草地农业的循环经济特征分析

2013-04-10 06:13唐静林慧龙
草业学报 2013年1期
关键词:能值草业草地

唐静,林慧龙

(草地农业生态系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州730020)

循环经济思想[1-3]萌芽可追溯到环境保护思潮兴起的时代。它是发达国家针对工业化进程中出现的资源与环境问题,探索和建立的一种新的经济发展模式。循环经济理念首先于20世纪90年代在国际上形成,1998年引入我国并广为传播,随后作为一种新型的经济模式被提出,已经成为中国21世纪实施科学发展、建设和谐社会的重要战略之一[4,5],并于2009年开始施行《中华人民共和国循环经济促进法》以促进循环经济发展[6]。

所谓农业循环经济,是以资源节约和循环利用为特征,从而实现生态的良性循环和农业的可持续发展的经济发展模式。它最重要的实际运作原则是“减量化(Reduce)、再利用(Reuse)、再循环(Recycle)”,简称“3R”原则[7]。循环农业是世界农业发展的最新趋势,也是对传统农业发展模式的深刻变革[8,9],使农业在更高层次上实现超常规、跨越式科学发展的有效途径和载体[10]。同时,中国的农业系统正处于自发阶段向后现代化阶段和草地农业系统阶段的迅速转变过程中[11],发展农业循环经济是我国的必然选择。在此基础上,形成了草地农业循环经济的新的运作原则即“系统耦合”[12],通过充分发挥其巨大潜势[13-18],可促进农业循环经济又快又好地发展。但关于草地农业在循环经济中的作用、地位尚未见报道。

现今伴随可持续发展理念的深入人心,系统耦合时间尺度缩短,空间尺度扩张,草地农业除了取得生态经济等多方面的效益外,还肩负起了保障粮食安全的重任[19-21],“蔵粮于草”[22]的可行性不容置疑。本研究通过对四墩子乡进行能值分析,进一步阐述草地农业循环经济的特征,进而论述草地农业处于农业循环经济中的中心地位。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

四墩子乡位于宁夏回族自治区盐池县境内。气候属温带荒漠化半干旱气候。东经107°8′,北纬37°8′。境内海拔东高西低,多在1 380~1 500m。西南部最高海拔1 604m。该区太阳辐射量582.2×103J/(cm2·a),年均温7.7℃,>0℃年积温3 522.5℃。年降水量296.5mm,年蒸发量2 131.7mm。总土地面积7 933hm2,其中天然草地占5 820.7hm2[23]。

该区生态系统十分脆弱,自从1986年开展“草地农业生态系统研究与开发途径”项目以来,随着农牧业生产结构、系统能量、物质输入与输出的合理调整,农业生产有了很大的改观。此后,四墩子成为草地农业力能学研究的典型试验地[23]。

1.2 研究方法

能值分析是以能值为基准,把生态系统或生态经济系统中不同种类、不可比较的能量转换成同一标准的能值来衡量和分析,从中评价其在系统中的作用和地位;综合分析系统中各种生态流(能物流、货币流和信息流等),得出一系列能值综合指标,定量分析系统的结构功能特征与生态经济效益[24-30]。

1.2.1 初级生产取样 分别对天然草地、栽培草地、农作物及林地的物质产量进行多次重复样方测产。

1.2.2 次级产品取样 在四墩子乡的6个自然村,每村选5户。对其羊、猪、鸡进行逐月称重,并记载毛、蛋产量及役用家畜的工作时数。最后对家畜增重、产毛、产蛋及役用分别以相应的折算系数换算成能量值(表1)。

表1 生物能和辅助能的能量折算值[31]Table 1 The energy equivalents of biological energy and supplemental energy

1.2.3 商品能量 每个自然村选取15户。对其当年买入和售出的商品种类、数量进行详细记载。并参照以往的调查数据,按相应的折算系数折合成能量值,最终确定系统输入和输出的能量。

1.2.4 化学分析 将取得的植物样品分别在105℃条件下烘干(8~10h),称重。最后制成样品,用常规分析法,分析其营养成分。再用Parr自动绝热式氧弹测定仪测定全部植物样品的热值,同时测定样品的水分及灰分含量。

