焦點關注：耕地集約化是社會經濟發展、土地面積約束、人口增長與技術進步等壓力作用下人類土地利用的必然選擇。作者在論文中從耕地集約化、農業可持續利用、生態保護及糧食安全的互動框架切入，對現有耕地集約化評價指標體系進行了系統梳理，構建了基于互動框架的耕地集約化評價指標體系，并對現有技術、方法及相關成果分別評述，提出了下一步的研究要點及發展方向。研究認為耕地集約化、農業可持續、生態環境及糧食安全之間主要存在正負雙重及互相促進作用。目前評價指標體系主要從頻度、投入、產出、潛力、增產、綜合指標體系、集約度及能值等多個方面考慮。基于互動框架的耕地集約化評價指標體系包括地均勞動力投入、地均化肥、農藥投入及灌溉指數等基本指標，糧食安全系數、非農指數和人均耕地面積等表征農業可持續的指標，地下水礦化度、生物多樣性和碳排放等影響生態保護的指標，以及復種指數、穩產指數、糧食單產和地均產值等與糧食安全密切的指標；具體評價時還需依據不同研究區、研究尺度進行針對性選擇和修訂。研究方法中，頻度指標是遙感技術在耕地集約化領域的重點關注熱點之一；潛力指標以模型模擬為主；增產指標中，產量差研究成果豐富，收獲面積差所受關注較少；集約度綜合測度模型也是較為常用的方法。此外，還可引入其他相關成果開展評價。今后耕地集約化指標類型呈多樣化態勢，需推動新方法與新技術手段的綜合集成。
集約化發生在土地面積為約束條件的情況下，非土地投入不斷增加的過程中，邊際收益恰好等于邊際成本的臨界點。BROOKFIELD描述集約化是為了獲得較高的長期產品，用勞動力、資本和技術或者其中任何組合替代固化土地進行生產的過程。農業土地集約化概念的提出較早，KATES、NETTING和SHRIAR等認為與耕作的外延式擴張相比，農業集約化是通過持續增加單位面積投入提高土地生產率的過程。面對國內外糧食安全戰略需求、耕作精細化、生態安全、農業綠色化、新型農業經營體系、新的消費結構與需求等發展形勢，耕地集約化的理論研究與實踐探索面臨一系列挑戰，亟需厘清集約化現狀及相關成果，為進一步科學探索與政策決策提供參考依據。
呂曉等認為近30年中國耕地集約利用研究表現出研究視角與分析尺度的多元化、研究內容廣泛化以及研究方法的實證化等特點，但缺少全球尺度下不同國家與地區以及結合氣候、生態等要素與遙感數據的耕地集約化分析與總結。朱會義等從土地可持續利用角度，圍繞基本特征與測度指標、極值問題與潛力研究、驅動因素與限制因素、環境影響與可持續集約化等4個方面，評述了土地利用集約化的主要成果，不過其內容并非只針對耕地集約化，還涉及其他用地類型。本研究試圖在明確耕地集約化與農業可持續、生態保護及糧食安全互動框架基礎上，評述耕地集約化評價指標體系構成及其優缺點，總結不同指標體系下的評價方法及關鍵技術，梳理近年來取得的重要進展，以期為系統開展耕地集約化研究，推動糧食安全、生態保護及農業可持續研究提供參考。
1、耕地集約化與農業可持續、生態保護及糧食安全的互動框架
1.1、耕地集約化與農業可持續
1950年以來，通過增加化肥與農藥投入，選擇最優管理方式、機械化、灌溉和改良品種等可持續利用與管理方式，國外迅速實現了農業集約化的過程，可持續集約化道路得到廣泛支持，有效緩解了對自然生態系統的壓力，促進了以休耕為主的土地保護策略。隨著歐洲環境計劃項目及標準的實施，以高干物質產量和環境服務為內容的農業環境可持續概念日益受到重視，眾多公共部門及學術組織逐步將關注點轉向復合農業、精細農業、保護性農業和有機農業等領域。復合農業的低投入型耕作方式促進了資源可持續利用，有機農業由于禁止化學物質投入，將非再生資源和非農業投入減至最小化，改善了營養物質的循環過程，更有利于集約化的效率與可持續發展。
1.2、耕地集約化與生態保護
土地集約化會對陸地和水文生態系統產生正負雙重影響。從1961年起，節約用地和農業集約化避免了1600億噸的碳排放，小尺度生態農業較少投入化學物質，被認為比傳統產業化農業對生物多樣性更為有利。但全球各地不同的集約化過程也影響到了人類與生態系統的健康，密集種植作物和牧業生產等過度集約化使很多發達國家遭受環境污染。持續不斷的化肥、農藥等投入以及景觀要素的減少，對生物多樣性以及生態系統功能產生不利影響。灌溉會引發土壤鹽堿化并對生態系統產生層疊效應。中國的農業過度集約化被認為是導致非點源污染和改變水體質量的主要來源。
