夏泰英,許玉婷,連相汝,趙迎子,楊明明,魯法典

山東農(nóng)業(yè)大學林學院,山東泰安271018

山東省濟南西南山區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)園能值分析及可持續(xù)性評價

夏泰英,許玉婷,連相汝,趙迎子,楊明明,魯法典*

山東農(nóng)業(yè)大學林學院,山東泰安271018

本文運用能值理論與方法對山東省西南山區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)園進行了可持續(xù)性評價，通過建立能值指標體系，選定相應能值指標，定量分析了該農(nóng)業(yè)生態(tài)園的可持續(xù)發(fā)展性能及發(fā)展?jié)摿ΓY果表明該生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)尚處于開發(fā)的初級階段，具有很強的傳統(tǒng)性和保守性，其內(nèi)部的資源和空間存在很大程度的浪費，應優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部結構，增加工業(yè)輔助能值、高新技術能值的投入，發(fā)展更多元化的林下經(jīng)濟，在保證生態(tài)環(huán)境不被破壞的同時創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。

能值分析;林業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng);能值指標;可持續(xù)性評價;濟南西南山區(qū)

作為經(jīng)濟-自然-社會復合體的農(nóng)林復合系統(tǒng)，是典型的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)，所謂生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)是由生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟系統(tǒng)相互交織、相互作用、相互耦合成的復合系統(tǒng)，其功能表現(xiàn)為單向的能量流動、周而復始的物質(zhì)循環(huán)和信息的傳遞，系統(tǒng)內(nèi)部存在著的復雜的能量流、物質(zhì)流、貨幣流和信息流使整個生態(tài)系統(tǒng)得以存在和發(fā)展，其中能量流是整個生態(tài)系統(tǒng)的動力基礎，貫穿于整個系統(tǒng)復始的物質(zhì)循環(huán)和信息的傳遞，系統(tǒng)內(nèi)部存在著的復雜的能量流、物質(zhì)流、貨幣流和信息流中。分析農(nóng)林復合生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)、社會和經(jīng)濟的綜合效益是生態(tài)系統(tǒng)研究的根本任務，然而不同種類不同性質(zhì)的能量具有不同的質(zhì)量，不能直接進行比較和數(shù)量的加減[1,2]。針對“能量壁壘”問題，著名生態(tài)學家H.T.Odum在20世紀80年代末創(chuàng)立了能值理論，提出了“能值”（Energy）概念理論和太陽能值轉(zhuǎn)換率（Solar Transformity)等一系列概念。該分析方法把社會、經(jīng)濟、自然三個亞系統(tǒng)有機統(tǒng)一起來，定量分析自然和人類社會經(jīng)濟的真實價值，廣泛的應用于農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)的評價研究。現(xiàn)在，能值分析理論的應用已經(jīng)發(fā)展到國家、地區(qū)、城市、耕地、企業(yè)等尺度，在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、自然保護區(qū)、濕地、城市、生態(tài)工程等系統(tǒng)中得到廣泛的應用。我國學者對能值理論分析方法的研究開始于20世紀90年代，由藍盛芳等引入中國。自引進能值理論和分析方法以來，我國學者對其進行了大量的研究和應用，不少學者在能值分析的研究上取得了豐碩的成果，研究涉及對象和尺度非常廣，涉及到農(nóng)業(yè)、林業(yè)、工業(yè)和城市等的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)，尤其是對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進行了大量的能值分析研究，但對農(nóng)林復合生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能值分析研究還很少見。我國的林業(yè)發(fā)展在社會主義現(xiàn)代化建設中發(fā)揮著舉足輕重的作用，林下經(jīng)濟作為一種復合模式在國內(nèi)正在大力推廣，給林業(yè)產(chǎn)業(yè)帶來了活力，對農(nóng)林復合生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的研究對農(nóng)林業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展有重要的意義。目前，用能值分析方法研究小尺度區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)研究極少見。本研究用能值分析理論和方法，首次對山東省濟南西南部山區(qū)黨家莊農(nóng)業(yè)生態(tài)園進行分析評估，旨在測度系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性能，為決策提供數(shù)據(jù)理論支持。