1.2.5 太阳辐射能测定 用太阳辐射仪逐日观测。

1.3 能值指标

1.3.1 太阳能值转换率 太阳能值转换率即每单位某种类别的能量或物质所含(相当)的太阳能值之量。

1.3.2 能值投资率 能值投资率等于人类经济系统投入(反馈)的能值与自然环境资源输入生产过程的能值之比,前者如燃油、电力、物资和劳务等,均需花钱购买,故称为“购买能值”;后者来自自然界无偿投入,称为“无偿能值”,包括土地等不可更新资源和太阳光、风、雨等可更新资源。它可用于衡量经济活动在一定条件下的竞争能力,该指标可表示系统对环境资源的利用程度。

1.3.3 净能值产出率 净能值产出率为产出(输出)的能值与反馈(输入)的能值之比,其中反馈的能值来自人类经济系统。

1.3.4 环境负载比率 环境负载比率=[不可更新环境资源投入+不可更新辅助能(电、化石能等)]/[可更新环境资源投入(太阳能、水资源等)+可更新有机能投入(人畜力等)]。

1.3.5 能值可持续发展指数 能值可持续发展指数ESI(emergy sustainability index)为系统能值产出率与环境负载率之比。如果一个农业系统能值产出率高而环境负荷率又相对较低,则它是可持续的,反之是不可持续的。

2 结果与分析

2.1 宁夏盐池四墩子乡农业生态系统能值指标

草地农业亚系统的太阳能值转换率最高为667.230×104sej/J,其次是农田亚系统,林地亚系统最低(表2),其产出都是通过绿色植物转化太阳能为初级产品能。草地农业亚系统因增加了动物同化初级产品的次级生产环节,所提供的产品能质等级最高,具有较高能质和较大控制能力,在全系统中扮演中心功能作用;但从另一角度看,作为较高等级者的草地农业亚系统需要较大量低能质能量来维持。

农田亚系统的能值投资率为16.842,高于全系统、草地、林地亚系统(表2),表明农田亚系统每单位无偿环境资源的利用相应投入了较高的购买能值,提高了生产成本,降低了竞争能力;另一方面由于购买能值投入较多,导致对无偿环境资源的利用偏高。

净能值产出率中的反馈能值来自人类经济系统,它说明经济生产的能投应用效率,Odum[25]认为该值应在1~6,如果一个系统的净能值产出率小于1,则该系统的能值将不会增加。林地、农田亚系统的净能值产出率相对较高,主要原因是所利用的无偿环境能值相对高而购入能值利用相对少。草地子系统能值产出率与全系统近似,对自然环境的依赖性很低,未得到全系统及其他子系统组分的反馈加强,发生了生态链的断裂问题,基本上完全依赖于人类社会的购入性反馈投入(表2),可考虑降低草地亚系统购买饲草料能值的投入比例,以提高草地子系统对全系统的依赖性。

表2 宁夏盐池四墩子乡农业生态系统能值指标Table 2 The emergy indices of agro-ecosystems in Sidunzi country,Yanchi county,Ningxia

最高的环境承载力表明农田亚系统,一方面在能值利用上的技术水平较高,另一方面也反映了农田亚系统环境所承受的压力较大;非常高的环境负荷率意味着经济活动对农田亚系统的环境产生过大的压力,甚至可能会超过生态环境的承载能力。

草地亚系统环境承载力最低为0.054,远低于农田亚系统和全系统,表明目前草地亚系统对环境的压力相对较小,还有进一步开发利用的潜力。在此需要特别指出的是:草地亚系统由于家畜的介入所产生的间接反馈作用,使农田、林地子系统环境负载率降低,从而直接导致全系统环境负载率较低。

由于化肥、农药投入率极低,草地、林地子系统的ESI值远高于全系统和农田子系统,表现出强的可持续发展性能。更值得注意的是,与农田子系统(经济效益好,但环境压力大,是可持续发展最差的子系统)相比,草地子系统由于家畜生产(增益环)的引入对于全系统可持续发展性能提高的正面影响作用显著。

