石家庄市农业生态系统能值演变趋势分析
2013-04-29李双江胡亚妮
李双江 胡亚妮
摘要：应用能值分析方法对2005-2010年石家庄市农业生态系统能值总量、投入和产出结构以及各能值指标的变化进行了趋势分析。结果表明，研究期石家庄农业生态系统总能量投入呈下降趋势，总能值产出基本保持平稳，投入产出效率提高了8.1%。能值投入结构基本未变，农业生产主要依附于工业辅助能的投入；总能值产出中牧业和种植业的比重发生了一定的此消彼长，种植业能值消费向谷物和水果转移，牧产品消费由猪、牛、羊肉向家禽、奶类和蜂蜜转移；石家庄市农业生态经济系统整体功能较好，对自然资源的依赖性低，粮食生产安全性较高，但总辅助能投入增长空间不大；石家庄农业生态系统具有较强的可持续性与较大的发展空间，同时对环境和资源产生了一定的压力。石家庄市应调整其农业生态系统能值投入和产出结构，加大科技投入，发展生态农业，促进其可持续性。
关键词：农业生态系统；能值；演变趋势；石家庄市
中图分类号：F323.22 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）06-1469-05
2008年末，中国人均耕地面积约为0.092 hm2，仅为世界平均水平的42.8%。如何利用有限的环境资源满足不断增大的粮食需求，实现农业可持续发展成为中国面临的严峻挑战之一。为了满足日益增长的消费需求，对农田生态系统调控和影响越来越突出，主要表现为化肥、农药、农业用水、机械、劳动力和信息的大量投入，这使得农业生态经济系统的结构和功能不断遭到破坏。因此，如何合理地进行资源的投入，提高农业生态经济系统发展的可持续性已成为当前广受关注的课题[1-8]。
石家庄市位于河北省中南部，西高东低，西部地处太行山中段东坡，东部为冲积平原，属温带大陆性半湿润半干旱季风气候区，四季分明、雨热同季，多年平均气温13.4 ℃、降水量534.4 mm、无霜期210 d、日照时数2 426.9 h、≥10 ℃的积温4 553.6 ℃，可满足一年两熟（冬小麦-玉米）的热量需要。西部山地丘陵以棕壤、褐土为主，东部冲积平原以潮土为主，耕地复种指数1.7左右，适宜生长小麦、玉米、豆类等多种农作物，是河北省乃至北方地区粮食高产区。运用能值分析方法，对石家庄市农业生态系统2005-2010年能值总量、投入和产出结构以及各能值指标的变化进行趋势分析，以期为农业发展规划提供科学依据，也为农业生态系统的可持续发展提供理论参考。
1 研究方法与数据来源
1.1 能值分析理论
能值分析理论是由著名生态学家Odum[9]于20世纪80年代创立的。所谓能值是一种流动或贮存的能量中所包含的另一种类别能量的数量，即产品或劳务形成过程中直接或间接投入应用的一种有效能量[10]。能值分析以能值为基准，把生态系统或生态经济系统中不同种类的能量通过能值转换率转换成同一标准的太阳能值（单位太阳能焦耳，缩写为sej）来衡量系统中的各种生态流。将物质或能量转化为太阳能值的基本表达式为：M=τB，式中M为太阳能值（sej），τ为太阳能值转换率，B为可用能[11]。
能值分析理论克服了传统生态系统分析方法的不足，可以定量分析生态经济系统的结构、功能，得出一系列能值综合分析指标，从而评价各种生态流在系统中的作用和地位，定量分析系统的结构功能特征与生态经济效益，以了解人类社会对环境的影响和资源的利用状况，为正确处理人类社会经济活动与自然环境的关系和可持续发展提供科学依据[1，12-14]。
1.2 数据来源与处理
数据主要源于2006-2011年石家庄市统计年鉴、中国农业统计年鉴等。能值转换率和能量折算系数参考《农业技术经济手册》、《生态系统能值分析》[15]和其他相关研究成果[11，16]。能值投入和产出根据石家庄市农业生态系统的实际情况进一步细分，将能值投入分为：可更新环境资源能值投入、不可更新环境资源能值投入、不可更新工业辅助能值投入、可更新有机能值投入；将能值产出分为：种植业能值产出、林业能值产出、牧业能值产出、渔业能值产出。根据农田生态系统的特点构建功能指标（能值自给率、能值投入率）和可持续发展指标（净能值产出率、环境负载率和可持续发展指数）等进行定量分析。
