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白 瑜等:基于能值方法的广东省农业系统分析 107基于能值方法的广东省农业系统分析白瑜1, 3,陆宏芳1,何江华2,任海1*1. 中国科学院华南植物园,广东 广州 510650;2. 广东省生态环境与土壤研究所,广东 广州 510650;3.中国科学院研究生院,北京 100039摘要:采用能值理论和方法对广东省农业系统的能值投入结构和产出特征进行分析,以期弥补单纯经济分析中出现的自然环境投入价值缺失的不足,并尝试加入农业基本建设投资和农业保险的计量,完善系统投入结构的能值计算。同时,引入Y*/Y指标使广东省农业系统的生产水平与全球平均水平相比较,以利于评价广东省农业系统的生产力及其发展水平,并为其优化发展提供理论依据和现实指导。研究结果:广东省农业系统2003年的能值投资率(3.12)、环境负载率(1.70)、能值/货币比率(4.26E+12sej$-1)、净能值产出率(1.25) 和Y*/Y(0.96)。上述结果与中国平均水平、中国其他省份以及一些发达国家(如意大利和日本)的相应指标比较,表明广东农业系统发展水平高于全国平均水平,低于发达国家。系统能值投入产出结构分析发现,不可更新的工业辅助能值占系统投入总能值的61.92%。为此,应进一步提高农业的可更新能值投入和优化投入结构。 关键词:能值;可持续发展;广东中图分类号:X171.1 文献标识码:A 文章编号:1672-2175(2006)01-0103-06农业在人类生产活动各部门中与自然资源和生态环境的关系最为密切。人类通过农业活动,可与自然环境形成广泛而富有生命力的物质循环和能量流动。农业对人类社会和生态系统的持续发展具有不可替代的意义。农业系统以一定的自然资源和环境条件作为其基本组成部分,并由人类所控制和管理。因此,农业生态系统的能量流动和物质循环特征有别于自然生态系统。现代农业越来越倚重对辅助能的投入,特别是工业辅助能的使用。但过分依赖人为调控手段,忽视对环境资源因素的价值认识,则成为产生诸多现代农业问题的根本性原因。这种忽视容易导致环境资源长期处于超负荷状态,生态问题逐步显现,如土体硝酸盐积累、肥力下降、水体污染、农产品质量降低等负面后果。因此,如何合理认识和评价环境资源、各种辅助能的贡献,投入产出水平和农业系统的可持续发展能力,成为现代农业可持续发展的重要课题之一。本研究应用能值分析理论和方法,定量分析了广东农业系统的自然环境资源和辅助能能量的投入、产出的总体能流能值,环境资源能值基础等因素,为合理开发农业环境资源,优化系统投能结构,为实现广东农业可持续发展提供科学依据。1 研究方法及区域1.1 研究方法能值理论及其分析方法是美国著名生态学家、系统能量分析先驱Odum H T教授于上世纪80年代创立的一种新的系统分析方法。它着重于分析系统的整体特征,从一个全新的角度来看待环境资源在生态系统(或者经济系统)中的作用,克服了传统能量分析方法中不同类别能量难以比较和加减的“能质”壁垒问题1。因此,能值理论及其分析方法已被广泛应用于农业2-6、工业7、自然保护区9等各生态或生态经济系统1, 10的评价;以及国家11-12、区域13-14、城市15-16、县域17各空间尺度的系统可持续性分析。本研究以广东农业系统为对象,所用的原始数据主要来源于有关的官方统计年鉴资料18-21,部分数据(如有机肥和种子使用量、气象数据等)则来自广东省农业厅土肥总站、种子公司以及广东省气象局的资料。借助能量折算系数22-26和太阳能值转换率1, 3-4, 14, 27将各种物质、能量换算成对应的能值量,再编制能值投入产出结构表。在此基础上,对系统各能值指标进行计算分析,并与其他国家或地区的相应系统2, 4-5, 11, 28进行比较,作为制定资源环境和农业系统持续发展策略的依据。用于能值分析的指标很多,根据本研究的需要,选择了以下分析指标:净能值产出率(EYR)、能值投资率(EIR)、环境负载率(ELR)、Y*/Y的比值、能值/货币比率和可持续发展指数(ESI)作为对广东农业系统产生效率、经济发展程度、资源环境压力、货币的实际购买力和系统可持续性的评价指标。另外,此前国内的相关研究中,较少把农业保险和基础设施建设费包括在能值投入内,但2003年广东农业保险和基本建设投资分别达878和4988万元人民币18,不容忽略。另外,不同的系统都有其特异性,具体某一系统的生产效率与全球平均水平存在着不同程度的偏差。