干旱內陸盆地綠洲種植業生態經濟系統的能值分析

寇 文 王水獻 錢 翌

摘要:以新疆干旱內陸典型代表區域——焉耆盆地為研究對象,運用能值分析理論和方法對該區域種植業生態經濟系統的能值投入和產出進行了分析。結果表明:(1)焉耆盆地綠洲2006種植業生態經濟系統的能值投入以不可更新的工業輔助能為主。在不可更新工業輔助能中,化肥對農業的產出影響較大;(2)該區域的能值利用強度高于全國平均水平,說明農業的科技投入水平較高;(3)系統的凈能值產出率高于全國平均水平和發達地區水平,表明系統具有較高的經濟活力,農業系統整體功能較好,運轉效率較高,能值回報率較高;(4)農業生產對整個區域生態系統的壓力較輕,引起的生態環境破壞較小,農業環境資源還有進一步開發利用的潛力;(5)焉耆盆地種植業系統具有可持續發展的潛力。

關鍵詞:焉耆盆地;種植業系統;能值分析;可持續發展評價

中圖分類號:S181文獻標識碼:ADOI編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2009.04.014

Emergy Analysis of Oasis Planting Economic Ecosystem in Arid Inland Basin—a Case Study of Yanqi Basin

KOU Wen1,WANG Shui-xian2 ,QIAN Yi1,3

(1.College of Grass Industry and Environment Science,Xinjiang Agricultural University,Urumchi,Xinjiang 830052,China;2.College of Earth and Environmental Sciences,Key Laboratory of Western Chinas Environmental System s (Ministry of Education),Lanzhou University,Lanzhou,Gansu 730000,China;3.College of Environment and Safety Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266042,China)

Abstract:In this paper, taking the region of arid inland as the representation region-a case study of Yanqi basin, based on the theories and methods of emergy, emergy inputs and outputs of planting economic ecosystem were analyzed. The result showed that: (1) The unrenewable industrial assistance emergy were mainly in the region of farming eco-economic system, and the chemical fertilizers greater impacted on agriculture output; (2) The intensity of emergy use was higher than the national average on agriculture, which indicated that there were a higher levels of investment in science and technology in the region; (3) The net output rate of emergy in the planting economic ecosystem was higher than the level of the national average and developed regions of Guangdong Province, which showed that the system had higher economic vitality, and the better function of agricultural system, more efficient operation, higher returns of emergy; (4) The rate of environmental loading was a lower level, which indicated that agricultural production had less pressure on the entire regional ecosystems, and caused less damage to the ecological environment, and agriculture, environmental resources for further development and utilization; (5) The sustainable development index in Yanqi Basin indicated that farming systems in the region belonged to sustainable development areas.

Key words: Yanqi basin;planting system;emergy analysis;countermeasures of continual development

能值分析(Emergy analysis)[1] 理論和方法是美國著名生態學家、系統能量分析先驅Odum為首于20世紀80年代創立的。應用能值這一新的科學概念和度量標準及其轉換單位能值轉換率(transformity),可將生態經濟系統內流動和儲存的各種不同類型的能量和物質轉換為同一標準的能值進行定量分析研究。該理論和方法一經提出便以它獨到的研究角度獲得廣泛贊許。20世紀90年代以來,國內外關于能值分析研究異?；钴S[2-11],研究領域不斷拓寬。新疆是我國重要的糧棉生產基地,農業生產以高投入、高產出的模式為主,但由于資源利用效率偏低,這種模式已經對農業生態環境帶來了很大的負面影響,如農業用水過量,既影響了生態用水供給,又造成土壤次生鹽漬化;另外,大量使用化肥農藥也使得土壤質量下降、非點源污染嚴重。

過去關于農業生產對生態環境影響的定量研究一直比較缺乏,已經妨礙了對農業生態系統的科學管理。因此,運用能值分析方法,定量分析該區域種植業系統主要農作物自然環境資源和輔助能的能值投入與產出,評價其環境資源能值基礎、能值投入與農業發展水平,對更加合理地開發綠洲農業環境資源具有重要意義。筆者運用能值方法對新疆焉耆盆地2006年的種植業生態經濟系統中能量、資金流動及系統的狀況進行了分析研究,目的是為綠洲農業生態系統的調控提供科學依據。

