基于能值分析的華南雙季稻種植模式可持續性評價

馮海怡，陳曉煒，譚康銘，王小龍

（華南農業大學農學院，廣東 廣州 510642）

【研究意義】傳統農業系統依賴自然資源以及人工勞動力的投入，得到較高的可持續性發展能力，但同時其產出率也相對較低；現代農業過分依賴工業輔助能的投入，忽略了自然環境因素的作用，導致農業系統可持續能力不斷降低。因此，正確認識以及評價環境資源的貢獻，是研究農業持續發展戰略的重要課題。長期以來，人們以“地大物博”為由，對資源進行掠奪式開發，導致經濟效益低下，這也從側面反映了人們并沒有正確對待自然和合理利用自然資源的觀念。【前人研究進展】20世紀80年代，美國生態學家ODUM以系統生態學和能量生態學為理論基礎，提出了能值分析方法［1］。該方法以太陽能值為統一尺度的方法和理論，克服了不同能質之間無法簡單比較和計算的問題，并將自然環境資源、社會經濟資源、生態系統服務納入評價范圍，實現了對系統科學而全面的分析。近年來，國內外農業生態經濟系統能值分析研究十分活躍，涉及主要農產品的能值價值評估［2］、無公害蔬菜生產系統的可持續性研究［3］、海涂不同水生利用模式評價［4］、湖南不同季別稻作系統的生態系統能值分析［5-6］、湖南水稻生態系統的能值分析［7］、海南農業能值分析［8］等領域。【本研究切入點】華南雙季稻區是我國重要的水稻主產區之一，其產量占全國水稻總產量的12.8%以上，僅次于長江中下游平原［9］。近年來，隨著該地區城市化速度加快，農村勞動力大量轉移，雙季稻種植模式開始向高投入高排放型的石油依賴性農業轉變。例如，廣東省近15年間農藥、化肥、農用柴油和塑料薄膜使用量分別提高33.1%、41.6%、15.5%和82.6%［10］。因此，從生態經濟角度判斷華南地區當前雙季稻種植模式的可持續性，對于我國農業健康穩定發展具有重要意義。但是，目前對我國華南地區雙季稻種植模式的能值分析卻尚未有報道。因此，本研究以廣東省典型雙季稻種植系統為研究對象，采用能值分析方法對其可持續發展能力進行定量化評價，并提出系統優化建議，以此為華南雙季稻生產的可持續性提供研究參考。【擬解決的關鍵問題】水稻作為我國的基礎作物之一，如何正確認識并合理規劃其在工業輔助能與自然資源的投入比例，得到較高產出率的同時保持其一定的可持續發展能力，對于我國農業整體發展情況具有不可替代的意義。

1 材料與方法

1.1 系統描述

本研究選取廣東省廣州市增城寧西鎮的雙季稻常規種植模式進行研究。該區域年平均太陽輻射5.06×109 J/m2，年平均降雨量1 957.7 mm（數據來源于廣東省氣象局），屬于典型的華南亞熱帶季風性氣候，具有代表性。研究區域所種植的早稻品種為華航38號、晚稻品種為華航52號，其中早稻3月中下旬移栽、7月底收割，晚稻8月中下旬移栽、11月底收割。每季水稻移栽前施藥兩次，農藥品種包括愛苗（用于治病）、福戈（用于殺蟲）、密達（用于祛除福壽螺）。每667 m2施芭田復合肥（15-15-15）30 kg作底肥，秧苗移栽后施用尿素20 kg，孕穗期再追施尿素10 kg；插秧1周后噴灑除草劑（丁草胺，含量60%），每667 m2用量為70～80 mL；水稻收獲后，秸稈直接還田，稻田整地、收割都采用機械化操作，其他田間農事操作皆由人工完成。在本研究中，由于所用機械重量難以獲得，故不在系統分析中考慮，機械操作的投入僅計算其作業過程中的柴油消耗。

1.2 能值分析方法

1.2.1 能流圖 能值是指產品或勞務形成過程中直接或間接投入應用的一種有效能總量［11］。根據ODUM所設計的能量語言符號，本研究繪制了華南雙季稻田種植系統的物能流動圖，從總體上反映該系統的能量投入產出過程（圖1）。按照能量來源和性質的不同，本研究將投入雙季稻系統的能量劃分為4類，即包括太陽能、風能、雨水化學能、灌溉水的“環境可更新資源”，包括表土層損耗能的“環境不可更新資源”，包括化肥、柴油、農藥、電力等農資投入的“不可更新輔助能”，包括人力、種子等的“可更新輔助能”。前兩類都屬于環境資源，后兩類則屬于經濟系統輔助能。由于電力和人力通常由不可更新資源和可更新資源共同作用而產生，因此，根據國際上廣泛采用的資源分類方法，將二者分別分為可更新輔助能部分和不可更新輔助能部分。其中，人力的可更新部分按照其投入的12.0%計算，電力的可更新部分按照其投入的68.8%計算［12］。此外，由于系統中投入的秸稈來源于稻田本身，在收獲后又被歸還于農田，因此，根據能值第四計算規則，為避免重復計算，秸稈投入被歸為系統反饋能，且在系統總能值投入中不計入。

