基于能值分析的武汉市耕地资源可持续利用评价

马才学，朱 林*，刘世超，杨蓉萱，张 琪

（1华中农业大学公共管理学院，武汉430070；2武汉市住房保障和房屋管理局，武汉430014）

1 研究背景

土地中最精华的部分就是耕地，其对人类生产生活和经济发展都起着十分重要的作用。首先，国民经济的发展需要耕地作为基础，耕地是一种重要又稀缺、且难以再生的资源，在可持续发展战略中具有非常重要的地位；其次，社会稳定发展的基础要靠耕地，因为它是农民的生产资料，能够保障农民的生活，解决生存问题和就业问题，实践证明，失地农民越多，社会矛盾就越突出［1］。另外，我国人口数量依然不断的增长，同时人们对粮食的需求也不断的上升，因此眼下最重要的是能够让耕地资源可持续利用，并且平衡耕地保护和经济发展二者之间的关系。

能量价值理论与分析方法的研究在国外应用的十分广泛，在自然和社会方面都有所涉及。Odum等［2］1987开始评估沿海地带和河流等自然生态系统，对一些生物也有所涉及，例如鲸鱼等。初次提出能值可持续性指数是意大利生态学家Ulgiati和美国生态学家Brown［3］。还有学者运用能值理论对泰国的环境与经济进行分析，并且具体说明了湄公河修建大坝的生态影响和环境影响［4］。Ulgiati等［5］在环境的压力及其可持续性方面对意大利进行能值评价。对乡村的可持续发展，Siracusa等［6］使用能值理论大胆探索其理论方法并进行实践研究。总体来看，在可持续发展的能值理论应用中，国外较为集中在两个方面，一是对区域或产业可持续发展的能值指标评价的研究，二是对区域或产业发展中的承载力以及对承载力影响的研究。

在利用能值指标进行可持续利用评价的实证研究中，李双成等［7］在土地持续利用方面构建若干基于能值理论分析方法的相关指数，确定1978—1999年中国农业土地的可持续发展状况。但评价的相关指数仍然需要进一步优化。国内很多学者对不同城市的耕地进行了可持续性评价的研究［8-12］，但研究主要从空间上对耕地资源进行评价，并没有从时间序列上进行研究。还有些学者以全国为研究区域对耕地进行可持续性评价［13-14］，由于研究区域过大没有考虑到不同地区的特殊性，使得结果产生部分偏差。刘旭晔［15］通过建立指标体系对湖北省耕地可持续利用进行研究，但主要侧重于城镇化对耕地的影响，并没有从对整个耕地系统进行可持续性评价。于婉婷等［16］通过建立指标体系对大庆市的耕地进行了可持续利用评价，但并没有对指标进行量纲化，因此结果分析存在说服力不足的情况。基于此，本研究以能值相关理论为指导，阐述武汉市土地利用现状，以时间序列变化对武汉市耕地相关数据进行建模探讨，分析武汉市耕地利用的可持续发展现状，运用能值理论和方法对武汉市的耕地可持续利用情况进行分析并给出相关对策。

2 研究区域与数据来源

湖北省武汉市位于江汉平原的东部，长江和汉江之滨，地处于华中腹地。据《2017年武汉市统计年鉴》，武汉市2016年土地总面积8 569.15 km2，耕地面积1 913.6 km2，占全市总面积的22.33%。水田和旱地是耕地的主要组成部分，在武汉水田的面积达到1 133.2 km2，其占耕地总量的59.22%，旱地767.7 km2，占耕地面积的40.12%，其他12.7 km2，占耕地面积的0.66%。2003—2016年耕地数量呈直线下降趋势，13年间减少了14 420 hm2，其中从2006—2008年减速较缓，但2009—2013年减势迅猛。

研究数据主要有耕地系统投入基础数据、耕地系统产出基础数据、能值转换率以及能量折算系数与耕地数量。耕地数量，耕地系统投入基础数据中的可更新环境资源和不可更新环境资源以及耕地系统产出基础数据来源于《武汉市统计年鉴》2004—2017年，其中能量折算系数与能值转换率来源于Odum与国内各学者总结所得［17-20］。

