基于能值分析的高臺縣農田生態系統可持續發展評價

劉水琴，王萬雄，張潔瓊

(甘肅農業大學資源與環境學院， 甘肅 蘭州 730070)

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基于能值分析的高臺縣農田生態系統可持續發展評價

劉水琴，王萬雄，張潔瓊

(甘肅農業大學資源與環境學院， 甘肅 蘭州 730070)

應用能值分析理論和方法，選取1997—2012年的數據，對高臺縣農田生態系統投入產出結構和能值指標進行了分析，并運用主成分分析法對高臺農田生態系統進行了綜合分析。結果表明，高臺縣農田生態系統能值投入呈現整體增加、局部時間段減小態勢，1998年能值投入值最小，為325×1018sej，2012年投入值最大，為496.89×1018sej，主要原因是工業輔助能的增加最明顯，從1997年的180.98×1018sej增加到2012年285.14×1018sej?？偟哪苤诞a出波動較大，2002年最小，為240.37×1018sej，2012年最大，為473.37×1018sej。環境負載率總體呈上升趨勢，由1997年1.11上升到2001年1.54，再降至2012年的1.39。2002年可持續指數為0.53，遠低于2001全國平均水平(1.23)?？偟膩碚f，高臺縣綠洲農田生態系統的綜合水平總體上呈現下降趨勢，16年來研究區綜合水平差異大， 1997—1999年生態系統綜合水平較高，2000—2006年環境惡化，2007—2009年生態環境有所改善，2010—2012年高臺縣綠洲農田生態系統的可持續發展狀況惡化。因此，高臺縣在未來發展過程中應該合理調整種植業結構，合理開采利用水資源，保護耕地，積極引進先進機械、技術，提高農業機械化水平，促進高臺縣經濟社會可持續發展。

高臺縣；能值分析；農田生態系統；可持續發展；主成分分析

高臺地處西部干旱區，是干旱區特殊的自然—社會—經濟復合系統，以農業為主要產業，具有很大的發展潛力[7]。然而，受地理位置和自然環境的影響，加之不合理的開發資源，高資源消耗的傳統種植業系統已形成了對農田生態系統資源的過度消耗，使該地區生態系統面臨著經濟發展滯后和生態環境惡化的雙重壓力。本文運用能值理論對高臺地區的農田生態系統進行了分析，揭示農田生態系統能流特征以及系統結構與功能，旨在為該地區的農業持續發展提供建議和參考依據。

1　材料與方法

1.1研究區概況

甘肅高臺縣地處東經98°57′27″至100°06′42″，北緯39°03′50″至39°59′52″之間，位于河西走廊中部，黑河中游下段。高臺縣全縣總面積4 312 km2，2012年年末全縣總人口15.8萬人。高臺縣屬大陸沙漠干旱型氣候，冬季寒冷、干燥，夏季干熱，春季多風，全年無霜期150 d左右，多年平均降水量103 mm，蒸發量2 000 mm左右[8]。

1.2能值分析方法

能值分析的概念：一種流動或存儲的能量所包含另一種類別能量的數量，成為該能量的能值[9]。在農業生態系統中，按照能量流動方向分為總投入能值和總產出能值[10]，結合區域自然環境和社會經濟概況，選取代表區域生態系統能值指標體系，環境負載率、能值密度、可持續性指數等，對區域農田生態系統進行綜合分析，定量評價農田生態系統種植業結構的多樣性，探討農田生態系統可持續發展狀況。

1.3數據來源

Rest bout length: the average length of rest bouts;

產出量等數據來自1998—2013年《甘肅省發展年鑒》[11]。太陽能值轉換率以Odum H T、Brown M T等的計算結果為基礎，能量折算系數采用駱世明等的研究結果[12]。

2　結果與分析

2.1農田生態系統能值投入結構分析

高臺縣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[13]。從圖1可以看出，第一，從高臺縣農田生態系統的投入情況看，1997—2003年總投入能值變化幅度小，2004—2012年這一階段總能值投入呈上升趨勢。第二，可更新環境資源和不可更新環境資源投入變化很小，相反，不可更新工業輔助能不斷增加，1997年為180.98×1018sej，2012年為285.13×1018sej，增加了36.5%，充分表明了高臺縣在近幾年的農業生產中對化肥等的依賴程度越來越高，同時，隨著經濟社會的不斷發展，消耗的工業輔助能也在增加。第三，可更新的有機能占總能值投入的比重呈下降趨勢，主要是因為有機肥的投入占很小一部分，投入偏低。其中，人力和畜力是可更新有機能的主要部分，2011年，二者所占比例達61.65%，說明高臺縣農業生產還比較傳統，農業機械落后。從表1還可看出，不可更新工業輔助能占總能值投入的大部分，可更新有機能次之。因此，在今后農業生產中，高臺縣需要增加農業機械投入和提高農業科技，減少勞動力投入，還應加大有機肥的施用量，減少化肥的使用，使農業向生態化和有機化發展。

