地理空間視角下耕地資源新認(rèn)知體系構(gòu)建

葉思菁 ，宋長(zhǎng)青 ※，高培超 ，程 鋒 ，任書義 ，杜 彬

（1. 北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875；2. 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875；3. 中國(guó)國(guó)土勘測(cè)規(guī)劃院,北京 100035）

0 引言

糧食安全問題是關(guān)系人類可持續(xù)發(fā)展基本需求的世界性問題[1]。FAO 報(bào)告顯示，當(dāng)今世界仍有近7 億人缺乏飲食保障，并隨著人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、氣候等因素變化，至2050 年全球糧食需求將增長(zhǎng)近70%（也有研究提出糧食需求增長(zhǎng)100%～110%）[2-3]。作為人類賴以生存的寶貴資源，耕地不但承擔(dān)為人類的生存與發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)物質(zhì)基礎(chǔ)和食物保障的產(chǎn)品供給功能，還具有氣候調(diào)節(jié)、凈化水質(zhì)、生物控制等多種生態(tài)功能[4]。2019 年，IPCC《氣候變化與土地報(bào)告》指出耕地退化在危及糧食安全同時(shí)也會(huì)加劇氣候變化，可持續(xù)耕地利用對(duì)減少土壤侵蝕，消除饑餓以及應(yīng)對(duì)氣候變化具有重要作用。而耕地?zé)o序擴(kuò)張嚴(yán)重威脅森林、草地等其他生態(tài)系統(tǒng)安全[5]。這對(duì)全球科學(xué)家和政策制定者提出艱巨挑戰(zhàn)，即如何在保障糧食需求的同時(shí)，保護(hù)耕地及其他生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，滿足農(nóng)業(yè)、生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[6-8]。

中國(guó)把“十分珍惜和合理利用每一寸土地，切實(shí)保護(hù)耕地”作為一項(xiàng)基本國(guó)策?！吨泄仓醒雵?guó)務(wù)院關(guān)于加強(qiáng)耕地保護(hù)和改進(jìn)占補(bǔ)平衡的意見》（中發(fā)﹝2017﹞4 號(hào)）要求，著力加強(qiáng)耕地管控、建設(shè)、激勵(lì)多措并舉保護(hù)。中國(guó)共產(chǎn)黨第二十次全國(guó)代表大會(huì)提出“牢牢守住十八億畝耕地紅線，確保中國(guó)人的飯碗牢牢端在自己手中”。事實(shí)證明，雖然中國(guó)人均耕地面積不足世界平均數(shù)的40%，但以全球9%的耕地養(yǎng)活近20%的人口，實(shí)現(xiàn)糧食產(chǎn)量“十五連豐”，為實(shí)現(xiàn)聯(lián)合國(guó)千年發(fā)展目標(biāo)作出重要貢獻(xiàn)[9-11]。然而，當(dāng)前增產(chǎn)不代表永續(xù)高產(chǎn)，在過去的40 年，化肥農(nóng)藥的過度投入、重型農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的推廣和多重套種的高強(qiáng)度利用不斷加劇農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)退化，引起耕作層變薄、板結(jié)、酸化、有機(jī)質(zhì)降低，引發(fā)植物生理特征病變，危害土壤動(dòng)物與微生物群落結(jié)構(gòu)，抑制土壤酶活性，阻礙土壤中有機(jī)質(zhì)分解、腐殖質(zhì)形成等物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，影響耕地可持續(xù)利用；并通過飲用水或土壤-植物系統(tǒng)經(jīng)食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康[12]。在此背景下，亟待加強(qiáng)耕地資源利用與保護(hù)耦合認(rèn)知理論與方法研究。

耕地是在自然資源要素和人為活動(dòng)的共同作用下，以食物生產(chǎn)為核心，兼具生活、生態(tài)、文化等多重功能的復(fù)雜綜合體[13]。耕地成為資源的本質(zhì)是“地理空間的可利用性”[14]，其功能質(zhì)量是氣候、地形、土壤、生物、工程設(shè)施、地理區(qū)位、科技水平、社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件等多要素在特定開放空間中綜合作用的結(jié)果，在垂直空間視角涉及巖石圈、土壤圈、水圈、大氣圈和生物圈的相互作用[15]；在平面空間視角表現(xiàn)為自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)要素驅(qū)動(dòng)下的區(qū)域格局差異與時(shí)空過程差異[16]。作為一門以綜合性和區(qū)域性見長(zhǎng)的學(xué)科，地理學(xué)以不同時(shí)空尺度下獨(dú)立要素、要素群以及全要素系統(tǒng)的格局與過程耦合研究為核心[17-18]。從地理空間視角切入，為理解耕地資源是如何變化的；在哪里發(fā)生，為什么會(huì)發(fā)生，以什么樣的速率發(fā)生變化；這些變化又可能產(chǎn)生什么影響等問題提供了重要突破點(diǎn)[19-20]。

眾多學(xué)者基于地理空間視角圍繞陸地表層（子）系統(tǒng)、自然資源系統(tǒng)認(rèn)知框架開展思考與研究。部分研究聚焦土地系統(tǒng)的多尺度、區(qū)域性與動(dòng)態(tài)性特征，提出基于“格局—過程—服務(wù)”級(jí)聯(lián)關(guān)系認(rèn)知土地資源空間分布與時(shí)間演化、自然條件與人類需求之間的系統(tǒng)關(guān)聯(lián)狀態(tài)及運(yùn)行軌跡[21]；耦合人口—經(jīng)濟(jì)—社會(huì)—生態(tài)—文化等多要素解析人地交互作用過程[22]；基于作土關(guān)系、人居關(guān)系、居業(yè)關(guān)系、產(chǎn)城關(guān)系理解人地關(guān)系地域系統(tǒng)類型、結(jié)構(gòu)與動(dòng)力機(jī)制[23]；基于“生物多樣性—生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—過程與功能—服務(wù)”級(jí)聯(lián)式理論框架理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估指標(biāo)與土地利用的可持續(xù)性[24]；基于“要素—結(jié)構(gòu)—功能”級(jí)聯(lián)理解鄉(xiāng)村地域系統(tǒng)的重構(gòu)作用機(jī)制[25]；通過效率提升、價(jià)值顯化、要素流通與結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程理解顯隱性土地利用轉(zhuǎn)型過程影響城鄉(xiāng)融合發(fā)展的機(jī)制[26]；基于“資源環(huán)境約束下的植物物質(zhì)生產(chǎn)-生物種群繁衍-人類社會(huì)發(fā)展互作的動(dòng)力學(xué)機(jī)制”的科學(xué)理念，理解大尺度生態(tài)系統(tǒng)的起源、分布、演變、格局的生態(tài)過程機(jī)制[27]等。作為土地系統(tǒng)的重要組成，唐華俊等定義農(nóng)業(yè)土地系統(tǒng)為“以土地為核心承載的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)與土地系統(tǒng)的結(jié)合部分，即人類利用耕地從事的一切活動(dòng)及其后果”，其研究對(duì)象從耕地時(shí)空分布擴(kuò)展至農(nóng)業(yè)集約化、作物種植制度與物候、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)等諸多方面，并提出從時(shí)空格局探測(cè)、變化過程模擬以及綜合效應(yīng)分析三方面認(rèn)知農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中人地綜合復(fù)雜關(guān)系[28]。此外，針對(duì)基于“還原論”思維和方法體系逐級(jí)分解陸地表層要素，在理解開放土地系統(tǒng)非線性變化規(guī)律方面的困境，越來越多的學(xué)者提出引入復(fù)雜系統(tǒng)理論方法來解釋土地系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制[23,27,29]。例如，宋長(zhǎng)青等在討論陸地表層系統(tǒng)空間格局、時(shí)間過程及時(shí)空變化機(jī)制“復(fù)雜性”特征基礎(chǔ)上，提出發(fā)展適用于地理空間認(rèn)知的復(fù)雜系統(tǒng)理論與方法[29]。于貴瑞等在大陸尺度陸地生態(tài)系統(tǒng)數(shù)值模擬器研究中強(qiáng)調(diào)“雖然無(wú)法抓住復(fù)雜性的各個(gè)細(xì)節(jié)，但應(yīng)盡力揭示復(fù)雜性系統(tǒng)基本性質(zhì)”[27]。圍繞自然資源認(rèn)知，相關(guān)學(xué)者提出基于地理空間視角認(rèn)知自然資源的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、形態(tài)、分布、價(jià)值，自然資源要素之間相互關(guān)系，自然資源的區(qū)域特性與協(xié)調(diào)性，及自然資源與人類活動(dòng)的關(guān)系[30]；基于形態(tài)結(jié)構(gòu)、能量平衡和行為（管理）信息3 個(gè)維度認(rèn)知草地資源[31]；基于自然資源的資源、資產(chǎn)和資本特性，構(gòu)建面向自然資源高質(zhì)量發(fā)展需求的時(shí)空信息技術(shù)框架[32]等。在耕地資源認(rèn)知方面，眾多學(xué)者圍繞耕地?cái)?shù)量、質(zhì)量、價(jià)值、生態(tài)等特征的時(shí)空變化、空間分異及驅(qū)動(dòng)機(jī)制開展研究[33-35]，并探索土地整治與高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)適宜性、潛力與效應(yīng)的評(píng)估方法[36-39]。例如，胡月明等深入探討了耕地系統(tǒng)、耕地質(zhì)量、耕地資源認(rèn)知內(nèi)涵與演進(jìn)過程，在解析耕地資源內(nèi)部機(jī)制與外部?jī)r(jià)值基礎(chǔ)上，提出“二維要素—三重功能-多元價(jià)值”的耕地資源認(rèn)知框架[40]。上述研究與思想對(duì)本文探討地理空間視角下的耕地資源綜合認(rèn)知理論框架提供了重要的啟發(fā)與引導(dǎo)。

