基于能值理论的水土保持生态效应评价
——以山西省长治市为例
2017-09-07朱基杰饶良懿
朱基杰，饶良懿†
(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.水土保持国家林业局重点实验室，100083，北京)
基于能值理论的水土保持生态效应评价
——以山西省长治市为例
朱基杰1,2，饶良懿1,2†
(1.北京林业大学水土保持学院，100083，北京；2.水土保持国家林业局重点实验室，100083，北京)
运用能值理论分析方法，选取2004—2014年的统计数据，对长治市水土流失治理生态经济系统的投入产出能值及主要能值指标进行分析。研究表明：系统能值投入波动较大，整体呈增加趋势，最低值为2008年的3.91×1021sej，最高值为2011年的4.33×1021sej；系统总能值产出呈现整体增加、局部时间段下降趋势，最低值为2010年的5.95 ×1021sej，最高值为2014年的7.62 ×1021sej，其中2大主导产业中畜牧业整体呈增加趋势、农业中蔬菜产量不断增加都说明水土保持措施取得了一定成效；主要能值指标中，净能值产出率均>1、可持续发展指数1 水土保持; 生态效应; 生态经济系统; 能值分析; 长治市 水土流失是全球主要环境问题之一，它不仅破坏土地资源，导致生态平衡失调而且影响人类社会持续发展。以防治水土流失为目的的水土保持一直是国内外学者关注的焦点，而水土保持生态效应评价通过分析水土保持措施的生态效应、水土保持规划实施情况评估水土保持措施的合理性，为下一步水土保持的发展和规划提供理论依据，是水土保持研究不可或缺的重要部分。目前，水土保持生态效应评价方法主要有模拟分析法、灰色系统评价法等，这些方法在评价水土保持生态效应时通常对生态系统和经济系统分开进行评价。由于二者的评价方式、度量标准都不同，因此对其进行比较就非常困难，度量单位的统一对水土保持生态效应评价具有重要意义。 20世纪80年代,美国著名生态工程学家H.T.Odum创立了能值(emergy)理论。能值理论以太阳能值为基础，把生态系统和经济系统有机结合起来,并统一度量单位,由此从根本上克服了对生态和经济系统分开进行评价所面临的困难[1-2]。由于能值理论能够将生态和经济系统用同一度量单位进行评价，结果客观可靠，故被广泛应用于评价和分析国家或地区的环境[3-5]、经济[6-7]、资源[8-9]、城市生态系统[10]及系统可持续发展[11]等方面。目前，能值理论在环境方面的应用主要集中于湿地生态系统评价[4]、森林生态系统评价[5]等方面，而在水土保持生态效应评价方面的应用未见报道。笔者以山西省长治市为例，将长治市水土流失治理生态经济系统投入和产出物质转化成统一能值进行分析研究，并制定能值分析表，探讨长治市水土保持措施的合理性和可持续性。期望提高长治市水土保持生态效应评价的科学性、系统性和准确性，为区域水土保持措施的适宜性评价提供理论依据，为我国其他地区水土保持综合治理生态效应评价提供参考，同时也丰富能值理论在水土保持生态效应评价方面的应用。 长治地处晋东南，晋冀豫3省交界，全境位于由太行山太岳山环绕而成的上党盆地中(E111°58′03″～112°44′04″，N35°49′～37°08′)。地势由西北向东南缓缓倾斜，总面积1万3 896 km2，人口333.4万。属典型暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均温度9.7 ℃，年平均降水549.2 mm，主要灾害天气为干旱，有十年九旱之说。全市地处黄土高原东部，土石山区面积大，石厚土薄，沟壑纵横，植被稀疏，水土流失严重且危害巨大。针对水土流失问题，长治陆续实施了建设“四田”(滩地、坝地、旱坪塬地、梯田)、退耕还林、水土保护造林种草、大棚种植、发展生态畜牧等水土保持措施。这些水保措施的实施有效改善了长治市生态环境和经济环境。 2.1 数据来源 长治市水土流失面积为1万1 045 km2，水土流失区实施的水土保持措施有建设“四田”、退耕还林、大棚种植、发展生态畜牧等。为了系统衡量水土流失治理成效，根据水土保持措施对长治市水土流失治理生态经济系统用地类型、产品产出的影响，在长治市水土流失治理区，选取相关的输入和输出能值指标，构建能值指标体系，在此基础上分析评价系统水土保持生态效应。本研究有关农业机械、肥料、灌溉水、农膜等相关生产要素投入以及农、林、牧等相关产出数据来源于长治统计年鉴(2005—2015年)[12]。年治理水土流失面积及新增水土流失面积等数据来源于长治市水土保持监测站。年均降雨量及年均太阳辐射量数据来源于长治市气象局。 2.2 水土保持生态效应评价的指标构建 2.2.1 系统投入能值指标 系统的投入能值按其来源可分为可更新自然资源、不可更新自然资源、工业辅助能和可更新有机能4部分，其中前2部分可以从自然界无偿获得，后2部分需要货币购买。可更新环境资源，包括太阳光、雨水势能、雨水化学能，由于这3部分资源能量来源相同，为避免重复计算，选取其中最大者数据为可更新环境资源。此外，笔者选取表土净损耗能作为不可更新环境资源项目。选取氮肥、磷肥、钾肥等作为工业辅助能项目。选取劳力、畜力、有机肥等作为可更新有机能项目。 2.2.2 系统产出能值指标 本文选取种植业、畜牧业、林业等作为系统产出能值指标因子。其中农产品包括玉米、小麦、豆类等，畜产品包括猪肉、牛肉、奶类等。 