圖1 華南雙季稻田能值流動圖Fig.1 Emergy flow diagram of double-cropping paddy field in South China

1.2.2 評價指標 本研究在能值分析過程中主要采用的評價指標如表1所示。其中，環境資源與總能值的比值可反映環境資源在整個農業系統中的利用率，該指標越高，表示該農業系統對于環境資源的利用越充分，更符合農業系統可持續性發展的要求；不可更新輔助能與總能值比值反映了系統對外部的依賴程度，其指標越高，表示該系統對于不可更新資源的依賴程度越強；凈能值產出率（EYR）的高低反映了系統產出對經濟貢獻的大小，該指標越高，表示系統產出對經濟貢獻越大；環境負荷率（ELR）反映了所研究系統的環境壓力的大小，該指標越低，表示系統對外部環境的壓力越小；可持續性指標（ESI）是凈能值產出率與環境負荷率的比值，該值越高，說明環境可持續性發展程度越高。綜合利用上述指標，可以整體反映華南雙季稻種植模式的可持續性發展能力。

表1 能值分析指標Table1 Emergy analysis index

1.3 數據來源

本研究所用的數據包括華南雙季稻種植系統的原始投入數據，以及將原始數據轉換為系統的能值流所需要的能量轉換參數和能值轉換率參數。自然資源數據來自來源于廣東省氣象局，農事操作過程中的所有原始數據都來自2017年對廣州市增城寧西鎮華南農業大學教學科研基地的實地調研，并輔以《全國農產品成本收益匯編》進行數據校準。數據收集以一個完整的生產年度為界限，對系統投入、產出數據進行詳細記錄，以保證數據完整性。該基地常年種植雙季稻，有科研工人專門管理，其雙季稻種植水平和農事操作特點皆處于該地區雙季稻種植的平均水平，具有一定程度的代表性。

能量折算系數參考陳阜編著的《農業生態學（第2版）》［13］，原始數據的計算方法參照文獻［14］。本研究中的太陽能值轉換率皆來自之前的相關研究［3］，采用 2016年最新修訂的能值基準（12.00×1024sej /年）［15］作為計算基礎。

2 結果與分析

2.1 能值投入結構分析

如表2所示，本研究的農業系統總能值投入為1.61×1016sej。其中，環境資源投入為7.11×1015sej，經濟輔助能投入為9.03×1015sej，二者分別占總能值投入的44.16%和56.09%。從資源類別上看，可更新資源能值投入為7.74×1015sej、占總能值投入的48.07%，不可更新資源能值投入為8.22×1015sej、占總能值投入的51.06%。可見，本研究的華南雙季稻種植系統運轉主要靠不可更新資源和經濟系統輔助能值驅動。

表2 華南雙季稻區耕作模式能值分析Table2 Emergy analysis of cultivation patterns in double-cropping rice areas in South China

2.2 能值指標分析

2.2.1 環境資源 在生產過程中通過環境所獲得的能量稱為環境資源，它反映了系統對于環境的依賴程度。由表3可知，華南雙季稻的耕作中環境資源的投入占總投入能值的44.16%，接近總能值的50%，說明環境資源對于華南雙季稻的種植貢獻很大。出現這個現象的主要原因是廣東省所處的自然環境條件為高溫多雨、四季常綠的熱帶-亞熱南帶區域，適宜水稻生長。同時，不可更新環境資源，即表土層凈損失占環境資源總投入的比例極少，可忽略不計。可見，華南雙季稻的耕作制度于環境資源的依賴十分顯著。

表3 華南雙季稻耕作模式的主要能值指標Table3 Major emergy indexes of double-cropping rice cultivation model in South China

2.2.2 不可更新輔助能 在生產過程中通過從系統外部購買獲得并且無法再生的能量稱不可更新輔助能，它反映了一個系統對于外部物質資源的依賴程度。由表3可知，華南雙季稻的耕作中不可更新輔助能的投入占總投入能值的52.40%，所占比例較大，而不可更新輔助能占總輔助能投入的93.43%，說明人力和種子等可更新輔助能的投入力度相對較少，可通過適當增加可更新輔助能的投入以減少系統對不可更新輔助能的依賴。

2.2.3 凈能值產出率（EYR） 在生產過程中系統產出能值與經濟反饋能值之比稱凈能值產出率，反饋能值包括人力勞務以及各種生產資料，其最小值為1，表示系統運轉完全依賴經濟系統反饋能來驅動，既沒有利用任何本地資源，也不能對系統外部經濟增長做出有效貢獻。在本研究中，華南雙季稻耕作模式的凈能值產出率為1.78，說明該系統具有較高的能值利用效率，生產成本較低。這是因為該系統在較高程度上利用了太陽能、雨水化學能、表土層損失等自然資源，對本地環境資源的利用程度較高，而購買能值的投入比例較低。