1.3、耕地集約化與糧食安全
耕地集約化是針對耕地資源有限、耕地減少、單產增加及糧食安全戰略的優先考慮途徑。過去30年，耕地集約化帶來的糧食單產增加對于糧食總產量的增加具有很大貢獻。肥料、農藥、灌溉、機械化和作物改良品種的有效使用成為增加全球糧食生產的主要貢獻因子。綠色革命背景下的科學研究、生產發展和技術轉讓創新帶來了農業生產率的極大增長，RUDEL對1970—2005年的10種主要作物生產率研究表明技術進步和生產率提高將使農產品更為便宜，并導致糧食需求增加，這在具有一定需求彈性的經濟作物上（例如巴西大豆）表現尤為明顯。
綜上，自然界是一個相互聯系的系統，往往某一方面發生改變會引起自然界其他功能的變化。耕地集約化與農業可持續、生態保護及糧食安全構成的互動框架同樣是一個完整的系統，互動框架內一種要素發生改變，會引起框架內其他要素的改變。在這個框架內，農業可持續與生態環境之間以互相促進及正相關作用為主。耕地集約化對農業可持續利用及生態環境會帶來正負雙重影響，需注重技術進步和生產力提高情況下各投入要素的合理有效及精細化利用。耕地集約化對糧食安全以正面積極影響為主，集約化水平提高可以促進糧食需求的增加，而農業可持續及生態環境良好是實現長久糧食安全的最終保障。加強耕地集約化與其他三要素的研究，可以更清楚地了解它們之間的相互關系，為選取耕地集約化評價指標提供參考，以期提高耕地集約化水平，實現互動框架的良性循環。
2、耕地集約化評價指標體系
實現耕地集約化評價，有利于充分發揮耕地使用價值，提高耕地利用率，促進社會經濟的發展。在評價過程中，評價指標的選取直接決定了評價結果的科學性與適用性。目前的耕地集約化評價指標可以從頻度、投入、產出、潛力、增產、綜合指標體系、集約度及能值等多個方面考慮。
（1）頻度指標，最初采用休耕期指代。因其不便統計比較，隨后提出復種指數，通常用農作物播種面積與耕地面積的比值表示，成為代表耕地集約利用程度的基礎性指標之一，是增加作物產量的最簡單方法。一般來講，復種指數越高，耕地生產率也越高。
（2）投入指標，指采用價值形態或實物形態的單位面積投入的各項成本指標，包括勞動力、農業機械、化肥、農藥、農膜、種子等眾多要素，更適用于分析農業生產對生態環境的影響。
（3）產出指標，采用單位耕地面積產量和耕地產值測算耕地集約利用程度，一般只限于同一地區同類作物之間時序變化研究，具體應用中通常與頻度和投入指標相結合。
（4）構建綜合評價指標體系進行復合測度，多鑒于“壓力-狀態-響應”，以投入強度、利用程度、產出效果、持續狀況等方面為準則層，在此基礎上篩選隸屬于不同準則的具體指標，構建綜合評價指標體系，有效避免了單項指標測度的不完備，但同時應注意所選指標的準確性、數據的可獲得性及指標之間的相關性等問題。
（5）潛力指標，通過復種潛力、產出潛力及經濟潛力，分別從頻度、產出、投入報酬角度，揭示耕地利用集約化的發展潛力，通常采用模型法估算，但其精確性往往需要進一步驗證。
（6）增產指標，采用產量差或收獲面積差來度量，產量差指作物可獲得的上限產量與實際產量之間的差距，其成果較為豐富。收獲面積差指理論上的最大復種潛力與實際復種指數的差距，目前所受關注較少。
（7）集約度，是度量現實中耕地利用集約程度的指標，有產出指標測度、實物形態的投入與產出指標相結合測度、價值形態的投入成本指標測度以及綜合測度。
（8）能值法，根據耕地各實物投入的能值轉換率，采用能值形態對勞動力、機械化、化肥、農藥及地膜等投入指標統一量綱后，進行耕地利用集約度的測度，此方法對于各投入要素的數據可獲取性要求較高，是近年來新興的評價指標。
3、基于互動框架的耕地集約化評價指標體系
