基于能值分析的國有農場環境績效評估

羅志紅 劉祚希

(沈陽航空航天大學能源與環境學院，遼寧 沈陽 110136)

引言

農場化農業是未來世界農業發展的趨勢，在提高農業機械化水平、推廣農業新技術、提高單位面積產量、降低成本、提升糧食質量、提高資源利用率等方面，農場化的發展起著重要作用。除此之外，農場化的發展擴大了耕地面積，釋放出巨大的勞動潛力，加快城市化的步伐。在當前農業可持續發展的大背景下，農場的農作物生產正逐步成為農業產業鏈中的一個有機組成部分[1]。然而，為了追求糧食總產量，在農業的生產過程中也產生了一系列環境問題，如農業機械、化肥、殺蟲劑的濫用，對農業生產產生負面影響，降低了農產品的品質，帶動整個產業鏈的資源消耗和污染物排放，從而導致地區的環境壓力過大，可持續性下降[2]。因此，建立適于我國農場體系的環境可持續評估方法和指標體系能夠為我國大型農場的可持續管理模式提供幫助。本文采用能值分析方法，以國有農場農作物生產系統為對象，包括糧食產量、棉花產量、油料作物產量、糖類產量、麻類產量、茶類產量和水果產量等，對我國2003—2018年國有農場的農作物生產系統進行可持續績效評價。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1 能值分析概念

1987年，Odum第1次向外界闡述了能值概念理論，之后Odum又進行了一系列調查研究并出版了世界上第1部能值專著《Environmental Accounting:EMERGY and Decision Making》，Odum將能值定義為某種流動或貯存的能量包含另一種流動或貯存的能量稱為該種能量的能值[3]。地球上的能量都直接或間接地來源于太陽能，所以實際應用中通常以太陽能值(SolarEmergy)來度量不同類型能量的能值。

1.1.2 系統能值流圖

將生態系統的生產者、消費者以及其他組分聯結在一起，描述整個生態系統的流動過程如圖1，圖中最大的矩形代表了國有農場農作物生產的系統邊界。陽光和地球循環是基本的可再生能源，是推動整個作物系統的初始能源。這些資源流動和其他投入，如柴油、灌溉水、農業機械、肥料和勞動力等，支持了農作物生態系統的生產運作。虛線代表了投資和購買勞動力資源的貨幣流動。

圖1 農場農作物生產系統邊界圖

1.1.3 能值分析數據計算

收集2003—2018年國有農場農作物生產系統的自然環境資源投入與消耗等各種數據，對系統中主要能量來源和輸出項目進行研究，然后對能值分析表中各類別資源能流量(原始數據)進行計算，用焦耳(J)來表示；每個參考(或功能)單元投入的太陽能類型的輸入能值量被命名為單位能值(Unit Emergy Value，UEV)；將各類別的能量轉換成共同的能值單位(solar emjoule)，簡寫為sej，評價其在系統中的貢獻和地位。在公式(1)中給出了相應UEV計算的能值流量[4]。

Em=∑fi×UEVii=1,…,n

(1)

式中，Em表示投入資源的太陽能值；fi表示物質或能量的輸入流；UEVi表示第i流的單位能值。

1.1.4 能值指標評價體系

Noise Intensity Determination in Urban Rail Transit Environmental Impact Assessment……………HAN Li(2·5)

在能值分析評價體系的作用下，以能量流、信息流、物質流、貨幣流等各種生態流統一能值為標準的衡量尺度上，對各個系統和子系統的結構、功能進行了分析，從而反映出資源的價值，反映了人類社會的發展。如公式(2)所示，投入的總能值(Total emergy used，U)是將可更新資源能值(Renewable resource emergy，R)、不可更新資源能值(Nonrenewable resource emergy，N)與購買能值(Purchased Resources，F)相加。以國有農場農作物生產系統為例，可更新能值包括太陽能、風能、雨水能以及地球旋轉能；不可更新能值包括表層土損耗；購買能值包括灌溉水、種子、勞動力、農業機械、柴油和化肥等。

U=R+N+F

(2)

