華北平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價及灌溉效益分析*

周淑梅, 武 菁, 王國貞

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華北平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價及灌溉效益分析*

周淑梅1,2, 武 菁3, 王國貞1

(1. 河北科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 石家莊 050018; 2. 河北省生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展研究中心 石家莊 050018; 3. 河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 石家莊 050018)

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為人類提供農(nóng)產(chǎn)品等服務(wù)的同時, 對生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生負(fù)面影響。本文基于千年生態(tài)系統(tǒng)評估(MA)框架, 以華北平原典型高產(chǎn)農(nóng)田區(qū)域——河北省石家莊市欒城區(qū)為研究對象, 應(yīng)用能值理論分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)投入, 從供給、調(diào)節(jié)和支持3方面分析農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正、負(fù)服務(wù)產(chǎn)出; 應(yīng)用分?jǐn)傁禂?shù)法求解農(nóng)田灌溉凈效益, 計(jì)算能值指標(biāo)并評價農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。結(jié)果表明: 研究期間欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能值年均總投入(1.00×1012sej?m-2)中, 不可更新工業(yè)輔助能(6.81×1011sej?m-2)與不可更新環(huán)境資源(灌溉用地下水, 2.57×1011sej?m-2)投入之和占總能值投入的90%以上, 說明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)消耗了大量不可更新資源; 農(nóng)田提供的正服務(wù)(1.82×1012sej?m-2)主要是農(nóng)產(chǎn)品供給(1.07×1012sej?m-2), 負(fù)服務(wù)(5.87×1011sej?m-2)以溫室氣體排放(5.31×1011sej?m-2)為主; 考慮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境負(fù)效益, 計(jì)算欒城農(nóng)田灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)為0.32, 灌溉凈效益為3.94×1011sej?m-2, 灌溉效益偏低; 欒城區(qū)能值可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)取值為0.10~0.18, 屬于典型的消費(fèi)型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng), 迫切需要探索出一條低能耗, 高產(chǎn)出的真正意義上的高質(zhì)量農(nóng)田發(fā)展之路, 實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展。

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng); 能值分析; 分?jǐn)傁禂?shù); 灌溉效益; 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù); 華北平原

水是生命之源, 中國人均水資源量為2 100 m3, 僅為世界平均水平的28%。農(nóng)業(yè)用水是水資源消耗的主要途徑, 占全國總用水量的63.5%[1]。作為我國重要的糧食生產(chǎn)基地之一, 華北平原以冬小麥()-夏玉米()高耗水種植結(jié)構(gòu)為主, 加之降水量少且時空分布極為不均, 導(dǎo)致該地區(qū)水資源開發(fā)利用率雖為全國最高, 卻仍然存在水資源嚴(yán)重不足的局面[2], 極大限制了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展[3]。為了維持農(nóng)業(yè)高產(chǎn), 華北平原地區(qū)農(nóng)田灌溉用水主要取自地下水。連續(xù)多年的地下水開發(fā)利用導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降, 引發(fā)地面沉降、水質(zhì)惡化等一系列環(huán)境問題[4-6]。

分?jǐn)傁禂?shù)法是求解灌溉效益的常用方法之一[7-8], 借鑒生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)的能值理論可以求解灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù), 即定義農(nóng)業(yè)灌溉能值投入總量與生產(chǎn)過程中能值投入總量之比為灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)[9]。該方法既考慮經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)投入, 又考慮自然環(huán)境投入, 全面計(jì)量農(nóng)業(yè)灌溉的投入產(chǎn)出, 計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確[10]。成波等[11]采用能值理論分析了西安市2000—2014年的農(nóng)業(yè)灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù), 并結(jié)合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值計(jì)算農(nóng)田灌溉效益, 由于未考慮農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)過程中帶來的環(huán)境負(fù)效應(yīng)勢必導(dǎo)致灌溉效益計(jì)算值比實(shí)際偏大。囿于以往對灌溉效益的理解, 農(nóng)產(chǎn)品(作物)產(chǎn)出即為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)出的全部, 對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水源涵養(yǎng)、光合作用釋氧、滯塵、固碳、土壤養(yǎng)分積累等, 同時伴隨著農(nóng)藥及化肥流失帶來的非點(diǎn)源污染、水土流失、溫室氣體排放、地膜污染、地下水超采等問題[12-15]考慮較少。