耕地系統(tǒng)是可人工賦能的半自然生態(tài)系統(tǒng)，在不同地理空間中具有特定結(jié)構(gòu)和功能特性，經(jīng)長(zhǎng)期自然演變形成穩(wěn)定的生態(tài)平衡狀態(tài)。人類活動(dòng)是驅(qū)動(dòng)耕地系統(tǒng)功能狀態(tài)變化或穩(wěn)態(tài)相變的主導(dǎo)因素，直接或間接影響耕地生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能，但這種影響過程及耕地系統(tǒng)相應(yīng)的彈性與響應(yīng)過程因耕地本底特征而表現(xiàn)出空間分異。然而，已有研究往往圍繞耕地利用強(qiáng)度[10,41-42]、耕地質(zhì)量[43-45]、耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[4,46-47]中的一方面開展，較少關(guān)注耕地利用模式、本底屬性、生態(tài)功能的互饋?zhàn)饔?；部分研究聚焦耕地利用與耕地質(zhì)量因子或生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相互作用（例如，耕地空間轉(zhuǎn)換對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響[11,48-49]；耕作密度對(duì)生物多樣性影響[50-51]；耕地細(xì)碎化對(duì)耕地集約利用影響[52]等）或耕地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的耦合關(guān)系[53]，但往往重視耕地顯性利用而對(duì)隱性因子的考慮不足，并缺乏過程機(jī)理模型研究。上述不足導(dǎo)致耕地資源認(rèn)知難以定量表征“區(qū)域適宜的耕地集約利用強(qiáng)度與模式”；預(yù)警“主導(dǎo)區(qū)域耕地健康的序參量及其觸發(fā)機(jī)制與拐點(diǎn)”；回答關(guān)于“土地節(jié)約（land sparing）”與“土地共享（land sharing）”[54]的長(zhǎng)期爭(zhēng)議。本文擬基于耕地資源研究的長(zhǎng)期實(shí)踐，在地理空間視角下探討一個(gè)寬泛的耕地資源綜合認(rèn)知理論框架，著重解析基于耕地資源利用-本底-效益級(jí)聯(lián)關(guān)系綜合認(rèn)知耕地資源格局的研究?jī)?nèi)容與理論基礎(chǔ)，并探討耕地資源認(rèn)知關(guān)鍵技術(shù)難題，以期為探索耕地保護(hù)與利用協(xié)同路徑、推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展提供支持。

1 耕地資源內(nèi)涵探討

在已有耕地資源質(zhì)量、價(jià)值研究基礎(chǔ)上，筆者從維度及特征層面探討耕地資源內(nèi)涵（圖1）。在維度層面，耕地資源由自然層、生計(jì)層、制度層、意識(shí)層組成。從“要素-功能-價(jià)值”視角解析，自然層是耕地作為資源的基礎(chǔ)支撐，側(cè)重基于地貌—?dú)夂颉摹参?動(dòng)物-土壤要素的耕地生態(tài)系統(tǒng)支持、調(diào)節(jié)、供給功能，通過生態(tài)價(jià)值表征，可以視為耕地資源內(nèi)在價(jià)值。生計(jì)層對(duì)應(yīng)耕地資源的生產(chǎn)功能與社會(huì)保障功能，前者是自然要素與人文要素綜合作用的結(jié)果，表現(xiàn)為工具價(jià)值；后者基于農(nóng)戶機(jī)會(huì)成本及社會(huì)保險(xiǎn)量化，是社會(huì)價(jià)值的組成部分。制度層體現(xiàn)對(duì)自然層與生計(jì)層的保護(hù)與管控，重點(diǎn)面向耕地保障農(nóng)戶生計(jì)與糧食安全的社會(huì)價(jià)值。此外，通過發(fā)展耕地系統(tǒng)科學(xué)研究，進(jìn)而提升耕地生產(chǎn)力與生態(tài)保護(hù)技術(shù)創(chuàng)造的認(rèn)知價(jià)值，也是制度層的范疇。意識(shí)層強(qiáng)調(diào)耕地的文化娛樂功能以及人們對(duì)耕地的情感（如鄉(xiāng)土鄉(xiāng)情、故鄉(xiāng)的味道），通過不同群體對(duì)耕地的保護(hù)意愿及農(nóng)戶耕作意愿量化，表現(xiàn)為關(guān)系價(jià)值。此外，耕地資源的5 種價(jià)值難以割離：自然價(jià)值是其他價(jià)值實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)；自然價(jià)值和工具價(jià)值共同支撐社會(huì)價(jià)值實(shí)現(xiàn)；認(rèn)知價(jià)值是提升耕地自然、工具、社會(huì)價(jià)值所形成的附加價(jià)值；而關(guān)系價(jià)值衍生于不同群體對(duì)耕地生態(tài)、工具、社會(huì)價(jià)值的認(rèn)知與情感；這種價(jià)值間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系也進(jìn)一步提升耕地資源認(rèn)知與定量評(píng)估難度。

