基于能值分析的武漢市耕地資源可持續利用評價

馬才學，朱 林*，劉世超，楊蓉萱，張 琪

（1華中農業大學公共管理學院，武漢430070；2武漢市住房保障和房屋管理局，武漢430014）

1 研究背景

土地中最精華的部分就是耕地，其對人類生產生活和經濟發展都起著十分重要的作用。首先，國民經濟的發展需要耕地作為基礎，耕地是一種重要又稀缺、且難以再生的資源，在可持續發展戰略中具有非常重要的地位；其次，社會穩定發展的基礎要靠耕地，因為它是農民的生產資料，能夠保障農民的生活，解決生存問題和就業問題，實踐證明，失地農民越多，社會矛盾就越突出［1］。另外，我國人口數量依然不斷的增長，同時人們對糧食的需求也不斷的上升，因此眼下最重要的是能夠讓耕地資源可持續利用，并且平衡耕地保護和經濟發展二者之間的關系。

能量價值理論與分析方法的研究在國外應用的十分廣泛，在自然和社會方面都有所涉及。Odum等［2］1987開始評估沿海地帶和河流等自然生態系統，對一些生物也有所涉及，例如鯨魚等。初次提出能值可持續性指數是意大利生態學家Ulgiati和美國生態學家Brown［3］。還有學者運用能值理論對泰國的環境與經濟進行分析，并且具體說明了湄公河修建大壩的生態影響和環境影響［4］。Ulgiati等［5］在環境的壓力及其可持續性方面對意大利進行能值評價。對鄉村的可持續發展，Siracusa等［6］使用能值理論大膽探索其理論方法并進行實踐研究。總體來看，在可持續發展的能值理論應用中，國外較為集中在兩個方面，一是對區域或產業可持續發展的能值指標評價的研究，二是對區域或產業發展中的承載力以及對承載力影響的研究。

在利用能值指標進行可持續利用評價的實證研究中，李雙成等［7］在土地持續利用方面構建若干基于能值理論分析方法的相關指數，確定1978—1999年中國農業土地的可持續發展狀況。但評價的相關指數仍然需要進一步優化。國內很多學者對不同城市的耕地進行了可持續性評價的研究［8-12］，但研究主要從空間上對耕地資源進行評價，并沒有從時間序列上進行研究。還有些學者以全國為研究區域對耕地進行可持續性評價［13-14］，由于研究區域過大沒有考慮到不同地區的特殊性，使得結果產生部分偏差。劉旭曄［15］通過建立指標體系對湖北省耕地可持續利用進行研究，但主要側重于城鎮化對耕地的影響，并沒有從對整個耕地系統進行可持續性評價。于婉婷等［16］通過建立指標體系對大慶市的耕地進行了可持續利用評價，但并沒有對指標進行量綱化，因此結果分析存在說服力不足的情況?；诖?，本研究以能值相關理論為指導，闡述武漢市土地利用現狀，以時間序列變化對武漢市耕地相關數據進行建模探討，分析武漢市耕地利用的可持續發展現狀，運用能值理論和方法對武漢市的耕地可持續利用情況進行分析并給出相關對策。

2 研究區域與數據來源

湖北省武漢市位于江漢平原的東部，長江和漢江之濱，地處于華中腹地。據《2017年武漢市統計年鑒》，武漢市2016年土地總面積8 569.15 km2，耕地面積1 913.6 km2，占全市總面積的22.33%。水田和旱地是耕地的主要組成部分，在武漢水田的面積達到1 133.2 km2，其占耕地總量的59.22%，旱地767.7 km2，占耕地面積的40.12%，其他12.7 km2，占耕地面積的0.66%。2003—2016年耕地數量呈直線下降趨勢，13年間減少了14 420 hm2，其中從2006—2008年減速較緩，但2009—2013年減勢迅猛。

研究數據主要有耕地系統投入基礎數據、耕地系統產出基礎數據、能值轉換率以及能量折算系數與耕地數量。耕地數量，耕地系統投入基礎數據中的可更新環境資源和不可更新環境資源以及耕地系統產出基礎數據來源于《武漢市統計年鑒》2004—2017年，其中能量折算系數與能值轉換率來源于Odum與國內各學者總結所得［17-20］。

