江西省几种常见农田生态系统的能值分析——基于余江县农科所的试验

王淑彬，刘彬彬，黄国勤

(江西农业大学 生态科学研究中心/作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室，江西 南昌 330045)

常规的经济分析方法常忽视或低估了资源环境对生产系统的贡献，同时，传统的能量分析难以解决不同类型、不同性质的能量相互加减和比较的问题。以美国著名生态学家H.T.Odum 为首创立的能值分析理论和方法，以太阳能值为统一度量标准，把生态环境系统和人类社会经济系统有机地联系并统一，客观地评价和比较了自然环境资源对人类经济系统的贡献。经过20多年的深入研究，被广泛应用于国家、区域、城市、农田等各种时空尺度上［1－4］。周萍等［5］分析了黄土丘陵区退耕还林草政策实施前后农业生态经济系统的能值指标变化。姚作芳等［6］对吉林省农业生态系统进行了分析。杨松等［7］就重庆市农业生态经济系统能值进行了分析。

以能值为基准，可将农田生态经济系统中不可相加或相比较的能量(物质)转换成统一的能值加以比较和分析。通过一系列的能值指标，可以对农田生态系统进行全面的评价［8］。在农田生态系统中，农作物生长所需的能量按其来源可分为两类，一类为自然界无偿提供，包括可更新自然资源能和不可更新自然资源能，其中可更新自然资源能中包含太阳能、风能、雨水势能和雨水化学能，不可更新自然资源能主要为表层土损失所折算的能值;另一类为来源于人类社会，为增加作物产量等目的而向地里追加的辅助能，包括不可更新工业辅助能和可更新有机能，其中不可更新工业辅助能中主要有投入氮磷钾肥料，农用薄膜，机械动力，农业用电和农药等所含的能值，可更新有机能包括向系统中投入的人力，有机肥，种子等所折算的能值。评价指标有能值自给率、环境负载率、能值投入率、净能值产出率、购买能值率、系统生产优势度和系统可持续能值等［9］。

本文以江西省常见的3种农田生态系统为研究对象，采用能值分析的相关理论，结合生态学研究方法，分析了各农田生态系统的能值投入产出能值，并引入能值分析的能值自给率、环境负载率、能值投入率、净能值产出率、购买能值率、系统生产优势度和系统可持续能值指标相关指标对其进行评价。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究以鄱阳湖生态经济区3种常见农田生态系统为研究对象，研究数据取自江西省余江县农科所实验田。该地区属中亚热带温暖湿润季风气候区，年平均降水量为1788.8mm，年平均气温为17.6℃，平均最高气温为18.6℃，平均最低气温为16.8℃。年平均日照时数为1739.4 h，太阳年辐射总量为454.27 kJ/cm2，生理辐射年总量为264.18 kJ/cm2。该地区土壤基本肥力状况为pH值5.61;有机质:2.86%;全氮 1.55 g/kg;速效 P 7.85 mg/kg;速效 K 34.56 mg/kg。

1.2 试验设计

试验设3种农田生态系统，重复4次。各系统年内种植方式为:农田生态系统A(CK):冬闲—早稻—晚稻，农田生态系统B:油菜—早稻—晚稻，农田生态系统C:绿肥(紫云英)—甘蔗﹢大豆。每个农田生态系统面积为66 m2，完全随机排列。

1.3 试验材料

早稻品种为“中选181”，晚稻为“鹰优晚3号”。冬季绿肥紫云英品种为余江大叶籽，油菜为“湘优15号”，甘蔗和大豆为农家自留品种。

1.4 田间管理措施

田间管理均按一般农户常规管理进行。油菜每公顷有机肥7500 kg，纯N225 kg，磷肥135 kg，钾肥180 kg。水稻施肥:早稻每公顷施纯N150 kg，有机肥7500 kg，晚稻每公顷施纯N180 kg，有机肥7500 kg。水稻农药:每公顷用量为蚍蚜酮(有效成分25%)0.3 kg;阿维菌素(有效成分0.5%)2.16 kg;稻瘟灵(有效成分75%)0.3 kg;井冈霉素(有效成分18%)0.45 kg。早稻打药4次，晚稻打药6次。甘蔗大豆间作行距为60 cm，每小区甘蔗播量为70棵，播后即以有机肥覆盖。每公顷纯N施用量525 kg;磷肥200 kg;钾肥380 kg，有机肥30000 kg。每公顷农药用量为45%杀螟松1 kg;50%多菌灵2 kg。

