湖南主要大田作物系统投入产出的能值分析

周 江 谢宜章 向平安 ，

（1湖南农业大学洞庭湖区域农村生态系统健康湖南省重点实验室，410128，湖南长沙；2湖南农业大学商学院，410128，湖南长沙）

农作物生产是人类生存的根本依靠，同时也是导致生态环境恶化的重要驱动力。随着可持续发展理念日益深入人心，人们已经开始重视开展农田可持续经营。客观权衡环境效率和经济效率是做出可持续经营决策的一个重要前提。传统的投入产出分析较多考虑经济效率，忽略了生产活动对环境的影响，不符合可持续发展观的要求。本文以湖南省为例，采用能值分析方法，就不同作物系统的能量投入产出效益及其结构变动趋势进行比较分析，以探讨大田作物系统可持续发展。

自20世纪后半叶以来，科学家们一直在探索能够客观衡量生产效率的分析方法。基于能量学原理的热力学方法是重要的探索领域。美国生态学家Odum于1987年首次运用能值分析方法来分析陆地复杂系统的模拟技术与功能原理，并将该项研究延伸到人类生产的生态、环境和社会经济系统等领域[1]。Odum应用热力学方法原理建立的能值分析法被广泛应用于评价系统的投入产出结构与效率，尤其是农业生态系统。自其引入中国后，学者们已将能值分析法运用于评价农业生产系统的可持续性[2-4]，采用能值分析法分析了种植业的投入产出情况[5]，并探讨了促进种植业可持续发展的策略[6-7]。尽管有关农作物系统的能值分析文献不少，然而开展主要大田作物间的比较，以及能值分析与传统投入产出分析方法比较的研究却少见。

本文采用能值分析法对湖南主要大田作物系统的投入产出进行分析，并比较各个系统的能值效率与经济效率，以期为农田可持续经营提供决策依据。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

湖南省位于洞庭湖以南，属于长江中游地区，山地和丘陵占湖南省总面积的66.62%，是其主要的地貌形态，年平均温度基本为15℃～18℃，年平均降水量基本为1 200～1 700mm，太阳辐射量基本为4 190～5 016MJ/m2，全年雨量较为充沛，为典型的大陆性亚热带季风湿润气候。湖南大田农作物以水稻为主，其他作物主要是油菜、棉花和烤烟。各作物总种植面积在2006-2014年间呈增长趋势，之后出现回落，且种植结构有所变化（图1）。受双季稻改种单季稻趋势的影响[8]，水稻种植面积所占比重有所减少，2018年种植面积较2016年回落6.29%。油菜种植面积在2006-2016年间以年均21.10%的增长率大幅增长。棉花种植面积呈波动下降趋势，烤烟种植面积小幅波动但基本稳定。

图1 2006-2018年湖南主要大田作物种植面积及种植结构变化[9]Fig.1 Change of major field crops planting area and proportion in Hunan province from 2006 to 2018[9]

1.2 研究方法

1.2.1 能值分析步骤 能值分析法是将不同类别能量转换成太阳能值，以比较不同等级或者不同类别能值的真实价值和分析某个特定系统中储存的或者流动的能量以及这些能量对系统的作用，能值单位为sej。太阳能值是运用能值转换率（1单位某产品或者劳务所耗费的太阳能值）进行换算的，单位是sej/J或 sej/g。

采用能值分析法对油菜、棉花、烤烟和水稻作物系统近年来投入产出情况进行评价，其步骤分为3个阶段：首先确定各作物系统能值边界情况，列出湖南省主要大田作物自然环境、地理和经济等系统的主要能量输入项目和输出项目；然后运用能值转换率计算这些作物系统中近年来各项投入产出的能值，核算并绘制各作物系统的主要投入能值占比、能值投入率和能值可持续发展指数等年际间变动趋势图；最后运用能值分析指标评价各作物系统的热力学效益。

