唐榮莉,唐興隆,張巫軍,2,段秀建,2,李經(jīng)勇,2,姚雄,2**

(1. 重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院 重慶 401329;2. 中國(guó)水稻研究所西南水稻研究中心 重慶 401329)

以重慶為代表的丘陵山區(qū)水稻(Oryza sativa)生產(chǎn)具有作業(yè)環(huán)節(jié)多、用工量大、勞動(dòng)強(qiáng)度高、收益低等特點(diǎn),區(qū)域農(nóng)戶退出水稻生產(chǎn)意愿明顯[1-2]。降低生產(chǎn)成本并提高生產(chǎn)效率是重慶地區(qū)穩(wěn)定水稻產(chǎn)能、確?？诩Z安全、破解水稻產(chǎn)業(yè)瓶頸的重要途徑之一。就水稻種植方式而言,以機(jī)插秧和直播為代表的輕簡(jiǎn)、高效種植方式替代傳統(tǒng)人工種植是提高水稻生產(chǎn)效益的重要途徑。機(jī)插秧和直播方式的耕、種、管、收等生產(chǎn)環(huán)節(jié)操作細(xì)節(jié)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要素組合與手插秧存在較大的差異,一定程度提高了耕作效率和經(jīng)濟(jì)收益[3]。但同時(shí),機(jī)插秧和直播種植方式增加了以石油能源為動(dòng)力的農(nóng)業(yè)機(jī)械及以石油制品為原料的農(nóng)業(yè)化學(xué)制品用量,其物質(zhì)、能量的投入普遍更高[4],一定程度上對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了壓力,若僅以市場(chǎng)利潤(rùn)為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)其優(yōu)劣,其結(jié)果難以反映不同水稻種植方式的經(jīng)濟(jì)與生態(tài)表現(xiàn),進(jìn)而影響先進(jìn)、適用、可持續(xù)的種植方式推廣應(yīng)用。因此,綜合成本收益和生態(tài)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評(píng)估重慶丘陵山區(qū)水稻不同種植方式的可持續(xù)性,對(duì)于水稻產(chǎn)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

能值分析法以太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)化率作為轉(zhuǎn)化單位,克服了難以統(tǒng)一比較不同類別能量的缺陷,將自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)亞系統(tǒng)的各種資源、能源、產(chǎn)品或勞務(wù)統(tǒng)一度量核算,轉(zhuǎn)化為其形成所需的太陽(yáng)能值進(jìn)行核算[5],現(xiàn)階段已成為研究農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益的重要方法[6]。該方法被廣泛應(yīng)用到不同種植系統(tǒng)、不同種植制度及不同經(jīng)營(yíng)主體的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的成本收益或能值差異分析。Lefroy 等[7]和Cuadra 等[8]應(yīng)用該方法分別比較了澳大利亞、尼加拉瓜等國(guó)家主要經(jīng)濟(jì)作物種植系統(tǒng)的能值特征及農(nóng)業(yè)可持續(xù)性特征;趙桂慎等[9]基于能值生態(tài)足跡法評(píng)價(jià)了山東省桓臺(tái)縣冬小麥(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)高投入高產(chǎn)出模式的可持續(xù)性;高永生[10]分析比較了壽縣淠河生態(tài)經(jīng)濟(jì)帶的國(guó)有農(nóng)場(chǎng)、種植大戶和傳統(tǒng)農(nóng)戶3 種經(jīng)營(yíng)模式生產(chǎn)過(guò)程中投入產(chǎn)出情況及能值結(jié)構(gòu)。近年來(lái),該方法被廣泛用于評(píng)估水稻經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)特征,鐘穎等[11]、朱冰瑩等[12]分別探討了稻-蛙生態(tài)種養(yǎng)模式、稻麥兩熟農(nóng)田徑流養(yǎng)分循環(huán)利用模式的運(yùn)作可持續(xù)性,孫衛(wèi)民等[13]對(duì)江西省雙季稻田7 種復(fù)種模式系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量折能、光合生產(chǎn)力、光能利用率、投入產(chǎn)出、運(yùn)行效率和環(huán)境負(fù)荷等進(jìn)行了綜合分析。湖南、廣州、湖北等地也基于能值分析的角度相繼開(kāi)展了不同大田作物系統(tǒng)、雙季稻種植模式、水旱輪作等種植系統(tǒng)的生產(chǎn)力、生態(tài)環(huán)境效益及生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)估[14-17]。

