地理空間視角下耕地資源新認知體系構建

葉思菁 ，宋長青 ※，高培超 ，程 鋒 ，任書義 ，杜 彬

（1. 北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室,北京 100875；2. 北京師范大學地理科學學部,北京 100875；3. 中國國土勘測規劃院,北京 100035）

0 引言

糧食安全問題是關系人類可持續發展基本需求的世界性問題[1]。FAO 報告顯示，當今世界仍有近7 億人缺乏飲食保障，并隨著人口、社會經濟、氣候等因素變化，至2050 年全球糧食需求將增長近70%（也有研究提出糧食需求增長100%～110%）[2-3]。作為人類賴以生存的寶貴資源，耕地不但承擔為人類的生存與發展提供堅實物質基礎和食物保障的產品供給功能，還具有氣候調節、凈化水質、生物控制等多種生態功能[4]。2019 年，IPCC《氣候變化與土地報告》指出耕地退化在危及糧食安全同時也會加劇氣候變化，可持續耕地利用對減少土壤侵蝕，消除饑餓以及應對氣候變化具有重要作用。而耕地無序擴張嚴重威脅森林、草地等其他生態系統安全[5]。這對全球科學家和政策制定者提出艱巨挑戰，即如何在保障糧食需求的同時，保護耕地及其他生態系統穩定，滿足農業、生態和社會經濟的可持續發展[6-8]。

中國把“十分珍惜和合理利用每一寸土地，切實保護耕地”作為一項基本國策。《中共中央國務院關于加強耕地保護和改進占補平衡的意見》（中發﹝2017﹞4 號）要求，著力加強耕地管控、建設、激勵多措并舉保護。中國共產黨第二十次全國代表大會提出“牢牢守住十八億畝耕地紅線，確保中國人的飯碗牢牢端在自己手中”。事實證明，雖然中國人均耕地面積不足世界平均數的40%，但以全球9%的耕地養活近20%的人口，實現糧食產量“十五連豐”，為實現聯合國千年發展目標作出重要貢獻[9-11]。然而，當前增產不代表永續高產，在過去的40 年，化肥農藥的過度投入、重型農業機械設備的推廣和多重套種的高強度利用不斷加劇農田生態系統退化，引起耕作層變薄、板結、酸化、有機質降低，引發植物生理特征病變，危害土壤動物與微生物群落結構，抑制土壤酶活性，阻礙土壤中有機質分解、腐殖質形成等物質轉化過程，影響耕地可持續利用；并通過飲用水或土壤-植物系統經食物鏈進入人體，危害人體健康[12]。在此背景下，亟待加強耕地資源利用與保護耦合認知理論與方法研究。

耕地是在自然資源要素和人為活動的共同作用下，以食物生產為核心，兼具生活、生態、文化等多重功能的復雜綜合體[13]。耕地成為資源的本質是“地理空間的可利用性”[14]，其功能質量是氣候、地形、土壤、生物、工程設施、地理區位、科技水平、社會經濟條件等多要素在特定開放空間中綜合作用的結果，在垂直空間視角涉及巖石圈、土壤圈、水圈、大氣圈和生物圈的相互作用[15]；在平面空間視角表現為自然-社會-經濟要素驅動下的區域格局差異與時空過程差異[16]。作為一門以綜合性和區域性見長的學科，地理學以不同時空尺度下獨立要素、要素群以及全要素系統的格局與過程耦合研究為核心[17-18]。從地理空間視角切入，為理解耕地資源是如何變化的；在哪里發生，為什么會發生，以什么樣的速率發生變化；這些變化又可能產生什么影響等問題提供了重要突破點[19-20]。

