寇 文 王水獻 錢 翌

摘要:以新疆干旱內(nèi)陸典型代表區(qū)域——焉耆盆地為研究對象,運用能值分析理論和方法對該區(qū)域種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能值投入和產(chǎn)出進行了分析。結(jié)果表明:(1)焉耆盆地綠洲2006種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能值投入以不可更新的工業(yè)輔助能為主。在不可更新工業(yè)輔助能中,化肥對農(nóng)業(yè)的產(chǎn)出影響較大;(2)該區(qū)域的能值利用強度高于全國平均水平,說明農(nóng)業(yè)的科技投入水平較高;(3)系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率高于全國平均水平和發(fā)達地區(qū)水平,表明系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟活力,農(nóng)業(yè)系統(tǒng)整體功能較好,運轉(zhuǎn)效率較高,能值回報率較高;(4)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對整個區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的壓力較輕,引起的生態(tài)環(huán)境破壞較小,農(nóng)業(yè)環(huán)境資源還有進一步開發(fā)利用的潛力;(5)焉耆盆地種植業(yè)系統(tǒng)具有可持續(xù)發(fā)展的潛力。

關(guān)鍵詞:焉耆盆地;種植業(yè)系統(tǒng);能值分析;可持續(xù)發(fā)展評價

中圖分類號:S181文獻標識碼:ADOI編碼:10.3969/j.issn.1006-6500.2009.04.014

Emergy Analysis of Oasis Planting Economic Ecosystem in Arid Inland Basin—a Case Study of Yanqi Basin

KOU Wen1,WANG Shui-xian2 ,QIAN Yi1,3

(1.College of Grass Industry and Environment Science,Xinjiang Agricultural University,Urumchi,Xinjiang 830052,China;2.College of Earth and Environmental Sciences,Key Laboratory of Western Chinas Environmental System s (Ministry of Education),Lanzhou University,Lanzhou,Gansu 730000,China;3.College of Environment and Safety Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266042,China)

Abstract:In this paper, taking the region of arid inland as the representation region-a case study of Yanqi basin, based on the theories and methods of emergy, emergy inputs and outputs of planting economic ecosystem were analyzed. The result showed that: (1) The unrenewable industrial assistance emergy were mainly in the region of farming eco-economic system, and the chemical fertilizers greater impacted on agriculture output; (2) The intensity of emergy use was higher than the national average on agriculture, which indicated that there were a higher levels of investment in science and technology in the region; (3) The net output rate of emergy in the planting economic ecosystem was higher than the level of the national average and developed regions of Guangdong Province, which showed that the system had higher economic vitality, and the better function of agricultural system, more efficient operation, higher returns of emergy; (4) The rate of environmental loading was a lower level, which indicated that agricultural production had less pressure on the entire regional ecosystems, and caused less damage to the ecological environment, and agriculture, environmental resources for further development and utilization; (5) The sustainable development index in Yanqi Basin indicated that farming systems in the region belonged to sustainable development areas.

Key words: Yanqi basin;planting system;emergy analysis;countermeasures of continual development

能值分析(Emergy analysis)[1] 理論和方法是美國著名生態(tài)學(xué)家、系統(tǒng)能量分析先驅(qū)Odum為首于20世紀80年代創(chuàng)立的。應(yīng)用能值這一新的科學(xué)概念和度量標準及其轉(zhuǎn)換單位能值轉(zhuǎn)換率(transformity),可將生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)內(nèi)流動和儲存的各種不同類型的能量和物質(zhì)轉(zhuǎn)換為同一標準的能值進行定量分析研究。該理論和方法一經(jīng)提出便以它獨到的研究角度獲得廣泛贊許。20世紀90年代以來,國內(nèi)外關(guān)于能值分析研究異?；钴S[2-11],研究領(lǐng)域不斷拓寬。新疆是我國重要的糧棉生產(chǎn)基地,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以高投入、高產(chǎn)出的模式為主,但由于資源利用效率偏低,這種模式已經(jīng)對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境帶來了很大的負面影響,如農(nóng)業(yè)用水過量,既影響了生態(tài)用水供給,又造成土壤次生鹽漬化;另外,大量使用化肥農(nóng)藥也使得土壤質(zhì)量下降、非點源污染嚴重。

