四川省农业生态系统能值分析与可持续性评估——基于五大经济区差异分析

王旭熙，彭 立，苏春江，马宇翔，王小兰

(1．中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都610041; 2．中国科学院大学，北京100049;3．西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳621010)

四川省农业生态系统能值分析与可持续性评估
——基于五大经济区差异分析

王旭熙1，2，彭 立1，苏春江1，马宇翔1，2，王小兰3

(1．中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都610041; 2．中国科学院大学，北京100049;3．西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳621010)

应用能值分析方法评估四川省五大经济区农业生态系统的发展趋势及可持续性。2000—2012年，四川省农业生态系统产值不断增加，而产值的增加主要依靠工业辅助能的大量投入，从而导致农业生态系统环境承载力和可持续发展能力减弱;五大经济区农业生态系统发展状况差异较大，成都、川南、攀西以及川西北经济区农业生态系统可持续性发展能力较弱，川东北经济区农业生态系统富有活力和发展潜力。在能值分析基础上，运用柯布－道格拉斯生产函数，探讨了四川省五大经济区农业生态系统中相关生产要素对农业生态系统产出能值的影响。五大经济区农业生态系统能值产出受各生产要素的影响不同，成都、川南经济区受水资源能值投入的影响最大，川东北、攀西以及川西北经济区受劳动力能值投入影响最大。

农业生态系统;能值;可持续性;生产函数;四川省

0 引言

农业生态系统是人类生存最基本的系统，农业的可持续性发展是人类赖以生存的基础。随着科技的进步和社会的发展，人类对农业生态系统的影响日益突出，主要表现为化肥、农药、农业用电、机械、劳动力的大量投入［1］，农业生态环境问题越来越明显。因此，对农业生态系统进行研究具有重要意义。常规的经济分析方法常忽视或低估资源环境对生产系统的贡献，且传统的能量分析难以解决不同类型、不同性质的能量相互加减和比较的问题［1－2］。H．T．Odum等［3］创立的能值分析理论与方法能客观地评价自然环境资源在农业生态系统中的作用，为农业生态系统的定量分析开拓了新途径。

目前，国内对农业生态系统能值的研究主要集中在能值分析理论、能值投入产出状况、经济动态、可持续发展、生态服务功能等方面［4－6］，研究方法主要包括构建能值评估指标体系、建立数学模型等。陆宏芳等［7］利用能值理论对农业生态系统定量分析进行了理论方法的探索，董孝斌等［8］对黄土高原典型流域农业生态系统生产力进行能值评价，周萍等［9］利用能值分析对黄土丘陵区退耕前后典型流域农业生态经济系统可持续性进行了评估，付意成等［10］基于能值分析理论建立了永定河流域农业生态补偿标准等。目前，相关研究选择的区域比较单一，对于不同区域农业生态系统的差异研究较少。

四川是中国西南地区的农业大省，由于资源环境、地理区位、人口与经济、发展潜力等的区域差异，全省分为成都经济区、川南经济区、川东北经济区、攀西经济区以及川西北经济区，五大经济区的农业发展水平也并不相同。因此，选取四川省五大经济区为研究对象，利用能值分析方法定量分析其农业生态系统的投入产出、环境承载力及可持续发展状况等，并在应用能值分析理论的基础上，运用柯布－道格拉斯生产函数模型，探讨农业生态系统中相关生产要素对农业生态系统产出能值的影响，为各区域农业产业结构调整、农业环境资源的合理开发以及农业的可持续发展及其评价提供理论依据。

