摘要：耕地集約化利用是人類作用下的一種耕地發展模式，對于國家糧食安全、農產品供給保障、生態安全和經濟社會可持續發展等具有重要作用，開展耕地集約化利用研究具有重要的科學意義。
論文基于文獻回溯和綜合概括的方法，從科學內涵、描述指標、時空格局探測、歸因分析、環境效益評估等方面對國內外耕地集約化利用的研究進展進行系統總結和評述，并提出了未來耕地集約利用研究的重點方向。
從現有的研究進展來看，耕地集約化利用研究呈現如下特點：
（1）集約化利用的科學內涵既涉及到社會經濟層面，也涉及到自然地理層面，不同學者從不同學科角度逐漸豐富其內涵，但尚未形成廣泛認可的、綜合自然屬性和社會經濟屬性的耕地集約化利用內涵。
（2）集約化利用的評價指標具有多樣性，不同指標描述了不同的特性，實際應用需要根據研究目標和區域特點，對各類指標進行篩選，選取具有典型代表性的單一或多指標。
（3）集約化利用時空格局及其變化的研究方法多樣，統計方法和空間技術法是現有的主流方法，兩種方法各有優勢和不足，兩者的結合是未來重要的發展方向。
（4）影響耕地集約化利用的因素具有復雜性和動態性，由于區域差異和尺度效應，尚不存在統一的主導因素。
（5）耕地集約化利用具有多功能和多效應，目前研究多關注于集約利用的糧食產出功能，對生態環境效應分析較為薄弱。未來研究需要注重社會經濟科學和自然科學等多科學、多方法的交叉，重點加強耕地集約化利用的研究范式、時空格局探測技術、綜合效應評估等方面的研究，實現耕地“可持續集約化利用”的最終目標。
前言：作為人類賴以生存和發展的資源基礎，耕地具有食物供給、環境保護和生態服務等多功能，直接影響社會經濟可持續發展和全球環境變化。耕地利用伴隨著人類發展處于不斷動態變化之中，尤其受人口不斷增加、消費結構變化、城市化和生態退耕、全球變化等因素驅動，全球很多國家或地區的耕地資源呈現數量減少和質量下降的趨勢，直接威脅中長期糧食生產和有效供給。如何有效緩解這種人地矛盾，利用有限的耕地資源生產和滿足人類日益增長的糧食需求，受到國際社會的廣泛關注。
在國際土地利用/土地覆蓋（LUCC） 變化計劃和全球土地計劃（GLP） 兩大科學計劃的推動下，國內外眾多學者圍繞耕地資源利用和管理開展了大量研究。很多研究認為，在當前耕地增長空間有限的背景下，除了加強現有的耕地資源數量與質量嚴格保護，通過優化耕地利用模式、科學增加投入等手段，提高耕地集約化利用是緩解目前耕地資源矛盾、保障未來糧食供給和糧食安全的必然選擇。很多國家相繼出臺了一系列激勵政策，推動和促進耕地利用集約化程度的提升。有學者研究發現，耕地集約化和生態環境存在正負雙向效益，耕地長期高強度的集約化利用帶來的生態環境負效應日益顯著，影響耕地資源的可持續利用。
因此，耕地集約化利用成為了農業土地系統科學研究的焦點之一，促進可持續的耕地集約化利用、實現耕地利用與生態環境耦合協調發展成為重要研究目標。目前，國內外很多學者圍繞耕地集約化利用開展了大量研究，取得了豐富成果。然而，由于耕地集約化利用內涵廣泛、指標繁雜、方法多樣，使得耕地集約化利用研究尚未系統梳理，沒有系統準確把握目前的總體研究進展、存在的不足和發展趨勢。
基于此，本研究嘗試從耕地集約化利用的科學內涵、描述指標、時空格局探測、歸因分析、環境效應評估等方面系統歸納和總結目前的研究進展，討論存在的關鍵問題，并對未來發展趨勢和重點進行展望，以饗讀者。
1、耕地集約化利用的科學內涵
