縣域農業資源承載力評價預警系統構建初探*

羅其友，馬力陽，高明杰，劉 洋

(中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081)

0 引言

農業是我國國民經濟的基礎產業之一，是社會經濟發展和國家戰略安全的重要保障，而農業資源則是農業發展賴以存在的基礎要素，其承載力是合理安排農業發展的前提和基礎。只有摸清資源承載力，才能對農業生產進行合理安排。當前，我國正處于全面建設小康社會和推進生態文明建設的關鍵時期，也是傳統農業向現代農業轉型的重要階段，國家“十三五”規劃綱要提出了新的資源發展觀，即樹立節約集約循環利用的資源觀，推動資源利用方式根本轉變，加強全過程節約管理，大幅提高資源利用綜合效益[1]。農業資源在經濟社會可持續發展中的基礎性和戰略性日漸凸顯。我國農業面臨著農產品消費需求升級、發展方式轉變、資源環境約束趨緊、“三生”功能協調發展障礙等諸多新問題和新形勢[2-4]，局部地區農業資源已難以承載社會經濟和生態安全健康發展[5]。因此，亟須加強農業資源承載力評價預警管控。

目前，已有大量文獻對資源環境承載能力進行了研究，并取得了顯著的成果。從研究對象來看，已有研究主要集中在水資源[6-9]、土地資源[10-13]、地區相對資源承載能力[14-16]等方面。從資源承載力的研究思路和方法來看，目前大多研究基于承載力的概念，從承載對象方向切入，即通過測算承載對象(人口或經濟)的理論承載規模，根據實際承載規模與理論承載規模之間平衡關系進行承載狀態的評價預警。這種方法適用于評價對象是相對封閉的系統，其技術進步緩慢，與其他地區之間的物質能量交換量較小，可忽略不計。這一思路的特點是契合承載力的概念，但缺點是計算復雜，操作難度大，對于地區耕地等農業資源的承載能力計算會出現邏輯上的缺陷和矛盾。因此，提出另外一種計算承載力的思路，即從承載體方向切入，通過監測評價承載體(自然資源本底)變化態勢進行承載狀態的評價預警。這種思路方法簡便直觀，適用于評價對象是一個技術進步快、與其他地區間的物質能量交換量大、流向復雜、數據獲取難的開放系統，如省級、縣級、鄉鎮級層面農業資源承載力的測算。

建立資源環境承載能力評價預警系統，對水土資源、環境容量和海洋資源超載區域提出限制性措施，是中央全面深化改革的一項重大任務。構建農業領域的資源承載力評價預警系統將為全國資源環境承載能力評價預警提供重要支撐，為加強農業資源保育保護、推進農業綠色發展和政府社會治理能力的提升提供重要抓手。

1 農業資源承載力的概念內涵與理論框架

1.1 概念內涵

農業資源是一種特定的資源，是指農業生產活動中所利用的有形投入和無形投入，有廣義和狹義之分[17]。廣義的農業資源是指所有農業自然資源、自然條件和農業生產所需要的社會經濟技術資源的總和。狹義的農業資源僅指農業自然資源和自然條件，不包括農業生產的社會經濟技術條件。該文中的農業資源指狹義的農業自然資源。樊杰等[18]認為資源環境承載能力是指作為承載體的自然基礎對作為承載對象的人類生產生活活動的支撐能力。農業資源承載能力則是一定時期和一定區域范圍內，在維持區域農業可持續發展需要且農業區域生態環境功能仍有維持其穩定的條件下，區域農業資源系統所能承載的人類各種經濟社會活動的能力。其承載體為農業資源系統，承載對象為涉農的各種社會經濟活動。農業資源承載力評價預警是全國資源環境承載力監測預警的重要組成部分，是運用一定的科學方法，對農業資源進行監測和評價，并對未來進行預測，預報不正常狀態的時空范圍和危害程度并提出防范措施的一種管理活動。

1.2 理論框架

DPSIR(驅動力—壓力—狀態—影響—響應)概念模型，是由PSR概念模型發展演變而來，由歐洲環境署(EEA)于1998年首次提出[19]。該模型基本包含了區域發展過程中所涉及的所有要素，能夠較好地揭示人地關系地域系統內部各子系統的邏輯關系和系統發展演變過程，已被廣泛應用于資源環境評價領域中[19-21]。該文試圖通過構建農業資源承載能力的DPSIR模型，建立農業資源與人類活動過程的相關關系鏈，闡明農業資源承載能力評價預警的理論基礎。