1 研究區(qū)概況

黨家莊鎮(zhèn)地處濟南市市中區(qū)西南部，地勢南高北低，南部為丘陵，北部為平原，全鎮(zhèn)有耕地3352 hm2，山林2581 hm2，地域廣闊，資源豐富。地處中緯度地帶，由于受太陽輻射、大氣環(huán)流和地理環(huán)境的影響，屬暖溫帶大陸性季風氣候。其主要氣候特征是：季風明顯，四季分明；冬冷夏熱，雨量集中。年平均太陽輻射總量為120.9～126.7 kc/cm2，光資源比較豐富，年內(nèi)高值出現(xiàn)在5～6月間，月平均輻射量為14.9～15.7 kc/cm2；年內(nèi)低值出現(xiàn)在12月，平均為5.5～5.8 kc/cm2。作物生長期3～10月份，每月平均都在9 kc/cm2以上，總輻射量為96～100 kc/cm2，占全年總輻射量的79%，有利于作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量的形成。年平均氣溫在13～14℃之間。年平均降水量為700～800 mm。干燥度平均為1.15～1.24，屬于水分不足的半濕潤氣候區(qū)。該地區(qū)四季分明，光照充足，較適宜農(nóng)業(yè)發(fā)展，由于山林面積較大，氣候適宜，2006年在此建立了農(nóng)業(yè)生態(tài)園，園區(qū)內(nèi)在土壤相對貧瘠的山地種植側柏用于水土保持，林下搭建了一個簡易雞舍，一人管理，一年兩茬散養(yǎng)草雞，每茬5000只，每只雞產(chǎn)蛋5 kg左右。在土壤條件相對肥沃的區(qū)域種植了3 hm2薄皮山核桃樹，每年產(chǎn)核桃4500～5000 kg，核桃樹下種植了地瓜和谷子兩種作物，由于氣候和水利條件限制，冬季林下土地空閑。該農(nóng)業(yè)園采用了比較簡單的農(nóng)林復合經(jīng)營模式，在兼顧發(fā)展林業(yè)、保護生態(tài)的的基礎上開展家禽養(yǎng)殖及農(nóng)作物與經(jīng)濟樹種的復合種植，在短期內(nèi)獲得經(jīng)濟收益，在一定程度上促進了當?shù)厣鷳B(tài)經(jīng)濟的發(fā)展。

2 研究方法

2.1 能值基本理論

H.T.Odum（1987）將能值定義為：一種流動或儲存的能量所包含的另一種類別能量的數(shù)量，稱為該能量的能值，一種產(chǎn)品或勞務形成過程中直接或者間接投入應用的一種有效能（Available energy)總量就是其所具有的能值，實質(zhì)上就是包被能[3]。地球上的能量都直接或者間接地來源于太陽，任何資源、產(chǎn)品或者勞務形成所需要的太陽能的量就是其太陽能值（Solar energy）。該理論同時考慮的不同能量的數(shù)值大小和質(zhì)量等級，可以衡量生態(tài)系統(tǒng)中不同形式能量的真實價值和貢獻[4]。以能值作為基準，可以把生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中的不同種類、不可比較的能量轉(zhuǎn)化為同一種標準來分析比較，將對自然資源的利用率、環(huán)境的承載力以及產(chǎn)生的廢棄物等綜合考慮分析，建立一系列的能值綜合指標，定量分級生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的結構功能和生態(tài)經(jīng)濟效益。

太陽能值的計算公式為：

太陽能值(sej)=能量(J)[或物質(zhì)(g)或者價值(元)]×能值轉(zhuǎn)換率(sej/J)[或sej/元或sej/g]

2.2 基礎數(shù)據(jù)

