基于能值分析的蜜柚園生草模式生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)*

羅旭輝, 盧新坤, 劉岑薇, 張麗君, 陳 恩, Gordon W. Price, 翁伯琦

基于能值分析的蜜柚園生草模式生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)*

羅旭輝1, 盧新坤2, 劉岑薇1, 張麗君1, 陳 恩1, Gordon W. Price3, 翁伯琦4

(1. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 福州 350013; 2. 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所 福州 350003; 3. Department of Engineering, Faculty of Agriculture, Dalhousie University, Canada B2N 5E3; 4. 福建省山地草業(yè)工程技術(shù)研究中心 福州 350013)

蜜柚是福建省平和縣優(yōu)勢特色產(chǎn)業(yè), 目前面臨發(fā)展困境。生草栽培是推動(dòng)蜜柚綠色發(fā)展的重要途徑, 為科學(xué)評價(jià)蜜柚園生草模式的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益, 本文應(yīng)用能值分析法測評平和縣五寨鎮(zhèn)前嶺村蜜柚園生草模式和蜜柚園清耕模式的能值自給率、能值投資率、凈能值產(chǎn)出率、環(huán)境負(fù)載率、有效能產(chǎn)出率和能值反饋率。結(jié)果表明: 2017—2018年蜜柚園生草模式、蜜柚園清耕模式的能值自給率均為0.003, 能值投資率分別為339.291、295.763, 凈能值產(chǎn)出率均為1.003, 環(huán)境負(fù)載率分別為0.348、0.321, 有效能產(chǎn)出率為4.57E-7 J·sej-1、2.90E-7 J·sej-1, 能值反饋率為0.002、0.000。與清耕模式相比, 生草模式能值總投入下降9.21%, 不可更新環(huán)境資源下降76.71%, 購買能值比重大, 顯示更高的能值投資率; 同時(shí)商品果能值提高1.00E+17 sej·hm-2, 能量產(chǎn)出提高4.60E+10 J·hm-2, 表現(xiàn)出更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)活力。勞動(dòng)力能值投入占能值總投入70.45%~72.90%,其中采摘、日常管理、水肥施用比重大。生草模式在除草環(huán)節(jié)增加勞動(dòng)力投入1.31E+16 sej×hm-2, 但通過減少農(nóng)藥施用、水肥施用和有機(jī)肥搬運(yùn)節(jié)約勞動(dòng)力, 同時(shí)優(yōu)化日常管理, 生草模式總勞動(dòng)力投入降低了3.30E+16 sej×hm-2, 基于能值的勞動(dòng)生產(chǎn)率提高17.50%。生草模式使有機(jī)肥、勞動(dòng)力等可更新資源購買量減少, 環(huán)境負(fù)載率增加0.027。蜜柚園生草模式實(shí)現(xiàn)了柚樹增產(chǎn)、柚農(nóng)增收、蜜柚園增綠, 為蜜柚產(chǎn)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革提供賦能路徑。

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng); 蜜柚; 生草栽培; 能值分析; 生態(tài)經(jīng)濟(jì)效率

果園生草是生態(tài)果園建設(shè)的重要環(huán)節(jié), 農(nóng)區(qū)草業(yè)的重要組成部分, 在生態(tài)脆弱區(qū)的水土流失治理、農(nóng)業(yè)環(huán)境污染治理發(fā)揮著不可替代的作用[1]。平和縣人地矛盾突出, 是福建省水土流失治理重點(diǎn)區(qū)之一, 同時(shí)也是蜜柚主產(chǎn)區(qū), 蜜柚種植面積約占全國的1/3[2]。平和蜜柚[(L.) Osbeck.]在以量取勝的產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展過程中, 也帶來了突出的區(qū)域生態(tài)問題, 包括土壤酸化嚴(yán)重, pH>5的園地僅為3.39%[3], 水土流失嚴(yán)重, 營養(yǎng)失衡, 黃脈病普遍, 氮素流失嚴(yán)重, 磷素盈余明顯[4]。李發(fā)林等[5]的研究表明, 蜜柚園試驗(yàn)區(qū)匯水全年總磷含量大于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求, 總氮含量大于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求, 引發(fā)了日漸嚴(yán)重的河流富營養(yǎng)化等問題, 進(jìn)而影響平和百姓的生活用水。為此, 平和縣積極探索蜜柚園生草模式。研究顯示, 蜜柚園生草可顯著降低蜜柚園徑流總氮、總磷流失量[6-7], 改善蜜柚園小氣候[8-9], 增加蜜柚園害蟲天敵的數(shù)量[10], 減少蜜柚裂果現(xiàn)象[11], 同時(shí)也帶來一定的勞動(dòng)力投入, 給生草模式的推廣應(yīng)用帶來一定難度。

