楊 芳，吳永常，韋文珊

(1．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃研究所，北京 100081； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟與發(fā)展研究所，北京 100081)

0 引言

農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容，是實現(xiàn)“五位一體”戰(zhàn)略布局、建設(shè)美麗中國的必然選擇，是中國特色新型農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路的內(nèi)在要求[1]。2015年5月28日，國家農(nóng)業(yè)部聯(lián)合其他7部委頒布了《全國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃(2015-2030)》[2]。2016年12月國務(wù)院發(fā)布了《中國落實2030年可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新示范區(qū)建設(shè)方案》，方案提出將在現(xiàn)有的國家可持續(xù)發(fā)展實驗區(qū)工作的基礎(chǔ)上，建設(shè)一批落實2030年可持續(xù)發(fā)展議程創(chuàng)新的示范區(qū)[3-4]，科學(xué)地監(jiān)測和評價農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展水平是其中的重要內(nèi)容。

關(guān)于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展評價的方法有很多，大致包括壓力—狀態(tài)—反應(yīng)框架[5]，能值分析[6-8]、生態(tài)足跡[9]、層次分析法[10]、熵指法[11]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[12-13]、綜合指數(shù)評價和多元統(tǒng)計方法[14]、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法等[15]。這些評價方法主要以指標(biāo)評價法的研究為主，由“主題—次主題—指標(biāo)—指標(biāo)群”構(gòu)成，再用某種方法對眾多指標(biāo)集成，以求對可持續(xù)發(fā)展進行綜合的評價，這種評價體系雖能夠較好地反映出一個地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展情況，但也存在著指標(biāo)多、操作困難、數(shù)據(jù)不易獲取等問題，缺乏通用的標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，涉及“農(nóng)村—農(nóng)業(yè)—產(chǎn)業(yè)—產(chǎn)品消費”各個環(huán)節(jié)，目前以解決主要矛盾為主，重點是區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的可持續(xù)問題。文章從產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能量平衡關(guān)系、生產(chǎn)方式可持續(xù)性等角度，根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全要素投入和產(chǎn)出的關(guān)系，基于能量分析的方法，探索構(gòu)建一種簡便易行的評價方法：農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(Agriculture Sustainable Development Index，ASDI)。

圖1 修正的農(nóng)業(yè)能量投入產(chǎn)出曲線

圖2 農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)評價方法

生產(chǎn)本質(zhì)上是一個能量與物質(zhì)的轉(zhuǎn)換過程，從資源經(jīng)濟學(xué)角度來看，農(nóng)業(yè)是一個典型的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟生產(chǎn)系統(tǒng)，投入各種資源和要素，生產(chǎn)出各類具有價值的農(nóng)產(chǎn)品[16]。農(nóng)業(yè)投入和產(chǎn)出有實物、價值和勞務(wù)消耗等不同的形式，在生態(tài)環(huán)境的分析中具有很大的局限性[17]。將生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)內(nèi)的不同投入和不同產(chǎn)出轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的能量單位，應(yīng)用能量這一概念和度量標(biāo)準(zhǔn)，克服了經(jīng)濟分析的主觀性和片面性，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)復(fù)雜系統(tǒng)評價的一致性標(biāo)準(zhǔn)[18]。之后，有很多文獻利用能量從投入產(chǎn)出的角度進行分析[19-24]，對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量投入效率進行研究[25-27]。很多研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的投入存在類似于邊際報酬遞減的現(xiàn)象，生態(tài)系統(tǒng)投入與產(chǎn)出之間呈S型的關(guān)系。隨著能量投入逐漸增加達(dá)到一定程度，生產(chǎn)系統(tǒng)的能量產(chǎn)出就會出現(xiàn)下降[28-33]。尹鈞等[34]于1999年在山西的萬榮縣和山西農(nóng)大的試驗農(nóng)場，以小麥的投入能和產(chǎn)出能作為研究對象進行農(nóng)田人工輔助能各項投入能的投入產(chǎn)出規(guī)律研究，得出各項人工輔助能的能量投入與能量產(chǎn)出都遵循一元二次拋物線的變化規(guī)律。2012年，尹鋼吉等[35]在對施肥水平與產(chǎn)量關(guān)系數(shù)學(xué)模型分析中發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有施肥技術(shù)水平條件下，增量施肥的增產(chǎn)效應(yīng)逐漸減少，在施肥水平(420kg/hm2)時產(chǎn)量達(dá)到最高，其后隨施肥水平的增加反而產(chǎn)生了負(fù)面的減產(chǎn)效應(yīng)。類似地，當(dāng)能量投入產(chǎn)出處于邊際報酬遞增階段反映生態(tài)系統(tǒng)還處于良好的運行狀態(tài)，說明生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性良好，繼續(xù)增加投入可以提高產(chǎn)出； 當(dāng)能量投入產(chǎn)出處于邊際遞減階段時，說明生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性已經(jīng)較弱，繼續(xù)增加投入使得產(chǎn)出增長的速率降低。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

