環洞庭湖區農業生態系統能值演變趨勢的研究

朱玉林 ，李明杰，侯茂章,b，王茂溪 ，龍雨孜 ，李曉敏,b

環洞庭湖區農業生態系統能值演變趨勢的研究

朱玉林a，b，李明杰a，侯茂章a,b，王茂溪a，龍雨孜a，李曉敏a,b

（中南林業科技大學 a. 經濟學院；b.農林經濟研究中心，湖南 長沙 410004）

應用能值分析方法，對2000～2009年湖南省環洞庭湖區農業生態系統的能值總量、投入和產出結構以及各能值指標的變化趨勢進行了分析。結果表明：研究期間，能值投入總量基本保持平穩，投入結構不斷優化，其中工業輔助能值投入量由1.28E+22 sej增至1.68E+22 sej，增加了31.26﹪，可更新有機能值投入量由6.05E+21 sej下降為5.53E+21 sej；該系統能值產出總量和產出效率均有較大幅度提高，2009年總能值產出達到5.42E+22 sej，與2000年相比提高了40.04﹪，凈能值產出率由2.05 上升至2.43，但由于環境負載率有更大幅度的上升，由1.23 上升到1.74 ；該系統可持續發展指數呈緩慢下降趨勢，由1.67下降到1.40，且該數值一直維持在1＜ESI＜10的水平，表明環洞庭湖區農業生態系統屬于富有活力和發展潛力的生態系統。發展生態農業，實現經濟發展方式的轉變是該系統面臨的基本任務。

農業生態系統；能值；演變與趨勢；環洞庭湖區

農業生態系統是人類生存和發展的最基本系統，明確其結構和功能，以及對資源環境價值進行評價和量化，有利于加強人們對農業資源環境的認識和保護意識，有助于人們對自身行為進行反思，對人類社會和農業生態系統的可持續發展具有十分重要的意義。作為湖南省和國家的重要糧食生產基地，環洞庭湖區農業發展問題一直處于非常重要的地位，研究該地區農業生態系統的運行狀態和效率，揭示其演變規律和趨勢以及人與環境在這一區域的相互關系，對于該地區農業資源的科學評價與合理利用、農業經濟發展方針的制定及可持續發展戰略的實施均具有重要意義。能值理論創立至今，在美國[1-2]、意大利[3]等西方國家已經得到了較深入細致的研究，我國于20世紀90年代初引入該理論。目前，能值理論的相關研究領域已遍及全球地化循環[4]以及國家[5]、省[6-8]、市[9-11]、縣域[12-14]和企業[15]的各種空間尺度，并在農業[16-18]和工業[19-20]生態系統分析與評價研究中得到了廣泛應用和高度重視。目前，關于環洞庭湖區農業可持續發展問題的研究已取得了一定成果，但其研究方法大多數是用經濟學和管理學的研究方法，用能值理論研究該區域農業可持續發展問題的還較少。為此，本研究借助能值分析方法，對2000～2009年湖南省環洞庭湖區農業生態系統的能值變動趨勢進行分析，旨在為該區域農業生態系統可持續發展政策的制定提供參考。

1 研究方法與數據來源

1.1 能值理論

能值理論由著名生態學家Odum[21]于20世紀80年代創立，以能值為基準，把生態系統或生態經濟系統中不同種類的能量通過能值轉化率轉換成同一標準的太陽能值來衡量系統中的各種生態流（包括能物流、貨幣流、人口流和信息流等），得出一系列能值綜合分析指標，從而評價各種生態流在系統中的作用和地位，可定量分析系統的結構功能特征與生態經濟效益[22]。能值分析的基本方法就是將以物質、能量和信息等形式存在的含能物質全部轉化為用太陽能值表達的能量形式，將物質或能量轉化為太陽能值的基本表達式為：M = τB。式中：M為太陽能值（單位：sej）；τ為太陽能值轉換率，B為可用能[23-24]。

1.2 環洞庭湖區農業生態系統簡介及數據來源

環洞庭湖區位于湖南省北部，涉及常德、益陽、岳陽三個地市。從理論上說，環洞庭湖區應當只包括與洞庭湖相鄰的濱湖堤垸地區，以及直接受洞庭湖影響需要堤垸保護的洞庭湖其它平原地區。本課題所指湖南環洞庭湖區依據的是王克英主編的《洞庭湖治理開發》一書對洞庭湖區的界定“洞庭湖區范圍包括濱湖堤區及‘四水’尾閭受堤垸保護地區”。因此，根據這一界定，岳陽、常德、益陽三市除平江縣、石門縣、桃江縣、安化縣外，其余24個縣、區都屬于洞庭湖區，面積約3.2萬km2，占三市總面積的71.11﹪。該區域以洞庭湖平原為主體，區內光照豐富，雨水充沛，耕地面積廣大，水域寬廣，農業資源相當豐富，自古以來該區就是我國農業精華地帶，是湖南省農業最為發達的地區之一，也是國家重要的糧食、棉花、淡水水產和生豬等農產品生產基地，素有“魚米之鄉”、“洞庭糧倉”的美譽。但在過去相當長的時期內，由于人為圍墾、泥沙淤積和江湖關系變遷等的影響，湖泊生態環境演替頻繁，生態環境和自然資源質量呈下降趨勢。

