種植類型變化對耕地系統韌性影響的關鍵閾值研究

祝錦霞，潘 藝，張艷彬，邱樂豐，徐保根，蘭德舉

（1.浙江財經大學土地與城鄉發展研究院，浙江 杭州 310018；2. 浙江省八八戰略研究院，浙江 杭州 310018；3. 浙江省國土整治中心，浙江 杭州 310000；4. 浙江財經大學公共管理學院，浙江 杭州 310018）

1 引言

耕地作為農業生產不可替代的重要生產資料，是土地資源的精華。耕地系統兼具自然、社會雙重屬性,包含以耕地資源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，不斷進行自然演化接受人類的改造[1]。近年來，在種糧效益低下、工商資本逐利、農業生產專業化格局的形成等諸多因素影響下，農民種糧積極性不高，南北方均存在食物性生產的“非糧化”現象[2]，治理難點多、風險大、成本高。長期以來中國的耕地保護都采取自上而下的剛性、單一化法律與行政手段，不同主體間耕地保護目標的博弈與矛盾日趨激烈[3]。不加分類、“一刀切”地將“非糧化”耕地恢復調整為耕地，容易治理過度，引發基層隱患，造成資源浪費[4]，同時也無法真正解決糧食生產、比較效益和耕地保護的內在矛盾，無法激發微觀主體保護耕地的主觀能動性。因此，如何結合國家重大戰略需求開展耕地“非糧化”適應性治理是現階段亟需解決的重要問題，需要從新發展理念出發探究存量“非糧化”耕地的剛性管制與韌性調控機制。

當前，“非糧化”背景下耕地系統變化的研究主要集中在“非糧化”對耕地質量的影響分析。一方面，研究認為蔬菜、油料等經濟作物種植對耕作層基本沒有影響，采取合理的水旱輪作、用養結合一定程度上能促進耕地質量的提升[5]，種植煙葉的耕地復耕后下一年的水稻產量高于往年[6]，根系較小、較短的果樹對耕作層的影響較小[2]；另一方面，研究認為種植旱生林果木類經濟作物如茶葉、水果等對土壤結構及理化特征有一定的影響，但糧食生產能力能較快恢復，尤其是在灌排等農田基礎設施比較齊全的區域能快速恢復糧食生產能力[6-7]。同時，也有研究明確提出耕地種植林木，如南方桉樹、北方楊樹，速生楊、速生桉等根系發達類經濟林木，耕地耕作層容易被破壞造成土壤退化[2，6]；“蝦稻共生”種養模式容易損毀耕地，挖塘養魚徹底破壞耕作層[4，6]。綜上，現有的研究多從靜態視角研究“非糧化”過程耕地質量的差異，較少考慮“非糧化”擾動下耕地系統表現出的與原自然系統完全不同的抗擊能力及應對不確定風險的能力，忽略了復雜系統要素變動與系統狀態躍遷之間存在的聯系和反饋[7-9]。

耕地系統韌性是一個與外界擾動沖擊相匹配、不斷主動變化的適應過程，為耕地系統可持續發展研究提供新的視角。作為復雜的社會—生態系統，耕地系統韌性變化的過程分析一直是研究的熱點。較多學者關注耕地系統韌性在空間上的評價與變化趨勢分析，如孟麗君等[10]將耕地利用系統分為3個發展階段，認為耕地系統高效提升階段的表象韌性高于前兩個階段，潛在韌性最低；肖秀英[11]認為土地整治后青浦區耕地生態恢復力有一定程度的提升；李窚琪等[12]研究得到昆明市2001—2017年耕地系統韌性空間差距逐漸縮小，呈平穩上升狀態，但總體水平較低；屈雪冰[13]認為大興區耕地系統從2001—2009年實現弱彈性狀態到彈性狀態的過渡；王雅琪[14]研究得到2008—2015年山東省耕地系統生態彈性先升后降，逐步趨于平緩，地區差異顯著。也有少部分學者分析耕地系統韌性變化的關鍵時間節點，如趙華甫等[15]認為2010年、2056年為我國耕地彈性變形階段、塑性變形階段和非穩定態變形階段的重要時間節點。但現有研究對于耕地系統韌性等級的劃分、耕地系統韌性演變的關鍵時間節點的研判較為定性，如常用的劃分標準法[13]、非等間距法[14]和耕地彈性變形判別系數[15]等，缺乏對耕地系統韌性變化關鍵時間節點和關鍵閾值的定量化分析。

