黑龍江墾區種養業生產系統可持續發展評價*

楚天舒，宋宇桐，楊增玲

（中國農業大學工學院，北京 100083）

0 引言

農業是國民經濟的基礎，關乎國家糧食安全、資源安全和生態安全[1]。近年來，農業可持續發展問題引起國際社會的廣泛關注。2018 年聯合國糧食及農業組織（FAO）在《糧食及農業轉型以支持實現可持續發展目標》中將可持續農業作為重要的發展目標[2]。《全國農業可持續發展規劃2015—2030》提出中國不同區域的農業持續發展方向與重點。因此，區域農業生產系統的可持續性發展評價與研究顯得尤為重要。

能值分析作為一種系統評價方法，整合經濟、社會、環境三大子系統，利用太陽能值轉換率，將系統中無法直接進行比較的物質和能量統一為太陽能能值，進而對系統的能值流動、環境負荷和可持續性等方面進行定量評價分析[3]。近年來，能值分析已廣泛應用于農業生產系統的各個子系統中，Wang 等[4]和Gang等[5]分別在浙江省域尺度和國家尺度上進行能值分析評價，均發現當下種植業生產中過度依賴工業化學品投入的問題。周江等[6]針對湖南水稻栽培進行的小尺度能值分析也發現工業品投入過多的問題。因此，減少粗放式工業化學品投入，對農業可持續發展顯得至關重要。此外，朱冰瑩等[7]運用能值分析方法對“秸稈—羊—田”復合生態循環系統與單一養殖系統進行比較分析，證實有機物循環利用可提升農業生產系統的可持續發展潛力；地中海地區“羊—農作物”生產系統[8]、遼河流域的“稻蟹共生”系統[9]、農村循環系統[10]進行能值評價也得到類似結果。田宜水等[11]通過構建能值流量、經濟發展、資源利用、環境負載以及綜合指數為主的能值評價體系，對某農業科技園區進行評價后，提出了調整產業結構、提高廢棄物資源化轉化率的建議。因此，應用能值分析方法評價種養業生產系統中的系統能量流動，有助于揭示投入到種養業生產系統中各種資源的構成，并從經濟效益與環境效益等多角度評價，為促進系統的可持續性發展提供依據。

黑龍江墾區依靠較好的農業生產條件，著力于發展現代化大農業，從曾經的北大荒變成為現在的北大倉，成為中國農業先進生產力的代表。但水土資源過度消耗、農藥化肥過度依賴等問題，正影響其農業生產穩定與可持續發展。隨著農業供給側結構性改革的深入推進，增強農業可持續發展能力成為農業改革發展的重點之一。因此，文章擬采用能值分析方法，以黑龍江墾區種養業生產系統為研究對象，綜合分析2009—2018 年該系統其能值投入動態變化過程，評價該系統可持續發展水平，以期為其種養業綠色發展提供理論依據。

1 研究區域概況

黑龍江墾區土地總面積554 萬hm2，地處小興安嶺南麓、松嫩平原和三江平原地區，是世界三大黑土帶之一，土壤有機質含量高達45.6 g/kg，全氮含量為2.2 g/kg，有效磷含量為29.5 mg/kg，速效鉀含量為178.1 mg/kg[12]。黑龍江墾區下轄寶泉嶺局、紅興隆局、建三江局、牡丹江局、北安局、九三局、齊齊哈爾局、綏化局、哈爾濱局9 個管理局，總局設在哈爾濱市。2018 年黑龍江墾區農作物種植面積為289.30 萬hm2，糧食總產量為2 279.64 萬t，為國家提供商品糧2 165.65 萬t，糧食商品率達95%，是我國重要的水稻、玉米和大豆等商品糧生產基地。在養殖業方面，大牲畜年末存欄量為20.488 8萬頭，肉類產量27.368 8 萬t，牛奶產量37.614 2 萬t，禽蛋產量2.961 7 萬t。

