荒漠绿洲农业生态系统结构与能量分析

张德仲，张恒嘉

(甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

民勤县地处甘肃省河西走廊东北面，石羊河流域下游，除西南一角外，其余边界均被腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠包围，中部是由石羊河洪积及湖积形成的绿洲，属于典型的荒漠绿洲[1]，总占地面积1.6万km2，其中绿洲占地面积约1440km2。该地区处于我国西北干旱内陆腹地，属于温带大陆干旱荒漠型气候，年降水量少但蒸发强烈，由于受到两大沙漠的影响，导致民勤生态恶化，风大沙多，气候条件相当恶劣[2- 4]。再加之违反绿洲生态机制的人类活动，导致该区自然条件更加严酷，民勤绿洲生态环境脆弱的趋势日渐严重，生态环境面临着严峻的考验[5- 6]。

农业生态系统是一类由自然生态系统和人工生态系统结合的综合系统。该系统不仅能维持人类生存与发展，而且对区域生态环境有着保护和修复作用，从而能达到改善该区人类的生活质量与环境[7- 9]。但如何有效评价一个区域农业生态系统，就要引入农业生态效率来度量。国外学者[10]认为生态系统承载力是经济系统发展的基础，判断依据是农业生态系统资源的供给能力和环境的承载力都在其阀值内就可以有效的促进农业经济的发展。而国内学者认为[11]以生态系统为基础，最大化服务于农业经济价值，从而达到农业经济的可持续发展。现已有对农业生态效率的评价方法很丰富，都有比值法、生命周期评价法[12]、随机前沿分析法[13]、生态足迹分析法[14]、数据包络分析法[15]等。本文选择能够将区域资源与环境及经济价值都囊括在内的能值分析法，进行绿洲农业生态系统结构和能量研究，旨在为促进荒漠绿洲区生态农业可持续发展提供参考。

1 民勤绿洲农业生态系统结构

绿洲农业生态系统结构是指绿洲生态系统中各组分在时间和空间上的配置及各组分间物质、能量相互转化关系[16]。民勤县绿洲农业生态系统结构可以从土地资源利用、水资源利用和产值结构3个方面分析。

1.1 土地利用结构

民勤县总占地面积1.6万km2，其中森林覆盖占总土地面积17.7%，耕种土地仅占3.7%,,草类植被占12.2%，难以利用的沙漠、戈壁和盐碱滩地占94%，土地利用率极低，农、林、牧结构不合理；森林和草类植被的覆盖率低，不能有效地防止土壤沙漠化和盐碱化，是造成民勤绿洲面积每年递减的主要原因。就土壤利用营养结构而言，当地自然土壤肥力良好、保水性能高且养分含量丰富，但受限制因素多，尤其是土壤水严重不足时，土壤肥力难以发挥作用[17]。

表1 2015年民勤县产业结构表

注：资料来源于2015年《民勤县统计资料汇编》。

1.2 水资源利用结构

水资源开发与利用是民勤绿洲农业发展的一个瓶颈，其利用结构更决定着绿洲的规模和承载力[18]。2015年，民勤县地表径流2.97×108m3，地下水开采量1.15×108m3。年内总的用水额度为3.59×108m3，其中农用水量占65.2%、生态用水占30.1%、生活用水占3.1%、工业用水占1.6%[19]。

1.3 产值结构

2015年民勤县产业结构及对应的产值、产值比重见表1。由表1看出，系统的产业结构单调，没有健全的产业链，社会发展效益低。第一产业仍然以种植业为主，占全产业的70.89%，第二产业仍处于发展阶段，还是突出了重农轻工的结构格局。相对来说，第三产业比重略超第一产业，占全县生产总值34.37%，从20世纪的发展落后，到现在有略微优势，说明本地区产业结构正在发生转变，绿洲生态系统结构也在发生变化，不仅打破了传统的以农业为主的单一产业结构，还进一步形成了以第三产业为主的多元产业结构模式。

2 民勤绿洲农业生态系统能值分析

在农业生态系统中，产品能值是指在农业生产过程中，由于农产品要在形成过程中不断接受外界补给的各种能量，这些能量的累积量[20]。以太阳能值为基准，单位产品物质所含太阳能的量即为该产品物质的能值转换率，以太阳能焦耳(Solar emioules，简写sej)为单位[21]。太阳能值转化的基本表达式为：

M=τB

(1)

式中，B—构成系统的某种因素，j；τ—太阳能值转化率，sej/单位物质；M—该因素的太阳能值量，sej[22]。

2.1 能值投入结构分析

可将民勤绿洲农业生态系统的能值投入分为四类：①直接来源于自然界的可更新环境资源能值(R)；②直接来源于自然界的不可更新环境资源能值(N)；③来源于人类社会的不可更新的工业辅助能值(F)；④来源于人类社会的可更新有机辅助能值(T)[23]。由于可更新环境资源能值中的太阳能、风能、雨水势能、雨水化学能和地球循环能都来源于太阳辐射，为了避免能值重复计算，本文选取5项中能值最大者作为可更新环境资源能值投入[24]。参照黄铃凌[24]对民勤绿洲农田生产各投入要素的太阳能值计算标准，计算出2010—2015年民勤绿洲农田生态系统各投入要素的能值见表2。