为了能定量地分析和评价具体某个复合系统(例如农业系统)的总体生产力水平与全球平均生产水平的关系。本研究以当前全球平均能值转换率(Tr)计算的农业系统产出总能值量(Y*)及其组成,并以Y*与系统产出的实际能值量(亦即系统能值总投入量YT)的比值,作为评价的指标,即:Y*/YY*/TY*/Y的比值可用于量度系统的综合生产效率在全球平均水平中所处的地位。很明显,当Y*/Y小于1时,系统生产效率低于全球平均水平,其产品在国际贸易中将处于不利地位,反之,则处于有利地位。1.2 研究区域广东省是位于中国大陆最南部的省份之一,全省陆地面积为17.98万km2 ,约占全国陆地面积的1.87%。属于东亚季风区,从北向南分别为中亚热带、南亚热带和热带气候,光、热和水资源丰富。年均日照时数15002300 h,年太阳总辐射量在42005400 MJ/m2之间,年均气温约为19 24 ,年均降雨量在13002500 mm之间。广东省农业自从改革开发以来发展迅速,农业总产值从1978年的85.94亿元跃升到2003年的1908.66亿元;在2003年底,农林牧渔从业人员有1543.41万人。2 研究结果及分析2.1 广东省农业系统投入能值结构分析从表1可见,广东省农业系统能值总流量为8.13E+22sej,其中可更新环境资源,不可更新环境资源,不可更新的工业辅助能值,可更新的有机能值分别占总能值流量的18.76%,1.11%,61.92%,18.21% (表1、表3和表4);不可更新的工业辅助能值投入最大,可更新的能值投入(占总投入量的36.97%)居次。而广东省农业系统的年度表土层肥力损失约占总能值投入的1.11%。这反映了广东农业系统的产出不单纯依赖土壤的自然肥力,而主要与辅助能值的投入规模相关。辅助能投入主要为电力、化肥和农业机械投入。对化肥的高度依赖不利于农业生态环境保护,单位面积化肥使用量1370.85 kghm-2,已接近世界上高用量国家,如新西兰709.5 kghm-2(同为实物量)两倍的水平29。如何提高化肥等辅助能值的利用效率将是农业健康持续发展的一个重要课题。表1 2003年广东省农业系统投入能值结构Table 1 Input frame of Emergy for agricultural systemof Guangdong Province in 2003项目原始数据/(unita-1)能值转换率/(sejunit-1)太阳能值/sej可更新环境资源(R)太阳光/(Ja-1)6.78E+201.00E+001 6.78E+20风能/(Ja-1)1.72E+176.23E+0214 1.07E+20雨水势能/(Ja-1)1.96E+178.89E+035 1.75E+21雨水化学能/(Ja-1)9.90E+171.54E+044 1.53E+22地球旋转/ (Ja-1)(小计)不可更新环境资源(N)2.13E+132.90E+04276.19 E+171.53E+22土地有机质损失(Ja-1)(小计)1.45E+166.25E+044 9.04E+209.04E+20不可更新工业辅助能(F)柴油/(Ja-1)2.63E+166.60E+0441.73E+21电力/(Ja-1,扣除水电)2.40E+171.59E+054 3.82E+22化肥氮肥/(ta-1)9.76E+053.8E+15273.70E+21磷肥/(ta-1)1.89E+053.9E+15277.35E+20钾肥/(ta-1)3.94E+051.1E+15274.33E+20复合肥/(ta-1)4.38E+052.80E+15271.23E+21农药/(ta-1)8.60E+041.62E+15271.39E+20塑料薄膜/(ta-1)1.73E+043.80E+1416.57E+18农业机械/(ta-1)5.64E+056.70E+15273.78E+21基本建设投资/(E+04RMBa-1)4.99E+076.54E+12113.26E+20农业保险/(E+04RMBa-1)(小计)8.78E+066.54 E+1211 5.74 E+195.03E+22可更新的有机能(R1)人力/(Ja-1)1.64E+163.80E+053 6.24E+21畜力/(Ja-1)2.46E+151.46E+053 3.59E+20有机肥/(ga-1)1.92E+132.70E+0635.19E+19种子/(Ja-1)8.11E+142.00E+0531.62E+20水力发电/(Ja-1)1.70E+161.59E+0542.70E+21灌溉水/(ta-1)2.55E+108.99E+1012.29E+21役畜用饲料/(Ja-1)3.01E+166.80E+0412.05E+21饼肥/(ga-1)3.38E+112.80E+0919.48E+20(小计)1.48E+22投入总计8.13E+22投入系统的可更新环境资源主要是雨水化学能(占可更新环境资源投入的99.99%)。