新疆南疆兵團(tuán)農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的能值分析

趙 航 呂瑞恒 梁繼業(yè) 周正立

(新疆塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)塔里木盆地生物資源保護(hù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆阿拉爾 843300)

能量是生態(tài)系統(tǒng)賴以存在和發(fā)展的基礎(chǔ)。應(yīng)用能量流動(dòng)方法對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)特征進(jìn)行分析，能夠客觀、全面和定量地反映系統(tǒng)各成分間最本質(zhì)的關(guān)系[1]。隨著南疆環(huán)塔里木盆地特色林果業(yè)種植面積的不斷擴(kuò)大，林果種植已由低產(chǎn)田、綠洲邊緣及外圍向農(nóng)區(qū)中心挺進(jìn)，逐漸形成了“果中有農(nóng)，農(nóng)中有果”的鑲嵌型復(fù)合系統(tǒng)——農(nóng)果復(fù)合系統(tǒng)。王紅紅[2]等人對(duì)農(nóng)果復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)的歸納，并指出不同的復(fù)合系統(tǒng)有不同的結(jié)構(gòu)特征，而新疆南疆兵團(tuán)農(nóng)果復(fù)合系統(tǒng)由農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)、果業(yè)子系統(tǒng)、畜牧業(yè)子系統(tǒng)組成，對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行能值分析，不僅可以反映一個(gè)地區(qū)能量的流動(dòng)特征及生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性，而且能夠?qū)r(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供理論指導(dǎo)。李先鑫[3]對(duì)新疆的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了能值分析，得出了新疆能值投入率遠(yuǎn)低于世界平均水平，且農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)均衡性逐漸趨向不平衡發(fā)展，農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平不高，對(duì)自然環(huán)境資源的開發(fā)程利用度不夠，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力較弱。陳玨[4]、張曉偉[5]等人運(yùn)用能值分析理論概述了新疆的發(fā)展?fàn)顩r，提出了應(yīng)結(jié)合新疆特點(diǎn)，合理開發(fā)自然資源、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等實(shí)現(xiàn)新疆可持續(xù)發(fā)展的建議。本研究以新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師、第二師、第三師、第十四師及各團(tuán)場(chǎng)農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用能值理論的分析方法，對(duì)南疆的農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了能值分析研究。通過農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能量的投入與產(chǎn)出特征，闡述南疆農(nóng)果復(fù)合系統(tǒng)能值投入結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)、能值投入率與凈能值產(chǎn)出率、環(huán)境負(fù)載率、能值利用水平及可持續(xù)發(fā)展性能等方面的現(xiàn)狀，并揭示南疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入與產(chǎn)出不均衡、農(nóng)果牧生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不合理等一系列問題，為南疆干旱區(qū)綠洲農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 研究區(qū)域

新疆南疆屬溫帶極端大陸性氣候，冬季漫長嚴(yán)寒，夏季炎熱干燥，春秋季短促而變化劇烈，降水量小，日照豐富。年平均氣溫約10 ℃，10 ℃以上積溫≥4 000 ℃。全年無霜期180～220天。地表蒸發(fā)強(qiáng)烈，全年降水量不足100 mm。受地理位置及氣候環(huán)境等因素影響，浮塵、沙暴天氣較多。

1.1.2 資料收集

調(diào)查了南疆第一師、第二師、第三師、第十四師各團(tuán)場(chǎng)農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)農(nóng)林牧的基本情況(如表1所示)，并收集了環(huán)境能量投入(太陽能、風(fēng)能等)、可更新輔助能投入(有機(jī)肥、種子、人力等)和不可更新輔助能投入(化肥、農(nóng)藥、農(nóng)機(jī)和農(nóng)用電等)，系統(tǒng)的能量產(chǎn)出包括農(nóng)業(yè)產(chǎn)出(糧食、棉花、秸稈等)、果業(yè)產(chǎn)出(水果)和畜牧業(yè)產(chǎn)出(肉、蛋、奶等)。

