徐州耕地生态经济系统结构、功能及可持续性能评价

金 丹，卞正富

（中国矿业大学国土资源研究所，江苏 徐州 221008）

耕地生态系统作为自然环境系统和人类社会经济系统共同构建的生态经济复合系统，在人类生产活动的各部门中与自然资源环境的关系非常密切。因此，用系统的观点全面地对耕地生态经济系统进行可持续性评价，是合理利用和有效保护耕地资源的有效途径。1993年联合国粮农组织提出《持续土地利用评价纲要》，确定了土地可持续利用的5项评价标准，并初步建议在自然、经济和社会等方面的评价指标［1］，成为世界各国开展土地可持续利用评价的指标和方法研究的纲领性文件。中国学者根据国情开展研究，建立了具体的评价指标体系和评价方法。谢俊奇［2］在提出可持续土地利用概念的基础上，对可持续土地利用的社会、资源环境和经济影响评价的程序及30个评价指标进行了研究。张凤荣等［3］应用《持续土地利用评价纲要》的原理，构建了耕地持续利用管理评价指标体系的框架，即反映耕地生产力，生产稳定性、资源保护性、经济可行性和社会接受性5大方面的指导。中国土地利用可持续指标的研究集中在土地合理利用、农业可持续发展、农业资源高效利用研究等方面［4］，并且已经认识到土地可持续评价的复合生态经济系统特征，但在社会、经济、环境等方面指标进行综合评价仍存在局限性。因此对农业生态经济系统的评价各有侧重，要么侧重于系统能量流研究，忽略不同类别不同能质的能量流对生态系统的作用和贡献；或者侧重于经济效益，以经典经济学首要评价指标——产出投入比表述农业经济系统的效益，忽略自然环境资源对经济活动的价值。这些方法往往把同一系统中的各种效益割裂开来，因此，需要一个共同的标准来衡量和表达环境资源与经济活动的价值以及它们之间的关系。

能值理论和方法作为一种新的资源—经济价值论和系统分析方法，被认为是连接生态学和经济学的桥梁［5］。20世纪80年代，美国著名生态学家Odum提出“能值（emergy）”一词，并逐渐发展成能值分析理论方法［6］。某种类别流动或贮存的能量所包含的另一种类别能量的数量，称为该能量的能值，单位为太阳能焦耳（solar emjoules，sej）。相应地，单位某能量或物质所含能值量称为该能量或物质的能值转换率使用太阳能值转换率（solar transformity），单位为太阳能焦耳/焦耳（或克），即sej/J或sej/g。能值理论和方法引入中国以后，被应用到具体农业生态系统能量流和能量分析中，得到很多有价值的结论［7-9］。徐州作为国家和江苏省重要的农业生产基地，运用能值理论和方法对该地区耕地生态经济系统进行能值评估，能够综合反映系统中资源环境与经济活动的相互关系以及系统的运行状况，能为地区合理开发保护耕地资源、确保粮食安全和社会稳定提供决策支持。

1 研究区概况

徐州位于江苏省西北部，属暖温带季风气候区，总面积为11258hm2。2006年年末实有耕地59.62万hm2，占土地总面积的52.96％。耕地资源利用充分，2006年复种指数达到170.28％，农作物总播种面积101.53万hm2，其中粮食作物、经济作物和其他作物播种面积为61.32万hm2、11.11万hm2和29.10万hm2，分别占总播种面积的60.40％、10.94％和28.66％；有效灌溉面积为47.49万hm2，耕地灌溉率为79.65％。土壤普查表明，徐州耕地土壤有机质含量为0.98％，且熟土层浅，土地结构差，其中中低产耕地约占全市耕地总面积的20％。随着人口不断增长和各类建设占用耕地，1990年至2006年，全市人均耕地面积从0.077hm2减少到0.064hm2，人均粮食占有量从496.33kg/人减少到382.85kg/人。生产中大量使用化肥、农药及农用塑料薄膜，造成土地污染严重，耕地质量下降；再加上周边非农建设用地生产的强烈影响，耕地生态环境问题日益突出。

