母娜，李首成，陳勇

(四川農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，四川 成都 611130)

隨著城市規(guī)模的不斷擴大，城市人口與經(jīng)濟對城郊型農(nóng)業(yè)發(fā)展提出了更高的要求。城郊型農(nóng)業(yè)發(fā)源于臨近城市的郊區(qū)地帶，利用優(yōu)越的地理位置，生產(chǎn)鮮活農(nóng)副產(chǎn)品以滿足城市市場和生態(tài)環(huán)境需求，具有高效可持續(xù)發(fā)展的特點[1-3]。城郊型農(nóng)業(yè)在城鄉(xiāng)互動過程中兼具生產(chǎn)服務功能、生態(tài)保育功能及景觀文化功能，力求通過功能調整實現(xiàn)經(jīng)濟、生態(tài)、社會效益的最大化[4]。

對城郊型農(nóng)業(yè)生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)進行能流分析，有助于更加清晰簡明的認識城郊型農(nóng)業(yè)，以促進其發(fā)展。Odum等[5]學者在對生態(tài)系統(tǒng)能流理論研究基礎上，設計出圖解、符號、轉換系數(shù)量表等簡單工具，將不同物質轉換為同一單位能量進行比較分析，開創(chuàng)了能流分析的范式。

能量是生態(tài)系統(tǒng)存在發(fā)展的基礎。生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、輸出及其在系統(tǒng)內各組成部分之間的流動，是生態(tài)系統(tǒng)的基本運轉過程之一[6]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，衡量一個農(nóng)業(yè)系統(tǒng)功能的重要指標之一便是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)出水平，目標是高效能量產(chǎn)出和低水平能量消耗[7]。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，初級生產(chǎn)和次級生產(chǎn)之間能量相互匹配、流轉和協(xié)調的核心問題是物質和能量的轉換。對城郊型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進行能流分析，能夠反映農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在微觀層次上的結構和功能，簡化工作模式，減輕工作量，得出具有重要指導意義的結論[8]。本研究以成都綠灣農(nóng)業(yè)合作社下設的綠灣生態(tài)農(nóng)場為研究對象，分析該農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)和能量流動特征，總結提升對策，以期探索城郊型農(nóng)業(yè)發(fā)展的一般模式和能量流動情況，也為完善農(nóng)場的能量投入結構、優(yōu)化調整農(nóng)場的能流方向及能流路徑提供依據(jù)，為進一步提升城郊型農(nóng)場的能流效率，促進該農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)高效產(chǎn)出和良性循環(huán)奠定理論基礎。

1 研究區(qū)概況

成都綠灣農(nóng)業(yè)合作社位于成都市新都區(qū)馬家鎮(zhèn)錦城村，距離成都市中心16 km。合作社位于成都平原東北部，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，雨熱同期，降水充沛，年平均日照時數(shù)為1 042～1 412 h，年平均太陽輻射總量為347～397 kJ·cm-2，年平均氣溫16 ℃，全年無霜期280 d，年降水量900～1 300 mm[9]。整個合作社占地約33.33 hm2，耕地面積4 hm2，主要進行小麥、水稻、油菜、蔬菜種植和豬、雞、鴨、鵝、牛、羊等禽畜養(yǎng)殖，共有農(nóng)業(yè)工人13人。通過多年發(fā)展，合作社構建了生態(tài)循環(huán)利用模式，力求打造成安全優(yōu)質的城郊生態(tài)農(nóng)場，設置種植業(yè)、三葉草、養(yǎng)殖、蔬菜等為一體的產(chǎn)業(yè)鏈，形成“種植業(yè)-三葉草-有機肥”和“畜禽及稻田養(yǎng)魚-沼氣-有機肥”循環(huán)結構。農(nóng)場采用人工提灌獲取清潔水源，道路基礎設施采用草坪、卵石、碳渣等覆蓋，減少水泥硬化，種植過程禁用農(nóng)藥、化肥，養(yǎng)殖過程不使用飼料等，力求達到生態(tài)系統(tǒng)平衡。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

研究原始數(shù)據(jù)主要通過對綠灣農(nóng)業(yè)合作社生態(tài)農(nóng)場管理人員多次調查并核實準確，部分來自統(tǒng)計年鑒。將綠灣農(nóng)場劃分為種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、居民區(qū)3個子系統(tǒng)，對農(nóng)場勞動力、耕地面積、作物品種、種植面積、投入產(chǎn)出情況、家畜飼養(yǎng)情況等涉及能量輸入輸出的數(shù)據(jù)按照上述3個子系統(tǒng)進行分類處理。