經(jīng)濟學(xué)上的規(guī)模報酬遞減規(guī)律認(rèn)為，在技術(shù)水平和要素價格保持不變的條件下，隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大，所有投入要素按同一比例不斷增加會引起產(chǎn)量增加，但到一定程度，產(chǎn)量增加比例會逐漸遞減。類似于規(guī)模報酬遞減規(guī)律，把農(nóng)業(yè)作為一個能量投入產(chǎn)出的生產(chǎn)系統(tǒng)，在氣候、技術(shù)等條件不變的情況下，隨著能量不斷投入，每一能量投入帶來的產(chǎn)出也呈現(xiàn)先遞增后遞減的趨勢。因此，根據(jù)生態(tài)最大承載量的理論，當(dāng)投入超過區(qū)域生態(tài)最大承載量所需要的投入時，能量投入產(chǎn)出將處于邊際報酬遞減的加速階段，從而出現(xiàn)生態(tài)負(fù)效應(yīng)使得可持續(xù)性惡化(圖1)。

以中國耕作制度區(qū)劃為區(qū)域劃分的生態(tài)最大承載力下，其投入產(chǎn)出的“S”型曲線共分3個區(qū)，最左側(cè)區(qū)段表示健康發(fā)展，投入產(chǎn)出報酬遞增，到P點達(dá)到邊際效益PX最大； 中間區(qū)段表示進入預(yù)警期，報酬遞減，到區(qū)域生態(tài)最大承載量時可獲得生物產(chǎn)出能最大時所需要的投入，即投能臨界點E，投入能和產(chǎn)出能平衡； 最右側(cè)區(qū)段表示不可持續(xù)，生態(tài)負(fù)效應(yīng)遞增。

根據(jù)上述規(guī)律，該文通過傳統(tǒng)的Logistic曲線來求出產(chǎn)投效益的拐點P劃分邊際報酬遞增和遞減的區(qū)間，通過拋物線的一階導(dǎo)數(shù)來作為投能臨界點E確定生態(tài)負(fù)效應(yīng)遞增區(qū)間(圖2)。

具體計算方法為：

首先，根據(jù)邊際生產(chǎn)力、平均生產(chǎn)力和生產(chǎn)彈性系數(shù)找到產(chǎn)投效益的拐點P、相應(yīng)的PX，將Logistic曲線劃分成兩個階段。

(1)

其中，生物量y即種植業(yè)生物產(chǎn)出能； 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式x即各種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式下的要素投入能； 最大生態(tài)最大承載量K即在各生產(chǎn)要素均為合理條件下的農(nóng)牧業(yè)能夠達(dá)到的最大產(chǎn)出能；a、b分別為估算系數(shù)。

通過式(1)求出式(2)～(4)，當(dāng)邊際生產(chǎn)力等于平均生產(chǎn)力，即當(dāng)EEI=1的時候，拐點產(chǎn)投效益拐點值P出現(xiàn)，因此可以找到對應(yīng)的PX。

(2)

(3)

(4)

其次，通過拋物線方程求出投能臨界點E，尋找負(fù)效應(yīng)指數(shù)出現(xiàn)的第三階段。通過對拋物線方程進行求導(dǎo)，令之等于0求得能投產(chǎn)出最大的點所需要的投入能，即投能臨界點E。

最后，根據(jù)PX和E，將農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(ASDI)劃分的3個區(qū)間，將取值范圍設(shè)定在[-1， 1]之間。第一區(qū)間：當(dāng)XE時，指數(shù)為(E-X)/X。

(5)

如圖2所示：第一區(qū)間ASDI[0， 1]表示健康發(fā)展，投入產(chǎn)出報酬遞增，到P點達(dá)到邊際效益PX最大； 第二區(qū)間ASDI[1， 0]進入預(yù)警期，報酬遞減，到投能臨界點E達(dá)到區(qū)域生態(tài)最大承載量，投入能和產(chǎn)出能平衡； 第三區(qū)間ASDI[0，-1]表示不可持續(xù)，生態(tài)負(fù)效應(yīng)遞增。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該方法是基于農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒及相關(guān)資料，進行數(shù)據(jù)的收集、整理與分析。經(jīng)過各類數(shù)據(jù)的折能系數(shù)進行折能轉(zhuǎn)換，計算出農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)單位面積上的能量投入和產(chǎn)出。

