基于能值分析的德州市農業生態系統分析

劉富剛

(德州學院地理系，山東德州253023)

20世紀中葉以來，隨著對可持續發展的限制性因素探討，人們開始重視科學和技術在可持續發展中的作用。2004年，由Palmer等20名著名生態學家組成的美國生態學會生態遠景委員會完成一個戰略研究報告“擁擠地球的生態學”，報告認為一個可持續發展的未來將包括維持性、恢復性和創建性的綜合生態系統，生態學研究重點應轉移到生態系統和人類關系的可持續能力建設上，報告首次提出了“可持續性科學”概念。

可持續性科學的最基本科學問題是如何將自然與社會的動態相互作用納入到綜合地球系統、人文發展和可持續性的研究框架中，并將自然和社會相互作用導向更持續的軌道?？沙掷m性科學的核心觀點是生態、經濟和社會協調一致，統籌兼顧;關鍵性科學問題是可持續性轉變，即向著可持續性的目標/狀態不斷轉變的過程?？沙掷m性科學使應用生態科學從原生的、現存的、未被擾動的生態系統研究向以人類為重要組分、聚焦生態系統服務和人工生態設計的生態系統新研究的轉型，將為維持地球生命的質量和多樣性奠定科學基礎[1]。

農業系統是一定的自然資源和環境條件作為其基本組成部分，并由人類所控制和管理的生態系統。因此，農業生態系統的能量流動和物質循環特征有別于自然生態系統?，F代農業過分依賴人為調控手段，倚重對輔助能的投入，忽視對環境資源因素的價值認識，導致環境資源長期處于超負荷狀態。如何合理認識和評價環境資源、各種輔助能的貢獻、投入產出水平和農業系統的可持續性發展能力，成為現代農業可持續發展的重要課題之一。本研究應用能值分析理論和方法，定量分析德州市農業系統的自然環境資源和輔助能能量的投入、產出的總體能流能值，環境資源能值，為合理開發農業環境資源，優化系統功能結構以及探討區域農業生態系統可持續性發展提供參考。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

德州市位于北緯 36°24′—38°0′，東經 115°45′—117°24′之間，地處山東省西北部，黃河下游北岸，冀、魯兩省的交界處。該市屬溫帶大陸性半濕潤季風氣候，受季風影響顯著，四季分明，冷熱干濕界限明顯;光照資源豐富，年平均日照時數2 660 h，多年平均太陽總輻射量為5.24×105J/cm2，年平均氣溫12.3℃～13.4℃，年平均降水量為585.2 mm，其中夏季(6—8月)降水占全年降水量的68.5%。旱澇、干熱風、冰雹是該市的主要自然災害。

德州市轄1區2市8縣，土地總面積1.04×106hm2，其中耕地面積6.24×105hm2，占61.21%，以地域性堿性潮土為主，土壤類型分為沙壤土、輕壤土、中壤土、重壤土、鹽土、沙土和黏土。主要的作物有棉花、花生、地瓜、小麥、玉米、蔬菜等，是國家和山東省重要的糧、棉、蔬生產基地。

1.2 數據來源與研究方法

能值分析理論(emergy analysis)[2]由美國著名的生態學家Odum于20世紀80年代提出，它以太陽能值為統一尺度，把社會、經濟、自然三個亞系統有機統一起來，定量分析自然和人類社會經濟的真實價值，解決了不同類別能量因能質和能級差異而無法換算的問題，這一理論和方法為生態系統和生態經濟系統的定量分析研究開拓了新途徑。自20世紀90年代初由留美學者藍盛芳等[3-4]把能值理論、方法和有關研究介紹到中國后，我國專家和學者們運用能值理論對區域生態系統能值進行分析研究，為衡量區域發展水平，制訂可持續發展戰略提供了一定理論依據[4-9]。

本研究以山東德州市農業系統為對象，所用數據主要來源于該市1999—2008年統計年鑒統計資料，部分數據來源于德州市農業、氣象等部門的資料。能量折算系數和太陽能值轉換率根據Odum等人的研究成果[10]。選取1998—2007年農業經濟系統的物質和能量數據指標，根據各種資源(物質、能量)相應的太陽能值轉換率，將不同類別能量(J)或物質(g)轉換為統一度量的能值單位(sej)[11]。在此基礎上，對系統各種能值指標進行計算，并進行系統投入與產出分析。