其单位面积投入年际变化不大,为系统的可持续发展提供了稳定的支持。可更新的有机能值为1.48E+22sej,约占总可更新能值投入的49.25%,在该农业系统可持续发展中起重要作用。其中,主要的能值输入来自人力和畜力(共占所输入有机能值的44.57%),特别是人力(占42.14%)。而人力输入在总能值投入中占7.67%,机械能值输入占总能值投入的4.65%。从比较中,可见该农业系统以传统农业为主,处于向现代农业转变的过渡阶段:人力为主要动力来源,尚未摆脱传统农业模式。而有机肥投入在有机能值中只占6.75%。可见,自然投入的可更新流量稳定,提高系统可更新资源利用的方向应放到可更新有机能的反馈投入方面。目前广东在这方面还有不足,但人口众多,畜牧业发达,有机肥和农家肥的利用潜力巨大,建议应加大对农家肥的投入,提倡绿肥种植,以利于土壤有机质的保持,为农业持续发展提供物质基础。2.2 广东省农业系统能值产出表3 2003年广东省农业系统能值流Table 3 Emergy flow of agricultural system of Guangdong Province in 2003项目表达式能值/(sej)能值投入可更新环境资源R1.53E+22不可更新环境资源N9.04E+20环境总能值I=R+N1.62E+22不可更新的工业辅助能F5.03E+22可更新有机能R11.48E+22总辅助能投入U=F+ R16.51E+22总能值投入T=I+U8.13E+22能值产出农作物产出Y1*3.99 E+22林业产出Y2*1.83 E+21畜牧产出Y3*3.06 E+22水产品Y4*5.80 E+21总能值产出Y*= Y1*+ Y2*+ Y3*+ Y4*7.81E+22由依据国际平均生产力水平(即能值转换率)计算的系统产品能值组成(表2和表3)可知,广东省农业系统总能值产出为7.81E+22,农林牧渔业产出能值依次为3.99 E+22sej,1.83 E+21sej,3.06E+22sej,5.80 E+21sej(表2和表3),所占比例分别为51.09%,2.35%,39.13%,7.43%。分析可知,广东农业仍以传统作物种植为主,畜牧业居次,而林业和渔业则有待进一步发展。表2 2003年广东省农业系统产出能值结构Table 2 Output frame of Emergy for agricultural systemof Guangdong Province in 2003项目原始数据/(Ja-1)能值转换率1/(sejJ-1)太阳能值(Yi*)/(sej) 林产品木材/(Ja-1)5.26E+163.49E+041.83E+21农产品稻谷/(Ja-1)1.57E+173.59E+045.64E+21小麦/(Ja-1)2.00E+146.80E+041.36E+19玉米/(Ja-1)8.54E+158.52E+047.27E+20大豆/(Ja-1)3.08E+156.90E+052.13E+21薯类/(Ja-1)9.53E+152.70E+032.57E+19油料/(Ja-1)2.09E+166.90E+051.44E+22水果/(Ja-1)2.40E+165.30E+051.27E+22蔬菜/(Ja-1)6.49E+162.70E+041.75E+21茶叶/(Ja-1)7.19E+142.00E+051.44E+20畜牧产品肉类/(Ja-1)9.29E+162.00E+061.86E+23奶类/(Ja-1)3.40E+142.00E+066.80E+20禽蛋/(Ja-1)2.59E+152.00E+065.17E+21糖料/(Ja-1)2.70E+168.49E+042.29E+21水产品/(Ja-1)2.90E+152.00E+065.80E+21产出总量/(Ja-1)3.87E+177.81E+22表4 2003年广东省农业系统能值指标体系Table 4 Index system of Emergy for agricultural systemof Guangdong Province in 