白楊等[16]根據(jù)千年生態(tài)系統(tǒng)評估(millennium ecosystem assessment, 簡稱MA)理論框架, 構(gòu)建海河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價指標(biāo)體系, 應(yīng)用市場價值法、影子工程法和機(jī)會成本法分別從農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能(正服務(wù))和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境成本(負(fù)服務(wù))兩方面對2005年海河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行全面定量評價, 研究表明海河流域農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總服務(wù)主要包括釋氧、涵養(yǎng)水源和營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)等生態(tài)功能, 而環(huán)境成本則以化肥流失和溫室氣體排放為主。元媛等[17]應(yīng)用環(huán)境經(jīng)濟(jì)學(xué)的方法定量估算欒城2008年農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的正、負(fù)效應(yīng)價值。結(jié)果表明農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)功能是欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)最主要的服務(wù)功能, 其價值占農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)總價值的38.1%; 而地下水資源緊缺則是欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)最為突出的環(huán)境問題, 其環(huán)境成本占總環(huán)境成本的76%。基于MA理論框架, 馬鳳嬌和劉金銅[18]借助能值理論分析了1984—2008年欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)投入及產(chǎn)出情況, 結(jié)果表明欒城農(nóng)田屬于高消耗生態(tài)系統(tǒng), 提供正服務(wù)的同時也提供了大量的負(fù)服務(wù), 但其負(fù)服務(wù)計(jì)算未考慮地下水超采所造成的環(huán)境損失。

河北省石家莊市欒城區(qū)是華北平原糧食高產(chǎn)區(qū)的典型代表, 本文以欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)為研究對象, 借鑒MA生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分類體系, 將欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)[19](鑒于農(nóng)田文化服務(wù)較少, 本文未考慮)。應(yīng)用能值理論分析欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)投入結(jié)構(gòu)及農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(包含正、負(fù)服務(wù)), 在此基礎(chǔ)上計(jì)算研究區(qū)灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)及農(nóng)田灌溉凈效益, 并計(jì)算各項(xiàng)能值指標(biāo)綜合評價欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行狀況, 研究結(jié)果可為華北平原水資源可持續(xù)利用、灌溉制度優(yōu)化及作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整等提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

河北省石家莊市欒城區(qū)(114°28￠35″E~114°47￠35″E, 37°4l￠34″N~38°01￠07″N)地處華北平原北部的太行山山前沖積扇平原地帶(圖1), 屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候, 土壤類型以潮褐土為主, 耕地面積約為262.84 km2, 占轄區(qū)面積的75%以上。該區(qū)年均氣溫12.2 ℃, 年均無霜期191 d, 年日照總時數(shù)2 544 h, 年均降雨量約為483.5 mm(1949—2000年), 且80%集中在夏季7—9月份[20], 與農(nóng)作物的需水量(約1 000 mm)及需水臨界期嚴(yán)重不匹配, 因此為維持農(nóng)業(yè)高產(chǎn)不得不抽取大量地下水進(jìn)行灌溉, 加之降水對地下水的補(bǔ)給極為有限, 直接導(dǎo)致地下水位的連年下降[21]。

1.2 材料與方法

1.2.1 能值理論

長期以來, 科學(xué)家們致力于尋找一種分析自然環(huán)境和人類經(jīng)濟(jì)社會的共同度量標(biāo)準(zhǔn)。能值理論的出現(xiàn)解決了這一難題。能值理論是著名生態(tài)學(xué)家、“系統(tǒng)生態(tài)學(xué)之父”H. T. Odum經(jīng)長時期跨學(xué)科研究而提出。能值定義為自然資源、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品或勞務(wù)形成所需直接和間接投入的另一種有效能總量。一般以“太陽能值”為基準(zhǔn), 單位能量(物質(zhì))所含太陽能的量即為該能量(物質(zhì))的能值轉(zhuǎn)換率[21], 單位為太陽能焦耳(solar emioules, 簡寫sej), 能值計(jì)算見式(1)。

能值(sej)=能值轉(zhuǎn)換率(sej?unit-1)×能量(物質(zhì)質(zhì)量) (1)

通過應(yīng)用能值轉(zhuǎn)換率把不同能量(物質(zhì))換算為統(tǒng)一度量標(biāo)準(zhǔn)的能值, 可以將各種生態(tài)流用能值統(tǒng)一起來進(jìn)行綜合分析, 從而為生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)開辟了新的定量研究方法[22]。