表1 各師農(nóng)林牧基本情況調(diào)查表(2012年)

續(xù)上表

項(xiàng)目調(diào)查項(xiàng)目名稱(單位)第一師第二師第三師第十四師果樹栽植面積蘋果(hm2)5 9212242 173254梨(hm2)5 78311 0381 01424葡萄(hm2)1621 831655112紅棗(hm2)44 56517 12425 64312 900其他(hm2)1 7791 41172420合計(jì)(hm2)58 21031 62830 20913 310畜牧業(yè)存欄數(shù)肉牛(萬頭)2. 430. 941. 10. 19豬(萬頭)9. 3616. 357. 020. 59羊(萬只)37. 2842. 5453. 6110. 2家禽(萬只)34. 1841. 193411. 71其他(萬頭/萬只)7. 432. 784. 091. 29合計(jì)(萬頭/萬只)90. 68103. 899. 8223. 98

注：(1)表中數(shù)據(jù)均來源于《新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)統(tǒng)計(jì)年鑒2013》；(2)糧食作物包含谷物、豆類、薯類等，而研究區(qū)域的糧食作物主要為谷物。

1.2 方法

(1)環(huán)境資源的投入，采用以下計(jì)算模式[6]：

太陽能=土地面積*年太陽光平均輻射量/單位面積

雨水化學(xué)能=土地面積*降雨量*吉布斯自由能

雨水勢(shì)能=土地面積*平均海拔高度*平均降雨量*密度*重力加速度

風(fēng)能=高度*密度*渦流擴(kuò)散系數(shù)*風(fēng)速梯度*土地面積

土壤凈損失量=土壤侵蝕流失量-土壤生成速率*土地面積

(2)其它方面的能值計(jì)算

系統(tǒng)的能量輸入除了環(huán)境資源投入外還包括有機(jī)能投入(勞力、畜力、種子、畜禽糞尿等)和工業(yè)輔助能投入(化肥、農(nóng)藥、農(nóng)機(jī)和農(nóng)用電等)，系統(tǒng)的能量輸出包括農(nóng)業(yè)產(chǎn)出(糧食、棉花、秸稈等)、果業(yè)產(chǎn)出(水果)和畜牧業(yè)產(chǎn)出(肉、蛋、奶等)。這些投入-產(chǎn)出要素的能值，先根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料及其它相關(guān)資料的數(shù)據(jù)，將輸入和輸出物質(zhì)折算為能量，再根據(jù)各種物質(zhì)、能量的太陽能值轉(zhuǎn)換率，換算為統(tǒng)一的太陽能值。能值計(jì)算過程中需要的能量轉(zhuǎn)換系數(shù)來自于聞大中[7-9]、劉巽浩等[10]的相關(guān)文章，計(jì)算中需要的能值轉(zhuǎn)換率主要參考藍(lán)盛芳[11]、嚴(yán)茂超等[12]的相關(guān)文章。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值投入結(jié)構(gòu)分析

能值投入結(jié)構(gòu)分析有助于從整體上評(píng)價(jià)特定區(qū)域農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的開放與發(fā)展程度[13]。由表2可以看出，能值的投入主要為環(huán)境能值投入、不可更新輔助能值投入、可更新輔助能值投入。第一師、第二師、第三師、第十四師能值投入以第一師最高，為1 286. 8×1019sej；第二師、第三師次之，分別為486. 4×1019sej和477. 6×1019sej；第十四師最少，為77. 0×1019sej。由圖1及表2可以看出，新疆南疆兵團(tuán)區(qū)域的能值投入以環(huán)境能源為主，其中第一師、第二師、第三師、第十四師環(huán)境投入率分別為66. 05%、63. 71%、61. 15%和64. 69%。輔助能值投入率以第三師最高，占總能值投入的38. 85%；第二師、十四師次之，分別占36. 29%和35. 31%，第一師最少，占33. 95%。

