基于能值分析的沈阳市耕地利用可持续集约化 时空分异特征研究

吕 晓，孙晓雯，彭文龙，牛善栋

（1.东北大学文法学院，辽宁 沈阳 110169；2. 辽宁省自然资源厅土地保护与利用重点实验室，辽宁 沈阳 110169）

20世纪中期以来，为满足日益增长的粮食需求，集约化的农业生产应运而生[1]，但这也进一步加剧了土地边际收益下降、生态环境失调等现实问题。面对人口激增、农业生产系统效率低下、粮食及其副产品需求增大、新增耕地潜力有限、生态约束加大的现实背景，耕地利用可持续集约化作为现在和未来保障粮食安全、协调土地产品和功能需求、保护生态环境的有效途径被广泛讨论[2-3]。

可持续集约化（Sustainable Intensification, SI）于20世纪80年代对潮汐湿地进行环境评估时被首次提出[4]。2009年，英国皇家学会发表了标题为《收获好处：可持续与全球农业可持续集约化》的报告，自此，可持续集约化受到广泛关注。国外关于可持续集约化的研究相对较多，主要以农地、农场及农业生产的可持续集约化为研究对象，集中在概念内涵、实证评价、影响机理等方面[5]，但基于土地利用视角开展的研究尚比较有限。国内学者较多关注耕地集约利用、耕地利用生态效率和农业可持续发展等领域，以“耕地利用可持续集约化（Sustainable Intensification of Cultivated Land Use, SICLU）”为主题的直接研究相对较少，总体仍处于起步阶段。理论上，吕晓等[4]基于“新三农”视域系统梳理了耕地利用可持续集约化研究的科学问题，构建了耕地利用可持续集约化的研究框架。实证上，牛善栋等[6-7]运用物质流分析法，将度量单位统一为质量对农地可持续集约利用的影响因素及作用机理进行了山东省的实证分析；彭文龙等[8]、谢花林等[9]、辛宗斐[10]分别从农户、市域、省域尺度基于能值分析构建了耕地利用可持续集约化评价体系。综合已有研究可见，能值分析法可以将耕地利用过程中的投入和产出纳入同一量纲下进行比较和分析，有助于更加全面、客观、真实地定量反映耕地生态经济系统的可持续集约化水平时空演变过程及其规律。但目前来看，能值分析法在可持续集约化领域的应用刚刚起步，有待在粮食主产区、大城市等重要地区进一步丰富相关理论与实践探索。

沈阳市是粮食、蔬菜和畜禽产品的重要产区，整体拥有完善的农业基础和技术支撑体系。近年来，沈阳市粮食连年增产，但随着工业化和城市化的不断发展，耕地生态经济系统受到较大扰动，耕地压力较大，耕地利用模式亟待转变。基于此，本文尝试运用能值分析刻画沈阳市2000—2019年的耕地利用可持续集约化时空格局，综合反映其过程规律和演进趋势，以期为沈阳市合理利用耕地、保障粮食安全提供参考，亦为我国耕地利用可持续集约化研究提供更多案例。

1 耕地利用可持续集约化内涵

耕地作为人类对自然土地长期开发和利用的产物，由于叠加人类活动，发展成为资源、环境、技术和经济等多要素有机联系的自然、经济、社会复合系统[11]，具有整体性、复杂性、自组织性和动态平衡性等特点，及农业生产、社会保障、生态安全、空间阻隔、文化承载等多种功能[12]。耕地生态经济系统的发展和演进主要受生态规律、社会经济、利用方式、反馈调节、管理调控等不同时间、空间尺度上的综合影响[13]。社会经济的持续发展，人类的耕地利用行为加快了耕地生态经济系统内部、系统和外界环境之间的物质循环、能量流动和信息传递过程，成为现阶段耕地生态经济系统运行的主要动力。但长期以来的高强度集约利用，高度依赖商品市场和外部投入，强调产出的增加，忽视农业生产与生态环境之间的关系，导致耕地生态经济系统结构破坏，威胁粮食安全。

