基于生态环境损失的农业生态系统能值分析

王慧亮，吴泽宁，郭 溪，郭瑞丽

(郑州大学 水利与环境学院，河南 郑州 450001)



基于生态环境损失的农业生态系统能值分析

王慧亮，吴泽宁，郭 溪，郭瑞丽

(郑州大学 水利与环境学院，河南 郑州 450001)

针对目前研究中没有考虑生态环境损失的问题，提出了基于生态环境损失的农业生态系统能值分析研究思路和方法.以郑州市为例，计算了郑州市2000～2009年农业生态系统的能值投入和产出，以及农业生态环境能值损失和相关能值指标.结果显示，郑州市近10年农业生产造成的平均生态环境损失为2.44×1021sej，占能值产出的15.47%，与现有国内外研究认为农业外部成本占农业收入的6%～30%的结论基本吻合；系统能值产出在扣除农业生态环境损失后，平均净能值产出率从2.86下降到2.45，平均可持续发展指数从1.19下降到1.01，说明农业生态环境损失对系统生产效率和可持续影响显著.

生态环境损失;农业生态系统;能值分析;郑州市

0 引言

人类通过农业生产，干涉和利用自然生态系统，与其形成最广泛最有生命活力的物质循环和能量转换过程[1].然而，现代农业因长期的高强度土地利用和过量工业辅助能投入，导致土壤养分失衡、有害物质积累、生物多样性衰退等农业生态环境恶化[2]，影响农业生态系统的存续，因此其可持续评价成为当今国内外研究的热点[1-2].能值分析方法由于其可以统一度量各种生态流的优点被广泛应用于农业生态系统可持续研究[5-7]，但大多数研究只考虑系统的经济产出，忽视了农业生产的生态环境影响，以致于长期以来农业生产重视工业辅助能的高投入，片面追求经济高产出，扰乱了自然生态系统的物质循环和能量转换平衡[5].因此，在进行农业生态系统能值分析时，关注农业生态环境损失显得尤其必要.笔者以郑州市为例，在考虑农业生态环境损失的情况下，提出了农业生态环境损失的能值计算方法，建立了系统生产效率和运行状况的能值评价模型，以期揭示郑州市农业生产造成的生态环境损失问题，为实现郑州市农业生态系统可持续发展目标提供理论参考.

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

郑州位于河南省中部偏北，属北温带季风型气候，地势西高东低，境内土壤自西向东分布为棕壤土、红黏土、褐土、潮褐土、潮土等.郑州市地貌复杂、土壤类型多，雨量适中，适宜多种农作物的生长，主要有小麦、玉米、红薯、大豆、水稻、谷物、棉花、花生、烟叶、白菜、大葱、土豆、西瓜等.郑州市现代农业水平较高，近些年农业生态环境问题日益突出.

1.2 研究方法

1.2.1 生态系统能量流动过程

农业生态系统能量流是各种自然能量流和人能、土壤有机质等环境资源，化肥、农药、电力、机械等工业辅助能，人力、畜力、有机肥、种子等可更新有机能的总和.系统产出主要是农林牧渔等经济产品，同时，农业生产会对生态环境造成污染和破坏，造成生态环境损失.

1.2.2 农业生态环境损失的能值计算方法

农业生态环境损失，指人类现代农业生产活动带来的生态环境污染和破坏，主要包括资源耗竭、环境污染、生态平衡等三个方面.

(1)资源耗竭计算方法.资源耗竭损失，主要计算农业生产中投入而未被利用的自然资源及工业辅助能的流失价值，包括农业用水、化肥、农药和农膜等，以及农业生产活动耦合作用造成的水土流失.即表达式(1)：

(1)

式中：Lr为资源耗竭损失,sej；ri为农业生态系统投入的第i种资源能值,sej；ui为第i种资源的利用率,%；n为资源种类数；rsw为水土流失量,kg；τsw为流失水土的太阳能值转换率,sej/kg.农业用水利用系数取52%[6]；氮肥及复合肥的作物利用率取35%，磷肥的作物利用率取11%[7]，研究区钾肥投入不足，认为施用钾肥被充分利用；农药利用率取30%[8]；农用地膜平均回收率取58%[8]；水土流失会带走氮、磷、钾等大量养分，流失水土的太阳能值转换率取1.71×1012sej/kg[3].根据郑州市农业生产情况，化肥的环境污染损失为2.65×1011sej/kg；根据单位畜产品能值产生污水量的数量关系[2]，估算得到研究区养殖污水量，结合水污染损失能值转换率7.49×1012sej/m3[9]，计算养殖污水造成的生态环境损失.

