基于能值理論的唐山市農業生態系統評價

郭力娜, 張夢華, 王海南

(1.華北理工大學 礦業工程學院, 河北 唐山 063009; 2.首都經濟貿易大學 財政稅務學院, 北京 100070)

基于能值理論的唐山市農業生態系統評價

郭力娜1, 張夢華1, 王海南2

(1.華北理工大學 礦業工程學院, 河北 唐山 063009; 2.首都經濟貿易大學 財政稅務學院, 北京 100070)

農業生態系統是人類賴以生存的基本系統。為更好地評價區域農業生態系統的運行狀況和變化特點，了解區域資源、環境和經濟間的關系，選取唐山農業生態系統為研究對象，基于能值分析理論與方法，通過編制能值評價指標體系，對唐山市農業生態系統能值投入和產出狀況、能值自給率、凈能值產出率、人均能值用量、環境負載率和可持續發展狀況進行定量評價。結果表明：唐山市農業生態系統整體運行較差，農業生態系統為消費型經濟系統，可持續性有待提高；以農業用電、農機動力、柴油和化肥為代表的不可更新工業輔助能值投入逐年增加，使得農業生態系統能值產出率和可持續發展指數有一定下降趨勢，且增大了對生態環境的壓力。研究建議唐山市發展生態農業和現代農業，應著眼于拓展農業多功能性，逐漸改變傳統農業生產方式，突出農業生態內涵，進而改變農業生態系統的能值投入和產出結構，促進其可持續發展。

農業生態系統; 能值理論; 可持續性發展; 唐山市

當前，我國現代農業處于快速發展的初期階段，傳統的依靠資源投入的粗放型增長方式，對資源和環境造成的壓力日益突出。近年來，隨著生態文明建設進程的不斷推進，農業的多功能性逐步顯化，由單一的生產功能向觀光、休閑、綠色、生態、文教等多功能轉變，農業生產更加注重資源節約、環境友好，表現出低碳化、生態化的特征[1]。《2016年國家十三五規劃》要求深入推進農業現代化和生態化、增強農業可持續發展能力、強調農業的生態功能，這不僅有助于人們重新審視農業的地位和作用，也有助于推進生態文明建設進程[2]。因此，有關農業生態系統的評價和價值核算一直是學術界研究熱點。

在農業生態系統的有關評價研究中，能值分析是一種較好的基于系統生態學視角和生態流的定量評價方法。該理論和方法以能值為基準，通過創建能值評價指標體系對系統中不同種類、不可比較的能量的生態流(能量流、信息流、物質流、貨幣流、人口流)進行整合、分析、評價，彌補了傳統方法中的諸多不足[3]。能值理論最早由美國著名生態學家H.T.Odum[4]于20世紀80年代創立，他將能值定義為某種流動的或儲存的能量包含著另一種類別能量的數量，或者用于形成某種資源、產品或勞動的有效能量；隨后，H.T.Odum[5]、S.Ulgiati[6]等人根據能值理論又進行了大量實例分析，從而奠定了能值理論與實例相結合的基礎。我國于20世紀90年代初由霍華德·湯姆·奧德姆的第二次訪華首次提及能值理論，并做了大量演講；后經留美學者藍盛芳[7]再次引入能值理論，并出版了我國第一本能值著作《生態經濟系統能值分析》；隨后嚴茂超[8]、隋春花[9]等人開始了內容更加廣泛的能值理論研究。

唐山市被稱為“中國近代工業的搖籃”，是國家重要的能源、原材料基地，然而，經濟的快速發展也對環境造成了一定壓力。隨著黨的十八大提出“轉變經濟發展方式，促進工業化、信息化、城鎮化、農業現代化同步發展”，以工促農、發展環境友好的現代農業，已成為唐山市經濟轉型升級的重要內容。基于此，本文以唐山市農業生態系統為研究對象，以能值理論為基礎，對唐山市農業生態系統的運行特征和變化特點進行分析，通過編制能值評價指標就唐山市農業生態系統對自然環境的依賴程度和利用程度、農業迅速發展對生態環境帶來的壓力以及可持續經濟發展狀況進行量化研究，為唐山市生態農業和現代農業的發展提供借鑒和參考。