圖1 耕地資源的內(nèi)涵探討Fig.1 The connotation of arable land resources

在特征層面，耕地資源兼具自然屬性與社會(huì)屬性，具備多尺度、整體性、區(qū)域性與動(dòng)態(tài)性特征。多尺度特征指在不同空間尺度，耕地資源功能的核心需求存在差異，例如農(nóng)戶尺度側(cè)重經(jīng)濟(jì)功能，國(guó)家尺度關(guān)注糧食安全與社會(huì)保障功能；而驅(qū)動(dòng)或表征耕地資源演變的關(guān)鍵因子存在不同時(shí)間尺度的變化特征，例如土壤氮含量受人類耕作活動(dòng)表現(xiàn)出季節(jié)尺度變化，而氣候變化在年際年代尺度體現(xiàn)。把握耕地資源的整體性，需從生態(tài)系統(tǒng)承載力、城鄉(xiāng)發(fā)展需求與糧食供給需求及三者空間關(guān)系入手，發(fā)展耕地系統(tǒng)相態(tài)與熵變界定理論與表征方法。應(yīng)對(duì)耕地資源的區(qū)域性，需從空間上理解耕地系統(tǒng)功能及其影響要素的局地差異、近程效應(yīng)和遠(yuǎn)程效應(yīng)。顧及耕地資源的動(dòng)態(tài)性，一方面需要對(duì)外部氣候變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景有合理預(yù)期，進(jìn)而量化未來情景下作物潛在單產(chǎn)、復(fù)種制度、水資源承載力、潛在植被類型等水—糧食—生態(tài)關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)變量；另一方面需要考慮耕地系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)會(huì)因外界擾動(dòng)發(fā)生波動(dòng)式變化。

2 耕地資源認(rèn)知框架及內(nèi)容

2.1 耕地資源認(rèn)知框架

概念框架是認(rèn)知耕地資源進(jìn)而探索其利用與保護(hù)協(xié)同路徑的重要前提和理論基礎(chǔ)。本文嘗試提出地理空間視角下耕地資源綜合認(rèn)知框架（圖2），包括認(rèn)知目標(biāo)、認(rèn)知內(nèi)容、認(rèn)知理論、認(rèn)知方法與技術(shù)4 個(gè)組成部分。耕地資源認(rèn)知應(yīng)置于全球變化背景下，考慮氣候變化、“碳中和”目標(biāo)、生態(tài)保護(hù)、可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)實(shí)現(xiàn)等對(duì)耕地系統(tǒng)關(guān)鍵功能的需求與影響。從不同學(xué)科視角，耕地資源認(rèn)知的目標(biāo)是多層次、多方面的。本文從地理空間視角，將耕地資源認(rèn)知目標(biāo)限定為以保障糧食安全為底線，探索特定外部背景與糧食供需平衡情景下耕地顯性空間優(yōu)化策略與隱性利用調(diào)控路徑，進(jìn)而為區(qū)域耕地紅線管控政策設(shè)計(jì)與實(shí)施提供理論與方法支撐。

圖2 地理空間視角下耕地資源認(rèn)知框架Fig.2 Framework architecture for cognizing arable land resources from the perspective of geospatial

2.2 耕地資源認(rèn)知內(nèi)容

為了實(shí)現(xiàn)上述耕地資源認(rèn)知目標(biāo)，需要從人地系統(tǒng)視角探究多維因素是如何影響耕地資源時(shí)空變化過程的。耕地資源認(rèn)知內(nèi)容涉及人類系統(tǒng)（需求端）與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)（供給端）兩部分。人與自然和諧共生的美麗中國(guó)圖景在糧食安全、生態(tài)健康、高質(zhì)量發(fā)展、人類福祉等多方面提出未來發(fā)展目標(biāo)，需求端應(yīng)在多維度情景下認(rèn)知文化傳統(tǒng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量未來需求的影響機(jī)制，進(jìn)而構(gòu)建定量評(píng)估理論模型與區(qū)域化表征方法，主要涉及經(jīng)濟(jì)水平提高影響飲食結(jié)構(gòu)、科技社會(huì)發(fā)展影響糧食流動(dòng)損耗與成本、農(nóng)作物價(jià)格彈性影響耕地?cái)U(kuò)張與作物結(jié)構(gòu)[55]等過程模型。其中典型的研究實(shí)踐有，TILMAN 等構(gòu)建了人均GDP 與人均食物需求的多項(xiàng)式關(guān)系，模擬2050 年全球作物熱量和蛋白質(zhì)需求，并定量評(píng)估實(shí)現(xiàn)全球糧食需求的發(fā)展路徑[3]。ZHAO 等[56]將全球生物圈管理模型進(jìn)行優(yōu)化和參數(shù)本地化校正，定量評(píng)估未來中國(guó)糧食需求、生產(chǎn)和貿(mào)易的發(fā)展趨勢(shì)。

供給端面向農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，從耕地資源利用、耕地資源本底、耕地資源效益三方面認(rèn)知耕地資源。耕地資源利用主要可分為顯性利用與隱性利用[57]，顯性利用是指引發(fā)空間形態(tài)變化并可直接觀測(cè)的耕地利用行為，包括耕地?cái)U(kuò)張與空間轉(zhuǎn)移、非糧化、破碎化等；隱性利用行為則難以根據(jù)地理實(shí)體的形態(tài)、光譜特征直接觀測(cè)，包括種子、化肥、農(nóng)藥、地膜、勞動(dòng)力投入，農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用，及免耕、少耕、秸稈還田等耕作技術(shù)。部分耕作行為兼具顯性與隱性特征，如耕地邊際化既有棄耕撂荒的空間表現(xiàn)形式，也可能表現(xiàn)為隱性的粗放利用；土地整治行為同時(shí)包含土地平整、工程建設(shè)等顯性特征與土壤改良、農(nóng)藝管理水平提升等隱性特征。不合理的耕地利用是威脅耕地資源本底與效益的主要原因（即壓力）。認(rèn)知耕地資源利用以要素精細(xì)化識(shí)別與評(píng)估為主要挑戰(zhàn)，聚焦高精度作物類型識(shí)別與農(nóng)業(yè)集約化因子空間化評(píng)估研究。

耕地資源本底認(rèn)知是面向耕地內(nèi)在屬性開展研究，觀測(cè)評(píng)估水熱氣候因子、土壤理化屬性、耕地?cái)?shù)量與分布、田間設(shè)施、微地形、生物多樣性等要素的狀態(tài)，理解內(nèi)在屬性間相互作用機(jī)理及其影響，診斷影響農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的主導(dǎo)參量及其拐點(diǎn)。氣象觀測(cè)與遙感觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展為耕地空間分布、氣候因子研究提供了多時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)支持；地形因子、土壤物理屬性因變化周期較長(zhǎng)，也具備了一定的單時(shí)相空間數(shù)據(jù)[58]；田間工程設(shè)施條件與生物群落觀測(cè)與數(shù)據(jù)共享成為認(rèn)知耕地資源本底的主要短板。根據(jù)2018－2019 年自然資源部組織開展全國(guó)65 個(gè)試點(diǎn)縣耕地健康產(chǎn)能調(diào)查實(shí)踐資料分析，眾多調(diào)查人員提出土壤蚯蚓生物量調(diào)查采樣困難并且不穩(wěn)定（因受采樣季節(jié)、位置與天氣條件影響大）；而灌溉保證程度、排水條件、農(nóng)藝管理水平等田間設(shè)施指標(biāo)受調(diào)查人員對(duì)當(dāng)?shù)厍闆r熟悉程度及知識(shí)水平影響較大。

