徐州耕地生態經濟系統結構、功能及可持續性能評價

金 丹，卞正富

（中國礦業大學國土資源研究所，江蘇 徐州 221008）

耕地生態系統作為自然環境系統和人類社會經濟系統共同構建的生態經濟復合系統，在人類生產活動的各部門中與自然資源環境的關系非常密切。因此，用系統的觀點全面地對耕地生態經濟系統進行可持續性評價，是合理利用和有效保護耕地資源的有效途徑。1993年聯合國糧農組織提出《持續土地利用評價綱要》，確定了土地可持續利用的5項評價標準，并初步建議在自然、經濟和社會等方面的評價指標［1］，成為世界各國開展土地可持續利用評價的指標和方法研究的綱領性文件。中國學者根據國情開展研究，建立了具體的評價指標體系和評價方法。謝俊奇［2］在提出可持續土地利用概念的基礎上，對可持續土地利用的社會、資源環境和經濟影響評價的程序及30個評價指標進行了研究。張鳳榮等［3］應用《持續土地利用評價綱要》的原理，構建了耕地持續利用管理評價指標體系的框架，即反映耕地生產力，生產穩定性、資源保護性、經濟可行性和社會接受性5大方面的指導。中國土地利用可持續指標的研究集中在土地合理利用、農業可持續發展、農業資源高效利用研究等方面［4］，并且已經認識到土地可持續評價的復合生態經濟系統特征，但在社會、經濟、環境等方面指標進行綜合評價仍存在局限性。因此對農業生態經濟系統的評價各有側重，要么側重于系統能量流研究，忽略不同類別不同能質的能量流對生態系統的作用和貢獻；或者側重于經濟效益，以經典經濟學首要評價指標——產出投入比表述農業經濟系統的效益，忽略自然環境資源對經濟活動的價值。這些方法往往把同一系統中的各種效益割裂開來，因此，需要一個共同的標準來衡量和表達環境資源與經濟活動的價值以及它們之間的關系。

能值理論和方法作為一種新的資源—經濟價值論和系統分析方法，被認為是連接生態學和經濟學的橋梁［5］。20世紀80年代，美國著名生態學家Odum提出“能值（emergy）”一詞，并逐漸發展成能值分析理論方法［6］。某種類別流動或貯存的能量所包含的另一種類別能量的數量，稱為該能量的能值，單位為太陽能焦耳（solar emjoules，sej）。相應地，單位某能量或物質所含能值量稱為該能量或物質的能值轉換率使用太陽能值轉換率（solar transformity），單位為太陽能焦耳/焦耳（或克），即sej/J或sej/g。能值理論和方法引入中國以后，被應用到具體農業生態系統能量流和能量分析中，得到很多有價值的結論［7-9］。徐州作為國家和江蘇省重要的農業生產基地，運用能值理論和方法對該地區耕地生態經濟系統進行能值評估，能夠綜合反映系統中資源環境與經濟活動的相互關系以及系統的運行狀況，能為地區合理開發保護耕地資源、確保糧食安全和社會穩定提供決策支持。

1 研究區概況

徐州位于江蘇省西北部，屬暖溫帶季風氣候區，總面積為11258hm2。2006年年末實有耕地59.62萬hm2，占土地總面積的52.96％。耕地資源利用充分，2006年復種指數達到170.28％，農作物總播種面積101.53萬hm2，其中糧食作物、經濟作物和其他作物播種面積為61.32萬hm2、11.11萬hm2和29.10萬hm2，分別占總播種面積的60.40％、10.94％和28.66％；有效灌溉面積為47.49萬hm2，耕地灌溉率為79.65％。土壤普查表明，徐州耕地土壤有機質含量為0.98％，且熟土層淺，土地結構差，其中中低產耕地約占全市耕地總面積的20％。隨著人口不斷增長和各類建設占用耕地，1990年至2006年，全市人均耕地面積從0.077hm2減少到0.064hm2，人均糧食占有量從496.33kg/人減少到382.85kg/人。生產中大量使用化肥、農藥及農用塑料薄膜，造成土地污染嚴重，耕地質量下降；再加上周邊非農建設用地生產的強烈影響，耕地生態環境問題日益突出。

