陳 磊，李海濤，朱璐平

(1．臨沂大學商學院，臨沂 276005;2．中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

能值分析方法自1987年由美國生態(tài)學家Odum H．T．［1］提出后，被廣泛應用于國家、區(qū)域、地區(qū)、特定系統(tǒng)等不同尺度上的可持續(xù)性度量，成為進行社會—自然—經(jīng)濟復合生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展評價的重要方法。在農(nóng)業(yè)生態(tài)研究領(lǐng)域，國外學者利用能值分析方法主要進行了糧食生產(chǎn)［2-3］、畜牧業(yè)生產(chǎn)［4］、農(nóng)業(yè)與社會［5］、土壤侵蝕［6］等方面研究。我國學者對于農(nóng)業(yè)能值研究實踐主要側(cè)重于不同地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的投入產(chǎn)出、動態(tài)評估和可持續(xù)發(fā)展分析等方面［7-12］。目前，將能值理論應用于退耕還林效益分析的研究還未見發(fā)表。該文以我國水利部2006年公布的國家級水土流失重點治理區(qū)——沂蒙山區(qū)為例，運用能值分析方法和情景模擬法，對退耕還林效益做定量分析，為政府決策提供理論依據(jù);利用能值分析法對沂蒙山區(qū)2001～2010年的農(nóng)業(yè)物質(zhì)循環(huán)及能量流動效率進行動態(tài)綜合分析，揭示農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)演變及存在問題，通過橫向?qū)Ρ仍u價其發(fā)展水平，探討該區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展對策，為我國水土流失嚴重地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展實踐提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 臨沂市概況

沂蒙山區(qū)的主體位于臨沂市，臨沂市地跨北緯 34°22＇～36°13＇，東經(jīng) 117°24＇～119°11＇，位于魯南、蘇北交界處，總面積1．7萬km2，其中山丘面積占總面積的70．6%，境內(nèi)水庫、河流眾多，流域面積9 055km2;臨沂市地處暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年平均氣溫13．6℃，多年平均降水量830mm，暴雨頻繁，降水集中，6～9月份降水量占全年降水量的78．5%。主要土壤類型有棕壤、褐土、潮土、沙姜黑土和水稻土。臨沂市是山東省人口最多的農(nóng)業(yè)大市。據(jù)2011年山東省統(tǒng)計年鑒，2010年臨沂市耕地面積62．6萬hm2，有林地面積39．3萬hm2，林木覆蓋率為28．2%，全市人口1 070萬人，生產(chǎn)總值2 400億元，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值478億元，占生產(chǎn)總值的19．9%，農(nóng)業(yè)人口878萬人，占全市總?cè)丝?2%。人多地少，坡耕地面積大，森林覆蓋率較低，加上特殊的地形和氣候，造成區(qū)內(nèi)嚴重水土流失，據(jù)臨沂市水保局提供數(shù)據(jù)，臨沂市水土流失面積為7 199km2，占全市總面積的40%以上，年平均土壤侵蝕總量6 053萬t，水土流失嚴重地區(qū)集中在低山丘陵農(nóng)耕區(qū)，因此合理發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和推行退耕還林工程應引起高度重視。

1.2 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值指標與計算公式

根據(jù)能值分析理論，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值中，按照能值流動方向不同可分為投入能值 (T)和產(chǎn)出能值(Y)。農(nóng)業(yè)投入能值分為環(huán)境能值投入 (I)與輔助能值投入 (U)，環(huán)境能值投入按照能量來源性質(zhì)分為可更新能值資源能值 (R)和不可更新資源能值 (N)，可更新資源能值包括太陽輻射能、風能、雨水化學能、雨水勢能、地球循環(huán)能等，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不可更新資源能值主要指表土損失能值;輔助能值按照能量來源性質(zhì)可分為不可更新工業(yè)輔助能值 (F)和可更新有機能值 (R1)，不可更新工業(yè)輔助能值包括農(nóng)用電力、農(nóng)用機械、農(nóng)藥、農(nóng)用化肥、農(nóng)膜、農(nóng)用柴油等能值，可更新有機能值包括勞動力、種子、畜力、有機肥等能值。農(nóng)業(yè)產(chǎn)出能值包括種植業(yè)產(chǎn)出 (Y1)、畜牧業(yè)產(chǎn)出 (Y2)、林業(yè)產(chǎn)出 (Y3)和水產(chǎn)品產(chǎn)出 (Y4)能值。