(2) 环境污染计算方法.环境污染损失，主要计算种植业中化肥导致的水体、土壤、大气污染和畜牧业中养殖污水造成的环境损失.即表达式(2)：

Le=qf·lf+qw·τw.

(2)

式中：Le为环境污染损失,sej；qf为化肥施用量,kg；lf为单位化肥施用的环境成本,sej/kg；qw为畜牧业排放污水量,m3；τw水污染损失能值转换率,sej/m3.

(3)生态失衡计算方法.生态失衡损失，主要计算生物多样性减少损失和人体健康影响.此处只考虑生物多样性的减少损失，以人类取用水资源造成野生动物能值损失进行简化计算，即

Lb=ws·ls+wg·lg.

(3)

式中：Lb为生态失衡损失，sej；ws为地表水化学能，J；ls为取用单位地表水的野生动物损失能值，sej/J；wg为地下水化学能，J；lg为取用单位地下水的野生动物损失能值，sej/J.笔者参考美国佛罗里达大学环境政策中心的相关研究成果[10]，取用地表水会造成野生动物能值损失1.12×105sej/J，取用地下水会造成野生动物能值损失2.55×105sej/J.

总的农业生态环境损失L可表示为：

L=Lr+Le+Lb.

(4)

1.2.3 基于生态环境损失的农业生态系统能值评价

建立基于生态环境损失的农业生态系统能值评价模型，计算公式为：

(5)

(6)

式中：EYRL为考虑农业生态环境损失的能值产出率；EmY为系统产出能值；EmF为系统反馈能值.净能值产出率(EYR)，是衡量系统生产效率的主要指标，EYR值越大，表明系统生产效率越高.

式(6)中，ESIL为考虑农业生态环境损失的可持续发展指数；ELR为环境负载率.可持续发展指数(ESI)，是考察系统可持续性的能值指标，ESI<1意味着系统长期不可持续;1≤ESI<10表明系统富有活力和发展潜力;ESI≥10说明系统经济不发达[8].

2 结果与分析

2.1 郑州市农业生态系统能值分析

按照能值分析的概念及步骤[5]，编制郑州市农业生态系统能值投入产出表见表1，对其进行投入和产出及结构分析.

2.1.1 能值投入分析

由表1可知，2000～2009年郑州市农业生态系统总能值投入平均值为78.90×1020sej，其中可更新环境资源、不可更新环境资源、不可更新工业辅助能、可更新有机能的能值投入比例依次为11.81%、11.50%、58.34%和18.35%.可见，郑州市农业生产主要依靠大规模的不可更新工业辅助能投入.环境能值中，可更新资源为太阳能、风能、雨水和地球旋转能，可更新资源的能值比例从13.71%波动下降到8.69%左右，这是由于近年来现代农业技术的推广致使农业用水呈逐年减少的趋势造成的.但地下水能值占农业用水能值的71.01%，加剧了地下水水位下降；同时，研究区渠系防渗较差，平均灌溉水利用系数仅为0.52[11].不可更新资源为表土层损失，占总能值投入比例在10.67%～11.95%之间，略微有所增加，总体变化不大，与郑州市长期重视耕地保护密切相关，耕地占补平衡为系统的可持续发展提供了稳定的物质基础支持.

表1 郑州市农业生态系统能值投入产出

2000～2009年，不可更新辅助能值投入比例在74.79%～79.36%，为郑州市农业生态系统的主要输入能值，说明来自于社会经济系统的投入有所增加.其中，电力和机械比重较大，属于高品质能值投入，伴随着农业科技的发展，依托自然环境资源，结合大量以石化能源为原料的化肥、农药、农膜等社会经济资源的使用，促使农业生产获得高产量，同时也加剧了能源危机和对自然生态环境的破坏.2007年，郑州市耕地每公顷化肥施用量高达688.83 kg/hm2，比国际公认225 kg/hm2的环境安全上限[2]的3倍还多，作物利用率较低，造成化肥养分大量流失和环境污染.而且，氮磷钾施用比例1∶0.54∶0.23，与世界平均水平1∶0.5∶0.48[11]相比，钾肥投入明显不足，养分投入比例不平衡，影响作物产量.农药和农膜能值投入比重尽管只有0.17%，但在土壤中残留率较高，破坏土壤结构影响作物生长.可更新有机能主要是人力、畜力、有机肥和种子种苗，人力在可更新有机能中的平均比例为59.01%，为下降趋势，说明研究区农业现代化水平提高较快.

