基于能值分析的聊城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性研究

徐夢辰

摘 要：根據(jù)2003—2012年聊城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，運(yùn)用能值理論方法，分析該市生態(tài)農(nóng)業(yè)的投入與產(chǎn)出，采用可更新資源能值比率、能值自給率、凈能值產(chǎn)出率、能值投資率、環(huán)境負(fù)載率和可持續(xù)發(fā)展指數(shù)等指標(biāo)，對聊城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：在能值投入上，主要依賴于后期的工業(yè)輔助能，而對當(dāng)?shù)丨h(huán)境資源的依賴程度較低；在能值產(chǎn)出上，畜牧業(yè)取得長足發(fā)展，已超過種植業(yè)，成為優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)；研究區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)屬于消費(fèi)型，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)逐年降低，僅維持在0.1以下，環(huán)境負(fù)荷率逐年升高，最高達(dá)15.5，區(qū)域環(huán)境壓力大，生態(tài)狀況難以改善。聊城市今后應(yīng)大力發(fā)展節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)，積極引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，調(diào)整工業(yè)輔助能投入，提高能值受益率，探索建立多層次、高功能的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式。

關(guān)鍵字：農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)；能值分析；可持續(xù)發(fā)展；聊城市

中圖分類號(hào)：F062.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.09.007

Study on Sustainability of Agricultural Ecosystem in Liaocheng City based on Emergy Analysis

XU Meng-chen

（Environmental and Planning School of Liaocheng University， Liaocheng， Shandong 252059， China）

Abstract： Through analyzing the emergy input and output of agro-ecosystem of Liaocheng， discussed the security of agro-ecosystem structure. This paper helped coordinate the relationship between agriculture production and ecological environment and provides references for scientific management of the sustainable development of Liaocheng. Based on the data of agro-ecosystem of Liaocheng in 2003-2012， used the methods of emergy and calculated some indicators of emergy， such as renewable resources emergy ratio， emergy self-sufficiency ratio， net emergy yield ratio， emergy investment ratio， environmental loading ratio and emergy sustainable index to analyze comprehensively on agriculture system of Liaocheng City. The research results showed on the emergy input， agriculture ecosystem rely mainly on industrial auxiliary emergy and the level of dependence on the local environment resources was low； on the emergy output， animal husbandry had a substantial progress， becoming a dominant industry， and exceeded the planting industry； the agro-ecosystem system in the study area belonged to consumer type， with the emergy sustainable index decreasing gradually （only keep below 0.01） and the environmental loading ratio increasing year by year （the most up to 15.5）. The regional environmental pressure was enormous and ecological status was difficult to improve. Future agricultural ecosystem management should vigorously develop water-saving irrigation agriculture with actively introducing advanced technology， adjusting industrial auxiliary energy input and enhancing emergy value benefit rate. Explored establishing multi-level and high function of ecological agriculture model.

Key words： agro-ecosystem； emergy analysis； sustainable development； Liaocheng City

20世紀(jì)80年代，美國著名生態(tài)學(xué)家H.T.Odum在系統(tǒng)生態(tài)、能量生態(tài)、生態(tài)經(jīng)濟(jì)理論基礎(chǔ)上創(chuàng)立了能值理論及分析方法[1]。我國于20世紀(jì)90年代由留美學(xué)者藍(lán)盛芳引入[2-4]。能值分析是把生態(tài)系統(tǒng)中不同種類、性質(zhì)或無法比較的能量轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的能值[5]，從而評(píng)價(jià)其在系統(tǒng)中的作用和地位，分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能及生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益。農(nóng)業(yè)是人類的生存之本，在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的大背景下，能值理論可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的定量分析[6]，揭示研究區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)特征與發(fā)展障礙[7]。目前，我國能值指標(biāo)的研究以農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)[8-9]為典范的較多，包括生態(tài)農(nóng)業(yè)無公害設(shè)施蔬菜生產(chǎn)的系統(tǒng)效率和可持續(xù)性評(píng)價(jià)[10]。但研究的對象與內(nèi)容已涉及湖泊濕地生態(tài)系統(tǒng)能值投入與產(chǎn)出下的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能分析[11]、自然保護(hù)區(qū)旅游生態(tài)系統(tǒng)能值模型與可持續(xù)發(fā)展體系[12]、小水電站建設(shè)綜合定量評(píng)估[13]等，研究的范圍與深度仍將進(jìn)一步擴(kuò)展。有關(guān)農(nóng)業(yè)歷史悠久、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與可持續(xù)發(fā)展問題，并未見從統(tǒng)一量綱的能值分析角度報(bào)道。筆者運(yùn)用能值理論方法，分析經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)聊城市的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性，旨在揭示該市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)及環(huán)境的內(nèi)在結(jié)點(diǎn)，以期為區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本數(shù)據(jù)來源于2003—2012年《聊城市統(tǒng)計(jì)年鑒》。綜觀前人研究的基礎(chǔ)上，選擇可更新資源能值比率、能值自給率、能值投資率、凈能值產(chǎn)出率、環(huán)境負(fù)載率和可持續(xù)發(fā)展指數(shù)作為對聊城市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、發(fā)展水平、環(huán)境資源壓力和系統(tǒng)可持續(xù)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)[8-10]，對聊城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行全面評(píng)價(jià)。不同類型的能量具有不同的能級(jí)和能質(zhì)，各類能量之間具有特定的轉(zhuǎn)換關(guān)系即能值轉(zhuǎn)換率[2]，為避免重復(fù)計(jì)算，根據(jù)能值理論，同一性質(zhì)的能量投入只取其最大值[8]。具體公式如下[14-16]：