耕地集約化利用的內涵最早源于經濟學領域。國內外許多經濟學家首先強調耕地集約化利用與農業投入、產出之間的關系。如大衛·李嘉圖將農地集約利用定義為通過加大生產資料和勞動力在單位土地上的投入，輔之以先進技術和管理，最終達到單位面積土地獲得高產的一種農地經營方式。馬克思從經濟學角度出發認為耕地集約化是資本集中在同一片土地上，而不是分散在若干毗連的土地；Ely 等將集約化定義為對已經開發利用的土地增加勞力和資本，即土地利用的集約。土地詞匯手冊的界定綜合了上述科學思想，認為土地集約利用是相對于粗放利用而言，以增大土地資本和勞動力投入的方式來提高土地產量和承載能力的經營方式。需要說明的是，這些經典的耕地集約化內涵凸顯“增加投入”，但過分強調了投入增加和集約利用之間的關聯，忽視了“土地報酬遞減規律”，會導致一味片面高投入而產生的系列生態問題。
為此，國內學者針對耕地集約化的“高投入”的早期概念提出了有效投入的科學內涵。如鄧楚雄等認為集約化利用是農業生產過程中適當增加農業投入、達到保護耕地利用和提高產量的過程；林英彥從農業生產成本投入入手，表明土地利用集約度是指單位面積土地在一個經營期間所消費的有效資本、工資與資本利息貨幣額。之后，在有效投入增加的基礎上，有學者從產出角度進一步豐富了耕地利用集約化的內涵。如Stone 等認為土地集約化是土地生產率和生產功能增長的過程。總之，以上的定義多從經濟學角度出發，探討了耕地集約化與投入、產出之間的關系，強調生產力的資本存在價值。
近年來，隨著土地系統科學的深入發展，地理學家發展了耕地集約化利用的新內涵，重點關注其地理時空分異。如李瑩等考慮到不同區域的農業水平差異性，建立新的集約化程度評價標準探究了耕地集約利用及時空變異特征；王向東等考慮土地集約化利用的時間動態性，強調集約化利用要以“土地生產的變化率”為原則；Wu 等認為，耕地集約化是指“相比較于耕地的外延式擴張，糧食增產主要依靠耕地內涵式集約利用和生產力”，著重探討了不同區域集約化利用差異性。
可見，不同學者從不同角度賦予了耕地集約化利用的不同內涵。經濟學家強調從耕地的投入與產出描述集約化，追求合理增加投入，實現產出和生態綜合效益的權衡和優化。不可否認，經濟學角度的耕地集約化利用內涵簡潔明晰，有利于定量化研究和對比研究分析。但該內涵過度強調了耕地利用的社會經濟屬性，沒有很好區分“耕地利用效率”和“耕地集約化利用”兩個概念；忽視了耕地利用的自然屬性，對于不同時空尺度下耕地集約化的地理差異和時空動態變異等重要因素描述不夠。因此，目前尚未形成廣泛認可的、綜合自然屬性和社會經濟屬性的耕地集約化利用的科學內涵。這迫切需要加強自然科學和社會科學的交叉融合，對耕地集約化利用的科學范疇和概念進行凝練，在現有科技水平和經濟條件下，重構具有科學邏輯、系統綜合性的耕地集約化利用科學內涵。
2、耕地集約化利用的描述指標
根據耕地集約化利用的科學內涵，其描述或評價指標可以歸納為投入指標、產出指標和頻度指標等三大類。評價指標的選取直接反映了評價結果的科學性和適用性。最初國內外學者利用單一類型指標對耕地集約化利用進行了大量研究。投入指標通常包括與農業生產高度相關的農藥化肥、勞動力、機械動力、資金的投入以及用電量等指標。Kühling 等選取包括化肥投入、播種面積、糧食作物播種面積等投入指標，利用這些指標表征西西伯利亞地區耕地集約化程度并完成空間分布制圖；王國剛等在中國區域選取勞動力數量、化肥投入、農藥投入等指標，在省域尺度上構建耕地利用集約度指數和驅動力模型，進行耕地利用集約度動態變化特征分析。