2 研究方法與數據來源

2.1 能值計算方法及數據來源

該研究選取黑龍江墾區種植業和養殖業生產系統作為研究對象，確定系統邊界，繪制系統能量流動圖（圖1）。能值投入（I） 分為可更新的環境資源（R）、不可更新的環境資源（N）、不可更新的工業輔助能（FN）以及可更新的有機能（FR）4 部分，能值產出（Y）分為主產品（Y1）和副產品（Y2）兩部分。其中，可更新的環境資源包括太陽能、風能、雨水勢能和雨水化學能；不可更新的環境資源包括表土層損失能和水；可更新的有機能包括有機肥、勞動力和種子；不可更新的工業輔助能包括化肥、農藥、農膜、農業機械、柴油、電力、飼料、獸藥、養殖舍；主產品包括作物籽粒和畜禽主產品（肉、蛋、奶等）；副產品包括作物秸稈和畜禽副產品（骨、血、毛等）。此外，畜禽養殖飼料主要來源于種植業，為了避免計算重復，暫不計算。不同養殖場使用獸藥的種類和量均存在一定差異，且無統計值，暫不計算。不同養殖場的畜禽舍的主要建材和用量數據無法獲得，暫不計算。

圖1 黑龍江墾區種養業生產系統能量流動圖

在能值投入的計算部分，基礎公式為能值（sej）=某種物質的能量或質量（J 或kg）×能值轉換率（sej/J 或sej/kg）。采用全球能值流動功率基準為12.0×1024seJ/a[13]，并對所有能值轉化率進行校準。具體計算方法與數據來源詳見表1。

表1 能值投入計算方法及數據來源

2.2 能值評價指標

為研究黑龍江種養業生產系統經濟效益與可持續發展情況，該研究選取以下5個指標。

①單位產值能值投入量（EPV）。單位產值能值投入為種養業生產系統每創造單位產值的能值投入情況，即在經濟角度衡量能值投入量。其值越小，系統每創造單位產值的能值投入越小，經濟效益越好。采用的計算公式為：

EPV=I/V（1）

式（1）中，V為種養業的總產值，萬元。

②種養業生產系統的能值轉化率（UEV*）。在常規能值計算中，某農產品或畜產品的能值轉化率，是由生產該產品所需的能值投入除以產品的折能系數而得，其值越小，產品生產效率越高[36]。因此，該研究將該計算思路類比到種養業生產系統中，計算種養業生產系統主產品的能值轉化率，將能值投入除以主產品的能量。該值表征種養業生產系統中，主產品的生產效率。系統能值轉化率越小，主產品的生產效率越高，采用的計算公式為：

UEV*=I/G（2）

式（2）（3）中，G為主產品的能量，J；PG,i為第i種農作物籽粒產量[15]，kg；DRYi為第i種農作物籽粒干物質比例[35]；RG,i為第i種農作物籽粒的折能系數，MJ/kg；PS,i為第i種畜禽主產品產量[15]，kg；RS,j為第j種畜禽主產品的折能系數，MJ/kg；106為MJ和J的單位轉化系數；i=1，2，3，…，n，j=1，2，3，…，m。其中，由于部分數據老舊、缺失或不典型等問題，該研究團隊實地采集12 種農作物119 個樣品，實驗測定其折能系數，詳見表2。

表2 折能系數 MJ/kg

③能值產出率（EYR）。能值產出率是能值投入與購買性能值（不可更新的工業輔助能和可更新的有機能）之比，該指標表征系統對購買性能值的依賴程度。其值越小，系統對購買性能值依賴程度越高[40]。采用計算公式為：

EYR=I/(FN+FR) （4）

④環境負載率（ELR）。環境負載率為系統不可更新能值投入（包括不可更新的環境資源和不可更新的工業輔助能）與可更新能值投入（包括可更新的環境資源和可更新的有機能）之比，用于衡量種養業生產系統承受的環境壓力。其值越大，系統需要不可更新能值投入多，可更新能值投入少，所承受的環境壓力大。采用計算公式為：

ELR=(FN+N)/(R+FR) （5）

⑤可持續發展指數（ESI）。可持續發展指數用來衡量種養業生產系統的可持續發展水平[3]，由EYR 與ELR 相除計算獲得，該指標表征單位環境負載下的經濟效益[40]。其值越大，系統的能值產出越高，環境壓力越小。采用計算公式為：

ESI=EYR/ELR （6）

2.3 敏感性分析

敏感性分析作為不確定性分析的常用方法，主要用于探究參數變化對模型輸出結果的影響程度[41]。該研究將敏感性分析與能值分析方法相結合，旨在模擬探究能值投入參數變化對系統可持續發展水平的影響程度。為促進黑龍江墾區種養業可持續發展，以2018 年黑龍江墾區種養業生產系統的數據作為基礎，對系統能值投入進行敏感性分析。由于可更新的環境資源和不可更新的環境資源是自然環境帶來的能值投入，故暫且不考慮對其人工干預。因此，該研究對不可更新的工業輔助能和可更新的有機能進行敏感性分析，即通過增減不可更新的工業輔助能和可更新的有機能，模擬計算獲得黑龍江墾區種養業生產系統可持續發展指數。這樣可掌握不同條件下可持續發展指數的變化趨勢，為優化系統能值投入結構提出相關建議。