綜合評價(jià)該模式的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益是深入分析這一矛盾的重要方法。目前果園生草的生態(tài)效益評價(jià)研究較為深入, 部分學(xué)者對生態(tài)經(jīng)濟(jì)耦合也開展了評估。如劉興元等[12]分析顯示果-草-雞生態(tài)循環(huán)模式的水分利用提高54.1%, 土流失減少58.82%, 土地利用效率提高36.84%、產(chǎn)出利潤提高3.82倍。但該研究還是偏重于系統(tǒng)的自然屬性, 這與果園作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的一種類型, 其類似的屬性特征使學(xué)者在評價(jià)研究中多借鑒于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的評價(jià)方法有關(guān)。韓玉等[13]研究表明, 針對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的主流評價(jià)方法源于對自然生態(tài)系統(tǒng)的評價(jià), 需要更多考慮生產(chǎn)操作、經(jīng)營管理等方面的影響, 并尊重經(jīng)營、管理、市場等因素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的突出地位。因此, 同步、系統(tǒng)地評價(jià)果園生草模式的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益相關(guān)報(bào)道較為少見。與生命周期法、生態(tài)足跡法等評價(jià)方法相比, 能值分析法同時(shí)注重資源環(huán)境等自然屬性和經(jīng)營管理、市場因素等經(jīng)濟(jì)屬性, 可用于生態(tài)脆弱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)平衡格局研究[14-15]。能值評價(jià)方法亦源于自然生態(tài)系統(tǒng)評價(jià),在從自然生態(tài)系統(tǒng)評價(jià)拓展到農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)評價(jià)過程中, 能值基準(zhǔn)、人力投入核算、貨幣能值轉(zhuǎn)換以及產(chǎn)出能值分析等關(guān)鍵環(huán)節(jié)影響評價(jià)的可靠性。Odum[16]提出全球能值總量為9.44E+24 sej×a-1, 2000年又將能值基準(zhǔn)更新為15.8E+24 sej×a-1[17], Brown等[18]計(jì)算出的能值基準(zhǔn)為15.2E+24 sej×a-1, Campbell等[19]認(rèn)為9.26E+24 sej×a-1適于作為能值基準(zhǔn), Brown等[20-21]經(jīng)過反復(fù)計(jì)算認(rèn)為全球能值基準(zhǔn)為12.0E+24 sej×a-1, 并得到了全球能值學(xué)會(huì)的推薦。隨著中國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展, 勞動(dòng)力成本不斷提升, 基于國外的勞動(dòng)力成本基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得到的人力投入能值核算結(jié)果難以反映中國實(shí)際。Yang等[22]對中國經(jīng)濟(jì)能值分析結(jié)果進(jìn)行估算, 應(yīng)用該研究結(jié)果得到的人力投入、貨幣轉(zhuǎn)換等系數(shù)開展計(jì)算, 有助于大大提升評價(jià)科學(xué)性。本文以能值為標(biāo)準(zhǔn), 應(yīng)用前人最新研究結(jié)果, 遵守能值分析第一規(guī)則, 深入開展蜜柚園生草模式的相關(guān)指標(biāo)分析, 以期為該模式的優(yōu)化與應(yīng)用提供科學(xué)參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蜜柚園生草模式示范區(qū)位于福建省平和縣五寨鎮(zhèn)前嶺村(117°22′27″E, 24°10′57″N), 海拔150~200 m, 平均坡度15°。品種‘紅肉蜜柚’, 果樹樹齡12年, 土壤為紅壤。生草措施為保留自然草被, 劈矮影響田間操作的高稈草類。調(diào)查表明, 草層高度為20~40 cm, 草被覆蓋度達(dá)95%左右, 主要草種有鴨跖草(L.)、紅花酢醬草(DC.)、一年蓬[(L.) Pers.]、一點(diǎn)紅[(L.) DC.]、霍香薊(Miller)、百喜草(Flugge)、白三葉(L.)、求米草[(Arduino) Beauv.]、馬唐[(Linn.) Scop.]、龍葵(Linn.)、凹頭莧(Linn.)、刺蓼[(Meisn.) Franch. et Sav.]、截葉鐵掃帚(G. Don)、雞眼草[(Thunb.) Schindl.]、積雪草[(Linn.) Urban]、含羞草(L.)、阿拉伯婆婆納(Poir.)、短葉水蜈蚣(Rottb.)等。

傳統(tǒng)清耕模式位于福建省平和縣五寨鄉(xiāng)前嶺村, 117°22′05″E, 24°10′12″N, 海拔150~200 m, 平均坡度12°, 品種‘紅肉蜜柚’, 果樹樹齡12年, 土壤為紅壤。清耕措施為果園每年噴施草甘磷3次, 零星生長的草種主要有一年蓬和馬唐, 草被覆蓋度為5%~10%。

