基于能值－生態足跡模型的天津市農業生態系統可持續發展研究

陳琳 高紅梅

摘??? 要：全國“兩會”以來，發展綠色低碳循環經濟對農業生產提出更高要求，“碳達峰”、“碳中和”成為熱詞。農業生產作為碳溫室氣體的主要來源，成為推進農業固碳減排可持續發展的關鍵環節。基于改進的能值-生態足跡模型，利用2010—2019年的天津農業產投數據，按時間序列分類編制人均能值生態足跡（Eef）和人均能值生態承載力（Eec）趨勢圖以及生態安全評價指標體系，對近十年天津農業投入產出與生態經濟效益的可持續性進行定量分析，并針對農業碳達峰的可實現途徑提出相關建議。研究結果表明：近十年天津市農業生產人均生態足跡基本維持在0.150 7 hm2·cap-1上下浮動，人均生態承載力由2010年的0.008 8 hm2·cap-1下降至2019年的0.007 3 hm2·cap-1，人均生態赤字嚴重但呈下降趨勢，農業可持續能力逐漸恢復。生態足跡多樣性指數狀態平穩，生態經濟協調系數趨近于1，農業生產安全不穩定。針對分析現狀提出合理調用農業資源、重視發展理念培養及保障政策落實到位的建議，促使天津市農業經濟、生態和社會系統和諧共生，促進天津市農業生態系統可持續發展。

關鍵詞：能值-生態足跡模型;低碳農業;生態經濟;碳達峰

中圖分類號：S181??????? 文獻標識碼：A????????? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2022.03.008

Application of Emergy-ecological Footprint Model in Tianjin Agricultural Ecosystem

CHEN Lin， GAO Hongmei

（College of Economics and Management， Tianjin Agricultural University， Tianjin 300384，China）

Abstract： Since the National "Two Sessions"， the development of a green and low-carbon circular economy has put forward higher requirements for agricultural production， and "carbon peak" and "carbon neutral" have become hot words. As the main source of carbon and greenhouse gases， agricultural production has become a key link in promoting the sustainable development of agricultural carbon sequestration and emission reduction. Based on the improved emergy-ecological footprint model， this paper used the Tianjin agricultural production investment data from 2010 to 2019 to compile per capita emergy ecological footprint （Eef） and per capita emergy ecological carrying capacity （Eec） trends and ecological. The safety evaluation index system conducted a quantitative analysis of the sustainability of Tianjin's agricultural input and output and ecological economic benefits in the past 10 years， and put forward relevant suggestions on the achievable ways of reaching the peak of agricultural carbon. The research results showed that the per capita ecological footprint of agricultural production in Tianjin had basically maintained at 0.150 7 hm2·cap-1 in the past ten years， and the per capita ecological carrying capacity had dropped from 0.008 8 hm2·cap-1 in 2010 to 0.007 3 hm2·cap-1 in 2019. The per capita ecological deficit was serious. However， there was a downward trend， and the sustainability of agriculture was gradually restored. The status of the ecological footprint diversity index was stable， the ecological and economic coordination coefficient approached 1， and the safety of agricultural production was unstable.Accorded to the analysis of the current situation， this paper put forward suggestions on rational allocation of agricultural resources， paid attention to the cultivation of development ideas and the implementation of security policies， so as to promoted the harmonious symbiosis of agricultural economy， ecology and social system in Tianjin and promoted the sustainable development of agricultural ecosystem in Tianjin.

Key words： emergy-ecological footprint model; low-carbon agriculture; ecological economy; carbon peak