2 研究方法

能值分析建立在能量符号语言基础之上。下图1是一个简化了的农田生态系统能值分析图解。可更新环境资源能(R)和不可更新环境资源能(N)对经济系统产生作用，系统在运行中同时接收不可更新工业辅助能(F)和可更新有机能(T)反馈投入，最终形成产出(Y)。

将各生态系统当年每种投入、产出物质的数量，输入电子计算机贮存处理。借助能量折算系数和能值转换率转换成太阳能值，编制能值投入、产出表，应用电子计算机计算各种能值流。根据能值投入、产出表计算能值指标，绘制能值分析表，详细计算每种种植模式可更新自然资源、不可更新自然资源、不可更新工业辅助能和可更新有机能值投入与经济产量、秸秆产量能值，分析总能值投入产出，对比各项投入能值结构比例并综合分析各项能值指标。分析所用数据来自于大田定位试验和查阅相关资料得出。原始数据以焦耳为单位给出。分析中所涉及的部分数据能量数据折算关系参考骆世明［10］，闻大中［11－13］等介绍的相关方法。相关太阳能值转换率参考 H.T.odum［14－16］、蓝盛芳等［17］介绍的方法。能量计算参照蓝盛芳等《生态经济系统能值分析》［18］。

图1 农田生态系统能值投入产出示意图Fig.1 Emergy input－ output in field ecosystem

3 结果与分析

3.1 鄱阳湖生态经济区不同农田生态系统能值计算基本数据

各农田生态系统作物产量如表1所示。各农田生态系统物质单位能量和太阳能值转换率如表2所示。

表1 各农田生态系统作物产量Tab.1 Crop yield of farmland ecosystem kg/hm2

3.2 鄱阳湖生态经济区不同农田生态系统的能值计算

(1)农田生态系统A(冬闲—早稻—晚稻)能值

农田生态系统A能值的投入产出以公顷为单位计算得出。冬闲季节不做任何处理，无工业辅助能和有机辅助能投入，如表3所示，表中工业辅助能和可更新有机辅助能为早稻和晚稻田投入能值。

(2)农田生态系统B(油菜—早稻—晚稻)能值分析

农田生态系统B能值的投入产出以公顷为单位计算得出。冬季播种油菜，有农业机械、农业用电、农药、化肥和人力、有机肥、种子投入能值，如表4所示。

(3)农田生态系统C(紫云英—甘蔗﹢大豆)能值分析

农田生态系统C能值的投入产出以公顷为单位计算得出。冬季播种紫云英，有农业机械和人力、种子投入能值，甘蔗和大豆所有能值投入项目均有投入，如表5所示。

3.3 不同农田生态系统能值投入产出分析

如表6所示，不同农田生态系统总能值投入量分别为:A:2.213E+17sej，B:3.673E+17sej，C:3.087E+17sej。大小排列依次为:A＜C＜B，系统A能值投入最少，系统B能值投入最多。

不同农田生态系统总辅助能投入量分别为:A:1.683E+17sej，B:3.074E+17sej，C:2.538E+17sej。依次为:A＜C＜B，系统A辅助能能值投入最少，系统B辅助能能值投入最多。

表2 物质单位能量和太阳能值转换率Tab.2 Matter unit energy and solar emergy conversion rate

表4 农田生态系统B(油菜—早稻—晚稻)能值投入产出Tab.4 Emergy input-output of of farmland ecosystem B(cropping rape-early rice-late rice)

不同农田生态系统总能值产出量分别为:A:1.386E+16sej，B:3.900E+16sej，C:1.200E+17sej。依次为:A＜B＜C，系统C总能值产出量最高，系统A总能值产出量最低。