眾多學者基于地理空間視角圍繞陸地表層（子）系統、自然資源系統認知框架開展思考與研究。部分研究聚焦土地系統的多尺度、區域性與動態性特征，提出基于“格局—過程—服務”級聯關系認知土地資源空間分布與時間演化、自然條件與人類需求之間的系統關聯狀態及運行軌跡[21]；耦合人口—經濟—社會—生態—文化等多要素解析人地交互作用過程[22]；基于作土關系、人居關系、居業關系、產城關系理解人地關系地域系統類型、結構與動力機制[23]；基于“生物多樣性—生態系統結構—過程與功能—服務”級聯式理論框架理解生態系統服務評估指標與土地利用的可持續性[24]；基于“要素—結構—功能”級聯理解鄉村地域系統的重構作用機制[25]；通過效率提升、價值顯化、要素流通與結構優化過程理解顯隱性土地利用轉型過程影響城鄉融合發展的機制[26]；基于“資源環境約束下的植物物質生產-生物種群繁衍-人類社會發展互作的動力學機制”的科學理念，理解大尺度生態系統的起源、分布、演變、格局的生態過程機制[27]等。作為土地系統的重要組成，唐華俊等定義農業土地系統為“以土地為核心承載的農業系統，是農業系統與土地系統的結合部分，即人類利用耕地從事的一切活動及其后果”，其研究對象從耕地時空分布擴展至農業集約化、作物種植制度與物候、農業生態系統服務等諸多方面，并提出從時空格局探測、變化過程模擬以及綜合效應分析三方面認知農業生產過程中人地綜合復雜關系[28]。此外，針對基于“還原論”思維和方法體系逐級分解陸地表層要素，在理解開放土地系統非線性變化規律方面的困境，越來越多的學者提出引入復雜系統理論方法來解釋土地系統運行機制[23,27,29]。例如，宋長青等在討論陸地表層系統空間格局、時間過程及時空變化機制“復雜性”特征基礎上，提出發展適用于地理空間認知的復雜系統理論與方法[29]。于貴瑞等在大陸尺度陸地生態系統數值模擬器研究中強調“雖然無法抓住復雜性的各個細節，但應盡力揭示復雜性系統基本性質”[27]。圍繞自然資源認知，相關學者提出基于地理空間視角認知自然資源的數量、結構、質量、形態、分布、價值，自然資源要素之間相互關系，自然資源的區域特性與協調性，及自然資源與人類活動的關系[30]；基于形態結構、能量平衡和行為（管理）信息3 個維度認知草地資源[31]；基于自然資源的資源、資產和資本特性，構建面向自然資源高質量發展需求的時空信息技術框架[32]等。在耕地資源認知方面，眾多學者圍繞耕地數量、質量、價值、生態等特征的時空變化、空間分異及驅動機制開展研究[33-35]，并探索土地整治與高標準農田建設適宜性、潛力與效應的評估方法[36-39]。例如，胡月明等深入探討了耕地系統、耕地質量、耕地資源認知內涵與演進過程，在解析耕地資源內部機制與外部價值基礎上，提出“二維要素—三重功能-多元價值”的耕地資源認知框架[40]。上述研究與思想對本文探討地理空間視角下的耕地資源綜合認知理論框架提供了重要的啟發與引導。

耕地系統是可人工賦能的半自然生態系統，在不同地理空間中具有特定結構和功能特性，經長期自然演變形成穩定的生態平衡狀態。人類活動是驅動耕地系統功能狀態變化或穩態相變的主導因素，直接或間接影響耕地生產、生活、生態功能，但這種影響過程及耕地系統相應的彈性與響應過程因耕地本底特征而表現出空間分異。然而，已有研究往往圍繞耕地利用強度[10,41-42]、耕地質量[43-45]、耕地生態系統服務[4,46-47]中的一方面開展，較少關注耕地利用模式、本底屬性、生態功能的互饋作用；部分研究聚焦耕地利用與耕地質量因子或生態系統服務的相互作用（例如，耕地空間轉換對生態系統服務影響[11,48-49]；耕作密度對生物多樣性影響[50-51]；耕地細碎化對耕地集約利用影響[52]等）或耕地生態系統服務間的耦合關系[53]，但往往重視耕地顯性利用而對隱性因子的考慮不足，并缺乏過程機理模型研究。上述不足導致耕地資源認知難以定量表征“區域適宜的耕地集約利用強度與模式”；預警“主導區域耕地健康的序參量及其觸發機制與拐點”；回答關于“土地節約（land sparing）”與“土地共享（land sharing）”[54]的長期爭議。本文擬基于耕地資源研究的長期實踐，在地理空間視角下探討一個寬泛的耕地資源綜合認知理論框架，著重解析基于耕地資源利用-本底-效益級聯關系綜合認知耕地資源格局的研究內容與理論基礎，并探討耕地資源認知關鍵技術難題，以期為探索耕地保護與利用協同路徑、推進農業綠色發展提供支持。

1 耕地資源內涵探討

在已有耕地資源質量、價值研究基礎上，筆者從維度及特征層面探討耕地資源內涵（圖1）。在維度層面，耕地資源由自然層、生計層、制度層、意識層組成。從“要素-功能-價值”視角解析，自然層是耕地作為資源的基礎支撐，側重基于地貌—氣候—水文—植物-動物-土壤要素的耕地生態系統支持、調節、供給功能，通過生態價值表征，可以視為耕地資源內在價值。生計層對應耕地資源的生產功能與社會保障功能，前者是自然要素與人文要素綜合作用的結果，表現為工具價值；后者基于農戶機會成本及社會保險量化，是社會價值的組成部分。制度層體現對自然層與生計層的保護與管控，重點面向耕地保障農戶生計與糧食安全的社會價值。此外，通過發展耕地系統科學研究，進而提升耕地生產力與生態保護技術創造的認知價值，也是制度層的范疇。意識層強調耕地的文化娛樂功能以及人們對耕地的情感（如鄉土鄉情、故鄉的味道），通過不同群體對耕地的保護意愿及農戶耕作意愿量化，表現為關系價值。此外，耕地資源的5 種價值難以割離：自然價值是其他價值實現的基礎；自然價值和工具價值共同支撐社會價值實現；認知價值是提升耕地自然、工具、社會價值所形成的附加價值；而關系價值衍生于不同群體對耕地生態、工具、社會價值的認知與情感；這種價值間錯綜復雜的關系也進一步提升耕地資源認知與定量評估難度。

