形式上可以用产能单产和总产表示，包括理论产能、现实产能和实际产能三个层次。基于农用地分等成果，通过抽样补充调查，依据自然等指数与理论抽样样点构建理论产能核算模型，利用等指数与现实抽样样点构建现实产能核算模型，统计数据核算实际产能。三个层次的产能模型（核算模型与《农用地产能核算技术规范》中农用地产能核算基本一致）具体如下：

参照《农用地分等规程》，标准样地指在一定的栽培管理技术条件下，该区域内农作物产量水平最高的若干农用地分等定级单元。通常标准地块的农业生产条件最好，它们在本区域所处位置的气候、地形地貌、土壤、灌溉与排水等条件的综合特征最优。因此，标准样地的产量可作为当地最高产量。理论产能体现农业粮食生产的远景目标，由技术条件决定。样点的选取来源于试验田数据，通过补充调查，指定作物审定品种的区域试验单产，将其视作理论单产的样本值，对区域重新进行分等，计算自然质量等指数，建立理论样本值和相应的自然质量等指数的函数关系，计算公式为：

 （1）

式中，为指定作物理论样本地块标准粮单产；为样本地块新的自然质量等指数；为回归系数值。将县域内所有耕地分等单元的自然等指数代入式（1），可以获得各单元的年均理论单产（），分等单元理论单产乘以分等单元耕地面积可以获得耕地分等单元理论总产（）。乡（镇）理论总产等于乡（镇）内各分等单元的理论总产值之和，乡（镇）理论总产除以乡（镇）面积得到乡（镇）理论单产。

现实产能体现近期目标，由当地利用与管理水平决定。利用等指数既与耕地自然条件有关，也与当地人们对土地的投入和管理水平有关，体现了现实的作物生产潜力水平。现实产能样点依据分布均匀兼顾指数区间的原则，选取自然质量条件一致情况下利用等较高的分等单元，将3～5年最高产量作为样点现实单产，建立抽样单元的现实单产和相应的耕地利用等指数的函数关系，计算公式为：

（2）

式中，为分等抽样单元指定作物标准粮现实单产样本值；为分等单元利用等指数；为回归系数值，将县域内所有分等单元的利用指数代入式（2），可以获得各单元的年均现实单产（），分等单元现实单产乘以相应的耕地面积可以获得耕地分等单元现实总产（）。乡（镇）现实总产等于乡（镇）内所有分等单元的现实总产之和，乡（镇）现实总产除以乡（镇）面积得到乡（镇）现实单产。

耕地实际产能指实际得到的产量。核算数据来源于农业统计部门对作物产量的统计调查。考虑到不同种类粮食作物的营养价值不同，为了与理论产能进行比较，在计算时把统计数据中的粮食产量转化为标准粮。

县（市）理论产能利用强度等于县（市）可实现单产与理论单产的比值，可实现产能利用强度等于实际单产与可实现单产的比值。理论潜力数量上等于理论单产与可实现单产的差值，可实现潜力等于可实现单产与实际单产的差值。

国外关于耕地粮食生产能力的估算与评价起初多为定性的研究，其中以美国的土地潜力分类系统最具代表性。定量化的粮食生产能力估算研究大概始于19世纪60年代，研究方法可归纳为机制法、实验法和调查法三类：①机制法主要是依据作物产量形成机制，从作物因子、环境因子和管理因子三个方面考虑，当这三方面因子都处于最佳时，认为作物产量达到最高上限，然后通过分析不同因子对产量上限的影响，采用逐步修正的方法，分层次估算粮食生产能力。②实验法是依据作物生长生理需求，通过人为创造作物生长最佳环境来取得作物最高产量的田间实验法。③调查法则是通过多方面多渠道的广泛调查来发现高产稳产的典型地块，从而掌握耕地高产稳产条件，并以此估算耕地粮食生产能力的方法。

中国学者对耕地粮食生产能力的研究始于20世纪50年代。竺可桢先生首先从气候学角度阐述了气候对土地生产力的影响，之后黄秉维先生提出了光合生产潜力这一概念，后来不少学者又进一步提出了温度、水分等因素对光合生产潜力的修正函数，逐步建立了光温生产力、气候生产力及光温水土生产力模型，土地生产能力的研究逐步系统起来。1986年全国农业区划委员会委托中国科学院自然资源综合考察委员会开展的《中国土地资源生产能力及人口承载力的研究》是中国在这一领域第一次比较全面的研究；首次尝试用联合国粮食及农业组织（FAO）的农业生态区法（AEZ）进行全国土地生产潜力及人口承载力的研究是在80年代末的《全国土地利用总体规划纲要》的基础研究中，之后由国家土地管理局与FAO算了全国粮食生产能力；国土资源部主导的国土资源大调查项目“农用地分等”也借鉴了AEZ基本原理，研究结果表达的是农用地生产能力指数。对耕地粮食生产能力的定量研究多集中在耕地资源变化对粮食生产能力的影响方面，对耕地粮食生产能力层次划分以及定量估算还不系统。