根據已有研究成果，本文以浙江省麗水市松陽縣扦插茶葉為例，引入社會生態系統理論和韌性理論，構建耕地系統恢復力指數的多維評價體系，探究種植類型變化下耕地系統韌性變化的全過程，厘清耕地系統相對穩定和韌性變形、塑性變形、非穩定態變形等階段特征及演變過程、系統韌性的關鍵時間節點和關鍵閾值，為存量“非糧化”耕地的剛性管制和韌性調控構建適應性治理路徑，為協調糧食安全與農民增收關系提供科學依據。

2 種植類型變化下耕地系統韌性變化研究的理論框架

2.1 耕地系統恢復力評價體系

恢復力是所有耕地系統都具有的一種特征，是在外界擾動下保持本底質量保證生產，在更大擾動前仍可保證糧食安全、正常生產生活需求的能力[11,16-17]。耕地系統種植類型變化產生的效應分“內部”和“外部”兩個層面[10]。內部效應是耕地系統本身所體現出來的糧食生產等功能的集合，是耕地系統本身屬性的反映，體現耕地系統本底保障耕地產出的能力。同時，“外部”影響主要集中在外界環境資源對耕地系統的支撐，耕地利用必須在資源有效支撐的范圍內[10]。因此，本文從“內部”本底質量的保障和“外部”資源環境的支撐兩個方面構建耕地系統恢復力評價指標體系。

耕地系統“內部”恢復力評價標準定義為系統受到外界沖擊時緩沖外界干擾以保障耕地產出的穩定能力，體現耕地系統本底保障耕地產出的能力。適應干擾—穩定產出能力（LR）主要反映耕地系統產出的穩定增長，選擇土壤質地、耕層厚度、pH、有機質、土壤養分元素、畝均產值表示耕地生產能力的高低和耕地產出水平的穩定；適應干擾—高效利用能力（ER）反映耕地系統與周邊環境的協調性、耕地生產條件的改善，選擇景觀破碎度、景觀多樣性、距交通干道的距離、距農居點的距離等表示高效利用耕地系統適應外界環境干擾的能力；抵抗干擾—科學管理能力（SR）反映耕地系統的工程利用技術、科學健康施肥的推廣，選擇灌溉能力、排水能力、化肥施用量等表示科學管理耕地資源抵抗外界干擾的能力。“外部”恢復力評價標準定義為外部資源環境對耕地系統的支撐能力，耕地的利用離不開自然資源的支撐與保障，在一定的人口承載力水平下耕地資源的供給能表現出對耕地系統的資源支撐。“外部”恢復力主要包含抵抗干擾—資源支撐能力（QR），反映在耕地系統發展的可持續上，選擇人均耕地面積來表示資源對耕地系統的有效支撐。

如圖1所示，耕地系統在理論上近似一個狀態空間的虛擬體，由四維向量構成的狀態空間軸組成[18]。耕地系統穩定態是一定空間和時間內兩者共同作用下恢復力的空間穩定狀態（CR）。在狀態空間中，由適應干擾—穩定產出能力、適應干擾—高效利用能力、抵抗干擾—科學管理能力、抵抗干擾—資源支撐能力組合形成恢復力狀態點，再由點構成耕地系統恢復力的穩定態曲面SS1和SS2（圖1）。

2.2 基于恢復力指數的耕地系統韌性分析的理論框架

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恢復能力?！胺羌Z化”擾動下，在內部要素和外部環境的共同作用下，耕地系統恢復力發生顯著變化[15]。本文所指的耕地系統韌性是指當外界干擾力量不超過某一限度時，耕地系統恢復力發生變化但仍能恢復其原來的生產、生態、服務、社會保障等功能，系統保持正常運轉而不崩潰。種植類型變化擾動下基于恢復力指數變化的耕地系統韌性演變包括以下4個階段（圖2）。

