湖南不同季别稻作系统的生态能值分析

周江，向平安,2



湖南不同季别稻作系统的生态能值分析

周江1，向平安1,2

（1湖南农业大学洞庭湖区域农村生态系统健康湖南省重点实验室，长沙 410128；2湖南农业大学商学院，长沙 410128）

【目的】湖南稻作系统以一季稻和双季稻种植制度为主。论文通过评价稻作技术的调整对不同季别水稻种植效率的影响，期望为水稻可持续发展提供决策依据。【方法】通过相关统计年鉴资料获取2002—2016年湖南早稻、中稻和晚稻生态系统环境资源、经济资源的投入与产出原始数据，采用能值分析理论和方法，对三季稻作系统的动态发展状况及综合发展水平进行分析，再将其能值投入产出效率与传统经济利润率指标进行比较。【结果】2002—2016年湖南稻田生态系统中投入的自然资源能值相对稳定，投入能值大部分依赖购买能值并趋向增加；能值投入结构调整为机械＞人工+畜力＞化肥＞农药或种子＞燃料＞有机肥，农业机械化逐渐代替了以人工、畜力为主的生产方式。系统每千公顷种植面积的购买能值投入中不可更新工业能值投入呈明显增长趋势，其中机械作业能值投入贡献率最高，化肥投入为中稻＞早、晚稻且长年居高不下，农药投入为中、晚稻＞早稻且趋向增加；可更新有机能值投入密度则趋向减少，其中人工能值虽显著下降，其贡献率仍最高，种子投入为早稻＞晚稻＞中稻且早、晚稻趋向增加，畜力能值投入转变为中稻＞早、晚稻且趋向不断减少，有机肥投入能值不断减少；购买能值投入从2012年起转变为中稻＞早稻＞晚稻系统。系统单位种植面积的能值产出、生态和经济平均利润率均为中稻＞晚稻＞早稻；早稻种植面积始终低于晚稻。系统能值指标变化趋势为：能值投入率方面晚稻＞早稻、中稻；能值产出率方面中稻＞晚稻＞早稻；系统对环境的压力较小，但环境负载率指标增长较快且晚稻＞早、中稻系统；可持续发展指数已大幅下降至＜2，2008年以后中稻＞早、晚稻系统。【结论】湖南稻作系统生产方式日益现代化，系统富有活力但发展潜力日益下降。稻作经营仍属于粗放型方式，致使不可更新工业辅助能大量投入，造成短期内系统环境压力增大、生态和经济利润率不断下滑，不利于系统长期可持续发展。虽然湖南中稻生态系统的环境负载率、可持续发展指数、平均利润率仍优于早、晚稻系统，但由于系统投入了较多的人工、畜力、化肥和农药能值且其机械能值效率较低，致使其能值产出率、生态和经济利润率降幅较大并与晚稻系统基本持平，其竞争优势日益缩小。早稻系统种子能值投入较高且能值产出密度和利润率较低，晚稻系统购买能值投入产出综合效益较高。湖南稻作农业现代化的地域不均衡发展矛盾依然突出。无论哪个水稻季别，以市场价值作为评价依据的成本-收益分析法，低估了稻田生态系统的真实价值。政府需针对早、中、晚稻制定激励政策，以保障稻农的利益和实现稻作永续经营。

水稻；生态系统；能值分析；效率；湖南省

0 引言

【研究意义】效率评价结果是人们理性选择的前提。然而，不同的评价工具往往引致不同的评价结果。经济学假定行为人是理性自利的“经济人”，私人收益最大化是生产者行为的根本动机[1]。基于这一理念，研究人员开发和应用基于市场价值测量的成本-收益分析方法来评价人类活动效率。但是，该方法既没有考虑自然环境对农业生产的贡献，也没有顾及生产活动对自然环境的影响，认为自然环境是免费资源，不具有稀缺性。然而，这与经济已处于“满的世界”（实体经济在不增长的生态系统持续增长）而非“空的世界”（经济扩张机会微不足道）的现实不符[2]。应用这一方法评价的生产效率作为决策依据，可能是造成生态系统退化的重要诱因[3]。水稻生产是上千年以来中国最重要的农事活动，学者们一般采用传统的成本-收益分析法衡量生产效率[4-12]。然而，近些年来，特别是农业税取消后，水稻生产经营方式正由传统农业向现代农业过渡，但粗放的管理模式使稻作生态系统的永续经营正遭受危害[13]。改变困境的前提之一，是人们需要从生态经济学观点重新认识和评价稻作的效率[14]。【前人研究进展】为了克服传统的效率评价方法的缺陷，Odum应用热力学思想创建了有别于市场经济学思想的投入产出分析法—能值分析法[15]。该方法将自然纳入生产活动的核算体系，定量分析自然资源环境与人类经济活动的关系，客观评价人类活动与自然的和谐度[16]。这一方法逐渐被学者们接受，并被广泛应用，尤其是在农业生态系统研究领域。例如，Lefroy等分析了澳大利亚3种不同种植制度的能值特点及对农业持续利用的影响[17]；Cuadra等[4]采用成本收益分析法、生态足迹和能值分析法，构建相关评价指标，对尼加拉瓜的大豆、土豆、卷心菜、菠萝和咖啡等主要作物种植系统的经济效益以及生态承载能力进行了比较评价。在国内，蓝盛芳[36]、、李小玉[20]、张洁瑕[21]、王明全[22]、李向东[23]、吴钢[24]、黄文德[25]、胡晓辉[26]、胡小东[27]等引入Odum的能值分析法，积极应用于农业生态系统研究。学者们不仅应用成本-收益分析法对稻田生态系统的碳循环[28-30]、水分和养分转换[31-33]、生态服务价值[33-35]等方面开展了较深入研究，而且也应用能值分析法评估了稻作生态系统效益。向平安等[34]和席运官等[35]应用能值分析方法对比了稻鸭共作有机农业模式和常规生产模式的收益，认为稻鸭共作生态农业模式无论是在能值效益还是在经济效益上都具有优势。孙为民等[37]采用能值分析理论和方法，对江西省余江县双季稻田7种复种模式系统中的经济产量折能、光合生产力、光能利用率、投入产出、运行效率和环境负荷等进行综合分析。【本研究切入点】虽然学者们对稻作农业的投入产出开展了能值分析，但缺少针对不同季别的稻作生态系统的研究，这不利于人们对不同季别的稻作农业的生态经济效益的认识。【拟解决的关键问题】本文以中国最大的水稻种植区—湖南稻作生态系统作为研究对象，应用能值分析法揭示处于稻作技术调整期间的早、中和晚稻3个季别稻田生态系统年际间的生态经济效益和效率，以期为稻作农业可持续发展提供决策依据。