1.2 研究方法

1.2.1 系統(tǒng)界定

模式邊界: 蜜柚園生草果園面積21.7 hm2, 種植蜜柚1.2萬棵, 廠房1座, 全園布設(shè)水肥一體化設(shè)備及管道, 生產(chǎn)用水為打井抽取。2011年起福建天意紅肉蜜柚開發(fā)有限公司實(shí)施該管理模式, 生產(chǎn)數(shù)據(jù)為2017—2018年平均值。傳統(tǒng)清耕果園面積10 hm2, 種植蜜柚5 560棵, 簡易管理房8座, 全園布設(shè)水肥一體化設(shè)備及管道, 生產(chǎn)用水為自引水源。2007年起福建省平和縣五寨鄉(xiāng)前嶺村8位村民實(shí)施該模式管理, 生產(chǎn)數(shù)據(jù)為2017—2018年平均值。

資源分類: 可更新環(huán)境資源包括太陽能、化學(xué)雨水勢能、電力(水利發(fā)電中河流勢能部分); 不可更新環(huán)境資源包括土壤損失和生產(chǎn)用水(農(nóng)藥含量高, 無法再利用); 可更新有機(jī)能包括勞動(dòng)力(日常消費(fèi)部分)、有機(jī)肥; 工業(yè)輔助能包括電力(水利發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施投入部分)、水溶肥、農(nóng)藥、紙袋以及廠房和設(shè)施的當(dāng)年損耗部分; 系統(tǒng)反饋能主要是草被, 主要產(chǎn)出為柚果。蜜柚園生產(chǎn)系統(tǒng)里, 柚樹為生產(chǎn)者, 草為反饋者, 土壤和留存在溝渠系統(tǒng)的廢水為能量貯藏者。系統(tǒng)產(chǎn)出部分為商品果和廢棄果。能量耗散主要存在于柚樹代謝、枝條修剪、土壤侵蝕和廢水排放。蜜柚園生草模式能值流動(dòng)有別于蜜柚園清耕模式, 表現(xiàn)在3個(gè)方面: 1)改變傳統(tǒng)管理方式, 包括減少除草劑, 增加有機(jī)肥投入; 2)減少土壤侵蝕, 循環(huán)利用部分廢水, 減少能量耗散, 增加反饋能值(圖1); 3)調(diào)節(jié)土壤水分供應(yīng), 增加夏、秋季土壤保濕, 減少裂果發(fā)生率, 提高產(chǎn)出能值。

圖1 蜜柚園生草(A)、清耕(B)模式能量流動(dòng)圖(單位: sej×hm-2)

1.2.2 能值分析及數(shù)據(jù)處理

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)2017年、2018年度的投入和產(chǎn)出, 以及記錄當(dāng)?shù)貧庀蟛块T的多年氣象數(shù)據(jù)平均值計(jì)算得出, 并繪制蜜柚園生草模式的能值流程圖。將調(diào)查的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成以J、g、￥為單位的能量或物質(zhì)數(shù)據(jù), 將不同度量單位轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的能值單位(sej), 編制能值分析表。并列出系統(tǒng)的主要能量來源和輸出項(xiàng)目, 以及各能量或物質(zhì)的太陽轉(zhuǎn)化率, 能值基準(zhǔn)為12.0E+24 sej×a-1[20-21], 太陽能值轉(zhuǎn)化率主要參考藍(lán)盛芳等[23]整理結(jié)果, 并按新的能值基準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其中能值貨幣比參考Yang等[22]的研究結(jié)果(以9.44 E+24 sej×a-1為能值基準(zhǔn)測算出貨幣能值轉(zhuǎn)化率為5.87E+12 sej×￥-1), 并按新的能值基準(zhǔn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

能值理論的相關(guān)計(jì)算公式如下:

能值自給率(ESR)=環(huán)境的無償能值(+)/能值總投入() (1)

能值投資率(EIR)=經(jīng)濟(jì)的反饋能值(+1)/環(huán)境的無償能值(+) (2)

凈能值產(chǎn)出率(EYR)=系統(tǒng)產(chǎn)出能值()/經(jīng)濟(jì)的反饋能值(+1) (3)

環(huán)境負(fù)載率(ELR)=系統(tǒng)不可更新能值總量(+)/可更新能值總量(+1+0) (4)

有效能產(chǎn)出率(EEYR)=商品果能量()/能值總投入() (5)

能值反饋率(FYE)=系統(tǒng)產(chǎn)出能值反饋量(0)/經(jīng)濟(jì)的反饋能值(+1) (6)

