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    基于能值理論的鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)分析

    2013-08-17 03:50:46楊志平
    水土保持研究 2013年6期
    關(guān)鍵詞:能值鹽城市資源

    楊志平

    (1.鹽城師范學院 城市與資源環(huán)境學院,江蘇 鹽城224051;2.江蘇沿海開發(fā)研究院,江蘇 鹽城224051)

    20世紀80年代美國著名生態(tài)學家H.T.Odum教授創(chuàng)立了能值分析理論和方法,即將以前不可比較但又密切聯(lián)系的各種能量 (能量流、物質(zhì)流、經(jīng)濟流、信息流)用一個共同的尺度——太陽能值來統(tǒng)一衡量,由于物質(zhì)的能值轉(zhuǎn)化率相對其市場貨幣價格來講,充分考慮了自然界對它形成的貢獻,并賦予了一定的價值,減少了用貨幣來表現(xiàn)它時由于供求關(guān)系的改變、通貨膨脹等經(jīng)濟因素的干擾而出現(xiàn)的偏差,所以也就更能表現(xiàn)出它的真實價值[1-7]。90年代以來,能值分析的研究在國內(nèi)外都得到了迅速的發(fā)展,研究領(lǐng)域主要集中在理論方法和實踐兩個方面,在理論上,H.T.Odum[1,3-4]、Ulgiati[8]、藍盛芳、嚴茂超[5,9-10]等經(jīng)過大量實踐研究提出了一些新的能值評估指標,對一些物質(zhì)能量的能值轉(zhuǎn)化率進行了估算。在實踐上,李雙成等[11]許多學者運用能值分析的方法在國家、省區(qū)、都市以及縣域等不同尺度地域上進行了生態(tài)經(jīng)濟分析和評估;黃書禮[12]對城市生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、自然保護區(qū)生態(tài)系統(tǒng)進行了能值分析研究;趙欣勝等[13]對土地資源、水資源和各類礦產(chǎn)資源進行了能值分析評估。但是對沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的研究鮮有報道。

    本文利用能值分析理論方法,對鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進行定量分析和評價。通過定量分析鹽城市自然環(huán)境和人工輔助能能量投入和產(chǎn)出的總體能流能值,評價其環(huán)境資源能值基礎、能值投入和生產(chǎn)力水平,為合理開發(fā)農(nóng)業(yè)環(huán)境資源,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

    1 研究區(qū)概況

    鹽城地處北緯32°34′—34°28′,東經(jīng)119°27′—120°54′。鹽城是江蘇省土地面積最大、海岸線最長的地級市,全市土地總面積16 972km2,是江蘇省最大、最具潛力的土地后備資源。鹽城市屬于北亞熱帶季風氣候向南暖溫帶季風氣候過渡的地帶。一般以灌溉總渠為界,渠南為北亞熱帶氣候帶,渠北為南暖溫帶氣候帶。由于東臨黃海,海洋調(diào)節(jié)作用非常明顯。主要特點是季風盛行,四季分明,雨水豐沛,雨熱同期,光照充足,無霜期長。這種氣候既有利于稻、麥、棉花的生長,又有利于大豆、油菜、花生等油料作物以及蔬菜和果樹的種植;也有利于魚、蟹、對蝦、貝類等水產(chǎn)品的養(yǎng)殖。全市太陽年輻射總量為485.7~505.8 kJ/cm2;全年光照時間平均2 280h;年平均氣溫為13.7~14.5℃;年降水總量為785.2~1 309.5mm[14]。

    2 研究方法

    2.1 能值理論概述

    能值分析將不同來源、不同性質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換為同一性質(zhì)的能值,以此作為衡量各種能量的客觀標準和價值尺度,在實際應用中以太陽能值作為標準,將不同的能量通過能值轉(zhuǎn)換率統(tǒng)一為太陽能值(sej),以此對生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)各級別的能量進行分析評價。能值分析理論和方法可定量評價自然環(huán)境在系統(tǒng)生產(chǎn)中的貢獻價值,彌補了傳統(tǒng)的能量評價方法無法考慮自然環(huán)境價值的不足,有助于區(qū)域國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展能力的研究。

    能值轉(zhuǎn)換率是能值分析中另一重要概念,它是指單位某物質(zhì)(g)或能量(J)所含能值之量。實際使用的是太陽能值轉(zhuǎn)換率,即單位能量或物質(zhì)所含太陽能值之量。單位為太陽能/焦耳(或克),即sej/J或sej/g。能值轉(zhuǎn)換率是衡量能質(zhì)和能級的尺度。