3 研究方法

能值分析理論將生態系統和經濟系統綜合考慮在內，出發點是總體經濟，衡量單位是能值，創建了能值理論體系。通過能值分析對耕地進行可持續利用評價的主要方法主要分三步：一是將土地的投入和產出進行能值轉換，轉化為太陽能值；二是對耕地的能值投入產出進行分析；三是構建能值指數，通過能值指標對耕地利用狀況進行評價分析。

3.1 能值轉換

不同的物質所含有的能量的質量不同，所以必須進行能值轉換將其統一，再來比較不同形式的物質能量。能值分析就是利用能值轉換率將不同的能量轉換為同一量綱的太陽能值，轉換公式為Em=Sc×E，式中的Em表示能值及不同的物質能量轉換后的能值，Sc表示太陽能值轉換率，E表示能量及不同物質所含有的能量（表1和表2）。

表1 耕地系統投入的能值折算系數和能值轉換率Table 1 Cultivated land system input energy conversion coefficient and energy conversion

表2 耕地系統產出的能值折算系數和能值轉換率Table 2 Cultivated land system output energy conversion coefficient and energy conversion

3.2 能值投入產出分析

耕地系統是一個十分復雜的系統，目前若想要詳細知曉其中的物質循環和能量流動特征較為困難。本研究僅分析耕地直接投入和產出的能值利用狀況來保證相關能值轉換的準確性，其具體能值投入及產出資源見表3。

表3 耕地能值投入產出情況表Table 3 Energy input and output of cultivated land

3.3 能值指標及可持續性分析

以武漢市2003—2016年耕地生態系統的投入產出項目為基礎，并根據武漢市的具體情況，選擇系統穩定性指數（S）、耕地環境負載率（ELR）、耕地能值使用強度（ED）、耕地能值產出率（EYR）、工業輔助能貢獻率、系統生產優勢度（C）、人均能值產出量、可持續發展性能指數（EISD）這八個指標來進行量化評價和分析（表4）。這些指標將復合生態系統的各種物質流、資金流、信息流、生態流、能量流等進行了量化分析，定量分析了耕地生態系統的結構、功能和效率。其中耕地能值產出率是耕地能值總產出與工業輔助能值與有機輔助能值的和的比值，此指標主要是用來評價能值在農業生產活動中被利用的是否高效；耕地能值使用強度是耕地能值總投入與耕地總面積的比值，表明耕地生態經濟系統的集約化水平和利用強度；工業輔助能貢獻率是不可更新工業輔助能與能值總投入量的比例，它在一定程度上反映人類因素對耕地生態系統的影響；耕地能值總產出比上農業從業人員為人均能值產出量；不可更新資源能值投入比上可更新資源能值投入為環境負載指數，通過生態系統能值分析理論可知系統依靠可更新資源生存和發展的能力，可以體現生態系統可持續性；通過系統結構優勢度（System dominant degree，SDD）可知系統各產業結構的優勢差異和配置的指標，SDD的范圍在0—1，SDD越小，則各產業優勢度差異越小，越接近1，證明某個單一產業正在處于優勢的地位。這兩種情況都不是最好的情況，都是不利于系統發展的。因此，最合理的情況就是SDD在0.5左右，這時系統中有某個產業是占主導地位的，但是其他產業單元同時得到兼顧；系統穩定性指數（System stability degree，SSD），是來體現系統結構是否穩定以及它的協調性。SSD高表明系統的每一個能值流能夠較好的連接網絡，系統的自動控制和調節以及反饋作用強，具有較大的穩定性；耕地可持續發展性能指數（EISD）為耕地能值產出率比上耕地環境負載率。可持續發展性能指數主要反映耕地生態經濟系統的可持續發展能力。耕地可持續發展性能指數越大，代表在單位環境壓力下，經濟效益越高，系統具有更好的可持續發展性。當EISD＜2表示地區的系統可持續性并不理想，給環境的負載壓力過大且能值的收益不足。當2＜EISD＜18，說明系統可持續發展的情況比較理想。當EISD＞18，說明對地區的系統資源開發和利用不足。

