城郊型成都绿湾农业合作社生态农场的能流分析和提升对策

母娜，李首成，陈勇

(四川农业大学 农学院，四川 成都 611130)

随着城市规模的不断扩大，城市人口与经济对城郊型农业发展提出了更高的要求。城郊型农业发源于临近城市的郊区地带，利用优越的地理位置，生产鲜活农副产品以满足城市市场和生态环境需求，具有高效可持续发展的特点[1-3]。城郊型农业在城乡互动过程中兼具生产服务功能、生态保育功能及景观文化功能，力求通过功能调整实现经济、生态、社会效益的最大化[4]。

对城郊型农业生态种养系统进行能流分析，有助于更加清晰简明的认识城郊型农业，以促进其发展。Odum等[5]学者在对生态系统能流理论研究基础上，设计出图解、符号、转换系数量表等简单工具，将不同物质转换为同一单位能量进行比较分析，开创了能流分析的范式。

能量是生态系统存在发展的基础。生态系统中能量的输入、输出及其在系统内各组成部分之间的流动，是生态系统的基本运转过程之一[6]。在农业生产过程中，衡量一个农业系统功能的重要指标之一便是农业生态系统产出水平，目标是高效能量产出和低水平能量消耗[7]。在农业生态系统中，初级生产和次级生产之间能量相互匹配、流转和协调的核心问题是物质和能量的转换。对城郊型农业生态系统进行能流分析，能够反映农业生态系统在微观层次上的结构和功能，简化工作模式，减轻工作量，得出具有重要指导意义的结论[8]。本研究以成都绿湾农业合作社下设的绿湾生态农场为研究对象，分析该农场生态系统的物质循环和能量流动特征，总结提升对策，以期探索城郊型农业发展的一般模式和能量流动情况，也为完善农场的能量投入结构、优化调整农场的能流方向及能流路径提供依据，为进一步提升城郊型农场的能流效率，促进该农场生态系统高效产出和良性循环奠定理论基础。

1 研究区概况

成都绿湾农业合作社位于成都市新都区马家镇锦城村，距离成都市中心16 km。合作社位于成都平原东北部，属于亚热带湿润季风气候，夏季高温多雨，冬季温和少雨，雨热同期，降水充沛，年平均日照时数为1 042～1 412 h，年平均太阳辐射总量为347～397 kJ·cm-2，年平均气温16 ℃，全年无霜期280 d，年降水量900～1 300 mm[9]。整个合作社占地约33.33 hm2，耕地面积4 hm2，主要进行小麦、水稻、油菜、蔬菜种植和猪、鸡、鸭、鹅、牛、羊等禽畜养殖，共有农业工人13人。通过多年发展，合作社构建了生态循环利用模式，力求打造成安全优质的城郊生态农场，设置种植业、三叶草、养殖、蔬菜等为一体的产业链，形成“种植业-三叶草-有机肥”和“畜禽及稻田养鱼-沼气-有机肥”循环结构。农场采用人工提灌获取清洁水源，道路基础设施采用草坪、卵石、碳渣等覆盖，减少水泥硬化，种植过程禁用农药、化肥，养殖过程不使用饲料等，力求达到生态系统平衡。

2 研究方法

2.1 数据采集

研究原始数据主要通过对绿湾农业合作社生态农场管理人员多次调查并核实准确，部分来自统计年鉴。将绿湾农场划分为种植业、养殖业、居民区3个子系统，对农场劳动力、耕地面积、作物品种、种植面积、投入产出情况、家畜饲养情况等涉及能量输入输出的数据按照上述3个子系统进行分类处理。

2.2 能流计算方法

对于农业生态系统而言，只有太阳辐射量是以能量单位表示的，其他物质流量的计量单位各有差异，需要通过折能系数将系统内外流转的物质量转换为统一单位的能流量，用J表示，以便于对系统的定量描述。本文使用的各类物质折能系数主要采用闻大中的方法[10-12](表1～2)。对粪便含水量、作物谷草比、麦麸、米糠等不便准确得出的数据进行估算，作物干重采用乌日娜等[13]、张小燕等[14]的方法，将作物植株于105 ℃烘箱杀青30 min，再以80 ℃烘干至恒重。畜禽粪便含水量采用费辉盈等[15]、张菲菲等[16]的方法，将样品置于105 ℃烘箱烘干至恒重，再称重。作物谷草比参考谢光辉等[17]、张福春等[18]的方法。工具折能采用折算法，将工具折算成年损耗钢材量(机械重量×10%)，钢材折能88 576 kJ·kg-1，拖拉机、收割机、插秧机每台分别折算成1 000、500、300 kg钢材，手工农具每件折算成3 kg钢材，人工折能12 540 kJ·d-1，畜力折能62 700 kJ·d-1[19]。

