基于能值分析的周口市農(nóng)用地可持續(xù)利用研究

孫水娟，文 倩，2，謝 平

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院，長沙410128；2.河南農(nóng)業(yè)大學 資源環(huán)境學院，鄭州450002）

土地是一切環(huán)境要素和資源的重要載體，對于社會經(jīng)濟發(fā)展具有舉足輕重的作用。隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的加快以及人口的增加，土地資源的稀缺性越來越明顯。由于人類對土地的不合理利用，土地利用的廣度和深度正在發(fā)生深刻的變化，這不僅會改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的功能和結構，還會導致土地覆被發(fā)生變化，尤其是農(nóng)用地，其集約化利用已成為土地覆被改變的最顯著形式[1]。因此，關于土地資源可持續(xù)利用的研究已經(jīng)引起學者們的高度重視。目前，許多學者已從不同的角度對土地資源的可持續(xù)利用性進行了研究，如循環(huán)經(jīng)濟角度[2]、農(nóng)戶兼業(yè)角度[3]、土地產(chǎn)權理論角度[4]等，也有學者采用不同的方法對此進行了研究，如熵值法[5]、層次分析法[6]、以及生態(tài)足跡法[7]等，但基本上都是基于不同層次系統(tǒng)和量綱的數(shù)據(jù)。能值理論可以將不同層次系統(tǒng)和量綱的數(shù)據(jù)轉換成統(tǒng)一的標準來進行研究，但目前只有少數(shù)學者從能值角度出發(fā)來評價土地資源的可持續(xù)利用性，如Zhang wen[8]和梁珊珊[9]等利用能值分析方法分別對新疆阜康市綠洲系統(tǒng)和西安市農(nóng)用地的可持續(xù)利用性進行了評價。本文以河南省重要的產(chǎn)糧大市周口市為研究區(qū)域，從能值角度出發(fā)來評價周口市農(nóng)用地的可持續(xù)利用性，以期為該市土地可持續(xù)利用、區(qū)域糧食安全提供理論指導與借鑒。

1 研究區(qū)概況

周口市位于河南省東南部，東臨安徽阜陽，西接河南漯河市、許昌市，南與駐馬店市相連，北與開封、商丘市接壤。地屬黃淮平原，地勢西北高、東南低，自然坡降為1／5 000～1／7 000，境內有沙潁河、渦河、西肥河、汝河四大扇形水系。海拔高度35.5～64.3m。氣候屬暖溫帶半濕潤季風型氣候，年平均氣溫14.5～15.8℃，年降水量689～816mm，年均日照時數(shù)2 025～2 269h，全年太陽輻射總量5.11×105J／cm2。

2010年全市土地總面積1 195 944hm2，其中農(nóng)用地面積約占土地總面積的82.65%；全市2010年末常住人口894萬人，城鎮(zhèn)化率29.7%；國民生產(chǎn)總值1 228.30億元。作為重要的商品糧生產(chǎn)基地，2010年全市糧食播種面積1 132 600hm2，糧食總產(chǎn)量723.71萬t。

2 研究方法

2.1 能值分析理論

H.T.Odum將能值定義為：一流動或儲存的能量所包含另一種類別能量的數(shù)量，即為該能量的能值。以能值為基準，可以衡量和比較不同類型和不同等級的能量的真實價值；可以把不同種類、不可比較的能量轉換為可進行比較的同一標準——能值[10]。在實際應用中，以“太陽能值（solar emergy）”衡量某一能量的能值，它不只考慮能量的數(shù)量，還考慮能量的質量。應用各種能量數(shù)據(jù)，就可以通過各種能量的能值轉換率，計算出相應的能值[10]。

2.2 數(shù)據(jù)來源與計算方法

周口市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值分析所需數(shù)據(jù)主要來源于周口市歷年統(tǒng)計年鑒、河南省歷年統(tǒng)計年鑒。以2000—2009年周口市農(nóng)用地利用數(shù)據(jù)為基礎，首先參考《農(nóng)業(yè)生態(tài)學》[11]將部分數(shù)據(jù)折算為能量單位，然后參考《生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析》[10]提供的能值轉換率將能量折算為能值，最終形成2000—2009年周口市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出表。

