2012年湖南省農業生態系統的能值分析
2015-03-14 00:59:54周科平王明球張岳
水土保持通報 2015年1期
周科平， 王明球， 李 斌， 張岳
(中南大學 資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083)
2012年湖南省農業生態系統的能值分析
周科平， 王明球， 李 斌， 張岳
(中南大學 資源與安全工程學院， 湖南 長沙 410083)
摘要：[目的] 構建農業生態系統的能值評價體系，完善能值分析數據庫。[方法] 利用能值分析理論，選取能值密度、人均能值使用量、能值自給率、能值投資率、凈能值產出率、能值貨幣比、環境負載率和可持續發展指數等8個指標；通過計算投入能值和產出能值的方法，對2012年湖南省農業生態系統能值進行了分析。[結果] 8個評價指標的計算值分別為1.15×1012,3.4×1015sej，22.35%,3.47,1.5,3.15×1012sej/$,3.56和0.42。[結論] 湖南省農業生態系統能值整體處于中等水平。解決農業能值投入結構是改善該農業生態系統的重要手段。
關鍵詞：能值理論； 生態經濟； 農業生態系統； 湖南省
建設生態文明，是關系人民福祉、關乎民族未來的長遠大計[1]。在中國經濟飛速發展時期，如何定量評價經濟發展與生態系統之間的相互關系、尋找經濟健康、可持續發展的方向，是生態經濟學研究的一個重要內容。
美國學者H. T. Odum在熱力學第二定律的基礎上，創立能值分析理論，通過能值計算，將自然資源、投入資源、產品、勞務、貨幣等換算成統一的能值數量，根據建立的反映生態與經濟效率的能值綜合指標，深入分析生態系統和經濟系統中各要素的關系，實現經濟發展與生態環境關系的定量分析評價[2-4]。
近年來，中國專家學者已根據能值理論，對中國各省份、區域、各年度進行了大量的能值分析，并取得了一系列的研究成果，構建了中國農業生態系統能值分析的數據庫，從能值理論的角度評判全國農業生態系統的發展歷程和現狀，為避免或調整不科學的生產方法和探索中國農業未來發展方向提供數據支撐。
本文以完善能值分析數據庫為指導思想，通過對湖南省農業生態系統2012年的能值分析，建立一系列的評價指標。并通過橫向比較，對2012年湖南省農業生態系統發展現狀進行評價，旨在為其他學者研究提供對比數據，并為湖南省農業系統的可持續發展提供參考和建議。
1研究區概況
湖南地處中國東南腹地，屬于長江中游地區。全省面積2.12×108hm2，以山地、丘陵為主，山地面積1.09×108hm2，占總面積的51.22%；丘陵面積3.26×107hm2，占15.40%；崗地面積2.94×107hm2，占13.87%；平原面積2.78×107hm2，占13.12%；水面1.35×107hm2，占6.39%。全省年平均氣溫15~18 ℃，日照時數為1 300～1 800 h，年平均降水量在1 200~1 700 mm之間。2012年全省人口7 179.87萬，其中農業人口5 220.62萬人。
2能值分析方法
2.1 能值理論
能值理論是著名的生態學家H. T. Odum于20世紀80年代后期創立的生態經濟系統分析方法。某種能量、物質或人類勞務、貨幣等(X)所包含的另一種能量(Y)的大小，即為X對Y的能值。在實際計算中，多以太陽能為基礎能量，即表示為其他能量、物質或人類勞務、貨幣等(X)所包含的太陽能能值，單位為sej。
能值分析的基本方法就是將被研究系統中包含的能量、物質、勞務、貨幣和信息等，全部轉化為太陽能值量，再通過構建專門的能值分析指標，從不同的角度對系統進行定量分析評價。太陽能值轉化的基本表達式為：
M=τB
(1)
式中：B——系統構成的某種因素(G，J)；τ——太陽能值轉化率(sej/單位物質)；M——該因素的太陽能值量(sej)[5-7]。
2.2 分析方法
研究數據來源于《湖南省統計年鑒2013》[8]，通過調查、統計、計算，收集湖南省2012年自然環境、地理資料、農業投入產出等相關數據資料，采用H.T.Odum提出的能值轉換率，計算各因素的太陽能值量；研究系統的能量流動關系，繪制能值系統圖；確定分析指標體系，編制能值分析表，對湖南省2012年農業生態系統進行定量分析評價。
3結果與分析
3.1 農業生態系統能值投入結構分析
2012年湖南省農業生態經濟系統投入的能值主要包括：可更新環境資源、不可更新環境資源、可更新有機能和工業輔助能(即不可更新資源，下同)4類。根據能值理論的基本分析方法，各類投入的能值量計算如表1所示。
由表1可知，2012年湖南省農業總投入能值為2.46×1023sej，4大類投入所占比例依次為22.42%，0.41%，54.01%和23.16%。