2 結(jié)果與分析

2.1 能值投入分析

2.1.1 不同類型能值投入量

蜜柚園生草與蜜柚園清耕管理模式的能值投入分析結(jié)果表明(表1): 2017—2018年蜜柚園清耕模式投入能值密度平均為3.69E+17 sej×hm-2, 蜜柚園生草模式能值投入密度平均為3.35E+17 sej×hm-2, 較前者(清耕模式)下降9.21%; 其中不可更新環(huán)境資源投入下降2.57E+14 sej×hm-2(76.71%), 工業(yè)輔助能投入下降2.88E+15 sej×hm-2, 可更新有機(jī)能投入下降3.08E+16 sej×hm-2。反饋能值未納入總能值投入, 但是2017—2018年蜜柚園生草模式的反饋能值平均為5.94E+14 sej×hm-2, 是蜜柚園清耕模式(1.35E+ 14 sej×hm-2)的4.4倍。生草栽培模式下, 與面源污染密切相關(guān)的表土損失能下降2.56E+14 sej×hm-2(82.2%), 農(nóng)藥投入能值下降3.80E+15 sej×hm-2(7.8%), 生產(chǎn)用水下降4.09E+11 sej×hm-2(1.7%)。

2.1.2 能值投入結(jié)構(gòu)

蜜柚園生草模式總體上降低能值投入。分析2種模式的能值投入結(jié)構(gòu)差異, 有助于理解栽培模式的變化給生產(chǎn)投入帶來的影響。分析表明(表2), 與清耕模式相比, 蜜柚園生草模式在購買資源部分(含工業(yè)輔助能和可更新有機(jī)能)的能值下降4.01E+ 16 sej×hm-2(11.1%), 在可更新資源部分(含可更新環(huán)境資源和可更新有機(jī)能)下降3.08E+16 sej×hm-2(16.5%), 能值投入結(jié)構(gòu)趨于優(yōu)化, 其中以可更新有機(jī)能下降為主, 是影響能值投入結(jié)構(gòu)變化的重要因素。

2.1.3 勞動(dòng)力能值投入

當(dāng)前, 勞動(dòng)力投入已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)重要且關(guān)鍵的部分。在本系統(tǒng)中, 勞動(dòng)力和有機(jī)肥是可更新有機(jī)能的主要組成部分。分析表明, 蜜柚園管理中勞動(dòng)力能值投入占能值總投入70.45%~72.90%(表1)。果園生草仍在試驗(yàn)和小面積推廣階段, 生草增加了蜜柚園管理難度和勞動(dòng)力成本, 在一定程度上影響該模式推廣[25]。研究結(jié)果顯示(圖2), 蜜柚園生草的勞動(dòng)力投入較蜜柚園清耕降低3.30E+16 sej×hm-2(表1)。勞動(dòng)環(huán)節(jié)中, 采摘作業(yè)所用的勞動(dòng)力占蜜柚園生產(chǎn)過程最高, 達(dá)20.34%~28.46%(圖2)。生草模式在草被管理、采摘、套袋環(huán)節(jié)分別增加勞動(dòng)力投入1.31E+16 sej×hm-2、1.24E+16 sej×hm-2和1.16E+15 sej×hm-2(圖2)。采用生草栽培的經(jīng)營者更加注重基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)布局, 在肥料搬運(yùn)、翻埋、水肥施用、農(nóng)藥施用等環(huán)節(jié), 累計(jì)降低勞動(dòng)力投入5.98E+16 sej×hm-2, 可彌補(bǔ)草被管理增加的勞動(dòng)力投入。蜜柚園生草栽培提高了采摘、套袋環(huán)節(jié)的勞動(dòng)力投入, 提高商品果率, 綜合產(chǎn)值更高。

2.2 能值產(chǎn)出分析

蜜柚園主要產(chǎn)出為蜜柚商品果和廢棄果(包括裂果、幼果等)。2017年, 蜜柚園生草模式、清耕模式蜜柚商品果分別為37.80 t×hm-2、29.00 t×hm-2, 廢棄果分別為0.23 t×hm-2、4.00 t×hm-2, 商品果產(chǎn)地銷售均價(jià)分別為4.4元×kg-1、4.2元×kg-1, 產(chǎn)值分別為16.63萬元×hm-2、12.18萬元×hm-2。2018年蜜柚園生草模式、清耕模式商品果分別為48.38 t×hm-2、31.30 t×hm-2, 廢棄果為0.23 t×hm-2、4.50 t×hm-2, 產(chǎn)地銷售均價(jià)均為3.2元×kg-1, 產(chǎn)值分別為15.48萬元×hm-2和10.02萬元×hm-2。根據(jù)能值轉(zhuǎn)換率換算, 2017—2018年蜜柚園生草模式的能值產(chǎn)出3.35E+17 sej×hm-2, 其中商品果能值產(chǎn)出為3.33E+17 sej×hm-2。蜜柚園清耕模式能值產(chǎn)出為3.69E+17 sej×hm-2, 其中商品果能值產(chǎn)出為3.23E+17 sej×hm-2。生草栽培的商品果能值產(chǎn)出比清耕模式提高1.00E+16 sej×hm-2(30.96%)?；谀苤档膭趧?dòng)生產(chǎn)效率分析表明: 蜜柚園生草、清耕的勞動(dòng)生產(chǎn)效率分別為1.41、1.20, 前者比后者增加17.50%(表3)。