1 区域概况

四川省位于97°21'～108°31'E，26°03'～34°19'N，幅员面积48．5万km2，素称“天府之国”。全省地貌以山地和丘陵为主，平原和高原较少，气候温和、湿润，年均气温14～19℃，年日照时数1 000～1 600 h，年平均降水量900～1 200 mm。全省共辖21个市(州)。根据四川省资源条件、地理区位和发展潜力，并参照四川省“十一五”规划，将21个市(州)分为五大经济区(图1)，即成都经济区(成都，绵阳，德阳，资阳，眉山)、川南经济区(宜宾，乐山，内江，自贡，泸州)、川东北经济区(南充，广安，广元，遂宁，巴中，达州)、攀西经济区(雅安，凉山，攀枝花)、川西北经济区(阿坝，甘孜)。

图1 研究区域示意图Fig．1 Schematic description of the study area

2 研究方法

2．1 能值分析方法

能值方法由H．T．Odum等［3］提出。能值定义为在制造服务和产品过程中直接和间接消耗掉的一类可用的能量［11］。生态经济系统是一个自组织系统，任何形式的能量都源于太阳能，随着能量在系统中流动，一部分能量散失掉(熵)，而系统同时形成具有较高能量等级的新形式的能量，这些能量均可用同一种形式的能值来表示，通常以太阳能量当量量化，表示为太阳能焦耳(sej)［4，12］。该方法将社会经济系统与生态环境系统统一起来，定量分析自然和人类社会经济的实际价值，从本质上改变了对生态或经济的单一分析，更有利于揭示生态经济发展与生态环境的相互关系［13］。本研究所用计算方法及能值转化率参考国内外相关研究成果［14－17］，并根据能量系统符号语言［18］，绘制农业生态系统能值流动示意图(图2)。

图2 农业生态系统能值分析简图Fig．2 Emergy analysis diagram for evaluating agriculture ecosystem

能值分析的主要指标包括能值投资率(EIR)、净能值产出率(NEYR)、环境承载率(ELR)和可持续发展指数(ESI)。EIR=U/I。式中:EIR为能值投资率;U为总辅助能投入;I为环境资源总投入。能值投资率高，表明经济发展水平高，对自然环境的依赖度较低［6］。EYR=Y/U。式中:EYR为净能值产出率;Y为总能值产出。净能值产出率越高，表明系统经济效益越高，资源利用效率越强［6］。ELR=(F+N)/(R+R1)。式中:ELR为环境承载率; F为不可更新工业辅助能;N为不可更新环境资源能;R为可更新环境资源能;R1为可更新有机能。环境承载率越高，表明经济活动对环境造成的压力越大。ESI= EYR/ELR。式中:ESI为可持续发展指数。ESI＜1，属消费性经济系统;1＜ESI＜10，表明经济系统富有活力和发展潜力;ESI＞10，是经济不发达的象征［19］。

2．2 柯布－道格拉斯生产函数模型

柯布－道格拉斯生产函数模型是被广泛应用的一种生产函数模型，可用来解决多种生产要素配合生产的最适合投入量及其最佳配合问题［20］。农业生态系统内部各亚系统间及其与外部经济、自然环境间都存在着错综复杂的能量流、物质流、货币流和信息流，从而决定了农业生产过程中各种生产要素的投入与产出间、生产要素与生产要素间的关系十分密切［21］。影响农业生态系统能值产出量的生产要素很多，其中农业机械动力、劳动力、化肥等是主要的影响因素［22—24］。根据四川省五大经济区农业生态系统的实际状况，借助柯布－道格拉斯生产函数来准确反映农业生态系统中相关生产要素对农业生态系统产出能值的影响，其生产函数表达式为:

式中:A为常数;Y为区域能值产出量;E为农村用电量能值投入量;C为化肥能值投入量;P为农药能值投入量;M为农业机械能值投入量;W为水资源能值投入量;L为劳动力能值投入量;a，b，c，d，e，f分别是各农业生产要素投入的弹性系数，表示各生产要素每增长1%，产出分别增长a，b，c，d，e，f倍。