1 研究区域

湖南省位于洞庭湖以南，属于长江中游地区，地处东经108°—114°、北纬24°—30°。全省以山地和丘陵地貌为主，合占总面积的66.62%。湖南为大陆性亚热带季风湿润气候年平均温度在15—18℃之间，太阳辐射量为90—115 kcal·cm-2，年平均降水量在1 200— 1 700 mm之间，雨量充沛，是中国雨水较多的省份之一。湖南的地理气候条件适宜发展水稻生产。湖南各季别水稻生产面积并非随时间序列呈持续减少或增加，而是表现为年际间动态变化。例如，21世纪初期，湖南早稻和晚稻的种植面积逐年下降，2003年水稻总播种面积降至3 410千公顷；受水稻生产补贴、取消农业税等惠农政策的影响，2004年起水稻总播种面积开始恢复并有所增加，至2006年达到峰值4 202千公顷，随后又有所下降；其中早、晚双季稻于2008年达到峰值，而中稻则于2010年达到峰值（表1）。

表1 2000—2016年湖南省水稻的种植面积

2 研究方法

2.1 能值分析方法及步骤

Odum的能值理论原理和方法可以将不同类别的能量转换为同一标准的太阳能值，单位为太阳能焦耳（solar emergy joules，缩写为sej），用于衡量不同类别、不同等级能量的真实价值，同时还可以比较一个系统中流动或储存的不同类别的能量及其对该系统的贡献[15]。太阳能值是通过能值转换率来计算的，能值转换率是指形成1 J或1 g产品或劳务所需要的太阳能值，单位为sej/J或sej/g。

本文依据能值分析法，首先对湖南稻田生态系统进行能值边界情况分析，收集历年稻田生态系统中相关的自然环境、地理和社会经济数据，列出系统主要的能量输入和输出项目；通过相应的能值转换率核算各能源或物质的投入产出能值，再计算自然资源和购买能值历年投入所占总能值投入比重，以及主要购买能值内部占比，编制系统历年各种能值投入产出分析表和投入结构表，各类别资源能量流以J为单位、物质流以g为单位、经济流以$为单位；绘制系统单位种植面积投入的主要购买能值年际变化趋势图，评价它们在稻田生态系统中的地位和贡献；最后建立能值指标体系，分析评估湖南稻作系统生态效益。同时将系统能值投入产出评估结果与《全国农产品成本收益资料汇编（2001—2017）》中的利润率指标进行对比分析，用以全面分析评估湖南水稻生产系统生态和经济效益情况。

稻田生态系统能值投入（以T表示）分为两类：一类来源于自然界，称“自然资源能值”，包括可更新资源（太阳能、雨水化学能、雨水势能等，以R表示）和不可更新资源（表土层净损失等，以N表示）。几种可更新自然资源是同样气候、地球物理作用引起的不同现象，只取其中能值投入量最大的雨水化学能，以避免能值的重复计算[36]。另一类来源于人类社会经济系统，称“购买能值”，包括不可更新工业辅助能（农用机械、农药、化肥等，以F表示）和可更新有机能（人力、畜力、有机肥、种子等，以R1表示）。系统能值产出主要指稻谷、稻草等，以Y表示。

2.2 数据来源及说明

本文主要数据来源于《湖南统计年鉴》（2001— 2017）、《中国物价年鉴》（2005—2013）、《中国统计年鉴》（2014—2017）和《全国农产品成本收益资料汇编》（2001—2017）。其中，早稻、中稻（即一季稻）、晚稻播种面积、月均降雨量数据来源于《湖南统计年鉴》，单位种植面积的水稻生产成本、生产要素投入量、产出数据来源于《全国农产品成本收益资料汇编》，柴油、农药价格取自《中国物价年鉴》，农业生产资料价格分类指数、居民消费价格定基指数取自《中国统计年鉴》，能值总产出只计算稻谷，不包括作物的副产品能值。

太阳能值转换率主要参考Odum[15]、蓝盛芳[39]，能量折算系数及其计算方法主要参照骆世明、陈阜编写的《农业生态学》[40]、《农业技术经济手册》[44]，劳动力的能量折算系数参照蓝盛芳和钦佩研究成果[36]。能值计算中，太阳能、雨水化学能、雨水势能、表土层净损、投入及产出等公式均取自蓝盛芳、钦佩、陆宏芳编著《生态经济系统能值分析》[36]，水稻生育期以湖南3个季别水稻全生育期为依据，早稻全生育期（4—7月），中稻全生育期（5—9月），晚稻全生育期（7—10月）。