但現(xiàn)階段,尚缺少涵蓋具體生產(chǎn)細(xì)節(jié)的不同種植方式的稻作系統(tǒng)能值投入差異的評(píng)估研究,尤其少見(jiàn)針對(duì)西南丘陵山區(qū)常見(jiàn)稻作模式的比較研究。鑒于此,本文以全國(guó)糧食生產(chǎn)先進(jìn)縣-重慶市永川區(qū)的單季中稻為研究對(duì)象,以該區(qū)水稻主產(chǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)-來(lái)蘇鎮(zhèn)的水稻生產(chǎn)示范基地為數(shù)據(jù)采集點(diǎn),采用成本收益法以及能值分析法比較了人工、機(jī)插秧、直播等不同水稻種植方式的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)及成本收益、能值結(jié)構(gòu)和投入,并基于農(nóng)業(yè)資源環(huán)境指標(biāo)、能值經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)對(duì)不同水稻種植方式的生態(tài)可持續(xù)性進(jìn)行了定量評(píng)估,以期為西南丘陵山區(qū)水稻種植方式的合理選擇和區(qū)域水稻生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

重慶市位于中國(guó)西南部青藏高原與長(zhǎng)江中下游平原的過(guò)渡地帶,地處105°11′～110°11′E、28°10′～32°13′N,集大城市、大農(nóng)村、大山區(qū)、大庫(kù)區(qū)于一體,具有復(fù)雜多樣的生態(tài)環(huán)境背景[18-19]。重慶市屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,光溫水同季,立體氣候顯著,氣候資源豐富,年平均氣溫16～18 ℃,大部分地區(qū)降雨量1000～1350 mm,年日照時(shí)數(shù)1000～1400 h。重慶市全境以山地、丘陵為主,其中山地面積占全市總面積的76%,丘陵占22%,河谷平壩僅占2%[19]。根據(jù)《重慶統(tǒng)計(jì)年鑒-2021》數(shù)據(jù)[20],2020 年重慶市的糧食作物播種面積200.31 萬(wàn)hm2,其中水稻播種面積65.73 萬(wàn)hm2,約占32.8%;重慶市的糧食總產(chǎn)1081.4 萬(wàn)t,其中稻谷總產(chǎn)489.2 萬(wàn)t,約占45.2%。研究區(qū)域永川位于重慶市西部,現(xiàn)有耕地面積6.74 萬(wàn)hm2,常年糧食總產(chǎn)50 萬(wàn)t,水稻播種面積4 萬(wàn)hm2,稻谷總產(chǎn)35 萬(wàn)t,是我國(guó)800 強(qiáng)產(chǎn)糧大縣之一,5 次榮獲全國(guó)糧食生產(chǎn)先進(jìn)縣。來(lái)蘇鎮(zhèn)是重慶市永川區(qū)水稻主產(chǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和生產(chǎn)示范基地,水田面積為3569 hm2,大部分分布在地勢(shì)較為平坦區(qū)域,鎮(zhèn)內(nèi)全域已經(jīng)過(guò)土地整理和中低產(chǎn)田土改造,已建成穩(wěn)定高產(chǎn)的基本農(nóng)田,水稻種植方式涵蓋人工種植、機(jī)械插秧種植、水稻直播等多種方式,經(jīng)營(yíng)者涵蓋散戶、大戶和村集體多種模式,具有渝西水稻生產(chǎn)的典型性和代表性。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本研究以重慶市永川區(qū)水稻主產(chǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)-來(lái)蘇鎮(zhèn)的水稻生產(chǎn)示范基地為數(shù)據(jù)采集點(diǎn),采用成本收益核算方法和能值分析方法核算了人工插秧、機(jī)插秧以及直播3 種單季中稻種植方式的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)及成本收益、能值結(jié)構(gòu)和投入。數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)調(diào)研和實(shí)地調(diào)查,采集的數(shù)據(jù)主要包括單季中稻耕、種、管、收環(huán)節(jié)的管理特征、物質(zhì)消耗、能量消耗、用工量和各環(huán)節(jié)經(jīng)濟(jì)成本和收益等,其中經(jīng)濟(jì)投入和產(chǎn)出數(shù)據(jù)來(lái)源基于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶2018-2020 年3 年投入產(chǎn)出的記賬數(shù)據(jù)。研究的系統(tǒng)邊界僅為單季中稻的從種到收的生產(chǎn)過(guò)程,其中人工種植方式主要包含整地、育秧、人工種植、肥料管理、灌溉、病蟲(chóng)草害人工防治以及收獲7 個(gè)環(huán)節(jié);機(jī)插秧種植方式主要包含整地、集中育秧、機(jī)械插秧、肥料管理、灌溉、病蟲(chóng)草害無(wú)人機(jī)防治以及機(jī)械收獲7 個(gè)環(huán)節(jié);直播種植方式主要包含整地、機(jī)械直播、肥料管理、灌溉、病蟲(chóng)草無(wú)人機(jī)防治以及機(jī)械收獲6 個(gè)環(huán)節(jié)。此外,所有種植方式的稻谷收獲后還要經(jīng)歷運(yùn)輸和烘干。納入核算的種植系統(tǒng)不考慮再生稻以及中稻收割后油菜(Brassica napus)、蔬菜、經(jīng)濟(jì)作物等后續(xù)輪作系統(tǒng)。

