山東丘陵區合作社小麥、玉米生產系統能值評價研究

張悅，劉元義，楊書搏，陶麗歡，李新澳，宋昕烔

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院, 山東 淄博 255049)

20世紀80年代，生態學家Odum初創能值分析[1]，將研究對象所在的系統中不能量化的能量進行量化，將太陽能值轉換率作為統一的轉換率，構建能夠反映系統結構的指標評價體系對系統進行科學全面的分析。林曉霞[2]以鄱陽湖區為研究對象，基于能值分析理論與現存傳統耕地生態安全指標體系，利用AHP層次分析法確定指標權重進行綜合評價；王金照[3]基于能值分析法，以山西省麥米等為研究對象進行對比研究，得出此區域符合低碳的可持續經濟發展模式的結論；李濤等[4]采用能值分析法對綠色會計信息披露，解決信息難以計量和披露問題；易軍[5]以高新區為研究對象，提出基于能值分析生態經濟評價指標體系，從不同角度反映不同績效并提出了總體可持續發展指標；張勇等[6]以許疃煤礦區為研究對象，構建能值指標體系和計算模型并給予分析和評價；龐雪倩[7]利用包括能值分析法的多種方法構建拓展模型，利用此模型測算草原生態外溢價值確定補獎標準，為分配補獎資金提供一定依據；張大瑜[8]以吉林省糧食生產系統為研究對象，利用能值分析法對生產系統中的三種作物分別進行分析，并建立與糧食相關的分析模型以實證輔助研究；董珊珊等[9]采用能值分析法，構建能值指標評價體系對以沼氣工程為紐帶的農業產業園循環模式進行評價；田宜水等[10]構建農業園區循環經濟系統能值評價指標體系，以某農業科技園區為實際案例進行評價；朱冰瑩等[11]以現代“秸稈-羊-田”為研究對象，采用能值分析法對其循環系統的生產效率、可持續性進行評價；趙俊銳等[12]基于能值分析法，以山東淄博某土地整理項目為研究對象，對開發整理后的土地進行效益評價，此研究有利于促進其可持續發展取得明顯的經濟、社會效益；王曉青等[13]通過構建綜合效益評價指標和綜合評價模型，對黃淮海高標準農田抽樣項目區進行研究，為科學運作和規劃提供了參考依據；卓拉等[14]采用水足跡和能值分析法針對黃河流域糧食生產系統構建水資源能值評價指標體系，該研究為黃河流域沿線農業生產系統水資源效率和優化配置提供參考。

綜上所述，我國眾多學者對能值理論進行多方面研究，針對不同研究對象運用能值分析等方法進行計算分析與評價，但針對山東丘陵區合作社的小麥、玉米生產系統的能值分析評價體系不夠全面，采用多種方法進行評價的較少。本文采用能值分析法與AHP層次分析法，以實地合作社為案例為山東省丘陵區作物生產系統評價提供一定參考。

1 調研數據與研究方法

1.1 調研背景概況

1.1.1 自然條件

山東處于溫帶季風區大陸性氣候區，年平均氣溫為16.3 ℃，年平均降水量1 131.2 mm，年平均日照總時長為3 336.15 h，此地區降水充沛、光照充足，為農作物的種植提供了良好的條件。按照小麥玉米周年種植生產活動及地形條件來劃分，山東可以劃分為平原黃灌區、平原井灌區、丘陵山區[15]3個周年種植區域，山東魯中以南多為山地丘陵區，東部半島多為波狀丘陵區。

1.1.2 經濟特征及農業發展

根據2021年山東統計年鑒，2020年山東省農用地為1 145.958 6 萬hm2，其第一產業增加總值為5 363.76萬元，比2019年增長102.7%，全省各地市都呈增長趨勢，農作物耕種收綜合機械化率達到89.7%，主要農作物良種覆蓋率達到100%，農業新型經營主體規模逐步擴大[16]；2020年山東省小麥、玉米常年播種面積為393.443萬hm2、384.647萬hm2，小麥、玉米總產量分別為2 568.854萬t、2 595.401萬t，小麥、玉米單產為6 529 kg/hm2、6 705 kg/hm2，其總產量、單產有上升趨勢，農用機械保有量有上升趨勢。

