草地農業的循環經濟特征分析

唐靜，林慧龍

（草地農業生態系統國家重點實驗室 蘭州大學草地農業科技學院，甘肅 蘭州730020）

循環經濟思想［1－3］萌芽可追溯到環境保護思潮興起的時代。它是發達國家針對工業化進程中出現的資源與環境問題，探索和建立的一種新的經濟發展模式。循環經濟理念首先于20世紀90年代在國際上形成，1998年引入我國并廣為傳播，隨后作為一種新型的經濟模式被提出，已經成為中國21世紀實施科學發展、建設和諧社會的重要戰略之一［4，5］，并于2009年開始施行《中華人民共和國循環經濟促進法》以促進循環經濟發展［6］。

所謂農業循環經濟，是以資源節約和循環利用為特征，從而實現生態的良性循環和農業的可持續發展的經濟發展模式。它最重要的實際運作原則是“減量化（Reduce）、再利用（Reuse）、再循環（Recycle）”，簡稱“3R”原則［7］。循環農業是世界農業發展的最新趨勢，也是對傳統農業發展模式的深刻變革［8，9］，使農業在更高層次上實現超常規、跨越式科學發展的有效途徑和載體［10］。同時，中國的農業系統正處于自發階段向后現代化階段和草地農業系統階段的迅速轉變過程中［11］，發展農業循環經濟是我國的必然選擇。在此基礎上，形成了草地農業循環經濟的新的運作原則即“系統耦合”［12］，通過充分發揮其巨大潛勢［13－18］，可促進農業循環經濟又快又好地發展。但關于草地農業在循環經濟中的作用、地位尚未見報道。

現今伴隨可持續發展理念的深入人心，系統耦合時間尺度縮短，空間尺度擴張，草地農業除了取得生態經濟等多方面的效益外，還肩負起了保障糧食安全的重任［19－21］，“蔵糧于草”［22］的可行性不容置疑。本研究通過對四墩子鄉進行能值分析，進一步闡述草地農業循環經濟的特征，進而論述草地農業處于農業循環經濟中的中心地位。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

四墩子鄉位于寧夏回族自治區鹽池縣境內。氣候屬溫帶荒漠化半干旱氣候。東經107°8′，北緯37°8′。境內海拔東高西低，多在1 380～1 500m。西南部最高海拔1 604m。該區太陽輻射量582.2×103J/（cm2·a），年均溫7.7℃，＞0℃年積溫3 522.5℃。年降水量296.5mm，年蒸發量2 131.7mm。總土地面積7 933hm2，其中天然草地占5 820.7hm2［23］。

該區生態系統十分脆弱，自從1986年開展“草地農業生態系統研究與開發途徑”項目以來，隨著農牧業生產結構、系統能量、物質輸入與輸出的合理調整，農業生產有了很大的改觀。此后，四墩子成為草地農業力能學研究的典型試驗地［23］。

1.2 研究方法

能值分析是以能值為基準，把生態系統或生態經濟系統中不同種類、不可比較的能量轉換成同一標準的能值來衡量和分析，從中評價其在系統中的作用和地位；綜合分析系統中各種生態流（能物流、貨幣流和信息流等），得出一系列能值綜合指標，定量分析系統的結構功能特征與生態經濟效益［24－30］。

1.2.1 初級生產取樣 分別對天然草地、栽培草地、農作物及林地的物質產量進行多次重復樣方測產。

1.2.2 次級產品取樣 在四墩子鄉的6個自然村，每村選5戶。對其羊、豬、雞進行逐月稱重，并記載毛、蛋產量及役用家畜的工作時數。最后對家畜增重、產毛、產蛋及役用分別以相應的折算系數換算成能量值（表1）。

表1 生物能和輔助能的能量折算值［31］Table 1 The energy equivalents of biological energy and supplemental energy

1.2.3 商品能量 每個自然村選取15戶。對其當年買入和售出的商品種類、數量進行詳細記載。并參照以往的調查數據，按相應的折算系數折合成能量值，最終確定系統輸入和輸出的能量。

1.2.4 化學分析 將取得的植物樣品分別在105℃條件下烘干（8～10h），稱重。最后制成樣品，用常規分析法，分析其營養成分。再用Parr自動絕熱式氧彈測定儀測定全部植物樣品的熱值，同時測定樣品的水分及灰分含量。

