耕地較少，占耕地總面積的12.07%。從空間分布看（圖5），耕地本底宜耕性在空間上分異明顯，總體上以二級(jí)為主，槐橋鄉(xiāng)二級(jí)耕地占比可達(dá)82.99%。東南地區(qū)耕地本底宜耕性較差，依莊鄉(xiāng)本底宜耕性為三級(jí)的耕地占比最高，為29.99%，與其相鄰的侯村鎮(zhèn)、南里岳鄉(xiāng)和安寨鎮(zhèn)本底宜耕性較差的耕地占比也均在20%以上，東南地區(qū)受土壤質(zhì)地限制較大，有機(jī)質(zhì)含量低，土壤呼吸及生物活性較差；而曲周鎮(zhèn)、大河道鄉(xiāng)、河南疃鎮(zhèn)和安寨鎮(zhèn)土壤保水保肥能力強(qiáng)，生物活性高，處于一級(jí)的耕地占比均在50%以上，最高的曲周鎮(zhèn)可達(dá)到69.53%。

圖5 2018年曲周縣耕地本底宜耕性空間分布

3.2 耕地產(chǎn)品可接受性結(jié)果

曲周縣作物樣品中的重金屬含量值均為Ⅰ級(jí)，處于合理范圍之內(nèi)，因此將糧食生產(chǎn)穩(wěn)定性指數(shù)作為影響耕地產(chǎn)品可接受性的主要因素，將結(jié)果利用自然斷點(diǎn)法按照從優(yōu)至差劃分為“一級(jí)”“二級(jí)”和“三級(jí)”。2018年曲周縣不同程度的耕地產(chǎn)品可接受性間面積分布情況較為均一，全縣處于一級(jí)的耕地面積為2.031 642萬hm2，處于二級(jí)的耕地面積為1.974 628萬hm2，處于三級(jí)的耕地面積為14 373.91hm2，占比依次為37.32%、36.27%和26.40%。由圖6可知，全縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)間耕地產(chǎn)品可接受性空間差異較大，曲周縣中部地區(qū)的產(chǎn)品可接受性差，以此為中心向外逐漸加強(qiáng)，曲周鎮(zhèn)、安寨鎮(zhèn)、侯村鎮(zhèn)均處于高等別，槐橋鄉(xiāng)、白寨鎮(zhèn)處于耕地產(chǎn)品可接受性低等別的面積為100%，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)則均為適中。

圖6 2018年曲周縣耕地產(chǎn)品可接受性空間分布

3.3 耕地環(huán)境可承受性結(jié)果

曲周縣20個(gè)實(shí)采灌溉水樣本化驗(yàn)及計(jì)算結(jié)果顯示，曲周縣灌溉水環(huán)境質(zhì)量為一級(jí)，對(duì)189個(gè)實(shí)采土壤樣本中的8種金屬元素化驗(yàn)結(jié)果表明該地區(qū)土壤重金屬元素含量均未超標(biāo)，清潔程度為一級(jí)，因此曲周縣耕地環(huán)境可承受性主要受地下水下降速率約束，空間上體現(xiàn)出南部快于北部，尤其是侯村鎮(zhèn)和伊莊鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)自2000年以來地下水水位明顯下降。將結(jié)果利用自然斷點(diǎn)法按照從優(yōu)至差劃分為“一級(jí)”“二級(jí)”和“三級(jí)”，綜合分析后由圖7可知，2018年曲周縣處于環(huán)境可承受性一級(jí)的耕地面積最大，占比47.42%，處于二級(jí)狀態(tài)的耕地與前者相差較少，面積為2.201 424萬hm2占耕地總面積的40.44%，只有12.14%的耕地環(huán)境可承受性處于三級(jí)。在曲周縣耕地總體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較小的同時(shí)，呈現(xiàn)出北低南高的分布特征，其中只有河南疃鎮(zhèn)、第四疃鎮(zhèn)的耕地完全處于一級(jí)，其余鄉(xiāng)鎮(zhèn)均有部分耕地環(huán)境可承受性處于二、三級(jí)，白寨鎮(zhèn)與大河道鄉(xiāng)的耕地環(huán)境可承受性均為二級(jí)，伊莊鄉(xiāng)環(huán)境可承受性差的耕地面積占比可達(dá)本區(qū)域耕地面積的61.33%。

