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土地是人类生存和社会发展的物质基础,是人类栖居的基地和衣食的基本来源。随着全球人口的快速增长、社会经济的持续发展以及环境退化的加剧,人类对土地资源的压力与日俱增,使得粮食安全(产量与品质)成为社会各界关注的热点,综合耕地质量、耕地产能与耕地环境的耕地健康状况研究,对于协调社会发展与耕地保护具有重要的理论意义与实践价值。
本研究在系统总结国内外相关研究成果的基础上,依据生态系统理论与人地关系理论,建立耕地健康评价体系,采用模糊评价与能值分析结合的方法,构建耕地健康综合评价模型,以京津冀典型区域为例进行应用研究。通过实地调查采样与化验分析获取基础数据,以GIS为平台建立各典型区域的耕地健康属性数据库,评价耕地健康状况,进而揭示了京津冀区域的耕地健康特征,提出了保护和改善耕地健康的保障体系与调控措施。论文的主要研究成果如下:
(1)分析耕地具有的作物生产功能、社会保障功能、生态服务功能、环境维持功能与观光休闲功能,界定耕地健康是指耕地具有持续生产农产品的能力,能够实现质量目标、产能目标和环境目标等功能,在一定的土地利用范围内,具有支撑动植物生产力、保持或增强水和空气质量、促进动植物健康,可通过自我调节而具有对外界胁迫的恢复能力。
(2)将耕地健康的影响因素按其特性分成静态固有因素和动态可调整因素,按因素属性获取方式分为统计资料类指标、描述性指标与分析性指标,按因素所属领域分为社会经济因素和自然因素,按照评价目标分为耕地质量因素、耕地产能因素与耕地环境因素。在总结相关研究成果的基础上,研究构建了分目标层、亚类层和指标层3个层次,由耕地质量、耕地产能与耕地环境3项目标、8项亚类、32项指标构成的耕地健康评价指标体系,并界定各评价指标的等级划分标准,将耕地健康状态划分“很健康,健康,亚健康,不健康,病态”5个级别。
(3)基于能值分析的方法,以乡镇为单位,建立由能值利用系数与耕地压力指数组成的耕地能值指数模型,并综合以地块为评价单元的多层次模糊评价模型,构建了实现不同尺度模型相融合的耕地健康综合评价模型。
(4)依据京津冀区域耕地健康影响特性的空间分异状况,将京津冀区域的耕地划分为粮食主产区耕地、乡镇企业发达区耕地、城市边缘区耕地以及生态脆弱区耕地4种类型,并选定栾城县、霸州市胜芳镇等6乡镇、通州区西集镇等3镇和丰宁县大滩镇等7乡镇分别作为各类型区的典型区域开展耕地健康评价。典型区域的评价结果表明:栾城县(粮食主产区)耕地健康综合指数为0.531～0.753,分很健康、健康和亚健康3个级别,其面积构成分别为7.61％、48.39％和44.00％；霸州市胜芳镇等6乡镇(乡镇企业发达区)耕地健康状况一般,耕地健康综合指数为0.412～0.677,分健康、亚健康和不健康3个级别,其面积构成分别为35.23％、41.55％和23.22％；通州区西集镇等3镇(城市边缘区)耕地健康综合指数为0.539～0.736,分为很健康、健康和亚健康3个级别,其面积构成分别为17.82％、46.69％和35.49％；丰宁县大滩镇等7乡镇(生态脆弱区)耕地健康状况较差,耕地健康综合指数为0.233～0.548,分亚健康、不健康和病态3个级别,其面积构成分别为55.83％、35.53％和8.64％。将耕地健康评价结果与中国耕地质量调查与评定成果进行对照,研究区内耕地健康级别的高低与中国耕地质量调查与评定成果的等别序列基本一致。
(5)初步揭示了京津冀区域的耕地健康特征,并分析影响耕地健康的动态可调整因素,提出人类活动是影响耕地健康演变的主要驱动力。粮食主产区耕地健康状况以健康和亚健康为主,但区域内化肥、农药的施用量较大,粮食作物种植成本较高,畜禽养殖业在粮食主产区发展迅速,对耕地产生一定的污染风险,灌溉保证率是该区域粮食主产区内耕地健康的主要限制因素之一；乡镇企业发达区耕地健康状况以亚健康为主,该区域中不健康级别的耕地所占比重明显增加,在一些污染严重的区域(如乡镇企业集聚区的周边,以及其下游沿河流两侧),零星存在着病态级别的耕地；城市边缘区的耕地原始质量较好,但耕地健康特征与所临近城市的功能和类型有很大关系,不同类型城市边缘区的耕地健康状况差异较大；生态脆弱区耕地的粮食产量低,耕地健康状况以亚健康和不健康级别为主,在土层较薄的山坡地,土壤侵蚀强烈,耕地健康状况为病态,已不适宜农作物种植。
(6)整合耕地健康空间数据与属性数据,建立了典型区域的耕地健康数据库,以数据库为基础,提出了由动态监测支持系统、法律政策支持系统、政府管理支持系统和农户主体参与系统组成的耕地健康保障体系建设构想,并针对影响耕地健康的动态可调整因素,提出了维护耕地健康的调控措施。