2 研究方法和数据来源

根据能值理论和方法，以耕地生态经济系统中能量投入和产出数据为基础，将系统能值投入分为可更新环境资源、不可更新环境资源、不可更新工业辅助能及可更新有机能4类，系统能值产出为粮食作物、经济作物及其他两类，各类能值流包括一些具体的能值项目。通过能量折算系数和能值转换率将系统中各种能量或物质项目转换为能值，形成能值投入—产出评估表。在此基础上计算能值流和建立能值指标体系，分析20世纪90年代以来徐州耕地生态经济系统的结构、功能及可持续性能变化情况。

选取1990年、1995年、2000年、2003年和2006年5个时间点。能源和物资消耗、农作物产量原始数据主要来自对应年份的《徐州统计年鉴》［10］、《江苏省农业经济统计手册》①农业统计.江苏农业网.http://www.jsagri.gov.cn/function/indezb.asp，2008-09-25/2009-03-28.，并结合部分调查数据。能量折算系数及相关参数参考骆世明等［11］的研究数据，太阳能值转换率参考Odum［6］、蓝盛芳［8］和严茂超［12］等的研究成果。

3 徐州耕地生态经济系统能值评估

3.1 徐州耕地生态经济系统

随着农业产业结构调整，徐州耕地生态经济系统结构日趋复杂，由传统的单一粮食种植向粮、棉、油等多粮食结构转变。系统的生态过程形成维持人类赖以生存的自然环境条件与效用，直观表现为农产品产量。实际上，耕地生态经济系统有机物质生产的绝大部分成为维持系统功能持续的代谢基础，维护着整个生命系统的稳定和平衡，因此具有普通生态系统的服务功能，比如太阳能的固定、气候调节、水源涵养、水土保持、土壤肥力的更新和维持、营养物质的循环与贮存、CO2的固定和O2的释放等［13］。因此，一定数量的耕地保有量不仅是一个国家和地区社会稳定的重要保障，更是维持生态系统的服务功能实现可持续发展的基础。

3.2 徐州耕地生态经济系统能值评估

鉴于版面有限，将原始数据折算、转换计算过程略去。根据选取时间点的能值评估结果建立系统能值流和能值指标体系（表1）。

表1 徐州耕地生态经济系统能值流及能值指标体系Tab.1 Energy flows and energy indexes of eco-econom ic system of cultivated land in Xuzhou

项目工业辅助能值/总能值有机辅助能值/总能值工业辅助能值/总辅助能值有机辅助能值/总辅助能值人均辅助能值量（sej/人）人均能值量（sej/人）能值密度（sej/m2）能值/货币比率系统生产优势度系统稳定性指数系统可持续性能指数代号或表达式EmF/EmT EmR1/EmT EmF/EmU EmR1/EmU EmU/P EmT/P EmT/A EmT/GNP c s SEI 1990年6.64E-01 1.83E-01 7.84E-01 2.16E-01 2.75E+15 3.24E+15 1.19E+12 9.87E+12 5.96E-01 5.94E-01 1.54E-01 1995年7.00E-01 1.71E-01 8.04E-01 1.96E-01 2.98E+15 3.42E+15 1.21E+12 5.81E+12 5.39E-01 6.54E-01 1.40E-01 2000年7.64E-01 1.24E-01 8.60E-01 1.40E-01 4.04E+15 4.55E+15 1.54E+12 6.28E+12 5.20E-01 6.73E-01 1.03E-01 2003年7.84E-01 1.01E-01 8.86E-01 1.14E-01 5.11E+15 5.77E+15 1.66E+12 5.83E+12 5.13E-01 6.80E-01 6.72E-02 2006年8.10E-01 9.62E-02 8.94E-01 1.06E-01 5.92E+15 6.53E+15 1.74E+12 3.63E+12 5.00E-01 6.93E-01 7.04E-02

