基于能值分析的聊城市農業生態系統可持續性研究

徐夢辰

摘 要：根據2003—2012年聊城市農業生態系統數據，運用能值理論方法，分析該市生態農業的投入與產出，采用可更新資源能值比率、能值自給率、凈能值產出率、能值投資率、環境負載率和可持續發展指數等指標，對聊城市農業生態系統進行全面評價。結果表明：在能值投入上，主要依賴于后期的工業輔助能，而對當地環境資源的依賴程度較低；在能值產出上，畜牧業取得長足發展，已超過種植業，成為優勢產業；研究區農業生態系統屬于消費型，可持續發展指數逐年降低，僅維持在0.1以下，環境負荷率逐年升高，最高達15.5，區域環境壓力大，生態狀況難以改善。聊城市今后應大力發展節水灌溉農業，積極引進先進技術，調整工業輔助能投入，提高能值受益率，探索建立多層次、高功能的生態農業模式。

關鍵字：農業生態系統；能值分析；可持續發展；聊城市

中圖分類號：F062.2 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.09.007

Study on Sustainability of Agricultural Ecosystem in Liaocheng City based on Emergy Analysis

XU Meng-chen

（Environmental and Planning School of Liaocheng University， Liaocheng， Shandong 252059， China）

Abstract： Through analyzing the emergy input and output of agro-ecosystem of Liaocheng， discussed the security of agro-ecosystem structure. This paper helped coordinate the relationship between agriculture production and ecological environment and provides references for scientific management of the sustainable development of Liaocheng. Based on the data of agro-ecosystem of Liaocheng in 2003-2012， used the methods of emergy and calculated some indicators of emergy， such as renewable resources emergy ratio， emergy self-sufficiency ratio， net emergy yield ratio， emergy investment ratio， environmental loading ratio and emergy sustainable index to analyze comprehensively on agriculture system of Liaocheng City. The research results showed on the emergy input， agriculture ecosystem rely mainly on industrial auxiliary emergy and the level of dependence on the local environment resources was low； on the emergy output， animal husbandry had a substantial progress， becoming a dominant industry， and exceeded the planting industry； the agro-ecosystem system in the study area belonged to consumer type， with the emergy sustainable index decreasing gradually （only keep below 0.01） and the environmental loading ratio increasing year by year （the most up to 15.5）. The regional environmental pressure was enormous and ecological status was difficult to improve. Future agricultural ecosystem management should vigorously develop water-saving irrigation agriculture with actively introducing advanced technology， adjusting industrial auxiliary energy input and enhancing emergy value benefit rate. Explored establishing multi-level and high function of ecological agriculture model.

Key words： agro-ecosystem； emergy analysis； sustainable development； Liaocheng City

20世紀80年代，美國著名生態學家H.T.Odum在系統生態、能量生態、生態經濟理論基礎上創立了能值理論及分析方法[1]。我國于20世紀90年代由留美學者藍盛芳引入[2-4]。能值分析是把生態系統中不同種類、性質或無法比較的能量轉化為統一計量標準的能值[5]，從而評價其在系統中的作用和地位，分析系統的結構功能及生態經濟效益。農業是人類的生存之本，在經濟、環境協調發展的大背景下，能值理論可實現農業生態系統的定量分析[6]，揭示研究區農業結構特征與發展障礙[7]。目前，我國能值指標的研究以農業生態系統[8-9]為典范的較多，包括生態農業無公害設施蔬菜生產的系統效率和可持續性評價[10]。但研究的對象與內容已涉及湖泊濕地生態系統能值投入與產出下的系統結構與功能分析[11]、自然保護區旅游生態系統能值模型與可持續發展體系[12]、小水電站建設綜合定量評估[13]等，研究的范圍與深度仍將進一步擴展。有關農業歷史悠久、經濟欠發達地區的農業生態系統結構與可持續發展問題，并未見從統一量綱的能值分析角度報道。筆者運用能值理論方法，分析經濟欠發達地區聊城市的農業生態系統的可持續性，旨在揭示該市農業系統的結構、經濟及環境的內在結點，以期為區域農業可持續建設提供理論依據。

1 數據來源與研究方法

本數據來源于2003—2012年《聊城市統計年鑒》。綜觀前人研究的基礎上，選擇可更新資源能值比率、能值自給率、能值投資率、凈能值產出率、環境負載率和可持續發展指數作為對聊城市農業生產效率、發展水平、環境資源壓力和系統可持續性的評價指標[8-10]，對聊城市農業生態系統進行全面評價。不同類型的能量具有不同的能級和能質，各類能量之間具有特定的轉換關系即能值轉換率[2]，為避免重復計算，根據能值理論，同一性質的能量投入只取其最大值[8]。具體公式如下[14-16]：