農業產出指標包括糧食單產、產量差、產出潛力等。如Niedertscheider 等選取單產、種植面積作為研究因子，建模計算潛力NPP和實際NPP，進行集約化空間分布制圖；Dietrich 等則利用糧食單產作為單一描述指標對耕地利用集約度進行了分析。頻度指標包括復種指數、墾殖指數、休耕周期等，這類指標往往應用于大區域尺度的耕地集約化利用研究，用以說明不同區域間時空差異特征。如Wu 等利用氣象數據和時間序列NDVI數據分別計算耕地潛力復種指數和實際復種指數，進而分析全球耕地集約化利用提升潛力；Estel 等在歐洲區域選取復種指數、休耕指數、種植年份時長和墾殖指數4 個指標，利用MODIS-NDVI時序數據對4 種指標進行計算及空間分布制圖，研究證明頻度指標可以較為準確地反映不同地區耕地集約化程度的差異。這些單一類型指標的耕地集約化利用研究數據獲取相對容易，方法簡單，應用廣泛，但單一指標研究往往僅描述其某一特定內容，缺乏綜合性，無法全面反映耕地集約化利用的總體特征。
隨著集約化內涵研究和統計學研究的深入，許多學者嘗試綜合利用多類型指標開展研究并漸漸成為主流方法。如柯新利等在綜合使用投入指標、產出指標和頻度指標的基礎上分析武漢市10 a 耕地利用集約度時空格局差異變化。考慮到多類型指標之間相關性的存在及指標獲取難度，有學者嘗試對多指標進行降維處理，取得了較好的效果。此外，還有部分學者基于耕地是自然、經濟和社會的綜合體，通過耦合和相關性分析耕地集約化利用程度，如王佼佼利用統計分析和耦合模型研究發現，城鎮化的提高會導致耕地集約化利用程度的提高。
總之，不管是利用單一指標或多指標，甚至社會經濟因子側向論證，耕地集約化利用的描述指標越來越豐富，評價體系和權重的確定方法不斷完善。實際應用中，如何根據“投入-頻度-產出”選擇單一或多指標，需要根據具體研究目標和研究區域，充分考慮不同尺度下的耕地質量、種植結構和生態環境差異等因素，選取具有典型代表性的描述指標進行研究。
3、耕地集約化利用的時空格局探測
3.1研究尺度和數據源
耕地集約化利用的時空格局探測與分析是耕地集約化利用研究的首要任務。國內外學者在不同時空尺度上開展了耕地集約化利用特征及其時空變化。在當前耕地資源逐漸稀缺的背景下，耕地集約化關乎全球糧食安全，其研究區域逐漸有向大范圍擴展的趨勢。目前全球、洲域、國家或流域的宏觀大區域范疇研究約占所有研究的57%；省和市級尺度的研究約占38%，重點位于糧食主產區；相對而言，農戶或地塊等小尺度研究較少開展。
現有研究主要數據源包括農業統計資料、農戶調查數據和遙感觀測數據等。基于統計資料的耕地集約化利用較為常見，由于其數據相對容易獲取、指標類型多樣，已廣泛應用于大區域尺度和長時間序列的耕地集約化利用及其變化特征分析。但是，統計資料的可靠性和準確性往往受到質疑，尤其在長時間序列分析中不同年份容易出現異常值，分析結果忽視了統計單元內部異質性。農戶調查數據精度高，但數據獲取需要大量人力物力，該數據僅適用于小區域研究，抽樣調查的科學性對研究結果具有重要影響。
近年來，隨著對地觀測技術的迅速發展，多傳感器、多時間和多空間分辨率的遙感數據成為了大區域耕地集約化利用研究的重要數據源。但是，遙感數據存在混合像元、大氣校正、尺度轉換等諸多亟待解決的問題，而且其僅能描述耕地集約化的頻度和產出等指標，對經濟投入無法較好地描述。
3.2耕地集約化利用時空格局研究方法
早期最為常用的耕地集約化利用研究方法是統計計量法。統計計量法適用廣泛，存在較少限制。如孔祥斌等、Lü等利用農戶調查資料在小尺度進行耕地集約化利用分析，結果表明統計分析能夠較好地反映尺度的微觀性和機制的復雜性；在時間尺度上，Chen 等利用長時間序列統計數據分析了耕地集約度演變特征和規律。此外，如曹銀貴等通過選取復種指數、耕地有效灌溉率、土地墾殖率等指數，利用主成分分析確定3 個主成分用以衡量三峽庫區的耕地利用集約化程度。