    2.2 能值指標體系

    (1)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。其值越高,表明系統(tǒng)獲得一定的經(jīng)濟能值投入,生產(chǎn)出來的產(chǎn)品能值(產(chǎn)出能值)越高,即系統(tǒng)的生產(chǎn)效率越高[10]。

    (2)能值投入率:用來判定經(jīng)濟活動在一定條件下的競爭力,也可以作為指標用于測知環(huán)境資源條件對經(jīng)濟活動的負荷量。過大的經(jīng)濟投入,輸入大量購進的能值,將使其生產(chǎn)的產(chǎn)品競爭力降低。相反,如果系統(tǒng)具有較低的能值投入率,即意味著經(jīng)濟投資率低,需要購買的能值較少,其產(chǎn)品以較低的價格出售。一個經(jīng)濟系統(tǒng)要有競爭力,必須具有低能質(zhì)的可更新資源與高能質(zhì)的能量適當搭配,即必須遵循能值搭配原則。

    (3)環(huán)境承載力:是對經(jīng)濟系統(tǒng)的一種警示,若系統(tǒng)長期處于較高的環(huán)境負荷率,系統(tǒng)將產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的功能退化或喪失。從能值分析角度來看,外界大量低能質(zhì)的輸入以及過度開發(fā)本地不可更新資源是引起環(huán)境系統(tǒng)惡化的主要原因。

    (4)能值密度、人均能值用量和人均能值產(chǎn)出量:是有效反映人民生活水平和經(jīng)濟發(fā)展程度的3個指標。

    (5)評價系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能的指標:評價農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力,需要建立評價系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能的特定指標??沙掷m(xù)發(fā)展要求既要促進經(jīng)濟、社會的發(fā)展,又要保持生態(tài)環(huán)境的健康,即在不給予生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)較大環(huán)境壓力的前提下,謀求較高的經(jīng)濟收益。因此,以能值產(chǎn)出率×能值交換率/環(huán)境負載率為指標,來評價生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力。

    2.3 能值分析方法

    根據(jù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)運行特征,其能值投入結(jié)構(gòu)可分為:(1)輸入能值??筛碌馁Y源能值,包括太陽能、雨水能等能值;不可更新的工業(yè)輔助能能值,包括化肥(氮肥、磷肥、鉀肥等)、農(nóng)藥、農(nóng)機具、農(nóng)膜等能值;可更新的有機能能值,包括人力、有機肥等能值。(2)輸出能值。種植業(yè)能值,包括水稻、小麥、棉花、蔬菜等能值;林果業(yè)能值,包括木材、水果等能值;畜牧業(yè),包括肉類、禽蛋、蜂蜜等能值;水產(chǎn)業(yè),包括淡水養(yǎng)殖和海水養(yǎng)殖等能值。系統(tǒng)中投入的有機能(勞力、畜力等)和工業(yè)輔助能(化肥、農(nóng)藥、農(nóng)機具等)以及系統(tǒng)中輸出的種植業(yè)產(chǎn)品(稻谷、蔬菜等作物)、畜禽產(chǎn)品(豬肉、禽蛋等)、林產(chǎn)品和水產(chǎn)品的能值計算,是根據(jù)《鹽城統(tǒng)計年鑒》資料及其它相關(guān)資料提供的數(shù)據(jù)進行的,能量折算系數(shù)主要來自于《農(nóng)業(yè)生態(tài)學教程》[15]和《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟手冊》[16]等,能值轉(zhuǎn)換率主要來自于 H.T.Odum[1]和《生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析》[10],能量流以J為單位,物質(zhì)流以g為單位。各類別生態(tài)流量統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為相應的太陽能值。

    式中:M——太陽能值(單位為sej);τ——太陽能值轉(zhuǎn)換率;B——可用能。表1中具體項目的能源轉(zhuǎn)換率參見文獻[17-19],并根據(jù)鹽城市具體情況作適當調(diào)整。

    3 結(jié)果與分析

    3.1 鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值投入分析

    鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值總投入包括可更新的環(huán)境資源、不可更新的環(huán)境資源、不可更新的工業(yè)輔助能和可更新的有機能新的環(huán)境資源,不可更新環(huán)境資源能值的比例最小。從能值投入動態(tài)來看,系統(tǒng)能值總投入呈上升趨勢,從1995年的6.70×1021sej上升到2010年的1.14×1022sej,增幅達70.15%(表1)。

