錢(qián)欣，王小龍，張慧，成浩，3，劉開(kāi)昌，方志軍，李宗新

（1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所／小麥玉米國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250100；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東廣州 510642；3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東 青島 266109）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式是影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力水平和系統(tǒng)可持續(xù)性水平的重要因素。為促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)方式向現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型，國(guó)家制定了一系列政策鼓勵(lì)土地流轉(zhuǎn)，形成了不同類型的新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體。隨著土地流轉(zhuǎn)的不斷加快和深入，種糧大戶在穩(wěn)定糧食種植面積、增強(qiáng)糧食生產(chǎn)能力、延伸糧食產(chǎn)業(yè)鏈等方面發(fā)揮了日益顯著的作用［1］。但是，近年來(lái)有研究表明，農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)方式和生產(chǎn)規(guī)模的變化，會(huì)影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)生態(tài)經(jīng)濟(jì)效率和可持續(xù)性［2-4］。相比于傳統(tǒng)小農(nóng)戶生產(chǎn)方式，規(guī)模化糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境表現(xiàn)可能會(huì)發(fā)生變化［5，6］。20世紀(jì) 80年代，美國(guó)生態(tài)學(xué)家 H.T.Odum提出能值理論及其方法，該方法以太陽(yáng)能值（solar emergy）作為統(tǒng)一度量單位，克服了不同能值之間無(wú)法簡(jiǎn)單比較和計(jì)算的問(wèn)題，并將自然環(huán)境資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)資源、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入評(píng)價(jià)范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)科學(xué)而全面的分析。目前，能值分析在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)價(jià)方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［7-10］，但大多集中于傳統(tǒng)小農(nóng)戶生產(chǎn)模式，針對(duì)以種糧大戶為代表的各類新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體的相關(guān)研究尚較少報(bào)道。因此，本研究以華北平原種糧大戶冬小麥-夏玉米糧食生產(chǎn)系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)）為研究對(duì)象，針對(duì)種糧大戶生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)特點(diǎn)，對(duì)其生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式的生態(tài)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，找出影響其生態(tài)表現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，以期為我國(guó)糧食生產(chǎn)向綠色、高效的適度規(guī)?；r(nóng)場(chǎng)發(fā)展提供研究基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 研究對(duì)象

本研究選擇山東省平原黃灌區(qū)典型區(qū)域的濱州市為研究對(duì)象。該地區(qū)位于山東省北部、魯北平原、黃河三角洲腹地，地處黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)，年平均日照時(shí)數(shù)2 632 h，平均氣溫12.7℃，年平均降水量565 mm，是我國(guó)重要糧食生產(chǎn)區(qū)域之一。近年來(lái)，山東省濱州市大力發(fā)展新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體，截至2018年底，濱州市土地流轉(zhuǎn)總面積達(dá)16.1萬(wàn)公頃，農(nóng)村承包土地規(guī)模化率達(dá)57.8%，認(rèn)定家庭農(nóng)場(chǎng)市級(jí)示范場(chǎng) 109家［11］，形成許多具有代表性的種糧大戶，在一定程度上能夠反映華北平原糧食主產(chǎn)區(qū)種糧大戶的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)特點(diǎn)，具有研究的代表性。

1.2 研究方法

能值是指產(chǎn)品或勞務(wù)形成過(guò)程中直接或間接投入應(yīng)用的一種有效能總量［12］。根據(jù)能值分析方法的基本步驟，本研究首先繪制了種糧大戶糧食生產(chǎn)系統(tǒng)能流圖（圖1），反映該系統(tǒng)的能量投入產(chǎn)出過(guò)程。根據(jù)投入系統(tǒng)的能量來(lái)源，可將其劃分為環(huán)境資源（E）和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)反饋資源（F）。同時(shí)，本研究在能值核算過(guò)程中引入可更新比例系數(shù)（R，%），將系統(tǒng)投入資源劃分為可更新和不可更新資源兩部分，從而提高系統(tǒng)評(píng)價(jià)的科學(xué)性。此外，本研究主要采用5個(gè)能值評(píng)價(jià)指標(biāo)（表1）來(lái)分析麥玉輪作生產(chǎn)模式的系統(tǒng)產(chǎn)出效率和可持續(xù)發(fā)展能力。關(guān)于能值方法的理論基礎(chǔ)、分析步驟及指標(biāo)的進(jìn)一步解釋可參見(jiàn)文獻(xiàn)［12-15］。