3 結果與分析

根據能值分析方法和敏感性分析方法，計算得到2009—2018 年黑龍江墾區種養業生產系統的能值投入、能值評價指標和敏感性分析結果。

3.1 能值分析

3.1.1 能值投入

2009—2018 年黑龍江墾區種養業生產系統的能值投入呈現“增長—平穩”的趨勢（圖2）。2009 年黑龍江墾區種養業生產系統的能值投入為10.13×1021sej，2009—2012 年值投入量快速增長，平均年增長率為4.62 %，至2012 年達到最高值11.60×1021sej；2012 年后能值投入量呈現平穩趨勢，至2018 年能值投入量為11.28×1021sej。在能值投入結構中，2012年不可更新的工業輔助能超過可更新的環境資源，約占能值投入的33.13%，為第一大來源；可更新的環境資源約占能值投入的31.07%，為第二大來源；可更新的有機能和不可更新的環境資源，分別約占能值投入的19.39 %和16.42 %。2018 年可更新的環境資源、不可更新的環境資源、不可更新的工業輔助能和可更新的有機能分別為3.66×1021、1.97×1021、3.80×1021和1.85×1021sej。

圖2 2009—2018年黑龍江墾區種養業生產系統能值投入

進而，對占比最大的不可更新的工業輔助能的變化趨勢和構成進行分析，2009—2018 年黑龍江墾區種養業生產系統的不可更新的工業輔助能同樣呈現“增長—平穩”的趨勢（圖3）。2009年不可更新的工業輔助能為2.95×1021sej，2009—2012年不可更新的工業輔助能快速增長，平均年增長率達到9.27%，至2012年達到最高值3.84×1021sej；2012年后，不可更新的工業輔助能變化趨于平穩，到2018 年不可更新的工業輔助能為3.80×1021sej。其中，柴油和氮肥分別為1.09×1021sej 和1.13×1021sej，均約占不可更新的工業輔助能的1/3，為其主要構成部分。

圖3 2009—2018年黑龍江墾區不可更新的工業輔助能

3.1.2 單位產值能值投入量（EPV）

2009—2018 年黑龍江墾區種養業生產系統的單位產值能值投入量呈現“下降—增長”趨勢（圖4）。2009 年單位產值能值投入量為1.81×1015sej/萬元，2009—2012 年后單位產值能值投入量呈現快速下降趨勢，平均年下降率為15.71%，2012 年達到最低值1.08×1015sej/萬元。2012 年后單位產值能值投入量波動增長，2018 年為1.47×1015sej/萬元。由此可見，近年來黑龍江墾區種養業生產系統的經濟效益有所下降。

圖4 2009—2018年黑龍江墾區種養業生產系統 單位產值能值投入量

3.1.3 種養業生產系統的能值轉化率（UEV*）

2009—2018 年黑龍江墾區種養業生產系統的能值轉化率呈現“波動”趨勢，變化范圍為3.04×104～3.58×104sej/J，其中，2018年能值轉化率為3.16×104sej/J（圖5）。這表明墾區種養業生產系統主產品的生產效率也處于“波動”狀態，主要由近年來其種植結構和養殖結構調整所導致。

圖5 2009—2018年黑龍江墾區種養業生產系統的能值轉化率

3.1.4 能值產出率（EYR）

2009—2018年黑龍江墾區種養業生產系統的能值產出率變化較為穩定，變化范圍為1.90～2.02，其中，2018年能值產出率則為2.00（圖6）。由此可見，黑龍江墾區種養業生產系統對購買性能值較為依賴。

圖6 2009—2018年黑龍江墾區種養業生產系統的能值產出率

3.1.5 環境負載率（ELR）

2009—2018 年黑龍江墾區種養業生產系統的環境負載率呈現“增長—平穩”的趨勢（圖7）。其中，2009 年環境負載率為0.81，2009—2015 年的環境負載率快速增高，平均年增長率為4.53%，主要源于墾區不可更新的工業輔助能投入的快速增高，至2018 為1.05。由此可見，近年來黑龍江墾區種養業生產系統的環境壓力有所增大。

