城郊型成都綠灣農業合作社生態農場的能流分析和提升對策

母娜，李首成，陳勇

(四川農業大學 農學院，四川 成都 611130)

隨著城市規模的不斷擴大，城市人口與經濟對城郊型農業發展提出了更高的要求。城郊型農業發源于臨近城市的郊區地帶，利用優越的地理位置，生產鮮活農副產品以滿足城市市場和生態環境需求，具有高效可持續發展的特點[1-3]。城郊型農業在城鄉互動過程中兼具生產服務功能、生態保育功能及景觀文化功能，力求通過功能調整實現經濟、生態、社會效益的最大化[4]。

對城郊型農業生態種養系統進行能流分析，有助于更加清晰簡明的認識城郊型農業，以促進其發展。Odum等[5]學者在對生態系統能流理論研究基礎上，設計出圖解、符號、轉換系數量表等簡單工具，將不同物質轉換為同一單位能量進行比較分析，開創了能流分析的范式。

能量是生態系統存在發展的基礎。生態系統中能量的輸入、輸出及其在系統內各組成部分之間的流動，是生態系統的基本運轉過程之一[6]。在農業生產過程中，衡量一個農業系統功能的重要指標之一便是農業生態系統產出水平，目標是高效能量產出和低水平能量消耗[7]。在農業生態系統中，初級生產和次級生產之間能量相互匹配、流轉和協調的核心問題是物質和能量的轉換。對城郊型農業生態系統進行能流分析，能夠反映農業生態系統在微觀層次上的結構和功能，簡化工作模式，減輕工作量，得出具有重要指導意義的結論[8]。本研究以成都綠灣農業合作社下設的綠灣生態農場為研究對象，分析該農場生態系統的物質循環和能量流動特征，總結提升對策，以期探索城郊型農業發展的一般模式和能量流動情況，也為完善農場的能量投入結構、優化調整農場的能流方向及能流路徑提供依據，為進一步提升城郊型農場的能流效率，促進該農場生態系統高效產出和良性循環奠定理論基礎。

1 研究區概況

成都綠灣農業合作社位于成都市新都區馬家鎮錦城村，距離成都市中心16 km。合作社位于成都平原東北部，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，雨熱同期，降水充沛，年平均日照時數為1 042～1 412 h，年平均太陽輻射總量為347～397 kJ·cm-2，年平均氣溫16 ℃，全年無霜期280 d，年降水量900～1 300 mm[9]。整個合作社占地約33.33 hm2，耕地面積4 hm2，主要進行小麥、水稻、油菜、蔬菜種植和豬、雞、鴨、鵝、牛、羊等禽畜養殖，共有農業工人13人。通過多年發展，合作社構建了生態循環利用模式，力求打造成安全優質的城郊生態農場，設置種植業、三葉草、養殖、蔬菜等為一體的產業鏈，形成“種植業-三葉草-有機肥”和“畜禽及稻田養魚-沼氣-有機肥”循環結構。農場采用人工提灌獲取清潔水源，道路基礎設施采用草坪、卵石、碳渣等覆蓋，減少水泥硬化，種植過程禁用農藥、化肥，養殖過程不使用飼料等，力求達到生態系統平衡。

2 研究方法

2.1 數據采集

研究原始數據主要通過對綠灣農業合作社生態農場管理人員多次調查并核實準確，部分來自統計年鑒。將綠灣農場劃分為種植業、養殖業、居民區3個子系統，對農場勞動力、耕地面積、作物品種、種植面積、投入產出情況、家畜飼養情況等涉及能量輸入輸出的數據按照上述3個子系統進行分類處理。

2.2 能流計算方法

對于農業生態系統而言，只有太陽輻射量是以能量單位表示的，其他物質流量的計量單位各有差異，需要通過折能系數將系統內外流轉的物質量轉換為統一單位的能流量，用J表示，以便于對系統的定量描述。本文使用的各類物質折能系數主要采用聞大中的方法[10-12](表1～2)。對糞便含水量、作物谷草比、麥麩、米糠等不便準確得出的數據進行估算，作物干重采用烏日娜等[13]、張小燕等[14]的方法，將作物植株于105 ℃烘箱殺青30 min，再以80 ℃烘干至恒重。畜禽糞便含水量采用費輝盈等[15]、張菲菲等[16]的方法，將樣品置于105 ℃烘箱烘干至恒重，再稱重。作物谷草比參考謝光輝等[17]、張福春等[18]的方法。工具折能采用折算法，將工具折算成年損耗鋼材量(機械重量×10%)，鋼材折能88 576 kJ·kg-1，拖拉機、收割機、插秧機每臺分別折算成1 000、500、300 kg鋼材，手工農具每件折算成3 kg鋼材，人工折能12 540 kJ·d-1，畜力折能62 700 kJ·d-1[19]。