耕地利用可持续集约化被视作一项由静态条件（土地、资本、劳动、技术等排列式投入）发展演化成为一种动态平衡集成系统（农产品、粮食、饲料、燃料等组合式产出）的土地利用优化活动和系统工程，在此过程中承受了气候变化与人类活动共同作用的瞬间冲击和累积压力，强化提升了耕地生态经济系统的韧性与自我恢复能力[4]，有利于实现耕地利用生态经济系统内的要素和结构由简单到复杂、由低级到高级的变化过程，促进其结构合理、功能稳定和良性运转，实现生态、经济的“双赢”。耕地利用可持续集约化的内涵具体表现为：（1）经营集约化，通过改进管理方式和技术，科学增加有效投入，转变经营方式，优化管理模式，强化耕地利用全过程管理。（2）产出高效化，通过协调投入产出时空配置，优化种植结构，提高土地生产率和劳动生产率，实现既有经营面积上综合生产效率的最大化。（3）资源节约化，通过统筹资源利用比例，科学调配投施结构，提高资源利用效率，避免额外浪费。（4）生态环境不退化，强调将负面环境影响降至最低，并进一步考虑提升耕地生态系统的环境承载力和自我修复能力。（5）社会可持续，强调保障粮食安全，减少资源浪费，强化市场机制，保障农民权益，提高农民福利[8]。综合来看，坚持生态优先、绿色发展是耕地利用可持续集约化的必要前提，要求强化耕地作为生态系统抵御外界干扰和自我调节恢复的能力，保证耕地质量的长期稳定和有效提高，充分发挥耕地生态经济系统的多种功能；促进农业经济高质量发展是耕地利用可持续集约化的必然要求，要求在保证耕地数量充足、质量优良、确保粮食安全的基础上，构建“用养结合”相协调的平衡体系，提升粮食安全的稳定性和长期性；协调社会可持续发展是耕地利用可持续集约化的关键，要求关注饮食需求、减少浪费、市场交易、分配公平、代际公平等社会问题和人类福祉[8]。

2 研究方法和数据来源

2.1 研究区概况

沈阳市地处东北亚地理中心，中国东北地区的南部，辽宁省的中部。地形以平原为主，地势平坦，山地丘陵集中在东北、东南部，西部是辽河、浑河冲积平原，地势由东向西缓缓倾斜。属温带大陆性季风气候区，年平均气温为6.2～9.7℃，全年降水量为600～800 mm，受季风影响，降水集中在夏季，温差较大，四季分明。2019年沈阳市第一产业乡村从业人员74.79万人，占年末常住人口的8.99%。第一产业生产值为284.0亿元，占地区生产总值的4.39%。全市耕地面积为75.43万hm2，占全市土地总面积的58.47%，人均耕地面积为0.29 hm2；农作物总播种面积为68.05万hm2，占全省总播种面积的16.14%。农业机械总动力391.4万kW，农业机械化综合水平提高到87.1%。较2000年，2019年化肥、地膜、农用柴油、农药使用量、粮食产量、蔬菜产量、油料作物产量分别增加了22.14%、80.84%、27.66%、21.97%、78.92%、31.40%和86.15%①。全市现辖13个行政区，其中和平区、沈河区、大东区、皇姑区、铁西区5个中心城区由于无耕地或分布极少，不纳入本文研究范围。

2.2 研究方法

能值分析由ODUM于20世纪80年代创立[14]，打破了生态系统与社会经济系统不同类别能量之间难以比较、计算的问题。其以能值系统图及能值分析表为基础，展示系统内物质交换、能量转化的过程，从而衡量自然和人类对耕地生态经济系统的贡献，目前已应用于区域自然及经济可持续发展评估、生态系统的生态承载力评估、环境负载率评估等领域。

综合已有学者提出的能值计算过程[15]，本文进行能值评价主要遵循以下步骤：

（1）界定耕地生态经济系统的时空边界，绘制能值系统图（图1）。

图1 耕地生态经济系统的能值系统图Fig.1 Emergy system of cultivated land eco-economic system

（2）确定和量化支持系统运行的物质和能量流，选择适当的能值转换率计算能值指标。

（3）基于能值分析方法的评价体系建立与分析。

（4）分析耕地生态经济系统的可持续集约化水平时空演变规律，对系统优化提出建议。

2.2.1 绘制能值系统图

耕地生态经济系统的能值投入按其起源主要分为两大类，一类来源于自然环境的能值投入，包括可更新环境资源及不可更新环境资源；另一类来源于社会经济系统的能值投入，包括可更新有机能及不可更新工业辅助能。可更新环境资源主要包括太阳能、雨水势能、雨水化学能和地球旋转能；不可更新环境资源主要考虑表土净损失能；可更新有机能主要考虑种子、劳动力；不可更新工业辅助能主要包括农药、化肥、燃料、地膜、农业机械等。能值产出主要包括农产品存量能值和废弃物能值。农产品主要指粮食、蔬菜和油料作物。废弃物主要指耕地利用过程中产生的废气、废水。

2.2.2 编制能值分析表

首先，列出耕地生态经济系统中主要的能量输入和输出项。其次，计算不同性质能量的太阳能值。可更新环境资源中，由于太阳能、雨水势能、雨水化学能和地球旋转能都是太阳辐射能的转换形式，为避免重复计算，仅考虑其中的最大值。最后，编制能值分析表（表1）。

