新疆南疆兵团农果复合生态系统的能值分析

赵 航 吕瑞恒 梁继业 周正立

(新疆塔里木大学植物科学学院/新疆生产建设兵团塔里木盆地生物资源保护利用重点实验室，新疆阿拉尔 843300)

能量是生态系统赖以存在和发展的基础。应用能量流动方法对农业生态系统特征进行分析，能够客观、全面和定量地反映系统各成分间最本质的关系[1]。随着南疆环塔里木盆地特色林果业种植面积的不断扩大，林果种植已由低产田、绿洲边缘及外围向农区中心挺进，逐渐形成了“果中有农，农中有果”的镶嵌型复合系统——农果复合系统。王红红[2]等人对农果复合系统进行了系统的归纳，并指出不同的复合系统有不同的结构特征，而新疆南疆兵团农果复合系统由农业子系统、果业子系统、畜牧业子系统组成，对各子系统进行能值分析，不仅可以反映一个地区能量的流动特征及生产系统结构特性，而且能够对农果复合生态系统可持续发展提供理论指导。李先鑫[3]对新疆的农业生态系统进行了能值分析，得出了新疆能值投入率远低于世界平均水平，且农业产业结构均衡性逐渐趋向不平衡发展，农业的发展水平不高，对自然环境资源的开发程利用度不够，农业生态系统的可持续发展能力较弱。陈珏[4]、张晓伟[5]等人运用能值分析理论概述了新疆的发展状况，提出了应结合新疆特点，合理开发自然资源、调整产业结构等实现新疆可持续发展的建议。本研究以新疆生产建设兵团第一师、第二师、第三师、第十四师及各团场农果复合生态系统为研究对象，采用能值理论的分析方法，对南疆的农果复合生态系统进行了能值分析研究。通过农果复合生态系统能量的投入与产出特征，阐述南疆农果复合系统能值投入结构与结构、能值投入率与净能值产出率、环境负载率、能值利用水平及可持续发展性能等方面的现状，并揭示南疆地区农业生产中投入与产出不均衡、农果牧生产系统结构不合理等一系列问题，为南疆干旱区绿洲农果复合生态系统健康可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 研究区域

新疆南疆属温带极端大陆性气候，冬季漫长严寒，夏季炎热干燥，春秋季短促而变化剧烈，降水量小，日照丰富。年平均气温约10 ℃，10 ℃以上积温≥4 000 ℃。全年无霜期180～220天。地表蒸发强烈，全年降水量不足100 mm。受地理位置及气候环境等因素影响，浮尘、沙暴天气较多。

1.1.2 资料收集

调查了南疆第一师、第二师、第三师、第十四师各团场农果复合生态系统农林牧的基本情况(如表1所示)，并收集了环境能量投入(太阳能、风能等)、可更新辅助能投入(有机肥、种子、人力等)和不可更新辅助能投入(化肥、农药、农机和农用电等)，系统的能量产出包括农业产出(粮食、棉花、秸秆等)、果业产出(水果)和畜牧业产出(肉、蛋、奶等)。

表1 各师农林牧基本情况调查表(2012年)

续上表

项目调查项目名称(单位)第一师第二师第三师第十四师果树栽植面积苹果(hm2)5 9212242 173254梨(hm2)5 78311 0381 01424葡萄(hm2)1621 831655112红枣(hm2)44 56517 12425 64312 900其他(hm2)1 7791 41172420合计(hm2)58 21031 62830 20913 310畜牧业存栏数肉牛(万头)2. 430. 941. 10. 19猪(万头)9. 3616. 357. 020. 59羊(万只)37. 2842. 5453. 6110. 2家禽(万只)34. 1841. 193411. 71其他(万头/万只)7. 432. 784. 091. 29合计(万头/万只)90. 68103. 899. 8223. 98

