基于能值分析的縣域耕地利用效益比較研究

錢玉皓,聶艷，羅毅

(華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430079)

耕地是指用來種植農(nóng)作物的土地,是一種珍貴、稀缺的自然資源,是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ).隨著我國改革開放以來城市化速度的加快,大量的耕地被用于城鄉(xiāng)建設(shè),使得我國的人地矛盾日益突出,成為了制約我國社會經(jīng)濟和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的重要因素.目前,我國耕地的特征可概括為“一多三少”,即耕地總量多,人均耕地少、高質(zhì)量的耕地少、耕地后備資源少.而目前我國可供開發(fā)的后備土地資源已極為有限.因此,評價耕地利用效益,實現(xiàn)土地的集約利用對于當前我國社會經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的意義.能值分析理論以能值為基準,將生態(tài)系統(tǒng)或生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中不同種類、不可比較的能量轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一標準,定量分析系統(tǒng)的真實效應(yīng)和結(jié)構(gòu)特征[1-2],它可以綜合評價耕地利用的經(jīng)濟—生態(tài)—社會效益.該理論于20世紀90年代由藍盛芳引進到中國,此后被廣泛運用于對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的分析[3-4],國家和地區(qū)資源環(huán)境、經(jīng)濟、社會發(fā)展[5-7],自然資源的評估利用[8]等方面.相關(guān)學(xué)者還與國內(nèi)外同行合作對能值理論與方法進行了研究[2].湖北省地處中國中部,有良好的經(jīng)濟區(qū)位優(yōu)勢,隨著湖北省城鎮(zhèn)化、工業(yè)化速度的加快,資源利用規(guī)模不斷擴大,給生態(tài)環(huán)境帶來了巨大壓力,為了科學(xué)衡量湖北省不同類型城市耕地利用經(jīng)濟—生態(tài)—社會效益,本文中引入能值分析法,選取湖北省資源型城市潛江、輕工業(yè)型城市仙桃、生態(tài)旅游型城市鶴峰3種不同類型的縣市,定量測算2010年各區(qū)域范圍內(nèi)能值投入、產(chǎn)出狀況,對其耕地利用效益進行評價和分析,為湖北省耕地高效持續(xù)發(fā)展提供參考.

1 研究區(qū)概況

湖北省地處我國中部、長江中游、洞庭湖之北(北緯29°05′～33°20′,東經(jīng)108°21′～116°07′),總面積18.59×104km2,占全國總面積的1.94%,東西長約740 km,南北寬約470 km.該區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,光照充足,熱量豐富,是著名的“魚米之鄉(xiāng)”,其中的江漢平原是我國重要的糧食生產(chǎn)基地之一.地貌類型多樣,山地、丘陵、平原、崗地和兼?zhèn)涑嗜娓咂稹⒅虚g低平、向南敞開、北有缺口的不完整盆地.現(xiàn)轄12個省轄市、1個自治州、1個林區(qū)和3個省管市,2009年底戶籍人口為6 142萬人.

潛江,地處湖北省中南部,江漢平原腹地,位于東經(jīng) 112°29′至113°01′,北緯30°04′至30°39′.潛江市位于江漢平原腹地,境內(nèi)有全國十大油田之一的江漢油田和由16個國有農(nóng)場組成的農(nóng)場群.境內(nèi)地勢平坦,地面高程在26 m至31 m之間,雨量充沛,氣候宜人,是中部地區(qū)重要的農(nóng)副產(chǎn)品生產(chǎn)加工基地、原材料生產(chǎn)基地、東部產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的承載地.2009年被確定為資源枯竭城市轉(zhuǎn)型試點名單.

仙桃市緊挨潛江,屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,雨量充沛,陽光充足,無霜期長.區(qū)內(nèi)地勢平坦,江河環(huán)繞,湖泊星羅棋布.仙桃距武漢80 km,是武漢都市圈的重要組成部分,具有食品加工、機械電子、醫(yī)藥化工、無紡布衛(wèi)材、紡織服裝等五大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),是湖北省重要的輕工業(yè)城市.區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)耕作條件也比較優(yōu)越,具有豐富的農(nóng)副產(chǎn)品資源.

位于湖北西南部的鶴峰縣地處武陵山脈腹地,隸屬于恩施土家族自治州.境內(nèi)地形西北高、東南低,山岳連綿,溝壑縱橫,多山間小盆地.平均海拔1 147 m,地表平均切割深784 m,地表坡度平均24.1°,其中小于5°的平地不到1.5×104hm2.區(qū)內(nèi)資源豐富,水資源、磷礦蘊藏量豐富,森林覆蓋率87%以上.目前鶴峰縣特色農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速,并致力于生態(tài)旅游城市的建設(shè).

