基于能值改進(jìn)模型的紅米與烤煙作物系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)價(jià)
——以貴州省盤州市為例

孫凱梁龍李仲佰

（1貴州財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院，550025，貴州貴陽；2盤州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，553537，貴州盤州）

農(nóng)業(yè)作為一個(gè)具有自然和社會(huì)雙重特性的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，其主要功能是提供食物。但隨著世界人口對(duì)食物需求的不斷增長(zhǎng)，能源和農(nóng)用化學(xué)品投入增加，在促進(jìn)作物增產(chǎn)的同時(shí)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)所依賴的自然資源和生態(tài)環(huán)境狀況不容樂觀，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展必須重新審視產(chǎn)量和生態(tài)之間的關(guān)系。因此，在實(shí)際情況中需使農(nóng)業(yè)可持續(xù)性可定量化，并使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展[1]。

能值分析（emergy analysis，EMA）作為生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)之間的橋梁，旨在探索和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可持續(xù)狀況，當(dāng)前被廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[2-3]。焦士興等[4]運(yùn)用能值理論，分析河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能與資源環(huán)境效益，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)過度依賴工業(yè)輔助能值投入，且能值內(nèi)部投入結(jié)構(gòu)存在差異，農(nóng)業(yè)正在遠(yuǎn)離生態(tài)可持續(xù)發(fā)展。宋丹等[5]基于區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展目標(biāo)，利用EMA法對(duì)北京、天津和河北保定農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，天津和河北保定農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的壓力要遠(yuǎn)大于北京，今后應(yīng)著重調(diào)整津保二市的農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，以實(shí)現(xiàn)京津冀農(nóng)業(yè)協(xié)同發(fā)展。馬世昌等[6]運(yùn)用EMA法對(duì)安徽省農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值投入、產(chǎn)出及效率進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)安徽省農(nóng)業(yè)系統(tǒng)屬于消費(fèi)型生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可持續(xù)，未來需進(jìn)一步提高能值產(chǎn)出和降低環(huán)境負(fù)載。

EMA是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)可持續(xù)性的一種成功方法。但也有學(xué)者[7-9]認(rèn)為，EMA方法忽略了污染排放對(duì)環(huán)境的不利影響。因此，通過改進(jìn)EMA方法并與其他生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)和工具組合使用，有可能彌補(bǔ)EMA方法的局限[10-11]。王一超等[9]基于能值與生命周期評(píng)價(jià)耦合模型，評(píng)估了北京市郊區(qū)3種（玉米、蔬菜和桃）典型農(nóng)作系統(tǒng)的生態(tài)效率。Su等[12]將農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染納入能值核算，對(duì)中國(guó)3種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型（水稻單作、稻田種養(yǎng)和非糧生產(chǎn)系統(tǒng)）進(jìn)行了環(huán)境可持續(xù)性評(píng)價(jià)。Fan等[13]建議將能值和能量分析結(jié)合運(yùn)用，作為一種可靠的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)衡量指標(biāo)，以便獲得系統(tǒng)更多的能源利用效率和可持續(xù)生產(chǎn)信息。方一平等[14]將環(huán)境污染物（廢水、固廢和CO2）視為非期望產(chǎn)出納入EMA模型，構(gòu)建了區(qū)域綠水青山向金山銀山轉(zhuǎn)化的價(jià)值度量體系，以檢測(cè)西南地區(qū)“兩山”價(jià)值轉(zhuǎn)化效率和水平。盡管基于能值改進(jìn)方法和多指標(biāo)結(jié)合運(yùn)用的分析文獻(xiàn)不少，但鮮有研究關(guān)注農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的碳源與碳匯。因此，關(guān)注并結(jié)合“雙重碳”指標(biāo)，對(duì)改進(jìn)EMA法和進(jìn)一步探究農(nóng)作系統(tǒng)可持續(xù)性具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

