王夢媛,高小葉,侯扶江,*

1 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)國家重點實驗室, 蘭州 730020 2 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院, 蘭州 730020 3 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室，蘭州 730020

能量是生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生和發(fā)展的動力[1]。生態(tài)系統(tǒng)分析中常用的統(tǒng)一各要素的度量單位是能量或貨幣[2]。但是,各種性質(zhì)的能量之間難以比較,貨幣也不能體現(xiàn)出生態(tài)系統(tǒng)真正的財富[3],以及自然的本質(zhì)和規(guī)律[4]。能值方法是以能量為工具分析生態(tài)系統(tǒng)的一種環(huán)境會計方法,規(guī)定了生態(tài)系統(tǒng)主要組分的能量含量,或其行為的能量流通量,將不同質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換成同一標(biāo)準(zhǔn)的“能值”,既克服了能量和貨幣指標(biāo)的不足[5- 6],又統(tǒng)一了各種能量流、物質(zhì)流、經(jīng)濟(jì)流和信息流的度量,因而廣泛地應(yīng)用于各類生態(tài)系統(tǒng)能值的空間分布、產(chǎn)業(yè)的動態(tài)平衡和城市的生態(tài)足跡等分析,在不同空間尺度上構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的能值評價指標(biāo)體系,改進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,優(yōu)化區(qū)域的生態(tài)產(chǎn)業(yè)模式和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[7- 13]。生態(tài)系統(tǒng)的生物能來自太陽能,被生產(chǎn)者通過光合作用固定后,通過收獲、加工、貯運、動物采食等在系統(tǒng)各組分間進(jìn)行傳遞。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)使用畜力、農(nóng)具、農(nóng)家肥和實行農(nóng)作物與綠肥輪栽等,得以從外界獲得輔助能源,進(jìn)而提升系統(tǒng)生產(chǎn)力,獲得更高經(jīng)濟(jì)收益[14]。

草地農(nóng)業(yè)是以草地資源為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng),由微生物、植物、家畜等生物因子；氣候、土壤、地形等非生物環(huán)境因子；社會管理因素在能量的驅(qū)動下構(gòu)成,典型特征在于作物和家畜的種類、數(shù)量及其相互作用、管理方式的差異,植物生產(chǎn)與家畜生產(chǎn)的相互作用為草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展提供了核心動力[15]。與傳統(tǒng)種植業(yè)和畜牧業(yè)相比,草地農(nóng)業(yè)組分更豐富,農(nóng)業(yè)多樣性更高,能量的流程更長、調(diào)控選擇更多、耦合潛勢更大,生態(tài)區(qū)域之間的環(huán)境效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益差異更顯著[16- 17]。作物生產(chǎn)與家畜生產(chǎn)的系統(tǒng)耦合是農(nóng)牧交錯帶農(nóng)戶生產(chǎn)的主要模式,調(diào)控草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)層之間的縱向耦合,提高能量轉(zhuǎn)化效率,降低環(huán)境與市場風(fēng)險,提高農(nóng)牧交錯帶農(nóng)戶生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,實現(xiàn)區(qū)域生產(chǎn)與生態(tài)平衡發(fā)展[18]。通過農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整,促進(jìn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)組份之間的系統(tǒng)耦合,是世界各地提升生態(tài)生產(chǎn)力的有效途徑[19]。北美大平原中東部,引入飼草作物發(fā)展家畜生產(chǎn),扭轉(zhuǎn)了草原過度利用、糧食生產(chǎn)停滯的局面,改善了生態(tài)環(huán)境,生產(chǎn)力穩(wěn)定上升；大平原西部,施行集約化作物生產(chǎn)系統(tǒng),外部投入多,提高了化石能源的利用效率[20]。澳大利亞農(nóng)業(yè)向作物-家畜綜合生產(chǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)型,實現(xiàn)了區(qū)域高效、可持續(xù)發(fā)展[21]。通過能值方法同一度量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中不同質(zhì)的能量投入和產(chǎn)出要素,為剖析農(nóng)牧耦合、草地與耕地耦合以及作物生產(chǎn)與家畜生產(chǎn)耦合內(nèi)在規(guī)律,揭示其本質(zhì)特征,提供實證依據(jù)。

