山東丘陵區(qū)合作社小麥、玉米生產(chǎn)系統(tǒng)能值評價研究

張悅，劉元義，楊書搏，陶麗歡，李新澳，宋昕烔

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院, 山東 淄博 255049)

20世紀80年代，生態(tài)學(xué)家Odum初創(chuàng)能值分析[1]，將研究對象所在的系統(tǒng)中不能量化的能量進行量化，將太陽能值轉(zhuǎn)換率作為統(tǒng)一的轉(zhuǎn)換率，構(gòu)建能夠反映系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的指標評價體系對系統(tǒng)進行科學(xué)全面的分析。林曉霞[2]以鄱陽湖區(qū)為研究對象，基于能值分析理論與現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)耕地生態(tài)安全指標體系，利用AHP層次分析法確定指標權(quán)重進行綜合評價；王金照[3]基于能值分析法，以山西省麥米等為研究對象進行對比研究，得出此區(qū)域符合低碳的可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展模式的結(jié)論；李濤等[4]采用能值分析法對綠色會計信息披露，解決信息難以計量和披露問題；易軍[5]以高新區(qū)為研究對象，提出基于能值分析生態(tài)經(jīng)濟評價指標體系，從不同角度反映不同績效并提出了總體可持續(xù)發(fā)展指標；張勇等[6]以許疃煤礦區(qū)為研究對象，構(gòu)建能值指標體系和計算模型并給予分析和評價；龐雪倩[7]利用包括能值分析法的多種方法構(gòu)建拓展模型，利用此模型測算草原生態(tài)外溢價值確定補獎標準，為分配補獎資金提供一定依據(jù)；張大瑜[8]以吉林省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象，利用能值分析法對生產(chǎn)系統(tǒng)中的三種作物分別進行分析，并建立與糧食相關(guān)的分析模型以實證輔助研究；董珊珊等[9]采用能值分析法，構(gòu)建能值指標評價體系對以沼氣工程為紐帶的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園循環(huán)模式進行評價；田宜水等[10]構(gòu)建農(nóng)業(yè)園區(qū)循環(huán)經(jīng)濟系統(tǒng)能值評價指標體系，以某農(nóng)業(yè)科技園區(qū)為實際案例進行評價；朱冰瑩等[11]以現(xiàn)代“秸稈-羊-田”為研究對象，采用能值分析法對其循環(huán)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率、可持續(xù)性進行評價；趙俊銳等[12]基于能值分析法，以山東淄博某土地整理項目為研究對象，對開發(fā)整理后的土地進行效益評價，此研究有利于促進其可持續(xù)發(fā)展取得明顯的經(jīng)濟、社會效益；王曉青等[13]通過構(gòu)建綜合效益評價指標和綜合評價模型，對黃淮海高標準農(nóng)田抽樣項目區(qū)進行研究，為科學(xué)運作和規(guī)劃提供了參考依據(jù)；卓拉等[14]采用水足跡和能值分析法針對黃河流域糧食生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)建水資源能值評價指標體系，該研究為黃河流域沿線農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)水資源效率和優(yōu)化配置提供參考。

綜上所述，我國眾多學(xué)者對能值理論進行多方面研究，針對不同研究對象運用能值分析等方法進行計算分析與評價，但針對山東丘陵區(qū)合作社的小麥、玉米生產(chǎn)系統(tǒng)的能值分析評價體系不夠全面，采用多種方法進行評價的較少。本文采用能值分析法與AHP層次分析法，以實地合作社為案例為山東省丘陵區(qū)作物生產(chǎn)系統(tǒng)評價提供一定參考。

1 調(diào)研數(shù)據(jù)與研究方法

1.1 調(diào)研背景概況

1.1.1 自然條件

山東處于溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫為16.3 ℃，年平均降水量1 131.2 mm，年平均日照總時長為3 336.15 h，此地區(qū)降水充沛、光照充足，為農(nóng)作物的種植提供了良好的條件。按照小麥玉米周年種植生產(chǎn)活動及地形條件來劃分，山東可以劃分為平原黃灌區(qū)、平原井灌區(qū)、丘陵山區(qū)[15]3個周年種植區(qū)域，山東魯中以南多為山地丘陵區(qū)，東部半島多為波狀丘陵區(qū)。

