湖南不同季別稻作系統的生態能值分析

周江，向平安,2

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湖南不同季別稻作系統的生態能值分析

周江1，向平安1,2

（1湖南農業大學洞庭湖區域農村生態系統健康湖南省重點實驗室，長沙 410128；2湖南農業大學商學院，長沙 410128）

【目的】湖南稻作系統以一季稻和雙季稻種植制度為主。論文通過評價稻作技術的調整對不同季別水稻種植效率的影響，期望為水稻可持續發展提供決策依據。【方法】通過相關統計年鑒資料獲取2002—2016年湖南早稻、中稻和晚稻生態系統環境資源、經濟資源的投入與產出原始數據，采用能值分析理論和方法，對三季稻作系統的動態發展狀況及綜合發展水平進行分析，再將其能值投入產出效率與傳統經濟利潤率指標進行比較。【結果】2002—2016年湖南稻田生態系統中投入的自然資源能值相對穩定，投入能值大部分依賴購買能值并趨向增加；能值投入結構調整為機械＞人工+畜力＞化肥＞農藥或種子＞燃料＞有機肥，農業機械化逐漸代替了以人工、畜力為主的生產方式。系統每千公頃種植面積的購買能值投入中不可更新工業能值投入呈明顯增長趨勢，其中機械作業能值投入貢獻率最高，化肥投入為中稻＞早、晚稻且長年居高不下，農藥投入為中、晚稻＞早稻且趨向增加；可更新有機能值投入密度則趨向減少，其中人工能值雖顯著下降，其貢獻率仍最高，種子投入為早稻＞晚稻＞中稻且早、晚稻趨向增加，畜力能值投入轉變為中稻＞早、晚稻且趨向不斷減少，有機肥投入能值不斷減少；購買能值投入從2012年起轉變為中稻＞早稻＞晚稻系統。系統單位種植面積的能值產出、生態和經濟平均利潤率均為中稻＞晚稻＞早稻；早稻種植面積始終低于晚稻。系統能值指標變化趨勢為：能值投入率方面晚稻＞早稻、中稻；能值產出率方面中稻＞晚稻＞早稻；系統對環境的壓力較小，但環境負載率指標增長較快且晚稻＞早、中稻系統；可持續發展指數已大幅下降至＜2，2008年以后中稻＞早、晚稻系統。【結論】湖南稻作系統生產方式日益現代化，系統富有活力但發展潛力日益下降。稻作經營仍屬于粗放型方式，致使不可更新工業輔助能大量投入，造成短期內系統環境壓力增大、生態和經濟利潤率不斷下滑，不利于系統長期可持續發展。雖然湖南中稻生態系統的環境負載率、可持續發展指數、平均利潤率仍優于早、晚稻系統，但由于系統投入了較多的人工、畜力、化肥和農藥能值且其機械能值效率較低，致使其能值產出率、生態和經濟利潤率降幅較大并與晚稻系統基本持平，其競爭優勢日益縮小。早稻系統種子能值投入較高且能值產出密度和利潤率較低，晚稻系統購買能值投入產出綜合效益較高。湖南稻作農業現代化的地域不均衡發展矛盾依然突出。無論哪個水稻季別，以市場價值作為評價依據的成本-收益分析法，低估了稻田生態系統的真實價值。政府需針對早、中、晚稻制定激勵政策，以保障稻農的利益和實現稻作永續經營。

水稻；生態系統；能值分析；效率；湖南省

0 引言

【研究意義】效率評價結果是人們理性選擇的前提。然而，不同的評價工具往往引致不同的評價結果。經濟學假定行為人是理性自利的“經濟人”，私人收益最大化是生產者行為的根本動機[1]。基于這一理念，研究人員開發和應用基于市場價值測量的成本-收益分析方法來評價人類活動效率。但是，該方法既沒有考慮自然環境對農業生產的貢獻，也沒有顧及生產活動對自然環境的影響，認為自然環境是免費資源，不具有稀缺性。然而，這與經濟已處于“滿的世界”（實體經濟在不增長的生態系統持續增長）而非“空的世界”（經濟擴張機會微不足道）的現實不符[2]。應用這一方法評價的生產效率作為決策依據，可能是造成生態系統退化的重要誘因[3]。水稻生產是上千年以來中國最重要的農事活動，學者們一般采用傳統的成本-收益分析法衡量生產效率[4-12]。然而，近些年來，特別是農業稅取消后，水稻生產經營方式正由傳統農業向現代農業過渡，但粗放的管理模式使稻作生態系統的永續經營正遭受危害[13]。改變困境的前提之一，是人們需要從生態經濟學觀點重新認識和評價稻作的效率[14]。【前人研究進展】為了克服傳統的效率評價方法的缺陷，Odum應用熱力學思想創建了有別于市場經濟學思想的投入產出分析法—能值分析法[15]。該方法將自然納入生產活動的核算體系，定量分析自然資源環境與人類經濟活動的關系，客觀評價人類活動與自然的和諧度[16]。這一方法逐漸被學者們接受，并被廣泛應用，尤其是在農業生態系統研究領域。例如，Lefroy等分析了澳大利亞3種不同種植制度的能值特點及對農業持續利用的影響[17]；Cuadra等[4]采用成本收益分析法、生態足跡和能值分析法，構建相關評價指標，對尼加拉瓜的大豆、土豆、卷心菜、菠蘿和咖啡等主要作物種植系統的經濟效益以及生態承載能力進行了比較評價。在國內，藍盛芳[36]、、李小玉[20]、張潔瑕[21]、王明全[22]、李向東[23]、吳鋼[24]、黃文德[25]、胡曉輝[26]、胡小東[27]等引入Odum的能值分析法，積極應用于農業生態系統研究。學者們不僅應用成本-收益分析法對稻田生態系統的碳循環[28-30]、水分和養分轉換[31-33]、生態服務價值[33-35]等方面開展了較深入研究，而且也應用能值分析法評估了稻作生態系統效益。向平安等[34]和席運官等[35]應用能值分析方法對比了稻鴨共作有機農業模式和常規生產模式的收益，認為稻鴨共作生態農業模式無論是在能值效益還是在經濟效益上都具有優勢。孫為民等[37]采用能值分析理論和方法，對江西省余江縣雙季稻田7種復種模式系統中的經濟產量折能、光合生產力、光能利用率、投入產出、運行效率和環境負荷等進行綜合分析。【本研究切入點】雖然學者們對稻作農業的投入產出開展了能值分析，但缺少針對不同季別的稻作生態系統的研究，這不利于人們對不同季別的稻作農業的生態經濟效益的認識。【擬解決的關鍵問題】本文以中國最大的水稻種植區—湖南稻作生態系統作為研究對象，應用能值分析法揭示處于稻作技術調整期間的早、中和晚稻3個季別稻田生態系統年際間的生態經濟效益和效率，以期為稻作農業可持續發展提供決策依據。