物質或能量轉化為太陽能值的基本表達式為： M=τ×B； （1）

可更新資源能值比率公式：

EVR=（R+T）/E； （2）

能值自給率公式：

ESR=（R+N）/E； （3）

凈能值產出率公式：

EYR=（R+N+F+T）/（F+T）； （4）

能值投資率公式：

EIR=F/（R+N）；（5）

環境負載率公式：

ELR=（F+T+N）/R； （6）

可持續發展指數公式：

ESI=EYR/ELR。 （7）

式中，M：太陽能值（sej）；τ：能值轉換率；B：可用能；R：可更新環境資源；T：可更新有機能；N：不可更新環境資源；F：工業輔助能；E：總能值投入。

2 結果與分析

2.1 能值投入結構分析

農業生態系統的能值投入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。如圖1a所示，聊城市2003—2012年農業系統投入的能值總流量在（1.45～1.73）×1021 sej之間，其中，不可更新的工業輔助能值投入最大，占總投入量的91.2%～92.9%，已超過全國平均水平（62%），并呈現上升勢頭。該市農業發展主要依靠工業輔助能值的投入，并對其依賴程度逐年增加。然而，長期的化石能源投入與農藥化肥使用破壞了土壤物化性質，造成了土壤板結、養分失衡，導致區域生態服務功能下降。由圖1b可知，氮肥占工業輔助能值的37.6%～46.1%，比例最高；其次是復合肥，占18.0%～17.5%。由此可見，氮肥使用是該市農業生產的傳統，但近幾年隨著農業結構調整和科技進步，復合肥的投入不斷提高，逐漸受到農民青睞。如圖1c，可更新環境資源投入占總投入量的6.04%～7.54%，并且呈下降趨勢，其中太陽能、風能投入基本保持不變，農業用水投入不斷增加，雨水勢能和雨水化學能受降雨量的影響，變化趨勢基本相同。無償環境能值投入占總能值投入的7%，嚴重低于全國13%的平均水平，這表明聊城市的環境資源對農業貢獻小，該市優質的資源稟賦未得到有效利用。不可更新環境資源投入主要是表土層養分損失，約占環境能值投入的14%（圖1c），這是水土流失導致的。針對這一問題，聊城市應加大水土流失治理力度，改善生態環境。可更新有機能值在總投入中占比例最小，在0.032 5%～0.039 3%之間，其中有機肥自2006年以來能值投入不斷加大，這在一定程度上反映了人們生態意識的增強（圖1d）。

2.2 能值產出結構分析

由圖2a可知，聊城市農業生態系統總能值產出在（3.02～3.79）×1022 sej之間，農林牧漁業能值產出依次為（1.26～1.56）×1022 sej、（2.14～3.04）×1020 sej、（1.56～2.27）×1022 sej和（4.18～6.02）×1019 sej。2003—2012年，聊城市種植業平均產出占總產出的41.9%，并呈現持續下降態勢；林業占0.78%，并呈上升趨勢；牧業和漁業分別占57.1%和0.22%，二者雖略有波動，但整體呈上升態勢。由此可見，聊城市的農業產出以種植業和畜牧業為主導。其中，畜牧業發展迅猛，所占比例逐年增大，而種植業卻呈現下降趨勢，說明該市正逐步由傳統型農業升級為綜合型農業。畜牧業產值占農業總產值比例的高低，是衡量一個國家或地區農業結構是否合理、生產是否先進的主要標志之一[17]。目前，聊城市大力發展畜牧業，可以拉動種植業、促進加工業的興起，這將是形成其農業內部結構合理化和拉長產業鏈條的重要途徑。如圖2b所示，畜產品（肉類、禽蛋和奶類）能值產出比例較大且逐年增加，這與消費者對肉、蛋、奶需求的增加趨勢一致，反映了人民生活質量正在提高。種植業中小麥、玉米、棉花、油料等大宗農產品占種植能值的80%以上（圖2c）。雜糧、蔬菜和瓜果種植均為勞動密集型產業，能夠吸納大量勞動力，雖然其能值產出不高，但經濟價值可觀，可以與外界交換更多能值，因此該市應予以適當發展。相比之下，林業和漁業所占能值比例較小，仍需改善。