圖1 各師環(huán)境及輔助能值的投入率

在不可更新能源投入中，第一師、第二師、第三師、第十四師不可更新的輔助能源分別占輔助能值總投入的98. 33%、97. 46%、97. 90%和92. 25%，這表明新疆南疆兵團(tuán)區(qū)域的輔助能值投入以不可更新資源的輔助能源為主。其中，輔助能源投入中，以農(nóng)藥、機(jī)械、磷肥、氮肥的比重較大，第一師、第二師、第三師、第十四師投入的農(nóng)藥、機(jī)械能值之和分別占輔助能值投入的52. 67%、64. 06%、50. 73%和64. 56%，磷肥、氮肥能值之和分別占輔助能值投入的34. 58%、25. 55%、40. 73%和64. 56%。在第一師、第二師、第三師、第十四師輔助能值投入中均以農(nóng)藥的比重最大，而機(jī)械、磷肥、氮肥的比重稍有不同。在第一師，機(jī)械、磷肥、氮肥消耗分別占輔助能值投入的12. 36%、25. 38%和9. 19%，第二師分別占11. 15%、13. 97%和11. 58%，第三師分別占10. 57%、27. 55%和13. 29%，第十四師分別占12. 84%、14. 80%和5. 84%。從機(jī)械和能源(柴油、電力)投入能值來看，第一師、第二師、第三師、第十四師所占比重分別為15. 16%、14. 76%、14. 99%和16. 95%。

圖2 各師不可更新輔助能值投入占總輔助能值投入比重

在可更新輔助能源投入中，第一師、第二師、第三師、第十四師可更新輔助能源投入比例均較低，分別占輔助能值投入的1. 67%、2. 54%、2. 09%和7. 74%。其中，可更新輔助能源投入均以人力為主，有機(jī)肥投入最低。第一師、第二師、第三師、第十四師宏觀價(jià)值投入的人力能值分別占輔助能投入的81. 76%、89. 14%、80. 00%和97. 96%，而有機(jī)肥投入能值極低，僅占輔助能投入的0. 29%、0. 14%、0. 079%和0. 12%，均不足0. 3%，這表明各師有機(jī)肥投入明顯不足。

從產(chǎn)生的宏觀價(jià)值看，第一師、第二師、第三師、第十四師宏觀價(jià)值的環(huán)境能值投入分別占總能值投入的66. 05%、63. 70%、61. 15%、64. 73%。以環(huán)境能值投入為主，其中，第一師的能值投入宏觀價(jià)值較高，分別是第二師、第三師、第十四師的3. 9倍、2. 5倍、14. 5倍。

表2 新疆南疆兵團(tuán)地區(qū)農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值投入分析

注：(1)宏觀價(jià)值=能值×農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值/總能值；(2)太陽能值轉(zhuǎn)化率單位為sej/J或sej/g。(3)有機(jī)肥的太陽能值及宏觀價(jià)值轉(zhuǎn)換后數(shù)量級(jí)太小，近似為零。

2.2 農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值產(chǎn)出結(jié)構(gòu)分析

通過能值產(chǎn)出分析可以得出，新疆南疆兵團(tuán)農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值產(chǎn)出主要為農(nóng)業(yè)能值、果業(yè)能值、畜牧業(yè)能值三部分。該區(qū)域的能值產(chǎn)出總量分別為第一師722. 75×1019sej、第二師293. 66×1019sej、第三師301. 10×1019sej、第十四師109. 09×1019sej，其中第一師能值產(chǎn)出分別是第二師、第三師、第十四師的2. 46倍、2. 40倍和6. 63倍。從農(nóng)業(yè)、果業(yè)、畜牧業(yè)對(duì)農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值產(chǎn)出的貢獻(xiàn)率及宏觀價(jià)值來看，第一師、第二師、第三師、第十四師的農(nóng)業(yè)能值∶果業(yè)能值∶畜牧業(yè)能值比分別為44∶40∶16、31∶25∶44、53∶23∶24、4∶85∶12，這表明第一師農(nóng)、果業(yè)發(fā)展相對(duì)均衡，第二師、第三師則分別形成了以畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展格局，第十四師形成了偏重果業(yè)的發(fā)展格局。從各師單位面積農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的能值產(chǎn)出來看，第一師、第二師、第三師、第十四師分別為3. 62×1016sej/hm2、3. 86×1016sej/hm2、2. 75×1016sej/hm2和6. 60×1016sej/hm2，這表明農(nóng)、果、牧產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重不同，是影響單位面積農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的能值產(chǎn)出的主要因素。

