基于能值分析的種植業生產系統可持續發展水平評價
——以山東省鄆城縣為例

丁 豪，李宗新，張文君，錢 欣，樊慶琦，李升東*

（1.青島農業大學 農學院，山東 青島 266109；2.山東省農業科學院 作物研究所，山東 濟南 250100；3.山東省農業科學院 玉米研究所，山東 濟南 250100；4.山東省農業科學院 國資處，山東 濟南 250100）

農業是國民經濟的基礎，一個國家的農業發展水平在很大程度上決定著該國的經濟發展水平。其中，種植業以其較大的規模和較高的可操作性而成為整個農業的重要組成部分之一。但隨著科學技術的發展和社會的進步，人口、資源與環境的矛盾日益凸顯，嚴重威脅著種植業的可持續發展［1］。因此，如何有效評價一個國家或地區的種植業可持續發展水平，對于提高其農業綜合生產能力，保護資源環境，加快農業現代化等均具有重要意義［2］。由于種植業生產是自然因素與人為因素雙重作用的結果［3］，因而無法直接對其可持續性進行比較和評價。因此，本文采用能值分析法，將種植業生產過程中的各個投入與產出因素統一為太陽能值，而后進行比較和分析。隨著可持續發展概念的逐漸普及，能值分析法被用于分析與評價各個領域及系統的可持續能力，如方敏哲等［4］分析了內蒙古磴口縣2003—2015年土地生態經濟系統的可持續性情況；張永杰等［5］對2014年甘肅省定西市農田生態系統的環境資源條件、投入產出結構和可持續性進行了分析；錢欣等［6］研究了濱州市2019年種糧大戶冬小麥—夏玉米糧食生產系統的效率和可持續性；李洋等［7］分析了1999—2015年山東省種養系統可持續發展指數的空間格局及其演變趨勢；劉新茂等［8］分析了廣東省1993年種植業生態系統的可持續發展狀況；Zhuang等［9］分析了在本地化戰略條件下，中國三大主糧作物可持續能力的變化情況。綜合來看，多數研究聚焦于大尺度，對于整個縣域尺度的種植業可持續能力變化及其主要影響因素的研究較少。而縣域單位又是連接城市與農村的橋梁，是中央農業政策的具體執行者［10］，縣域地區種植業發展狀況的好壞在一定程度上關系著國家能否更好地調整產業結構和推進農業現代化，因此，對于縣域尺度的研究具有重要意義。基于此，本文選擇縣域級作為本研究的空間尺度，通過延長時間尺度來分析縣域級種植業的可持續能力變化情況，并嘗試分析其影響因素。

本文選取山東省菏澤市鄆城縣作為研究對象，以鄆城縣1978—2019年種植業的相關數據為基礎，采用能值分析法，計算其歷年來種植業投入與產出，并得出相關的可持續發展指數，同時分析其可持續發展指數的變化情況，以期為提高該地區的可持續發展能力以及探索其種植業高質量發展道路提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

鄆城縣位于山東省西南部，介于115°40′～116°08′E、35°19′～35°52′N之間，總面積為1643 km2。氣候上屬暖溫帶半濕潤季風氣候，降水集中，雨熱同季，年均氣溫12.3～14.4 ℃，年均降水量550.6～633.9 mm。全縣屬于黃河沖積平原，耕地面積113232.1 hm2，農作物播種面積為199656.8 hm2，常年種植小麥、玉米、蔬菜等農作物，糧食產量連續多年突破10億kg，是山東省的產糧大縣。

1.2 研究方法

能值分析法由美國著名生態學家Odum于20世紀80年代創立［11］，其理論依據在于：地球上的一切能量大都來自太陽［12］，根據特定的太陽能值轉換率，可將種植業生產系統中的不同物質以及能量統一轉換為太陽能值，單位為太陽能焦耳(Solar emjoules, sej)［13-24］。本文將鄆城縣種植業生產系統的各項投入與產出作為研究對象，運用相應的能值轉化率將種植業系統中的各項指標統一轉化為太陽能值，其中包括可更新的環境資源R(包括太陽能、風能、雨水勢能、雨水化學能等)、不可更新的環境資源N (包括表土損失能、灌溉水)、不可更新的工業輔助能FN(包括化肥、農藥、農膜、柴油、機械、電力等)、可更新的有機能FR(主要包括勞力、種子和還田的秸稈)、系統產出能值Y(包括各類作物的籽粒、果實和未還田秸稈)，由此確定的系統邊界如圖1所示［13］。為方便計算，暫不考慮資金對系統能值的影響作用。