我國黃土高原向青藏高原的過渡區(qū)屬于北方典型的農(nóng)牧交錯帶。長期以來,農(nóng)區(qū)的作物生產(chǎn)與牧區(qū)的家畜生產(chǎn)缺少區(qū)域間的系統(tǒng)耦合[22]；農(nóng)區(qū)內(nèi)糧經(jīng)飼種植結(jié)構(gòu)不合理、飼草作物嚴(yán)重不足,作物生產(chǎn)與家畜生產(chǎn)缺乏系統(tǒng)耦合的“紐帶”[23]；牧區(qū)單純地依賴草原開展家畜生產(chǎn),過度重視草原的生產(chǎn)功能,忽視生態(tài)功能；草畜空間的、時間的和種間的系統(tǒng)相悖造成了農(nóng)區(qū)耕地和牧區(qū)草原退化,制約了區(qū)域可持續(xù)發(fā)展[24- 25]。農(nóng)牧交錯帶草地畜牧業(yè)+種植業(yè)的生產(chǎn)模式是典型的以戶為單位的種、養(yǎng)、加工結(jié)合的綜合生產(chǎn)模式。為此,本研究在黃土高原-青藏高原過渡區(qū)設(shè)立通渭-渭源-夏河樣帶,收集農(nóng)戶作物生產(chǎn)和家畜生產(chǎn)數(shù)據(jù)[26],利用能值方法分析農(nóng)戶生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能及其沿海拔梯度的變化規(guī)律,明確系統(tǒng)組分間能量轉(zhuǎn)化及其主導(dǎo)因子的作用,力圖為優(yōu)化區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和改進(jìn)農(nóng)牧戶生產(chǎn)決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省通渭(Tongwei,TW)、渭源(Weiyuan,WY)和夏河(Xiahe,XH),是黃土高原向青藏高原的生態(tài)過渡區(qū),3個縣大致處于同一緯度,經(jīng)度總體呈等距排列；從東向西海拔依次增高(圖1),年積溫(≥0℃)、濕潤度、無霜期逐漸減少(表1)。TW和WY的農(nóng)業(yè)以作物生產(chǎn)為主,夏河主要家畜生產(chǎn)為主,作物產(chǎn)值TW>WY>XH,農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、家畜產(chǎn)值及林業(yè)產(chǎn)值自西向東遞減(表1)。TW和WY的作物主要有小麥(TriticumaestivumL.)、玉米(Zea maysL.)、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)[27],家畜主要有綿羊(Ovisaries)、灘羊(Procapraprzewalski)、黃牛(Bostaurus)；XH主要家畜是牦牛(Bosmutus)[28]。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Location of the study site

項目ItemsTWWYXH自然狀況Nature conditions地理位置Location 34°55′—35°29′N104°57′—105°38′E34°54′—35°25′N103°44′—104°29′E34°32′—35°34′N101°54′—103°25′E年均降水Annual mean precipitation/mm 450523516年均氣溫Annual mean temperature/℃7.75.72.6≥0℃年積溫Annual accumulation temperature/℃290026791810濕潤度Humidity/K1.61.92.9無霜期Frost-free/d16013556草地類型Rangeland type微溫濕潤森林草原微溫濕潤森林草原寒冷潮濕高山草甸類社會經(jīng)濟(jì)狀況Industrial Structure農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值Total Output Value/(104 ￥) 4464 4124 7258 作物生產(chǎn)Crop production/(104 ￥)3764 3425 778 林業(yè)Forestry/(104 ￥)62 57 527 家畜生產(chǎn)Animal production/(104 ￥)638 642 5953