最后，基于周口市農(nóng)用地能值投入和產(chǎn)出數(shù)據(jù)，分別從經(jīng)濟可持續(xù)性、生態(tài)可持續(xù)性和社會可持續(xù)性三個方面選定土地能值凈收益、能值投資率、凈能值產(chǎn)出率（EYR）、環(huán)境負載率（ELR）、能值利用強度、能值自給率以及基于能值的可持續(xù)利用指數(shù)作為周口市農(nóng)用地可持續(xù)利用能值評價指數(shù)（表1）。

表1 周口市農(nóng)用地可持續(xù)利用指標匯總

3 結果與分析

3.1 周口市農(nóng)用地能值投入分析

2000—2009年周口市能值投入整體呈下降趨勢（表2），由2000年的1.43×1022sej下降到2009年的1.23×1022sej，下降幅度達到14.3%，并且能值投入主要以不可更新工業(yè)輔助能和可更新有機能投入為主，即以購買資源投入為主，其占整個農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值投入的90%以上，且投入比例近幾年處于逐年上升的趨勢，說明周口市農(nóng)業(yè)的集約化程度逐漸提高，這對于周口市的農(nóng)業(yè)增產(chǎn)有著重要的促進作用。

在各項能值投入中，可更新資源占總能值投入的比重整體呈下降趨勢，總體上由2000年的9.11%下降到2009年的8.44%，下降了0.67%，并且雨水化學勢能和地球循環(huán)能是其最主要的能值投入，但是由于10a間地球循環(huán)能基本上保持不變，對可更新資源能值投入影響不大，因此降雨量的變化引起了周口市農(nóng)用地的可更新資源能值投入。

可更新有機能的投入呈逐年下降趨勢，且變化幅度比較明顯，10a間減少了62.53%。有機肥的投入量占總能值投入的比重由2000年的37.14%下降到2009年的13.71%，10a間下降了23.42%，下降幅度很明顯；人力在有機能投入中也占據(jù)了比較大的比重，并且投入比重逐年上升，但其占總能值投入比重基本上穩(wěn)定在6%左右，說明農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展水平不是很高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動占據(jù)的勞動力依然較多，這對于農(nóng)民的增產(chǎn)創(chuàng)收、農(nóng)村生活條件的提高有限制作用。

周口市不可更新能源能值投入分為兩部分。一部分是不可更新資源能值投入，主要是表土損失能，10a間其整體上處于上升態(tài)勢，說明周口市的水土流失情況逐漸惡化。另一部分是不可更新工業(yè)輔助能，其占總能值投入的比重由2000年的45.76%增加到2009年的71.63%，上升幅度很明顯。這說明周口市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)很大程度上依賴于不可更新工業(yè)能的投入，尤其是化肥和農(nóng)藥的投入，其占工業(yè)能的比重為59%左右?；屎娃r(nóng)藥的大量施用，會造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本的增加以及農(nóng)產(chǎn)品質量的下降，最終不利于周口市農(nóng)用地的可持續(xù)利用。此外，周口市農(nóng)機總動力的能值投入也呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢，2009年基本上達到整個工業(yè)能投入的三分之一，說明周口市農(nóng)業(yè)的機械化水平快速發(fā)展，這對于農(nóng)民的增收有一定的促進作用。

表2 周口市2000－2009年農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值投入

3.2 周口市農(nóng)用地能值產(chǎn)出分析

周口市農(nóng)用地利用系統(tǒng)的能值產(chǎn)出主要是種植業(yè)產(chǎn)出和畜牧業(yè)產(chǎn)出（表3），兩者所占比例達到99%；2000—2009年，周口市的農(nóng)用地能值產(chǎn)出整體呈上升的趨勢，但是中間曾兩度出現(xiàn)下降，即2003年農(nóng)用地能值產(chǎn)出達到近10a的最低點，這可能與2003年周口市遭受罕見的秋澇災害有關，致使秋季農(nóng)作物大幅度減產(chǎn)；但2004年農(nóng)用地能值產(chǎn)出迅速反彈，與2003年相比增長幅度達到16.75%。2004—2007年周口市農(nóng)用地能值產(chǎn)出逐年快速上升，但到2008年，農(nóng)用地能值產(chǎn)出又大幅度降低，與2007年相比下降幅度達到20.33%，這可能與2008年全國范圍內的雨雪冰凍災害有關。到2009年，周口市農(nóng)用地能值產(chǎn)出又出現(xiàn)反彈的趨勢，與2008年相比增長了4.2%。