本文选用2000年中国能值货币比率4.94×1012sej/$[35]研究成果，通过历年的居民消费价格定基指数（《中国统计年鉴》，2017）和历年的人民币美元汇率（中国人民银行网）转换为历年的国家能值货币比率。

2.3 能值分析指标

能值分析指标综合反映生态经济系统的结构、功能和效率，是衡量自然环境资源的价值和人类社会经济发展及环境与经济、人与自然关系的指标，也是系统综合分析及社会经济发展决策参考的重要指标[47]。据以往相关研究[48-51]，结合本研究实际，能值投入产出项目采用《全国农产品成本收益资料汇编》[46]收集的子项。

能值指标体系的构建是进行系统分析、比较研究和得出结论的主要依据。通过借鉴相关的文献报道[48-51]，结合长江中游丘陵地区稻田生态系统的实际，构建出能值投入占比、能值投入产出密度、能值综合评价指标（能值投入率、能值产出率、环境负荷率、可持续发展指数）等主要能值指标。能值投入占比是指系统内各能值投入比例，表明相关能值在系统中的地位和贡献度。其中环境资源能值与总投入能值的比值是评价环境资源重要性的指标，工业辅助能值与总投入能值的比值、主要工业投入能值与购买能值的比值均可衡量种植模式现代化的水平，可更新有机能值与总投入能值的比值、投入的主要有机能值与购买能值的比值用于评价种植模式的生态效益。能值投入产出密度是指单位面积土地的能值投入或产出量，表明相关能值在稻田生态系统中的投入强度或产出效益，用来分析其对系统生态效益的影响。能值投入率是购买能值与自然资源能值之比，即不可更新工业辅助能值和可更新有机能值之和所占自然资源总投入的比例，是衡量经济发展和环境负载的指标。能值产出率指产出能值与购买能值之比，该比值越高表明系统的生产效率越高，还可反映系统能值投资回报率高低及产品的价格竞争优势。环境负荷率是系统投入的不可更新资源的能值之和与可更新资源能值之和的比率，用来衡量系统中的环境影响。可持续发展指数为系统能值产出率与环境负载率之比，实质上是可更新资源与不可更新资源之比[47]。

3 结果

3.1 湖南不同季别稻作系统能值投入结构分析

3.1.1 自然资源能值、购买能值投入结构分析 2002—2016年湖南不同季别稻作生态系统能值投入中，自然资源、工业辅助能和可更新有机能的投入能值及其所占的比重详见表2。系统投入能值中自然资源能值构成的比例，能反映该稻作系统的自然环境资源对农业生产的贡献大小。2002—2016年，湖南早稻、中稻以及晚稻总自然资源能值的投入所占能值总投入比例变动区间分别为12.06%—19.15%、13.33%— 21.95%和9.89%—16.72%（表2）。从表2可以看出，自然环境对三类水稻系统的能值投入相对稳定但呈小幅波动趋势。各系统间占比大小为早稻、中稻＞晚稻，自然资源能值投入所占能值总投入比重偏低，晚稻最为明显；这说明湖南稻作系统开放程度比较高，系统维持的能值主要来源于购买能值并趋向增加（包括不可更新工业能和可更新有机能），其中早、中稻系统利用自然环境资源较多，还可以加大发展空间。

从购买能值投入的组成比例来看工业能值增长较快，自2012年起，三季稻作系统的工业能值投入均达到系统总投入能值的50%以上。2006—2016年间早稻、中稻以及晚稻工业能值的投入比例变动区间分别为33.00%—59.90%、37.42%—59.74%和39.77%— 63.45%，各系统间占比大小为晚稻＞早、中稻。相应的早、中、晚稻的可更新有机能占能值总投入的比例均呈快速下降的趋势。2002—2016年间早稻、中稻以及晚稻可更新有机能值的投入比例变动区间（降幅）分别为24.86%—58.55%（57.54%）、22.19%—51.16%（56.63%）和22.77%—59.21%（61.54%），中稻系统降幅较小；各系统间占比大小从2002—2006年间的早、晚稻＞中稻调整为2010—2014年间的中稻＞早稻＞晚稻（表2）。

3.1.2 主要购买能值投入结构分析 湖南早、中、晚稻系统主要购买能值投入结构如表3所示，系统在2010—2016年间，机械能值投入比重最大，分别约占各自系统购买能值投入的31.77%—44.43%、27.36%—45.28%、35.03%—47.16%；其次是人工能值投入，分别约占各自系统购买能值投入的21.71%—29.83%、20.96%—37.04%、22.65%—32.05%；再次是化肥能值投入，分别约占各自系统购买能值投入的21.29%—24.10%、20.53%—25.12%、22.14%— 25.70%；农药能值投入持续增长，分别约占各自系统购买能值投入的1.13%—1.35%、1.29%—1.71%、1.56%—1.86%；种子能值投入分别约占各自系统购买能值投入的6.51%—7.84%、1.21%—1.53%、2.78%— 3.46%；除中稻的畜力能值投入约占系统购买能值投入的4.24%—12.41%外，三季稻作系统在其它能值投入占比方面逐步减少到1%以下。湖南稻作生态系统主要投入能值占比已调整为：早、晚稻系统为机械＞人工+畜力＞化肥＞种子＞农药＞燃料＞有机肥，中稻系统为机械＞人工+畜力＞化肥＞农药＞种子＞燃料＞有机肥。