農業生態經濟系統的能值投入按其來源可分為兩類:一類為直接來源于自然界，包括可更新環境資源(太陽能、風能、雨水化學能、雨水勢能等，以R表示)和不可更新環境資源(土壤表土層損失等，以 N表示)，這類能值是從自然界中無償得到的，稱為“無償能值”或“免費能值”，在可更新環境資源投入中，為避免重復計算，同一性質的能量投入只取其最大值一項;另一類能值來源于人類社會經濟系統，包括人工工業輔助能(化肥、燃油、農藥、農膜、農機具等，以 F表示)和人工可更新有機能(勞力、種子、飼料等，以 T表示)。根據研究的需要，選擇凈能值產出率(EYR)、能值投資率(EIR)、環境負載率(ELR)和可持續性發展指數(ESI)作為對德州市農業系統產生效率、經濟發展程度、資源環境壓力和系統可持續性的評價指標，對農業系統進行評價，作為制定區域農業持續性發展戰略的依據。

2 結果與分析

2.1 農業生態系統的能值結構投入及分析

農業生態系統的維持和發展的主要資源能值來源包括可更新環境資源、不可更新環境資源、工業輔助能和可更新有機能等。德州市1998—2007年農業生態經濟系統投入的能值總流量為3.20E+21 sej～4.52E+21 sej之間(表1)，其中不可更新的工業輔助能值投入最大(占總投入量的80.6%～90.2%)，已超過全國平均水平(62%)，呈上升趨勢。工業輔助能值中最大是復合肥，占工業輔助能值的61.4%～68.4%，其次是氮肥(占13.7%～17.5%)。使用氮肥是該市農業生產的傳統，近幾年隨著農業結構的調整和科技的進步農業生產復合肥的投入不斷提高?？筛颅h境資源的能值投入(占總投入量的9.1%～18.6%)，其中雨水化學能形成的能值量最大，占總能值的 7.9%～13.6%，占可更新環境資源投入的61.9%～75.6%，農業用水能值投入不斷增加。德州市屬于農業灌溉區，自然降水與黃河水的引入對區域農業生產非常重要?？筛沦Y源產品能值占總能值的0.04%～0.15%之間，其中勞動力的能值量最大，占29.4%～86.9%。

農業生態經濟系統是一個社會、經濟、資源和環境系統，能值的持續輸入是農業生態系統發展的基礎條件。上述數據表明，德州市農業經濟經濟系統的運行水平比較低，社會經濟購買能值輸入較高，農業經濟系統的運行水平比較低;農業系統的產出不單純依賴土壤的自然肥力，還與輔助能值的投入規模相關，農業經濟發展過程中對外資源依賴性較大。德州市是一個傳統的農業城市，農業生產的光照資源豐富，夏季降水集中，春秋二季干旱，農業基質條件單一，土壤肥力低。隨全球氣候變化，研究時段該市降水量呈下降趨勢，成為影響種植業發展的主要障礙因素。隨著人口的增加，產業結構的調整，農業生態系統的自我維持對社會經濟系統物質能量投入關系較大。化肥、農藥的長期投入會使土壤板結、營養元素失衡，肥力下降，水土流失增加，也是區域生態服務功能下降的因素之一。調整農業生產結構，提高水熱利用效率，加強水資源引入和水利建設，提高化肥等輔助能值的利用效率，改善農業生態環境是該市農業生態系統協調發展的的主要措施。

表1 1998—2007年德州市農業系統投入能值結構

2.2 農業生態系統的能值產出及分析

依據能值轉換率計算的系統產品能值組成(表2)可知德州市農業生態系統能值產出總能值產出2.14E+22～1.02E+23 sej之間，農牧漁業產出能值依次為5.57+21～ 1.45E+22 sej，1.02E+22 sej ～ 8.94E+22 sej，6.95E+17 ～1.09E+21 sej。研究時段 ，畜牧業平均占62.4%，種植業占35.8%，漁業占1.8%，畜牧業能值比例已超過作物種植業。種植業中以小麥、玉米、棉花、花生、蔬菜為主，占種植能值的90%以上。牧業以豬肉、禽肉、禽蛋為主。漁業所占能值比例較小。