表1 2012年湖南省農業生態經濟系統能值投入
農用機械投入和勞動力投入，表明了農業經濟的現代化和機械化發展水平。由表1可知，2012年湖南省農業生態系統的能值投入中，投入量最大的為勞動力的投入，占總投入的51.45%，而農用機械的投入量僅占5.71%，說明湖南省農業系統現階段主要依靠的還是勞動力投入，機械化程度不高。這與湖南省的經濟發展程度有關，也與該省以山地、丘陵為主的地理環境有關系，不適宜開展大型的農業機械作業。這表明了湖南省農業經濟處于傳統農業向現代農業過渡階段。湖南省地處亞熱帶濕潤氣候帶，降水豐富，河網密布，農產品主要以水稻、油料及茶葉等水生性作物為主，因而水資源對農業影響巨大。2012年全省水資源能值投入占到了總投入的17.38%；可更新環境資源的投入量占總投入量的22.42%，說明湖南省自然生態資源豐富，具有進一步的發展潛力；不可更新環境資源主要是指因水土流失帶來的表層土壤營養損失，2012年湖南省水土流失率為0.42%，低于全國2001年平均水平(2.15%)、巴西(1.77%)和印度(2.91%)[9]，與發達國家日本(0.02%)、美國(0.44%)和法國(0.27%)[10]等相差不大，表明湖南省水土流失率控制良好。
2012年湖南省農業生態系統總購買能值(總輔助能值)投入量為1.90×1023sej，占總投入量的77.17%，其中可更新有機能中有機肥的投入量為1.64×1020sej，僅占0.07%；不可更新資源中，化肥的總投入量為4.26×1022sej，遠高于有機肥的投入。化肥和農藥的大量使用，是造成土壤養分結構變化、肥力下降、土壤板結的重要原因，也是農業污染的主要來源，不利于農業經濟的健康、持續發展。
3.2 農業生態系統能值產出結構分析
湖南省是一個農業大省，農業產出主要由種植業、林產品、畜牧業和水產品構成。2012年湖南省農業生態系統能值產出如表2所示。由表2可知，2012年湖南省農業總產出能值為2.85×1023sej，其中種植業、林業、畜牧業和水產品所占比例依次為50.28%，8%，34.58%和7.14%，種植業所占比例最重，說明湖南省還是以種植業為主、畜牧業兼顧發展的農業大省。
表2 2012年湖南省農業生態系統能值產出
由表2可知，2012年湖南省農業能值產出中，種植業和畜牧業分居第1和第2位，二者占總產值的84.86%。其中畜肉、谷物、油料、木材和蔬菜瓜果產量最大，分別占總產量的29.44%,24.73%,16.96%,5.85%和5.36%，畜肉已躍居湖南省農業產品產量第1，這說明湖南省產業結構的變化，在繼續保持傳統種植業產量的基礎上，逐步發展畜牧業，尤其是提高肉類產量，實現產業優化，帶動經濟發展。
結合相關研究[11]，湖南省農業生態系統產出結構比較如表3所示。由表3可知湖南省近年來逐步調整農業產出結構，減少種植業，增加林業和漁業產出。
表3 湖南省農業生態系統能值產出結構 %
2012年湖南省種植業產出中，谷物和油料所占比重最大，分別占種植業產出的49.18%和33.74%，然后依次是蔬菜瓜果、豆類、棉花、茶葉、甘蔗、薯類、麻類和煙葉。蔬菜、茶葉、麻類、煙葉等為勞動密集型產業[12]，多分布在山地和丘陵地區，難以進行機械化大規模作業，因而產量難以發生質變。但此類作物是老百姓生活不可或缺的部分，且市場價值高，也是湖南省農業產值重要組成部分。
2012年湖南省林業和水產品能值產出相比2008年已經有了較大提高。林業產品主要是木材、竹材、水果和油籽，比重分別為73.18%，0.47%，11.43%和14.92%。湖南省地形以山地和丘陵為主，降水量豐富，林業還具有較大發展潛力。湖南省素有“魚米之鄉”美稱，省內水系發達，水產品還具有較大發展潛力。
3.3 農業生態系統主要能值指標分析
2012年湖南省農業生態系統的主要能值指標及數值如表4所示。
表4 2012年湖南省農業生態系統能值分析指標
3.3.1能值密度與人均能值使用量能值密度是一個國家或地區能值總利用量與該國家或地區面積之比(T/面積)，反映了被評價對象的經濟發展強度和經濟發展等級。能值密度越大，經濟越活躍，該地區就越發達。2012年湖南省農業生產系統能值密度為1.15×1012sej/m2，比2008年9.16×1011sej/m2(表5)增長了25.5%，比福建省、貴州省、廣東省和甘肅省高，而低于四川省和遼寧省。
人均能值使用量(T/人口)可以衡量人們生存水平和生活質量的高低，能夠全面綜合評價人們擁有的自然資源、社會資源和貨幣價值，比單純的貨幣擁有量更具科學性。2012年湖南省農業生產系統人均能值使用量3.4×1015sej，略低于世界平均水平3.86×1015sej[13]，遠低于日本1.26×1016sej和臺灣省1.06×1016sej。