3 结果与分析

3．1 农业生态系统能值投入与产出结构

能值投入由环境能值和经济能值两部分构成，经济能值包括可更新环境资源能值与不可更新环境资源能值，环境能值包括不可更新工业辅助能值和可更新有机能值［25—26］。农业生态系统能值投入产出结构及变化(表1)表明，2000—2012年四川省五大经济区农业生态系统能值总投入呈增加趋势，以成都经济区能值总投入最大。其中，农业生态系统不可更新工业辅助能值也呈增加趋势，成都经济区不可更新工业辅助能值在能值总投入中的比重由73．90%上升至89．22%，川南经济区由62．45%上升至80．66%，川东北经济区由46．71%上升至57．48%，攀西经济区由50．60%上升至79．82%，川西北经济区由11．58%上升至16．72%，攀西、川西北经济区增长幅度大于其他3个经济区。相反，农业生态系统可更新环境资源能值在能值总投入中的比重逐渐减少，成都经济区的比重由15．17%下降至5．57%，川南经济区的比重由32．81%下降至18．61%，川东北经济区由47．50%下降至38．16%，攀西经济区由44．79%下降至18．41%，川西北经济区由81．74%下降至66．00%，成都、攀西、川南经济区下降幅度大于川东北与川西北经济区下降幅度。这表明农业生态系统能值投入的增加主要依靠不可更新工业辅助能，即机械动力、电力、化肥、农药等能值投入。此外，在五大经济区中，川西北经济区环境能值投入比重较大，而其他4个经济区农业生态系统经济能值投入比重较小。能值产出由农林牧渔产品能值构成。2000—2012年四川省五大经济区农业生态系统能值总产出都呈增加趋势。2012年，成都经济区能值总产出最大，其值为1．51×1022sej，川西经济区最小，其值为1．52×1021sej，川南、川东北和攀西经济区分别为8．48×1021，5．02×1021和3．96×1021sej。

表1 2000—2012年四川省五大经济区农业生态系统能值投入产出结构及变化Tab．1 Emergy input-output structure of agriculture ecosystem in five economic zones of Sichuan Province during 2000—2012

3．2 农业生态系统主要能值指标

3．2．1 能值投资率。能值投资率是衡量经济发展程度的指标［4］。2000—2012年，四川省五大经济区农业生态系统的能值投资率都呈递增态势。2012年，成都经济区能值投资率最高，川南、攀西经济区次之，川东北、川西北经济区能值投资率较低(图3)。这表明川东北、川西北经济区农业生产技术水平较落后，对自然环境的依赖度较高。

图3 2000—2012年四川省五大经济区农业生态系统能值投资率Fig．3 Agriculture ecosystem’s EIR in five economic zones of Sichuan Province during 2000—2012

3．2．2 净能值产出率。净能值产出率是评价能值利用效率的重要指标［24］。2000—2012年，除成都经济区和攀西经济区外，其他3个经济区农业生态系统净能值产出率都呈增加趋势。2012年，川西北经济区净能值产出率最高(图4)，表明与其他经济区相比，其农业生态系统经济效益较高，而成都经济区净能值产出率最低，说明成都经济区的农业生产运行效率以及农业生产中对辅助能的利用效率较低。

图4 2000—2012年四川省五大经济区农业生态系统净能值产出率Fig．4 Agriculture ecosystem’s NEYR in five economic zones in Sichuan Province during 2000—2012

3．2．3 环境承载率。环境承载率反映经济活动对环境造成的压力，对农业生态系统起警示作用［27］。2000—2012年，四川省五大经济区农业生态系统环境承载率呈增加趋势(图5)。成都经济区增长幅度最大，攀西、川西北、川南经济区次之，川东北经济区最小。2012年，成都经济区环境承载力值高达16．17，攀西、川南、川东北经济区环境承载率分别为4．39，4．24，1．56，而川西北经济区环境承载率为0．50。

