钱玉皓,聂艳，罗毅

(华中师范大学城市与环境科学学院,湖北 武汉 430079)

耕地是指用来种植农作物的土地,是一种珍贵、稀缺的自然资源,是农业发展的重要物质基础.随着我国改革开放以来城市化速度的加快,大量的耕地被用于城乡建设,使得我国的人地矛盾日益突出,成为了制约我国社会经济和生态可持续发展的重要因素.目前,我国耕地的特征可概括为“一多三少”,即耕地总量多,人均耕地少、高质量的耕地少、耕地后备资源少.而目前我国可供开发的后备土地资源已极为有限.因此,评价耕地利用效益,实现土地的集约利用对于当前我国社会经济的发展具有重要的意义.能值分析理论以能值为基准,将生态系统或生态经济系统中不同种类、不可比较的能量转化为统一标准,定量分析系统的真实效应和结构特征[1-2],它可以综合评价耕地利用的经济—生态—社会效益.该理论于20世纪90年代由蓝盛芳引进到中国,此后被广泛运用于对生态系统结构功能的分析[3-4],国家和地区资源环境、经济、社会发展[5-7],自然资源的评估利用[8]等方面.相关学者还与国内外同行合作对能值理论与方法进行了研究[2].湖北省地处中国中部,有良好的经济区位优势,随着湖北省城镇化、工业化速度的加快,资源利用规模不断扩大,给生态环境带来了巨大压力,为了科学衡量湖北省不同类型城市耕地利用经济—生态—社会效益,本文中引入能值分析法,选取湖北省资源型城市潜江、轻工业型城市仙桃、生态旅游型城市鹤峰3种不同类型的县市,定量测算2010年各区域范围内能值投入、产出状况,对其耕地利用效益进行评价和分析,为湖北省耕地高效持续发展提供参考.

1 研究区概况

湖北省地处我国中部、长江中游、洞庭湖之北(北纬29°05′～33°20′,东经108°21′～116°07′),总面积18.59×104km2,占全国总面积的1.94%,东西长约740 km,南北宽约470 km.该区属亚热带季风性湿润气候,光照充足,热量丰富,是著名的“鱼米之乡”,其中的江汉平原是我国重要的粮食生产基地之一.地貌类型多样,山地、丘陵、平原、岗地和兼备呈三面高起、中间低平、向南敞开、北有缺口的不完整盆地.现辖12个省辖市、1个自治州、1个林区和3个省管市,2009年底户籍人口为6 142万人.

潜江,地处湖北省中南部,江汉平原腹地,位于东经 112°29′至113°01′,北纬30°04′至30°39′.潜江市位于江汉平原腹地,境内有全国十大油田之一的江汉油田和由16个国有农场组成的农场群.境内地势平坦,地面高程在26 m至31 m之间,雨量充沛,气候宜人,是中部地区重要的农副产品生产加工基地、原材料生产基地、东部产业转移的承载地.2009年被确定为资源枯竭城市转型试点名单.

仙桃市紧挨潜江,属北亚热带季风气候区,四季分明,雨量充沛,阳光充足,无霜期长.区内地势平坦,江河环绕,湖泊星罗棋布.仙桃距武汉80 km,是武汉都市圈的重要组成部分,具有食品加工、机械电子、医药化工、无纺布卫材、纺织服装等五大主导产业,是湖北省重要的轻工业城市.区内农业耕作条件也比较优越,具有丰富的农副产品资源.

位于湖北西南部的鹤峰县地处武陵山脉腹地,隶属于恩施土家族自治州.境内地形西北高、东南低,山岳连绵,沟壑纵横,多山间小盆地.平均海拔1 147 m,地表平均切割深784 m,地表坡度平均24.1°,其中小于5°的平地不到1.5×104hm2.区内资源丰富,水资源、磷矿蕴藏量丰富,森林覆盖率87%以上.目前鹤峰县特色农业发展迅速,并致力于生态旅游城市的建设.

2 数据来源及研究方法

2.1数据来源数据主要包含自然资源、相关工农业产品的投入、产出等,数据主要来源于2010年湖北统计年鉴、2010年湖北省农村统计年鉴、2010年湖北省水资源发展公报以及相关研究数据和成果.

