張德仲，張恒嘉

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

民勤縣地處甘肅省河西走廊東北面，石羊河流域下游，除西南一角外，其余邊界均被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍，中部是由石羊河洪積及湖積形成的綠洲，屬于典型的荒漠綠洲[1]，總占地面積1.6萬km2，其中綠洲占地面積約1440km2。該地區(qū)處于我國西北干旱內(nèi)陸腹地，屬于溫帶大陸干旱荒漠型氣候，年降水量少但蒸發(fā)強(qiáng)烈，由于受到兩大沙漠的影響，導(dǎo)致民勤生態(tài)惡化，風(fēng)大沙多，氣候條件相當(dāng)惡劣[2- 4]。再加之違反綠洲生態(tài)機(jī)制的人類活動(dòng)，導(dǎo)致該區(qū)自然條件更加嚴(yán)酷，民勤綠洲生態(tài)環(huán)境脆弱的趨勢日漸嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)[5- 6]。

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一類由自然生態(tài)系統(tǒng)和人工生態(tài)系統(tǒng)結(jié)合的綜合系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能維持人類生存與發(fā)展，而且對區(qū)域生態(tài)環(huán)境有著保護(hù)和修復(fù)作用，從而能達(dá)到改善該區(qū)人類的生活質(zhì)量與環(huán)境[7- 9]。但如何有效評價(jià)一個(gè)區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，就要引入農(nóng)業(yè)生態(tài)效率來度量。國外學(xué)者[10]認(rèn)為生態(tài)系統(tǒng)承載力是經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)發(fā)展的基礎(chǔ)，判斷依據(jù)是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)資源的供給能力和環(huán)境的承載力都在其閥值內(nèi)就可以有效的促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而國內(nèi)學(xué)者認(rèn)為[11]以生態(tài)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，最大化服務(wù)于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)價(jià)值，從而達(dá)到農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)已有對農(nóng)業(yè)生態(tài)效率的評價(jià)方法很豐富，都有比值法、生命周期評價(jià)法[12]、隨機(jī)前沿分析法[13]、生態(tài)足跡分析法[14]、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法[15]等。本文選擇能夠?qū)^(qū)域資源與環(huán)境及經(jīng)濟(jì)價(jià)值都囊括在內(nèi)的能值分析法，進(jìn)行綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量研究，旨在為促進(jìn)荒漠綠洲區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 民勤綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指綠洲生態(tài)系統(tǒng)中各組分在時(shí)間和空間上的配置及各組分間物質(zhì)、能量相互轉(zhuǎn)化關(guān)系[16]。民勤縣綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以從土地資源利用、水資源利用和產(chǎn)值結(jié)構(gòu)3個(gè)方面分析。

1.1 土地利用結(jié)構(gòu)

民勤縣總占地面積1.6萬km2，其中森林覆蓋占總土地面積17.7%，耕種土地僅占3.7%,,草類植被占12.2%，難以利用的沙漠、戈壁和鹽堿灘地占94%，土地利用率極低，農(nóng)、林、牧結(jié)構(gòu)不合理；森林和草類植被的覆蓋率低，不能有效地防止土壤沙漠化和鹽堿化，是造成民勤綠洲面積每年遞減的主要原因。就土壤利用營養(yǎng)結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)?shù)刈匀煌寥婪柿α己?、保水性能高且養(yǎng)分含量豐富，但受限制因素多，尤其是土壤水嚴(yán)重不足時(shí)，土壤肥力難以發(fā)揮作用[17]。

表1 2015年民勤縣產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)表

注：資料來源于2015年《民勤縣統(tǒng)計(jì)資料匯編》。

1.2 水資源利用結(jié)構(gòu)

水資源開發(fā)與利用是民勤綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)瓶頸，其利用結(jié)構(gòu)更決定著綠洲的規(guī)模和承載力[18]。2015年，民勤縣地表徑流2.97×108m3，地下水開采量1.15×108m3。年內(nèi)總的用水額度為3.59×108m3，其中農(nóng)用水量占65.2%、生態(tài)用水占30.1%、生活用水占3.1%、工業(yè)用水占1.6%[19]。

1.3 產(chǎn)值結(jié)構(gòu)