太陽能值計算公式為:

式中M為太陽能值 (sej);τ為太陽能值轉(zhuǎn)換率 (sej/j或sej/g)，B為能量或質(zhì)量 (j或g)。

該文選取農(nóng)業(yè)環(huán)境負載率 (environment loading ratio，簡寫為ELR)、系統(tǒng)能值可持續(xù)性指數(shù) (emergy sustainable indices，簡寫為ESI)等作為臨沂市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展評價指標。

環(huán)境負載率 (ELR)是輔助投入能值U和不可更新資源能值N與環(huán)境資源總能值I的比率，，用以衡量自然環(huán)境的負荷程度。公式為:

系統(tǒng)能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)ESI是凈能值產(chǎn)出率 (EYR)與環(huán)境負載率 (ELR)的比值，表征當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展水平。公式是:

其中EYR是凈能值產(chǎn)出率，為系統(tǒng)產(chǎn)出能值與投入的輔助能值之比，說明某一地區(qū)經(jīng)濟生產(chǎn)活動能值利用的效率。計算公式是:

1.3 退耕還林能值損益分析方法

退耕還林損益分析是將土地退耕前 (耕地)與退耕后 (生態(tài)林或經(jīng)濟林)的投入與產(chǎn)出能值做對比分析。具體做法是采用情景模擬方法，先在投入、產(chǎn)出能值中遴選耕地能值與還林后能值產(chǎn)生差異的指標，根據(jù)臨沂市實地調(diào)查結(jié)果，確定投入能值中兩者差異指標有:表土流失、勞動力、化肥、農(nóng)膜、種子、種苗、畜力、資金等指標，產(chǎn)出能值中兩者差異指標有:林木蓄積量、林產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品等指標;再進一步劃分退耕還林后的效益與損失指標，根據(jù)研究區(qū)實際，將林木蓄積量、林產(chǎn)品產(chǎn)出、表土流失減少、勞動力投入減少、化肥投入減少、農(nóng)膜投入減少、種子投入減少、畜力投入減少能值作為退耕還林后的效益指標，農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出、資金補助、種苗投入能值等作為退耕還林后的損失指標;最后，根據(jù)效益指標能值與損失指標能值的比較，評價當?shù)赝烁€林能值損益。

1.4 數(shù)據(jù)來源

該文以臨沂市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，以2001～2010年為研究時段。臨沂市2001～2010年農(nóng)業(yè)投入與產(chǎn)出、氣溫、降水量、人口數(shù)量、各類土地面積、歷年退耕還林面積等數(shù)據(jù)來自2001～2010年《臨沂統(tǒng)計年鑒》、《山東省統(tǒng)計年鑒》。2001～2010年臨沂市水土流失實際測算面積和流失量由臨沂市水利局提供。能值轉(zhuǎn)換率采用 Odum H．T［1，13-14］、Brown M．T．［15］、Ulgiati S．［16］等的計算結(jié)果，并用新的全球能值基準15．83E+24 sej/年［12］加以轉(zhuǎn)換。能量折算系數(shù)采用駱世明等人［18］的研究成果。

2 結(jié)果與分析

應用能值分析方法和公式 (1)，對臨沂市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值投入與產(chǎn)出進行計算，計算結(jié)果見表1、2。根據(jù)公式 (2)、(3)、(4)，分別計算臨沂市2001～2010年各年份的環(huán)境負載率ELR、系統(tǒng)能值可持續(xù)指數(shù)ESI等指標值，繪制發(fā)展變化圖 (圖1、2)。應用退耕還林能值損益分析方法與步驟，進行臨沂市退耕還林能值效益評價，計算結(jié)果見表3。