耕地資源效益認(rèn)知通過“功能-服務(wù)-價(jià)值”視角評(píng)估農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在人地耦合作用下的外在表現(xiàn)（即響應(yīng)），直接支撐耕地資源生態(tài)價(jià)值、工具價(jià)值、社會(huì)價(jià)值、認(rèn)知價(jià)值與關(guān)系價(jià)值的實(shí)現(xiàn)，主要通過糧食產(chǎn)出、水/土壤/空氣環(huán)境脅迫、生境質(zhì)量狀況、水資源供給量、水土保持量、碳固存量等刻畫。由于耕地資源效益觀測(cè)實(shí)施過程復(fù)雜不一，當(dāng)前不同維度耕地資源效益評(píng)估研究往往應(yīng)用不同時(shí)空尺度測(cè)算的參數(shù)執(zhí)行計(jì)算，一定程度上削弱了資源效益空間分異特征，這一缺陷在多服務(wù)權(quán)衡分析時(shí)尤為突出。

耕地資源“利用-本底-效益”存在級(jí)聯(lián)關(guān)系與互饋?zhàn)饔?，耕地資源利用行為通過改變資源本底狀態(tài)，進(jìn)而支撐資源效益的實(shí)現(xiàn)；耕地資源效益指示耕地資源本底的質(zhì)量、健康狀況，進(jìn)而牽引或制約適宜的耕地利用行為。這一級(jí)聯(lián)關(guān)系的影響對(duì)微觀尺度更為突出，在尺度上升過程中受平滑效應(yīng)影響被一定程度削弱，并表現(xiàn)出區(qū)域性差異。因此，研究耕地資源“利用-本底-效益”間的互饋?zhàn)饔眠m合從微觀尺度出發(fā)，進(jìn)而探究微觀尺度互饋?zhàn)饔糜楷F(xiàn)出的宏觀效應(yīng)，這對(duì)耕地資源指標(biāo)體系設(shè)計(jì)及觀測(cè)樣本數(shù)量提出更高要求。目前圍繞“利用-本底”[52,59-61]、“利 用-效 益”[11,49-51,62]與“本 底-效益”[12,63-64]兩兩間互饋的區(qū)域性研究實(shí)踐逐漸豐富，但對(duì)三者綜合分析的考慮尚不足。例如，在大尺度研究氮肥投入對(duì)作物單產(chǎn)的貢獻(xiàn)時(shí)，應(yīng)考慮區(qū)域氣候、土壤、田間設(shè)施等本底屬性差異的干擾。又如研究極端氣候事件對(duì)農(nóng)作物單產(chǎn)的非線性影響過程，不僅需要考慮地形、土壤、田間設(shè)施因子等影響作物對(duì)極端氣候事件的抵抗力，還需要顧及農(nóng)戶耕作行為（灌溉、病蟲害防治等）、耕作意愿等利用屬性差異的干擾。發(fā)展耦合利用-本底-效益的耕地資源過程模型，對(duì)于模擬特定場(chǎng)景下低肥、低碳、高產(chǎn)的耕地顯隱性利用模式具有重要意義。

2.3 耕地資源認(rèn)知理論

2.3.1 土地適宜性

土地適宜性理論始于MCHARG，發(fā)揚(yáng)于FAO《土地評(píng)價(jià)綱要》，在長(zhǎng)期評(píng)估實(shí)踐中發(fā)展完善，表現(xiàn)為評(píng)估理論與主題多元化、評(píng)估體系與方法精細(xì)化，為認(rèn)知耕地資源開發(fā)利用適宜性提供理論支持。1969 年，MCHARG首次提出土地適宜性概念，認(rèn)為土地自然屬性決定某項(xiàng)土地用途的適宜程度，強(qiáng)調(diào)土地開發(fā)利用要遵循自然生態(tài)過程[65]。1976 年，F(xiàn)AO 頒布《土地評(píng)價(jià)綱要》將土地適宜性劃分為4 級(jí)：土地適宜性綱、土地適宜性級(jí)、土地適宜性亞級(jí)和土地適宜性單元，其評(píng)價(jià)對(duì)象主要為農(nóng)用地。傅伯杰等發(fā)展了土地適宜性評(píng)價(jià)理論，提出基于多過程、分尺度的視角從生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)三方面評(píng)估土地可持續(xù)利用[66]。倪紹祥等[67]提出利用相似距建立土地適宜性評(píng)估與土地利用規(guī)劃決策的聯(lián)系。而后在長(zhǎng)期實(shí)踐中，土地適宜性評(píng)估應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，覆蓋耕地利用適宜性、城市建設(shè)適宜性、生態(tài)保護(hù)適宜性、旅游開發(fā)適宜性、土地整理與復(fù)墾適宜性等眾多主題[68-72]；研究對(duì)象也由早期一級(jí)土地利用類型逐步向特定農(nóng)作物類型[73]、物種類型[74]細(xì)化；生態(tài)位理論、層次分析法、模糊隸屬度、主成分分析、人工智能方法等的融入推動(dòng)土地適宜性評(píng)估向精細(xì)化發(fā)展，為耕地資源空間格局優(yōu)化提供理論支持。

2.3.2 資源環(huán)境承載力

資源環(huán)境承載力關(guān)注資源環(huán)境“最大負(fù)荷”這一基本命題，最早起源于力學(xué)系統(tǒng)中的承載力理論，隨后被引入到生態(tài)學(xué)和區(qū)域發(fā)展領(lǐng)域[75]。中國(guó)的資源環(huán)境承載力研究，最早起源于單要素的承載力研究，如土地承載力、水資源承載力和生態(tài)承載力[76]。然而，隨著研究的深入，單要素研究愈發(fā)局限，學(xué)界基于可持續(xù)發(fā)展、人口理論、環(huán)境容量、生態(tài)足跡和短板效應(yīng)等理論，開始構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)區(qū)域資源環(huán)境承載能力進(jìn)行評(píng)估，資源環(huán)境承載力逐漸發(fā)展成為關(guān)注資源合理開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的綜合性概念[77-78]。樊杰等[79-80]在汶川災(zāi)后重建規(guī)劃研究中，正式提出資源環(huán)境承載的整體概念并在后續(xù)研究中不斷發(fā)展。資源環(huán)境承載力研究為認(rèn)知耕地資源的適宜利用強(qiáng)度和環(huán)境邊界提供理論基礎(chǔ)。