2.2 宁夏盐池四墩子乡农业生态系统能值分析

农业在我国干旱地区经济发展中占有重要地位。盐池县四墩子乡地处黄土高原北缘干旱与半干旱区过渡的交错区,属传统农业系统,按产业类型分为3个亚系统,即农田亚系统、草地亚系统和林地亚系统。以该农业系统作为我国农业系统的一个典型案例,采用能值分析方法,进行系统层和子系统层的比较研究(图1)。整个系统的能值投入、产出见表3。

2.3 宁夏盐池四墩子乡农业生态系统投能结构分析

农田亚系统能值总流量估算为28.440×1017sej(sej=solar energy joules,太阳能焦耳),其中可更新环境资源、不可更新环境资源、不可更新的工业辅助能值、可更新的有机能值各占总能值流量的4.54%,1.07%,70.88%和23.51%(表3)。工业辅助能值投入最大,电力的能值投入占工业辅助能值投入总量的56.91%,居于首位,表明工业辅助能值投入主要是用于灌溉的能源投入,化肥农药的投入占工业辅助能值投入的18.46%,也不容忽视。可更新的辅助有机能仅次于工业辅助能,仍占有重要地位,有机能中主要的能值投入来自有机肥与人力,表明农田亚系统仍属于传统种植农业阶段。

草地亚系统能值总流量为89.275×1017sej,其中可更新环境资源、不可更新环境资源、不可更新的工业辅助能值、可更新的有机能值各占总能值流量的15.35%,3.61%,1.53%和79.51%(表3)。可更新的有机能投入最大,其中补饲饲料的投入占可更新的有机能值投入总量的93.38%,居于首位,表明草畜失衡是当前草地亚系统的首要问题。

林地亚系统能值总流量估算为0.584×1017sej,其中可更新环境资源、不可更新环境资源、不可更新的工业辅助能值、可更新的有机能值各占总能值流量的24.30%,5.73%,15.82%和54.12%(表3)。可更新的有机能投入最大,其次为可更新环境资源。

全系统能值总流量估算为130.786×1017sej,其中可更新环境资源、不可更新环境资源、不可更新的工业辅助能值、可更新的有机能值各占总能值流量的12.51%,2.94%,20.10%和64.45%(表3)。可更新的有机能投入最大,其中补饲饲料的投入占据了较大份额;不可更新的工业辅助能次于工业辅助能,仍占有重要地位,其中机械、电力投入占据较大比例。

图1 农业生态系统能值流程示意图Fig.1 The emergy diagram of agro-ecosystems

3 讨论

3.1 草地农业处在大农业的中心环节

草地农业是生态农业的一种,是从西方“有畜农业”发展而来。它是草地与农田、林地相结合,植物生产与动物生产相结合,产品生产与流通生产相结合,包括前植物生产层、植物生产层、动物生产层、后生物生产层[32]。在草地农业系统各生产层之间存在着由3个界面连缀而形成的系统耦合[33]。在一定的空间范围内,草地农业生态系统的4个生产层中的任意2个或2个以上,都可以进行系统耦合,并加以优化,以达到持久、稳产、丰产的目的。这种耦合具有时间和空间特性,可以形成不同类型的耦合模型[34,35]。据估算以20世纪80年代初中国牧区生产水平为基础,只要把植物生产层和动物生产层加以耦合,就可以提高生产水平10倍以上[36]。因此,实行草地农业,可实现能量分级利用,达到物质内部循环的目的。

目前,饲料用粮已成为我国粮食生产主要压力,如果继续坚持传统的“粮—猪农业”,饲料用粮需求数量巨大,势必对中国的食物安全造成严重威胁。而建立草地农业系统,将人食与畜食分开,走节粮型、非粮型饲料道路是减小粮食生产压力、优化中国人口食物结构、确保粮食安全的一项有效措施[37]。

本研究通过对宁夏盐池四墩子乡各系统层和子系统层的能值分析比较,表明草地农业亚系统所提供的产品具有较高能值和较大控制能力,在全系统中扮演中心功能作用;并结合农田和林地亚系统,把土地、植物和家畜联系起来,建立土地—植物—动物“三位一体”的农产品的物质生产体系。同时,说明实施草地农业是发展农业循环经济的基础,更是农业可持续发展的基础和核心。