表4 耕地生態系統能值指標體系Table4 Cultivated ecosystem energy index system

4 結果與分析

4.1 武漢市耕地可持續性的能值投入分析

武漢市耕地生態經濟系統的投入主要有工業能投入（即不可更新工業能）、環境資源投入（包括可更新環境資源和不可更新環境資源）及有機能投入（可更新輔助能源），四個部分的能值投入曲線見圖1。

圖1 武漢市耕地生態系統各個部分的能值投入曲線Fig.1 Energy various parts of the ecosystems into cultivated land in Wuhan

從圖1可以看出，武漢市的可更新環境資源以及不可更新工業能的投入增加，不可更新環境資源的投入基本不變，而可更新輔助能源的投入略有下降，這些耕地系統投入結構的變化說明武漢的農業生產效率在提高。其中不可更新環境資源能值投入在這些年間基本保持穩定，且表層土損失量較小，占總投入的比例十分低，證明武漢市的水土保持狀況比較理想，并且維持良好。由投入能值可以看到，不可更新工業輔助能值2003—2016年增長了11.4%，其主要原因是農村機械化水平不斷提高，農用機械、電力的使用情況也呈現上升趨勢；可更新環境資源能值增長了1.1%。然而，2003—2016年武漢市不可更新工業輔助能值的增加導致可更新有機能值呈略微減少的趨勢，即武漢的農業機械化水平不斷提高，手工勞動正在逐步被機械操作所取代。

2003—2016年武漢市耕地利用系統的能值總投入基本上呈平穩上升趨勢（圖2），小部分的不可更新工業輔助能能值的增加被勞動力和畜力能值的減少抵消了，并且可更新環境資源增長幅度較小，因此，總能值使用量增加的趨勢表現與不可更新工業輔助能增加的趨勢表現大抵相同，但實際上內部已經發生了增長和減少的變化?？筛掠袡C能值和不可更新工業輔助能值的此消彼長，是耕地生態系統中較良好的表現，這說明落后的農業手段正在被先進的工業手段代替，且不斷趨于合理，從而導致系統整體效率的提高。

將武漢市耕地生態系統總能值的投入分成環境資源（即EmR+EmN）與輔助能值（即EmF+EmRI）兩部分進行對比和分析，研究結果（圖3）表明，2003—2016年環境能值的增幅為1.11%，輔助能值增幅為11.44%，是前者的10.35倍。由此可以看出，能值總投入的增加主要是輔助能值的變化，如今耕地的不斷減少和退化會導致這種情況更加嚴重。

圖2 武漢市耕地生態系統能值總投入曲線Fig.2 Cultivated ecosystem energy total investment curve in W uhan

圖3 環境資源與輔助能值的投入比較Fig.3 Contrast w ith resources energy input and auxiliary energy input

通過比較可更新能值與不可更新能值，對武漢市的耕地生態系統總能值投入進行分析（圖4）?？筛履苤翟鲩L幅度僅為1.07%，原因是太陽能值的小幅度增加。不可更新能值也呈增長態勢，增幅為11.47%。由此可知，不可更新能值對能值投入的增長的貢獻更大一些，且這種情況會越來越被加強，主要原因是武漢市城鄉一體化的步伐不斷加快。

4.2 基于能值的武漢市耕地系統生產力分析

由圖5可以看出，2003年和2004年的能值產出總量最大，2004—2005年總能值產出出現大幅下降，原因是這一時間段武漢市的水果類產量發生了大幅度的下降，由2004年的551 919 t驟減到2005年73 559 t；而2005—2016年水果類產量的總趨勢是緩慢增加。

圖4 可更新能值與不可更新能值的投入比較Fig.4 Contrast w ith renewable energy input and nonrenewable energy input

圖5 2003—2016年武漢市耕地生態系統能值產出變化Fig.5 The change of W uhan cultivated land ecosystem s energy output in 2003—2016

影響耕地生態系統生產力的除了能值總產出外，還有耕地的變化。2003—2016年武漢市耕地面積總體上呈遞減趨勢。武漢市耕地與糧食基本上處于非平衡狀態，從圖6可以看出，不考慮2004—2005年總產出能值的不正常變化，從2005—2016年，武漢市的耕地面積逐年減少，并且每年的下降幅度不斷變化，而總能值產出卻出現了遞增的變化現象。由于2003和2004年的水果類產量與之后幾年相比產量發生巨大變化，所以去除這兩年數據，通過對2005—2016年進行計算，耕地面積與耕地總能值產出二者呈負相關，相關系數高達-0.96，且在0.01水平上顯著相關，這說明能值的產出受耕地數量的影響。由于技術的不斷進步，以及管理方面的不斷優化等措施導致糧食單位面積產量增加以及復種指數的提高，從而導致相關系數為負。