本文以貴州省盤州市新民鎮(zhèn)為例，在EMA方法框架下，將農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)碳源和碳匯納入相關(guān)能值核算指標(biāo)，并用于評(píng)價(jià)紅米和烤煙2種典型農(nóng)作系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展水平。同時(shí)，沿用Wang等[15-16]和王一超等[9]的做法對(duì)不同作物系統(tǒng)進(jìn)行基于彈性系數(shù)的靈敏性分析，確定影響系統(tǒng)可持續(xù)性表現(xiàn)的環(huán)境產(chǎn)出能值流。最后，根據(jù)評(píng)估結(jié)果按照低碳綠色和可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展原則，提出能兼顧作物生產(chǎn)效率與生態(tài)效益的生產(chǎn)優(yōu)化建議。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與材料

新民鎮(zhèn)地處貴州省盤州市東南部（104°48′3～104°58′E，25°17′～25°37′N），下轄 16 個(gè)行政村，1個(gè)社區(qū)，總面積134.5km2，其中耕地面積5770.0hm2，平均海拔1100～1700m，是貴州高原向云南高原的過渡地帶，喀斯特山地特征明顯。太陽輻射量4500～4737MJ/m2，年均氣溫15℃，年均降雨量1135.7mm，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，利于作物生長(zhǎng)和季節(jié)性種植。

新民鎮(zhèn)作為該地區(qū)典型農(nóng)業(yè)大鎮(zhèn)，目前主要種植玉米、水稻和小麥等糧食作物，烤煙、生姜、油菜、軟籽石榴和中藥材等經(jīng)濟(jì)作物。過去一直以低效玉米（青貯玉米及籽粒玉米）種植為主，但近年來在玉米價(jià)格下行的環(huán)境下，地方政府通過不斷調(diào)整和優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，逐步發(fā)展出以高原水稻（紅米）為主導(dǎo)，以烤煙、中藥材和精品水果等為特色的多樣化種植模式。為此，本研究根據(jù)新民鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃布局，選取舊屯村和上乍勒村紅米種植模式代表糧食生產(chǎn)系統(tǒng)，白魚村和五嘎村烤煙種植模式代表大田經(jīng)濟(jì)作物系統(tǒng)（表1），分別分析可持續(xù)性，并探究提升空間。

表1 新民鎮(zhèn)2種典型作物種植面積及分布情況Table 1 The planting area and distribution of two typical crops in Xinmin town

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象資料來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）、貴州省氣象局（http://gz.cma.gov.cn/）和2018-2020年《貴州統(tǒng)計(jì)年鑒》。作物種植面積和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量來自《新民鎮(zhèn)“十四五”農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃報(bào)告》。土壤侵蝕速率和土壤有機(jī)質(zhì)含量主要參考相關(guān)文獻(xiàn)[17-18]。物質(zhì)投入—產(chǎn)出數(shù)據(jù)來自2021年9月通過對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體（公司、合作社和小農(nóng)戶）進(jìn)行的面對(duì)面訪談和結(jié)構(gòu)式問卷調(diào)查的結(jié)果。所獲得的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括勞動(dòng)力、種子、肥料、農(nóng)藥、農(nóng)用柴油和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量等，并取平均值。

1.3 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)邊界

以新民鎮(zhèn)紅米和烤煙2種典型農(nóng)作物為研究對(duì)象，以1hm2單位農(nóng)田面積的各資源投入和系統(tǒng)產(chǎn)出平均水平為基本計(jì)算內(nèi)容，充分考慮從“搖籃到農(nóng)田大門”農(nóng)資生產(chǎn)、農(nóng)作栽培以及農(nóng)產(chǎn)品收獲結(jié)束過程中的能量流動(dòng)、溫室氣體排放以及二氧化碳（CO2）固存等細(xì)節(jié)。其中，根據(jù)投入資源的來源判斷，支持系統(tǒng)生產(chǎn)的資源投入可分為自然環(huán)境投入和人為輔助投入。自然環(huán)境投入包括可更新的太陽光能、雨水化學(xué)能、風(fēng)能（為避免重復(fù)計(jì)算本文僅考慮數(shù)值最大的雨水化學(xué)能）（R）和不可更新的表土損失能（N）；人為輔助投入包括不可更新的化肥、柴油、農(nóng)藥、地膜、電力（F）和可更新的有機(jī)肥、勞動(dòng)力及種子（r）。