2 研究方法和數據來源

根據能值理論和方法，以耕地生態經濟系統中能量投入和產出數據為基礎，將系統能值投入分為可更新環境資源、不可更新環境資源、不可更新工業輔助能及可更新有機能4類，系統能值產出為糧食作物、經濟作物及其他兩類，各類能值流包括一些具體的能值項目。通過能量折算系數和能值轉換率將系統中各種能量或物質項目轉換為能值，形成能值投入—產出評估表。在此基礎上計算能值流和建立能值指標體系，分析20世紀90年代以來徐州耕地生態經濟系統的結構、功能及可持續性能變化情況。

選取1990年、1995年、2000年、2003年和2006年5個時間點。能源和物資消耗、農作物產量原始數據主要來自對應年份的《徐州統計年鑒》［10］、《江蘇省農業經濟統計手冊》①農業統計.江蘇農業網.http://www.jsagri.gov.cn/function/indezb.asp，2008-09-25/2009-03-28.，并結合部分調查數據。能量折算系數及相關參數參考駱世明等［11］的研究數據，太陽能值轉換率參考Odum［6］、藍盛芳［8］和嚴茂超［12］等的研究成果。

3 徐州耕地生態經濟系統能值評估

3.1 徐州耕地生態經濟系統

隨著農業產業結構調整，徐州耕地生態經濟系統結構日趨復雜，由傳統的單一糧食種植向糧、棉、油等多糧食結構轉變。系統的生態過程形成維持人類賴以生存的自然環境條件與效用，直觀表現為農產品產量。實際上，耕地生態經濟系統有機物質生產的絕大部分成為維持系統功能持續的代謝基礎，維護著整個生命系統的穩定和平衡，因此具有普通生態系統的服務功能，比如太陽能的固定、氣候調節、水源涵養、水土保持、土壤肥力的更新和維持、營養物質的循環與貯存、CO2的固定和O2的釋放等［13］。因此，一定數量的耕地保有量不僅是一個國家和地區社會穩定的重要保障，更是維持生態系統的服務功能實現可持續發展的基礎。

3.2 徐州耕地生態經濟系統能值評估

鑒于版面有限，將原始數據折算、轉換計算過程略去。根據選取時間點的能值評估結果建立系統能值流和能值指標體系（表1）。

表1 徐州耕地生態經濟系統能值流及能值指標體系Tab.1 Energy flows and energy indexes of eco-econom ic system of cultivated land in Xuzhou

項目工業輔助能值/總能值有機輔助能值/總能值工業輔助能值/總輔助能值有機輔助能值/總輔助能值人均輔助能值量（sej/人）人均能值量（sej/人）能值密度（sej/m2）能值/貨幣比率系統生產優勢度系統穩定性指數系統可持續性能指數代號或表達式EmF/EmT EmR1/EmT EmF/EmU EmR1/EmU EmU/P EmT/P EmT/A EmT/GNP c s SEI 1990年6.64E-01 1.83E-01 7.84E-01 2.16E-01 2.75E+15 3.24E+15 1.19E+12 9.87E+12 5.96E-01 5.94E-01 1.54E-01 1995年7.00E-01 1.71E-01 8.04E-01 1.96E-01 2.98E+15 3.42E+15 1.21E+12 5.81E+12 5.39E-01 6.54E-01 1.40E-01 2000年7.64E-01 1.24E-01 8.60E-01 1.40E-01 4.04E+15 4.55E+15 1.54E+12 6.28E+12 5.20E-01 6.73E-01 1.03E-01 2003年7.84E-01 1.01E-01 8.86E-01 1.14E-01 5.11E+15 5.77E+15 1.66E+12 5.83E+12 5.13E-01 6.80E-01 6.72E-02 2006年8.10E-01 9.62E-02 8.94E-01 1.06E-01 5.92E+15 6.53E+15 1.74E+12 3.63E+12 5.00E-01 6.93E-01 7.04E-02