土地是一個復雜的自然-經濟綜合體，地處不同區域的耕地，其集約化水平存在差異。本次借鑒上述國內外耕地集約化評價工作的基礎指標，進而以耕地集約化與農業可持續、生態保護及糧食安全互動框架為理論基礎，綜合考慮影響農業可持續、生態保護和糧食安全的各類限制因子，通過分析各限制因子與耕地集約化的關系，推導出基于互動框架的耕地集約化評價指標體系。其中，地均勞動力投入、地均化肥及農藥投入及灌溉指數等屬于耕地集約化評價基本指標。影響農業可持續的因子主要包括糧食安全系數、非農指數和人均耕地面積等；影響生態保護的因素有地下水礦化度、生物多樣性和碳排放等；影響糧食安全的主要有復種指數、穩產指數、糧食單產及地均產值等因素。
后期的具體評價工作中，獲取各項指標的數據資料及評價單元的選擇是耕地集約化評價的重要工作內容。基于互動框架的耕地集約化評價指標體系主要涉及農業統計數據（包括投入指標、產出指標和持續狀況）、遙感解譯數據（包括利用程度）和土壤采樣及實驗數據（包括生態指標）。需要注意的是，評價單元的選擇需考慮研究尺度以及多源數據融合等問題。例如以市或縣為基本評價單元評價全國或區域耕地集約化水平，所選取指標將以統計年鑒等較粗指標為主，其他指標可以通過樣點插值或者其他方法統計縣域單元的均值來取值，此類評價對數據空間分異性要求相對較低。如果以較小尺度如地塊為基本評價單元，評價一個農區的耕地集約化水平，氣候或大的社會經濟投入背景可以看作近似一致，此種評價研究的指標選取以精細化、反映耕地地塊特征的指標為主，借助采樣點插值、農戶調查結果與地塊空間關聯等方法進行評價。由此可見，評價指標體系難以普適性，只能說大的準則層如投入、產出、生態等可以具有指導性意義，而方案層的具體指標作為參考，具體評價時還需依據不同研究區、研究尺度進行針對性選擇和修訂。
4、耕地集約化評價方法
針對不同的耕地集約化評價指標體系，所選取的評價方法也各有不同。國內外土地工作者在耕地集約化評價方法的選取上，既有基于各項指標的評價方法，也有其他的一些評價方法。
4.1、基于頻度指標的耕地集約化評價方法
復種能較好地反映耕地集約化的逐年變化過程，在全球大多數地區，尤其在降水充沛、高溫和較長生長季的熱帶地區非常普遍。左麗君、唐華俊、張偉等分別對國內外復種指數研究進行了評述，普遍認為耕地復種指數提取方法，經歷了基于統計數據向遙感手段轉變的過程。
基于統計數據的方法，可以借助計量經濟學模型（如Theil指數）、GIS空間分析技術（如探索性空間數據分析）等探討復種指數的時空差異及演變規律。利用統計數據雖然計算簡便，但忽視了統計單元內的空間異質性。
目前，基于遙感的復種指數提取方法仍處于發展中，主要集中在兩個方面：其一主要根據時間序列植被指數，利用不同的擬合方法得到作物生長曲線，實現作物復種模式有效監測；其二是對各類耕地復種模式的提取。國外大多利用多尺度遙感數據和統計數據相結合的方式，集中針對人均耕地較少、復種措施較為普遍的亞非地區，尤其是亞洲地區，也有部分面向全球耕地復種指數的研究。峰值法、二次差分法、傅里葉變換法、決策樹法、交叉擬合度檢驗法、直接比較法、形態匹配法以及小波變換法等是國內外反演提取耕地復種指數信息的常用方法。
農作物集約化種植方式是作物連作、輪作、間種與套種等的綜合概括。相較于復種模式，農作物種植方式遙感監測是更高層次的遙感應用，主要利用時間序列遙感數據，根據作物植被指數的變化規律區分不同作物生育周期，判斷不同復種模式下作物的種植順序和方式。目前研究主要依據IRS+LISS-I多時相、TM、ETM+以及MODIS數據，采用監督與非監督分類法、傅里葉變換分析法、多階段分類方法等分別對印度、黃河三角洲、湖北漳河灌區以及華北地區開展農作物種植方式遙感監測。
4.2、基于潛力指標的耕地集約化評價方法
氣候變化通過改變熱量條件和生長季，對復種潛力有實質影響；可以在GIS軟件的支持下，利用氣候參數和土壤條件等因素評估作物復種潛力，目前有FAO提出的農業生態區（AEZ）法，取積溫、降水與復種指數的外包絡線方程法，以及遙感數據與隨機前沿分析相結合的方法。YANG等研究表明由于溫度上升中國作物種植北界明顯向北部和西北地區擴展，未來可能通過北部地區一熟制向兩熟制、南部地區兩熟制向三熟制轉變來增加糧食生產。ZHANG等考慮氣候、地形和水資源，發現氣候變暖使西藏高原一些地區的種植強度顯著增長。FISCHER等全球農業生態區作物適宜性分析中，通過單一適宜性作物生長期和溫度需求定義了大量的復種潛力區。LIU等研究表明1960—2000年期間中國一熟制面積減少三熟制作物面積顯著增加，氣候變化使水澆地和旱地的復種潛力分別增加了13%和7%。