1 研究區域

湖南省位于洞庭湖以南，屬于長江中游地區，地處東經108°—114°、北緯24°—30°。全省以山地和丘陵地貌為主，合占總面積的66.62%。湖南為大陸性亞熱帶季風濕潤氣候年平均溫度在15—18℃之間，太陽輻射量為90—115 kcal·cm-2，年平均降水量在1 200— 1 700 mm之間，雨量充沛，是中國雨水較多的省份之一。湖南的地理氣候條件適宜發展水稻生產。湖南各季別水稻生產面積并非隨時間序列呈持續減少或增加，而是表現為年際間動態變化。例如，21世紀初期，湖南早稻和晚稻的種植面積逐年下降，2003年水稻總播種面積降至3 410千公頃；受水稻生產補貼、取消農業稅等惠農政策的影響，2004年起水稻總播種面積開始恢復并有所增加，至2006年達到峰值4 202千公頃，隨后又有所下降；其中早、晚雙季稻于2008年達到峰值，而中稻則于2010年達到峰值（表1）。

表1 2000—2016年湖南省水稻的種植面積

2 研究方法

2.1 能值分析方法及步驟

Odum的能值理論原理和方法可以將不同類別的能量轉換為同一標準的太陽能值，單位為太陽能焦耳（solar emergy joules，縮寫為sej），用于衡量不同類別、不同等級能量的真實價值，同時還可以比較一個系統中流動或儲存的不同類別的能量及其對該系統的貢獻[15]。太陽能值是通過能值轉換率來計算的，能值轉換率是指形成1 J或1 g產品或勞務所需要的太陽能值，單位為sej/J或sej/g。

本文依據能值分析法，首先對湖南稻田生態系統進行能值邊界情況分析，收集歷年稻田生態系統中相關的自然環境、地理和社會經濟數據，列出系統主要的能量輸入和輸出項目；通過相應的能值轉換率核算各能源或物質的投入產出能值，再計算自然資源和購買能值歷年投入所占總能值投入比重，以及主要購買能值內部占比，編制系統歷年各種能值投入產出分析表和投入結構表，各類別資源能量流以J為單位、物質流以g為單位、經濟流以$為單位；繪制系統單位種植面積投入的主要購買能值年際變化趨勢圖，評價它們在稻田生態系統中的地位和貢獻；最后建立能值指標體系，分析評估湖南稻作系統生態效益。同時將系統能值投入產出評估結果與《全國農產品成本收益資料匯編（2001—2017）》中的利潤率指標進行對比分析，用以全面分析評估湖南水稻生產系統生態和經濟效益情況。

稻田生態系統能值投入（以T表示）分為兩類：一類來源于自然界，稱“自然資源能值”，包括可更新資源（太陽能、雨水化學能、雨水勢能等，以R表示）和不可更新資源（表土層凈損失等，以N表示）。幾種可更新自然資源是同樣氣候、地球物理作用引起的不同現象，只取其中能值投入量最大的雨水化學能，以避免能值的重復計算[36]。另一類來源于人類社會經濟系統，稱“購買能值”，包括不可更新工業輔助能（農用機械、農藥、化肥等，以F表示）和可更新有機能（人力、畜力、有機肥、種子等，以R1表示）。系統能值產出主要指稻谷、稻草等，以Y表示。

2.2 數據來源及說明

本文主要數據來源于《湖南統計年鑒》（2001— 2017）、《中國物價年鑒》（2005—2013）、《中國統計年鑒》（2014—2017）和《全國農產品成本收益資料匯編》（2001—2017）。其中，早稻、中稻（即一季稻）、晚稻播種面積、月均降雨量數據來源于《湖南統計年鑒》，單位種植面積的水稻生產成本、生產要素投入量、產出數據來源于《全國農產品成本收益資料匯編》，柴油、農藥價格取自《中國物價年鑒》，農業生產資料價格分類指數、居民消費價格定基指數取自《中國統計年鑒》，能值總產出只計算稻谷，不包括作物的副產品能值。

太陽能值轉換率主要參考Odum[15]、藍盛芳[39]，能量折算系數及其計算方法主要參照駱世明、陳阜編寫的《農業生態學》[40]、《農業技術經濟手冊》[44]，勞動力的能量折算系數參照藍盛芳和欽佩研究成果[36]。能值計算中，太陽能、雨水化學能、雨水勢能、表土層凈損、投入及產出等公式均取自藍盛芳、欽佩、陸宏芳編著《生態經濟系統能值分析》[36]，水稻生育期以湖南3個季別水稻全生育期為依據，早稻全生育期（4—7月），中稻全生育期（5—9月），晚稻全生育期（7—10月）。