同時，為克服現有的統計評價方法中存在的權重設置主觀性強等缺點，鄧楚雄等以長株潭城市群地區1996—2009 年各縣農業統計數據為數據樣本，采用投影尋蹤模型對長株潭城市群地區耕地集約利用空間分布變化進行定量綜合評價，結果表明投影尋蹤法客觀可靠，輸出結果具有有效性，但是投影尋蹤法對指標依賴過高，選取結果直接影響到最終結果。統計計量方法的主要優點在于數據易獲取，統計模型較為成熟，能夠快速得到研究結果。但是由于計算過程中直接輸出結果，忽略具體的理論機理解釋和實際環境解釋，導致研究對數據依賴程度過大。另外，不同的統計模型不考慮統計結果的尺度差異性，尚不存在普適性的統計模型。
空間監測法是近年來廣泛應用于宏觀尺度的耕地集約利用研究的技術方法。利用遙感觀測數據結合GIS 技術，可以進行耕地集約化利用的空間制圖、時間變化過程探測和地理區域差異分析。如朱傳民等在構建耕地集約利用指數的基礎上采用以空間關聯測度為核心的方法，研究了江西耕地集約利用的空間自相關問題，提出采用空間關聯測度法可以判別耕地集約利用水平在空間上呈現出區域集聚或分散特點；Pei 等基于空間對比模型的方式研究了多驅動因素對中美兩大重要糧食主產區農業集約化程度的影響差異性，研究結果表明了空間模型對不同區域農業集約化程度研究的可行性；Kirchner 等選取土壤分類地圖和高程地圖作為參數，采用EPIC 和PASMA模型評估奧地利農業政策和氣候變化對包括耕地集約化利用在內的農業集約化影響程度，研究表明空間數據以及空間分析模型能更好地用于國家尺度的農業集約化程度評估；Wu 等基于AVHRR-NDVI 數據和氣候數據，繪制了全球耕地復種指數提升潛力空間分布，反映全球耕地集約化利用的總體狀況和可提升空間；Gray 等基于MODIS數據，采用SVI 植被指數繪制了亞洲耕地集約化程度空間分布圖。遙感和GIS 相結合的技術方法有助于開展大區域尺度的研究，能獲得耕地的自身屬性，也考慮到不同耕地地塊的空間關系，使研究具有一定的復合型。但目前多數研究僅利用遙感的信息獲取、GIS 技術的數據處理和空間分析功能，且空間數據的不連續性導致數據缺失。
因此，空間網絡分析、空間插值與統計學、經濟學等相結合的方法，可以推動具有時空尺度特征的耕地集約利用深入研究，將會成為未來技術方法的重要發展方向。
此外，近年來還涌現了一些新的技術方法。如基于多智能體的技術方法，適宜于小尺度區域研究。這類方法多涉及農戶勞動力投入等參數，在耕地集約化的行為模擬和預測方面具有特點，但是要求研究人員具有較為復雜的數理建模能力。另外，基于能值理論的技術方法能更好地解決耕地投入參數的量綱問題。如謝花林等利用能值理論把鄱陽湖生態區耕地投入參數轉換為能值形態進行集約化利用研究。但是由于投入參數數量多，總能值的分配具有不確定性。三角模型作為一種新的平臺能夠很好地反映耕地集約化的評價結果和發展趨勢，模型結果簡明、直觀、易于理解。模糊神經網絡模型在權重賦予方面更加接近實際狀況，但模型需要多次調整以達到最佳狀態。雖然這些新方法為耕地集約化利用研究提出了新思路，但新參數的準確程度會影響最終結果；同時，很難通過統一的模型建立參數與耕地集約化程度的定量關系。
耕地集約化利用主要研究方法的代表性論文見表 1。
4、耕地集約化利用的歸因分析
耕地集約化利用時空格局探測可以揭示耕地集約利用的時空格局及其變化特征，但難以很好地解釋其變化機理機制。因此，開展耕地集約化利用的歸因分析是該領域的核心研究內容，有助于加深對耕地集約利用的原因、內部機制和基本過程的理解，實現對其未來變化發展趨勢的預測和調控，為耕地資源的可持續利用提供決策參考。