圖1 耕地資源的內涵探討Fig.1 The connotation of arable land resources

在特征層面，耕地資源兼具自然屬性與社會屬性，具備多尺度、整體性、區域性與動態性特征。多尺度特征指在不同空間尺度，耕地資源功能的核心需求存在差異，例如農戶尺度側重經濟功能，國家尺度關注糧食安全與社會保障功能；而驅動或表征耕地資源演變的關鍵因子存在不同時間尺度的變化特征，例如土壤氮含量受人類耕作活動表現出季節尺度變化，而氣候變化在年際年代尺度體現。把握耕地資源的整體性，需從生態系統承載力、城鄉發展需求與糧食供給需求及三者空間關系入手，發展耕地系統相態與熵變界定理論與表征方法。應對耕地資源的區域性，需從空間上理解耕地系統功能及其影響要素的局地差異、近程效應和遠程效應。顧及耕地資源的動態性，一方面需要對外部氣候變化、社會經濟發展情景有合理預期，進而量化未來情景下作物潛在單產、復種制度、水資源承載力、潛在植被類型等水—糧食—生態關聯的驅動變量；另一方面需要考慮耕地系統內部狀態會因外界擾動發生波動式變化。

2 耕地資源認知框架及內容

2.1 耕地資源認知框架

概念框架是認知耕地資源進而探索其利用與保護協同路徑的重要前提和理論基礎。本文嘗試提出地理空間視角下耕地資源綜合認知框架（圖2），包括認知目標、認知內容、認知理論、認知方法與技術4 個組成部分。耕地資源認知應置于全球變化背景下，考慮氣候變化、“碳中和”目標、生態保護、可持續發展目標實現等對耕地系統關鍵功能的需求與影響。從不同學科視角，耕地資源認知的目標是多層次、多方面的。本文從地理空間視角，將耕地資源認知目標限定為以保障糧食安全為底線，探索特定外部背景與糧食供需平衡情景下耕地顯性空間優化策略與隱性利用調控路徑，進而為區域耕地紅線管控政策設計與實施提供理論與方法支撐。

圖2 地理空間視角下耕地資源認知框架Fig.2 Framework architecture for cognizing arable land resources from the perspective of geospatial

2.2 耕地資源認知內容

為了實現上述耕地資源認知目標，需要從人地系統視角探究多維因素是如何影響耕地資源時空變化過程的。耕地資源認知內容涉及人類系統（需求端）與農田生態系統（供給端）兩部分。人與自然和諧共生的美麗中國圖景在糧食安全、生態健康、高質量發展、人類福祉等多方面提出未來發展目標，需求端應在多維度情景下認知文化傳統、社會經濟發展對農作物產量未來需求的影響機制，進而構建定量評估理論模型與區域化表征方法，主要涉及經濟水平提高影響飲食結構、科技社會發展影響糧食流動損耗與成本、農作物價格彈性影響耕地擴張與作物結構[55]等過程模型。其中典型的研究實踐有，TILMAN 等構建了人均GDP 與人均食物需求的多項式關系，模擬2050 年全球作物熱量和蛋白質需求，并定量評估實現全球糧食需求的發展路徑[3]。ZHAO 等[56]將全球生物圈管理模型進行優化和參數本地化校正，定量評估未來中國糧食需求、生產和貿易的發展趨勢。

供給端面向農田生態系統，從耕地資源利用、耕地資源本底、耕地資源效益三方面認知耕地資源。耕地資源利用主要可分為顯性利用與隱性利用[57]，顯性利用是指引發空間形態變化并可直接觀測的耕地利用行為，包括耕地擴張與空間轉移、非糧化、破碎化等；隱性利用行為則難以根據地理實體的形態、光譜特征直接觀測，包括種子、化肥、農藥、地膜、勞動力投入，農業機械應用，及免耕、少耕、秸稈還田等耕作技術。部分耕作行為兼具顯性與隱性特征，如耕地邊際化既有棄耕撂荒的空間表現形式，也可能表現為隱性的粗放利用；土地整治行為同時包含土地平整、工程建設等顯性特征與土壤改良、農藝管理水平提升等隱性特征。不合理的耕地利用是威脅耕地資源本底與效益的主要原因（即壓力）。認知耕地資源利用以要素精細化識別與評估為主要挑戰，聚焦高精度作物類型識別與農業集約化因子空間化評估研究。

耕地資源本底認知是面向耕地內在屬性開展研究，觀測評估水熱氣候因子、土壤理化屬性、耕地數量與分布、田間設施、微地形、生物多樣性等要素的狀態，理解內在屬性間相互作用機理及其影響，診斷影響農田生態系統穩定的主導參量及其拐點。氣象觀測與遙感觀測技術的發展為耕地空間分布、氣候因子研究提供了多時空分辨率數據支持；地形因子、土壤物理屬性因變化周期較長，也具備了一定的單時相空間數據[58]；田間工程設施條件與生物群落觀測與數據共享成為認知耕地資源本底的主要短板。根據2018－2019 年自然資源部組織開展全國65 個試點縣耕地健康產能調查實踐資料分析，眾多調查人員提出土壤蚯蚓生物量調查采樣困難并且不穩定（因受采樣季節、位置與天氣條件影響大）；而灌溉保證程度、排水條件、農藝管理水平等田間設施指標受調查人員對當地情況熟悉程度及知識水平影響較大。