生態農業是倡導盡量減少化肥、農藥使用，借此減輕對生態環境、土壤結構危害的一門新興農業形態。為了應對“十四五”時期綠色農業生產面臨的新形式與挑戰，農業生產應由追求高產糧食向生態高值轉變，倡導藏糧于技，綠色生產的首要關鍵點就是要實現農用化肥施用量的“零增長”，推動糧食產業生態系統持續循環。天津受到區域農業資源稟賦分布不均等因素的影響，在發展農業經濟時，利用傳統石油農業科技帶動高效勞動生產率的同時，創造了豐富的物質農產品，也造成了環境碳污染問題，在環境可持續治理方面消耗了巨大的資金費用，農業生產是各種生態資源要素的組合利用，干旱少雨的天津市作為京津冀地區的重大城市之一，工業城鎮化進程中發展都市型農業對生態環境條件的需求不斷提高。天津市近幾年在生態振興規劃中明確提出堅持發展綠色農業、實施綠色農業發展工程，追求實現農業生態環境的動態平衡。從農業生態環境建設、經濟轉型發展、社會發展的綜合多樣化目標上看，全面研究農業經濟-生態-社會系統耦合協調發展狀態過程，通過結構整合和功能整合，協調三個子系統及其內部組分的關系，破除制約協調發展因素，探究優化系統發展對策路徑具有重要的現實意義。

1 理論來源

可持續發展的概念最早可以追溯到1980年發表的《世界自然保護大綱》，1987年以布倫特蘭夫人為首的世界環境與發展委員會（WCED）發表了《我們共同的未來》這一報告，并正式對可持續發展進行定義，提出可持續發展應“能滿足當代人的需要，又不對后代人滿足其需要的能力構成危害”。1981年美國Lester R. Brown出版《建設一個可持續發展的社會》，提出以控制人口增長、保護資源基礎和開發再生能源來實現可持續發展，更加為可持續發展理論奠定了堅實的基礎。農業可持續發展則是可持續發展理論在農業領域的重大應用，面對資源消耗加劇與生態退化等嚴重問題，在可持續發展理念的指導下尋求一種可持續的新型農業生產模式至關重要，希望在農業上形成資源節約、環境友好、產業高效、農民增收的農業發展新格局。

由于農業生態環境是以人類為主體的環境，是由農田、牧草、森林等構成的復雜的多層次、多功能的生態系統，各業態系統之間存在著物質循環和能量交換。由于農業復合生態系統涉及到資源、環境、經濟、社會等諸多方面，需要構建適應于區域實際情況的評價指標體系及評價模型。汪嘉楊等[1]在深入分析區域資源、環境、社會、經濟綜合系統基礎上，建立了四川省2001—2010年社會-經濟-自然復合生態系統生態位評價指標體系，將耦合投影尋蹤模型應用于復合生態系統生態位評價并采用并行模擬退火算法對評價模型參數進行優化。易其國[2]利用DEA模型以及綠色GDP核算綜合評價貴州省可持續發展水平，并通過計算綠色GDP對生態效率進行測度;李治兵[3]等人以西北地區為研究對象，結合數據通過熵值法與層次分析法計算農業生態與經濟系統的耦合協調度;林燕[4]等運用耦合模型對武威市農業經濟與農業生態環境進行耦合協調度分析評價，發現兩系統耦合度處于低水平發展，協調度逐漸下降處于中度失調狀況，但總體向良好態勢發展。唐萌[5]、馮俊華[6]等結合農業經濟-生態-社會三個系統的差異性，以陜西省為例分析了2006—2017年農業耦合協調發展的相互作用與協調機制，提出需要重視社會系統的重要作用，需要從多方面作出實質性的資金、人才資源投入，從而實現陜西農業經濟、生態和社會三系統和諧共生。

能值分析由來自美國的生態學家H.T.Odum首先提出，通過標準的折算體系在生態經濟系統中測算形成某種生物生產性資源以及其他類型產品和勞務的能量[7-8]，將不可比較的多種類資源進行可比分析，綜合系統生態、能量生態和經濟原理以評價該資源在整個系統中發揮的作用。生態足跡理論的提出者William教授認為生態足跡是在一定技術水平支持下，某一特定區域的生存人口要維持相應的物質消費水平所需消耗的土地面積[9]，后來經由Wackernagel等人的改進并完善下用于評價某個特定區域可持續發展程度的一種生態系統評價體系[10]。要確定研究區域的可持續發展狀況，需要通過對研究區域的生態足跡與生態承載力進行測算，改進的能值—生態足跡模型綜合了傳統的能值分析方法與生態足跡理論的優點，將各種不同類型和等級的生物或能源能量換算成太陽能值并引入能值密度，統一折算成相對應的生物生產性土地面積進行可比分析。李文龍等[11]基于能值生態足跡對西藏進行生態安全現狀分析，并運用GM（1，1）灰色預測模型計算西藏2015—2024年的人均生態盈余量，對其可持續發展狀態進行預測;陳振環[12]等人利用改進的生態足跡模型對中國林業的生態效率與生態壓力進行評價;大多研究者傾向于利用改進的能值—生態足跡模型對城市整體生態安全或能源資源消耗，生態效率以及可持續性進行測算評價[13-16]。在區域農業經濟方面，王旭熙[17]、盛業旭[18]、楊秋[19]、焦士興[20]等人先后利用能值—生態足跡模型分析四川省、江蘇省、甘肅省和河南省的農業生態系統承載力和生態盈虧狀況，以評價農業生產的可持續性。采用改進的能值-生態足跡分析法對2010—2019年天津市農業生態系統的生態結構和環境經濟可持續性進行研究，首先計算農業生產人均生態足跡以及人均農業生態承載力，并通過生態安全評價體系分析農業生態經濟系統的運行特征，對發展都市農業的資源與碳治理效度進行綜合評估，從而為區域可持續發展決策提供依據。