在各項能值產(chǎn)出中，糧食（稻谷、小麥、玉米、豆類、薯類）占總產(chǎn)出的11.38%左右，蔬菜和水果均占0.5%左右，肉類占68%左右，漁業(yè)幾乎為0，林業(yè)在1%左右，說明周口市農(nóng)業(yè)產(chǎn)出比較單一，大部分來源于種植業(yè)和畜牧業(yè)產(chǎn)出，今后應加大蔬果、漁業(yè)和林業(yè)的投入力度，優(yōu)化農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出結構。此外，2003年和2008年能值總產(chǎn)出的突然減少均是由于突發(fā)自然災害所引起的，并且對種植業(yè)影響非常顯著，表現(xiàn)為種植業(yè)2003年能值產(chǎn)出比2002年減少了58.48%，說明種植業(yè)是周口市農(nóng)用地利用系統(tǒng)能值產(chǎn)出的重要支柱，其對提高農(nóng)用地單位投入所帶來的經(jīng)濟收益影響顯著。由于周口市的社會經(jīng)濟發(fā)展水平在很大程度上依賴于農(nóng)產(chǎn)品，因此，要加快周口市的經(jīng)濟發(fā)展，必須對農(nóng)產(chǎn)品進行深加工，充分發(fā)揮農(nóng)產(chǎn)品豐富的資源優(yōu)勢。

3.3 周口市農(nóng)用地能值評價指數(shù)分析

3.3.1 土地能值凈收益 土地能值凈收益是從經(jīng)濟可持續(xù)性角度來評價農(nóng)用地的利用情況，可以揭示土地利用類型轉換的經(jīng)濟驅動機理，為分析類型轉換對土地利用供給在總量和空間配置打下基礎[9]。

表3 周口市2000－2009年農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值產(chǎn)出

2000—2009年，土地能值凈收益整體上呈上升態(tài)勢（表4），由2000年的5.908×1018sej／km2上升到2009年 的 7.129×1018sej／km2，上 升 幅 度 達 到20.67%，上升幅度較明顯，說明周口市農(nóng)用地產(chǎn)生的經(jīng)濟效益不斷增大，發(fā)展?jié)摿艽?；但?003年和2008年兩度出現(xiàn)下降，這主要是由自然災害導致的種植業(yè)能值產(chǎn)出下降所引起的，由此可知，種植業(yè)對周口市的農(nóng)業(yè)發(fā)展起著至關重要的作用。

3.3.2 能值投資率 能值投資率也稱為“經(jīng)濟能值／環(huán)境能值”的比率，是衡量經(jīng)濟發(fā)展程度和環(huán)境負載程度的指標，可用于確定經(jīng)濟活動在一定條件下的收益，并可測知環(huán)境資源條件對經(jīng)濟活動的負載率，其值越大表明系統(tǒng)經(jīng)濟發(fā)展程度越高，其值越小則說明發(fā)展水平越低，而對環(huán)境的依賴越強[10]。

2000—2009年，周口市能值投資率整體呈上升趨勢，由2000年的4.877上升到2009年的8.18，上升幅度達到67.71%，說明周口市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件逐步改善，對自然資源的依賴性逐漸減小，抵抗自然災害的能力則逐漸增強。但是，由于周口市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理水平和手段還不是很先進，化肥、農(nóng)藥的投入比例較高，這會影響周口市農(nóng)業(yè)利用系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)業(yè)投入的逐漸增多會導致生產(chǎn)成本持續(xù)增高，對農(nóng)民增收有一定的限制作用。

3.3.3 凈能值產(chǎn)出率 凈能值產(chǎn)出率是衡量系統(tǒng)產(chǎn)出對經(jīng)濟貢獻大小的指標，從土地的經(jīng)濟可持續(xù)性來評價農(nóng)用地的產(chǎn)出效率。其值越大，表示系統(tǒng)的生產(chǎn)效率越高。

2000—2009年，除了在2003年和2009年數(shù)值出現(xiàn)降幅外，其他年份整體上呈上升趨勢，由2000年的5.615上升到2009年的7.386，增長幅度達到31.55%，其中2003年和2009年數(shù)值的減少分別是由當年種植業(yè)和畜牧業(yè)能值產(chǎn)出減少所導致的。周口市的凈能值產(chǎn)出率遠遠大于全國農(nóng)業(yè)平均凈能值產(chǎn)出率水平1.42[12]，說明周口市農(nóng)業(yè)利用系統(tǒng)的整體功能良好，回報率高，這可能與周口市近年來加大農(nóng)業(yè)的科技投入力度，盡量減少化肥、農(nóng)藥的施用量，提高農(nóng)業(yè)的機械化程度有關，這些措施會在整體上提高整個系統(tǒng)的能值產(chǎn)出，從而提高周口市農(nóng)產(chǎn)品在市場上的競爭力。