本文原始數據主要來源于2000～2009年湖南省農村統計年鑒以及2000～2009年中國統計年鑒。本文的能量折算系數主要參考嚴茂超和H.T.Odum[25]、藍盛芳[26]、陸宏芳[27]等的研究成果以及《農業技術經濟手冊》[28]，能值轉換率主要參考《生態經濟系統能值分析》[26]。能值投入與產出在已有研究基礎上依據該區域農業生態系統的特點進行一定程度的細分，將能值投入細分為：可更新環境資源能值投入、不可更新環境資源能值投入、可更新工業輔助能值、不可更新工業輔助能值、有機能值投入，將能值產出細分為：種植業能值產出、牧業能值產出、林業能值產出、漁業能值產出，在此基礎上對環洞庭湖區農業生態系統2000～2009年各種生態流變動情況進行計算，分別得到該區域2000～2009年農業生態系統能值投入（見表1）、2000～2009年農業生態系統能值產出（見表2）、2000～2009年農業生態系統能值指標（見表3）。

2 結果與分析

2.1 環洞庭湖區農業生態系統能值總量變化趨勢

由圖1可知：2000～2009年，環洞庭湖區農業生態系統年總能值投入量保持平穩增長勢態，由2000年的2.34E+22 sej增加到2009年的2.65E+22 sej，增幅為13.24﹪；而總能值產出卻有了較大幅度的增長，由2000年的3.87E+22 sej增長為2009年的5.42E+22 sej，增幅達40.04﹪，說明研究期間環洞庭湖區農業生態系統投入產出效率有了較大幅度的提高，且總能值產出大大高于總能值投入，表明環洞湖區農業生態系統的能值利用效率較高，具有較為明顯的集約型發展特征。

2.2 環洞庭湖區農業生態系統能值投入結構的變化趨勢

研究期間，環洞庭湖區農業生態系統總能值投入雖保持平穩增長勢態，但各組分的變化卻各不相同，其中，不可更新工業輔助能值投入顯著增加（由1.28E+22 sej增至1.68E+22 sej，增幅達31.26﹪），而可更新有機能值投入量則有所下降（由6.05E+21 sej逐漸下降到5.53E+21 sej，見圖2）。這種由農業產業化、農業現代化所帶來的能值結構性變化是環洞庭湖區農業生產效率大幅提高的主要原因。

表1 2000～2009年環洞庭湖區農業生態系統能值投入Table 1 Energy value input of agro-ecosystem around Dongting lake area from 2000 to 2009

表2 2000～2009年環洞庭湖區農業生態系統能值產出Table 2 Energy value output of agro-ecosystem around Dongting lake area from 2000 to 2009

續表2The continuation of table 2

表3 2000～2009年環洞庭湖區農業生態系統能值指標Table 3 Emergy indices of agro-ecosystem around Dongting lake area from 2000 to 2009

圖1 環洞庭湖區農業生態系統能值總量變化Fig.1 Changes of total energy of agro-ecosystem around Dongting lake area

研究期間可更新有機能值投入量下降的主要因素是勞動力能值投入量的下降，原因是農村勞動力轉離農業系統而到廣東、上海等東南沿海地區務工，勞力能值由2000年的5.26E+21 sej降到2009年的4.53E+21 sej，降幅達13.95﹪；充分說明環洞庭湖區由于平原區的地理優勢，農業機械化水平在不斷提高，勞動力在農業投入中的比重越來越低。在能值投入總量平緩變化的條件下，由于勞動力能值投入量的不斷減少，以及不可更新工業輔助能值的不斷增加，導致系統的能值產出呈不斷增加的趨勢，該區域農業現代化、機械化的演變軌跡較明顯，呈現出良好的發展趨勢；值得一提的是，可更新工業輔助能值比重不大，作為湖區水鄉，可更新工業輔助能值的發展潛力巨大。