表5 2012年湖南省能值分析指標與其他地區比較[14-23]
注：*為根據有關文獻計算得到。
3.3.2能值自給率能值自給率是指被評價區域本地可更新環境資源和不可更新環境資源能值投入占全部能值投入的比率(ESR=I/T)，用來反映被評價系統自給自足的能力大小。能值自給率越高，則自給自足能力越強，對區域內部資源開發程度越高。2012年湖南省農業生產系統能值自給率為22.35%，遠高于日本(6.5%)、意大利(10.5%)等發達國家，低于貴州、福建、廣東和遼寧等省。這一方面由于湖南省自然資源豐富，農業生產基礎遠優于日本、意大利等國家，另一方面也說明湖南省農業現代化程度不高，化肥和農藥投入量過大，機械化生產等現代農業科技投入不足，過于依賴自然資源。
3.3.3能值投資率能值投資率是系統能值投入中的購買能值與環境能值之比(EIR=U/I)，是衡量經濟發展程度和環境負載程度的指標，值越大則表明系統經濟發展程度越高；越小則說明發展水平越低，對環境的依賴越強。2012年湖南省農業生產系統能值投資率為3.47，大于廣東、福建、貴州、甘肅和遼寧等省，而低于四川省和蘭州地區，且遠低于意大利(8.52)和日本(14.30)等發達地區。結合能值自給率，說明了湖南省農業生產系統對自然基礎農業資源利用程度不夠，可以在加大對自身資源開發利用的基礎上，進一步增大農業科技投入。
3.3.4凈能值產出率凈能值產出率為系統產出能值與輸入能值之比(EYR=Y/U)，是衡量系統生產效率的一種標準。2012年湖南省農業系統凈能值產出率為1.5，由表5所示，高于2008年(0.96)，與福建省(2004年，1.58)，廣東省(2008年,1.88)和蘭州(2008年，1.69)接近。該值越高，表明系統獲得一定的經濟能值投入，生產出來的產品能值越高，即系統的生產效率越高。由表5可知，2012年湖南省能值投入結構中，勞動力投入占總投入的51.45%，科技投入量不足，直接導致凈能值產出率偏低，農業生產系統競爭力不足。
3.3.5能值貨幣比一個國家的能值貨幣比等于該國全年能值投入總量除以當年貨幣循環量(T/GNP)，體現了能值的貨幣價值，即單位貨幣(通常用美元)所能購買的能值財富。能值貨幣比越高，表明單位貨幣所能購買的能值量越大，在與外界進行經濟活動交流過程中處于不利地位。一般經濟發達的國家或地區能值貨幣比較低，而經濟欠發達的國家和地區則偏高。2012年湖南省農業生產系統能值貨幣比為3.15×1012sej/$，低于貴州省和福建省，比四川省和遼寧省要高，且發達國家中如美國、日本、意大利和荷蘭等國家這一數值均在2.55×1012sej/$以下。可以通過調節湖南省農業系統的投入和產出結構，增大農業科技的投入，以提高能值產出率，擴大農業產值，從而提高湖南省農業生態系統的經濟生產效率，降低能值貨幣比。
3.3.6環境負載率環境負載率是能值投入中除可更新環境資源投入外的能值投入與可更新環境資源能值投入之比〔ELR=(T-R)/R〕，是農業生產系統對自然生態環境的壓力的量度。2012年湖南省農業生態系統環境負載率為3.56，該數值在表5中處于中等偏高地位，表明湖南省農業生態系統還未對生態環境產生過重的壓力。據表4所示，2012年湖南省農業生產系統購買能值投入量達到了77.65%，勞動力和化肥、農藥投入量過大，使得環境負載率偏高。不過與日本(14.19)和意大利(10.03)相比，湖南省農業生產系統還具有一定的發展空間，但要警惕對環境的壓力。
3.3.7可持續發展指數可持續發展指數定義為系統能值產出率與環境負載率之比(ESI=EYR/ELR)，綜合評價系統經濟生產效率和環境承受能力，比較客觀反映了被評價對象可持續發展能力。當1
由表5可以看出，中國絕大部分省份(地區)的可持續發展指數都小于1，表明中國農業生產系統大部分處于不健康的發展狀態。這是因為中國農業生產系統一方面在一定程度上還過于依賴于勞動力的投入，尤其是南方以山地和丘陵為主，不適合開展大規模機械作業的省份，另一方面農業生產過于依靠化肥和農藥的投入，且化肥利用率不高，據統計。1980—2002年中國化肥使用量增長了61%，而糧食產量只增加了31%。
4結 論
研究表明，2012年湖南省農業生產系統能值整體處于中等水平，系統既不具有很大的可持續發展潛力，又還未對自然環境造成很大的污染破壞。在農業投入中，湖南省主要以勞動力投入為主，農用機械設備投入不足；化肥投入量過大，且利用率低，綠色肥料投入不足；對自身自然環境資源利用不足。從而造成較大的環境負載率。