TW：通渭,Tongwei；WY：渭源,Weiyuan；XH：夏河,Xiahe

表2 太陽能值轉(zhuǎn)換系數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)收集與分析

1.2.1 數(shù)據(jù)收集

農(nóng)戶調(diào)查樣本選取采用隨機(jī)抽樣與典型抽樣相結(jié)合[29]。研究區(qū)農(nóng)戶生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似,故每個縣選取當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶具有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鄉(xiāng)(鎮(zhèn)),每個村按農(nóng)戶人均收入排序,等距抽取10個村,每村隨機(jī)選取3個典型農(nóng)戶問卷調(diào)查。問卷內(nèi)容包括三部分,家庭情況包括人口、年齡、受教育程度、家庭收入以及收入來源；作物生產(chǎn)包括作物種植面積、單產(chǎn)、售價飼料用量和成本(種子、農(nóng)藥、化肥、人力及畜力等)；家畜生產(chǎn)包括家畜的飼糧供給狀況、家畜的數(shù)量與種類、家畜的繁殖、飼喂、產(chǎn)出等[30]。同時收集3個縣統(tǒng)計年鑒、政府報告等。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析

(1) 能值轉(zhuǎn)換系數(shù)

整理農(nóng)戶調(diào)查數(shù)據(jù),計測單位面積或每個農(nóng)戶每一項投入的生產(chǎn)要素與產(chǎn)出,根據(jù)能值轉(zhuǎn)換系數(shù)得到每一要素單位面積或單位農(nóng)戶的能值[31]。其中,把各種作物、家畜、機(jī)械、能源、肥料、農(nóng)藥等要素形成和田間管理、畜群管理所投入的直接和間接的有效能(J或kg)通過太陽能值轉(zhuǎn)換率(sej/J或sej/kg)換算標(biāo)準(zhǔn)能值(sej)[32](表2)。

(2) 能值收益率(Emergy yield ratio,EYR)

EYR =Y/(FN+FR),其中Y是能值總產(chǎn)出,FN是不可更新工業(yè)輔助能值,FR是可更新有機(jī)能值[37]。EYR越高,表明農(nóng)戶生產(chǎn)的資源利用效率越高。

(3) 農(nóng)戶占比及其與能值的Logisitic模型

農(nóng)戶占比表示現(xiàn)有生態(tài)資源條件下,農(nóng)戶從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時,其能值特征低于或高于某一數(shù)值的農(nóng)戶比例,體現(xiàn)了農(nóng)戶生產(chǎn)決策行為與生產(chǎn)能值的關(guān)系[38]。

農(nóng)戶占比隨農(nóng)戶生產(chǎn)系統(tǒng)能值投入、產(chǎn)出的變化進(jìn)行曲線估計,Logistic模型擬合效果較好。Logisitic模型：Y=A/(1+Be-Kx),A為極限能值投入或產(chǎn)出積累量,B表示修正誤差常量,k表示相對增長速度。S型曲線反映農(nóng)戶占比3個增長階段：緩慢增長階段,快速增長階段,飽和增長階段。相鄰階段存在狀態(tài)轉(zhuǎn)變的能值閾值和相應(yīng)的農(nóng)戶占比閾值。閾值A(chǔ)為從緩慢增長階段過渡到快速增長階段轉(zhuǎn)變的閾值；閾值B為從快速增長階段到飽和階段轉(zhuǎn)變的閾值；閾值C為農(nóng)戶占比增長速度存在拐點(Y=A/2)。閾值C,農(nóng)戶占比響應(yīng)最敏感；拐點之前,響應(yīng)速率逐漸加快,之后逐漸變慢[39]。

(4) 系統(tǒng)耦合度(Coupling intensity,CI)

CI=畜產(chǎn)品總能值/(糧食產(chǎn)出能值×利用系數(shù)+牧草和秸稈能值)×(高質(zhì)能產(chǎn)品能值/低質(zhì)能產(chǎn)品能值)[40]

其中,高質(zhì)能產(chǎn)品能值為草食家畜牛、羊的肉和毛類的能值,低質(zhì)能產(chǎn)品能值為秸稈和牧草的能值[41]。CI大小表明農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部或農(nóng)業(yè)系統(tǒng)之間作物生產(chǎn)與家畜生產(chǎn)系統(tǒng)耦合的強(qiáng)度。

(5) 能流圖

基于能值計算結(jié)果和農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流過程做能量流動結(jié)構(gòu)圖,反映系統(tǒng)內(nèi)外及系統(tǒng)內(nèi)部各組分之間的直接與間接能量轉(zhuǎn)化關(guān)系(圖2)。