2.3.3 耕地質(zhì)量與價(jià)值

中國(guó)耕地質(zhì)量研究衍生于土壤質(zhì)量研究，相比于后者更強(qiáng)調(diào)表征自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)因素作用下耕地系統(tǒng)整體性狀態(tài)。耕地質(zhì)量?jī)?nèi)涵在爭(zhēng)議中發(fā)展，并隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展表現(xiàn)出不同的側(cè)重點(diǎn)，包括“生產(chǎn)力視角”[81-82]，“自然屬性視角”[83]，“自然-經(jīng)濟(jì)雙重屬性”[84-85]，“耕地利用多重功能性視角”[86-90]等。耕地質(zhì)量評(píng)估理論在發(fā)展中融入生產(chǎn)力形成理論、級(jí)差地租理論、土地報(bào)酬遞減規(guī)律、空間變異理論、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論等，逐步形成綜合表征耕地資源生產(chǎn)、生活、生態(tài)多元功能的評(píng)估體系，覆蓋地形特征、土壤性狀、耕作條件、土壤環(huán)境、生物特性、利用強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)效益等多個(gè)維度，其中的代表性框架有“天—地—人—生”[91-92]，“要素—過程—功能—特性—質(zhì)量”[93]等。耕地價(jià)值觀在馬克思主義勞動(dòng)價(jià)值論、土地價(jià)值二元論、勞動(dòng)價(jià)值泛化論、效用價(jià)值論、使用價(jià)值決定論、三元價(jià)值論等多種思想交匯中發(fā)展，逐步形成包含經(jīng)濟(jì)價(jià)值、生態(tài)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值、精神價(jià)值等的多元價(jià)值體系，相關(guān)評(píng)估方法包括傳統(tǒng)市場(chǎng)法、替代市場(chǎng)法、模擬市場(chǎng)法等[94-96]。耕地質(zhì)量與價(jià)值研究為認(rèn)知耕地資源本底與效益提供理論支持。

2.3.4 耕地集約利用

耕地集約利用研究可以追溯到19 世紀(jì)中期，MALTHUS 明確地在人口增長(zhǎng)的背景下探討了農(nóng)業(yè)集約化[97]。BROOKFIELD 將農(nóng)業(yè)集約化定義為以資本、勞動(dòng)力和技能的投入替代土地，從而從某一特定地區(qū)獲得更多的生產(chǎn)，使生產(chǎn)更集中成為可能[98]。在早期研究中，土地利用集約化以單位土地的生產(chǎn)投入或產(chǎn)出來衡量。隨著工業(yè)化發(fā)展，耕地集約利用逐漸成為緩解耕地供給和需求矛盾，保證社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的必要選擇，相關(guān)研究逐漸聚焦于不同的主題，包括集約化的驅(qū)動(dòng)因素、集約化潛在的生態(tài)危害以及集約化與耕地?cái)U(kuò)張的相互關(guān)系。這使得明確評(píng)估耕地集約化的效益變得重要，并推動(dòng)采用創(chuàng)新的方法來評(píng)估耕地集約利用強(qiáng)度[99-100]?？紤]到耕地集約利用強(qiáng)度的復(fù)雜性，眾多研究從多維度提出評(píng)估方法，可以歸納為4 個(gè)方面：投入強(qiáng)度，產(chǎn)出強(qiáng)度，投入和產(chǎn)出的組合和對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)影響。耕地集約利用研究為認(rèn)知耕地資源利用及影響，進(jìn)而優(yōu)化耕地利用路徑提供理論支持。

2.3.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡研究旨在充分認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間多重非線性關(guān)系、類型特征、響應(yīng)速率、驅(qū)動(dòng)機(jī)制和尺度效應(yīng)的基礎(chǔ)上，找到生態(tài)保護(hù)與社會(huì)-經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的平衡點(diǎn)，提出科學(xué)合理的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理策略，以實(shí)現(xiàn)不同利益相關(guān)方的效益最大化[101-103]。從權(quán)衡目標(biāo)出發(fā)，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡可從認(rèn)知與決策2 個(gè)維度進(jìn)行解讀[104]。權(quán)衡認(rèn)知研究是在定量化評(píng)估不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)物質(zhì)量或價(jià)值量基礎(chǔ)上，著重研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系（例如無(wú)相互關(guān)聯(lián)、直接權(quán)衡、凸權(quán)衡、凹權(quán)衡、非單調(diào)凹權(quán)衡以及反“S”型權(quán)衡等）及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制與時(shí)空尺度效應(yīng)。權(quán)衡認(rèn)知研究方法主要包括統(tǒng)計(jì)方法（例如Pearson 相關(guān)系數(shù)法、有序加權(quán)平均算子、kmeans 聚類、logistic 回歸、ESTD 模型、均方根誤差、生產(chǎn)可能性邊界等）與空間分析方法（例如單變量/雙變量局部空間自相關(guān)分析、主成分分析、疊加分析等）。權(quán)衡決策研究是在確定不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化之間的潛在因果關(guān)系基礎(chǔ)上，借助情景分析、多目標(biāo)分析等手段，將權(quán)衡結(jié)果應(yīng)用到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的集成管理與優(yōu)化決策之中，實(shí)現(xiàn)整體惠益的最大化[105]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡研究為模擬耕地資源利用提供理論支持。

2.3.6 地理耦合

耦合強(qiáng)調(diào)“兩個(gè)或兩個(gè)以上獨(dú)立單元的相互作用，并產(chǎn)生以物質(zhì)為載體的能量交換過程”[106]。格局與過程耦合可表達(dá)為“格局影響過程，過程改變格局”[21]。宋長(zhǎng)青等[105]提出地理耦合內(nèi)涵包括地理要素耦合、地理空間耦合、地理界面耦合、地理空間尺度耦合、地理關(guān)系耦合、地理耦合解譯。地理耦合模型包括簡(jiǎn)單概念模型、智能體模型、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、綜合評(píng)估模型、融合人類活動(dòng)的陸面過程與地球系統(tǒng)模型等[106]。發(fā)展對(duì)人類活動(dòng)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的定量感知與尺度轉(zhuǎn)換方法，通過不同層次耦合，解讀特定地域耕地資源的關(guān)鍵要素、結(jié)構(gòu)和功能關(guān)聯(lián)機(jī)制（如水—糧食—能源關(guān)聯(lián)耦合），是明晰耕地資源利用—本底—效益級(jí)聯(lián)關(guān)系與互饋?zhàn)饔玫挠行緩健?/p>

2.3.7 復(fù)雜地理系統(tǒng)

地理系統(tǒng)是一個(gè)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，其包含種類多樣的子系統(tǒng)，并具有層次結(jié)構(gòu)。復(fù)雜地理系統(tǒng)理論[19]在地理學(xué)長(zhǎng)期區(qū)域性、綜合性人地關(guān)系研究與復(fù)雜系統(tǒng)自組織理論、突變理論、耗散結(jié)構(gòu)理論相互融合中形成，側(cè)重刻畫微觀尺度下多元非結(jié)構(gòu)化地理要素復(fù)雜自適應(yīng)行為，并解釋其相互作用及對(duì)宏觀地理現(xiàn)象的涌現(xiàn)過程。2018 年，宋長(zhǎng)青等從組織結(jié)構(gòu)、組織次序、要素關(guān)系、研究方法等角度，解釋地理系統(tǒng)是一個(gè)非線性演化特征的復(fù)雜系統(tǒng)，并闡述了復(fù)雜地理系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)論，認(rèn)為地理學(xué)的研究對(duì)象，即陸地表層是一個(gè)復(fù)雜地理系統(tǒng)，其“復(fù)雜性”具體表現(xiàn)在三方面：地理要素的時(shí)空過程、要素之間的相互作用、驅(qū)動(dòng)機(jī)制。當(dāng)前地理系統(tǒng)研究的不足在于缺乏能夠?qū)?fù)雜的、綜合的陸地表層過程進(jìn)行解析的方法[29]。在地理系統(tǒng)中探索性應(yīng)用的復(fù)雜系統(tǒng)方法包括復(fù)雜的冪律分布；空間分形與時(shí)間分形；混沌現(xiàn)象的特征量；復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)[107]等。然而，當(dāng)前復(fù)雜地理系統(tǒng)理論尚在發(fā)展初期，面臨如何界定復(fù)雜地理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；如何度量復(fù)雜地理系統(tǒng)的“復(fù)雜性”“熵”與“序”；如何刻畫復(fù)雜地理系統(tǒng)的“相”；如何識(shí)別復(fù)雜地理系統(tǒng)的“相變”與“序參量”等挑戰(zhàn)。耕地系統(tǒng)是復(fù)雜地理系統(tǒng)研究的典型對(duì)象，復(fù)雜地理系統(tǒng)理論為認(rèn)知耕地系統(tǒng)演化提供了新途徑。例如，通過度量不同空間優(yōu)化與利用調(diào)控策略引起的耕地系統(tǒng)熵變特征，可為耕地利用路徑規(guī)劃決策提供理論支持；識(shí)別耕地系統(tǒng)“相變”與“序參量”可為耕地資源退化診斷與預(yù)警提供理論支持。