圖1 鄆城縣種植業生產系統邊界

1.3 數據來源

本研究所采用的數據主要來自《鄆城統計年鑒(1978—2019)》《菏澤統計年鑒(1994—2020)》《山東統計年鑒(1978—2020)》，由于鄆城縣部分農作物秸稈直接還田，缺少記錄數據，故在本研究中，參考李書田等［25］的研究成果，確定不同作物的草谷比；參考畢于運等［26］的研究成果，通過利用不同作物的草谷比，計算出不同作物的秸稈產量。還田部分的秸稈屬于有機肥范疇，故將其能值歸為可更新有機能，未還田部分的秸稈歸類為系統產出能值。通過調查發現，鄆城縣主要秸稈還田農作物為小麥、玉米、稻谷、豆類、花生，平均秸稈還田率約為70%。此外，本研究采用的地球生物圈能值基準為最新值1.2×1025sej/a［27］，能量折算系數與能值轉換率參照李洋等［7,14,15,18,22］的研究成果。

1.4 鄆城縣種植業系統能值的評價指標

為更好地研究和分析鄆城縣種植業可持續發展水平及相關驅動因素，在參考相關文獻［9,14-15,23,28］的基礎上，建立了3項鄆城縣種植業系統能值評價指標，分別為凈能值產出率(EYR)、環境負載率(ELR)、能值可持續發展指數(ESI)，具體計算公式為：

式（1）～式（3）中，EYR為凈能值產出率，Y為能值總產出量，FN為不可更新工業輔助能值，FR為可更新有機能值，ELR為環境負載率，N為不可更新自然資源能值，R為可更新自然資源能值，ESI為能值可持續發展指數。

2 結果與分析

2.1 能值投入分析

從能值投入情況來看(圖2)：1978—2019年鄆城縣能值總投入整體呈波動式增長趨勢，1978年鄆城縣能值總投入為2.92×1020sej，增長到2019年的1.19×1021sej，總體增加了307.5%，年均增加7.5%。能值總投入由可更新環境資源、不可更新環境資源、不可更新工業輔助能和可更新有機能構成，1978年這4種能值的比例分別為22.9%、4.1%、34.9%、38.1%，至2019年這4種能值的比例則分別為4.9%、1.5%、58.5%、35.1%。1978年鄆城縣不可更新工業輔助能與可更新有機能投入分別為1.02×1020、1.11×1020sej，2019年不可更新工業輔助能增長到6.94×1020sej，增長率為580.4%，可更新有機能增長到4.16×1020sej，增長率為274.8%。

圖2 鄆城縣能值投入的變化趨勢

2.2 能值產出分析

從圖3中可以看出，1978—2019年鄆城縣能值產出呈波動式增長趨勢。2019年鄆城縣種植業生產系統總能值產出比1978年增加了1.76×1021sej，增長了435.5%。能值產出類型可大致分為糧食作物、油料作物、棉麻作物、蔬菜作物、水果作物產出五大類。從幾種作物產出能值的變化趨勢來看，糧食作物呈現先上升后下降再上升的趨勢，1978年糧食作物產出能值為3.20×1020sej，1999年上升到1.24×1021sej，而后逐年下降，2003年降至7.31×1020sej，2004年又開始逐漸上升，截至2019年鄆城縣糧食作物能值產出為1.87×1021sej。油料作物呈現先上升后下降的趨勢，1978年油料作物能值產出為1.17×1018sej，而后逐年上升，2001年達到最大值1.62×1020sej，而后逐年下降，到2019年，鄆城縣油料作物產出能值為3.77×1019sej。棉麻類作物則呈現波動式增長的趨勢，其中1983—1985、2002—2008年期間產出較高，1978—1981、1998—2000年期間產出較低，2019年鄆城縣棉麻作物產出能值為3.82×1019sej。蔬菜、水果類作物產出能值從1994年之后開始逐漸增加，1994年鄆城縣蔬菜作物與水果作物產出能值分別為1.61×1019和5.98×1019sej，2019年分別增加到1.33×1020、7.93×1019sej，增長率分別為726.1%和32.6%。