1 研究區農業概況

唐山市位于河北省東北部，地處環渤海灣、京津冀核心地帶，其雄厚的工業基礎為現代農業發展提供了充足動力。唐山是基礎條件好的農業大市，屬暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候、地貌多樣，土質肥沃，土地總面積1 433 458.6 km2，是多種農副產品的富集產區，如唐山北部的干鮮果品、中部的農副產品、南部沿海的漁場和鹽場等馳名中外。全市現轄7個市轄區、5個縣，2個縣級市，總人口753.16萬人，其中農業人口502.25萬人。近十年來，唐山地區農業、林業、畜牧業、漁業的產量均呈增長趨勢，其種植業產量占總產量的80%以上，畜牧業占10%以上，漁業、林業所占比重較小。目前，唐山市已構建起“以糧食油料為基礎，以畜牧漁業為主導，以蔬菜果品為支柱，以地方特有和新興產業為特點”的產業格局。畜牧業建成灤縣、灤南、豐潤3個“全國牛奶生產強縣”；漁業形成了以南部海水工廠化養殖、中北部淡水立體養殖為主的產業格局；蔬菜業建立了南部沿海設施精細菜、東部沙地優質西瓜、西部出口型蔬菜、北部食用菌等4大基地；果品業建成了北部山區特色堅果、淺山丘陵蘋果、南部平原設施鮮果等生產基地。

2 研究方法

2.1 數據來源

本文所用的投入和產出數據來源于2009—2013年《唐山市統計年鑒》；各項能量折算系數、能值轉換率參考李莎[3]、陳春蘭等[10]、周科平等[11]；太陽能、風能、雨水勢能、雨水化學能、地球循環能和凈表土損失能的能量計算公式參考李莎[3]；種子的能量計算公式參考杜博洋[12]；其余各項能量計算公式=各項消耗量×能量折算系數[13]；各項能值計算公式=各項能量×能值轉換率[13]。

2.2 能值理論分析思路

基于能值理論的農業生態系統評價的基本思路是：(1) 構建基于投入、產出、綜合評價的農業生態系統評價指標體系；(2) 以能值為基準，結合能值轉換率，將評價體系中不同種類、不可比較的能量流轉換成具有同一衡量尺度的太陽能值；(3) 根據能值評價指標對農業生態系統進行評價。

2.3 農業生態系統能值評價指標體系

(1) 農業生態系統投入能值、產出能值評價指標體系。農業生態系統是一個有機整體，為了科學全面地評價系統的運行狀況和發展特點，選擇的評價指標應具有相對獨立性。根據唐山統計年鑒(2009—2013)的記錄，將唐山農業生態系統劃分為投入總能值(U)和產出總能值(Y)；系統的投入能按照能量來源可分為可更新環境資源投入(R)、不更新環境資源投入(N)、可更新有機能投入(T)和不可更新工業輔助能投入(F)；系統的產出能按照農業產業結構可分為種植業、畜牧業、林業和漁業。

(2) 農業生態系統綜合能值評價指標體系。資源、環境和經濟是構成區域農業生態系統的三大要素，三者之間的運行特點決定了區域農業生態系統的可持續發展能力和人民的生活水平。為了解唐山地區農業生態系統的自然資源蘊藏和利用情況、經濟發展狀況以及環境負載壓力，從投入、產出、經濟、環境、可持續發展角度出發，引入能值自給率(ESR)、凈能值產出率(EYR)、人均能值利用量(EPP)、環境負載率(ELR)和可持續發展指數(ESI)5個評價指標，建立見表1的唐山地區農業生態系統能值評價指標體系。

表1 唐山農業生態系統綜合能值評價指標

注：(1)P為從事農業人口數；(2)U=R+T+N+F；(3) ESR值越大，系統發展對自然資源的依賴程度越大；(4) EYR越大，資源競爭力越強，系統經濟效益越高；(5) EPP值越大，農民享受的生活水平和生活質量越高；(6) ELR值越大，系統的資源利用率越高，環境承受壓力越大；(7) 根據Ulgiati S[6]的研究，當ESI<1時，區域農業生態系統為消費型經濟系統，農業的能值收益不足，環境負載過大，當110時，區域農業生態系統的可持續能力弱，區域農業生態系統對自然資源的開發程度較低。