本文選用2000年中國能值貨幣比率4.94×1012sej/$[35]研究成果，通過歷年的居民消費價格定基指數（《中國統計年鑒》，2017）和歷年的人民幣美元匯率（中國人民銀行網）轉換為歷年的國家能值貨幣比率。

2.3 能值分析指標

能值分析指標綜合反映生態經濟系統的結構、功能和效率，是衡量自然環境資源的價值和人類社會經濟發展及環境與經濟、人與自然關系的指標，也是系統綜合分析及社會經濟發展決策參考的重要指標[47]。據以往相關研究[48-51]，結合本研究實際，能值投入產出項目采用《全國農產品成本收益資料匯編》[46]收集的子項。

能值指標體系的構建是進行系統分析、比較研究和得出結論的主要依據。通過借鑒相關的文獻報道[48-51]，結合長江中游丘陵地區稻田生態系統的實際，構建出能值投入占比、能值投入產出密度、能值綜合評價指標（能值投入率、能值產出率、環境負荷率、可持續發展指數）等主要能值指標。能值投入占比是指系統內各能值投入比例，表明相關能值在系統中的地位和貢獻度。其中環境資源能值與總投入能值的比值是評價環境資源重要性的指標，工業輔助能值與總投入能值的比值、主要工業投入能值與購買能值的比值均可衡量種植模式現代化的水平，可更新有機能值與總投入能值的比值、投入的主要有機能值與購買能值的比值用于評價種植模式的生態效益。能值投入產出密度是指單位面積土地的能值投入或產出量，表明相關能值在稻田生態系統中的投入強度或產出效益，用來分析其對系統生態效益的影響。能值投入率是購買能值與自然資源能值之比，即不可更新工業輔助能值和可更新有機能值之和所占自然資源總投入的比例，是衡量經濟發展和環境負載的指標。能值產出率指產出能值與購買能值之比，該比值越高表明系統的生產效率越高，還可反映系統能值投資回報率高低及產品的價格競爭優勢。環境負荷率是系統投入的不可更新資源的能值之和與可更新資源能值之和的比率，用來衡量系統中的環境影響。可持續發展指數為系統能值產出率與環境負載率之比，實質上是可更新資源與不可更新資源之比[47]。

3 結果

3.1 湖南不同季別稻作系統能值投入結構分析

3.1.1 自然資源能值、購買能值投入結構分析 2002—2016年湖南不同季別稻作生態系統能值投入中，自然資源、工業輔助能和可更新有機能的投入能值及其所占的比重詳見表2。系統投入能值中自然資源能值構成的比例，能反映該稻作系統的自然環境資源對農業生產的貢獻大小。2002—2016年，湖南早稻、中稻以及晚稻總自然資源能值的投入所占能值總投入比例變動區間分別為12.06%—19.15%、13.33%— 21.95%和9.89%—16.72%（表2）。從表2可以看出，自然環境對三類水稻系統的能值投入相對穩定但呈小幅波動趨勢。各系統間占比大小為早稻、中稻＞晚稻，自然資源能值投入所占能值總投入比重偏低，晚稻最為明顯；這說明湖南稻作系統開放程度比較高，系統維持的能值主要來源于購買能值并趨向增加（包括不可更新工業能和可更新有機能），其中早、中稻系統利用自然環境資源較多，還可以加大發展空間。

從購買能值投入的組成比例來看工業能值增長較快，自2012年起，三季稻作系統的工業能值投入均達到系統總投入能值的50%以上。2006—2016年間早稻、中稻以及晚稻工業能值的投入比例變動區間分別為33.00%—59.90%、37.42%—59.74%和39.77%— 63.45%，各系統間占比大小為晚稻＞早、中稻。相應的早、中、晚稻的可更新有機能占能值總投入的比例均呈快速下降的趨勢。2002—2016年間早稻、中稻以及晚稻可更新有機能值的投入比例變動區間（降幅）分別為24.86%—58.55%（57.54%）、22.19%—51.16%（56.63%）和22.77%—59.21%（61.54%），中稻系統降幅較小；各系統間占比大小從2002—2006年間的早、晚稻＞中稻調整為2010—2014年間的中稻＞早稻＞晚稻（表2）。

3.1.2 主要購買能值投入結構分析 湖南早、中、晚稻系統主要購買能值投入結構如表3所示，系統在2010—2016年間，機械能值投入比重最大，分別約占各自系統購買能值投入的31.77%—44.43%、27.36%—45.28%、35.03%—47.16%；其次是人工能值投入，分別約占各自系統購買能值投入的21.71%—29.83%、20.96%—37.04%、22.65%—32.05%；再次是化肥能值投入，分別約占各自系統購買能值投入的21.29%—24.10%、20.53%—25.12%、22.14%— 25.70%；農藥能值投入持續增長，分別約占各自系統購買能值投入的1.13%—1.35%、1.29%—1.71%、1.56%—1.86%；種子能值投入分別約占各自系統購買能值投入的6.51%—7.84%、1.21%—1.53%、2.78%— 3.46%；除中稻的畜力能值投入約占系統購買能值投入的4.24%—12.41%外，三季稻作系統在其它能值投入占比方面逐步減少到1%以下。湖南稻作生態系統主要投入能值占比已調整為：早、晚稻系統為機械＞人工+畜力＞化肥＞種子＞農藥＞燃料＞有機肥，中稻系統為機械＞人工+畜力＞化肥＞農藥＞種子＞燃料＞有機肥。