3.2 草地农业的循环经济特征

草地农业是在农业系统中含有较大比重的草地与养殖业,使农业生态系统更为优化的一种农业系统,它具有明显的并通过界面间的耦合所展现出的循环经济特征。

表3 宁夏盐池四墩子乡农业生态系统能值投入、产出[23](1988)Table 3 The emergy input,output of agro-ecosystems in Sidunzi country,Yanchi county,Ningxia

3.2.1 草地农业具有最长的生态共生链 传统的农业系统主要依赖植物生产,经济增长局限于作物单产、作物深加工和副产品加工等方面[38]。而草地农业系统从4个生产层面[39]入手,不仅将动物生产系统与植物生产系统两者进行耦合,还将草业与林业生态系统、农田生态系统等其他涉农系统耦合,成为更大的耦合系统,即大农业系统[36]。涉及旅游开发、植物和动物产品的专业生产及深加工与物流,涵盖行业之广,产业链条之深,是确保粮食安全的一条捷径[38]。通过系统耦合,扩大能、物流规模,建立具有多种产业整合效应的现代大农业系统。以动物生产、后生物生产为农业发展与农业环境保护之间,以及农业资源开发与农业资源的永续利用之间良性耦合的切入点[34],把延长生物链和延长产业链结合起来,建立起生态服务(前植物生产层)—农产品—精细加工(后生物生产)的生态共生链(图2)。

图2 草地农业的循环经济特征Fig.2 Circular economy characteristic of grassland farming

传统上的耕作农业只包含了“土壤—植物”之间简单的相互循环,在草业系统中,它仅存在于最基本的界面(A)即草丛—地境界面之中(图2)。传统农业以单一的种植业为主来维持农业系统运行,割断了植物与动物的有机联系,且将动物生产定位于十分次要的附属地位[40],使植物、动物、微生物三者关系失常,浪费了可以利用的生产资源,效率低下,不可持续。其经济形式是一种 “资源消耗—粮食产品—污染排放”单向线性经济,其特征是高开采、低利用、高排放。而现代草地农业是将“土—草—畜”三位一体结合起来,组织成一种“资源—农产品—废弃物—再生利用”闭合式循环经济模式。其特征是低开采、高利用、低排放,能最大限度地提高资源利用率,若在现行农业模式的基础上改行草地农业,全国食物生产的农田当量数将达2.8亿hm2,比现行农业系统新增0.52亿hm2农田当量,那么,我国食物生产能力将是现行农业系统的1.23倍,增幅巨大[41]。

草地农业一头儿带动种植业,一头儿推动加工业,中间拉动服务业,在整个产业链条中处于核心地位。草地农业的模式,强调实现生产层中物质的闭环循环,其中一个重要的方式就是建立草地农业体系中不同流程和不同区域之间的横向共生。即通过不同生产层或流程间的横向耦合实现资源共享,为废弃物找到下游的“分解者”,达到变污染负效益为资源正效益的目的。从某种意义上讲,现代大农业之路就是一条农业系统耦合的系统创新(技术加体制)和产业升级之路,从农业的工业化,又进一步到智能化,然后达到更高层次的农业循环经济,即草地农业,导入发达国家大农业的经营理念和高新技术,进军草业,这是农业发展的趋势,也是中国农业结构调整的必然之路[32];同时,也是我国可持续发展及兼顾生态和民生需要的农业生产系统[42]。

3.2.2 草地农业可以实现循环经济发展的根本目标——经济与生态的协同发展 生态经济循环圈(系指生态经济再生产的循环往复和周而复始的转化过程)的矛盾,既由人类的生产和消费活动引起,也是由人类的生产和消费活动而激化。也就是说,生态经济循环圈的资源消耗和环境污染主要是通过经济循环圈的生产和消耗活动引起的。而循环经济以“3R”原则作为指导人类社会经济活动的准则,来强化生态经济圈的循环转换功能,通过强化生态循环圈和经济循环圈的双重转换机制,以寻求生态循环圈和经济循环圈的协同分展。