過去關(guān)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境影響的定量研究一直比較缺乏,已經(jīng)妨礙了對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)管理。因此,運用能值分析方法,定量分析該區(qū)域種植業(yè)系統(tǒng)主要農(nóng)作物自然環(huán)境資源和輔助能的能值投入與產(chǎn)出,評價其環(huán)境資源能值基礎(chǔ)、能值投入與農(nóng)業(yè)發(fā)展水平,對更加合理地開發(fā)綠洲農(nóng)業(yè)環(huán)境資源具有重要意義。筆者運用能值方法對新疆焉耆盆地2006年的種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中能量、資金流動及系統(tǒng)的狀況進行了分析研究,目的是為綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。

1研究區(qū)概況

本研究以干旱內(nèi)陸河流域典型代表區(qū)焉耆盆地作為研究對象。研究區(qū)主要是指焉耆盆地綠洲平原區(qū)(包括山前沖洪積扇和細土平原),位于東經(jīng)86°39′～88°20′,北緯41°23′～43°31′。盆地東西方向長約160 km,南北方向?qū)?0~90 km,綠洲區(qū)面積約576.8 km2。在行政區(qū)劃上焉耆盆地包括巴音郭楞蒙古自治州的焉耆、和靜、和碩與博湖四縣的平原部分及兵團農(nóng)二師21~27等7個團場。該區(qū)域地面海拔一般在1 050~1 200 m,地勢西高東低、北高南低,總體呈現(xiàn)為四周向盆地傾斜的地貌形態(tài)。盆地內(nèi)主要發(fā)育著流水地貌、風(fēng)沙地貌和湖泊地貌類型。焉耆盆地的氣候特征表現(xiàn)為熱量充足,日照長,溫差較大,平均降水量50.7~79.9 mm,相對濕度50%~60%,蒸發(fā)量為2 000.5~2 449.7 mm,屬于南北疆過渡的大陸荒漠性氣候。

2種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析相關(guān)數(shù)據(jù)表的建立

2.1能值分析表編制

以焉耆盆地2006年種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中能量投入和產(chǎn)出數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[12],結(jié)合部分農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù),選取可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源、可更新有機能、不可更新工業(yè)輔助能、農(nóng)作物產(chǎn)出等作為主要分析指標?；谑占馁Y料數(shù)據(jù),借助能量折算系數(shù)[13-15],將不同量綱的各種物質(zhì)換算成對應(yīng)的能量,折算為J(焦耳)和g(克)的能值分析原始數(shù)據(jù),再將各原始數(shù)據(jù)乘以相應(yīng)的太陽能值轉(zhuǎn)換率[6,16,17],得到太陽能值量,再根據(jù)能量貨幣比率將太陽能值轉(zhuǎn)化為能量—貨幣價值,并按投入和產(chǎn)出分類編制,最終形成2006年焉耆盆地種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值投入(表1)、能值產(chǎn)出(表2)結(jié)構(gòu)表。

為了便于觀察分析數(shù)據(jù),將表1和表2的各項目合計進行匯總編制,得到焉耆盆地2006年種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值投入—產(chǎn)出匯總表(表3)。

2.2能值指標體系的建立

為分析各項投入產(chǎn)出能值所占比例,評價自然環(huán)境與輔助能對種植業(yè)系統(tǒng)中農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻,根據(jù)系統(tǒng)特點和分析目的,將各項投入和產(chǎn)出數(shù)據(jù)進行相應(yīng)比較,得出環(huán)境負荷率、輔助能值投入率、總能值產(chǎn)出率、有機能值投入率等能值指標,將這些數(shù)據(jù)與表達式匯總,編制成2006年焉耆盆地種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值指標體系(表4)。

3焉耆盆地種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值特征分析

3.1能值投入分析

3.1.1可更新能值投入分析從表1中可見,焉耆盆地種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)2006年投入能值總量為8.94E+20 sej。其中可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源、可更新有機能、不可更新工業(yè)輔助能分別占總能值流量的5.06%,0.32%,38.10%,56.52%(圖1)。不可更新的工業(yè)輔助能值投入最大,可更新的能值(可更新環(huán)境資源和可更新有機能)投入(占43.16%)居次。從圖1中可見該地區(qū)可更新環(huán)境資源能值投入僅占總投入比例的5.06%,因此比例較小。

(1)可更新環(huán)境資源投入。焉耆盆地綠洲無償環(huán)境投入能值占總投入能值的5.38%,低于全國平均水平(9%),也低于同為干旱區(qū)綠洲的甘肅涼州地區(qū)6.22%[19],與廣州市16%[20]和海南省30%[21]相比,差距更大?？筛颅h(huán)境資源僅占5.06%,說明焉耆盆地綠洲無需付費的可更新資源并不豐富。