其中，投入能主要為人工輔助能的投入，包括有機能和無機能。有機能包括勞動力和有機肥； 無機能包括農(nóng)機械總動力、農(nóng)村用電量、化肥、農(nóng)藥、農(nóng)膜的投入； 其他投入為耕地。產(chǎn)出能則包括各類種植作物的第一性產(chǎn)出，包括經(jīng)濟產(chǎn)出和秸稈。各類投入要素和產(chǎn)出要素的折算系數(shù)主要參照劉巽浩[36]、吳湘淦[37]、駱世明[39]等的研究，折算標(biāo)準(zhǔn)如表1和表2。

表1 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式投入要素能量折算標(biāo)準(zhǔn)

能量類型103MJ/hm2來源折算方法無機能農(nóng)用機械210吳湘淦將農(nóng)業(yè)機具的馬力數(shù)或臺數(shù)折算成公斤數(shù)，乘以0 1(10年折舊期)燃油45國家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)柴油農(nóng)田用電12 5國家標(biāo)準(zhǔn)氮肥91吳湘淦磷肥13 3吳湘淦鉀肥9 0吳湘淦農(nóng)藥102吳湘淦塑料薄膜107李波有機能勞力3500劉巽浩等1個勞動力1年按300d計，一天需要投入食物1255萬J，但扣除糞便部分的能；農(nóng)村勞動力-外出務(wù)工人員有機肥13 5劉巽浩等以畜牧業(yè)和人的糞便中的有機質(zhì)計算其實有量，但需要因地區(qū)考慮丟失量；秸稈還田量的有機質(zhì)

表2 各類作物經(jīng)濟系數(shù)和能量折算標(biāo)準(zhǔn)

籽 粒秸 稈種類103MJ/hm2來源收獲指數(shù)103MJ/hm2來源糧食產(chǎn)量 稻谷15 1劉巽浩0 35～0 614 1駱世明 小麥16 3劉巽浩0 3～0 414 6駱世明 玉米16 3劉巽浩0 25～0 414 6駱世明 高粱15 9劉巽浩0 3915 1駱世明 谷子16 1劉巽浩0 3915 1駱世明 大豆20 9劉巽浩0 12～0 2415 1駱世明 薯類0 42劉巽浩0 60～0 7814 6駱世明經(jīng)濟作物 棉花16 7劉巽浩0 11～0 2215 1駱世明 花生23 0劉巽浩0 41～0 5115 1駱世明 蔬菜20 4×0 004186劉巽浩0 7315 1駱世明 向日葵27 86劉巽浩0 21～0 4015 1駱世明 油菜籽26 31劉巽浩0 25114 3駱世明 黑芝麻22 2劉巽浩0 3415 1駱世明 麻類16 3劉巽浩0 315 1駱世明 甘蔗2 68劉巽浩0 715 1駱世明 甜菜2 5劉巽浩0 60～0 8515 1駱世明 煙葉16 128劉巽浩0 52～0 6715 1駱世明 茶葉17 3駱世明0 516 7駱世明 蘋果2 18劉巽浩0 316 7駱世明 柑桔1 80劉巽浩0 316 7駱世明 梨園1 84劉巽浩0 316 7駱世明 葡萄1 80劉巽浩0 316 7駱世明 棗子4 66駱世明0 316 7駱世明 柿子3 45駱世明0 316 7駱世明 核桃31 2駱世明0 316 7駱世明 板栗8 7駱世明0 316 7駱世明 木材16 7劉巽浩 注：該文所用的能量折算方法主要參考劉巽浩[36]，吳湘淦[37]，駱世明[39]和農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟手冊等

2 實例驗證

印江縣位于貴州省東北部之銅仁市中部，屬云貴高原向湘西丘陵和四川盆地過渡的大斜坡地帶，地處喀斯特化較為嚴(yán)重的亞熱帶高原山區(qū)，全縣總面積19.69萬hm2，喀斯特巖溶面積達(dá)10.147萬hm2，占全縣國土面積的51.74%，各種喀斯特形態(tài)并存，是典型的喀斯特地貌，石漠化比較嚴(yán)重。海拔在600～1000m之間，年均氣溫16.8℃，日照時間長達(dá)1296h，無霜期近300d，年降雨量1100mm左右，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑。“八山一水一分田”，是貴州省典型的山區(qū)農(nóng)業(yè)縣，地球北回歸線上唯一的綠洲。全縣總?cè)丝?2萬，土家族苗族占總?cè)丝诘?0%以上。

該文選擇收集了1980～2014年印江縣的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計年鑒及相關(guān)資料，進行審核、整理與分析。經(jīng)過各類數(shù)據(jù)的折能系數(shù)進行折能轉(zhuǎn)換，計算出該縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)單位耕地面積上的能量投入和產(chǎn)出。