3.3.4 環(huán)境負載率 環(huán)境負載率是用來衡量一個地區(qū)一定的經(jīng)濟狀況下環(huán)境系統(tǒng)所承受的壓力，具有環(huán)境預警作用，能從土地的生態(tài)可持續(xù)性方面探討農(nóng)用地利用系統(tǒng)的可持續(xù)利用程度。

2000—2009年，周口市的環(huán)境負載率介于0.853～2.565，低于全國平均水平5.89[12]，說明周口市環(huán)境資源還未達到高效利用，農(nóng)業(yè)發(fā)展還具有較大的潛力，存在著較大的上升空間。但是，盡管環(huán)境負載率遠低于全國平均水平，10a間卻呈現(xiàn)出逐年快速上升的態(tài)勢，上升幅度達200.67%，周口市正在面臨越來越嚴重的環(huán)境問題。因此，在今后的農(nóng)用地利用中，要大力加強農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理，盡量減少化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料的投入，從而在根源上減少這些生產(chǎn)資料所帶來的產(chǎn)品質量問題和環(huán)境污染問題。

3.3.5 能值利用強度 能值利用強度是評價系統(tǒng)經(jīng)濟發(fā)展程度和發(fā)展水平的指標，能從土地的社會可持續(xù)性方面評價農(nóng)用地的可持續(xù)利用程度；其值越大，表示土地的經(jīng)濟開發(fā)程度越高，環(huán)境壓力越大。

周口市農(nóng)用地的能值利用強度總體上呈逐年降低趨勢，由2000年的1.445×1018sej／km2下降到2009年 的 1.242×1018sej／km2，下 降 幅 度 達 到14.05%，其中在2002年和2007年出現(xiàn)小幅反彈。能值利用強度的下降主要是由于農(nóng)用地能值總投入處于逐年下降的態(tài)勢，說明周口市農(nóng)用地經(jīng)濟開發(fā)程度還具有較大的發(fā)展空間，農(nóng)用地利用對環(huán)境造成的壓力在逐漸緩和。

3.3.6 能值自給率 能值自給率是從土地的社會可持續(xù)性方面來評價農(nóng)用地的可持續(xù)利用程度。該值越大，說明系統(tǒng)的自給自足能力越強，對內部資源開發(fā)程度也越高。但同時，對本地不可更新資源過多地進行開發(fā)，并且由于購買能值投入不夠，可能會使本地區(qū)資源得不到最佳利用，造成經(jīng)濟發(fā)展程度不高。

周口市的能值自給率基本上在9.0%左右波動，遠低于全國農(nóng)業(yè)平均水平16.8%[9]，反映出周口市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展欠佳，農(nóng)用地利用系統(tǒng)的自給自足能力較弱，對內部資源的開發(fā)程度較低，農(nóng)用地資源利用的封閉程度較強。

3.3.7 基于能值的可持續(xù)利用指數(shù) 可持續(xù)利用指數(shù)（ESI）是用來衡量一個地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)性和協(xié)調性的指標，能從經(jīng)濟、生態(tài)和社會可持續(xù)性三方面來評價農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展程度。研究顯示：ESI＜1為消費性經(jīng)濟系統(tǒng)，這時本區(qū)域內不可更新資源的利用程度較高，系統(tǒng)的進口資源和勞務能值在總能值使用量中所占比重很大，對環(huán)境的負載壓力也較大；ESI在1～10之間，系統(tǒng)富有活力和較大的發(fā)展?jié)摿?；ESI＞10時，區(qū)域經(jīng)濟不發(fā)達，且對環(huán)境資源的開發(fā)利用程度不足[12]。

2000—2009年間，周口市農(nóng)用地利用系統(tǒng)的ESI變化幅度很大，且呈波動下降趨勢，波動范圍在2.880～6.853之間，說明周口市農(nóng)用地利用系統(tǒng)富有活力和較大的發(fā)展?jié)摿?，對不可更新資源的開發(fā)利用程度適中。

此外，2000—2003年ESI呈下降態(tài)勢，但2004年又出現(xiàn)反彈，比2003年增加了11.59%，此后則一直遞減，表明周口市ESI變化不是很穩(wěn)定。因此，周口市政府必須對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行科學調控和指導，以確保農(nóng)業(yè)利用系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性。