焉耆盆地可更新環(huán)境資源投入為4.52×1019 sej,占可更新總能值投入的11.7%,主要是太陽能、風(fēng)能、雨水勢能和雨水化學(xué)能,其中太陽能占可更新環(huán)境資源能值投入的89.16%,說明光熱資源在該地區(qū)是優(yōu)勢資源。焉耆盆地太陽輻射能及光合有效輻射都較為豐富,但由于當?shù)啬杲涤炅恐挥?0 mm左右,不能滿足農(nóng)作物等植物生長的需要,農(nóng)作物生長所需的水分主要通過引水灌溉加以解決,因此該區(qū)域農(nóng)業(yè)表現(xiàn)為灌溉農(nóng)業(yè)的特征。

(2)可更新有機能投入。可更新的有機能投入為3.41×1020 sej,占可更新的總能值投入的88.3%,其中人力能值投入占有機能投入的9.00%,占總能值投入的3.43%。而農(nóng)業(yè)機械能值投入占總能值投入的10.23%,這表明焉耆盆地種植業(yè)系統(tǒng)的生產(chǎn)是以機械為主,人力為輔。2006年焉耆盆地種植業(yè)系統(tǒng)的可更新有機能占總能值投入的38.1%,說明該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在很大程度上依賴不可更新工業(yè)輔助能的投入。

3.1.2不可更新工業(yè)輔助能投入分析2006年焉耆盆地種植業(yè)系統(tǒng)能值投入中不可更新工業(yè)輔助能的投入為5.06×1020 sej,占總能值投入的56.52%。其中化肥的能值投入為3.52×1020 sej,占不可更新工業(yè)輔助能的69.57%,占總能值投入的39.37%。肥料投入一直是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高產(chǎn)增產(chǎn)的主要手段,主要包括不可更新的化肥投入和可更新的有機肥投入。由于近些年來各地提高作物產(chǎn)量的措施比較單一,主要采取增施化肥的手段,導(dǎo)致肥料邊際效益遞減,化肥污染問題嚴重。焉耆盆地綠洲種植業(yè)系統(tǒng)肥料投入中,化肥占69.57%,說明工業(yè)輔助能投入中主要以化肥為主,而當?shù)鼗世寐蕛H為30%~40%,單位面積化肥使用量較高,而利用率較低是種植業(yè)成本增加的主要原因,這不符合經(jīng)濟高效施肥的目標和生產(chǎn)綠色產(chǎn)品的要求。因此,必須繼續(xù)調(diào)整肥料的投入,進一步增加有機肥的投入,焉耆盆地有豐富的秸稈資源,可以通過氨化發(fā)酵,以秸養(yǎng)畜,再以畜糞肥田,這樣做不僅可以提高秸稈的利用率,使得畜牧業(yè)健康發(fā)展,提高單位耕地的產(chǎn)出效益,而且可以實現(xiàn)土地的用養(yǎng)平衡,最大限度地保持土壤的可持續(xù)性。

3.2能值產(chǎn)出分析

焉耆盆地2006年種植業(yè)總產(chǎn)出能值為1.60×1021 sej,在種植業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)出能值中甜菜所占比重最高為52.94%,棉花為30.5%,其他依次為油料6.63%、蔬菜4.08%。主要作物的能值產(chǎn)出從大到小依次為:甜菜>棉花>油料>蔬菜>玉米>小麥>水果。從生態(tài)經(jīng)濟學(xué)角度來看,甜菜、棉花因能值產(chǎn)出高而在該地區(qū)作物結(jié)構(gòu)調(diào)整中較具優(yōu)勢。

3.3能值指標體系分析

根據(jù)表4的指標含義和計算方法,對焉耆盆地綠洲種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的主要能值指標進行了計算,并將其與有關(guān)國家及地區(qū)進行了比較,詳見表5。