1.4 研究方法

1.4.1 EMA方法 EMA方法是一種以太陽能為通用單位，以太陽能焦耳（solar emjoules，縮寫sej）為度量標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)定量評(píng)價(jià)方法，它通過考慮免費(fèi)的自然資源投入來評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可持續(xù)性[19-21]。就其分析對(duì)象而言，有大到國(guó)家或地區(qū)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，也有小到具體產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)[22]。然而，不同文獻(xiàn)使用的不同能值基準(zhǔn)可能導(dǎo)致能值轉(zhuǎn)換效率的差異[2]。因此，本研究計(jì)算使用的能值基準(zhǔn)為2016年國(guó)際能值學(xué)會(huì)確定的最新能值基準(zhǔn)（1.20×1025sej/a），若涉及所需的能值轉(zhuǎn)化率，則通過參考文獻(xiàn)的能值基準(zhǔn)與最新能值基準(zhǔn)（1.20×1025sej/a）的比值來換算。EMA方法一般用以下能量方程式進(jìn)行計(jì)算：

式中，Emergyi表示太陽能值；ei是系統(tǒng)內(nèi)第i種物質(zhì)或勞動(dòng)能量輸入流；UEVi為第i個(gè)投入資源的單位能值轉(zhuǎn)化率，其中自然環(huán)境資源投入的太陽能值轉(zhuǎn)化率采用Odum[20]研究得出的相關(guān)參數(shù)，人為輔助資源投入和系統(tǒng)產(chǎn)出的能量折算、能值轉(zhuǎn)化率則選擇具體所投入資源的特定參數(shù)[6,20,22-24]。

1.4.2 凈碳足跡法（net carbon footprint method）凈碳足跡法是衡量大氣增暖趨勢(shì)和減排潛力的重要方法，它綜合考慮了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的溫室氣體排放與農(nóng)田CO2固定[25]。具體計(jì)算公式如下：

溫室氣體排放計(jì)算：

式中，EE表示農(nóng)業(yè)系統(tǒng)總溫室氣體排放量；GHGEinput表示農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素投入引起的溫室氣體排放量；Gi為各要素投入的數(shù)量；βi為相關(guān)溫室氣體排放系數(shù)（表2）；GHGEfield表示施用氮肥引起的農(nóng)田溫室氣體排放量；N2Odirect為施氮直接釋放的N2O[26]；N2Oindirect為施氮間接產(chǎn)生的NH3揮發(fā)和NO3-淋失[3]；CH4paddy為稻田的CH4排放量（旱地產(chǎn)生的CH4量微小，可忽略不計(jì)）；1.57和1.33分別是N2對(duì)N2O和C對(duì)CH4的分子轉(zhuǎn)化系數(shù)；265和28分別是100年尺度上N2O和CH4等量于CO2的全球潛在增溫趨勢(shì)[27]，t是水稻栽培占全年的時(shí)間；α為中國(guó)稻田CH4年基準(zhǔn)排放系數(shù)[28]；M為有機(jī)肥投入量；0.14是有機(jī)肥施用的相應(yīng)CH4排放參數(shù)[29]。

表2 各投入要素的溫室氣體排放系數(shù)Table 2 Greenhouse gas emission coefficients for each inputs

農(nóng)田作物CO2固定量計(jì)算公式：

式中，ES為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)植物固定的CO2量，即植物體每積累1g干物質(zhì)，分別需向大氣吸收1.63g的CO2，釋放1.19g的O2[30]；Y為產(chǎn)品產(chǎn)量；θ和H分別為生物體含水率和作物經(jīng)濟(jì)系數(shù)[31]。

1.4.3 基于環(huán)境產(chǎn)出的能值改進(jìn)指標(biāo)（E-EMA indexes） 參照Watanabe等[24]和Wang等[37]的方法，以EMA為基礎(chǔ)，構(gòu)建包含碳效益的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型。具體測(cè)算指標(biāo)如下：