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源數(shù)據(jù)主要包含自然資源、相關(guān)工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的投入、產(chǎn)出等,數(shù)據(jù)主要來源于2010年湖北統(tǒng)計年鑒、2010年湖北省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒、2010年湖北省水資源發(fā)展公報以及相關(guān)研究數(shù)據(jù)和成果.

2.2 研究方法

圖1 區(qū)域耕地利用生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值系統(tǒng)圖

2.2.1 能值研究法 能值研究理論和方法是美國著名的生態(tài)學(xué)家、系統(tǒng)能量分析先驅(qū)H.T.Odum為首于20世紀80年代創(chuàng)立的.Odum將能值定義為一流動或存儲的能量所包含的另一種類別能量的數(shù)量,其單位為太陽能焦耳(sej)[1].單位物質(zhì)所含有的太陽能值量被稱作太陽能值轉(zhuǎn)換率(sej/J或sej/g),太陽能值轉(zhuǎn)換率越大,表明單位物質(zhì)所含能量越高[2].通過對不同量綱的物質(zhì)的太陽能值總量的折算,從而實現(xiàn)其之間能質(zhì)與利用效率的比較.本文中研究區(qū)不同類型物質(zhì)能值的流動如圖1所示.

2.2.2 耕地利用效益 耕地利用效益是指在耕地利用過程中所產(chǎn)生的經(jīng)濟、社會、生態(tài)效益.其中,耕地利用的經(jīng)濟效益可用耕地利用所產(chǎn)生的投入和產(chǎn)出比加以比較,它是人類利用土地所追求的最直接、最客觀的結(jié)果,可用耕地糧食產(chǎn)量加以衡量;耕地利用具有外部性,耕地利用的生態(tài)效益是人類對耕地長期作用的結(jié)果,一般用來反映耕地利用對生態(tài)系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響,可用耕地利用的正效應(yīng)和負效應(yīng)加以衡量;人類在耕地利用過程中所產(chǎn)生的實現(xiàn)社會發(fā)展的目標的影響結(jié)果被稱為耕地利用的社會效益,主要體現(xiàn)在耕地利用對國民糧食需求的滿足程度、糧食安全度、提高農(nóng)民收入、轉(zhuǎn)移剩余勞動力等方面.以上3種效益是耕地利用最基本也是最常見的效益,三者分別采用不同的標準加以衡量,屬不同的量綱.而在Odum能值理論的指導(dǎo)下,可以實現(xiàn)三者在量綱上的統(tǒng)一,從而可對耕地利用的綜合效益進行評價和分析.

2.2.3 能值指標體系的構(gòu)建 通過系統(tǒng)能值分析得出的一系列能值指標,可把復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)中的各種生態(tài)流在能值尺度上統(tǒng)一起來,定量分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,認識自然環(huán)境生產(chǎn)的價值及其與社會經(jīng)濟的關(guān)系.本文中基于耕地生態(tài)系統(tǒng),從經(jīng)濟、生態(tài)、社會3方面入手研究,建立并計算反應(yīng)耕地生態(tài)與農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)濟效益的能值指標體系,從而分析3個研究區(qū)耕地生態(tài)經(jīng)濟界面,評價自然資源對耕地生態(tài)系統(tǒng)的貢獻和耕地生態(tài)系統(tǒng)對自然環(huán)境的作用，相關(guān)指標及含義見表1.

表1 耕地利用效益評價能值指標體系

注:EmR—可更新環(huán)境能值;EmN—不可更新環(huán)境能值;EmF—工業(yè)輔助能值;EmT—有機輔助能值;EmO—農(nóng)產(chǎn)品能值產(chǎn)出量;EmU—能值投入總量;EmY—能值產(chǎn)出總量;P—人口數(shù),單位:人;S—耕地面積,單位:hm2.