3 研究方法

能值分析理论将生态系统和经济系统综合考虑在内，出发点是总体经济，衡量单位是能值，创建了能值理论体系。通过能值分析对耕地进行可持续利用评价的主要方法主要分三步：一是将土地的投入和产出进行能值转换，转化为太阳能值；二是对耕地的能值投入产出进行分析；三是构建能值指数，通过能值指标对耕地利用状况进行评价分析。

3.1 能值转换

不同的物质所含有的能量的质量不同，所以必须进行能值转换将其统一，再来比较不同形式的物质能量。能值分析就是利用能值转换率将不同的能量转换为同一量纲的太阳能值，转换公式为Em=Sc×E，式中的Em表示能值及不同的物质能量转换后的能值，Sc表示太阳能值转换率，E表示能量及不同物质所含有的能量（表1和表2）。

表1 耕地系统投入的能值折算系数和能值转换率Table 1 Cultivated land system input energy conversion coefficient and energy conversion

表2 耕地系统产出的能值折算系数和能值转换率Table 2 Cultivated land system output energy conversion coefficient and energy conversion

3.2 能值投入产出分析

耕地系统是一个十分复杂的系统，目前若想要详细知晓其中的物质循环和能量流动特征较为困难。本研究仅分析耕地直接投入和产出的能值利用状况来保证相关能值转换的准确性，其具体能值投入及产出资源见表3。

表3 耕地能值投入产出情况表Table 3 Energy input and output of cultivated land

3.3 能值指标及可持续性分析

以武汉市2003—2016年耕地生态系统的投入产出项目为基础，并根据武汉市的具体情况，选择系统稳定性指数（S）、耕地环境负载率（ELR）、耕地能值使用强度（ED）、耕地能值产出率（EYR）、工业辅助能贡献率、系统生产优势度（C）、人均能值产出量、可持续发展性能指数（EISD）这八个指标来进行量化评价和分析（表4）。这些指标将复合生态系统的各种物质流、资金流、信息流、生态流、能量流等进行了量化分析，定量分析了耕地生态系统的结构、功能和效率。其中耕地能值产出率是耕地能值总产出与工业辅助能值与有机辅助能值的和的比值，此指标主要是用来评价能值在农业生产活动中被利用的是否高效；耕地能值使用强度是耕地能值总投入与耕地总面积的比值，表明耕地生态经济系统的集约化水平和利用强度；工业辅助能贡献率是不可更新工业辅助能与能值总投入量的比例，它在一定程度上反映人类因素对耕地生态系统的影响；耕地能值总产出比上农业从业人员为人均能值产出量；不可更新资源能值投入比上可更新资源能值投入为环境负载指数，通过生态系统能值分析理论可知系统依靠可更新资源生存和发展的能力，可以体现生态系统可持续性；通过系统结构优势度（System dominant degree，SDD）可知系统各产业结构的优势差异和配置的指标，SDD的范围在0—1，SDD越小，则各产业优势度差异越小，越接近1，证明某个单一产业正在处于优势的地位。这两种情况都不是最好的情况，都是不利于系统发展的。因此，最合理的情况就是SDD在0.5左右，这时系统中有某个产业是占主导地位的，但是其他产业单元同时得到兼顾；系统稳定性指数（System stability degree，SSD），是来体现系统结构是否稳定以及它的协调性。SSD高表明系统的每一个能值流能够较好的连接网络，系统的自动控制和调节以及反馈作用强，具有较大的稳定性；耕地可持续发展性能指数（EISD）为耕地能值产出率比上耕地环境负载率。可持续发展性能指数主要反映耕地生态经济系统的可持续发展能力。耕地可持续发展性能指数越大，代表在单位环境压力下，经济效益越高，系统具有更好的可持续发展性。当EISD＜2表示地区的系统可持续性并不理想，给环境的负载压力过大且能值的收益不足。当2＜EISD＜18，说明系统可持续发展的情况比较理想。当EISD＞18，说明对地区的系统资源开发和利用不足。

