基于能量分析的农业生态可持续发展指数方法研究*

杨 芳，吴永常，韦文珊

(1．中国农业科学院农业资源与区划研究所，北京 100081； 2.中国农业科学院农业经济与发展研究所，北京 100081)

0 引言

农业可持续发展是持续发展战略的重要组成部分，是生态文明建设的重要内容，是实现“五位一体”战略布局、建设美丽中国的必然选择，是中国特色新型农业现代化道路的内在要求[1]。2015年5月28日，国家农业部联合其他7部委颁布了《全国农业可持续发展规划(2015-2030)》[2]。2016年12月国务院发布了《中国落实2030年可持续发展议程创新示范区建设方案》，方案提出将在现有的国家可持续发展实验区工作的基础上，建设一批落实2030年可持续发展议程创新的示范区[3-4]，科学地监测和评价农业可持续发展水平是其中的重要内容。

关于农业可持续发展评价的方法有很多，大致包括压力—状态—反应框架[5]，能值分析[6-8]、生态足迹[9]、层次分析法[10]、熵指法[11]、神经网络模型[12-13]、综合指数评价和多元统计方法[14]、数据包络分析方法等[15]。这些评价方法主要以指标评价法的研究为主，由“主题—次主题—指标—指标群”构成，再用某种方法对众多指标集成，以求对可持续发展进行综合的评价，这种评价体系虽能够较好地反映出一个地区的可持续发展情况，但也存在着指标多、操作困难、数据不易获取等问题，缺乏通用的标准。农业可持续发展，涉及“农村—农业—产业—产品消费”各个环节，目前以解决主要矛盾为主，重点是区域农业生产方式的可持续问题。文章从产业结构、能量平衡关系、生产方式可持续性等角度，根据农业生产全要素投入和产出的关系，基于能量分析的方法，探索构建一种简便易行的评价方法：农业可持续发展指数(Agriculture Sustainable Development Index，ASDI)。

图1 修正的农业能量投入产出曲线

图2 农业可持续发展指数评价方法

生产本质上是一个能量与物质的转换过程，从资源经济学角度来看，农业是一个典型的农业经济生产系统，投入各种资源和要素，生产出各类具有价值的农产品[16]。农业投入和产出有实物、价值和劳务消耗等不同的形式，在生态环境的分析中具有很大的局限性[17]。将生态经济系统内的不同投入和不同产出转换为统一标准的能量单位，应用能量这一概念和度量标准，克服了经济分析的主观性和片面性，实现农业复杂系统评价的一致性标准[18]。之后，有很多文献利用能量从投入产出的角度进行分析[19-24]，对农业生态系统的能量投入效率进行研究[25-27]。很多研究发现，农业生态系统的投入存在类似于边际报酬递减的现象，生态系统投入与产出之间呈S型的关系。随着能量投入逐渐增加达到一定程度，生产系统的能量产出就会出现下降[28-33]。尹钧等[34]于1999年在山西的万荣县和山西农大的试验农场，以小麦的投入能和产出能作为研究对象进行农田人工辅助能各项投入能的投入产出规律研究，得出各项人工辅助能的能量投入与能量产出都遵循一元二次抛物线的变化规律。2012年，尹钢吉等[35]在对施肥水平与产量关系数学模型分析中发现，在现有施肥技术水平条件下，增量施肥的增产效应逐渐减少，在施肥水平(420kg/hm2)时产量达到最高，其后随施肥水平的增加反而产生了负面的减产效应。类似地，当能量投入产出处于边际报酬递增阶段反映生态系统还处于良好的运行状态，说明生态系统的可持续性良好，继续增加投入可以提高产出； 当能量投入产出处于边际递减阶段时，说明生态系统的可持续性已经较弱，继续增加投入使得产出增长的速率降低。

1 研究方法与数据来源

1.1 研究方法

经济学上的规模报酬递减规律认为，在技术水平和要素价格保持不变的条件下，随着生产规模的扩大，所有投入要素按同一比例不断增加会引起产量增加，但到一定程度，产量增加比例会逐渐递减。类似于规模报酬递减规律，把农业作为一个能量投入产出的生产系统，在气候、技术等条件不变的情况下，随着能量不断投入，每一能量投入带来的产出也呈现先递增后递减的趋势。因此，根据生态最大承载量的理论，当投入超过区域生态最大承载量所需要的投入时，能量投入产出将处于边际报酬递减的加速阶段，从而出现生态负效应使得可持续性恶化(图1)。

以中国耕作制度区划为区域划分的生态最大承载力下，其投入产出的“S”型曲线共分3个区，最左侧区段表示健康发展，投入产出报酬递增，到P点达到边际效益PX最大； 中间区段表示进入预警期，报酬递减，到区域生态最大承载量时可获得生物产出能最大时所需要的投入，即投能临界点E，投入能和产出能平衡； 最右侧区段表示不可持续，生态负效应递增。