2.2 能流計算方法

對于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)而言，只有太陽輻射量是以能量單位表示的，其他物質流量的計量單位各有差異，需要通過折能系數(shù)將系統(tǒng)內外流轉的物質量轉換為統(tǒng)一單位的能流量，用J表示，以便于對系統(tǒng)的定量描述。本文使用的各類物質折能系數(shù)主要采用聞大中的方法[10-12](表1～2)。對糞便含水量、作物谷草比、麥麩、米糠等不便準確得出的數(shù)據(jù)進行估算，作物干重采用烏日娜等[13]、張小燕等[14]的方法，將作物植株于105 ℃烘箱殺青30 min，再以80 ℃烘干至恒重。畜禽糞便含水量采用費輝盈等[15]、張菲菲等[16]的方法，將樣品置于105 ℃烘箱烘干至恒重，再稱重。作物谷草比參考謝光輝等[17]、張福春等[18]的方法。工具折能采用折算法，將工具折算成年損耗鋼材量(機械重量×10%)，鋼材折能88 576 kJ·kg-1，拖拉機、收割機、插秧機每臺分別折算成1 000、500、300 kg鋼材，手工農(nóng)具每件折算成3 kg鋼材，人工折能12 540 kJ·d-1，畜力折能62 700 kJ·d-1[19]。

表1 各農(nóng)作物的折能系數(shù)

表2 其他產(chǎn)品的折能系數(shù)

系統(tǒng)各物質所含的能量計算公式[10-12]為：Y=kX。其中，Y表示輸入(輸出)的能量，k為各物質的折能系數(shù)，X為流入(轉出)的物質數(shù)量。

3 結果與分析

3.1 各子系統(tǒng)的能流分析

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中投入的能量可分為自然能和人工輔助能，人工輔助能又可細分為有機能和無機能。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內部，各子系統(tǒng)之間有機能的輸入和利用情況在一定程度上反映了系統(tǒng)的自給能力。綠灣農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)主要是由種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、居民區(qū)3個子系統(tǒng)構成的集農(nóng)業(yè)發(fā)展、科技示范與戶外休閑為一體的城郊型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。其中，前2個子系統(tǒng)為生產(chǎn)性系統(tǒng)，本文著重對其進行分析。本研究中生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入、輸出及各子系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內與系統(tǒng)外形成的能流圖見圖1。

3.1.1 種植業(yè)子系統(tǒng)

種植業(yè)子系統(tǒng)固定太陽輻射能的方式是綠色植物的光合作用，以此形成初級生產(chǎn)力[20]，系統(tǒng)中能量投入主要是自然能和人工輔助能，能量輸出以糧食等經(jīng)濟產(chǎn)出和秸稈等非經(jīng)濟產(chǎn)出為主。

圖1 綠灣農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)的能流

如表3所示，綠灣生態(tài)農(nóng)場種植業(yè)子系統(tǒng)能量總輸入量為134 938.70 GJ，其中太陽輻射能133 984 GJ，人工輔助能輸入954.70 GJ。人工輔助能中，246.90 GJ為系統(tǒng)外輸入，其他為系統(tǒng)自身提供。分析可知，系統(tǒng)的自給能力較強。

表3 種植子系統(tǒng)能量輸入輸出的情況

種植業(yè)子系統(tǒng)能量總輸出量為387.22 GJ，其中糧食、蔬菜產(chǎn)品輸出量為97.99 GJ，該部分作為商品全部輸出系統(tǒng)外。輸出的青飼料、飼草、薪柴、秸稈留在系統(tǒng)內供給養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)和居民區(qū)子系統(tǒng)，共計289.23 GJ。種植業(yè)子系統(tǒng)的能量產(chǎn)投比僅為0.41。

3.1.2 養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)

植物通過光合作用將能量輸送到養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)，養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)再通過能量的消耗與轉化產(chǎn)出畜禽產(chǎn)品，所以養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)屬于次級生產(chǎn)系統(tǒng)，能量輸入主要為飼料、飼草、幼畜禽和少部分人力，能量輸出主要是豬肉、羊肉、禽蛋禽肉、畜力及畜禽糞便等。

如表4所示，養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)能量總輸入為368.02 GJ，總產(chǎn)出為682.28 GJ，能量產(chǎn)投比為1.854。其中，由系統(tǒng)外投入的糧食和畜禽含能279.17 GJ，麥麩、米糠、青飼料等投入含能88.47 GJ，人力投入0.38 GJ，系統(tǒng)外投能占總輸入的75.86%，系統(tǒng)內自給的能量占24.14%。

養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)提供的肉禽蛋產(chǎn)品共89.58 GJ，全部作為產(chǎn)品輸出到系統(tǒng)外，故商品率為100%。畜力、糞便分別輸出1.88、590.82 GJ到種植業(yè)子系統(tǒng)。