相對穩定階段：當內外擾動或壓力不超過某種限度時，在耕地系統自組織特征條件下，經過一段時間的內部自我調節可恢復到原來的平衡狀態；韌性變形階段：耕地系統在受到相對較大的外界擾動時，耕地系統恢復力發生較大程度的降低，在一段時間的自我調節后耕地系統恢復力有所提升，但無法恢復到原有水平；塑性變形階段：當外界對耕地系統施加的作用力接近系統恢復力極限時，耕地系統恢復能力迅速降低幾乎不能維持正常工作；非穩定態變形階段：當外界對耕地系統施加的作用力超過恢復力閾值時，系統處于無序狀態，耕地系統恢復力退化幾近崩潰[19-20]。

如圖3所示，CR1和CR2分別代表耕地種植類型變化前后的耕地系統恢復力狀態。狀態空間軸中的狀態點（A，B）分別代表恢復力向量，若干個狀態點構成耕地系統恢復力的穩定態曲面種植類型發生變化時，耕地系統在自身調節和恢復能力的反作用下耕地系統恢復力發生變化。如CR1→CR2代表耕地系統由穩定態曲面躍遷到穩定態曲面

圖3 基于恢復力指數的耕地系統穩定態變化圖Fig.3 A changed state status based on the resilience index of cultivated land system

3 研究區域概況

3.1 研究區域

松陽縣位于浙江省西南部，地處119°10′～119°42′E、28°14′～28°37′N，以中、低山丘陵地帶為主。中部是松古平原，為縣內主要產糧區。松陽縣茶園面積占浙江省茶園總面積的4%，茶葉產量占浙江省茶葉總產量的8%，茶葉產值占浙江省茶葉總產值的7%。全縣40%的人口從事茶產業，50%的農民收入、60%的農業產值均來自茶產業，是“浙江生態綠茶第一縣”“中國最大的茶園”。但松陽縣缺少平整的耕地，“非糧化”后糧食種植面積不斷減少。加之茶葉種植后土壤酸化，對松陽縣耕地資源的可持續利用產生一定的影響。在糧食安全視域下，如何協調短期經濟效益與長期糧食安全之間的矛盾是松陽縣存量“非糧化”耕地治理的關鍵，對其開展剛性管制與韌性調控意義重大。

3.2 數據來源與處理

考慮到種植類型變化下耕地系統韌性的演變規律，本文將2006—2019年劃分成2006—2013年和2013—2019年兩個階段，探討耕地系統恢復力的變化過程。選擇2006—2019年“水稻—茶葉”137對樣本作為研究對象。其中，土壤質地主要來源于松陽縣土壤圖；灌溉能力、排水能力來源于2013年耕地質量等別更新數據庫和2019年耕地質量分類成果數據庫；耕層厚度、有機質含量、pH值、有效磷、速效鉀等來源于歷年土壤肥力監測點田間記載、化驗結果和測土配方施肥土壤采樣點化驗數據；2006年和2013年的土地利用數據來源于松陽縣2006年、2013年的土地變更數據庫，2019年的土地利用數據來源于松陽縣第三次全國國土調查數據庫；距交通干道距離和距農居點距離是以2003年、2016年和2019年耕地利用數據為基礎，基于相關規程與標準計算；137對樣本的景觀破碎度根據每個村的耕地斑塊數量除以耕地圖斑總面積計算；景觀豐富度選擇耕地斑塊數量所占比例為內涵的香濃多樣性指數計算。

3.3 指標量化及權重設置

選擇標準分級打分法和極差無量綱法處理基礎數據[19-21]。其中，土壤質地、有機質含量、pH值、耕層厚度、土壤養分元素、灌溉能力、排水能力等參考《耕地質量調查監測評價規范》并結合專家咨詢，采用0～100分打分法（表1）。人均耕地面積、耕地景觀破碎度、耕地景觀豐富度、化肥施用量、距農居點距離、距交通干道距離等采用無量綱法，對指標進行標準化處理。其中，扦插茶葉茶苗根系約20～30 cm，松陽縣犁底層位置在土層以下45 cm，茶樹根系并未深入犁底層，該指標均為滿分。

表1 耕地系統恢復力評價指標及其屬性特征Tab.1 Indexes for the resilience of cultivated land system and its attribute characteristics