數據分析表明，耕地面積的減少對總能值的產出既有反向作用也有正向作用，耕地面積減少是因為生態系統退耕、農業結構整改、自然災難已經建設用地占用耕地等，這些原因大部分都會導致耕地的永久性減少，而耕地的減少必然導致糧食產量的下降，如果沒有耕地面積作為基礎，則耕地總能值產出很難有顯著提高。因此要保護耕地面積，并且優化能值投入結構。

4.3 武漢耕地生態經濟系統能值指標體系及結果分析

以武漢市2003—2016年耕地生態系統的投入產出項目為基礎，選取8個指標來進行量化評價和分析（圖6）。（1）武漢市2003—2016年耕地能值產出率呈快速下降又緩慢上升趨勢。2005年以來，耕地能值產出率為3—4，整體不高，這證明雖然武漢投入了大量的有機輔助能值和工業輔助能值，運轉效率不高。但工業輔助能值與有機輔助能值的投入緩慢增長，能值總產出同樣增長較緩，二者相對來說還是比較和諧。（2）2003—2016年，武漢市耕地能值使用強度整體處于不斷增長趨勢，且增長幅度較大，說明耕地生態經濟系統的集約化水平和利用強度都有較大提高。（3）工業輔助能貢獻率的計算方法是將不可更新輔助能值比上能值總投入量，它能在一定程度上反映人類因素對耕地生態系統的影響。武漢市耕地生態經濟系統的環境資源的投入增長緩慢，幾乎保持穩定，而工業輔助能值正在不斷增長，說明耕地生態系統對購買的能值正慢慢形成依賴，從而讓耕地的生態系統更加開放，更加趨于商品型。（4）人均能值產出量是耕地能值總產出與農業從業人員的比值，除了由于2004—2005年水果類的能值產出大幅下降的原因之外，從2005—2016年，武漢市人均能值產出量呈上升態勢，由2005年的7.95×1015sej/人到2016年的1.70×1016sej/人，增長了1.13倍。主要是近年來，大量的農業從業人員轉向鄉鎮企業及其他行業，使得人均能值產出量增加，同時也是由于農業相關政策使得農民收入大大提高。（5）環境負載率由2003年的1.37上升到2016年的1.51，最高值為2015年的1.54，從2015年開始耕地環境負載率稍有回落。（6）2003—2016年武漢耕地系統結構優勢度從0.91下降到0.84，糧食作物與經濟作物的比例由2003年的0.051變化到2016年的0.097，這表明糧食作物正逐漸的退出主導地位，二者在盡量保持平衡，即耕地生態系統內部各生產單元結構在進行優化，其主要原因是因為武漢這幾年正在努力發展經濟作物，調整農業結構。（7）武漢市耕地系統的穩定性指數在0.19—0.41波動，數值相對較低，說明系統的自我調控等作用需要加強。從系統優勢度指標的變化可知，武漢市經濟作物的比重和糧食作物的比重發生著改變，前者一直升高而后者一直降低。證明武漢的系統結構調整正在陸續進行當中，具有不穩定的耕地系統。（8）2003—2016年武漢市的可持續發展性能指數整體上呈下降趨勢，2005年以來有輕微的回升趨勢，幅度并不大。但EISD一直保持在2—18，即武漢市耕地生態系統富有活力和發展潛力，處于較好的可持續發展狀態。但是隨著環境負載率（ELR）的上升，EISD可能會發展到小于2的狀況，若不采取任何措施將會導致耕地生態系統狀況不利。

圖6 武漢耕地生態經濟系統能值指標變化趨勢Fig.6 Change trend of energy index of cultivated land eco-econom ic system in W uhan