2.2.3 能值指标体系 净能值产出率为系统产出能值与人类社会经济输入能值的比值，用来衡量系统产出对经济贡献大小的指标，其值越高，表明系统投入一定的经济能值，产出的产品能值越高，即系统的生产效率越高[13]。公式为 EYR=Emy/(F+R1)。 (1) 式中：EYR为Emy为总产出能值；F为工业辅助能；R1为可更新有机能。 环境负载率为系统不可更新资源投入总量与可更新资源投入总量的比值，反映系统的负荷程度[14]。其值越小，说明系统所受环境压力较小，公式为 ELR=(F+N)/(R+R1)。 (2) 式中：ELR为N为不可更新环境资源；R为可更新环境资源。 可持续发展指数为净能值产出率与环境负载率的比值，用来衡量系统可持续发展水平的指标。若1 ESI=EYR/ELR。 (3) 2.3 能值计算方法 能值分析就是把生态经济系统中流动和储存的不同形式、不可分析比较的能量转化成统一能值标准，定量分析系统内各种资源利用情况、系统可持续发展及生态经济效益[1-2],实现不同类型物质、能量与信息的统一评价。基本方法就是将各种产品、资源所含的能量全部转化为太阳能值，公式为 E=TB。 (4) 式中：E为太阳能值；T为太阳能值转化率；B为物质所含的能量或质量。 笔者通过分析计算，将不同物质和能量换算成同一标准的能值，编制长治市水土流失治理生态经济系统投入产出能值分析表，建立能值分析指标体系，分析比较系统投入产出能值，评价长治市水土保持生态效应，为下一步的水土流失治理提供理论依据。 3.1 长治市水土流失治理生态经济系统投入能值结构比较 由表1和图1可见，长治市水土流失治理生态经济系统能值投入主要包括可更新环境资源、不可更新环境资源、工业辅助能、可更新有机能。可更新环境资源组成成分为不规则变化的自然资源，由于其组成成分的特殊性，导致其能值变化的不确定。表土净损耗能值，2004—2008年间上升，由2004年的3.58×1019上升到2008年的3.64×1019；2008—2014年间下降，由2008年的3.64×1019下降到2014年的3.53×1019。2004—2008年间表土净损耗能值上升的原因主要是滩地、坝地、梯田等工程建设的影响。之后表土净损耗能值呈下降趋势说明水土保持措施正效益开始凸显，有效保护了土地资源，减少了水土流失。工业辅助投入能值不断增加，由2004年的1.91×1021增加到2014年的2.22×1021，表明随着经济社会的发展，系统对机械动力、电力、化肥等的消耗增加。另外，可更新有机能呈逐渐下降趋势，由2004年的1.32×1021减少到2014年的1.15×1021，这主要是由于机械动力对畜力的替代及劳动力向其他行业转移的结果。此外，工业辅助能值投入占总投入能值的比例分别为47.16%～55.46%，低于全国平均水平62%，说明系统农业现代化水平低于全国平均水平。总体来看，在系统农业现代化水平较低的情况下，工业辅助投入能值的增加、可更新有机能值的下降，传统的生产方式逐渐被现代化技术所取代，使整个系统的发展更合理，人类有更多精力投入其他行业，在保证农业生产增加的情况下创造更大社会价值。这一趋势也表明水土流失治理措施没有破坏系统生态环境平衡，也进一步说明了措施的合理性。 表1 长治市水土流失治理生态经济系统的投入能值Tab.1 Emergy input of the water loss and soil erosion control eco-economic system in Changzhi 注：机械动力、电力、劳力、畜力、有机肥、种子、灌溉水能值转换率分别为7.50×107、1.59×107、3.80×105、1.46×105、2.70×104、6.60×104和8.99×104sej/g ，机械动力、电力、劳力、畜力、种子能量转换系数分别为3.60×106、3.60×106、3.74×109(按人均300 kg口粮计算)、9×109和1.6×1010，有机肥的计算公式,主要参考文献[16]。太阳光、雨水势能、表土净损耗能、农药能值转换率分别为1、1.00×104、6.25×104和1.60×109，主要参考文献[17]。雨水化学能能值转换率为1.80×104，雨水势能、雨水化学能的能量计算公式，主要参考文献[12]。氮肥、磷肥、钾肥、复合肥、农用塑料薄膜能值转换率分别为3.80×109、3.90×109、1.10×109、2.80×109和3.80×108，主要参考文献[18]。柴油能值转换率为6.60×104，主要参考文献[19]。Note:Emergy conversion coefficient of machine power,electric power,labor,livestock force,organic fertilizer,seeds,and irrigation water is 7.50×107sej/J ,1.59×107sej/J ,3.80×105sej/J ,1.46×105sej/J ,2.70×104sej/g,6.60×104sej/g,and 8.99×104sej/g.Energy conversion coefficient of machine power,electric power,labor,livestock force,and seeds is 