2000～2009年，環洞庭湖區農業生態系統總能值投入中總環境能值投入所占的比重不大，平均為19﹪；可更新環境資源能值投入呈平緩下降趨勢，由4.43E+21 sej下降到4.13E+21 sej，原因在于近幾年來，環洞庭湖區出現了不同程度的冰災、水災，使林地、草地面積有一定程度的減少；不可更新環境能值投入(主要是表土層損失)穩中有降，尤其是從2007年起有一個明顯的下降過程，從2006年的1.45E+20sej下降到2009年的8.37E+19 sej（見圖3），說明國家的退耕還林還草政策在該區域自2007年收到了明顯效果，在一定程度上改善了農業生態環境。

圖2 環洞庭湖區農業生態系統能值投入結構(a)、可更新工業輔助能值（b）不可更新工業輔助能(c)和可更新有機能(d)的變化Fig.2 Changes of structure of energy input (a), renewable auxiliary energy input of industry (b)auxiliary energy input of industry (c) and energy input of organic (d) of agro-ecosystem around Dongting lake area

圖3 環洞庭湖區農業生態系統可更新環境資源能值(a)和不可更新環境資源能值(b)的變化Fig.3 Changes of renewable environmental resource (a)and nonrenewable environmental resource (b) of agro-ecosystem around Dongting lake area

研究期間，總輔助能值的投入的增長速度明顯超出總環境能值的增長幅度，2000～2009年總環境能值的投入量略為下降，從2000年的4.58E+21 sej下降到2009年的4.22E+21 sej，增長速度為-7.8﹪，而總輔助能值投入從2000年的1.89E+22 sej增加到2009年的2.23E+22 sej，增長速度達18.35﹪。說明洞庭湖區農業生態系統的發展越來越依賴于工業輔助能值投入，如果沒有工業輔助能值的支撐，該區域農業生態系統的可持續發展將無法維持。

2.3 環洞庭湖區農業生態系統能值產出結構的變化趨勢

2000～2009年，環洞庭湖區農業生態系統能值產出大幅增長，總能值產出由3.87E+22 sej增至5.42E+22 sej（見表2），增幅為40.04﹪。從產出結構看，種植業、牧業、林業和漁業的量比關系由2000年的74.1∶21.3∶0.8∶3.8變為2009年的75.9∶19.3∶0.7∶4.1。其中，種植業能值比重最大，林業能值比重最小。種植業能值和漁業能值無論是絕對量和相對比重均呈平穩上升勢態（見圖4），牧業和林業能值中絕對量有增加，但比重略有減少 (見表4)。說明洞庭湖區“漁米之鄉”名不虛傳，這十年中種植業作為該區的主導產業和全國重要的商品糧基礎其主導作用更強，影響力更大，漁業作為該區域的特色產業其優勢在不斷呈現。

表4 2000～2009年環洞庭湖區農業生態系統能值產出結構Table 4 Structure of energy output of agro-ecosystem around Dongting lake area(1999～2009)

圖4 環洞庭湖區農業生態系統種植業、牧業、林業和漁業能值的變化Fig.4 Changes of total planting, stock farming, forestry and fisheries output energy of agro-ecosystem around Dongting lake area

從圖5可以看出，在該區種植業中，油料和谷物所占比重最大，棉花、水果次之，薯類、蔬菜瓜果、豆類、甘蔗、茶葉、麻類和煙葉比重較小。對比種植業能值產出總量的變動趨勢可以看出，種植業能值產出平穩增長，主要得益于油料、谷物、棉花、煙葉和水果的能值在不斷增長，尤其是近幾年油料能值增幅較大對種植業增長有較大貢獻。研究期間，該區種植業總的增長速度為43.8﹪，其中水果的增長速度最快（355.69﹪），其次為煙葉（223.68﹪），然后分別是油料、谷物、蔬菜、瓜果、茶葉、麻類，煙葉、棉花，薯類、豆類、甘蔗則呈下降勢態（見表5）。

圖5 環洞庭湖區農業生態系統種植業組分能值的變化Fig.5 Changes of structure of planting output energy of agro-ecosystem around Dongting Lake area

2000～2009年間，該區域畜牧業能值產出呈較平穩變化，由8.26E+21 sej增至1.05E+22 sej，增幅為26.96﹪，低于總能值的產出增長水平，說明牧業在該區域的增長速度不及平均水平，在不斷萎縮。

表5 1999～2008年種植業增長速度Table 5 Growth rate of planting industry’s energy value output (1999～2009)