3．2．4 可持续发展指数。2000—2012年，四川省五大经济区农业生态系统可持续发展指数呈下降趋势(图6)。成都与攀西经济区主要是因为净能值产出率不断下降，而环境承载率不断上升，其他3个经济区农业生态系统可持续发展指数下降是因为环境承载率上升的幅度大于净能值产出率上升的幅度。2012年，成都、川南和攀西经济区农业生态系统可持续发展指数均小于1，属消费性经济系统，川东北经济区农业生态系统可持续发展指数在1～10之间，表明该区农业生态环境虽仍具有一定的活力和发展潜力，但其可持续性正逐年减弱，接近临界点1，川西北经济区农业生态系统可持续发展指数大于10，资源开发利用明显不足。

图5 2000—2012年四川省五大经济区农业生态系统环境承载率Fig．5 Agriculture ecosystem’s ELR in five economic zones of Sichuan Province during 2000—2012

图6 2000—2012年四川省五大经济区农业生态系统可持续发展指数Fig．6 Agriculture ecosystem’s ESI in five economic zones of Sichuan Province during 2000—2012

3．3 农业生态系统投入生产函数模型

3．3．1 模型的建立。根据四川省五大经济区2000—2012年农业生态系统能值投入－产出的数据，运用SPSS 13．0软件对数据进行处理分析，得出五大经济区生产函数模型的回归方程式如下:

3．3．2 模型结果分析。五大经济区投入产出生产函数模型的R2都大于0．900，表明农业生态系统的能值产出与农村用电量能值投入、化肥能值投入、农药使用量能值投入、农业机械动力能值投入、水资源能值投入、劳动力能值投入密切相关。模型各系数大小表明各项因素对五大经济区农业生态系统能值产出的影响不同，农业用电量和农业机械能值投入对成都、川南、川西北经济区农业生态系统能值产出起正向作用，而对川东北、攀西经济区农业生态系统能值产出起负向作用;化肥、农药能值投入以及劳动力能值投入对5个经济区农业生态系统能值产出起正向作用;水资源能值投入对除川西北经济区外的4个经济区的农业生态系统能值投入起负向作用。此外，成都经济区受水资源能值投入影响最大，水资源能值投入每增加1%，相应的农业生态系统能值产出平均下降0．224%;川南经济区受水资源、劳动力以及机动械力能值投入影响较大，水资源能值投入每增加1%，相应的农业生态系统能值产出平均下降0．546%，劳动力能值投入每增加1%，相应的农业生态系统能值产出平均增加0．465%，机械力能值投入每增加1%，相应的农业生态系统能值产出平均增加0．355%;川东北经济区和攀西经济区受劳动力、化肥投入以及水资源能值影响较大，劳动力能值投入每增加1%，相应的农业生态系统能值产出平均增加1．437%和1．309%，化肥能值投入每增加1%，相应的农业生态系统能值产出平均增加0．550%和0．363%，水资源能值投入每增加1%，相应的农业生态系统能值产出平均下降0．422%和0．345%;川西北经济区劳动力能值投入影响最大，劳动力能值投入每增加1%，相应的农业生态系统能值产出平均增加0．190%。

4 结论与讨论

运用能值分析理论对四川省五大经济区农业生态系统进行了综合性评价。2000—2012年四川省五大经济区农业机械化水平不断提高，农业生态系统产值不断增加。然而，农业生态系统产值的增加主要依靠大量的电力、机械动力、化肥、农药等经济能值投入来实现的，这不仅导致生产成本的增加［4］，而且使农业生态系统自我修复功能退化，环境承载力不断增加，农业生态系统可持续性发展能力不断降低。五大经济区农业生态系统发展状况差异较大。成都经济区农业生产发展水平较高，对电力、机械动力、化肥、农药等经济能值的依赖度也高，其净能值产出率低，且生态压力大，2012年其环境承载率值高达16．17，农业生态系统可持续性发展指数低于1，可持续性发展力较弱;川南经济区农业生态系统净能值产出率逐渐增大，生态环境压力越来越大，但环境承载率值增加幅度大于净能值产出率增加幅度，农业生态系统可持续发展指数逐渐降低，且值低于1，可持续性发展力也较弱;川东北经济区农业生态系统可持续指数在1～10，农业生态系统富有活力和发展潜力;在五大经济区中，2000—2012年攀西经济区农业生态系统不可更新工业辅助能增加幅度最大，导致生态环境压力增加，农业生态可持续发展指数逐渐降低，到2012年其值小于1，属于消费性生态系统;川西北经济区农业生态系统经济效益较高，但农业生态系统可持续指数大于10，农业生产对自然资源的依赖度高，资源开发利用明显不足。五大经济区应根据实际情况，注重农村产业结构优化，提高农业生产效率，促进农业生态系统平衡发展。

