荒漠綠洲農業生態系統結構與能量分析

張德仲，張恒嘉

(甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

民勤縣地處甘肅省河西走廊東北面，石羊河流域下游，除西南一角外，其余邊界均被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍，中部是由石羊河洪積及湖積形成的綠洲，屬于典型的荒漠綠洲[1]，總占地面積1.6萬km2，其中綠洲占地面積約1440km2。該地區處于我國西北干旱內陸腹地，屬于溫帶大陸干旱荒漠型氣候，年降水量少但蒸發強烈，由于受到兩大沙漠的影響，導致民勤生態惡化，風大沙多，氣候條件相當惡劣[2- 4]。再加之違反綠洲生態機制的人類活動，導致該區自然條件更加嚴酷，民勤綠洲生態環境脆弱的趨勢日漸嚴重，生態環境面臨著嚴峻的考驗[5- 6]。

農業生態系統是一類由自然生態系統和人工生態系統結合的綜合系統。該系統不僅能維持人類生存與發展，而且對區域生態環境有著保護和修復作用，從而能達到改善該區人類的生活質量與環境[7- 9]。但如何有效評價一個區域農業生態系統，就要引入農業生態效率來度量。國外學者[10]認為生態系統承載力是經濟系統發展的基礎，判斷依據是農業生態系統資源的供給能力和環境的承載力都在其閥值內就可以有效的促進農業經濟的發展。而國內學者認為[11]以生態系統為基礎，最大化服務于農業經濟價值，從而達到農業經濟的可持續發展。現已有對農業生態效率的評價方法很豐富，都有比值法、生命周期評價法[12]、隨機前沿分析法[13]、生態足跡分析法[14]、數據包絡分析法[15]等。本文選擇能夠將區域資源與環境及經濟價值都囊括在內的能值分析法，進行綠洲農業生態系統結構和能量研究，旨在為促進荒漠綠洲區生態農業可持續發展提供參考。

1 民勤綠洲農業生態系統結構

綠洲農業生態系統結構是指綠洲生態系統中各組分在時間和空間上的配置及各組分間物質、能量相互轉化關系[16]。民勤縣綠洲農業生態系統結構可以從土地資源利用、水資源利用和產值結構3個方面分析。

1.1 土地利用結構

民勤縣總占地面積1.6萬km2，其中森林覆蓋占總土地面積17.7%，耕種土地僅占3.7%,,草類植被占12.2%，難以利用的沙漠、戈壁和鹽堿灘地占94%，土地利用率極低，農、林、牧結構不合理；森林和草類植被的覆蓋率低，不能有效地防止土壤沙漠化和鹽堿化，是造成民勤綠洲面積每年遞減的主要原因。就土壤利用營養結構而言，當地自然土壤肥力良好、保水性能高且養分含量豐富，但受限制因素多，尤其是土壤水嚴重不足時，土壤肥力難以發揮作用[17]。

表1 2015年民勤縣產業結構表

注：資料來源于2015年《民勤縣統計資料匯編》。

1.2 水資源利用結構

水資源開發與利用是民勤綠洲農業發展的一個瓶頸，其利用結構更決定著綠洲的規模和承載力[18]。2015年，民勤縣地表徑流2.97×108m3，地下水開采量1.15×108m3。年內總的用水額度為3.59×108m3，其中農用水量占65.2%、生態用水占30.1%、生活用水占3.1%、工業用水占1.6%[19]。

1.3 產值結構

2015年民勤縣產業結構及對應的產值、產值比重見表1。由表1看出，系統的產業結構單調，沒有健全的產業鏈，社會發展效益低。第一產業仍然以種植業為主，占全產業的70.89%，第二產業仍處于發展階段，還是突出了重農輕工的結構格局。相對來說，第三產業比重略超第一產業，占全縣生產總值34.37%，從20世紀的發展落后，到現在有略微優勢，說明本地區產業結構正在發生轉變，綠洲生態系統結構也在發生變化，不僅打破了傳統的以農業為主的單一產業結構，還進一步形成了以第三產業為主的多元產業結構模式。

2 民勤綠洲農業生態系統能值分析

在農業生態系統中，產品能值是指在農業生產過程中，由于農產品要在形成過程中不斷接受外界補給的各種能量，這些能量的累積量[20]。以太陽能值為基準，單位產品物質所含太陽能的量即為該產品物質的能值轉換率，以太陽能焦耳(Solar emioules，簡寫sej)為單位[21]。太陽能值轉化的基本表達式為：

M=τB

(1)

式中，B—構成系統的某種因素，j；τ—太陽能值轉化率，sej/單位物質；M—該因素的太陽能值量，sej[22]。

2.1 能值投入結構分析

可將民勤綠洲農業生態系統的能值投入分為四類：①直接來源于自然界的可更新環境資源能值(R)；②直接來源于自然界的不可更新環境資源能值(N)；③來源于人類社會的不可更新的工業輔助能值(F)；④來源于人類社會的可更新有機輔助能值(T)[23]。由于可更新環境資源能值中的太陽能、風能、雨水勢能、雨水化學能和地球循環能都來源于太陽輻射，為了避免能值重復計算，本文選取5項中能值最大者作為可更新環境資源能值投入[24]。參照黃鈴凌[24]對民勤綠洲農田生產各投入要素的太陽能值計算標準，計算出2010—2015年民勤綠洲農田生態系統各投入要素的能值見表2。