德州市農業生態系統能值產出，一是與區域地勢平坦，農業人口密集，及與農業種植傳統有關;二是與區域長期形成的家庭養殖傳統及隨著人民生活水平需求提高，對肉、蛋、奶需求的增加有關;三是與經濟利益驅動和政策的引導有明顯的關系。德州市是一個傳統種植業發達地區，優越區位條件和政策的引導，該市的蔬菜和家庭飼養業發展較快，已成為德州市農業產值的重要組成部分，也是農民經濟收入的重要來源，也是今后重點扶持的產業。

2.3 農業生態系統能值相關指標分析

1998—2007年，德州市農業生態系統年總能值使用量基本上呈現不斷增長的趨勢(表3—4)，工業輔助能值占總輔助能的比例較高。隨著經濟的發展和人口的持續增長，人們對農業提供的生態服務要求在提高。高質量的生態服務功能的實現，需要協調好自然、社會、經濟和環境的工作，也需要物質能量做保障。

表2 1998—2007年德州市農業系統產出能值結構

表3 1998—2007年德州市農業系統能值流

2.3.1 凈能值產出率 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(反饋輸入能值由燃料、勞務、貨物等部分構成)，表達式為:

通過比較凈能值產出率，可更好地了解某一種資源是否具有競爭力和經濟效益的大小。如果NEYR小，說明該種資源的競爭力較弱，開發時產生的回報效益較低;反之，則競爭力較強，開發效益較高。

德州市農業系統的凈能值產出率為1.12～1.24(表4)，高于我國農業系統 1998年的平均水平(0.27)，略高于1989年日本(1.08)和意大利(1.12)數值，低于2003年廣東(1.25)和2004年福建(1.88)的數值[13-14]。這表明，德州市的農業自然條件較優越，農業系統充分利用光照優勢，增加復種指數，獲得較高的資源利用率;但農業經營粗放，生產的集約化程度還不高;通過農業產業結構調整，加強科技投入，改進生產管理模式，降低生產成本，可進一步提高產品市場競爭力。

表4 德州市農業系統能值指標體系(1998—2007)

2.3.2 能值投資率 能值投資率為來自經濟活動的反饋能與本區域能值輸入的比值，表達式為:

式中:EIR——能值投資率;R——可更新環境資源;N——不可更新環境資源;F——工業輔助能。

德州市農業系統能值投資率為4.20～9.37(表4)，低于意大利(8.52)和日本(14.03)，高于國內平均水平(4.93)[13-14]。說明德州市農業生態系統的維持、持續性發展對社會經濟系統投入的依賴程度逐步增加，特別是對工業輔助能值(機械、電力、化肥等)和科技的投入的需求在增加。

2.3.3 環境負載率 環境負載率為購買的和非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，其表達式為:

環境承載是以水、土、能、生物、地球化學循環為主體的自然生態過程，與以生產、流通、消費、還原、調控為主流的經濟生態過程和以人的科技、體制、文化為主線的社會生態過程在時、空、量、構、序范疇的生態耦合關系和推進以整體、協同、循環、自生為基礎的生態規劃、生態工程與生態管理的總體表現。ELR較大表明在經濟系統中存在高強度的能值利用，同時對環境系統保持著較大壓力。若系統長期處于較高的環境負載率，將產生不可逆轉的功能退化或喪失。從能值分析角度來看，外界大量的能值輸入以及過度開發本地非更新資源是引起環境系統惡化的主要原因。

德州市農業系統的環境負載率為4.36～8.52(表4)，低于發達國家日本1989年的數值(14.49)，比國內1998年的平均值(2.80)[12]和廣東2003年(1.70)高，研究時段為增加的趨勢。表明德州市農業系統對環境和資源的壓力較大，反映了德州市自然、社會、經濟系統還不夠協調，農業整體發展水平還不高，環境資源系統效益不高，應通過加快生態農業建設和資源環境管理，提高資源的利用效率。今后農業發展要注意水土保持，加大有機肥還田和新科技的應用，以提高系統生產效率。

2.3.4 可持續發展性指數 可持續發展指數是凈能值產出率與環境負載率的比值，表達式為:

一個國家或地區的農業生態經濟系統能值產出率高而環境負載率又相對較低，則它是可持續的;反之是不可持續的。ESI值在1和10之間表明系統富有活力和發展潛力，ESI＞10則是持續性不強;當ESI＜1時，為消費型經濟系統。

1998—2007年，德州市可持續發展能值指數在0.042～0.21上下震蕩(表4)。說明德州市德州市農業生態系統為消費型經濟系統，生產和管理過程的科技含量較低，需要購買的能值較大，農業經濟有一定的脆弱性，未來農業經濟系統對環境的壓力較大。近幾年德州市化肥施用量為526.87 kg/hm2，已大大高出全國平均水平(417.91 kg/hm2)，存在過量施肥、單一施肥、欠量施肥的現象。

大量增加化肥施用量和施肥的不均衡性，加速土壤有機質損耗，降低農業生態系統服務功能，也污染了農田土壤環境。農業灌溉用水占80%以上，年缺水達1.64×109m3，年引黃河1.8×109m3，仍面臨水資源不足的局面。同時該市農業生產灌溉面臨來自境內河流上游的污水、城鎮工業污水和城鎮生活廢水的影響，農業生態系統持續性發展面臨著人類需求和生態系統需求間的矛盾。

3 結論

(1)1998—2007年德州市農業生態系統年總能值投入量為3.20E+21～4.52E+21 sej之間，并呈現不斷增長的趨勢，工業輔助能值占總投入量的80.6%～90.2%，也呈上升趨勢?？筛颅h境資源的能值投入占總投入量的9.1%～18.6%，其中雨水化學能形成的能值量最大。可更新資源產品能值投入中勞動力的能值量最大。德州市屬于農業灌溉區，自然降水與黃河水的引入對區域農業生產非常重要。隨著經濟的發展，人們對農業提供的生態服務要求不斷提高，高質量的生態服務功能的實現，需要協調好自然、社會、經濟和環境的工作。

(2)德州市農業生態系統能值產出總量在2.14E+22～1.02E+23 sej之間，研究時段，畜牧業平均占62.4%、種植業占35.8%、漁業占1.8%，畜牧業能值比例已超過作物種植業，漁業所占能值比例較小。農業經濟的結構已發生明顯變化，蔬菜和家庭飼養業已成為該市農業產值的重要組成部分。

(3)從農業生態系統能值相關指標分析看，德州市農業系統的凈能值產出率為1.12～1.24，農業系統能值投資率為4.20～9.37，可持續發展能值指數在0.042～0.21之間。表明德州市的農業自然條件較為優越，農業系統充分利用光照優勢，資源利用率較高;但該市農業經營粗放，生產的集約化程度還不高，農業系統對環境和資源的壓力較大，農業生態系統的維持、持續性發展對社會經濟系統投入的依賴程度逐步增加。通過農業產業結構調整，加強科技投入，改進生產管理模式，降低生產成本，提高系統生產效率，可進一步提高產品市場競爭力。

(4)通過對德州市農業生態系統能值動態變化分析，農業生態系統維持發展的驅動力因素可分為自然和社會經濟兩個方面。自然驅動包括氣候、土壤、水文等自然要素的變化;社會經濟驅動包括人口變化、技術改革、經濟發展水平與政策等。社會行為驅動主要是人類通過農業產業結構調整，改變農業生產模式，來改變農業生態環境;同時為保證一定的基本的食物供給，需要保持一定數量耕地、并進行傳統糧食生產?，F代農業生態系統是為滿足人類的生態、社會和經濟目標而刻意創造的綜合型系統，農業生態系統持續性發展取決于我們如何充分的理解和有效地管理農業生態體系中的社會及生態因素，提高資源環境的承載力。

(5)基于以上研究和思考，德州市維持未來農業生態系統的可持續性發展具體措施為:①轉變經濟增長方式，變要素投入增長為效率提高增長，大力提高作物秸稈等有機肥的還田率，提高產品的品質;②積極增加勞動力的智力資源能值投入，調整工業輔助能投入，提高能值受益率;③發展節水灌溉農業，加強生態建設，在傳統農業技術的基礎上，結合現代農業的特點，推廣成熟的生態農業技術模式，發展農業生態工程技術，探索建立多層次、高功能的生態農業模式，處理好經濟發展和環境保護之間的關系，增強農業生態系統的服務功能。

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