在能值分析中，能值投入（T）分为自然资源能值和购买能值两部分。自然资源能值包括太阳能、雨水势能和雨水化学能等可更新资源（R）和表土层净损失等不可更新资源（N）。由于太阳能、雨水势能和雨水化学能均是由气候和地球物理作用引起的，为避免重复计算，本文只选取能值投入量最大的雨水化学能作为可更新资源指标。购买能值包括农用机械、化肥和农药等不可更新工业辅助能（F）和以人力、畜力、种子和有机肥为代表的可更新有机能（R1）。能值产出（Y）指稻谷、油菜籽、棉花和烟叶等农产品。

1.2.2 数据来源及说明 作物播种面积、主要城市月均降雨量及日照时数来源于《湖南统计年鉴》，单位种植面积的生产成本、生产要素投入量、产品产出和市场成本利润率数据来源于《全国农产品成本收益资料汇编》，农业生产资料价格分类指数和居民消费价格定基指数取自《中国统计年鉴》。2012年之前的农用柴油和农药价格取自《中国物价年鉴》，2012年之后通过查询“中国价格信息网”获取。能值总产出只计算主产品，不包括副产品。

其中，X表示单位种植面积水稻投入产出，X表示水稻总投入产出，A表示种植面积，i表示早、中、晚稻。

参考Odum等[10]的方法确定投入产出能量的太阳能值转换率，劳动力的能量折算系数、太阳能、雨水化学能、雨水势能、表土层净损耗能和投入产出能计算式均参考《生态经济系统能值分析》[11]，其他能量折算系数及其计算方法参照《农业生态学》[12]和《农业技术经济手册》[13]。生育期确定：油菜全生育期为11月-次年4月，早稻全生育期为4-7月，中稻、棉花和烤烟全生育期为5-9月，晚稻全生育期为7-10月。

本文采用2000年的能值货币比率（4.94×1012sej/$）[14]。相关计算公式：太阳能=面积（hm2）×年均辐射量（J/hm2）×作物生育期日照时数占全年比例（%）；雨水化学能=面积（hm2）×作物生育期降雨量（m）×雨水吉布斯自由能（J/kg）×雨水密度（kg/m3）；雨水势能＝面积（hm2）×作物生育期降雨量（m）×雨水密度（kg/m3）×重力加速度（m/s2）×海拔（m）；表土净损耗能=面积（m2）×年均表土侵蚀速率（g/m2）×土壤有机质含量（%）×有机质所含能量（J/g）×作物生育期全年占比（%）；人工能=工作时间（d）×单位时间能量（J/d）×劳力按中小学文化水平计取系数；投入产出太阳能值=投入产出能量（J或g）×能值转换率（sej/j或sej/g）。

作物生育期日照时数、全年日照时数及生育期降雨量均取湖南省14个地（市）历年平均值。

1.2.3 能值分析指标 采用能值投入占比、能值投入率和可持续发展指数等主要能值指标[8]综合评价作物系统的效率和可持续性。能值投入占比是指作物系统中各能值投入比例，反映各项投入在系统投入结构中的比重。在总能值投入中，自然资源能值占比反映环境资源的贡献度；工业辅助能值占比和主要工业投入能值在购买能值中占比反映作物系统现代化程度；可更新有机能值占比和主要有机能值投入在购买能值中占比反映作物系统生态效益。

能值投入率（emergy investment ratio，EIR）是指购买能值在自然资源能值中所占比例，评价作物系统对市场投入的依赖程度。能值产出率（emergy yield ratio，EYR）指产出能值在购买能值中所占比重，反映作物系统的生产效率、产品竞争优势以及能值投资回报率。环境负载率（environmental load ratio，ELR）是不可更新资源的能值与可更新资源能值之比，主要用来评价作物系统中的环境影响。能值可持续发展指数（emergy sustainability index，ESI）是指该系统能值产出率与环境负载率的比率。相关计算公式为：EIR=（F+R1）/（R+N）；EYR=Y/（F+R1）；ELR=（F+N）/（R+R1）；ESI=EYR/ELR。

