周淑梅,韓景元,劉力軍

1.河北科技大學經濟管理學院,河北 石家莊 050018;2.河北省生態(tài)經濟可持續(xù)發(fā)展研究中心,河北 石家莊 050018)

農業(yè)生產過程既受到自然資源條件的約束,又受到經濟社會因素的影響,并對自然環(huán)境和經濟社會系統(tǒng)產生反饋作用,農業(yè)系統(tǒng)是自然系統(tǒng)和經濟系統(tǒng)共同作用的耦合系統(tǒng)。ODUM[1]提出了著名的能值理論,采用太陽能值將各類系統(tǒng)中不同能源流、物質流統(tǒng)一起來,打破了原有人類經濟社會和自然資源系統(tǒng)分析的割裂局面,提高了系統(tǒng)研究的完整性和科學性。能值理論自創(chuàng)立以來,在世界范圍內廣泛應用于農業(yè)生產系統(tǒng)[2-5]、工業(yè)生產系統(tǒng)[6]、森林生態(tài)系統(tǒng)[7]、旅游生態(tài)系統(tǒng)[8-9]、污水處理系統(tǒng)[10]等的能量流動和代謝過程的分析和評價,也為區(qū)域[11]和行業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究[12]提供決策支持,成為分析能量系統(tǒng)發(fā)展模式、演替規(guī)律,衡量系統(tǒng)發(fā)展的社會、經濟地位,預測系統(tǒng)發(fā)展可持續(xù)性的重要方法之一[13]。

三元相圖法廣泛應用于物理化學、地質學和冶金學等領域。GIANNETTI等[14]和ALMEIDA等[15]首次將三元相圖法和能值分析結合起來,定義并闡述了相圖中各特征曲線的生態(tài)經濟學內涵以及不同資源開發(fā)及利用模式下各系統(tǒng)資源配置關系的發(fā)展趨勢。我國學者應用三元相圖能值法研究不同區(qū)域(系統(tǒng))的可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢并對系統(tǒng)資源配置關系進行預測[13,16-17]。

河北省地處環(huán)京津要地,為京津冀地區(qū)提供農產品供應保障。然而,當前農業(yè)生產過程中,過量施用化肥、農藥,超采地下水用于農業(yè)灌溉等現象極為普遍,導致資源浪費、環(huán)境污染、生物多樣性銳減以及地下水位連年下降[18-19]等一系列生態(tài)問題,追求農業(yè)高產的同時付出了巨大的環(huán)境代價[20],嚴重制約著河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)性。因此,客觀認識和科學管理農業(yè)生產過程,調整農業(yè)發(fā)展方向是實現河北省現代農業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。筆者擬運用能值理論結合三元相圖方法,研究河北省2001—2016年農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)的資源利用配置關系,分析系統(tǒng)中各類資源投入結構和變動趨勢,對系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)性進行預測并優(yōu)化河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展路徑,以期為河北省農業(yè)經濟發(fā)展提供借鑒,為其他類似地區(qū)提供參考。

1 研究區(qū)概況

河北省地處天津市和北京市外圍,36°05′～42°40′ N,113°27′～119°50′ E,總面積18.77萬km2。氣候屬溫帶大陸性季風氣候,多年平均氣溫16 ℃,多年平均降水量為532.65 mm(統(tǒng)計年份2001—2016年),約80%降雨量集中在夏季(6—9月)[21]。河北省土壤種類繁多,從壩上高原地區(qū)的栗鈣土逐步過渡到平原地區(qū)的潮土、沼澤土和鹽土,不同地貌類型的土壤具有較強的分帶性。據統(tǒng)計,2016年河北省水土流失面積為7 125.49千hm2,主要集中在太行山迎風坡地區(qū)。河北省為農業(yè)大省,全省多年平均播種面積為8 744.06千hm2,盛產小麥、玉米、麻類、糖類、棉花、大豆、高粱、花生等。2016年全省總人口7 470.05萬,農業(yè)勞動力1 369.28 萬。農、林、牧、漁業(yè)生產總值6 083.86億元,位居全國第6位[22]。

2 研究方法

2.1 河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)能值分析

能值理論認為自然界所有能量均來自于太陽能,其他形式的能量都是由太陽能直接或間接轉化而來,通常采用太陽能值為基準來衡量其他各種形式能量的大小。首先確定某單位物質或能量所需要的太陽能的量,即太陽能值轉換率,然后用該種物質或能量乘以太陽能值轉換率,即為該種物質或能量所具有的太陽能值當量。