表4 耕地生态系统能值指标体系Table4 Cultivated ecosystem energy index system

4 结果与分析

4.1 武汉市耕地可持续性的能值投入分析

武汉市耕地生态经济系统的投入主要有工业能投入（即不可更新工业能）、环境资源投入（包括可更新环境资源和不可更新环境资源）及有机能投入（可更新辅助能源），四个部分的能值投入曲线见图1。

图1 武汉市耕地生态系统各个部分的能值投入曲线Fig.1 Energy various parts of the ecosystems into cultivated land in Wuhan

从图1可以看出，武汉市的可更新环境资源以及不可更新工业能的投入增加，不可更新环境资源的投入基本不变，而可更新辅助能源的投入略有下降，这些耕地系统投入结构的变化说明武汉的农业生产效率在提高。其中不可更新环境资源能值投入在这些年间基本保持稳定，且表层土损失量较小，占总投入的比例十分低，证明武汉市的水土保持状况比较理想，并且维持良好。由投入能值可以看到，不可更新工业辅助能值2003—2016年增长了11.4%，其主要原因是农村机械化水平不断提高，农用机械、电力的使用情况也呈现上升趋势；可更新环境资源能值增长了1.1%。然而，2003—2016年武汉市不可更新工业辅助能值的增加导致可更新有机能值呈略微减少的趋势，即武汉的农业机械化水平不断提高，手工劳动正在逐步被机械操作所取代。

2003—2016年武汉市耕地利用系统的能值总投入基本上呈平稳上升趋势（图2），小部分的不可更新工业辅助能能值的增加被劳动力和畜力能值的减少抵消了，并且可更新环境资源增长幅度较小，因此，总能值使用量增加的趋势表现与不可更新工业辅助能增加的趋势表现大抵相同，但实际上内部已经发生了增长和减少的变化。可更新有机能值和不可更新工业辅助能值的此消彼长，是耕地生态系统中较良好的表现，这说明落后的农业手段正在被先进的工业手段代替，且不断趋于合理，从而导致系统整体效率的提高。

将武汉市耕地生态系统总能值的投入分成环境资源（即EmR+EmN）与辅助能值（即EmF+EmRI）两部分进行对比和分析，研究结果（图3）表明，2003—2016年环境能值的增幅为1.11%，辅助能值增幅为11.44%，是前者的10.35倍。由此可以看出，能值总投入的增加主要是辅助能值的变化，如今耕地的不断减少和退化会导致这种情况更加严重。

图2 武汉市耕地生态系统能值总投入曲线Fig.2 Cultivated ecosystem energy total investment curve in W uhan

图3 环境资源与辅助能值的投入比较Fig.3 Contrast w ith resources energy input and auxiliary energy input

通过比较可更新能值与不可更新能值，对武汉市的耕地生态系统总能值投入进行分析（图4）。可更新能值增长幅度仅为1.07%，原因是太阳能值的小幅度增加。不可更新能值也呈增长态势，增幅为11.47%。由此可知，不可更新能值对能值投入的增长的贡献更大一些，且这种情况会越来越被加强，主要原因是武汉市城乡一体化的步伐不断加快。

4.2 基于能值的武汉市耕地系统生产力分析

由图5可以看出，2003年和2004年的能值产出总量最大，2004—2005年总能值产出出现大幅下降，原因是这一时间段武汉市的水果类产量发生了大幅度的下降，由2004年的551 919 t骤减到2005年73 559 t；而2005—2016年水果类产量的总趋势是缓慢增加。

图4 可更新能值与不可更新能值的投入比较Fig.4 Contrast w ith renewable energy input and nonrenewable energy input

图5 2003—2016年武汉市耕地生态系统能值产出变化Fig.5 The change of W uhan cultivated land ecosystem s energy output in 2003—2016

影响耕地生态系统生产力的除了能值总产出外，还有耕地的变化。2003—2016年武汉市耕地面积总体上呈递减趋势。武汉市耕地与粮食基本上处于非平衡状态，从图6可以看出，不考虑2004—2005年总产出能值的不正常变化，从2005—2016年，武汉市的耕地面积逐年减少，并且每年的下降幅度不断变化，而总能值产出却出现了递增的变化现象。由于2003和2004年的水果类产量与之后几年相比产量发生巨大变化，所以去除这两年数据，通过对2005—2016年进行计算，耕地面积与耕地总能值产出二者呈负相关，相关系数高达-0.96，且在0.01水平上显著相关，这说明能值的产出受耕地数量的影响。由于技术的不断进步，以及管理方面的不断优化等措施导致粮食单位面积产量增加以及复种指数的提高，从而导致相关系数为负。