1.1.2 經(jīng)濟特征及農(nóng)業(yè)發(fā)展

根據(jù)2021年山東統(tǒng)計年鑒，2020年山東省農(nóng)用地為1 145.958 6 萬hm2，其第一產(chǎn)業(yè)增加總值為5 363.76萬元，比2019年增長102.7%，全省各地市都呈增長趨勢，農(nóng)作物耕種收綜合機械化率達到89.7%，主要農(nóng)作物良種覆蓋率達到100%，農(nóng)業(yè)新型經(jīng)營主體規(guī)模逐步擴大[16]；2020年山東省小麥、玉米常年播種面積為393.443萬hm2、384.647萬hm2，小麥、玉米總產(chǎn)量分別為2 568.854萬t、2 595.401萬t，小麥、玉米單產(chǎn)為6 529 kg/hm2、6 705 kg/hm2，其總產(chǎn)量、單產(chǎn)有上升趨勢，農(nóng)用機械保有量有上升趨勢。

1.2 能值分析法的基本步驟

能值理論通過能值轉(zhuǎn)換率將研究的不同類型和不能直接比較的能量流轉(zhuǎn)化為同類型輸入、輸出能值進行比較，是比較重要的評價生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性關(guān)鍵性方法之一[17-18]。本文以小麥、玉米生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象，將自然生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與人類經(jīng)濟系統(tǒng)結(jié)合起來進行定量分析，建立能值指標體系進行綜合性評價。能值分析法的一般步驟如下：

1)確定系統(tǒng)邊界、資料收集。首先明確系統(tǒng)評價的邊界，選用具體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)作為研究對象，通過文獻檢索、走訪調(diào)研、收集原始數(shù)據(jù)，通過原始數(shù)據(jù)梳理出輸出與輸入能量流(能流、實物流、貨幣流)，為建立能值清單和后續(xù)指標計算與分析奠定基礎(chǔ)。

2)采用繪圖工具，利用“系統(tǒng)語言符號”繪制系統(tǒng)組成部分。能值圖能直觀表達不同能流的流動方向、從而明確各部分之間的相互影響關(guān)系。通過對山東丘陵區(qū)調(diào)研合作社小麥、玉米生產(chǎn)系統(tǒng)進行梳理，繪制的丘陵區(qū)小麥、玉米生產(chǎn)系統(tǒng)能值圖如圖1所示。

圖1 丘陵區(qū)小麥、玉米生產(chǎn)系統(tǒng)能值圖

3)制定能值表格，列出主要研究的資源類型并找到相應(yīng)的能值轉(zhuǎn)換率進行轉(zhuǎn)換計算。能值分析表包括可更新資源與社會經(jīng)濟系統(tǒng)資源。社會經(jīng)濟系統(tǒng)資源又稱社會經(jīng)濟系統(tǒng)反饋能，是購買性可更新資源與購買性不可更新資源之和，其中，購買性可更新資源主要包括農(nóng)用機械、農(nóng)藥、柴油等，購買性不可更新資源主要包括農(nóng)家肥、氮磷鉀肥、復(fù)合肥、種子、勞動力等。

4)制定指標體系，優(yōu)化制定原則。采用4個能值指標(見表1)，計算分析小麥、玉米生產(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)性的優(yōu)劣[16]。

表1 主要能值指標描述及表達式

1.3 評價指標體系構(gòu)建

1.3.1 評價原則

采用AHP層次分析法，按照指標層、中間層、方案層制定三級指標，以循環(huán)農(nóng)業(yè)“3R”原則為參考將三者與可持續(xù)性理念相結(jié)合，制定的能值指標分類圖如圖2所示[18]。