收集2002—2017年《河北農村統(tǒng)計年鑒》《河北省水資源公報》《河北省氣候公報》《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》等相關統(tǒng)計數據,收集并整理河北省2001—2016年農業(yè)生產過程中的各類能源、資源投入數據,對農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)的主要能源流、資源流及配置進行了梳理(圖1)。系統(tǒng)主要輸入能值包括可更新資源(包括風能、雨水勢能、雨水化學能和太陽能)、不可更新資源〔包括農業(yè)灌溉水量(主要來源于地下水)和表土層損失〕和社會經濟系統(tǒng)的反饋能值(包括農業(yè)機械動力、灌溉設施、農藥、化肥、塑料薄膜、電力、勞動力和種子)。

2.2 能值指標及計算

以河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)相關統(tǒng)計數據為基礎,分析研究期間河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)主要能值流量,并計算能值指標(表1)。

能值產出率(emergy yield ratio,EYR,REY):系統(tǒng)的總能值與購買反饋能值之間的比例,衡量某一過程通過引入外部資源開發(fā)和使用本地資源的效率,由此產生對經濟主體的潛在貢獻。

環(huán)境負載率(environmental loading ratio,ELR,REL):不可更新資源和購買反饋資源的使用與可更新資源使用的比例,反映系統(tǒng)對環(huán)境造成的壓力程度和脅迫作用。

能值投資率(emergy investment ratio,EIR,REI):輔助能值總投入占環(huán)境資源總投入的比值,可用于衡量系統(tǒng)經濟發(fā)展程度和環(huán)境依賴程度。能值投資率越高,表明系統(tǒng)對經濟投入依賴程度越高,對環(huán)境的依賴程度越小。

能值可持續(xù)發(fā)展指數(emergy sustainability index,ESI,IES):EYR與ELR之比,衡量本地系統(tǒng)在單位環(huán)境負載條件下對系統(tǒng)的潛在貢獻,用于評價系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力。

圖1 河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)能值流程Fig.1 Emergy analysis diagram of agricultural eco-economic system of Hebei Province

表1 能值相圖中各類指標的簡化表達Table 1 Simplized expression of emergy indexes in ternary diagram

2.3 能值分析的三元相圖法

三元相圖指構成整體的成分由3部分組成，3部分的比例之和為100%，3個變量之間的配比關系與系統(tǒng)的狀態(tài)及性質相對應。在三元相圖能值分析中,用一個等邊三角形表示構成能值輸入的3部分:可更新資源能值(R)、不可更新資源能值(N)和經濟社會反饋能值(F),每個部分對應三角形的一個頂點,頂點到對邊的距離看作是100%。三角形內部和各條邊上不同位置的點對應了不同類型能值投入結構,即三角形內部或邊界上任一點到3條邊的垂直距離表示該底邊對應的頂點代表的資源類型在總能值輸入中所占的比例。通過對系統(tǒng)和過程在能值相圖中不同相點的研究和對比,分析系統(tǒng)資源配置和發(fā)展趨勢。

3 結果與分析

研究河北省各類資源能值投入結構變化時,選取2001、2003、2005、2007、2009、2011、2013、2015和2016年的數據進行分析。通過觀察原始數據發(fā)現,2001年降雨量比研究期間年均降雨量低24.22%,導致該年可更新資源能值投入比例顯著偏小,反饋資源能值投入比例偏大;2016年農業(yè)機械動力比2015年下降33.33%,同時該年降雨量為595.9 mm,比研究期間年均降雨量高12.61%,導致該年反饋資源能值投入比例下降,可更新資源能值投入比例升高。表現在相圖中,2001和2016年相點偏離研究期間能值投入整體變化趨勢。該研究進行單獨分析,重點通過比較2003和2015年2個年份分析系統(tǒng)能值投入變化趨勢。