表1 兩種栽培模式蜜柚園系統(tǒng)的能值投入(2017—2018年)

年太陽輻射取該區(qū)域中間值為4 723 MJ, 年降雨量為1 700 mm。表層土損耗能＝園地面積×土壤侵蝕率×有機(jī)質(zhì)含量×有機(jī)質(zhì)能量, 有機(jī)質(zhì)能量為2.26E+4 J×g-1, 蜜柚園生草和蜜柚園清耕兩種模式的2017—2018年土壤侵蝕率平均為分別為1 944.5 kg×hm-2×a-1和10 936.5 kg×hm-2×a-1, 兩種模式土壤有機(jī)質(zhì)平均含量為26.6 g×kg-1。用水能量=用水量×5.0 J×g-1, 兩種模式2017—2018年生產(chǎn)用水平均分別為333.8 t×hm-2、339.7 t×hm-2。電能=年用電量×(3.60E+6) J×kWh-1, 兩種模式2017—2018年用電量平均為276 kW×hm-2、300 kW×hm-2。有機(jī)肥能量=有機(jī)肥用量×0.45×(2.26E+4) J×g-1, 兩種模式年有機(jī)肥用量分別為13.8 t×a-1和12.0 t×a-1。2017—2018年蜜柚園生草的年干物質(zhì)草產(chǎn)量為2 750 kg×hm-2, 蜜柚園清耕的年干物質(zhì)草產(chǎn)量為625 kg×hm-2, 養(yǎng)分含量按N 2.74%, P2O50.70%, K2O 1.91%(紫云英標(biāo)準(zhǔn))折算?？偼度肽苤担?+++1)。Annual solar irradiance is 4 723 MJ, annual rainfall is 1 700 mm. Loss energy of topsoil = cultivated area × soil erosion rate × organic matter content × organic matter energy. In 2017-2018, the average erosion rates of patterns of growing grass and clean tillage were 1 944.5kg×km-2×a-1and 10 936.5 kg×km-2×a-1, respectively. The average organic matter content of the two patterns is 26.6g×kg-1, and organic matter energy is 2.26E+4 J×g-1. The water consumption power = water consumption amount × 5.0 J×g-1. The annual water consumption amounts of the two patterns are 333.8 t×hm-2and 339.7 t×hm-2, respectively. The electricity power = annual electricity amount ×(3.60E+6) J×kWh-1. Annual electricity amounts of the two patterns are 276 kWh×hm-2and 300 kWh×hm-2, respectively. Organic fertilizer power = organic fertilizer amounts × 0.45 × (2.26E+4) J×g-1, the organic fertilizer amounts of the two patterns are 13.8 t×a-1and 12.0 t×a-1, respectively. Annual herbage dry matter yields of growing grass and clean tillage are 2 750 kg×hm-2and 625 kg×hm-2, respectively. Herbage nutrition content valued according to N of 2.74%, P2O5of 0.70% and K2O of 1.91% (based onL.) The total energy input = (+++1).

表2 兩種栽培模式蜜柚園系統(tǒng)的能值投入結(jié)構(gòu)(2017—2018年)

圖2 兩種栽培模式蜜柚園系統(tǒng)的勞動(dòng)力能值投入

2.3 能值指標(biāo)分析

能值自給率指本地環(huán)境資源能值投入與系統(tǒng)能值總投入之比。分析表明(表4), 2017—2018年蜜柚園清耕模式和生草模式能值自給率均為0.003。低能值自給率表明蜜柚生產(chǎn)需要大量的養(yǎng)分, 園地自身的土壤養(yǎng)分并不能滿足目標(biāo)產(chǎn)量, 需要外界輸入大量的有機(jī)肥滿足生產(chǎn), 與此同時(shí)勞動(dòng)力、農(nóng)藥的投入比例也較高。2017—2018年蜜柚園生草模式、清耕模式的能值投資率分別為339.291和295.763, 生草模式與清耕模式相比, 能值投資率高14.7%, 這也表明蜜柚園生草模式具更強(qiáng)經(jīng)濟(jì)活力。兩種蜜柚園栽培模式凈能值產(chǎn)出率均為1.003。環(huán)境負(fù)載率體現(xiàn)農(nóng)業(yè)模式對環(huán)境的依賴性, 果園生草和果園清耕的環(huán)境負(fù)載率分別為0.348、0.321。生草有效阻控果園的水土流失和農(nóng)業(yè)面源污染, 同時(shí)增加有機(jī)肥投入, 通過綠肥翻壓, 增加系統(tǒng)反饋, 有利于降低環(huán)境負(fù)載, 但是通過管理大幅降低勞動(dòng)力投入(3.30E+16 sej×hm-2), 勞動(dòng)力投入降幅高于工業(yè)輔助能和不可更新環(huán)境資源投入下降值(3.13E+15 sej×hm-2), 導(dǎo)致生草模式環(huán)境負(fù)載率提升0.027。2017—2018年蜜柚園生草和清耕模式的有效能產(chǎn)出率分別為4.57E-7 J×sej-1、2.90E-7 J×sej-1, 前者比后者增加57.6%。