2.2 研究方法

图1 区域耕地利用生态经济系统能值系统图

2.2.1 能值研究法 能值研究理论和方法是美国著名的生态学家、系统能量分析先驱H.T.Odum为首于20世纪80年代创立的.Odum将能值定义为一流动或存储的能量所包含的另一种类别能量的数量,其单位为太阳能焦耳(sej)[1].单位物质所含有的太阳能值量被称作太阳能值转换率(sej/J或sej/g),太阳能值转换率越大,表明单位物质所含能量越高[2].通过对不同量纲的物质的太阳能值总量的折算,从而实现其之间能质与利用效率的比较.本文中研究区不同类型物质能值的流动如图1所示.

2.2.2 耕地利用效益 耕地利用效益是指在耕地利用过程中所产生的经济、社会、生态效益.其中,耕地利用的经济效益可用耕地利用所产生的投入和产出比加以比较,它是人类利用土地所追求的最直接、最客观的结果,可用耕地粮食产量加以衡量;耕地利用具有外部性,耕地利用的生态效益是人类对耕地长期作用的结果,一般用来反映耕地利用对生态系统所产生的影响,可用耕地利用的正效应和负效应加以衡量;人类在耕地利用过程中所产生的实现社会发展的目标的影响结果被称为耕地利用的社会效益,主要体现在耕地利用对国民粮食需求的满足程度、粮食安全度、提高农民收入、转移剩余劳动力等方面.以上3种效益是耕地利用最基本也是最常见的效益,三者分别采用不同的标准加以衡量,属不同的量纲.而在Odum能值理论的指导下,可以实现三者在量纲上的统一,从而可对耕地利用的综合效益进行评价和分析.

2.2.3 能值指标体系的构建 通过系统能值分析得出的一系列能值指标,可把复合生态系统中的各种生态流在能值尺度上统一起来,定量分析系统的结构和功能,认识自然环境生产的价值及其与社会经济的关系.本文中基于耕地生态系统,从经济、生态、社会3方面入手研究,建立并计算反应耕地生态与农产品经济效益的能值指标体系,从而分析3个研究区耕地生态经济界面,评价自然资源对耕地生态系统的贡献和耕地生态系统对自然环境的作用，相关指标及含义见表1.

表1 耕地利用效益评价能值指标体系

注:EmR—可更新环境能值;EmN—不可更新环境能值;EmF—工业辅助能值;EmT—有机辅助能值;EmO—农产品能值产出量;EmU—能值投入总量;EmY—能值产出总量;P—人口数,单位:人;S—耕地面积,单位:hm2.

3 结果分析与讨论

3.1能值计算以收集的数据和确定的指标体系为基础,参考陈阜《农业生态学》中有关的热能系数[9],将相关工农业产品的投入产出转化为能量值.依据Odum提出的能值计算公式,将自然资源的能值折算出来,相关计算公式如下:①太阳能=耕地面积(m2)×太阳光平均辐射量(J/ m2·a);②风能(J/a)=年有效风能(J/m2·a)×耕地面积(m2);③雨水势能(J/a)=耕地面积(m2)×密度(106/m3)×平均降水量(m/a)×重力加速度(9.8 m/s2);④地球循环能(J/a)=耕地面积(m2)×热通量(J/ m2·a),地质稳定地区典型热通量=1×106J/ m2·a[10];⑤雨水化学能(J/a)=耕地面积(m2)×年降水量(m/a)×密度(106/m3)×降水量的吉布斯自由能(4.49 J/g);⑥农业灌溉用水能(J/a)=年农田灌溉用水量(g/a)×河水吉布斯自由能(4.77 J/g)[5];⑦表层土损耗能(J/a)=耕地面积(m2)×表土侵蚀速率(g/m2·a)—植被演替面积(m2)×表土层形成速率(g/m2·a);⑧农业机械按单位农业机械总动力年均耗用量计算[10];⑨种子能值(J/a)=∑[作物种植面积(hm2)×单位面积种子需要量(kg/hm2)×能值折算标准(J/kg)].

根据前述计算公式,参考Odum提出的能值转换率,计算不同类型城市潜江、仙桃和鹤峰的各要素及产品的太阳能值,结果见表2.

3.2基于能值的耕地利用效益评价根据表1不同耕地利用效益的内涵及计算公式,结合表2中3个研究区的相关能值投入产出效益的能值数据,得到各评价指标的能值结果见表3.