耕地資源效益認知通過“功能-服務-價值”視角評估農田生態系統在人地耦合作用下的外在表現（即響應），直接支撐耕地資源生態價值、工具價值、社會價值、認知價值與關系價值的實現，主要通過糧食產出、水/土壤/空氣環境脅迫、生境質量狀況、水資源供給量、水土保持量、碳固存量等刻畫。由于耕地資源效益觀測實施過程復雜不一，當前不同維度耕地資源效益評估研究往往應用不同時空尺度測算的參數執行計算，一定程度上削弱了資源效益空間分異特征，這一缺陷在多服務權衡分析時尤為突出。

耕地資源“利用-本底-效益”存在級聯關系與互饋作用，耕地資源利用行為通過改變資源本底狀態，進而支撐資源效益的實現；耕地資源效益指示耕地資源本底的質量、健康狀況，進而牽引或制約適宜的耕地利用行為。這一級聯關系的影響對微觀尺度更為突出，在尺度上升過程中受平滑效應影響被一定程度削弱，并表現出區域性差異。因此，研究耕地資源“利用-本底-效益”間的互饋作用適合從微觀尺度出發，進而探究微觀尺度互饋作用涌現出的宏觀效應，這對耕地資源指標體系設計及觀測樣本數量提出更高要求。目前圍繞“利用-本底”[52,59-61]、“利 用-效 益”[11,49-51,62]與“本 底-效益”[12,63-64]兩兩間互饋的區域性研究實踐逐漸豐富，但對三者綜合分析的考慮尚不足。例如，在大尺度研究氮肥投入對作物單產的貢獻時，應考慮區域氣候、土壤、田間設施等本底屬性差異的干擾。又如研究極端氣候事件對農作物單產的非線性影響過程，不僅需要考慮地形、土壤、田間設施因子等影響作物對極端氣候事件的抵抗力，還需要顧及農戶耕作行為（灌溉、病蟲害防治等）、耕作意愿等利用屬性差異的干擾。發展耦合利用-本底-效益的耕地資源過程模型，對于模擬特定場景下低肥、低碳、高產的耕地顯隱性利用模式具有重要意義。

2.3 耕地資源認知理論

2.3.1 土地適宜性

土地適宜性理論始于MCHARG，發揚于FAO《土地評價綱要》，在長期評估實踐中發展完善，表現為評估理論與主題多元化、評估體系與方法精細化，為認知耕地資源開發利用適宜性提供理論支持。1969 年，MCHARG首次提出土地適宜性概念，認為土地自然屬性決定某項土地用途的適宜程度，強調土地開發利用要遵循自然生態過程[65]。1976 年，FAO 頒布《土地評價綱要》將土地適宜性劃分為4 級：土地適宜性綱、土地適宜性級、土地適宜性亞級和土地適宜性單元，其評價對象主要為農用地。傅伯杰等發展了土地適宜性評價理論，提出基于多過程、分尺度的視角從生態、經濟、社會三方面評估土地可持續利用[66]。倪紹祥等[67]提出利用相似距建立土地適宜性評估與土地利用規劃決策的聯系。而后在長期實踐中，土地適宜性評估應用領域不斷拓展，覆蓋耕地利用適宜性、城市建設適宜性、生態保護適宜性、旅游開發適宜性、土地整理與復墾適宜性等眾多主題[68-72]；研究對象也由早期一級土地利用類型逐步向特定農作物類型[73]、物種類型[74]細化；生態位理論、層次分析法、模糊隸屬度、主成分分析、人工智能方法等的融入推動土地適宜性評估向精細化發展，為耕地資源空間格局優化提供理論支持。

2.3.2 資源環境承載力

資源環境承載力關注資源環境“最大負荷”這一基本命題，最早起源于力學系統中的承載力理論，隨后被引入到生態學和區域發展領域[75]。中國的資源環境承載力研究，最早起源于單要素的承載力研究，如土地承載力、水資源承載力和生態承載力[76]。然而，隨著研究的深入，單要素研究愈發局限，學界基于可持續發展、人口理論、環境容量、生態足跡和短板效應等理論，開始構建綜合評價模型對區域資源環境承載能力進行評估，資源環境承載力逐漸發展成為關注資源合理開發利用與生態環境良性循環的綜合性概念[77-78]。樊杰等[79-80]在汶川災后重建規劃研究中，正式提出資源環境承載的整體概念并在后續研究中不斷發展。資源環境承載力研究為認知耕地資源的適宜利用強度和環境邊界提供理論基礎。

