馮海怡，陳曉煒，譚康銘，王小龍

（華南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，廣東 廣州 510642）

【研究意義】傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)依賴自然資源以及人工勞動力的投入，得到較高的可持續(xù)性發(fā)展能力，但同時其產(chǎn)出率也相對較低；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過分依賴工業(yè)輔助能的投入，忽略了自然環(huán)境因素的作用，導致農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)能力不斷降低。因此，正確認識以及評價環(huán)境資源的貢獻，是研究農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要課題。長期以來，人們以“地大物博”為由，對資源進行掠奪式開發(fā)，導致經(jīng)濟效益低下，這也從側面反映了人們并沒有正確對待自然和合理利用自然資源的觀念?！厩叭搜芯窟M展】20世紀80年代，美國生態(tài)學家ODUM以系統(tǒng)生態(tài)學和能量生態(tài)學為理論基礎，提出了能值分析方法［1］。該方法以太陽能值為統(tǒng)一尺度的方法和理論，克服了不同能質之間無法簡單比較和計算的問題，并將自然環(huán)境資源、社會經(jīng)濟資源、生態(tài)系統(tǒng)服務納入評價范圍，實現(xiàn)了對系統(tǒng)科學而全面的分析。近年來，國內(nèi)外農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析研究十分活躍，涉及主要農(nóng)產(chǎn)品的能值價值評估［2］、無公害蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性研究［3］、海涂不同水生利用模式評價［4］、湖南不同季別稻作系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)能值分析［5-6］、湖南水稻生態(tài)系統(tǒng)的能值分析［7］、海南農(nóng)業(yè)能值分析［8］等領域?！颈狙芯壳腥朦c】華南雙季稻區(qū)是我國重要的水稻主產(chǎn)區(qū)之一，其產(chǎn)量占全國水稻總產(chǎn)量的12.8%以上，僅次于長江中下游平原［9］。近年來，隨著該地區(qū)城市化速度加快，農(nóng)村勞動力大量轉移，雙季稻種植模式開始向高投入高排放型的石油依賴性農(nóng)業(yè)轉變。例如，廣東省近15年間農(nóng)藥、化肥、農(nóng)用柴油和塑料薄膜使用量分別提高33.1%、41.6%、15.5%和82.6%［10］。因此，從生態(tài)經(jīng)濟角度判斷華南地區(qū)當前雙季稻種植模式的可持續(xù)性，對于我國農(nóng)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展具有重要意義。但是，目前對我國華南地區(qū)雙季稻種植模式的能值分析卻尚未有報道。因此，本研究以廣東省典型雙季稻種植系統(tǒng)為研究對象，采用能值分析方法對其可持續(xù)發(fā)展能力進行定量化評價，并提出系統(tǒng)優(yōu)化建議，以此為華南雙季稻生產(chǎn)的可持續(xù)性提供研究參考?！緮M解決的關鍵問題】水稻作為我國的基礎作物之一，如何正確認識并合理規(guī)劃其在工業(yè)輔助能與自然資源的投入比例，得到較高產(chǎn)出率的同時保持其一定的可持續(xù)發(fā)展能力，對于我國農(nóng)業(yè)整體發(fā)展情況具有不可替代的意義。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)描述

本研究選取廣東省廣州市增城寧西鎮(zhèn)的雙季稻常規(guī)種植模式進行研究。該區(qū)域年平均太陽輻射5.06×109 J/m2，年平均降雨量1 957.7 mm（數(shù)據(jù)來源于廣東省氣象局），屬于典型的華南亞熱帶季風性氣候，具有代表性。研究區(qū)域所種植的早稻品種為華航38號、晚稻品種為華航52號，其中早稻3月中下旬移栽、7月底收割，晚稻8月中下旬移栽、11月底收割。每季水稻移栽前施藥兩次，農(nóng)藥品種包括愛苗（用于治病）、福戈（用于殺蟲）、密達（用于祛除福壽螺）。每667 m2施芭田復合肥（15-15-15）30 kg作底肥，秧苗移栽后施用尿素20 kg，孕穗期再追施尿素10 kg；插秧1周后噴灑除草劑（丁草胺，含量60%），每667 m2用量為70～80 mL；水稻收獲后，秸稈直接還田，稻田整地、收割都采用機械化操作，其他田間農(nóng)事操作皆由人工完成。在本研究中，由于所用機械重量難以獲得，故不在系統(tǒng)分析中考慮，機械操作的投入僅計算其作業(yè)過程中的柴油消耗。