3 耕地資源認(rèn)知技術(shù)體系

耕地資源認(rèn)知技術(shù)發(fā)展迅速，但難題尚存。難題一是耕地資源感知技術(shù)不足，對(duì)于耕地資源隱性利用、耕地資源本底屬性及效益缺乏時(shí)空連續(xù)的感知數(shù)據(jù)支持，亟待突破指標(biāo)觀測(cè)裝備與空間化模擬方法；難題二是面向海量多源異構(gòu)耕地資源數(shù)據(jù)的高算力支撐不足，亟需突破高效穩(wěn)定的時(shí)空大數(shù)據(jù)集成計(jì)算技術(shù)；難題三是耕地資源指標(biāo)非線性作用認(rèn)知不足，解析指標(biāo)作用過程的理論、方法研究不足，亟待發(fā)展耦合人地系統(tǒng)的耕地資源評(píng)估、診斷、模擬方法。針對(duì)上述難題，本文作者基于近10 年耕地資源認(rèn)知技術(shù)的研究實(shí)踐，提出從星空地融合感知、高性能時(shí)空數(shù)據(jù)處理、時(shí)空格局與過程分析、空間模擬與優(yōu)化四方面發(fā)展耕地資源認(rèn)知技術(shù)體系（圖3）。

圖3 耕地資源認(rèn)知技術(shù)體系Fig.3 Technical system for cognizing arable land resources

3.1 星空地融合的耕地資源感知

耕地資源感知技術(shù)為認(rèn)知耕地資源“利用-本底-效益”格局與互饋?zhàn)饔锰峁┒鄷r(shí)相空間化數(shù)據(jù)支撐。首先，遙感觀測(cè)技術(shù)發(fā)展為中高分辨率耕地資源時(shí)空變化認(rèn)知提供有力支持，形成了GLOBELAND30,GLC_FCS30等重要數(shù)據(jù)集，但耕地內(nèi)涵復(fù)雜、種植結(jié)構(gòu)多樣的特征以及高時(shí)空分辨率耕地保護(hù)監(jiān)管需求對(duì)耕地利用類型遙感識(shí)別技術(shù)提出更精細(xì)要求。其次，星地融合技術(shù)發(fā)展推動(dòng)多元化耕地資源指標(biāo)觀測(cè)評(píng)估，在農(nóng)作物類型識(shí)別與單產(chǎn)評(píng)估、土壤理化性質(zhì)評(píng)估、田間設(shè)施評(píng)估、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)估等方面取得突破，但評(píng)估成果的時(shí)空分辨率離高質(zhì)量耕地資源時(shí)空信息保障仍有較大差距，且評(píng)估模型擴(kuò)展應(yīng)用能力及評(píng)估結(jié)果誤差尚需進(jìn)一步優(yōu)化。第三，外業(yè)調(diào)查為耕地資源認(rèn)知與指標(biāo)模擬提供重要“真值”，亟需基于指標(biāo)空間異質(zhì)性與空間相關(guān)性特征發(fā)展空間布樣技術(shù)[108-110]；面向農(nóng)戶尺度耕地利用調(diào)查發(fā)展集成參與式、空間信息服務(wù)等的數(shù)據(jù)匯聚技術(shù)[111-112]；面向土壤物理、化學(xué)、生物指標(biāo)調(diào)查發(fā)展高精度觀測(cè)裝備。

3.2 高性能時(shí)空數(shù)據(jù)處理

耕地資源觀測(cè)“全地域、全方位、全時(shí)域、全要素”[30]發(fā)展方向及耕地資源模擬“多情景、高精度、快反饋”應(yīng)用需求對(duì)高性能時(shí)空數(shù)據(jù)處理技術(shù)提出挑戰(zhàn)。首先，作為耕地資源觀測(cè)的重要數(shù)據(jù)源，需發(fā)展高效穩(wěn)定的多源遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理與反演計(jì)算工作流。例如葉思菁等設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)GF-1 號(hào)數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理工作流，集成輻射校正、正射校正、幾何校正、云檢測(cè)、投影變換優(yōu)化算法[113-117]。其次，政府部門耕地調(diào)查業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)往往基于矢量格式分區(qū)組織，具有海量非結(jié)構(gòu)化特征，需要高性能矢量數(shù)據(jù)處理技術(shù)支持。一種可行的解決方案是基于HILBERT曲線的矢量圖斑分塊存儲(chǔ)插件并嵌入HADOOP HDFS 底層，實(shí)現(xiàn)全國(guó)耕地圖斑高效存儲(chǔ)、計(jì)算與表達(dá)[118-120]。第三，耕地資源指標(biāo)矢柵數(shù)據(jù)具有多源異構(gòu)多尺度特征，在坐標(biāo)系統(tǒng)、時(shí)空分辨率、分幅規(guī)則、元數(shù)據(jù)規(guī)范與內(nèi)容、數(shù)據(jù)類型等方面存在差異，需發(fā)展耕地資源時(shí)空大數(shù)據(jù)集成計(jì)算技術(shù)。例如YE 等面向耕地質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，研發(fā)時(shí)空數(shù)據(jù)多層級(jí)格網(wǎng)集成框架(Raster Dataset Clean &Reconstitution Multi-Grid,RDCRMG)，該框架基于多尺度格網(wǎng)構(gòu)建異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一分塊組織規(guī)則，并集成集群存儲(chǔ)、無(wú)元數(shù)據(jù)索引、格網(wǎng)編碼以提升數(shù)據(jù)管理效率[121-122]。第四，多情景下實(shí)現(xiàn)大范圍、高空間分辨率耕地利用格局優(yōu)化與模擬研究，需研發(fā)基于GPU、MPI 等的并行計(jì)算模型。