3 結(jié)果分析與討論

3.1能值計算以收集的數(shù)據(jù)和確定的指標體系為基礎(chǔ),參考陳阜《農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)》中有關(guān)的熱能系數(shù)[9],將相關(guān)工農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的投入產(chǎn)出轉(zhuǎn)化為能量值.依據(jù)Odum提出的能值計算公式,將自然資源的能值折算出來,相關(guān)計算公式如下:①太陽能=耕地面積(m2)×太陽光平均輻射量(J/ m2·a);②風(fēng)能(J/a)=年有效風(fēng)能(J/m2·a)×耕地面積(m2);③雨水勢能(J/a)=耕地面積(m2)×密度(106/m3)×平均降水量(m/a)×重力加速度(9.8 m/s2);④地球循環(huán)能(J/a)=耕地面積(m2)×熱通量(J/ m2·a),地質(zhì)穩(wěn)定地區(qū)典型熱通量=1×106J/ m2·a[10];⑤雨水化學(xué)能(J/a)=耕地面積(m2)×年降水量(m/a)×密度(106/m3)×降水量的吉布斯自由能(4.49 J/g);⑥農(nóng)業(yè)灌溉用水能(J/a)=年農(nóng)田灌溉用水量(g/a)×河水吉布斯自由能(4.77 J/g)[5];⑦表層土損耗能(J/a)=耕地面積(m2)×表土侵蝕速率(g/m2·a)—植被演替面積(m2)×表土層形成速率(g/m2·a);⑧農(nóng)業(yè)機械按單位農(nóng)業(yè)機械總動力年均耗用量計算[10];⑨種子能值(J/a)=∑[作物種植面積(hm2)×單位面積種子需要量(kg/hm2)×能值折算標準(J/kg)].

根據(jù)前述計算公式,參考Odum提出的能值轉(zhuǎn)換率,計算不同類型城市潛江、仙桃和鶴峰的各要素及產(chǎn)品的太陽能值,結(jié)果見表2.

3.2基于能值的耕地利用效益評價根據(jù)表1不同耕地利用效益的內(nèi)涵及計算公式,結(jié)合表2中3個研究區(qū)的相關(guān)能值投入產(chǎn)出效益的能值數(shù)據(jù),得到各評價指標的能值結(jié)果見表3.

從表3可以看出,在耕地利用的經(jīng)濟效益方面,潛江的能值產(chǎn)出投入率為16.4,仙桃為7.28,鶴峰為0.661,潛江的耕地生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率最高,3個研究區(qū)域的產(chǎn)出能值均大于投入能值,具有經(jīng)濟效益,但在這種耕地生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值輸入與輸出的不平衡狀態(tài)下,如果輸出的能值長期大于輸入的能值,可能會造成耕地生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)儲存的能值日益減少,對于整個系統(tǒng)的生存、發(fā)展和生態(tài)服務(wù)提供都將產(chǎn)生不利影響;在能值投資率方面,仙桃為1.97,潛江為1.73,鶴峰為1.02,研究區(qū)對耕地的投入強度均較好;而在耕地集約利用度方面,仙桃最高,耕地集約度能值達到了1.38×1016sej/hm2.總體來看,經(jīng)濟發(fā)展對耕地利用效益的影響、土地集約利用程度都是仙桃>潛江>鶴峰.由此可見,仙桃的耕地利用經(jīng)濟效益最高,潛江次之,鶴峰最低.

表2 2010年潛江、仙桃、鶴峰各要素及產(chǎn)品太陽能值分析表

表3 2010年潛江、仙桃、鶴峰耕地利用效益評價指標分表

在耕地利用的生態(tài)效益方面,仙桃的自然資源承受的壓力水平最大,達到1.97,說明仙桃單位環(huán)境能值在投入中的比值越小,尤其是受比較利益驅(qū)動,大量化肥、農(nóng)藥等生產(chǎn)要素的投入及不合理使用可能帶來一系列的生態(tài)經(jīng)濟環(huán)境壓力,而有機肥投入相應(yīng)不足可能導(dǎo)致土壤肥力得不到及時補充,造成耕地生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降;而從可更新環(huán)境能值比率來看,鶴峰的耕地潛力水平最高,達到了0.496,耕地可開墾潛力較大;3個研究對象能值自給率的水平與可更新環(huán)境能值比率水平一樣,其中潛江、仙桃的自然條件就各自的生產(chǎn)能力而言相差不大,但綜合自然條件承受的壓力來看,仙桃壓力水平為1.97,潛江為1.73,說明仙桃承受的壓力相對潛江來說更高,自然條件承受壓力更大.綜合來看,鶴峰的耕地生態(tài)效益最好,其次為潛江,仙桃最差.

就耕地利用的社會效益而言,潛江耕地產(chǎn)出的社會效益最好,農(nóng)村人均能值量達到了1.45×1016sej/人,糧食安全最有保障,為1.944×1017sej/hm2.鶴峰耕地利用的社會效益最差,農(nóng)村人均能值量只有6.09×1014sej/人,糧食安全度最低,保障度為5.86×1015sej/hm2.仙桃耕地利用的社會效益則居于兩者之間,農(nóng)村人均能值量和糧食安全保障度分別為7.74×1015sej/人和1.01×1017sej/hm2.

