基于能值分析的種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平評價
——以山東省鄆城縣為例

丁 豪，李宗新，張文君，錢 欣，樊慶琦，李升東*

（1.青島農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，山東 青島 266109；2.山東省農(nóng)業(yè)科學院 作物研究所，山東 濟南 250100；3.山東省農(nóng)業(yè)科學院 玉米研究所，山東 濟南 250100；4.山東省農(nóng)業(yè)科學院 國資處，山東 濟南 250100）

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，一個國家的農(nóng)業(yè)發(fā)展水平在很大程度上決定著該國的經(jīng)濟發(fā)展水平。其中，種植業(yè)以其較大的規(guī)模和較高的可操作性而成為整個農(nóng)業(yè)的重要組成部分之一。但隨著科學技術(shù)的發(fā)展和社會的進步，人口、資源與環(huán)境的矛盾日益凸顯，嚴重威脅著種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［1］。因此，如何有效評價一個國家或地區(qū)的種植業(yè)可持續(xù)發(fā)展水平，對于提高其農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，保護資源環(huán)境，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化等均具有重要意義［2］。由于種植業(yè)生產(chǎn)是自然因素與人為因素雙重作用的結(jié)果［3］，因而無法直接對其可持續(xù)性進行比較和評價。因此，本文采用能值分析法，將種植業(yè)生產(chǎn)過程中的各個投入與產(chǎn)出因素統(tǒng)一為太陽能值，而后進行比較和分析。隨著可持續(xù)發(fā)展概念的逐漸普及，能值分析法被用于分析與評價各個領(lǐng)域及系統(tǒng)的可持續(xù)能力，如方敏哲等［4］分析了內(nèi)蒙古磴口縣2003—2015年土地生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的可持續(xù)性情況；張永杰等［5］對2014年甘肅省定西市農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境資源條件、投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)和可持續(xù)性進行了分析；錢欣等［6］研究了濱州市2019年種糧大戶冬小麥—夏玉米糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的效率和可持續(xù)性；李洋等［7］分析了1999—2015年山東省種養(yǎng)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的空間格局及其演變趨勢；劉新茂等［8］分析了廣東省1993年種植業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展狀況；Zhuang等［9］分析了在本地化戰(zhàn)略條件下，中國三大主糧作物可持續(xù)能力的變化情況。綜合來看，多數(shù)研究聚焦于大尺度，對于整個縣域尺度的種植業(yè)可持續(xù)能力變化及其主要影響因素的研究較少。而縣域單位又是連接城市與農(nóng)村的橋梁，是中央農(nóng)業(yè)政策的具體執(zhí)行者［10］，縣域地區(qū)種植業(yè)發(fā)展狀況的好壞在一定程度上關(guān)系著國家能否更好地調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，因此，對于縣域尺度的研究具有重要意義。基于此，本文選擇縣域級作為本研究的空間尺度，通過延長時間尺度來分析縣域級種植業(yè)的可持續(xù)能力變化情況，并嘗試分析其影響因素。

本文選取山東省菏澤市鄆城縣作為研究對象，以鄆城縣1978—2019年種植業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用能值分析法，計算其歷年來種植業(yè)投入與產(chǎn)出，并得出相關(guān)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)，同時分析其可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的變化情況，以期為提高該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展能力以及探索其種植業(yè)高質(zhì)量發(fā)展道路提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

鄆城縣位于山東省西南部，介于115°40′～116°08′E、35°19′～35°52′N之間，總面積為1643 km2。氣候上屬暖溫帶半濕潤季風氣候，降水集中，雨熱同季，年均氣溫12.3～14.4 ℃，年均降水量550.6～633.9 mm。全縣屬于黃河沖積平原，耕地面積113232.1 hm2，農(nóng)作物播種面積為199656.8 hm2，常年種植小麥、玉米、蔬菜等農(nóng)作物，糧食產(chǎn)量連續(xù)多年突破10億kg，是山東省的產(chǎn)糧大縣。

1.2 研究方法

能值分析法由美國著名生態(tài)學家Odum于20世紀80年代創(chuàng)立［11］，其理論依據(jù)在于：地球上的一切能量大都來自太陽［12］，根據(jù)特定的太陽能值轉(zhuǎn)換率，可將種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的不同物質(zhì)以及能量統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為太陽能值，單位為太陽能焦耳(Solar emjoules, sej)［13-24］。本文將鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的各項投入與產(chǎn)出作為研究對象，運用相應(yīng)的能值轉(zhuǎn)化率將種植業(yè)系統(tǒng)中的各項指標統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為太陽能值，其中包括可更新的環(huán)境資源R(包括太陽能、風能、雨水勢能、雨水化學能等)、不可更新的環(huán)境資源N (包括表土損失能、灌溉水)、不可更新的工業(yè)輔助能FN(包括化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜、柴油、機械、電力等)、可更新的有機能FR(主要包括勞力、種子和還田的秸稈)、系統(tǒng)產(chǎn)出能值Y(包括各類作物的籽粒、果實和未還田秸稈)，由此確定的系統(tǒng)邊界如圖1所示［13］。為方便計算，暫不考慮資金對系統(tǒng)能值的影響作用。