傳統(tǒng)意義上，能值產(chǎn)出率（emergy yield ratio，EYR）是指系統(tǒng)產(chǎn)出能值與人為輔助投入能值的比值，EYR值越高，代表系統(tǒng)的生產(chǎn)效率越好。但是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)出能值不僅只是農(nóng)產(chǎn)品，還包括生態(tài)保育服務(wù)（CO2的固定）。因此，理應(yīng)將農(nóng)業(yè)碳匯視為生態(tài)效益產(chǎn)出納入EYR指標(biāo)進(jìn)行測(cè)算。公式如下：

環(huán)境負(fù)載率（environmental load ratio，ELR）是指系統(tǒng)不可更新資源與可更新資源能值投入的比值，用來衡量一定生產(chǎn)條件下某一區(qū)域或系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境所承受的壓力大小。ELR值越高，代表生態(tài)環(huán)境承受的壓力越大，一般而言，當(dāng)ELR＜3時(shí)，表明壓力?。划?dāng)3≤ELR≤10時(shí)，表明壓力處于中等水平；當(dāng)ELR＞10時(shí)，表明壓力很大。與傳統(tǒng)的ELR不同，研究在ELR指數(shù)中將農(nóng)業(yè)系統(tǒng)碳排放加以考慮，并理解為生態(tài)環(huán)境壓力的增加。具體表達(dá)方式如下：

生態(tài)能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)（ecological emergy sustainability index，EESI）與傳統(tǒng)能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)（ESI）相似，EESI是指生態(tài)能值產(chǎn)出率與環(huán)境負(fù)載率的比值，若生態(tài)能值產(chǎn)出率較高而環(huán)境負(fù)載率較低，則表征該系統(tǒng)是可持續(xù)的，反之則是不可持續(xù)的。當(dāng)EESI＜1時(shí)，表明系統(tǒng)的可持續(xù)能力弱，環(huán)境負(fù)載率高；當(dāng)1≤EESI≤10，表明系統(tǒng)可持續(xù)；當(dāng)EESI＞10時(shí)，表明系統(tǒng)資源利用效率較低，整體處于落后階段，可進(jìn)一步開發(fā)[37]。公式如下：

1.4.4 系統(tǒng)靈敏性分析 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的靈敏性分析是指通過模擬改變模型內(nèi)某些能值分量來檢查各項(xiàng)能值評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果的變化，以此探究影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)性的主要因子[38]。本研究假定系統(tǒng)各資源投入和產(chǎn)品產(chǎn)出不變，設(shè)計(jì)系統(tǒng)碳排放與碳固定同時(shí)減半（減少50%）或加倍（增加200%）的情景，采用基于彈性系數(shù)的靈敏性分析方法[15-16]，計(jì)算各能值指標(biāo)的變化幅度及波動(dòng)情況。具體分析公式如下：

式中，E0和E1分別是環(huán)境產(chǎn)出能值流變化前和變化后的相應(yīng)指標(biāo)結(jié)果；ΔC是環(huán)境產(chǎn)出增（減）的變動(dòng)量；SC是靈敏系數(shù)，SC＞1說明能值評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化大于能流參數(shù)的變化，SC=1表明評(píng)價(jià)指標(biāo)與參數(shù)同比例變化，SC＜1表明評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化小于參數(shù)的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 2種典型農(nóng)作系統(tǒng)的能值投入和產(chǎn)出結(jié)果分析

如表3所示，紅米和烤煙系統(tǒng)的總能值投入分別是1.26E+17sej/hm2和1.24E+17sej/hm2，農(nóng)產(chǎn)品能值產(chǎn)出分別是2.61E+16sej/hm2和6.55E+15sej/hm2，紅米系統(tǒng)的產(chǎn)品產(chǎn)出效率較好。環(huán)境能值產(chǎn)出表現(xiàn)為紅米系統(tǒng)碳排放（5.97E+16sej/hm2）遠(yuǎn)大于其吸收的碳固定（1.30E+15sej/hm2），是凈溫室氣體排放系統(tǒng)；烤煙系統(tǒng)碳排放（1.95E+14sej/hm2）小于碳固定（3.42E+14sej/hm2），是生態(tài)盈余系統(tǒng)，溫室氣體平衡潛力較大。