從3個不同類型城市的耕地利用效益綜合來看,資源型城市潛江,耕地利用產(chǎn)生的社會效益最好,糧食安全度最高,但耕地利用的經(jīng)濟、生態(tài)效益在3個城市中處中等地位;輕工業(yè)城市仙桃,其耕地利用產(chǎn)生了最好的經(jīng)濟效益,雖然土地集約利用度最高,但生態(tài)系統(tǒng)卻依然承受了最大的壓力;生態(tài)旅游城市鶴峰耕地利用生態(tài)效益最高,耕地利用的挖掘潛力最大,但目前耕地資源的先天條件不足,轉(zhuǎn)換效率十分低下,因而耕地利用產(chǎn)生了最差的經(jīng)濟效益,社會效益和糧食安全度亦受很大的影響.

3.3結(jié)果討論通過上述經(jīng)濟-生態(tài)-社會效益的比較可以發(fā)現(xiàn),研究區(qū)域間耕地生態(tài)系統(tǒng)利用經(jīng)濟效益是平原城市好于山區(qū)城市,輕工業(yè)城市優(yōu)于資源型城市;生態(tài)利用效益是生態(tài)旅游城市好于資源型城市,輕工業(yè)城市生態(tài)效益最差;社會效益為平原城市優(yōu)于山區(qū)城市,資源型城市優(yōu)于輕工業(yè)城市.

在所選的3個不同類型的城市中,兩個地處平原,一個在山區(qū).山區(qū)城市耕地的自身條件不足比較明顯,在總投入和產(chǎn)出方面甚至出現(xiàn)了負值的情況.究其原因,山區(qū)城市的不可更新環(huán)境能值比例低且產(chǎn)出太低,耕地條件及地勢條件的差異決定了山區(qū)城市在耕地經(jīng)濟生產(chǎn)、社會等方面的效益要遠遠落后于平原城市,經(jīng)濟生產(chǎn)只有靠加大投入和挖掘耕地集約利用度才能實現(xiàn).

就工業(yè)城市內(nèi)部而言,潛江和仙桃比鄰,同處于江漢平原南部,自然條件差異不大.潛江是湖北省直管市,石油、化工等重工業(yè)發(fā)達,經(jīng)濟生產(chǎn)能力在湖北省同級別的城市中居于首位,經(jīng)濟發(fā)展程度高于仙桃.通過能值分析表可以看出,雖然潛江的耕地集約利用度和能值的投資率不是最高的,但產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換效率卻是最高.這是由于在經(jīng)濟發(fā)展過程中,農(nóng)業(yè)不是主導(dǎo)產(chǎn)業(yè),如此耕地保留了較好的地力,在耕地生產(chǎn)和種植過程中有了較好的生產(chǎn)基礎(chǔ),也為今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展保留了較大的提升空間.

仙桃自然資源優(yōu)越,耕地面積大,具有豐富的農(nóng)副產(chǎn)品,生產(chǎn)的絕對數(shù)量要大于潛江.糧食和棉花等農(nóng)產(chǎn)品可以充分支持其食品加工和紡織工業(yè)的發(fā)展,而輕工業(yè)的發(fā)展又增加了對相關(guān)農(nóng)副產(chǎn)品的需求.因此,在區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一個農(nóng)業(yè)和工業(yè)相互支持的循環(huán)系統(tǒng).由于食品加工等產(chǎn)業(yè)一定程度上依賴于糧食生產(chǎn),故這一循環(huán)系統(tǒng)對耕地資源的生產(chǎn)壓力提出了較高的要求,需要通過加大對耕地的投入來生產(chǎn)農(nóng)副產(chǎn)品以滿足區(qū)域內(nèi)的需求,故產(chǎn)生了較高的土地集約利用度.

需要說明的是,本文中各種產(chǎn)物能值轉(zhuǎn)換率系引用Odum、藍盛芳等在其他系統(tǒng)能值研究中的成果,因此對于湖北省耕地生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出計算可能會產(chǎn)生一定偏差.盡管這對同一區(qū)域時間序列研究結(jié)論沒有影響,但對不同產(chǎn)物能值轉(zhuǎn)換率研究是能值分析理論與方法在耕地生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)評價應(yīng)用中應(yīng)該進一步研究的問題.