作物生產潛力具有長期的研究歷史，包括從最早的光能利用潛力、作物生長數值模擬模型及FAO生產力計算模型、光熱水潛力，以及后來發展起來的與碳循環研究以及全球變化結合的WOFOST、EPIC、SUCROS、CERES、DSSAT等諸多模擬模型。
經濟潛力揭示了生產要素與技術水平不變、現有市場價格調節下耕地集約化的投入潛力，因此并非長期潛力。目前估算投入潛力最有效的方法是生產函數法。生產函數有多種形式，其中由美國數學家COBB和經濟學家DOUGLAS提出的COBB-DOUGLAS生產函數應用最為廣泛。
4.3、基于增產指標的耕地集約化評價方法
產量差受到了國內外廣泛關注，主要包括三方面概念：一種是作物模型模擬產量與實際產量之差；一種是試驗樣地產量與實際產量之差；一種是農民最高產量與實際產量之差，造成該產量差的主要因素取決于農戶的知識應用能力、技術水平限制以及高成本低回報的市場條件等經濟因素。產量差研究方法有兩種途徑：一種是試驗調查及統計分析；一種是運用作物模擬模型。前者更有針對性，但是試驗費用大，且要求足夠的試驗數據；后者不能對實際生產中的所有管理措施精確定量化。實際研究中，可綜合利用統計方法、作物模擬模型及遙感方法，發揮各種方法的優勢。
發達國家因栽培管理水平相對較高，作物產量提升空間較小。即使農業生產效率最高的地區可實現產量和農戶實際產量之間仍舊存在很大的產量差。2013年全球產量差Atlas項目發表了從地方到全球尺度、關于產量差內涵、方法和應用等系列專刊，有助于在方法選擇、數據來源、模型等方面達成科學共識，也有利于分析不同空間尺度增加作物產量的限制因素。部分學者認為通過縮小產量差持續提高全球糧食供應將對環境和糧食生產能力造成不確定性影響，有必要識別地方、區域以及全球技術水平、基礎設施和社會經濟等因素的不同解決辦法，緩解區域環境和社會外部性等縮減產量差和影響集約化生產的限制因素。RAY等研究表明1961—2008年全球很多地區玉米、水稻、小麥和大豆產量持續增加，還有大約1/4耕地作物播種面積增長地區的產量沒有改善、甚至停滯或暴跌。RAY等利用1968—2008年數據和線性回歸模型預測玉米、水稻、小麥和大豆產量分別年增加1.6%、1.0%、0.9%和1.3%，比2050年糧食產量年增加2.4%的需求預測少很多。這些研究表明農戶實際產量向作物潛在產量上限增加變得更加困難。
收獲面積差是在復種指數及復種潛力指數基礎之上發展起來的新概念，有利于認識復種頻率與作物生產潛力等信息，目前所受關注較少。最近RAY等利用WorldClim月平均最低溫、閾值10℃以及來源于統計數據的實際收獲面積差數據，分析了耕地最大潛在收獲面積差。WU等建立了基于氣候數據的耕地復種潛力估算模型和基于遙感觀測的耕地復種指數提取模型，利用潛在復種指數和實際復種指數計算耕作強度差，分析其在全球不同區域及國家的差異性，重點分析其在糧食安全高風險區域和國家的空間分布，并估算通過減小耕作強度差可以增加的耕地收獲面積數量。需要注意的一點，并不是任何地區都需縮小收獲面積差，要在投入（如灌溉、施肥、除草劑和農藥）、產出、其他農業系統參數（如土壤有機碳、生物多樣性等）及驅動力等整體框架中仔細權衡，也受到交通網絡、技術革新、土地管理和農民信用等社會經濟因素的限制。
4.4、基于投入產出要素及集約度等綜合測度的耕地集約化評價方法
從投入角度理解土地利用集約化的代表人物是BROOKFIELD。表征投入變化的特征指標，一般采用德國農業經濟學家BRINKMANN提出的包含勞動投入和各種資本投入的集約度指標，定義為單位土地面積的勞動工資、資本消耗和經營資本利息的總和。不過由于投入要素中包含資本、勞動、技術等不同屬性的生產要素，最后給出一個可以比較的集約度數值，面臨一系列定量和統一測度問題。