圖2 YAHP構(gòu)建能值指標分類圖

1.3.2 數(shù)據(jù)來源

本文以2021年山東省統(tǒng)計年鑒中威海市、淄博市、臨沂市的數(shù)據(jù)及實地調(diào)研數(shù)據(jù)為基準，采用的各種核算方法、評價指標的能值轉(zhuǎn)換率來自藍盛芳等[20]、董佳[21]研究成果。以山東丘陵區(qū)典型8家農(nóng)業(yè)合作社為調(diào)研對象，對小麥、玉米耕、種、管、收方面的投入進行分析和計算，結(jié)果見表2。

表2 山東省丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)合作社小麥、玉米種植綜合能值表

1.3.3 指標確定及分值設(shè)定

參照孫任潔[22]、曹建如[23]、鄭秀戀等[24]文獻，采用AHP層次分析法對指標權(quán)重進行計算，利用YAHP軟件，通過兩兩比較下層因素對上層因素的相對重要性、構(gòu)造判斷矩陣、計算特征值λmax，通過計算一致性指標、一致性比例、一致性比率等步驟，得出二級指標和三級指標權(quán)重，按照百分制原則將指標量化賦予相應(yīng)分值，并制定評分標準。采用德爾菲法與AHP層次分析法進行分值設(shè)定，一級指標為能值生態(tài)指標，滿分值為100分；二級指標為循環(huán)-減量化指標和環(huán)境可持續(xù)性指標，權(quán)重分別為0.333 3和0.666 7，滿分值分別為33分和67分；三級指標的權(quán)重、評分標準、評分標準設(shè)定見表3。

表3 能值生態(tài)三級指標評價權(quán)重及分值設(shè)定

2 綜合分析

2.1 能值投入結(jié)構(gòu)分析

威海市全年能值總投入為6.70×1014sej，可更新資源2.68×1014sej，不可更新工業(yè)輔助能4.02×1014sej，可更新的有機能7.11×1012sej；淄博市全年能值總投入為4.34×1014sej，可更新資源1.68×1014sej，不可更新工業(yè)輔助能2.01×1014sej，可更新的有機能4.73×1012sej；臨沂市全年能值總投入為8.01×1014sej，可更新資源2.16×1014sej，不可更新工業(yè)輔助能2.52×1014sej，可更新的有機能4.12×1012sej。其中，威海市的不可更新工業(yè)輔助能占比最大為60%，臨沂市的不可更新工業(yè)輔助能占比最大為53%，淄博市的不可更新工業(yè)輔助能占比最大為46%。

山東丘陵區(qū)合作社小麥、玉米生產(chǎn)系統(tǒng)全年能值總投入為1.52×1015sej，可更新資源6.51×1014sej，不可更新工業(yè)輔助能8.54×1014sej，可更新的有機能1.60×1013sej，占比分別為43%、56%、0.1%。在可更新資源中，占比最大的為風(fēng)能和雨水資源，表明種植面積受當(dāng)?shù)貧夂蛴绊戄^大；不可更新工業(yè)輔助能占比最大的是化肥(氮、磷、鉀)，可更新的有機能中人力和種子是不可缺少的投入，表明系統(tǒng)對化肥、人力機械等有較強的依賴。

2.2 能值指標實例驗證分析

調(diào)研合作社綜合得分見表4。根據(jù)表4綜合得分情況由高到低依次為威海、淄博、臨沂，其得分受能值產(chǎn)出率EYR、環(huán)境負載率ELR、可持續(xù)性指標ESI、能值轉(zhuǎn)換率UEV影響，且受可持續(xù)性指標得分影響較大，參考曾巧云等[27]、鐘穎等[28]文獻中4個指標的評價方法，對調(diào)研地合作社評價指標進行分析。

表4 調(diào)研合作社綜合得分表

1)能值產(chǎn)出率EYR值。山東丘陵區(qū)合作社小麥、玉米生產(chǎn)系統(tǒng)EYR值為2.22，其中威海、淄博、臨沂三地合作社EYR值由低到高排序為威海市1.60、淄博市1.92、臨沂市3.37，其中威海、淄博合作社的EYR值小于2000年中國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)EYR值2.08，表明同等條件下該地區(qū)糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的能值利用率較低。