圖1 山東省種糧大戶麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)能量流動(dòng)圖

表1 能值指標(biāo)描述及其表達(dá)式

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中，所有原始數(shù)據(jù)都來(lái)自于2019年對(duì)山東省濱州市鄒平市、惠民縣、博興縣54個(gè)典型種糧大戶的實(shí)地調(diào)研。以一個(gè)完整的生產(chǎn)年度為界限，對(duì)冬小麥、夏玉米兩種糧食作物生產(chǎn)過(guò)程中的各種投入、產(chǎn)出數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄。自然資源數(shù)據(jù)來(lái)自“中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”（http：／／cdc.cma.gov.cn／home.do.Accessed on 05／28／2012）。相關(guān)的能量折算系數(shù)參考陳阜編著的《農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)》［16］，原始數(shù)據(jù)的計(jì)算方法參考文獻(xiàn)［13］。研究中采用的全球能值基準(zhǔn)為12.00×1024sej／年［17］。人民幣與美元的換算采用 2019年平均匯率6.8985。

2 結(jié)果與分析

2.1 能值投入結(jié)構(gòu)分析

如表2所示，山東省濱州市種糧大戶麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)全年能值總投入平均為2.21×1016sej／hm2，其中，惠民縣種糧大戶能值總投入最低，比鄒平市和博興縣分別低13.3%和25.6%。可見(jiàn)，由于自然資源條件和農(nóng)藝生產(chǎn)習(xí)慣不同，同一種植模式下的能值投入具有明顯差異。從能值來(lái)源看，環(huán)境資源占研究對(duì)象總能值投入的2.9%～3.8%，經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)反饋資源占96.2%～97.1%；而從資源類別看，在系統(tǒng)總能值投入中，不可更新能值投入平均占88.7%，而可更新能值投入僅占11.0%。以上結(jié)果說(shuō)明，山東省種糧大戶麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)主要依靠化肥、機(jī)械、人力等農(nóng)資投入驅(qū)動(dòng)，表現(xiàn)出對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)反饋資源和不可更新資源較強(qiáng)的依賴程度。

表2 山東省種糧大戶麥玉系統(tǒng)能值分析表

2.2 能值投入特征分析

本研究將各項(xiàng)系統(tǒng)能值投入占總能值投入百分比超過(guò)3%的投入項(xiàng)目進(jìn)行匯總，如圖2所示，在山東省種糧大戶麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)中，氮肥、復(fù)合肥、電力、柴油、機(jī)械服務(wù)和人力投入是主要的能值投入源。從山東省平均水平來(lái)看，機(jī)械服務(wù)是總能值投入中占比最大的項(xiàng)目（24.5%），人力主要消耗于田間機(jī)械操作過(guò)程，其能值投入占總能值的23.1%，這說(shuō)明山東省種糧大戶麥玉生產(chǎn)模式的機(jī)械化水平較高。以氮肥和復(fù)合肥為主的化肥能值投入則分別占系統(tǒng)總能值投入的14.6%和23.9%。在當(dāng)前山東省種糧大戶麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)中，化肥投入和機(jī)械化是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程主要的能值投入環(huán)節(jié)，盡管鄒平、惠民和博興三個(gè)代表縣（市）各項(xiàng)的能值投入百分比略有差別，但總體特征基本一致，有必要進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化調(diào)控。

圖2 山東省種糧大戶麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)能值投入特征分析

2.3 能值指標(biāo)分析

如表3所示，本研究中，山東省種糧大戶麥玉模式的單位能值轉(zhuǎn)換率（UEV）為 4.30×104sej／J，比河北省小農(nóng)戶模式、家庭農(nóng)場(chǎng)和規(guī)模化農(nóng)場(chǎng)中的麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)低12.8%～50.1%。同時(shí)，山東省種糧大戶麥玉模式的不可更新能值利用率（NRE）為3.83×104sej／J，比河北省小農(nóng)戶模式、家庭農(nóng)場(chǎng)模式分別低7.0%～14.5%。

凈能值產(chǎn)出率（EYR）、環(huán)境負(fù)載率指標(biāo)（ELR）和可持續(xù)性指標(biāo)（ESI）是評(píng)價(jià)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)性的一組有效指標(biāo)。本研究中，山東省種糧大戶麥玉生產(chǎn)模式的EYR值為1.03，比河北省小農(nóng)戶模式、家庭農(nóng)場(chǎng)、規(guī)?；r(nóng)場(chǎng)中的EYR值低14.9%～24.8%。與此同時(shí)，其ELR值為8.07，明顯高于河北省各類模式的麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)，說(shuō)明該系統(tǒng)所造成的環(huán)境負(fù)載較高。綜合來(lái)看，研究對(duì)象的ESI值0.13，比河北省各模式低18.8% ～51.9%。