2.3 環境與經濟效益的能值分析

2.3.1 可更新資源能值與自給率 由圖3a可知，2003—2012年聊城市農業可更新資源能值比率呈下降趨勢，由7.58%下降至6.07%，究其原因，主要是人工輔助能值投入不斷上升，由1.32×1021 sej增加至1.59×1021 sej。可更新能值比率持續降低，表明聊城市農業生產力對當地可更新資源能值投入的依賴度正逐步降低。如圖3b所示，近10年來聊城市農業生態系統的能值自給率都低于10%，并呈現持續下降態勢，從2003年的8.78%下降到2012年的7.08%，這反映了該市對自身優質自然資源利用不足，環境資源依賴程度較弱。

2.3.2 凈能值產出率與投資率 凈能值產出率反映了某種資源的競爭力和經濟效益。若凈能值產出率高，說明競爭力強、回報效益高；反之，則競爭力弱，開發效益低。由圖4a可知，聊城市農業系統的凈能值產出率為1.075～1.1，近10年來呈現持續下滑的態勢，這表明聊城市農業系統整體功能較好，運轉效率較高，具備較強的競爭力。聊城市的自然稟賦優越，但由于農業經營粗放，生產集約化程度低，導致凈能值產出率逐年降低。在今后的農業發展中，應調整產業結構，加強科技投入，改進生產管理模式，降低生產成本，進一步強化市場競爭力。

能值投資率是用來表示開發單位資源所消耗的能值數量，經常受社會、經濟和政治等因素影響。若本地或無償資源是當地經濟系統開發和運行的主導，則該比例較小，但過低的能值投資率難以吸引外來資本。該比值過大則代表資源開發的能值投入幾乎都是有償的，此時成本大幅攀升，系統競爭力降低。如圖4b所示，聊城市農業系統能值投資率為10.4～13.1，呈上升趨勢，這一現象表明聊城市農業生態系統對經濟投入依賴程度較大，對工業輔助能值（機械、電力、化肥等）的需求不斷增加。

2.3.3 環境負荷與可持續發展 環境負載率是經濟系統的警示性指標，若系統長期遭受較高的環境負載，將對其造成不可逆轉的功能衰退或喪失[17]。資源過度開發與外界能值的大量輸入是導致系統環境惡化的兩大直接因素。如圖5a所示，2003—2012年聊城農業系統的平均環境負載率為13.9，呈現增長趨勢，這反映了該市農業已對環境、資源造成了巨大壓力，致使環境資源效益低，令自然、社會、經濟間的發展難以協調。從能值投資率亦可看出，不可更新的工業輔助能投入不斷增加，長期大量使用農藥、化肥已對當地環境帶來危害。因此，今后該市應增強生態建設和環境資源管理，提高資源的利用效率；注意水土保持，改善土壤肥力，加大有機肥等原生肥料的使用，以提高系統生產效率。

一個國家或地區的農業生態經濟系統能值產出率高且環境負載率相對較低，則它是可持續的；反之是不可持續的[18]。若可持續發展指數在1和10之間，則表明系統具備活力且發展潛力大；若大于10，則表明系統持續性不強；若小于1，則屬消費型系統。由圖5b可知，2003—2012年，聊城市可持續發展指數在0.069～0.090之間，總趨勢為下降態勢。說明聊城市農業生態系統屬于消費型，農業現代化和信息化程度較低，對有償能值依賴性強，導致系統存在一定風險與脆弱性。近年來，該市農藥、化肥施用不合理現象加劇，不僅削弱了耕地土壤的天然肥力，更嚴重影響到食品安全。

3 結 論

（1）在能值投入上，雖然聊城市具有優越的自然條件，但可更新自然資源所占比例小，而人工輔助投入卻高達90%以上，因此應更加注重能源和資源的轉化效率，防止資源浪費，避免生態環境遭受嚴重破壞。

（2）在能值產出上，畜牧業產出已超過種植業，這反映了聊城作為傳統農業城市，在保證種植業穩健發展的同時，正大力提升畜牧業水平。近年來，聊城市可持續發展指數均小于0.1，并持續降低，這說明該市消費型農業經濟系統的狀況難以改善。

（3）聊城市生態農業系統環境負荷較高，可持續發展指數低，農業發展主要依賴于后期的工業輔助能，對本地環境資源利用程度低。2005—2006年聊城市進入干旱年，雨水勢能和雨水化學能達到最低點，進而總能值投入量受到影響，這體現了該市農業灌溉主要依靠天然降水的特點。促進生態環境和農業生產的和諧發展，是農業生態系統可持續發展的關鍵環節。

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