表3 2種典型農(nóng)作系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)及能值結(jié)果Table 3 Raw data and emergy calculation results of the two typical crop systems

2.2 2種典型農(nóng)作系統(tǒng)的能值投入結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 自然環(huán)境資源能值投入 如圖1所示，紅米和烤煙作物系統(tǒng)更依賴于自然可更新資源的投入，分別占系統(tǒng)總能值投入的89.15%和90.08%，表明當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境資源在一定程度上能夠支撐系統(tǒng)自身發(fā)展。

2.2.2 人為輔助能值投入 由圖1可知，相比自然環(huán)境資源投入，人為輔助能值是人類通過對(duì)系統(tǒng)開展間接調(diào)控和生產(chǎn)實(shí)踐時(shí)的各類能量投入。紅米和烤煙作為當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期保持下來的傳統(tǒng)農(nóng)作模式，2種系統(tǒng)的人為輔助能值投入差異不大，生產(chǎn)對(duì)人為輔助能投入的需要量較少，分別占總能值投入的9.10%和8.15%，但前者的可更新生物有機(jī)能投入較多（占8.93%），后者的工業(yè)輔助能需求更大（占1.45%），主要表現(xiàn)為烤煙作為經(jīng)濟(jì)作物，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值相對(duì)較高的特點(diǎn)決定了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)主體更偏向于投入較多的工業(yè)輔助能值。

圖1 2種典型農(nóng)作系統(tǒng)的能值投入結(jié)構(gòu)Fig.1 Emergy input structure of the two typical crop systems

2.2.3 人為輔助能值投入構(gòu)成 紅米生產(chǎn)所需要的人為輔助能包括勞動(dòng)力、種子、農(nóng)藥、機(jī)械動(dòng)力燃油和有機(jī)肥。其中可更新部分，勞動(dòng)力和種子投入最多，分別是5.63E+15和5.59E+15sej/hm2，有機(jī)肥為1.81E+12sej/hm2；不可更新部分，機(jī)械動(dòng)力燃油和農(nóng)藥的投入分別是2.08E+14和2.47E+11sej/hm2（表3）?？梢?，該地區(qū)紅米種植仍較為傳統(tǒng)和原生態(tài)，而烤煙生產(chǎn)則額外增加了化肥和農(nóng)膜的投入，使得工業(yè)輔助能值投入（1.80E+15sej/hm2）高于紅米。

從2種典型農(nóng)作系統(tǒng)人為輔助能值投入的內(nèi)部構(gòu)成可知，一方面雖然紅米和烤煙同為大田生產(chǎn)，但烤煙屬于經(jīng)濟(jì)作物，所以各農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者更加重視對(duì)烤煙的栽培、管理和收獲；另一方面盡管農(nóng)用機(jī)械已開始在全國(guó)范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用，但在土地相對(duì)零散，以丘陵、坡地為主的新民鎮(zhèn)，其農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度普遍偏低，生產(chǎn)尤其依賴勞動(dòng)力的密集投入。

2.3 能值指標(biāo)評(píng)價(jià)百分比

傳統(tǒng)和改進(jìn)的能值評(píng)價(jià)指標(biāo)核算結(jié)果（表4）表明，紅米和烤煙系統(tǒng)的傳統(tǒng)EYR分別是2.28和0.65，但考慮生態(tài)效益產(chǎn)出后，烤煙系統(tǒng)的能值產(chǎn)出率提升了1.5%，為0.66。因此，理論上傳統(tǒng)只關(guān)注到社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益的EYR核算不足以全面反映生態(tài)產(chǎn)出效益較好的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)真實(shí)貢獻(xiàn)。與傳統(tǒng)的ELR（0.02和0.03）相比，關(guān)注了溫室氣體排放產(chǎn)出的ELR改進(jìn)指標(biāo)值分別是0.49和0.03。其中紅米系統(tǒng)作為農(nóng)業(yè)溫室氣體排放“源”，其ELR從0.02增加為0.49，指標(biāo)變化顯著，系統(tǒng)環(huán)境壓力明顯增大。在紅米系統(tǒng)中傳統(tǒng)的ESI是116.84，大于10，表明該種農(nóng)作模式整體處于落后待開發(fā)階段。而考慮環(huán)境產(chǎn)出后，其EESI出現(xiàn)明顯下降，為4.63。但在碳排放較低的烤煙系統(tǒng)中ESI和EESI差距不大，分別是19.43和19.87。可見，對(duì)比傳統(tǒng)和改進(jìn)的能值指標(biāo)，對(duì)運(yùn)用能值方法評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性具有重要意義。