圖2 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能流圖Fig.2 Emergy flow of agricultural system

1.2.3 統(tǒng)計分析

采用單因素方差(one-way ANOVA)比較三個地區(qū)農(nóng)戶能值投入、產(chǎn)出要素差異顯著性,LSD法進(jìn)行多重比較(=0.05)；一般線性模型(GLM)進(jìn)行主效應(yīng)分析,計算各投入要素的貢獻(xiàn)率及顯著性；擬合耦合度和能值收益率指數(shù)模型；相關(guān)性分析各投入、產(chǎn)出指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系(=0.05),并擬合多元回歸預(yù)測模型。Amos分析模塊擬合能量流動結(jié)構(gòu)方程模型。用 SPSS 20.0 統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,Excel 2012進(jìn)行繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 作物生產(chǎn)

3.1.1 作物生產(chǎn)要素能值分析

農(nóng)作物種植規(guī)模、生產(chǎn)總投入能值自東向西遞減,產(chǎn)出能值與作物種植面積呈正比(表3)。研究區(qū)隨著海拔的增高,農(nóng)戶作物生產(chǎn)活動減少,作物生產(chǎn)總產(chǎn)出能值遞減。除玉米外,其他作物生產(chǎn)能值收益率：WY > TW > XH。總體上,同一作物的能值投入要素在不同地區(qū)存在顯著性差異(P<0.05)。各項能值投入要素對海拔變化的敏感程度(投入要素隨海拔變化的變動程度,越敏感則變動程度越大)不同,小麥生產(chǎn)中,依次為人力>磷肥>農(nóng)藥>畜力>有機(jī)肥>種子>氮肥；玉米生產(chǎn)中,依次為人力>磷肥>產(chǎn)出>農(nóng)藥>種子>有機(jī)肥；馬鈴薯生產(chǎn)中,依次為人力>種子>農(nóng)藥>畜力>有機(jī)肥；豆類作物生產(chǎn)中,依次為人力>有機(jī)肥>磷肥>農(nóng)藥>畜力>氮肥；油料作物生產(chǎn)中,依次為磷肥>畜力>氮肥>人力>種子。同一地點投入要素、產(chǎn)出能值和能值收益率在不同作物間差異顯著(P<0.05),說明同一地區(qū)每種作物能量利用方式不同。

能值投入各要素的貢獻(xiàn)率分析表明,種子和人力是小麥、馬鈴薯、豆類作物、油類作物的重要能值投入要素(表4),對作物產(chǎn)出影響顯著(P<0.05),貢獻(xiàn)累計達(dá)到70%；有機(jī)肥對小麥、馬鈴薯、豆類作物、油類作物的產(chǎn)出貢獻(xiàn)顯著(P<0.05)。TW和WY的主要能值投入貢獻(xiàn)分別為種子和人力,且隨海拔增加,N肥、P肥和畜力的貢獻(xiàn)降低。

傳播速度變快。用戶能夠結(jié)合手機(jī)、電腦等移動終端設(shè)備來進(jìn)行信息的接受以及發(fā)送，進(jìn)一步保證信息數(shù)據(jù)具有較快的傳播速度。

3.1.2 農(nóng)戶作物生產(chǎn)決策行為能值分析

能值投入、產(chǎn)出和農(nóng)戶占比進(jìn)行Logistic擬合,結(jié)果表明,隨著投入或產(chǎn)出的增加,達(dá)到某一能值投入或產(chǎn)出數(shù)值的農(nóng)戶占比呈現(xiàn)出緩慢增長-快速增長-緩慢趨于飽和的3個階段,符合S型增長曲線。XH的農(nóng)戶占比增長最為迅速,依次是WY、TW(表5)。由于XH地區(qū)作物生產(chǎn)規(guī)模最小,所以在起初能值投入增加時,作物生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)增最為迅速。對比不同地區(qū)能值投入的三個農(nóng)戶占比閾值點,在拐點處,TW、WY和XH的能值投入閾值自東向西遞減；在進(jìn)入快速增長期和進(jìn)入飽和期時,WY的農(nóng)戶占比閾值最高。對比不同地區(qū)能值產(chǎn)出的三個農(nóng)戶占比閾值點,WY和XH的農(nóng)戶占比三個閾值比較接近；進(jìn)入快速增長期時,TW農(nóng)戶占比閾值最高,且最早進(jìn)入飽和期；在拐點處,TW農(nóng)戶占比最高。