2.2農業生態系統能值產出結構分析

由圖2可知，高臺縣1997—2004年總能值產出變化幅度大，1997—1998年呈上升趨勢，1998—2000年迅速下降，到2001年上升到16年間的最大值，然后又開始迅速下降，到2002年達到最小值。2003—2008年開始緩慢上升，2008—2010年逐漸下降，然后又開始上升。從表2可以看出，小麥、夏雜糧、棉花和玉米是高臺縣主要的能值產出。小麥從1997年的86.32×1018sej下降到2012年的48.69×1018sej，下降了43.59個百分點；夏雜糧從1997年的80.74×1018sej上升到2012年的117.33×1018sej，比重由23.29%上升到24.79%；玉米能值在1997—2012年間變化不明顯，從1997年的71.052×1018sej上升到2012年間的98.79×1018sej，在總的能值中所占的比重基本沒變。在1997—2012年間，棉花的能值呈現明顯的上升趨勢，從1997年的41.06×1018sej迅速上升到2008年的254.26×1018sej，后者是前者的6倍多；然后又開始緩慢下降到2012年的161.76×1018sej，比2008年下降了36.38%。很明顯這16年間高臺綠洲糧食作物種植量減少，增加了經濟作物的種植。

表1　1997—2012年高臺縣農田生態系統能值投入結構/(×1018 sej)

圖1　1997—2012年高臺縣綠洲農田生態系統總的能值投入

圖2　1997—2012年高臺縣綠洲農田生態系統總的能值產出

2.3高臺縣農田生態系統主要能值指標分析

結合高臺地區實際情況，選取一些具代表性的指標對該地區的經濟發展水平和生態環境狀況等進行評價。

2.3.1凈能值產出率凈能值產出率是系統產出能值與投入的農業輔助能之比。是衡量系統產出對經濟貢獻大小的指標，它用以評價基本能值利用率以及農業生產活動的競爭能力。凈能值產出率越高，表明系統的生產率越高[14]。高臺縣農業系統的凈能值產出率變化規律與總的能值產出變化規律一致。1997—2002年間變化幅度大，2001年達到最大值，2002年達到最小值；2002—2012年間變化緩慢。表明高臺縣2001年能值利用率高，2002年能值利用率最小。2003—2007年逐漸上升。2009—2012年，系統生產率不斷下降，系統整體功能不好，運轉效率較差，主要是由于化肥能值等購買能值的不斷增加。

2.3.2環境負載率環境負載率是輔助投入能值和不可更新資源能值與環境資源總能值的比率。用于衡量系統能值利用強度，警示系統所受的壓力狀況。若系統長期處于較高的環境負載率下，則容易破壞系統的平衡，產生不可逆轉的功能退化[15]。如圖3所示，高臺縣農田生態系統環境負載率總體呈上升趨勢，1997—2001年間，環境負載率呈現明顯的上升趨勢，由1997年的1.14上升到2001年的 1.53，上升了34.2個百分點。2002—2003年間，急劇下降，由2002年的1.54下降到2003年的1.17，下降了24.03個百分點。2003—2007年間，迅速上升到2004年的1.55后開始緩慢上升，2007年達到16年間的最大值1.65，比2003年上升了41.03個百分點。2007—2012年間，呈現明顯的下降趨勢，2012年達到1.38，比2008年下降了21.56個百分點。表明1997—2002年和2003—2007年這兩個階段內高臺縣農田生態系統壓力大，資源利用率低；相反，2008-2012年間，隨著社會的發展和對環境的重視，資源利用率有所提升，環境有所改善。因此，應該適當減小高能值投入的農作物種植面積的比重，降低生產成本，加大機械化投入，提高系統對環境資源的利用率，保護生態環境，走高效綠色農業發展之路[9]。2.3.3可持續發展指數可持續性指數是凈能值產出率與環境負載率的比值，表征當地生態系統可持續發展水平。但并不是ESI值越大，就表示系統的可持續發展性越高。若110，則是不發達的象征；若ESI<1，則是高環境負載率的消費型生態經濟系統[16]。圖4表明，高臺綠洲農田生態系統可持續發展指數由1997的0.97上升到1998年的1.21，然后又迅速下降到2000年的0.73，比1998年下降了93.97個百分點；然后又上升到2001年的0.87，2002年達到最小值0.56，下降了35.63個百分點；2002—2012年間，除2009年有所下降外，一直呈緩慢上升趨勢。結果表明，1997—2012年間，只有1998年1