表4 2種典型農(nóng)作系統(tǒng)的能值評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 4 Emergy evaluation indexes of the two typical crop systems

2.4 靈敏性分析結(jié)果

如表5和圖2所示，紅米系統(tǒng)的EYS、ELR和EESI指標(biāo)變化和相應(yīng)的SC值結(jié)果表明，溫室氣體排放變化對(duì)ELR和EESI的影響較大。當(dāng)系統(tǒng)溫室氣體排放增加一倍后，環(huán)境負(fù)載率將升高98.18%，生態(tài)能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)則會(huì)降低49.54%，且ELR和EESI的SC值分別是0.49和0.25；而當(dāng)系統(tǒng)溫室氣體排放減少一半后，ELR和EESI分別降低49.09%和升高96.42%，同時(shí)ELR的SC值是1.96，大于1，EESI的SC值是0.99，接近1，說明可持續(xù)發(fā)展水平的提升幅度與溫室氣體排放減少量接近于同比例變化，但ELR對(duì)溫室氣體排放的減半變化更為敏感，ELR的降低程度遠(yuǎn)超過系統(tǒng)溫室氣體排放的減少幅度，溫室氣體排放的減少能夠減輕系統(tǒng)更多的生態(tài)環(huán)境壓力。

表5 2種典型農(nóng)作系統(tǒng)環(huán)境產(chǎn)出變化及能值指標(biāo)波動(dòng)Table 5 Changes of environmental output and emergy indexes fluctuation of the two typical crop systems

圖2 紅米系統(tǒng)環(huán)境產(chǎn)出增（減）后的靈敏性系數(shù)Fig.2 Sensitivity coefficients of the red rice system after the environmental output increase or decrease

相比紅米生產(chǎn)系統(tǒng)，烤煙系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性（圖3），碳排放變化對(duì)EYS、ELR和EESI指標(biāo)的影響較小。但當(dāng)CO2固定量增加1倍后，EEYR增加5.11%，EESI提升5.11%，相應(yīng)的SC值都接近0.03。而當(dāng)系統(tǒng)CO2固定量減少一半后，ELR提高0.60%，EEYR和EESI分別降低2.20%和2.78%，相應(yīng)的SC值約為0.04、0.01和0.06。

圖3 烤煙系統(tǒng)環(huán)境產(chǎn)出增（減）后的靈敏性系數(shù)Fig.3 Sensitivity coefficients of the flue-cured tobacco system after the environmental output increase or decrease

因此，紅米生產(chǎn)模式的可持續(xù)發(fā)展水平與系統(tǒng)溫室氣體排放有關(guān)，而穩(wěn)定或增強(qiáng)烤煙生產(chǎn)模式的碳平衡能力可以促進(jìn)系統(tǒng)生態(tài)服務(wù)產(chǎn)出、降低環(huán)境壓力和提升可持續(xù)發(fā)展水平。

2.5 確定關(guān)鍵投入能值流

從以上的靈敏性測(cè)試結(jié)果可知，溫室氣體排放是制約紅米系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的重要因子，需進(jìn)一步減少系統(tǒng)溫室氣體排放。其中稻田CH4減排是重點(diǎn)領(lǐng)域，在擴(kuò)大紅米種植規(guī)模的過程中應(yīng)特別關(guān)注淹水厭氧條件下，稻田土壤中產(chǎn)甲烷菌作用于產(chǎn)甲烷基質(zhì)產(chǎn)生的CH4排放，可采用覆膜栽培和秸稈合理還田等農(nóng)藝措施避免溫室氣體過度排放導(dǎo)致環(huán)境壓力升高，超出系統(tǒng)承受閾值，降低生產(chǎn)可持續(xù)性。