1.2.5 太陽輻射能測定 用太陽輻射儀逐日觀測。

1.3 能值指標

1.3.1 太陽能值轉換率 太陽能值轉換率即每單位某種類別的能量或物質所含（相當）的太陽能值之量。

1.3.2 能值投資率 能值投資率等于人類經濟系統投入（反饋）的能值與自然環境資源輸入生產過程的能值之比，前者如燃油、電力、物資和勞務等，均需花錢購買，故稱為“購買能值”；后者來自自然界無償投入，稱為“無償能值”，包括土地等不可更新資源和太陽光、風、雨等可更新資源。它可用于衡量經濟活動在一定條件下的競爭能力，該指標可表示系統對環境資源的利用程度。

1.3.3 凈能值產出率 凈能值產出率為產出（輸出）的能值與反饋（輸入）的能值之比，其中反饋的能值來自人類經濟系統。

1.3.4 環境負載比率 環境負載比率＝［不可更新環境資源投入＋不可更新輔助能（電、化石能等）］/［可更新環境資源投入（太陽能、水資源等）＋可更新有機能投入（人畜力等）］。

1.3.5 能值可持續發展指數 能值可持續發展指數ESI（emergy sustainability index）為系統能值產出率與環境負載率之比。如果一個農業系統能值產出率高而環境負荷率又相對較低，則它是可持續的，反之是不可持續的。

2 結果與分析

2.1 寧夏鹽池四墩子鄉農業生態系統能值指標

草地農業亞系統的太陽能值轉換率最高為667.230×104sej/J，其次是農田亞系統，林地亞系統最低（表2），其產出都是通過綠色植物轉化太陽能為初級產品能。草地農業亞系統因增加了動物同化初級產品的次級生產環節，所提供的產品能質等級最高，具有較高能質和較大控制能力，在全系統中扮演中心功能作用；但從另一角度看，作為較高等級者的草地農業亞系統需要較大量低能質能量來維持。

農田亞系統的能值投資率為16.842，高于全系統、草地、林地亞系統（表2），表明農田亞系統每單位無償環境資源的利用相應投入了較高的購買能值，提高了生產成本，降低了競爭能力；另一方面由于購買能值投入較多，導致對無償環境資源的利用偏高。

凈能值產出率中的反饋能值來自人類經濟系統，它說明經濟生產的能投應用效率，Odum［25］認為該值應在1～6，如果一個系統的凈能值產出率小于1，則該系統的能值將不會增加。林地、農田亞系統的凈能值產出率相對較高，主要原因是所利用的無償環境能值相對高而購入能值利用相對少。草地子系統能值產出率與全系統近似，對自然環境的依賴性很低，未得到全系統及其他子系統組分的反饋加強，發生了生態鏈的斷裂問題，基本上完全依賴于人類社會的購入性反饋投入（表2），可考慮降低草地亞系統購買飼草料能值的投入比例，以提高草地子系統對全系統的依賴性。

表2 寧夏鹽池四墩子鄉農業生態系統能值指標Table 2 The emergy indices of agro－ecosystems in Sidunzi country，Yanchi county，Ningxia

最高的環境承載力表明農田亞系統，一方面在能值利用上的技術水平較高，另一方面也反映了農田亞系統環境所承受的壓力較大；非常高的環境負荷率意味著經濟活動對農田亞系統的環境產生過大的壓力，甚至可能會超過生態環境的承載能力。

草地亞系統環境承載力最低為0.054，遠低于農田亞系統和全系統，表明目前草地亞系統對環境的壓力相對較小，還有進一步開發利用的潛力。在此需要特別指出的是：草地亞系統由于家畜的介入所產生的間接反饋作用，使農田、林地子系統環境負載率降低，從而直接導致全系統環境負載率較低。

由于化肥、農藥投入率極低，草地、林地子系統的ESI值遠高于全系統和農田子系統，表現出強的可持續發展性能。更值得注意的是，與農田子系統（經濟效益好，但環境壓力大，是可持續發展最差的子系統）相比，草地子系統由于家畜生產（增益環）的引入對于全系統可持續發展性能提高的正面影響作用顯著。