3.60×106J·kW·h-1,3.60×106J·kW·h-1,3.74×109J·person-1(based on 300 kg grain ration per person),9×109J·head-1,and 1.6×1010J·t-1,the calculation formula of organic fertilizer referring to the reference [16].Emergy conversion coefficient of sunlight,geopotential energy in dispersed rain,loss energy of net surface soil,and pesticide is 1.00×104sej/J,6.25×104sej/J ,and 1.60×109sej/J,referring to the reference [17].Emergy conversion coefficient of chemical energy in dispersed rain is 1.80×104sej/J.The calculation formula of geopotential energy in dispersed rain,chemical energy in dispersed rain referring to the reference [12].Emergy conversion coefficient of nitrogenous fertilizer,phosphatic fertilizer,potassic fertilizer,compound fertilizer,agricultural plastic film is 3.80×109sej/g,3.90×109sej/g ,1.10×109sej/g,2.80×109sej/g,and 3.80×108sej/g,referring to the reference [18].Emergy conversion coefficient of diesel oil is 6.60×104sej/g,referring to the reference [19]. 图1 长治市水土流失治理生态经济系统能值投入结构变动趋势Fig.1 Trend of emergy input structure of the water loss and soil erosion control eco-economic system in Changzhi 3.2 长治市水土流失治理生态经济系统产出能值结构比较 由表2和图2可见，长治市水土流失治理生态经济系统能值产出的主导产业为种植业和畜牧业，其中畜牧业能值波动较大，整体呈增加趋势，由2004年的4.08×1021增加到2014年的4.70×1021，表明长治市生态畜牧建设措施取得了一定成效。农产品中蔬菜产出能值不断增加，由2004年的6.43×1019增加到2014年的7.19×1019，说明大棚种植政策措施已取得很大成效。系统内主要作物(玉米、小麦、豆类、油料)的总产量，2004—2005年间上升，由2004年的2.01×1021上升到2005年的2.25×1021。2005—2009年间下降，由2005年的2.25×1021下降到2009年的1.69×1021。2009—2014年间上升，由2009年的1.69×1021上升到2014年的2.31×1021，上升了36.69%。造成这一趋势的原因主要是在2005年到2009年由于淤地坝、梯田、退耕还林等工程建设的影响，系统压力大，资源利用率低；在2009—2014年，随着水土流失治理的生态效益的增加，淤地坝、梯田等工程的正效益凸显，作物产量有所增加。水果的产出能值呈减少趋势，由2004年的4.25×1019减少到2014年的3.42×1019，2013年更是只有1.51×1019，种植经济林是一种很好的水土保持措施；但由于现阶段长治市经济林主要分布于贫瘠山区，不利于机械作业，生产主要靠劳动力，成本很高，不能带来很好的经济效益，导致水果产出能值非但没有提高，反而有下降趋势。 3.3 长治市水土流失治理生态经济系统主要能值指标分析 3.3.1 净能值产出率 表3及图3示出，长治市水土流失治理生态经济系统净能值产出率呈先减少后增加趋势，由2004年的2.03减少到 2010年的1.80,之后持续增加，在2014年达到最大值，为2.26。造成这一趋势的原因主要是总产出能值的变化，由2004年的6.56×1021减少到2010年的5.95×1021，之后持续增加，在2014年达到最大值7.62×1021，相比2004年增加了16.16%,说明系统经过一段时间对投入结构变化的适应后经济效益及资源利用效率在不断提高。此外，净能值产出率在1～6之间为合理区间,本系统2004—2014年净能值产出率分别为1.80～2.26，表明系统产出能值在补偿投入能值后仍有剩余，系统具有较强竞争力，而系统一直具有较强竞争力表明长治市水土流失治理措施是合理并且可持续的。 3.3.2 环境负载率 由表3及图3可知，长治生态经济系统的环境负载率在2004—2009年间逐渐上升，由0.92上升到1.21，上升了31.52百分点。2010—2014年间，除了2012年的1.29，其他年份相对2009年减少。