数据分析表明，耕地面积的减少对总能值的产出既有反向作用也有正向作用，耕地面积减少是因为生态系统退耕、农业结构整改、自然灾难已经建设用地占用耕地等，这些原因大部分都会导致耕地的永久性减少，而耕地的减少必然导致粮食产量的下降，如果没有耕地面积作为基础，则耕地总能值产出很难有显著提高。因此要保护耕地面积，并且优化能值投入结构。

4.3 武汉耕地生态经济系统能值指标体系及结果分析

以武汉市2003—2016年耕地生态系统的投入产出项目为基础，选取8个指标来进行量化评价和分析（图6）。（1）武汉市2003—2016年耕地能值产出率呈快速下降又缓慢上升趋势。2005年以来，耕地能值产出率为3—4，整体不高，这证明虽然武汉投入了大量的有机辅助能值和工业辅助能值，运转效率不高。但工业辅助能值与有机辅助能值的投入缓慢增长，能值总产出同样增长较缓，二者相对来说还是比较和谐。（2）2003—2016年，武汉市耕地能值使用强度整体处于不断增长趋势，且增长幅度较大，说明耕地生态经济系统的集约化水平和利用强度都有较大提高。（3）工业辅助能贡献率的计算方法是将不可更新辅助能值比上能值总投入量，它能在一定程度上反映人类因素对耕地生态系统的影响。武汉市耕地生态经济系统的环境资源的投入增长缓慢，几乎保持稳定，而工业辅助能值正在不断增长，说明耕地生态系统对购买的能值正慢慢形成依赖，从而让耕地的生态系统更加开放，更加趋于商品型。（4）人均能值产出量是耕地能值总产出与农业从业人员的比值，除了由于2004—2005年水果类的能值产出大幅下降的原因之外，从2005—2016年，武汉市人均能值产出量呈上升态势，由2005年的7.95×1015sej/人到2016年的1.70×1016sej/人，增长了1.13倍。主要是近年来，大量的农业从业人员转向乡镇企业及其他行业，使得人均能值产出量增加，同时也是由于农业相关政策使得农民收入大大提高。（5）环境负载率由2003年的1.37上升到2016年的1.51，最高值为2015年的1.54，从2015年开始耕地环境负载率稍有回落。（6）2003—2016年武汉耕地系统结构优势度从0.91下降到0.84，粮食作物与经济作物的比例由2003年的0.051变化到2016年的0.097，这表明粮食作物正逐渐的退出主导地位，二者在尽量保持平衡，即耕地生态系统内部各生产单元结构在进行优化，其主要原因是因为武汉这几年正在努力发展经济作物，调整农业结构。（7）武汉市耕地系统的稳定性指数在0.19—0.41波动，数值相对较低，说明系统的自我调控等作用需要加强。从系统优势度指标的变化可知，武汉市经济作物的比重和粮食作物的比重发生着改变，前者一直升高而后者一直降低。证明武汉的系统结构调整正在陆续进行当中，具有不稳定的耕地系统。（8）2003—2016年武汉市的可持续发展性能指数整体上呈下降趋势，2005年以来有轻微的回升趋势，幅度并不大。但EISD一直保持在2—18，即武汉市耕地生态系统富有活力和发展潜力，处于较好的可持续发展状态。但是随着环境负载率（ELR）的上升，EISD可能会发展到小于2的状况，若不采取任何措施将会导致耕地生态系统状况不利。

图6 武汉耕地生态经济系统能值指标变化趋势Fig.6 Change trend of energy index of cultivated land eco-econom ic system in W uhan