1.2.2 數(shù)據(jù)資料收集與整理

通過收集《石家莊統(tǒng)計(jì)年鑒》、《河北省水資源公報(bào)》及《河北省環(huán)境狀況公報(bào)》等多年統(tǒng)計(jì)資料, 參考已公開發(fā)表數(shù)據(jù)[17-18,23]及相關(guān)文獻(xiàn), 整理1984—2008年欒城地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)。欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)投入數(shù)據(jù)包括: 可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源、可更新有機(jī)輔助能和不可更新工業(yè)輔助能數(shù)據(jù)。欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)出的正負(fù)服務(wù)數(shù)據(jù)均包含供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)3方面。此外, 將地下水超采也納入到農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)負(fù)服務(wù)中進(jìn)行計(jì)算。

1.2.3 分析框架

首先收集欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)投入數(shù)據(jù)及產(chǎn)出的各項(xiàng)正、負(fù)服務(wù)指標(biāo)數(shù)據(jù), 參考前人文獻(xiàn)確定各項(xiàng)指標(biāo)的能值轉(zhuǎn)化率[18,22-26], 計(jì)算農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)投入產(chǎn)出各項(xiàng)指標(biāo)能值流。根據(jù)分?jǐn)傁禂?shù)法求得研究區(qū)灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)及灌溉凈效益。

1)繪制欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能值圖。能值圖運(yùn)用Odum能量系統(tǒng)符號語言即能值符號圖例進(jìn)行繪制, 并且需要明確農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu), 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)自然環(huán)境與人類社會經(jīng)濟(jì)主要成分的相互關(guān)系及主要生態(tài)流方向。欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能值圖見圖2。

2)建立農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能值分析表。將收集的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)投入產(chǎn)出等各項(xiàng)指標(biāo)根據(jù)式(1)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為能值, 用于后續(xù)計(jì)算。能值分析表包含1984—2008年欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)投入及產(chǎn)出服務(wù)指標(biāo)的能值轉(zhuǎn)換率及能值計(jì)算值(表1)。

3)計(jì)算灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)及灌溉凈效益。農(nóng)田灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)()及灌溉凈效益()計(jì)算公式如下:

=aw/t(2)

net=p-n(3)

=′net(4)

式中:aw為灌溉投入總能值, sej, 是灌溉水資源投入能值及灌溉設(shè)施投入能值之和;t為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)投入總能值, sej, 包括可更新環(huán)境資源(太陽能、雨水化學(xué)能等)、不可更新環(huán)境資源(灌溉用地下水)、可更新有機(jī)輔助能(種子、人力、有機(jī)肥)和不可更新工業(yè)輔助能(化肥、農(nóng)藥、地膜、機(jī)械和能源);net表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)凈服務(wù), sej;p表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正服務(wù), sej, 由供給服務(wù)(小麥、玉米、大豆、油料和棉花)、調(diào)節(jié)服務(wù)(光合釋放O2、吸收SO2、滯塵、土壤固碳、吸收CH4)和支持服務(wù)(氮、磷、鉀)三者相加得到;n表示農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)負(fù)服務(wù), sej, 是供給服務(wù)(化肥流失、農(nóng)藥流失)、調(diào)節(jié)服務(wù)(釋放CO2、釋放N2O、地下水超采)和支持服務(wù)(表層土凈損失)三者之和。已有研究表明地膜在總能值投入中所占比重不大[24,27], 本文未考慮地膜殘留的環(huán)境負(fù)效應(yīng)。其中, 地下水超采損失采用下式計(jì)算[28]:

(6)

式中,GW表示地下水超采損失能值, sej;L為計(jì)算地下水超采經(jīng)濟(jì)損失的復(fù)合參數(shù), 由式(6)計(jì)算得到;為區(qū)域面積, km2;GW為能值轉(zhuǎn)換率, sej?萬元-1;GDP為地均GDP, 萬元?km-2;r為人口密度, 人?km-2。

4)計(jì)算各項(xiàng)能值指標(biāo), 綜合評價欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