3.2 湖南不同季別稻作系統購買能值投入密度動態分析

由于不同季別稻作系統種植面積不同，為對各季別稻作系統中人類社會主要購買能值年際間動態投入進行對比分析，本文分別計算年際間各季別稻作系統平均每千公頃種植面積投入及產出的主要經濟反饋能值，構建能值密度指標并繪制三季稻作系統年際間主要購買能值密度變動趨勢圖（圖1—10）。

3.2.1 不可更新工業能值、可更新有機能值 對比三季稻田生態系統單位種植面積投入的購買能值，三季稻作系統自2004年降至最低值后均波動增長至2014年達到峰值后趨于回落，2004—2016年間每千公頃早、中、晚稻系統的購買能值投入變動區間分別為3.40×1018—3.73×1018sej、3.07×1018—4.09×1018sej、3.12×1018—3.67×1018sej（圖1），且從2012年起轉變為中稻＞早稻＞晚稻系統，年均增長率（振幅）分別達到0.77%（9.71%）、2.42%（33.22%）、1.36%（17.63%）。

自2004年起，湖南早、中、晚稻系統單位種植面積不可更新工業能值投入均呈明顯增長趨勢，三季系統分別于2014—2016年達到峰值后趨于平穩，2004—2016年間系統每千公頃種植面積的工業能值投入變動區間分別為1.00×1018—2.54× 1018sej、1.20×1018—2.66×1018sej、1.07×1018— 2.63× 1018sej（圖2），年均增長率分別達到8.08%、6.86%、7.78%；其中早、晚稻生態系統工業能值投入變化趨勢相近，經歷了快速增長期（2004—2014年）后趨于平穩；中稻的工業能值投入在早稻和晚稻之間上下波動增長至2014年趨于平穩。2002—2016年間，湖南早、中、晚稻生態系統單位種植面積可更新有機能值投入均趨向減少（圖3），期間系統每千公頃種植面積可更新有機能值投入變動區間分別為1.08×1018—2.74×1018sej、0.99×1018—2.36×1018sej、0.90×1018—2.23×1018sej，年均降幅分別為6.02%、6.02%、6.28%；期間早稻和晚稻可更新有機能值投入均呈快速下降趨勢；中稻則以2012年為界，2004—2012年期間變化幅度較小，之后呈現出單邊快速下降的趨勢。

表2 2002—2016年湖南稻田系統生態能值估算

圖1 2002—2016年湖南稻田系統購買能值變動趨勢

圖2 2002—2016年湖南稻田系統工業能值變動趨勢

圖3 2002—2016年湖南稻田系統可更新有機能值變動趨勢

3.2.2 不可更新工業能值中主要能值投入密度動態分析 2002—2016年間，湖南早、中、晚稻系統單位種植面積機械作業能值投入均呈明顯增長趨勢，期間每千公頃機械能值投入變動區間分別為0.17×1018—1.66×1018sej、0.15×1018—1.65×1018sej、0.20×1018—1.73×1018sej（圖4），年均增長率分別達到17.68%、18.68%、16.66%；其中早、晚稻系統機械能值投入密度變化趨勢相近，經歷了穩定期（2002—2004年）和快速增長期（2004—2014年）兩個階段后趨于平穩；中稻的機械能值投入密度在早稻和晚稻之間上下波動，特別是在2010—2014年間中稻系統明顯小于早、晚稻，之后中稻投入持續增加且略有反超。表明國家從2004年起實行的農機具購置補貼政策對于推進農業機械化起到了促進作用。

圖4 2002—2016年湖南稻田系統機械能值變動趨勢

湖南三季稻田生態系統單位種植面積化肥投入均呈振蕩趨勢，直到2012年以后趨于平穩（圖5）。2002—2016年間系統每千公頃種植面積的化肥能值投入振蕩區間（振幅）分別為7.29×1017—10.48× 1017sej（43.76%）、7.10×1017—10.10×1017sej（42.25%）、7.58×1017—8.90×1017sej（17.41%），除2010年外投入密度為中稻＞早、晚稻。

2002—2016年間三季稻作系統每千公頃種植面積的農藥能值投入振蕩區間（振幅）分別為2.74× 1016—4.85×1016sej（77.01%）、4.25×1016—6.79× 1016sej（59.76%）、3.97×1016—7.13×1016sej（79.60%）（圖6），中稻、晚稻系統投入密度均明顯＞早稻，年均增長率分別為4.16%、3.40%、4.27%。

3.2.3 可更新有機能值中主要經濟反饋能值投入密度動態分析 2002—2016年間，湖南三季稻田生態系統每千公頃種植面積人工能值投入均呈顯著下降的趨勢（圖7），變動區間分別為7.69×1017—22.26× 1017sej、7.65×1017—20.45×1017sej、7.69×1017—19.95 ×1017sej，年均降幅分別為7.31%、6.78%、6.58%；其中湖南早稻和晚稻均呈快速下降趨勢，中稻則在2008—2014年間降幅放緩且投入密度明顯大于早、晚稻系統。同時，每千公頃早、中、晚稻生態系統畜力能值投入比重越來越低（圖8），變動區間分別為2.18×1016—24.63×1016sej、12.29×1016—47.90×1016sej、0.51×1016—18.57×1016sej；其中早、晚稻系統經歷了相對穩定期（2002—2008年）和快速下降期（2008—2016年）兩個階段后已波動下降至極低投入程度，年均降幅分別為15.90%、22.65%；中稻則以2012年為界，2012年之前波動增長至峰值，之后呈現出快速下降的趨勢，但尚未降至2004年最低投入值且其能值投入密度從2008年起明顯大于早、晚稻系統。