3.2 湖南不同季别稻作系统购买能值投入密度动态分析

由于不同季别稻作系统种植面积不同，为对各季别稻作系统中人类社会主要购买能值年际间动态投入进行对比分析，本文分别计算年际间各季别稻作系统平均每千公顷种植面积投入及产出的主要经济反馈能值，构建能值密度指标并绘制三季稻作系统年际间主要购买能值密度变动趋势图（图1—10）。

3.2.1 不可更新工业能值、可更新有机能值 对比三季稻田生态系统单位种植面积投入的购买能值，三季稻作系统自2004年降至最低值后均波动增长至2014年达到峰值后趋于回落，2004—2016年间每千公顷早、中、晚稻系统的购买能值投入变动区间分别为3.40×1018—3.73×1018sej、3.07×1018—4.09×1018sej、3.12×1018—3.67×1018sej（图1），且从2012年起转变为中稻＞早稻＞晚稻系统，年均增长率（振幅）分别达到0.77%（9.71%）、2.42%（33.22%）、1.36%（17.63%）。

自2004年起，湖南早、中、晚稻系统单位种植面积不可更新工业能值投入均呈明显增长趋势，三季系统分别于2014—2016年达到峰值后趋于平稳，2004—2016年间系统每千公顷种植面积的工业能值投入变动区间分别为1.00×1018—2.54× 1018sej、1.20×1018—2.66×1018sej、1.07×1018— 2.63× 1018sej（图2），年均增长率分别达到8.08%、6.86%、7.78%；其中早、晚稻生态系统工业能值投入变化趋势相近，经历了快速增长期（2004—2014年）后趋于平稳；中稻的工业能值投入在早稻和晚稻之间上下波动增长至2014年趋于平稳。2002—2016年间，湖南早、中、晚稻生态系统单位种植面积可更新有机能值投入均趋向减少（图3），期间系统每千公顷种植面积可更新有机能值投入变动区间分别为1.08×1018—2.74×1018sej、0.99×1018—2.36×1018sej、0.90×1018—2.23×1018sej，年均降幅分别为6.02%、6.02%、6.28%；期间早稻和晚稻可更新有机能值投入均呈快速下降趋势；中稻则以2012年为界，2004—2012年期间变化幅度较小，之后呈现出单边快速下降的趋势。

表2 2002—2016年湖南稻田系统生态能值估算

图1 2002—2016年湖南稻田系统购买能值变动趋势

图2 2002—2016年湖南稻田系统工业能值变动趋势

图3 2002—2016年湖南稻田系统可更新有机能值变动趋势

3.2.2 不可更新工业能值中主要能值投入密度动态分析 2002—2016年间，湖南早、中、晚稻系统单位种植面积机械作业能值投入均呈明显增长趋势，期间每千公顷机械能值投入变动区间分别为0.17×1018—1.66×1018sej、0.15×1018—1.65×1018sej、0.20×1018—1.73×1018sej（图4），年均增长率分别达到17.68%、18.68%、16.66%；其中早、晚稻系统机械能值投入密度变化趋势相近，经历了稳定期（2002—2004年）和快速增长期（2004—2014年）两个阶段后趋于平稳；中稻的机械能值投入密度在早稻和晚稻之间上下波动，特别是在2010—2014年间中稻系统明显小于早、晚稻，之后中稻投入持续增加且略有反超。表明国家从2004年起实行的农机具购置补贴政策对于推进农业机械化起到了促进作用。

图4 2002—2016年湖南稻田系统机械能值变动趋势

湖南三季稻田生态系统单位种植面积化肥投入均呈振荡趋势，直到2012年以后趋于平稳（图5）。2002—2016年间系统每千公顷种植面积的化肥能值投入振荡区间（振幅）分别为7.29×1017—10.48× 1017sej（43.76%）、7.10×1017—10.10×1017sej（42.25%）、7.58×1017—8.90×1017sej（17.41%），除2010年外投入密度为中稻＞早、晚稻。

2002—2016年间三季稻作系统每千公顷种植面积的农药能值投入振荡区间（振幅）分别为2.74× 1016—4.85×1016sej（77.01%）、4.25×1016—6.79× 1016sej（59.76%）、3.97×1016—7.13×1016sej（79.60%）（图6），中稻、晚稻系统投入密度均明显＞早稻，年均增长率分别为4.16%、3.40%、4.27%。

3.2.3 可更新有机能值中主要经济反馈能值投入密度动态分析 2002—2016年间，湖南三季稻田生态系统每千公顷种植面积人工能值投入均呈显著下降的趋势（图7），变动区间分别为7.69×1017—22.26× 1017sej、7.65×1017—20.45×1017sej、7.69×1017—19.95 ×1017sej，年均降幅分别为7.31%、6.78%、6.58%；其中湖南早稻和晚稻均呈快速下降趋势，中稻则在2008—2014年间降幅放缓且投入密度明显大于早、晚稻系统。同时，每千公顷早、中、晚稻生态系统畜力能值投入比重越来越低（图8），变动区间分别为2.18×1016—24.63×1016sej、12.29×1016—47.90×1016sej、0.51×1016—18.57×1016sej；其中早、晚稻系统经历了相对稳定期（2002—2008年）和快速下降期（2008—2016年）两个阶段后已波动下降至极低投入程度，年均降幅分别为15.90%、22.65%；中稻则以2012年为界，2012年之前波动增长至峰值，之后呈现出快速下降的趋势，但尚未降至2004年最低投入值且其能值投入密度从2008年起明显大于早、晚稻系统。