2 結(jié)果與分析

2.1 欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能值投入

欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出計(jì)算結(jié)果見表2。根據(jù)能值理論, 太陽能、雨水化學(xué)能和雨水勢能都來自太陽輻射能, 為避免重復(fù)計(jì)算, 只取三者中最大值計(jì)入可更新環(huán)境資源能值投入。表2表明, 不可更新工業(yè)輔助能為6.81×1011sej?m-2, 占總能值投入比重最高(67.81%), 說明欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)高度依賴化肥、農(nóng)藥、地膜及農(nóng)業(yè)機(jī)械等工業(yè)輔助能, 成為維持農(nóng)田高產(chǎn)的重要支撐因素; 其次為不可更新環(huán)境資源(主要為灌溉用地下水, 2.57×1011sej?m-2), 占總能值投入的25.62%, 說明農(nóng)業(yè)灌溉用水也處于高消耗狀態(tài)。不可更新工業(yè)輔助能與不可更新環(huán)境資源之和占總能值投入的93.43%, 表明農(nóng)田高產(chǎn)以消耗大量不可更新資源為代價。因此, 欒城農(nóng)田生產(chǎn)需要提高農(nóng)業(yè)科技含量, 大力發(fā)展并推廣節(jié)水灌溉技術(shù), 提高降水等可更新環(huán)境資源的利用率。此外還應(yīng)加大有機(jī)肥使用量, 改善土壤結(jié)構(gòu), 提高土壤肥力, 減少或代替無機(jī)肥的使用, 發(fā)展成為低能耗、高產(chǎn)出的真正意義上的高質(zhì)量農(nóng)田。

表1 欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)太陽能值轉(zhuǎn)換率及能值計(jì)算結(jié)果

1): 1984—2008年均灌溉用地下水量參考文獻(xiàn)[5]; 2): 由于灌溉設(shè)施投入數(shù)據(jù)缺乏, 灌溉設(shè)施投入能值取農(nóng)業(yè)機(jī)械動力能值投入的20%[10]; 3): 地下水超采損失采用公式(5)和(6)計(jì)算得到。1): The annual quantity of irrigation groundwater during 1984-2008 was obtained from the reference [5]; 2): Due to lack of data, irrigation facilities emergy input was assumed as 20% of the agricultural mechanical power emergy input[10]; 3): Loss of groundwater over-extraction was calculated using the equations (5) and (6).

2.2 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)出

根據(jù)MA框架, 對農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提供的各項(xiàng)正、負(fù)服務(wù)進(jìn)行分析?？傮w來講, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)正服務(wù)均大于負(fù)服務(wù)(圖3), 其中正服務(wù)能值占總能值產(chǎn)出的75.60%(表2)。分項(xiàng)來看, 供給正服務(wù)占總正服務(wù)的比重最高, 為58.72%。其中, 玉米在5種作物中表現(xiàn)最為突出, 占總供給服務(wù)的45.79%。其次為調(diào)節(jié)正服務(wù)和支持正服務(wù), 占正服務(wù)比重分別為33.98%和7.30%。調(diào)節(jié)正服務(wù)比重高說明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)在提供糧食生產(chǎn)的同時, 光合作用釋氧、固碳等生態(tài)功能也不容小覷。

表2 欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出

net=p-n; 投入(產(chǎn)出)百分比=各項(xiàng)目能值投入(產(chǎn)出)/總能值投入(產(chǎn)出)×100。net=p-n; Percentage of input or output = emergy input or output of each category / total emergy input or output × 100.

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)負(fù)服務(wù)能值產(chǎn)出占總能值產(chǎn)出的24.40%(表2), 其中供給負(fù)服務(wù)和支持負(fù)服務(wù)占總負(fù)服務(wù)比重不足10%, 而調(diào)節(jié)負(fù)服務(wù)占總負(fù)服務(wù)比重高達(dá)90%以上, 主要為溫室氣體排放。已有研究表明華北太行山前平原冬小麥農(nóng)田土壤是CO2、N2O的排放源, 增施氮肥加充分灌溉能夠促進(jìn)土壤CO2、N2O的生成[29]。調(diào)節(jié)負(fù)服務(wù)中地下水超采損失占比不足1%, 可能是由于當(dāng)前計(jì)算方法及指標(biāo)數(shù)值的選取有失客觀造成對地下水超采損失的低估。地下水超采會導(dǎo)致地下水位下降、大量已有灌溉井等灌溉設(shè)施功能喪失以及新灌溉設(shè)施的必要投資, 同時表層土壤中的污染物也會隨地下水下降導(dǎo)致深層土壤、水源污染, 土地質(zhì)量下降、土地退化等一系列生態(tài)問題[30-31], 因此地下水超采問題亟待解決。

