基于生態(tài)環(huán)境損失的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析

郭瑞麗，齊雪艷，石岳峰，李紅亮

（1.黃河流域水資源保護局，河南鄭州450004；2.黃委會河南水文水資源局，河南鄭州450004）

基于生態(tài)環(huán)境損失的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析

郭瑞麗1，齊雪艷2，石岳峰1，李紅亮1

（1.黃河流域水資源保護局，河南鄭州450004；2.黃委會河南水文水資源局，河南鄭州450004）

針對目前農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析研究中沒有考慮生態(tài)環(huán)境損失的問題，提出了基于生態(tài)環(huán)境損失的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析研究思路和方法。以鄭州市為例，對其2005-2014年農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進行能值計算和分析。結(jié)果表明，鄭州市近10年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的平均生態(tài)環(huán)境損失為2.21×1021sej，占能值產(chǎn)出的9.08%；扣除農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失后，平均凈能值產(chǎn)出率從3.75下降到3.41，平均可持續(xù)發(fā)展指數(shù)從1.45下降到1.32，說明農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失對系統(tǒng)生產(chǎn)效率和可持續(xù)影響比較顯著。

生態(tài)環(huán)境損失；農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)；能值分析；鄭州市

1 引言

近年來，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境問題日益突出，為全面考慮農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值投入和產(chǎn)出，客觀、綜合評價系統(tǒng)可持續(xù)性，文中以鄭州市為例，提出了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失的能值計算方法，以期揭示鄭州市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的生態(tài)環(huán)境損失問題。為實現(xiàn)鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)提供理論參考，同時豐富能值理論與方法研究。

2 研究區(qū)概況和研究方法

2.1 研究區(qū)概況

鄭州市是農(nóng)業(yè)大省河南省的省會城市，也是中原經(jīng)濟區(qū)核心城市，氣候?qū)俦睖貛Ъ撅L(fēng)型氣候，年平均氣溫14.4℃，無霜期206～234 d，年平均降雨量640.9 mm，全年日照時數(shù)約2 400 h。境內(nèi)大小河流35條，其中黃河流經(jīng)鄭州段150.4 km，平均水資源總量為1.34×109m3，人均水資源擁有量為210 m3。境內(nèi)土壤以褐土、潮土、紅粘土等為主，適宜小麥、玉米、紅薯、大豆、水稻等多種農(nóng)作物的生長，鄭州市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水平較高，但近些年農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問題日益突出。

2.2 研究方法

2.2.1 農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失的能值計算方法

農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失，指現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動帶來的生態(tài)環(huán)境污染和破壞。直接損失主要包括資源耗竭、環(huán)境污染、生態(tài)失衡等三個方面。資源耗竭主要指水源枯竭、土地退化、水土流失和其他能源的耗損；環(huán)境污染一般包括水體、土壤、大氣污染；生態(tài)失衡主要指生物多樣性減少和人體健康影響[1]。間接的潛在損失，如農(nóng)產(chǎn)品污染、基因和物種消失等難以測算。

1）資源耗竭。資源耗竭，主要計算農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入而未被利用的自然資源及工業(yè)輔助能的流失價值，包括農(nóng)業(yè)用水、化肥、農(nóng)藥和農(nóng)膜等，以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動耦合作用造成的水土流失，可通過能值投入量及利用率計算得到，表達式為：

式中：Lγ為資源耗竭損失，sej；γi為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)投入的第種資源能值，sej；ui為第種資源的利用率，%；n為資源種類數(shù)；γSW為水土流失量，kg；τSW為流失水土的太陽能值轉(zhuǎn)換率，sej/kg。

2）環(huán)境污染。環(huán)境污染，主要計算種植業(yè)中化肥導(dǎo)致的水體、土壤、大氣污染和畜牧業(yè)中養(yǎng)殖污水造成的環(huán)境損失。根據(jù)化肥施用量及單位化肥環(huán)境成本、畜牧業(yè)排放污水量及水污染損失能值轉(zhuǎn)換率進行估算。

Lε=qf×lf+qw×τw（2）式中：Lε為環(huán)境污染損失，sej；qf為化肥施用量，kg；lf為單位化肥施用的環(huán)境成本，sej/kg；qw為畜牧業(yè)排放污水量，m3；τw為水污染損失能值轉(zhuǎn)換率，sej/m3。

3）生態(tài)失衡。生態(tài)失衡，主要計算生物多樣性減少損失和人體健康影響。其中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對人體健康影響，在化肥施用的環(huán)境成本中已經(jīng)計算[2]，此處只考慮生物多樣性的減少損失，以人類取用水資源造成野生動物能值損失進行簡化計算。

Lb=ws×ls+wg×lg（3）

式中：Lb為生態(tài)失衡損失，sej；ws為地表水化學(xué)能，J；lf為取用單位地表水的野生動物損失能值，sej/ J；wg為地下水化學(xué)能，J；lg為取用單位地下水的野生動物損失能值，sej/J。