4 基于能值的耕地生態經濟系統結構、功能、可持續性能分析

4.1 系統能值投入—產出結構分析

4.1.1 能值投入結構

在徐州耕地生態經濟系統中，工業輔助能占有重要地位，投入比例在66.44％以上，研究期內呈明顯的增長趨勢；有機能的投入比例從1990年的18.32％下降為2006年的9.62％（圖1）。農機動力逐漸替代人力成為主要生產動力，化肥替代農家肥成為主要肥料。輔助能的總投入比例反映出徐州地區的精耕細作程度較高，工業輔助能的投入能力也反映了農村收入水平的高低。環境資源對生產的貢獻從15.23％減少到9.35％，說明耕地生態經濟系統的運行對環境資源的依賴性不大，其中土地有機質損失比例還不到總能值投入的2.00％，表明農作物的生長已不再依靠耕地的自然生產力，而主要依靠不斷增長的工業輔助能投入（圖2）。

圖1 耕地生態經濟系統能值投入結構Fig.1 Energy input structure of cultivated land eco-econom ic system

圖2 耕地生態經濟系統不同類型能值流投入動態Fig.2 Dynamic input of various types of energy of cultivated land eco-econom ic system

4.1.2能值產出結構

1990—1995年，糧食作物的產出比例下降幅度為11.14％，1995—2000年為37.32％，而對應的經濟作物產出比例上漲幅度分別為28.53％和66.08％（圖3）。說明農村改革進程中，經濟作物對農村經濟收入和城鄉人民生活的重要性越來越受到重視。

目前，衡量種植業結構調整程度的“糧經比”常用面積比或產量比表示，有時用產值比表示，沒有統一。而糧食作物和經濟作物的能值產出比，可以消除各地耕地地力、產品質量差異和價格變動的影響，便于進行地區間和地區內部年度間的比較。因此，基于能值的“糧經比”能更科學和真實地衡量產業結構調整程度，糧食作物和經濟作物的貨幣價值則能更好地體現結構調整帶來的經濟效益。2006年徐州地區基于能值的“糧經比”已由1990年的72∶28調整為48∶52（圖3）。圖4顯示了研究期內糧食作物和經濟作物的能值產出量動態變化情況。

實驗室文化建設不僅對實驗人員具有激勵和引導作用，而且在培養學生嚴謹求實的科學態度，過硬的實驗操作技能，良好的科研素質及勇于探索知識的精神方面具有不可替代的作用，其內涵包括人文文化(精神文化)建設、環境文化建設和制度文化建設。

圖3 耕地生態經濟系統能值產出結構Fig.3 Energy output structure of cultivated land eco-economic system

圖4 耕地生態經濟系統能值產出動態Fig.4 Dynamic energy output of cultivated land eco-economic system

4.2 能值指標分析

4.2.1 凈能值產出率

凈能值產出率（EYR）為系統產出能值與經濟反饋（投入）能值之比，用來評價基本資源利用效率，也可以說明產業生產活動的競爭力。從圖5可以看出，2000年之前的凈能值產出率大于1，表明系統的整體功能較好，投入的能值轉化率高。1995年之后開始下滑，說明在等量的投入下，系統的能值產出減少，產品競爭力減弱，直到2003年開始好轉。2000年之后凈能值產出率小于1，說明生產成本較高，生產者收益較小。

圖5 耕地生態經濟系統凈能值產出率Fig.5 Net energy output ratio of cultivated land eco-economic system

圖6 耕地生態經濟系統環境負載率Fig.6 Environmental load ratio of cultivated land eco-economic system

4.2.2 環境負載率

基于能值的環境負載率（ELR）是投入的輔助能值與不可更新環境資源的能值之和與無需付費的可更新環境資源能值之比。較大的環境負載率表明系統對可更新環境資源的利用率較高，也是系統能值利用較強的體現。1990年以來，環境負載率幾乎呈直線上升趨勢（圖6），生態環境承受的壓力越來越大。環境負載率提供了一種生態預警功能，一旦能值使用強度超出系統所能承受的閾值，系統的自組織能力便趨于減弱，生態系統將產生不可逆轉的功能退化。

