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

王慧亮，吳澤寧，郭 溪，郭瑞麗

(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001)

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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

王慧亮，吳澤寧，郭 溪，郭瑞麗

(鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450001)

針對目前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，計算了鄭州市2000～2009年農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值投入和產(chǎn)出，以及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境能值損失和相關(guān)能值指標.結(jié)果顯示，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2.44×1021sej，占能值產(chǎn)出的15.47%，與現(xiàn)有國內(nèi)外研究認為農(nóng)業(yè)外部成本占農(nóng)業(yè)收入的6%～30%的結(jié)論基本吻合；系統(tǒng)能值產(chǎn)出在扣除農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失后，平均凈能值產(chǎn)出率從2.86下降到2.45，平均可持續(xù)發(fā)展指數(shù)從1.19下降到1.01，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

0 引言

人類通過農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，干涉和利用自然生態(tài)系統(tǒng)，與其形成最廣泛最有生命活力的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換過程[1].然而，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)因長期的高強度土地利用和過量工業(yè)輔助能投入，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡、有害物質(zhì)積累、生物多樣性衰退等農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境惡化[2]，影響農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的存續(xù)，因此其可持續(xù)評價成為當今國內(nèi)外研究的熱點[1-2].能值分析方法由于其可以統(tǒng)一度量各種生態(tài)流的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)研究[5-7]，但大多數(shù)研究只考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟產(chǎn)出，忽視了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生態(tài)環(huán)境影響，以致于長期以來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重視工業(yè)輔助能的高投入，片面追求經(jīng)濟高產(chǎn)出，擾亂了自然生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換平衡[5].因此，在進行農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析時，關(guān)注農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失顯得尤其必要.筆者以鄭州市為例，在考慮農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失的情況下，提出了農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失的能值計算方法，建立了系統(tǒng)生產(chǎn)效率和運行狀況的能值評價模型，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)展目標提供理論參考.

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

鄭州位于河南省中部偏北，屬北溫帶季風(fēng)型氣候，地勢西高東低，境內(nèi)土壤自西向東分布為棕壤土、紅黏土、褐土、潮褐土、潮土等.鄭州市地貌復(fù)雜、土壤類型多，雨量適中，適宜多種農(nóng)作物的生長，主要有小麥、玉米、紅薯、大豆、水稻、谷物、棉花、花生、煙葉、白菜、大蔥、土豆、西瓜等.鄭州市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水平較高，近些年農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境問題日益突出.

1.2 研究方法

1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)能量流動過程

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流是各種自然能量流和人能、土壤有機質(zhì)等環(huán)境資源，化肥、農(nóng)藥、電力、機械等工業(yè)輔助能，人力、畜力、有機肥、種子等可更新有機能的總和.系統(tǒng)產(chǎn)出主要是農(nóng)林牧漁等經(jīng)濟產(chǎn)品，同時，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)會對生態(tài)環(huán)境造成污染和破壞，造成生態(tài)環(huán)境損失.

1.2.2 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，指人類現(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，主要包括資源耗竭、環(huán)境污染、生態(tài)平衡等三個方面.

(1)資源耗竭計算方法.資源耗竭損失，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.即表達式(1)：

(1)

式中：Lr為資源耗竭損失,sej；ri為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)投入的第i種資源能值,sej；ui為第i種資源的利用率,%；n為資源種類數(shù)；rsw為水土流失量,kg；τsw為流失水土的太陽能值轉(zhuǎn)換率,sej/kg.農(nóng)業(yè)用水利用系數(shù)取52%[6]；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%[7]，研究區(qū)鉀肥投入不足，認為施用鉀肥被充分利用；農(nóng)藥利用率取30%[8]；農(nóng)用地膜平均回收率取58%[8]；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[3].根據(jù)鄭州市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況，化肥的環(huán)境污染損失為2.65×1011sej/kg；根據(jù)單位畜產(chǎn)品能值產(chǎn)生污水量的數(shù)量關(guān)系[2]，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[9]，計算養(yǎng)殖污水造成的生態(tài)環(huán)境損失.

(2) 環(huán)境污染計算方法.環(huán)境污染損失，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.即表達式(2)：

Le=qf·lf+qw·τw.

(2)

式中：Le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水污染損失能值轉(zhuǎn)換率,sej/m3.

(3)生態(tài)失衡計算方法.生態(tài)失衡損失，主要計算生物多樣性減少損失和人體健康影響.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，即

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；ls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.筆者參考美國佛羅里達大學(xué)環(huán)境政策中心的相關(guān)研究成果[10]，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.

總的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失L可表示為：

L=Lr+Le+Lb.

(4)

1.2.3 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

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：

(5)

(6)

式中：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.凈能值產(chǎn)出率(EYR)，是衡量系統(tǒng)生產(chǎn)效率的主要指標，EYR值越大，表明系統(tǒng)生產(chǎn)效率越高.

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.可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(ESI)，是考察系統(tǒng)可持續(xù)性的能值指標，ESI<1意味著系統(tǒng)長期不可持續(xù);1≤ESI<10表明系統(tǒng)富有活力和發(fā)展?jié)摿?ESI≥10說明系統(tǒng)經(jīng)濟不發(fā)達[8].

2 結(jié)果與分析

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

按照能值分析的概念及步驟[5]，編制鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出表見表1，對其進行投入和產(chǎn)出及結(jié)構(gòu)分析.