表1 耕地利用可持续集约化能值分析表Tab.1 Emergy analysis of sustainable intensification of cultivated land use

2.2.3 耕地利用可持续集约化评价体系

耕地利用可持续集约化不是耕地利用集约化与可持续性的简单结合，而是追求实现高产出效率和最小的负效应，可看作是自然环境系统和社会经济系统之间相互作用的函数。参考已有研究[6,9]，可使用能值生产率（EPR）、能值产出率（EYR）、环境负载率（ELR）、环境经济效率（EE）综合构建耕地利用可持续集约化指数（SII）（表2）：

表2 基于能值的可持续集约化综合评价体系Tab.2 Comprehensive evaluation system of sustainable intensification based on emergy

式（1）中：SIIi为沈阳市第i个行政区的耕地利用可持续集约化指数；EPRi为沈阳市第i个行政区的能值生产率；ERRi为沈阳市第i个行政区的能值产出率；ELRi为沈阳市第i个行政区的环境负载率；EEi为沈阳市第i个行政区的环境经济效率。

能值生产率（EPR）反映耕地利用投入产出效率，对应“经营集约化”和“产出高效化”内涵，表征投入的集约性和有效性，能值生产率越高，向耕地中投入同样的资源获得的产量越高，投入越集约、有效。能值产出率（EYR）反映人类社会对系统投入的回报率，对应“产出高效化”和“资源节约化”内涵，表征耕地生态经济系统对经济活动的贡献率及系统资源的利用效率。环境负载率（ELR）、环境经济效率（EE）反映耕地利用产生的环境压力，对应“生态环境不退化”内涵，ELR、EE越大，耕地利用对环境造成的压力越大。同时，4个指标也在一定程度上体现了“社会可持续”内涵。

2.3 数据来源

本文使用的数据主要包括2000—2019年沈阳市相关辖区耕地投入产出数据，包括耕地面积、年平均太阳辐射量、年平均降雨量、平均海拔、劳工量、农作物播种面积、种子、燃料、化肥、农药、地膜、农业机械、粮食产量、油料作物产量、蔬菜产量等，来源于历年《沈阳年鉴》、《沈阳统计年鉴》、《全国农产品成本资料汇编》、中国科学院资源环境科学与数据中心、全国温室数据系统等。

3 评价结果分析

3.1 能值输入—输出的总体变化特征

2000—2019年，沈阳市耕地生态经济系统总投入能值逐渐减少，减幅17.53%，总输出能值逐渐增加，增幅89.19%（表3）。来自社会经济系统的能值投入对耕地生态经济系统产出作用最大，年平均贡献率为86.11%，这与王明全等人研究所得的“辽宁主要依靠人工辅助能源的大量投入来获得产量的提高”一致[16]。2019年，农用柴油投入量较2000年增加24.29%，农业机械动力投入量增加123.30%，劳动力投入能值减少25.58%，说明农业机械对劳动力起到了一定的替代作用，农业现代化水平提高。农作物产出能值从2000年的1.49E+22 sej增加到2019年的2.81E+22 sej，增幅88.73%。其中，粮食、油料作物增幅较大，分别为90.44%、82.00%，这与品种改良、耕作技术改进、油料作物具有更高的价格优势有关。废弃物的能值从7.49E+19 sej下降至7.26E+19 sej，下降3.06%。

表3 沈阳市2000—2019年耕地生态经济系统能值状况Tab.3 Emergy of cultivated land use system in Shenyang City from 2000 to 2019

3.2 能值指标的时空分布

3.2.1 能值生产率（EPR）和能值产出率（EYR）的时空分布

研究期内，沈阳市耕地生态经济系统的能值生产率（EPR）从2000年的1.61波动上升至2019年的3.70（表4），增加了129.40%，说明耕地利用投入更集约、有效；各行政区均呈波动上升趋势，其中，康平县、法库县、沈北新区上升趋势最为明显，南高北低的空间差异逐渐缩小（图2）。

表4 沈阳市2000—2019年可持续集约化综合评价指标Tab.4 Comprehensive evaluation index of sustainable intensification in Shenyang City from 2000 to 2019

研究期内，沈阳市能值产出率（EYR）呈波动上升趋势，由2000年的1.84增至2019年的4.43（表4），增幅140.76%。这表明沈阳市耕地利用对社会经济活动具有一定贡献，资源利用效率提高。2000—2019年，沈阳市各行政区能值产出率大体呈波动上升趋势，增幅从高到低依次为：康平县＞沈北新区＞法库县＞浑南区＞苏家屯区＞于洪区＞辽中区＞新民市，南高北低的空间差异逐渐缩小（图2）。