1.2 能值分析方法

1.2.1 能流圖 能值是指產(chǎn)品或勞務形成過程中直接或間接投入應用的一種有效能總量［11］。根據(jù)ODUM所設計的能量語言符號，本研究繪制了華南雙季稻田種植系統(tǒng)的物能流動圖，從總體上反映該系統(tǒng)的能量投入產(chǎn)出過程（圖1）。按照能量來源和性質的不同，本研究將投入雙季稻系統(tǒng)的能量劃分為4類，即包括太陽能、風能、雨水化學能、灌溉水的“環(huán)境可更新資源”，包括表土層損耗能的“環(huán)境不可更新資源”，包括化肥、柴油、農(nóng)藥、電力等農(nóng)資投入的“不可更新輔助能”，包括人力、種子等的“可更新輔助能”。前兩類都屬于環(huán)境資源，后兩類則屬于經(jīng)濟系統(tǒng)輔助能。由于電力和人力通常由不可更新資源和可更新資源共同作用而產(chǎn)生，因此，根據(jù)國際上廣泛采用的資源分類方法，將二者分別分為可更新輔助能部分和不可更新輔助能部分。其中，人力的可更新部分按照其投入的12.0%計算，電力的可更新部分按照其投入的68.8%計算［12］。此外，由于系統(tǒng)中投入的秸稈來源于稻田本身，在收獲后又被歸還于農(nóng)田，因此，根據(jù)能值第四計算規(guī)則，為避免重復計算，秸稈投入被歸為系統(tǒng)反饋能，且在系統(tǒng)總能值投入中不計入。

圖1 華南雙季稻田能值流動圖Fig.1 Emergy flow diagram of double-cropping paddy field in South China

1.2.2 評價指標 本研究在能值分析過程中主要采用的評價指標如表1所示。其中，環(huán)境資源與總能值的比值可反映環(huán)境資源在整個農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的利用率，該指標越高，表示該農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對于環(huán)境資源的利用越充分，更符合農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)性發(fā)展的要求；不可更新輔助能與總能值比值反映了系統(tǒng)對外部的依賴程度，其指標越高，表示該系統(tǒng)對于不可更新資源的依賴程度越強；凈能值產(chǎn)出率（EYR）的高低反映了系統(tǒng)產(chǎn)出對經(jīng)濟貢獻的大小，該指標越高，表示系統(tǒng)產(chǎn)出對經(jīng)濟貢獻越大；環(huán)境負荷率（ELR）反映了所研究系統(tǒng)的環(huán)境壓力的大小，該指標越低，表示系統(tǒng)對外部環(huán)境的壓力越??；可持續(xù)性指標（ESI）是凈能值產(chǎn)出率與環(huán)境負荷率的比值，該值越高，說明環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展程度越高。綜合利用上述指標，可以整體反映華南雙季稻種植模式的可持續(xù)性發(fā)展能力。

表1 能值分析指標Table1 Emergy analysis index

1.3 數(shù)據(jù)來源

本研究所用的數(shù)據(jù)包括華南雙季稻種植系統(tǒng)的原始投入數(shù)據(jù)，以及將原始數(shù)據(jù)轉換為系統(tǒng)的能值流所需要的能量轉換參數(shù)和能值轉換率參數(shù)。自然資源數(shù)據(jù)來自來源于廣東省氣象局，農(nóng)事操作過程中的所有原始數(shù)據(jù)都來自2017年對廣州市增城寧西鎮(zhèn)華南農(nóng)業(yè)大學教學科研基地的實地調(diào)研，并輔以《全國農(nóng)產(chǎn)品成本收益匯編》進行數(shù)據(jù)校準。數(shù)據(jù)收集以一個完整的生產(chǎn)年度為界限，對系統(tǒng)投入、產(chǎn)出數(shù)據(jù)進行詳細記錄，以保證數(shù)據(jù)完整性。該基地常年種植雙季稻，有科研工人專門管理，其雙季稻種植水平和農(nóng)事操作特點皆處于該地區(qū)雙季稻種植的平均水平，具有一定程度的代表性。

能量折算系數(shù)參考陳阜編著的《農(nóng)業(yè)生態(tài)學（第2版）》［13］，原始數(shù)據(jù)的計算方法參照文獻［14］。本研究中的太陽能值轉換率皆來自之前的相關研究［3］，采用 2016年最新修訂的能值基準（12.00×1024sej /年）［15］作為計算基礎。

