基于能值理论的水土保持生态效应评价

仲朝晖

(葫芦岛市水土保持办公室，辽宁 葫芦岛 125000)

水土流失不仅破坏土地资源，引起自然生态系统的失衡，而且对人类赖以生存的环境以及经济社会发展造成威胁，水土流失治理是国内外生态环境研究的主要内容之一。水土保持是防治水土流失的有效手段，多年来一直受到国内外生态学者的关注，而水土流失治理关键性技术措施的合理性与有效性评价分析是水土保持规划与发展的重要理论依据，对水土保持措施实施状况及其生态效应进行研究分析是水土保持措施研究的重要内容。当前，灰色系统评价法以及模拟分析法是进行生态效益评估的主要方法，该方法在进行评价时往往将经济与生态作为两个系统进行分析。因两种评价方法的衡量标准、评价方式存在差异，因此无法直接对其进行对比分析，在生态效应评价前对各评价指标度量单位和量纲进行归一化处理十分必要。

美国生态学者H.T.Odum在20世纪80年代创立了能值理论，它是以太阳能值为依据通过将经济系统与生态系统进行有机的结合，实现了评价指标度量单位的统一，并因此避免了传统地将生态与经济系统分开评价的缺陷[1-2]。能值理论因具备度量单位统一处理的特征，其评价结果较为客观真实，因此在研究与评估地区或国家资源、经济、环境、可持续利用等方面得到广泛的应用[3-5]。在环境应用方面，能值理论主要用于对森林或湿地的生态系统评价，而利用能值理论对水土流失治理措施的生态效应进行评估的报道相对较少[6-9]。据此，文章以辽宁省大凌河为研究对象，采用统一能值分别对水土保持生态经济系统的投入与产出物质进行研究分析，然后根据能值分析表对大凌河流域水土保持措施的可持续性与合理性进行探讨。以期更加全面、科学、准确地对大凌河流域水土保持综合治理生态效应进行评价分析，为该流域制定适宜性水保措施提供理论基础，并完善能值理论在生态效应评价的研究应用。

1 研究区域概况

大凌河流域位于我国辽宁省西部区域，面积约为2.35万km2，主要支流包括牤牛河、老虎山河、大凌河西支等。属于温带季风气候，四季分明，日照丰富、温差大，每年的7—10月为降雨旺季，年降水量为450～600mm，降雨分布不均衡。地势由东南向西北方向逐渐降低，植被覆盖率较低，流经低山低丘陵区、山间河谷平原以及林草滩地区，其中低山低丘陵区面积较大，土质疏松物理性能较差，植被覆盖率低、沟壑纵横交错，水土流失严重且危害较大。大凌河流域针对水土流失问题分别开展实施了建设梯田、增加滩地、退耕还林、造林种草以及发展生态畜牧等关键性水土保持措施，并有效改善了流域内经济与生态环境[10]。

2 数据来源及方法

2.1 数据来源

大凌河流域水土流失严重，水土保持关键性技术措施主要有大棚种植、退耕还林、梯田建设、生态畜牧发展等。为了对水土流失治理效应进行客观系统的评价，根据生态经济系统的产品产出和用地类型等受水土流失治理措施的作用影响，根据治理区域基本特征对能值指标进行选取，并构建能值指标评价体系对生态效应进行全面、客观的研究分析。该研究中农、林、牧等相关产出数据以及农业机具、农膜、灌溉水和肥料等数据均来自辽宁省2006—2015年统计年鉴。根据辽宁省水土保持监测站相关数据资料对研究流域治理和新增水土流失面积进行统计，依据辽宁省气象局对年均降雨量及太阳辐射量数据进行统计。

2.2 构建评价指标

依据能值来源可将系统投入能值划分为可更新有机能、工业辅助能、可更新和不可更新自然资源4大方面，其中前两类能值需以货币进行购买，而后两部分可从自然界无偿获取。太阳光、雨水化学能、雨水势能等能量来源相同为其主要组成，为避免对其进行重复计算，可更新资源通常选取数据最大者。同时，该研究选取表土净损耗能和钾肥、氮肥和磷肥分别作为不可更新环境资源和工业辅助能源项目，可更新有机项目选取有机化肥、蓄力和劳力[11]。

系统产出能值指标分别选取林业、种植业和畜牧业等参数，其中畜产品主要包括牛肉、奶类等；农产品主要有小麦、玉米和大豆等。系统产出能值所占社会经济输入能值的比重即为净能值产出率，是表征系统产出对社会经济贡献程度的重要参数指标，该指标的大小代表在相同经济投入条件下的产品产能的高低。其计算公式如下：

EYR=Emy/(F+R1)

(1)