3.1.3 居民區(qū)子系統(tǒng)

居民區(qū)子系統(tǒng)過去一年的能量輸入輸出情況見表5。由表5可知，系統(tǒng)外投入到居民區(qū)子系統(tǒng)的能量為62.51 GJ，分別為糧食、蔬菜、豬肉、菜籽油；系統(tǒng)投入61.09 GJ薪柴，占比49.423%。居民區(qū)子系統(tǒng)輸出人力19.83 GJ，糞尿2.42 GJ。居民區(qū)子系統(tǒng)輸出的人力是整個農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)的勞動力來源。

表4 養(yǎng)殖子系統(tǒng)能量輸入輸出情況

表5 居民區(qū)子系統(tǒng)能量輸入輸出情況

3.2 能量的輸入輸出結構

3.2.1 人工輔助能的輸入結構

綠灣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)共輸入能量135 430.32 GJ，其中太陽能133 984 GJ，占比98.93%，人工輔助能1 446.32 GJ，僅占能量總輸入量的1.07%。農(nóng)場3個子系統(tǒng)共投入人工輔助能1 446.32 GJ，其中來自系統(tǒng)內的人工輔助能為857.74 GJ，占比59.31%，來自系統(tǒng)外的為588.58 GJ，占比40.69%；有機能輸入1 330.15 GJ，占91.97%，可見該農(nóng)場是一個自給性較強的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，且以有機能投入為主，無機能投入只存在于種植業(yè)子系統(tǒng)中。種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)2個生產(chǎn)性子系統(tǒng)投入的人工輔助能中，無機能僅為116.18 GJ，占人工輔助能的8.78%，有機能占91.22%，可見該農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)是一個典型的生態(tài)種養(yǎng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

3.2.2 系統(tǒng)能量的輸出結構

系統(tǒng)能量總輸出量為1 091.75 GJ。在系統(tǒng)輸出能中，養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)輸出最高，為682.28 GJ，占能量總輸出量的62.5%；種植業(yè)子系統(tǒng)次之，總輸出387.22 GJ，占比35.5%；再次為居民區(qū)子系統(tǒng)，輸出能量22.25 GJ，占比2.0%。由此可見，該農(nóng)場目前是一個種養(yǎng)結構不配套的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，由于整個農(nóng)場不使用農(nóng)藥和化肥，所以種植業(yè)產(chǎn)出能占總產(chǎn)出能的比重很低，加之沼氣池正處在建設階段，尚不能發(fā)揮其本應作為整個農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)的橋梁和紐帶的作用[21]。2個生產(chǎn)性子系統(tǒng)的總產(chǎn)出能為1 069.49 GJ，輸出到系統(tǒng)外的能量為187.57 GJ，該部分全部作為商品，占總產(chǎn)出能的17.54%；其余881.92 GJ進入農(nóng)場的3個子系統(tǒng)，說明該農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)是一個自我維持的系統(tǒng)。

3.3 各子系統(tǒng)產(chǎn)出能的流向分析

種植業(yè)子系統(tǒng)的產(chǎn)出能為387.22 GJ。其中，146.88 GJ作為肥料和秸稈歸還農(nóng)田，占37.93%；97.99 GJ作為商品流向系統(tǒng)外，占25.31%；61.09 GJ流向居民區(qū)作燃料，占15.78%；81.26 GJ流向養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)作飼料，占21.05%。由此可知，58.98%的種植業(yè)子系統(tǒng)產(chǎn)出的生物能量流回到種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)2個子系統(tǒng)，符合循環(huán)農(nóng)業(yè)的要求[22-23]。養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)輸出的能量共682.28 GJ，其中糞便為590.82 GJ，占輸出能量的86.60%，全部歸還農(nóng)田作肥料；作為畜禽產(chǎn)品流向系統(tǒng)外的能量為89.58 GJ，僅占13.13%。