2.4高臺縣農田生態系統綜合指標分析

由于單一能值指標分析具有片面性，不能很好地反映高臺縣農田生態系統的綜合水平，本文構建了反映農田生態系統綜合水平的能值指標體系，利用主成分分析法計算不同年份的綜合水平得分值，從整體上定量評價高臺綠洲農田生態系統的可持續發展差異。

圖3　1997—2012年高臺縣綠洲農田生態系統環境負載率

圖41997—2012年高臺縣綠洲農田生態系統可持續發展指數

Fig.4Emergy sustainability index of Gaotai oasis farmland ecosystem during 1997—2012

主成分分析法是將原來變量重新組合成一組新的互相無關的幾個綜合變量，同時根據實際需要從中取出幾個較少的綜合變量，盡可能多地反映原來變量信息的統計方法[15]。

將系統綜合水平的能值指標體系(可更新環境能值與總能值比、環境負載率、能值投入率、凈能值產出率、可持續發展指數等)導入SPSS19.0，然后對運算結果進行分析。

從圖5可以看出，高臺縣綜合得分整體波動較大，由1997年的0.3上升到1998年0.95，然后下降到2000年的-0.09，2001年達到最大值0.98，2002—2006年間綜合得分都為負值，2007—2008年上升，綜合得分大于0,2009—2012年間呈現明顯的下降趨勢，2012年達到16年間的最小值-0.66。由趨勢線還可看出16年來研究區綜合得分情況波動非常大，說明高臺縣在研究期間農田生態系統非常不穩定。除2000年以外，1997—2001年、2007—2009年這兩個階段內高臺縣綜合得分大于0，說明高臺縣農田生態環境良好；其余年份均為負值，2010—2012年綜合得分呈下降態勢，說明近年來高臺綠洲生態環境并沒有得到根本改善，農田生態系統的可持續發展狀況不容樂觀。

圖51997—2012年高臺縣綠洲農田生態系統綜合得分變化

Fig.5Variations in comprehensive scores of Gaotai oasis farmland ecosystem during 1997—2012

3　結　論

經過分析1997—2012年期間高臺縣綠洲農田生態系統總的能值投入呈現整體增加、局部時間段減小態勢。1998年能值投入值最小，為325×1018sej，2012年投入值最大，為496.89×1018sej，自2010年開始高臺縣環境資源能值投入不斷增加。可更新的有機能占總能值比重總體呈下降趨勢。

1997—2012年高臺縣綠洲總的能值產出波動較大，總體呈下降趨勢。2002年達到最小值，為240.37×1018sej，2012年最大，為473.37×1018sej。小麥、玉米、棉花和夏雜糧一直是高臺縣綠洲農田生態系統的主要能值產出作物，除玉米能值基本上呈現上升的趨勢，小麥、棉花和夏雜糧整體上呈下降的趨勢。說明在這16年間高臺縣綠洲農田糧食作物種植量增加，減少了經濟作物的種植。

1997—2012年間高臺縣農田生態系統環境負載率總體呈上升趨勢，由1997年的1.14上升到2012年的1.38。

除1998年以外，1997—2012年間可持續發展指數均低于全國2001年平均水平(1.23)。2001年綜合得分0.97分，2012年綜合得分-0.65分，相差1.62分。表明近幾年該地區對不可更新資源的利用較大，生態系統不穩定，生態環境遭到嚴重破壞，生態環境壓力大，可持續性差。

總之，無論是能值指標分析法還是主成分分析法，都表明近幾年高臺縣農田生態系統發展狀況不容樂觀，農田生態環境極其脆弱，在此基礎上，本文提出促進高臺縣綠洲農田生態系統可持續發展的幾點建議。