图5 2002—2016年湖南稻田系统化肥能值变动趋势

图6 2002—2016年湖南稻田系统农药能值变动趋势

2002—2016年间早稻、中稻以及晚稻系统每千公顷种植面积种子能值投入变动区间分别为1.68× 1017—2.77×1017sej、0.48×1017—0.62×1017sej、0.65× 1017—1.27×1017sej（图9），种子能值投入密度明显为早稻＞晚稻＞中稻系统；其中早、晚稻波动增长，年均增幅分别为3.64%、4.90%，中稻则变化不大且投入密度最小。早稻用种经济成本特别是杂交早稻相比杂交中、晚稻还要高，推广应用难度相应较大；种植杂交早稻在湘北地区要亏损，在湘南地区只能基本持平，无比较优势可言，农户增产不增收[41]。如表4所示，将种子能值投入密度换算成能值-货币价值来比较，自2008年以来早稻种子投入的能值-货币价值是晚稻的两倍多、中稻的4—5倍。

图7 2002—2016年湖南稻田系统人工能值变动趋势

图8 2002—2016年湖南稻田系统畜力能值变动趋势

图9 2002—2016年湖南稻田系统种子能值变动趋势

表3 2002—2016年湖南稻田生态系统主要购买能值投入结构表

计算公式：投入项目能值/购买能值 Formula：Item/(F+R1)

表4 2002—2016年湖南稻田生态系统每公顷种子能值-货币价值（美元）

图10表明2002—2016年间，每千公顷早、中、晚稻生态系统有机肥能值投入趋向不断减少，变动区间分别为1.51×1016—9.16×1016sej、1.29×1016—6.30 ×1016sej、0.93×1016—5.79×1016sej，年均降幅分别为12.08%、10.71%、12.25%；其中早、晚稻波动下降，中稻则以2008年为界，2008年之前波动增长至峰值，之后呈现出快速下降的趋势。

图10 2002—2016年湖南稻田系统有机肥能值变动趋势

3.3 能值产出动态分析

在国家经历连续6年的水稻种植面积和产量下降之后，2004年农业农村部在部分地区试点水稻生产直接补贴、良种补贴和农机具购置补贴，水稻面积、产量开始出现恢复性增长[43]。由表1、表2可知，受国家粮食政策支持，2004—2008年间，湖南早、晚稻生产系统的种植面积、能值投入和产出均呈现出增长的趋势，中稻系统则较为稳定；2002—2004年及2009—2010年间，湖南早、晚稻系统与中稻系统的种植面积、能值投入和产出均出现此消彼长的情况，且早、晚稻播种面积明显下降，主要受双季稻改种单季稻的影响[43-44]；2010年以后，湖南早、晚稻系统的种植面积、能值投入和产出均出现新一轮增长，中稻系统虽种植面积略有下降，但在持续增长的购买能值投入下，其能值产出仍显著增长。由表2可知，2002— 2016年间，湖南早、中以及晚稻生产系统每千公顷的能值产出为中稻＞晚稻＞早稻，变动区间分别为6.13× 1018—7.91×1018sej、8.42×1018—10.56×1018sej、7.43×1018—8.68×1018sej，单产年均增长率分别为1.84%、1.63%和1.12%，且呈波动趋势，因此稻作技术的改进虽然对总能值产出有一定的贡献，但湖南三季水稻总种植面积和总能值投入变化仍是影响总能值产出变化的主因。

3.4 能值综合评价指标动态分析

3.4.1 能值投入率（EIR） 能值投入率越高，说明该类水稻种植系统需要投入较多的购买能值，生产方式逐渐转向现代化，而环境资源能值投入比较少，增大了自然资源的压力，从而导致更高的生产成本，降低了市场竞争力。表5表明2002—2016年间，湖南稻作系统能值投入率方面为晚稻＞早、中稻，且表现出波动的趋势；早、中、晚稻自2002年最低时的4.22、3.56、4.98振荡增长至最高时的7.29、6.50、9.12，其振幅分别为72.75%、82.58%、83.13%。该数据表明湖南三季稻作系统中，晚稻系统生产方式现代化程度较高但其对本地资源及自然资源的利用率偏低，对环境的影响更大。

3.4.2 能值产出率（EYR） 2002—2016年间，湖南稻作系统的能值产出率方面中稻＞晚稻＞早稻，但中稻呈现下降的趋势；早稻、中稻和晚稻的振荡区间（振幅）分别为1.52—2.23（46.71%）、2.41—3.44（42.74%）、2.19—2.62（19.63%）。2006年以后，中稻因单位种植面积投入的购买能值增长过快，致使其能值产出率有所降低并接近晚稻系统，晚稻较高效率的农业机械化与中稻较高的化肥、人工、畜力能值投入是能值产出率趋同的主因。湖南中稻系统的竞争优势因生产技术落后导致效率低下而日益缩小，政府及农技部门应指导农户结合地域特点充分利用本地自然资源调整能值投入结构、提高购买能值利用效率，才能确保其竞争优势地位。

3.4.3 环境负载率（ELR） 从能值分析角度来看，外界大量的能值输入以及过度开发本地非更新资源是引起区域环境系统恶化的主要原因。一般来说，当ELR＜3时，表明环境压力很小；当3＜ELR＜10时，表明环境压力处于中等水平；当ELR＞10时，表明环境压力相当大[47]。2004年到2014年，湖南早稻、中稻和晚稻生态系统的环境负载率均呈现出大幅上升的趋势，直到2014—2016年才趋于平稳；2002—2016年间早稻、中稻和晚稻ELR的上升区间（年均涨幅）分别为0.34—1.54（11.39%）、0.38—1.54（10.51%）、0.41—1.79（11.10%），2006年以后ELR值表现为晚稻＞早、中稻系统。但湖南水稻生产系统近年来ELR值增长过快，若照该趋势任其发展，当系统长期处于较高的环境承载力时，系统将产生不可逆转的功能退化或丧失。湖南是中国粮食生产大省，肩负着国家粮食安全的重任，所以必须高度重视水稻种植可能造成的环境问题。