1研究區概況

本研究以干旱內陸河流域典型代表區焉耆盆地作為研究對象。研究區主要是指焉耆盆地綠洲平原區(包括山前沖洪積扇和細土平原),位于東經86°39′～88°20′,北緯41°23′～43°31′。盆地東西方向長約160 km,南北方向寬60~90 km,綠洲區面積約576.8 km2。在行政區劃上焉耆盆地包括巴音郭楞蒙古自治州的焉耆、和靜、和碩與博湖四縣的平原部分及兵團農二師21~27等7個團場。該區域地面海拔一般在1 050~1 200 m,地勢西高東低、北高南低,總體呈現為四周向盆地傾斜的地貌形態。盆地內主要發育著流水地貌、風沙地貌和湖泊地貌類型。焉耆盆地的氣候特征表現為熱量充足,日照長,溫差較大,平均降水量50.7~79.9 mm,相對濕度50%~60%,蒸發量為2 000.5~2 449.7 mm,屬于南北疆過渡的大陸荒漠性氣候。

2種植業生態經濟系統能值分析相關數據表的建立

2.1能值分析表編制

以焉耆盆地2006年種植業生態經濟系統中能量投入和產出數據為基礎[12],結合部分農戶調查數據,選取可更新環境資源、不可更新環境資源、可更新有機能、不可更新工業輔助能、農作物產出等作為主要分析指標。基于收集的資料數據,借助能量折算系數[13-15],將不同量綱的各種物質換算成對應的能量,折算為J(焦耳)和g(克)的能值分析原始數據,再將各原始數據乘以相應的太陽能值轉換率[6,16,17],得到太陽能值量,再根據能量貨幣比率將太陽能值轉化為能量—貨幣價值,并按投入和產出分類編制,最終形成2006年焉耆盆地種植業生態經濟系統能值投入(表1)、能值產出(表2)結構表。

為了便于觀察分析數據,將表1和表2的各項目合計進行匯總編制,得到焉耆盆地2006年種植業生態經濟系統能值投入—產出匯總表(表3)。

2.2能值指標體系的建立

為分析各項投入產出能值所占比例,評價自然環境與輔助能對種植業系統中農業生產的貢獻,根據系統特點和分析目的,將各項投入和產出數據進行相應比較,得出環境負荷率、輔助能值投入率、總能值產出率、有機能值投入率等能值指標,將這些數據與表達式匯總,編制成2006年焉耆盆地種植業生態經濟系統能值指標體系(表4)。

3焉耆盆地種植業生態經濟系統能值特征分析

3.1能值投入分析

3.1.1可更新能值投入分析從表1中可見,焉耆盆地種植業生態經濟系統2006年投入能值總量為8.94E+20 sej。其中可更新環境資源、不可更新環境資源、可更新有機能、不可更新工業輔助能分別占總能值流量的5.06%,0.32%,38.10%,56.52%(圖1)。不可更新的工業輔助能值投入最大,可更新的能值(可更新環境資源和可更新有機能)投入(占43.16%)居次。從圖1中可見該地區可更新環境資源能值投入僅占總投入比例的5.06%,因此比例較小。

(1)可更新環境資源投入。焉耆盆地綠洲無償環境投入能值占總投入能值的5.38%,低于全國平均水平(9%),也低于同為干旱區綠洲的甘肅涼州地區6.22%[19],與廣州市16%[20]和海南省30%[21]相比,差距更大?？筛颅h境資源僅占5.06%,說明焉耆盆地綠洲無需付費的可更新資源并不豐富。

焉耆盆地可更新環境資源投入為4.52×1019 sej,占可更新總能值投入的11.7%,主要是太陽能、風能、雨水勢能和雨水化學能,其中太陽能占可更新環境資源能值投入的89.16%,說明光熱資源在該地區是優勢資源。焉耆盆地太陽輻射能及光合有效輻射都較為豐富,但由于當地年降雨量只有70 mm左右,不能滿足農作物等植物生長的需要,農作物生長所需的水分主要通過引水灌溉加以解決,因此該區域農業表現為灌溉農業的特征。

(2)可更新有機能投入?？筛碌挠袡C能投入為3.41×1020 sej,占可更新的總能值投入的88.3%,其中人力能值投入占有機能投入的9.00%,占總能值投入的3.43%。而農業機械能值投入占總能值投入的10.23%,這表明焉耆盆地種植業系統的生產是以機械為主,人力為輔。2006年焉耆盆地種植業系統的可更新有機能占總能值投入的38.1%,說明該地區農業生產在很大程度上依賴不可更新工業輔助能的投入。