表1 各農作物的折能系數

表2 其他產品的折能系數

系統各物質所含的能量計算公式[10-12]為：Y=kX。其中，Y表示輸入(輸出)的能量，k為各物質的折能系數，X為流入(轉出)的物質數量。

3 結果與分析

3.1 各子系統的能流分析

農業生態系統中投入的能量可分為自然能和人工輔助能，人工輔助能又可細分為有機能和無機能。在農業生態系統內部，各子系統之間有機能的輸入和利用情況在一定程度上反映了系統的自給能力。綠灣農場生態系統主要是由種植業、養殖業、居民區3個子系統構成的集農業發展、科技示范與戶外休閑為一體的城郊型農業生態系統。其中，前2個子系統為生產性系統，本文著重對其進行分析。本研究中生態系統的能量輸入、輸出及各子系統之間、系統內與系統外形成的能流圖見圖1。

3.1.1 種植業子系統

種植業子系統固定太陽輻射能的方式是綠色植物的光合作用，以此形成初級生產力[20]，系統中能量投入主要是自然能和人工輔助能，能量輸出以糧食等經濟產出和秸稈等非經濟產出為主。

圖1 綠灣農場生態系統的能流

如表3所示，綠灣生態農場種植業子系統能量總輸入量為134 938.70 GJ，其中太陽輻射能133 984 GJ，人工輔助能輸入954.70 GJ。人工輔助能中，246.90 GJ為系統外輸入，其他為系統自身提供。分析可知，系統的自給能力較強。

表3 種植子系統能量輸入輸出的情況

種植業子系統能量總輸出量為387.22 GJ，其中糧食、蔬菜產品輸出量為97.99 GJ，該部分作為商品全部輸出系統外。輸出的青飼料、飼草、薪柴、秸稈留在系統內供給養殖業子系統和居民區子系統，共計289.23 GJ。種植業子系統的能量產投比僅為0.41。

3.1.2 養殖業子系統

植物通過光合作用將能量輸送到養殖業子系統，養殖業子系統再通過能量的消耗與轉化產出畜禽產品，所以養殖業子系統屬于次級生產系統，能量輸入主要為飼料、飼草、幼畜禽和少部分人力，能量輸出主要是豬肉、羊肉、禽蛋禽肉、畜力及畜禽糞便等。

如表4所示，養殖業子系統能量總輸入為368.02 GJ，總產出為682.28 GJ，能量產投比為1.854。其中，由系統外投入的糧食和畜禽含能279.17 GJ，麥麩、米糠、青飼料等投入含能88.47 GJ，人力投入0.38 GJ，系統外投能占總輸入的75.86%，系統內自給的能量占24.14%。

養殖業子系統提供的肉禽蛋產品共89.58 GJ，全部作為產品輸出到系統外，故商品率為100%。畜力、糞便分別輸出1.88、590.82 GJ到種植業子系統。

3.1.3 居民區子系統

居民區子系統過去一年的能量輸入輸出情況見表5。由表5可知，系統外投入到居民區子系統的能量為62.51 GJ，分別為糧食、蔬菜、豬肉、菜籽油；系統投入61.09 GJ薪柴，占比49.423%。居民區子系統輸出人力19.83 GJ，糞尿2.42 GJ。居民區子系統輸出的人力是整個農場生態系統的勞動力來源。

表4 養殖子系統能量輸入輸出情況

表5 居民區子系統能量輸入輸出情況

3.2 能量的輸入輸出結構

3.2.1 人工輔助能的輸入結構

綠灣農業生態系統共輸入能量135 430.32 GJ，其中太陽能133 984 GJ，占比98.93%，人工輔助能1 446.32 GJ，僅占能量總輸入量的1.07%。農場3個子系統共投入人工輔助能1 446.32 GJ，其中來自系統內的人工輔助能為857.74 GJ，占比59.31%，來自系統外的為588.58 GJ，占比40.69%；有機能輸入1 330.15 GJ，占91.97%，可見該農場是一個自給性較強的農業生產系統，且以有機能投入為主，無機能投入只存在于種植業子系統中。種植業和養殖業2個生產性子系統投入的人工輔助能中，無機能僅為116.18 GJ，占人工輔助能的8.78%，有機能占91.22%，可見該農場生態系統是一個典型的生態種養農業系統。

3.2.2 系統能量的輸出結構

系統能量總輸出量為1 091.75 GJ。在系統輸出能中，養殖業子系統輸出最高，為682.28 GJ，占能量總輸出量的62.5%；種植業子系統次之，總輸出387.22 GJ，占比35.5%；再次為居民區子系統，輸出能量22.25 GJ，占比2.0%。由此可見，該農場目前是一個種養結構不配套的農業生態系統，由于整個農場不使用農藥和化肥，所以種植業產出能占總產出能的比重很低，加之沼氣池正處在建設階段，尚不能發揮其本應作為整個農場生態系統的橋梁和紐帶的作用[21]。2個生產性子系統的總產出能為1 069.49 GJ，輸出到系統外的能量為187.57 GJ，該部分全部作為商品，占總產出能的17.54%；其余881.92 GJ進入農場的3個子系統，說明該農場生態系統是一個自我維持的系統。