3.4.4 可持续发展指数（ESI）能值可持续指标的数值越小，代表系统产出率越低、环境压力相对较大；也代表系统能值产出越低、应用的可更新能值越低，则可持续发展能力越弱。一般ESI值为1—10表明经济系统富有活力和发展潜力；ESI＞10是经济不发达象征；ESI＜1为消费型经济系统[47]。由于环境负载率大幅上升，湖南早稻、中稻和晚稻的能值可持续指标经历了快速下降期（2004—2014年）后趋于平稳，2008年以后中稻＞早、晚稻系统；2002—2016年间三季水稻的下降区间（年均降幅）分别为1.31—6.66（10.97%）、1.82—7.03（9.20%）、1.33—5.63（9.79%）。近年来，三类稻作系统ESI值大幅下降至＜2，不可更新资源能值投入占总能值投入的比重均超过55%，晚稻更是达到65%，表明它们均是以耗竭环境资源为代价换取农业发展，不符合经济高效的目标。

3.5 与传统成本-收益分析法比较

在成本-收益的经济分析中，通常仅考虑农户的私人投入和私人收益；已有的能值分析研究中对能值产出率的定义中的投入能值仅考虑市场购买能值，没有核算自然投入，本文将自然投入纳入能值分析，将包含自然资源能值和只计算购买能值的分析结果与传统成本收益分析结果进行对比分析。由于仅考虑私人投入产出的单位与其他方法不同，因此统一用利润率来对这3种方法进行比较（表6）。

采用成本-收益分析法，2002—2016年湖南水稻生产的利润率（年均利润率）分别为早稻11.38%— 40.77%（14.32%）、中稻14.82%—100.78%（40.89%）和晚稻11.97%—69.37%（34.12%）。采用只计算购买能值的分析法，利润率（年均利润率）分别为早稻51.84%—123.38%（103.31%）、中稻140.61%— 243.90%（167.80%）和晚稻119.45%—161.95%（145.93%）。而采用包含自然资源能值的分析法，利润率（年均利润率）分别为早稻22.76%—92.97%（71.11%）、中稻95.68%—180.61%（121.43%）和晚稻82.76%—136.05%（116.52%）。3种分析方法得出的平均利润率均为中稻＞晚稻＞早稻。从2004年起，三季稻作系统的利润率均呈波动下降趋势，中稻的下降幅度明显大于早、晚稻系统且利润率已与晚稻系统不相上下。

结论显示，无论哪个季别的水稻，由于机械作业和人工成本经济支出的大幅增长，拉低了农户的市场经济利润率，成本-收益法得出的利润率明显低于能值分析的结果，故包含自然资源能值投入的利润率能更全面客观地反映稻作的环境成本。对比表1可知，三季稻作系统的市场经济价值的变化直接影响农户的种植积极性，如2004年市场经济利润率出现峰值之后，拉动水稻种植面积持续增长至2006年的峰值，随后因利润率下降，水稻种植面积有所回落。

4 讨论

4.1 政策层面对稻田生态系统能值投入结构的影响

从2004年起，伴随着国家一系列农业政策的实施，传统稻作技术的生产方式、管理模式发生了较大改变，各类生产要素投入结构随之产生调整。2002—2016年湖南稻田生态系统能值投入结构中，环境总资源能值投入相对稳定，但所占能值总投入比重偏低，晚稻最为明显。系统投入能值大部分依赖外部购买能值并趋向增加，其中工业能值增长较快，湖南晚稻系统投入工业能值占系统总能值比例自2014年起高于全国62%的平均水平[47]，相应的系统可更新有机能值投入呈快速下降的趋势。三季稻作系统主要的购买能值投入结构已调整为机械＞人工+畜力＞化肥＞农药或种子＞燃料＞有机肥。其中系统投入的机械能值贡献较大，其占比迅速增加并超过人工、化肥成为能值投入结构中的最大部分，与此同时人工、畜力等生产要素投入逐年递减，充分说明以机械化为代表的先进生产力正在快速取代人工、畜力为主的落后生产力，生产方式日益现代化，晚稻系统最为突出，中稻系统发展相对滞后。

4.2 社会经济系统对农户稻作技术选择偏好的影响

长期以来，人类社会投入稻田生态系统的购买能值中，人工能值投入占比最大，约占购买能值投入的50%以上。由于居民生活水平快速攀升导致人工成本逐年大幅提高，出现了人工能值投入与农户经济投入的年际变化产生背离现象，即单位种植面积的人工能值投入逐年减少，但人工成本支出却逐年增加。2002—2016年间每公顷早、中、晚稻生态系统人工经济成本变动区间分别为269—945$、247—1179$、241—1012$[46]，年均增幅分别为9.39%、11.81%、10.79%，人工成本已成为制约农户增收的主因，因此节省人工、降低劳动强度已成为农户选择稻作技术的主要考量。由于人工投入的不足，过度依赖化肥、农药投入而有机肥利用不足，精耕细作的传统稻作技术正被粗放型经营方式所取代。