本研究的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的面積、化肥、農(nóng)藥、人力、農(nóng)作物產(chǎn)量及價格等來源于實地調(diào)查;太陽輻射度，年降雨量等基本數(shù)據(jù)來自山東省氣象局;能量折算數(shù)據(jù)等參考駱世明[5]、聞大中[6]等的研究數(shù)據(jù)；太陽能值轉(zhuǎn)換率參考Odum[7]、藍盛芳[8]、嚴茂超[9]等的研究成果;其他數(shù)據(jù)查閱《農(nóng)業(yè)技術經(jīng)濟手冊》、《中國林業(yè)年鑒》等資料。

3 研究結果與分析

3.1 能值投入產(chǎn)出分析

如表1和表2所示，此農(nóng)業(yè)生態(tài)園作為一個生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)，其內(nèi)部的能值流動有可更新環(huán)境資源投入、不可更新環(huán)境資源投入、可不更新工業(yè)能投入、可更新有機能投入、林產(chǎn)品輸出、禽產(chǎn)品輸出等共同構成。2011年的能值總投入為7.81E+15sej(表2)，其中可更新環(huán)境資源能值為4.86E+15sej，占總投入能值的62.23%；不可更新環(huán)境資源能值損耗主要是表土層的有機質(zhì)流失，其能值為1.27E+15sej，占總投入能值的16.26%，不可更新工業(yè)輔助能投入1.35E+15sej，占總投入的17.28%；可更新有機輔助能值為3.26E+14sej，占總投入0.42%。

表1 濟南市黨家莊農(nóng)業(yè)生態(tài)園能值分析（2011年）Table 1 Energy analysis of agriculture ecological garden in Jinan Dangjiazhuang(2011)

由以上數(shù)據(jù)分析得出，在這個生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中可更新環(huán)境資源占能值投入的比重最大，而不可更新環(huán)境資源能值損耗比重比較小，說明經(jīng)過多年的封山育林和人工改造，系統(tǒng)內(nèi)的植被發(fā)揮了作用，固土保水能力較強，有效的降低了系統(tǒng)內(nèi)的水土流失，更好的保土保肥，使系統(tǒng)內(nèi)的不可更新資源流失很少。輸出能值主要是林產(chǎn)品、禽產(chǎn)品和農(nóng)作物，分別占0.015%、99.43%、0.555%。從能值流的分析可以看出，此生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)是建立在良好的生態(tài)環(huán)境保護的基礎上發(fā)展林下經(jīng)濟，提高經(jīng)濟效益，從而達到系統(tǒng)持續(xù)健康可持續(xù)發(fā)展的目的。

3.2 構建能值指標體系及結果分析

通過分析系統(tǒng)內(nèi)的能量流和物質(zhì)流，根據(jù)以往研究的一般種植業(yè)系統(tǒng)主要采用可更新環(huán)境資源能值/環(huán)境資源能、不可更新環(huán)境資源/總能值、凈能值產(chǎn)出率、環(huán)境負載率、系統(tǒng)可持續(xù)性能指數(shù)及系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能指數(shù)6個指標分析該農(nóng)業(yè)生態(tài)園的可持續(xù)性能[3][10]，根據(jù)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的運行特征和表2分析的數(shù)據(jù)構建濟南黨家莊農(nóng)業(yè)生態(tài)園能值評價指標體系，對該生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的可持續(xù)性進行綜合分析評價，見表3。

3.2.1 凈能值產(chǎn)出率(EYR)凈能值產(chǎn)出率為系統(tǒng)產(chǎn)出能值與經(jīng)濟反饋（輸入）能值之比，是衡量系統(tǒng)產(chǎn)出對經(jīng)濟貢獻大小的指標[3]。該生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率較高，為1.05E+03，遠高于山東生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)凈能值產(chǎn)出率（3.85E+00）。過高的凈能值產(chǎn)出率的商品在交換時處于不利的地位，因為它的生產(chǎn)過程需要投入更多的環(huán)境資源，對系統(tǒng)環(huán)境資源的破壞會相應加重，從而加大環(huán)境壓力。該系統(tǒng)正處于以大量消耗自然資源換取能值產(chǎn)出的階段，園區(qū)產(chǎn)業(yè)結構需要調(diào)整改進，降低環(huán)境消耗。

