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  農業資源與環境學報  2021, Vol. 38 Issue (6): 937-945  DOI: 10.13254/j.jare.2021.0711
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引用本文  

胡月明, 楊顥, 鄒潤彥, 等. 耕地資源系統認知的演進與展望[J]. 農業資源與環境學報, 2021, 38(6): 937-945.
HU Yueming, YANG Hao, ZOU Runyan, et al. Evolution and prospect of systematic cognition on the cultivated land resources[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2021, 38(6): 937-945.

基金項目

國家自然科學基金項目(U1901601)

Project supported

The National Natural Science Foundation of China(U1901601)

通信作者

史舟??E-mail: shizhou@zju.edu

作者簡介

胡月明(1964-), 男, 湖南安化人, 博士, 二級教授, 研究方向為土地資源評價與地理信息系統應用。E-mail: ymhu@scau.edu.cn

文章歷史

收稿日期: 2021-10-18
錄用日期: 2021-10-27
耕地資源系統認知的演進與展望
胡月明1,2,3 , 楊顥2,3 , 鄒潤彥2,3 , 史舟4 , 吳文斌5 , 鄔倫6 , 王璐1,2,3 , 任向寧2,3 , 謝英凱2,3 , 任少寶3 , 朱治強1 , 熊昌盛1 , 謝夏1     
1. 海南大學熱帶作物學院, ???570208;
2. 華南農業大學資源環境學院, 廣州 510642;
3. 廣州市華南自然資源科學技術研究院, 廣州 510642;
4. 浙江大學環境與資源學院, 杭州 310058;
5. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所, 北京 100081;
6. 北京大學地球與空間科學學院, 北京 100871
摘要: 耕地是人類改造和利用地表而形成的最古老和最廣泛的人地系統,耕地質量是耕地系統諸要素耦合狀態的表達,耕地資源是在一定時間、技術和經濟條件下耕地開發利用價值的體現。本文厘清了耕地系統、耕地質量、耕地資源認知內涵與演進過程,解析了耕地資源的“自然-人文”構成要素與耦合關系、“水平-垂直”結構特征與形成機理、“生產-生態-生活”功能協同與轉換關系、“物質-能量-信息”交換過程與響應機制,以及“經濟-生態-社會”服務價值與演變規律,構建了“二維要素-三重功能-多元價值”的耕地資源認知系統,提出了系統認知耕地資源的新思路,解構了耕地資源內部機制與外部價值,以期為耕地保護與質量提升及自然資源資產“兩統一”管理提供理論依據,推動高質量跨越式發展的耕地保護與資源利用新格局構建。
關鍵詞: 耕地    耕地系統    耕地質量    耕地資源    耕地保護    三生    認知    
Evolution and prospect of systematic cognition on the cultivated land resources
HU Yueming1,2,3 , YANG Hao2,3 , ZOU Runyan2,3 , SHI Zhou4 , WU Wenbin5 , WU Lun6 , WANG Lu1,2,3 , REN Xiangning2,3 , XIE Yingkai2,3 , REN Shaobao3 , ZHU Zhiqiang1 , XIONG Changsheng1 , XIE Xia1     
1. College of Tropical Crops, Hainan University, Haikou 570208, China;
2. College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China;
3. South China Academy of Natural Resources Science and Technology, Guangzhou 510642, China;
4. College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;
5. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;
6. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract: Cultivated land is the oldest and most extensive human-land system formed by human civilization through the transformation of the earth's surface for thousands of years. The ability of cultivated land system to maintain stable production and healthy environment is reflected in the quality characteristics of cultivated land, under certain technical and economic conditions within a certain period of time, and the development and utilization value is expressed as the resource attribute of cultivated land. This paper clarifies the cultivated land system, the quality of cultivated land and cultivated land resources, on the basis of cognitive connotation and evolution process. The "nature-humanity" constituent elements and their coupling relationship of cultivated land resources are analyzed, characteristics and formation mechanism of "horizontal-vertical" structure, "production-ecology-living" function synergy and transformation relationship. The exchange process and response mechanism of "matter-energy-information", and the service value and evolution law of "economy-ecologysociety", the cognitive system of cultivated land resources is constructed, which is "two-dimensional factor-triple function-multiple value". A new way of systematically recognizing cultivated land resources is proposed, deconstructing the internal mechanism and external value of cultivated land resources, service farmland protection and quality improvement and natural resource assets "two unified" management, to support the construction of a new pattern of resource utilization and cultivated land protection under high-quality crossdomain development.
Keywords: cultivated land    cultivated land system    cultivated land quality    cultivated land resources    cultivated land protection    production-ecology-living    cognition    

