哈爾濱市農業生態系統能值分析

裴 雪，侯淑濤，謝英楠，米 蜜，郭思嬌

（東北農業大學 資源與環境學院，哈爾濱150030）

能值（Energy）分析是美國著名生態學家Odum在能量系統分析基礎上于20世紀80年代創立的新理論和新方法，他把能值定義為產品或服務形成過程中直接和間接消耗的一種類型的能量的總和［1］。該方法不僅克服了傳統能量分析中不同類別不同性質的能量難以比較和加減的問題，而且從全新角度分析資源環境在各個生態系統中的作用，為準確評價資源環境價值提供了科學依據［2］。

本文將能值理論和方法引入對哈爾濱農業生態系統的研究中，從生態環境角度定量分析可持續發展狀態下農業生態系統的各項能值指標，衡量人和環境對農業生態系統的貢獻，為該區農業生態系統可持續發展提供理論依據。

1 研究區域、方法及數據

1.1 研究區概況

哈爾濱是黑龍江省省會，位于東經125°42′—130°10′，北緯44°04′—46°40′，地處東北亞中心位置，是我國省轄市中面積最大、人口居第二位的特大城市。哈爾濱市轄8區10縣，土地總面積5.31萬hm2，其中耕地面積1.79萬hm2，占全市土地總面積的33.71%。全市總人口991.6萬人，其中農業人口514.6萬人，占全市總人口的51.9%。該地屬溫帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫3.7℃，最高月平均氣溫21.6℃，最低月平均氣溫－18.4℃，冬季的哈爾濱有冰城之稱。全年日照時數2 450.3h，年太陽輻射總量在4.6×109～5.0×109J／m2之間，降水主要集中在6—9月，2009年全年降水量584.2mm。

1.2 能值分析及計算方法

本研究選取2000—2009年農業生態系統的物質和能量數據指標，根據各種資源（物質、能量）相應的能量折算系數和太陽能值轉換率，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）。其中能量折算系數、太陽能值轉換率及能值分析與計算方法參考藍盛芳等［3］、駱世明等［4］的研究成果。

在此基礎上，根據研究需要對系統投入與產出和典型指標進行分析。從而對哈爾濱市農業生態系統產生效率、經濟發展程度、資源環境壓力和系統可持續性進行評價，為區域農業可持續發展戰略制定提供依據。

1.3 數據來源

本文數據來源于2000—2009年哈爾濱市統計年鑒及通過實地考查和農戶訪問的方法獲取的研究區自然、社會和經濟發展等方面的基礎數據。

2 實證應用分析

2.1 農業生態系統的能值投入分析

農業生態系統是一個社會、經濟、資源和環境的綜合系統，能值的持續輸入是農業生態系統發展的基礎條件［5－6］。根據能值理論的有關概念和研究方法，對哈爾濱市2000—2009年農業生態系統的投入產出狀況進行分析，具體計算結果見表1。表1表明，哈爾濱市2000—2009年農業生態系統的能值投入呈緩慢上升趨勢，由2000年的1.03E＋22sej上升到2009年的1.49E＋22sej，增幅達44.51%，年均增長率4.45%。由于可更新的環境資源能值投入取決于氣候變化（日照時數長短、年降雨量、風速等），可更新資源能值的投入隨氣候變化在17.27%～20.99%區間波動。其中雨水化學能形成的能值量最大，占可更新環境資源投入的28.44%～33.90%。不可更新環境資源能值投入占總能值投入的比例呈現緩慢下降趨勢，由2000年的7.63%下降到2009年的6.02%。其中不可更新的工業輔助能值投入最大，占總投入量的54.26%～67.91%，呈緩慢上升趨勢，并從2006年起高于世界平均水平（62%），其中2008年工業輔助能投入比重最大。在工業輔助能值中，投入較大屬柴油和電力，二者共占工業輔助能值的57.57%～64.16%，其次是農用機械，占12.70%～18.14%。有機能的投入呈下降趨勢，從2000年的9.80E＋19sej下降到2009年的8.23E＋19sej，更多被化肥所代替。在哈爾濱農業生態系統中，購買能值占能值總投入的72.38%～75.97%，環境資源能值占能值總投入的24.03%～27.62%。購買能值投入遠遠大于環境資源能值的投入。

上述數據表明，隨著農業結構的調整和科技的不斷進步，農業生產中更注重機械化和自動化，機械能、電力、燃油的投入不斷提高。哈爾濱農業生產方式已經擺脫傳統的人力蓄力的老生產規模，正在走向科技化、專業化、自動化的先進生產模式。但在農業生產中人們更注重工業輔助能的投入，社會經濟購買能值輸入較高，農業經濟發展過程中對外來資源的依賴性較大。在工業輔助能中，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，這是導致區域生態服務功能下降的因素之一。因此要適當控制工業輔助能的投入，使其發揮最大效率。

2.2 農業生態系統的能值產出分析

依據能值轉換率計算的系統產品能值組成（表1）可知：該區農業生態系統以種植業和畜牧業為主，漁業所占能值比例較小。種植業中以水稻、玉米、豆類為主，占種植能值的95%以上。牧業以肉類、奶類、禽蛋為主。研究時段內，哈爾濱市農業生態系統總能值產出介于2.67E＋22～4.22E＋23sej，呈波動上升趨勢，農牧漁業產出能值平均分別占40.86%，53.88%，5.26%，畜牧業能值比例已超過種植業。曾經以種植業為主導的農田生態系統結構有逐漸轉為以畜牧業為主導的趨勢，但目前二者所占比重差距不是很大。