總的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失（L）可表示為：

L=Lr+Le+Lb（4）

4）參數(shù)確定。根據(jù)鄭州市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況，農(nóng)業(yè)用水利用系數(shù)取52%[3]；氮肥及復(fù)合肥的作物利用率取35%，磷肥的作物利用率取11%[2]，研究區(qū)鉀肥投入不足，認(rèn)為施用鉀肥被充分利用；農(nóng)藥利用率取30%[4]；農(nóng)用地膜平均回收率取58%[4]；水土流失會帶走氮、磷、鉀等大量養(yǎng)分，流失水土的太陽能值轉(zhuǎn)換率取1.71×1012sej/kg[1]。估算得到化肥的環(huán)境污染損失為2.65×1011sej/kg（2005年全國化肥施用環(huán)境成本除以化肥施用量）[2]；根據(jù)單位畜產(chǎn)品能值產(chǎn)生污水量的數(shù)量關(guān)系[5]，估算得到研究區(qū)養(yǎng)殖污水量，結(jié)合水污染損失能值轉(zhuǎn)換率7.49× 1012sej/m3[6]，計算養(yǎng)殖污水造成的生態(tài)環(huán)境損失。以農(nóng)業(yè)用水造成的野生動物能值損失來代替各類農(nóng)業(yè)活動導(dǎo)致的生物多樣性減少進行簡化計算[7]，即取用地表水會造成野生動物能值損失1.12×105sej/J，取用地下水會造成野生動物能值損失2.55× 105sej/J。

2.2.2 基于生態(tài)環(huán)境損失的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值評價

考慮系統(tǒng)生產(chǎn)的“負產(chǎn)出”即生態(tài)環(huán)境損失，建立基于生態(tài)環(huán)境損失的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值評價模型，計算公式為：

式（5）中，EYRL為考慮農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失的能值產(chǎn)出率，EmY為系統(tǒng)產(chǎn)出能值，EmF為系統(tǒng)反饋能值。式（6）中，ESIL為考慮農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)，ELR為環(huán)境負載率。

3 結(jié)果與分析

3.1 鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析

編制鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出表（表1），對其進行能值投入和產(chǎn)出分析。

3.1.1 能值投入分析

由表1，2005—2014年鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)總能值投入平均值為97.30×1020sej，其中可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源、不可更新工業(yè)輔助能、可更新有機能的能值投入比例依次為8.25%，9.58%，66.84%和15.33%?？梢?，鄭州市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要依靠大規(guī)模的不可更新工業(yè)輔助能投入。

3.1.2 能值產(chǎn)出分析

由表1，2005—2014年鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值總產(chǎn)出為243.96×1020sej，其中種植業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、漁業(yè)產(chǎn)品能值所占比重依次為20.88%、0.11%、73.14%、5.87%?？梢?，畜牧產(chǎn)品能值，在總能值產(chǎn)出中占了一半以上，且呈逐年上升趨勢，在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位。畜產(chǎn)品能值產(chǎn)出高于種植業(yè)產(chǎn)品能值產(chǎn)出，表明人們對肉類、蛋類等產(chǎn)品需求較大，生活水平得到提高。漁產(chǎn)品在能值產(chǎn)出中所占比重較小，這由鄭州市天然水資源條件決定。林產(chǎn)品在能值產(chǎn)出中所占比重極小，和鄭州市保護森林的生態(tài)環(huán)保政策、嚴(yán)禁砍伐林木密切相關(guān)。

3.2 鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失分析

根據(jù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失分類及計算方法，計算2005—2014年鄭州市平均農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失可知，鄭州市近10年農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的生態(tài)環(huán)境能值損失整體上呈下降趨勢，主要原因是隨著農(nóng)業(yè)科技水平的提高，部分農(nóng)業(yè)資源能值投入降低、利用水平提高。其中，資源耗竭能值損失在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失中的比例最大，生物多樣性和環(huán)境污染次之。2005—2014年鄭州市平均農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失與平均能值產(chǎn)出比例約為9.08%，與國內(nèi)外已有研究認(rèn)為農(nóng)業(yè)外部性成本占農(nóng)業(yè)收入的6%～30%的結(jié)論基本吻合[4]。

表1 鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出 1020sej

3.3 鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值評價指標(biāo)比較分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的生態(tài)環(huán)境損失應(yīng)計入系統(tǒng)能值產(chǎn)出之中，即“系統(tǒng)產(chǎn)出”扣減“環(huán)境成本”后才是系統(tǒng)真實的能值產(chǎn)出。計算2005—2014年鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)凈能值產(chǎn)出率和可持續(xù)發(fā)展指數(shù)，結(jié)果見表2。近10年鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)凈能值產(chǎn)出率(EYR)提高了48.28%，說明系統(tǒng)生產(chǎn)效率顯著提高；可持續(xù)發(fā)展指數(shù)（ESI）大致呈波動增加趨勢，說明系統(tǒng)可持續(xù)性有所增強?？紤]生態(tài)環(huán)境損失后，凈能值產(chǎn)出率（EYRL）和可持續(xù)發(fā)展指數(shù)（ESIL）均比傳統(tǒng)能值分析中該指標(biāo)值有明顯下降，近10年分別平均下降9.42%。其中，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)在2005年和2007年接近可持續(xù)臨界點1，說明農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失對系統(tǒng)生產(chǎn)效率和可持續(xù)性影響顯著。由此可見，采用傳統(tǒng)能值分析法，對系統(tǒng)生產(chǎn)過程中的資源及其利用耦合作用分析不夠深入，對系統(tǒng)能值產(chǎn)出考慮不夠周全。

表2 鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值評價指標(biāo)

4 結(jié)語

采用傳統(tǒng)的能值分析方法對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究，忽視了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失，將生態(tài)環(huán)境損失納入農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值產(chǎn)出，進而考察系統(tǒng)生產(chǎn)效率及狀態(tài)，旨在提出一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生態(tài)經(jīng)濟評價思路?？紤]農(nóng)業(yè)用水、化肥等對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值產(chǎn)出的影響，計算結(jié)果表明，基于生態(tài)環(huán)境損失的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析方法具有一定的可行性。

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