采用專家咨詢打分法和層次分析法結合的方式確定指標權重（表2）。首先，向相關專業專家發放權重征詢表，由各專家獨立打分。然后，采用層次分析法分析耕地系統適應干擾—穩定產出能力、適應干擾—高效利用能力、抵抗干擾—科學管理能力、抵抗干擾—資源支撐能力兩兩之間的重要性程度，確定約束層評價指標的權重。最后，各判斷矩陣通過一致性檢驗得到每個評價指標的權重。

表2 種植類型變化下耕地系統恢復力評價權重表Tab.2 Weights of assessment on the resilience of cultivated land system under planting changes

4 研究方法

4.1 基于狀態空間的耕地系統恢復力測度

選擇狀態空間模型中原點與耕地系統恢復力狀態點所構成的矢量模的大小表征耕地系統恢復力狀態[18，22]。狀態空間原點與耕地系統恢復力狀態點所構成的矢量模計算如下：

式（1）中：Xi為不同的適應干擾—穩定產出能力、適應干擾—高效利用能力、抵抗干擾—科學管理能力、抵抗干擾—資源支撐能力標準化的值；Qi為各指標因素所對應的權重。m為因子的個數，m= 14，n為樣本個數，n= 137。耕地系統恢復力狀態點臨界穩定的矢量模為：

評價結果值越接近1，表征耕地系統狀況越優良，所以將理想狀態指數均賦為1。

4.2 基于非參數統計分析的耕地系統韌性的關鍵閾值

閾值是耕地系統恢復力穩定域的臨界值，反映耕地系統在一段時間內經歷逐漸的變化并保持穩定的水平。以2006年耕地系統恢復力指數最小值為起始閾值，最大值為結束閾值，以0.01為循環步長設置假設閾值，以此篩選2006—2013年、2013—2019年兩兩配對的樣本對（2006年耕地恢復力指數≤假設閾值）。同步開展2006—2013年、2013—2019年兩兩配對樣本對Wilcoxon符號秩檢驗和符號檢驗并分析是否出現P值跳躍關鍵點（P≥0.05到P＜0.05變化），由此判斷種植類型變化后配對樣本對的耕地系統韌性是否產生變化。如果兩兩配對樣本對Wilcoxon符號秩檢驗和符號檢驗出現P值跳躍關鍵點，則種植類型變化后對應樣本對的耕地系統恢復力發生穩定態躍遷，耕地系統經歷韌性變形、塑性變形或非穩定態變形等階段；如果沒有出現P值跳躍關鍵點，則種植類型變化后耕地系統保持相對穩定。最后根據P值跳躍關鍵點對應的2006年耕地恢復力指數作為種植類型變化對耕地系統韌性影響的關鍵閾值。

5 結果與討論

5.1 種植類型變化后耕地系統恢復力的動態變化

耕地系統不是一成不變的靜態系統。2006—2019年耕地系統恢復力指數的平均變化率為-10.97%，變化率范圍為-27.42%～1.61%。第一階段（2006—2013年）松陽縣耕地系統恢復力指數顯著下降（-22.65%～11.75%），平均變化率為-5.92%。第二階段（2013—2019年），松陽縣耕地系統恢復力指數變化率趨于平緩（-12.53%～4.19%），平均變化率-3.85%（圖4）。

圖4 種植類型變化后耕地系統恢復力指數的變化Fig.4 The change of the resilience indexes of cultivated land system under planting changes

對2006—2013年、2013—2019年和2006—2019年137對樣本進行Wilcoxon符號秩檢驗和符號檢驗，顯著性水平均為0.000，即種植類型變化前后耕地系統恢復力差異顯著（表3）。其中2006—2013年、2006—2019年分別有119個、135個配對樣本的耕地系統恢復力指數顯著下降。第一階段（2006—2013年）耕地系統穩定性較差，恢復力指數顯著下降。第二階段（2013—2019年）耕地系統恢復力變化趨緩。結果表明，種植類型變化后耕地系統恢復力的變化具有典型的階段性，這與羅必良等[23]研究得到的農業種植類型調整導致的“非糧化”具有階段性的特征相一致。

表3 2006年、2013年和2019年配對樣本Wilcoxon符號秩檢驗和符號檢驗顯著性分析Tab.3 Significance analysis of paired samples by the use of Wilcoxon signed rank test and signed test in 2006, 2013 and 2019