3.2.2 環(huán)境負載率(ELR)基于能值的環(huán)境負載率表示地區(qū)資源利用效率和環(huán)境承受能力，其數(shù)值越大就表明在經(jīng)濟系統(tǒng)中存在較高的能值利用，但同時對環(huán)境產(chǎn)生較大的壓力。ELR是對林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的一種警告，如果系統(tǒng)長期處于較高的環(huán)境負荷率，將產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的功能退化或喪失[11]。該系統(tǒng)的ELR值為5.39E-01，與山東省生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)環(huán)境負載率（2.16E+00）相比處于較低的水平，能值理論認為該系統(tǒng)的外界能值輸入過少，能值輸出主要以消耗自然資源為代價。所以應適當增加工業(yè)輔助能的投入，在不對生態(tài)環(huán)境造成壓力的同時增加系統(tǒng)的產(chǎn)出，從而獲得更多的經(jīng)濟收益。

表2 濟南濟南市黨家莊農(nóng)業(yè)生態(tài)園系統(tǒng)能值指標體系（2011年）Table 2 Energy value indexes system of agriculture ecological garden in Jinan Dangjiazhuang(2011)

表3 濟南市黨家莊農(nóng)業(yè)生態(tài)園系統(tǒng)能值指標（2011年）Table 3 Energy value indexes of agriculture ecological garden in Jinan Dangjiazhuang(2011)

3.2.3 系統(tǒng)可持續(xù)性指數(shù)(ESI)系統(tǒng)的可持續(xù)性指數(shù)代表地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的能力，但并不是ESI值越大系統(tǒng)的可持續(xù)性就越高。一般認為：ESI＜1表示系統(tǒng)處于消耗階段，系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)以破壞環(huán)境為代價了；1＜ESI＜10表示系統(tǒng)富有活力和發(fā)展?jié)摿?；ESI＞10表示系統(tǒng)不發(fā)達，人為干預過少，處于較原始狀態(tài)。該系統(tǒng)的可持續(xù)性指數(shù)為1.95E+03，遠高于山東生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)性指數(shù)（3.85E+00），表明該系統(tǒng)的潛能還遠沒被開發(fā)出來，結構是有待于優(yōu)化的，應加強人的干預，投入更多的人力勞動和工業(yè)輔助能，使該系統(tǒng)在健康持續(xù)發(fā)展的同時創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益。

3.2.4 系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能指數(shù)(EISD)是與系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能成正比的綜合評價指標。根據(jù)相關研究[12]，EISD指標在2～18之間表示系統(tǒng)富有活力和發(fā)展?jié)摿?，該系統(tǒng)的EISD為6.78，表明系統(tǒng)在可持續(xù)發(fā)展的長遠尺度上具有競爭優(yōu)勢，應該在不破壞生態(tài)環(huán)境的基礎上要加大對系統(tǒng)的開發(fā)，優(yōu)化配置系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)業(yè)結構，促進多元化發(fā)展，提高單位環(huán)境壓力所換取的社會經(jīng)濟效益。