2 研究方法與數據來源

2.1 計算人均生態承載力

某一研究地區所能提供的生物生產性土地面積的最大值就是該區域的能值生態承載力，將研究區域性質不同的可利用自然資源，分類成可更新資源和不可更新資源。由于可更新資源比高速消耗的不可更新資源更具有可持續利用效果，所以僅計算可更新資源的能值：

Eec=×（1-12%）（1）

式中，Eec表示研究范圍內的人均生態承載力;Ems表示研究范圍內可更新資源的人均太陽能值;P2表示全球平均能值密度，根據WCED組織的規定，扣除12%用作生物多樣性修正系數[21]。太陽輻射能的傳導集聚形成了各類自然資源所包含的能量，為了避免重復計算導致的誤差，研究區域的人均生態承載力將取可更新資源人均能值中的最大值所折算得到的生物生產性土地面積。

2.2 計算人均生態足跡

首先計算區域能值密度。根據能量的內外不同來源，將對太陽輻射能、風能、雨水化學能、雨水重力勢能以及地球旋轉能這5類可更新資源的能值進行計算[22]，為避免重復計算，可更新資源的區域總能值由前4種可更新資源能值中的最大能值加上地球旋轉能得來。區域總能值/區域總面積等于該研究區域的能值密度;按照相關能量折算規則將天津市2010—2019年農業生態經濟系統中能量投入和產出的各類基礎數據折算為J和g，再將各類資源、能源消耗或產出的折算數據，通過相對應的太陽能值轉換率計算得出太陽能值，最后得出的生物生產性土地面積由各消費項目相對應的人均能值換算而來。

其次將消費項目分為生物資源與能源資源兩類對人均生態足跡進行計算：

Eef== （2）

式中，Eef表示研究區域的人均生態足跡;i表示各種資源類型;Eefi表示第i種資源的人均生態足跡;N表示所在區域的常住人口數;Eci表示第i種資源的人均能值;P1表示研究區域能值密度。

2.3 生態安全評價

2.3.1 計算生態赤字或盈余 衡量某一研究區域的可持續狀況是將各消費項目的人均生態足跡匯總，并與人均生態承載力比較，得出的差值為正則產生生態盈余，反之則出現生態赤字狀態[22]，計算公式如下：

ES=EEf-EEc（3）

2.3.2 生態足跡多樣性指數與生態協調系數 多樣性決定穩定性，生態多樣性指數引自Shannon-weaver公式[23]：

H=-∑（Pi×lnPi）

C=H×Eef（4）

式中，H代表生態多樣性指數;Pi代表第i種土地類型的生態足跡在總生態足跡中的占比，i是生物資源生產性土地類型，lnPi代表不同類型生態足跡分配狀況，C表示生態經濟系統的發展能力。生態足跡的分配比例越趨近，對研究區域的經濟系統來說更具有穩定性。