從表2可以看出，2010—2015年民勤農業系統總的能值投入呈現先減少后增加的趨勢，由能值投入四項指標的統計來看，不可更新的工業輔助能值在不斷遞減，主要是農業化肥和塑料薄膜使用量的減少，這兩項占總投入能值比重由2010年的1.2E+23sej減少到2015年的1.1E+23sej，減少了5.9%，表明民勤縣在發展綠色農業方面做出了明顯的成績，減少了化肥和農用薄膜對農產品品質和生態環境的影響，改善了人民生活質量和生活環境；而農業機械投入逐年上升，相比人力投入在減少，說明已經在改變傳統的以人力為主的農業投入，農業發展正在趨向機械化。

2.2 能值產出結構分析

民勤綠洲農田系統主要產出(Y)包括糧食作物類、經濟作物類、水果類和蔬菜類。其農田生態系統2010—2015年各產出要素能值計算參照黃鈴凌[24]對民勤綠洲農田生產各產出要素的太陽能值計算標準，計算出2010—2015年民勤綠洲農田生產各產出要素的太陽能值見表3。

由表3看出，小麥、玉米、棉花和油料是民勤綠洲主要的能值產出作物，其中糧食作物中傳統的小麥能值產出由2010年的54.11E+18sej減少到2015年的38.15E+18sej，減少了29.5%，而玉米由2010年的54.29E+18sej增加到2015年的96.32E+18sej，增加了43.6%。在經濟作物中，棉花由2010年的517.2E+18sej減少到2015年的285.57E+18sej，油料由2010年的648.05E+18sej增加到2015年的746.24E+18sej。另外，瓜、果、蔬菜能值產值雖然小，但也呈現歷年增長的趨勢。

表2 2010—2015年民勤綠洲農田生態系統能值投入結構(1.00E+18sej)

注：資料來源于2010—2015年《民勤縣統計資料匯編》。

表3 2010—2015年民勤綠洲農田生態系統能值投入結構(1.00E+18sej)

注：資料來源于2010—2015年《民勤縣統計資料匯編》。

由此表明這2010—2015年內民勤作物結構正在發生變化，傳統的糧食作物在減少，經濟作物的效益在顯著提高。

2.3 民勤綠洲農業生態系統綜合能值指標分析

農業生產資源、生產環境以及農業經濟是組成區域農業生態系統的三大成分，它們之間的相互作用、相互影響，是區域農業生態系統持久發展及人民的生活水平質量提高的關鍵[25]。為研究民勤綠洲農業生態系統自然資源蘊藏與開發、經濟發展和環境承載力狀況，本文從能值投入與產出、環境3個方面考慮，引入能值自給率、人均能值利用量、環境負載率3個評價指標，見表4，對該系統綜合能值指標進行分析評價。

表4 民勤農業生態系統綜合能值評價指標

注：P為從事農業人口數；U=R+T+N+F。

能值自給率是反映一個區域發展對本區域內自然資源的依賴度，由表4可知，民勤縣綠洲農業生態能值自給率介于1.50%～1.79%之間，遠遠低于國內平均水平(0.3)[26]，表明綠洲農業發展對自然資源的開發利用低，但逐年呈上升趨勢。主要原因是農業從事者多采用不可更新的工業輔助能，如農用藥劑、無機肥、不可降解的地膜等來提高農業產出，長此以往將會對農業生態系統造成環境壓力。

人均能值利用量可以反映農民享受生活的水平和質量，根據表4，除2010年超高外，其余年份人均能值利用率逐漸增加，超過了全國平均水平(4.25E+15)[27]，說明當地農民生活水平相對較高，這與不可更新的工業輔助能中的電力和農業機械的使用息息相關，為現代化農業發展注入動力。

環境負載率能夠反映系統對自然資源的利用率和對環境承載力，系統的利用率越高，環境承受壓力越大。環境負載率其數值介于3.11～3.67，略高于國內平均水平(2.08)[27]，說明民勤綠洲農業發展對資源利用率強，側面反映出環境負載力不斷增加。致使環境負載力增加的主要原因是不可更新工業輔助能的高效投入，特別是化肥，不可降解農用薄膜和機械燃料的使用。

3 結語

在荒漠綠洲發展生態農業有助于該區經濟發展和生態平衡，通過對民勤綠洲農業生態系統結構與功能的分析，得出兩點結論。

(1)綠洲農業生態系統結構不協調。綠洲農業是人為改變綠洲自然環境所形成的人工系統，在這種演變過程中使原有生態系統結構失調，具體表現：①嚴重的土地沙漠化和鹽漬化，造成土地覆被率和利用率都極低；②水資源開發利用缺乏合理性，社會用水和生態環境用水依舊是主要矛盾；③物種多樣性減少，致使對原有環境有利的生物鏈打斷甚至消失，一系列惡性循環接踵而至。因此必須合理開發生態系統，優化系統網絡結構，使生態結構趨于多樣化和穩定化。

(2)綠洲農業生態系統功能不完善。該區農業生態系統能值投入量大，但產出水平較低，投入與產出比為1.28∶1；機械化程度低，生產力水平落后，尚未達到農業現代化要求，且無機肥使用量也遠超有機肥投入，在系統環境和人民生活質量方面均存在隱患，這也是今后生態農業發展亟待解決的問題。建議加大農業機械投入，創建規模化農田系統，盡量避免使用無機肥和不可降解地膜。