圖7 2018年曲周縣耕地環(huán)境可承受性空間分布

3.4 耕地健康子系統(tǒng)協(xié)調(diào)性及綜合水平結(jié)果和分析

根據(jù)曲周縣域本底—產(chǎn)品—環(huán)境子系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的評(píng)價(jià)結(jié)果（表5、圖8），將系統(tǒng)協(xié)調(diào)性劃分為4個(gè)等級(jí)，以此來表征曲周縣內(nèi)不同區(qū)域的耕地子系統(tǒng)協(xié)調(diào)性空間分異情況。當(dāng)0≤tanθ＜0.20時(shí)為高度協(xié)調(diào)區(qū)，主要分布在曲周鎮(zhèn)和伊莊鄉(xiāng)等4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，占曲周縣耕地總面積的12.9%；0.20≤tanθ＜0.33時(shí)為中度協(xié)調(diào)區(qū)，以曲周縣北部的河南疃鎮(zhèn)、第四疃鎮(zhèn)為主，同時(shí)零散分布在大河道鄉(xiāng)和曲周鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，占曲周縣耕地總面積的24.9%；0.33≤tanθ＜0.55時(shí)為輕度協(xié)調(diào)區(qū)，曲周縣中南部區(qū)安寨鎮(zhèn)、侯村鎮(zhèn)和白寨鎮(zhèn)的大部分耕地處于輕度協(xié)調(diào)狀態(tài)，分別占本鄉(xiāng)鎮(zhèn)總面積的79.1%，63.1%，92.3%，輕度協(xié)調(diào)區(qū)占曲周縣耕地總面積的23.60%；0.55≤tanθ＜1.42為弱協(xié)調(diào)區(qū)，集中分布在白寨鎮(zhèn)、槐橋鄉(xiāng)、南里岳鄉(xiāng)、安寨鎮(zhèn)東南部和侯村鎮(zhèn)南部，占曲周縣耕地總面積的38.5%。這表明曲周縣耕地系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性整體狀況較差，其中中偏東部分區(qū)域系統(tǒng)不協(xié)調(diào)明顯。但需注意，系統(tǒng)協(xié)調(diào)性主要體現(xiàn)子系統(tǒng)間的相互作用與制約，判斷本底輸入和輸出產(chǎn)品、服務(wù)是否同步發(fā)展，并不完全決定耕地健康，需結(jié)合協(xié)調(diào)性綜合水平進(jìn)行考量。

圖8 2018年曲周縣耕地健康子系統(tǒng)協(xié)調(diào)性空間分異

表5 曲周縣域本底—產(chǎn)品—環(huán)境子系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的評(píng)價(jià)

根據(jù)曲周縣域協(xié)調(diào)性綜合水平評(píng)價(jià)結(jié)果（表6、圖9），曲周縣域內(nèi)協(xié)調(diào)性綜合水平空間分異特征較為明顯，以曲周鎮(zhèn)為代表的地區(qū)協(xié)調(diào)性處于高等綜合水平，占曲周縣耕地總面積的10.1%；河南疃鎮(zhèn)、第四疃鎮(zhèn)、安寨鎮(zhèn)與侯村鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)協(xié)調(diào)性綜合水平中等，占曲周縣耕地總面積的44.2%；中部地區(qū)如槐僑鄉(xiāng)、南里岳鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)耕地處于低等綜合水平，占曲周縣耕地總面積的22.8%；白寨鎮(zhèn)與伊莊鄉(xiāng)耕地較其他地區(qū)協(xié)調(diào)性綜合水平處于差等，占曲周縣耕地總面積的22.9%。

圖9 2018年曲周縣耕地健康協(xié)調(diào)性綜合水平空間分異

表6 曲周縣域協(xié)調(diào)性綜合水平評(píng)價(jià)