1.3 成本收益核算方法

參照國(guó)家現(xiàn)行的農(nóng)產(chǎn)品成本收益核算體系的統(tǒng)計(jì)項(xiàng)目、水稻成本收益相關(guān)文獻(xiàn)[21-23],對(duì)單季中稻生產(chǎn)及投入的各個(gè)環(huán)節(jié)的成本收益進(jìn)行核算。

1.3.1 成本及收益構(gòu)成

單季中稻生產(chǎn)投入總成本包括物質(zhì)與服務(wù)費(fèi)、人工成本和土地成本。其中物質(zhì)與服務(wù)費(fèi)包括種子、肥料、農(nóng)藥、農(nóng)膜、秧盤(pán)、排灌、機(jī)械、管理以及其他方面的費(fèi)用;人工成本包括勞動(dòng)雇傭費(fèi)、家庭用功折價(jià)費(fèi)用等;土地成本考慮土地流轉(zhuǎn)租金和自營(yíng)地折租。單位面積農(nóng)產(chǎn)品收益包括主產(chǎn)品稻谷產(chǎn)值、種稻補(bǔ)貼以及土地直補(bǔ)3 部分。

1.3.2 收益核算

采用單位面積凈利潤(rùn)和單位面積成本利潤(rùn)率2個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量單季中稻生產(chǎn)的收益情況[22,24]。

凈利潤(rùn)越高表明生產(chǎn)效益越好;成本利潤(rùn)率越高,表明為取得利潤(rùn)而付出的代價(jià)越小。

1.4 能值分析方法

能值是在形成某種產(chǎn)品或服務(wù)的過(guò)程中直接和間接消耗的能量之和,原始數(shù)據(jù)以物質(zhì)量(g)、能量(J)或貨幣量(￥)給出,各物質(zhì)和能量統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為太陽(yáng)能值(sej)[25],根據(jù)實(shí)地調(diào)查資料和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)按照不同資源類別將各種環(huán)境資源、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料、要素及產(chǎn)品折算成太陽(yáng)能值進(jìn)行系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出的歸類。通過(guò)構(gòu)建農(nóng)業(yè)資源環(huán)境指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)3 類指標(biāo)比較不同種植方式的稻作系統(tǒng)對(duì)資源的利用情況。能值具體構(gòu)成要素、投入產(chǎn)出項(xiàng)目、系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的代號(hào)及表達(dá)式見(jiàn)表2-表4。

1.4.1 系統(tǒng)投入及產(chǎn)出

本研究核算的所投入能值包括可更新環(huán)境資源(太陽(yáng)能、風(fēng)能、雨水化學(xué)能、雨水勢(shì)能)、不可更新環(huán)境資源(土地有機(jī)質(zhì)損失)、不可更新工業(yè)輔助能(農(nóng)藥、氮肥、復(fù)合肥、塑料薄膜、秧盤(pán)、燃油動(dòng)力)、可更新的有機(jī)能(人力、種子和灌溉水),產(chǎn)品能值包括稻谷和秸稈。能量計(jì)算公式及主要能值折算系數(shù)參考藍(lán)盛芳等[25]、陸宏芳等[26]、張永杰[27]、周江等[4]參數(shù)的取值,重慶地區(qū)太陽(yáng)輻射量、表土層侵蝕量等參數(shù)取自相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料和文獻(xiàn)[28-29],具體核算公式及折算系數(shù)如下:

1.4.1.1 可更新環(huán)境資源能值(R)

太陽(yáng)能能值(sej)=生長(zhǎng)期單位面積太陽(yáng)總輻射量

1.4.1.2 不可更新環(huán)境資源能值(N)

1.4.1.3 不可更新工業(yè)輔助能能值(F)

1.4.1.4 可更新有機(jī)能能值(T)

1.4.1.5 產(chǎn)品能值(Y)

1.4.2 系統(tǒng)可持續(xù)性指標(biāo)

參考農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)價(jià)相關(guān)研究[9,11,16,27],使用上述能值計(jì)算方式獲取的可更新自然資源能值(R)、不可更新自然資源能值(N)、不可更新工業(yè)輔助能(F)、可更新有機(jī)能(T)、產(chǎn)品能值(Y)構(gòu)建農(nóng)業(yè)資源環(huán)境指標(biāo)、能值經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)3 類指標(biāo)13 個(gè)指數(shù)對(duì)不同單季中稻種植方式的能值可持續(xù)性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。其中農(nóng)業(yè)資源環(huán)境指標(biāo)包括能值自給率、工業(yè)輔助能比值、可更新有機(jī)能比值、環(huán)境負(fù)載率、可更新環(huán)境資源能值比、不可更新環(huán)境資源能值比6 個(gè)指標(biāo);能值經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括購(gòu)買能值比率、能值投入率、凈能值產(chǎn)出率、能值投入密度、能值產(chǎn)出密度、能值產(chǎn)投比6個(gè)指標(biāo);可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)為系統(tǒng)能值可持續(xù)性指數(shù)。各類指標(biāo)的計(jì)算表達(dá)式及釋義詳見(jiàn)表4。

2 結(jié)果與分析

2.1 單季中稻不同種植方式的成本收益

2.1.1 主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)及投入

3 種種植方式的單季中稻主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在差異,其單位面積(hm2)投入人工量及貨幣成本構(gòu)成見(jiàn)圖1。人工種植方式中整地、灌溉、收獲3 個(gè)環(huán)節(jié)涉及機(jī)械使用,全過(guò)程每公頃綜合用工量約為81.16工;機(jī)插秧種植方式中整地、灌溉、機(jī)插、病蟲(chóng)草害防治、收獲5 個(gè)環(huán)節(jié)涉及機(jī)械使用,全過(guò)程每公頃綜合用工量約為34.81 工;單季中稻直播種植方式在整地、播種、灌溉、病蟲(chóng)草害防治、收獲5 個(gè)環(huán)節(jié)涉及機(jī)械使用,全過(guò)程每公頃綜合用工量約為41.27 工。此外,所有種植方式的稻谷收獲后還要經(jīng)歷運(yùn)輸和烘干環(huán)節(jié)的投入和耗能。

圖1 單季中稻不同種植方式的主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)及投入成本Fig.1 Main production links and input costs of single mid-season rice system under different planting modes

2.1.2 種植成本及收益

參照國(guó)家現(xiàn)行的農(nóng)產(chǎn)品成本收益核算體系,綜合3 種種植方式主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)的貨幣成本、2018-2020 年糧食單產(chǎn)和生產(chǎn)補(bǔ)貼、2019 年政府收購(gòu)價(jià)(2.52 ￥·kg-1)核算了單位面積不同單季中稻種植方式的成本及收益構(gòu)成,結(jié)果見(jiàn)表1。人工種植、機(jī)插秧、直播種植方式水稻產(chǎn)量分別為8250 kg·hm-2、8700 kg·hm-2和9000 kg·hm-2;人工、機(jī)插秧、直播種植方式對(duì)應(yīng)的每公頃投入成本分別為25 153.50 元、21 112.50 元和22 507.50 元,收入分別為24 240.00 元、24 474.00 元和25 230.00 元。從種植一季中稻的收益來(lái)看,機(jī)插秧的成本利潤(rùn)率最高,直播次之,人工種植存在虧損。就成本構(gòu)成而言,各種植方式的物質(zhì)與服務(wù)費(fèi)用最高,為9538.50～10 920.00 元·hm-2,占總成本的37.92%～48.52%;其次為土地成本,占總成本的35.78%～42.63%;人工投入變幅最大,為1920.00～6615.00 元·hm-2,占總成本的9.09%～26.30%,是影響單季中稻生產(chǎn)是否盈利的重要因素。