3.1 能值指標分析

河北省農業(yè)生產過程中,可更新資源、不可更新資源和系統(tǒng)外部反饋資源能值比例及能值指標的計算結果表明,研究期間系統(tǒng)可更新資源投入比例穩(wěn)中有降,不可更新資源投入比例則呈現單調下降趨勢(表2)。通過分析不可更新資源原始數據發(fā)現,不可更新資源投入比例的降低主要是由于農業(yè)灌溉水量逐年下降。由于河北省地表水資源匱乏,農業(yè)灌溉主要依賴于地下水。為緩解華北平原地下漏斗進一步擴大的趨勢,2014年河北省開展地下水超采綜合治理試點,農業(yè)灌溉水量下降速度加快。截至2017年,全省各級農業(yè)部門通過休耕、引入節(jié)水品種、推廣水肥一體化等措施實現累計壓采量達18.6億m3[23],年降幅3.32%～5.79%。另外,南水北調中線工程一期工程于2014年底正式通水,每年可為河北省提供約30億m3水量,能夠有效緩解水資源供需矛盾,通過“開源”、“節(jié)流”兩方面措施為河北省實現地下水壓采目標,促進地下水資源采補平衡提供保障[24]。系統(tǒng)經濟社會的反饋能值投入比例呈增加趨勢,表明農業(yè)生產過程對外界資源的依賴加重,同時加大了本地環(huán)境的負荷。2003年到2015年系統(tǒng)能值投資率和環(huán)境負載率呈逐年上升態(tài)勢,而能值產出率逐年下降。能值產出率的下降和環(huán)境負載率的升高,直接導致系統(tǒng)能值可持續(xù)發(fā)展指數逐年下降(表2)。

表2 河北省農業(yè)生產經濟系統(tǒng)能值指標計算結果Table 2 Emergy indexes of agricultural eco-economic system of Hebei Province

3.2 能值相圖分析

3.2.1資源線分析

利用能值計算結果,將研究區(qū)農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)2001—2016年的能值投入在三相圖上表達出來。根據相圖理論,農業(yè)生產系統(tǒng)投入的3類資源配置可以用相圖中不同的點進行描述。相圖中,平行于三角形3條邊的一系列平行線成為該邊對應頂點所代表的資源類型的資源線,如平行于R′N′邊的稱為F′資源線。任一類型資源投入百分比由相點到該資源類型頂點對邊的垂直距離來表示。在同一條資源線上的點表示這些點所對應的該類資源的投入比例相同。因此,資源線可用于比較農業(yè)生產過程對各類資源的利用結構。根據能值指標的定義,能值投資率、能值產出率與F′資源線相對應,環(huán)境負載率與R′資源線相對應[14]。

研究期間河北省農業(yè)生產的資源配置發(fā)生了變化。2003—2015年河北省可更新資源投入比例從32%下降到24%,系統(tǒng)環(huán)境負載率從2.15上升至3.18,意味著農業(yè)生產過程對不可更新資源依賴程度加大。圖2表明,河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)中可更新資源能值的利用比例和反饋資源能值的利用比例表現為互為消長。2003年降雨量高達656.23 mm,是研究期間降雨量最大年份,導致該年可更新資源能值投入比例最大,反饋能值投入比例最低。研究期間不可更新資源能值投入比例單調遞減,不可更新資源能值投入比例從2003年的18%降為2015年的14%,說明農業(yè)系統(tǒng)對環(huán)境資源的依賴程度減弱,導致系統(tǒng)的能值自給率逐漸下降。

R′—可更新資源能值比例；N′—不可更新資源能值比例；F′—反饋能值比例；REI—能值投資率；REL—環(huán)境負載率。下標中的03和15分別表示2003年和2015年。

研究期間經濟社會反饋能值投入比例逐年攀升,從2003年的50%上升到2015年的62%,不可更新資源(工業(yè)輔助能值)配置比例的不斷上升(0.21→0.37)必然伴隨著系統(tǒng)能值投資率的上升(1.01→1.63),意味著農業(yè)生產過程在利用等量的本地資源的同時需要投入更多的反饋能值,產品中所凝聚的能值更多來自于系統(tǒng)外來能值資源的貢獻。這部分不可更新資源的利用伴隨著溫室氣體和污染物質的排放,會對環(huán)境產生潛在的危險,因此河北省應積極采取相關措施提高對不可更新的經濟社會反饋資源的利用效率,避免或降低該類資源利用的不利影響。