環洞庭湖區林業能值產出所占比重最小。2000～2009年，該區林業能值產出呈不斷增加的趨勢，平衡增長速度為30.53﹪，低于總能值產出平均增長水平，林業能值產出比重略有下降，從2000年的0.8﹪下降到0.7﹪.尤其是從2006年開始，林業產出能值出現了較大增長，說明隨著國家退耕還林政策的進一步穩定實施，湖南省林業能值產出的增長空間將更加廣闊。

環洞庭湖區漁業能值產出比重較小，但增長速度很快，由2000年的1.48E+21 sej增至2009年的2.19E+21sej，增幅達48.19﹪。由于該區域具備魚類養殖的自然優勢，雨水充足，對系統能值總產出的貢獻較大，故這部分的產出潛力還非常大。

2.4 環洞庭湖區農業生態系統能值指標的變化趨勢

2.4.1 能值投資率變化趨勢

能值投資率是總輔助能值投入與環境資源能值投入的比率。2000～2009年，環洞庭湖區農業生態系統能值投資率從4.12上升到5.29(見圖6)，總體呈不斷上升的趨勢，其總體水平與國際水平相比差距甚遠（如1989年意大利農業生態系統能值投資率為7.55）[26]。說明環洞庭湖區農業生態系統農業資源的利用率有待進一步提高，總輔助能值投入還有較大的增長空間。

圖6 環洞庭湖區農業生態系統能值投資率、凈能值產出率、工業輔助能值比率、有機輔助能值比率、環境負載率和可持續發展指數的變化Fig.6 Changes of EIR, EYR, purehased energy contribution ratio, orgnic energy contribution ratio ELR and sustainable development index of agro-ecosystem around Dongting lake are

2.4.2 凈能值產出變化趨勢

凈能值產出率是總能值產出與總輔助能值投入的比率。研究期間，環洞庭湖區農業生態系統凈能值產出率呈不斷提高的趨勢，由2000年的2.05 上升至2009年的2.43 ，說明隨著該區域農業生態系統能值投入和產出結構的不斷優化，系統能值產出效率在不斷提高，發展趨勢良好。能值產出率常被用來判斷系統在獲得經濟輸入能值上是否具有優勢，這在一定程度上反映了系統的可持續發展狀況。H T Odum[21]認為，該值應在1～6之間，如果該值小于1，說明系統的產出不敷投入。據此說明該區域農業生態系統能值利用效率處于一個較合理的水平。

2.4.3 工業輔助能值比率、有機輔助能值比率變化趨勢

工業輔助能值比率是工業輔助能與總能值投入的比率。研究期間，環洞庭湖區農業生態系統工業輔助能值投入比率總體呈平衡上升的趨勢，由2000年的55﹪增加到2009年的63%，明顯高于同期有機輔助能值投入水平。其原因主要有兩點：一是該區域屬于平原區，有利于農業規模化、機械化；二是近10年來，國家對農業基礎作用的重視、對“三農”問題的重視以及國家對農產品價格實行保護價，在一定程度上提高了農民的生產和投資的積極性。有機輔助能值比率是可更新有機能值投入與總能值投入的比率。研究期間，環洞庭湖區農業生態系統有機輔助能值比率變化總體呈下降趨勢，由2000年的26﹪下降到2000年的21﹪（見圖6），有機輔助能值比率的變化趨勢與工業輔助能比率剛好相反，這也是農業機械化、現代化的一種必然結果。在有機能值投入中，勞力能值占絕對優勢，而有機肥所占比例則很小，2009年有機肥與工業輔助能中化肥的比例為1∶18。因此，在該區域農業工業化、工業輔助能值比率上升的過程中，需適當控制工業輔助能中化肥比重的增長，鼓勵有機輔助能值投入中有機肥的使用，這也是該區域建設生態農業、保護農業生態環境的要求。

2.4.4 環境負載率變化趨勢

環境負載率指不可更新環境資源能值投入和不可更新工業輔助能值投入之和除以可更新環境資源能值投入、可更新工業輔助能值和可更新有機能值之和的比率。研究期間，該區域農業生態系統的環境負載率呈明顯上升趨勢，由2000年的1.23上升到2009年的1.74。該區域農業生態系統環境負載率不斷上升的主要原因在于：可更新的環境資源能值投入在不斷減少，由2000年的4.43E+21 sej降為2009年的4.13E+21 sej，這是由于工業化和城市化的影響，使農業用地面積有一定程度的減少，特別是林地草地面積有所減少；可更新工業輔助能值也在不斷減少，由2000年的3.40E+19 sej下降到2009年的2.45E+19 sej，也就是說洞庭湖區水資源在不斷減少；隨著勞動力往城市的不斷轉移，可更新有機能值也在不斷減少，由2000年的6.05E+21 sej降為2009年的5.53E+21 sej；隨著農業工業化步伐的加快，不可更新工業輔助能值投入在不斷增加，由2000年的1.28E+22 sej上升到2009年的1.68E+22 sej，盡管不可更新環境資源有一定程度的下降，由2000年的1.44E+20 sej下降至2009年的8.37E+19 sej，下降絕對幅度遠遠抵不過不可更新工業輔助能的上升幅度。2000年區域的環境負載率（1.23）低于1998年全國平均水平(2.80)，也遠遠低于日本1990年水平(14.49)和意大利1989年水平(10.03)[26]，說明該區域在農業現代化過程中還有一定的環境負載空間。