物質(zhì)或能量轉(zhuǎn)化為太陽能值的基本表達(dá)式為： M=τ×B； （1）

可更新資源能值比率公式：

EVR=（R+T）/E； （2）

能值自給率公式：

ESR=（R+N）/E； （3）

凈能值產(chǎn)出率公式：

EYR=（R+N+F+T）/（F+T）； （4）

能值投資率公式：

EIR=F/（R+N）；（5）

環(huán)境負(fù)載率公式：

ELR=（F+T+N）/R； （6）

可持續(xù)發(fā)展指數(shù)公式：

ESI=EYR/ELR。 （7）

式中，M：太陽能值（sej）；τ：能值轉(zhuǎn)換率；B：可用能；R：可更新環(huán)境資源；T：可更新有機(jī)能；N：不可更新環(huán)境資源；F：工業(yè)輔助能；E：總能值投入。

2 結(jié)果與分析

2.1 能值投入結(jié)構(gòu)分析

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值投入包括可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源、工業(yè)輔助能和可更新有機(jī)能。如圖1a所示，聊城市2003—2012年農(nóng)業(yè)系統(tǒng)投入的能值總流量在（1.45～1.73）×1021 sej之間，其中，不可更新的工業(yè)輔助能值投入最大，占總投入量的91.2%～92.9%，已超過全國平均水平（62%），并呈現(xiàn)上升勢頭。該市農(nóng)業(yè)發(fā)展主要依靠工業(yè)輔助能值的投入，并對其依賴程度逐年增加。然而，長期的化石能源投入與農(nóng)藥化肥使用破壞了土壤物化性質(zhì)，造成了土壤板結(jié)、養(yǎng)分失衡，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)服務(wù)功能下降。由圖1b可知，氮肥占工業(yè)輔助能值的37.6%～46.1%，比例最高；其次是復(fù)合肥，占18.0%～17.5%。由此可見，氮肥使用是該市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)，但近幾年隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和科技進(jìn)步，復(fù)合肥的投入不斷提高，逐漸受到農(nóng)民青睞。如圖1c，可更新環(huán)境資源投入占總投入量的6.04%～7.54%，并且呈下降趨勢，其中太陽能、風(fēng)能投入基本保持不變，農(nóng)業(yè)用水投入不斷增加，雨水勢能和雨水化學(xué)能受降雨量的影響，變化趨勢基本相同。無償環(huán)境能值投入占總能值投入的7%，嚴(yán)重低于全國13%的平均水平，這表明聊城市的環(huán)境資源對農(nóng)業(yè)貢獻(xiàn)小，該市優(yōu)質(zhì)的資源稟賦未得到有效利用。不可更新環(huán)境資源投入主要是表土層養(yǎng)分損失，約占環(huán)境能值投入的14%（圖1c），這是水土流失導(dǎo)致的。針對這一問題，聊城市應(yīng)加大水土流失治理力度，改善生態(tài)環(huán)境?？筛掠袡C(jī)能值在總投入中占比例最小，在0.032 5%～0.039 3%之間，其中有機(jī)肥自2006年以來能值投入不斷加大，這在一定程度上反映了人們生態(tài)意識(shí)的增強(qiáng)（圖1d）。

