徐梦辰

摘 要：根据2003—2012年聊城市农业生态系统数据，运用能值理论方法，分析该市生态农业的投入与产出，采用可更新资源能值比率、能值自给率、净能值产出率、能值投资率、环境负载率和可持续发展指数等指标，对聊城市农业生态系统进行全面评价。结果表明：在能值投入上，主要依赖于后期的工业辅助能，而对当地环境资源的依赖程度较低；在能值产出上，畜牧业取得长足发展，已超过种植业，成为优势产业；研究区农业生态系统属于消费型，可持续发展指数逐年降低，仅维持在0.1以下，环境负荷率逐年升高，最高达15.5，区域环境压力大，生态状况难以改善。聊城市今后应大力发展节水灌溉农业，积极引进先进技术，调整工业辅助能投入，提高能值受益率，探索建立多层次、高功能的生态农业模式。

关键字：农业生态系统；能值分析；可持续发展；聊城市

中图分类号：F062.2 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.09.007

Study on Sustainability of Agricultural Ecosystem in Liaocheng City based on Emergy Analysis

XU Meng-chen

（Environmental and Planning School of Liaocheng University， Liaocheng， Shandong 252059， China）

Abstract： Through analyzing the emergy input and output of agro-ecosystem of Liaocheng， discussed the security of agro-ecosystem structure. This paper helped coordinate the relationship between agriculture production and ecological environment and provides references for scientific management of the sustainable development of Liaocheng. Based on the data of agro-ecosystem of Liaocheng in 2003-2012， used the methods of emergy and calculated some indicators of emergy， such as renewable resources emergy ratio， emergy self-sufficiency ratio， net emergy yield ratio， emergy investment ratio， environmental loading ratio and emergy sustainable index to analyze comprehensively on agriculture system of Liaocheng City. The research results showed on the emergy input， agriculture ecosystem rely mainly on industrial auxiliary emergy and the level of dependence on the local environment resources was low； on the emergy output， animal husbandry had a substantial progress， becoming a dominant industry， and exceeded the planting industry； the agro-ecosystem system in the study area belonged to consumer type， with the emergy sustainable index decreasing gradually （only keep below 0.01） and the environmental loading ratio increasing year by year （the most up to 15.5）. The regional environmental pressure was enormous and ecological status was difficult to improve. Future agricultural ecosystem management should vigorously develop water-saving irrigation agriculture with actively introducing advanced technology， adjusting industrial auxiliary energy input and enhancing emergy value benefit rate. Explored establishing multi-level and high function of ecological agriculture model.

Key words： agro-ecosystem； emergy analysis； sustainable development； Liaocheng City

20世纪80年代，美国著名生态学家H.T.Odum在系统生态、能量生态、生态经济理论基础上创立了能值理论及分析方法[1]。我国于20世纪90年代由留美学者蓝盛芳引入[2-4]。能值分析是把生态系统中不同种类、性质或无法比较的能量转化为统一计量标准的能值[5]，从而评价其在系统中的作用和地位，分析系统的结构功能及生态经济效益。农业是人类的生存之本，在经济、环境协调发展的大背景下，能值理论可实现农业生态系统的定量分析[6]，揭示研究区农业结构特征与发展障碍[7]。目前，我国能值指标的研究以农业生态系统[8-9]为典范的较多，包括生态农业无公害设施蔬菜生产的系统效率和可持续性评价[10]。但研究的对象与内容已涉及湖泊湿地生态系统能值投入与产出下的系统结构与功能分析[11]、自然保护区旅游生态系统能值模型与可持续发展体系[12]、小水电站建设综合定量评估[13]等，研究的范围与深度仍将进一步扩展。有关农业历史悠久、经济欠发达地区的农业生态系统结构与可持续发展问题，并未见从统一量纲的能值分析角度报道。笔者运用能值理论方法，分析经济欠发达地区聊城市的农业生态系统的可持续性，旨在揭示该市农业系统的结构、经济及环境的内在结点，以期为区域农业可持续建设提供理论依据。

1 数据来源与研究方法

本数据来源于2003—2012年《聊城市统计年鉴》。综观前人研究的基础上，选择可更新资源能值比率、能值自给率、能值投资率、净能值产出率、环境负载率和可持续发展指数作为对聊城市农业生产效率、发展水平、环境资源压力和系统可持续性的评价指标[8-10]，对聊城市农业生态系统进行全面评价。不同类型的能量具有不同的能级和能质，各类能量之间具有特定的转换关系即能值转换率[2]，为避免重复计算，根据能值理论，同一性质的能量投入只取其最大值[8]。具体公式如下[14-16]：