3.2.2敏感線分析

相圖中某一點與頂點的連線被定義為“敏感線”,表示該頂點所對應資源類型的百分率沿這條直線變化,而另2類資源的投入比例保持恒定。敏感線對于模擬系統(tǒng)中特定資源變化具有重要意義[14-15]。圖3表明河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)的資源配置比例沿R′/N′比例保持穩(wěn)定,反饋能值比例增大的敏感線F″F′移動的發(fā)展路徑(F″→F′)。河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)的R/N比約為1.71∶1,高于遼寧朝陽市和撫順市[13]、寧夏固原市原州區(qū)[25]等地區(qū),表明河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)投入的可更新資源大于不可更新資源投入,即河北省比上述地區(qū)具有更為優(yōu)越的自然環(huán)境和氣候資源。結合前面的資源線分析,雖然河北省自然環(huán)境基礎相對較為優(yōu)越,但河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)反饋能值的投入比例仍在逐年提高(2003—2015年),一方面反映了河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)更高的工業(yè)化程度,另一方面也勢必對當地有限的自然環(huán)境產生更大壓力,導致系統(tǒng)向不可持續(xù)的方向進一步發(fā)展。

R′—可更新資源能值比例；N′—不可更新資源能值比例；F′—反饋能值比例。

3.2.3可持續(xù)線分析

可持續(xù)發(fā)展指數(IES)定義為系統(tǒng)凈能值產出率與環(huán)境負載率的比值。一般地,一個國家或地區(qū)的生態(tài)經濟系統(tǒng)凈能值產出率越高,環(huán)境負載率越低,則認為這個國家或地區(qū)的生態(tài)經濟系統(tǒng)是可持續(xù)的,反之不可持續(xù)。具體而言,IES>10是經濟不發(fā)達的象征,表明對資源的開發(fā)利用力度不夠;IES值在1和10之間表明經濟系統(tǒng)富有活力和發(fā)展?jié)摿?IES<1為消費型經濟系統(tǒng),此時系統(tǒng)的進口資源及勞務能值量在總能值使用量中所占比例較大,對本地不可更新資源的利用也較大,環(huán)境負載率較高[6]。

在三元相圖中通過對各點的計算繪出可持續(xù)性指標相同的點,得出相等各點的連線,稱為可持續(xù)線。可持續(xù)線從N′頂點出發(fā)向R′F′邊移動,可持續(xù)線將相圖劃分為系統(tǒng)多個不同的可持續(xù)性發(fā)展區(qū)域。河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)能值相圖中,可持續(xù)性指標IES=1的可持續(xù)線以上部分表示系統(tǒng)生產過程的可持續(xù)指數大于1,以下部分表示系統(tǒng)生產過程的可持續(xù)指數小于1。由圖4可知,研究期間河北省各年農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數均小于1,2003年IES取值最大為0.93,其余年份IES逐年降低,均值為0.60。IES值小于1意味著系統(tǒng)對當地資源的開發(fā)效率逐漸降低,對本地自然環(huán)境的壓力日益增大,系統(tǒng)為消費型的生產過程,長遠來看系統(tǒng)發(fā)展不可持續(xù)。

R′—可更新資源能值比例；N′—不可更新資源能值比例；F′—反饋能值比例；IES—可持續(xù)發(fā)展指數。

值得注意的是,相圖中可持續(xù)線是將系統(tǒng)的能值產出視為1的情況下繪制的,即系統(tǒng)的能值產出保持恒定,如果考慮實際的能值產出,計算可持續(xù)發(fā)展指數多年平均值為0.27,同樣低于臨界值1。說明能值相圖描述的系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展狀況與實際較為符合,研究期間系統(tǒng)的發(fā)展狀況基本處于不可持續(xù)狀態(tài)。然而,2016年IES值有所提高,可能原因是政府大力推廣節(jié)水灌溉,加上南水北調工程供水補給及較2015年相比降水增加16.67%,導致2016年農業(yè)灌溉用水量即不可更新資源利用比例大幅度降低,提高了系統(tǒng)可持續(xù)性。