4 討論

4.1 城郊型生態(tài)農(nóng)場的能量流動特征

本研究表明，綠灣農(nóng)場自給性較強，能量投入以有機能為主，占比91.22%。但由于處于起步階段，農(nóng)場各項設施尚不完善，導致系統(tǒng)產(chǎn)出能力較低，種植業(yè)子系統(tǒng)產(chǎn)出能量僅為387.22 GJ，屬于偏低水平。能量流動多以單向流動為主，各子系統(tǒng)之間的耦合程度不高。在初級生產(chǎn)中，保留了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢，并廣泛應用生物、物理防蟲除草等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術，既提高了土壤肥力，又促進了資源的循環(huán)高效利用。近兩年來，農(nóng)場在提高水稻產(chǎn)量、提升質量的基礎上，設計運作“水稻+魚”為主的稻魚觀光體驗農(nóng)業(yè)模式，比傳統(tǒng)單一種植模式更深入地體現(xiàn)了生態(tài)農(nóng)業(yè)文化，同時還增加了系統(tǒng)產(chǎn)出。農(nóng)場注重景觀文化建設，利用現(xiàn)有植被打造喬木-灌木-草本(作物)相結合的生態(tài)路網(wǎng)和水網(wǎng)，并設有科普長廊，建設了中小學教育示范基地。城郊型農(nóng)業(yè)是開放程度較高、商品率較高的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，兼具生產(chǎn)服務功能、生態(tài)保育功能及景觀文化功能，加之臨近城市地區(qū)的區(qū)位優(yōu)勢，使得大多數(shù)城郊型農(nóng)業(yè)能夠方便地學習先進的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術和經(jīng)營管理理念[1-4]。隨著城市化進程的加快，城郊型農(nóng)業(yè)有著巨大的發(fā)展?jié)摿褪袌隹臻g，不但能夠滿足城市對鮮活農(nóng)產(chǎn)品的需求，還能夠發(fā)揮出巨大的生態(tài)服務價值。

4.2 城郊型生態(tài)農(nóng)場的能流效率

綠灣農(nóng)場位于成都北郊，屬于典型的城郊型農(nóng)業(yè)，但系統(tǒng)產(chǎn)出能力卻偏低，種植業(yè)子系統(tǒng)產(chǎn)出能為96.81 GJ·hm-2，低于新疆尉犁縣達西村(125.9 GJ·hm-2)[24]和河西走廊農(nóng)戶(282.6 GJ·hm-2)[25]。種植業(yè)子系統(tǒng)產(chǎn)投比僅為0.41，不僅低于生態(tài)條件較差的新疆尉犁縣達西村(2.30)[24]和隴東西峰市文安村(1.89)[26]，更低于生態(tài)條件較好的河西走廊(3.11)[25]和豫東農(nóng)戶(3.15)[27]，屬于較低水平。養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)的產(chǎn)投比為1.85，居民區(qū)子系統(tǒng)的產(chǎn)投比為0.18，也屬偏低水平。產(chǎn)投比偏低的原因之一是整個農(nóng)場采用傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式生產(chǎn)，機械化水平不高，勞動力素質不高，種養(yǎng)結構單一，且存在不配套的問題。雖然人工輔助能特別是有機能投入很高，但利用效率低，加之不施用化肥農(nóng)藥，而病蟲害防治措施又尚未有效地落實，致使單位面積的產(chǎn)出能偏低。種植業(yè)子系統(tǒng)初級產(chǎn)品光能利用率為0.27%，高于達西村(0.26%)[24]、文安村(0.16%)[26]，但低于河西走廊農(nóng)戶(0.49%)[25]和豫東農(nóng)戶(0.74%)[27]。光能利用率偏低的原因是田間管理水平低、單產(chǎn)低，植株光合能力較弱，同時，由于種植密度過小導致葉面積指數(shù)小，漏光現(xiàn)象嚴重，造成光能浪費。

4.3 城郊型生態(tài)農(nóng)場的優(yōu)化措施

綠灣農(nóng)場種植業(yè)子系統(tǒng)的能量產(chǎn)投比和光能利用率均屬于較低水平。此外，不配套的種養(yǎng)結構和低水平的能量利用效率，使得種植業(yè)子系統(tǒng)產(chǎn)出能力偏低，不能提供養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)所需要的糧食，畜禽產(chǎn)生的大量優(yōu)質有機肥也存在嚴重浪費。

針對綠灣生態(tài)農(nóng)場目前機械化、集約化程度低，系統(tǒng)產(chǎn)出能力較弱等問題，提出以下建議：第一，綠灣農(nóng)場應著力發(fā)展小型便攜機械化，采用合理的栽培技術，在保證作物品質的前提下進一步增加產(chǎn)量；第二，改變目前畜禽散養(yǎng)的現(xiàn)狀，集約管理，發(fā)展立體飼養(yǎng)；第三，優(yōu)化產(chǎn)出結構，逐步發(fā)展林果業(yè)、蔬菜和其他經(jīng)濟作物，增強種養(yǎng)子系統(tǒng)之間的協(xié)調耦合關系，促使種養(yǎng)配套發(fā)展；第四，完善沼氣池，利用綠肥和畜禽糞肥生產(chǎn)優(yōu)質有機肥，發(fā)揮沼氣池在農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)中的紐帶作用；第五，合作社可制定田間管理專業(yè)化操作規(guī)程，組織勞動技能培訓，推行精細化管控，防控病蟲草害。