基于能值分析的国有农场环境绩效评估
2022-10-06罗志红刘祚希
罗志红 刘祚希
(沈阳航空航天大学能源与环境学院，辽宁 沈阳 110136)
引言
农场化农业是未来世界农业发展的趋势，在提高农业机械化水平、推广农业新技术、提高单位面积产量、降低成本、提升粮食质量、提高资源利用率等方面，农场化的发展起着重要作用。除此之外，农场化的发展扩大了耕地面积，释放出巨大的劳动潜力，加快城市化的步伐。在当前农业可持续发展的大背景下，农场的农作物生产正逐步成为农业产业链中的一个有机组成部分[1]。然而，为了追求粮食总产量，在农业的生产过程中也产生了一系列环境问题，如农业机械、化肥、杀虫剂的滥用，对农业生产产生负面影响，降低了农产品的品质，带动整个产业链的资源消耗和污染物排放，从而导致地区的环境压力过大，可持续性下降[2]。因此，建立适于我国农场体系的环境可持续评估方法和指标体系能够为我国大型农场的可持续管理模式提供帮助。本文采用能值分析方法，以国有农场农作物生产系统为对象，包括粮食产量、棉花产量、油料作物产量、糖类产量、麻类产量、茶类产量和水果产量等，对我国2003—2018年国有农场的农作物生产系统进行可持续绩效评价。
1 研究方法与数据来源
1.1 研究方法
1.1.1 能值分析概念
1987年，Odum第1次向外界阐述了能值概念理论，之后Odum又进行了一系列调查研究并出版了世界上第1部能值专著《Environmental Accounting:EMERGY and Decision Making》，Odum将能值定义为某种流动或贮存的能量包含另一种流动或贮存的能量称为该种能量的能值[3]。地球上的能量都直接或间接地来源于太阳能，所以实际应用中通常以太阳能值(SolarEmergy)来度量不同类型能量的能值。
1.1.2 系统能值流图
将生态系统的生产者、消费者以及其他组分联结在一起，描述整个生态系统的流动过程如图1，图中最大的矩形代表了国有农场农作物生产的系统边界。阳光和地球循环是基本的可再生能源，是推动整个作物系统的初始能源。这些资源流动和其他投入，如柴油、灌溉水、农业机械、肥料和劳动力等，支持了农作物生态系统的生产运作。虚线代表了投资和购买劳动力资源的货币流动。
图1 农场农作物生产系统边界图
1.1.3 能值分析数据计算
收集2003—2018年国有农场农作物生产系统的自然环境资源投入与消耗等各种数据，对系统中主要能量来源和输出项目进行研究，然后对能值分析表中各类别资源能流量(原始数据)进行计算，用焦耳(J)来表示；每个参考(或功能)单元投入的太阳能类型的输入能值量被命名为单位能值(Unit Emergy Value，UEV)；将各类别的能量转换成共同的能值单位(solar emjoule)，简写为sej，评价其在系统中的贡献和地位。在公式(1)中给出了相应UEV计算的能值流量[4]。
Em=∑fi×UEVii=1,…,n
(1)
式中，Em表示投入资源的太阳能值；fi表示物质或能量的输入流；UEVi表示第i流的单位能值。
1.1.4 能值指标评价体系
Noise Intensity Determination in Urban Rail Transit Environmental Impact Assessment……………HAN Li(2·5)
在能值分析评价体系的作用下，以能量流、信息流、物质流、货币流等各种生态流统一能值为标准的衡量尺度上，对各个系统和子系统的结构、功能进行了分析，从而反映出资源的价值，反映了人类社会的发展。如公式(2)所示，投入的总能值(Total emergy used，U)是将可更新资源能值(Renewable resource emergy，R)、不可更新资源能值(Nonrenewable resource emergy，N)与购买能值(Purchased Resources，F)相加。以国有农场农作物生产系统为例，可更新能值包括太阳能、风能、雨水能以及地球旋转能；不可更新能值包括表层土损耗；购买能值包括灌溉水、种子、劳动力、农业机械、柴油和化肥等。
U=R+N+F