3.2 家畜生產(chǎn)

3.2.1 家畜生產(chǎn)要素能值分析

隨著海拔的降低，家畜生產(chǎn)規(guī)模自東向西遞減,能值產(chǎn)出與生產(chǎn)規(guī)模呈正比,能值收益率WY < TW < XH(表6)。過渡區(qū)域耦合方式發(fā)生變化,TW和WY以作物秸稈、精料、苜蓿(Medicagosativa)干草為主要投入要素,XH投入要素以天然牧草放牧為主,補(bǔ)飼為輔。同一家畜的投入要素不同地區(qū)比較,牛生產(chǎn)中,玉米秸稈投入差異顯著(P<0.05),其他家畜的投入要素在不同地區(qū)無顯著差異(P>0.05)。海拔增高,家畜產(chǎn)出能值遞增。XH牦牛能值收益率最高,即牦牛生產(chǎn)中投入較少能量可得到更多能量產(chǎn)出。牛生產(chǎn)中,XH能值產(chǎn)出顯著高于TW和WY(P<0.05)；羊生產(chǎn)中,能值收益率XH > TW > WY；豬生產(chǎn)中,WY能值收益率高于TW。

家畜生產(chǎn)的投入中,TW和WY牛的產(chǎn)出能值主要來自小麥和玉米秸稈的投入(表7)。家畜產(chǎn)出中,充分利用了作物生產(chǎn)的秸稈,說明TW和WY作物生產(chǎn)與家畜生產(chǎn)耦合緊密。TW和WY牛生產(chǎn)舍飼為主,短時放牧為輔；相反,XH牦牛生產(chǎn)以天然草地長期放牧為主,補(bǔ)飼為輔,但補(bǔ)飼在農(nóng)戶投入中的貢獻(xiàn)率最高。羊生產(chǎn)與牛生產(chǎn)類似,TW和WY分別以秸稈和糧食投入為主,XH補(bǔ)飼貢獻(xiàn)率最高。豬生產(chǎn)中,苜蓿貢獻(xiàn)率最高。

3.2.2 農(nóng)戶家畜生產(chǎn)決策行為能值分析

能值投入、產(chǎn)出和農(nóng)戶占比進(jìn)行Logistic擬合,結(jié)果表明,XH的農(nóng)戶占比進(jìn)入快速增長期最早,且到達(dá)飽和期最快,依次是TW,WY。原因可能是各地區(qū)自然資源差異,XH自然資源稟賦,在起初增加能值投入時,家畜生產(chǎn)規(guī)模迅速擴(kuò)增；WY則在家畜生產(chǎn)初期門檻較高,難以快速擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模,進(jìn)入飽和階段最晚,增長持

表7 畜產(chǎn)品能值投入貢獻(xiàn)率

家畜Livestock產(chǎn)地Region補(bǔ)飼糧食Feed food人力Labor force小麥秸稈Wheat residue玉米秸稈Corn stalks苜蓿Alfalfa牛CattleTW0.00010.00000 0.9995???0.0048???0.0002?WY0.0000020.00033?0.998???0.0013???0.000007牦牛YakXH0.988???0.0103???———羊SheepTW0.00000 0.0096???0.9104???0.0009???0.0397???WY0.991???0.00000 0.00060.0016???0.0070???XH0.987???0.013???———豬SwineTW0.0195???0.00000 ——0.9805???WY0.0106???0.005???——0.989???