圖5 2002—2016年湖南稻田系統化肥能值變動趨勢

圖6 2002—2016年湖南稻田系統農藥能值變動趨勢

2002—2016年間早稻、中稻以及晚稻系統每千公頃種植面積種子能值投入變動區間分別為1.68× 1017—2.77×1017sej、0.48×1017—0.62×1017sej、0.65× 1017—1.27×1017sej（圖9），種子能值投入密度明顯為早稻＞晚稻＞中稻系統；其中早、晚稻波動增長，年均增幅分別為3.64%、4.90%，中稻則變化不大且投入密度最小。早稻用種經濟成本特別是雜交早稻相比雜交中、晚稻還要高，推廣應用難度相應較大；種植雜交早稻在湘北地區要虧損，在湘南地區只能基本持平，無比較優勢可言，農戶增產不增收[41]。如表4所示，將種子能值投入密度換算成能值-貨幣價值來比較，自2008年以來早稻種子投入的能值-貨幣價值是晚稻的兩倍多、中稻的4—5倍。

圖7 2002—2016年湖南稻田系統人工能值變動趨勢

圖8 2002—2016年湖南稻田系統畜力能值變動趨勢

圖9 2002—2016年湖南稻田系統種子能值變動趨勢

表3 2002—2016年湖南稻田生態系統主要購買能值投入結構表

計算公式：投入項目能值/購買能值 Formula：Item/(F+R1)

表4 2002—2016年湖南稻田生態系統每公頃種子能值-貨幣價值（美元）

圖10表明2002—2016年間，每千公頃早、中、晚稻生態系統有機肥能值投入趨向不斷減少，變動區間分別為1.51×1016—9.16×1016sej、1.29×1016—6.30 ×1016sej、0.93×1016—5.79×1016sej，年均降幅分別為12.08%、10.71%、12.25%；其中早、晚稻波動下降，中稻則以2008年為界，2008年之前波動增長至峰值，之后呈現出快速下降的趨勢。

圖10 2002—2016年湖南稻田系統有機肥能值變動趨勢

3.3 能值產出動態分析

在國家經歷連續6年的水稻種植面積和產量下降之后，2004年農業農村部在部分地區試點水稻生產直接補貼、良種補貼和農機具購置補貼，水稻面積、產量開始出現恢復性增長[43]。由表1、表2可知，受國家糧食政策支持，2004—2008年間，湖南早、晚稻生產系統的種植面積、能值投入和產出均呈現出增長的趨勢，中稻系統則較為穩定；2002—2004年及2009—2010年間，湖南早、晚稻系統與中稻系統的種植面積、能值投入和產出均出現此消彼長的情況，且早、晚稻播種面積明顯下降，主要受雙季稻改種單季稻的影響[43-44]；2010年以后，湖南早、晚稻系統的種植面積、能值投入和產出均出現新一輪增長，中稻系統雖種植面積略有下降，但在持續增長的購買能值投入下，其能值產出仍顯著增長。由表2可知，2002— 2016年間，湖南早、中以及晚稻生產系統每千公頃的能值產出為中稻＞晚稻＞早稻，變動區間分別為6.13× 1018—7.91×1018sej、8.42×1018—10.56×1018sej、7.43×1018—8.68×1018sej，單產年均增長率分別為1.84%、1.63%和1.12%，且呈波動趨勢，因此稻作技術的改進雖然對總能值產出有一定的貢獻，但湖南三季水稻總種植面積和總能值投入變化仍是影響總能值產出變化的主因。

3.4 能值綜合評價指標動態分析

3.4.1 能值投入率（EIR） 能值投入率越高，說明該類水稻種植系統需要投入較多的購買能值，生產方式逐漸轉向現代化，而環境資源能值投入比較少，增大了自然資源的壓力，從而導致更高的生產成本，降低了市場競爭力。表5表明2002—2016年間，湖南稻作系統能值投入率方面為晚稻＞早、中稻，且表現出波動的趨勢；早、中、晚稻自2002年最低時的4.22、3.56、4.98振蕩增長至最高時的7.29、6.50、9.12，其振幅分別為72.75%、82.58%、83.13%。該數據表明湖南三季稻作系統中，晚稻系統生產方式現代化程度較高但其對本地資源及自然資源的利用率偏低，對環境的影響更大。

3.4.2 能值產出率（EYR） 2002—2016年間，湖南稻作系統的能值產出率方面中稻＞晚稻＞早稻，但中稻呈現下降的趨勢；早稻、中稻和晚稻的振蕩區間（振幅）分別為1.52—2.23（46.71%）、2.41—3.44（42.74%）、2.19—2.62（19.63%）。2006年以后，中稻因單位種植面積投入的購買能值增長過快，致使其能值產出率有所降低并接近晚稻系統，晚稻較高效率的農業機械化與中稻較高的化肥、人工、畜力能值投入是能值產出率趨同的主因。湖南中稻系統的競爭優勢因生產技術落后導致效率低下而日益縮小，政府及農技部門應指導農戶結合地域特點充分利用本地自然資源調整能值投入結構、提高購買能值利用效率，才能確保其競爭優勢地位。

3.4.3 環境負載率（ELR） 從能值分析角度來看，外界大量的能值輸入以及過度開發本地非更新資源是引起區域環境系統惡化的主要原因。一般來說，當ELR＜3時，表明環境壓力很小；當3＜ELR＜10時，表明環境壓力處于中等水平；當ELR＞10時，表明環境壓力相當大[47]。2004年到2014年，湖南早稻、中稻和晚稻生態系統的環境負載率均呈現出大幅上升的趨勢，直到2014—2016年才趨于平穩；2002—2016年間早稻、中稻和晚稻ELR的上升區間（年均漲幅）分別為0.34—1.54（11.39%）、0.38—1.54（10.51%）、0.41—1.79（11.10%），2006年以后ELR值表現為晚稻＞早、中稻系統。但湖南水稻生產系統近年來ELR值增長過快，若照該趨勢任其發展，當系統長期處于較高的環境承載力時，系統將產生不可逆轉的功能退化或喪失。湖南是中國糧食生產大省，肩負著國家糧食安全的重任，所以必須高度重視水稻種植可能造成的環境問題。