4 基于能值的耕地生态经济系统结构、功能、可持续性能分析

4.1 系统能值投入—产出结构分析

4.1.1 能值投入结构

在徐州耕地生态经济系统中，工业辅助能占有重要地位，投入比例在66.44％以上，研究期内呈明显的增长趋势；有机能的投入比例从1990年的18.32％下降为2006年的9.62％（图1）。农机动力逐渐替代人力成为主要生产动力，化肥替代农家肥成为主要肥料。辅助能的总投入比例反映出徐州地区的精耕细作程度较高，工业辅助能的投入能力也反映了农村收入水平的高低。环境资源对生产的贡献从15.23％减少到9.35％，说明耕地生态经济系统的运行对环境资源的依赖性不大，其中土地有机质损失比例还不到总能值投入的2.00％，表明农作物的生长已不再依靠耕地的自然生产力，而主要依靠不断增长的工业辅助能投入（图2）。

图1 耕地生态经济系统能值投入结构Fig.1 Energy input structure of cultivated land eco-econom ic system

图2 耕地生态经济系统不同类型能值流投入动态Fig.2 Dynamic input of various types of energy of cultivated land eco-econom ic system

4.1.2能值产出结构

1990—1995年，粮食作物的产出比例下降幅度为11.14％，1995—2000年为37.32％，而对应的经济作物产出比例上涨幅度分别为28.53％和66.08％（图3）。说明农村改革进程中，经济作物对农村经济收入和城乡人民生活的重要性越来越受到重视。

目前，衡量种植业结构调整程度的“粮经比”常用面积比或产量比表示，有时用产值比表示，没有统一。而粮食作物和经济作物的能值产出比，可以消除各地耕地地力、产品质量差异和价格变动的影响，便于进行地区间和地区内部年度间的比较。因此，基于能值的“粮经比”能更科学和真实地衡量产业结构调整程度，粮食作物和经济作物的货币价值则能更好地体现结构调整带来的经济效益。2006年徐州地区基于能值的“粮经比”已由1990年的72∶28调整为48∶52（图3）。图4显示了研究期内粮食作物和经济作物的能值产出量动态变化情况。

实验室文化建设不仅对实验人员具有激励和引导作用，而且在培养学生严谨求实的科学态度，过硬的实验操作技能，良好的科研素质及勇于探索知识的精神方面具有不可替代的作用，其内涵包括人文文化(精神文化)建设、环境文化建设和制度文化建设。

图3 耕地生态经济系统能值产出结构Fig.3 Energy output structure of cultivated land eco-economic system

图4 耕地生态经济系统能值产出动态Fig.4 Dynamic energy output of cultivated land eco-economic system

4.2 能值指标分析

4.2.1 净能值产出率

净能值产出率（EYR）为系统产出能值与经济反馈（投入）能值之比，用来评价基本资源利用效率，也可以说明产业生产活动的竞争力。从图5可以看出，2000年之前的净能值产出率大于1，表明系统的整体功能较好，投入的能值转化率高。1995年之后开始下滑，说明在等量的投入下，系统的能值产出减少，产品竞争力减弱，直到2003年开始好转。2000年之后净能值产出率小于1，说明生产成本较高，生产者收益较小。

图5 耕地生态经济系统净能值产出率Fig.5 Net energy output ratio of cultivated land eco-economic system

图6 耕地生态经济系统环境负载率Fig.6 Environmental load ratio of cultivated land eco-economic system

4.2.2 环境负载率

基于能值的环境负载率（ELR）是投入的辅助能值与不可更新环境资源的能值之和与无需付费的可更新环境资源能值之比。较大的环境负载率表明系统对可更新环境资源的利用率较高，也是系统能值利用较强的体现。1990年以来，环境负载率几乎呈直线上升趋势（图6），生态环境承受的压力越来越大。环境负载率提供了一种生态预警功能，一旦能值使用强度超出系统所能承受的阈值，系统的自组织能力便趋于减弱，生态系统将产生不可逆转的功能退化。

