县域农业资源承载力评价预警系统构建初探*

2018-03-27罗其友马力阳高明杰

中国农业资源与区划 2018年2期

罗其友，马力阳，高明杰，刘洋

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081)

0 引言

农业是我国国民经济的基础产业之一，是社会经济发展和国家战略安全的重要保障，而农业资源则是农业发展赖以存在的基础要素，其承载力是合理安排农业发展的前提和基础。只有摸清资源承载力，才能对农业生产进行合理安排。当前，我国正处于全面建设小康社会和推进生态文明建设的关键时期，也是传统农业向现代农业转型的重要阶段，国家“十三五”规划纲要提出了新的资源发展观，即树立节约集约循环利用的资源观，推动资源利用方式根本转变，加强全过程节约管理，大幅提高资源利用综合效益[1]。农业资源在经济社会可持续发展中的基础性和战略性日渐凸显。我国农业面临着农产品消费需求升级、发展方式转变、资源环境约束趋紧、“三生”功能协调发展障碍等诸多新问题和新形势[2-4]，局部地区农业资源已难以承载社会经济和生态安全健康发展[5]。因此，亟须加强农业资源承载力评价预警管控。

目前，已有大量文献对资源环境承载能力进行了研究，并取得了显著的成果。从研究对象来看，已有研究主要集中在水资源[6-9]、土地资源[10-13]、地区相对资源承载能力[14-16]等方面。从资源承载力的研究思路和方法来看，目前大多研究基于承载力的概念，从承载对象方向切入，即通过测算承载对象(人口或经济)的理论承载规模，根据实际承载规模与理论承载规模之间平衡关系进行承载状态的评价预警。这种方法适用于评价对象是相对封闭的系统，其技术进步缓慢，与其他地区之间的物质能量交换量较小，可忽略不计。这一思路的特点是契合承载力的概念，但缺点是计算复杂，操作难度大，对于地区耕地等农业资源的承载能力计算会出现逻辑上的缺陷和矛盾。因此，提出另外一种计算承载力的思路，即从承载体方向切入，通过监测评价承载体(自然资源本底)变化态势进行承载状态的评价预警。这种思路方法简便直观，适用于评价对象是一个技术进步快、与其他地区间的物质能量交换量大、流向复杂、数据获取难的开放系统，如省级、县级、乡镇级层面农业资源承载力的测算。

建立资源环境承载能力评价预警系统，对水土资源、环境容量和海洋资源超载区域提出限制性措施，是中央全面深化改革的一项重大任务。构建农业领域的资源承载力评价预警系统将为全国资源环境承载能力评价预警提供重要支撑，为加强农业资源保育保护、推进农业绿色发展和政府社会治理能力的提升提供重要抓手。

1 农业资源承载力的概念内涵与理论框架

1.1 概念内涵

农业资源是一种特定的资源，是指农业生产活动中所利用的有形投入和无形投入，有广义和狭义之分[17]。广义的农业资源是指所有农业自然资源、自然条件和农业生产所需要的社会经济技术资源的总和。狭义的农业资源仅指农业自然资源和自然条件，不包括农业生产的社会经济技术条件。该文中的农业资源指狭义的农业自然资源。樊杰等[18]认为资源环境承载能力是指作为承载体的自然基础对作为承载对象的人类生产生活活动的支撑能力。农业资源承载能力则是一定时期和一定区域范围内，在维持区域农业可持续发展需要且农业区域生态环境功能仍有维持其稳定的条件下，区域农业资源系统所能承载的人类各种经济社会活动的能力。其承载体为农业资源系统，承载对象为涉农的各种社会经济活动。农业资源承载力评价预警是全国资源环境承载力监测预警的重要组成部分，是运用一定的科学方法，对农业资源进行监测和评价，并对未来进行预测，预报不正常状态的时空范围和危害程度并提出防范措施的一种管理活动。

1.2 理论框架

DPSIR(驱动力—压力—状态—影响—响应)概念模型，是由PSR概念模型发展演变而来，由欧洲环境署(EEA)于1998年首次提出[19]。该模型基本包含了区域发展过程中所涉及的所有要素，能够较好地揭示人地关系地域系统内部各子系统的逻辑关系和系统发展演变过程，已被广泛应用于资源环境评价领域中[19-21]。该文试图通过构建农业资源承载能力的DPSIR模型，建立农业资源与人类活动过程的相关关系链，阐明农业资源承载能力评价预警的理论基础。