2.1 臨沂市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值投入分析

分析農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值投入有助于判斷區(qū)域農(nóng)業(yè)系統(tǒng)投入結(jié)構(gòu)的合理性與農(nóng)業(yè)發(fā)展水平。從表1計算可知，2001～2010年10年間臨沂市投入的有機能值、工業(yè)輔助能值、不可更新資源能值、可更新環(huán)境資源能值平均占總投入能值的47．47%、37．47%、8．23%、6．82%，工業(yè)輔助能值投入比例偏低，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)輔助能值所占總投入能值比重往往最高，天津市2005年該指標是74%［10］，全國2005年的平均工業(yè)輔助能值占總能值投入的72%［11］。在臨沂市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機能值投入中，勞動力能值投入最高，占有機能值投入的73%，顯示臨沂市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)屬勞動力密集型產(chǎn)業(yè)，勞動生產(chǎn)率低，會導致產(chǎn)品競爭力差，也說明臨沂市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶有明顯的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)特點。不可更新工業(yè)輔助能值的各項投入中，化肥總投入能值最高，占45．12%，農(nóng)用機械投入能值占43．87%，農(nóng)業(yè)用電能值僅占3．2%，2010年臨沂市耕地化肥施用量為629kg/hm2，是發(fā)達國家化肥平均使用量225kg/hm2上限［11］的3倍，化肥施用過量，會產(chǎn)生土壤性狀惡化、加劇環(huán)境污染等危害，因此，臨沂市應減少化肥施用量，提高農(nóng)用機械和農(nóng)業(yè)用電的投入。

表1 2001～2010年臨沂市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)投入能值匯總

2.2 臨沂市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值產(chǎn)出分析

農(nóng)業(yè)產(chǎn)出能值由種植業(yè)、畜牧業(yè)、林業(yè)和水產(chǎn)業(yè)產(chǎn)出能值構(gòu)成。表2顯示，2001～2010年，臨沂市年均總能值產(chǎn)出是5．83×1022sej，種植業(yè)、畜牧業(yè)、水產(chǎn)品、林業(yè)產(chǎn)出能值平均值分別占總產(chǎn)出能值平均值的比重是56．03%、41．49%、2．39%、0．09%。種植業(yè)中，能值產(chǎn)出較大的是油料作物，其次是小麥、玉米，且3種主要農(nóng)產(chǎn)品都呈上升趨勢;能值產(chǎn)出下降最明顯的是薯類，其次是雜糧。經(jīng)實地調(diào)查，沂蒙山區(qū)薯類與雜糧的種植大多是在水肥條件較差的坡地，由于自2002年以來臨沂市采取的坡耕地退耕還林政策，減少了薯類與雜糧的傳統(tǒng)種植面積，使得總產(chǎn)量減少，導致薯類與雜糧的產(chǎn)出能值下降;臨沂市水果能值產(chǎn)出變化較小，應充分利用丘陵山區(qū)地形和適宜的溫帶季風氣候條件，大力發(fā)展林果業(yè)，增大水果產(chǎn)量。畜牧業(yè)能值產(chǎn)出呈上升趨勢，其中肉類能值產(chǎn)出最大，受市場價格影響，肉類產(chǎn)量年份波動較大;奶類和蛋類在畜牧業(yè)中所占比重較小，而奶類和蛋類的太陽能值轉(zhuǎn)換率高，產(chǎn)量增加，會使農(nóng)業(yè)總產(chǎn)出能值有大幅度提高，臨沂市人口眾多，山區(qū)面積大，市場空間和開發(fā)潛力較大，加大奶類、蛋類生產(chǎn)投入與產(chǎn)出應是農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要方面。水產(chǎn)品能值產(chǎn)出雖然呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢，但10年來水產(chǎn)品平均能值僅占總平均產(chǎn)出能值的2．4%，沂蒙山區(qū)水庫、湖泊眾多，河流密集，有很大的發(fā)展空間，宜于因地制宜發(fā)展淡水魚類水箱養(yǎng)殖。水產(chǎn)品的能值轉(zhuǎn)換率遠高于種植業(yè)，為提高臨沂市農(nóng)業(yè)能值產(chǎn)出，水產(chǎn)業(yè)也應是今后大力發(fā)展的重點。