2.3 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)灌溉效益

結(jié)合欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)投入產(chǎn)出能值數(shù)據(jù), 計(jì)算研究區(qū)灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)及灌溉凈效益, 見表3。計(jì)算結(jié)果表明, 欒城農(nóng)田灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)為0.32, 與成波等[11]、羅乾等[9]計(jì)算結(jié)果較為接近。灌溉凈效益為3.94×1011sej?m-2。郭斯瑞等[32]選取了邢臺3個實(shí)驗(yàn)區(qū)首次應(yīng)用實(shí)驗(yàn)法研究農(nóng)田灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)。歷時5年試驗(yàn)研究表明不同的農(nóng)作物、灌溉類型、灌水次數(shù)及灌水量會導(dǎo)致灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)存在差異, 不同情況下的灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)均值分布在0.34~0.60。吳恒安和徐詠九[33]對灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)確定方法進(jìn)行歸納, 總結(jié)了灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)的取值“一般為0.20~0.60, 平均值為0.40。豐、平水年和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平較高的地區(qū)取較低值, 反之, 取較高值”。本文計(jì)算灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)為0.32, 接近上述取值區(qū)間, 且屬于取值較低的情況。筆者推斷, 一方面由于隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高, 灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)有下降的趨勢[10], 并且計(jì)算結(jié)果是欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)25年灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)平均值, 導(dǎo)致分?jǐn)傁禂?shù)取值較低; 另一方面灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)取值較低表明欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)屬于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平較高的生態(tài)系統(tǒng)[33], 與現(xiàn)實(shí)相符, 驗(yàn)證了本文計(jì)算結(jié)果的客觀性。

本文計(jì)算得到欒城多年農(nóng)田灌溉平均凈效益為3.94×1011sej?m-2, 若將農(nóng)田灌溉總投入能值與灌溉超采地下水損失之和(3.24×1011sej?m-2), 視為維持農(nóng)業(yè)高產(chǎn)進(jìn)行灌溉所需付出的代價, 二者相減為7.0×1010sej?m-2, 即灌溉給農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)帶來凈效益增量為7.0×1010sej?m-2, 或者說灌溉水實(shí)現(xiàn)了“能值增殖”。然而自然界中物質(zhì)、能量遵循守恒定律, 因此“能值增殖”實(shí)際上是來源于其他能源投入, 比如太陽輻射能。

表3 欒城農(nóng)田灌溉效益計(jì)算

2.4 能值指標(biāo)分析

根據(jù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn), 參考前人研究成果, 構(gòu)建欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的投入產(chǎn)出指標(biāo)(供給正服務(wù)能值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率、正服務(wù)能值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率、凈服務(wù)能值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率、供給正服務(wù)能值自然產(chǎn)出率、正服務(wù)能值自然產(chǎn)出率、凈服務(wù)能值自然產(chǎn)出率)、能值來源指標(biāo)(能值投資率、環(huán)境負(fù)載率、能值自給率、可更新資源能值比例)、生態(tài)服務(wù)指標(biāo)(正負(fù)服務(wù)比值)、綜合指標(biāo)(能值可持續(xù)指標(biāo)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值可持續(xù)指標(biāo)、凈生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能值可持續(xù)指標(biāo)), 定量分析該農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的功能及其可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r。各指標(biāo)表達(dá)式及指標(biāo)值見表4。

2.4.1 能值自給率和能值投資率

能值自給率是指無償環(huán)境資源投入占總能源投入的比例, 能夠反映系統(tǒng)自給自足能力。能值投資率是指輔助能值總投入占環(huán)境資源總投入的比值, 可以用于衡量系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度和環(huán)境依賴程度。能值自給率越低, 能值投資率越高, 表明生態(tài)系統(tǒng)對經(jīng)濟(jì)投入依賴程度越高, 對環(huán)境的依賴程度越小。表4顯示1984—2008年欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)平均能值自給率為0.28, 能值投資率為2.52, 兩個值均與1996年山東省桓臺縣能值自給率(0.28)和能值投資率(2.55)計(jì)算結(jié)果較為接近[34], 表明農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境資源能值對系統(tǒng)產(chǎn)出的貢獻(xiàn)偏低, 即系統(tǒng)對自然環(huán)境的依賴程度較低, 但對經(jīng)濟(jì)投入依賴程度較高。