物质或能量转化为太阳能值的基本表达式为： M=τ×B； （1）

可更新资源能值比率公式：

EVR=（R+T）/E； （2）

能值自给率公式：

ESR=（R+N）/E； （3）

净能值产出率公式：

EYR=（R+N+F+T）/（F+T）； （4）

能值投资率公式：

EIR=F/（R+N）；（5）

环境负载率公式：

ELR=（F+T+N）/R； （6）

可持续发展指数公式：

ESI=EYR/ELR。 （7）

式中，M：太阳能值（sej）；τ：能值转换率；B：可用能；R：可更新环境资源；T：可更新有机能；N：不可更新环境资源；F：工业辅助能；E：总能值投入。

2 结果与分析

2.1 能值投入结构分析

农业生态系统的能值投入包括可更新环境资源、不可更新环境资源、工业辅助能和可更新有机能。如图1a所示，聊城市2003—2012年农业系统投入的能值总流量在（1.45～1.73）×1021 sej之间，其中，不可更新的工业辅助能值投入最大，占总投入量的91.2%～92.9%，已超过全国平均水平（62%），并呈现上升势头。该市农业发展主要依靠工业辅助能值的投入，并对其依赖程度逐年增加。然而，长期的化石能源投入与农药化肥使用破坏了土壤物化性质，造成了土壤板结、养分失衡，导致区域生态服务功能下降。由图1b可知，氮肥占工业辅助能值的37.6%～46.1%，比例最高；其次是复合肥，占18.0%～17.5%。由此可见，氮肥使用是该市农业生产的传统，但近几年随着农业结构调整和科技进步，复合肥的投入不断提高，逐渐受到农民青睐。如图1c，可更新环境资源投入占总投入量的6.04%～7.54%，并且呈下降趋势，其中太阳能、风能投入基本保持不变，农业用水投入不断增加，雨水势能和雨水化学能受降雨量的影响，变化趋势基本相同。无偿环境能值投入占总能值投入的7%，严重低于全国13%的平均水平，这表明聊城市的环境资源对农业贡献小，该市优质的资源禀赋未得到有效利用。不可更新环境资源投入主要是表土层养分损失，约占环境能值投入的14%（图1c），这是水土流失导致的。针对这一问题，聊城市应加大水土流失治理力度，改善生态环境。可更新有机能值在总投入中占比例最小，在0.032 5%～0.039 3%之间，其中有机肥自2006年以来能值投入不断加大，这在一定程度上反映了人们生态意识的增强（图1d）。

2.2 能值产出结构分析

由图2a可知，聊城市农业生态系统总能值产出在（3.02～3.79）×1022 sej之间，农林牧渔业能值产出依次为（1.26～1.56）×1022 sej、（2.14～3.04）×1020 sej、（1.56～2.27）×1022 sej和（4.18～6.02）×1019 sej。2003—2012年，聊城市种植业平均产出占总产出的41.9%，并呈现持续下降态势；林业占0.78%，并呈上升趋势；牧业和渔业分别占57.1%和0.22%，二者虽略有波动，但整体呈上升态势。由此可见，聊城市的农业产出以种植业和畜牧业为主导。其中，畜牧业发展迅猛，所占比例逐年增大，而种植业却呈现下降趋势，说明该市正逐步由传统型农业升级为综合型农业。畜牧业产值占农业总产值比例的高低，是衡量一个国家或地区农业结构是否合理、生产是否先进的主要标志之一[17]。目前，聊城市大力发展畜牧业，可以拉动种植业、促进加工业的兴起，这将是形成其农业内部结构合理化和拉长产业链条的重要途径。如图2b所示，畜产品（肉类、禽蛋和奶类）能值产出比例较大且逐年增加，这与消费者对肉、蛋、奶需求的增加趋势一致，反映了人民生活质量正在提高。种植业中小麦、玉米、棉花、油料等大宗农产品占种植能值的80%以上（图2c）。杂粮、蔬菜和瓜果种植均为劳动密集型产业，能够吸纳大量劳动力，虽然其能值产出不高，但经济价值可观，可以与外界交换更多能值，因此该市应予以适当发展。相比之下，林业和渔业所占能值比例较小，仍需改善。