2.3.3 耕地質量與價值

中國耕地質量研究衍生于土壤質量研究，相比于后者更強調表征自然-社會-經濟因素作用下耕地系統整體性狀態。耕地質量內涵在爭議中發展，并隨社會經濟發展表現出不同的側重點，包括“生產力視角”[81-82]，“自然屬性視角”[83]，“自然-經濟雙重屬性”[84-85]，“耕地利用多重功能性視角”[86-90]等。耕地質量評估理論在發展中融入生產力形成理論、級差地租理論、土地報酬遞減規律、空間變異理論、生態系統服務理論等，逐步形成綜合表征耕地資源生產、生活、生態多元功能的評估體系，覆蓋地形特征、土壤性狀、耕作條件、土壤環境、生物特性、利用強度、經濟效益等多個維度，其中的代表性框架有“天—地—人—生”[91-92]，“要素—過程—功能—特性—質量”[93]等。耕地價值觀在馬克思主義勞動價值論、土地價值二元論、勞動價值泛化論、效用價值論、使用價值決定論、三元價值論等多種思想交匯中發展，逐步形成包含經濟價值、生態價值、社會價值、精神價值等的多元價值體系，相關評估方法包括傳統市場法、替代市場法、模擬市場法等[94-96]。耕地質量與價值研究為認知耕地資源本底與效益提供理論支持。

2.3.4 耕地集約利用

耕地集約利用研究可以追溯到19 世紀中期，MALTHUS 明確地在人口增長的背景下探討了農業集約化[97]。BROOKFIELD 將農業集約化定義為以資本、勞動力和技能的投入替代土地，從而從某一特定地區獲得更多的生產，使生產更集中成為可能[98]。在早期研究中，土地利用集約化以單位土地的生產投入或產出來衡量。隨著工業化發展，耕地集約利用逐漸成為緩解耕地供給和需求矛盾，保證社會經濟持續穩定發展的必要選擇，相關研究逐漸聚焦于不同的主題，包括集約化的驅動因素、集約化潛在的生態危害以及集約化與耕地擴張的相互關系。這使得明確評估耕地集約化的效益變得重要，并推動采用創新的方法來評估耕地集約利用強度[99-100]。考慮到耕地集約利用強度的復雜性，眾多研究從多維度提出評估方法，可以歸納為4 個方面：投入強度，產出強度，投入和產出的組合和對生態系統服務影響。耕地集約利用研究為認知耕地資源利用及影響，進而優化耕地利用路徑提供理論支持。

2.3.5 生態系統服務權衡

生態系統服務權衡研究旨在充分認識生態系統服務之間多重非線性關系、類型特征、響應速率、驅動機制和尺度效應的基礎上，找到生態保護與社會-經濟發展之間的平衡點，提出科學合理的生態系統服務管理策略，以實現不同利益相關方的效益最大化[101-103]。從權衡目標出發，生態系統服務權衡可從認知與決策2 個維度進行解讀[104]。權衡認知研究是在定量化評估不同生態系統服務物質量或價值量基礎上，著重研究生態系統服務間的權衡關系（例如無相互關聯、直接權衡、凸權衡、凹權衡、非單調凹權衡以及反“S”型權衡等）及其驅動機制與時空尺度效應。權衡認知研究方法主要包括統計方法（例如Pearson 相關系數法、有序加權平均算子、kmeans 聚類、logistic 回歸、ESTD 模型、均方根誤差、生產可能性邊界等）與空間分析方法（例如單變量/雙變量局部空間自相關分析、主成分分析、疊加分析等）。權衡決策研究是在確定不同生態系統服務變化之間的潛在因果關系基礎上，借助情景分析、多目標分析等手段，將權衡結果應用到生態系統服務的集成管理與優化決策之中，實現整體惠益的最大化[105]。生態系統服務權衡研究為模擬耕地資源利用提供理論支持。

2.3.6 地理耦合

耦合強調“兩個或兩個以上獨立單元的相互作用，并產生以物質為載體的能量交換過程”[106]。格局與過程耦合可表達為“格局影響過程，過程改變格局”[21]。宋長青等[105]提出地理耦合內涵包括地理要素耦合、地理空間耦合、地理界面耦合、地理空間尺度耦合、地理關系耦合、地理耦合解譯。地理耦合模型包括簡單概念模型、智能體模型、系統動力學模型、綜合評估模型、融合人類活動的陸面過程與地球系統模型等[106]。發展對人類活動及社會經濟系統的定量感知與尺度轉換方法，通過不同層次耦合，解讀特定地域耕地資源的關鍵要素、結構和功能關聯機制（如水—糧食—能源關聯耦合），是明晰耕地資源利用—本底—效益級聯關系與互饋作用的有效途徑。

2.3.7 復雜地理系統

地理系統是一個開放的復雜巨系統，其包含種類多樣的子系統，并具有層次結構。復雜地理系統理論[19]在地理學長期區域性、綜合性人地關系研究與復雜系統自組織理論、突變理論、耗散結構理論相互融合中形成，側重刻畫微觀尺度下多元非結構化地理要素復雜自適應行為，并解釋其相互作用及對宏觀地理現象的涌現過程。2018 年，宋長青等從組織結構、組織次序、要素關系、研究方法等角度，解釋地理系統是一個非線性演化特征的復雜系統，并闡述了復雜地理系統的認識論，認為地理學的研究對象，即陸地表層是一個復雜地理系統，其“復雜性”具體表現在三方面：地理要素的時空過程、要素之間的相互作用、驅動機制。當前地理系統研究的不足在于缺乏能夠對復雜的、綜合的陸地表層過程進行解析的方法[29]。在地理系統中探索性應用的復雜系統方法包括復雜的冪律分布；空間分形與時間分形；混沌現象的特征量；復雜網絡[107]等。然而，當前復雜地理系統理論尚在發展初期，面臨如何界定復雜地理系統結構；如何度量復雜地理系統的“復雜性”“熵”與“序”；如何刻畫復雜地理系統的“相”；如何識別復雜地理系統的“相變”與“序參量”等挑戰。耕地系統是復雜地理系統研究的典型對象，復雜地理系統理論為認知耕地系統演化提供了新途徑。例如，通過度量不同空間優化與利用調控策略引起的耕地系統熵變特征，可為耕地利用路徑規劃決策提供理論支持；識別耕地系統“相變”與“序參量”可為耕地資源退化診斷與預警提供理論支持。

