基于能值理論的水土保持生態效應評價

仲朝暉

(葫蘆島市水土保持辦公室，遼寧 葫蘆島 125000)

水土流失不僅破壞土地資源，引起自然生態系統的失衡，而且對人類賴以生存的環境以及經濟社會發展造成威脅，水土流失治理是國內外生態環境研究的主要內容之一。水土保持是防治水土流失的有效手段，多年來一直受到國內外生態學者的關注，而水土流失治理關鍵性技術措施的合理性與有效性評價分析是水土保持規劃與發展的重要理論依據，對水土保持措施實施狀況及其生態效應進行研究分析是水土保持措施研究的重要內容。當前，灰色系統評價法以及模擬分析法是進行生態效益評估的主要方法，該方法在進行評價時往往將經濟與生態作為兩個系統進行分析。因兩種評價方法的衡量標準、評價方式存在差異，因此無法直接對其進行對比分析，在生態效應評價前對各評價指標度量單位和量綱進行歸一化處理十分必要。

美國生態學者H.T.Odum在20世紀80年代創立了能值理論，它是以太陽能值為依據通過將經濟系統與生態系統進行有機的結合，實現了評價指標度量單位的統一，并因此避免了傳統地將生態與經濟系統分開評價的缺陷[1-2]。能值理論因具備度量單位統一處理的特征，其評價結果較為客觀真實，因此在研究與評估地區或國家資源、經濟、環境、可持續利用等方面得到廣泛的應用[3-5]。在環境應用方面，能值理論主要用于對森林或濕地的生態系統評價，而利用能值理論對水土流失治理措施的生態效應進行評估的報道相對較少[6-9]。據此，文章以遼寧省大凌河為研究對象，采用統一能值分別對水土保持生態經濟系統的投入與產出物質進行研究分析，然后根據能值分析表對大凌河流域水土保持措施的可持續性與合理性進行探討。以期更加全面、科學、準確地對大凌河流域水土保持綜合治理生態效應進行評價分析，為該流域制定適宜性水保措施提供理論基礎，并完善能值理論在生態效應評價的研究應用。

1 研究區域概況

大凌河流域位于我國遼寧省西部區域，面積約為2.35萬km2，主要支流包括牤牛河、老虎山河、大凌河西支等。屬于溫帶季風氣候，四季分明，日照豐富、溫差大，每年的7—10月為降雨旺季，年降水量為450～600mm，降雨分布不均衡。地勢由東南向西北方向逐漸降低，植被覆蓋率較低，流經低山低丘陵區、山間河谷平原以及林草灘地區，其中低山低丘陵區面積較大，土質疏松物理性能較差，植被覆蓋率低、溝壑縱橫交錯，水土流失嚴重且危害較大。大凌河流域針對水土流失問題分別開展實施了建設梯田、增加灘地、退耕還林、造林種草以及發展生態畜牧等關鍵性水土保持措施，并有效改善了流域內經濟與生態環境[10]。

2 數據來源及方法

2.1 數據來源

大凌河流域水土流失嚴重，水土保持關鍵性技術措施主要有大棚種植、退耕還林、梯田建設、生態畜牧發展等。為了對水土流失治理效應進行客觀系統的評價，根據生態經濟系統的產品產出和用地類型等受水土流失治理措施的作用影響，根據治理區域基本特征對能值指標進行選取，并構建能值指標評價體系對生態效應進行全面、客觀的研究分析。該研究中農、林、牧等相關產出數據以及農業機具、農膜、灌溉水和肥料等數據均來自遼寧省2006—2015年統計年鑒。根據遼寧省水土保持監測站相關數據資料對研究流域治理和新增水土流失面積進行統計，依據遼寧省氣象局對年均降雨量及太陽輻射量數據進行統計。

2.2 構建評價指標

依據能值來源可將系統投入能值劃分為可更新有機能、工業輔助能、可更新和不可更新自然資源4大方面，其中前兩類能值需以貨幣進行購買，而后兩部分可從自然界無償獲取。太陽光、雨水化學能、雨水勢能等能量來源相同為其主要組成，為避免對其進行重復計算，可更新資源通常選取數據最大者。同時，該研究選取表土凈損耗能和鉀肥、氮肥和磷肥分別作為不可更新環境資源和工業輔助能源項目，可更新有機項目選取有機化肥、蓄力和勞力[11]。

系統產出能值指標分別選取林業、種植業和畜牧業等參數，其中畜產品主要包括牛肉、奶類等；農產品主要有小麥、玉米和大豆等。系統產出能值所占社會經濟輸入能值的比重即為凈能值產出率，是表征系統產出對社會經濟貢獻程度的重要參數指標，該指標的大小代表在相同經濟投入條件下的產品產能的高低。其計算公式如下：

EYR=Emy/(F+R1)

(1)