2.2 寧夏鹽池四墩子鄉農業生態系統能值分析

農業在我國干旱地區經濟發展中占有重要地位。鹽池縣四墩子鄉地處黃土高原北緣干旱與半干旱區過渡的交錯區，屬傳統農業系統，按產業類型分為3個亞系統，即農田亞系統、草地亞系統和林地亞系統。以該農業系統作為我國農業系統的一個典型案例，采用能值分析方法，進行系統層和子系統層的比較研究（圖1）。整個系統的能值投入、產出見表3。

2.3 寧夏鹽池四墩子鄉農業生態系統投能結構分析

農田亞系統能值總流量估算為28.440×1017sej（sej＝solar energy joules，太陽能焦耳），其中可更新環境資源、不可更新環境資源、不可更新的工業輔助能值、可更新的有機能值各占總能值流量的4.54%，1.07%，70.88%和23.51%（表3）。工業輔助能值投入最大，電力的能值投入占工業輔助能值投入總量的56.91%，居于首位，表明工業輔助能值投入主要是用于灌溉的能源投入，化肥農藥的投入占工業輔助能值投入的18.46%，也不容忽視。可更新的輔助有機能僅次于工業輔助能，仍占有重要地位，有機能中主要的能值投入來自有機肥與人力，表明農田亞系統仍屬于傳統種植農業階段。

草地亞系統能值總流量為89.275×1017sej，其中可更新環境資源、不可更新環境資源、不可更新的工業輔助能值、可更新的有機能值各占總能值流量的15.35%，3.61%，1.53%和79.51%（表3）。可更新的有機能投入最大，其中補飼飼料的投入占可更新的有機能值投入總量的93.38%，居于首位，表明草畜失衡是當前草地亞系統的首要問題。

林地亞系統能值總流量估算為0.584×1017sej，其中可更新環境資源、不可更新環境資源、不可更新的工業輔助能值、可更新的有機能值各占總能值流量的24.30%，5.73%，15.82%和54.12%（表3）。可更新的有機能投入最大，其次為可更新環境資源。

全系統能值總流量估算為130.786×1017sej，其中可更新環境資源、不可更新環境資源、不可更新的工業輔助能值、可更新的有機能值各占總能值流量的12.51%，2.94%，20.10%和64.45%（表3）。可更新的有機能投入最大，其中補飼飼料的投入占據了較大份額；不可更新的工業輔助能次于工業輔助能，仍占有重要地位，其中機械、電力投入占據較大比例。

圖1 農業生態系統能值流程示意圖Fig.1 The emergy diagram of agro－ecosystems

3 討論

3.1 草地農業處在大農業的中心環節

草地農業是生態農業的一種，是從西方“有畜農業”發展而來。它是草地與農田、林地相結合，植物生產與動物生產相結合，產品生產與流通生產相結合，包括前植物生產層、植物生產層、動物生產層、后生物生產層［32］。在草地農業系統各生產層之間存在著由3個界面連綴而形成的系統耦合［33］。在一定的空間范圍內，草地農業生態系統的4個生產層中的任意2個或2個以上，都可以進行系統耦合，并加以優化，以達到持久、穩產、豐產的目的。這種耦合具有時間和空間特性，可以形成不同類型的耦合模型［34，35］。據估算以20世紀80年代初中國牧區生產水平為基礎，只要把植物生產層和動物生產層加以耦合，就可以提高生產水平10倍以上［36］。因此，實行草地農業，可實現能量分級利用，達到物質內部循環的目的。

目前，飼料用糧已成為我國糧食生產主要壓力，如果繼續堅持傳統的“糧—豬農業”，飼料用糧需求數量巨大，勢必對中國的食物安全造成嚴重威脅。而建立草地農業系統，將人食與畜食分開，走節糧型、非糧型飼料道路是減小糧食生產壓力、優化中國人口食物結構、確保糧食安全的一項有效措施［37］。

本研究通過對寧夏鹽池四墩子鄉各系統層和子系統層的能值分析比較，表明草地農業亞系統所提供的產品具有較高能值和較大控制能力，在全系統中扮演中心功能作用；并結合農田和林地亞系統，把土地、植物和家畜聯系起來，建立土地—植物—動物“三位一體”的農產品的物質生產體系。同時，說明實施草地農業是發展農業循環經濟的基礎，更是農業可持續發展的基礎和核心。