运用柯布－道格拉斯生产函数，建立了根据不同农业生产要素变化的农业生态系统产出能值变化生产函数模型。模型分析表明，水资源能值投入对除川西北经济区外的其他4个经济区的农业生态系统能值投入起负向作用，这在一定程度上反映了成都、川南、川东北、攀西经济区农业生产中对水资源的利用不够合理。川东北、攀西、川西北经济区受劳动力影响最大，可能因为经济区经济水平相对较低，外出务工人员较多，导致农村劳动力相对缺乏。此外，各经济区也受机械动力、化肥、农药、用电量等生产要素不同程度的影响。因此，在以后的农业生产中，应根据五大经济区实际情况，加强成都、川南、川东北、攀西经济区农村水利基础设施建设，节水灌溉，高效利用水资源;提高川东北、攀西、川西北经济区农民生活水平，改善人力资源组成;全面提升农业机械化水平，充分发挥农业机械在农业生产中的技术集成、节本增效的重要作用;注重调整化肥、农药施用结构，合理施肥，提高化肥利用率，尽量避免或减少使用农药，降低对生态环境造成的压力。

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Emergy Analysis and Sustainable Development of Agriculture Ecosystems in Sichuan Province:Analysis Based on the Five Different Economic Regions

Wang Xuxi1，2，Peng Li1，Su Chunjiang1，Ma Yuxiang1，2，Wang Xiaolan3
(1．Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China;2．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China;3．College of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China)

In this paper，emergy theory was applied to the quantitatively assessment of the agriculture ecosystems in five economic zones in Sichuan Province during 2000—2012．The results indicates that agricultural ecological system output was growing in 2000—2012，but increase industrial output value mainly depended on a large number of economic emergy input，caused the environmental carrying capacity and the sustainability of the system weakened gradually．The development status of the agriculture ecosystems in Sichuan Province varied among regions．The sustainability of agriculture ecosystems in Chengdu economic zone，Southern economic zone，Panxi economic zone and Northwest economic zone were weak，while Northeast economic zone was full of vitality and development potential，and based on the analysis of the emergy，utilized the Cobb-Douglas production function to investigate the influence of related production factors of agricultural ecosystem on output emergy．According to the elastic coefficients to the model，the output emergy of the agriculture ecosystems in five economic zones were affected differently，water resources emergy investment is the biggest factor in Chengdu economic zone，Southern economic zone，and the labor emergy investment is biggest factor in Northwest economic zone，Panxi economic and Northeast economic zone．

agriculture ecosystem;emergy;sustainability;production function;Sichuan Province

F323

:A

:1003-2363(2015)05-0128-05

2014－04－28;

:2015－04－22

四川省软科学计划项目(2015ZR0121);四川省国土资源厅科研项目(Y5D2180180)

王旭熙(1985－)，女，四川眉山市人，博士研究生，主要从事区域农业与农业生态方面的研究，(E-mail)wangxuxi1985@ 163．com。

彭立(1983－)，男，山东滕州市人，助理研究员，博士，主要从事水土资源可持续利用研究，(E-mail)pengli@imde．ac．cn。