3.1.2不可更新工業輔助能投入分析2006年焉耆盆地種植業系統能值投入中不可更新工業輔助能的投入為5.06×1020 sej,占總能值投入的56.52%。其中化肥的能值投入為3.52×1020 sej,占不可更新工業輔助能的69.57%,占總能值投入的39.37%。肥料投入一直是現代農業高產增產的主要手段,主要包括不可更新的化肥投入和可更新的有機肥投入。由于近些年來各地提高作物產量的措施比較單一,主要采取增施化肥的手段,導致肥料邊際效益遞減,化肥污染問題嚴重。焉耆盆地綠洲種植業系統肥料投入中,化肥占69.57%,說明工業輔助能投入中主要以化肥為主,而當地化肥利用率僅為30%~40%,單位面積化肥使用量較高,而利用率較低是種植業成本增加的主要原因,這不符合經濟高效施肥的目標和生產綠色產品的要求。因此,必須繼續調整肥料的投入,進一步增加有機肥的投入,焉耆盆地有豐富的秸稈資源,可以通過氨化發酵,以秸養畜,再以畜糞肥田,這樣做不僅可以提高秸稈的利用率,使得畜牧業健康發展,提高單位耕地的產出效益,而且可以實現土地的用養平衡,最大限度地保持土壤的可持續性。

3.2能值產出分析

焉耆盆地2006年種植業總產出能值為1.60×1021 sej,在種植業系統產出能值中甜菜所占比重最高為52.94%,棉花為30.5%,其他依次為油料6.63%、蔬菜4.08%。主要作物的能值產出從大到小依次為:甜菜>棉花>油料>蔬菜>玉米>小麥>水果。從生態經濟學角度來看,甜菜、棉花因能值產出高而在該地區作物結構調整中較具優勢。

3.3能值指標體系分析

根據表4的指標含義和計算方法,對焉耆盆地綠洲種植業生態經濟系統的主要能值指標進行了計算,并將其與有關國家及地區進行了比較,詳見表5。

3.3.1能值投資率(Emergy Investment Ratio, EIR) 能值投資率為來自經濟的反饋能值與來自環境的無償能值的比值。這個比率指數是衡量開發單位本地區資源而需要的能值投入,也是衡量經濟開發程度與環境負荷程度的指標。其值越大則表明系統經濟發展程度越高;其值越小說明經濟發展水平越低而對環境的依賴越強。太低的能值投資率將不利于吸引域外資金,進而影響本地資源開發。當這一比值較大時,說明系統主要的投入都是有償的,會導致價格上漲,降低系統的競爭力。焉耆盆地種植業系統的能值投資率為10.52,高于全國平均水平4.93,也高于涼州地區的10.2,但低于日本的14.03(表5)。這表明焉耆盆地作為一個生產糖棉的主產區,在生產過程中投入了較多資金用于購買相關的生產資料,系統的運行和發展主要依賴于社會經濟系統投入的能值。

3.3.2凈能值產出率(Net Emergy Yield Ratio, EYR)凈能值產出率為經濟過程產生的能值量與來自經濟過程的反饋輸入能值的比值。它是衡量系統產出對經濟貢獻大小的指標。焉耆盆地2006年種植業系統凈能值產出率為1.89,高于廣東2003年種植業能值產出率的1.25和意大利1989年農業能值凈產出率的1.13,更高于1998年全國的平均水平0.27,但低于涼州地區2005年農業的能值凈產出率2.90(表5)。焉耆盆地種植業系統能值產出率較高,表明該地區種植業生態經濟系統具有較高的經濟活力,農業系統整體功能較好,運轉效率較高,能值回報率較高。

3.3.3環境負荷率 (Environmental Loading Ratio, ELR)環境負荷率為購買的和不可更新的本地能值與無償的環境能值(可更新資源能值)之間的比值。Odum認為,這個比率很像電路負荷一樣,較高的比率數值說明在系統中存在高強度的能值利用和高水平的科技含量,同時對環境系統保持著較大的壓力,是對經濟系統的一種警示,若系統長期在較高的環境負荷率下運行,系統平衡很容易遭到破壞,甚至產生不可逆轉的功能退化或喪失。焉耆盆地2006年的環境負荷率為1.33,低于國內平均值的2.80,也低于其它一些地區和國家(表5)。較低的環境負荷力說明農業生產對整個生態系統的壓力比較小,對自然可更新環境資源的利用程度比較低,農業環境資源還有進一步開發利用的潛力,可以進一步加大其購進能值的投入,提高生產力水平。