2 結果與分析

2.1 能值投入結構分析

如表2所示，本研究的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)總能值投入為1.61×1016sej。其中，環(huán)境資源投入為7.11×1015sej，經(jīng)濟輔助能投入為9.03×1015sej，二者分別占總能值投入的44.16%和56.09%。從資源類別上看，可更新資源能值投入為7.74×1015sej、占總能值投入的48.07%，不可更新資源能值投入為8.22×1015sej、占總能值投入的51.06%?？梢?，本研究的華南雙季稻種植系統(tǒng)運轉主要靠不可更新資源和經(jīng)濟系統(tǒng)輔助能值驅動。

表2 華南雙季稻區(qū)耕作模式能值分析Table2 Emergy analysis of cultivation patterns in double-cropping rice areas in South China

2.2 能值指標分析

2.2.1 環(huán)境資源 在生產(chǎn)過程中通過環(huán)境所獲得的能量稱為環(huán)境資源，它反映了系統(tǒng)對于環(huán)境的依賴程度。由表3可知，華南雙季稻的耕作中環(huán)境資源的投入占總投入能值的44.16%，接近總能值的50%，說明環(huán)境資源對于華南雙季稻的種植貢獻很大。出現(xiàn)這個現(xiàn)象的主要原因是廣東省所處的自然環(huán)境條件為高溫多雨、四季常綠的熱帶-亞熱南帶區(qū)域，適宜水稻生長。同時，不可更新環(huán)境資源，即表土層凈損失占環(huán)境資源總投入的比例極少，可忽略不計?？梢?，華南雙季稻的耕作制度于環(huán)境資源的依賴十分顯著。

表3 華南雙季稻耕作模式的主要能值指標Table3 Major emergy indexes of double-cropping rice cultivation model in South China

2.2.2 不可更新輔助能 在生產(chǎn)過程中通過從系統(tǒng)外部購買獲得并且無法再生的能量稱不可更新輔助能，它反映了一個系統(tǒng)對于外部物質資源的依賴程度。由表3可知，華南雙季稻的耕作中不可更新輔助能的投入占總投入能值的52.40%，所占比例較大，而不可更新輔助能占總輔助能投入的93.43%，說明人力和種子等可更新輔助能的投入力度相對較少，可通過適當增加可更新輔助能的投入以減少系統(tǒng)對不可更新輔助能的依賴。

2.2.3 凈能值產(chǎn)出率（EYR） 在生產(chǎn)過程中系統(tǒng)產(chǎn)出能值與經(jīng)濟反饋能值之比稱凈能值產(chǎn)出率，反饋能值包括人力勞務以及各種生產(chǎn)資料，其最小值為1，表示系統(tǒng)運轉完全依賴經(jīng)濟系統(tǒng)反饋能來驅動，既沒有利用任何本地資源，也不能對系統(tǒng)外部經(jīng)濟增長做出有效貢獻。在本研究中，華南雙季稻耕作模式的凈能值產(chǎn)出率為1.78，說明該系統(tǒng)具有較高的能值利用效率，生產(chǎn)成本較低。這是因為該系統(tǒng)在較高程度上利用了太陽能、雨水化學能、表土層損失等自然資源，對本地環(huán)境資源的利用程度較高，而購買能值的投入比例較低。

2.2.4 環(huán)境負荷率（ELR） 在生產(chǎn)過程中系統(tǒng)內(nèi)消耗的不可更新資源能值與投入系統(tǒng)內(nèi)的可更新資源的之比稱為環(huán)境負荷率，是用于衡量系統(tǒng)中能量流動對外部環(huán)境所造成的壓力。一般而言，較高的能值負荷率說明科技發(fā)展水平較高，反之說明科技發(fā)展水平較低。由表3可知，在本研究中，華南雙季稻的耕作模式的環(huán)境負荷率為1.06，遠低于發(fā)達國家，說明華南地區(qū)的傳統(tǒng)耕作模式的科技發(fā)展水平還有待提高，但從另一角度而言，該耕作的環(huán)境壓力較小有利于該地區(qū)更有效地發(fā)展可持續(xù)性農(nóng)業(yè)經(jīng)濟。

2.2.5 能值可持續(xù)指標（ESI） 在一個系統(tǒng)內(nèi)其能值產(chǎn)出率（EYR）與其環(huán)境負荷率（ELR）的比值為系統(tǒng)可持續(xù)能力指數(shù)，用于衡量該系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展能力。當一個地區(qū)的凈能值產(chǎn)出率（EYR）高同時其環(huán)境負荷率低，則其能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)較高，說明其經(jīng)濟發(fā)展是可持續(xù)的。該值若在1～10之間，則說明系統(tǒng)具有活力與發(fā)展力；若該值＞10，則說明系統(tǒng)不發(fā)達。由表3可知，華南雙季稻種植模式的能值可持續(xù)指標（ESI）為6.89，表明該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)較高，具有一定的活力和發(fā)展力，但需要進行一定程度改造，增加現(xiàn)代化技術投入。