在农业资源承载能力的DPSIR概念模型中，“驱动力”可看成承载体资源变化的潜在原因，是承载对象即人类活动各种因素的内在动力； “压力”是人类经济社会活动和农业生产过程中对农业资源的索取和利用，是农业资源态势变化的直接原因； “状态”是指农业资源在上述驱动力和压力作用下呈现出的状况，是两者作用的直接体现； “影响”是指农业资源与人类活动作用系统所处状态对区域社会、经济、资源等的影响程度与反馈结果； “响应”是人类外部环境对农业资源系统直接和间接的管理调控行为。农业资源承载体和承载对象即是在“驱动力—压力—状态—影响—响应”这一逻辑关系下相互作用、相互影响而产生一系列动态变化和协调演进(图1)。

图1 农业资源承载能力的DPSIR 理论模型

图2 农业资源承载压力状态演变过程[18]

承载能力通常是指一个承载体对承载对象的支撑能力，而农业资源承载能力反映了作为承载体的农业资源条件对人类生产生活活动的支持能力。随着承载体对象对承载体的压力不断增加，承载体即农业资源的健康态势不断恶化。在承载对象和承载体两者相互作用的过程中，承载压力曲线会形成临界点、超载点和不可逆点3个重要的阈值点A、B、C(图2)。临界超载是指可能发生惯性逼近超载的状态，或治理与调控的成本激增的拐点。超载是指承载体难以满足承载对象压力增长需要、或承载体将出现恶化的状态。不可逆则是指采取任何干扰措施无法恢复承载体的原有状态[18]。因此，基于承载体压力的这一变化过程，进行农业资源承载能力预警，就会出现两种逻辑思路。第1种思路是对农业资源承载力的阈值，即A、B、C 3个点进行研究和测算，若在某一时刻某种资源承载水平达到或接近阈值点，则应对相应状态发出预警；第2种思路是基于某一时间段，对某种农业资源在阈值之间的变化过程进行诊断并对相应状态进行预警，即如果资源状态在某一时间段内出现恶化的趋势，则对其发出相应的预警。也就是说，农业资源承载能力预警既可以通过确定资源承载能力关键阈值的方式进行超载状态的预警，也可通过资源基础条件的变化态势进行预警。

地区农业资源系统是一个复杂、开放的巨系统，技术进步快，与其他地区间物质和能量交换量大、流向复杂，数据难获取。因此，从传统的规模估算思路即承载对象规模阈值确定的角度来看，对省域或县域尺度的农业资源承载力的研究将出现逻辑思路不通的问题。例如，对地区土地资源承载力的计算，一般思路是通过计算区域内耕地产出粮食所能承载的人口数量或一定人口数量情况下所需要的耕地面积。但在目前的市场化格局下，地区人口完全可以依靠区域外粮食的供给，这一点在粮食主销区尤为明显。因此，用传统的确定阈值的思路来计算农业资源承载力将会面临逻辑上的缺陷。基于以上原因，采取另外一种思路，通过监测农业资源条件的变化态势来进行农业资源承载力评价预警系统的设计。

2 农业资源承载力的预警思路与方法

2.1 农业资源承载力评价预警思路

从理论依据的角度，由于农业资源对国家粮食安全和地区稳定发展具有重大战略意义，任何单项评价指标发生恶化都将出现严重后果，因此，基于短板效应理论，当承载体(耕地、草地)评价中有任意单项指标发生恶化，就认为承载力出现过载。从时间跨度上看，由于承载力监测评价定位于常态化、动态化监测以及超载预警，而短时间内农业资源一般不会发生剧烈变化，因此，宜将评价时间设置为间隔3～5年的承载力变化情况。从空间尺度看，针对全国、省域、县域、乡域等不同空间尺度单元的农业资源承载力评价预警的特殊性，需要设计与之匹配的思路和方法。县域农业资源承载力评价预警思路可概括为：以区域绿色发展和DPSIR概念模型为基础，基于农业自然资源条件变化态势这一维度，采用短板效应与集成综合评价相结合的方式，开展区域农业资源承载力评价预警。最后，在人地关系地域系统大框架下，解析农业资源承载力超载成因，并提出优化方案和政策创设建议。

2.2 农业资源承载力预警技术流程

根据我国农业资源本底条件的实际，结合全国地区农业功能定位，以县级行政区为评价单位，开展农业资源(耕地、草地资源)承载力评价，确定超载类型，划分预警等级，全面反映县域农业资源承载压力状况，并分析超载原因、预研调控措施建议。具体技术路线见图3。

图3 县域农业资源承载能力评价预警技术路线

2.3 农业资源承载力评价指标与方法

按照该文评价预警思路，立足目前我国县域农业资源数据现状基础，参考已有相关研究成果，遵循科学性和可操作性相结合原则，重点选择反映农业资源本底状况的“慢变量”作为监测评价的核心指标，应用短板效应原理，构建我国县域农业资源承载力评价方法。