3 結果與分析

3.1 唐山市農業生態系統評價指標量化結果

(1) 唐山市農業生態系統的投入能值、產出能值評價指標量化結果。依據2009—2013年《唐山市統計年鑒》，選取2008—2012年唐山市農業生態系統的各項投入數據和產出數據，按照能量折算系數將各項初始數據折算成對應項能量(單位為J或t)，然后按照能值轉換率將各項能量轉換成太陽能值，結果見表2，表3。

(2) 綜合能值評價指標量化結果。將計算好的投入能值和產出能值按照表1進行數據處理，得到表4的綜合能值評價結果。

表2 2008-2012年唐山農業生態系統的投入能值

注：(1)2008—2012年的投入能值單位為sej；(2)為避免重復計算，可更新環境資源的投入能值選取數值最大項，即雨水化學能。

表3 2008-2012年唐山市農業生態系統的產出能值

注：(1)2008—2012年的產出能值單位為sej；(2)在林業的劃分上沒有木材這一項，是因為在唐山木材的消耗主要引自外地，本地木材砍伐量少，而且在唐山統計年鑒上也沒有木材消耗量的記錄。

表4 唐山農業生態系統綜合能值評價指標

注：人均能值利用量(EPP)單位為sej。

3.2 唐山市農業生態系統評價分析

3.2.1 投入能值評價分析 (1) 能值總投入(U)。唐山市農業生態系統的能值總投入(U)從2008年的1.212E+22 sej增加到2012年的1.428E+22 sej(見表2)，增幅為17.86%。根據表2繪制唐山農業生態系統各投入部分能值變化圖(見圖1)，從圖1A上看，對唐山市農業生態系統的能值總投入增長貢獻比較大的是不可更新工業輔助能(F)和可更新有機能(T)，漲幅分別為18.75%，6.81%，2012年，輔助能值(F+T)投入更是占到了總投入能值(U)的97.26%，反映了唐山市農業生態系統對輔助能值依賴，說明農業生產仍屬于傳統的化工農業生產模式。

(2) 環境資源能值投入(R+N)。包括可更新環境資源能值(R)和不可更新環境資源投入(N)。由表2和圖1B可知，研究期間環境資源能值投入數值變化不大，其中可更新環境資源能(R)維持在3.245E+20～3.267E+20 sej，不可更新環境資源能(N)維持在6.500E+19 sej左右，兩者變化趨勢一致。

可更新環境資源能(R)為雨水化學能，說明降水對唐山農業生產的重要作用。唐山市太陽輻射與耕地資源較為豐富，但地表水資源相對不足，2012年唐山水資源總量為24.31億m3，占全國總量的0.09%，人均水資源量為327.73 m3，僅占全國平均水平的15.77%，唐山水資源現狀不能充分滿足經濟社會發展和農業用水需求，因此改善農田水利設施，發展節水農業對于穩定農業生產有重要意義。由于唐山地區年降水量不大，且地勢相對平坦，加之土壤質地相對粘重，表土損失量不大，故不可更新環境資源(N)年投入不大，約占0.29%，且研究期間凈表土損失沒有擴大的趨勢。

(3) 輔助能值投入(F+T)。包含不可更新工業輔助能(F)和可更新有機能(T)。由表2和圖1C可知，不可更新工業輔助能(F)呈增加趨勢，能值從2008年的1.144E+22 sej增加到2012年的1.358E+22 sej，2010年能值稍有降低。結合圖1C對其投入結構進步一分析發現，農業機械總動力、農業用電量和柴油消耗量是不可更新工業輔助能的主要來源，2012年農業機械總動力、農業用電量能、柴油消耗能值分別占不可更新工業輔助能的22.83%，60.00%，8.35%，農業的高投入主要是化石能源的大量投入，這勢必為造成一定的資源環境壓力。