5 結論與政策建議

本研究基于耕地的可持續利用和能值分析的理論基礎，闡明武漢市耕地利用的現狀，運用能值分析的方法，對武漢市耕地可持續利用的投入產出結構進行分析，并構建耕地生態系統的能值指標體系。主要研究結論為：（1）基于能值分析對武漢市耕地進行了可持續利用評價，通過對各方面的能量和物質轉換為同一量綱的太陽能值，克服了以往對評價過程中產生的外界干擾以及主觀性的弊端，可以更加全面客觀對耕地進行可持續性的評價。（2）武漢市耕地利用系統的能值總投入呈平穩上升的趨勢，可更新有機能值和不可更新工業輔助能值的此消彼長，證明武漢市在耕地的利用方面更加注重先進的現代化工業手段，機械化發展進程不斷推進，并且以可持續發展為目標來推進耕地的進一步利用。雖然總投入不斷增加，但武漢市耕地減少趨勢沒有得到遏制，導致耕地的總產出增加不明顯，因此耕地的數量對糧食的產量仍然起著至關重要的影響，因此施行對耕地的保護以及對能值投入結構的優化措施刻不容緩。（3）耕地能值產出率呈快速下降又緩慢上升趨勢，整體偏低，說明利用和運轉效率不高。耕地能值使用強度和工業輔助能貢獻率整體處于增長趨勢，即耕地的集約化水平和利用強度不斷增加。人均能值產出量大幅下降又緩慢上升，環境負載率整體為增長趨勢，系統承受的環境壓力在不斷上升。耕地可持續發展性能指數處于2—18，證明系統的活力和潛力都十分的可觀，可持續發展狀態良好，但其值貼近2，需要采取相關措施，防止系統處于不利狀態。

相關政策建議為：（1）耕地可持續利用的技術措施。開展土地開發整理工作，提高耕地質量。武漢市2003—2016年能值產出的總趨勢是緩慢增加的，耕地面積呈遞減趨勢，二者雖為負相關，但是保護耕地面積和提高耕地質量是非常有必要的。把保護生態放在首位，加緊對耕地與基本農田的整理，使有效耕地面積不斷增加，改進農業生產條件和環境，保證耕地質量和農業綜合生產力穩步提高。針對區域的不同特點采取相應措施，加強對耕地的保護。武漢市2003—2016年耕地面積減少了14 420 hm2，減少速度驚人。所以要合理利用并切實保護現有的耕地與基本農田，因地制宜，發展特色產業，加快農業產業結構調整，加強基礎設施建設。調整耕地生態經濟系統投入結構，轉變經濟增長方式。武漢市耕地生態系統中不可更新工業輔助能值投入比例較大，這種經濟增長模式是高消耗型的，若長期實施，將破壞區域生態環境，不符合耕地可持續發展的要求。通過預測，武漢市環境負載率將不斷增大，且耕地可持續發展性能指數將下降到小于2，所以，要大力推廣使用有機肥、農作物系列專用復合肥和高校生物有機復合肥等，增大可更新投入能值比例，調整結構，提高單位能值產出水平和資源綜合利用效率。（2）完善耕地保護的管制措施。加強對耕地占補平衡的管理應當履行復墾補充耕地的義務，實現土地征用的平衡。農村土地流轉機制須完善。在產權設置、流轉方式、流轉監督和流轉程序等方面進行規范并管理，建立土地流轉信息平臺，完善農村土地流轉制度，限制農用地轉為非農用地，實現城鄉建設用地的增減掛鉤。（3）更新觀念，強化耕地可持續利用意識。武漢市耕地能值產出率呈快速下降又緩慢上升趨勢，整體偏低，說明耕地系統利用和運轉效率不高，所以要大力宣傳推廣低能耗、低污染和低排放為基礎的低碳農業經濟，減小農業發展對環境的不利影響，建立環境友好型和資源節約型的農業生產體系，促進武漢市低碳農業經濟又快又好發展。在農業生產中，大力推廣農業節能模式。減少能源消耗，提高農業資源的利用效率。武漢市的耕地面積在不斷減少，要強化民眾保護耕地的意識。加強從各級領導至普通群眾的法制觀念，樹立耕地的憂患意識，加強惜土意識，使保護耕地和節約用地成為全社會的共識，大大提升保護耕地的積極性和主動性，重點放在長遠利益，不局限于當前利益，加強全民的可持續發展觀。