華北平原種糧大戶小麥-玉米輪作系統(tǒng)能值分析
——以山東省濱州市為例

錢欣，王小龍，張慧，成浩，3，劉開昌，方志軍，李宗新

（1.山東省農業(yè)科學院玉米研究所／小麥玉米國家工程實驗室，山東 濟南 250100；2.華南農業(yè)大學農學院，廣東廣州 510642；3.青島農業(yè)大學農學院，山東 青島 266109）

農業(yè)生產經營方式是影響農業(yè)生產力水平和系統(tǒng)可持續(xù)性水平的重要因素。為促進農業(yè)經營方式向現(xiàn)代化轉型，國家制定了一系列政策鼓勵土地流轉，形成了不同類型的新型農業(yè)經營主體。隨著土地流轉的不斷加快和深入，種糧大戶在穩(wěn)定糧食種植面積、增強糧食生產能力、延伸糧食產業(yè)鏈等方面發(fā)揮了日益顯著的作用［1］。但是，近年來有研究表明，農業(yè)經營方式和生產規(guī)模的變化，會影響農業(yè)生產系統(tǒng)生態(tài)經濟效率和可持續(xù)性［2-4］。相比于傳統(tǒng)小農戶生產方式，規(guī)?；Z食生產系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境表現(xiàn)可能會發(fā)生變化［5，6］。20世紀 80年代，美國生態(tài)學家 H.T.Odum提出能值理論及其方法，該方法以太陽能值（solar emergy）作為統(tǒng)一度量單位，克服了不同能值之間無法簡單比較和計算的問題，并將自然環(huán)境資源、社會經濟資源、生態(tài)系統(tǒng)服務納入評價范圍，實現(xiàn)了對系統(tǒng)科學而全面的分析。目前，能值分析在農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性評價方面已經得到廣泛應用［7-10］，但大多集中于傳統(tǒng)小農戶生產模式，針對以種糧大戶為代表的各類新型農業(yè)經營主體的相關研究尚較少報道。因此，本研究以華北平原種糧大戶冬小麥-夏玉米糧食生產系統(tǒng)（簡稱麥玉生產系統(tǒng)）為研究對象，針對種糧大戶生產經營特點，對其生產經營模式的生態(tài)經濟可持續(xù)性進行綜合評價，找出影響其生態(tài)表現(xiàn)的關鍵點，以期為我國糧食生產向綠色、高效的適度規(guī)?；r場發(fā)展提供研究基礎。

1 數(shù)據來源與研究方法

1.1 研究對象

本研究選擇山東省平原黃灌區(qū)典型區(qū)域的濱州市為研究對象。該地區(qū)位于山東省北部、魯北平原、黃河三角洲腹地，地處黃河三角洲高效生態(tài)經濟區(qū)，年平均日照時數(shù)2 632 h，平均氣溫12.7℃，年平均降水量565 mm，是我國重要糧食生產區(qū)域之一。近年來，山東省濱州市大力發(fā)展新型農業(yè)經營主體，截至2018年底，濱州市土地流轉總面積達16.1萬公頃，農村承包土地規(guī)?；蔬_57.8%，認定家庭農場市級示范場 109家［11］，形成許多具有代表性的種糧大戶，在一定程度上能夠反映華北平原糧食主產區(qū)種糧大戶的生產經營特點，具有研究的代表性。

1.2 研究方法

能值是指產品或勞務形成過程中直接或間接投入應用的一種有效能總量［12］。根據能值分析方法的基本步驟，本研究首先繪制了種糧大戶糧食生產系統(tǒng)能流圖（圖1），反映該系統(tǒng)的能量投入產出過程。根據投入系統(tǒng)的能量來源，可將其劃分為環(huán)境資源（E）和經濟系統(tǒng)反饋資源（F）。同時，本研究在能值核算過程中引入可更新比例系數(shù)（R，%），將系統(tǒng)投入資源劃分為可更新和不可更新資源兩部分，從而提高系統(tǒng)評價的科學性。此外，本研究主要采用5個能值評價指標（表1）來分析麥玉輪作生產模式的系統(tǒng)產出效率和可持續(xù)發(fā)展能力。關于能值方法的理論基礎、分析步驟及指標的進一步解釋可參見文獻［12-15］。

圖1 山東省種糧大戶麥玉生產系統(tǒng)能量流動圖

表1 能值指標描述及其表達式

1.3 數(shù)據來源

本研究中，所有原始數(shù)據都來自于2019年對山東省濱州市鄒平市、惠民縣、博興縣54個典型種糧大戶的實地調研。以一個完整的生產年度為界限，對冬小麥、夏玉米兩種糧食作物生產過程中的各種投入、產出數(shù)據進行詳細記錄。自然資源數(shù)據來自“中國氣象科學數(shù)據共享服務網”（http：／／cdc.cma.gov.cn／home.do.Accessed on 05／28／2012）。相關的能量折算系數(shù)參考陳阜編著的《農業(yè)生態(tài)學》［16］，原始數(shù)據的計算方法參考文獻［13］。研究中采用的全球能值基準為12.00×1024sej／年［17］。人民幣與美元的換算采用 2019年平均匯率6.8985。