2.3 环境与经济效益的能值分析

2.3.1 可更新资源能值与自给率 由图3a可知，2003—2012年聊城市农业可更新资源能值比率呈下降趋势，由7.58%下降至6.07%，究其原因，主要是人工辅助能值投入不断上升，由1.32×1021 sej增加至1.59×1021 sej。可更新能值比率持续降低，表明聊城市农业生产力对当地可更新资源能值投入的依赖度正逐步降低。如图3b所示，近10年来聊城市农业生态系统的能值自给率都低于10%，并呈现持续下降态势，从2003年的8.78%下降到2012年的7.08%，这反映了该市对自身优质自然资源利用不足，环境资源依赖程度较弱。

2.3.2 净能值产出率与投资率 净能值产出率反映了某种资源的竞争力和经济效益。若净能值产出率高，说明竞争力强、回报效益高；反之，则竞争力弱，开发效益低。由图4a可知，聊城市农业系统的净能值产出率为1.075～1.1，近10年来呈现持续下滑的态势，这表明聊城市农业系统整体功能较好，运转效率较高，具备较强的竞争力。聊城市的自然禀赋优越，但由于农业经营粗放，生产集约化程度低，导致净能值产出率逐年降低。在今后的农业发展中，应调整产业结构，加强科技投入，改进生产管理模式，降低生产成本，进一步强化市场竞争力。

能值投资率是用来表示开发单位资源所消耗的能值数量，经常受社会、经济和政治等因素影响。若本地或无偿资源是当地经济系统开发和运行的主导，则该比例较小，但过低的能值投资率难以吸引外来资本。该比值过大则代表资源开发的能值投入几乎都是有偿的，此时成本大幅攀升，系统竞争力降低。如图4b所示，聊城市农业系统能值投资率为10.4～13.1，呈上升趋势，这一现象表明聊城市农业生态系统对经济投入依赖程度较大，对工业辅助能值（机械、电力、化肥等）的需求不断增加。

2.3.3 环境负荷与可持续发展 环境负载率是经济系统的警示性指标，若系统长期遭受较高的环境负载，将对其造成不可逆转的功能衰退或丧失[17]。资源过度开发与外界能值的大量输入是导致系统环境恶化的两大直接因素。如图5a所示，2003—2012年聊城农业系统的平均环境负载率为13.9，呈现增长趋势，这反映了该市农业已对环境、资源造成了巨大压力，致使环境资源效益低，令自然、社会、经济间的发展难以协调。从能值投资率亦可看出，不可更新的工业辅助能投入不断增加，长期大量使用农药、化肥已对当地环境带来危害。因此，今后该市应增强生态建设和环境资源管理，提高资源的利用效率；注意水土保持，改善土壤肥力，加大有机肥等原生肥料的使用，以提高系统生产效率。

一个国家或地区的农业生态经济系统能值产出率高且环境负载率相对较低，则它是可持续的；反之是不可持续的[18]。若可持续发展指数在1和10之间，则表明系统具备活力且发展潜力大；若大于10，则表明系统持续性不强；若小于1，则属消费型系统。由图5b可知，2003—2012年，聊城市可持续发展指数在0.069～0.090之间，总趋势为下降态势。说明聊城市农业生态系统属于消费型，农业现代化和信息化程度较低，对有偿能值依赖性强，导致系统存在一定风险与脆弱性。近年来，该市农药、化肥施用不合理现象加剧，不仅削弱了耕地土壤的天然肥力，更严重影响到食品安全。

3 结 论

（1）在能值投入上，虽然聊城市具有优越的自然条件，但可更新自然资源所占比例小，而人工辅助投入却高达90%以上，因此应更加注重能源和资源的转化效率，防止资源浪费，避免生态环境遭受严重破坏。

（2）在能值产出上，畜牧业产出已超过种植业，这反映了聊城作为传统农业城市，在保证种植业稳健发展的同时，正大力提升畜牧业水平。近年来，聊城市可持续发展指数均小于0.1，并持续降低，这说明该市消费型农业经济系统的状况难以改善。

（3）聊城市生态农业系统环境负荷较高，可持续发展指数低，农业发展主要依赖于后期的工业辅助能，对本地环境资源利用程度低。2005—2006年聊城市进入干旱年，雨水势能和雨水化学能达到最低点，进而总能值投入量受到影响，这体现了该市农业灌溉主要依靠天然降水的特点。促进生态环境和农业生产的和谐发展，是农业生态系统可持续发展的关键环节。

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