3.2.4系統(tǒng)發(fā)展趨勢預測與建議

通過能值相圖分析,發(fā)現近年來河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)中,可更新自然資源能值和不可更新自然資源能值投入比例雖有波動,但兩者比例相對穩(wěn)定,而來源于經濟社會的反饋資源能值投入呈現顯著增加趨勢。2003—2015年,IES值下降幅度達45.16%,年均下降約3.76%,下降速度快于新疆精河縣[17],相圖中的相點位置表現為逐漸向右下方偏移,即沿靠近頂點F的方向發(fā)展。從當前現狀來看,系統(tǒng)未來的發(fā)展方向分2種可能。一種可能是繼續(xù)沿著反饋能值的敏感線(F″F′),向著實心箭頭的方向發(fā)展(圖5),系統(tǒng)反饋能值投入進一步增加,可更新資源能值投入比例繼續(xù)下降,系統(tǒng)可持續(xù)性進一步降低。加之外部資源主要以燃料、化肥、農藥等形式存在,反饋能值投入的大量增加勢必會加大環(huán)境負荷,對農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)結構及功能造成一定負面影響。照此態(tài)勢發(fā)展下去,系統(tǒng)發(fā)展的不可持續(xù)性會得到進一步加強。

R′—可更新資源能值比例；N′—不可更新資源能值比例；F′—反饋能值比例。

如若沿著實心箭頭相反的方向,降低反饋能值投入的同時,增加可更新和不可更新資源能值的投入。由于系統(tǒng)可更新資源在特定時間段內的有限性和減少以及對系統(tǒng)不可更新資源的過度開發(fā)與利用的雙重制約,因此通過減少反饋能值的利用比例以適應系統(tǒng)本地資源的數量這一路徑仍不可行[17]。如果按照圖6中所畫的空心箭頭方向,即沿著系統(tǒng)可更新資源能值R的敏感線R′R″由R″→R′所指示的方向發(fā)展,保持系統(tǒng)不可更新資源能值和反饋能值的比例基本穩(wěn)定,增加系統(tǒng)內部可更新資源能值的投入。沿著這一方向發(fā)展的過程中,系統(tǒng)反饋能值的使用比例與系統(tǒng)不可更新資源投入比例同等程度的減少。據相關數據統(tǒng)計,2001—2014年期間華北平原每年約有60億～80億t地下水虧損。通過提高可更新資源利用效率,如對雨水資源的高效利用等,可以大幅度降低用于農業(yè)灌溉的地下水開采量,減緩地下水水位下降速度,為地下水的自我更新爭奪寶貴的時間。減少不可更新資源投入如減少表土層的損失等,可以通過改變耕作措施對土地實行免耕,減少土壤流失并能降低耕作所需的農業(yè)機械動力投入,同時減少二氧化碳等溫室氣體的排放。對于減少反饋能值的投入,可以通過減少化肥、農藥等施用量,增加有機肥的施用量,采用新型抗蟲抗旱高產品種,實現農業(yè)低碳生產。以上措施都會極大促進農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)的健康可持續(xù)發(fā)展。需要指出的是,農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)是一種能量系統(tǒng),要維持其結構和功能的“有序性”,必須依賴于能量的輸入(負熵)。能量等級高的資源類型,在使用的過程中能量轉化率和效率也越高,高能質能量的輸入會提高系統(tǒng)的生產效率和發(fā)展速度[26]。因此,現代農業(yè)生產過程中低能質的可更新資源只能在一定程度上替代高能質的反饋資源,即可更新資源對反饋資源的替代作用是有限的。

4 結論

利用能值理論結合三元相圖分析方法,對河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)相關統(tǒng)計資料和數據進行分析,研究河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)資源投入結構、變化趨勢及可持續(xù)性,對未來系統(tǒng)發(fā)展方向進行預測,得出以下結論:

(1)研究期間河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)資源投入結構不合理,經濟社會反饋能值投入比例逐年增加,系統(tǒng)環(huán)境負載率和能值自給率逐年降低,本地環(huán)境負荷增大。

(2)河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)可持續(xù)指數小于1,系統(tǒng)為消費型系統(tǒng),且系統(tǒng)發(fā)展不可持續(xù)性逐年增強。

(3)針對當前系統(tǒng)投入結構不合理問題,應在保持不可更新資源和經濟社會反饋資源利用比例的基礎上,提高可更新資源利用比例,提高系統(tǒng)可持續(xù)性。

該研究對河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)運行現狀的評價及趨勢預測是否客觀取決于能值分析方法及統(tǒng)計數據兩方面。能值分析指標選取是否全面,以及數據統(tǒng)計來源、手段及標準均存在差異會影響研究結果的客觀性。另外,筆者重點研究河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)的資源投入結構,下一步工作擬結合農業(yè)產出相關資料對城市系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)等對河北省農業(yè)生態(tài)經濟系統(tǒng)的影響作進一步深入分析。