基于以上分类对石家庄市农业生态系统2005-2010年各种生态流变动情况进行计算，分别得到2005-2010年农业生态系统能值投入（表1）、2005-2010年农业生态系统能值产出（表2）、2005-2010年农业生态系统能值分析指标（表3）。
2 结果分析
2.1 能值投入结构分析
2005-2010年，石家庄市农业生态系统总能量投入呈下降趋势，由2005年的1.59E+22sej降低到2010年的1.48E+22sej（表1），减少了6.5%。其中，除工业辅助能比率稍有下降外（83.2%到82.4%），可更新环境资源、不可更新环境资源、可更新有机能值占总投入的比率基本保持不变。从能值看，可更新有机能略有增加，由7.23E+20sej增至7.49E+20sej，增幅为3.5%；可更新环境资源能值、不可更新环境资源能值和不可更新工业辅助能值投入都有所降低，降幅分别为3.5%、2.5%和7.5%。
2.1.1 可更新环境资源能值投入分析 雨水化学能的变化是可更新环境资源能值投入降低的主要原因，说明降水对该地区农业生产具有非常重要的作用。石家庄市光合有效辐射和耕地资源均较为丰富，但水资源相对紧缺，该地区多年平均水资源总量为21.6亿m3，2010年人均水资源量仅为244 m3，不到全国人均水资源量的1/9，属中国水资源最紧缺的地区之一。在严重的水资源供求矛盾下，水利和农业基础设施的建设对于稳定农业生产至关重要。
2.1.2 可更新有机能值投入分析 研究期，用工总投入是该地区可更新有机能值的70.0%，可见石家庄市农业生产模式属于劳动密集型产业。2010年底，石家庄市第一产业从业人员368.5万人，占乡村劳动力资源数的91.7%，占全市人口的36.0%，很难在短期实现农村剩余劳动力的完全转移。因此，应加强农林牧副渔相结合，走集约高效可持续发展的现代农业之路，提高区域农业自身吸收剩余劳动力的能力。
2.1.3 不可更新资源能值投入分析 不可更新资源能值投入包括不可更新环境资源投入和不可更新工业辅助能投入两部分。前者主要为表土流失能，由于石家庄市属于半湿润半干旱气候，且年降雨量有减少趋势，导致该地区不可更新资源能值年投入量较低，仅为工业辅助能值投入的0.3%～0.4%。工业辅助能值占总能值投入的比率在82.0%以上，说明该地区农业生产主要依附于不可更新的工业辅助能值投入，由此带来一系列问题，如化肥和农药的不合理和过量使用，造成资源浪费、生产成本增加和环境污染。
2.2 能值产出结构分析
2005-2010年，石家庄市年总能值产出基本保持平稳，由1.29E+23sej增长到1.30E+23sej，增长了0.8%（表2）。种植业、林业、牧业和渔业的量比关系由2005年的12.23∶0.01∶87.51∶0.25变为2010年的14.57∶0.01∶85.14∶0.29。其中，牧业和种植业能值的量比关系发生了一定的此消彼长，牧业能值比重由87.5%下降为85.1%，种植业能值比重由12.2%增至14.6%。这种结构性变化是在政府农业政策和市场的双重影响下，石家庄市农业结构不断调整的结果。
2005-2010年，石家庄市种植业能值产出增长了20.3%，其中谷物增长速度最快（116.6%），其次是水果（22.1%）和是小麦（2.9%），秋收豆类、薯类、棉花、油料和蔬菜瓜果分别下降了45.7%、23.3%、20.2%、10.6%和10.0%。说明人们在粮食作物的消费上向谷物和水果转移。
2005-2010年，牧业能值产出比重保持在较高水平，但其构成变化很大，牛肉、猪肉和羊肉的能值产出6年间分别下降了50.7%、35.0%和34.9%，而家禽、奶类和蜂蜜的能值产出分别增长了10.5%、53.9%和62.5%。说明人们消费质量的进一步提升，由以消费猪、牛、羊肉为主向家禽、奶类和蜂蜜等更保健的畜牧产品转移。