表3 新疆南疆兵團(tuán)農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)單位面積能值產(chǎn)出情況

從農(nóng)、果、牧業(yè)平均單產(chǎn)來看，最高的分別是第一師、第二師和第十四師。其中，第一師的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平較高，單位面積的農(nóng)業(yè)能值產(chǎn)出為2.23×1016sej/hm2，分別是第二師、第三師、第十四師的1. 09倍、1. 11倍和1. 65倍；第二師的牧業(yè)生產(chǎn)水平較高，單位面積的牧業(yè)能值產(chǎn)出為1. 70×1016sej/hm2，分別是第一師、第三師、第十四師的2. 88倍、2. 54倍和2. 24倍；第十四師的果業(yè)生產(chǎn)水平較高，單位面積的果業(yè)能值產(chǎn)出為6. 93×1016sej/hm2，分別為第一師、第二師、第三師的1. 39倍、2. 99倍和3. 05倍。

表4 新疆南疆兵團(tuán)農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值產(chǎn)出分析

注：(1)宏觀價(jià)值=能值×農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值/總能值；(2)太陽能值轉(zhuǎn)化率單位為sej/J或sej/g。

2.3 農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值的投入產(chǎn)出分析

從能值投入率來看，第一師、第二師、第三師、第十四師分別為0. 51、0. 57、0. 64和0. 55，遠(yuǎn)低于世界平均水平(能值投入率為2左右)[3]，這表明在新疆南疆兵團(tuán)區(qū)域的能值投入相對(duì)不足，主要依靠環(huán)境資源投入，這也是生產(chǎn)力低下的主要原因。一般來說，能值投入率高，會(huì)加大農(nóng)產(chǎn)品的成本投入，在一定程度上影響到其競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)，但過低的能值投入率，會(huì)影響到資源的利用效率。從可持續(xù)發(fā)展的角度看，新疆南疆兵團(tuán)農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)充分利用有機(jī)肥有一定盈余的特性，重點(diǎn)依靠有機(jī)肥來培肥土壤，獲得高產(chǎn)。

從能值產(chǎn)出率來看，第一師、第二師、第三師、第十四師能值產(chǎn)出率分別為0. 56、0. 60、0. 63和1. 42。除第十四師能值產(chǎn)出率相當(dāng)于全國平均水平1. 42外，其余各師的能值產(chǎn)出率遠(yuǎn)低于全國平均水平，這表明新疆南疆兵團(tuán)區(qū)域的能值回報(bào)率相對(duì)較低。

表5 新疆南疆兵團(tuán)農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出分析

表6 新疆南疆兵團(tuán)農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值流和指標(biāo)

注：A為種植區(qū)面積，P為從事第一產(chǎn)業(yè)人口

2.4 農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值指標(biāo)和可持續(xù)性

環(huán)境負(fù)載率、能值利用水平及可持續(xù)發(fā)展性能能夠很好的評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀水平。其中環(huán)境負(fù)載率是對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的一種警示，若系統(tǒng)長期處于較高的環(huán)境負(fù)載率，系統(tǒng)將產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的功能退化或喪失[14]。由表6中可以看出，第一師、第二師、第三師、第十四師的環(huán)境負(fù)載率分別為0. 51、0. 57、0. 64和0. 55，低于東北地區(qū)的環(huán)境負(fù)載率3. 17，并遠(yuǎn)低于一些發(fā)達(dá)國家的水平。這表明在新疆南疆兵團(tuán)區(qū)域的環(huán)境壓力相對(duì)較小，環(huán)境資源沒有高效地利用，還沒達(dá)到一種高投入高產(chǎn)出的運(yùn)行狀態(tài)，還有繼續(xù)發(fā)展的空間。