“***”表示P<0.001, “**”表示0.001

續(xù)過程最長。在拐點處,投入能值自東向西逐漸遞增。對比不同地區(qū)能值產(chǎn)出的三個農(nóng)戶占比閾值點,TW、夏河進(jìn)入快速增長期較快,WY產(chǎn)出能值較晚進(jìn)入快速增長階段和飽和階段。在拐點處,XH的產(chǎn)出能值最高(表8)。

表8 Logistic回歸方程

“***”表示P<0.001, “**”表示0.001

3.3 作物-家畜耦合能值分析

在農(nóng)牧交錯帶的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中,理想的農(nóng)牧轉(zhuǎn)化模式是將低質(zhì)能的初級產(chǎn)品如秸稈、牧草等農(nóng)副產(chǎn)品,通過草食家畜轉(zhuǎn)換為高質(zhì)能的次級產(chǎn)品如家畜肉、毛、奶等產(chǎn)品,形成較高的系統(tǒng)生產(chǎn)力,從而實現(xiàn)系統(tǒng)功能的整合和放大。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化過程中,太陽能、風(fēng)能、土壤損失等資源能以及化肥、農(nóng)藥等物質(zhì)能作為初始能值投入作物生產(chǎn)系統(tǒng),之后作物產(chǎn)出(籽實體等)作為最終產(chǎn)品流入市場進(jìn)行貿(mào)易,創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價值；秸稈等營養(yǎng)體作為中間產(chǎn)品繼續(xù)投入家畜生產(chǎn)。TW和WY作物種類豐富,生產(chǎn)規(guī)模較大,投入要素復(fù)雜,耦合方式相似；XH耦合方式較為簡單,系統(tǒng)能量流動單一(圖3)。

圖3 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能流圖Fig.3 Emergy flow of agricultural system

3.3.2 作物-家畜耦合度與能值收益率分析

TW、WY和XH的植物生產(chǎn)層與家畜生產(chǎn)層的縱向系統(tǒng)耦合度均與家畜能值產(chǎn)出率顯著正相關(guān)(P<0.05)；隨著耦合度的增加,不同地區(qū)家畜能值產(chǎn)出率增加趨勢不同。在耦合度相同范圍內(nèi),TW家畜能值產(chǎn)出率比WY增加更快(圖4)。XH家畜能值產(chǎn)出率隨著耦合度的增加而迅速增加。當(dāng)耦合度超過一定值時,TW擬合曲線斜率逐漸減小。隨著耦合度增加,WY擬合曲線趨勢平緩,且當(dāng)耦合度低于8.0時,能值產(chǎn)出率小于1,此時系統(tǒng)達(dá)到自我維持臨界點。XH能值產(chǎn)出率在耦合度超過60時快速增加。

圖4 耦合度與家畜能值收益率關(guān)系 Fig.4 The relatio-hip between coupling inte-ity and emergy output rate of animal

3.4 能值產(chǎn)出預(yù)測

3.4.1 作物能值產(chǎn)出預(yù)測

各項要素能值投入與能值產(chǎn)出的相關(guān)性分析結(jié)果表明,總體上,要素投入與作物能值產(chǎn)出顯著線性相關(guān)(表9)。種子、有機(jī)肥、人力和農(nóng)藥與作物能值產(chǎn)出均顯著線性正相關(guān)。小麥、玉米、馬鈴薯的各項投入與能值產(chǎn)出的相關(guān)系數(shù)隨著海拔增加而增大?；诖?利用各項投入要素擬合多元回歸模型,較好預(yù)測能值產(chǎn)出(表10)。

3.4.2 家畜能值產(chǎn)出預(yù)測

牛(牦牛)與羊(羊肉,羊毛)產(chǎn)出,TW、WY和XH能值產(chǎn)出均與人力顯著(P<0.05)正相關(guān)。豬產(chǎn)出(豬肉),TW和WY分別與苜蓿和人力、補(bǔ)飼顯著(P<0.05)相關(guān)(表11)?；诖?利用各項投入要素擬合多元回歸模型,較好預(yù)測家畜能值產(chǎn)出(表12)。