5 结论与政策建议

本研究基于耕地的可持续利用和能值分析的理论基础，阐明武汉市耕地利用的现状，运用能值分析的方法，对武汉市耕地可持续利用的投入产出结构进行分析，并构建耕地生态系统的能值指标体系。主要研究结论为：（1）基于能值分析对武汉市耕地进行了可持续利用评价，通过对各方面的能量和物质转换为同一量纲的太阳能值，克服了以往对评价过程中产生的外界干扰以及主观性的弊端，可以更加全面客观对耕地进行可持续性的评价。（2）武汉市耕地利用系统的能值总投入呈平稳上升的趋势，可更新有机能值和不可更新工业辅助能值的此消彼长，证明武汉市在耕地的利用方面更加注重先进的现代化工业手段，机械化发展进程不断推进，并且以可持续发展为目标来推进耕地的进一步利用。虽然总投入不断增加，但武汉市耕地减少趋势没有得到遏制，导致耕地的总产出增加不明显，因此耕地的数量对粮食的产量仍然起着至关重要的影响，因此施行对耕地的保护以及对能值投入结构的优化措施刻不容缓。（3）耕地能值产出率呈快速下降又缓慢上升趋势，整体偏低，说明利用和运转效率不高。耕地能值使用强度和工业辅助能贡献率整体处于增长趋势，即耕地的集约化水平和利用强度不断增加。人均能值产出量大幅下降又缓慢上升，环境负载率整体为增长趋势，系统承受的环境压力在不断上升。耕地可持续发展性能指数处于2—18，证明系统的活力和潜力都十分的可观，可持续发展状态良好，但其值贴近2，需要采取相关措施，防止系统处于不利状态。

相关政策建议为：（1）耕地可持续利用的技术措施。开展土地开发整理工作，提高耕地质量。武汉市2003—2016年能值产出的总趋势是缓慢增加的，耕地面积呈递减趋势，二者虽为负相关，但是保护耕地面积和提高耕地质量是非常有必要的。把保护生态放在首位，加紧对耕地与基本农田的整理，使有效耕地面积不断增加，改进农业生产条件和环境，保证耕地质量和农业综合生产力稳步提高。针对区域的不同特点采取相应措施，加强对耕地的保护。武汉市2003—2016年耕地面积减少了14 420 hm2，减少速度惊人。所以要合理利用并切实保护现有的耕地与基本农田，因地制宜，发展特色产业，加快农业产业结构调整，加强基础设施建设。调整耕地生态经济系统投入结构，转变经济增长方式。武汉市耕地生态系统中不可更新工业辅助能值投入比例较大，这种经济增长模式是高消耗型的，若长期实施，将破坏区域生态环境，不符合耕地可持续发展的要求。通过预测，武汉市环境负载率将不断增大，且耕地可持续发展性能指数将下降到小于2，所以，要大力推广使用有机肥、农作物系列专用复合肥和高校生物有机复合肥等，增大可更新投入能值比例，调整结构，提高单位能值产出水平和资源综合利用效率。（2）完善耕地保护的管制措施。加强对耕地占补平衡的管理应当履行复垦补充耕地的义务，实现土地征用的平衡。农村土地流转机制须完善。在产权设置、流转方式、流转监督和流转程序等方面进行规范并管理，建立土地流转信息平台，完善农村土地流转制度，限制农用地转为非农用地，实现城乡建设用地的增减挂钩。（3）更新观念，强化耕地可持续利用意识。武汉市耕地能值产出率呈快速下降又缓慢上升趋势，整体偏低，说明耕地系统利用和运转效率不高，所以要大力宣传推广低能耗、低污染和低排放为基础的低碳农业经济，减小农业发展对环境的不利影响，建立环境友好型和资源节约型的农业生产体系，促进武汉市低碳农业经济又快又好发展。在农业生产中，大力推广农业节能模式。减少能源消耗，提高农业资源的利用效率。武汉市的耕地面积在不断减少，要强化民众保护耕地的意识。加强从各级领导至普通群众的法制观念，树立耕地的忧患意识，加强惜土意识，使保护耕地和节约用地成为全社会的共识，大大提升保护耕地的积极性和主动性，重点放在长远利益，不局限于当前利益，加强全民的可持续发展观。