4.2.3 系統生產優勢度

借鑒生物群落結構分析中的優勢度指標，復合系統生產優勢度的計算公式為［14］：

式1中，EmYi表示系統中第i個子系統的能值產出；EmY表示系統能值總產出。系統生產優勢度反映結構總體的生產單元均衡性，較高的優勢度值說明一個或少數幾個生產單元占主導地位；反之說明系統結構趨于平衡、合理。

圖7 耕地生態經濟系統的系統優勢度Fig.7 Dominance of cultivated land eco-economic system

圖8 耕地生態經濟系統的系統穩定性Fig.8 Stability of cultivated land eco-economic system

4.2.4 系統穩定性指數

復合系統的穩定性指數計算公式為［15］：

式2中，各字母含義與式1相同。系統穩定性指數高說明系統的各種能值流連接網絡發達，系統的自控、調節、反饋作用強，具有更大的自穩定性。

1990年以來，系統的穩定性指數持續上升（圖8）。對比圖7可以發現，系統中各結構單元不斷平衡時，系統的穩定性指數也在上升，并隨著結構的平衡趨于穩定。表明生態系統的多樣性與穩定性呈正相關，適度發展經濟作物對于增強耕地生態經濟系統的自穩定性具有促進作用。

4.2.5 能值/貨幣比率

能值/貨幣比率（EDR）為系統能值總投入與當年耕地生態經濟系統總產值的比率，此處借用GNP表示產值（見表1）。隨著地區經濟發展，各種輔助能的投入對耕地生態經濟系統的貢獻越來越大，能值/貨幣比率呈逐年下降趨勢（圖9）。能值流量相當的經濟價值稱為能值—貨幣價值（Em＄），等于該項能值流量除以當年能值/貨幣比率，通過能值—貨幣價值可以從宏觀上了解該項資源對經濟的貢獻。

4.2.6 系統可持續性能指數

基于能值的系統可持續性能指數（SEI）為系統凈能值產出率與環境負載率之比［16］。可持續發展的要義是社會經濟發展和生態環境持續，對于耕地利用而言，即要求系統的能值產出率高，而環境負載率低。該指數從社會、經濟、生態3方面綜合評價耕地可持續性能狀況。美國生態學家Brown等人通過實證研究確定：0＜SEI＜1時，系統有活力，具有較強的可持續性；SEI＞10時，系統對資源的利用不夠，是社會經濟不發達的象征；SEI＜1時，屬于環境負載率較高的消費型生態經濟系統［16］。在評價時間點上，徐州耕地生態經濟系統可持續性能指數遠小于1（最高為0.154，表1），表明系統可持續性能很弱，且下降趨勢明顯，目前有上升跡象（圖10）。

圖9 耕地生態經濟系統能值貨幣比率Fig.9 Energy currency ratio of cultivated land eco-economic system

圖10 耕地生態經濟系統可持續性指數Fig.10 Energy sustainable indices of cultivated land eco-economic system

5 結論

（1）提出基于能值的“糧經比”分析耕地生態經濟系統的能值產出結構。作為全國主要商品糧基地之一，徐州要高度重視糧食生產和糧食安全體系的構建，在穩定糧食產量前提下，適度控制經濟作物增長幅度。

（2）徐州耕地生態經濟系統的生產成本較高，在同等條件下，農產品在市場上不具備較強的競爭力，其能值產出不能作為地區的主要能值來源。直線上升的環境負載率表明系統承受的生態壓力越來越大。

（3）徐州耕地生態經濟系統的糧食作物和經濟作物能值產出結構現趨于平衡，系統具有比較好的自穩定性。

（4）高強度的能值利用保證了一定的能值產出，同時給原本薄弱的耕地基礎地力造成負擔。長期重用輕養的生產方式導致徐州耕地生態經濟系統的可持續性能很弱，且呈下降趨勢，但目前有好轉跡象。

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