圖3 鄆城縣能值產出的變化趨勢

2.3 系統能值評價

2.3.1 環境負載率 環境負載率主要指可更新資源與不可更新資源之間的比值，其數值的大小代表著該地區種植業生產系統所承受環境壓力的大小。由圖4可看出，1978—2019年鄆城縣種植業生產系統的環境負載率整體呈現上升的趨勢，由1978年的0.64上漲到2019年的1.50，年均上漲3.28%；2004—2015年，環境負載率有所下降，2016年之后，環境負載率則逐年增加，說明隨著生產資料的投入，鄆城縣種植業生產系統的資源環境壓力正在逐漸增大。

圖4 1978—2019年鄆城縣環境負載率的變化趨勢

2.3.2 凈能值產出率 凈能值產出率主要指作物產出能值與不可更新工業輔助能、可更新有機能之和的比值，可用來衡量種植業生產系統的投入產出效率。由圖5可看出，1978—2019年期間，鄆城縣種植業生產系統的凈能值產出率整體上呈現下降的趨勢。其中，1983年的凈能值產出率較高，為5.45；2018年數值最低，為1.90。整體來看，2009—2019年，鄆城縣凈能值產出率較前幾年有所下降，說明在種植業生產過程中，存在生產資料不合理使用的現象。

圖5 1978—2019年鄆城縣凈能值產出率的變化趨勢

2.3.3 可持續發展指數 可持續發展指數為凈能值產出率與環境負載率的比值，可用來衡量該地區的種植業生產系統的可持續發展能力。一般來說，可持續發展指數在1～10之間，說明此地區種植業生產系統具有發展潛力；可持續發展指數在10以上，說明此地區種植業生產系統的自然資源利用不足；可持續發展指數小于1，說明此地區種植業生產系統的資源環境壓力較大［24］。

由圖6可看出，1978—2019年，鄆城縣種植業生產系統的可持續發展指數呈現先上升后下降的趨勢。其中，1978—1988年10 a間，鄆城縣種植業生產系統的可持續發展指數保持在較高水平，1984年達到極值9.81，其余年份的可持續發展指數基本保持在4.0以上。說明此階段，鄆城縣作物產出有所增加，但資源利用不足。1989—2002年期間，鄆城縣種植業生產系統的可持續發展指數呈現下降的趨勢，由1989年的6.77下降至2002年的最低值1.21，年均下降1.4036%。說明此階段，隨著種植業生產資料投入的增加，作物產量有所提升，但由于化石能源的過量使用，導致環境壓力逐漸增加，使得2002年鄆城縣種植業生產系統的可持續發展指數降至最低點。2003—2019年，受種植業結構調整、農業生產措施轉變等因素的影響，鄆城縣種植業生產系統的可持續發展指數有所回升，截至2019年，可持續發展指數為1.29。整體來看，鄆城縣種植業生產系統的可持續發展指數均在1.0以上，理論上具有發展潛力，但也應加以重視，在可持續發展指數接近1.0的警戒線時，應減少對資源的不合理使用，提高其環境承載能力，以保證鄆城縣種植業發展的可持續性。

圖6 1978—2019年鄆城縣可持續發展指數的變化趨勢

2.3.4 敏感性分析 為了更好地探究可持續發展指數對各能值投入的敏感性，在其他條件不變的情況下，分別將可更新環境資源、不可更新環境資源、不可更新工業輔助能、可更新有機能的其中之一增加或減少15%，觀察能值投入指標變化對可持續發展指數的影響程度。由圖7可知，在各能值投入指標中，可持續發展指數對不可更新工業輔助能的敏感程度最高，不可更新工業輔助能每增加15%，可持續發展指數平均下降約7%；其次是對可更新環境資源，而對不可更新環境資源的敏感程度最低，且可更新環境資源與可更新有機能的增加對可持續發展指數的影響是正向的，不可更新工業輔助能與不可更新環境資源的增加對可持續發展指數的影響是負向的。

圖7 可持續發展指數對各能值投入的敏感性分析

由于不可更新工業輔助能主要包含化肥、電力、機械、地膜、農藥、柴油等能值投入，其中化肥為氮、磷、鉀、復合肥投入能值總和。為具體探究各項投入對可持續發展指數的影響程度，每次只針對一項指標，分別上下調整5%、10%和15%，觀察其可持續發展指數的變化幅度，具體結果如圖8所示。由此可以看出，化肥投入對可持續發展指數的影響程度最高，其次為機械和電力投入。