4.2.3 系统生产优势度

借鉴生物群落结构分析中的优势度指标，复合系统生产优势度的计算公式为［14］：

式1中，EmYi表示系统中第i个子系统的能值产出；EmY表示系统能值总产出。系统生产优势度反映结构总体的生产单元均衡性，较高的优势度值说明一个或少数几个生产单元占主导地位；反之说明系统结构趋于平衡、合理。

图7 耕地生态经济系统的系统优势度Fig.7 Dominance of cultivated land eco-economic system

图8 耕地生态经济系统的系统稳定性Fig.8 Stability of cultivated land eco-economic system

4.2.4 系统稳定性指数

复合系统的稳定性指数计算公式为［15］：

式2中，各字母含义与式1相同。系统稳定性指数高说明系统的各种能值流连接网络发达，系统的自控、调节、反馈作用强，具有更大的自稳定性。

1990年以来，系统的稳定性指数持续上升（图8）。对比图7可以发现，系统中各结构单元不断平衡时，系统的稳定性指数也在上升，并随着结构的平衡趋于稳定。表明生态系统的多样性与稳定性呈正相关，适度发展经济作物对于增强耕地生态经济系统的自稳定性具有促进作用。

4.2.5 能值/货币比率

能值/货币比率（EDR）为系统能值总投入与当年耕地生态经济系统总产值的比率，此处借用GNP表示产值（见表1）。随着地区经济发展，各种辅助能的投入对耕地生态经济系统的贡献越来越大，能值/货币比率呈逐年下降趋势（图9）。能值流量相当的经济价值称为能值—货币价值（Em＄），等于该项能值流量除以当年能值/货币比率，通过能值—货币价值可以从宏观上了解该项资源对经济的贡献。

4.2.6 系统可持续性能指数

基于能值的系统可持续性能指数（SEI）为系统净能值产出率与环境负载率之比［16］。可持续发展的要义是社会经济发展和生态环境持续，对于耕地利用而言，即要求系统的能值产出率高，而环境负载率低。该指数从社会、经济、生态3方面综合评价耕地可持续性能状况。美国生态学家Brown等人通过实证研究确定：0＜SEI＜1时，系统有活力，具有较强的可持续性；SEI＞10时，系统对资源的利用不够，是社会经济不发达的象征；SEI＜1时，属于环境负载率较高的消费型生态经济系统［16］。在评价时间点上，徐州耕地生态经济系统可持续性能指数远小于1（最高为0.154，表1），表明系统可持续性能很弱，且下降趋势明显，目前有上升迹象（图10）。

图9 耕地生态经济系统能值货币比率Fig.9 Energy currency ratio of cultivated land eco-economic system

图10 耕地生态经济系统可持续性指数Fig.10 Energy sustainable indices of cultivated land eco-economic system

5 结论

（1）提出基于能值的“粮经比”分析耕地生态经济系统的能值产出结构。作为全国主要商品粮基地之一，徐州要高度重视粮食生产和粮食安全体系的构建，在稳定粮食产量前提下，适度控制经济作物增长幅度。

（2）徐州耕地生态经济系统的生产成本较高，在同等条件下，农产品在市场上不具备较强的竞争力，其能值产出不能作为地区的主要能值来源。直线上升的环境负载率表明系统承受的生态压力越来越大。

（3）徐州耕地生态经济系统的粮食作物和经济作物能值产出结构现趋于平衡，系统具有比较好的自稳定性。

（4）高强度的能值利用保证了一定的能值产出，同时给原本薄弱的耕地基础地力造成负担。长期重用轻养的生产方式导致徐州耕地生态经济系统的可持续性能很弱，且呈下降趋势，但目前有好转迹象。

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