式中，EYR—Emy维所对应的总产出能值；F，R1—分别为工业辅助能和可更新有机能。

系统不可更新与可更新资源投入总量的比重即为环境负载率，它是表征系统负荷程度的主要参数指标，此值越小则系统所承受的环境压力就越低，其计算公式如下：

ELR=(F+N)/(R+R1)

(2)

式中，ELR—N维不可更新环境资源；R—可更新环境资源。

根据上述计算结果和相关指标的基本内涵，净能值产出率与环境负载率的比值即为可持续发展指数ESI，它是表征生态经济可持续发展水平的重要参数指标。ESI值小于1时，则说明系统为消费型；ESI大于1且小于10时，则说明系统充满发展潜力和活力；ESI大于10时，则说明系统经济有待发展，其计算公式如下：

ESI=EYR/ELR

(3)

2.3 能值计算方法

在相同能值标准下的能值分析是对生态经济系统中储存和流动的不可分析对比、不同形式的能量进行转化，对生态效应、各类资源的利用情况以及系统可持续发展进行定量的分析和探讨，并以此实现不同类型信息、能量和物质的统一评价。能值分析其基本内涵是将生态系统内各类资源和产品所包含的能量转化为太阳能值的形式，计算公式如下：

E=TB

(4)

式中，E—太阳能值；T，B—分别为太阳能值转化率和物质所包含的质量或能量。

该研究通过对水土流失治理生态经济系统内不同物质和能量转化为同一标准的能值，编制了大凌河流域投入与产出能值分析表，然后通过构建能值分析评价体系对系统的投入产出能值进行了全面的分析比较，并以此作为大凌河流域水土保持生态效应评价的主要依据，以期为研究流域制定科学、有效的水土流失治理关键性技术措施提供决策依据和理论支持。

3 结果与分析

3.1 投入能值结构的对比分析

大凌河流域生态经济系统的能值投入结构对比分析结果详见表1，能值投入结构变动趋势如图1所示。

表1中，太阳光、雨水势能和雨水化学能的能值转化率分别为1×10-19，1.00×10-16，1×10-16sej/J(或sej/g)；氮肥、磷肥、钾肥、复合肥、农药、农膜以及机械动力能值转化率分别为3.80×10-11，3.90×10-11，1.10×10-9，2.80×10-11，1.60×10-9，3.80×10-9，7.5×10-13sej/J(或sej/g)；劳力、蓄力、有机化肥、种子和灌溉水的能值转化率分别为3.80×10-15，1.46×10-14，2.70×10-15，6.60×10-15，8.98×10-15sej/J(或sej/g)；受文章篇幅限制，各项目的能值转换系数参考相关文献，该研究不做详细的介绍，下同。

表1 大凌河流域生态经济系统的投入能值

图1 大凌河流域生态经济系统能值投入结构变动趋势

由表1计算结果可知，不规则变化的自然资源是可更新环境资源的主要组成成分，其能值变化的不确定性受环境资源组成成分的特殊性影响显著。2006—2009年的表土净损耗能呈增加趋势，由2006年的3.61×1019增大至2009年3.67×1019，该值上升的主要原因可能与梯田、滩地和坝地等工程设施的建设相关；而2009—2015年的表土净损耗能整体呈下降趋势，由3.67×1019降低至3.52×1019，其原因可能与水土保持措施有效防沙护土并减少水土流失有关，水土保持措施开始发挥生态效益。工业辅助投入能值由2006年的1.82×1021增大至2015年的2.24×1021，该指标整体保持增大趋势，说明系统的电力、机械动力和化肥等消耗量随着社会经济的不断发展而逐渐增大；可更新有机能由2006年的1.34×1021降低至2015年的1.16×1021，整体呈下降趋势，其原因可能与劳动力向其他行业的转移以及蓄力由机械动力的替代等因素相关。工业辅助能投入占总投入能值的比例小于52%并低于全国平均水平的65%，由此说明系统农业现代化水平整体较低，仍需进一步提高。综上所述，在系统农业现代化水平较低的条件下，可更新有机能值的下降以及工业辅助投入能值的增加可促进生态经济系统的协调发展，使得人类社会逐渐由农业转为其他行业的发展，在确保农业生产增大的基础上最大限度地创造更多的社会价值。由此表明，水土保持生态治理有利于促进生态系统环境的平衡发展，并进一步表明水土流失治理关键性技术措施具有科学性与合理性。

表2 大凌河流域生态经济系统的产出能值表

3.2 产出能值结构的对比分析

大凌河流域水土流失治理生态经济系统产出能值结构计算结果详见表2，系统能值产出结构变动趋势如图2所示。畜牧业和种植业是生态经济系统的主要产业，其中畜牧业整体呈增加趋势，且变化波动幅度较大。