为客观衡量作物系统的产出效率，本文采用能值利润率[1]进行核算，并与传统利润率进行比较。能值利润率是指系统的产出能值扣除投入能值后的净产出能值与投入能值之比。能值利润率采用2种方式核算，这2种核算方式的区别是投入能值的构成不同。一种包括自然资源能值，该方式可全面考察自然和社会能值的投入产出效率；另一种不包括自然资源能值，该方式可方便考察社会能值的投入产出效率。传统利润率是指系统产出的产品产值扣除生产总成本后的净利润与包括生产成本和土地成本的总成本的比值，即《全国农产品成本收益资料汇编》中载明的成本利润率。不同能值利润率的计算表达式如下，能值利润率（只计算购买能值）=（Y-F-R1）/（F+R1）；能值利润率（含自然资源能值）=（Y-F-R1-R-N）/（F+R1+R+N）。

2 结果与分析

2.1 大田作物系统能值投入结构动态分析

2.1.1 自然资源能值与购买能值投入结构分析2006-2018年，湖南油菜、棉花、烤烟和水稻系统的自然资源能值投入占能值总投入比例的变化区间分别为16.30%～20.03%、8.00%～10.54%、5.47%～7.11%和9.32%～15.94%。各作物系统中自然资源能值投入在能值总投入中占比较低，排序为油菜＞水稻＞棉花＞烤烟（图2），这表明湖南主要大田作物系统对自然资源的依赖度较低，其中油菜和水稻系统自然资源利用率较高，但购买能值仍是维持该生态系统的主要能值投入。

图2 湖南主要大田作物系统自然资源能值占比变动趋势Fig.2 Natural resource emergy proportion input change of major field crop ecosystems in Hunan province

如图3所示，油菜、棉花、烤烟和水稻系统的购买能值投入中，工业能值投入占比均快速增长，其变化区间（增幅）分别为21.68%～47.03%（116.93%）、24.93%～30.79%（23.51%）、32.71%～49.98%（52.80%）和35.52%～59.92%（68.69%）。其中，油菜和水稻系统增长较快，自2012年起水稻系统的工业能值投入已达到总投入能值的50%以上。工业能值投入占比顺序为水稻＞烤烟＞油菜＞棉花（图3）。

图3 湖南主要大田作物系统工业能值占比变动趋势Fig.3 Industrial emergy proportion input change of major field crop ecosystems in Hunan province

油菜、棉花、烤烟和水稻系统的可更新有机能占能值总投入的比例均呈下降趋势，其变动区间（降幅）分别为36.61%～60.19%（39.18%）、59.62%～67.00%（11.01%）、44.10%～61.82%（28.66%）和27.24%～49.35%（44.80%）。其中水稻和油菜系统降幅较大，棉花系统降幅较小。作物系统可更新有机能值占比排序为棉花＞烤烟＞油菜＞水稻（图4）。

图4 湖南主要大田作物系统可更新有机能值占比变动趋势Fig.4 Renewable organic emergy proportion input change of major field crop ecosystems in Hunan province

2.1.2 可更新有机能与不可更新工业能投入结构分析 2006-2018年，湖南主要大田作物系统投入的可更新有机能以劳务投入为主，不可更新工业能以化肥和机械作业投入为主。各系统中的机械与燃料能值投入比重均呈增长趋势，而人力与畜力能值占比则呈下降趋势（图5）。油菜系统的机械与燃料占比则由2006年的0.06%迅速增至2018年的31.23%。烤烟和棉花系统的人力和畜力能值占比仍然较高，特别是棉花系统仍维持在60%左右。各系统的种子与有机肥能值投入中，水稻和油菜系统增长较为明显，占比均达到10%左右；水稻系统机械与燃料占比增长较快，自2012年起超过人工与畜力能值占比成为该系统能值投入结构中最主要的部分。油菜、棉花、烤烟和水稻系统在2006-2018年间的化肥与农药能值投入分别为5.80×1014～6.86×1014、17.63×1014～24.68×1014、18.91×1014～27.74×1014和8.32×1014～9.46×1014sej/hm2，棉花和烤烟显著高于水稻和油菜，油菜系统最低且均呈波动变化（图6）。