萬物土中生,有土斯有糧。耕地是最古老的人地系統,是人類影響地表系統最廣泛和最深刻的體現。作為人類賴以生存的寶貴資源,耕地長期擔負著食物供給、生態調節與質能循環等多種重要功能,對保障全球糧食安全、生態安全以及人類可持續發展具有重要意義[1-4]。聯合國糧農組織發布的《2020年世界糧食安全和營養狀況報告》顯示,全球仍有近6.9億人處于饑餓狀態。近年來,受新冠肺炎疫情、極端天氣、蝗蟲災害等影響,世界正瀕臨至少50年來最嚴重的糧食危機。耕地的核心功能是為人類提供糧食,但全球人均耕地面積已從1961年的0.437 hm2下降到2019年的0.202 hm2 [5],而世界總人口到2050年預計會增加至97億,所需糧食將達到現在的兩倍[4, 6];同時,隨著糧食需求的增長,耕地利用強度越來越大,從美國的“黑風暴”到巴西亞馬遜雨林的伐林種糧,全球農業過度開發加劇了土地退化,耕地的可持續利用也面臨挑戰。

耕地問題已成為全球糧食安全與可持續發展的極大威脅,尤其是在人口數量世界第一的中國。一方面,隨著我國工業化、城鎮化發展進入新常態,大量耕地被占用或被非農化、非糧化利用,我國人均耕地面積已從1961年的0.160 hm2減少到2019年的0.096 hm2 [5];另一方面,我國絕大部分耕地的質量為中等偏下水平,而占優補劣、農地撂荒、災害損毀、土壤污染等問題加劇了耕地質量的退化[7-9]。然而,隨著我國國民膳食結構的升級、飼料和工業轉化用糧消費的增加以及生物質能源的發展,我國糧食消費總量也不可避免地呈現剛性增長。因此,在確保綠色發展和資源永續利用的條件下,我國穩定發展糧食生產壓力增大,中長期的糧食產需仍將維持緊平衡態勢。中共中央、國務院在《關于加強耕地保護和改進占補平衡的意見》(中發〔2017〕4號)中明確指出:“耕地是我國最為寶貴的資源,關系十幾億人吃飯大事,必須保護好,絕不能有閃失”。全面實施國家糧食安全戰略和鄉村振興戰略,全面落實“藏糧于地、藏糧于技”戰略,著力加強耕地數量、質量、生態三位一體保護,穩定提升糧食綜合生產能力,保障國家糧食安全,是我國亟待解決的重大國家需求。

當前,我國的耕地數量逐漸減少,耕地質量日益退化,耕地后備資源嚴重不足[10],如何保障國家糧食安全、農業高質量發展的關鍵命題在于耕地資源的保護與合理利用。但耕地是受自然環境和人為活動影響的綜合系統,人類對耕地需求具有多樣化,不同的需求使耕地擁有多重質量特征,在一定技術經濟條件和一定時間內的開發利用表現出不同的資源價值。耕地資源認知過程在不斷地演進,由農耕文明時期的只關注生產力,演變為當今關注耕地多功能服務價值。如何全面、科學、準確地認識耕地資源,是支撐耕地保護與質量提升及自然資源資產“兩統一”管理的關鍵,對我國乃至全世界的糧食安全、農業可持續發展及生態環境保護具有非常重要的意義。

1 耕地資源認知演進 1.1 耕地系統

耕地是用于種植農作物并經常進行耕耘的土地。耕地系統是以耕地為主體的自然生態系統和以人類活動為主體的社會經濟系統在特定區域內通過協同和拮抗作用而形成的復合系統。目前,學者們對耕地系統的認知基于系統論思想,結合可持續發展理論、生態學理論等做了許多研究工作[11-16]圖 1)。系統論的整體性思想對可持續發展的理論探究和實踐活動具有指導意義,耕地系統經歷了從簡單到復雜、從無序到有序的復雜演化發展過程,各種自然、人文要素及其耦合關系影響著系統的發展。但是,由于耕地系統涉及因素眾多,現有研究沒有對耕地系統進行全面的探討,尚未探究影響耕地系統結構功能及其運行規律的主控因素及其作用機理,而且對耕地系統功能與價值之間相互作用關系考慮不足。