圖1 鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)邊界

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究所采用的數(shù)據(jù)主要來自《鄆城統(tǒng)計年鑒(1978—2019)》《菏澤統(tǒng)計年鑒(1994—2020)》《山東統(tǒng)計年鑒(1978—2020)》，由于鄆城縣部分農(nóng)作物秸稈直接還田，缺少記錄數(shù)據(jù)，故在本研究中，參考李書田等［25］的研究成果，確定不同作物的草谷比；參考畢于運等［26］的研究成果，通過利用不同作物的草谷比，計算出不同作物的秸稈產(chǎn)量。還田部分的秸稈屬于有機肥范疇，故將其能值歸為可更新有機能，未還田部分的秸稈歸類為系統(tǒng)產(chǎn)出能值。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鄆城縣主要秸稈還田農(nóng)作物為小麥、玉米、稻谷、豆類、花生，平均秸稈還田率約為70%。此外，本研究采用的地球生物圈能值基準為最新值1.2×1025sej/a［27］，能量折算系數(shù)與能值轉(zhuǎn)換率參照李洋等［7,14,15,18,22］的研究成果。

1.4 鄆城縣種植業(yè)系統(tǒng)能值的評價指標

為更好地研究和分析鄆城縣種植業(yè)可持續(xù)發(fā)展水平及相關(guān)驅(qū)動因素，在參考相關(guān)文獻［9,14-15,23,28］的基礎(chǔ)上，建立了3項鄆城縣種植業(yè)系統(tǒng)能值評價指標，分別為凈能值產(chǎn)出率(EYR)、環(huán)境負載率(ELR)、能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(ESI)，具體計算公式為：

式（1）～式（3）中，EYR為凈能值產(chǎn)出率，Y為能值總產(chǎn)出量，F(xiàn)N為不可更新工業(yè)輔助能值，F(xiàn)R為可更新有機能值，ELR為環(huán)境負載率，N為不可更新自然資源能值，R為可更新自然資源能值，ESI為能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 能值投入分析

從能值投入情況來看(圖2)：1978—2019年鄆城縣能值總投入整體呈波動式增長趨勢，1978年鄆城縣能值總投入為2.92×1020sej，增長到2019年的1.19×1021sej，總體增加了307.5%，年均增加7.5%。能值總投入由可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源、不可更新工業(yè)輔助能和可更新有機能構(gòu)成，1978年這4種能值的比例分別為22.9%、4.1%、34.9%、38.1%，至2019年這4種能值的比例則分別為4.9%、1.5%、58.5%、35.1%。1978年鄆城縣不可更新工業(yè)輔助能與可更新有機能投入分別為1.02×1020、1.11×1020sej，2019年不可更新工業(yè)輔助能增長到6.94×1020sej，增長率為580.4%，可更新有機能增長到4.16×1020sej，增長率為274.8%。

圖2 鄆城縣能值投入的變化趨勢

2.2 能值產(chǎn)出分析

從圖3中可以看出，1978—2019年鄆城縣能值產(chǎn)出呈波動式增長趨勢。2019年鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)總能值產(chǎn)出比1978年增加了1.76×1021sej，增長了435.5%。能值產(chǎn)出類型可大致分為糧食作物、油料作物、棉麻作物、蔬菜作物、水果作物產(chǎn)出五大類。從幾種作物產(chǎn)出能值的變化趨勢來看，糧食作物呈現(xiàn)先上升后下降再上升的趨勢，1978年糧食作物產(chǎn)出能值為3.20×1020sej，1999年上升到1.24×1021sej，而后逐年下降，2003年降至7.31×1020sej，2004年又開始逐漸上升，截至2019年鄆城縣糧食作物能值產(chǎn)出為1.87×1021sej。油料作物呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，1978年油料作物能值產(chǎn)出為1.17×1018sej，而后逐年上升，2001年達到最大值1.62×1020sej，而后逐年下降，到2019年，鄆城縣油料作物產(chǎn)出能值為3.77×1019sej。棉麻類作物則呈現(xiàn)波動式增長的趨勢，其中1983—1985、2002—2008年期間產(chǎn)出較高，1978—1981、1998—2000年期間產(chǎn)出較低，2019年鄆城縣棉麻作物產(chǎn)出能值為3.82×1019sej。蔬菜、水果類作物產(chǎn)出能值從1994年之后開始逐漸增加，1994年鄆城縣蔬菜作物與水果作物產(chǎn)出能值分別為1.61×1019和5.98×1019sej，2019年分別增加到1.33×1020、7.93×1019sej，增長率分別為726.1%和32.6%。