表1 各农作物的折能系数

表2 其他产品的折能系数

系统各物质所含的能量计算公式[10-12]为：Y=kX。其中，Y表示输入(输出)的能量，k为各物质的折能系数，X为流入(转出)的物质数量。

3 结果与分析

3.1 各子系统的能流分析

农业生态系统中投入的能量可分为自然能和人工辅助能，人工辅助能又可细分为有机能和无机能。在农业生态系统内部，各子系统之间有机能的输入和利用情况在一定程度上反映了系统的自给能力。绿湾农场生态系统主要是由种植业、养殖业、居民区3个子系统构成的集农业发展、科技示范与户外休闲为一体的城郊型农业生态系统。其中，前2个子系统为生产性系统，本文着重对其进行分析。本研究中生态系统的能量输入、输出及各子系统之间、系统内与系统外形成的能流图见图1。

3.1.1 种植业子系统

种植业子系统固定太阳辐射能的方式是绿色植物的光合作用，以此形成初级生产力[20]，系统中能量投入主要是自然能和人工辅助能，能量输出以粮食等经济产出和秸秆等非经济产出为主。

图1 绿湾农场生态系统的能流

如表3所示，绿湾生态农场种植业子系统能量总输入量为134 938.70 GJ，其中太阳辐射能133 984 GJ，人工辅助能输入954.70 GJ。人工辅助能中，246.90 GJ为系统外输入，其他为系统自身提供。分析可知，系统的自给能力较强。

表3 种植子系统能量输入输出的情况

种植业子系统能量总输出量为387.22 GJ，其中粮食、蔬菜产品输出量为97.99 GJ，该部分作为商品全部输出系统外。输出的青饲料、饲草、薪柴、秸秆留在系统内供给养殖业子系统和居民区子系统，共计289.23 GJ。种植业子系统的能量产投比仅为0.41。

3.1.2 养殖业子系统

植物通过光合作用将能量输送到养殖业子系统，养殖业子系统再通过能量的消耗与转化产出畜禽产品，所以养殖业子系统属于次级生产系统，能量输入主要为饲料、饲草、幼畜禽和少部分人力，能量输出主要是猪肉、羊肉、禽蛋禽肉、畜力及畜禽粪便等。

如表4所示，养殖业子系统能量总输入为368.02 GJ，总产出为682.28 GJ，能量产投比为1.854。其中，由系统外投入的粮食和畜禽含能279.17 GJ，麦麸、米糠、青饲料等投入含能88.47 GJ，人力投入0.38 GJ，系统外投能占总输入的75.86%，系统内自给的能量占24.14%。

养殖业子系统提供的肉禽蛋产品共89.58 GJ，全部作为产品输出到系统外，故商品率为100%。畜力、粪便分别输出1.88、590.82 GJ到种植业子系统。

3.1.3 居民区子系统

居民区子系统过去一年的能量输入输出情况见表5。由表5可知，系统外投入到居民区子系统的能量为62.51 GJ，分别为粮食、蔬菜、猪肉、菜籽油；系统投入61.09 GJ薪柴，占比49.423%。居民区子系统输出人力19.83 GJ，粪尿2.42 GJ。居民区子系统输出的人力是整个农场生态系统的劳动力来源。

表4 养殖子系统能量输入输出情况

表5 居民区子系统能量输入输出情况

3.2 能量的输入输出结构

3.2.1 人工辅助能的输入结构

绿湾农业生态系统共输入能量135 430.32 GJ，其中太阳能133 984 GJ，占比98.93%，人工辅助能1 446.32 GJ，仅占能量总输入量的1.07%。农场3个子系统共投入人工辅助能1 446.32 GJ，其中来自系统内的人工辅助能为857.74 GJ，占比59.31%，来自系统外的为588.58 GJ，占比40.69%；有机能输入1 330.15 GJ，占91.97%，可见该农场是一个自给性较强的农业生产系统，且以有机能投入为主，无机能投入只存在于种植业子系统中。种植业和养殖业2个生产性子系统投入的人工辅助能中，无机能仅为116.18 GJ，占人工辅助能的8.78%，有机能占91.22%，可见该农场生态系统是一个典型的生态种养农业系统。

3.2.2 系统能量的输出结构

系统能量总输出量为1 091.75 GJ。在系统输出能中，养殖业子系统输出最高，为682.28 GJ，占能量总输出量的62.5%；种植业子系统次之，总输出387.22 GJ，占比35.5%；再次为居民区子系统，输出能量22.25 GJ，占比2.0%。由此可见，该农场目前是一个种养结构不配套的农业生态系统，由于整个农场不使用农药和化肥，所以种植业产出能占总产出能的比重很低，加之沼气池正处在建设阶段，尚不能发挥其本应作为整个农场生态系统的桥梁和纽带的作用[21]。2个生产性子系统的总产出能为1 069.49 GJ，输出到系统外的能量为187.57 GJ，该部分全部作为商品，占总产出能的17.54%；其余881.92 GJ进入农场的3个子系统，说明该农场生态系统是一个自我维持的系统。