2 結果與分析

2.1 能值投入結構分析

如表2所示，山東省濱州市種糧大戶麥玉生產系統(tǒng)全年能值總投入平均為2.21×1016sej／hm2，其中，惠民縣種糧大戶能值總投入最低，比鄒平市和博興縣分別低13.3%和25.6%?？梢姡捎谧匀毁Y源條件和農藝生產習慣不同，同一種植模式下的能值投入具有明顯差異。從能值來源看，環(huán)境資源占研究對象總能值投入的2.9%～3.8%，經濟系統(tǒng)反饋資源占96.2%～97.1%；而從資源類別看，在系統(tǒng)總能值投入中，不可更新能值投入平均占88.7%，而可更新能值投入僅占11.0%。以上結果說明，山東省種糧大戶麥玉生產系統(tǒng)的運轉主要依靠化肥、機械、人力等農資投入驅動，表現(xiàn)出對經濟系統(tǒng)反饋資源和不可更新資源較強的依賴程度。

表2 山東省種糧大戶麥玉系統(tǒng)能值分析表

2.2 能值投入特征分析

本研究將各項系統(tǒng)能值投入占總能值投入百分比超過3%的投入項目進行匯總，如圖2所示，在山東省種糧大戶麥玉生產系統(tǒng)中，氮肥、復合肥、電力、柴油、機械服務和人力投入是主要的能值投入源。從山東省平均水平來看，機械服務是總能值投入中占比最大的項目（24.5%），人力主要消耗于田間機械操作過程，其能值投入占總能值的23.1%，這說明山東省種糧大戶麥玉生產模式的機械化水平較高。以氮肥和復合肥為主的化肥能值投入則分別占系統(tǒng)總能值投入的14.6%和23.9%。在當前山東省種糧大戶麥玉生產系統(tǒng)中，化肥投入和機械化是系統(tǒng)運轉過程主要的能值投入環(huán)節(jié)，盡管鄒平、惠民和博興三個代表縣（市）各項的能值投入百分比略有差別，但總體特征基本一致，有必要進行針對性的優(yōu)化調控。

圖2 山東省種糧大戶麥玉生產系統(tǒng)能值投入特征分析

2.3 能值指標分析

如表3所示，本研究中，山東省種糧大戶麥玉模式的單位能值轉換率（UEV）為 4.30×104sej／J，比河北省小農戶模式、家庭農場和規(guī)模化農場中的麥玉生產系統(tǒng)低12.8%～50.1%。同時，山東省種糧大戶麥玉模式的不可更新能值利用率（NRE）為3.83×104sej／J，比河北省小農戶模式、家庭農場模式分別低7.0%～14.5%。

凈能值產出率（EYR）、環(huán)境負載率指標（ELR）和可持續(xù)性指標（ESI）是評價生態(tài)經濟系統(tǒng)可持續(xù)性的一組有效指標。本研究中，山東省種糧大戶麥玉生產模式的EYR值為1.03，比河北省小農戶模式、家庭農場、規(guī)模化農場中的EYR值低14.9%～24.8%。與此同時，其ELR值為8.07，明顯高于河北省各類模式的麥玉生產系統(tǒng)，說明該系統(tǒng)所造成的環(huán)境負載較高。綜合來看，研究對象的ESI值0.13，比河北省各模式低18.8% ～51.9%。

表3 能值評價指標

3 討論與結論

3.1 系統(tǒng)調控關鍵點分析

本研究結果表明，山東省種糧大戶麥玉生產系統(tǒng)的運轉主要依靠化肥、機械、人力等農資投入驅動，表現(xiàn)出對經濟系統(tǒng)反饋資源和不可更新資源較強程度的依賴。該研究結果與華北平原的其它相關研究結果一致［5，23-25］，說明資源高消耗是華北平原麥玉輪作模式的基本特征。通過對研究對象能值投入特征的分析發(fā)現(xiàn)，盡管鄒平、惠民和博興三個代表縣（市）種糧大戶麥玉模式中的能值投入百分比略有差別，但總體特征基本一致，化肥投入和機械化是系統(tǒng)運轉過程主要的能值投入環(huán)節(jié)，有必要進行針對性的優(yōu)化調控。Wang等［24］對規(guī)?；r場麥玉生產模式的情景分析指出，優(yōu)化施肥后可使該農場糧食生產系統(tǒng)的能值利用效率和可持續(xù)指數(shù)分別提高14.7%和27.3%。鄧明君等［26］指出，全國玉米和小麥的化肥施用碳減排潛力分別為574萬噸和475萬噸，山東省是減排關鍵區(qū)。秦雪超等［27］研究表明華北平原麥玉輪作模式中，通過化肥減量配施沼液可以在保證作物產量的條件下降低氮素流失?？梢?，提高化肥利用效率、減少化肥投入是山東省麥玉輪作系統(tǒng)提高系統(tǒng)效率、降低環(huán)境壓力的重要措施。另一方面，機械使用效率的提高也是降低山東省麥玉系統(tǒng)能值投入的重要方面。在本研究中，盡管種糧大戶已經有一定的土地經營面積，但農機自有率程度仍然不高，許多農藝工作需要雇傭農場外部機械、人工完成，其機械化水平有進一步提升的空間。需要說明的是，本研究實地調研過程中，機械服務通過貨幣價值體現(xiàn)，事實上該數(shù)值中已經包括了機械手、人力和機械耗油的金額，但由于在現(xiàn)實生產條件下難以將貨幣數(shù)據分割計算，因此可能造成機械服務能值投入核算結果高于實際情況，這也是本研究中機械服務能值投入過高的原因之一。此外，有許多研究指出，華北平原麥玉模式資源高消耗、環(huán)境高負載的主要原因是冬小麥種植［24，28，29］。因此，近年來開始有研究從不同角度探討如何通過種植模式變化來改變華北平原傳統(tǒng)麥玉生產系統(tǒng)高環(huán)境壓力的特征［30，31］，這是值得深入研究的關鍵問題。