式中，EYR—Emy維所對應的總產出能值；F，R1—分別為工業輔助能和可更新有機能。

系統不可更新與可更新資源投入總量的比重即為環境負載率，它是表征系統負荷程度的主要參數指標，此值越小則系統所承受的環境壓力就越低，其計算公式如下：

ELR=(F+N)/(R+R1)

(2)

式中，ELR—N維不可更新環境資源；R—可更新環境資源。

根據上述計算結果和相關指標的基本內涵，凈能值產出率與環境負載率的比值即為可持續發展指數ESI，它是表征生態經濟可持續發展水平的重要參數指標。ESI值小于1時，則說明系統為消費型；ESI大于1且小于10時，則說明系統充滿發展潛力和活力；ESI大于10時，則說明系統經濟有待發展，其計算公式如下：

ESI=EYR/ELR

(3)

2.3 能值計算方法

在相同能值標準下的能值分析是對生態經濟系統中儲存和流動的不可分析對比、不同形式的能量進行轉化，對生態效應、各類資源的利用情況以及系統可持續發展進行定量的分析和探討，并以此實現不同類型信息、能量和物質的統一評價。能值分析其基本內涵是將生態系統內各類資源和產品所包含的能量轉化為太陽能值的形式，計算公式如下：

E=TB

(4)

式中，E—太陽能值；T，B—分別為太陽能值轉化率和物質所包含的質量或能量。

該研究通過對水土流失治理生態經濟系統內不同物質和能量轉化為同一標準的能值，編制了大凌河流域投入與產出能值分析表，然后通過構建能值分析評價體系對系統的投入產出能值進行了全面的分析比較，并以此作為大凌河流域水土保持生態效應評價的主要依據，以期為研究流域制定科學、有效的水土流失治理關鍵性技術措施提供決策依據和理論支持。

3 結果與分析

3.1 投入能值結構的對比分析

大凌河流域生態經濟系統的能值投入結構對比分析結果詳見表1，能值投入結構變動趨勢如圖1所示。

表1中，太陽光、雨水勢能和雨水化學能的能值轉化率分別為1×10-19，1.00×10-16，1×10-16sej/J(或sej/g)；氮肥、磷肥、鉀肥、復合肥、農藥、農膜以及機械動力能值轉化率分別為3.80×10-11，3.90×10-11，1.10×10-9，2.80×10-11，1.60×10-9，3.80×10-9，7.5×10-13sej/J(或sej/g)；勞力、蓄力、有機化肥、種子和灌溉水的能值轉化率分別為3.80×10-15，1.46×10-14，2.70×10-15，6.60×10-15，8.98×10-15sej/J(或sej/g)；受文章篇幅限制，各項目的能值轉換系數參考相關文獻，該研究不做詳細的介紹，下同。

表1 大凌河流域生態經濟系統的投入能值

圖1 大凌河流域生態經濟系統能值投入結構變動趨勢

由表1計算結果可知，不規則變化的自然資源是可更新環境資源的主要組成成分，其能值變化的不確定性受環境資源組成成分的特殊性影響顯著。2006—2009年的表土凈損耗能呈增加趨勢，由2006年的3.61×1019增大至2009年3.67×1019，該值上升的主要原因可能與梯田、灘地和壩地等工程設施的建設相關；而2009—2015年的表土凈損耗能整體呈下降趨勢，由3.67×1019降低至3.52×1019，其原因可能與水土保持措施有效防沙護土并減少水土流失有關，水土保持措施開始發揮生態效益。工業輔助投入能值由2006年的1.82×1021增大至2015年的2.24×1021，該指標整體保持增大趨勢，說明系統的電力、機械動力和化肥等消耗量隨著社會經濟的不斷發展而逐漸增大；可更新有機能由2006年的1.34×1021降低至2015年的1.16×1021，整體呈下降趨勢，其原因可能與勞動力向其他行業的轉移以及蓄力由機械動力的替代等因素相關。工業輔助能投入占總投入能值的比例小于52%并低于全國平均水平的65%，由此說明系統農業現代化水平整體較低，仍需進一步提高。綜上所述，在系統農業現代化水平較低的條件下，可更新有機能值的下降以及工業輔助投入能值的增加可促進生態經濟系統的協調發展，使得人類社會逐漸由農業轉為其他行業的發展，在確保農業生產增大的基礎上最大限度地創造更多的社會價值。由此表明，水土保持生態治理有利于促進生態系統環境的平衡發展，并進一步表明水土流失治理關鍵性技術措施具有科學性與合理性。

表2 大凌河流域生態經濟系統的產出能值表

3.2 產出能值結構的對比分析

大凌河流域水土流失治理生態經濟系統產出能值結構計算結果詳見表2，系統能值產出結構變動趨勢如圖2所示。畜牧業和種植業是生態經濟系統的主要產業，其中畜牧業整體呈增加趨勢，且變化波動幅度較大。