    表1 1995-2010年鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值投入分析

    3.2 鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值產(chǎn)出分析

    鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值總產(chǎn)出從1995年的4.25×1022sej增加到2005年的9.52×1022sej,增幅達224%(表2)。其中,1995年種植業(yè)、林果業(yè)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)業(yè)子系統(tǒng)的能值產(chǎn)出分別占總產(chǎn)出的54.59%,4.42%,29.41%,11.58%,2005年種植業(yè)、林果業(yè)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)業(yè)子系統(tǒng)的能值產(chǎn)出分別占總產(chǎn)出的44.85%,2.22%,31.62%,21.31%,種植業(yè)和林果業(yè)的能值產(chǎn)出比例在下降,而畜牧業(yè)和水產(chǎn)業(yè)的能值產(chǎn)出比例在上升。其子系統(tǒng)的能值產(chǎn)出比例在1995—2010年間均是種植業(yè)>畜牧業(yè)>水產(chǎn)業(yè)>林果業(yè)。鹽城市是農(nóng)業(yè)大市,以經(jīng)濟產(chǎn)值計算種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)、漁業(yè)時,人們在傳統(tǒng)的種植業(yè)中所投入的勞動量是最多的,種植業(yè)的經(jīng)濟產(chǎn)值也就成為整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主體部分。種植業(yè)、畜牧業(yè)能值占鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)總產(chǎn)值的大部分,構(gòu)成了鹽城農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的兩大支柱。但隨著市場經(jīng)濟發(fā)展和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)由種植業(yè)和畜牧業(yè)為主體向多種經(jīng)營方式轉(zhuǎn)變,鹽城灘涂資源豐富,目前,境內(nèi)射陽河口以南沿海地段還以每年10km2的速度向大海延伸,新圍墾的灘涂資源除少量用于工業(yè)和建筑用地外,大量被用于養(yǎng)殖螃蟹、對蝦等高附加值水產(chǎn)品,水產(chǎn)品能值投入迅速增加。

    表2 1995-2010年鹽城市農(nóng)業(yè)態(tài)系統(tǒng)能值產(chǎn)出分析

    3.3 鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值指標分析

    采用鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)主要資源及貨幣流的原始數(shù)據(jù),計算其能值流及貨幣流,建立系統(tǒng)主要的能值指標(表3),分析系統(tǒng)的運行態(tài)勢。

    表3 1995-2010年鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值評估指標體系

    (1)能值比率。1995—2005年,鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境能值資源比率和有機輔助能值比率在不斷下降,分別從1995年的0.27和0.33下降到2010年的0.17和0.10。工業(yè)輔助能值比率增加迅速,從1995年的0.40上升到2010年的0.73。購買能值比率從1995年的0.73上升到2010年的0.83,與傳統(tǒng)的自然農(nóng)業(yè)依靠自然條件和有機能,鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)依賴不可更新的工業(yè)輔助能程度越來越高。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式發(fā)生了一定的變化,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的勞力和畜力等有機輔助能逐漸被農(nóng)機、化肥等工業(yè)輔助能所替代。

    (2)能值產(chǎn)出率。鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率從1995年的8.74上升到2010年的11.12,這與鹽城市的地理區(qū)域有關(guān)。鹽城市東臨黃海,降水豐富,日照時間長,區(qū)域內(nèi)土壤質(zhì)地松散,特別適于農(nóng)作物及經(jīng)濟作物的生長。鹽城市農(nóng)業(yè)的凈能值產(chǎn)出率高于江蘇省的4.17[20]和日本的1.08[21],說明鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率高。

    (3)能值投入率。鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值投入率從1995年的2.64上升到2010年的4.78,略低于全國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值投入率(4.93)[21],而高于江蘇省 (3.52)[20],低 于 日 本 (14.03)[21]、意 大 利(8.52)[21],表明鹽城市農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展程度略高于江蘇省平均水平而遠低于發(fā)達國家水平。由此可見鹽城市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入的購買能值小于發(fā)達國家的投入量,其輸出產(chǎn)品的生產(chǎn)成本低,農(nóng)產(chǎn)品的附加值不高,農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)水平較低,大部分農(nóng)產(chǎn)品直接作為原材料輸出,農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展對環(huán)境的依賴程度較高。

    (4)環(huán)境承載力。2010年鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境承載力為4.92,高于全國的平均水平(2.80),而低于美國 (7.06)、日本(14.49)等發(fā)達國家,這說明鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)還主要依靠輸入能值和不可更新資源,生產(chǎn)方式對環(huán)境的壓力較大,對可更新資源的利用還處于較低水平。

    (5)能值密度、人均能值用量和人均能值產(chǎn)出量。2010年鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值密度為6.79×1011sej/m2,稍高于江蘇省的平均能值密度6.57×1011sej/m2,遠大于全國的平均水平 1.32×1011sej/m2;人均能值用量為1.40×1015sej/人,低于江蘇省的4.64×1015sej/人和全國的5.89×1015sej/人;人均能值產(chǎn)出1.17×1016sej/人,低于江蘇省的1.51×1017sej/人和全國的3.90×1017sej/人[16],這與鹽城市農(nóng)村經(jīng)濟增長的現(xiàn)實狀況相吻合。