造成人工能值投入变化的原因主要是因为农业劳动力逐渐向城镇和其他产业进行转移，劳动力和土地在中国已是稀缺资源，如果替代活动的收益高，稻农就会将这些资源转向替代活动，直至达到均衡状态。看来，稻作的经济效益并不能吸引农户投入更多。保护和提高稻农积极性，改变日益恶化的以耗竭环境资源为代价的高投入驱动型稻作生态系统，仍需要外部激励。

表5 2002—2016年湖南稻田生态系统能值指标

EIR: emergyinputratio; EYR: emergy yield ratio; ELR: Environmentalloadratio; ESI: Sustainabledevelopmentindex

表6 2002—2016年湖南稻田生态系统的利润率（%）

4.3 三个季别稻田生态系统年际间的生态和经济效益的比较

2002—2016年间，湖南早、中、晚稻生态系统单位种植面积的主要购买能值投入中：机械作业能值投入均呈明显增长趋势，相应地人工能值投入均逐年显著下降，其中2010—2014年间中稻系统机械投入明显少于早、晚稻、人工投入则明显高于早、晚稻；化肥投入粗放仍居高不下，且投入密度为中稻＞早、晚稻；农药施用无序且呈增长趋势，中稻、晚稻系统投入密度均明显大于早稻；畜力在农业生产中的比重越来越低，早、晚稻系统尤为明显，中稻系统对畜力的依赖程度仍较高，从2008年起系统投入密度为中稻＞早、晚稻；系统种子能值投入密度为早稻＞晚稻＞中稻；系统有机肥投入量极少且仍趋向不断减少。

湖南稻田生态系统单位种植面积的能值产出、生态和经济平均利润率均为中稻＞晚稻＞早稻，中稻系统具有先天的竞争优势。但中稻种植区域多位于丘陵和山区，田地零散不利于整合及大型农机的运用，而使用小型农机效率较低，仍较多地依赖人工、畜力，农业生产机械化、集约化程度较低；同时系统在化肥、农药能值投入方面的粗放程度明显高于早、晚稻系统。虽然其环境负载率、可持续发展指数、平均利润率仍优于早、晚稻系统，但中稻系统的能值产出率、生态和经济利润率降幅较大导致与晚稻系统基本持平，其竞争优势日益缩小。系统单位种植面积的购买能值投入从2012年起转变为中稻＞早稻＞晚稻系统，晚稻能值投入产出综合效益较高；早稻因较高的用种成本和较低的能值产出密度和利润率，种植面积始终低于晚稻；中稻系统的综合效益较低。

4.4 湖南农业生态系统的发展状况

将稻田生态系统的能值综合评价指标与2008年湖南农业生态系统（EIR=5.56，EYR=0.96，ELR=1.79，ESI=0.54）[42]和2011年环洞庭湖区农业生态系统（EIR=5.51，EYR=2.54，ELR=1.81，ESI=1.39）相比[52]：能值投入率方面晚稻＞早、中稻，表明晚稻系统生产方式现代化程度较高，早、中稻系统仅达到全省平均水平；能值产出率方面中稻＞晚稻＞早稻，数据表明湖南水稻系统产出率明显高于其他农业生态系统，且中、晚稻已达到环洞庭湖区农业生态系统的产出水平；环境负载率年均涨幅较大、指标表现为晚稻＞早、中稻系统，表明早、中稻系统投入的非本地资源较少、对环境的压力较小，而晚稻系统对环境的压力已与湖南其它农业生态系统相当；可持续发展指数年均降幅较大、指标表现为中稻＞早、晚稻，表明水稻系统较湖南其它农业生态系统更加富有活力但发展潜力日益下降，不符合经济高效的目标。

4.5 促进稻田生态系统可持续发展的思考

笔者借鉴蓝盛芳等[36]对Odum H T. 关于人工能值与其受教育程度相关研究成果，按照初、高中程度与普通劳动力的人工能值系数进行了人工能值调整，应该更符合当前稻作技术不断更新的现状。特别是随着土地流转政策实施后，通过科学、高效、集约化整合土地资源涌现出大批新型农场主、各类专业合作社以及结合区域生态特点发展出许多生态稻作技术，都需要具有专业知识技能的农场主、新型稻农、农机手等。可以预见，稻作分工细化、技能认证、持证上岗将成为经营稻田生态系统的趋势。为更客观的反映不同分工的稻作人工能值与文化、教育等软实力之间的联系，应加强人工能值调整系数的研究，以期更精准的评价各种稻作技术的真实价值。

蓝盛芳等[36]对Odum H T. 关于科技信息的理论进行了研究，但没有对于被赋予科研成果、发明专利等科技信息的农业生产要素、稻作技术进行评价。相应的，赋予了科技信息能值产品的产出能值也没有进行全面评价，即只进行了物质“量”的衡量，而忽略了物质“质”的计算。以种子为例，因其能值转换率未包含科技信息能值，其能值占比极低，但水稻用种经济成本占比达到农户总经济支出5%左右，特别是优质杂交早稻相比杂交中、晚稻更高，早稻用种成本已成为农户早稻种植的重要现实考量。