為實現湖南省農業生產系統的可持續發展，建設環境友好型農業生態系統，需重點解決能值投入結構問題。健康的湖南省農業生態系統，應以現代化農業科技投入為主，勞動力投入為輔，提高有機肥使用量，合理施用化肥；調整農業產出結構，充分利用自然資源，在保證優勢產品產量的基礎上，逐步提高其他產品的比重。最終實現農業生態系統的投入結構合理有效、產出結構全面有量。
本文在H. T. Odum教授學術成果的基礎上，參考其他學者對能值理論的研究，得到一系列具有參考價值的評價指標，但該研究的方法還有待進一步的改善。能值轉化率是本研究的基礎資料，但是不同學者采用的能值轉化率不盡相同。以豆類為例，參考文獻[11]采用的能值轉化率為8.3×104sej/J，參考文獻[13]采用6.9×105sej/J(本文采用該值)，參考文獻[20]采用6.9×104sej/J，參考文獻[14]則用農業產品轉化率1.4×1012sej/J計算。因而如何規范不同要素的太陽能值轉化率，是能值分析理論亟需解決的問題。
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Emergy Analysis for Agro-ecosystem of Hu’nan Province in 2012
ZHOU Keping, WANG Mingqiu, LI Bin, ZHANG Yue
(SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha,Hu’nan410083,China)
Abstract：[Objective] To build the emergy evaluation system of agro-ecosystem.[Methods] Based on the emergy analysis theory, eight evaluation indicators including emergy density, emergy use per person, emergy self-sufficient ratio, emergy investment ratio, net emergy yield ratio, emergy dollar ratio, environmental loading ratio, and sustainable development index were chosen to establish the agro-ecosystem evaluating system. By calculating the input and output emergy, agro-ecosystem of Hu’nan Province in 2012 was analyzed. [Results] The calculated value of eight evaluation indicators mentioned above was 1.15×1012sej/m2, 3.4×1015sej, 22.35%, 3.47, 1.5, 3.15×1012sej/$, 3.56 and 0.42, respectively.[Conclusion] The agro-ecosystem of Hu’nan Province is overall at middle level, and changing the emergy investment structure is the main way to improve the agro-ecosystem.
Keywords:emergy theory; eco-economy; agro-ecosystem; Hu’nan Province
文獻標識碼：A
文章編號：1000-288X(2015)01-0297-06
中圖分類號：S181
通信作者：王明球(1990—)，男(漢族)，湖南省衡陽市人，碩士研究生，研究方向為安全與環境工程。E-mail:374961804@qq.com。
收稿日期：2014-05-17修回日期：2014-05-26
資助項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目“廢棄礦區尾礦處理與循環利用技術及示范”(2012BAC09B02)； “十二五”國家科技支撐計劃項目“復雜地下金屬礦二步開采與回收技術”(2013BAB02B05)
第一作者：周科平(1964—)，男(漢族)，湖南省衡陽市人，博士，教授，博士生導師，從事金屬礦安全高效開采及數字礦山的研究。E-mail:kpzhou@vip.163.com。