生態協調系數表明研究區域的發展狀況與環境的協調程度[24]，計算公式為：

Ds=（Eec+Eef）/ ??????????????????? （5）

由于Eef'Eec>0，所以1

2.4 研究區域概況及數據來源

天津作為京津冀地區對外開放的重要門戶之一，擁有高端的現代化生產系統和轉化研發的生產基地，并被確定為適合居住的新型生態友好城市，整體地勢以平原和洼地為主，位于渤海灣附近受北部季風環流影響，屬于東亞季風和溫暖的半濕潤季風氣候地區。四季分明，陽光溫暖充足，熱量豐富，晝夜溫差大，蓄水能力強，山、水、城各類景觀要素疊加成多層次的開放空間。同時地熱與礦產資源豐富，截至2019年城鎮總人口數1 303.82 萬人，鄉村人口數258萬人。該地區農業生產條件優越，“十二五”至“十三五”期間，天津市農業經濟保持穩定增長，2019年農業生產保持穩定。全年農林牧漁業總產值414.35 億元，比上年增長0.4%，現代都市型農業加快發展。建成1.733 萬hm2高標準農田，小站稻種植面積達到5.33萬hm2，培育國家級龍頭企業，創建畜禽標準化示范區以及優質高效漁業養殖生產基地，農產品監測總體合格率達到99.8%。高工業化水平助推了農業生產效益的提升，土地集約化規模化利用程度高。但是，由于長期以來高度重視農業生產的某些高碳源物質資料的投入影響了未來長期可持續發展，因此對天津市農業生產的低碳可持續性和效率進行檢驗十分必要。

本研究所需的各類統計數據主要來自于2011—2020年的《天津市統計年鑒》、《2020年中國統計年鑒》、《2020年中國農業統計年鑒》，能量折算系數、能值轉換率、計算公式與方法參照陸宏芳等相關文獻[25-27]。

3 實證分析與研究結果

3.1 測算結果分析

3.1.1 生態承載力與生態足跡分析?? 天津市2019年農用地總面積為7 126.67 hm2，總人口數為1 561.83萬人。通過H.T.Odum的研究結果，得知全球年均總能值為1.583×1025 sej，全球平均能值密度3.104×1014 hm2·cap-1，計算得出天津市2019年各項可更新資源的能值生態承載力（表1）。天津市農業可更新資源投入總量隨著農業開發深入而不斷增加，太陽輻射能、潮汐能較為豐富，水資源相對匱乏。作為資源缺水型城市，“十二五”“十三五”期間天津加強農田水利工程建設，通過再生水、河道水污染治理和農業用水調蓄設施建設解決農業用水短缺問題，實現增水到提質的轉變。

通過公式計算得到天津市的能值密度P1為1.732×1016 hm2·cap-1，和農業各項消費項目的人均生態足跡（表2）以及分類匯總結果（表3）。因此，天津市2019年的農業系統生態足跡處于生態承載力范圍之內，其中各類型生物資源生產性土地對總的生態足跡貢獻大小依次為：耕地>草地>林地>水域>建設用地>化石能源用地。

農耕地資源豐富，生產利用貢獻在天津農業發展占據主體地位，但多年來化肥、農藥、農膜以及化石能源等不可再生資源的不合理投入，不僅造成資源浪費而且導致種植業農業生產成本虛增，同時也嚴重影響了天津的農業生態環境。為保護糧食主產區，促進耕地資源質量的提升與利用，天津市貫徹落實化肥減量增效、畜禽糞污回收再利用、秸稈綜合利用等多項工作，督促以農戶為主體的農業經營主體對污染隱患的治理。推廣節水灌溉技術，水土流失治理情況和有效灌溉面積得到很大的提升與增加，從源頭助力生態農業高質量發展。

3.1.2 趨勢變化分析 利用公式（3）計算結果進行分析，如圖1所示，發現2010—2019年天津市農業人均生態承載力總體較為穩定但呈下降趨勢，從2010年的0.008 8 hm2·cap-1下降至2019年的0.007 3 hm2·cap-1，人均生態足跡波動明顯，2017年達到頂峰上升速率減緩，表明2010—2017年天津市農業人均資源消耗和能源量不斷增大，農業赤字嚴重。2016年伊始天津市的農業生產模式轉向現代化都市農業結構優化，大力推廣“互聯網+農業”、綠色農業，實現科技引領農業設施發展。按照“三增一減”政策理念，打造休閑農業與鄉村旅游，帶動農村產業融合。第一產業從業人員由2010年的73.85萬人下降至2019年的58.28萬人，三次產業占比由10.1%下降至6.5%，實現農村富余勞動力向服務型產業轉移，增強農村年輕勞動力的就業積極性。