2.2 能值產(chǎn)出結(jié)構(gòu)分析

由圖2a可知，聊城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)總能值產(chǎn)出在（3.02～3.79）×1022 sej之間，農(nóng)林牧漁業(yè)能值產(chǎn)出依次為（1.26～1.56）×1022 sej、（2.14～3.04）×1020 sej、（1.56～2.27）×1022 sej和（4.18～6.02）×1019 sej。2003—2012年，聊城市種植業(yè)平均產(chǎn)出占總產(chǎn)出的41.9%，并呈現(xiàn)持續(xù)下降態(tài)勢；林業(yè)占0.78%，并呈上升趨勢；牧業(yè)和漁業(yè)分別占57.1%和0.22%，二者雖略有波動(dòng)，但整體呈上升態(tài)勢。由此可見，聊城市的農(nóng)業(yè)產(chǎn)出以種植業(yè)和畜牧業(yè)為主導(dǎo)。其中，畜牧業(yè)發(fā)展迅猛，所占比例逐年增大，而種植業(yè)卻呈現(xiàn)下降趨勢，說明該市正逐步由傳統(tǒng)型農(nóng)業(yè)升級(jí)為綜合型農(nóng)業(yè)。畜牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值比例的高低，是衡量一個(gè)國家或地區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)是否合理、生產(chǎn)是否先進(jìn)的主要標(biāo)志之一[17]。目前，聊城市大力發(fā)展畜牧業(yè)，可以拉動(dòng)種植業(yè)、促進(jìn)加工業(yè)的興起，這將是形成其農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)合理化和拉長產(chǎn)業(yè)鏈條的重要途徑。如圖2b所示，畜產(chǎn)品（肉類、禽蛋和奶類）能值產(chǎn)出比例較大且逐年增加，這與消費(fèi)者對肉、蛋、奶需求的增加趨勢一致，反映了人民生活質(zhì)量正在提高。種植業(yè)中小麥、玉米、棉花、油料等大宗農(nóng)產(chǎn)品占種植能值的80%以上（圖2c）。雜糧、蔬菜和瓜果種植均為勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，能夠吸納大量勞動(dòng)力，雖然其能值產(chǎn)出不高，但經(jīng)濟(jì)價(jià)值可觀，可以與外界交換更多能值，因此該市應(yīng)予以適當(dāng)發(fā)展。相比之下，林業(yè)和漁業(yè)所占能值比例較小，仍需改善。

2.3 環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益的能值分析

2.3.1 可更新資源能值與自給率 由圖3a可知，2003—2012年聊城市農(nóng)業(yè)可更新資源能值比率呈下降趨勢，由7.58%下降至6.07%，究其原因，主要是人工輔助能值投入不斷上升，由1.32×1021 sej增加至1.59×1021 sej?？筛履苤当嚷食掷m(xù)降低，表明聊城市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力對當(dāng)?shù)乜筛沦Y源能值投入的依賴度正逐步降低。如圖3b所示，近10年來聊城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值自給率都低于10%，并呈現(xiàn)持續(xù)下降態(tài)勢，從2003年的8.78%下降到2012年的7.08%，這反映了該市對自身優(yōu)質(zhì)自然資源利用不足，環(huán)境資源依賴程度較弱。

2.3.2 凈能值產(chǎn)出率與投資率 凈能值產(chǎn)出率反映了某種資源的競爭力和經(jīng)濟(jì)效益。若凈能值產(chǎn)出率高，說明競爭力強(qiáng)、回報(bào)效益高；反之，則競爭力弱，開發(fā)效益低。由圖4a可知，聊城市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率為1.075～1.1，近10年來呈現(xiàn)持續(xù)下滑的態(tài)勢，這表明聊城市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)整體功能較好，運(yùn)轉(zhuǎn)效率較高，具備較強(qiáng)的競爭力。聊城市的自然稟賦優(yōu)越，但由于農(nóng)業(yè)經(jīng)營粗放，生產(chǎn)集約化程度低，導(dǎo)致凈能值產(chǎn)出率逐年降低。在今后的農(nóng)業(yè)發(fā)展中，應(yīng)調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)科技投入，改進(jìn)生產(chǎn)管理模式，降低生產(chǎn)成本，進(jìn)一步強(qiáng)化市場競爭力。