根据上述规律，该文通过传统的Logistic曲线来求出产投效益的拐点P划分边际报酬递增和递减的区间，通过抛物线的一阶导数来作为投能临界点E确定生态负效应递增区间(图2)。

具体计算方法为：

首先，根据边际生产力、平均生产力和生产弹性系数找到产投效益的拐点P、相应的PX，将Logistic曲线划分成两个阶段。

(1)

其中，生物量y即种植业生物产出能； 农业生产方式x即各种农业生产模式下的要素投入能； 最大生态最大承载量K即在各生产要素均为合理条件下的农牧业能够达到的最大产出能；a、b分别为估算系数。

通过式(1)求出式(2)～(4)，当边际生产力等于平均生产力，即当EEI=1的时候，拐点产投效益拐点值P出现，因此可以找到对应的PX。

(2)

(3)

(4)

其次，通过抛物线方程求出投能临界点E，寻找负效应指数出现的第三阶段。通过对抛物线方程进行求导，令之等于0求得能投产出最大的点所需要的投入能，即投能临界点E。

最后，根据PX和E，将农业可持续发展指数(ASDI)划分的3个区间，将取值范围设定在[-1， 1]之间。第一区间：当XE时，指数为(E-X)/X。

(5)

如图2所示：第一区间ASDI[0， 1]表示健康发展，投入产出报酬递增，到P点达到边际效益PX最大； 第二区间ASDI[1， 0]进入预警期，报酬递减，到投能临界点E达到区域生态最大承载量，投入能和产出能平衡； 第三区间ASDI[0，-1]表示不可持续，生态负效应递增。

1.2 数据来源

该方法是基于农业统计年鉴及相关资料，进行数据的收集、整理与分析。经过各类数据的折能系数进行折能转换，计算出农业生态系统单位面积上的能量投入和产出。

其中，投入能主要为人工辅助能的投入，包括有机能和无机能。有机能包括劳动力和有机肥； 无机能包括农机械总动力、农村用电量、化肥、农药、农膜的投入； 其他投入为耕地。产出能则包括各类种植作物的第一性产出，包括经济产出和秸秆。各类投入要素和产出要素的折算系数主要参照刘巽浩[36]、吴湘淦[37]、骆世明[39]等的研究，折算标准如表1和表2。

表1 农业生产方式投入要素能量折算标准

能量类型103MJ/hm2来源折算方法无机能农用机械210吴湘淦将农业机具的马力数或台数折算成公斤数，乘以0 1(10年折旧期)燃油45国家标准标准柴油农田用电12 5国家标准氮肥91吴湘淦磷肥13 3吴湘淦钾肥9 0吴湘淦农药102吴湘淦塑料薄膜107李波有机能劳力3500刘巽浩等1个劳动力1年按300d计，一天需要投入食物1255万J，但扣除粪便部分的能；农村劳动力-外出务工人员有机肥13 5刘巽浩等以畜牧业和人的粪便中的有机质计算其实有量，但需要因地区考虑丢失量；秸秆还田量的有机质

表2 各类作物经济系数和能量折算标准

籽 粒秸 秆种类103MJ/hm2来源收获指数103MJ/hm2来源粮食产量 稻谷15 1刘巽浩0 35～0 614 1骆世明 小麦16 3刘巽浩0 3～0 414 6骆世明 玉米16 3刘巽浩0 25～0 414 6骆世明 高粱15 9刘巽浩0 3915 1骆世明 谷子16 1刘巽浩0 3915 1骆世明 大豆20 9刘巽浩0 12～0 2415 1骆世明 薯类0 42刘巽浩0 60～0 7814 6骆世明经济作物 棉花16 7刘巽浩0 11～0 2215 1骆世明 花生23 0刘巽浩0 41～0 5115 1骆世明 蔬菜20 4×0 004186刘巽浩0 7315 1骆世明 向日葵27 86刘巽浩0 21～0 4015 1骆世明 油菜籽26 31刘巽浩0 25114 3骆世明 黑芝麻22 2刘巽浩0 3415 1骆世明 麻类16 3刘巽浩0 315 1骆世明 甘蔗2 68刘巽浩0 715 1骆世明 甜菜2 5刘巽浩0 60～0 8515 1骆世明 烟叶16 128刘巽浩0 52～0 6715 1骆世明 茶叶17 3骆世明0 516 7骆世明 苹果2 18刘巽浩0 316 7骆世明 柑桔1 80刘巽浩0 316 7骆世明 梨园1 84刘巽浩0 316 7骆世明 葡萄1 80刘巽浩0 316 7骆世明 枣子4 66骆世明0 316 7骆世明 柿子3 45骆世明0 316 7骆世明 核桃31 2骆世明0 316 7骆世明 板栗8 7骆世明0 316 7骆世明 木材16 7刘巽浩 注：该文所用的能量折算方法主要参考刘巽浩[36]，吴湘淦[37]，骆世明[39]和农业技术经济手册等