图5 湖南主要大田作物系统购买能值占比变动趋势Fig.5 Purchasing emergy proportion input change of major field crop ecosystems in Hunan province

图6 湖南主要大田作物系统化肥+农药能值变动趋势Fig.6 Chemical fertilizer and pesticide emergy input change of major field crop ecosystems in Hunan province

2.2 大田作物系统的可持续性分析

2.2.1 能值投入率与能值产出率分析 能值投入率（EIR）是衡量一个系统对经济投入依赖程度的指标。对该指标年际间变化趋势的分析可评判种植系统生产方式是否逐渐转向现代化。2006-2018年，作物系统的能值投入率呈现为烤烟＞棉花＞水稻＞油菜（表1）。棉花和烤烟系统的能值投入率虽呈下降趋势但仍较高，表明系统主要依靠外部的工业辅助能投入，对本地自然资源的利用率偏低，对环境的影响更大。油菜系统自2006年最低时3.99波动增长至最高时5.13，增幅为28.57%，表明系统生产方式日益现代化。

表1 2006-2016年湖南主要大田作物系统能值指标Table 1 Emergy indexes of major field crop ecosystems in Hunan province from 2006 to 2018

能值产出率（EYR）是衡量系统生产效率的指标。能值产出率高（低），表明系统每单位投入能值产出对社会经济贡献大（小）。2006-2018年，作物系统的能值产出率表现为油菜＞棉花＞水稻＞烤烟（表1）。油菜系统的能值产出率最高，但因购买能值增长较快，其能值产出率指标呈下降趋势；烤烟系统能值产出率明显低于其他系统，表明其环境成本较高；棉花和水稻系统的能值产出率变化不明显。

2.2.2 环境负载率与可持续发展指数分析 环境负载率（ELR）反映系统环境的承压程度，可用于衡量各作物系统对环境的压力。当ELR＜3时，表明环境压力很小；当3≤ELR≤10时，表明环境压力处于中等水平；当ELR＞10时，表明环境压力相当大[15]。对该指标年际间变化趋势的分析可评判作物系统从外界输入或开发本地非更新资源的强度，进而找出引起区域环境系统恶化的主因。2006-2018年，作物系统的ELR表现为水稻＞烤烟＞油菜＞棉花，但其值都小于3（表1），表明其对环境的压力还比较小。然而，油菜和水稻系统ELR均呈现上升趋势，年均增长率分别为10.10%和8.64%，棉花和烤烟系统分别以年均2.55%和6.21%的增长率波动上升，表明虽然目前各作物系统对环境没有产生较大的压力，但各系统的环境负载率均呈现上升趋势，其中化肥和农药贡献的比重较高。

能值可持续发展指数（ESI）是一个既考虑社会对系统投入的能值回报又顾及系统环境压力的用以衡量系统可持续发展状况的能值指标。当1≤ESI≤10，表明经济系统富有活力和发展潜力；ESI＞10是经济不发达象征；ESI＜1为消费型经济系统[15]。对ESI年际间变化趋势的分析可评判作物系统的发展阶段及方向。对比系统的ESI值（表1），发现棉花系统的变化趋势不明显，表明生产方式仍处于落后不发达阶段；油菜系统的ESI值向1～10的区间大幅接近，表明系统富有活力和发展潜力；烤烟系统的可持续发展能力较弱；水稻系统由于ELR大幅上升，相应地ESI值在1～10区间内大幅下降，表明系统的活力和发展潜力有所下降。

2.3 大田作物系统的利润率分析

传统的利润率通常仅考虑私人的投入和收益，不考虑系统的非市场投入，计算考虑非市场投入的能值利润率可评价系统投入产出的真实效率。本文比较4种作物系统的能值利润率与传统利润率。