5 结论

湖南稻田生态系统的能值投入以外部购买能值为主，农业机械化不断提高，生产方式逐渐转向现代化，相较于湖南其他农业生态系统对环境的压力较小但环境负载率指标增长较快。系统开发程度逐年大幅增高，但伴随着工价不断上涨致使人工能值投入不断降低，系统为了维持其较高单产水平而不得不采取高工业能值投入稻作技术，过度依赖化肥、农药投入而有机肥利用不足。湖南三季稻作系统中，早、晚稻系统发展水平和生产效率较高，中稻系统发展相对滞后；早、中稻系统利用环境资源较多，农业还可以加大发展空间，晚稻系统对环境的压力较大；稻作经营方式粗放，中稻系统尤为突出，致使其竞争优势降低；中、晚稻系统的能值产出率和利润率较高，早稻较高的用种成本进一步拉低了其利润率；湖南稻作农业现代化的地域不均衡发展矛盾依然突出。如果没有外部激励，双季稻改种单季稻的趋势不会改变。无论哪个水稻季别，成本-收益法评价的利润率均低于能值分析的结果。传统的成本-收益分析法以市场价值作为评价标准，低估了稻作的真实价值。那么，以利润作为行为出发点，会影响农民从事稻作永续经营的积极性。

从整体上来看，湖南稻作生态系统应结合三类水稻种植地域特点，利用当地自然资源优势，加大对于太阳能和雨水能等可更新环境资源及有机肥的利用率，减少对化肥、农药的依赖度，引导稻作技术向生态型、集约型、规模化、机械化的现代高效农业技术转变。

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Ecological Emergy Analysis of Different Paddy Ecosystems in Hunan Province

ZHOU Jiang1, XIANG PingAn1,2

(1Rural Ecosystem Health Laboratory of Hunan Dongting Lake Area, Hunan Agricultural University, Changsha 410128;2)

【Objective】Hunan paddy ecosystem is mainly one- and double-cropping rice patterns ecosystem. By evaluating the effects of the adjustment of cropping patterns on the planting efficiency of rice grain in different seasons, this paper was expected to provide decision basis for the sustainable management of paddy.【Method】In this paper, raw data on the input and output of environmental resources and economic resources in the ecosystem of early rice, middle rice and late rice in Hunan from 2002 to 2016 were obtained through relevant statistical yearbook. emergy analysis theory and method were used to analyze the dynamic development status and comprehensive development level of the different seasons paddy ecosystem. Then the input and output efficiency of paddy were evaluated by emergy analysis index and compared with the traditional economic profit rate index.【Result】From 2002 to 2016, the input emergy of natural resources in Hunan paddy ecosystem was relatively stable, and the input emergy was mostly dependent on purchasing emergy and tended to increase. The emergy input structure was adjusted to be mechinery＞labor+animal＞fertilizer＞pesticide or seed＞fuel＞organic fertilizer. Agricultural mechanization gradually replaced the artificial, animal - based production mode. Purchasing emergy input per 1000 hm2planting area: the density of unrenewable industrial emergy showed a significant growth trend, and the density of machinery operation emergy was the highest contribution rate in the unrenewable industrial emergy inputs. The density of fertilizer emergy inputs was the semilate rice ecosystem＞early and late rice, and it stayed high for years. The density of pesticide emergy inputs was semilate and late rice ecosystem＞early rice, and it tended to increase. Density of renewable organic emergy inputs had been tended to reduce. Although the labor emergy decreased significantly, its contribution rate was still the highest in the renewable organic emergy inputs. The density of rice seeds emergy inputs for early rice ecosystem＞late rice＞semilate rice, and early rice and late rice tend to increase. The density of animal emergy had been converted into semilate rice ecosystem＞early and late rice, and the trend was decreasing. Organic fertilizer inputs tended to reduce unceasingly. The purchase emergy inputs had been converted into the semilate rice＞early＞late rice ecosystem from 2012. The emergy outputs of the unit planting area, ecological and economic average profit margin of rice were the semilate rice ecosystem＞late rice＞early rice. The planting area of early rice was always lower than that of late rice. The variation trend of the emergy index of Hunan paddy ecosystem was: the emergy input ratio (EIR) in the late rice ecosystem＞early and semilate rice; the emergy yield ratio (EYR) in the semilate rice＞late rice＞early rice. The ecosystem puts less pressure on the environment, but the environmental load ratio (ELR) increases rapidly and it was the late rice ecosystem＞early and semilate rice. The sustainable development index (ESI) had dropped significantly to＜2, and converted into the semilate rice ecosystem＞early and late rice after 2008. 【Conclusion】The rice production mode in Hunan paddy ecosystem had been modernized day by day. The ecosystem was dynamic but its potential was declining. The rice production mode belonged to extensive operation, which large inputs of industrial emergy cause short-term ecosystem pressure in environment, ecological and economic profit margins declining. It was not conducive to long-term sustainable development ecosystem. Although the semilate rice ecosystem’s ELR, ESI, average rate of profit is still better than the early and late rice ecosystem, but it’s EYR, ecological and economic profit margins were in the larger decline by using more labor, animal power, chemical fertilizers and pesticides and its mechanical emergy efficiency was low, leading to the competitive advantage to reduce. The seed emergy input of early rice ecosystem was high and the emergy yield density and profit rate were low. The comprehensive benefit of purchasing emergy of late rice ecosystem was higher. The contradictions in regional unbalanced development of modern paddy planting technology were still outstanding. Regardless of the grain in different seasons, the cost-benefit method which based on market value underestimates the real value of the paddy ecosystem. The different incentive policies should be formulated by government according to early, semilate and late rice, so as to safeguard farmers' interests and realize sustainable paddy production.

rice; ecosystem; emergy analysis; efficiency; Hunan province

10.3864/j.issn.0578-1752.2018.23.009

2018-04-21；

2018-08-24

国家科技支撑计划（2012BAD14B17）、国家社科基金（11BJY028）

周江，Tel：0731-84635397，E-mail：1090903824@qq.com.cn。

向平安，Tel：0731-84635091；E-mail：xiangpa@hunau.edu.cn

（责任编辑 李云霞）