表3 兩種栽培模式蜜柚園系統(tǒng)的勞動(dòng)生產(chǎn)效率

商品果能量=能量折算系數(shù)′產(chǎn)量, 柚子能量折算系數(shù)取3.55E+6 J?kg-1[26]。勞動(dòng)生產(chǎn)效率=商品果能值/勞動(dòng)力投入能值。Commercial fruit energy = energy rate′fruit yield; the energy rate of pomelo is 3.55E+6 J?kg-1[26]. Labor efficiency = commercial fruit emergy / labor input emergy.

表4 兩種栽培模式蜜柚園系統(tǒng)的能值指標(biāo)

1)不同字母的意義見表1。1) Meanings of different letters are shown in the Table 1.

3 討論

3.1 生草栽培對蜜柚園管理體系中勞動(dòng)力因子的影響

隨著城鎮(zhèn)化快速推進(jìn), 農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力逐漸向城鎮(zhèn)和其他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移, 勞動(dòng)力在中國已是稀缺資源, 在農(nóng)業(yè)經(jīng)營管理中勞動(dòng)力因子已逐漸成為生產(chǎn)關(guān)系的核心。研究表明, 1986—2006年間, 我國農(nóng)民工工資水平增長了10.2倍[27]; 稻田生態(tài)系統(tǒng)中, 長期以來勞動(dòng)力能值投入超過總能值投入50%[28]。本研究顯示蜜柚生產(chǎn)的勞動(dòng)力能值投入占總能值投入的70.45%~72.90%, 這與蜜柚需要精耕細(xì)作的要求有關(guān)。近年水保型蜜柚高效生產(chǎn)模式的構(gòu)建已經(jīng)從注重單一控制水土流失發(fā)展到防控面源污染與提高柚果商品型并重的綜合研究, 其中生草栽培對勞動(dòng)力投入的影響是果農(nóng)關(guān)心、關(guān)注的重點(diǎn)。分析表明生草栽培對勞動(dòng)力投入產(chǎn)生3個(gè)方面的連鎖反應(yīng): 1)蜜柚園生草模式中, 人工草被管理替代除草劑增加了勞動(dòng)力投入, 增量為1.31E+16 sej×hm-2; 2)通過基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的科學(xué)布局, 實(shí)現(xiàn)有機(jī)肥料搬運(yùn)、翻埋、水肥施用、農(nóng)藥施用4個(gè)環(huán)節(jié)的節(jié)能節(jié)支累計(jì)節(jié)約2.60E+16 sej×hm-2; 3)生草栽培商品果產(chǎn)量提高42.92%, 套袋、采果勞動(dòng)力投入分別增加1.15E+15 sej×hm-2、1.25E+16 sej×hm-2。鑒于第3個(gè)方面的勞動(dòng)力投入會(huì)帶來產(chǎn)值增加, 農(nóng)戶普遍樂于接受。就前兩個(gè)方面比較而言, 生草措施對勞動(dòng)力的節(jié)支大于增量, 這為生草模式的推廣應(yīng)用奠定重要基礎(chǔ)。

3.2 生草栽培對蜜柚園系統(tǒng)環(huán)境負(fù)荷的影響

蜜柚生產(chǎn)過程對生態(tài)環(huán)境造成的壓力則是政府關(guān)心、關(guān)注的重點(diǎn), 其中大量用肥用藥造成的面源污染問題比較突出。在我國南方山區(qū), 徑流與泥沙是氮素、磷素、可溶性農(nóng)藥由土壤界面向水體界面輸移的主要載體, 降雨是主要驅(qū)動(dòng)因子。梯臺(tái)建設(shè)和生草栽培是果園阻控徑流與泥沙運(yùn)移的兩個(gè)重要手段。在年降雨量1 000 mm左右的西南山區(qū), 如四川、云南, 以植物籬為代表的生草措施為主[29]; 在年降雨量達(dá)2 000 mm以上的華南山區(qū), 如福建、廣東, 以梯臺(tái)為代表的工程措施為主。但是, 該區(qū)在豐水期梯臺(tái)果園的溢流現(xiàn)象仍然十分明顯[5,8], 平時(shí)蓄積的污染物在溢流時(shí)段集中排放, 引發(fā)河流水質(zhì)指標(biāo)發(fā)生“短時(shí)爆表”的問題, 正越來越受到學(xué)者們的關(guān)注。相關(guān)研究表明蜜柚園清耕帶來2 921.85 m3×hm-2的廢水(總氮濃度達(dá)4.77 mg×L-1, 總磷濃度達(dá)1.27 mg×L-1), 生草栽培也帶來1 531.65 m3×hm-2的廢水(總氮濃度達(dá)2.72 mg×L-1, 總磷濃度達(dá)0.42 mg×L-1), 生草措施通過增加地表覆蓋是有效解決這一問題的重要方法[5]。本研究分析表明: 生草措施減少表土損耗能下降2.56E+14 sej×hm-2, 降幅達(dá)82.22%, 在一定程度上佐證了生草阻控徑流的功能, 同時(shí)農(nóng)藥投入能值下降3.80E+15 sej×hm-2, 降幅達(dá)7.85%, 又發(fā)揮農(nóng)藥源頭減量的作用, 給該區(qū)域構(gòu)建群眾主動(dòng)式參與水土流失治理和農(nóng)業(yè)面源污染防控提供理論支撐。本研究結(jié)果還可為7.525萬hm2南方果園間隙地[1]的復(fù)合模式構(gòu)建提供參考。