由表2和圖1D可知，可更新有機能(T)呈持續增加趨勢，能值從2008年的2.894E+20 sej增加到2012年的3.091E+20 sej，2011年為增長小高峰，這與種子能值、農業從業人員能值的變化趨勢一致；2012年，種子能值為2.607E+20 sej，有機肥能值為4.568E+19 sej，分別占可更新有機能的84.35%，14.78%，這說明種子和有機肥是可更新有機能的主要來源。

圖1 2008-2012年唐山農業生態系統總投入能值及組成部分變化

3.2.2 產出能值評價分析 由表3繪制唐山市農業生態系統產出變化圖(見圖2)，分析知，唐山市農業生態系統的產出能值(Y)從2008年的5.078E+22 sej增加到2012年的5.750E+22 sej，增幅為13.22%。其中種植業、林業、畜牧業、林業分別增長2.20%，85.06%，20.16%，13.24%；2012年，種植業、林業、畜牧業和漁業能值分別占總產出能值的33.77%，1.16%，55.09%，9.98%，說明了唐山農業的主導產業是種植業和畜牧業。

種植業能值產出緩慢增加，由2008年的1.900E+22 sej增加到2012年1.942E+20 sej，進一步分析其內部結構，發現種植業能值產出比重較大的主要是糧食種植(稻谷、小麥和玉米)、經濟作物種植(棉花、油料、豆類和薯類)與果蔬種植。

林業能值由2008年的3.619E+20 sej增加到2012年的6.697E+20 sej，增長幅度較大，其中板栗增加了51.65%，核桃增加了289.40%，這說明了林業有很大發展潛力。

畜牧業能值由2008年的2.636E+22 sej緩慢增加到2012年的3.167E+22 sej，其中豬肉、家禽肉增幅分別為39.79%，27.47%，這體現了唐山居民的生活質量逐步提高；2012年，豬肉和奶類能值分別為8.827E+21 sej，1.696E+22 sej，分別占畜牧業總能值的27.87%，53.54%，說明了豬肉和奶類是畜牧業增加的主要來源。

漁業能值由2008年的5.065+21 sej緩慢增加到2012年的5.736E+21 sej，發展平穩，增幅不大，漁業發展相對緩慢。

農業能值產出基本符合唐山市目前已構建的“以糧食油料為基礎，以畜牧漁業為主導，以蔬菜果品為支柱，以地方特有和新興產業為特點”的產業格局特點，但林業和漁業發展還有待進一步加速優化。

圖2 2008-2012年唐山農業生態系統總產出能值及

3.2.3 綜合能值評價分析 能值自給率(ESR)反映系統對自然資源的依賴程度。由表4可知，唐山市農業生態系統能值自給率(ESR)較低，數值介于2.74%～3.24%，遠遠低于國內平均水平(0.3)[14]、日本(0.65)[14]和意大利(1.05)[14]等發達國家，且呈下降趨勢，系統發展對自然資源的依賴性不強。究其原因，主要是化肥、農藥及化石能源在農業的投入可以在短時間內提高農業的產出效率，受利益驅動，在成本合理范圍內農業從業者多選擇增加輔助能尤其是工業輔助能的投入來提高農業產出，而這種行為的長期持續將對會農業生態系統造成環境壓力。但也反映出唐山地區農業資源利用并不充分，沒有充分發揮農業資源的有效價值。

凈能值產出率(EYR)反映資源的競爭力。根據表4，唐山市農業生態系統凈能值產出率(EYR)數值介于4.100～4.400，高于國內平均水平(1.42)[14]，但卻逐漸降低。由于輔助能的大量投入，使得本地資源利用不夠充分，從而表現出較強自然資源競爭力。

人均能值用量(EPP)可以反映農民生活水平和質量。根據計算結果(表4)，人均能值用量(EPP)逐漸增加(2010年稍有降低)，逐漸接近全國平均水平(4.25E+15 sej)[15]。這與唐山工業經濟的積累符合，從工業輔助能值的高投入也可以看出，當地農民生活水平相對較高，可見唐山市已達到了工業反哺農業的階段，雄厚的工業基礎可以為現代農業發展提供充足動力。