    (6)可持續(xù)發(fā)展性能指標。能值產(chǎn)出率大,而環(huán)境負載率低。根據(jù)Odum等[1]的研究,1<ESI<10表明生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)具有較強的可持續(xù)性;ESI>10時表明對資源的利用不夠;而ESI<1則預示著環(huán)境負載率較高的耗竭型生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)。鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指標在2005—2010年間均在0.97左右,按照Uigiati[8]的觀點,能值可持續(xù)指標于小于1的生態(tài)系統(tǒng)屬于消費型的生態(tài)系統(tǒng)。由此說明,鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)屬于消費型的生態(tài)系統(tǒng),其特點是環(huán)境負載率較高,但生產(chǎn)效率并不高,即凈能值產(chǎn)出相對較低,可持續(xù)發(fā)展水平不高。

    4 結(jié)論與建議

    (1)鹽城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)凈產(chǎn)出效率較高,但高能質(zhì)的科技、物資等能值投入量較少,環(huán)境承載壓力大,可持續(xù)發(fā)展能力較低,其區(qū)域內(nèi)的環(huán)境資源未得到最佳效益的開發(fā)利用,有進一步開拓和優(yōu)化的潛能。

    (2)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可更新有機能使用較少,多依賴不可更新工業(yè)輔助能,包括化肥、農(nóng)藥、燃料等的大量投入,造成空氣、土壤污染,河流富營養(yǎng)化。這也是系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能指標較低的主要原因。

    (3)由于氣候條件的變化,可更新的環(huán)境資源能值投入呈現(xiàn)一種波動狀態(tài),鹽城市面臨黃海,風能資源豐富,近年來該地區(qū)利用風力資源,積極發(fā)展綠色環(huán)保能源,風能在能值投入中呈上升趨勢。由于農(nóng)村剩余勞動力進城務工和鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展,人力資源能值投入呈逐年下降趨勢。不可更新的環(huán)境資源能值投入,即土壤表土層損耗也持續(xù)增加,具體表現(xiàn)為土壤保持養(yǎng)分能力下降,水土流失現(xiàn)象嚴重,農(nóng)田面源污染突出,需投入大量的總輔助能才能保證農(nóng)業(yè)的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn),不利于土壤生態(tài)環(huán)境的保護和可持續(xù)發(fā)展。

    鹽城市的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平不高,其生產(chǎn)方式不利于系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展,因此在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,以鹽城為代表的沿海區(qū)域可以從以下幾個方面考慮:

    (1)優(yōu)化沿海區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值的投入結(jié)構(gòu),減少化肥、農(nóng)藥等不可更新工業(yè)輔助能的投入,積極建設綠色農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè),大力開發(fā)利用風能和光能資源,確保對環(huán)境資源的保護與合理開發(fā)利用,增加高能值投入所占的比例,緩解系統(tǒng)的內(nèi)在環(huán)境資源壓力,提高環(huán)境資源的使用效率。

    (2)優(yōu)化沿海區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值的產(chǎn)出結(jié)構(gòu),調(diào)整種植結(jié)構(gòu),優(yōu)化升級產(chǎn)業(yè)模式,充分運用沿海區(qū)域農(nóng)業(yè)資源充足的優(yōu)勢,加大對農(nóng)產(chǎn)品深加工企業(yè)的引進與設立,增加出口產(chǎn)品附加值,提高高能值產(chǎn)品的輸出比例。

    (3)因地制宜,充分發(fā)揮沿海區(qū)域豐富的自然資源優(yōu)勢,合理開發(fā)沿海區(qū)域海陸資源,積極利用其便捷的海陸交通網(wǎng),拓展農(nóng)業(yè)特別是深加工農(nóng)產(chǎn)品出口的空間,創(chuàng)造更大的經(jīng)濟價值。

    (4)加強沿海區(qū)域農(nóng)業(yè)的開發(fā)力度及其與外界的物質(zhì)、能量和信息交流。為促進農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,采取一系列優(yōu)惠政策,吸引優(yōu)秀的農(nóng)業(yè)技術(shù)和食品研發(fā)人才建設和開發(fā)沿海區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。合理地開發(fā)利用人力資源和自然環(huán)境資源,沿海區(qū)域農(nóng)業(yè)的發(fā)展?jié)摿⒌玫礁蟮陌l(fā)揮。

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