3.3 各子系统产出能的流向分析

种植业子系统的产出能为387.22 GJ。其中，146.88 GJ作为肥料和秸秆归还农田，占37.93%；97.99 GJ作为商品流向系统外，占25.31%；61.09 GJ流向居民区作燃料，占15.78%；81.26 GJ流向养殖业子系统作饲料，占21.05%。由此可知，58.98%的种植业子系统产出的生物能量流回到种植业和养殖业2个子系统，符合循环农业的要求[22-23]。养殖业子系统输出的能量共682.28 GJ，其中粪便为590.82 GJ，占输出能量的86.60%，全部归还农田作肥料；作为畜禽产品流向系统外的能量为89.58 GJ，仅占13.13%。

4 讨论

4.1 城郊型生态农场的能量流动特征

本研究表明，绿湾农场自给性较强，能量投入以有机能为主，占比91.22%。但由于处于起步阶段，农场各项设施尚不完善，导致系统产出能力较低，种植业子系统产出能量仅为387.22 GJ，属于偏低水平。能量流动多以单向流动为主，各子系统之间的耦合程度不高。在初级生产中，保留了传统农业的优势，并广泛应用生物、物理防虫除草等现代农业技术，既提高了土壤肥力，又促进了资源的循环高效利用。近两年来，农场在提高水稻产量、提升质量的基础上，设计运作“水稻+鱼”为主的稻鱼观光体验农业模式，比传统单一种植模式更深入地体现了生态农业文化，同时还增加了系统产出。农场注重景观文化建设，利用现有植被打造乔木-灌木-草本(作物)相结合的生态路网和水网，并设有科普长廊，建设了中小学教育示范基地。城郊型农业是开放程度较高、商品率较高的现代农业，兼具生产服务功能、生态保育功能及景观文化功能，加之临近城市地区的区位优势，使得大多数城郊型农业能够方便地学习先进的农业生产技术和经营管理理念[1-4]。随着城市化进程的加快，城郊型农业有着巨大的发展潜力和市场空间，不但能够满足城市对鲜活农产品的需求，还能够发挥出巨大的生态服务价值。

4.2 城郊型生态农场的能流效率

绿湾农场位于成都北郊，属于典型的城郊型农业，但系统产出能力却偏低，种植业子系统产出能为96.81 GJ·hm-2，低于新疆尉犁县达西村(125.9 GJ·hm-2)[24]和河西走廊农户(282.6 GJ·hm-2)[25]。种植业子系统产投比仅为0.41，不仅低于生态条件较差的新疆尉犁县达西村(2.30)[24]和陇东西峰市文安村(1.89)[26]，更低于生态条件较好的河西走廊(3.11)[25]和豫东农户(3.15)[27]，属于较低水平。养殖业子系统的产投比为1.85，居民区子系统的产投比为0.18，也属偏低水平。产投比偏低的原因之一是整个农场采用传统的农业生产方式生产，机械化水平不高，劳动力素质不高，种养结构单一，且存在不配套的问题。虽然人工辅助能特别是有机能投入很高，但利用效率低，加之不施用化肥农药，而病虫害防治措施又尚未有效地落实，致使单位面积的产出能偏低。种植业子系统初级产品光能利用率为0.27%，高于达西村(0.26%)[24]、文安村(0.16%)[26]，但低于河西走廊农户(0.49%)[25]和豫东农户(0.74%)[27]。光能利用率偏低的原因是田间管理水平低、单产低，植株光合能力较弱，同时，由于种植密度过小导致叶面积指数小，漏光现象严重，造成光能浪费。

4.3 城郊型生态农场的优化措施

绿湾农场种植业子系统的能量产投比和光能利用率均属于较低水平。此外，不配套的种养结构和低水平的能量利用效率，使得种植业子系统产出能力偏低，不能提供养殖业子系统所需要的粮食，畜禽产生的大量优质有机肥也存在严重浪费。

针对绿湾生态农场目前机械化、集约化程度低，系统产出能力较弱等问题，提出以下建议：第一，绿湾农场应着力发展小型便携机械化，采用合理的栽培技术，在保证作物品质的前提下进一步增加产量；第二，改变目前畜禽散养的现状，集约管理，发展立体饲养；第三，优化产出结构，逐步发展林果业、蔬菜和其他经济作物，增强种养子系统之间的协调耦合关系，促使种养配套发展；第四，完善沼气池，利用绿肥和畜禽粪肥生产优质有机肥，发挥沼气池在农场生态系统中的纽带作用；第五，合作社可制定田间管理专业化操作规程，组织劳动技能培训，推行精细化管控，防控病虫草害。