3.4.4 可持續發展指數（ESI）能值可持續指標的數值越小，代表系統產出率越低、環境壓力相對較大；也代表系統能值產出越低、應用的可更新能值越低，則可持續發展能力越弱。一般ESI值為1—10表明經濟系統富有活力和發展潛力；ESI＞10是經濟不發達象征；ESI＜1為消費型經濟系統[47]。由于環境負載率大幅上升，湖南早稻、中稻和晚稻的能值可持續指標經歷了快速下降期（2004—2014年）后趨于平穩，2008年以后中稻＞早、晚稻系統；2002—2016年間三季水稻的下降區間（年均降幅）分別為1.31—6.66（10.97%）、1.82—7.03（9.20%）、1.33—5.63（9.79%）。近年來，三類稻作系統ESI值大幅下降至＜2，不可更新資源能值投入占總能值投入的比重均超過55%，晚稻更是達到65%，表明它們均是以耗竭環境資源為代價換取農業發展，不符合經濟高效的目標。

3.5 與傳統成本-收益分析法比較

在成本-收益的經濟分析中，通常僅考慮農戶的私人投入和私人收益；已有的能值分析研究中對能值產出率的定義中的投入能值僅考慮市場購買能值，沒有核算自然投入，本文將自然投入納入能值分析，將包含自然資源能值和只計算購買能值的分析結果與傳統成本收益分析結果進行對比分析。由于僅考慮私人投入產出的單位與其他方法不同，因此統一用利潤率來對這3種方法進行比較（表6）。

采用成本-收益分析法，2002—2016年湖南水稻生產的利潤率（年均利潤率）分別為早稻11.38%— 40.77%（14.32%）、中稻14.82%—100.78%（40.89%）和晚稻11.97%—69.37%（34.12%）。采用只計算購買能值的分析法，利潤率（年均利潤率）分別為早稻51.84%—123.38%（103.31%）、中稻140.61%— 243.90%（167.80%）和晚稻119.45%—161.95%（145.93%）。而采用包含自然資源能值的分析法，利潤率（年均利潤率）分別為早稻22.76%—92.97%（71.11%）、中稻95.68%—180.61%（121.43%）和晚稻82.76%—136.05%（116.52%）。3種分析方法得出的平均利潤率均為中稻＞晚稻＞早稻。從2004年起，三季稻作系統的利潤率均呈波動下降趨勢，中稻的下降幅度明顯大于早、晚稻系統且利潤率已與晚稻系統不相上下。

結論顯示，無論哪個季別的水稻，由于機械作業和人工成本經濟支出的大幅增長，拉低了農戶的市場經濟利潤率，成本-收益法得出的利潤率明顯低于能值分析的結果，故包含自然資源能值投入的利潤率能更全面客觀地反映稻作的環境成本。對比表1可知，三季稻作系統的市場經濟價值的變化直接影響農戶的種植積極性，如2004年市場經濟利潤率出現峰值之后，拉動水稻種植面積持續增長至2006年的峰值，隨后因利潤率下降，水稻種植面積有所回落。

4 討論

4.1 政策層面對稻田生態系統能值投入結構的影響

從2004年起，伴隨著國家一系列農業政策的實施，傳統稻作技術的生產方式、管理模式發生了較大改變，各類生產要素投入結構隨之產生調整。2002—2016年湖南稻田生態系統能值投入結構中，環境總資源能值投入相對穩定，但所占能值總投入比重偏低，晚稻最為明顯。系統投入能值大部分依賴外部購買能值并趨向增加，其中工業能值增長較快，湖南晚稻系統投入工業能值占系統總能值比例自2014年起高于全國62%的平均水平[47]，相應的系統可更新有機能值投入呈快速下降的趨勢。三季稻作系統主要的購買能值投入結構已調整為機械＞人工+畜力＞化肥＞農藥或種子＞燃料＞有機肥。其中系統投入的機械能值貢獻較大，其占比迅速增加并超過人工、化肥成為能值投入結構中的最大部分，與此同時人工、畜力等生產要素投入逐年遞減，充分說明以機械化為代表的先進生產力正在快速取代人工、畜力為主的落后生產力，生產方式日益現代化，晚稻系統最為突出，中稻系統發展相對滯后。

4.2 社會經濟系統對農戶稻作技術選擇偏好的影響

長期以來，人類社會投入稻田生態系統的購買能值中，人工能值投入占比最大，約占購買能值投入的50%以上。由于居民生活水平快速攀升導致人工成本逐年大幅提高，出現了人工能值投入與農戶經濟投入的年際變化產生背離現象，即單位種植面積的人工能值投入逐年減少，但人工成本支出卻逐年增加。2002—2016年間每公頃早、中、晚稻生態系統人工經濟成本變動區間分別為269—945$、247—1179$、241—1012$[46]，年均增幅分別為9.39%、11.81%、10.79%，人工成本已成為制約農戶增收的主因，因此節省人工、降低勞動強度已成為農戶選擇稻作技術的主要考量。由于人工投入的不足，過度依賴化肥、農藥投入而有機肥利用不足，精耕細作的傳統稻作技術正被粗放型經營方式所取代。