表2中农产品玉米、小麦、大豆、其他粮食、棉花、油料、水果和蔬菜的能量转化率分别为8.52×10-17、6.80×10-15、6.90×10-15、2.70×10-15、8.6×10-12、6.90×10-14、2.87×10-14、2.70×10-15sej/J(或sej/g)；蓄产品中的猪肉、牛肉、羊肉、禽肉、奶类和禽蛋的能量转化率分别为1.7×10-15、4.00×10-14、2.00×10-13、1.70×10-13、1.71×10-13、1.71×10-14sej/J(或sej/g)；水产品和林产品的能量转化率分别为2.00×10-14和3.49×10-14sej/J(或sej/g)。

图2 大凌河流域生态经济系统能值产出结构变动趋势

由表2计算结果可知，畜牧业能值由2006年的4.07×1021增大至2015年的4.76×1021，整体呈波动型上升趋势，表明研究区域生态畜牧建设有利于促进畜牧业的发展。农产品系统中的蔬菜的产出能值由2005年的6.44×1019增大至2015年的7.18×1019，整体表现出先降低后增大的趋势，表明生态治理的大棚种植措施有利于提高粮食蔬菜的产量值；玉米、小麦、大豆和油料等主要农作物总产量在2006—2007年表现出增大趋势，随后在2008—2010年呈现出明显的下降趋势，然后在2010—2015年又表现出明显的上升趋势，具体的变过如图2所示。农作物能值产出整体为先上升后下降再上升的趋势，引起该变化趋势的主要原因为退耕还林、梯田建设和淤地坝等措施在实施初期，生态经济系统压力较大并造成资源的有效利用率较低；随着治理工程设施的不断完善和利用，相关工程逐渐发挥生态效益，水土流失得到治理并引起农作物产量的增大。水果的产出能值由2005年的2.14×1019逐渐降低至2015年的3.41×1019，并且在2014年降低至最低为1.54×1019，该能值产出整体表现为下降趋势，但是这与种植经济林有利于改善水土流失现状的实际状况不符，其原因可能是大凌河流域在县级点的经济林主要集中在贫瘠区域，主要是靠劳动力生产且不适于机械作业，并引起经济成本较高，据此种植经济林的经济效益不明显，并最终导致水果的能值产出没有增大反而降低的结果。

表3 大凌河流域生态经济系统主要能值产出指标

3.3 主要能值指标分析

大凌河流域水土流失治理生态经济系统净主要能值产出指标计算结果详见表3，能值分析主要指标的分布如图3所示。

图3 大凌河流域生态经济系统能值分析主要指标分布图

净能值产出率由2005年的2.05降低至2011年的1.81，而后又增大至2015年的2.25，整体表现出先降低后增大的趋势，并于2015年增加至最大，其原因可能与总产出能值的变化相关，总产出能值由2005年的6.55×1021降低至2011年的5.98×1021，而后增大至2015年的7.61×1021，相对于2005年增大了约16%，研究表明在此期间投入结构的变化引起了资源利用效率和经济效益的提高。研究系统中净能值产出率为1.81～2.25，属于合理区间1～6的区间之内，说明系统在补偿能值投入后的产出能值仍有剩余，生态经济系统表现出较强的竞争力并且大凌河流域水土保持措施具有良好的科学性和可持续性。

同时，表3和图3表明大凌河流域的环境负载率整体呈先上升后下降的趋势，由2005年的0.91增大至2013年的1.30，而后又降低至2015年的1.17，环境负载率在2013年达到最大。结合文中分析结果，生态经济系统在2005—2013年的压力较大，各项资源和措施有效利用率较低，随后水土保持治理措施逐渐发挥效益，并促进生态环境的改善，有利于降低环境负荷压力。所以，水土流失治理措施要结合当地实际情况，因地制宜的降低对生态系统环境的负面影响，最终达到保护生态环境，提高环境资源有效利用率的目标。

由表3和图3可知，可持续发展指数位于1.50～2.20之间，符合可持续发展指数1～10的变化范围，表明生态经济系统具有较强的活力和发展潜力。生态环境系统未受到水土保持措施的破坏影响，进一步表明水土流失治理措施具有良好的合理性和科学性。

4 结论

文章以大凌河流域2006—2015的水土流失治理现状为基础，采用能值分析理论对其生态经济系统的投入产出状况进行研究分析。通过对生态经济系统投入产出结构以及能值指标分析可知，大凌河流域水土保持措施发挥了明显的效应，具有较强的活力和可持续发展能力，为了提高该区域综合效应的最大化，研究指出在未来水土流失治理中应按照分区治理、明确方向，深化改革、加快发展，监督执法、健全制度等原则，进一步提高水土保持的综合效益。