表3 能值評(píng)價(jià)指標(biāo)

3 討論與結(jié)論

3.1 系統(tǒng)調(diào)控關(guān)鍵點(diǎn)分析

本研究結(jié)果表明，山東省種糧大戶麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)主要依靠化肥、機(jī)械、人力等農(nóng)資投入驅(qū)動(dòng)，表現(xiàn)出對(duì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)反饋資源和不可更新資源較強(qiáng)程度的依賴。該研究結(jié)果與華北平原的其它相關(guān)研究結(jié)果一致［5，23-25］，說(shuō)明資源高消耗是華北平原麥玉輪作模式的基本特征。通過(guò)對(duì)研究對(duì)象能值投入特征的分析發(fā)現(xiàn)，盡管鄒平、惠民和博興三個(gè)代表縣（市）種糧大戶麥玉模式中的能值投入百分比略有差別，但總體特征基本一致，化肥投入和機(jī)械化是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程主要的能值投入環(huán)節(jié)，有必要進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化調(diào)控。Wang等［24］對(duì)規(guī)模化農(nóng)場(chǎng)麥玉生產(chǎn)模式的情景分析指出，優(yōu)化施肥后可使該農(nóng)場(chǎng)糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的能值利用效率和可持續(xù)指數(shù)分別提高14.7%和27.3%。鄧明君等［26］指出，全國(guó)玉米和小麥的化肥施用碳減排潛力分別為574萬(wàn)噸和475萬(wàn)噸，山東省是減排關(guān)鍵區(qū)。秦雪超等［27］研究表明華北平原麥玉輪作模式中，通過(guò)化肥減量配施沼液可以在保證作物產(chǎn)量的條件下降低氮素流失?？梢?jiàn)，提高化肥利用效率、減少化肥投入是山東省麥玉輪作系統(tǒng)提高系統(tǒng)效率、降低環(huán)境壓力的重要措施。另一方面，機(jī)械使用效率的提高也是降低山東省麥玉系統(tǒng)能值投入的重要方面。在本研究中，盡管種糧大戶已經(jīng)有一定的土地經(jīng)營(yíng)面積，但農(nóng)機(jī)自有率程度仍然不高，許多農(nóng)藝工作需要雇傭農(nóng)場(chǎng)外部機(jī)械、人工完成，其機(jī)械化水平有進(jìn)一步提升的空間。需要說(shuō)明的是，本研究實(shí)地調(diào)研過(guò)程中，機(jī)械服務(wù)通過(guò)貨幣價(jià)值體現(xiàn)，事實(shí)上該數(shù)值中已經(jīng)包括了機(jī)械手、人力和機(jī)械耗油的金額，但由于在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)條件下難以將貨幣數(shù)據(jù)分割計(jì)算，因此可能造成機(jī)械服務(wù)能值投入核算結(jié)果高于實(shí)際情況，這也是本研究中機(jī)械服務(wù)能值投入過(guò)高的原因之一。此外，有許多研究指出，華北平原麥玉模式資源高消耗、環(huán)境高負(fù)載的主要原因是冬小麥種植［24，28，29］。因此，近年來(lái)開(kāi)始有研究從不同角度探討如何通過(guò)種植模式變化來(lái)改變?nèi)A北平原傳統(tǒng)麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)高環(huán)境壓力的特征［30，31］，這是值得深入研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