3.3 時(shí)空格局與過程分析

時(shí)空格局與過程分析是認(rèn)知耕地資源“利用—本底—效益”格局與互饋?zhàn)饔玫闹苯邮侄?，主要依托統(tǒng)計(jì)模型與機(jī)理模型實(shí)現(xiàn)。統(tǒng)計(jì)模型直接研究觀測(cè)變量間的數(shù)值關(guān)系，主要包括描述性統(tǒng)計(jì)、判別統(tǒng)計(jì)和回歸統(tǒng)計(jì)。描述性統(tǒng)計(jì)方法指應(yīng)用方差、均值、中位數(shù)等參數(shù)表達(dá)耕地資源指標(biāo)的區(qū)域差異或基于加權(quán)平均等方法表達(dá)耕地資源綜合特征。例如，YE 等[10]評(píng)估中國(guó)縣級(jí)單元耕地平均利用強(qiáng)度，研究提出中國(guó)耕地利用具有較大的提升潛力，當(dāng)前近54%的縣區(qū)耕地平均利用強(qiáng)度不足60%，并對(duì)比不同縣區(qū)耕地利用強(qiáng)度均值與離散程度的差異；REN 等[123]基于薈萃分析方法，統(tǒng)計(jì)了近20 年中國(guó)耕地土壤重金屬含量的時(shí)空變化特征。葉思菁等提出耕地健康產(chǎn)能的評(píng)估方法，并基于方差分析評(píng)估耕地健康-亞健康的臨界預(yù)警值[12]。LIU 等[124]從數(shù)量平衡、產(chǎn)能平衡、耕作距離變化、利用可持續(xù)性4 個(gè)維度評(píng)估了近20 年中國(guó)省域尺度耕地占補(bǔ)平衡政策的實(shí)施成效，研究發(fā)現(xiàn)雖然補(bǔ)充耕地的平均耕作距離達(dá)占用耕地的2-7 倍，但由于偏遠(yuǎn)耕地被粗放利用甚至撂荒（進(jìn)而被遙感分類模型識(shí)別為其他土地利用類型），省級(jí)平均耕作距離在同時(shí)期下降了3.82%～63.88%。判別統(tǒng)計(jì)模型包括主成分分析、空間自相關(guān)、k-means、地理探測(cè)器、自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，支持耕地資源利用、本底、效益多要素的類型與模式表達(dá)，例如LU 和YE 等[125-126]應(yīng)用支持向量機(jī)、深度殘差網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建外業(yè)背景下田間蝗蟲種類與齡期動(dòng)態(tài)識(shí)別模型；YE 等[127]應(yīng)用k-means 模型解析中國(guó)縣級(jí)耕地產(chǎn)能、耕作條件、利用強(qiáng)度與經(jīng)濟(jì)水平的空間聚類模式，研究提出高耕作條件-低利用強(qiáng)度是當(dāng)前中國(guó)耕地質(zhì)量發(fā)展的主要矛盾?；貧w統(tǒng)計(jì)模型包括皮爾遜相關(guān)系數(shù)、地理加權(quán)回歸、多元線性回歸、小波回歸、結(jié)構(gòu)方程、隨機(jī)森林等，常用于解析若干影響因素對(duì)耕地資源要素的驅(qū)動(dòng)作用。機(jī)理模型應(yīng)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)邏輯刻畫觀測(cè)變量間的互作用過程，例如作物模型、陸面過程模型、生態(tài)水文模型、地租模型、李嘉圖模型等。相比于生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、土壤學(xué)和氣候?qū)W等領(lǐng)域側(cè)重自然要素過程模型，耕地資源過程模型更強(qiáng)調(diào)自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)因素驅(qū)動(dòng)下人類行為對(duì)耕地資源本底與效益的互饋機(jī)制，如刻畫不同耕作方式對(duì)土壤碳氮儲(chǔ)量與作物產(chǎn)出的影響。發(fā)展耕地資源時(shí)空格局與過程分析模型體系，需要在不同尺度應(yīng)用統(tǒng)計(jì)模型深化理解耕地系統(tǒng)要素—結(jié)構(gòu)—過程—功能—格局及其相互作用關(guān)系基礎(chǔ)上，定量描述多要素—多過程—多界面—多介質(zhì)—多尺度耕地系統(tǒng)過程及其行為特征[27,106]。

3.4 多情景空間模擬與優(yōu)化

在特定時(shí)空?qǐng)鼍跋骂A(yù)判耕地利用管控策略會(huì)引起耕地資源利用、本底、效益發(fā)生何種變化，或解答如何調(diào)整耕地資源利用、本底空間格局以滿足特定的效益需求，是耕地資源認(rèn)知為耕地資源管理提供智能化知識(shí)服務(wù)的核心切入點(diǎn)。耕地資源空間模擬的研究主題是預(yù)測(cè)不同管控情景下耕地利用空間變化格局。耕地資源空間模擬一般將耕地定義為一種或多種特定的土地利用類型，將耕地面積或產(chǎn)能作為規(guī)劃需求，應(yīng)用土地利用變化模擬模型實(shí)現(xiàn)，其中代表性的模型有元胞自動(dòng)機(jī)模型、CLUE系列模型、GEOMOD 系列模型、Agent 模型等。設(shè)計(jì)規(guī)劃需求與轉(zhuǎn)換規(guī)則是土地利用變化模擬的重點(diǎn)。元胞自動(dòng)機(jī)模型、CLUE 系列模型等依托柵格單元的局部相互作用模擬土地利用變化模式，相關(guān)研究提出集成馬爾可夫鏈、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型、灰色模型或政府規(guī)劃情景等量化規(guī)劃需求；集成邏輯回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等模型構(gòu)建轉(zhuǎn)換規(guī)則。例如GAO 等[128]應(yīng)用CLUMondo 模型模擬河南省未來多種人口增長(zhǎng)與糧食安全情景下耕地利用變化過程。ZHENG 等[129]應(yīng)用LANDSCAPE（LAND System Cellular Automata model for Potential Effects）模型從國(guó)家、省、市和縣4 個(gè)尺度模擬耕地?cái)?shù)量平衡、產(chǎn)能平衡情景下耕地空間分布格局并評(píng)估其對(duì)生境質(zhì)量的影響。Agent 模型通過模擬微觀主體的行為過程涌現(xiàn)宏觀土地變化，從研究單元視角可分為“主體決策模型”與“空間決策模型”[130]，前者一般以個(gè)人或家庭為主體單元，模擬主體行為或結(jié)構(gòu)變化對(duì)土地利用格局的影響；后者面向空間網(wǎng)格單元，模擬不同主體決策或偏好對(duì)單元土地利用方式的影響。深入理解政策因素、農(nóng)戶行為與自然-經(jīng)濟(jì)-社會(huì)條件綜合影響下的耕地利用變化機(jī)制，完善顧及耕地資源利用—本底—效益狀態(tài)與互饋?zhàn)饔玫母刈兓枨笈c轉(zhuǎn)換規(guī)則，成為發(fā)展耕地資源空間模擬的重要方向。

耕地空間優(yōu)化側(cè)重通過耕地資源空間優(yōu)化配置實(shí)現(xiàn)特定效益需求，這一過程通常會(huì)權(quán)衡多個(gè)目標(biāo)以使凈效益最大化（即解空間中的最優(yōu)解），典型的求解方法包括模擬退火算法、遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等。例如，王昊煜等面向經(jīng)濟(jì)效益最大、生態(tài)效益最大、土地緊湊性最大3 個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)用NSGA-Ⅱ算法模擬西寧市土地利用優(yōu)化方案[131]，并以拉薩市土地優(yōu)化為例從算法理論與優(yōu)化結(jié)果視角對(duì)比了NSGA-Ⅱ算法與NSGA-Ⅲ算法的特征[132-133]。FOLBERTH 等在考慮氣候、土壤條件空間異質(zhì)性特征基礎(chǔ)上分區(qū)評(píng)估作物潛在單產(chǎn)，進(jìn)而基于多目標(biāo)優(yōu)化方法，模擬在當(dāng)前作物產(chǎn)量不變前提下，調(diào)整作物結(jié)構(gòu)與耕地面積對(duì)全球化肥投入及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響[134]。發(fā)展耕地空間優(yōu)化模型，一是要應(yīng)用耕地利用-本底-效益級(jí)聯(lián)理論完善優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的設(shè)計(jì)；二是要提升優(yōu)化算法在耕地空間優(yōu)化中的收斂效率與魯棒性；三是將空間模擬模型與優(yōu)化算法集成，提升局部?jī)?yōu)化結(jié)果的可行性。