5.2 種植類型變化后耕地系統韌性的關鍵閾值

以2006年松陽縣耕地系統恢復力指數（0.68～0.74）為基礎篩選2006—2013年配對樣本對（S1樣本對），其Wilcoxon符號秩檢驗不顯著（P＞0.05）。這個階段種植類型變化對耕地系統恢復力（S1樣本對）的壓力累積不超過系統自身的調整和恢復能力，可通過耕地系統的自我修復不斷調節，保持系統內在秩序的良好運行（AB韌性階段）。耕地系統（S1樣本對）不突破恢復臨界點B（2006年耕地系統恢復力指數=0.74），能較快恢復到穩定狀態，但不一定能回到最高值、也不一定與擾動前完全一致（圖5）。

圖5 種植類型變化后耕地系統韌性變化的Wilcoxon符號秩檢驗P值分布圖Fig.5 Maps of P-value of Wilcoxon-test of the resilience of cultivated land system under planting changes

以2006年松陽縣耕地系統恢復力指數（0.74～0.75）為基礎篩選2006—2013年配對樣本（S2樣本對），其Wilcoxon符號秩檢驗顯著（P＜0.05），S2樣本對在種植類型變化前后耕地系統恢復力發生顯著性變化（BC塑性變形階段）。這個階段種植類型變化對耕地系統（S2樣本對）恢復力的壓力累積超過系統自身的恢復極限，耕地系統由韌性變形階段（恢復臨界點B）轉入塑性變形階段（韌性突破點C，2006年耕地系統恢復力指數為0.75）。該階段是韌性變形階段的延伸，性能降低，可能出現階段性的生產力下降等狀態，但此時耕地系統（S2樣本對）塑性變形狀態不穩定，人工的干預能促使耕地系統重新回歸正常運轉（韌性狀態）。

以2006年松陽縣耕地系統恢復力指數（≥0.75）為基礎篩選2006—2013年配對樣本（S3樣本對），其Wilcoxon符號秩檢驗顯著（P＜0.05），在種植類型變化前后耕地系統（S3樣本對）恢復力發生顯著變化，超出自身限度（韌性突破點C），耕地系統反作用力不足逐漸退化，處于欠穩定狀態（非穩定態變形階段）。即扦插茶葉種植7年左右耕地系統將逐漸處于欠穩定狀態，應在7年左右適時退出茶葉種植，復耕后通過人工干預促使耕地系統重新回歸正常運轉。

2013—2019年S1、S2、S3樣本對的Wilcoxon符號秩檢驗均顯著（P＜0.05），即2013—2019年S1、S2、S3樣本對在種植類型發生變化后耕地系統處于非穩定態變形階段（圖5，表4）。

表4 2006—2019年耕地種植類型變化后耕地系統恢復力指數Wilcoxon符號秩檢驗結果Tab.4 Results of Wilcoxon signed rank test of the resilience index changes of cultivated land system under planting changes from 2006 to 2019

5.3 種植類型調整后影響耕地系統韌性的關鍵少數指標

根據非參數檢驗的P值分析，2006年恢復力指數0.74是耕地系統在2006—2013年可恢復能復耕的關鍵閾值，以此為參考點將2013年137個配對樣本標記為耕地系統韌性和耕地系統非韌性狀態。耕地種植茶葉后影響耕地系統韌性的關鍵少數變量涉及土壤pH值、景觀指數、灌溉與排水能力等，主要受自然與人類活動因素的雙重影響，這與蘇浩[24]提出的結論相一致。

種植類型變化后土壤物理、化學特性的變化影響耕地系統的生產能力和產出水平，耕地系統的適應干擾—穩定產出的能力發生變化。如松陽縣自然土壤pH值約為5.5～6.0，種植茶葉后pH值約為4.5，茶葉種植給當地帶來了土壤酸化的風險，種植類型變化后土壤pH值平均降低1～2個單位，如赤壽鄉、葉村鄉、望松鄉、三都鄉、象溪鎮土壤中交換性酸顯著增加；種植類型變化后耕地系統與周邊環境的協調性發生改變，使得耕地系統適應干擾—高效利用資源的能力發生變化。如不合理的溝渠建設、交通運輸線路、灌溉工程以及輔助工程的修建等，破壞耕地系統原有的自然景觀格局，導致景觀破碎度過高，影響耕地系統的環境協調性[19,25-26]；種植類型變化后耕地系統的田間管理能力發生一定的改變，使得耕地系統抵抗干擾—科學管理能力發生變化。如茶葉種植的灌排技術較為成熟，灌排渠、田間道路基礎設施較為完備，科學的工程利用技術合理的調控生長環境（四都鄉、西屏鎮、望松鄉農業措施不完善，部分茶園排水能力較差）；政府給予有機肥施用補貼，農戶在茶葉種植過程中施餅肥，科學健康施肥的推廣使得化肥施用量下降明顯。其中，2006年種植水稻的化肥施用量340 kg/hm2，2013年改種茶葉后化肥施用量362.3 kg/hm2，2019年茶葉的化肥施用量是301.25 kg/hm2。