这一趋势与净能值产出率的变化趋势基本相同，表明2004—2009年系统压力大，资源利用率低，2010—2014年随着水土流失治理的生态效益的增加，所以系统的环境负载率减少，环境有所改善。因此，水土保持措施的选择要因地制宜，尽可能的减少对环境的影响，以达到提高环境资源利用效率，保护生态环境的目的。 3.3.3 可持续发展指数 用来衡量系统可持续发展水平的指标。由表3及图3可知，系统2004—2014年的可持续发展指数均位于1～10之间，系统具有发展潜力和活力。表明水土流失治理措施没有破坏系统生态环境平衡，也进一步说明措施的合理性。 表2 长治市水土流失治理生态经济系统产出能值Tab.2 Emergy output of the water loss and soil erosion control eco-economic system in Changzhi 注：玉米、小麦、棉花、油料、水果、蔬菜能量转换系数分别为1.63×1010、1.63×1010、1.67×1010、1.67×1010、3.3×109和2.5×109，主要参考文献[16]，豆类、猪肉、牛肉、木材、羊肉、禽肉、奶类、禽蛋能量转换系数分别为2.09×1010、2.025×1010、9×109、1.67×1010、1.275×1010、5.5×109、2.9×109和8.4×109，主要参考文献[20]。玉米、小麦、豆类、棉花、油料、蔬菜、水产品、木材能值转换率分别为8.52×104、6.80×104、6.90×105、8.60×105、6.90×105、2.70×104、2.00×106和3.49×104，主要参考文献[18]，猪肉、牛肉、羊肉、禽肉、奶类、禽蛋能值转换率分别为1.70×106、4.00×106、2.00×106、1.70×106、1.71×106和1.71×106，主要参考文献[19]。Note:Energy conversion coefficient of corn,wheat,cotton,oilbearing,fruits,and vegetables is 1.63×1010J·t-1,1.63×1010J·t-1,1.67×1010J·t-1,1.67×1010J·t-1,3.3×109J·t-1,and 2.5×109J·t-1,referring to the reference [16].Energy conversion coefficient of bean,pork,beef,wood,mutton,poultry,dairy,and eggs is 2.09×1010J·t-1,2.025×1010J·t-1,9×109J·t-1,1.67×1010J·t-1,1.275×1010J·t-1,5.5×109J·t-1,2.9×109J·t-1,and 8.4×109J·t-1,referring to the reference [20].Emergy conversion coefficient of corn,wheat,bean,cotton,oilbearing,vegetables,aquatic product,and wood is 8.52×104sej/g,6.80×104sej/g,6.90×105sej/g,8.60×105sej/g,6.90×105sej/g,2.70×104sej/g,2.00×106sej/g,and 3.49×104sej/g,referring to the reference [18].Emergy conversion coefficient of pork,beef,mutton,poultry,dairy,and eggs is 1.70×106sej/g,4.00×106sej/g,2.00×106sej/g,1.70×106sej/g,and 1.71×106sej/g,1.71×106sej/g,referring to the reference [19]. 图2 长治市水土流失治理生态经济系统能值产出结构变动趋势Fig.2 Trend of emergy output structure of the water loss and soil erosion control eco-economic system in Changzhi 表3 长治市水土流失治理生态经济系统能值分析主要指标Tab.3 The main indexes of emergy of the water loss and soil erosion control eco-economic system in Changzhi 图3 长治市水土流失治理生态经济系统能值分析主要指标Fig.3 Main indexes of emergy of thewater loss and soil erosion control eco-economic system in Changzhi 笔者基于能值理论分析2004—2014年长治市水土流失治理生态经济系统能值投入产出情况。经过分析，系统能值投入波动较大，整体呈增加趋势，最低值为2008年的3.91×1021sej，最高值为2011年的4.33×1021sej。其中，不可更新资源能值投入呈先减少后增加趋势、可更新有机能投入能值呈减少趋势，工业辅助能值投入呈增加趋势。