4 結(jié)論與展望

協(xié)同耕地資源保護(hù)與利用，關(guān)系中華民族永續(xù)發(fā)展的千年大計(jì)。當(dāng)前中國(guó)耕地空間格局與利用方式正發(fā)生變化，表現(xiàn)出“非農(nóng)化”“非糧化”“細(xì)碎化”“邊際化”與“生態(tài)退化”等諸多問題。過往耕地資源認(rèn)知研究強(qiáng)調(diào)人對(duì)耕地的顯性利用，并以狀態(tài)評(píng)估為主，一定程度上忽視了耕地顯隱性綜合利用及其與耕地生態(tài)系統(tǒng)的互饋機(jī)制，導(dǎo)致難以定量表征“區(qū)域適宜的耕地集約利用強(qiáng)度與模式”；預(yù)警“主導(dǎo)區(qū)域耕地健康的序參量及其觸發(fā)機(jī)制與拐點(diǎn)”；權(quán)衡耕地生產(chǎn)、生活、生態(tài)功能空間格局；進(jìn)而對(duì)協(xié)同耕地利用與保護(hù)、應(yīng)對(duì)耕地“五化”的理論方法支持不足。耕地成為資源的本質(zhì)是“空間的可利用性”，在自然層、生計(jì)層、制度層、意識(shí)層表現(xiàn)出不同的“要素-功能-價(jià)值”級(jí)聯(lián)關(guān)系，并具有多尺度、整體性、區(qū)域性、動(dòng)態(tài)性特征。地理空間視角為理解耕地資源格局、過程、影響及驅(qū)動(dòng)因素提供重要突破點(diǎn)。本文擬基于耕地資源研究的長(zhǎng)期實(shí)踐，在地理空間視角下探討一個(gè)寬泛的耕地資源綜合認(rèn)知理論框架，著重解析基于耕地資源利用-本底-效益級(jí)聯(lián)關(guān)系綜合認(rèn)知耕地資源格局的研究?jī)?nèi)容與理論基礎(chǔ)，并探討耕地資源認(rèn)知關(guān)鍵技術(shù)難題，主要結(jié)論如下：1）認(rèn)知耕地資源，在需求端應(yīng)定量評(píng)估不同社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展情景下中國(guó)多元食物需求，并以保障糧食安全為基本底線；在供給端應(yīng)從耕地資源利用、耕地資源本底、耕地資源效益三方面評(píng)估耕地資源狀態(tài)，診斷影響耕地系統(tǒng)的主導(dǎo)因素及其拐點(diǎn)，模擬利用—本底—效益互饋?zhàn)饔茫M(jìn)而以滿足供需平衡為目標(biāo)，探索多情景下耕地資源空間優(yōu)化策略與利用調(diào)控路徑。2）在理論層面，耕地資源認(rèn)知應(yīng)充分扎根于土地適宜性、資源環(huán)境承載力、耕地質(zhì)量與價(jià)值、耕地集約利用、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡、地理耦合等已有理論，并不斷融匯復(fù)雜地理系統(tǒng)理論的創(chuàng)新思想，發(fā)展耕地利用、本底、效益的狀態(tài)評(píng)估方法與問題診斷方法；創(chuàng)新基于利用-本底-效益互饋機(jī)制的耕地資源空間優(yōu)化與利用調(diào)控方法。3）在技術(shù)層面，亟需從星空地一體化感知、高性能時(shí)空數(shù)據(jù)處理、時(shí)空格局與過程分析、多情景空間模擬與優(yōu)化四方面發(fā)展技術(shù)方法體系，為耕地資源認(rèn)知提供數(shù)據(jù)、算力與模型支撐。

回首改革開放40 年，最可驕傲的成就之一，是實(shí)現(xiàn)了“零饑餓”的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。建設(shè)新時(shí)代的美麗中國(guó)，下一項(xiàng)重要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)由“吃飽”向“吃好、飲食更健康”轉(zhuǎn)變。其中一個(gè)最突出的問題是，作為具有中國(guó)特色的“最嚴(yán)格的耕地保護(hù)”新戰(zhàn)略應(yīng)該如何確定？回答這一問題需要綜合考慮多元化食品供需關(guān)系及耕地利用、本底、效益的互饋?zhàn)饔?，以協(xié)同農(nóng)作物生產(chǎn)與耕地生態(tài)保護(hù)。2023 年中央一號(hào)文件在加強(qiáng)耕地保護(hù)與用途管控、加強(qiáng)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展等方面提出目標(biāo)。根據(jù)本文提出的耕地資源綜合認(rèn)知理論框架，基于地理空間視角解析耕地資源利用-本底-效益級(jí)聯(lián)互饋機(jī)制，進(jìn)而研發(fā)空間優(yōu)化模型并模擬不同空間優(yōu)化與利用調(diào)控策略對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的影響，可在優(yōu)化耕地空間格局、劃定耕地保護(hù)紅線、預(yù)警農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)退化、解析區(qū)域性高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)的核心短板因子、評(píng)估區(qū)域性耕地減肥增效潛力等方面為實(shí)現(xiàn)中央一號(hào)文件目標(biāo)提供支持。同時(shí)，本文側(cè)重從理論層面探討地理空間視角下耕地資源認(rèn)知體系，在下一步工作中需在不同區(qū)域不同尺度開展特定場(chǎng)景下耕地資源利用-本底-效益互饋機(jī)制的實(shí)證研究，其中一個(gè)重要內(nèi)容是本底特征是如何影響耕地利用-效益耦合過程的，理解這一問題對(duì)于診斷限制耕地效益的核心因子與拐點(diǎn)，評(píng)估通過優(yōu)化耕地利用方式及整治耕地本底條件提升耕地效益的潛力，進(jìn)而優(yōu)化耕地空間格局具有重要意義。開展這項(xiàng)研究對(duì)高分辨率耕地布局與作物類型數(shù)據(jù)，及長(zhǎng)時(shí)序空間化的耕地投入、土壤性狀、工程設(shè)施水平、農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平等定量數(shù)據(jù)提出高要求，亟需融合星空地的耕地資源感知模型支持；另一項(xiàng)必要條件是突破計(jì)算效率限制，研發(fā)顧及耕地效益差異的空間模擬與優(yōu)化模型。另一個(gè)重要方向是融合耗散結(jié)構(gòu)、協(xié)同學(xué)、自組織、突變論等復(fù)雜系統(tǒng)理論與方法，研究耕地復(fù)雜系統(tǒng)“熵”與“序”的度量方法；探索微觀尺度利用方式及其變化對(duì)宏觀尺度耕地系統(tǒng)“熵變”與“相變”的涌現(xiàn)過程、序參量及臨界條件。

致謝：感謝劉焱序、黃慶旭、房德琳、高秉博、謝一茹、王昊煜關(guān)于本文部分內(nèi)容的討論；感謝蔣嘉益、張曄鏵、周坤對(duì)部分文獻(xiàn)資料的整理；感謝北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部地理數(shù)據(jù)與應(yīng)用分析中心地學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)支持（https://gda.bnu.edu.cn/）。