圖7 2009—2018年黑龍江墾區種養業生產系統環境負載率

3.1.6 可持續發展指數（ESI）

2009—2018 年黑龍江墾區種養業生產系統的可持續發展指數呈現“下降—平穩”的趨勢（圖8）。其中，2009 年可持續發展指數為2.39，2009—2012年可持續發展指數快速下降，平均年下降率為6.61%，至2012年降至最低值1.94，而2012年后可持續發展指數變化趨于平穩，2018 年較2017年有所下降，為1.91。由此可見，黑龍江墾區種養業生產系統可持續發展水平處于歷史低位。

圖8 2009—2018年黑龍江墾區種養業生產系統可持續發展指數

環境負載率和可持續發展指數作為區域種養業生產系統可持續發展的最重要的兩個評價指標，與其他區域的評價值進行橫向對比分析，有助于了解該區域種養業生產系統可持續發展水平。因此，通過文獻收集，該研究歸納整理出近10年其他區域農業生產系統的環境負載率和可持續發展指數（表3）。將黑龍江墾區評價結果與28 個地區評價結果進行比較分析可知，黑龍江墾區種養業生產系統的可持續發展能力處于上游水平。其中，該指標優于黑龍江墾區的地區大多已經明確區域特色循環農業發展模式，注重種植業與養殖業之間物質循環。

表3 近10年其他區域評價

3.2 敏感性分析

該研究以2018 年黑龍江墾區種養業生產系統的數據作為基礎，模擬將不可更新的工業輔助能和可更新的有機能各增減20 %，根據能值投入計算方法（表2）和能值評價指標，計算獲得相應的可持續發展指數的變化趨勢（圖9）。從圖9可知，隨著不可更新的工業輔助能的增大，可持續發展指數下降；隨著可更新的有機能的增大，可持續發展指數上升。而與可更新的有機能相比，可持續發展指數的變化幅度更大。

圖9 不可更新的工業輔助能/可更新的有機能的敏感性分析

因此，從能值投入結構來說，如何調整不可更新的工業輔助能的投入，是促進黑龍江農墾種養業生產系統的可持續發展的重中之重。進一步對不可更新的工業輔助能投入結構進行分析可知，柴油和氮肥是不可更新的工業輔助能的主要構成部分。因此，調控柴油和氮肥的投入可作為一種系統優化策略。

4 結論與建議

4.1 結論

該研究通過對2009—2018 年黑龍江墾區種養業生產系統進行能值分析與敏感性分析，并評價該系統的可持續發展水平。得出以下結論。

（1）2009—2018 年黑龍江墾區種養業生產系統的能值投入呈現“增長—平穩”的趨勢。2018 年能值投入為11.28×1021sej，不可更新的工業輔助能和可更新的環境資源為能值投入的主要來源，占能值投入總量的64.20%。

（2）2018 年黑龍江墾區種養業生產系統單位產值能值投入量為1.47×1015sej/萬元，能值產出率為2.00，環境負載率為1.05，可持續發展指數為1.91。

（3）2009—2018 年黑龍江墾區種養業生產系統的經濟效益有所下降，較為依賴工業產品投入、環境壓力有所增大，可持續發展水平有所下降。但橫向對比于其他地區的評價結果，黑龍江農墾種養業生產系統可持續發展能力處于上游水平。

4.2 建議

根據可持續發展評價結果，黑龍江墾區種植業生產系統未來需降低對工業產品投入的依賴，增強可持續發展能力。就此，該文提出以下3點發展建議。

（1）優化氮肥投入量。氮肥作為主要投入工業產品之一，優化其投入量顯得至關重要。建議農場根據各自種植業發展需求，對各類減肥增效技術進行試驗與分析，優化出最佳配套方案，并與輪作制度、農作物生產全程機械化模式相融合，更進一步挖掘肥料減施潛力。

（2）建立機械化生產定位觀測站。調控柴油投入作為系統優化策略之一，而柴油的消耗主要來源于機械化生產。建議黑龍江墾區在各個管理局設立機械化生產定位觀測站，采集與分析機械化生產相關數據，包括單位面積油耗等參數。將觀測數據用于機械化生產模式的優化，科學降低柴油消耗量。

（3）明確區域特色循環農業發展模式。在宏觀政策方面，通過查閱黑龍江墾區的政策發布與文獻報道獲悉，黑龍江墾區現階段并未明確提出區域特色循環農業發展模式。建議黑龍江墾區結合自身種養業發展特點，開展系統性研究，制定科學合理的區域特色循環農業發展規劃，促進其可持續發展。