表4 欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能值指標(biāo)體系

2.4.2 環(huán)境負(fù)載率

2.4.3 能值產(chǎn)出率

本文分析的能值產(chǎn)出率分為能值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率和能值自然產(chǎn)出率, 分別表示生態(tài)系統(tǒng)在獲得經(jīng)濟(jì)輸入能值和自然資源輸入能值的優(yōu)勢及其可持續(xù)性[36]。Odum認(rèn)為能值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率合理取值為1~6, 如果取值小于1, 則該生態(tài)系統(tǒng)的能值不會增加。如果A類系統(tǒng)能值產(chǎn)出率小于B類系統(tǒng)能值產(chǎn)出率, 那么前者獲得經(jīng)濟(jì)投入能值的競爭能力會降低, 并最終會被后者所替代。本文計(jì)算出的3種欒城地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率取值為1.48~2.53(表4), 雖然高于山東省桓臺縣農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)2006年的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率0.98和2005年河北省0.73[34], 但仍屬于合理取值區(qū)間的偏低值域, 說明應(yīng)該提高欒城地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)及自然資源能值產(chǎn)出率, 從而增強(qiáng)其獲得外界投資的能力。考慮自然系統(tǒng)投入計(jì)算出能值自然產(chǎn)出率。表4表明能值自然產(chǎn)出率(取值為3.74~6.38)明顯高于能值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率, 主要是由于相比經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值投入(71.61%), 自然系統(tǒng)能值投入較少(28.39%)。自然系統(tǒng)能值投入中, 不可更新環(huán)境資源投入約為可更新環(huán)境資源投入的9.25倍, 說明欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對不可更新環(huán)境資源, 即灌溉用地下水的依賴程度過高, 因此地下水資源短缺與農(nóng)業(yè)高產(chǎn)對其過度依賴的結(jié)構(gòu)性矛盾勢必導(dǎo)致嚴(yán)重的資源環(huán)境問題。

2.4.4 能值可持續(xù)發(fā)展綜合指標(biāo)

能值可持續(xù)發(fā)展綜合指標(biāo)定義為系統(tǒng)能值經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出率與環(huán)境負(fù)載率之比, 用于評價生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力。從表4看出研究區(qū)域的3個能值可持續(xù)指標(biāo)取值為0.10~0.18, 明顯低于桓臺縣1996年的0.72, 山東省2003年的1.52, 江蘇省2005年的0.68[34], 鹽城市1995—2006年的0.97[37], 張掖地區(qū)1999年的1.216[38]。Ulgiati和Brown[39]認(rèn)為能值可持續(xù)指標(biāo)小于1表示系統(tǒng)為典型的消費(fèi)型系統(tǒng)。本文計(jì)算結(jié)果表明欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)出的能值是通過消耗較多的資源獲得, 即系統(tǒng)對環(huán)境的壓力較大, 可持續(xù)性發(fā)展能力較差。因此, 欒城地區(qū)應(yīng)進(jìn)一步調(diào)整農(nóng)田種植結(jié)構(gòu), 大力發(fā)展綠色和生態(tài)農(nóng)業(yè), 節(jié)約和保護(hù)地下水資源, 才能實(shí)現(xiàn)欒城地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

20世紀(jì)70年代起, 國內(nèi)學(xué)者開始關(guān)注農(nóng)業(yè)生產(chǎn)本身引起的環(huán)境問題[40]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中無機(jī)肥、農(nóng)藥、地膜及地下水的過度使用導(dǎo)致土壤板結(jié)[41]、非點(diǎn)源污染[42-43]、地下水超采[4,12,30,44]等一系列環(huán)境問題成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域, 并積累了豐碩的研究成果。然而限于研究方法, 不同學(xué)者大多就系統(tǒng)中某一問題進(jìn)行深入研究, 難以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的整體性研究。能值法通過將系統(tǒng)不同的投入產(chǎn)出要素統(tǒng)一折算為太陽能值, 解決了不同要素因量綱差異而無法同時計(jì)量的難題。值得注意的是, 應(yīng)用能值法進(jìn)行農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)評估時, 如表土層損失屬于系統(tǒng)投入模塊要素[9,44], 還是屬于系統(tǒng)產(chǎn)出模塊要素[18], 不同學(xué)者定義存在差別, 導(dǎo)致同一投入(產(chǎn)出)模塊所考慮的因素也不盡相同, 造成評估結(jié)果對比性不強(qiáng)。此外, 由于環(huán)境問題本身影響因素錯綜復(fù)雜, 同時可能會引起其他環(huán)境問題, 例如地下水超采的直接影響是地下水位下降, 導(dǎo)致大量機(jī)井和抽水泵的報(bào)廢, 而地下水位下降又會使土壤污染物向土壤深層轉(zhuǎn)移, 造成深層地下水污染及生物多樣性減少, 因此如何全面計(jì)量某一環(huán)境問題, 需要科學(xué)合理的定義和研究技術(shù)手段的創(chuàng)新。