3 耕地資源認知技術體系

耕地資源認知技術發展迅速，但難題尚存。難題一是耕地資源感知技術不足，對于耕地資源隱性利用、耕地資源本底屬性及效益缺乏時空連續的感知數據支持，亟待突破指標觀測裝備與空間化模擬方法；難題二是面向海量多源異構耕地資源數據的高算力支撐不足，亟需突破高效穩定的時空大數據集成計算技術；難題三是耕地資源指標非線性作用認知不足，解析指標作用過程的理論、方法研究不足，亟待發展耦合人地系統的耕地資源評估、診斷、模擬方法。針對上述難題，本文作者基于近10 年耕地資源認知技術的研究實踐，提出從星空地融合感知、高性能時空數據處理、時空格局與過程分析、空間模擬與優化四方面發展耕地資源認知技術體系（圖3）。

圖3 耕地資源認知技術體系Fig.3 Technical system for cognizing arable land resources

3.1 星空地融合的耕地資源感知

耕地資源感知技術為認知耕地資源“利用-本底-效益”格局與互饋作用提供多時相空間化數據支撐。首先，遙感觀測技術發展為中高分辨率耕地資源時空變化認知提供有力支持，形成了GLOBELAND30,GLC_FCS30等重要數據集，但耕地內涵復雜、種植結構多樣的特征以及高時空分辨率耕地保護監管需求對耕地利用類型遙感識別技術提出更精細要求。其次，星地融合技術發展推動多元化耕地資源指標觀測評估，在農作物類型識別與單產評估、土壤理化性質評估、田間設施評估、農田生態系統服務評估等方面取得突破，但評估成果的時空分辨率離高質量耕地資源時空信息保障仍有較大差距，且評估模型擴展應用能力及評估結果誤差尚需進一步優化。第三，外業調查為耕地資源認知與指標模擬提供重要“真值”，亟需基于指標空間異質性與空間相關性特征發展空間布樣技術[108-110]；面向農戶尺度耕地利用調查發展集成參與式、空間信息服務等的數據匯聚技術[111-112]；面向土壤物理、化學、生物指標調查發展高精度觀測裝備。

3.2 高性能時空數據處理

耕地資源觀測“全地域、全方位、全時域、全要素”[30]發展方向及耕地資源模擬“多情景、高精度、快反饋”應用需求對高性能時空數據處理技術提出挑戰。首先，作為耕地資源觀測的重要數據源，需發展高效穩定的多源遙感數據預處理與反演計算工作流。例如葉思菁等設計實現GF-1 號數據自動化處理工作流，集成輻射校正、正射校正、幾何校正、云檢測、投影變換優化算法[113-117]。其次，政府部門耕地調查業務數據往往基于矢量格式分區組織，具有海量非結構化特征，需要高性能矢量數據處理技術支持。一種可行的解決方案是基于HILBERT曲線的矢量圖斑分塊存儲插件并嵌入HADOOP HDFS 底層，實現全國耕地圖斑高效存儲、計算與表達[118-120]。第三，耕地資源指標矢柵數據具有多源異構多尺度特征，在坐標系統、時空分辨率、分幅規則、元數據規范與內容、數據類型等方面存在差異，需發展耕地資源時空大數據集成計算技術。例如YE 等面向耕地質量指標數據應用場景，研發時空數據多層級格網集成框架(Raster Dataset Clean &Reconstitution Multi-Grid,RDCRMG)，該框架基于多尺度格網構建異構數據統一分塊組織規則，并集成集群存儲、無元數據索引、格網編碼以提升數據管理效率[121-122]。第四，多情景下實現大范圍、高空間分辨率耕地利用格局優化與模擬研究，需研發基于GPU、MPI 等的并行計算模型。