从表2可以看出，2010—2015年民勤农业系统总的能值投入呈现先减少后增加的趋势，由能值投入四项指标的统计来看，不可更新的工业辅助能值在不断递减，主要是农业化肥和塑料薄膜使用量的减少，这两项占总投入能值比重由2010年的1.2E+23sej减少到2015年的1.1E+23sej，减少了5.9%，表明民勤县在发展绿色农业方面做出了明显的成绩，减少了化肥和农用薄膜对农产品品质和生态环境的影响，改善了人民生活质量和生活环境；而农业机械投入逐年上升，相比人力投入在减少，说明已经在改变传统的以人力为主的农业投入，农业发展正在趋向机械化。

2.2 能值产出结构分析

民勤绿洲农田系统主要产出(Y)包括粮食作物类、经济作物类、水果类和蔬菜类。其农田生态系统2010—2015年各产出要素能值计算参照黄铃凌[24]对民勤绿洲农田生产各产出要素的太阳能值计算标准，计算出2010—2015年民勤绿洲农田生产各产出要素的太阳能值见表3。

由表3看出，小麦、玉米、棉花和油料是民勤绿洲主要的能值产出作物，其中粮食作物中传统的小麦能值产出由2010年的54.11E+18sej减少到2015年的38.15E+18sej，减少了29.5%，而玉米由2010年的54.29E+18sej增加到2015年的96.32E+18sej，增加了43.6%。在经济作物中，棉花由2010年的517.2E+18sej减少到2015年的285.57E+18sej，油料由2010年的648.05E+18sej增加到2015年的746.24E+18sej。另外，瓜、果、蔬菜能值产值虽然小，但也呈现历年增长的趋势。

表2 2010—2015年民勤绿洲农田生态系统能值投入结构(1.00E+18sej)

注：资料来源于2010—2015年《民勤县统计资料汇编》。

表3 2010—2015年民勤绿洲农田生态系统能值投入结构(1.00E+18sej)

注：资料来源于2010—2015年《民勤县统计资料汇编》。

由此表明这2010—2015年内民勤作物结构正在发生变化，传统的粮食作物在减少，经济作物的效益在显著提高。

2.3 民勤绿洲农业生态系统综合能值指标分析

农业生产资源、生产环境以及农业经济是组成区域农业生态系统的三大成分，它们之间的相互作用、相互影响，是区域农业生态系统持久发展及人民的生活水平质量提高的关键[25]。为研究民勤绿洲农业生态系统自然资源蕴藏与开发、经济发展和环境承载力状况，本文从能值投入与产出、环境3个方面考虑，引入能值自给率、人均能值利用量、环境负载率3个评价指标，见表4，对该系统综合能值指标进行分析评价。

表4 民勤农业生态系统综合能值评价指标

注：P为从事农业人口数；U=R+T+N+F。

能值自给率是反映一个区域发展对本区域内自然资源的依赖度，由表4可知，民勤县绿洲农业生态能值自给率介于1.50%～1.79%之间，远远低于国内平均水平(0.3)[26]，表明绿洲农业发展对自然资源的开发利用低，但逐年呈上升趋势。主要原因是农业从事者多采用不可更新的工业辅助能，如农用药剂、无机肥、不可降解的地膜等来提高农业产出，长此以往将会对农业生态系统造成环境压力。

人均能值利用量可以反映农民享受生活的水平和质量，根据表4，除2010年超高外，其余年份人均能值利用率逐渐增加，超过了全国平均水平(4.25E+15)[27]，说明当地农民生活水平相对较高，这与不可更新的工业辅助能中的电力和农业机械的使用息息相关，为现代化农业发展注入动力。

环境负载率能够反映系统对自然资源的利用率和对环境承载力，系统的利用率越高，环境承受压力越大。环境负载率其数值介于3.11～3.67，略高于国内平均水平(2.08)[27]，说明民勤绿洲农业发展对资源利用率强，侧面反映出环境负载力不断增加。致使环境负载力增加的主要原因是不可更新工业辅助能的高效投入，特别是化肥，不可降解农用薄膜和机械燃料的使用。

3 结语

在荒漠绿洲发展生态农业有助于该区经济发展和生态平衡，通过对民勤绿洲农业生态系统结构与功能的分析，得出两点结论。

(1)绿洲农业生态系统结构不协调。绿洲农业是人为改变绿洲自然环境所形成的人工系统，在这种演变过程中使原有生态系统结构失调，具体表现：①严重的土地沙漠化和盐渍化，造成土地覆被率和利用率都极低；②水资源开发利用缺乏合理性，社会用水和生态环境用水依旧是主要矛盾；③物种多样性减少，致使对原有环境有利的生物链打断甚至消失，一系列恶性循环接踵而至。因此必须合理开发生态系统，优化系统网络结构，使生态结构趋于多样化和稳定化。

(2)绿洲农业生态系统功能不完善。该区农业生态系统能值投入量大，但产出水平较低，投入与产出比为1.28∶1；机械化程度低，生产力水平落后，尚未达到农业现代化要求，且无机肥使用量也远超有机肥投入，在系统环境和人民生活质量方面均存在隐患，这也是今后生态农业发展亟待解决的问题。建议加大农业机械投入，创建规模化农田系统，尽量避免使用无机肥和不可降解地膜。