能值利用水平包含能值密度、人均能值用量、人均能值產(chǎn)出率三部分，將這三者結(jié)合可以反映一個(gè)地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)水平、集約化程度和生產(chǎn)效率。從能值密度來看，表現(xiàn)為第一師>第二師>第三師>第十四師，分別為6. 45×1012sej/m2、6. 40×1012sej/m2、4. 37×1012sej/m2和4. 20×1012sej/m2，遠(yuǎn)高于2001年全國能值密度平均水平1. 32×1011sej/m2。這表明新疆南疆兵團(tuán)區(qū)域的集約化程度高，其原因是由于南疆地廣人稀，地塊面積較大，適合于機(jī)械大面積作業(yè)所致。從人均能值用量、人均能值產(chǎn)出量來看，均以第一師的最高，分別為4. 30×1017sej/人和2. 42×1017sej/人。第一師的人均能值用量、人均能值產(chǎn)出量分別是第二師、第三師、第十四師的2. 44倍、1. 40倍、5. 81倍和2. 28倍、1. 25倍、2. 28倍，且各師人均能值投入量、人均能值產(chǎn)出量均高于全國平均水平5. 89×1015sej和3. 90×1015sej，這表明新疆南疆兵團(tuán)農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)是以高投入帶來的高產(chǎn)出運(yùn)行。

從可持續(xù)性發(fā)展性能指數(shù)來看，第一師、第二師、第三師、第十四師分別為1. 09、1. 06、0. 99和2. 59，表現(xiàn)出第十四師>第一師>第二師>第三師。第十四師可持續(xù)發(fā)展勢(shì)頭最強(qiáng)，主要?dú)w因于該師能值產(chǎn)出率最高。第一師、第二師由于環(huán)境負(fù)載率低于第三師，其可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Ω哂诘谌龓煛Ａ硗?，各師可持續(xù)發(fā)展性能指數(shù)均高于中國部分省市的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展性能指數(shù)(河北省2012年為0. 38[15]，湖南省2012年為0. 42[16])，這表明新疆南疆兵團(tuán)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展勢(shì)頭較強(qiáng)，具有很大潛力發(fā)展農(nóng)果復(fù)合生產(chǎn)。

3 結(jié)論

新疆南疆兵團(tuán)農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的能值投入以環(huán)境能源為主，輔助能源次之；第一師的農(nóng)業(yè)、第二師的牧業(yè)、第十四師的果業(yè)單位面積的能值產(chǎn)出較高，且第一師的農(nóng)果發(fā)展產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)較為均衡，第二師、第三師、第十四師則分別偏重畜牧業(yè)、農(nóng)業(yè)和果業(yè)的發(fā)展，農(nóng)果牧的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)比重的調(diào)整會(huì)影響農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的能值產(chǎn)出；新疆南疆兵團(tuán)區(qū)域的環(huán)境壓力相對(duì)較小，環(huán)境資源利用水平不高，但廣闊的土地面積及從事第一產(chǎn)業(yè)人口較少，促使環(huán)境的能值的投入相對(duì)較多，能值利用水平也相對(duì)較高，并且是以高投入帶來的高產(chǎn)出。該地區(qū)環(huán)境負(fù)載率較低，可持續(xù)發(fā)展勢(shì)頭較強(qiáng)，對(duì)發(fā)展農(nóng)果復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)有較大潛力。通過環(huán)境資源的合理配置、政府的科學(xué)政策引導(dǎo)等方式對(duì)新疆南疆兵團(tuán)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，可以提高該區(qū)域環(huán)境資源的利用率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。