不同农田生态系统经济产量能值产出量分别为:A:7.584E+15sej，B:3.186E+16sej，C:1.194E+17sej。依次为:A＜B＜C，系统C经济产量能值产出量最高，系统A经济产量能值产出量最低。

3.4 不同农田生态系统能值指标分析

(1)能值自给率。试验结果显示(表7、表8)不同农田生态系统中，能值自给率的顺序依次为B＜C＜A，冬闲—早稻—晚稻系统的能值自给率最高，达到0.240，油菜—早稻—晚稻系统的能值自给率最低，为 0.163。

(2)环境负载率。试验结果显示(表7、表8)不同农田生态系统中，环境负载率的顺序依次为A＜C＜B，冬闲—早稻—晚稻系统的环境负载率最低，为5.536，油菜—早稻—晚稻系统的环境负载率最高，为 8.948。

(3)购买能值比率。试验结果显示(表7、表8)不同农田生态系统中，购买能值比率的顺序依次为A＜C＜B，油菜—早稻—晚稻生态系统的购买能值比率最高，达到0.837，冬闲—早稻—晚稻生态系统的购买能值比率最低，为0.759。

(4)能值投入率。试验结果显示(表7、表8)不同农田生态系统中，能值投入率的顺序依次为A＜C＜B，油菜—早稻—晚稻生态系统的能值投入率最高，达到5.138，冬闲—早稻—晚稻生态系统的能值投入率最低，为 3.156。

(5)净能值产出率。试验结果显示(表7、表8)不同农田生态系统中，净能值产出率的顺序依次为A＜B＜C，绿肥—甘蔗+大豆生态系统的净能值产出率最高，达到0.473，油菜—早稻—晚稻生态系统次之，为0.127;冬闲—早稻—晚稻生态系统的净能值产出率最低，0.082。

(6)系统生产优势度。试验结果显示(表7、表8)不同农田生态系统中，系统生产优势度的顺序依次为A＜B＜C，绿肥—甘蔗+大豆生态系统的系统生产优势度最高，达到0.820，油菜—早稻—晚稻生态系统系统生产优势度次之，为0.419;农田生态系统A最低，为0.253。

(7)系统可持续能值指数。试验结果显示(表7、表8)不同农田生态系统中，系统可持续能值指数的顺序依次为B＜A＜C，绿肥—甘蔗+大豆生态系统的系统可持续能值指数最高，为0.062，冬闲—早稻—晚稻生态系统系统和油菜—早稻—晚稻生态系统相差不大，分别为0.015和0.014。

表5 农田生态系统C(紫云英—甘蔗+大豆)能值投入产出Tab.5 Emergy input-output of of farmland ecosystem C(green manure-sugar cane+soybean)

表6 不同农田生态系统能值投入产出Tab.6 Emergy input-output of different farmland ecosystem

表7 不同农田生态系统能值投入结构Tab.7 Emergy input structure of different of farmland ecosystem %

4 结论与讨论

4.1 能值自给率

能值自给率是指系统内环境资源能值占系统总投入能值的比例，能值自给率值的高低表明自然环境资源能值对农业经济发展所作贡献的大小。能值自给率越低，能值投入率越高，系统对经济投入依赖程度越大。

本研究以单一种植模式生态系统为研究对象，系统能值自给率越高，说明该系统的能值自给能力越强，对内部资源开发程度也越高。本研究表明，3种不同农田生态系统能值自给率的大小在0.163～0.240，高于江西省 0.130 ～0.168［19］的平均水平，说明较平均水平而言，试验地所在地区自然环境资源丰富，适宜于发展多熟种植模式农业。3种不同农田生态系统能值自给率:B＜C＜A，冬闲模式能值自给率最高，冬季不需要投入任何辅助能，但是冬季无产出。油菜—早稻—晚稻生态系统自足能力最小。