圖3 鄆城縣能值產(chǎn)出的變化趨勢

2.3 系統(tǒng)能值評價

2.3.1 環(huán)境負載率 環(huán)境負載率主要指可更新資源與不可更新資源之間的比值，其數(shù)值的大小代表著該地區(qū)種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)所承受環(huán)境壓力的大小。由圖4可看出，1978—2019年鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境負載率整體呈現(xiàn)上升的趨勢，由1978年的0.64上漲到2019年的1.50，年均上漲3.28%；2004—2015年，環(huán)境負載率有所下降，2016年之后，環(huán)境負載率則逐年增加，說明隨著生產(chǎn)資料的投入，鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的資源環(huán)境壓力正在逐漸增大。

圖4 1978—2019年鄆城縣環(huán)境負載率的變化趨勢

2.3.2 凈能值產(chǎn)出率 凈能值產(chǎn)出率主要指作物產(chǎn)出能值與不可更新工業(yè)輔助能、可更新有機能之和的比值，可用來衡量種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的投入產(chǎn)出效率。由圖5可看出，1978—2019年期間，鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率整體上呈現(xiàn)下降的趨勢。其中，1983年的凈能值產(chǎn)出率較高，為5.45；2018年數(shù)值最低，為1.90。整體來看，2009—2019年，鄆城縣凈能值產(chǎn)出率較前幾年有所下降，說明在種植業(yè)生產(chǎn)過程中，存在生產(chǎn)資料不合理使用的現(xiàn)象。

圖5 1978—2019年鄆城縣凈能值產(chǎn)出率的變化趨勢

2.3.3 可持續(xù)發(fā)展指數(shù) 可持續(xù)發(fā)展指數(shù)為凈能值產(chǎn)出率與環(huán)境負載率的比值，可用來衡量該地區(qū)的種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力。一般來說，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)在1～10之間，說明此地區(qū)種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)具有發(fā)展?jié)摿?；可持續(xù)發(fā)展指數(shù)在10以上，說明此地區(qū)種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的自然資源利用不足；可持續(xù)發(fā)展指數(shù)小于1，說明此地區(qū)種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的資源環(huán)境壓力較大［24］。

由圖6可看出，1978—2019年，鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。其中，1978—1988年10 a間，鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)保持在較高水平，1984年達到極值9.81，其余年份的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)基本保持在4.0以上。說明此階段，鄆城縣作物產(chǎn)出有所增加，但資源利用不足。1989—2002年期間，鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)呈現(xiàn)下降的趨勢，由1989年的6.77下降至2002年的最低值1.21，年均下降1.4036%。說明此階段，隨著種植業(yè)生產(chǎn)資料投入的增加，作物產(chǎn)量有所提升，但由于化石能源的過量使用，導(dǎo)致環(huán)境壓力逐漸增加，使得2002年鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)降至最低點。2003—2019年，受種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施轉(zhuǎn)變等因素的影響，鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)有所回升，截至2019年，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)為1.29。整體來看，鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)均在1.0以上，理論上具有發(fā)展?jié)摿?，但也?yīng)加以重視，在可持續(xù)發(fā)展指數(shù)接近1.0的警戒線時，應(yīng)減少對資源的不合理使用，提高其環(huán)境承載能力，以保證鄆城縣種植業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性。

圖6 1978—2019年鄆城縣可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的變化趨勢

2.3.4 敏感性分析 為了更好地探究可持續(xù)發(fā)展指數(shù)對各能值投入的敏感性，在其他條件不變的情況下，分別將可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源、不可更新工業(yè)輔助能、可更新有機能的其中之一增加或減少15%，觀察能值投入指標變化對可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的影響程度。由圖7可知，在各能值投入指標中，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)對不可更新工業(yè)輔助能的敏感程度最高，不可更新工業(yè)輔助能每增加15%，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)平均下降約7%；其次是對可更新環(huán)境資源，而對不可更新環(huán)境資源的敏感程度最低，且可更新環(huán)境資源與可更新有機能的增加對可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的影響是正向的，不可更新工業(yè)輔助能與不可更新環(huán)境資源的增加對可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的影響是負向的。

圖7 可持續(xù)發(fā)展指數(shù)對各能值投入的敏感性分析

由于不可更新工業(yè)輔助能主要包含化肥、電力、機械、地膜、農(nóng)藥、柴油等能值投入，其中化肥為氮、磷、鉀、復(fù)合肥投入能值總和。為具體探究各項投入對可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的影響程度，每次只針對一項指標，分別上下調(diào)整5%、10%和15%，觀察其可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的變化幅度，具體結(jié)果如圖8所示。由此可以看出，化肥投入對可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的影響程度最高，其次為機械和電力投入。