2003能值指标表达式数值1环境资源能值/总能值I/T0.202辅助能/总能值U/T0.803可更新环境能值/环境总能值R/I0.944不可更新环境能值/总能值N/T0.015工业辅助能值/总能值F/T0.626可更新有机能/总能值R1/T0.187工业辅助能值/总辅助能值F/U0.778可更新有机能/总辅助能值R1/U0.239净能值产出率Y/U1.2510能值投资率F/I3.1211环境负载率(F+N)/(R+R1)1.7012 Y*与Y的比值Y*/Y0.9613 能值/货币比率/(sej$-1)Y/GNP4.26E+1214可持续发展指数EYR/ELR 0.73在农作物产出中,粮食(淀粉类)、糖油和果蔬产出能值分别占21.39%,41.91%,36.34%,反映广东省近年来的农业产业结构调整已取得显著成效(油料、蔬菜和水果产量比前一年依次增长7.3%、5.8%和2.8%18),逐渐向多元化种植转变。同时,从经济学供需角度考虑,这也反映了消费者对淀粉类粮食的需求减少,更多地向糖油、果蔬等产品消费转移,人民生活水平得到提高。而畜牧产品(肉类、禽蛋类)的产出比例较大(39.13%),表明了相同的消费趋势。相比之下,林业和渔业产出能值份额较小,有待改善。广东全省大陆海岸线长3368.1 km,居全国第一位,全省海域总面积41.9万km221,大陆架渔场广阔,加之珠三角地区水网交错,湿地资源丰富,丘陵地、小集水区底部多有积水,尤其适于基塘水产业的发展。加快渔业、水产业发展有利于巩固广东省蛋白质供应基地地位,改善消费者的食物结构,并且对出口创汇有重要意义。3 能值指标体系3.1 净能值产出率 广东省农业系统的净能值产出率为1.25(表5),远高于中国农业系统1998年的平均水平(0.27),略高于意大利(1.12)和日本(1.08)1989年的数值。这表明,由于广东省地处我国东南沿海,气候条件较优越,农业系统充分利用气候优势,增加复种指数,获得较高的资源利用率;与发达国家相比,广东省农业投入的购买能值较低,无偿利用的环境资源能值较高5。但与10年前(1993)的数据相比,变化不大,只略微上升了0.05。表明农业产出虽有所增长,但并未跳出粗放经营发展模式,生产的集约化程度还没有得到根本性的改善。进一步提高农业生产集约化程度是广东省农业未来发展的重要方向。3.2 能值投资率 广东省农业系统能值投资率为3.12,远低于意大利(8.52)和日本(14.03),也低于国内平均水平(4.93)和1993年(5.11)的水平,仅比1994年海南省农业系统略高(2.33)。由此可见,广东农业系统与发达国家相较,尚处于较低的发展水平,表明广东省农业系统每单位无偿环境资源的利用只相应投入了较少的购买能值。此外,“具有过高净能值产出率的产品在国际交换时处于不利地位”13。因为农产品购买者仅支付了人类劳动所付出的代价,而没有为环境资源所作的贡献支付费用。因此,广东省农产品应发展深加工,增加附加值,以避免初始产品出口带来的能值流失。3.3 环境负载率 广东省农业系统的环境负载率为1.70,远远低于发达国家(如意大利和日本)的数值,也比国内平均值(2.80)和海南省(2.44)低。表明广东农业系统对环境和资源的压力不大,有进一步开发利用的潜力,今后加大能值投入的方向是有机能值(有机肥还田和新科技的应用等),以提高系统生产效率。表5 2003年广东省农业系统与其他地区、国家农业能值指标的比较2, 4-5, 11, 28Table5 Comparisons of agricultural Emergy index system in Guangdong Province in 2003 with other regions and countries能值指标广东省农业(2003)广东省种植业(1993)海南省农业(1994)中国农业(1998)意大利农业(1989)日本农业(1989)环境资源能值/总能值(I/T)0.20.160.30.130.1050.065购买能值/总能值(U/T)0.80.840.70.870.935可更新环境能值/环境总能值(R/I)0.940.950.970.25可更新环境资源/总能值(R/T)0.190.160.290.02不可更新环境能值/总能值(N/T)0.010.010.01工业辅助能值/总能值(F/T)0.620.570.070.62有机辅助能值/总能值(R1/T)0.180.270.630.29工业辅助能值/总辅助能值(F/U)0.770.680.090.71有机能值/总辅助能值(R1/U)0.230.320.910.29净能值产出率(Y/U)1.251.21.270.271.121.08能值投资率(F/I)3.125.112.334.938.5214.03环境承载力(UN)/R1.705.42.442.8010.4314.493.4 能值/货币比率 广东农业系统2003年的能值/货币比率为4.26E+12sej$-1,与1995年中国农林牧渔业主要产品的能值/货币比率(8.67 E+12sej$-1)12和同期(1995年)的美国、德国、日本、意大利和荷兰等国比值(均在2.50 E+12sej$-1以下)11相比,表明广东农业系统的生产效率高于国内平均水平,但与发达国家仍有一定差距,尚待提高。