3.3 平和縣蜜柚園生產(chǎn)系統(tǒng)的內(nèi)在特征與優(yōu)化方向

蜜柚是平和縣主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。分析表明: 蜜柚生產(chǎn)是高投入、高產(chǎn)出的生產(chǎn)系統(tǒng), 凈能值產(chǎn)出率達(dá)1.003, 高于江西省水稻(0.41~0.43)[30]和茶葉(0.49~ 1.29)[31]等常規(guī)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng), 低于棉花(spp.)(2.88)[30]、油菜(L.) (5.16)[30]等經(jīng)濟(jì)作物系統(tǒng), 說明平和蜜柚具有明顯的比較優(yōu)勢。蜜柚生產(chǎn)的環(huán)境負(fù)載率為0.321~0.348, 高于棉花(0.17)[30]、油菜(0.28)[30]和茶葉(0.05)[31], 低于水稻(L.)(0.56~0.74)[30]。分析顯示生產(chǎn)過程的能值自給率僅為0.003, 需要依靠大量的外源養(yǎng)分(有機(jī)肥、水肥)輸入和勞動(dòng)力投入。蜜柚生產(chǎn)環(huán)節(jié)包括有機(jī)肥施用、追施化肥、噴施農(nóng)藥、套袋、采摘、環(huán)割、修剪等, 每個(gè)環(huán)節(jié)均形成相對專業(yè)化的服務(wù)隊(duì), 實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn), 勞動(dòng)生產(chǎn)效率達(dá)1.20~1.41, 部分解決了勞動(dòng)力就業(yè)問題。

當(dāng)前, 平和蜜柚產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中面臨著氮磷排放和比較優(yōu)勢逐漸消失的問題。隨著蜜柚種植規(guī)模擴(kuò)大, 尤其是廣西、廣東、海南大力發(fā)展蜜柚(采摘期提前, 競爭強(qiáng)), 平和蜜柚生產(chǎn)的比較效益逐漸減弱。因此, 積極推動(dòng)綠色生產(chǎn), 提升蜜柚品質(zhì), 提高柚果商品性是平和縣蜜柚產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。這也為蜜柚園生草模式推廣提供契機(jī)。實(shí)踐表明, 善于科學(xué)管理與統(tǒng)籌安排, 蜜柚園生草栽培模式可以實(shí)現(xiàn)勞動(dòng)力成本下降, 勞動(dòng)生產(chǎn)效率提高。有機(jī)肥合理施用也是關(guān)系產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的重要問題。蜜柚園能值自給率低, 生草模式通過增施有機(jī)肥是維持高效生產(chǎn)的關(guān)鍵措施, 但是過量施用帶來了土壤磷素富集和流域面源污染風(fēng)險(xiǎn)。下一階段, 將借鑒生態(tài)經(jīng)濟(jì)評價(jià)方法[32-34]開展水生態(tài)效率、資源利用效率的深入研究, 進(jìn)一步提出系統(tǒng)性優(yōu)化建議。

4 結(jié)論

2017—2018年平和縣蜜柚園生草模式與清耕模式的能值投入產(chǎn)出分析表明, 2種模式的凈能值產(chǎn)出率均為1.003, 與蜜柚園清耕模式相比, 蜜柚園生草模式能值投資率高43.528, 環(huán)境負(fù)載率提高0.027, 有效能產(chǎn)出率提高1.67E-7 J×sej-1, 基于能值的勞動(dòng)生產(chǎn)效率提高17.5%?？傮w上, 根據(jù)不同指標(biāo)結(jié)果判斷, 蜜柚園生草模式綜合效果好。蜜柚園生草模式是平和縣生態(tài)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)綠色發(fā)展的重要路徑, 對于扭轉(zhuǎn)蜜柚產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)矛盾日趨顯現(xiàn), 產(chǎn)業(yè)發(fā)展下行壓力不斷增強(qiáng)的被動(dòng)局面具有積極意義。以平和蜜柚為例, 解析生草果園內(nèi)部不同屬性的資源投入和不同環(huán)節(jié)的勞動(dòng)力投入特點(diǎn), 有利于深入認(rèn)識(shí)草在南方農(nóng)區(qū)系統(tǒng)中的功能與作用。