圖 1 耕地系統認知過程 Figure 1 Cognitive process of cultivated land system

耕地系統是一個具有自組織特征的系統,有一定的自我調節和自我恢復的能力,同時,耕地系統還是一個自然-人文的復合系統,在自然與人類的共同作用下,系統內部不斷進行著物質循環、能量流動和信息傳遞等,因此,耕地系統并不是固定在一種狀態上永久不變,而是具有培育、提升、維系、退化、轉變等全生命周期發展過程,在每個階段中又保持一種波動式的自平衡狀態。

1.2 耕地質量

耕地質量通常是指耕地的狀況與條件,隨著研究深入,耕地質量認識逐漸深化,其內涵也在不斷演化。到目前為止,國內外不同學者及政府管理部門對耕地質量持有不同的見解,尚未形成統一的認識[17-18]。國外對耕地質量的關注集中在農業土地利用下的“Soil quality”(土壤質量)或“Land quality”(土地質量),是可獲得的農業土地或土壤的利用潛力[17]。土壤質量一般是指土壤在生態系統中,或在土地利用內部發揮作用的能力,主要包括能夠維持作物正常生產的能力、環境質量,以及促進動植物健康成長的能力[19-20]。土地質量一般指土地的狀況或條件,包括與人類需求相關的水、土壤、生物特性等[21-22]。土地質量比土壤質量應用更廣泛,其結合了土壤、水、氣候、地形和植被的特征來評估土地利用潛力[23-27]。

我國學者從人類對耕地的實際需求出發對耕地質量進行了詳細闡述。耕地質量認知的研究可分為四個階段[17, 25-36]圖 2):①以耕地適宜性為主的認知;②以耕地生產力為主的認知;③以耕地可持續利用為主的認知;④以耕地多功能生態服務為主的綜合認知。以目前的認知水平來看,耕地質量受到立地、生態、生產、社會、經濟等要素的綜合影響。構成要素的綜合性以及耕地利用的多樣性賦予了耕地自然、經濟、社會等多重屬性[37-38],這使得綜合多重屬性的耕地質量觀的形成是耕地利用歷史發展和人們思想認識演變的必然結果。

圖 2 耕地質量認知過程 Figure 2 Cognitive process of cultivated land quality
1.3 耕地資源

耕地資源是農業生產最基本的物質條件,其在數量和質量上的變化必將影響到糧食生產的波動,從而影響到糧食有效供給及糧食安全水平。耕地資源是一種公眾資源,也是最主要的自然資源,具有多重價值屬性,人類對耕地的需求呈現多樣性、層次性、區域性特點,耕地的價值隨著需求主體的變化而變化[39]。

耕地資源的認識過程(圖 3)早期關注的焦點在耕地資源的生產能力產生的經濟價值上[40-41];之后耕地的數量保護及質量提升成為研究熱點[42];當前朝著綜合考慮耕地資源的經濟、生產、社會及生態等價值的方向發展[39, 42-43]。

圖 3 耕地資源認知過程 Figure 3 Cognitive process of cultivated land resource
2 耕地資源認知系統

前人在耕地資源相關的領域開展了認知研究,例如孔祥斌[34]基于“要素-過程-功能”對耕地質量進行認知,分析了耕地資源綜合體的組成要素與二維方向的耕地過程,提出針對多功能的耕地質量認知。傅伯杰等[44]基于“格局-過程-服務”系統認知土地資源,根據生態系統的格局過程耦合理論,通過多尺度研究識別土地資源的“格局-過程-服務”級聯關系。但多數研究沒有將耕地作為一種特殊的資源,從耕地系統構成、質量差異、資源利用的角度系統認知。

本文從系統角度梳理了耕地資源的構成要素及其耦合關系、結構特征與功能轉換、過程機制與價值規律,構建了“要素-功能-價值”系統認知框架,以期深化耕地資源認知理論,支撐耕地保護與質量提升及自然資源資產“兩統一”管理,推動耕地保護與資源利用新格局構建。