運用頻度、投入或產出等單項指標測度能夠在單個側面對耕地集約化進行深入剖析，但難以全面反映耕地集約利用的綜合性。因此，通常將頻度、投入與產出指標等相結合，構建綜合評價指標體系或集約度指數模型開展評價分析。
國內對耕地利用集約度的研究主要集中在耕地利用集約度的測度方法、變化規律、時空差異、結構特征和影響因素等方面。Theil 指數可以測度區域差異，計量經濟模型分析其影響因素。LIU等以價值形態的農作物種植成本為表征指標，對中國1980—2002年農地利用集約度的變化特征進行了年際間、不同種植業之間與不同經濟發展水平區域之間的比較研究。王秀圓等利用農戶調查樣本，基于貨幣額衡量生產成本，對比分析不同生計類型農戶間耕地利用集約度的差異，從農戶耕地勞動集約度、資本集約度等分別構建實物形態指標與綜合價值形態指標，對耕地利用集約度的內部結構進行了分析比較。陳瑜琦、張琳等研究發現耕地利用集約度的結構特征會隨著經濟發展而變化，資金投入逐步替代勞動投入是基本趨勢。
4.5、其他評價方法
除了上述基于各項評價指標體系及相應技術手段與評價方法的研究之外，還有其他類型方法同樣值得關注。例如將農戶調查法與計量經濟模型相結合、對比分析法、GIS與計量經濟模型相結合以及相關成果引入借鑒等方式，使得耕地集約化研究更加關注微觀層面（農戶尺度），也能進一步切合實際情況。農戶尺度上，農戶的家庭人口結構、生活水平、資產規模、抗風險能力、經驗和技能、受教育水平等因素會影響到農戶的土地利用決策，進而影響其土地利用集約化水平。但是這些因素具有較大的變異性，很難與耕地集約化之間建立普適性關系，只能針對具體情況進行具體分析。
5、結論與展望
科學的實現耕地集約化評價是一項復雜的工作，目前的研究尚未形成完整體系。本文從耕地集約化與農業可持續利用、生態保護及糧食安全的互動框架切入，對國內外耕地集約化評價指標體系和評價方法進行了系統梳理，并探討性構建了基于互動框架的耕地集約化評價指標體系。總體來看，今后耕地集約化評價指標體系與評價方法分別趨向于多樣化、集成化等方向發展，現主要從以下兩個方面提出未來的發展趨勢和研究要點：
（1）耕地集約化指標類型呈多樣化態勢。耕地集約化評價指標體系涉及土地科學、經濟學、生態學、地理學等方面，屬于多學科交叉研究領域，評價指標亦從多個方面賦予耕地集約化發展水平不同的內涵。由于地域差異性、時空尺度不同等原因，尚缺乏普世性的指標體系標準，針對各地區考慮的因素及相應指標也大不相同。今后，在現有評價指標體系基礎上，亦結合技術進步、生產力提高及對生態環境的新要求，考慮耕地集約化與農業可持續、生態保護及糧食安全互動關系，對不同研究區域、不同研究尺度的指標體系予以進一步深入細化及外延拓展，依據地域差異及數據獲取特點進行針對性選擇和修訂。
（2）評價方法與技術手段的綜合集成態勢。現有研究主要采用統計數據、農戶調查數據、試驗分析數據及遙感數據，利用計量經濟模型、遙感、地理信息系統、農戶調查等不同方法及其相互結合對耕地集約化的不同側面開展研究。隨著海量多樣數據的積累以及大數據分析手段的引入，如何將多源指標數據統一到同一個評價單元仍舊是耕地集約化研究的難點問題，今后還需加強社會經濟調查數據和遙感數據的結合，融合多源數據以形成有效的分析數據集；整合不同模型與測度方法，構建耕地集約化評價方法庫，深入分析耕地集約利用過程、格局、機理和效應。此外，隨著GPS及無人機監測技術的發展，可以采用高新技術開展精細化耕作監測及管理研究，構建系統動態監測模型，開展農戶決策行為模擬，引領耕地集約化研究的新方向。
作者簡介：石淑芹 曹玉青 蔡為民 :天津工業大學管理學院； 吳文斌 楊鵬 陳佑啟:中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業部農業信息技術重點實驗室
中國鄉村發現網轉自：《中國農業科學》2017年第7期。
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