圖8 不可更新工業輔助能敏感性分析

2.3.5 不同作物的可持續發展指數的比較 由于糧食作物大于經濟作物的播種面積，從而使得糧食作物的產出能值遠高于經濟作物。為更好地比較不同作物的可持續性，本文選用1 hm2面積上不同作物的投入與產出數據，通過進行能值換算，進而求出各個作物的可持續發展指數。由圖9可以看出，不同作物的可持續發展指數由大到小依次為大豆＞棉花＞花生＞玉米＞小麥＞水果＞稻谷＞蔬菜，環境負載率由大到小依次為水果＞蔬菜＞稻谷＞棉花＞小麥＞花生＞大豆＞玉米，凈能值產出率由大到小依次為棉花＞水果＞大豆＞小麥＞花生＞稻谷＞玉米＞蔬菜。

圖9 不同作物的環境負載率、凈能值產出率及可持續發展指數比較

3 結論

本研究以1978—2019年為時間尺度，利用能值分析法，通過計算分析鄆城縣種植業生產系統的能值投入與產出，得到如下結論：(1)1978—2019年鄆城縣種植業生產系統總投入能值增加了307.5%，總產出能值增加了435.5%；(2)1978—2019年鄆城縣種植業生產系統的環境負載率整體呈上升的趨勢，凈能值產出率整體呈下降的趨勢，可持續發展指數呈先上升后下降的趨勢，2002年之后的可持續發展指數波動穩定，整體在1以上，具有可持續發展潛力，但也應注意保護環境，提高資源利用率，防止可持續發展指數降至1以下；(3)在能值投入中，可持續發展指數對不可更新工業輔助能的敏感程度最高，其中化肥、機械、電力為主要的影響因素；(4)從單位面積可持續發展指數來看，大豆的可持續發展指數最高。

4 建議

4.1 減少化肥的不合理使用

本研究發現，化肥是對可持續發展指數影響最為顯著的1個因素，過量地施用化肥不僅不能提高作物產量，反而會對環境造成污染。結合相關試驗以及實地調研結果，可針對部分施肥較高的作物進行合理減肥。其中，小麥、玉米的氮肥投入較高，可在小麥、玉米周年輪作地塊減少氮肥施用量。以小麥、玉米周年輪作純氮施用量400 kg/hm2為對照，在此基礎上小麥、玉米分別減少氮肥15%，可顯著提高氮肥利用率。同時，針對蔬菜、水果等作物，可適當減少復合肥施用量，并增施有機肥，以此來提高鄆城縣的可持續發展指數，并保障其產品品質。

4.2 實行保護性耕作措施

推廣免耕、少耕、秸稈還田等保護性耕作措施，其優勢在于，可在一定程度上促進農業生產中水資源以及土壤資源的可持續利用。如免耕播種技術可將農作物秸稈進行粉碎并覆蓋在土地表面，以達到減少土地水分流失和減少耕作流程的目的［29］。

4.3 更新農機設備，減少農機作業流程

本研究發現，農機使用也是影響可持續發展指數的主要因素之一，這主要與農機作業過程中排放大量二氧化碳以及土壤粉塵有關。傳統農業生產過程繁瑣，包括收獲、秸稈粉碎、旋耕、播種、施肥、鎮壓等一系列農事操作流程，繁瑣的流程需要反復使用農機，由此降低了種植業的可持續發展水平。因此，可與農機公司合作，將整地、播種等流程融合到一臺農機上，一次性完成整地、播種、鎮壓等流程，從而大大提高農機的使用效率，進而提高農業的可持續發展水平。

4.4 加強農田基礎設施建設

本研究中，電力投入對鄆城縣種植業可持續發展指數的影響僅次于化肥和機械投入。調查發現，電力的投入主要是用于排水和灌溉。建議加強農田基礎設施建設，修建排水渠和灌溉水井，做到農田“旱能灌，澇能排”，推廣滴灌、滲灌等節水灌溉技術，在節省農業用電量的同時，還可以節約水資源的投入。

4.5 合理調整種植業結構

從單位面積上不同作物的可持續發展指數來看，大豆、花生、玉米等作物的可持續發展指數較高，因此可在部分地區推廣“玉米+大豆”間作、“玉米+花生”間作等種植模式，在增加大豆供給量的同時，提高鄆城縣種植業生產的可持續能力。