3.3 各子系統產出能的流向分析

種植業子系統的產出能為387.22 GJ。其中，146.88 GJ作為肥料和秸稈歸還農田，占37.93%；97.99 GJ作為商品流向系統外，占25.31%；61.09 GJ流向居民區作燃料，占15.78%；81.26 GJ流向養殖業子系統作飼料，占21.05%。由此可知，58.98%的種植業子系統產出的生物能量流回到種植業和養殖業2個子系統，符合循環農業的要求[22-23]。養殖業子系統輸出的能量共682.28 GJ，其中糞便為590.82 GJ，占輸出能量的86.60%，全部歸還農田作肥料；作為畜禽產品流向系統外的能量為89.58 GJ，僅占13.13%。

4 討論

4.1 城郊型生態農場的能量流動特征

本研究表明，綠灣農場自給性較強，能量投入以有機能為主，占比91.22%。但由于處于起步階段，農場各項設施尚不完善，導致系統產出能力較低，種植業子系統產出能量僅為387.22 GJ，屬于偏低水平。能量流動多以單向流動為主，各子系統之間的耦合程度不高。在初級生產中，保留了傳統農業的優勢，并廣泛應用生物、物理防蟲除草等現代農業技術，既提高了土壤肥力，又促進了資源的循環高效利用。近兩年來，農場在提高水稻產量、提升質量的基礎上，設計運作“水稻+魚”為主的稻魚觀光體驗農業模式，比傳統單一種植模式更深入地體現了生態農業文化，同時還增加了系統產出。農場注重景觀文化建設，利用現有植被打造喬木-灌木-草本(作物)相結合的生態路網和水網，并設有科普長廊，建設了中小學教育示范基地。城郊型農業是開放程度較高、商品率較高的現代農業，兼具生產服務功能、生態保育功能及景觀文化功能，加之臨近城市地區的區位優勢，使得大多數城郊型農業能夠方便地學習先進的農業生產技術和經營管理理念[1-4]。隨著城市化進程的加快，城郊型農業有著巨大的發展潛力和市場空間，不但能夠滿足城市對鮮活農產品的需求，還能夠發揮出巨大的生態服務價值。

4.2 城郊型生態農場的能流效率

綠灣農場位于成都北郊，屬于典型的城郊型農業，但系統產出能力卻偏低，種植業子系統產出能為96.81 GJ·hm-2，低于新疆尉犁縣達西村(125.9 GJ·hm-2)[24]和河西走廊農戶(282.6 GJ·hm-2)[25]。種植業子系統產投比僅為0.41，不僅低于生態條件較差的新疆尉犁縣達西村(2.30)[24]和隴東西峰市文安村(1.89)[26]，更低于生態條件較好的河西走廊(3.11)[25]和豫東農戶(3.15)[27]，屬于較低水平。養殖業子系統的產投比為1.85，居民區子系統的產投比為0.18，也屬偏低水平。產投比偏低的原因之一是整個農場采用傳統的農業生產方式生產，機械化水平不高，勞動力素質不高，種養結構單一，且存在不配套的問題。雖然人工輔助能特別是有機能投入很高，但利用效率低，加之不施用化肥農藥，而病蟲害防治措施又尚未有效地落實，致使單位面積的產出能偏低。種植業子系統初級產品光能利用率為0.27%，高于達西村(0.26%)[24]、文安村(0.16%)[26]，但低于河西走廊農戶(0.49%)[25]和豫東農戶(0.74%)[27]。光能利用率偏低的原因是田間管理水平低、單產低，植株光合能力較弱，同時，由于種植密度過小導致葉面積指數小，漏光現象嚴重，造成光能浪費。

4.3 城郊型生態農場的優化措施

綠灣農場種植業子系統的能量產投比和光能利用率均屬于較低水平。此外，不配套的種養結構和低水平的能量利用效率，使得種植業子系統產出能力偏低，不能提供養殖業子系統所需要的糧食，畜禽產生的大量優質有機肥也存在嚴重浪費。

針對綠灣生態農場目前機械化、集約化程度低，系統產出能力較弱等問題，提出以下建議：第一，綠灣農場應著力發展小型便攜機械化，采用合理的栽培技術，在保證作物品質的前提下進一步增加產量；第二，改變目前畜禽散養的現狀，集約管理，發展立體飼養；第三，優化產出結構，逐步發展林果業、蔬菜和其他經濟作物，增強種養子系統之間的協調耦合關系，促使種養配套發展；第四，完善沼氣池，利用綠肥和畜禽糞肥生產優質有機肥，發揮沼氣池在農場生態系統中的紐帶作用；第五，合作社可制定田間管理專業化操作規程，組織勞動技能培訓，推行精細化管控，防控病蟲草害。