耕地利用集約度是農業生產者在自然條件、經濟發展、政治制度、社會人文等環境約束下，結合自身資源條件對農田利用效果的評價。由于耕地集約化利用的變化特征與時空尺度具有緊密聯系，因此不同區域、不同尺度的耕地集約化利用影響因子不盡相同，十分繁雜，但歸納起來主要包括農戶內部因素、自然環境因素、社會經濟因素（含政策因素） 三類。在小區域研究中，由于農戶在耕地研究中的主導性地位，則更多考慮農戶自身行為和農業規模。如吳郁玲等基于湖北省農戶統計數據探究農戶視角的耕地資源集約化利用的影響因素及其作用機理，結果表明耕地利用集約度的差異實質上是農戶不同耕種行為的表現結果；在一些特殊的區域如山區，花曉波等通過研究表明河谷區和半山區在耕地利用集約度上存在顯著差異，家庭農業勞動力數量是導致集約度差異的關鍵因素，農業生產條件或環境和家庭收入水平對其有重要影響；Chagunda 等在非洲調研農戶行為后得出結論，認為農戶家庭管理能力的提高會有效增加農田的集約化程度。
大區域研究更多考慮自然因素對耕地集約化利用的影響程度，如燕群等通過定量評價全國30 個省的農用地集約度和農業氣候適宜度，表明農業氣候適宜度制約著我國農用地集約度的空間布局，同時集約度的提高可以改變農用地集約利用對氣候條件的依賴性；顏丙金等通過研究甘肅省耕地的集約化程度與自然災害之間的相關性，認為自然災害的持續性很大程度上制約著耕地的集約利用。社會經濟因素則存在于各研究尺度，如鄒金浪等通過對比江西省和江蘇省不同城市化水平，判斷出不同城市化水平下耕地集約化水平有較大差異；Vliet 等對歐洲地區耕地集約化歸因后得出結論，認為農業市場的全球性發展是驅動耕地集約化的最主要因素。
學者在不同尺度下較為深入地探討了某種特定因子對耕地集約化利用的影響，但目前的作用機理探討還不夠系統，很難找到具有通用性的主導因素。說明耕地集約化利用影響因子的復雜性和動態性，一些不斷出現的新的社會發展模式和技術模式對集約化影響的機制尚未引起重視，另外耕地集約化驅動因子和特定的研究尺度有很大關聯。未來研究需要進一步加強多尺度、多學科的綜合交叉研究。
耕地集約化的關鍵驅動因子的代表性論文見表 2。
5、耕地集約化利用的環境效應評估
耕地集約化會對生態系統，尤其是農業生態系統產生正負雙向效應。從已有的事實看，過去很多國家或地區通過盲目增加農業生產資料的投入來提高耕地集約化利用程度和維持作物高產化，帶來顯著的環境效應，尤其以負面效應為主。
一方面，耕地集約化利用對其所依托的水資源、土壤和大氣具有重要影響。很多研究表明，由于速溶性化肥的頻繁施用，使得多余的氮和磷從土壤進入水體，農業活動成為水體氮和磷的最大來源，造成農業區域水質下降；化肥和地膜的大量使用殘留使得土壤質量、層次結構等受到破壞；此外，化肥中含氮化合物使用增加溫室氣體的排放，對大氣對流層和同溫層的化學性質以及空氣組成造成嚴重影響。另一方面，耕地集約化利用對于植物和動物生態系統具有重要影響。過度施用農藥和機械化改變土壤生物多樣性，造成土壤中蚯蚓、微生物等生物數量減少，土壤生物群落多樣性程度降低，這間接影響作物之間的授粉和昆蟲多樣性，影響作物生長狀況和產量。此外，耕地集約化程度提高伴隨著種植結構的調整，農田作物種植栽培趨向單一高產化，作物多樣性降低，造成嚴重的農作物“基因流失”，加大作物種植的風險。
為此，耕地集約化利用的環境效應提出了一個新的科學問題：如何進行耕地集約化利用的產出功能和環境效益的科學權衡（trade-off） 。隨著研究的不斷深入和認識逐步深化，學者提出了耕地可持續集約化（Sustainable Intensification），即“在提高現有耕地單位面積產出的同時，減輕集約化利用過程對生態環境的壓力，最小化集約化利用的影響”。保證耕地集約化的可持續發展可以促進農業生態系統的良好發展。但是，如何實施推進可持續性集約化利用仍需要深入研究。
現有的研究強調可持續集約化的核心是強化農田生態系統管理，優化或重建生態系統功能，維持現有甚至減少外部投入，達到保護農田生態系統和周圍環境的目的。這需要從系統性分析耕地集約化利用多功能、多效應之間的協同耦合關系，不僅關注單向擾動過程，更要考慮雙向或多向的復雜反饋過程和機制。