2)環(huán)境負載率ELR值。山東省丘陵山區(qū)典型合作社ELR值為1.34，威海市合作社ELR值為1.50，淄博市合作社ELR值為1.08，臨沂市合作社ELR值為1.16，三者環(huán)境負載率的值都較小，說明該地區(qū)生產(chǎn)系統(tǒng)對環(huán)境造成較小的壓力。但1990年日本環(huán)境負載率ELR值為14.49，2000年中國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的ELR值為2.72，表明該地區(qū)的科技、機械化水平有待提高。

3)可持續(xù)性指標ESI。山東省丘陵山區(qū)典型合作社ESI值為1.66，其中威海市合作社ESI值為1.06，淄博市合作社ESI值為1.78，臨沂市合作社ESI值為2.91，該系統(tǒng)ESI值介于1～10之間，表明該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展能力有很大發(fā)展空間。

4)系統(tǒng)的能值轉(zhuǎn)換率UEV。山東省丘陵區(qū)調(diào)研合作社生態(tài)系統(tǒng)能值轉(zhuǎn)換率UEV為2.20，臨沂市系統(tǒng)能值轉(zhuǎn)換率UEV為4.18、淄博市系統(tǒng)能值轉(zhuǎn)換率UEV為1.73、威海市系統(tǒng)能值轉(zhuǎn)換率UEV為1.0，調(diào)研的臨沂區(qū)域合作社系統(tǒng)單位所產(chǎn)出的產(chǎn)品能值轉(zhuǎn)換率較高。

3 結(jié)論及建議

本文以山東丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)合作社小麥、玉米生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象，利用文獻檢索和實地調(diào)研方法計算分析的所得數(shù)據(jù)，采用AHP層次分析法和能值分析法構(gòu)建了能值指標評價體系，并以實地調(diào)研合作社為案例進行了驗證并進行評價。結(jié)果表明：

(1)山東丘陵區(qū)合作社小麥、玉米生產(chǎn)系統(tǒng)全年能值總投入為1.52×1015sej，可更新資源為6.51×1014sej，不可更新工業(yè)輔助能為8.54×1014sej，可更新的有機能為1.60×1013sej。其中，威海、淄博、臨沂調(diào)研合作社的不可更新工業(yè)輔助能中肥藥占比較大，表明系統(tǒng)對化肥、人力機械等有較強的依賴，農(nóng)業(yè)機械投入占比較少，但機械化程度仍有較大的提升空間。

(2)通過綜合得分能直觀看出調(diào)研合作社綜合得分由高到低排列依次是威海、淄博、臨沂，其可持續(xù)性指標ESI、能值轉(zhuǎn)換率UEV是主要影響因素，其ESI值介于1～10之間，對周圍環(huán)境造成較小壓力，有較強的可持續(xù)發(fā)展能力。綜上，對威海、淄博、臨沂調(diào)研合作社現(xiàn)階段的生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)投入及依賴程度、環(huán)境的壓力、可持續(xù)發(fā)展性等進行的研究有一定參考價值，采用非單一性評價方法，有利于進一步完善現(xiàn)存的丘陵區(qū)評價體系。

分析表明，合作社生產(chǎn)系統(tǒng)對化肥、人力機械等有較強的依賴，其中不可更新工業(yè)輔助能中肥藥占比較大，因此可在種植環(huán)節(jié)中優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)，充分發(fā)揮合作社帶動優(yōu)勢，通過典型合作社成熟種植技術(shù)模式推廣帶動周邊農(nóng)戶發(fā)展，優(yōu)化種植模式，向更加高效和可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型。丘陵區(qū)存在租賃機械作業(yè)成本較高、機具成本較高、配套難、技術(shù)力量相對匱乏等問題，未來應(yīng)大力推廣研發(fā)適合丘陵區(qū)“小型化、輕量化、復(fù)合式”的小型機械。山東丘陵區(qū)合作社生態(tài)系統(tǒng)能維持自身生態(tài)健康，在保障社會經(jīng)濟發(fā)展方面發(fā)揮重要作用，有利于推動當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展。