雖然環(huán)境產(chǎn)出變化對(duì)烤煙種植可持續(xù)性的影響不大，但針對(duì)現(xiàn)階段烤煙較多依賴不可更新工業(yè)輔助能投入（尤其是化肥），產(chǎn)量卻并不高的事實(shí)，未來烤煙發(fā)展可通過促進(jìn)良種選育、鼓勵(lì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者選擇對(duì)環(huán)境影響較小的生物有機(jī)肥替代化肥等生產(chǎn)技術(shù)，達(dá)到烤煙高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)，實(shí)現(xiàn)不可更新工業(yè)輔助能值投入的調(diào)控，進(jìn)而在真正提高作物系統(tǒng)生產(chǎn)效率的同時(shí)保證其固碳能力不被破壞，維持系統(tǒng)發(fā)展的穩(wěn)定性。

3 討論

目前，EMA方法已經(jīng)被用于評(píng)價(jià)多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的可持續(xù)性，但是很少有研究在能值的基礎(chǔ)上關(guān)注并考慮農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的生態(tài)效益和環(huán)境排放，使得評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏系統(tǒng)性與全面性。因此，考慮了農(nóng)業(yè)碳源與碳匯的能值改進(jìn)指標(biāo)體系被用來評(píng)估貴州省新民鎮(zhèn)一級(jí)紅米和烤煙2種典型農(nóng)作系統(tǒng)的可持續(xù)性，以此兼顧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)的雙重功能。

從能值產(chǎn)出率來看，理論上包含生態(tài)服務(wù)效益產(chǎn)出的EYR改進(jìn)指標(biāo)值應(yīng)高于傳統(tǒng)的EYR核算結(jié)果。從環(huán)境負(fù)載率來看，傳統(tǒng)的ELR核算并未考慮到溫室氣體排放對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響，可能導(dǎo)致測(cè)算結(jié)果低于改進(jìn)的ELR，然而將其用于分析作物系統(tǒng)中的生態(tài)環(huán)境壓力有失偏頗。從可持續(xù)性指數(shù)來看，2種不同指標(biāo)體系得到的結(jié)果存在差異，說明環(huán)境產(chǎn)出指標(biāo)對(duì)衡量和評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)穩(wěn)定性與可持續(xù)性具有較大的影響，不能被忽視。

整體上，未考慮農(nóng)業(yè)系統(tǒng)雙碳效應(yīng)的能值評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分析結(jié)果與改進(jìn)了的能值評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分析結(jié)果相比，只強(qiáng)調(diào)農(nóng)作系統(tǒng)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益而忽略生態(tài)產(chǎn)出（包括生態(tài)服務(wù)產(chǎn)出和環(huán)境損害產(chǎn)出）的傳統(tǒng)能值分析，很可能導(dǎo)致可持續(xù)評(píng)價(jià)結(jié)果的高估（忽略農(nóng)業(yè)溫室氣體源排放）或低估（忽略農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)作物碳固定），不能綜合、全面地判定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力。未來考慮環(huán)境排放與生態(tài)服務(wù)的多維能值評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)是EMA方法運(yùn)用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)性研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

4 結(jié)論

在新民鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)，紅米和烤煙系統(tǒng)對(duì)環(huán)境造成的壓力雖然都比較小，但紅米系統(tǒng)凈溫室氣體平衡效果不理想，整體表現(xiàn)為碳排放“源”，因此需采取有效的稻田溫室氣體減排措施，將碳排放量限制在能夠維持作物生產(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的可控范圍內(nèi)?？緹熛到y(tǒng)雖然表現(xiàn)為較好的生態(tài)效益，但是作物單位面積產(chǎn)量較低，因此提高煙葉產(chǎn)量是今后烤煙種植實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的主攻方向。