湖南油菜、棉花、烤烟和水稻系统2006-2018年年均利润率分别为–3.34%、–4.83%、–0.07%和23.34%，水稻＞烤烟＞油菜＞棉花。采用只计算购买能值的分析法获得的油菜、棉花、烤烟和水稻年均能值利润率分别为1 107.04%、631.25%、–91.95%和128.33%，而采用包含自然资源能值的分析法获得的年均能值利润率分别为891.14%、563.77%、–92.46%和96.86%，但这两种方法获得的能值利润率均为油菜＞棉花＞水稻＞烤烟（表2）。比较传统利润率（成本-收益分析法）与能值利润率，发现油菜、棉花和水稻系统的能值利润率明显高于其传统利润率，而且这种差距有随时间继续扩大的趋势，而烤烟系统恰好相反，其传统利润率明显高于能值利润率。

表2 2006-2018年湖南主要大田作物系统的利润率Table 2 Profit rate of major field crop ecosystems in Hunan province from 2006 to 2018 %

3 讨论

3.1 4种作物系统能值投入结构的变化

分析了2006-2018年间湖南4种主要大田作物系统的能值投入产出情况，发现油菜、棉花、烤烟和水稻系统的主要能值投入结构中，人力与畜力能值占比下降，而机械与燃料能值占比增加，农用化学品投入占比基本不变，这可能是受劳动力成本增加的影响，以及2004-2006年农机农资购置补贴、良种补贴和种粮补贴等激励政策影响所致。本研究结果表明，能值投入率表现为烤烟＞棉花＞水稻＞油菜，说明烤烟系统对市场投入的依赖度高于其他3种作物系统，而油菜系统对市场投入的依赖度最小。能值产出率为油菜＞棉花＞水稻＞烤烟，表明湖南油菜系统比其他3种作物系统具有更高的能值竞争力，可考虑适当扩大其种植规模。

3.2 4种作物系统对环境的影响

尽管2006-2018年湖南4种作物系统的环境负载率还比较小，但均有上升趋势。究其原因，应当与机械作业投入增加、化肥农药等农用化学品使用量大（尽管氮肥使用量有减少趋势）、人力投入减少和有机肥投入下降直接相关。因此，湖南要实现主要大田作物系统可持续经营，应重点研发减少农用化学品投入、增加有机肥投入和提高机械作业效率的绿色生产技术，例如“稻鸭共作”[17]、“稻鳖共生”和“秸秆还田”等生态农业技术[18]，这样既能减少面源污染，又能提高产品市场竞争力，增加经济收入。从4种作物系统的能值可持续发展指数排序（油菜＞棉花＞水稻＞烤烟）来看，湖南可适当扩大油菜生产和控制烤烟生产规模。但是，扩大油菜种植规模，需要考虑控制其环境负载率，因为其环境负载率上升趋势明显。

3.3 能值利润率与传统利润率的比较

利润率通常是农业生产者进行生产活动决策的重要依据，包括市场和非市场两个方面，而传统利润率只反映市场贡献[1]。本研究发现，水稻、油菜和棉花系统的能值利润率远高于其经济利润率，而烤烟系统则相反，这表明水稻、油菜和棉花系统的真实效率被市场严重低估，而烤烟系统的真实效率被高估。由于农业生产者的经营决策主要取决于生产活动的经济利润，因此若使水稻、油菜和棉花系统得到可持续经营，需要采取补贴等激励措施，以缩小农业生产者私人收益与社会收益间的差距。

4 结论

对2006-2018年间湖南油菜、棉花、烤烟和水稻系统的投入产出状况进行了综合分析。尽管各系统的能值投入结构存在差异，但共同点是机械与燃料能值投入增加，农用化学品投入占比基本不变，人力和畜力投入和有机肥投入减少。采用传统投入产出法会严重低估油菜、棉花和水稻系统对环境的贡献。在注意控制油菜系统的环境负载率前提下，可适当扩大其种植规模。