3.2 草地農業的循環經濟特征

草地農業是在農業系統中含有較大比重的草地與養殖業，使農業生態系統更為優化的一種農業系統，它具有明顯的并通過界面間的耦合所展現出的循環經濟特征。

表3 寧夏鹽池四墩子鄉農業生態系統能值投入、產出［23］（1988）Table 3 The emergy input，output of agro－ecosystems in Sidunzi country，Yanchi county，Ningxia

3.2.1 草地農業具有最長的生態共生鏈 傳統的農業系統主要依賴植物生產，經濟增長局限于作物單產、作物深加工和副產品加工等方面［38］。而草地農業系統從4個生產層面［39］入手，不僅將動物生產系統與植物生產系統兩者進行耦合，還將草業與林業生態系統、農田生態系統等其他涉農系統耦合，成為更大的耦合系統，即大農業系統［36］。涉及旅游開發、植物和動物產品的專業生產及深加工與物流，涵蓋行業之廣，產業鏈條之深，是確保糧食安全的一條捷徑［38］。通過系統耦合，擴大能、物流規模，建立具有多種產業整合效應的現代大農業系統。以動物生產、后生物生產為農業發展與農業環境保護之間，以及農業資源開發與農業資源的永續利用之間良性耦合的切入點［34］，把延長生物鏈和延長產業鏈結合起來，建立起生態服務（前植物生產層）—農產品—精細加工（后生物生產）的生態共生鏈（圖2）。

圖2 草地農業的循環經濟特征Fig.2 Circular economy characteristic of grassland farming

傳統上的耕作農業只包含了“土壤—植物”之間簡單的相互循環，在草業系統中，它僅存在于最基本的界面（A）即草叢—地境界面之中（圖2）。傳統農業以單一的種植業為主來維持農業系統運行，割斷了植物與動物的有機聯系，且將動物生產定位于十分次要的附屬地位［40］，使植物、動物、微生物三者關系失常，浪費了可以利用的生產資源，效率低下，不可持續。其經濟形式是一種 “資源消耗—糧食產品—污染排放”單向線性經濟，其特征是高開采、低利用、高排放。而現代草地農業是將“土—草—畜”三位一體結合起來，組織成一種“資源—農產品—廢棄物—再生利用”閉合式循環經濟模式。其特征是低開采、高利用、低排放，能最大限度地提高資源利用率，若在現行農業模式的基礎上改行草地農業，全國食物生產的農田當量數將達2.8億hm2，比現行農業系統新增0.52億hm2農田當量，那么，我國食物生產能力將是現行農業系統的1.23倍，增幅巨大［41］。

草地農業一頭兒帶動種植業，一頭兒推動加工業，中間拉動服務業，在整個產業鏈條中處于核心地位。草地農業的模式，強調實現生產層中物質的閉環循環，其中一個重要的方式就是建立草地農業體系中不同流程和不同區域之間的橫向共生。即通過不同生產層或流程間的橫向耦合實現資源共享，為廢棄物找到下游的“分解者”，達到變污染負效益為資源正效益的目的。從某種意義上講，現代大農業之路就是一條農業系統耦合的系統創新（技術加體制）和產業升級之路，從農業的工業化，又進一步到智能化，然后達到更高層次的農業循環經濟，即草地農業，導入發達國家大農業的經營理念和高新技術，進軍草業，這是農業發展的趨勢，也是中國農業結構調整的必然之路［32］；同時，也是我國可持續發展及兼顧生態和民生需要的農業生產系統［42］。

3.2.2 草地農業可以實現循環經濟發展的根本目標——經濟與生態的協同發展 生態經濟循環圈（系指生態經濟再生產的循環往復和周而復始的轉化過程）的矛盾，既由人類的生產和消費活動引起，也是由人類的生產和消費活動而激化。也就是說，生態經濟循環圈的資源消耗和環境污染主要是通過經濟循環圈的生產和消耗活動引起的。而循環經濟以“3R”原則作為指導人類社會經濟活動的準則，來強化生態經濟圈的循環轉換功能，通過強化生態循環圈和經濟循環圈的雙重轉換機制，以尋求生態循環圈和經濟循環圈的協同分展。