注：(1)表中数据均来源于《新疆生产建设兵团统计年鉴2013》；(2)粮食作物包含谷物、豆类、薯类等，而研究区域的粮食作物主要为谷物。

1.2 方法

(1)环境资源的投入，采用以下计算模式[6]：

太阳能=土地面积*年太阳光平均辐射量/单位面积

雨水化学能=土地面积*降雨量*吉布斯自由能

雨水势能=土地面积*平均海拔高度*平均降雨量*密度*重力加速度

风能=高度*密度*涡流扩散系数*风速梯度*土地面积

土壤净损失量=土壤侵蚀流失量-土壤生成速率*土地面积

(2)其它方面的能值计算

系统的能量输入除了环境资源投入外还包括有机能投入(劳力、畜力、种子、畜禽粪尿等)和工业辅助能投入(化肥、农药、农机和农用电等)，系统的能量输出包括农业产出(粮食、棉花、秸秆等)、果业产出(水果)和畜牧业产出(肉、蛋、奶等)。这些投入-产出要素的能值，先根据统计资料及其它相关资料的数据，将输入和输出物质折算为能量，再根据各种物质、能量的太阳能值转换率，换算为统一的太阳能值。能值计算过程中需要的能量转换系数来自于闻大中[7-9]、刘巽浩等[10]的相关文章，计算中需要的能值转换率主要参考蓝盛芳[11]、严茂超等[12]的相关文章。

2 结果与分析

2.1 农果复合生态系统能值投入结构分析

能值投入结构分析有助于从整体上评价特定区域农果复合生态系统的开放与发展程度[13]。由表2可以看出，能值的投入主要为环境能值投入、不可更新辅助能值投入、可更新辅助能值投入。第一师、第二师、第三师、第十四师能值投入以第一师最高，为1 286. 8×1019sej；第二师、第三师次之，分别为486. 4×1019sej和477. 6×1019sej；第十四师最少，为77. 0×1019sej。由图1及表2可以看出，新疆南疆兵团区域的能值投入以环境能源为主，其中第一师、第二师、第三师、第十四师环境投入率分别为66. 05%、63. 71%、61. 15%和64. 69%。辅助能值投入率以第三师最高，占总能值投入的38. 85%；第二师、十四师次之，分别占36. 29%和35. 31%，第一师最少，占33. 95%。

图1 各师环境及辅助能值的投入率

在不可更新能源投入中，第一师、第二师、第三师、第十四师不可更新的辅助能源分别占辅助能值总投入的98. 33%、97. 46%、97. 90%和92. 25%，这表明新疆南疆兵团区域的辅助能值投入以不可更新资源的辅助能源为主。其中，辅助能源投入中，以农药、机械、磷肥、氮肥的比重较大，第一师、第二师、第三师、第十四师投入的农药、机械能值之和分别占辅助能值投入的52. 67%、64. 06%、50. 73%和64. 56%，磷肥、氮肥能值之和分别占辅助能值投入的34. 58%、25. 55%、40. 73%和64. 56%。在第一师、第二师、第三师、第十四师辅助能值投入中均以农药的比重最大，而机械、磷肥、氮肥的比重稍有不同。在第一师，机械、磷肥、氮肥消耗分别占辅助能值投入的12. 36%、25. 38%和9. 19%，第二师分别占11. 15%、13. 97%和11. 58%，第三师分别占10. 57%、27. 55%和13. 29%，第十四师分别占12. 84%、14. 80%和5. 84%。从机械和能源(柴油、电力)投入能值来看，第一师、第二师、第三师、第十四师所占比重分别为15. 16%、14. 76%、14. 99%和16. 95%。

图2 各师不可更新辅助能值投入占总辅助能值投入比重

在可更新辅助能源投入中，第一师、第二师、第三师、第十四师可更新辅助能源投入比例均较低，分别占辅助能值投入的1. 67%、2. 54%、2. 09%和7. 74%。其中，可更新辅助能源投入均以人力为主，有机肥投入最低。第一师、第二师、第三师、第十四师宏观价值投入的人力能值分别占辅助能投入的81. 76%、89. 14%、80. 00%和97. 96%，而有机肥投入能值极低，仅占辅助能投入的0. 29%、0. 14%、0. 079%和0. 12%，均不足0. 3%，这表明各师有机肥投入明显不足。