表1 哈爾濱農業生態系統能值投入產出指標

哈爾濱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提高，對肉、蛋、奶需求的增加有關；三是與經濟利益驅動和政府政策的鼓勵與引導有明顯的關系［7－8］。

2.3 農業生態系統能值典型指標分析

通過以下能值典型指標（表2），從系統的生產效率、環境壓力、經濟發展程度、可持續性角度對哈爾濱市農業生態系統進行分析。

表2 哈爾濱農業生態系統能值典型指標

2.3.1 凈能值產出率（EYR，Energy Yield Ratio）EYR指標是衡量系統是否具有競爭力和系統產出對經濟貢獻大小的指標。如果EYR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［9－10］。哈爾濱市農業系統的凈能值產出率為3.34～4.56，遠遠高于我國農業系統1998年的平均水平（0.27），高于1989年日本（1.08）和意大利（1.12）數值，高于2004年福建（1.88）的數值［11－12］。表明哈爾濱市的農業生態系統能夠獲得較高的資源利用率，運轉效率較高，能值轉化率高，能值回報率高，在同量的投入下，哈爾濱市農業生產系統可以獲得較多的能值產出。但高的凈能值產出率也表明對產品的深加工不足，產品附加值低，在市場中處于不利的競爭地位［13］。因此，哈爾濱農業生態系統應注重發展農產品加工業，促進農產品的深加工，延伸農業產業鏈，提高農產品的附加值，推進產業化經營并形成規模優勢，積極參與國內外市場的競爭［14］。

2.3.2 能值自給率 能值自給率能夠反映在農業投入中自然資源投入的比重。一個國家或地區的能值自給率越高，表明對自然資源的依賴程度越高，反之，則依賴程度較低，對工業投入依賴程度較高［9－10］。2000—2009年，哈爾濱農業生態系統的能值自給率為0.24～0.27，低于海南（0.3），也低于意大利（1.05）和日本（0.65），可見哈爾濱市農業的發展對自然環境的依賴程度較低，無償自然環境資源能值對農業的發展所作的貢獻較低。哈爾濱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較大，特別是對工業輔助能值（機械、電力、化肥等）和科技投入的需求在增加，從而忽略了自然環境對農業生態系統的作用。

2.3.3 能 值 投 資 率 （EIR，Energy Investment Ratio） EIR指標是衡量開發單位資源需要的能值投入大小。如果依賴本地資源，則比率較小。當比其它競爭者無償從環境中獲取較多能量時，這一比值也會較低。但太低的能值投資率將不利于吸引域外資金，進而影響本地資源的開發［9－10］。當這一比值較大時，幾乎所有的投入都是有償的，價格上漲，系統的競爭力較低。EIR指數大小常受到政治或社會經濟因素制約。哈爾濱市農業生態系統能值投資率為2.62～3.16，低于國內平均水平（4.93）［15－16］，更低于意大利（8.52）和日本（14.03）。但并不能說明哈爾濱市農業生態系統的運行就主要依賴本地資源，因為計算能值自給率已表明哈爾濱的農業對本地資源的依賴程度較小，更加注重社會經濟系統的投入。所以EIR指標較大只能說明農業生態系統比其他生態系統無償從環境中獲取了較多能量。

2.3.4 環境負載率（ELR，Environmental Loading Ratio） ELR用來表征一定的經濟活動水平下環境系統所承受的壓力，具有一定的環境預警作用。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［9－10］。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［17］。哈爾濱市農業生態系統的環境負載率為3.76～4.79，低 于 發 達 國 家 日 本 （14.49）和 意 大 利（10.43），比國內1998年的平均值（2.80）［18］和廣東2003年的值（1.70）高。表明哈爾濱市農業生態系統對環境壓力雖和發達國家相比還處于較低強度，但在國內已處于較高水平，反映了哈爾濱市自然、社會、經濟系統還不夠協調，農業整體發展水平還不夠高，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等方式進行改善。今后農業發展要注意保持水土，加大有機肥還田和新科技的應用，以提高系統生產效率。

2.3.5 可持續發展指數（ESI，Energy Sustainability Index） 一個國家或地區的農業生態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［19］，ESI＞10則是生態系統持續性不強；當ESI＜1時，為消費型經濟系統。2000—2009年，哈爾濱市可持續發展能值指數在0.70～1.11上下震蕩。說明哈爾濱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，農業經濟具有一定的脆弱性，未來農業經濟系統對環境的壓力較大。近幾年哈爾濱市大量增加化肥施用量和施肥的不均衡性，加速了土壤有機質的損耗，使農業生態系統的服務功能降低，也污染了農田土壤環境。同時該市農業生產灌溉受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 結論與建議

（1）2000—2009年哈爾濱市農業生態系統年總能值投入量呈逐漸上升趨勢，能值產出呈波動上升趨勢，工業輔助能投入最大。哈爾濱農業由傳統農業逐步向現代農業發展方向轉變，農業現代化水平日益增強。可更新環境資源中雨水化學能形成的能值量最大。哈爾濱市屬于農業灌溉區，自然降水與松花江水的引入對區域農業生產非常重要。研究期內，畜牧業能值比例已超過種植業，漁業所占能值比例較小。

（2）從農業生態系統能值相關指標分析來看，農業系統對環境和資源的壓力較大，并過分依賴工業輔助能而忽視了自然環境的貢獻，農業生態系統對社會經濟系統投入的依賴程度逐步增加。可持續發展能力有所降低，應該注意農業發展的可持續性，在增加系統經濟效益的同時注意保護環境，提高生態效益。通過農業產業結構調整，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［20］。

基于以上研究和思考，提出哈爾濱市維持未來農業生態系統良性發展的建議：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 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；④ 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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