表2中農產品玉米、小麥、大豆、其他糧食、棉花、油料、水果和蔬菜的能量轉化率分別為8.52×10-17、6.80×10-15、6.90×10-15、2.70×10-15、8.6×10-12、6.90×10-14、2.87×10-14、2.70×10-15sej/J(或sej/g)；蓄產品中的豬肉、牛肉、羊肉、禽肉、奶類和禽蛋的能量轉化率分別為1.7×10-15、4.00×10-14、2.00×10-13、1.70×10-13、1.71×10-13、1.71×10-14sej/J(或sej/g)；水產品和林產品的能量轉化率分別為2.00×10-14和3.49×10-14sej/J(或sej/g)。

圖2 大凌河流域生態經濟系統能值產出結構變動趨勢

由表2計算結果可知，畜牧業能值由2006年的4.07×1021增大至2015年的4.76×1021，整體呈波動型上升趨勢，表明研究區域生態畜牧建設有利于促進畜牧業的發展。農產品系統中的蔬菜的產出能值由2005年的6.44×1019增大至2015年的7.18×1019，整體表現出先降低后增大的趨勢，表明生態治理的大棚種植措施有利于提高糧食蔬菜的產量值；玉米、小麥、大豆和油料等主要農作物總產量在2006—2007年表現出增大趨勢，隨后在2008—2010年呈現出明顯的下降趨勢，然后在2010—2015年又表現出明顯的上升趨勢，具體的變過如圖2所示。農作物能值產出整體為先上升后下降再上升的趨勢，引起該變化趨勢的主要原因為退耕還林、梯田建設和淤地壩等措施在實施初期，生態經濟系統壓力較大并造成資源的有效利用率較低；隨著治理工程設施的不斷完善和利用，相關工程逐漸發揮生態效益，水土流失得到治理并引起農作物產量的增大。水果的產出能值由2005年的2.14×1019逐漸降低至2015年的3.41×1019，并且在2014年降低至最低為1.54×1019，該能值產出整體表現為下降趨勢，但是這與種植經濟林有利于改善水土流失現狀的實際狀況不符，其原因可能是大凌河流域在縣級點的經濟林主要集中在貧瘠區域，主要是靠勞動力生產且不適于機械作業，并引起經濟成本較高，據此種植經濟林的經濟效益不明顯，并最終導致水果的能值產出沒有增大反而降低的結果。

表3 大凌河流域生態經濟系統主要能值產出指標

3.3 主要能值指標分析

大凌河流域水土流失治理生態經濟系統凈主要能值產出指標計算結果詳見表3，能值分析主要指標的分布如圖3所示。

圖3 大凌河流域生態經濟系統能值分析主要指標分布圖

凈能值產出率由2005年的2.05降低至2011年的1.81，而后又增大至2015年的2.25，整體表現出先降低后增大的趨勢，并于2015年增加至最大，其原因可能與總產出能值的變化相關，總產出能值由2005年的6.55×1021降低至2011年的5.98×1021，而后增大至2015年的7.61×1021，相對于2005年增大了約16%，研究表明在此期間投入結構的變化引起了資源利用效率和經濟效益的提高。研究系統中凈能值產出率為1.81～2.25，屬于合理區間1～6的區間之內，說明系統在補償能值投入后的產出能值仍有剩余，生態經濟系統表現出較強的競爭力并且大凌河流域水土保持措施具有良好的科學性和可持續性。

同時，表3和圖3表明大凌河流域的環境負載率整體呈先上升后下降的趨勢，由2005年的0.91增大至2013年的1.30，而后又降低至2015年的1.17，環境負載率在2013年達到最大。結合文中分析結果，生態經濟系統在2005—2013年的壓力較大，各項資源和措施有效利用率較低，隨后水土保持治理措施逐漸發揮效益，并促進生態環境的改善，有利于降低環境負荷壓力。所以，水土流失治理措施要結合當地實際情況，因地制宜的降低對生態系統環境的負面影響，最終達到保護生態環境，提高環境資源有效利用率的目標。

由表3和圖3可知，可持續發展指數位于1.50～2.20之間，符合可持續發展指數1～10的變化范圍，表明生態經濟系統具有較強的活力和發展潛力。生態環境系統未受到水土保持措施的破壞影響，進一步表明水土流失治理措施具有良好的合理性和科學性。

4 結論

文章以大凌河流域2006—2015的水土流失治理現狀為基礎，采用能值分析理論對其生態經濟系統的投入產出狀況進行研究分析。通過對生態經濟系統投入產出結構以及能值指標分析可知，大凌河流域水土保持措施發揮了明顯的效應，具有較強的活力和可持續發展能力，為了提高該區域綜合效應的最大化，研究指出在未來水土流失治理中應按照分區治理、明確方向，深化改革、加快發展，監督執法、健全制度等原則，進一步提高水土保持的綜合效益。