4 討論

4.1 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值投入與產(chǎn)出

能量維持著生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展演替。通渭-渭源-夏河過渡帶,自然稟賦各異,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特征不同,生態(tài)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化和效率不同。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部氣候、農(nóng)地規(guī)模、經(jīng)濟(jì)政策環(huán)境、農(nóng)業(yè)資本、農(nóng)戶生產(chǎn)行為不同,都影響著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定與演替[42]。黃土高原向青藏高原過渡時,由于海拔變化,形成不同水熱條件和氣候特征,經(jīng)過長期人類生產(chǎn)活動的作用,農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不斷演替,能量流通轉(zhuǎn)換發(fā)生著變化[43]。通渭和渭源位于研究區(qū)東部,靠近黃土高原邊界,農(nóng)戶經(jīng)營方式以作物生產(chǎn)為主,畜牧養(yǎng)殖結(jié)合的多樣性生產(chǎn)方式,馬鈴薯、豆類作物作物有較高的能量效率,擴(kuò)大馬鈴薯和豆類作物的生產(chǎn)規(guī)?？捎行岣咦魑锷a(chǎn)生態(tài)效益。通渭種植業(yè)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)支柱,盡管當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶作物生產(chǎn)已相對成熟,但傳統(tǒng)生產(chǎn)模式相對落后,制約了當(dāng)?shù)匕l(fā)展,通過現(xiàn)代化、產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變提高經(jīng)濟(jì)效益同時,維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)健康。渭源整體作物生產(chǎn)規(guī)模較小,但生態(tài)效益較高,可利用這種優(yōu)勢進(jìn)一步拓展種植規(guī)模,創(chuàng)造更高收益。有機(jī)肥在通渭和渭源作物生產(chǎn)中均為重要投入,除有機(jī)肥利用外,通渭相較渭源更依賴N肥投入,改善有機(jī)肥利用方式,避免濫用N肥、P肥等,較少土壤污染與溫室氣體排放,保證生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性。苜蓿作為多年生優(yōu)質(zhì)牧草,投入少、效益高,在通渭、渭源豬生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用,應(yīng)保持種植規(guī)模；秸稈和苜蓿飼喂為主,補(bǔ)飼為輔的種養(yǎng)結(jié)合模式具有重要意義。夏河地區(qū)農(nóng)戶利用天然草地規(guī)?；B(yǎng)殖,生產(chǎn)成本少,且家畜產(chǎn)品質(zhì)量好,市場廣,適當(dāng)?shù)募Z食補(bǔ)飼可以促進(jìn)能量產(chǎn)出,但要注意過牧等影響草地資源可再生。

表9 投入要素相關(guān)分析

表內(nèi)數(shù)字為皮爾遜相關(guān)系數(shù),R> 0為正相關(guān),R< 0為負(fù)相關(guān);“*”表示在0.05水平顯著相關(guān),“**”表示在0.01水平極顯著相關(guān);“—”表示在種植該作物時沒有這樣投入

表10 能值產(chǎn)出預(yù)測模型

“***”表示P<0.001, “**”表示0.001

表11 能值投入產(chǎn)出相關(guān)分析

表內(nèi)數(shù)字為皮爾遜相關(guān)系數(shù),R> 0為正相關(guān),R< 0為負(fù)相關(guān);“*”表示在0.05水平顯著相關(guān),“**”表示在0.01水平極顯著相關(guān);“—”表示在種植該作物時沒有這樣投入

表12 能值產(chǎn)出預(yù)測模型

“***”表示P<0.001, “**”表示0.001

4.2 農(nóng)戶經(jīng)營活動與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值

農(nóng)戶是生產(chǎn)經(jīng)營者,在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色,作為理性人個體,農(nóng)戶具有趨利避害,追求最高經(jīng)濟(jì)效益的特性,而且在農(nóng)戶生產(chǎn)決策過程中,政策激勵、從眾心理等原因會影響農(nóng)戶生產(chǎn)活動行為[44]。從生態(tài)系統(tǒng)健康出發(fā),研究農(nóng)戶占比與投入和產(chǎn)出能值的關(guān)系,通過農(nóng)戶占比調(diào)節(jié)農(nóng)戶生產(chǎn)經(jīng)營,為建立有效的經(jīng)營激勵制度,合理調(diào)控公共資源有效利用,促進(jìn)現(xiàn)階段農(nóng)牧戶生產(chǎn)經(jīng)營向適度規(guī)模轉(zhuǎn)型提供科學(xué)依據(jù)[45]。結(jié)果表明研究區(qū)農(nóng)戶占比與投入和產(chǎn)出能值關(guān)系呈現(xiàn)三個階段變化：緩慢增長期、快速增長期、飽和期；通渭海拔低,人口密度大,開展作物生產(chǎn)門檻最低,也最容易進(jìn)入飽和(調(diào)節(jié)農(nóng)戶行為的手段失靈),現(xiàn)階段作物生產(chǎn)規(guī)模經(jīng)營成熟,家畜生產(chǎn)尚有潛力,需要把握機(jī)會提高種養(yǎng)殖技術(shù),向產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變。渭源海拔次高,地形以山、林地為主,開展作物或家畜生產(chǎn)的門檻最高,但持續(xù)增長期最長,在初期推廣生產(chǎn)經(jīng)營要投入較高成本,可通過政策引導(dǎo)、激勵農(nóng)牧戶,促進(jìn)發(fā)展。夏河具有天然草地優(yōu)勢,家畜生產(chǎn)生態(tài)效益可觀,作物生產(chǎn)薄弱,為保持草地生態(tài)系統(tǒng)健康、可持續(xù)發(fā)展,不可盲目擴(kuò)大家畜生產(chǎn)規(guī)模,合理的種養(yǎng)規(guī)模尤為重要。