2.1.2 能值产出分析

郑州市农业生态系统能值产出见表1，2000～2009年郑州市农业生态系统能值总产出为173.85×1020sej，其中种植业、林业、牧业、渔业产品能值所占比重依次为27.82%、0.12%、66.70%、5.36%.可见，畜牧产品能值在总能值产出中占了一半以上，在农业产业结构中占主导地位，且呈逐年上升趋势.种植业产品能值在总能值产出中位居第二，但呈逐年下降趋势.畜产品能值产出高于种植业产品能值产出，表明人们对肉类、蛋类等产品需求较大，生活水平得到提高.渔产品在能值产出中所占比重较小，这是由郑州市天然水资源条件决定的.林产品在能值产出中所占比重极小，和郑州市保护森林的生态环保政策、严禁砍伐林木密切相关.

2.2 郑州市农业生态环境损失分析

根据农业生态环境损失分类及计算方法，计算出2000～2009年郑州市平均农业生态环境损失，见图1.由图1可知，郑州市近10年农业生产造成的生态环境能值损失整体上呈下降趋势，主要原因是随着农业科技水平的提高，部分农业资源能值投入降低、利用水平提高.其中，资源耗竭能值损失在农业生态环境损失中的比例最大，生物多样性和环境污染次之.2000～2009年郑州市平均农业生态环境损失与平均能值产出比例约为14.04%，与国内外已有研究认为农业外部性成本占农业收入的6%～30%的结论基本吻合[12].

图1 2000～2009年郑州市农业生态环境能值损失

2.3 基于生态环境损失的郑州市农业生态系统能值评价指标比较分析

农业生产造成的生态环境损失应计入系统能

值产出之中，即“系统产出”扣减“环境成本”后才是系统真实的能值产出.计算2000～2009年郑州市农业生态系统净能值产出率和可持续发展指数，结果见表3.根据表2计算，近10年郑州市农业生态系统净能值产出率(EYR)提高了122.72%，说明系统生产效率显著提高；可持续发展指数(ESI)大致呈波动增加趋势，说明系统可持续性有所增强.考虑生态环境损失后，净能值产出率(EYRL)和可持续发展指数(ESIL)均比传统能值分析中该指标值有明显下降，近10年分别平均下降15.47%.其中，可持续发展指数在2000～2003年小于可持续临界点1，说明农业生态环境损失对系统生产效率和可持续性影响显著.由此可见，采用传统能值分析法，对系统生产过程中的资源及其利用耦合作用分析不够深入，对系统能值产出考虑不够周全.

表2 郑州市农业生态系统能值评价指标

3 结束语

针对目前农业生态系统能值分析中缺乏生态环境损失研究的问题，本文将生态环境损失纳入农业生态系统能值产出，进而考察系统生产效率及状态，旨在提出一种农业生产的生态经济评价思路.笔者仅考虑了农业用水、化肥、农药、农膜等对农业生态系统能值产出的影响，计算结果表明，笔者提出的基于生态环境损失的农业生态系统能值分析方法具有一定的可行性；同时，郑州市今后农业生产应减少不可更新资源的投入并提高利用效率，充分利用好可更新资源.但是，笔者对于其他因素未作过多研究，引用数据未必十分精确，难免会使研究结果有一定的误差，仍需要进一步深入研究，以期为农业生产的能值投入和产出分析的合理性提供依据，为农业生产活动调整提供决策参考.

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Emergy Analysis of Agricultural Ecosystem Based on Ecological Environment Loss

WANG Huiliang， WU Zening， GUO Xi， GUO Ruili

(School of Water Conservancy and Environment Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Emergy analysis of agriculture ecosystem was a hot topic of academic group nowadays. Concerned with the loss of ecological environment, an improved emergy analysis of agriculture ecosystem was proposed based on the calculation of agriculture ecological environment loss. Taking Zhengzhou as the example, this paper discussed how to apply it to practice. The results showed that the average ecological environmental loss of Zhengzhou from 2000 to 2009 was 2.44×1021sej，accounting for 15.47% of economic emergy out of agriculture ecosystem. The method was rational for its conclusion was in agreement with the domestic and international research results，the proportion of agricultural externality to agricultural income was 6%～30%. Given the agriculture ecological environment loss subtracted from economic emergy output, the average Net emergy yield ratio EYRLfallen from 2.86 to 2.45, and the average emergy sustainable indices ESILfrom 1.19 to 1.01, indicating that the influence of ecological environmental loss on eco-efficiency and performance of system was significant.

ecological environmental loss; agriculture ecosystem; emergy analysis; Zhengzhou

2016-06-08；

2016-08-18

国家自然科学基金项目(51379191, 51509223);国家博士后面上基金资助项目(2015M572116)

吴泽宁(1963—)，男，河南光山人，郑州大学教授，博士，博士生导师，主要从事水资源系统优化规划与管理，E-mail：zeningwu@zzu.edu.cn.

1671-6833(2016)06-0092-05

S51;F326.1

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.06.025