表8 不同农田生态系统能值指标Tab.8 Emergy index of different of farmland ecosystem

4.2 环境负载率

环境承载率是不可更新资源能值与可更新资源能值的比值，其中不可更新资源包括不可更新自然资源能值和不可更新工业辅助能，可更新资源包括可更新自然资源能值和可更新有机能值，环境负载率值的大小体现一个生态系统对其自然环境的压力大小。如果环境承载力的值较大，则表明在经济系统中存在高强度的能值利用，同时生产经济活动对该系统所处的自然环境保持着较大压力。若某系统长期处于较高的环境负载率，则该系统将产生不可逆转的功能性退化。本研究表明，不同农田生态系统中，环境负载率A＜C＜B，3种不同农田生态系统环境负载率均较高，最高值为油菜—早稻—晚稻生态系统，达到 8.948，高于江西省平均水平 5.21% ～6.94%［19］，负载率［20］低于江苏(13.16%)和浙江(11.25%)。

4.3 购买能值比率

购买能值比率是指农业机械、氮磷钾肥料、农业用电、农药、种子、有机肥、劳动力等需要管理者购买的不可更新工业辅助能与可更新有机辅助能之和与系统总能值投入量的比率。购买能值比率中包含了不可更新工业辅助能购买与可更新有机辅助能购买两个方面。如果一个农业生态系统中购买能值比率较高，而不可更新工业辅助能值投入较低，说明此系统仍处于原始粗放型农业经营中，农业生产率不高。3种不同农田生态系统中，购买能值比率A＜C＜B。油菜—早稻—晚稻农田生态系统购买能值比率最高，0.837，与江西省平均水平(83.22% ～86.97%)［19］相当。在所有农田生态系统中，不可更新工业辅助能均占到总辅助能的95%以上，可见所有生态系统管理水平较高，可是由于不可更新工业辅助能的投入，也导致冬种油菜等农田生态系统的环境负载率较高。

4.4 能值投入率

能值投入率是总辅助能值与自然资源能值之比，即不能更新工业辅助能值和可更新有机能值所占自然资源总投入的比例。能值投入率是衡量经济发展与环境负载程度的指标。能值投入率大小可反映系统对环境资源的利用程度，并可测知环境资源条件对农业生产的承受力。进而可指导系统经济投入达到最佳的比例，合理利用自然资源，在不破坏自然环境的前提下尽可能的充分利用环境中光热水气及营养物质，获取更多的产品。如果经济系统的运行主要依赖于本地资源，则比率较小。3种不同农田生态系统中，能值投入率A＜C＜B。油菜—早稻—晚稻农田生态系统能值投入率最高，说明此农田生态系统对环境资源利用较为充分，但是投入成本较高。

4.5 净能值产出率

净能值产出率是系统产出总能值与购买能值(工业辅助能值和有机能值的总和)的比值，净能值产出率是评估基本能量利用效率的指标。净能值产出率越高，表明生产过程中系统能值的利用效率越高，产品经济回报率越高。通过比较净能值产出率，可以更好地了解某一种资源是否具有竞争力和经济效益的大小3种不同农田生态系统中，净能值产出率A＜B＜C。绿肥—甘蔗+大豆生态系统的净能值产出率最高，冬闲—早稻—晚稻生态系统的净能值产出率最低。表明绿肥—甘蔗+大豆生态系统在生产过程中，经济能值的利用效率高，产品竞争力较强，种植效益较高，对提高农业生态系统能值利用效率具有重要意义。

4.6 系统生产优势度

农业生态系统的生产优势度可以反映系统生产单元的均衡性，小尺度中可以用于多熟制度情况下不同种植方式的比较，大尺度中可以用于不同农业生态经济系统的比较或者区域生态系统的比较。系统生产优势度指数的大小体现了系统内各组分生产的均衡性的差异，指数越大系统内部各生产单元分布越不均匀。多熟种植系统中优势度越大，说明此生态系统中能值产出依赖于某单一或少数作物。3种不同农田生态系统中，系统生产优势度A＜B＜C。绿肥—甘蔗+大豆种植模式下甘蔗产量大，且系统主要产出能值主要依赖于甘蔗，故系统生产优势度较高。