表1 單季中稻不同種植方式的成本及收益核算Table 1 Costs and benefits of single mid-season rice system under different planting modes

2.2 單季中稻不同種植方式的能值投入產(chǎn)出

2.2.1 單季中稻系統(tǒng)能值結(jié)構(gòu)

根據(jù)Odum[5]創(chuàng)立的能量系統(tǒng)符號(hào)語(yǔ)言繪制出單季中稻種植系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖(圖2),環(huán)境資源總投入包括可更新環(huán)境資源和不可更新環(huán)境資源,可更新環(huán)境資源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、雨水勢(shì)能、雨水化學(xué)能。不可更新環(huán)境資源主要包括土地有機(jī)質(zhì)損失。輔助能投入由工業(yè)輔助能和可更新有機(jī)輔助能構(gòu)成,工業(yè)輔助能包括投入品和燃油動(dòng)力消耗兩種類型。其中投入品包括農(nóng)藥、化肥(氮肥、復(fù)合肥)、塑料薄膜以及育秧盤(pán)消耗所投入的能值。燃油動(dòng)力消耗包含整地、插秧、灌溉、收割以及烘干等環(huán)節(jié)的燃油動(dòng)力?？筛掠袡C(jī)能由人力、種子、灌溉水構(gòu)成。能值產(chǎn)出由水稻籽粒、水稻秸稈兩部分構(gòu)成。與同類研究相似,受數(shù)據(jù)可獲得性和對(duì)應(yīng)能值轉(zhuǎn)換系數(shù)缺失的影響,工業(yè)輔助能中的農(nóng)用機(jī)械折舊、使用的少量電力等因素未納入核算。土壤儲(chǔ)存庫(kù)中土壤水消耗、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗等因素也未納入核算系統(tǒng)。

圖2 單季中稻系統(tǒng)不同種植方式的能值流動(dòng)示意圖Fig.2 Emergy flow diagram of single mid-season rice system under different planting modes

2.2.2 能值投入分析

根據(jù)能值構(gòu)成要素對(duì)比人工、機(jī)插秧、直播3種中稻種植方式具體能量和物質(zhì)投入情況如表2 所示,其對(duì)應(yīng)的能值投入和產(chǎn)出結(jié)果如圖3 和表3 所示。其中環(huán)境資源總投入均為641.46E+14 sej·hm-2;總輔助能投入情況為機(jī)插秧(30.96E+14 sej·hm-2)＞人工種植(28.95E+14 sej·hm-2)＞直 播(28.32E+14 sej·hm-2)?？偰苤低度肭闆r為機(jī)插秧(672.42E+14 sej·hm-2)＞人工種植(670.41E+14 sej·hm-2)＞直播(669.78E+14 sej·hm-2),即直播模式投入的能值最低。

表2 單季中稻生態(tài)系統(tǒng)不同種植方式每公頃能量物質(zhì)投入產(chǎn)出情況Table 2 Composition elements of input/output of energy or materials per hectare of single mid-season rice system under different planting modes

具體而言,3 種中稻種植方式下可更新自然資源、不可更新環(huán)境資源均相同,輔助能投入存在較大差異。工業(yè)輔助能投入方面,機(jī)插秧(28.47E+14 sej·hm-2)＞人工 (24.66E+14 sej·hm-2) ＞直播(24.59E+14 sej·hm-2)?？筛掠袡C(jī)輔助能投入方面,人工 (4.29 E+14 sej·hm-2)＞直播(3.74E+14 sej·hm-2)＞機(jī)插秧(2.49 E+14 sej·hm-2)。工業(yè)輔助能包含投入品和燃油動(dòng)力消耗兩大類。投入品中肥料投入能耗最高(圖3),為12.60E+14～13.97E+14 sej·hm-2,其次是機(jī)插秧方式中秧盤(pán)能耗,為2.48E+14 sej·hm-2;燃油能源投入中消耗最高的環(huán)節(jié)為烘干,該環(huán)節(jié)的能值投入為整地、灌溉、插秧、收獲總投入能值的2.06～3.03 倍。可更新有機(jī)輔助能投入方面,人工種植方式的人力投入為其他兩種方式的1.96～2.39 倍,但其種子和灌溉水投入能值最低。直播方式下,灌溉水投入能值最高。機(jī)插秧方式由于其人工及灌溉水投入最低,僅種子投入能值略高于人工種植方式,其可更新有機(jī)輔助能投入最低。