表2 2001～2010年臨沂市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值產(chǎn)出情況

2.3 臨沂市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展評估指標分析

2．3．1 環(huán)境負載率

10年間臨沂市環(huán)境負荷率 (ELR)略有下降，在5．67～7．72之間呈現(xiàn)小幅波動 (圖1)，表明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的壓力保持基本穩(wěn)定。2010年臨沂市該指標是6．49，意味著目前農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境水平大約是其承載能力的6．49倍，遠高于全國2005年環(huán)境負載率3．77［9］的平均水平，而廣東省 (2003年)農(nóng)業(yè)環(huán)境負載率也僅為1．7［8］，說明臨沂市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境造成較大壓力，其中很重要的原因是不可更新環(huán)境資源能值即表土流失能值太高，且表土層損失能值逐年增大 (表1)。據(jù)臨沂市水保局測算，臨沂市每年年平均土壤侵蝕總量為6 053萬t，這與臨沂市坡耕地面積大有直接關(guān)系，因此，推行退耕還林，降低水土流失量，是降低不可更新環(huán)境資源能值投入的最有效手段。同時，也要注意減少對石化能源如化肥、農(nóng)藥、柴油等的使用量，提高使用效率，降低環(huán)境負載率。

2．3．2 可持續(xù)能值指數(shù)

10年間臨沂市可持續(xù)指數(shù) (ESI)在0．57～1．20之間波動，呈上升趨勢 (圖2)，表明臨沂市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)向良性發(fā)展，發(fā)展?jié)摿突盍υ龃蟆Ｎ覈?000年農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)ESI是0．77［7］，廣東省2003年ESI是0．73［8］，天津市2005年是1．30［10］，臨沂市同期低于全國平均值，低于廣東省與天津市，反映臨沂市處于不可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)。臨沂市是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大市，農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟中所占比重大，2010年農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占國民生產(chǎn)總值的20%，耕地資源短缺，耕地面積占土地總面積的36%，人均耕地只有0．08hm2。因此，農(nóng)業(yè)發(fā)展中要注意揚長避短，一方面加大對農(nóng)副產(chǎn)品的深度開發(fā)，提高農(nóng)產(chǎn)品的附加值，另一方面還要積極利用區(qū)外能值，緩解該地區(qū)資源環(huán)境壓力，通過引進區(qū)外的資金和科技人才來提高能值投入與轉(zhuǎn)化。

圖1 臨沂市農(nóng)業(yè)環(huán)境負載率變化趨勢

圖2 臨沂市可持續(xù)發(fā)展指數(shù)變化趨勢

2.4 臨沂市退耕還林能值的損益分析

臨沂市自2002年開始啟動退耕還林工程，到2010年，臨沂市退耕還林總面積達1．248 1萬hm2。據(jù)梁仁君等［18］研究，2000年臨沂市坡度大于25°亟需退耕還林的農(nóng)用地面積為5．47萬hm2，坡度小于25°需退耕還林的農(nóng)用地面積為5．19萬hm2，即還有9．41萬hm2坡耕地沒有退耕。運用情景模擬方法，將臨沂市2002～2010年退耕還林做能值損益比較。其中，經(jīng)實地調(diào)查，可更新環(huán)境資源、農(nóng)業(yè)用電、農(nóng)用柴油、農(nóng)藥、農(nóng)業(yè)機械、有機肥等投入能值在退耕還林前后投入量基本相當，分析中均不計，以下各項計算指標均以2010年平均值計。