3.3 時空格局與過程分析

時空格局與過程分析是認知耕地資源“利用—本底—效益”格局與互饋作用的直接手段，主要依托統計模型與機理模型實現。統計模型直接研究觀測變量間的數值關系，主要包括描述性統計、判別統計和回歸統計。描述性統計方法指應用方差、均值、中位數等參數表達耕地資源指標的區域差異或基于加權平均等方法表達耕地資源綜合特征。例如，YE 等[10]評估中國縣級單元耕地平均利用強度，研究提出中國耕地利用具有較大的提升潛力，當前近54%的縣區耕地平均利用強度不足60%，并對比不同縣區耕地利用強度均值與離散程度的差異；REN 等[123]基于薈萃分析方法，統計了近20 年中國耕地土壤重金屬含量的時空變化特征。葉思菁等提出耕地健康產能的評估方法，并基于方差分析評估耕地健康-亞健康的臨界預警值[12]。LIU 等[124]從數量平衡、產能平衡、耕作距離變化、利用可持續性4 個維度評估了近20 年中國省域尺度耕地占補平衡政策的實施成效，研究發現雖然補充耕地的平均耕作距離達占用耕地的2-7 倍，但由于偏遠耕地被粗放利用甚至撂荒（進而被遙感分類模型識別為其他土地利用類型），省級平均耕作距離在同時期下降了3.82%～63.88%。判別統計模型包括主成分分析、空間自相關、k-means、地理探測器、自組織神經網絡、支持向量機、深度神經網絡等，支持耕地資源利用、本底、效益多要素的類型與模式表達，例如LU 和YE 等[125-126]應用支持向量機、深度殘差網絡構建外業背景下田間蝗蟲種類與齡期動態識別模型；YE 等[127]應用k-means 模型解析中國縣級耕地產能、耕作條件、利用強度與經濟水平的空間聚類模式，研究提出高耕作條件-低利用強度是當前中國耕地質量發展的主要矛盾。回歸統計模型包括皮爾遜相關系數、地理加權回歸、多元線性回歸、小波回歸、結構方程、隨機森林等，常用于解析若干影響因素對耕地資源要素的驅動作用。機理模型應用系統動力學邏輯刻畫觀測變量間的互作用過程，例如作物模型、陸面過程模型、生態水文模型、地租模型、李嘉圖模型等。相比于生態學、水文學、土壤學和氣候學等領域側重自然要素過程模型，耕地資源過程模型更強調自然、社會、經濟因素驅動下人類行為對耕地資源本底與效益的互饋機制，如刻畫不同耕作方式對土壤碳氮儲量與作物產出的影響。發展耕地資源時空格局與過程分析模型體系，需要在不同尺度應用統計模型深化理解耕地系統要素—結構—過程—功能—格局及其相互作用關系基礎上，定量描述多要素—多過程—多界面—多介質—多尺度耕地系統過程及其行為特征[27,106]。

3.4 多情景空間模擬與優化

在特定時空場景下預判耕地利用管控策略會引起耕地資源利用、本底、效益發生何種變化，或解答如何調整耕地資源利用、本底空間格局以滿足特定的效益需求，是耕地資源認知為耕地資源管理提供智能化知識服務的核心切入點。耕地資源空間模擬的研究主題是預測不同管控情景下耕地利用空間變化格局。耕地資源空間模擬一般將耕地定義為一種或多種特定的土地利用類型，將耕地面積或產能作為規劃需求，應用土地利用變化模擬模型實現，其中代表性的模型有元胞自動機模型、CLUE系列模型、GEOMOD 系列模型、Agent 模型等。設計規劃需求與轉換規則是土地利用變化模擬的重點。元胞自動機模型、CLUE 系列模型等依托柵格單元的局部相互作用模擬土地利用變化模式，相關研究提出集成馬爾可夫鏈、系統動力學模型、灰色模型或政府規劃情景等量化規劃需求；集成邏輯回歸、神經網絡、支持向量機等模型構建轉換規則。例如GAO 等[128]應用CLUMondo 模型模擬河南省未來多種人口增長與糧食安全情景下耕地利用變化過程。ZHENG 等[129]應用LANDSCAPE（LAND System Cellular Automata model for Potential Effects）模型從國家、省、市和縣4 個尺度模擬耕地數量平衡、產能平衡情景下耕地空間分布格局并評估其對生境質量的影響。Agent 模型通過模擬微觀主體的行為過程涌現宏觀土地變化，從研究單元視角可分為“主體決策模型”與“空間決策模型”[130]，前者一般以個人或家庭為主體單元，模擬主體行為或結構變化對土地利用格局的影響；后者面向空間網格單元，模擬不同主體決策或偏好對單元土地利用方式的影響。深入理解政策因素、農戶行為與自然-經濟-社會條件綜合影響下的耕地利用變化機制，完善顧及耕地資源利用—本底—效益狀態與互饋作用的耕地變化需求與轉換規則，成為發展耕地資源空間模擬的重要方向。

耕地空間優化側重通過耕地資源空間優化配置實現特定效益需求，這一過程通常會權衡多個目標以使凈效益最大化（即解空間中的最優解），典型的求解方法包括模擬退火算法、遺傳算法、蟻群算法、粒子群算法等。例如，王昊煜等面向經濟效益最大、生態效益最大、土地緊湊性最大3 個優化目標，應用NSGA-Ⅱ算法模擬西寧市土地利用優化方案[131]，并以拉薩市土地優化為例從算法理論與優化結果視角對比了NSGA-Ⅱ算法與NSGA-Ⅲ算法的特征[132-133]。FOLBERTH 等在考慮氣候、土壤條件空間異質性特征基礎上分區評估作物潛在單產，進而基于多目標優化方法，模擬在當前作物產量不變前提下，調整作物結構與耕地面積對全球化肥投入及生態系統服務的影響[134]。發展耕地空間優化模型，一是要應用耕地利用-本底-效益級聯理論完善優化目標函數的設計；二是要提升優化算法在耕地空間優化中的收斂效率與魯棒性；三是將空間模擬模型與優化算法集成，提升局部優化結果的可行性。