2015年民勤縣產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)及對應(yīng)的產(chǎn)值、產(chǎn)值比重見表1。由表1看出，系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)單調(diào)，沒有健全的產(chǎn)業(yè)鏈，社會發(fā)展效益低。第一產(chǎn)業(yè)仍然以種植業(yè)為主，占全產(chǎn)業(yè)的70.89%，第二產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展階段，還是突出了重農(nóng)輕工的結(jié)構(gòu)格局。相對來說，第三產(chǎn)業(yè)比重略超第一產(chǎn)業(yè)，占全縣生產(chǎn)總值34.37%，從20世紀(jì)的發(fā)展落后，到現(xiàn)在有略微優(yōu)勢，說明本地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生轉(zhuǎn)變，綠洲生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也在發(fā)生變化，不僅打破了傳統(tǒng)的以農(nóng)業(yè)為主的單一產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，還進(jìn)一步形成了以第三產(chǎn)業(yè)為主的多元產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)模式。

2 民勤綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析

在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，產(chǎn)品能值是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，由于農(nóng)產(chǎn)品要在形成過程中不斷接受外界補(bǔ)給的各種能量，這些能量的累積量[20]。以太陽能值為基準(zhǔn)，單位產(chǎn)品物質(zhì)所含太陽能的量即為該產(chǎn)品物質(zhì)的能值轉(zhuǎn)換率，以太陽能焦耳(Solar emioules，簡寫sej)為單位[21]。太陽能值轉(zhuǎn)化的基本表達(dá)式為：

M=τB

(1)

式中，B—構(gòu)成系統(tǒng)的某種因素，j；τ—太陽能值轉(zhuǎn)化率，sej/單位物質(zhì)；M—該因素的太陽能值量，sej[22]。

2.1 能值投入結(jié)構(gòu)分析

可將民勤綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值投入分為四類：①直接來源于自然界的可更新環(huán)境資源能值(R)；②直接來源于自然界的不可更新環(huán)境資源能值(N)；③來源于人類社會的不可更新的工業(yè)輔助能值(F)；④來源于人類社會的可更新有機(jī)輔助能值(T)[23]。由于可更新環(huán)境資源能值中的太陽能、風(fēng)能、雨水勢能、雨水化學(xué)能和地球循環(huán)能都來源于太陽輻射，為了避免能值重復(fù)計(jì)算，本文選取5項(xiàng)中能值最大者作為可更新環(huán)境資源能值投入[24]。參照黃鈴凌[24]對民勤綠洲農(nóng)田生產(chǎn)各投入要素的太陽能值計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出2010—2015年民勤綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)各投入要素的能值見表2。

從表2可以看出，2010—2015年民勤農(nóng)業(yè)系統(tǒng)總的能值投入呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，由能值投入四項(xiàng)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)來看，不可更新的工業(yè)輔助能值在不斷遞減，主要是農(nóng)業(yè)化肥和塑料薄膜使用量的減少，這兩項(xiàng)占總投入能值比重由2010年的1.2E+23sej減少到2015年的1.1E+23sej，減少了5.9%，表明民勤縣在發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)方面做出了明顯的成績，減少了化肥和農(nóng)用薄膜對農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和生態(tài)環(huán)境的影響，改善了人民生活質(zhì)量和生活環(huán)境；而農(nóng)業(yè)機(jī)械投入逐年上升，相比人力投入在減少，說明已經(jīng)在改變傳統(tǒng)的以人力為主的農(nóng)業(yè)投入，農(nóng)業(yè)發(fā)展正在趨向機(jī)械化。

2.2 能值產(chǎn)出結(jié)構(gòu)分析

民勤綠洲農(nóng)田系統(tǒng)主要產(chǎn)出(Y)包括糧食作物類、經(jīng)濟(jì)作物類、水果類和蔬菜類。其農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)2010—2015年各產(chǎn)出要素能值計(jì)算參照黃鈴凌[24]對民勤綠洲農(nóng)田生產(chǎn)各產(chǎn)出要素的太陽能值計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出2010—2015年民勤綠洲農(nóng)田生產(chǎn)各產(chǎn)出要素的太陽能值見表3。

由表3看出，小麥、玉米、棉花和油料是民勤綠洲主要的能值產(chǎn)出作物，其中糧食作物中傳統(tǒng)的小麥能值產(chǎn)出由2010年的54.11E+18sej減少到2015年的38.15E+18sej，減少了29.5%，而玉米由2010年的54.29E+18sej增加到2015年的96.32E+18sej，增加了43.6%。在經(jīng)濟(jì)作物中，棉花由2010年的517.2E+18sej減少到2015年的285.57E+18sej，油料由2010年的648.05E+18sej增加到2015年的746.24E+18sej。另外，瓜、果、蔬菜能值產(chǎn)值雖然小，但也呈現(xiàn)歷年增長的趨勢。

表2 2010—2015年民勤綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能值投入結(jié)構(gòu)(1.00E+18sej)