2.1 耕地資源構成要素及其耦合關系

耕地資源“自然-人文”二維要素是耕地資源的基礎,可分為立地、生態、生產、經濟、社會五種類型。耕地資源通過各種要素間的耦合作用形成不同結構過程,從而體現不同的功能服務[45]。立地要素是耕地資源的“底”,是構成耕地的自然環境,包括土壤、地形地貌、氣候、水文以及生物等要素[46]。生態要素是耕地資源作為一類生態系統所包含的耕地景觀以及環境要素,包括耕地的景觀格局、景觀類型、土壤環境、水體環境、大氣環境等。生產要素是耕地資源相關的生產資料,包括生產者的認知水平、生產管理的技術措施等要素。經濟要素是人類對耕地的投入-產出情況,包括耕地資源的農業投入、機械化水平、耕地產出等。社會要素是人類社會化活動對耕地資源產生的影響,包括人口總量、城鎮化、政策、文化等。在耕地資源系統中各要素不是孤立存在和發展的,而是存在一定耦合關系,例如,立地要素中“自然環境本底”與經濟要素中“投入-產出”存在耦合效應[47]。這些要素成比例、分層次地構成有秩序的耕地資源結構[48-49],是耕地資源保持整體性、具有一定功能的內在根據。

2.2 耕地資源結構特征與功能轉換

耕地資源擁有時間和空間的層次結構特征[50],空間上體現為母質-土壤-作物的垂直結構[34]和耕地空間分布格局的水平結構,以及自然、文化、社會、經濟等與耕地資源交互的復合結構。時間上又分為短期、中期和長期尺度:在短期尺度上體現為在不同生產季的耕地種植利用周期;中期尺度上體現為在一定年限內耕地改良提升周期;長期尺度上體現為長時間內耕地耕作成土周期。耕地資源的功能由耕地資源的要素和結構綜合體現,根據人類對耕地需求的不同,耕地的功能也不同,人類對耕地有多少種需求,就有多少種耕地功能與之相對應。耕地資源功能主要表現為生產功能、生態功能、生活功能[51]。生產功能是耕地的基礎功能,是其生產糧食的內在潛力,是能夠直接滿足人類生存和發展物質需求的功能。生態功能是耕地資源作為一種生態系統存在,進而維持人類生態環境穩定的功能,是耕地資源內部及其與外部自然環境進行物質、能量、信息交換而產生的功能。生活功能是耕地資源在維持社會穩定方面的能力,包括保障國家在糧食安全方面的社會穩定以及保障農村地區在農民就業、生產及發展方面的社會穩定,是人類的生存環境所擁有的文化體現,也是社會經濟發展到一定水平而產生的耕地附加功能。耕地資源“三生”功能并不完全趨向于協同關系,當耕地資源構成要素與層次結構發生變化時,也會導致其不同功能間的轉換。

2.3 耕地資源過程機制與價值規律

價值的本質是在交換現象的背后決定交換比例的共同性質或者屬性[52],耕地資源作為一種自然、生態、經濟多重復合系統,發揮著為人類提供多重服務的功能,且在不同功能所傳輸的物質和能量流交換過程中產生價值。而在實質意義上,使用價值實際上是表示物為人而存在的價值[52],這就表明耕地資源價值就是耕地資源為實現人類需求所體現出的價值。耕地資源的多功能性是其構成要素及其耦合關系與層次結構特征綜合作用的體現,包括供給服務、調節服務、文化服務以及支撐服務,是滿足耕地資源價值的重要保障[51]。耕地資源價值可以細分為經濟價值、生態價值、社會價值、文化價值、認識價值、道德價值以及審美價值等,但在耕地資源系統要素-功能-價值的運轉關系框架下,筆者認為耕地資源價值主要包括經濟價值、生態價值、社會價值。耕地資源在自然- 人文要素耦合關系與物理、化學、生物等多重驅動力作用下產生物質循環、能量流動及信息傳遞的過程,反映的是耕地資源內部響應機制與外部價值演變規律。