3.1.3 結構變化分析??? 從時間序列維度分析結構變化特征，如圖2所示，在農業生態系統中，耕地和草地對生態足跡的貢獻率相對較高，水域及林地次之，化石能源用地以及建設用地占比最小。表明天津市發展農業對耕地以及草地依賴度較大，但2016年后耕地增速下滑，草地貢獻率緩慢持續下降，生態足跡結構發生重大改變。林地增速迅猛，這與天津市大力發展森林產業有關。水域保持較為穩定，表明漁業對天津市農業生態系統的生態足跡貢獻度一般，總體上天津市農業生態系統對自然資源以及環境的壓力逐年增大。基于此，天津市積極落實嚴格的耕地保護制度和永久基本農田特殊保護，制定設施農業用地實施管理辦法，進行糧食生產功能區劃定。開展“兩低”農業提升行動，著力構建集優勢產業、優質產品、優良生態于一體的現代都市型農業產業體系。發展特色優質綠色農產品，強化農業面源污染治理，生態環境更加宜居，推進高標準農田與田水林電路建設，同步發展高效節水灌溉，“鋼鐵圍城”“園區圍城”治理任務基本完成，從而實現農業生態、經濟與生態逐步提升。

3.2 生態安全評價

根據天津市統計年鑒資料以及數據信息，利用模型公式（4）（5）（6）計算得出農業生態安全評價指標，從而對該區域范圍內農業安全狀況進行綜合分析，結果如下：

3.2.1 生態盈虧狀況分析?? 2010—2019年這10年間天津市農業始終處于生態赤字狀態，可持續發展能力低弱，但人均生態赤字呈下降趨勢，由2010年的最大值0.156 4下滑至2019年的0.120 5（表4）。天津以工業化城市出名，一直消耗大量的能源資源為代價發展經濟，農業生態環境受到重大影響，農業生產相較于其他產業對生物生產性土地的需求強，生態安全系數下降，對農業經濟增長以及自然資源與環境的壓力逐年增長。

3.2.2 生態足跡多樣性與協調指數分析 根據圖3生態安全評價指數趨勢狀況，2010—2019年天津市人均生態足跡多樣性指數數值呈波浪上升趨勢，2014年出現最小值1.300 4，最大值出現在2017年1.484 7;農業可持續發展能力低弱，整體平緩;人均生態經濟協調指數Ds（1

農業生產須兼顧社會經濟效益和生態環境的可持續性，人均生態足跡多樣性指數說明天津都市型生態農業較大的發展潛力，但另一方面長期生態與經濟狀況協調不均又說明該地區可持續能力不強。長期以來天津市為扶持農業產業化經營，各項貼息補助政策雖然極大地提高了農戶與農業企業種植生態產品的積極性，但農業產業本身的低附加值、高精技術和工藝設備投入時間長，資金回報率低并不能從根本上帶動農業生產者增收，從而導致農業生產者轉向高收益的非生態型農產品生產。需要強化鄉村發展資金保障與涉農資金統籌整合，引導社會資本加大資金投入力度，提高資金使用效率。完善鄉村金融服務體系，加快涉農金融產品和服務創新，建立工商資本入鄉促進機制，引導工商資本為城鄉融合發展提供資金、產業、技術支持。

4 結論與建議

4.1 結論

能值生態足跡模型分析方法在農業生態系統可持續發展評價方面發揮了重要作用，通過能值-人均生態承載力、人均生態足跡計算以及安全指標體系評估天津市農業生態經濟系統的運行狀況得出結論：利用改進的能值-生態足跡模型計算農業生態承載力與生態足跡的過程中，首先能值密度的轉換系數不一，導致最終計算差異較大，無法與其他研究進行縱向或橫向比較，存在改進的空間。其次，由于原始數據的可獲得性困難，利用可更新資源對生態承載力進行測算忽略了不可更新資源對農業生態系統的貢獻，區域產出能力受多方面因素的影響，得到的數據結果分析只能大略的估計研究區域的可持續狀況。對于農業能值生態系統的各類消費項目沒有統一的賬戶，消費項目生產量往往受到研究區域自然稟賦的局限，再加上自由貿易的流動，研究區域實際農業消費產量數據統計準確低，利用年鑒數據計算的研究結果存在偏差。海域中水產品對農業生態系統的正向貢獻以及其他產業帶來的污染對農業生產造成的負面影響也無法通過能值生態足跡模型進行測算。