4.7 系统可持续能值指数

系统可持续能值指数是净能值产出率与环境负载率的比值。可持续发展指数表明了农业生态系统的经济发展与资源环境之间的关系。卓玛措等［14］研究显示，如果一个地区的系统净能值产出率高而环境负载率相对较低，则它是可持续的，反之则不可持续。3种不同农田生态系统中，可持续能值指数B＜A＜C。绿肥—甘蔗+大豆系统可持续能值指数最高，主要是由于甘蔗+大豆系统净能值产出率高，能够充分利用生长地环境的水肥光热气等自然资源。油菜—早稻—晚稻生态系统因净能值产出率相对较低，辅助能投入较多，而产出较少，且在辅助能施加过程中增加了环境压力，所以此系统可持续能值指数较低。

研究结果表明:鄱阳湖生态经济区不同农田生态系统中，绿肥—甘蔗+大豆生态系统，能值利用率经济效益较高，但是要求具有较高的管理水平。冬闲—早稻—晚稻生态系统，自然资源自给能力强，需要的购买能值投入低，抗外界干扰能力较强，但是净能值产出较低，系统能值可持续性也不高，经济回报率比较低。油菜—早稻—晚稻生态系统购买能值投入较高，环境压力较大，但是此种植模式能值产出较高，且冬种油菜也有利于双季稻的生产。

［1］Brownm M T，Ulgiatiss.Emergy evaluations and environmental loading of electricity production systems［J］.Journal of Cleaner Production，2002，10:321 －334.

［2］李金平，陈飞鹏，王志石.城市环境经济能值综合和可持续性分析［J］.生态学报，2006，26(2):440－447.

［3］赵晟，李自珍.甘肃省生态经济系统的能值分析［J］.西北植物学报，2004，24(3):464－470.

［4］张耀辉，蓝盛芳，陈飞鹏.海南省农业能值分析［J］.农村生态环境，1999，15(1):5－9.

［5］周萍，刘国彬，侯喜禄.黄土丘陵区退耕前后典型流域农业生态经济系统能值分析［J］.农业工程学报，2009，25(6):266－273.

［6］姚作芳，刘兴土，李秀军，等.基于能值理论的吉林省农业生态系统分析［J］.生态学杂志，2009，28(10):2076－2081.

［7］杨松，孙凡，刘伯云，等.重庆市农业生态经济系统能值分析［J］.西南大学学报:自然科学版，2007，29(8):49－54.

［8］付晓，吴钢，尚文艳，等.辽宁省朝阳市农业生态经济系统能值分析［J］.生态学杂志，2005，24(8):902－906.

［9］赵桂慎，姜浩如，吴文良.高产粮区农田生态系统可持续性的能值分析［J］.农业工程学报，2011，27(8):318－323.

［10］骆世明.农业生态学［M］.北京:中国农业出版社，2001:447－458.

［11］高明，刘磊，杨九东，等.应用137Cs技术研究江西余江县小流域不同耕地上的土壤侵蚀［J］.农业环境科学学报，2007，26(3):929 －933.

［12］闻大中.农业生态系统能流的研究方法(一)［J］.农村生态环境，1985，1(4):47－52.

［13］闻大中.农业生态系统能流的研究方法(二)［J］.农村生态环境，1986a，2(1):52 －56.

［14］Odum H T.Environmental accounting:emergy and environmental decision making［M］.New York:John Wiley ＆ Sons，1996，20 －50.

［15］Odum H T.Emergy analysis and public policy in texas［A］.Policy research project report，Austin:Lyndon B，Johnson of Public Affairs，1988.

［16］Odum H T，Odum E C，Bisect M.Ecology and economy:Emergy pnalysis and public policy in Texas［M］.Texas:The Office of Natural Recourse and Department of Agriculture，1987:163 －171.

［17］蓝盛芳.生态经济系统能值分析［A］//当代生态学博论.北京:中国科技出版社，1992，266－286.

［18］蓝盛芳，钦佩，陆宏芳.生态经济系统能值分析［M］.北京:化学工业出版社，2002，3－4.

［19］王卫文，曹福祥，康文星，等.江西省农业生态经济系统的能值指标分析［J］.中国农学通报，2011，27(29):208－213.

［20］闻大中.农业生态系统能流的研究方法(三)［J］.农村生态环境，1986，2(1):48－50.