石家庄市林业和渔业能值产出所占比重很小。2005-2006年，林业能值产出基本不变，2007-2009年，能值产出呈不断降低趋势，2010年又有所上升，这可能是林业政策的实施所导致；渔业能值产出6年间增长了17.2%，这主要是由于人们水产品的消费需求增长较快所造成的。
2.3 能值指标分析
2.3.1 净能值产出率 净能值产出率是总能值产出与总辅助能值投入的比率，其值越高，表明系统的生产效率越高，经济活动越有竞争力。石家庄市农业生态系统净能值产出率从2005年到2010年下降了3.6%，呈现出波动的微弱下降趋势。净能值产出率低于同期的天津市[5]，但远高于承德市[17]和德州市[18]，说明石家庄市农业生态系统净能值产出率处于较高水平，农业生态经济系统整体功能较好，运转效率和能值回报率较高，产品具有较强的市场竞争力。
2.3.2 能值自给率和能值投入率 能值自给率是总环境能值投入与总能值投入的比率，而能值投入率是总辅助能值投入与总环境能值投入的比率。能值自给率越低，能值投入率越高，系统对经济投入依赖程度越大。2005-2010年石家庄市农田生态系统的能值自给率表现为先升高后降低，而能值投入率则呈波动上升趋势（表3），表明系统对自然环境的依赖程度先升后降，对经济投入依赖性增强。能值投入率从2005年到2010年上升了8.5%，高于同期周边的天津市[5]、承德市[17]和德州市[18]等地区，说明石家庄市农业对自然资源的依赖性低，粮食生产安全性较高，且总辅助能投入增长空间不大。
2.3.3 环境负载率 环境负载率指不可更新环境资源能值投入和不可更新工业辅助能值投入之和与可更新环境资源能值投入的比率。较高的环境负载率说明在经济系统中存在高强度的能值利用和高水平的科技力量，会对环境系统保持较大的压力。若长期处于较高的环境负载率下，系统将产生不可逆转的功能退化或丧失[19]。石家庄市农业生态系统环境负载率由2005年到2010年下降了6.1%，呈现出波动下降趋势，低于同期的天津市[5]和德州市[18]，高于承德市[17]，远低于发达国家水平。一方面，说明石家庄的农业发展远未达到高投入高产出的状态，仍有很大的发展潜力；另一方面，也表明石家庄市农业系统对环境和资源有一定的压力，其自然、社会、经济系统还不协调，环境资源系统效益不高。因而，应加大科技管理投入，发展生态农业，提高资源的利用效率，减少对环境的污染。
2.3.4 系统可持续发展指数 可持续发展指数（ESI）指能值产出率与环境负载率的比值，该指数能够较客观地说明区域可持续发展能力。当1
3 结论
运用能值分析对石家庄市农业生态系统2005-2010年能值投入与产出情况进行了计算与分析，并对其功能和可持续性进行了评价，得到以下结论：①研究期，石家庄农业生态系统总能值投入呈下降趋势，总能值产出基本保持平稳，投入产出效率提高了8.1%。②水资源短缺是石家庄市农业发展最大的制约因素，应加强农业基础设施建设和提高水资源利用效率；能值投入结构基本未变，农业生产主要依附于工业辅助能的投入，造成资源浪费、生产成本增加和环境污染，要改变现有的劳动密集型产业模式，走农林牧副渔相结合的可持续发展农业之路；牧业和种植业在总能值产出中比重发生了一定的此消彼长，种植业能值消费向谷物和水果转移，牧产品消费由猪、牛、羊肉向家禽、奶类和蜂蜜转移。③石家庄市农业生态经济系统整体功能较好，产品具有较强的市场竞争力，其对自然资源的依赖性低，粮食生产安全性较高，但总辅助能投入增长空间不大。④石家庄农业生态系统具有较强的可持续性与较大的发展空间，农业可持续性受农业政策的影响。同时对环境和资源产生了一定的压力，应加大科技管理投入，发展生态农业。
结果存在一定的误差。一方面，能量转换系数和能值转换率参考了相关的研究成果，但由于地区之间生产水平与效益等因素存在差异，可能造成一定的误差；另一方面，个别数据（如种子用量）无法调查得到，通过估算（种子用量=当年粮食产量的2.0%）会造成一定的误差。这些都有待于进一步探讨。
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