草地農業在生態循環中起著承上啟下的作用，草食牲畜可將農業廢棄物轉化為肉、奶、毛、皮等畜產品，同時，養殖產生的畜禽糞便，既可直接還田，也可通過工程措施，經厭氧發酵提取生物質能——沼氣，以解決農村的能源問題。依托草地農業發展農業循環經濟，變廢棄物為資源，增加畜產品和再生能源產出，減少環境污染，在我國潛力巨大，意義非凡。例如，如果中國改變畜牧業結構，壓縮養豬數量的1/3，將耗糧型家畜代之以草食家畜，可節約6.7×107t谷物，將大大緩解糧食壓力［20］。從草原生態方面來看，隨著我國草原保護和建設力度的進一步加大，草原保護制度的廣泛推行，草原畜牧業將在草原生態環境逐步改善的同時得到進一步發展，實現草原畜牧業與草原生態的協調發展，將過去單純強調畜牧業頭數指標，過渡到強調廣袤草原的生態服務價值。我國北方廣袤草原所提供的生態服務價值遠勝于單純追求經濟效益的系統所能提供的產品價值，且較后者更穩定，更符合循環經濟的時代命題，透過不同層次不同水平耦合模式的生態經濟評價，使人們意識到草地農業較之傳統農業所表現出的新興的前所未有的巨大產業前景。

3.2.3 草地農業的系統耦合原則是農業循環經濟的技術保障 謀求農林牧副漁以及其他涉農相關產業的全面發展，必須遵循“系統耦合原則（system coupling）”，系統耦合原則是在“3R”原則基礎上，提出的新增原則。

系統耦合是農業生態系統內部經過自由能—系統會聚—超循環系統的發育而發生的高一層的新系統。這一新系統的出現，為現代農業分級管理提供了方便。新系統的驅動力為非平衡態系統的自由能的積累。農業系統的非平衡態和作為超循環驅動力的自由能是普遍存在的，因而超循環所形成的系統耦合的可能性也是普遍存在的。系統耦合在農業生態系統進化的過程中，從多方面導致農業生態系統生產潛力的解放［12，34］。

實施系統耦合原則可以增大農業經濟系統內各要素間的物質流量，減少系統流入和流出的物質量，實現物質、能量、信息在時間、空間、數量上的最佳運用，合理調整農業產業結構，產生系統進化，多方面釋放系統的催化潛勢、位差潛勢、多穩定潛勢和管理潛勢［12－19，34－38］。

系統耦合是現代農業的一大特征，其過程也是系統進化，潛能從低級到高級釋放的過程，更是促進農業循環經濟發展的捷徑。

草地農業將飼草種植和草食家畜養殖引入農業系統，有效彌補了以谷物生產為主體的傳統農業生產的缺失環節（圖2），使農業系統的組分更加完備。在此基礎上，若將農區的優良家畜與牧區的優良牧草互作為耦合系統，不僅可以提升生產效益，還可兼顧經濟效益。如肅南山地－張掖北山荒漠－臨澤綠洲復合生態系統的耦合模式中，在現有能值投入水平和科學管理力度下，其動物生產系統和綠洲植物生產系統的宏觀經濟價值可提高4.6倍［17］。同時以綠洲子系統作為中心，進行物質交換和能量流通，可大幅度提高周圍荒漠子系統和相鄰山地子系統的生產力［17］。

鑒于草地農業生態系統具有發展循環農業的良好基礎，通過在各個生產層之間開展不同層次、不同地區的系統耦合，施行草地農業，調整和優化產業結構，延長產業鏈條，提高農業系統物質的循環利用和能量的梯級使用，以提高循環效率，并逐步形成以草地農業為核心的農林牧復合系統。

4 結論

本研究通過對寧夏鹽池四墩子鄉的案例分析，表明實施草地農業系統不僅在提高能量轉化效率方面有積極作用，而且在增強系統的穩定性、高產性、階段自持力等生態效應方面具有舉足輕重的作用。進一步論證了草地亞系統在整個農業生態系統中扮演著重要的中心功能角色。

實施草地農業，尤其是進行廣泛的系統耦合是發展農業循環經濟的基礎，更是農業可持續發展的基礎和核心。

系統耦合不僅是草地農業循環經濟的新增原則，也是大農業發展到一定階段的必然，還是解決我國農業生態系統能流模式的誤區即普遍存在生態鏈簡化甚至斷裂問題的出發點。

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