1) 改善肥料投入結構

土壤肥力的高低是影響凈能值產出率的重要因素[13]，而高臺縣農田生態系統過度使用化肥，土壤肥力下降，因此應該加快改變過度依賴化肥的局面。一方面提高化肥利用率，控制化肥的施用量；另一方面大力推廣有機肥的使用，如將玉米秸桿、茴香根茬等直接還田與堆制秸桿肥還田，增加土壤中的有機質含量，提高土壤的肥力，從而促進系統自身的物質循環，降低對工業輔助能的過度依賴。

2) 合理利用水資源，防治水污染

黑河是高臺縣農田生態系統主要用水來源，然而多年來人們為了自己的經濟利益，大量開墾土地，種植面積日益劇增，大量開采黑河水資源，加之各城鎮工業廢水、被污染的農田灌溉水和居民生活污水不經處理直接排入黑河，致使高臺縣水資源緊缺、水污染加劇，農田生態環境面臨崩潰，風沙嚴重，土地鹽堿化、水土流失，耕地面積減少，降低環境資源貢獻率[15]。因此高臺縣需大力推廣節水灌溉技術，合理開采利用水資源，提高水污染防治技術。

3) 科技興農，提高農業機械化水平

由前文分析可知，高臺縣農業機械化水平對農田生態系統的能值總產出有較大影響，因此高臺縣應積極引進采用先進機械技術，提高農業機械化水平，不斷拓展農機作業領域，提高農機服務水平。

4　討　論

1) 由于能值分析法涉及數據繁多，不同年份數據統計口徑存在差異，本文按照相關文獻進行處理，因此研究數據與真實情況會稍有偏差，但對結論影響不大。

2) 盡管能值分析法還有待完善，但對正確分析人類與環境資源、社會經濟之間的相互關系、制定可持續發展戰略的作用不容置疑。因此本文用能值分析方法分析高臺縣農田生態系統可持續性有其合理性。

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Evalution of sustainability for farmland ecosystem of Gaotai County based on emergy analysis

LIU Shui-qin, WANG Wan-xiong, ZHANG Jie-qiong

(DepartmentofResourcesandEnvironment,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

Input and output structure and emergy indexes of the farmland ecosystem in Gaotai were investigated using the theory of emergy analysis and principal component analysis. The results indicated that total emergy input of the oasis farmland system in Gaotai County was overall increased, whereas went decreased in certain period. The lowest input value was 325×1018sej in 1998, while it reached a maixium of 496.89×1018sej in 2012, mainly due to obvious increase of industrial emergy that changed from 180.98×1018sej to 285.14×1018sej. Emergy output exhibited a marked fluctuation pattern. It reached a minimum of 240.37×1018sej in 2002 and a maximium of 473.37×1018sej in 2012. Agricultural oasis ecosystem environment load rate was high and it became elevated from 1.11 in 1997 to 1.54 in 2001, and was then dropped to 1.39 in 2012. Sustainable development index of farmland in Gaotai oasis ecosystem was 0.53, which was lower than the national average level of 1.23 in 2001. Generally speaking, the comprehensive level of the ecosystem in Gaotai area was getting worse, dispaying strong variations during recent 16 years. The ecosystem was good from 1997 to 1999 in Gaotai, while the environment problems became crucial from 2000 to 2006. Though it had been improved from 2007 to 2009, in recent years, the sustainable development of oasis farmland ecosystem continued to be cruel. Agriculture is the basis for the development of Gaotai. Therefore, adjustment of the planting structure, rational exploration for water resources, protection on arable land, and active introducion of advanced machinery and technology should be implemented in the future to promote economic and social development.

gaotai; emergy analysis; farmland ecosystem; sustainable development; principal component analysis

1000-7601(2016)04-0259-07

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.04.39

2015-09-20

國家自然科學基金“甘南紅景天瀕危的生殖生態學機理研究”(31360148)；甘肅省自然科學基金“基于計算機模擬的種群模型時空動態復雜性研究”(1208RJYA037)；國家自然科學基金資助項目“祁連山區草場毒雜草的入侵擴散機理、時空動態演化特征及生態控制研究”(31260098)。

劉水琴(1989—)，女，甘肅民勤人，碩士研究生，研究方向為理論生態學。 E-mail：1007177979@ qq.com。

王萬雄(1964—)，男，甘肅會寧人，教授，博士，主要從事理論生態學、農業生態學、數學生態學和生物數學方面的研究。 E-mail：wangwx@gsau.edu.cn。

S181

A