2007年《國務院關(guān)于完善退耕還林政策的通知》中規(guī)定生態(tài)林面積不得低于退耕土地還林面積的80%。基于此，按臨沂市退耕還林中生態(tài)林面積占80%，經(jīng)濟林占20%計算林產(chǎn)品產(chǎn)出，即2002～2010年臨沂市由退耕還林產(chǎn)生生態(tài)林9 984．8hm2，經(jīng)濟林2 496．2hm2，考慮短時期內(nèi)生態(tài)林不會產(chǎn)生林木采伐量，在此將退耕還林地以疏林地固定總能量計，按林木蓄積量計算能值;經(jīng)濟林平均4年即有林產(chǎn)品產(chǎn)出，結(jié)合臨沂市退耕還林地區(qū)實際情況，經(jīng)濟林產(chǎn)品以水果產(chǎn)出為主;退耕還林勞動力投入為種植業(yè)勞動力投入的30%［17］，化肥、農(nóng)膜、糧食種子、畜力等投入在退耕還林后減少為0。

2001年《國務院關(guān)于完善退耕還林政策的通知》規(guī)定，黃河流域及北方地區(qū)每667m2退耕地每年補助現(xiàn)金70元，每667m2退耕地每年20元生活補助費，種苗費每667m2補助現(xiàn)金50元 (為避免重復計算，在退耕還林損失能值中扣除種苗投入項，以現(xiàn)金代替)，每667m2共投入現(xiàn)金140元。種植業(yè)產(chǎn)出在退耕還林后減少為0。

臨沂市2002～2010年退耕還林前后損益比較結(jié)果見表3。9年間臨沂市退耕還林每年凈能值產(chǎn)出增量約為1．05E+19sej/年，相當于全市2010年雜糧產(chǎn)出能值的25%，且由此產(chǎn)生的旅游收益和環(huán)境效益還未計算其中。由此看出，從能值角度分析，在9年及更長時間跨度上，臨沂市坡度大于25°的農(nóng)用地，還林后能值收益遠大于還林前的農(nóng)耕地能值收益。因此，臨沂應加速推進退耕還林工程。

表3 2002～2010年臨沂市退耕還林前后年均能值損益對比

3 結(jié)論

(1)從臨沂市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的投入結(jié)構(gòu)看，工業(yè)輔助能值比重偏低，不可更新資源能值偏高;工業(yè)輔助能值中，化肥能值投入高，農(nóng)業(yè)機械投入和農(nóng)電投入所占比重太低;有機能值投入中，勞動力能值投入偏高，有機肥能值投入偏低。臨沂市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平處于過渡型階段，應進一步提高工業(yè)輔助能值所占投入比重，降低不可更新資源能值的使用量，即大力提高農(nóng)業(yè)機械化水平，減少勞動力投入，加大有機肥施用量，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)含量，提高化肥使用效率。

(2)從能值產(chǎn)出來看，臨沂市總產(chǎn)出能值10年間呈上升趨勢，存在問題是農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)不夠合理，能值轉(zhuǎn)換率低的種植業(yè)產(chǎn)品所占比例太高，畜牧業(yè)能值、水產(chǎn)品能值、林業(yè)能值所占比例偏低。今后要依托資源優(yōu)勢，對初級農(nóng)產(chǎn)品進行深加工，提高農(nóng)產(chǎn)品附加值，穩(wěn)定肉類產(chǎn)出，增大蛋類、奶類產(chǎn)量，提高畜牧業(yè)能值，發(fā)展淡水養(yǎng)殖，提高水產(chǎn)品能值。

(3)從發(fā)展的可持續(xù)性來看，臨沂市目前農(nóng)業(yè)環(huán)境負載率偏高，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)偏低，表明臨沂市農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)處于不可持續(xù)狀態(tài)，但同時臨沂市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性呈現(xiàn)上升的趨勢，表明現(xiàn)階段采取的農(nóng)業(yè)發(fā)展措施是得力的，還要注意進一步吸收區(qū)外能值，緩解本區(qū)資源環(huán)境壓力，吸收區(qū)外資金、科技人才，提高本地區(qū)的農(nóng)業(yè)能值投入與轉(zhuǎn)化。

(4)在忽略旅游和環(huán)境效益的前提下，以9年度計算，臨沂市25°以上坡耕地還林后的能值收益遠大于農(nóng)耕地的能值收益，最低獲益平均為1．05E+19sej/年，因此，應盡快將臨沂市未退耕的9．41萬hm2坡耕地退耕還林。

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