造成人工能值投入變化的原因主要是因為農業勞動力逐漸向城鎮和其他產業進行轉移，勞動力和土地在中國已是稀缺資源，如果替代活動的收益高，稻農就會將這些資源轉向替代活動，直至達到均衡狀態。看來，稻作的經濟效益并不能吸引農戶投入更多。保護和提高稻農積極性，改變日益惡化的以耗竭環境資源為代價的高投入驅動型稻作生態系統，仍需要外部激勵。

表5 2002—2016年湖南稻田生態系統能值指標

EIR: emergyinputratio; EYR: emergy yield ratio; ELR: Environmentalloadratio; ESI: Sustainabledevelopmentindex

表6 2002—2016年湖南稻田生態系統的利潤率（%）

4.3 三個季別稻田生態系統年際間的生態和經濟效益的比較

2002—2016年間，湖南早、中、晚稻生態系統單位種植面積的主要購買能值投入中：機械作業能值投入均呈明顯增長趨勢，相應地人工能值投入均逐年顯著下降，其中2010—2014年間中稻系統機械投入明顯少于早、晚稻、人工投入則明顯高于早、晚稻；化肥投入粗放仍居高不下，且投入密度為中稻＞早、晚稻；農藥施用無序且呈增長趨勢，中稻、晚稻系統投入密度均明顯大于早稻；畜力在農業生產中的比重越來越低，早、晚稻系統尤為明顯，中稻系統對畜力的依賴程度仍較高，從2008年起系統投入密度為中稻＞早、晚稻；系統種子能值投入密度為早稻＞晚稻＞中稻；系統有機肥投入量極少且仍趨向不斷減少。

湖南稻田生態系統單位種植面積的能值產出、生態和經濟平均利潤率均為中稻＞晚稻＞早稻，中稻系統具有先天的競爭優勢。但中稻種植區域多位于丘陵和山區，田地零散不利于整合及大型農機的運用，而使用小型農機效率較低，仍較多地依賴人工、畜力，農業生產機械化、集約化程度較低；同時系統在化肥、農藥能值投入方面的粗放程度明顯高于早、晚稻系統。雖然其環境負載率、可持續發展指數、平均利潤率仍優于早、晚稻系統，但中稻系統的能值產出率、生態和經濟利潤率降幅較大導致與晚稻系統基本持平，其競爭優勢日益縮小。系統單位種植面積的購買能值投入從2012年起轉變為中稻＞早稻＞晚稻系統，晚稻能值投入產出綜合效益較高；早稻因較高的用種成本和較低的能值產出密度和利潤率，種植面積始終低于晚稻；中稻系統的綜合效益較低。

4.4 湖南農業生態系統的發展狀況

將稻田生態系統的能值綜合評價指標與2008年湖南農業生態系統（EIR=5.56，EYR=0.96，ELR=1.79，ESI=0.54）[42]和2011年環洞庭湖區農業生態系統（EIR=5.51，EYR=2.54，ELR=1.81，ESI=1.39）相比[52]：能值投入率方面晚稻＞早、中稻，表明晚稻系統生產方式現代化程度較高，早、中稻系統僅達到全省平均水平；能值產出率方面中稻＞晚稻＞早稻，數據表明湖南水稻系統產出率明顯高于其他農業生態系統，且中、晚稻已達到環洞庭湖區農業生態系統的產出水平；環境負載率年均漲幅較大、指標表現為晚稻＞早、中稻系統，表明早、中稻系統投入的非本地資源較少、對環境的壓力較小，而晚稻系統對環境的壓力已與湖南其它農業生態系統相當；可持續發展指數年均降幅較大、指標表現為中稻＞早、晚稻，表明水稻系統較湖南其它農業生態系統更加富有活力但發展潛力日益下降，不符合經濟高效的目標。

4.5 促進稻田生態系統可持續發展的思考

筆者借鑒藍盛芳等[36]對Odum H T. 關于人工能值與其受教育程度相關研究成果，按照初、高中程度與普通勞動力的人工能值系數進行了人工能值調整，應該更符合當前稻作技術不斷更新的現狀。特別是隨著土地流轉政策實施后，通過科學、高效、集約化整合土地資源涌現出大批新型農場主、各類專業合作社以及結合區域生態特點發展出許多生態稻作技術，都需要具有專業知識技能的農場主、新型稻農、農機手等。可以預見，稻作分工細化、技能認證、持證上崗將成為經營稻田生態系統的趨勢。為更客觀的反映不同分工的稻作人工能值與文化、教育等軟實力之間的聯系，應加強人工能值調整系數的研究，以期更精準的評價各種稻作技術的真實價值。

藍盛芳等[36]對Odum H T. 關于科技信息的理論進行了研究，但沒有對于被賦予科研成果、發明專利等科技信息的農業生產要素、稻作技術進行評價。相應的，賦予了科技信息能值產品的產出能值也沒有進行全面評價，即只進行了物質“量”的衡量，而忽略了物質“質”的計算。以種子為例，因其能值轉換率未包含科技信息能值，其能值占比極低，但水稻用種經濟成本占比達到農戶總經濟支出5%左右，特別是優質雜交早稻相比雜交中、晚稻更高，早稻用種成本已成為農戶早稻種植的重要現實考量。