3.3.1能值投資率(Emergy Investment Ratio, EIR) 能值投資率為來自經(jīng)濟的反饋能值與來自環(huán)境的無償能值的比值。這個比率指數(shù)是衡量開發(fā)單位本地區(qū)資源而需要的能值投入,也是衡量經(jīng)濟開發(fā)程度與環(huán)境負荷程度的指標。其值越大則表明系統(tǒng)經(jīng)濟發(fā)展程度越高;其值越小說明經(jīng)濟發(fā)展水平越低而對環(huán)境的依賴越強。太低的能值投資率將不利于吸引域外資金,進而影響本地資源開發(fā)。當這一比值較大時,說明系統(tǒng)主要的投入都是有償?shù)?會導(dǎo)致價格上漲,降低系統(tǒng)的競爭力。焉耆盆地種植業(yè)系統(tǒng)的能值投資率為10.52,高于全國平均水平4.93,也高于涼州地區(qū)的10.2,但低于日本的14.03(表5)。這表明焉耆盆地作為一個生產(chǎn)糖棉的主產(chǎn)區(qū),在生產(chǎn)過程中投入了較多資金用于購買相關(guān)的生產(chǎn)資料,系統(tǒng)的運行和發(fā)展主要依賴于社會經(jīng)濟系統(tǒng)投入的能值。

3.3.2凈能值產(chǎn)出率(Net Emergy Yield Ratio, EYR)凈能值產(chǎn)出率為經(jīng)濟過程產(chǎn)生的能值量與來自經(jīng)濟過程的反饋輸入能值的比值。它是衡量系統(tǒng)產(chǎn)出對經(jīng)濟貢獻大小的指標。焉耆盆地2006年種植業(yè)系統(tǒng)凈能值產(chǎn)出率為1.89,高于廣東2003年種植業(yè)能值產(chǎn)出率的1.25和意大利1989年農(nóng)業(yè)能值凈產(chǎn)出率的1.13,更高于1998年全國的平均水平0.27,但低于涼州地區(qū)2005年農(nóng)業(yè)的能值凈產(chǎn)出率2.90(表5)。焉耆盆地種植業(yè)系統(tǒng)能值產(chǎn)出率較高,表明該地區(qū)種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟活力,農(nóng)業(yè)系統(tǒng)整體功能較好,運轉(zhuǎn)效率較高,能值回報率較高。

3.3.3環(huán)境負荷率 (Environmental Loading Ratio, ELR)環(huán)境負荷率為購買的和不可更新的本地能值與無償?shù)沫h(huán)境能值(可更新資源能值)之間的比值。Odum認為,這個比率很像電路負荷一樣,較高的比率數(shù)值說明在系統(tǒng)中存在高強度的能值利用和高水平的科技含量,同時對環(huán)境系統(tǒng)保持著較大的壓力,是對經(jīng)濟系統(tǒng)的一種警示,若系統(tǒng)長期在較高的環(huán)境負荷率下運行,系統(tǒng)平衡很容易遭到破壞,甚至產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的功能退化或喪失。焉耆盆地2006年的環(huán)境負荷率為1.33,低于國內(nèi)平均值的2.80,也低于其它一些地區(qū)和國家(表5)。較低的環(huán)境負荷力說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對整個生態(tài)系統(tǒng)的壓力比較小,對自然可更新環(huán)境資源的利用程度比較低,農(nóng)業(yè)環(huán)境資源還有進一步開發(fā)利用的潛力,可以進一步加大其購進能值的投入,提高生產(chǎn)力水平。

3.3.4能值利用強度和人均能值利用量(Emergy Density,ED;Emergy Per Capita, EPC)能值利用強度又稱能值密度,等于系統(tǒng)的能值投入總量除以系統(tǒng)的土地面積,是評價系統(tǒng)經(jīng)濟發(fā)展程度和發(fā)展水平的指標。該值越大,表明系統(tǒng)經(jīng)濟開發(fā)程度越高,發(fā)展等級越高,同時也表明系統(tǒng)的環(huán)境壓力越大。焉耆盆地2006年的能值利用強度為12.1E+11 sej,高于全國平均水平1.32 E+11 sej,也高于涼州地區(qū)的3.05E+11 sej,但比發(fā)達國家的這一指標要低(意大利為42.03E+11 sei,日本為41.09E+11 sej)(表5)。這表明焉耆盆地與國內(nèi)一些地區(qū)相比科技投入水平比較高,但與發(fā)達國家相比,該區(qū)域?qū)Y源的利用效率還有提升的空間。人均能值利用量是從生態(tài)學(xué)的角度來評價人民生活水平的指標。它比傳統(tǒng)的人均收入更具科學(xué)性和全面性,因為個人擁有的真正財富除了可由貨幣體現(xiàn)的經(jīng)濟能值外,還包括沒有被市場貨幣化的自然環(huán)境無償提供的能值、與他人物物交換而未參與任何貨幣流的能值等等,這些財富僅以經(jīng)濟收入不能全面體現(xiàn)。人均能值量較高的地區(qū)人均生活水平也較高。焉耆盆地人均能值為6.16E+15 sej,這一指標高于涼州地區(qū)5.73E+15 sej的水平,但低于廣東省和發(fā)達國家的水平(表5),說明焉耆盆地農(nóng)民的平均生活水平不是很高,經(jīng)濟發(fā)展水平相對于發(fā)達國家還比較落后。