能值投資率是用來表示開發(fā)單位資源所消耗的能值數(shù)量，經(jīng)常受社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治等因素影響。若本地或無償資源是當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)行的主導(dǎo)，則該比例較小，但過低的能值投資率難以吸引外來資本。該比值過大則代表資源開發(fā)的能值投入幾乎都是有償?shù)?，此時(shí)成本大幅攀升，系統(tǒng)競爭力降低。如圖4b所示，聊城市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值投資率為10.4～13.1，呈上升趨勢，這一現(xiàn)象表明聊城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對經(jīng)濟(jì)投入依賴程度較大，對工業(yè)輔助能值（機(jī)械、電力、化肥等）的需求不斷增加。

2.3.3 環(huán)境負(fù)荷與可持續(xù)發(fā)展 環(huán)境負(fù)載率是經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的警示性指標(biāo)，若系統(tǒng)長期遭受較高的環(huán)境負(fù)載，將對其造成不可逆轉(zhuǎn)的功能衰退或喪失[17]。資源過度開發(fā)與外界能值的大量輸入是導(dǎo)致系統(tǒng)環(huán)境惡化的兩大直接因素。如圖5a所示，2003—2012年聊城農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的平均環(huán)境負(fù)載率為13.9，呈現(xiàn)增長趨勢，這反映了該市農(nóng)業(yè)已對環(huán)境、資源造成了巨大壓力，致使環(huán)境資源效益低，令自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)間的發(fā)展難以協(xié)調(diào)。從能值投資率亦可看出，不可更新的工業(yè)輔助能投入不斷增加，長期大量使用農(nóng)藥、化肥已對當(dāng)?shù)丨h(huán)境帶來危害。因此，今后該市應(yīng)增強(qiáng)生態(tài)建設(shè)和環(huán)境資源管理，提高資源的利用效率；注意水土保持，改善土壤肥力，加大有機(jī)肥等原生肥料的使用，以提高系統(tǒng)生產(chǎn)效率。

一個(gè)國家或地區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值產(chǎn)出率高且環(huán)境負(fù)載率相對較低，則它是可持續(xù)的；反之是不可持續(xù)的[18]。若可持續(xù)發(fā)展指數(shù)在1和10之間，則表明系統(tǒng)具備活力且發(fā)展?jié)摿Υ螅蝗舸笥?0，則表明系統(tǒng)持續(xù)性不強(qiáng)；若小于1，則屬消費(fèi)型系統(tǒng)。由圖5b可知，2003—2012年，聊城市可持續(xù)發(fā)展指數(shù)在0.069～0.090之間，總趨勢為下降態(tài)勢。說明聊城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)屬于消費(fèi)型，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和信息化程度較低，對有償能值依賴性強(qiáng)，導(dǎo)致系統(tǒng)存在一定風(fēng)險(xiǎn)與脆弱性。近年來，該市農(nóng)藥、化肥施用不合理現(xiàn)象加劇，不僅削弱了耕地土壤的天然肥力，更嚴(yán)重影響到食品安全。

3 結(jié) 論

（1）在能值投入上，雖然聊城市具有優(yōu)越的自然條件，但可更新自然資源所占比例小，而人工輔助投入?yún)s高達(dá)90%以上，因此應(yīng)更加注重能源和資源的轉(zhuǎn)化效率，防止資源浪費(fèi)，避免生態(tài)環(huán)境遭受嚴(yán)重破壞。

（2）在能值產(chǎn)出上，畜牧業(yè)產(chǎn)出已超過種植業(yè)，這反映了聊城作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)城市，在保證種植業(yè)穩(wěn)健發(fā)展的同時(shí)，正大力提升畜牧業(yè)水平。近年來，聊城市可持續(xù)發(fā)展指數(shù)均小于0.1，并持續(xù)降低，這說明該市消費(fèi)型農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的狀況難以改善。

（3）聊城市生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)環(huán)境負(fù)荷較高，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)低，農(nóng)業(yè)發(fā)展主要依賴于后期的工業(yè)輔助能，對本地環(huán)境資源利用程度低。2005—2006年聊城市進(jìn)入干旱年，雨水勢能和雨水化學(xué)能達(dá)到最低點(diǎn)，進(jìn)而總能值投入量受到影響，這體現(xiàn)了該市農(nóng)業(yè)灌溉主要依靠天然降水的特點(diǎn)。促進(jìn)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的和諧發(fā)展，是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

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