綜合分析曲周縣耕地協(xié)調(diào)度分區(qū)結(jié)果與協(xié)調(diào)性綜合水平等別劃分結(jié)果，中部的曲周鎮(zhèn)協(xié)調(diào)度與綜合水平均處于理想狀態(tài)，耕地較為健康，資源本底與產(chǎn)品、服務(wù)協(xié)調(diào)性較高；因此對(duì)于此類耕地應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)能提升路徑，可以開展土地整治工程，通過平整土地、重構(gòu)生產(chǎn)單元空間，解決田塊細(xì)碎化問題，引導(dǎo)規(guī)?；?jīng)營，進(jìn)一步提高耕地利用效率。北部的河南疃鎮(zhèn)、第四疃鎮(zhèn)的綜合水平與協(xié)調(diào)度次之，而南部安寨鎮(zhèn)、侯村鎮(zhèn)處于輕度協(xié)調(diào)區(qū)且綜合水平中等，中部的南里岳鄉(xiāng)和槐橋鄉(xiāng)處于弱協(xié)調(diào)區(qū)且綜合水平較低，中南部的白寨鎮(zhèn)協(xié)調(diào)度及其綜合水平均低于上述地區(qū)，說明在一定程度上曲周縣域本底狀況—產(chǎn)品狀況—環(huán)境狀況協(xié)調(diào)性與協(xié)調(diào)性綜合水平高低之間呈正相關(guān)關(guān)系；其中，典型區(qū)域白寨鎮(zhèn)耕地資源本底與產(chǎn)品的不協(xié)調(diào)多受糧食生產(chǎn)穩(wěn)定性限制，該鎮(zhèn)耕地抵御極端氣候等外界風(fēng)險(xiǎn)的能力較弱，因此需加大耕地基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，構(gòu)建合理的田水路林渠網(wǎng)絡(luò)，滿足作物在不同氣候差異下的生產(chǎn)需求。值得注意的是，伊莊鄉(xiāng)北部和大河道鄉(xiāng)北部地區(qū)為高度協(xié)調(diào)區(qū)，但協(xié)調(diào)性綜合水平并不樂觀，在曲周縣局部發(fā)生的協(xié)調(diào)度與綜合水平背離現(xiàn)象表明以上地區(qū)的耕地健康狀況和3個(gè)子系統(tǒng)狀況均不理想；該地區(qū)主要受土壤和地下水條件限制，土壤質(zhì)地以砂質(zhì)土或偏砂質(zhì)土為主，土壤的保水保肥性較差，有機(jī)質(zhì)含量普遍不高，地下水下降速率也明顯高于北部；在該區(qū)域內(nèi)需落實(shí)國家耕地休養(yǎng)生息規(guī)劃，以治理為核心，適當(dāng)降低耕地利用強(qiáng)度，提高用水效率，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)配套滴灌、噴灌工程，減少地下水的使用，耕地健康極差的應(yīng)及時(shí)退耕、休耕。

4 討論

耕地健康評(píng)價(jià)方法是實(shí)現(xiàn)耕地可持續(xù)利用的一項(xiàng)重要研究。該文從耕地系統(tǒng)內(nèi)部與外界之間的相互反饋?zhàn)饔贸霭l(fā)構(gòu)建基于本底、產(chǎn)品與服務(wù)子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性程度及綜合水平的耕地健康評(píng)價(jià)框架，不僅可以對(duì)耕地單項(xiàng)子系統(tǒng)優(yōu)劣進(jìn)行判斷，還可以有效識(shí)別三者間是否同步發(fā)展，在縣域尺度上綜合評(píng)價(jià)耕地健康狀態(tài)，為差異化的耕地健康提升路徑提供科學(xué)依據(jù)。該文構(gòu)建的本底宜耕性—產(chǎn)品可接受性—環(huán)境可承受性“三性”協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)體系，適用于某一時(shí)點(diǎn)縣域尺度上耕地健康狀態(tài)的診斷及空間分異規(guī)律研究，研究結(jié)果為縣域耕地健康診斷及可持續(xù)利用提供了科學(xué)依據(jù)。該文構(gòu)建的耕地健康評(píng)價(jià)框架在傳統(tǒng)評(píng)價(jià)體系上加入了3個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性分析，在診斷結(jié)果與已有研究中不同學(xué)者對(duì)曲周縣耕地綜合質(zhì)量、土壤肥力等評(píng)價(jià)結(jié)果保持較高一致性的同時(shí)[38-40]，進(jìn)一步探索了耕地系統(tǒng)整體健康、各子系統(tǒng)間的狀況與相互關(guān)系，對(duì)曲周縣耕地健康狀況及其空間分異特征進(jìn)行實(shí)證分析，再評(píng)價(jià)方法上做出一定探索與創(chuàng)新在縣域尺度上具有較強(qiáng)的科學(xué)性和可行性。此外，該文指標(biāo)體系構(gòu)建上聚焦華北集約化農(nóng)區(qū)耕地利用特征，數(shù)據(jù)的主要來源為實(shí)地采樣并化驗(yàn)，有較強(qiáng)說服力。