在農業資源承載能力的DPSIR概念模型中，“驅動力”可看成承載體資源變化的潛在原因，是承載對象即人類活動各種因素的內在動力； “壓力”是人類經濟社會活動和農業生產過程中對農業資源的索取和利用，是農業資源態勢變化的直接原因； “狀態”是指農業資源在上述驅動力和壓力作用下呈現出的狀況，是兩者作用的直接體現； “影響”是指農業資源與人類活動作用系統所處狀態對區域社會、經濟、資源等的影響程度與反饋結果； “響應”是人類外部環境對農業資源系統直接和間接的管理調控行為。農業資源承載體和承載對象即是在“驅動力—壓力—狀態—影響—響應”這一邏輯關系下相互作用、相互影響而產生一系列動態變化和協調演進(圖1)。

圖1 農業資源承載能力的DPSIR 理論模型

圖2 農業資源承載壓力狀態演變過程[18]

承載能力通常是指一個承載體對承載對象的支撐能力，而農業資源承載能力反映了作為承載體的農業資源條件對人類生產生活活動的支持能力。隨著承載體對象對承載體的壓力不斷增加，承載體即農業資源的健康態勢不斷惡化。在承載對象和承載體兩者相互作用的過程中，承載壓力曲線會形成臨界點、超載點和不可逆點3個重要的閾值點A、B、C(圖2)。臨界超載是指可能發生慣性逼近超載的狀態，或治理與調控的成本激增的拐點。超載是指承載體難以滿足承載對象壓力增長需要、或承載體將出現惡化的狀態。不可逆則是指采取任何干擾措施無法恢復承載體的原有狀態[18]。因此，基于承載體壓力的這一變化過程，進行農業資源承載能力預警，就會出現兩種邏輯思路。第1種思路是對農業資源承載力的閾值，即A、B、C 3個點進行研究和測算，若在某一時刻某種資源承載水平達到或接近閾值點，則應對相應狀態發出預警； 第2種思路是基于某一時間段，對某種農業資源在閾值之間的變化過程進行診斷并對相應狀態進行預警，即如果資源狀態在某一時間段內出現惡化的趨勢，則對其發出相應的預警。也就是說，農業資源承載能力預警既可以通過確定資源承載能力關鍵閾值的方式進行超載狀態的預警，也可通過資源基礎條件的變化態勢進行預警。

地區農業資源系統是一個復雜、開放的巨系統，技術進步快，與其他地區間物質和能量交換量大、流向復雜，數據難獲取。因此，從傳統的規模估算思路即承載對象規模閾值確定的角度來看，對省域或縣域尺度的農業資源承載力的研究將出現邏輯思路不通的問題。例如，對地區土地資源承載力的計算，一般思路是通過計算區域內耕地產出糧食所能承載的人口數量或一定人口數量情況下所需要的耕地面積。但在目前的市場化格局下，地區人口完全可以依靠區域外糧食的供給，這一點在糧食主銷區尤為明顯。因此，用傳統的確定閾值的思路來計算農業資源承載力將會面臨邏輯上的缺陷。基于以上原因，采取另外一種思路，通過監測農業資源條件的變化態勢來進行農業資源承載力評價預警系統的設計。

2 農業資源承載力的預警思路與方法

2.1 農業資源承載力評價預警思路

從理論依據的角度，由于農業資源對國家糧食安全和地區穩定發展具有重大戰略意義，任何單項評價指標發生惡化都將出現嚴重后果，因此，基于短板效應理論，當承載體(耕地、草地)評價中有任意單項指標發生惡化，就認為承載力出現過載。從時間跨度上看，由于承載力監測評價定位于常態化、動態化監測以及超載預警，而短時間內農業資源一般不會發生劇烈變化，因此，宜將評價時間設置為間隔3～5年的承載力變化情況。從空間尺度看，針對全國、省域、縣域、鄉域等不同空間尺度單元的農業資源承載力評價預警的特殊性，需要設計與之匹配的思路和方法。縣域農業資源承載力評價預警思路可概括為：以區域綠色發展和DPSIR概念模型為基礎，基于農業自然資源條件變化態勢這一維度，采用短板效應與集成綜合評價相結合的方式，開展區域農業資源承載力評價預警。最后，在人地關系地域系統大框架下，解析農業資源承載力超載成因，并提出優化方案和政策創設建議。