4.2 建議

經過上述對天津市農業生態系統與能值生態足跡狀況的分析，總結出天津市近年來的農業發展存在農業資源利用不合理、可持續發展能力低弱、綠色農產品接受度低，生態安全壓力大等的問題，并提出如下對策建議：

4.2.1 合理調用農業資源 傳統石化農業的工業能源投入占比高，化肥、農藥等問題突出，天津市農業多年來的生態足跡消耗嚴重，人均能值生態承載力不足，處于生態赤字狀態，生態安全問題需要引起重視，城鎮化與工業化對“三農”資源尤其是耕地資源的掠奪呈現出極度的不合理性與不可持續性。天津農耕地資源豐富，但水資源短缺問題依舊是困擾天津農業發展的一大障礙，水資源的盲目開發與配置失衡最終加劇了農業旱災與農業生產供水矛盾的愈加尖銳化，水土流失治理與提高農業水資源利用率迫在眉睫。應加快建設節水型農田水利基礎工程，重視社會系統對于農業方面的投入，合理有效地調控各項資源供給，將投入與產出更好地平衡起來以推動天津市高效現代農業的協調發展關系。應推進農耕地輪作休耕制度以及重點農業生產區域的資源保護與環境污染治理，降低單位產品的碳排放強度，加大生物資源的保護與利用。轉變農業生產方式，注重高質量集約化的經營，以農業科技創新作為支撐，通過培育和建設綠色生態農產品品牌，提升農業產品的附加值，在滿足人民日常對農產品需求的同時，提高綠色低碳農產品供給的穩定性，增強農業發展后勁。天津作為濱海城市可以積極利用港口優勢，打造潮汐循環電力技術，減少煤炭發電，將電力引進農業生產，提高農業用電效率，實現可再生能源循環利用助力碳達峰。

4.2.2 政策保障落實到位 近年來天津市綠色低碳農產品供給能力明顯提升，自然資源依賴程度降低，抗災能力變強，應對風險主要來自需求價格市場，綠色低碳農產品由于品牌高價還未被大眾所接受，致使生產者面臨投入成本高、增收困難等問題，同時質量安全水平缺乏有效的監測體系，農業生產末端的服務能力有待加強。政府體制與制度層面，應給予農業經營主體真正和切實的支持，確保農業產業的外部效應得到有效的補償，從而真正吸引社會資本真正流向農業產業，實現農業產業的健康發展。加大低碳金融信貸政策與補貼力度確保廣大農民生產的積極性，做到財政支農支出、農業項目統籌與農業資金資源整合真正惠及農業、農村、農民。以綠色生態為導向，引導農民進行綠色農產品生產，開辦各類農業低碳生產服務組織，在滿足基礎農產品生產供給的同時完成綠色低碳目標，做到生產服務主體有序競爭與綠色農產品供給多功能化，使服務體系呈現出多元化的發展格局。

4.2.3 重視思想認識與發展理念培養 長期以來，囿于自然與客觀時間資源富足的表象，片面追求農業生產的經濟規模與增速，忽視內在質量，缺乏憂患意識，迫切需要加強生態農業與可持續發展理念培養，倡導綠色消費。積極促進自然與人文生態環境可持續發展，提升公民的生態文明素質。發揮當地農業生產的區域優勢，利用生態型循環農業擴大現代農業體系格局，同時與其他各產業以及社會需要相協調。實行廢棄物資源化利用，避免產生生產物質濫用等現象，利用物質循環和深加工實現經濟增值，最大程度地提高農產品安全性，把環境建設同經濟與社會建設緊密結合，促進天津市農業經濟、生態和社會系統和諧共生。現代都市型農業要利用大數據、人工智能、區域鏈等多種技術形態，使傳統高耗農業經濟增長轉向低碳智慧生態農業，提高農業固碳增匯能力。

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