2004—2014年系统总能值产出呈现整体增加、局部时间段下降趋势，最低值为2010年的5.95 ×1021sej，最高值为2014年的7.62 ×1021sej。其中2大主导产业中的畜牧业整体呈增加趋势、农业中的蔬菜产量不断增加等变化趋势都说明水土保持措施取得了一定成效。通过对2004—2014年长治市水土流失治理生态经济系统具代表性的能值指标进行分析，净能值产出率均>1、可持续发展指数1 无论从能值投入产出结构还是能值指标分析都表明长治市水土保持措施取得了一定效果，具有合理性和可持续性。为了使长治市水土保持生态效应达到最大化，本文提出以下建议： 1)明确方向，分区治理。长治市分为黄土丘陵沟壑区、黄土丘陵阶地区、土石山区、冲积平原区四大类型区，由于各区的自然条件、经济发展等都不同，因此要明确方向，不同的类型区治理措施不尽相同。 2)深化土地改革，加快规模化和集约化生产。长治市大部分区域沟壑纵横、土地分散，农业生产经营方式粗放。如果能够因地制宜，合理布局农、林、牧、渔业，加快规模化和集约化生产，则能够起到以点带面的作用，提高群众保持水土的积极性。 3)加强水土保持监督执法。通过不断宣传水土保持法律、法规来强化民众水土保持意识，完善监督执法体系，开展监督执法培训，提高执法水平和素质，与农业、国土、环保、水务等部门开展合作，加强水土流失执法力度和水土流失防治费征收。 [1] ODUM H T.Self-organization,transformity,and information[J].Science,1988,242(4882):1132. 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Analysis of the ecological effects of soil and water conservation based on emergy theory:A case study of Changzhi City of Shanxi Province ZHU Jijie1,2，RAO Liangyi1,2 (1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China; 2.Key Laboratory of State Forestry Administration on Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University,100083,Beijing,China) [Background] At present,the methods of ecological effects of soil and water conservation are usually dispersed in the evaluation of the ecological system and economic system.Since two methods of evaluation and measurement are different,it is difficult to compare them.Thus it is very necessary to evaluate the ecological effects of soil and water conservation by unifying measurement units.Emergy theory is based on the solar energy,which combines the ecological system and economic system,and unifies the unit of measurement.In this way,that can overcome the difficulties from the separation of ecological and economic systems.So far,the application of emergy theory in the evaluation of eco-economic effects of soil and water conservation has not been reported.[Methods] Based on the theory of emergy analysis and statistical yearbooks as well as other related information of Changzhi City from 2004 to 2014,we analyzed the emergy indexes of input and output of the soil and water losses control eco-economic system in Changzhi City.By analyzing and calculating,the different materials and energy were converted into the same standard emergy.Then the analysis tables of input and output