2.3.1 耕地资源

从数量、肥力质量和健康质量3个维度构建县域耕地资源承载力综合评价指标体系进行评价。

(1)评价指标

耕地数量状况以耕地面积变化率为特征指标。

耕地肥力质量状况以肥力变化指数为特征指标，通过土壤养分和土壤pH的等级变化反映。由于土壤中氮、磷、钾的含量属于快变量、受化肥施用量不同而快速变化，该文选用变化相对缓慢的有机质含量反映土壤养分状况。土壤养分和土壤pH等级划分见表1、表2。由于不同作物对土壤酸碱性的偏好具有差异性，因此在实际操作中，各地可对照表2中土壤pH的等级划分确定不同标准。

表1 土壤养分含量分级标准

项目单位分级标准一级二级三级四级五级六级丰富较丰富中等较缺乏缺乏极缺乏有机质g/kg>3020～3015～2010～156～10<6

表2 土壤pH分级标准

表3 土壤污染水平分级标准

等级P综污染等级1P综≤0 7安全20 73重度污染

耕地健康质量状况以耕地健康变化指数为特征指标，借助内梅罗综合污染指数，通过Pb、Cr、Zn、Cu、Cd、As等元素所构成的重金属综合污染水平的等级变化来反映。土壤污染水平分级标准见表3。

(2)评价方法

耕地数量评价通过耕地面积变化率来表示。

(1)

式(1)中，ΔR为耕地面积变化率;Ra为期末年耕地面积;Rb为期初年耕地面积。当ΔR>5%时，耕地数量为趋良型态势、不超载，ΔR<-5%时，面积急剧减少，接近地区耕地红线，耕地数量为恶化型态势、超载，当-5%≤ΔR≤5%时，耕地数量为临界超载状态。

用土壤养分和土壤pH等级变化情况反映耕地肥力质量，用土壤污染水平等级变化情况反映耕地健康状况。

ΔCGi=CGij-CGi0

(2)

式(2)中，ΔCGi为单项指标的等级变化量;CGij和CGi0分别为期末年和期初年第i个指标所处的等级，i=1， 2， 3，分别为有机质、pH值和土壤污染等级。耕地肥力质量变化指数(ΔCGi)取各单项指标等级变化量的最大值，耕地健康变化指数(ΔCGi)为土壤污染等级变化值。

当ΔCGi>1时，耕地肥力质量和耕地健康状况呈恶化态势、超载；当ΔCGi=1时，耕地肥力质量和耕地健康状况为临界超载；当ΔCGi≤0时，耕地肥力质量和耕地健康状况呈趋良态势、不超载。

2.3.2 草地资源

从数量和质量两个维度构建县域草地资源承载力综合评价指标体系进行评价。

(1)评价指标

草地数量状况以草地面积变化率为特征指标，质量状况以反映草地牧草生长浓密程度的草原植被盖度变化率为特征指标。

(2)评价方法

草地面积变化率和草原植被盖度变化率均是指草地指标期末期初差值与期初值的比率。

Gi=(Va-Vb)/Vb×100%

(3)

式(3)中，Gi为草地面积变化率或草原植被盖度变化率;Va和Vb分别为期末值和期初值。

将草地资源各指标评价结果划分为超载、临界超载和不超载3种类型。当各指标变化率Gi<-10%，为恶化、超载类型；当-10%10%时候，为趋良、不超载类型。

表4 超载类型划分中的集成指标及分级

资源评价指标指标分级耕地资源耕地面积超载临界超载不超载耕地肥力超载临界超载不超载耕地健康超载临界超载不超载草地资源草地面积超载临界超载不超载草原植被超载临界超载不超载

图4 超载类型与预警等级关系

2.4 农业资源承载力集成评价与预警类型

2.4.1 超载类型划分

在分别完成耕地资源和草地资源评价基础上，开展县域农业资源承载力集成评价，综合确定出超载、临界超载和不超载3种超载类型。

集成指标的确定。集成指标是农业资源超载类型划分的基本依据，包括5个来自耕地和草地资源的评价指标(表4)。

超载类型的确定。集成指标中任意1个超载(恶化)或4个以上临界超载(相对稳定)，确定为超载类型；任意1个临界超载，确定为临界超载类型；其余为不超载类型。

2.4.2 预警类型划分

监测评价农业资源承载能力的变化情况是认知农业自然本底要素的前提和基础，为预警工作提供上游服务。对农业资源现有状况进行预警是指导地区农业绿色发展的重要手段。针对超载类型划分结果，将超载型和临界超载型进行类型细分，形成五级预警，能够更加细化、有针对性的指导地区生产。将农业资源超载类型中，集成指标中有3个以上为超载或5个指标均为临界超载的，判定为极重预警(红色预警)，其余为重度预警(橙色预警)；将农业资源临界超载类型中，集成指标中有两个以上为临界超载的，判定为中度预警(黄色预警)，其余为轻度预警(蓝色预警)；不超载类型为绿色无警。