2.1 模型擬合結(jié)果

將整理出的單位面積上農(nóng)業(yè)能量投入和產(chǎn)出數(shù)據(jù)根據(jù)式(1)輸入SPSS Statistics 20統(tǒng)計軟件，進行S曲線方程估計，估計結(jié)果如(6)所示。根據(jù)估計結(jié)果，得出最大產(chǎn)出能K值為276.87MJ/hm2，參數(shù)a、b分別為2.316、-0.023。模型可決系數(shù)R2為0.587，各參數(shù)都通過了顯著性檢驗，模型擬合程度較好。

(6)

把擬合得到的a、b、K值帶入式(2)、式(3)、式(4)等，求出產(chǎn)投效益拐點值P，即得出對應(yīng)的PX，即PX=17.196萬MJ/hm2。如圖3所示：

通過S曲線和拋物線的參數(shù)估計情況，得出拋物線參數(shù)a、b、c分別為： 2.571、-0.005、-67.04，對拋物線求導(dǎo)并令之等于0求得拋物線頂點對應(yīng)橫坐標(biāo)，即投能臨界值E，E=21.642萬MJ/hm2。

最后將計算得出的 PX=17.196萬MJ/hm2和E=21.642萬MJ/hm2，根據(jù)式(5)計算出印江縣的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)。

圖3 印江縣產(chǎn)投效益拐點值

圖4 拋物線的參數(shù)估計情況

圖5 印江縣農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)

2.2 農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)分析

通過圖5可以看出，印江縣的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)具有波動性； 1980～2001年呈現(xiàn)緩慢遞增的趨勢， 2002年后波動下降至2007年出現(xiàn)了負(fù)效應(yīng)指數(shù)，而后迅速回升至較高可持續(xù)的發(fā)展水平。其中2007年下降的主要原因為化肥的施用量由2006年的6757t增加到2.3383萬t。氮肥由上一年的3484t增加到7761t，磷肥由2006年的939t增加到5425t。

當(dāng)?shù)卦?007年以前以畜牧業(yè)為主，羊和豬的存欄量較高，因此得出有機能投入處于較高水平。其中， 2007年后由于產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，播種面積的增加，種植業(yè)主要向蔬菜和水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展，因此導(dǎo)致化肥施用量增加，從而導(dǎo)致無機肥的大幅度增加，使得總投能超過了臨界點E=21.642萬MJ/hm2，處于負(fù)效應(yīng)指數(shù)出現(xiàn)的投能階段。同時， 2007年后由于外出務(wù)工人員增加，從事農(nóng)業(yè)活動的大都為老年人，再加上產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，畜牧業(yè)逐漸減少，種植業(yè)逐漸增加，因此2007年后有機能大幅度的降低，使得農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)回升至健康發(fā)展的階段。

3 結(jié)論與討論

農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展涉及方面眾多，生態(tài)可持續(xù)是其中的核心內(nèi)容。當(dāng)前，我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式的主要矛盾，該文采用能量投入產(chǎn)出的方法，進行農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的研究，以下是該文幾個方面的結(jié)論和討論。

(1)基于能量投入產(chǎn)出法，構(gòu)建農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)來確定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀態(tài)的方法是可行的，通過S曲線和拋物線兩個方程來確定農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的拐點和臨界點，能夠得出農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的規(guī)律。說明評價農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展簡便可行的方法是存在的，下一步考慮是否可以嘗試?yán)脝畏匠虂磉M行農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)的研究。

(2)ASDI作為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的研究，或?qū)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)安全預(yù)警提供了一個可供參考的指標(biāo)。生態(tài)安全是可持續(xù)發(fā)展的前提和基礎(chǔ)，當(dāng)一個國家或地區(qū)所處的自然生態(tài)環(huán)境狀況能維系其經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展時，其生態(tài)環(huán)境是安全的，反之則不安全。當(dāng)前通用的農(nóng)業(yè)生態(tài)安全預(yù)警模型及軟件尚不多，缺乏定量或半定量衡量特定區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)質(zhì)量的專業(yè)工具?；谀芰客度氘a(chǎn)出構(gòu)建的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)，或可為農(nóng)業(yè)生態(tài)安全預(yù)警提供一個可供參考的指標(biāo)。

(3)然而該文也存在一定的不足之處，農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的研究涉及方面較多，該文僅從生態(tài)學(xué)的視角進行分析，采用能量方法從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的角度來研究農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)，對全面分析農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展情況存在不足。下一步希望建立多步驟的評價體系，將經(jīng)濟、社會等其他因素考慮進去以完善評價方法，以達(dá)到對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的正確診斷和預(yù)測。

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