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Evaluation of ecological and economic benefits of pomelo orchards with different grass growing systems based on emergy analysis*

LUO Xuhui1, LU Xinkun2, LIU Cenwei1, ZHANG Lijun1, CHEN En1, Gordon W. Price3, WENG Boqi4

(1. Institute of Agricultural Ecology, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350013, China; 2. Institute of Fruit Research, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350003, China; 3. Department of Engineering, Faculty of Agriculture, Dalhousie University, B2N 5E3, Canada; 4.Fujian Engineering and Technology Research Center for Hilly Prataculture, Fuzhou 350013, China)

Honey pomelo [(L.) Osbeck. cv. Hongroumiyou] is the dominant crop in Pinghe County, Fujian Province; however, this historically fruit is facing production challenges. The practice of grass cultivation, rather than grass clearing, in the pomelo orchards is an important method to promote sustainable development in the honey pomelo industry. In order to clearly evaluate the effects of grass management pattern on the ecosystem, the economic and ecological benefits, two cultivation techniques, grass cultivation and grass clearing, were compared in orchards growing honey pomelo located in Qianlin Village, Wuzai Town, Pinghe County in 2017–2018. An emergy methodology was used to compare the two systems by calculating indices of emergy self-sufficiency ratio (ESR), emergy investment value (EIV), emergy yield ratio (EYR), environmental load ratio (ELR), efficient emergy yield ratio (EEYR), and emergy feedback rate (EFR). Results of the emergy indicators for orchards with grass cultivation or with grass clearing were: ESR, 0.003 for both; EIV, 339.291 and 295.763; EYR, 1.003 for both; ELR, 0.348 and 0.321; EEYR, 4.57 and 2.90-7E J·sej-1; and EFR, 0.002 and 0.000; respectively. Compared to grass clearing, grass cultivation had a lower total energy input of 9.21%, a smaller non-renewable natural resources input of 76.71%, and a higher EIV resulting from the rapid decrease of natural energy input and the relatively low cost of purchased emergy input. The grass cultivation pattern showed better economic vigor with an increase of the commercial emergy of 1.00+E sej·hm-2(versus 4.60+10E J·hm-2for grass clearing). The ratio of labor emergy input to the total was 70.45%–72.90%. The main contributors to labor input were fruit picking, daily management, and water-soluble fertilizer spraying. Although labor for weeding increased under grass cultivation, with a value of 1.31+16E sej?hm-2, total labor energy input decreased by 3.30+16E sej?hm-2and labor efficiency rose by 17.50% through improvements in daily management and labor savings on pesticide spraying, fertilizing, and organic fertilizer transport. The environmental loading ratio in the cultivated grass system rose, with a value of 0.027 because of purchasing resource savings on organic fertilizers and labor. This study demonstrated that honey pomelo production incorporating a cultivated grass regime had the potential to improve commercial fruit production, increase farmer incomes, and provide a more sustainable production system, and such a management pattern would benefit supply-side reform.

Agriculturalecosystem;(L.) Osbeck; Grass cultivation; Emergy analysis; Ecological and economic benefits

S7

2096-6237(2019)12-1916-09

10.13930/j.cnki.cjea.190458

* 福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(STIT2017-3-8)、亞熱帶特色果樹種質(zhì)資源共享服務(wù)平臺(tái)(NICGR-2019-069)、公益類科研院所專項(xiàng)(2016R1016-3)和福建省紅壤山地農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助

羅旭輝, 主要從事水土保持與農(nóng)業(yè)面源污染防控技術(shù)研究。E-mail: xuhui22203@163.com

2019-06-21

2019-08-10

* This study was supported by the Scientific and Technological Innovation Team Project of Fujian Academy of Agricultural Sciences (STIT2017-3-8), the Special Subtropical Fruit Genetic Resource Sharing Service Platform of China (NICGR-2019-069), the Nonprofit Research Institutions Project of China (2016R1016-3) and the Open Fund of Key Laboratory of Agricultural Ecological Process in Fujian Province Red Soils.

, LUO Xuhui, E-mail: xuhui22203@163.com

Jun. 21, 2019;

Aug. 10, 2019

LUO X H, LU X K, LIU C W, ZHANG L J, CHEN E, PRICE G W, WENG B Q. Evaluation of ecological and economic benefits of pomelo orchards with different grass growing systems based on emergy analysis[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(12): 1916-1924

羅旭輝, 盧新坤, 劉岑薇, 張麗君, 陳恩, Gordon W. Price, 翁伯琦. 基于能值分析的蜜柚園生草模式生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(12): 1916-1924