表4 周口市2000－2009年農(nóng)用地可持續(xù)利用能值評價指數(shù)

3.4 周口市農(nóng)用地可持續(xù)利用性分析

評價周口市農(nóng)用地可持續(xù)利用性的7項能值指數(shù)綜合表明，周口市農(nóng)用地利用系統(tǒng)的活力與發(fā)展?jié)摿^高，對環(huán)境資源的開發(fā)利用程度還有很大的空間。

經(jīng)濟可持續(xù)性方面：周口市農(nóng)用地產(chǎn)生的經(jīng)濟效益不斷增大，發(fā)展?jié)摿艽?，種植業(yè)對周口市的農(nóng)業(yè)發(fā)展起著至關重要的作用；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件逐步改善，農(nóng)業(yè)利用系統(tǒng)的整體功能良好，回報率高。

生態(tài)可持續(xù)性方面：周口市環(huán)境資源還未達到高效利用，農(nóng)用地利用系統(tǒng)對自然資源的依賴性逐漸減小，抵抗自然災害的能力則逐漸增強，農(nóng)業(yè)發(fā)展還具有較大的潛力，存在著較大的上升空間；但是，環(huán)境負載率的持續(xù)上升表明周口市將面臨越來越嚴重的環(huán)境問題。

社會可持續(xù)性方面：周口市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展水平不高，農(nóng)用地利用系統(tǒng)的自給自足能力較弱，對內部資源的開發(fā)程度不高，農(nóng)用地資源利用的封閉程度較強，農(nóng)用地經(jīng)濟開發(fā)程度還具有較大的發(fā)展空間。

周口市農(nóng)用地利用系統(tǒng)的不可持續(xù)性表現(xiàn)在：一方面是化肥和農(nóng)藥的大量投入，這些工業(yè)能的投入占整個工業(yè)能的投入的59%左右，不合理的化肥和農(nóng)藥投入比例，很容易造成土壤中的硝酸鹽積累、土地退化和土壤板結，并且會使蔬菜中的硝酸鹽過度積累，從而對人體健康產(chǎn)生影響；另一方面，周口市的能值產(chǎn)出在很大程度上依賴于種植業(yè)和畜牧業(yè)，漁業(yè)和林業(yè)能值產(chǎn)出比例太小，結構不合理，一旦遭受自然災害，將會在很大程度上影響總能值的產(chǎn)出。

4 結論

本研究表明將能值作為統(tǒng)一標準，利用能值分析方法來評價周口市農(nóng)用地的可持續(xù)利用性具有一定的可行性，避免了不同種類、不可比較的能量之間的壁壘，更加體現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展的觀點。

（1）周口市能值投入整體呈下降趨勢。降水量的變化顯著影響可更新環(huán)境資源的投入；農(nóng)業(yè)投入主要以不可更新工業(yè)輔助能和可更新有機能投入為主，其所占總能值投入比重達90%以上，且工業(yè)能投入很大程度依賴于化肥、農(nóng)藥的投入；農(nóng)機總動力的投入占總能值投入的比例約為60%，而人力投入只占到6%左右，說明周口市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已逐步擺脫傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的束縛。

（2）農(nóng)業(yè)產(chǎn)出主要以種植業(yè)和畜牧業(yè)產(chǎn)出為主，所占比重達到99%左右，尤其是糧食作物和肉類；周口市農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出比較單一，今后應加大蔬果、漁業(yè)和林業(yè)的投入力度，優(yōu)化農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出結構。并且種植業(yè)產(chǎn)出的變化能有效引起整個農(nóng)業(yè)產(chǎn)出的變化。

（3）本文從經(jīng)濟、社會和生態(tài)三方面評價了周口市農(nóng)用地可持續(xù)利用程度，結果表明周口市農(nóng)用地的使用在經(jīng)濟可持續(xù)性方面取得了初步成效，但在生態(tài)可持續(xù)性和社會可持續(xù)性方面卻處于較低水平，可持續(xù)利用指數(shù)顯示農(nóng)用地利用系統(tǒng)具有很大的活力和較大的發(fā)展?jié)摿Γ瑢Νh(huán)境資源的開發(fā)利用程度還具有較大的發(fā)展空間。周口市農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的不可持續(xù)性表現(xiàn)在化肥和農(nóng)藥的大量投入以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)出結構的單一。

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