另一方面, 灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)定義為灌溉能值投入量與生產(chǎn)過程中的能值投入總量之比, 是以產(chǎn)出為投入的線性函數(shù)為前提, 即投入比等于產(chǎn)出比。這種線性假定并不符合實(shí)際, 最典型的柯布-道格拉斯生產(chǎn)函數(shù)=ALK(為產(chǎn)出,代表技術(shù)水平,和分別表示勞動和資本投入,和分別表示勞動和資本產(chǎn)出的彈性系數(shù))即為非線性生產(chǎn)函數(shù)[45]。因此, 灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)的線性假定具有一定局限性。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的終極目標(biāo)是農(nóng)作物的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗。研究結(jié)果表明欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)屬于嚴(yán)重的消費(fèi)型生態(tài)系統(tǒng), 其消耗的資源主要是不可更新資源, 包括化肥、農(nóng)藥和灌溉用地下水等。因此, 必須采取有效措施降低農(nóng)田生產(chǎn)能耗, 提高農(nóng)田生產(chǎn)效率。可能的措施包括: 1)節(jié)約利用地下水, 做到“開源”和“節(jié)流”。“開源”措施包括興建農(nóng)田水利設(shè)施, 人工建設(shè)水利工程, 收集天然降水, 最大限度開發(fā)、利用雨水資源, 緩解降水時空分布與農(nóng)業(yè)用水需求不匹配的矛盾; “節(jié)流”則通過采用滴灌、噴灌等技術(shù)提高灌溉用地下水的利用率, 培育和推廣抗旱作物新品種, 降低水資源消耗; 2)推廣綠色、無公害新型肥料, 提倡化肥深施, 提高化肥利用率; 3)研制新型低毒低殘留農(nóng)藥, 培育抗蟲作物新品種, 對農(nóng)作物病蟲害進(jìn)行預(yù)報(bào)防治。此外, 政府需加大對農(nóng)業(yè)科研支持力度, 制定必要的政策工具(如實(shí)施農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼), 完善國家相關(guān)法律制度, 為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)低耗的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)保駕護(hù)航[46]。

3.2 結(jié)論

首先，教師應(yīng)當(dāng)明確訓(xùn)練意志的目標(biāo)，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)情況和二胡教學(xué)的主要內(nèi)容，明確教學(xué)重點(diǎn)及難點(diǎn)，制訂具有一定個性化的教學(xué)方案和策略；其次，教師應(yīng)當(dāng)深入了解學(xué)生當(dāng)前的二胡學(xué)習(xí)情況，分析其與教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)任務(wù)之間的差距；最后，應(yīng)根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況和需求，制訂科學(xué)合理、具有一定針對性的二胡訓(xùn)練目標(biāo)，同時訓(xùn)練學(xué)生的主動性和積極性，從而提高二胡教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。

本文通過對河北省欒城地區(qū)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行能值分析，結(jié)果表明欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)投入中, 以不可更新工業(yè)輔助能所占比重最高, 其次為不可更新環(huán)境資源即灌溉用地下水; 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中, 正服務(wù)能值占比大于負(fù)服務(wù), 其中正服務(wù)以糧食供給為主, 負(fù)服務(wù)以氣候調(diào)節(jié)負(fù)服務(wù)為主, 主要是溫室氣體排放及地下水超采等環(huán)境負(fù)效應(yīng); 基于投入產(chǎn)出能值數(shù)據(jù), 應(yīng)用分?jǐn)傁禂?shù)法求解欒城農(nóng)田灌溉效益分?jǐn)傁禂?shù)(0.32)及灌溉凈效益(3.94×1011sej?m-2), 表明欒城地區(qū)灌溉效益偏低; 根據(jù)能值指標(biāo)分析結(jié)果, 欒城農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)遠(yuǎn)小于1, 說明該系統(tǒng)高度依賴經(jīng)濟(jì)投入及灌溉用地下水等不可更新資源, 環(huán)境承受壓力較大, 可持續(xù)發(fā)展?fàn)顩r堪憂。因此迫切需要探索出一條低能耗, 高產(chǎn)出的真正意義上的高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田發(fā)展之路, 實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展。