環境負載率(ELR)反映系統對資源的利用率和環境壓力。唐山市農業生態系統環境負載率(ELR)逐漸增加，由2008年的18.675增加到2012年的21.480，不僅高于國內平均水平(2.08)[15]，也高于世界發達國家水平，如日本(14.4.9)[14]、意大利(10.43)[14]等，這說明了唐山地區農業發展具有高強度的能值利用。究其根源，不可更新工業輔助能(F)的高投入是增加環境壓力的主要原因。唐山市農業生產應該減少化肥、農藥、燃油的使用量，節約用電，合理分配資源，此外，唐山政府應該引進高科技資源幫扶農民，如改善農民落后的農機設備，使用新能源代替電力、化石燃油資源等等。

可持續發展指數(ESI)反映區域可持續發展能力，唐山市農業生態系統可持續發展指數(ESI)偏小(處于0.193～0.232，且呈下降趨勢)，為消費型經濟系統，農業的能值收益不足，環境負載過大，可持續發展并沒有達到富有活力和發展水平的良好狀態。分析其原因無不與不可更新工業輔助能(F)的基數過大、使用量過多有關。

根據表4繪制各綜合評價指標變化圖(圖3)，進步一分析各綜合指標間的關系。從圖3A上看，能值自給率(ESR)和凈能值產出率(EYR)基本呈正相關關系，進一步說明了唐山地區農業的高產出來源于高投入。分析圖3B—C，能值自給率(ESR)和人均能值利用量(EPP)、能值凈產出率均呈負相關，反映的是農民生活水平越高，越注重工業輔助能值的投入，從而表現出較低的能值自給率和產出率。根據圖3D可持續發展指數(ESI)與環境負載率(ELR)呈負相關，與凈能值產出率(EYR)呈正相關，說明凈能值產出率越低，環境負載壓力越大，可持續發展程度越低。

圖3 2008-2012年唐山農業生態系統綜合能值評價指標變化

4 結論與討論

(1) 近年來，唐山農業生態系統能值投入和產出均呈增加趨勢，且高產出來源于高投入，尤其是工業輔助能值的高投入。分析其原因，主要是唐山市工業基礎雄厚，當地經濟發展較好，農民以較高的經濟投入來獲取農業的高產出，農業生產仍處于傳統的以化石能源投入為主的階段。今后農業發展應注重增加科技投入，減少農藥和化肥等能源使用量，改進農業機械動力，培育優質種子，同時提高農業資源開發利用的集約程度。

(2) 受工業輔助能值高投入的影響，唐山市農業生態系統能值自給率低，同時存在自然資源利用不充分的可能，但卻造成了較高的環境載荷，降低了農業生態系統的可持續發展能力。農業發展對水需求量大，但唐山卻是極度缺水城市，水資源存在供求矛盾，因此更要加強對降水資源的高效充分利用，農業發展要注重引入節水灌溉技術，使用節水機械，實施節水工程。

(3) 受唐山市“以糧食油料為基礎，以畜牧漁業為主導，以蔬菜果品為支柱，以地方特有和新興產業為特點”的農業產業格局的影響，唐山市農業生態系統表現出種植業和畜牧業能值產出占比較大，果蔬產出不斷增長的趨勢。受當前生產方式影響，果蔬種植多屬于勞動密集和能源投入密集的作業方式，對工業輔助能值依賴性強，勢必增加此類種植的工業輔助能值投入。不過，從能值產出結果看，唐山市漁業發展并沒有表現出主導地位，今后應加強沿海海水養殖、生態漁業、海洋漁業的新發展。

(4) 唐山市農業生態系統運行情況整體較差，可持續發展能力不高，故今后發展生態農業和現代農業，應著眼于拓展農業多功能性，逐漸改變傳統化工農業生產方式，突出農業生態內涵，進而改變農業生態系統的能值投入和產出結構，促進其可持續發展。

(5) 受地理條件和氣候條件的影響，能值轉換率可能有不同的數值，本研究借鑒相關研究中用到的能值轉換率，能值計算結果可能存在一定偏差。

[1] 劉玉,唐林楠,潘瑜春,等.京津冀地區縣域農產品生產功能的時空格局及耦合特征[J].農業工程學報,2015,31(16):305-314.

[2] 王磊,胡韻菲,崔淳熙,等.北京市農業生態價值評價研究[J].中國農業資源與區劃,2015,36(7):58-62.