由于广东省大面积的平原土地较少,多丘陵、湿地,农业机械化应用提高困难,建议提高环境资源利用效率,大力发展农产品加工业,增加农产品附加值。否则农产品(特别是初始产品)出口将造成农业系统的大量能值流失,在国际交易中处于不利地位。Y*与Y的比值(0.96)小于1,表明广东农业系统的生产效率低于全球平均水平,同时也从另一个方面证明了上述观点,即在国际贸易中处于不利地位。4 结论(1)广东省农业系统的能值投资率、环境负载率和购买能值/总能值比例均低于发达国家对应的指标,而能值/货币比率和净能值产出率则较高。表明广东农业系统与发达国家相比,处于较低发展水平;总体能值投入水平偏低,可进一步加大能值投入。(2)不可更新的工业辅助能值占系统总能值投入的61.92%。由于工业辅助能的不可更新性、有限性和对环境的压迫性,过量投入不利于农业系统的可持续发展。因此,我省农业系统增大能值投入的重点应放在可更新反馈资源的方面,例如充分利用生物质能等。(3)依靠科技进步是推动和强化广东农业系统发展的必由之路。发达国家农业产值增长的90%依靠科技支撑,因科技属高能质的资源,具有高能值转换率,对提高能值产出的作用重大。为此,广东农业投入能值的重点在于加大科技的投入,提高劳动者的素质,促进科技在农业生产中的推广应用,以便更科学合理地利用农业自然环境资源的优势。参考文献:1 蓝盛芳, 钦佩, 陆宏芳. 生态经济系统能值分析M. 北京: 化学工业出版社, 2002: 16, 7595.LAN S F, QIN P, LU H F. 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Guangdong YearbookZ. Guangzhou: Guangdong Yearbook Press, 2004: 131.22 骆世明农业生态学M北京: 中国农业出版社, 2001: 447458.LUO S M. Agricultural EcologyM. Beijing: China Agriculture Press, 2001: 447458.23 朱秉兰简明农机手册M郑州: 河南科学技术出版社, 2001: 25137.ZHU B L. Conciseness Handbook of Agro-machineM. Zhengzhou: Henan Science & Technology Press, 2001: 25137.24 闻大中农业生态系统能流的研究方法(一)J农村生态环境, 1985, 4: 4752.WEN D Z. The research means of Energy Flow in agricultural systemsJ. Rural Eco-Environment, 1985, 4: 4752.25 闻大中农业生态系统能流的研究方法(二)J农村生态环境, 1986, 1: 5256.WEN D Z. The research means of Energy Flow in agricultural systemsJ. Rural Eco-Environment, 1986, 1: 5256.26 闻大中农业生态系统能流的研究方法(三)J农村生态环境, 1986, 2: 4851.WEN D Z. The research means of Energy Flow in agricultural systemsJ. Rural Eco-Environment, 1986, 2: 4851.27 ODUM H T. Environmental Accounting: Emergy and Environmental Decision MakingM. New York: John Wiley & Sons, 1996: 5293.28 PILET G. 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