4 結論與展望

協同耕地資源保護與利用，關系中華民族永續發展的千年大計。當前中國耕地空間格局與利用方式正發生變化，表現出“非農化”“非糧化”“細碎化”“邊際化”與“生態退化”等諸多問題。過往耕地資源認知研究強調人對耕地的顯性利用，并以狀態評估為主，一定程度上忽視了耕地顯隱性綜合利用及其與耕地生態系統的互饋機制，導致難以定量表征“區域適宜的耕地集約利用強度與模式”；預警“主導區域耕地健康的序參量及其觸發機制與拐點”；權衡耕地生產、生活、生態功能空間格局；進而對協同耕地利用與保護、應對耕地“五化”的理論方法支持不足。耕地成為資源的本質是“空間的可利用性”，在自然層、生計層、制度層、意識層表現出不同的“要素-功能-價值”級聯關系，并具有多尺度、整體性、區域性、動態性特征。地理空間視角為理解耕地資源格局、過程、影響及驅動因素提供重要突破點。本文擬基于耕地資源研究的長期實踐，在地理空間視角下探討一個寬泛的耕地資源綜合認知理論框架，著重解析基于耕地資源利用-本底-效益級聯關系綜合認知耕地資源格局的研究內容與理論基礎，并探討耕地資源認知關鍵技術難題，主要結論如下：1）認知耕地資源，在需求端應定量評估不同社會經濟發展情景下中國多元食物需求，并以保障糧食安全為基本底線；在供給端應從耕地資源利用、耕地資源本底、耕地資源效益三方面評估耕地資源狀態，診斷影響耕地系統的主導因素及其拐點，模擬利用—本底—效益互饋作用，進而以滿足供需平衡為目標，探索多情景下耕地資源空間優化策略與利用調控路徑。2）在理論層面，耕地資源認知應充分扎根于土地適宜性、資源環境承載力、耕地質量與價值、耕地集約利用、生態系統服務權衡、地理耦合等已有理論，并不斷融匯復雜地理系統理論的創新思想，發展耕地利用、本底、效益的狀態評估方法與問題診斷方法；創新基于利用-本底-效益互饋機制的耕地資源空間優化與利用調控方法。3）在技術層面，亟需從星空地一體化感知、高性能時空數據處理、時空格局與過程分析、多情景空間模擬與優化四方面發展技術方法體系，為耕地資源認知提供數據、算力與模型支撐。

回首改革開放40 年，最可驕傲的成就之一，是實現了“零饑餓”的可持續發展目標。建設新時代的美麗中國，下一項重要目標是實現由“吃飽”向“吃好、飲食更健康”轉變。其中一個最突出的問題是，作為具有中國特色的“最嚴格的耕地保護”新戰略應該如何確定？回答這一問題需要綜合考慮多元化食品供需關系及耕地利用、本底、效益的互饋作用，以協同農作物生產與耕地生態保護。2023 年中央一號文件在加強耕地保護與用途管控、加強高標準農田建設、推進農業綠色發展等方面提出目標。根據本文提出的耕地資源綜合認知理論框架，基于地理空間視角解析耕地資源利用-本底-效益級聯互饋機制，進而研發空間優化模型并模擬不同空間優化與利用調控策略對農田生態系統的影響，可在優化耕地空間格局、劃定耕地保護紅線、預警農田生態系統退化、解析區域性高標準農田建設的核心短板因子、評估區域性耕地減肥增效潛力等方面為實現中央一號文件目標提供支持。同時，本文側重從理論層面探討地理空間視角下耕地資源認知體系，在下一步工作中需在不同區域不同尺度開展特定場景下耕地資源利用-本底-效益互饋機制的實證研究，其中一個重要內容是本底特征是如何影響耕地利用-效益耦合過程的，理解這一問題對于診斷限制耕地效益的核心因子與拐點，評估通過優化耕地利用方式及整治耕地本底條件提升耕地效益的潛力，進而優化耕地空間格局具有重要意義。開展這項研究對高分辨率耕地布局與作物類型數據，及長時序空間化的耕地投入、土壤性狀、工程設施水平、農田生態系統服務水平等定量數據提出高要求，亟需融合星空地的耕地資源感知模型支持；另一項必要條件是突破計算效率限制，研發顧及耕地效益差異的空間模擬與優化模型。另一個重要方向是融合耗散結構、協同學、自組織、突變論等復雜系統理論與方法，研究耕地復雜系統“熵”與“序”的度量方法；探索微觀尺度利用方式及其變化對宏觀尺度耕地系統“熵變”與“相變”的涌現過程、序參量及臨界條件。

致謝：感謝劉焱序、黃慶旭、房德琳、高秉博、謝一茹、王昊煜關于本文部分內容的討論；感謝蔣嘉益、張曄鏵、周坤對部分文獻資料的整理；感謝北京師范大學地理科學學部地理數據與應用分析中心地學高性能計算平臺支持（https://gda.bnu.edu.cn/）。