4 討論

能值理論對自然資源的科學評價與合理利用、經(jīng)濟發(fā)展決策的制定、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施有重要的指導意義。本研究運用能值理論對山東省濟南市西南山區(qū)黨家莊農(nóng)業(yè)生態(tài)園進行了分析評價，根據(jù)研究地的內(nèi)部結構和研究的目的，創(chuàng)建了能值分析表，建立了能值指標評價表，定量分析了系統(tǒng)的環(huán)境負載率、可持續(xù)性能指數(shù)、凈能值產(chǎn)出率等，研究結果顯示：該系統(tǒng)的環(huán)境負載率處于較低的水平，而系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)遠高于正常水平，可持續(xù)發(fā)展性能指數(shù)偏低，表明由于該農(nóng)業(yè)生態(tài)園開發(fā)時間較短，基礎能值積累較多，在短時期內(nèi)會保持較高的經(jīng)濟反饋。系統(tǒng)內(nèi)的生產(chǎn)模式有其存在的合理性和很強的可持續(xù)發(fā)展能力，但是系統(tǒng)的開發(fā)只是出于初級階段，遠沒有發(fā)揮其潛在生產(chǎn)力，其內(nèi)部資源和空間存在很大程度的浪費，應改善優(yōu)化系統(tǒng)的內(nèi)部結構，引入專業(yè)技術管理措施，輸入更多的可利用能量，發(fā)展更多元化的林下經(jīng)濟，使系統(tǒng)在發(fā)揮最大運轉(zhuǎn)功率的基礎上不被競爭所淘汰，在充分保護生態(tài)環(huán)境、林木健康生長的基礎上創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益，促進當?shù)剞r(nóng)民的增收。

本研究的分析為該農(nóng)業(yè)生態(tài)園的結構優(yōu)化提供了理論層面的指導，通過加大人為干預管理、增加工業(yè)輔助能、機械能以及各種有機能的能值投入等改善措施，在充分保護生態(tài)環(huán)境、林木健康生長的基礎上創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益，為該生態(tài)園的健康和諧快速發(fā)展提供依據(jù)。由于數(shù)據(jù)有限，本文僅對系統(tǒng)內(nèi)2011年的能值數(shù)據(jù)進行了分析評價，不能和不同的年份形成趨勢對比，故結果分析略顯單薄，只能概括性總結、分析評價系統(tǒng)的可持續(xù)性及存在問題，不能說明系統(tǒng)發(fā)展的階段性變化。能值分析作為判別可持續(xù)發(fā)展程度的方法，其在可預測性方面存在缺陷，方法本身尚無法對系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和走向做出預測，而預測是做出決策的前提，在以后的能值分析研究中要據(jù)此進行拓展。除此之外，要加大對農(nóng)林復合生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的研究，因為小尺度區(qū)域的相似性大于差異性，所提出的提高區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的對策具有很強的針對性和準確性，所以在以后的研究中應加大對小尺度區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的研究分析。

5 結論

能值理論結合了生態(tài)學和經(jīng)濟學的定量研究方法，是連接生態(tài)學和經(jīng)濟學的一架橋梁，對生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的科學評價與合理利用、經(jīng)營決策的正確制定、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施都具有切實的指導意義。本文運用能值分析方法對山東省濟南西南山區(qū)黨家莊鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)生態(tài)園進行了定量分析，指出了其中的不足與存在的問題，提出了對該經(jīng)濟系統(tǒng)的結構優(yōu)化改進建議，以期在保證不破壞生態(tài)環(huán)境的同時提高系統(tǒng)的經(jīng)濟收益、促進系統(tǒng)健康快速發(fā)展。

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Evaluation for Sustainability and Energy Analysis of Agriculture Ecological Garden in Southwest Mountainous in Jinan

XIATai-ying,XUYu-ting,LIANXiang-ru,ZHAOYing-zi,YANGMing-ming,LUFa-dian*
Forestry College,Shandong Agricultural University,Tai'an 271018,China

Based on the theory and analysis of energy,we made a sustainability assessment on agriculture ecological garden in southwest mountainous Jinan,established the energy analysis index system and selected corresponding index to quantitative analysis of the sustainable development of the system performance and the potential of the forest ecological and economics system.The results showed that there is a big waste of the understorey and resources and the system still in the primary stage of development with traditional and conservative.The structure of the system should be optimized and increase the energy input,improve the production technology.To crate more economic benefits without the environment was damaged.

Energy analysis;forestry ecological and economic systems;energy value indexes;sustainability assessment;the southwest mountainous of Jinan

S759.8

A

1000-2324(2014)03-0458-05

2013-01-05

2013-03-06

夏泰英(1987-),女,碩士研究生,研究方向:林業(yè)經(jīng)濟管理.E-mail:xtyhappy86@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:lfd@sdau.edu.cn