图2 沈阳市能值生产率（EPR）和能值产出率（EYR）的时空特征Fig.2 Spatial-temporal characteristics of the emergy productivity ratio (EPR) and the emergy yield ratio(EYR) in Shenyang City

3.2.2 环境负载率（ELR）和环境经济效率（EE）的时空分布

2000—2019年，沈阳市环境负载率（ELR）呈“M”型变化，总体增加了48.69%，这与不可更新能值投入增多有关。除辽中区、新民市的环境负载率呈现波动下降的态势外，其他地区皆呈波动上升趋势（图3），且北高南低的空间差异逐渐缩小。研究区中，法库县的环境负载率均值最大，为0.37，这与该地区降水量偏少，不可更新能值投入较多有关。

图3 沈阳市环境负载率（ELR）和环境经济效率（EE）的时空特征Fig.3 Spatial-temporal characteristics of the environmental loading ratio (ELR) and environmental economic efficiency (EE) in Shenyang City

2000—2019年，沈阳市的环境经济效率（EE）呈“W”型变化，整体由2000年的0.26降至2019年的0.22，减幅15.38%。这与滕佳霏、周腾禹“2010—2017年沈阳市土地生态安全压力指数呈下降趋势”的研究结果一致[17]。除沈北新区、辽中区、新民市外，其他地区均呈波动下降趋势，这与水稻种植面积的变化有直接关系，而南高北低的空间分布格局没有发生明显变化。

3.2.3 耕地利用可持续集约化指数（SII）的时空分布

耕地利用可持续集约化指数（SII）综合反映了耕地利用的可持续集约化水平，2000年，法库县耕地利用可持续集约化水平最高（图4），可持续集约化指数为110.76，这与其农业劳动力充足、种子投入能值大、不可更新工业辅助能投入较多，而水稻种植面积小有关。其次为康平县、浑南区、新民市、辽中区、苏家屯区、于洪区、沈北新区，SII值分别为95.04、72.64、72.58、46.17、40.57、32.03、30.64，变异系数为0.48，耕地利用可持续集约化水平由西北向东南先下降后上升。

图4 沈阳市耕地利用可持续集约化的时空格局Fig.4 Spatial-temporal pattern of the sustainable intensification of cultivated land use in Shenyang City

2005年，康平县、法库县的耕地利用可持续集约化水平相对较高，SII值分别为1 500.73、1 041.33，这与两县农业劳动力充足、不可更新工业辅助能投入较高有关；浑南区、新民市、苏家屯区、沈北新区、于洪区处于中等水平，SII值分别为201.15、123.31、106.80、69.92、69.12；辽中区的水平较低，SII值为58.79，变异系数为1.40。沈阳市各区县耕地利用可持续集约化水平较2000年均有所提高，呈现自西北向东南先下降后上升的空间格局。其中，康平县提升幅度最大，为1 479.09%，这与该年康平县降雨增多，不可更新工业辅助能投入增加20.66%，水稻种植面积减少36.93%，系统运行消耗的生态资本降低有关。

2010年，康平县的耕地利用可持续集约化水平最高，SII值为1 435.16，其次为法库县、浑南区、新民市、苏家屯区、于洪区、辽中区、沈北新区，SII值分别为784.61、87.74、71.00、66.81、52.89、46.18、39.91，变异系数为1.60。沈阳市各区县耕地利用可持续集约化水平均下降，这可能与该年降水量减少到2005年的约40%，农产品产出减少有关，空间分布格局依然为自西北向东南先下降后上升。

2015年，康平县、浑南区耕地利用可持续集约化水平较高，SII值分别为2 763.54、2 124.61；法库县、于洪区、苏家屯区、新民市处于中等水平，SII值分别为527.66、160.61、117.97、106.88；辽中区、沈北新区的耕地利用可持续集约化水平最低，SII值分别为62.19、53.04，变异系数为1.46。除法库县外，其他各区县耕地利用可持续集约化水平均较2010年有所提高。其中，浑南区上升幅度最大，增幅为2 321.54%，这主要与其该年降水量增多、水稻种植面积减少有关。空间分布格局没有发生明显变化，依然为自西北向东南先下降后上升。