3.3.5基于能值分析的種植業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(Emergy Based Sustainability Index, ESI)美國生態(tài)學(xué)家Brown和意大利生態(tài)學(xué)家TUlgiati將系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)定義為系統(tǒng)能值產(chǎn)出率與環(huán)境負荷率之比,即EYR/ELR。它是對凈能值產(chǎn)出率與環(huán)境負荷率的相對比較。當一個地區(qū)的凈能值產(chǎn)出率高而環(huán)境負荷率低,則它的能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)表現(xiàn)較高,經(jīng)濟發(fā)展是可持續(xù)的,反之是不可持續(xù)的[25]。李海濤等根據(jù)新疆能值分析表明,該值處于1~10范圍則說明系統(tǒng)有活力、可持續(xù),但大于10則是不發(fā)達的象征,小于1為消費型經(jīng)濟系統(tǒng)[10]。焉耆盆地的這一指標值為1.42,屬于可持續(xù)發(fā)展的范疇。由此可見,焉耆盆地種植業(yè)系統(tǒng)具有可持續(xù)發(fā)展的潛力。

4結(jié)論

(1)焉耆盆地綠洲不可更新的工業(yè)輔助能占總能值投入的56.52%,說明區(qū)域內(nèi)種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能值投入以不可更新的工業(yè)輔助能為主。在不可更新工業(yè)輔助能中,化肥的能值投入為3.52E+20 sej,占工業(yè)輔助能的69.57%,占總能值投入的39.37%,說明化肥對農(nóng)業(yè)的產(chǎn)出影響較大。

(2)焉耆盆地2006年的能值利用強度為12.1E+11 sej,高于全國平均水平1.32E+11 sej,但低于意大利和日本等發(fā)達國家的水平。這表明焉耆盆地與國內(nèi)一些地區(qū)相比科技投入水平比較高,但與發(fā)達國家相比,該區(qū)域?qū)Y源的利用效率還有提升的空間。

(3)焉耆盆地2006年種植業(yè)系統(tǒng)凈能值產(chǎn)出率為1.89,高于廣東2003年種植業(yè)能值產(chǎn)出率的1.25,更高于1998年全國的平均水平0.27,表明該地區(qū)種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟活力,農(nóng)業(yè)系統(tǒng)整體功能較好,運轉(zhuǎn)效率較高,能值回報率較高。

(4)焉耆盆地2006年的環(huán)境負荷率為1.33,低于國內(nèi)平均值的2.80,也低于其它一些地區(qū)和國家。說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然可更新環(huán)境資源的利用程度比較低,對整個區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的壓力比較小,對環(huán)境資源的利用引起的生態(tài)環(huán)境破壞較小,農(nóng)業(yè)環(huán)境資源還有進一步開發(fā)利用的潛力。

(5)焉耆盆地的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)為1.42,屬于可持續(xù)發(fā)展的范疇,表明該地區(qū)種植業(yè)系統(tǒng)具有可持續(xù)發(fā)展的潛力。

5建 議

焉耆盆地是新疆主要的糖棉糧產(chǎn)區(qū),基于目前種植業(yè)系統(tǒng)能值投入中不可更新、工業(yè)輔助能比重較大、單位面積能值投入強度較高、系統(tǒng)凈能值產(chǎn)出率較大、環(huán)境負荷率較低的現(xiàn)狀,今后焉耆盆地農(nóng)業(yè)增產(chǎn)戰(zhàn)略應(yīng)重點放在克服作物增產(chǎn)限制因子,調(diào)整種植業(yè)生產(chǎn)投入結(jié)構(gòu)等方面。由于該地區(qū)擁有豐富的光、熱資源,化肥投入比較多,因此,農(nóng)業(yè)增產(chǎn)措施應(yīng)放在提高水資源利用效率和增加有機肥的比重上,另外還應(yīng)該對農(nóng)業(yè)用水過量和大量使用化肥農(nóng)藥造成的環(huán)境問題給予足夠的重視。

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