圖3 單季中稻生態(tài)系統(tǒng)不同種植方式能值投入產(chǎn)出構(gòu)成要素Fig.3 Composition elements of emergy of single mid-season rice system under different planting modes

2.2.3 能值產(chǎn)出分析

從表3 可知,人工、機(jī)插秧、直播3 種種植方式下,水稻籽粒能值產(chǎn)出分別為4.80E+15 sej·hm-2、5.06E+15 sej·hm-2和5.24E+15 sej·hm-2;秸稈能值產(chǎn)出分別為3.06E+15 sej·hm-2、3.23E+15 sej·hm-2和3.35E+15 sej·hm-2。不同種植方式的單季中稻系統(tǒng)單位面積總能值產(chǎn)出為直播(8.58E+15 sej·hm-2)＞機(jī)插秧(8.28E+15 sej·hm-2)＞人工種植(7.86E+15 sej·hm-2)。能值產(chǎn)出表明稻作技術(shù)的改進(jìn)對(duì)總能值產(chǎn)出有一定的貢獻(xiàn),其中直播比機(jī)插秧帶來(lái)的總能值產(chǎn)出提高更大。

表3 單季中稻系統(tǒng)不同種植方式的能值投入產(chǎn)出Table 3 Emergy input/output items of single mid-season rice system under different planting modes sej·hm-2

2.3 單季中稻不同種植方式的能值評(píng)價(jià)

基于農(nóng)業(yè)資源環(huán)境指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)3 類指標(biāo)對(duì)不同單季中稻種植方式的能值進(jìn)行評(píng)價(jià)。各指標(biāo)的計(jì)算表達(dá)式詳見(jiàn)表4。

2.3.1 種植方式的資源環(huán)境壓力

農(nóng)業(yè)資源環(huán)境指標(biāo)可用以比較不同稻作系統(tǒng)對(duì)資源的利用情況和環(huán)境壓力。能值自給率、工業(yè)輔助能比值和有機(jī)輔助能比值這3 個(gè)指標(biāo)分別為環(huán)境資源能值、工業(yè)輔助能和有機(jī)輔助能除以系統(tǒng)投入能值總量,反映了系統(tǒng)對(duì)自然環(huán)境和工業(yè)投入的依賴程度;環(huán)境負(fù)載率等于不可更新資源能值與可更新資源能值的比率,用來(lái)衡量系統(tǒng)承受的環(huán)境壓力,數(shù)值越大,表明生產(chǎn)中對(duì)環(huán)境的破壞越大?？筛颅h(huán)境資源能值比、不可更新環(huán)境資源能值比分別為可更新和不可更新環(huán)境資源占系統(tǒng)投入能值總量的比例,可反映系統(tǒng)環(huán)境壓力情況。

表4 結(jié)果表明,不同種植方式下單季中稻系統(tǒng)的環(huán)境資源貢獻(xiàn),特別是可更新環(huán)境資源率占比高,均超過(guò)95%,工業(yè)輔助能和有機(jī)輔助能比值占比不超過(guò)5%,即3 類種植方式的單季中稻系統(tǒng)維持的能值主要來(lái)源于自然資源。能值自給率、可更新環(huán)境資源能值比均有直播＞人工種植＞機(jī)插秧。機(jī)插秧方式對(duì)工業(yè)投入的依賴程度最高,其工業(yè)輔助能比值約為其余兩種種植方式的1.15 倍。總體而言,3 類種植方式下的單季中稻對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的壓力相對(duì)較小,就不同種植方式對(duì)系統(tǒng)環(huán)境壓力而言,機(jī)插秧＞人工種植≈直播。

2.3.2 種植方式的能值投入產(chǎn)出

能值經(jīng)濟(jì)指標(biāo)共包括購(gòu)買能值比率、能值投入率、凈能值產(chǎn)出率、能值投入密度、能值產(chǎn)出密度、能值產(chǎn)投比6 個(gè)指標(biāo)(表4)。其中能值投入率等于生態(tài)系統(tǒng)投入的輔助能能值與環(huán)境資源能值比值,購(gòu)買能值比率為總輔助能投入占總投入能值的比重,能值投入密度是單位面積土地的能值投入量,這3個(gè)指標(biāo)可一定程度衡量種植模式經(jīng)濟(jì)投入的水平和環(huán)境負(fù)載程度,其值越大,表明系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)投入水平越高。由表4 可知,3 個(gè)指標(biāo)均以機(jī)插秧最高,人工種植次之,直播方式最低。即較人工種植和直播種植方式,機(jī)插秧投入了相對(duì)較多的購(gòu)買能值,其差異主要體現(xiàn)在育秧、插秧等環(huán)節(jié)的農(nóng)膜及秧盤(pán)等塑料制品投入上;人工種植的能值經(jīng)濟(jì)指標(biāo)略高于直播,主要體現(xiàn)在其花費(fèi)了更多的人力。