1.2 能值分析法的基本步驟

能值理論通過能值轉換率將研究的不同類型和不能直接比較的能量流轉化為同類型輸入、輸出能值進行比較，是比較重要的評價生態系統可持續性關鍵性方法之一[17-18]。本文以小麥、玉米生產系統為研究對象，將自然生態環境系統與人類經濟系統結合起來進行定量分析，建立能值指標體系進行綜合性評價。能值分析法的一般步驟如下：

1)確定系統邊界、資料收集。首先明確系統評價的邊界，選用具體農業生產系統作為研究對象，通過文獻檢索、走訪調研、收集原始數據，通過原始數據梳理出輸出與輸入能量流(能流、實物流、貨幣流)，為建立能值清單和后續指標計算與分析奠定基礎。

2)采用繪圖工具，利用“系統語言符號”繪制系統組成部分。能值圖能直觀表達不同能流的流動方向、從而明確各部分之間的相互影響關系。通過對山東丘陵區調研合作社小麥、玉米生產系統進行梳理，繪制的丘陵區小麥、玉米生產系統能值圖如圖1所示。

圖1 丘陵區小麥、玉米生產系統能值圖

3)制定能值表格，列出主要研究的資源類型并找到相應的能值轉換率進行轉換計算。能值分析表包括可更新資源與社會經濟系統資源。社會經濟系統資源又稱社會經濟系統反饋能，是購買性可更新資源與購買性不可更新資源之和，其中，購買性可更新資源主要包括農用機械、農藥、柴油等，購買性不可更新資源主要包括農家肥、氮磷鉀肥、復合肥、種子、勞動力等。

4)制定指標體系，優化制定原則。采用4個能值指標(見表1)，計算分析小麥、玉米生產系統可持續性的優劣[16]。

表1 主要能值指標描述及表達式

1.3 評價指標體系構建

1.3.1 評價原則

采用AHP層次分析法，按照指標層、中間層、方案層制定三級指標，以循環農業“3R”原則為參考將三者與可持續性理念相結合，制定的能值指標分類圖如圖2所示[18]。

圖2 YAHP構建能值指標分類圖

1.3.2 數據來源

本文以2021年山東省統計年鑒中威海市、淄博市、臨沂市的數據及實地調研數據為基準，采用的各種核算方法、評價指標的能值轉換率來自藍盛芳等[20]、董佳[21]研究成果。以山東丘陵區典型8家農業合作社為調研對象，對小麥、玉米耕、種、管、收方面的投入進行分析和計算，結果見表2。

表2 山東省丘陵區農業合作社小麥、玉米種植綜合能值表

1.3.3 指標確定及分值設定

參照孫任潔[22]、曹建如[23]、鄭秀戀等[24]文獻，采用AHP層次分析法對指標權重進行計算，利用YAHP軟件，通過兩兩比較下層因素對上層因素的相對重要性、構造判斷矩陣、計算特征值λmax，通過計算一致性指標、一致性比例、一致性比率等步驟，得出二級指標和三級指標權重，按照百分制原則將指標量化賦予相應分值，并制定評分標準。采用德爾菲法與AHP層次分析法進行分值設定，一級指標為能值生態指標，滿分值為100分；二級指標為循環-減量化指標和環境可持續性指標，權重分別為0.333 3和0.666 7，滿分值分別為33分和67分；三級指標的權重、評分標準、評分標準設定見表3。

表3 能值生態三級指標評價權重及分值設定

2 綜合分析

2.1 能值投入結構分析

威海市全年能值總投入為6.70×1014sej，可更新資源2.68×1014sej，不可更新工業輔助能4.02×1014sej，可更新的有機能7.11×1012sej；淄博市全年能值總投入為4.34×1014sej，可更新資源1.68×1014sej，不可更新工業輔助能2.01×1014sej，可更新的有機能4.73×1012sej；臨沂市全年能值總投入為8.01×1014sej，可更新資源2.16×1014sej，不可更新工業輔助能2.52×1014sej，可更新的有機能4.12×1012sej。其中，威海市的不可更新工業輔助能占比最大為60%，臨沂市的不可更新工業輔助能占比最大為53%，淄博市的不可更新工業輔助能占比最大為46%。