2.1.1 能值投入分析

由表1可知，2000～2009年鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)總能值投入平均值為78.90×1020sej，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11.81%、11.50%、58.34%和18.35%.可見，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.環(huán)境能值中，可更新資源為太陽能、風(fēng)能、雨水和地球旋轉(zhuǎn)能，可更新資源的能值比例從13.71%波動下降到8.69%左右，這是由于近年來現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣致使農(nóng)業(yè)用水呈逐年減少的趨勢造成的.但地下水能值占農(nóng)業(yè)用水能值的71.01%，加劇了地下水水位下降；同時，研究區(qū)渠系防滲較差，平均灌溉水利用系數(shù)僅為0.52[11].不可更新資源為表土層損失，占總能值投入比例在10.67%～11.95%之間，略微有所增加，總體變化不大，與鄭州市長期重視耕地保護密切相關(guān)，耕地占補平衡為系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供了穩(wěn)定的物質(zhì)基礎(chǔ)支持.

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

2000～2009年，不可更新輔助能值投入比例在74.79%～79.36%，為鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的主要輸入能值，說明來自于社會經(jīng)濟系統(tǒng)的投入有所增加.其中，電力和機械比重較大，屬于高品質(zhì)能值投入，伴隨著農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展，依托自然環(huán)境資源，結(jié)合大量以石化能源為原料的化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等社會經(jīng)濟資源的使用，促使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)獲得高產(chǎn)量，同時也加劇了能源危機和對自然生態(tài)環(huán)境的破壞.2007年，鄭州市耕地每公頃化肥施用量高達688.83 kg/hm2，比國際公認225 kg/hm2的環(huán)境安全上限[2]的3倍還多，作物利用率較低，造成化肥養(yǎng)分大量流失和環(huán)境污染.而且，氮磷鉀施用比例1∶0.54∶0.23，與世界平均水平1∶0.5∶0.48[11]相比，鉀肥投入明顯不足，養(yǎng)分投入比例不平衡，影響作物產(chǎn)量.農(nóng)藥和農(nóng)膜能值投入比重盡管只有0.17%，但在土壤中殘留率較高，破壞土壤結(jié)構(gòu)影響作物生長.可更新有機能主要是人力、畜力、有機肥和種子種苗，人力在可更新有機能中的平均比例為59.01%，為下降趨勢，說明研究區(qū)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平提高較快.

2.1.2 能值產(chǎn)出分析

鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值產(chǎn)出見表1，2000～2009年鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值總產(chǎn)出為173.85×1020sej，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27.82%、0.12%、66.70%、5.36%.可見，畜牧產(chǎn)品能值在總能值產(chǎn)出中占了一半以上，在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，且呈逐年上升趨勢.種植業(yè)產(chǎn)品能值在總能值產(chǎn)出中位居第二，但呈逐年下降趨勢.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，這是由鄭州市天然水資源條件決定的.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、嚴禁砍伐林木密切相關(guān).

2.2 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，計算出2000～2009年鄭州市平均農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境損失，見圖1.由圖1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.2000～2009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14.04%，與國內(nèi)外已有研究認為農(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[12].

圖1 2000～2009年鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境能值損失

2.3 基于生態(tài)環(huán)境損失的鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值評價指標比較分析

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2000～2009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3.根據(jù)表2計算，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122.72%，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.考慮生態(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)能值分析中該指標值有明顯下降，近10年分別平均下降15.47%.其中，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)在2000～2003年小于可持續(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

3 結(jié)束語

針對目前農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析中缺乏生態(tài)環(huán)境損失研究的問題，本文將生態(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.筆者僅考慮了農(nóng)業(yè)用水、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜等對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值產(chǎn)出的影響，計算結(jié)果表明，筆者提出的基于生態(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；同時，鄭州市今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)減少不可更新資源的投入并提高利用效率，充分利用好可更新資源.但是，筆者對于其他因素未作過多研究，引用數(shù)據(jù)未必十分精確，難免會使研究結(jié)果有一定的誤差，仍需要進一步深入研究，以期為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能值投入和產(chǎn)出分析的合理性提供依據(jù)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動調(diào)整提供決策參考.

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Emergy Analysis of Agricultural Ecosystem Based on Ecological Environment Loss

WANG Huiliang， WU Zening， GUO Xi， GUO Ruili

(School of Water Conservancy and Environment Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Emergy analysis of agriculture ecosystem was a hot topic of academic group nowadays. Concerned with the loss of ecological environment, an improved emergy analysis of agriculture ecosystem was proposed based on the calculation of agriculture ecological environment loss. Taking Zhengzhou as the example, this paper discussed how to apply it to practice. The results showed that the average ecological environmental loss of Zhengzhou from 2000 to 2009 was 2.44×1021sej，accounting for 15.47% of economic emergy out of agriculture ecosystem. The method was rational for its conclusion was in agreement with the domestic and international research results，the proportion of agricultural externality to agricultural income was 6%～30%. Given the agriculture ecological environment loss subtracted from economic emergy output, the average Net emergy yield ratio EYRLfallen from 2.86 to 2.45, and the average emergy sustainable indices ESILfrom 1.19 to 1.01, indicating that the influence of ecological environmental loss on eco-efficiency and performance of system was significant.

ecological environmental loss; agriculture ecosystem; emergy analysis; Zhengzhou

2016-06-08；

2016-08-18

國家自然科學(xué)基金項目(51379191, 51509223);國家博士后面上基金資助項目(2015M572116)

吳澤寧(1963—)，男，河南光山人，鄭州大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事水資源系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃與管理，E-mail：zeningwu@zzu.edu.cn.

1671-6833(2016)06-0092-05

S51;F326.1

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.06.025