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Evaluation of agro-ecosystem services and analysis of irrigation benefit in the North China Plain*

ZHOU Shumei1,2, WU Jing3, WANG Guozhen1

(1. School of Management and Economics, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China; 2. Center for Ecological Economy and Sustainable Development of Hebei Province, Shijiazhuang 050018, China; 3. School of Mechanical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China)

Agro-ecosystem has become a hot research area in the field of ecology in recent years. One of the most important issues of agro-ecosystems is the strongly disturbance they have suffered from human activities. Agro-ecosystems not only provide critical services for human existence such as agricultural products, but could also have negative impacts on ecological environment which together comprise the negative services of agro-ecosystems. It is known that farmland irrigation is the main mode of groundwater depletion in the North China Plain. Although grain yields can be increased greatly under groundwater irrigation, over-exploitation of groundwater can lead to environmental problems including lowered underground water level. Therefore, it is essential to exactly measure the contribution of irrigation to agro-ecosystem production and to comprehensively evaluate the sustainability of the development of agro-ecosystems in the North China Plain. Based on the Millennium Ecosystem Assessment (MEA) framework developed by the United Nations Environment Programme and taking the typically high-yield farmlands in Luancheng District of Hebei Province in the North China Plain as the study area, we used emergy theory to analyze agro-ecosystem inputs. The study also analyzed both the positive and negative services of the agro-ecosystems in the three categories of service provision, service regulation and service support using statistical input/output data of the agro-ecosystems in Luancheng for the period from 1984 to 2008. Furthermore, irrigation efficiency was calculated by the sharing coefficient method and the development sustainability of agro-ecosystems was evaluated by the calculation and analysis of a series of emergy indicators. The results showed that annual emergy input of the agro-ecosystems in Luancheng was 1.00×1012sej?m-2, over 90% of which were non-renewable industrial auxiliary emergy (6.81×1011sej?m-2) and non-renewable environmental resource emergy (groundwater irrigation of 2.57×1011sej?m-2). This indicated that agro-ecosystems consumed a huge portion of non-renewable resources. For agro-ecosystem output, the positive service (75.60% of the total output) was greater than the negative service (24.40% of the total output). While service provision (agricultural product supply, 1.07×1012sej?m-2) was the main positive service (1.82×1012sej?m-2), regulation service (greenhouse gas emission of 5.31×1011sej?m-2) accounted for most of the negative service (5.87×1011sej?m-2). The sharing coefficient of irrigation benefit of the agro-ecosystems was calculated as the lower value of 0.32, and the net irrigation benefit was determined to be 3.94×1011sej?m-2, taking into consideration the negative services of the agro-ecosystems. The values of emergy sustainability index, emergy sustainability index of ecosystem service and emergy sustainability index of net ecosystem service in the study area were 0.10, 0.18 and 0.12, respectively. All the above three emergy sustainability indexes were far less than 1, suggesting that the agro-ecosystems of Luancheng largely depended on consumable resources. Therefore, a series of countermeasures were needed to be taken, including the conservation of groundwater, the promotion of alternative fertilizers and the development of low toxicity pesticides, the implementation of national policy and legal tools. These countermeasures ensured low-energy consumption and high-yield development in agriculture towards the realization of sustainable development of agro-ecosystems in the North China Plain.

Agro-ecosystem; Emergy analysis; Sharing coefficient; Irrigation benefit; Ecosystem service; North China Plain

ZHOU Shumei, E-mail: shumei1984@163.com

Mar. 8, 2017; accepted May 26, 2017

F323.2

A

1671-3990(2017)09-1360-11

10.13930/j.cnki.cjea.170203

* 河北省社會科學(xué)基金項(xiàng)目(HB15YJ059)資助

2017-03-08

2017-05-26

周淑梅, 主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)水文。E-mail: shumei1984@163.com

* This study was supported by the Hebei Provincial Social Science Fund (HB15YJ059).

周淑梅, 武菁, 王國貞. 華北平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價及灌溉效益分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(9): 1360-1370

Zhou S M, Wu J, Wang G Z. Evaluation of agro-ecosystem services and analysis of irrigation benefit in the North China Plain[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(9): 1360-1370