6、研究展望
在當前耕地資源數量有限的背景下，要以較低的環境壓力增加耕地面積的產出最有效的途徑就是提高耕地集約化利用程度。近年來，耕地集約化利用無論是在理論研究，還是在實際應用中都取得了長足進展。然而，耕地集約化利用覆蓋面廣，涉及多學科，具有復雜性和系統性特點，尚有很多科學難點問題需要進一步深入研究。
首先，耕地集約化利用的研究范式需要盡快規范。研究范式就是科學群體在開展特定領域研究時所共同遵守的準則。集約化利用最先從經濟學角度提出，強調經濟學的投入產出，后來地理學家對其內涵進行了延伸，賦予其地理景觀格局以及區域差異等特性。可見，耕地集約化利用的內涵廣泛、指標多樣，既關注社會經濟要素，也關注自然要素，既關注時間過程，又關注空間過程，既關注格局，也關注功能和效應。雖然眾多學者開展了大量研究，但這些研究或僅形成特定的研究范式（如經濟學角度），或尚未形成標準規范的研究范式，如指標選擇、時空尺度等。因此，未來研究需要加快耕地集約化利用研究范式的歸納、凝練，建議規范的研究模式與參照系，推進該領域的研究進展。
其次，耕地集約化利用時空格局及其變化過程研究仍待深入。弄清耕地集約化利用時空格局及其變化過程是基礎，未來仍然有很多問題需要加以解決。第一，集約化利用評價指標的科學選擇問題。部分重要指標的數據不易獲取，不同指標的匹配也是難點。第二，研究方法的適宜性問題。常用的統計法容易獲取多類型指標，但多基于行政單元分析，使得空間描述能力較弱。空間技術方法適宜于大區域研究，可以包含多類別統計單元，可以較好地描述空間異質性。但空間方法往往僅能獲取描述耕地集約化利用的部分指標（如頻度指標和地塊破碎化），對社會經濟等屬性特性描述不夠。因此，綜合利用多元指標，研究統計方法和空間技術方法相融合的方法是耕地集約化利用時空格局研究需要進一步探討的問題。第三，研究對象的擴展選擇。目前研究多探討整個耕地大類的利用集約化，但水田、旱地等不同耕地利用子類的集約化研究十分欠缺。
再次，耕地集約化利用的多功能效應綜合評估需要重點加強。耕地集約化利用是人類進行耕地開發利用、獲取物質產品和服務的活動，必然會產生重要的社會經濟和生態環境影響。因此，科學評估和分析耕地集約化利用的綜合效應是重要研究任務。目前已有研究更多關注于集約利用的糧食產出功能，而對其生態環境效應分析較為薄弱。實際上，耕地集約化利用通過改變地表覆蓋和利用強度狀況，影響地表物理特征和生物地球化學循環過程，反饋于農業氣候、水和土壤等資源環境。因此，未來研究需要進一步加強耕地集約化利用的綜合效應分析，系統全面地弄清耕地集約化利用帶來的綜合影響。
最后，多學科交叉的耕地可持續集約化利用途徑研究亟待加強。耕地可持續集約化利用的目標是以最小的生態環境代價實現最優的耕地利用產出，但如何實現該目標面臨諸多挑戰。耕地集約化過程的主體、結構、發展模式等對區域土地資源配置、土地生態環境系統提出了新的要求，對生態系統環境產生一定的擾動。因此，迫切需要進行環境科學、生態學、土壤學、地理學等多學科、多方法的交叉，根據區域特點研究提出耕地可持續集約化利用的優選途徑，實現科學高效投入，避免土地地力下降甚至荒廢，減少土壤污染、退化和溫室氣體排放等，達到可持續集約化或生態集約化。
作者：龍禹橋1,2，吳文斌1,2*，余強毅1,2，胡瓊1,2，陸苗1,2，陳迪1,2 單位：1. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所；2. 農業部農業遙感重點實驗室
中國鄉村發現網轉自：《自然資源學報》2018 年第 2 期
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