从表3可以看出,在耕地利用的经济效益方面,潜江的能值产出投入率为16.4,仙桃为7.28,鹤峰为0.661,潜江的耕地生态系统的转化效率最高,3个研究区域的产出能值均大于投入能值,具有经济效益,但在这种耕地生态经济系统能值输入与输出的不平衡状态下,如果输出的能值长期大于输入的能值,可能会造成耕地生态经济系统储存的能值日益减少,对于整个系统的生存、发展和生态服务提供都将产生不利影响;在能值投资率方面,仙桃为1.97,潜江为1.73,鹤峰为1.02,研究区对耕地的投入强度均较好;而在耕地集约利用度方面,仙桃最高,耕地集约度能值达到了1.38×1016sej/hm2.总体来看,经济发展对耕地利用效益的影响、土地集约利用程度都是仙桃>潜江>鹤峰.由此可见,仙桃的耕地利用经济效益最高,潜江次之,鹤峰最低.

表2 2010年潜江、仙桃、鹤峰各要素及产品太阳能值分析表

表3 2010年潜江、仙桃、鹤峰耕地利用效益评价指标分表

在耕地利用的生态效益方面,仙桃的自然资源承受的压力水平最大,达到1.97,说明仙桃单位环境能值在投入中的比值越小,尤其是受比较利益驱动,大量化肥、农药等生产要素的投入及不合理使用可能带来一系列的生态经济环境压力,而有机肥投入相应不足可能导致土壤肥力得不到及时补充,造成耕地生态环境质量下降;而从可更新环境能值比率来看,鹤峰的耕地潜力水平最高,达到了0.496,耕地可开垦潜力较大;3个研究对象能值自给率的水平与可更新环境能值比率水平一样,其中潜江、仙桃的自然条件就各自的生产能力而言相差不大,但综合自然条件承受的压力来看,仙桃压力水平为1.97,潜江为1.73,说明仙桃承受的压力相对潜江来说更高,自然条件承受压力更大.综合来看,鹤峰的耕地生态效益最好,其次为潜江,仙桃最差.

就耕地利用的社会效益而言,潜江耕地产出的社会效益最好,农村人均能值量达到了1.45×1016sej/人,粮食安全最有保障,为1.944×1017sej/hm2.鹤峰耕地利用的社会效益最差,农村人均能值量只有6.09×1014sej/人,粮食安全度最低,保障度为5.86×1015sej/hm2.仙桃耕地利用的社会效益则居于两者之间,农村人均能值量和粮食安全保障度分别为7.74×1015sej/人和1.01×1017sej/hm2.

从3个不同类型城市的耕地利用效益综合来看,资源型城市潜江,耕地利用产生的社会效益最好,粮食安全度最高,但耕地利用的经济、生态效益在3个城市中处中等地位;轻工业城市仙桃,其耕地利用产生了最好的经济效益,虽然土地集约利用度最高,但生态系统却依然承受了最大的压力;生态旅游城市鹤峰耕地利用生态效益最高,耕地利用的挖掘潜力最大,但目前耕地资源的先天条件不足,转换效率十分低下,因而耕地利用产生了最差的经济效益,社会效益和粮食安全度亦受很大的影响.

3.3结果讨论通过上述经济-生态-社会效益的比较可以发现,研究区域间耕地生态系统利用经济效益是平原城市好于山区城市,轻工业城市优于资源型城市;生态利用效益是生态旅游城市好于资源型城市,轻工业城市生态效益最差;社会效益为平原城市优于山区城市,资源型城市优于轻工业城市.

在所选的3个不同类型的城市中,两个地处平原,一个在山区.山区城市耕地的自身条件不足比较明显,在总投入和产出方面甚至出现了负值的情况.究其原因,山区城市的不可更新环境能值比例低且产出太低,耕地条件及地势条件的差异决定了山区城市在耕地经济生产、社会等方面的效益要远远落后于平原城市,经济生产只有靠加大投入和挖掘耕地集约利用度才能实现.

就工业城市内部而言,潜江和仙桃比邻,同处于江汉平原南部,自然条件差异不大.潜江是湖北省直管市,石油、化工等重工业发达,经济生产能力在湖北省同级别的城市中居于首位,经济发展程度高于仙桃.通过能值分析表可以看出,虽然潜江的耕地集约利用度和能值的投资率不是最高的,但产生的转换效率却是最高.这是由于在经济发展过程中,农业不是主导产业,如此耕地保留了较好的地力,在耕地生产和种植过程中有了较好的生产基础,也为今后农业生产的发展保留了较大的提升空间.