4 不同類型城市耕地持續(xù)利用對策探討

雖然潛江是江漢平原重要的資源型城市,但是其資源開采率已經(jīng)超過存儲量的70%,資源將逐漸枯竭.資源枯竭型城市要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,就必須進行產(chǎn)業(yè)體系的重構(gòu),實現(xiàn)綠色轉(zhuǎn)型.目前,潛江保留了較好的土地利用經(jīng)濟、生態(tài)效益.因此,潛江耕地的可持續(xù)利用必將走依靠綠色的產(chǎn)業(yè)體系而不是目前傳統(tǒng)的經(jīng)濟能值投入的發(fā)展道路.其中,第一產(chǎn)業(yè)可加快發(fā)展綠色農(nóng)業(yè),引導(dǎo)推廣生態(tài)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè),如:發(fā)展無公害食品、綠色食品和有機食品,從而建設(shè)與資源、環(huán)境承載力相適應(yīng)的農(nóng)村綠色產(chǎn)業(yè)體系.基于此發(fā)展路線,一方面要充分利用潛江在武漢都市圈里的區(qū)位優(yōu)勢,開展區(qū)域間的合作,發(fā)展都市農(nóng)業(yè)和精品農(nóng)業(yè),增加農(nóng)產(chǎn)品的附加值.另一方面,可以進行相關(guān)技術(shù)支持,要進行土地整理,擴大耕地面積,調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu),實現(xiàn)土地利用效益最大化.

仙桃耕地生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的環(huán)境負載率較大,耕地利用效益的可挖掘的潛力相對較小.可在現(xiàn)有的基礎(chǔ)之上集約用地,嚴格控制建設(shè)用地對耕地的占用,保證留有充足的土地資源進行糧食的生產(chǎn).政策方面可加強生態(tài)環(huán)境的保護,發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)、節(jié)約型農(nóng)業(yè)、循環(huán)農(nóng)業(yè).土地生態(tài)功能的提升是土地可持續(xù)利用的前提,因此不可忽視耕地生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中生態(tài)環(huán)境的建設(shè).仙桃若充分并合理利用當前的生態(tài)資源,將會有效地促進耕地利用效益的提高.

鶴峰縣的耕地資源條件不如前兩者優(yōu)越,這直接制約其耕地利用的效益.雖然當前土地有進一步挖掘的潛力,但就其本身質(zhì)量而言這一措施并不是十分合適.建議選取以下兩種耕地利用方法.

1)要實現(xiàn)耕地有效利用和耕地利用社會效益的提高,需要把注意力集中在特色農(nóng)業(yè)的開發(fā)和生態(tài)旅游上.可以研究區(qū)域內(nèi)的資源優(yōu)勢,進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,擴大煙葉、茶葉、藥材等特種作物的種植,增加此類農(nóng)產(chǎn)品在能值產(chǎn)出量上的比重.進行土地整理和治理,合理改造中低產(chǎn)耕地以擴大農(nóng)產(chǎn)品的種植面積.但在此過程中應(yīng)注意保護自然資源,不宜侵占森林等.

2)生態(tài)補償機制是以保護生態(tài)環(huán)境,促進人與自然和諧發(fā)展為目的,根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值、生態(tài)保護成本、發(fā)展機會成本,運用政府和市場手段,調(diào)節(jié)生態(tài)保護利益相關(guān)者之間利益關(guān)系的公共制度.其內(nèi)涵是人類在充分利用土地資源的同時,需要運用各種經(jīng)濟及政策手段協(xié)調(diào)土地利用相關(guān)主體的利益及矛盾,從而達到保護土地生態(tài)環(huán)境的目的.因此也可考慮在全省范圍內(nèi),實現(xiàn)不同類型城市之間的生態(tài)補償機制.

鄂西生態(tài)旅游區(qū)對于整個湖北省的生態(tài)建設(shè)具有重要的價值,鶴峰作為鄂西的生態(tài)旅游城市,擁有豐富的自然資源.因此,基于以上理念,鶴峰可與其他城市合作聯(lián)動,在全省范圍內(nèi)建立生態(tài)補償機制,適當考慮退耕還林,進行動植物物種的生態(tài)保育,為全省的的生態(tài)建設(shè)做貢獻.而平原城市中糧食生產(chǎn)的主要區(qū)域,特別是潛江、仙桃這樣較為發(fā)達的城市則可適當?shù)卦谪斦祥g接給予補償,或者對口進行相關(guān)產(chǎn)業(yè)的援助建設(shè),從而提高鶴峰耕地資源利用的經(jīng)濟效益.

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