3.2 能值綜合評價指標比較分析

為綜合評價山東省種糧大戶麥玉模式的可持續(xù)性，本研究還計算了一系列能值綜合指標。能值轉換率是評價系統(tǒng)對能值利用效率的有效指標，通常情況下，系統(tǒng)有效產出的能值轉換率越高，則系統(tǒng)的能值利用效率越低。本研究中，山東省種糧大戶麥玉模式的能值轉換率比同屬華北平原糧食主產區(qū)的河北省小農戶模式、家庭農場和規(guī)?；r場中的麥玉生產系統(tǒng)低12.8%～50.1%。與此同時，考慮到一個系統(tǒng)生產效率的高低不僅僅反映對總能值投入的利用效率，更需要通過對不可更新資源的利用效率來反映。因此，本研究引入了不可更新資源利用率來反映該問題，該值越高，系統(tǒng)生產過程對不可更新資源的利用效率越高。在本研究中，山東省種糧大戶麥玉模式的NRE值比河北省小農戶模式、家庭農場模式分別低7.0%～14.5%。以上兩個指標共同說明，山東省種糧大戶的系統(tǒng)生產效率較高，可以用較少的能值和不可更新資源生產同樣數(shù)量的糧食產品。

凈能值產出率是評價系統(tǒng)能量產出和本地資源開發(fā)的一個有效指標，其最小值為1，表示系統(tǒng)運轉完全依賴經濟系統(tǒng)反饋能來驅動，沒有利用任何本地資源，也不能對系統(tǒng)外部經濟增長做出有效貢獻。本研究中，種糧大戶麥玉生產模式的EYR值為1.03，僅略高于1，表明該系統(tǒng)主要依靠經濟系統(tǒng)反饋資源進行生產，這也反映出該地區(qū)麥玉生產模式的農業(yè)集約化水平較高。同時，該值比河北省規(guī)?；r場麥玉生產模式低16.3%，主要是因為后者在糧食生產過程中大量施用了農場內部養(yǎng)殖系統(tǒng)產生的沼渣肥，提高了對系統(tǒng)本地資源的利用強度［24］。

環(huán)境負載率指標常被用來衡量系統(tǒng)運轉過程對外部環(huán)境所造成的壓力。通常情況下，ELR值小于2表示該系統(tǒng)對周圍環(huán)境造成了較小的壓力［32］。本研究中，山東省種糧大戶麥玉生產模式的ELR值為8.09，明顯大于2，也明顯高于河北省各類模式的麥玉生產系統(tǒng)，說明該系統(tǒng)所造成的環(huán)境負載較高。這充分說明，農業(yè)生產過程機械化水平的提高，在增加系統(tǒng)生產效率的同時，也可能由于機械、柴油等投入增加，引發(fā)更強的環(huán)境壓力。

可持續(xù)性指標是反映系統(tǒng)可持續(xù)性的綜合指標，該值在1～10之間時，通常說明系統(tǒng)具有較強的活力和發(fā)展?jié)摿Γ珽SI值越高，系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)性越好［33］。本研究中，華北平原麥玉生產系統(tǒng)在各種農場經營模式下的ESI值都小于1，其中山東省種糧大戶麥玉生產模式的ESI值僅為0.13，說明該模式可持續(xù)發(fā)展能力不高，有待進一步提升。

綜合來看，種糧大戶經營模式變化、土地集約化程度提高，促進了農場麥玉生產系統(tǒng)農業(yè)機械化水平的提高，進而提高了系統(tǒng)生態(tài)經濟效率。但是，由于不可更新資源利用程度提高，也增加了系統(tǒng)環(huán)境負載率，進而使其可持續(xù)發(fā)展指數(shù)較低，有進一步優(yōu)化提升的空間。未來，以種糧大戶為代表的華北平原適度規(guī)?；滦娃r業(yè)經營主體，應針對該地區(qū)麥玉生產模式高資源消耗、高環(huán)境負載的固有特征，圍繞化肥投入、機械化應用等關鍵技術環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮新型農業(yè)經營主體優(yōu)勢，優(yōu)化種植模式，應用綠色農藝技術，促進華北平原糧食生產進一步向綠色、高效、可持續(xù)轉型。