2.2.4 環境負荷率（ELR） 在生產過程中系統內消耗的不可更新資源能值與投入系統內的可更新資源的之比稱為環境負荷率，是用于衡量系統中能量流動對外部環境所造成的壓力。一般而言，較高的能值負荷率說明科技發展水平較高，反之說明科技發展水平較低。由表3可知，在本研究中，華南雙季稻的耕作模式的環境負荷率為1.06，遠低于發達國家，說明華南地區的傳統耕作模式的科技發展水平還有待提高，但從另一角度而言，該耕作的環境壓力較小有利于該地區更有效地發展可持續性農業經濟。

2.2.5 能值可持續指標（ESI） 在一個系統內其能值產出率（EYR）與其環境負荷率（ELR）的比值為系統可持續能力指數，用于衡量該系統的可持續性發展能力。當一個地區的凈能值產出率（EYR）高同時其環境負荷率低，則其能值可持續發展指數較高，說明其經濟發展是可持續的。該值若在1～10之間，則說明系統具有活力與發展力；若該值＞10，則說明系統不發達。由表3可知，華南雙季稻種植模式的能值可持續指標（ESI）為6.89，表明該地區的可持續發展指數較高，具有一定的活力和發展力，但需要進行一定程度改造，增加現代化技術投入。

3 討論

華南雙季稻區是我國重要的水稻主產區，一個具有較高的能值產出率和相對較低的環境負荷率的水稻種植系統是一個理想的可持續發展系統。因此，基于能值分析對華南雙季稻種植模式進行可持續性研究具有重要意義。

在本研究中，環境資源的投入幾乎占到系統總能值投入的50%，體現了環境資源對于華南雙季稻種植制度的重要作用。但是，傳統經濟學家則認為，在經濟生產中環境的貢獻僅占1.0%～2.5%［16］。這充分反映出采用能值分析方法對農業生態經濟系統可持續評價的重要意義，因為在傳統經濟學分析中，環境資源對系統運轉的價值往往不被考慮，這可能導致農業系統產出的價值也被低估。此外，藍盛芳［17］對中國農業能值分析的結論中環境資源占總能值投入的13%。本研究中，環境資源占總能值的比例相對以上兩個數據都較大，這主要與該地區高溫多雨、四季常綠的熱帶-亞熱帶氣候有關。

華南雙季稻區環境負荷率為1.06，與我國其他稻區相比屬于相對較低的狀態，如我國湖南雙季稻區環境負荷率為9.63［6］，華南雙季稻區的環境負荷率遠遠低于我國湖南雙季稻區。另外，相比于我國其他作物生態經濟系統，如我國公主嶺玉米生產系統環境負荷率為10.62［18］，華南雙季稻區的環境負荷率遠遠低于我國公主嶺玉米生產系統。表明我國華南雙季稻區的環境壓力很小，換言之，該地區雙季稻種植系統有較大發展潛力，應該進一步加強能值的投入。

與此同時，華南雙季稻區相應的凈能值產出率卻相對較低。相比于湖南雙季稻區2016年早、中、晚稻種植系統的凈能值產出率［5］，本研究結果分別降低14.0%～37.8%，說明華南雙季稻區在農業技術以及生產技術水平上應用較低。生產方式的發展路徑主要有兩種：一是從主要依靠生產要素投入、外延式增長方式向主要依靠科技創新、勞動生產率提高和人力資本提升的內涵式增長方式轉變；二是從主要依靠生產要素數量的擴張、單純追求數量而不顧質量的粗放型增長方式向提高生產要素的有機構成和使用效率的集約型增長方式轉變［19］。華南雙季稻區的種植模式在人力資源的投入中仍占據較高水平，化肥農藥的使用量所占比例居中，說明更適合第一種生產方式的發展路徑，即應適當增加機械和現代農業科技的使用，以提高華南雙季稻區的凈能值產出率。

4 結論

本研究基于能值分析方法對于華南雙季稻種植模式進行可持續性分析，結果表明，華南雙季稻區具有較高的可持續性發展能力，但其凈能值產出率相對較低。原因在于華南雙季稻過分依賴于自然資源與人力勞動資源。另外，農村勞動力整體文化水平偏低，小學、初中文化程度者占大多數，使得他們對外界科技敏感度偏低、適應市場能力較差。如果通過標準化管理，適當增加農用機械的使用以減少人力勞動資源的投入，并且酌情增加有機肥的使用以減少化肥等不可更新輔助能的投入，同時加強農村勞動力的文化素質培養，定期組織下鄉開展相應培訓活動，可在一定程度上增加華南雙季稻區的凈能值產出率的同時維持其較高的可持續性發展能力。