2.4.5 可持續發展指數變化趨勢

可持續發展指數（ESI）指能值產出率與環境負載率的比值，該指數能夠較客觀地說明區域可持續發展能力，1＜ESI＜10表明該區域農業生態系統富有活力和發展潛力；ESI＞10是農業經濟不發達的象征，表明對資源的開發利用不夠；ESI＜1表明該區域農業生態系統屬于高消費驅動型生態系統，本地不可更新資源的利用量較大。2009年，環洞庭湖區農業生態系統可持續發展指數ESI為1.40，處于1＜ESI＜10的區間，說明該農業生態系統富有活力和發展潛力。研究期間，環洞庭湖區農業生態系統ESI呈有不斷下降的趨勢，從1.67下降到了1.40（見圖6），原因在于：2000年以來，該系統的能值產出率雖在不斷提高，但與之相對應的環境負載率也在不斷提高且提高速度更快。因此，轉變農業經濟發展方式，發展生態農業也是該系統的基本任務。

3 結 論

利用能值理論在大量數據搜集、整理、分析基礎上，對環洞庭湖區農業生態系統的能值演變進行研究，并得出如下結論：研究期間，該系統的（ESI）數值一直處于1＜ESI＜10的水平，表明環洞庭湖區農業總體屬于富有活力和發展潛力的生態系統，該系統總能值使用投入量基本保持平穩，但能值投入結構不斷優化，該系統能值產出總量和產出效率均有較大幅度提高，但由于該系統環境負載率也呈不斷上升趨勢，該系統可持續發展指數（ESI）呈不斷下降趨勢，因此，發展生態農業、實現經濟轉型是該系統的基本任務。值得說明的是：本文的能量轉換系數和能值轉換率主要參考的是H. T. Odum等學者的研究成果，雖然能量轉換系數和能值轉換率能滿足大范圍內的分析，但由于各國和各地區生產水平與效益等因素存在一定的區域性差異，這可能造成一定的誤差，這些有待于作者在進一步的研究中去改進。

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Study on emergy evolution trend of agro-ecosystem in Dongting lake area

ZHU Yu-lina,b, LI Ming-jiea, HOU Mao-zhanga,b, WANG Mao-xia, LONG Yu-zia, LI Xiao-mina,b
(a. School of Economy, b.Economic Research Center for Agriculture and Forestry, Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004, Hunan, China)

By using the energy analysis method, the trendencys of total energy value, input-output structure and changes of energy indicators in Hunan Dongting lake area’s agro-ecosystem from 2000 to 2009 were analyzed. The results indicate that during the study period, the system had maintained a stable total energy value input, and its input structure was continuously optimizing. The value of input industrial auxiliary energy increased from 1.28E+22 sej to 1.68E+22sej and added 31.26﹪, while the value of input renewable organic energy decreased from 6.05E+21sej to 5.53E+21 sej. The results also show that the system’s total output energy value and output efficiency had risen greatly. The total output energy value in 2009 reached 5.42E +22 sej which was higher than that of 2000 by 40.04 ﹪ and the net output ratio of energy increased from 2.05 to 2.43. Furthermore, the system’s environmental loading ratio had got an ever-increasing trend which changed from 1.23 to 1.74. The system’s sustainable development index had got a slow down trend and decreased from 1.67 to 1.40. The index value which was always more than 1 and less than 10, indicated that agriculture of Dongting lake area is a system of vitality and has development potential. The development of ecological agriculture, realizing the transformation of economic development mode of the system is a fundamental task.

agro-ecosystem; emergy; evolution and trend; Dongting lake area

S181

A

1673-923X (2012)07-0133-08

2012-04-10

國家社科基金項目（11BJY029）；湖南省社科基金項目（2010YBB348）；湖南省高校創新平臺開放基金項目（10K080）和湖南省軟科學重點項目（2011ZK2046）

朱玉林（1968—），男，湖南雙峰人,教授，博士，主要研究領域：生態經濟；E-mail: zh-y-lin@126.com

[本文編校：謝榮秀]