利用可更新資源能值(R)、不可更新資源能值(N)、外購資源能值(F)與總能值(U)對國有農場農作物生態系統的可持續發展進行了分析，構建能值產出率(Emergy yield ratio，EYR)、環境負載率(Environmental loading ratio，ELR)、能值可持續指數(Emergy sustainable index，ESI)3個指標，對國有農場農作物生態系統的產量、環境負荷、可持續性以及經濟強度進行了評價(除西藏、香港、澳門和臺灣)。

1.1.4.1 能值產出率(EYR)

能值產出率是系統總能值與購買能值之比，這一指標是衡量系統產出對經濟貢獻的大小。能值產出率越高，表明農場農作物生產效率越高，經濟效益越好。用公式(3)來表示：

(3)

1.1.4.2 環境負載率(ELR)

環境負載率是不可再生能源與可再生能源之比，是衡量農作物生產對當地環境造成的壓力。環境負載率越大，表明農作物生產過程對環境的壓力越大。用公式(4)來表示：

(4)

可持續發展指數定義為能值產出率(ELR)與環境負載率(ESI)之比。這個指標衡量了生態和經濟2個方面。當ESI<1時，則該系統的可持續性較差；當ESI在1～10時，表明該系統是一個發展中的經濟體；當ESI>10時，表明該系統的可持續較好。用公式(5)來表示：

(5)

1.2 數據來源

此次研究采用的數據均來源于2004—2019年國家統計局所編制并發布的《中國農村統計年鑒》，降雨量數據來源于2003—2018年30省份的水資源公報，農業灌溉水使用量數據來源于《中國統計年鑒》。能值輸入流的UEV主要基于發表的研究和美國國家環境核算數據庫(National Environmental Accounting Database，NEAD)[5]。

2 結果與討論

2.1 能值產出率(EYR)

從圖2可以看出，2003年的國有農場的能值產出率是1.29，到了2018年，能值產出率已經下降到了1.24，年均下降率為0.23%。表明用于產生農作物產量的最大一部分能值是從系統外部投資來驅動這一過程的，系統更多地依賴于外購資源，而不是當地資源。從表1可以看出，2003—2018年，EYR的平均值是1.25，和其他國家相比，我國農場作物生產系統的EYR值比較高，給環境系統帶來了不小的壓力。

圖2 2003—2018年國有農場EYR、ELR和ESI分析結果

2.2 環境負載率(ELR)

根據圖2可知，2003年農場的環境負載率為4.4，到了2018年，增長到了5.12，年均增長速率為1.01%。從表1也可以看出，農場作物生產系統的環境負載率比其他國家高，也就是說，我國農業的發展已經對環境造成了中度影響。而在未來的農業發展中，此值勢必會呈現逐漸增長的趨勢，因此，要對國有農場重新進行評估，適當減少農場不可再生資源的投入，保證農場的功能不退化。

2.3 能值可持續指數(ESI)

從圖2可以看出，2003年國有農場的環境可持續性指數是0.29，到了2018年，已經下降到了0.24。從表1也可以看出，與其他國家相比，我國農場作物生產系統的可持續性較低，系統對經濟投入的依賴程度太大。

表1 國有農場作物系統與其他研究的比較

3 結論與建議

結果表明，從2003年開始，總能值的投入在逐年增加。截至2018年，外購資源的投入已經占到了最高比例，國有農場作物生產系統的EYR值逐年下降，ELR值逐年上升，因此ESI值逐年下降。這表明我國國有農場由傳統的農場模式轉變成了大型的機械農場模式，采用了更加先進的技術，如自動播種機、自動收割機等，提高了農作物生產效率，但與此同時，大量的生產也導致了一系列的環境問題。根據本研究得到的結論對國有農場農作物系統在未來的發展提出相應的政策建議。具體建議如下：提高化肥的使用效率，可以采用新的化學成分、準確的施用方法和更好的農業管理技術，各農場還可以實行種植養殖一體化模式，還可以推廣秸稈還田，推廣水肥綜合利用技術來提高化肥的利用率；發展農業循環經濟，如可以應用3R原則，以減少整體不可再生投入，將現有的農場發展模式轉變為生態循環農業模式，延長其可持續發展。