2.2 農業資源承載力預警技術流程

根據我國農業資源本底條件的實際，結合全國地區農業功能定位，以縣級行政區為評價單位，開展農業資源(耕地、草地資源)承載力評價，確定超載類型，劃分預警等級，全面反映縣域農業資源承載壓力狀況，并分析超載原因、預研調控措施建議。具體技術路線見圖3。

圖3 縣域農業資源承載能力評價預警技術路線

2.3 農業資源承載力評價指標與方法

按照該文評價預警思路，立足目前我國縣域農業資源數據現狀基礎，參考已有相關研究成果，遵循科學性和可操作性相結合原則，重點選擇反映農業資源本底狀況的“慢變量”作為監測評價的核心指標，應用短板效應原理，構建我國縣域農業資源承載力評價方法。

2.3.1 耕地資源

從數量、肥力質量和健康質量3個維度構建縣域耕地資源承載力綜合評價指標體系進行評價。

(1)評價指標

耕地數量狀況以耕地面積變化率為特征指標。

耕地肥力質量狀況以肥力變化指數為特征指標，通過土壤養分和土壤pH的等級變化反映。由于土壤中氮、磷、鉀的含量屬于快變量、受化肥施用量不同而快速變化，該文選用變化相對緩慢的有機質含量反映土壤養分狀況。土壤養分和土壤pH等級劃分見表1、表2。由于不同作物對土壤酸堿性的偏好具有差異性，因此在實際操作中，各地可對照表2中土壤pH的等級劃分確定不同標準。

表1 土壤養分含量分級標準

項目單位分級標準一級二級三級四級五級六級豐富較豐富中等較缺乏缺乏極缺乏有機質g/kg>3020～3015～2010～156～10<6

表2 土壤pH分級標準

表3 土壤污染水平分級標準

等級P綜污染等級1P綜≤0 7安全20 73重度污染

耕地健康質量狀況以耕地健康變化指數為特征指標，借助內梅羅綜合污染指數，通過Pb、Cr、Zn、Cu、Cd、As等元素所構成的重金屬綜合污染水平的等級變化來反映。土壤污染水平分級標準見表3。

(2)評價方法

耕地數量評價通過耕地面積變化率來表示。

(1)

式(1)中，ΔR為耕地面積變化率;Ra為期末年耕地面積;Rb為期初年耕地面積。當ΔR>5%時，耕地數量為趨良型態勢、不超載，ΔR<-5%時，面積急劇減少，接近地區耕地紅線，耕地數量為惡化型態勢、超載，當-5%≤ΔR≤5%時，耕地數量為臨界超載狀態。

用土壤養分和土壤pH等級變化情況反映耕地肥力質量，用土壤污染水平等級變化情況反映耕地健康狀況。

ΔCGi=CGij-CGi0

(2)

式(2)中，ΔCGi為單項指標的等級變化量;CGij和CGi0分別為期末年和期初年第i個指標所處的等級，i=1， 2， 3，分別為有機質、pH值和土壤污染等級。耕地肥力質量變化指數(ΔCGi)取各單項指標等級變化量的最大值，耕地健康變化指數(ΔCGi)為土壤污染等級變化值。

當ΔCGi>1時，耕地肥力質量和耕地健康狀況呈惡化態勢、超載； 當ΔCGi=1時，耕地肥力質量和耕地健康狀況為臨界超載； 當ΔCGi≤0時，耕地肥力質量和耕地健康狀況呈趨良態勢、不超載。

2.3.2 草地資源

從數量和質量兩個維度構建縣域草地資源承載力綜合評價指標體系進行評價。

(1)評價指標

草地數量狀況以草地面積變化率為特征指標，質量狀況以反映草地牧草生長濃密程度的草原植被蓋度變化率為特征指標。

(2)評價方法

草地面積變化率和草原植被蓋度變化率均是指草地指標期末期初差值與期初值的比率。

Gi=(Va-Vb)/Vb×100%

(3)

式(3)中，Gi為草地面積變化率或草原植被蓋度變化率;Va和Vb分別為期末值和期初值。

將草地資源各指標評價結果劃分為超載、臨界超載和不超載3種類型。當各指標變化率Gi<-10%，為惡化、超載類型； 當-10%10%時候，為趨良、不超載類型。

表4 超載類型劃分中的集成指標及分級

資源評價指標指標分級耕地資源耕地面積超載臨界超載不超載耕地肥力超載臨界超載不超載耕地健康超載臨界超載不超載草地資源草地面積超載臨界超載不超載草原植被超載臨界超載不超載