5 結論

湖南稻田生態系統的能值投入以外部購買能值為主，農業機械化不斷提高，生產方式逐漸轉向現代化，相較于湖南其他農業生態系統對環境的壓力較小但環境負載率指標增長較快。系統開發程度逐年大幅增高，但伴隨著工價不斷上漲致使人工能值投入不斷降低，系統為了維持其較高單產水平而不得不采取高工業能值投入稻作技術，過度依賴化肥、農藥投入而有機肥利用不足。湖南三季稻作系統中，早、晚稻系統發展水平和生產效率較高，中稻系統發展相對滯后；早、中稻系統利用環境資源較多，農業還可以加大發展空間，晚稻系統對環境的壓力較大；稻作經營方式粗放，中稻系統尤為突出，致使其競爭優勢降低；中、晚稻系統的能值產出率和利潤率較高，早稻較高的用種成本進一步拉低了其利潤率；湖南稻作農業現代化的地域不均衡發展矛盾依然突出。如果沒有外部激勵，雙季稻改種單季稻的趨勢不會改變。無論哪個水稻季別，成本-收益法評價的利潤率均低于能值分析的結果。傳統的成本-收益分析法以市場價值作為評價標準，低估了稻作的真實價值。那么，以利潤作為行為出發點，會影響農民從事稻作永續經營的積極性。

從整體上來看，湖南稻作生態系統應結合三類水稻種植地域特點，利用當地自然資源優勢，加大對于太陽能和雨水能等可更新環境資源及有機肥的利用率，減少對化肥、農藥的依賴度，引導稻作技術向生態型、集約型、規模化、機械化的現代高效農業技術轉變。

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Ecological Emergy Analysis of Different Paddy Ecosystems in Hunan Province

ZHOU Jiang1, XIANG PingAn1,2

(1Rural Ecosystem Health Laboratory of Hunan Dongting Lake Area, Hunan Agricultural University, Changsha 410128;2)

【Objective】Hunan paddy ecosystem is mainly one- and double-cropping rice patterns ecosystem. By evaluating the effects of the adjustment of cropping patterns on the planting efficiency of rice grain in different seasons, this paper was expected to provide decision basis for the sustainable management of paddy.【Method】In this paper, raw data on the input and output of environmental resources and economic resources in the ecosystem of early rice, middle rice and late rice in Hunan from 2002 to 2016 were obtained through relevant statistical yearbook. emergy analysis theory and method were used to analyze the dynamic development status and comprehensive development level of the different seasons paddy ecosystem. Then the input and output efficiency of paddy were evaluated by emergy analysis index and compared with the traditional economic profit rate index.【Result】From 2002 to 2016, the input emergy of natural resources in Hunan paddy ecosystem was relatively stable, and the input emergy was mostly dependent on purchasing emergy and tended to increase. The emergy input structure was adjusted to be mechinery＞labor+animal＞fertilizer＞pesticide or seed＞fuel＞organic fertilizer. Agricultural mechanization gradually replaced the artificial, animal - based production mode. Purchasing emergy input per 1000 hm2planting area: the density of unrenewable industrial emergy showed a significant growth trend, and the density of machinery operation emergy was the highest contribution rate in the unrenewable industrial emergy inputs. The density of fertilizer emergy inputs was the semilate rice ecosystem＞early and late rice, and it stayed high for years. The density of pesticide emergy inputs was semilate and late rice ecosystem＞early rice, and it tended to increase. Density of renewable organic emergy inputs had been tended to reduce. Although the labor emergy decreased significantly, its contribution rate was still the highest in the renewable organic emergy inputs. The density of rice seeds emergy inputs for early rice ecosystem＞late rice＞semilate rice, and early rice and late rice tend to increase. The density of animal emergy had been converted into semilate rice ecosystem＞early and late rice, and the trend was decreasing. Organic fertilizer inputs tended to reduce unceasingly. The purchase emergy inputs had been converted into the semilate rice＞early＞late rice ecosystem from 2012. The emergy outputs of the unit planting area, ecological and economic average profit margin of rice were the semilate rice ecosystem＞late rice＞early rice. The planting area of early rice was always lower than that of late rice. The variation trend of the emergy index of Hunan paddy ecosystem was: the emergy input ratio (EIR) in the late rice ecosystem＞early and semilate rice; the emergy yield ratio (EYR) in the semilate rice＞late rice＞early rice. The ecosystem puts less pressure on the environment, but the environmental load ratio (ELR) increases rapidly and it was the late rice ecosystem＞early and semilate rice. The sustainable development index (ESI) had dropped significantly to＜2, and converted into the semilate rice ecosystem＞early and late rice after 2008. 【Conclusion】The rice production mode in Hunan paddy ecosystem had been modernized day by day. The ecosystem was dynamic but its potential was declining. The rice production mode belonged to extensive operation, which large inputs of industrial emergy cause short-term ecosystem pressure in environment, ecological and economic profit margins declining. It was not conducive to long-term sustainable development ecosystem. Although the semilate rice ecosystem’s ELR, ESI, average rate of profit is still better than the early and late rice ecosystem, but it’s EYR, ecological and economic profit margins were in the larger decline by using more labor, animal power, chemical fertilizers and pesticides and its mechanical emergy efficiency was low, leading to the competitive advantage to reduce. The seed emergy input of early rice ecosystem was high and the emergy yield density and profit rate were low. The comprehensive benefit of purchasing emergy of late rice ecosystem was higher. The contradictions in regional unbalanced development of modern paddy planting technology were still outstanding. Regardless of the grain in different seasons, the cost-benefit method which based on market value underestimates the real value of the paddy ecosystem. The different incentive policies should be formulated by government according to early, semilate and late rice, so as to safeguard farmers' interests and realize sustainable paddy production.

rice; ecosystem; emergy analysis; efficiency; Hunan province

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.009

2018-04-21；

2018-08-24

國家科技支撐計劃（2012BAD14B17）、國家社科基金（11BJY028）

周江，Tel：0731-84635397，E-mail：1090903824@qq.com.cn。

向平安，Tel：0731-84635091；E-mail：xiangpa@hunau.edu.cn

（責任編輯 李云霞）