2.4 耕地資源系統認知 2.4.1 耕地資源系統運轉

耕地資源是一個耗散結構的開放系統,是外界物質與能量不斷匯入的非平衡條件下的有序系統,有一定的恢復力和抵抗力[50]。耕地資源系統內部是要素- 功能-價值關系的有序運轉,其與外部環境的相互聯系和作用通過耕地功能來體現(圖 4)。耕地資源系統通過能量、物質的輸入輸出而產生一系列的耕地過程,其需要持續的輸入以得到穩定的輸出,這些耕地過程形成了一個有序的、穩定的結構使得耕地資源系統正常運轉。生產功能可以滿足農作物的生長需求,是耕地資源最主要的功能,耕地資源系統的要素基本都參與其中,通過系統空間垂直結構的水、土、氣、生及光合作用過程來實現,主要包括太陽輻射、人為投入品等在內的外部能量輸入,以及農產品的輸出過程。生態功能是耕地資源系統與外部環境的調節、緩沖等作用,是由本底要素和生態要素構成的水平結構,反映的是耕地系統空間格局。生活功能主要是以復合結構體現耕地資源系統的自然、文化、社會、經濟等價值,其主要是與外部環境形成輸入輸出產品和服務的過程。耕地資源系統的立地、生態、生產、社會、經濟要素在不同空間、時間結構下,通過物質循環、能量流動、信息傳遞過程,表現出涵蓋耕地資源三重功能和多元價值的規律,進一步滿足人類資源利用的外在需求,最終形成人地和諧的可持續利用耕地資源系統。

圖 4 耕地資源系統運轉 Figure 4 Operation of cultivated land resource system
2.4.2 耕地資源要素-功能-價值認知系統

要素是構成耕地資源系統的存在并維持其運動的必要的最小單位,要素之間存在相互作用與聯系。過程是事物或現象產生和發展的動態特征,對結構的形成起決定性作用,要素和過程互相耦合驅動著耕地資源系統的整體運轉,并呈現出某種耕地資源功能特征[53-55]。通過這些過程機制輸送物質流、能量流以及信息流來體現耕地資源系統的內部聯系,從而表現出耕地資源的不同功能[50]。耕地資源系統功能是耕地資源提供產品與服務的能力,要素組合和結構狀況決定了功能屬性和功能強度[48, 54],是在耕地資源系統與外部環境相互聯系和相互作用中表現出來的性質、能力和功效。耕地資源系統功能將耕地資源生產與利用相關活動聯系起來,分為生產、生態、生活三大類功能。價值是衡量耕地資源生產、生活和生態功能的重要標準和依據[51],耕地資源價值的構成主要包括經濟價值、社會價值和生態價值[56-58]。耕地資源價值演變規律受耕地資源系統內部構成要素及其耦合關系、結構特征與功能轉換等多種因素共同影響,同時表現出時間上周期性擾動和空間上分布不均衡等特點。本文構建了耕地資源“二維要素-三重功能-多元價值”認知系統,如圖 5所示。

圖 5 耕地資源認知系統 Figure 5 Cognitive system of cultivated land resource
3 結論與展望

耕地資源在人類生存、自然演變、生態循環、資源經濟等活動中扮演的角色越來越多,從耕地系統到耕地質量再到耕地資源,其認知過程也在不斷演進與發展。耕地資源系統構成要素及其耦合關系、結構特征與功能轉換賦予了耕地資源經濟、社會、生態等多元價值屬性。但當前對于耕地資源的“自然-人文”構成要素及其耦合關系、“水平-垂直”結構特征與形成機理、“生產-生態-生活”功能協同與轉換關系、“物質-能量-信息”交換過程與響應機制,以及“經濟-生態-社會”服務價值與演變規律研究系統性不足。本文構建的耕地資源“二維要素-三重功能-多元價值”綜合認知系統,從系統角度對耕地資源的構成、運轉進行梳理與解析,闡明了耕地資源系統內部機制與外部價值,提供滿足時代發展的耕地資源認知理論基礎,為科學指導耕地資源保護、耕地質量評價創新以及可持續的耕地質量提升提供依據。未來可重點加強以下方面的研究:

(1)考慮分層級探討不同尺度下耕地資源系統的要素組成,識別各尺度下的關鍵要素,解析耕地資源系統“生產-生態-生活”三重功能,以及三重功能耦合作用下的協同/轉換關系,深入研究耕地資源價值過程機制與價值規律,建立耕地資源系統要素-功能-價值的全面認知。

(2)識別耕地空間格局演變的驅動因子,量化耕地空間格局演變對耕地資源系統功能的影響,識別影響耕地資源系統服務權衡/轉換關系的關鍵功能,建立耕地資源系統三重功能評估、多元價值演變規律的分析模型,提出具有針對性的耕地保護調控對策。

(3)進一步深化基于耕地資源系統三重功能演變所體現的價值對自然資源資產價值核算和耕地保護補償方式、補償標準的實踐,探索向統一核算和綜合補償方式轉變的路徑,形成高質量跨越式發展的資源利用與耕地保護新格局。

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