該文重點(diǎn)為構(gòu)建耕地健康評(píng)價(jià)框架，并從空間分異角度對(duì)曲周縣耕地健康進(jìn)行實(shí)證分析，故未基于時(shí)間尺度對(duì)曲周縣耕地健康狀態(tài)進(jìn)行探討。此外，部分指標(biāo)獲取難度較大，需在后續(xù)研究中盡可能多的收集實(shí)驗(yàn)樣本，進(jìn)一步增加評(píng)價(jià)的可靠性。

5 結(jié)論

（1）從系統(tǒng)觀的角度出發(fā)，構(gòu)建側(cè)重耕地本底要素和輸出的產(chǎn)品與服務(wù)協(xié)調(diào)性的耕地健康評(píng)價(jià)理論框架，并以耕地的本底宜耕性—產(chǎn)品可接受性—環(huán)境可承受性為準(zhǔn)則層，選取評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用協(xié)調(diào)性模型有效識(shí)別各子系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)程度，進(jìn)一步綜合評(píng)價(jià)耕地健康狀態(tài)，該方法彌補(bǔ)了現(xiàn)有研究中協(xié)調(diào)性與耕地健康評(píng)價(jià)缺乏結(jié)合的空白。

（2）以曲周縣為典型案例的評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，2018年曲周縣耕地本底宜耕性較好，受土壤質(zhì)地等要素限制，較差耕地主要集中在東南區(qū)域，僅占全縣耕地的12.07%；全縣耕地輸出產(chǎn)品可接受性從優(yōu)至差占比依次為37.32%、36.27%和26.40%，其中白寨鎮(zhèn)、南里岳鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)糧食生產(chǎn)處于弱穩(wěn)定狀態(tài)；在耕地總體環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)較小的同時(shí)，呈現(xiàn)出北低南高的分布特征，受地下水下降速率影響，其中伊莊鄉(xiāng)環(huán)境可承受性差的耕地面積占比可達(dá)本區(qū)域耕地面積的61.33%。

（3）經(jīng)協(xié)調(diào)性模型測(cè)算，曲周縣耕地系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性整體狀況較差，其中中部及東部區(qū)域系統(tǒng)不協(xié)調(diào)明顯。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，以曲周鎮(zhèn)為代表的地區(qū)協(xié)調(diào)性處于高等綜合水平，占曲周縣耕地總面積的10.1%，其耕地資源本底、產(chǎn)品和環(huán)境各準(zhǔn)則層總體上呈現(xiàn)出同向向好發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于此類耕地應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注生產(chǎn)單元空間的重構(gòu)，解決田塊細(xì)碎化問題，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的提升路徑。白寨鎮(zhèn)與伊莊鄉(xiāng)耕地受土壤和地下水條件限制，協(xié)調(diào)性綜合水平處于差等，占曲周縣耕地總面積的22.9%，在該區(qū)域內(nèi)需引導(dǎo)農(nóng)戶使用有機(jī)肥，改善土壤結(jié)構(gòu)，適當(dāng)降低耕地利用強(qiáng)度，耕地健康極差的應(yīng)及時(shí)退耕、休耕，實(shí)現(xiàn)其本底宜耕性、環(huán)境可承受性的恢復(fù)。綜上，該文構(gòu)建的基于系統(tǒng)協(xié)調(diào)性的耕地健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可行性較強(qiáng)。