[3] 李莎.基于能值分析的湖南農業生態系統結構功能效率研究[D].長沙:中南林業科技大學,2011.

[4] Odum H T. Self-Organization, Transformity, and Information[J]. Science, 1988,242(4882):1132-1139.

[5] Odum H T, Nilsson P O. Environmental Accounting-EMERGY and Environmental Decision Making[J]. Forest Science, 1997,43(2):305-305.

[6] Ulgiati S, Brown M T. Monitoring patterns of sustainability in natural and man-made ecosystems[J]. Ecological Modelling, 1998,108(1):23-36.

[7] 藍盛芳,欽佩,陸宏芳.生態經濟系統能值分析[M].北京:化學工業出版社,2002.

[6] Shi Z H, Chen L D, Fang N F, et al. Research on the SCS-CN initial abstraction ratio using rainfall-runoff event analysis in the Three Gorges Area, China[J]. Catena, 2009,77(1):1-7.

[7] Lyon S W, Walter M T, Gérard-Marchant P, et al. Using a topographic index to distribute source area runoff predicted with the SCS curve-number equation[J]. Hydrological Processes, 2004,18(15):2757-2771.

[8] Beven K J, Kirkby M J. A physically based variable contributing area model of basin hydrology[J]. Hydrological Sciences Journal, 1979,24(1):43-69.

[9] Ponce V M, Hawkins R H. Runoff curve number:Has it reached maturity?[J] Journal of Hydrologic Engineering, 1996,1(1):11-19.

[10] 謝云,劉寶元,章文波.侵蝕性降雨標準研究[J].水土保持學報,2000,14(4):6-11.

[11] Nash J E, Sutcliffe J V. River flow forecasting through conceptual models part I：A discussion of principles[J]. Journal of Hydrology, 1970,10(3):282-290.

[12] Legates D R, McCabe G J. Evaluating the use of “goodness-of-fit” measures in hydrologic and hydroclimatic model validation[J]. Water Resources Research, 1999,35(1):233-241.

EvaluationofAgriculturalEcosystemsinTangshanCityBasedonEnergyTheory

GUO Lina1, ZHANG Menghua1, WANG Hainan2

(1.CollegeofMiningEngineering,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology,Tangshan，Hebei063009,China; 2.SchoolofPublicFinanceandTaxation,CapitalUniversityofEconomicsandBusiness,Beijing100070,China)

Agricultural ecosystem is a basic system for human to live. The agricultural ecosystems of Tangshan City were studied to better evaluate the operation status and development characteristics of regional agricultural ecosystem, and understand the relationship between the regional resources, environment and economy. The quantitative evaluation of energy input and output, energy self-sufficient ratio (ESR), energy yield ratio (EYR), energy per person (EPP), environment loading ratio (ELR) and energy sustainability index (ESI) were investigated by compiling the system of energy evaluation index based on the theory and methodology of energy. The results showed that the overall operation of agricultural ecosystems of Tangshan City was poor, which was consumer-based economy system, and the sustainable development needed to be improved. The unrenewable industry supplemental energy inputs represented by the agricultural consumption of electricity, mechanical power, diesel oil and chemical fertilizer had been increasing year by year, which led to the energy yield ratio and energy sustainability index of agricultural ecosystem to have the downward trend, and caused the environment loading ratio to rise. These results suggest that ecological agriculture and modern agriculture should be developed in Tangshan City， and focus on expanding agricultural versatility. Additionally, in order to promote the sustainable development of agricultural ecosystem, it is essential to change the mode of traditional agricultural production gradually, to highlight the connotation of ecological agriculture, and to change the energy input and output structure.

agricultural ecosystems; energy theory; sustainable development; Tangshan City

2016-04-06

：2016-05-10

河北省高等學?？茖W技術研究優秀青年基金(YQ2014016)

郭力娜(1980—),女,河北行唐人,副教授,碩士生導師,主要研究方向為土地評價、土地利用變化與綜合整治、土地利用信息技術。E-mail:guolina1101@163.com

F323.22;S181

：A

：1005-3409(2017)02-0300-07