从产生的宏观价值看，第一师、第二师、第三师、第十四师宏观价值的环境能值投入分别占总能值投入的66. 05%、63. 70%、61. 15%、64. 73%。以环境能值投入为主，其中，第一师的能值投入宏观价值较高，分别是第二师、第三师、第十四师的3. 9倍、2. 5倍、14. 5倍。

表2 新疆南疆兵团地区农果复合生态系统能值投入分析

注：(1)宏观价值=能值×农业总产值/总能值；(2)太阳能值转化率单位为sej/J或sej/g。(3)有机肥的太阳能值及宏观价值转换后数量级太小，近似为零。

2.2 农果复合生态系统能值产出结构分析

通过能值产出分析可以得出，新疆南疆兵团农果复合生态系统能值产出主要为农业能值、果业能值、畜牧业能值三部分。该区域的能值产出总量分别为第一师722. 75×1019sej、第二师293. 66×1019sej、第三师301. 10×1019sej、第十四师109. 09×1019sej，其中第一师能值产出分别是第二师、第三师、第十四师的2. 46倍、2. 40倍和6. 63倍。从农业、果业、畜牧业对农果复合生态系统能值产出的贡献率及宏观价值来看，第一师、第二师、第三师、第十四师的农业能值∶果业能值∶畜牧业能值比分别为44∶40∶16、31∶25∶44、53∶23∶24、4∶85∶12，这表明第一师农、果业发展相对均衡，第二师、第三师则分别形成了以畜牧业、农业为支柱产业的发展格局，第十四师形成了偏重果业的发展格局。从各师单位面积农果复合生态系统的能值产出来看，第一师、第二师、第三师、第十四师分别为3. 62×1016sej/hm2、3. 86×1016sej/hm2、2. 75×1016sej/hm2和6. 60×1016sej/hm2，这表明农、果、牧产业结构比重不同，是影响单位面积农果复合生态系统的能值产出的主要因素。

表3 新疆南疆兵团农果复合生态系统单位面积能值产出情况

从农、果、牧业平均单产来看，最高的分别是第一师、第二师和第十四师。其中，第一师的农业生产水平较高，单位面积的农业能值产出为2.23×1016sej/hm2，分别是第二师、第三师、第十四师的1. 09倍、1. 11倍和1. 65倍；第二师的牧业生产水平较高，单位面积的牧业能值产出为1. 70×1016sej/hm2，分别是第一师、第三师、第十四师的2. 88倍、2. 54倍和2. 24倍；第十四师的果业生产水平较高，单位面积的果业能值产出为6. 93×1016sej/hm2，分别为第一师、第二师、第三师的1. 39倍、2. 99倍和3. 05倍。

表4 新疆南疆兵团农果复合生态系统能值产出分析

注：(1)宏观价值=能值×农业总产值/总能值；(2)太阳能值转化率单位为sej/J或sej/g。

2.3 农果复合生态系统能值的投入产出分析

从能值投入率来看，第一师、第二师、第三师、第十四师分别为0. 51、0. 57、0. 64和0. 55，远低于世界平均水平(能值投入率为2左右)[3]，这表明在新疆南疆兵团区域的能值投入相对不足，主要依靠环境资源投入，这也是生产力低下的主要原因。一般来说，能值投入率高，会加大农产品的成本投入，在一定程度上影响到其竞争优势，但过低的能值投入率，会影响到资源的利用效率。从可持续发展的角度看，新疆南疆兵团农果复合生态系统应充分利用有机肥有一定盈余的特性，重点依靠有机肥来培肥土壤，获得高产。