表4 單季中稻系統(tǒng)不同種植方式的能值評(píng)價(jià)Table 4 Emergy evaluation of single mid-season rice system under different planting modes

凈能值產(chǎn)出率等于系統(tǒng)產(chǎn)出總能值除以系統(tǒng)輔助能能值。在經(jīng)濟(jì)投入一定的情況下,其值越高,說(shuō)明系統(tǒng)產(chǎn)出的能值越高,即系統(tǒng)的資源利用效率越高。能值產(chǎn)出密度是單位面積土地的能值產(chǎn)出量。比值越大,則系統(tǒng)生產(chǎn)力水平越高;比值越小,則系統(tǒng)生產(chǎn)力水平越低。凈能值產(chǎn)出率為直播＞人工種植＞機(jī)插秧,能值產(chǎn)出密度有直播＞機(jī)插秧＞人工種植。這兩個(gè)指標(biāo)表明直播種植方式的生產(chǎn)效率和輔助能值投資回報(bào)率越高、區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)力越強(qiáng)、系統(tǒng)生產(chǎn)力水平越高。這是由于直播種植方式一方面提高了稻谷產(chǎn)量,系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益更好,另一方面具有最低的輔助能投入。

能值產(chǎn)投比可一定程度反映農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的管理及經(jīng)濟(jì)可持續(xù)水平。直播種植方式能值產(chǎn)投比最高(12.78%),其次為機(jī)插秧(12.31%),人工種植方式由于人力投入太高,其能值產(chǎn)投比最低(11.71%)。因此,就能值經(jīng)濟(jì)指標(biāo)而言,直播種植方式具有更強(qiáng)的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)力。

2.3.3 種植方式的系統(tǒng)能值可持續(xù)性

能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)是農(nóng)田系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率與環(huán)境負(fù)載率的比值,實(shí)質(zhì)上是可更新資源與不可更新資源之比,用以評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展性能,其數(shù)值越大,表明系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展態(tài)勢(shì)越好。由表4 可知,該指標(biāo)結(jié)果為直播(76.41)＞人工種植(68.33)＞機(jī)插秧(58.43),表明直播種植方式的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益最高,該種植方式的可持續(xù)發(fā)展性能最好。

3 討論

3.1 基于成本收益核算的種植方式可持續(xù)性

水稻生產(chǎn)成本過(guò)高導(dǎo)致種植效益不高且呈逐年下降趨勢(shì)[1],對(duì)重慶丘陵山區(qū)水稻種植面積的穩(wěn)定產(chǎn)生了很大影響。收益最大化是生產(chǎn)行為的根本動(dòng)機(jī),從支出項(xiàng)核算各類種植方式的經(jīng)濟(jì)成本短板,可為設(shè)定區(qū)域政策支撐提供決策支撐依據(jù)?；诔杀臼找鎸?duì)比3 類單季中稻種植方式分析可見(jiàn),水稻種植存在環(huán)節(jié)多、土地成本高、生產(chǎn)中物質(zhì)與服務(wù)費(fèi)用成本較高,而糧食收購(gòu)價(jià)格較低的問(wèn)題,研究區(qū)內(nèi)無(wú)論哪一類單季中稻種植方式,種糧收益均偏低或處于虧損,收本收益可持續(xù)性均較弱,這與廣州[24]、湖南、湖北、安徽、江西[30]等南方省市的種糧收益情況一致。人工種植方式的插秧環(huán)節(jié)用工量大,成本為其他兩種方式的2.56～3.45 倍,是其維持收益的主要的限制因素。改人工種植為機(jī)插秧,可大量節(jié)省用工量。機(jī)插秧種植方式具有省工節(jié)本的優(yōu)勢(shì),若從種糧利潤(rùn)率以及勞動(dòng)力投入角度考慮,優(yōu)先推薦機(jī)插秧種植方式。水稻直播種植方式雖然種糧利潤(rùn)率以及勞動(dòng)力投入略高于機(jī)插秧種植方式,但其具有單產(chǎn)最高的特點(diǎn),且省去使用秧田肥,肥料施用總量較低,可達(dá)到節(jié)省投入品的效果,在農(nóng)用地緊張、區(qū)域水資源充裕,需兼顧水稻產(chǎn)量和產(chǎn)值的情況下,優(yōu)先推薦水稻直播種植方式。