本文中耕層厚度不是耕地系統韌性變化的關鍵少數變量，主要是因為種植類型變化前后耕層厚度這一指標沒有發生顯著變化，可能是由于茶樹第一次翻耕15～20 cm，第二次翻耕40 cm，整個過程茶樹根系并未深入到犁底層（土層下45 cm），耕作層沒有被破壞。

5.4 種植類型變化下耕地系統韌性的適應性治理政策

（1）“非糧化”治理與藏糧于地協同推進：合理管控“非糧化”，監測監管保持系統韌性。在保證耕地質量、保障糧食供應的前提下分類協調糧食作物與經濟作物種植，協同推進耕地“非糧化”治理與“藏糧于地、藏糧于技”戰略。建議優先治理已達到或即將達到耕地系統恢復臨界點（0.74）的存量”非糧化”耕地，加強該部分耕地的監測監管及預警，避免耕地系統惡化進入穩固不可逆轉的塑性狀態。

（2）剛性管制與韌性調控相結合[27]：適應性治理“非糧化”，協調糧食生產與農民增收關系。當耕地系統恢復力大于韌性突破點0.75時，耕地系統由簡單的數量變化轉化為質的突變，不再恢復到原有的平衡點。建議對已達到或超過耕地系統恢復臨界點（0.74）但尚未達到耕地系統韌性突破點（0.75）的存量“非糧化”耕地及時開展復耕。本文中扦插茶葉復耕應在種植7年左右，可以有效避免不切實際的硬性時限要求，并保證農戶能及時退出茶葉種植，快速恢復糧食生產。通過實地調研發現，扦插茶葉對復耕糧食作物影響不大，鏟除茶樹清理根系即可種植水稻；種植水稻兩年后土壤pH值恢復原狀，復耕糧食作物產能達到正常水平；總體復耕成本不高，人工費每畝需要3 000元左右，茶葉賠償5 000～20 000元；修復時間較短，1～2年即可實現原耕地的正常糧食生產能力。

6 結論與展望

本文將耕地系統看做一個由四維向量構成的虛擬體，由若干個狀態點構成耕地系統恢復力的穩定態曲面。種植類型發生變化時，耕地系統在自身調節和恢復能力的反作用下，可能處于相對穩定、韌性變形、塑性變形以及非穩定狀態的變化。構建的基于耕地系統恢復力指數的韌性變化理論框架拓寬了耕地系統變化研究的視野，具有一定的創新性。提出的基于Wilcoxon符號秩檢驗和符號檢驗P值判斷恢復力指數出現跳躍的關鍵點（P≥0.05到P＜0.05），由此選擇韌性變化的關鍵閾值，突破了傳統定性研究的局限。本文較準確地反映耕地系統變化的全過程，并揭示存量“非糧化”剛性管制與彈性調控的關鍵時間（7年左右）及關鍵閾值（韌性突破點0.75），最大限度地提升經濟作物和糧食作物生產的協同性，有利于實現對存量“非糧化”耕地的差異性管控。

但本文只分析了耕地種植茶葉這一單個種植類型變化對耕地社會生態系統韌性的影響，且現有的耕地社會—生態系統面對擾動時系統的變化只是單一的縣級尺度；人文因素如農戶土地利用行為、政策及耕作制度仍未考慮；缺乏關鍵因子交互作用對耕地系統韌性變化的影響程度分析；如何深入分析多種種植類型改變帶來的擾動影響、不同時空尺度及尺度問題下的不同層次之間的相互關系都是未來需要重點研究的問題。