2000—2019年，沈阳市耕地利用可持续集约化指数呈波动上升趋势，到2019年，可持续集约化指数由2000年的52.80增至229.61，增幅为334.87%，变异系数为1.38。沈阳市各区县耕地利用可持续集约化水平均得到提高，自西北向东南先下降后上升的空间格局没有发生明显变化（图4），主要的原因是康平县、法库县、浑南区的水稻种植面积远低于于洪区、苏家屯区、辽中区、沈北新区等地区，排放的废弃物能值较低，耕地利用产生的环境压力较小。其中，康平县耕地利用可持续集约化水平最高，这与其来自社会经济系统的能值投入较多，而水稻种植面积小，由此产生的废气、废水较少有关；浑南区耕地利用可持续集约化水平变化最大，这与其水稻种植面积减少95.86%，投入能值减少63.81%有关；辽中区耕地利用可持续集约化水平增幅最小，这与其经济发展相对较慢、水稻种植面积变化较小有关；随着时间的推移，各行政区耕地利用可持续集约化水平之间的差距由大变小。

4 结论与建议

4.1 结论

耕地利用可持续集约化是优化耕地利用模式、协调日益增长的粮食需求与资源环境约束之间矛盾的必然要求。本文基于能值分析法，对沈阳市耕地利用能值输入—输出的总体变化特征、能值生产率、能值产出率、环境负载率、环境经济效率、可持续集约化水平的时空格局进行探讨，刻画分析了沈阳市耕地利用可持续集约化转型的过程。主要结论如下：

（1）2000—2019年，沈阳市耕地生态经济系统投入能值总体减少了17.53%，输出能值总体增加了89.19%。来自社会经济系统的能值投入对耕地生态经济系统产出作用最大，年平均贡献率为86.11%。

（2）2000—2019年，能值生产率和能值产出率逐渐提高，分别增加了129.40%、140.76%，各行政区均呈现波动上升的趋势，南高北低的空间分布差异逐渐缩小。环境负载率呈“M”型变化，总体增加了48.69%，北高南低的空间分布差异逐渐缩小，环境经济效率呈“W”型变化，总体下降了15.38%，南高北低的空间分布格局没有发生明显变化。

（3）2000—2019年，沈阳市耕地利用可持续集约化水平呈波动上升趋势，总体增加334.87%，且各行政区均得到提高，自西北向东南先下降后上升的空间格局没有发生明显变化，自然环境条件、来自社会经济系统的能值投入、水稻种植面积差异是时空格局分异的重要原因。

4.2 建议

自然因素是耕地利用的先决条件，在此基础上，社会经济及政策因素也发挥重要的作用。沈阳市的气候、地形条件良好，具有适宜农作物生长的较好种植条件，下一步应结合耕地利用现实情况从投入结构、种植模式、主体响应等方面针对性地开展优化调控。为实现沈阳市耕地利用可持续集约化，提出以下建议。

（1）科学优化耕地生态经济系统能值投入结构，提高粮食产出能力。耕地生态经济系统是开放的耗散系统，充分考虑区域耕地生态经济系统能值投入结构特征，是保持系统稳定发展并取得高效益的前提。例如，2015年法库县耕地生态经济系统总输入能值较2010年增加9.75%，其中，来自自然环境系统的能值与不可更新工业辅助能没有发生明显变化，可更新有机能投入增加15.02%，但农产品产出减少20.64%，说明法库县耕地生态经济系统未能高效运转，需要进一步关注耕地利用的投入要素替代、减量增效技术，提高资源综合利用效率。

（2）基于耕地利用可持续集约化时空格局，因地制宜推进系统优化设计。格局往往受系统内外因素综合作用形成[18]，耕地利用可持续集约化水平及其时空格局亦是如此。研究显示，沈阳市水稻种植对耕地利用可持续集约化具有重要影响，有必要在水稻种植面积较大的地区进行系统优化设计，促进耕地生态经济系统内外因素的协同高效耦合，进而推动耕地系统的适应性响应。例如，采取免耕秸秆还田技术，促进微生物对土壤有机碳的周转和积累，提升土壤有机质的稳定性，从而提高耕地生态经济系统稳定性[19]，优化系统生产力、盈利能力，改善土壤健康，减少燃料消耗及水稻生产所需的劳动力和水资源[20]。

（3）提高农民耕地保护责任意识，强化耕地利用可持续集约化行为响应。引导农民关注生态、气候和经济条件的变化，强化农民耕地利用行为的内在适应性和动态响应，对推动耕地利用可持续集约化转型具有重要意义。康平县、法库县不可更新工业辅助能投入相对较高，而劳动力投入能值相对较小，为避免农业生态污染，可考虑增加有机能能值投入，推动秸秆综合利用，促进区域耕地生态经济系统平衡。苏家屯区、沈北新区、于洪区经济发展较好、城镇化率较高，不可更新工业辅助能投入较低，可适当增加不可更新工业辅助能投入，提高经济效益。