注：資料來源于2010—2015年《民勤縣統(tǒng)計(jì)資料匯編》。

表3 2010—2015年民勤綠洲農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)能值投入結(jié)構(gòu)(1.00E+18sej)

注：資料來源于2010—2015年《民勤縣統(tǒng)計(jì)資料匯編》。

由此表明這2010—2015年內(nèi)民勤作物結(jié)構(gòu)正在發(fā)生變化，傳統(tǒng)的糧食作物在減少，經(jīng)濟(jì)作物的效益在顯著提高。

2.3 民勤綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合能值指標(biāo)分析

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源、生產(chǎn)環(huán)境以及農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)是組成區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的三大成分，它們之間的相互作用、相互影響，是區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)持久發(fā)展及人民的生活水平質(zhì)量提高的關(guān)鍵[25]。為研究民勤綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)自然資源蘊(yùn)藏與開發(fā)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境承載力狀況，本文從能值投入與產(chǎn)出、環(huán)境3個(gè)方面考慮，引入能值自給率、人均能值利用量、環(huán)境負(fù)載率3個(gè)評價(jià)指標(biāo)，見表4，對該系統(tǒng)綜合能值指標(biāo)進(jìn)行分析評價(jià)。

表4 民勤農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合能值評價(jià)指標(biāo)

注：P為從事農(nóng)業(yè)人口數(shù)；U=R+T+N+F。

能值自給率是反映一個(gè)區(qū)域發(fā)展對本區(qū)域內(nèi)自然資源的依賴度，由表4可知，民勤縣綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)能值自給率介于1.50%～1.79%之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國內(nèi)平均水平(0.3)[26]，表明綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展對自然資源的開發(fā)利用低，但逐年呈上升趨勢。主要原因是農(nóng)業(yè)從事者多采用不可更新的工業(yè)輔助能，如農(nóng)用藥劑、無機(jī)肥、不可降解的地膜等來提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)出，長此以往將會對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)造成環(huán)境壓力。

人均能值利用量可以反映農(nóng)民享受生活的水平和質(zhì)量，根據(jù)表4，除2010年超高外，其余年份人均能值利用率逐漸增加，超過了全國平均水平(4.25E+15)[27]，說明當(dāng)?shù)剞r(nóng)民生活水平相對較高，這與不可更新的工業(yè)輔助能中的電力和農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用息息相關(guān)，為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展注入動(dòng)力。

環(huán)境負(fù)載率能夠反映系統(tǒng)對自然資源的利用率和對環(huán)境承載力，系統(tǒng)的利用率越高，環(huán)境承受壓力越大。環(huán)境負(fù)載率其數(shù)值介于3.11～3.67，略高于國內(nèi)平均水平(2.08)[27]，說明民勤綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展對資源利用率強(qiáng)，側(cè)面反映出環(huán)境負(fù)載力不斷增加。致使環(huán)境負(fù)載力增加的主要原因是不可更新工業(yè)輔助能的高效投入，特別是化肥，不可降解農(nóng)用薄膜和機(jī)械燃料的使用。

3 結(jié)語

在荒漠綠洲發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)有助于該區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)平衡，通過對民勤綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的分析，得出兩點(diǎn)結(jié)論。

(1)綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)。綠洲農(nóng)業(yè)是人為改變綠洲自然環(huán)境所形成的人工系統(tǒng)，在這種演變過程中使原有生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)失調(diào)，具體表現(xiàn)：①嚴(yán)重的土地沙漠化和鹽漬化，造成土地覆被率和利用率都極低；②水資源開發(fā)利用缺乏合理性，社會用水和生態(tài)環(huán)境用水依舊是主要矛盾；③物種多樣性減少，致使對原有環(huán)境有利的生物鏈打斷甚至消失，一系列惡性循環(huán)接踵而至。因此必須合理開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使生態(tài)結(jié)構(gòu)趨于多樣化和穩(wěn)定化。

(2)綠洲農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)功能不完善。該區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值投入量大，但產(chǎn)出水平較低，投入與產(chǎn)出比為1.28∶1；機(jī)械化程度低，生產(chǎn)力水平落后，尚未達(dá)到農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化要求，且無機(jī)肥使用量也遠(yuǎn)超有機(jī)肥投入，在系統(tǒng)環(huán)境和人民生活質(zhì)量方面均存在隱患，這也是今后生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展亟待解決的問題。建議加大農(nóng)業(yè)機(jī)械投入，創(chuàng)建規(guī)?；r(nóng)田系統(tǒng)，盡量避免使用無機(jī)肥和不可降解地膜。