3 討論

華南雙季稻區(qū)是我國重要的水稻主產(chǎn)區(qū)，一個具有較高的能值產(chǎn)出率和相對較低的環(huán)境負荷率的水稻種植系統(tǒng)是一個理想的可持續(xù)發(fā)展系統(tǒng)。因此，基于能值分析對華南雙季稻種植模式進行可持續(xù)性研究具有重要意義。

在本研究中，環(huán)境資源的投入幾乎占到系統(tǒng)總能值投入的50%，體現(xiàn)了環(huán)境資源對于華南雙季稻種植制度的重要作用。但是，傳統(tǒng)經(jīng)濟學家則認為，在經(jīng)濟生產(chǎn)中環(huán)境的貢獻僅占1.0%～2.5%［16］。這充分反映出采用能值分析方法對農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)評價的重要意義，因為在傳統(tǒng)經(jīng)濟學分析中，環(huán)境資源對系統(tǒng)運轉的價值往往不被考慮，這可能導致農(nóng)業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)出的價值也被低估。此外，藍盛芳［17］對中國農(nóng)業(yè)能值分析的結論中環(huán)境資源占總能值投入的13%。本研究中，環(huán)境資源占總能值的比例相對以上兩個數(shù)據(jù)都較大，這主要與該地區(qū)高溫多雨、四季常綠的熱帶-亞熱帶氣候有關。

華南雙季稻區(qū)環(huán)境負荷率為1.06，與我國其他稻區(qū)相比屬于相對較低的狀態(tài)，如我國湖南雙季稻區(qū)環(huán)境負荷率為9.63［6］，華南雙季稻區(qū)的環(huán)境負荷率遠遠低于我國湖南雙季稻區(qū)。另外，相比于我國其他作物生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)，如我國公主嶺玉米生產(chǎn)系統(tǒng)環(huán)境負荷率為10.62［18］，華南雙季稻區(qū)的環(huán)境負荷率遠遠低于我國公主嶺玉米生產(chǎn)系統(tǒng)。表明我國華南雙季稻區(qū)的環(huán)境壓力很小，換言之，該地區(qū)雙季稻種植系統(tǒng)有較大發(fā)展?jié)摿?，應該進一步加強能值的投入。

與此同時，華南雙季稻區(qū)相應的凈能值產(chǎn)出率卻相對較低。相比于湖南雙季稻區(qū)2016年早、中、晚稻種植系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率［5］，本研究結果分別降低14.0%～37.8%，說明華南雙季稻區(qū)在農(nóng)業(yè)技術以及生產(chǎn)技術水平上應用較低。生產(chǎn)方式的發(fā)展路徑主要有兩種：一是從主要依靠生產(chǎn)要素投入、外延式增長方式向主要依靠科技創(chuàng)新、勞動生產(chǎn)率提高和人力資本提升的內(nèi)涵式增長方式轉變；二是從主要依靠生產(chǎn)要素數(shù)量的擴張、單純追求數(shù)量而不顧質量的粗放型增長方式向提高生產(chǎn)要素的有機構成和使用效率的集約型增長方式轉變［19］。華南雙季稻區(qū)的種植模式在人力資源的投入中仍占據(jù)較高水平，化肥農(nóng)藥的使用量所占比例居中，說明更適合第一種生產(chǎn)方式的發(fā)展路徑，即應適當增加機械和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的使用，以提高華南雙季稻區(qū)的凈能值產(chǎn)出率。

4 結論

本研究基于能值分析方法對于華南雙季稻種植模式進行可持續(xù)性分析，結果表明，華南雙季稻區(qū)具有較高的可持續(xù)性發(fā)展能力，但其凈能值產(chǎn)出率相對較低。原因在于華南雙季稻過分依賴于自然資源與人力勞動資源。另外，農(nóng)村勞動力整體文化水平偏低，小學、初中文化程度者占大多數(shù)，使得他們對外界科技敏感度偏低、適應市場能力較差。如果通過標準化管理，適當增加農(nóng)用機械的使用以減少人力勞動資源的投入，并且酌情增加有機肥的使用以減少化肥等不可更新輔助能的投入，同時加強農(nóng)村勞動力的文化素質培養(yǎng)，定期組織下鄉(xiāng)開展相應培訓活動，可在一定程度上增加華南雙季稻區(qū)的凈能值產(chǎn)出率的同時維持其較高的可持續(xù)性發(fā)展能力。