从能值产出率来看，第一师、第二师、第三师、第十四师能值产出率分别为0. 56、0. 60、0. 63和1. 42。除第十四师能值产出率相当于全国平均水平1. 42外，其余各师的能值产出率远低于全国平均水平，这表明新疆南疆兵团区域的能值回报率相对较低。

表5 新疆南疆兵团农果复合生态系统能值投入产出分析

表6 新疆南疆兵团农果复合生态系统能值流和指标

注：A为种植区面积，P为从事第一产业人口

2.4 农果复合生态系统能值指标和可持续性

环境负载率、能值利用水平及可持续发展性能能够很好的评价一个地区的生态系统发展现状水平。其中环境负载率是对经济系统的一种警示，若系统长期处于较高的环境负载率，系统将产生不可逆转的功能退化或丧失[14]。由表6中可以看出，第一师、第二师、第三师、第十四师的环境负载率分别为0. 51、0. 57、0. 64和0. 55，低于东北地区的环境负载率3. 17，并远低于一些发达国家的水平。这表明在新疆南疆兵团区域的环境压力相对较小，环境资源没有高效地利用，还没达到一种高投入高产出的运行状态，还有继续发展的空间。

能值利用水平包含能值密度、人均能值用量、人均能值产出率三部分，将这三者结合可以反映一个地区农业生态系统的生产水平、集约化程度和生产效率。从能值密度来看，表现为第一师>第二师>第三师>第十四师，分别为6. 45×1012sej/m2、6. 40×1012sej/m2、4. 37×1012sej/m2和4. 20×1012sej/m2，远高于2001年全国能值密度平均水平1. 32×1011sej/m2。这表明新疆南疆兵团区域的集约化程度高，其原因是由于南疆地广人稀，地块面积较大，适合于机械大面积作业所致。从人均能值用量、人均能值产出量来看，均以第一师的最高，分别为4. 30×1017sej/人和2. 42×1017sej/人。第一师的人均能值用量、人均能值产出量分别是第二师、第三师、第十四师的2. 44倍、1. 40倍、5. 81倍和2. 28倍、1. 25倍、2. 28倍，且各师人均能值投入量、人均能值产出量均高于全国平均水平5. 89×1015sej和3. 90×1015sej，这表明新疆南疆兵团农果复合生态系统是以高投入带来的高产出运行。

从可持续性发展性能指数来看，第一师、第二师、第三师、第十四师分别为1. 09、1. 06、0. 99和2. 59，表现出第十四师>第一师>第二师>第三师。第十四师可持续发展势头最强，主要归因于该师能值产出率最高。第一师、第二师由于环境负载率低于第三师，其可持续发展潜力高于第三师。另外，各师可持续发展性能指数均高于中国部分省市的农业可持续发展性能指数(河北省2012年为0. 38[15]，湖南省2012年为0. 42[16])，这表明新疆南疆兵团区域的可持续发展势头较强，具有很大潜力发展农果复合生产。

3 结论

新疆南疆兵团农果复合生态系统的能值投入以环境能源为主，辅助能源次之；第一师的农业、第二师的牧业、第十四师的果业单位面积的能值产出较高，且第一师的农果发展产业结构较为均衡，第二师、第三师、第十四师则分别偏重畜牧业、农业和果业的发展，农果牧的产业结构比重的调整会影响农果复合生态系统的能值产出；新疆南疆兵团区域的环境压力相对较小，环境资源利用水平不高，但广阔的土地面积及从事第一产业人口较少，促使环境的能值的投入相对较多，能值利用水平也相对较高，并且是以高投入带来的高产出。该地区环境负载率较低，可持续发展势头较强，对发展农果复合生态系统有较大潜力。通过环境资源的合理配置、政府的科学政策引导等方式对新疆南疆兵团的农业产业结构进行科学调整，可以提高该区域环境资源的利用率，促进农业产业的可持续健康发展。