圖8 不可更新工業(yè)輔助能敏感性分析

2.3.5 不同作物的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的比較 由于糧食作物大于經(jīng)濟作物的播種面積，從而使得糧食作物的產(chǎn)出能值遠高于經(jīng)濟作物。為更好地比較不同作物的可持續(xù)性，本文選用1 hm2面積上不同作物的投入與產(chǎn)出數(shù)據(jù)，通過進行能值換算，進而求出各個作物的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)。由圖9可以看出，不同作物的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)由大到小依次為大豆＞棉花＞花生＞玉米＞小麥＞水果＞稻谷＞蔬菜，環(huán)境負載率由大到小依次為水果＞蔬菜＞稻谷＞棉花＞小麥＞花生＞大豆＞玉米，凈能值產(chǎn)出率由大到小依次為棉花＞水果＞大豆＞小麥＞花生＞稻谷＞玉米＞蔬菜。

圖9 不同作物的環(huán)境負載率、凈能值產(chǎn)出率及可持續(xù)發(fā)展指數(shù)比較

3 結(jié)論

本研究以1978—2019年為時間尺度，利用能值分析法，通過計算分析鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的能值投入與產(chǎn)出，得到如下結(jié)論：(1)1978—2019年鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)總投入能值增加了307.5%，總產(chǎn)出能值增加了435.5%；(2)1978—2019年鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境負載率整體呈上升的趨勢，凈能值產(chǎn)出率整體呈下降的趨勢，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)呈先上升后下降的趨勢，2002年之后的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)波動穩(wěn)定，整體在1以上，具有可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?，但也?yīng)注意保護環(huán)境，提高資源利用率，防止可持續(xù)發(fā)展指數(shù)降至1以下；(3)在能值投入中，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)對不可更新工業(yè)輔助能的敏感程度最高，其中化肥、機械、電力為主要的影響因素；(4)從單位面積可持續(xù)發(fā)展指數(shù)來看，大豆的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)最高。

4 建議

4.1 減少化肥的不合理使用

本研究發(fā)現(xiàn)，化肥是對可持續(xù)發(fā)展指數(shù)影響最為顯著的1個因素，過量地施用化肥不僅不能提高作物產(chǎn)量，反而會對環(huán)境造成污染。結(jié)合相關(guān)試驗以及實地調(diào)研結(jié)果，可針對部分施肥較高的作物進行合理減肥。其中，小麥、玉米的氮肥投入較高，可在小麥、玉米周年輪作地塊減少氮肥施用量。以小麥、玉米周年輪作純氮施用量400 kg/hm2為對照，在此基礎(chǔ)上小麥、玉米分別減少氮肥15%，可顯著提高氮肥利用率。同時，針對蔬菜、水果等作物，可適當減少復(fù)合肥施用量，并增施有機肥，以此來提高鄆城縣的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)，并保障其產(chǎn)品品質(zhì)。

4.2 實行保護性耕作措施

推廣免耕、少耕、秸稈還田等保護性耕作措施，其優(yōu)勢在于，可在一定程度上促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源以及土壤資源的可持續(xù)利用。如免耕播種技術(shù)可將農(nóng)作物秸稈進行粉碎并覆蓋在土地表面，以達到減少土地水分流失和減少耕作流程的目的［29］。

4.3 更新農(nóng)機設(shè)備，減少農(nóng)機作業(yè)流程

本研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)機使用也是影響可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的主要因素之一，這主要與農(nóng)機作業(yè)過程中排放大量二氧化碳以及土壤粉塵有關(guān)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程繁瑣，包括收獲、秸稈粉碎、旋耕、播種、施肥、鎮(zhèn)壓等一系列農(nóng)事操作流程，繁瑣的流程需要反復(fù)使用農(nóng)機，由此降低了種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展水平。因此，可與農(nóng)機公司合作，將整地、播種等流程融合到一臺農(nóng)機上，一次性完成整地、播種、鎮(zhèn)壓等流程，從而大大提高農(nóng)機的使用效率，進而提高農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展水平。

4.4 加強農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

本研究中，電力投入對鄆城縣種植業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的影響僅次于化肥和機械投入。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電力的投入主要是用于排水和灌溉。建議加強農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，修建排水渠和灌溉水井，做到農(nóng)田“旱能灌，澇能排”，推廣滴灌、滲灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，在節(jié)省農(nóng)業(yè)用電量的同時，還可以節(jié)約水資源的投入。

4.5 合理調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu)

從單位面積上不同作物的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)來看，大豆、花生、玉米等作物的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)較高，因此可在部分地區(qū)推廣“玉米+大豆”間作、“玉米+花生”間作等種植模式，在增加大豆供給量的同時，提高鄆城縣種植業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)能力。