3.2 能值綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)比較分析

為綜合評(píng)價(jià)山東省種糧大戶麥玉模式的可持續(xù)性，本研究還計(jì)算了一系列能值綜合指標(biāo)。能值轉(zhuǎn)換率是評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)能值利用效率的有效指標(biāo)，通常情況下，系統(tǒng)有效產(chǎn)出的能值轉(zhuǎn)換率越高，則系統(tǒng)的能值利用效率越低。本研究中，山東省種糧大戶麥玉模式的能值轉(zhuǎn)換率比同屬華北平原糧食主產(chǎn)區(qū)的河北省小農(nóng)戶模式、家庭農(nóng)場(chǎng)和規(guī)模化農(nóng)場(chǎng)中的麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)低12.8%～50.1%。與此同時(shí)，考慮到一個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)效率的高低不僅僅反映對(duì)總能值投入的利用效率，更需要通過(guò)對(duì)不可更新資源的利用效率來(lái)反映。因此，本研究引入了不可更新資源利用率來(lái)反映該問(wèn)題，該值越高，系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程對(duì)不可更新資源的利用效率越高。在本研究中，山東省種糧大戶麥玉模式的NRE值比河北省小農(nóng)戶模式、家庭農(nóng)場(chǎng)模式分別低7.0%～14.5%。以上兩個(gè)指標(biāo)共同說(shuō)明，山東省種糧大戶的系統(tǒng)生產(chǎn)效率較高，可以用較少的能值和不可更新資源生產(chǎn)同樣數(shù)量的糧食產(chǎn)品。

凈能值產(chǎn)出率是評(píng)價(jià)系統(tǒng)能量產(chǎn)出和本地資源開(kāi)發(fā)的一個(gè)有效指標(biāo)，其最小值為1，表示系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)完全依賴經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)反饋能來(lái)驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有利用任何本地資源，也不能對(duì)系統(tǒng)外部經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)做出有效貢獻(xiàn)。本研究中，種糧大戶麥玉生產(chǎn)模式的EYR值為1.03，僅略高于1，表明該系統(tǒng)主要依靠經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)反饋資源進(jìn)行生產(chǎn)，這也反映出該地區(qū)麥玉生產(chǎn)模式的農(nóng)業(yè)集約化水平較高。同時(shí)，該值比河北省規(guī)?；r(nóng)場(chǎng)麥玉生產(chǎn)模式低16.3%，主要是因?yàn)楹笳咴诩Z食生產(chǎn)過(guò)程中大量施用了農(nóng)場(chǎng)內(nèi)部養(yǎng)殖系統(tǒng)產(chǎn)生的沼渣肥，提高了對(duì)系統(tǒng)本地資源的利用強(qiáng)度［24］。

環(huán)境負(fù)載率指標(biāo)常被用來(lái)衡量系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程對(duì)外部環(huán)境所造成的壓力。通常情況下，ELR值小于2表示該系統(tǒng)對(duì)周圍環(huán)境造成了較小的壓力［32］。本研究中，山東省種糧大戶麥玉生產(chǎn)模式的ELR值為8.09，明顯大于2，也明顯高于河北省各類模式的麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)，說(shuō)明該系統(tǒng)所造成的環(huán)境負(fù)載較高。這充分說(shuō)明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化水平的提高，在增加系統(tǒng)生產(chǎn)效率的同時(shí)，也可能由于機(jī)械、柴油等投入增加，引發(fā)更強(qiáng)的環(huán)境壓力。

可持續(xù)性指標(biāo)是反映系統(tǒng)可持續(xù)性的綜合指標(biāo)，該值在1～10之間時(shí)，通常說(shuō)明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的活力和發(fā)展?jié)摿Γ珽SI值越高，系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)性越好［33］。本研究中，華北平原麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)在各種農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)模式下的ESI值都小于1，其中山東省種糧大戶麥玉生產(chǎn)模式的ESI值僅為0.13，說(shuō)明該模式可持續(xù)發(fā)展能力不高，有待進(jìn)一步提升。

綜合來(lái)看，種糧大戶經(jīng)營(yíng)模式變化、土地集約化程度提高，促進(jìn)了農(nóng)場(chǎng)麥玉生產(chǎn)系統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高，進(jìn)而提高了系統(tǒng)生態(tài)經(jīng)濟(jì)效率。但是，由于不可更新資源利用程度提高，也增加了系統(tǒng)環(huán)境負(fù)載率，進(jìn)而使其可持續(xù)發(fā)展指數(shù)較低，有進(jìn)一步優(yōu)化提升的空間。未來(lái)，以種糧大戶為代表的華北平原適度規(guī)?；滦娃r(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體，應(yīng)針對(duì)該地區(qū)麥玉生產(chǎn)模式高資源消耗、高環(huán)境負(fù)載的固有特征，圍繞化肥投入、機(jī)械化應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮新型農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)主體優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化種植模式，應(yīng)用綠色農(nóng)藝技術(shù)，促進(jìn)華北平原糧食生產(chǎn)進(jìn)一步向綠色、高效、可持續(xù)轉(zhuǎn)型。