2 实例验证

印江县位于贵州省东北部之铜仁市中部，属云贵高原向湘西丘陵和四川盆地过渡的大斜坡地带，地处喀斯特化较为严重的亚热带高原山区，全县总面积19.69万hm2，喀斯特岩溶面积达10.147万hm2，占全县国土面积的51.74%，各种喀斯特形态并存，是典型的喀斯特地貌，石漠化比较严重。海拔在600～1000m之间，年均气温16.8℃，日照时间长达1296h，无霜期近300d，年降雨量1100mm左右，冬无严寒，夏无酷暑。“八山一水一分田”，是贵州省典型的山区农业县，地球北回归线上唯一的绿洲。全县总人口42万，土家族苗族占总人口的70%以上。

该文选择收集了1980～2014年印江县的农业统计年鉴及相关资料，进行审核、整理与分析。经过各类数据的折能系数进行折能转换，计算出该县农业生态系统单位耕地面积上的能量投入和产出。

2.1 模型拟合结果

将整理出的单位面积上农业能量投入和产出数据根据式(1)输入SPSS Statistics 20统计软件，进行S曲线方程估计，估计结果如(6)所示。根据估计结果，得出最大产出能K值为276.87MJ/hm2，参数a、b分别为2.316、-0.023。模型可决系数R2为0.587，各参数都通过了显著性检验，模型拟合程度较好。

(6)

把拟合得到的a、b、K值带入式(2)、式(3)、式(4)等，求出产投效益拐点值P，即得出对应的PX，即PX=17.196万MJ/hm2。如图3所示：

通过S曲线和抛物线的参数估计情况，得出抛物线参数a、b、c分别为： 2.571、-0.005、-67.04，对抛物线求导并令之等于0求得抛物线顶点对应横坐标，即投能临界值E，E=21.642万MJ/hm2。

最后将计算得出的 PX=17.196万MJ/hm2和E=21.642万MJ/hm2，根据式(5)计算出印江县的农业可持续发展指数。

图3 印江县产投效益拐点值

图4 抛物线的参数估计情况

图5 印江县农业可持续发展指数

2.2 农业可持续发展指数分析

通过图5可以看出，印江县的农业可持续发展指数具有波动性； 1980～2001年呈现缓慢递增的趋势， 2002年后波动下降至2007年出现了负效应指数，而后迅速回升至较高可持续的发展水平。其中2007年下降的主要原因为化肥的施用量由2006年的6757t增加到2.3383万t。氮肥由上一年的3484t增加到7761t，磷肥由2006年的939t增加到5425t。

当地在2007年以前以畜牧业为主，羊和猪的存栏量较高，因此得出有机能投入处于较高水平。其中， 2007年后由于产业结构调整，播种面积的增加，种植业主要向蔬菜和水果产业发展，因此导致化肥施用量增加，从而导致无机肥的大幅度增加，使得总投能超过了临界点E=21.642万MJ/hm2，处于负效应指数出现的投能阶段。同时， 2007年后由于外出务工人员增加，从事农业活动的大都为老年人，再加上产业结构调整，畜牧业逐渐减少，种植业逐渐增加，因此2007年后有机能大幅度的降低，使得农业可持续发展指数回升至健康发展的阶段。

3 结论与讨论

农业可持续发展涉及方面众多，生态可持续是其中的核心内容。当前，我国农业可持续发展面临转变生产方式的主要矛盾，该文采用能量投入产出的方法，进行农业可持续发展指数的研究，以下是该文几个方面的结论和讨论。

(1)基于能量投入产出法，构建农业可持续发展指数来确定农业生产状态的方法是可行的，通过S曲线和抛物线两个方程来确定农业可持续发展指数的拐点和临界点，能够得出农业可持续发展指数的规律。说明评价农业可持续发展简便可行的方法是存在的，下一步考虑是否可以尝试利用单方程来进行农业可持续发展指数的研究。

(2)ASDI作为农业可持续发展的研究，或将为农业生态安全预警提供了一个可供参考的指标。生态安全是可持续发展的前提和基础，当一个国家或地区所处的自然生态环境状况能维系其经济社会的可持续发展时，其生态环境是安全的，反之则不安全。当前通用的农业生态安全预警模型及软件尚不多，缺乏定量或半定量衡量特定区域农业生态质量的专业工具。基于能量投入产出构建的农业可持续发展指数，或可为农业生态安全预警提供一个可供参考的指标。

(3)然而该文也存在一定的不足之处，农业可持续发展的研究涉及方面较多，该文仅从生态学的视角进行分析，采用能量方法从农业生产方式的角度来研究农业可持续发展指数，对全面分析农业可持续发展情况存在不足。下一步希望建立多步骤的评价体系，将经济、社会等其他因素考虑进去以完善评价方法，以达到对农业可持续发展的正确诊断和预测。

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