圖4 超載類型與預警等級關系

2.4 農業資源承載力集成評價與預警類型

2.4.1 超載類型劃分

在分別完成耕地資源和草地資源評價基礎上，開展縣域農業資源承載力集成評價，綜合確定出超載、臨界超載和不超載3種超載類型。

集成指標的確定。集成指標是農業資源超載類型劃分的基本依據，包括5個來自耕地和草地資源的評價指標(表4)。

超載類型的確定。集成指標中任意1個超載(惡化)或4個以上臨界超載(相對穩定)，確定為超載類型； 任意1個臨界超載，確定為臨界超載類型； 其余為不超載類型。

2.4.2 預警類型劃分

監測評價農業資源承載能力的變化情況是認知農業自然本底要素的前提和基礎，為預警工作提供上游服務。對農業資源現有狀況進行預警是指導地區農業綠色發展的重要手段。針對超載類型劃分結果，將超載型和臨界超載型進行類型細分，形成五級預警，能夠更加細化、有針對性的指導地區生產。將農業資源超載類型中，集成指標中有3個以上為超載或5個指標均為臨界超載的，判定為極重預警(紅色預警)，其余為重度預警(橙色預警)； 將農業資源臨界超載類型中，集成指標中有兩個以上為臨界超載的，判定為中度預警(黃色預警)，其余為輕度預警(藍色預警)； 不超載類型為綠色無警。

3 農業資源承載力的調控政策設計

地區超載成因解析準則。結合農業資源各個集成指標的不同要素狀況，針對不同地區特點，解析不同超載類型和不同預警等級農業資源超載的成因。可結合主成分分析、層次分析、因子分析等方法，重點分析耕地和草地的數量、質量狀況及其變化趨勢，識別和定量評價超載的關鍵因素及其作用程度，并從自然本底要素、區域功能定位及外部宏觀政策等多角度辨識闡述不同地區超載成因。

地區調控政策創設方向。針對不同資源環境超載類型及其超載成因，統籌應用激勵引導政策與約束限制政策，從財政、融資、產業、土地、人口、環境等方面進行政策創設，并按照預警等級探索不同管控強度的差異化限制性措施，引導和約束各地區嚴格按照資源承載能力謀劃農業發展。對超載有警地區，針對具體超載因素建立地區農業產業準入負面清單，實施嚴格產業準入制度，對一些破壞資源環境的產業實施禁止或限制，同時實施輪作休耕、禁牧休牧制度，禁止耕地、草原非農非牧利用，嚴格控制生產過程中化肥農藥投入、草原放牧強度和畜禽糞污排放。對不超載無警區，建立生態保護補償機制，鼓勵發展符合地區主體功能定位的綠色農業，鞏固和提升耕地質量，實施草畜平衡制度。

4 結論與展望

基于承載體視角的資源承載力評價預警思路適用于現代開放的農牧業地區。鑒于以往的資源環境承載力測算思路在具體的實踐工作中遇到了可操作性和邏輯合理性問題，因此，該文提出了基于承載體變化態勢視角的農業資源承載力評價預警思路設計。與經典的承載力測算思路相比，其更適用于一個開放的、能流物質流和信息流都頻繁交換的評價對象，也為其他資源承載能力評價預警提供一種新的思路和方法。

縣域農業資源承載能力評價預警指標體系簡明可操作。基于科學性、系統性、代表性和數據可獲得性的原則，提出耕地和草地共5個二級指標的評價指標體系，基本反映了縣域農業資源承載力狀況，但對于特殊地區承載力的測算仍有一定的局限性。未來需要結合農業資源臺賬制度的建設和農業遙感等新興技術應用，獲取更全面和規范的農業資源數據，進一步細化農業資源承載能力指標體系，并針對不同時空尺度提出差異化的農業資源承載能力評價方法。

縣域農業資源承載能力評價預警要突破“數據”和“制度”雙重制約。農業資源承載能力評價預警涉及基礎數據、指標方法和運行機制等多領域和多環節的上下游工作鏈。目前評價預警系統建設需要著力補齊“數據”和“制度”短板。進一步建立健全我國縣域農業資源動態監測體系，規范數據采集的樣點、方法和標準，長期持續積累能滿足評價預警需要的專題數據，補齊“數據短板”，提高評價預警方法與基礎數據的匹配性，以切實保障評價預警結果的客觀性、權威性和可接受性； 同時進一步進行制度創新，將評價預警結果納入地方政府和企業等相關主體的績效考核，補齊“制度短板”，全面提升“數據、方法和制度”的協調性，加快推動農業資源承載能力評價預警工作步入常態化、規范化和制度化軌道。

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