山東丘陵區合作社小麥、玉米生產系統全年能值總投入為1.52×1015sej，可更新資源6.51×1014sej，不可更新工業輔助能8.54×1014sej，可更新的有機能1.60×1013sej，占比分別為43%、56%、0.1%。在可更新資源中，占比最大的為風能和雨水資源，表明種植面積受當地氣候影響較大；不可更新工業輔助能占比最大的是化肥(氮、磷、鉀)，可更新的有機能中人力和種子是不可缺少的投入，表明系統對化肥、人力機械等有較強的依賴。

2.2 能值指標實例驗證分析

調研合作社綜合得分見表4。根據表4綜合得分情況由高到低依次為威海、淄博、臨沂，其得分受能值產出率EYR、環境負載率ELR、可持續性指標ESI、能值轉換率UEV影響，且受可持續性指標得分影響較大，參考曾巧云等[27]、鐘穎等[28]文獻中4個指標的評價方法，對調研地合作社評價指標進行分析。

表4 調研合作社綜合得分表

1)能值產出率EYR值。山東丘陵區合作社小麥、玉米生產系統EYR值為2.22，其中威海、淄博、臨沂三地合作社EYR值由低到高排序為威海市1.60、淄博市1.92、臨沂市3.37，其中威海、淄博合作社的EYR值小于2000年中國農業系統EYR值2.08，表明同等條件下該地區糧食生產系統的能值利用率較低。

2)環境負載率ELR值。山東省丘陵山區典型合作社ELR值為1.34，威海市合作社ELR值為1.50，淄博市合作社ELR值為1.08，臨沂市合作社ELR值為1.16，三者環境負載率的值都較小，說明該地區生產系統對環境造成較小的壓力。但1990年日本環境負載率ELR值為14.49，2000年中國農業系統的ELR值為2.72，表明該地區的科技、機械化水平有待提高。

3)可持續性指標ESI。山東省丘陵山區典型合作社ESI值為1.66，其中威海市合作社ESI值為1.06，淄博市合作社ESI值為1.78，臨沂市合作社ESI值為2.91，該系統ESI值介于1～10之間，表明該地區的可持續發展能力有很大發展空間。

4)系統的能值轉換率UEV。山東省丘陵區調研合作社生態系統能值轉換率UEV為2.20，臨沂市系統能值轉換率UEV為4.18、淄博市系統能值轉換率UEV為1.73、威海市系統能值轉換率UEV為1.0，調研的臨沂區域合作社系統單位所產出的產品能值轉換率較高。

3 結論及建議

本文以山東丘陵區農業合作社小麥、玉米生產系統為研究對象，利用文獻檢索和實地調研方法計算分析的所得數據，采用AHP層次分析法和能值分析法構建了能值指標評價體系，并以實地調研合作社為案例進行了驗證并進行評價。結果表明：

(1)山東丘陵區合作社小麥、玉米生產系統全年能值總投入為1.52×1015sej，可更新資源為6.51×1014sej，不可更新工業輔助能為8.54×1014sej，可更新的有機能為1.60×1013sej。其中，威海、淄博、臨沂調研合作社的不可更新工業輔助能中肥藥占比較大，表明系統對化肥、人力機械等有較強的依賴，農業機械投入占比較少，但機械化程度仍有較大的提升空間。

(2)通過綜合得分能直觀看出調研合作社綜合得分由高到低排列依次是威海、淄博、臨沂，其可持續性指標ESI、能值轉換率UEV是主要影響因素，其ESI值介于1～10之間，對周圍環境造成較小壓力，有較強的可持續發展能力。綜上，對威海、淄博、臨沂調研合作社現階段的生產系統結構投入及依賴程度、環境的壓力、可持續發展性等進行的研究有一定參考價值，采用非單一性評價方法，有利于進一步完善現存的丘陵區評價體系。

分析表明，合作社生產系統對化肥、人力機械等有較強的依賴，其中不可更新工業輔助能中肥藥占比較大，因此可在種植環節中優化關鍵技術，充分發揮合作社帶動優勢，通過典型合作社成熟種植技術模式推廣帶動周邊農戶發展，優化種植模式，向更加高效和可持續方向轉型。丘陵區存在租賃機械作業成本較高、機具成本較高、配套難、技術力量相對匱乏等問題，未來應大力推廣研發適合丘陵區“小型化、輕量化、復合式”的小型機械。山東丘陵區合作社生態系統能維持自身生態健康，在保障社會經濟發展方面發揮重要作用，有利于推動當地農業的發展。