草地农业在生态循环中起着承上启下的作用,草食牲畜可将农业废弃物转化为肉、奶、毛、皮等畜产品,同时,养殖产生的畜禽粪便,既可直接还田,也可通过工程措施,经厌氧发酵提取生物质能——沼气,以解决农村的能源问题。依托草地农业发展农业循环经济,变废弃物为资源,增加畜产品和再生能源产出,减少环境污染,在我国潜力巨大,意义非凡。例如,如果中国改变畜牧业结构,压缩养猪数量的1/3,将耗粮型家畜代之以草食家畜,可节约6.7×107t谷物,将大大缓解粮食压力[20]。从草原生态方面来看,随着我国草原保护和建设力度的进一步加大,草原保护制度的广泛推行,草原畜牧业将在草原生态环境逐步改善的同时得到进一步发展,实现草原畜牧业与草原生态的协调发展,将过去单纯强调畜牧业头数指标,过渡到强调广袤草原的生态服务价值。我国北方广袤草原所提供的生态服务价值远胜于单纯追求经济效益的系统所能提供的产品价值,且较后者更稳定,更符合循环经济的时代命题,透过不同层次不同水平耦合模式的生态经济评价,使人们意识到草地农业较之传统农业所表现出的新兴的前所未有的巨大产业前景。

3.2.3 草地农业的系统耦合原则是农业循环经济的技术保障 谋求农林牧副渔以及其他涉农相关产业的全面发展,必须遵循“系统耦合原则(system coupling)”,系统耦合原则是在“3R”原则基础上,提出的新增原则。

系统耦合是农业生态系统内部经过自由能—系统会聚—超循环系统的发育而发生的高一层的新系统。这一新系统的出现,为现代农业分级管理提供了方便。新系统的驱动力为非平衡态系统的自由能的积累。农业系统的非平衡态和作为超循环驱动力的自由能是普遍存在的,因而超循环所形成的系统耦合的可能性也是普遍存在的。系统耦合在农业生态系统进化的过程中,从多方面导致农业生态系统生产潜力的解放[12,34]。

实施系统耦合原则可以增大农业经济系统内各要素间的物质流量,减少系统流入和流出的物质量,实现物质、能量、信息在时间、空间、数量上的最佳运用,合理调整农业产业结构,产生系统进化,多方面释放系统的催化潜势、位差潜势、多稳定潜势和管理潜势[12-19,34-38]。

系统耦合是现代农业的一大特征,其过程也是系统进化,潜能从低级到高级释放的过程,更是促进农业循环经济发展的捷径。

草地农业将饲草种植和草食家畜养殖引入农业系统,有效弥补了以谷物生产为主体的传统农业生产的缺失环节(图2),使农业系统的组分更加完备。在此基础上,若将农区的优良家畜与牧区的优良牧草互作为耦合系统,不仅可以提升生产效益,还可兼顾经济效益。如肃南山地-张掖北山荒漠-临泽绿洲复合生态系统的耦合模式中,在现有能值投入水平和科学管理力度下,其动物生产系统和绿洲植物生产系统的宏观经济价值可提高4.6倍[17]。同时以绿洲子系统作为中心,进行物质交换和能量流通,可大幅度提高周围荒漠子系统和相邻山地子系统的生产力[17]。

鉴于草地农业生态系统具有发展循环农业的良好基础,通过在各个生产层之间开展不同层次、不同地区的系统耦合,施行草地农业,调整和优化产业结构,延长产业链条,提高农业系统物质的循环利用和能量的梯级使用,以提高循环效率,并逐步形成以草地农业为核心的农林牧复合系统。

4 结论

本研究通过对宁夏盐池四墩子乡的案例分析,表明实施草地农业系统不仅在提高能量转化效率方面有积极作用,而且在增强系统的稳定性、高产性、阶段自持力等生态效应方面具有举足轻重的作用。进一步论证了草地亚系统在整个农业生态系统中扮演着重要的中心功能角色。

实施草地农业,尤其是进行广泛的系统耦合是发展农业循环经济的基础,更是农业可持续发展的基础和核心。

系统耦合不仅是草地农业循环经济的新增原则,也是大农业发展到一定阶段的必然,还是解决我国农业生态系统能流模式的误区即普遍存在生态链简化甚至断裂问题的出发点。

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