3 农业资源承载力的调控政策设计

地区超载成因解析准则。结合农业资源各个集成指标的不同要素状况，针对不同地区特点，解析不同超载类型和不同预警等级农业资源超载的成因。可结合主成分分析、层次分析、因子分析等方法，重点分析耕地和草地的数量、质量状况及其变化趋势，识别和定量评价超载的关键因素及其作用程度，并从自然本底要素、区域功能定位及外部宏观政策等多角度辨识阐述不同地区超载成因。

地区调控政策创设方向。针对不同资源环境超载类型及其超载成因，统筹应用激励引导政策与约束限制政策，从财政、融资、产业、土地、人口、环境等方面进行政策创设，并按照预警等级探索不同管控强度的差异化限制性措施，引导和约束各地区严格按照资源承载能力谋划农业发展。对超载有警地区，针对具体超载因素建立地区农业产业准入负面清单，实施严格产业准入制度，对一些破坏资源环境的产业实施禁止或限制，同时实施轮作休耕、禁牧休牧制度，禁止耕地、草原非农非牧利用，严格控制生产过程中化肥农药投入、草原放牧强度和畜禽粪污排放。对不超载无警区，建立生态保护补偿机制，鼓励发展符合地区主体功能定位的绿色农业，巩固和提升耕地质量，实施草畜平衡制度。

4 结论与展望

基于承载体视角的资源承载力评价预警思路适用于现代开放的农牧业地区。鉴于以往的资源环境承载力测算思路在具体的实践工作中遇到了可操作性和逻辑合理性问题，因此，该文提出了基于承载体变化态势视角的农业资源承载力评价预警思路设计。与经典的承载力测算思路相比，其更适用于一个开放的、能流物质流和信息流都频繁交换的评价对象，也为其他资源承载能力评价预警提供一种新的思路和方法。

县域农业资源承载能力评价预警指标体系简明可操作。基于科学性、系统性、代表性和数据可获得性的原则，提出耕地和草地共5个二级指标的评价指标体系，基本反映了县域农业资源承载力状况，但对于特殊地区承载力的测算仍有一定的局限性。未来需要结合农业资源台账制度的建设和农业遥感等新兴技术应用，获取更全面和规范的农业资源数据，进一步细化农业资源承载能力指标体系，并针对不同时空尺度提出差异化的农业资源承载能力评价方法。

县域农业资源承载能力评价预警要突破“数据”和“制度”双重制约。农业资源承载能力评价预警涉及基础数据、指标方法和运行机制等多领域和多环节的上下游工作链。目前评价预警系统建设需要着力补齐“数据”和“制度”短板。进一步建立健全我国县域农业资源动态监测体系，规范数据采集的样点、方法和标准，长期持续积累能满足评价预警需要的专题数据，补齐“数据短板”，提高评价预警方法与基础数据的匹配性，以切实保障评价预警结果的客观性、权威性和可接受性；同时进一步进行制度创新，将评价预警结果纳入地方政府和企业等相关主体的绩效考核，补齐“制度短板”，全面提升“数据、方法和制度”的协调性，加快推动农业资源承载能力评价预警工作步入常态化、规范化和制度化轨道。

[1] 张合成. 探索建立重要农业资源监测与管理制度.中国农业资源与区划， 2016, 37(7): 1～3

[2] 盛来运，付凌晖.转型期农业发展对经济增长的影响.中国农村经济， 2014，(1)： 4～12， 37

[3] 万宝瑞. 当前我国农业发展的趋势与建议.农业经济问题， 2014， 34(4)： 4～7， 110

[4] 黄季焜. 新时期的中国农业发展：机遇、挑战和战略选择.中国科学院院刊， 2013, 28(3): 295～300

[5] 赵其国. 当前我国农业发展中存在的深层次问题及对策.生态环境学报， 2013, 22(6): 911～915

[6] 段春青，刘昌明，陈晓楠，等.区域水资源承载力概念及研究方法的探讨.地理学报， 2010, 65(1): 82～90

[7] 龙胤慧，郭中小，廖梓龙，等.基于水资源承载能力的达茂旗牧区用水方案优化.地理科学， 2015, 35(2): 238～244

[8] 王顺久，杨志峰，丁晶.关中平原地下水资源承载力综合评价的投影寻踪方法.资源科学， 2004, 26(6): 104～110

[9] 石汝杰. 基于三角白化权函数的重庆市水资源承载力灰色聚类评价.中国农业资源与区划， 2015, 36(6): 22～29

[10]彭文英，刘念北.首都圈人口空间分布优化策略——基于土地资源承载力估测.地理科学， 2015, 35(5): 558～564

[11]杨亮，吕耀，郑华玉.城市土地承载力研究进展.地理科学进展， 2010, 29(5): 593～600

[12]罗雁文，魏晓，王良健，等.湖南省各市(州)土地资源承载力评价.经济地理， 2009, 29(2): 284～289