4.3 系統(tǒng)耦合與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能量流動

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)通過系統(tǒng)耦合促進(jìn)自由能-系統(tǒng)會聚-超循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)育,解放生產(chǎn)潛力,實現(xiàn)潛能從低級到高級的系統(tǒng)進(jìn)化[46]。作物-家畜系統(tǒng)的核心部分是作物-家畜耦合,提高系統(tǒng)耦合度,促進(jìn)農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)發(fā)展[47],形成以非平衡態(tài)自由能作為驅(qū)動力的超循環(huán)新系統(tǒng)。夏河為典型草地/家畜生態(tài)系統(tǒng),家畜養(yǎng)殖依靠天然草地,作物種植少,耦合密切,經(jīng)濟(jì)效益高,但能量轉(zhuǎn)化方式單一,生態(tài)系統(tǒng)脆弱,故制定相應(yīng)政策,引導(dǎo)農(nóng)牧戶主動保護(hù)生態(tài)健康的同時,豐富系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化層級與途徑是未來發(fā)展趨勢。通渭和渭源農(nóng)戶種養(yǎng)結(jié)合密切,家畜生產(chǎn)過程中,作物秸稈補(bǔ)飼家畜,占其生產(chǎn)投入的70%以上,極大減少了農(nóng)戶投入,通渭秸稈利用率高于渭源,能量轉(zhuǎn)化層級豐富,系統(tǒng)穩(wěn)定性和可持續(xù)性強(qiáng),通過現(xiàn)代化、產(chǎn)業(yè)化促進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)化,如何多方面釋放系統(tǒng)催化潛勢、位差潛勢、多穩(wěn)定潛勢和管理潛勢是今后發(fā)展課題。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，化肥、農(nóng)藥、灌溉等人工投入的能量以及水肥耦合等人工能的組合對于太陽等自然能的利用效率起著“四兩撥千斤”的調(diào)控作用，在能值分析中沒有得到充分體現(xiàn)，這是今后研究需要改進(jìn)的方面。

5 結(jié)論

黃土高原向青藏高原過渡,自然資源和社會經(jīng)濟(jì)情況等沿海拔梯度而變化,農(nóng)戶生產(chǎn)經(jīng)營以作物生產(chǎn)為主向家畜生產(chǎn)為主過渡,擴(kuò)大馬鈴薯和豆類作物的生產(chǎn)規(guī)模可有效提高生態(tài)效益,避免濫用N肥、P肥,增加生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性,加強(qiáng)作物秸稈對家畜生產(chǎn)的補(bǔ)飼作用,適當(dāng)比例種植苜蓿,優(yōu)化天然草地利用方式,調(diào)整作物生產(chǎn)內(nèi)部糧、經(jīng)、飼產(chǎn)品比例結(jié)構(gòu),實現(xiàn)生態(tài)效益最大化；調(diào)控農(nóng)戶占比,引導(dǎo)農(nóng)戶生產(chǎn)決策,避免農(nóng)戶追求經(jīng)濟(jì)效益最大化而忽視草場資源的公共性,實現(xiàn)該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。