仙桃自然资源优越,耕地面积大,具有丰富的农副产品,生产的绝对数量要大于潜江.粮食和棉花等农产品可以充分支持其食品加工和纺织工业的发展,而轻工业的发展又增加了对相关农副产品的需求.因此,在区内产生一个农业和工业相互支持的循环系统.由于食品加工等产业一定程度上依赖于粮食生产,故这一循环系统对耕地资源的生产压力提出了较高的要求,需要通过加大对耕地的投入来生产农副产品以满足区域内的需求,故产生了较高的土地集约利用度.

需要说明的是,本文中各种产物能值转换率系引用Odum、蓝盛芳等在其他系统能值研究中的成果,因此对于湖北省耕地生态经济系统能值投入产出计算可能会产生一定偏差.尽管这对同一区域时间序列研究结论没有影响,但对不同产物能值转换率研究是能值分析理论与方法在耕地生态经济系统评价应用中应该进一步研究的问题.

4 不同类型城市耕地持续利用对策探讨

虽然潜江是江汉平原重要的资源型城市,但是其资源开采率已经超过存储量的70%,资源将逐渐枯竭.资源枯竭型城市要实现可持续发展,就必须进行产业体系的重构,实现绿色转型.目前,潜江保留了较好的土地利用经济、生态效益.因此,潜江耕地的可持续利用必将走依靠绿色的产业体系而不是目前传统的经济能值投入的发展道路.其中,第一产业可加快发展绿色农业,引导推广生态农业产业,如:发展无公害食品、绿色食品和有机食品,从而建设与资源、环境承载力相适应的农村绿色产业体系.基于此发展路线,一方面要充分利用潜江在武汉都市圈里的区位优势,开展区域间的合作,发展都市农业和精品农业,增加农产品的附加值.另一方面,可以进行相关技术支持,要进行土地整理,扩大耕地面积,调整土地利用结构,实现土地利用效益最大化.

仙桃耕地生态经济系统的环境负载率较大,耕地利用效益的可挖掘的潜力相对较小.可在现有的基础之上集约用地,严格控制建设用地对耕地的占用,保证留有充足的土地资源进行粮食的生产.政策方面可加强生态环境的保护,发展生态农业、节约型农业、循环农业.土地生态功能的提升是土地可持续利用的前提,因此不可忽视耕地生态经济系统中生态环境的建设.仙桃若充分并合理利用当前的生态资源,将会有效地促进耕地利用效益的提高.

鹤峰县的耕地资源条件不如前两者优越,这直接制约其耕地利用的效益.虽然当前土地有进一步挖掘的潜力,但就其本身质量而言这一措施并不是十分合适.建议选取以下两种耕地利用方法.

1)要实现耕地有效利用和耕地利用社会效益的提高,需要把注意力集中在特色农业的开发和生态旅游上.可以研究区域内的资源优势,进行农业生产结构的调整,扩大烟叶、茶叶、药材等特种作物的种植,增加此类农产品在能值产出量上的比重.进行土地整理和治理,合理改造中低产耕地以扩大农产品的种植面积.但在此过程中应注意保护自然资源,不宜侵占森林等.

2)生态补偿机制是以保护生态环境,促进人与自然和谐发展为目的,根据生态系统服务价值、生态保护成本、发展机会成本,运用政府和市场手段,调节生态保护利益相关者之间利益关系的公共制度.其内涵是人类在充分利用土地资源的同时,需要运用各种经济及政策手段协调土地利用相关主体的利益及矛盾,从而达到保护土地生态环境的目的.因此也可考虑在全省范围内,实现不同类型城市之间的生态补偿机制.

鄂西生态旅游区对于整个湖北省的生态建设具有重要的价值,鹤峰作为鄂西的生态旅游城市,拥有丰富的自然资源.因此,基于以上理念,鹤峰可与其他城市合作联动,在全省范围内建立生态补偿机制,适当考虑退耕还林,进行动植物物种的生态保育,为全省的的生态建设做贡献.而平原城市中粮食生产的主要区域,特别是潜江、仙桃这样较为发达的城市则可适当地在财政上间接给予补偿,或者对口进行相关产业的援助建设,从而提高鹤峰耕地资源利用的经济效益.

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