3.3.4能值利用強度和人均能值利用量(Emergy Density,ED;Emergy Per Capita, EPC)能值利用強度又稱能值密度,等于系統的能值投入總量除以系統的土地面積,是評價系統經濟發展程度和發展水平的指標。該值越大,表明系統經濟開發程度越高,發展等級越高,同時也表明系統的環境壓力越大。焉耆盆地2006年的能值利用強度為12.1E+11 sej,高于全國平均水平1.32 E+11 sej,也高于涼州地區的3.05E+11 sej,但比發達國家的這一指標要低(意大利為42.03E+11 sei,日本為41.09E+11 sej)(表5)。這表明焉耆盆地與國內一些地區相比科技投入水平比較高,但與發達國家相比,該區域對資源的利用效率還有提升的空間。人均能值利用量是從生態學的角度來評價人民生活水平的指標。它比傳統的人均收入更具科學性和全面性,因為個人擁有的真正財富除了可由貨幣體現的經濟能值外,還包括沒有被市場貨幣化的自然環境無償提供的能值、與他人物物交換而未參與任何貨幣流的能值等等,這些財富僅以經濟收入不能全面體現。人均能值量較高的地區人均生活水平也較高。焉耆盆地人均能值為6.16E+15 sej,這一指標高于涼州地區5.73E+15 sej的水平,但低于廣東省和發達國家的水平(表5),說明焉耆盆地農民的平均生活水平不是很高,經濟發展水平相對于發達國家還比較落后。

3.3.5基于能值分析的種植業系統可持續發展指數(Emergy Based Sustainability Index, ESI)美國生態學家Brown和意大利生態學家TUlgiati將系統可持續發展指數定義為系統能值產出率與環境負荷率之比,即EYR/ELR。它是對凈能值產出率與環境負荷率的相對比較。當一個地區的凈能值產出率高而環境負荷率低,則它的能值可持續發展指數表現較高,經濟發展是可持續的,反之是不可持續的[25]。李海濤等根據新疆能值分析表明,該值處于1~10范圍則說明系統有活力、可持續,但大于10則是不發達的象征,小于1為消費型經濟系統[10]。焉耆盆地的這一指標值為1.42,屬于可持續發展的范疇。由此可見,焉耆盆地種植業系統具有可持續發展的潛力。

4結論

(1)焉耆盆地綠洲不可更新的工業輔助能占總能值投入的56.52%,說明區域內種植業生態經濟系統的能值投入以不可更新的工業輔助能為主。在不可更新工業輔助能中,化肥的能值投入為3.52E+20 sej,占工業輔助能的69.57%,占總能值投入的39.37%,說明化肥對農業的產出影響較大。

(2)焉耆盆地2006年的能值利用強度為12.1E+11 sej,高于全國平均水平1.32E+11 sej,但低于意大利和日本等發達國家的水平。這表明焉耆盆地與國內一些地區相比科技投入水平比較高,但與發達國家相比,該區域對資源的利用效率還有提升的空間。

(3)焉耆盆地2006年種植業系統凈能值產出率為1.89,高于廣東2003年種植業能值產出率的1.25,更高于1998年全國的平均水平0.27,表明該地區種植業生態經濟系統具有較高的經濟活力,農業系統整體功能較好,運轉效率較高,能值回報率較高。

(4)焉耆盆地2006年的環境負荷率為1.33,低于國內平均值的2.80,也低于其它一些地區和國家。說明農業生產對自然可更新環境資源的利用程度比較低,對整個區域生態系統的壓力比較小,對環境資源的利用引起的生態環境破壞較小,農業環境資源還有進一步開發利用的潛力。

(5)焉耆盆地的可持續發展指數為1.42,屬于可持續發展的范疇,表明該地區種植業系統具有可持續發展的潛力。

5建 議

焉耆盆地是新疆主要的糖棉糧產區,基于目前種植業系統能值投入中不可更新、工業輔助能比重較大、單位面積能值投入強度較高、系統凈能值產出率較大、環境負荷率較低的現狀,今后焉耆盆地農業增產戰略應重點放在克服作物增產限制因子,調整種植業生產投入結構等方面。由于該地區擁有豐富的光、熱資源,化肥投入比較多,因此,農業增產措施應放在提高水資源利用效率和增加有機肥的比重上,另外還應該對農業用水過量和大量使用化肥農藥造成的環境問題給予足夠的重視。

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