(2)
利用可更新资源能值(R)、不可更新资源能值(N)、外购资源能值(F)与总能值(U)对国有农场农作物生态系统的可持续发展进行了分析，构建能值产出率(Emergy yield ratio，EYR)、环境负载率(Environmental loading ratio，ELR)、能值可持续指数(Emergy sustainable index，ESI)3个指标，对国有农场农作物生态系统的产量、环境负荷、可持续性以及经济强度进行了评价(除西藏、香港、澳门和台湾)。
1.1.4.1 能值产出率(EYR)
能值产出率是系统总能值与购买能值之比，这一指标是衡量系统产出对经济贡献的大小。能值产出率越高，表明农场农作物生产效率越高，经济效益越好。用公式(3)来表示：
(3)
1.1.4.2 环境负载率(ELR)
环境负载率是不可再生能源与可再生能源之比，是衡量农作物生产对当地环境造成的压力。环境负载率越大，表明农作物生产过程对环境的压力越大。用公式(4)来表示：
(4)
可持续发展指数定义为能值产出率(ELR)与环境负载率(ESI)之比。这个指标衡量了生态和经济2个方面。当ESI<1时，则该系统的可持续性较差；当ESI在1～10时，表明该系统是一个发展中的经济体；当ESI>10时，表明该系统的可持续较好。用公式(5)来表示：
(5)
1.2 数据来源
此次研究采用的数据均来源于2004—2019年国家统计局所编制并发布的《中国农村统计年鉴》，降雨量数据来源于2003—2018年30省份的水资源公报，农业灌溉水使用量数据来源于《中国统计年鉴》。能值输入流的UEV主要基于发表的研究和美国国家环境核算数据库(National Environmental Accounting Database，NEAD)[5]。
2 结果与讨论
2.1 能值产出率(EYR)
从图2可以看出，2003年的国有农场的能值产出率是1.29，到了2018年，能值产出率已经下降到了1.24，年均下降率为0.23%。表明用于产生农作物产量的最大一部分能值是从系统外部投资来驱动这一过程的，系统更多地依赖于外购资源，而不是当地资源。从表1可以看出，2003—2018年，EYR的平均值是1.25，和其他国家相比，我国农场作物生产系统的EYR值比较高，给环境系统带来了不小的压力。
图2 2003—2018年国有农场EYR、ELR和ESI分析结果
2.2 环境负载率(ELR)
根据图2可知，2003年农场的环境负载率为4.4，到了2018年，增长到了5.12，年均增长速率为1.01%。从表1也可以看出，农场作物生产系统的环境负载率比其他国家高，也就是说，我国农业的发展已经对环境造成了中度影响。而在未来的农业发展中，此值势必会呈现逐渐增长的趋势，因此，要对国有农场重新进行评估，适当减少农场不可再生资源的投入，保证农场的功能不退化。
2.3 能值可持续指数(ESI)
从图2可以看出，2003年国有农场的环境可持续性指数是0.29，到了2018年，已经下降到了0.24。从表1也可以看出，与其他国家相比，我国农场作物生产系统的可持续性较低，系统对经济投入的依赖程度太大。
表1 国有农场作物系统与其他研究的比较
3 结论与建议
结果表明，从2003年开始，总能值的投入在逐年增加。截至2018年，外购资源的投入已经占到了最高比例，国有农场作物生产系统的EYR值逐年下降，ELR值逐年上升，因此ESI值逐年下降。这表明我国国有农场由传统的农场模式转变成了大型的机械农场模式，采用了更加先进的技术，如自动播种机、自动收割机等，提高了农作物生产效率，但与此同时，大量的生产也导致了一系列的环境问题。根据本研究得到的结论对国有农场农作物系统在未来的发展提出相应的政策建议。具体建议如下：提高化肥的使用效率，可以采用新的化学成分、准确的施用方法和更好的农业管理技术，各农场还可以实行种植养殖一体化模式，还可以推广秸秆还田，推广水肥综合利用技术来提高化肥的利用率；发展农业循环经济，如可以应用3R原则，以减少整体不可再生投入，将现有的农场发展模式转变为生态循环农业模式，延长其可持续发展。