of soil and water losses control eco-economic system as well as the emergy analysis index system in Changzhi City were established for analyzing and comparing the input-output emergy values.They were used for the assessment of soil and water conservation ecological effects in Changzhi and providing theory basis for the further soil and water losses control.[Results] The results showed that the emergy input of the water loss and soil erosion control eco-economic system was large and the overall trend was increasing.The lowest value was 3.91×1021sej in 2008,the highest value was 4.33×1021sej in 2011.Emergy input of the water loss and soil erosion control eco-economic system in Changzhi City was overall increasing,and the local time period declined.The lowest input value was 5.95 ×1021sej in 2010,and the highest value was 7.62 ×1021sej in 2014.The total emergy of stockbreeding and vegetable production in agriculture overall increased,indicating that soil and water conservation measures have achieved some success.When the structure of the total emergy output was healthy,the net emergy output ratio both were greater than 1 and sustainable development index was in a reasonable range,indicating that the soil and water conservation measures in Changzhi City were rational and sustainable.[Conculsions] Generally speaking,the comprehensive level of the water loss and soil erosion control eco-economic system in Changzhi City is getting better and the sustainable development eco-economic system showed that the project′s ecological and economic purpose was basically fulfilled.In order to maximize the ecological effect of soil and water conservation in Changzhi City,we should clear the direction of governance and zoning,deepen the reform of land,speed up the scale and intensive production,and strengthen the supervision and enforcement of soil and water conservation. soil and water conservation; ecological effects; eco-economic system; emergy analysis; Changzhi City 2017-01-20 2017-03-22 项目名称：水利部公益性行业科研专项“水土保持生态效应监测与评价技术研究”(201501045) 朱基杰(1992—)，男，硕士研究生。主要研究方向：水土保持和生态工程。E-mail：871113622@qq.com †通信作者简介：饶良懿(1976—)，女，博士，教授。主要研究方向：水土保持和生态工程。E-mail：raoliangyi@bjfu.edu.cn S157 A 2096-2673(2017)04-0078-09 10.16843/j.sswc.2017.04.0101 研究区概况
2 数据与方法
3 结果与分析
4 结论与建议