3.2 基于能值成本的種植方式可持續(xù)性

采用能值分析等方法對(duì)稻田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性進(jìn)行核算,有助于調(diào)整生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系,對(duì)自然資源的科學(xué)評(píng)估與合理利用具有重要的實(shí)踐價(jià)值。通過(guò)3 類種植方式的能值投入、產(chǎn)出及可持續(xù)性評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出,就本調(diào)查研究區(qū)域而言,無(wú)論是哪一種單季中稻種植方式,稻田生態(tài)系統(tǒng)可更新資源利用率均較高(表4),對(duì)工業(yè)輔助能依賴整體較低,凈能值產(chǎn)出率較高,環(huán)境壓力較小,生態(tài)可持續(xù)發(fā)展情況較理想。

就3 種種植模式的環(huán)境壓力指標(biāo)、能值經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、系統(tǒng)能值可持續(xù)性項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果而言,直播模式由于其能值自給率、可更新環(huán)境資源能值比、凈能值產(chǎn)出率均最高,能值投入率、購(gòu)買能值比率、能值投入密度3 個(gè)指標(biāo)均最低,系統(tǒng)能值可持續(xù)指數(shù)最高,故在環(huán)境可持續(xù)性、能值經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性和系統(tǒng)能值可持續(xù)性3 個(gè)方面均具有更強(qiáng)的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)力。即綜合來(lái)看,考慮區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性,直播種植方式因其對(duì)自然資源的充分利用和較低輔助能投入具有最大的推廣前景。

無(wú)論哪一種種植模式,環(huán)境資源能值投入成本相對(duì)固定,降低輔助能投入是進(jìn)一步提高種植系統(tǒng)生態(tài)可持續(xù)性的主要方向。就輔助能投入情況來(lái)看(表3),人工種植、機(jī)插秧種植和直播種植模式下工業(yè)輔助能投入分別為24.66 E+14 sej·hm-2、28.47 E+14 sej·hm-2和24.59 E+14 sej·hm-2,分別是人工輔助能投入的5.76 倍、11.42 倍和6.58 倍。肥料投入和烘干環(huán)節(jié)的燃油投入能耗是工業(yè)輔助能值投入主要構(gòu)成部分,這兩部分能值投入可占其49.00%～56.54%和27.32%～32.74%,這與同類研究得出的化肥和機(jī)械投入為輔助能的主要構(gòu)成結(jié)果一致[14,17];進(jìn)一步探索肥料的高效利用方式和降低水稻烘干的能耗應(yīng)是提高種植方式可持續(xù)的重要方向。

3.3 結(jié)果不確定性分析

就調(diào)查所用數(shù)據(jù)而言,鑒于丘陵山區(qū)地形地貌、田塊及農(nóng)戶生計(jì)方式構(gòu)成具有復(fù)雜性,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械類型、機(jī)械化程度及投入品的使用量存在差異,灌溉方式、經(jīng)營(yíng)規(guī)模、人工投入等也存在差異[30],調(diào)查區(qū)域的數(shù)據(jù)在外推時(shí),具有一定的不確定性。就核算方法而言,與其他同類研究類似,來(lái)自土壤的營(yíng)養(yǎng)及水分、少量電力及機(jī)械損耗能值未納入核算,評(píng)價(jià)結(jié)果未能反映稻作生態(tài)系統(tǒng)投入產(chǎn)出的全貌,一定程度低估了自然資本投入及輔助能投入的比重;此外,不同文獻(xiàn)中能值折算率存在較大差異[6],從而可能影響各環(huán)節(jié)能值所占比重。即受數(shù)據(jù)來(lái)源、區(qū)域成本差異、能值核算方法、區(qū)域差異等影響,本研究結(jié)果及結(jié)論存在一定的不確定性。盡管這些不足會(huì)影響結(jié)果的精確度,但不影響結(jié)論的方向性。

受農(nóng)戶對(duì)生產(chǎn)技術(shù)、種植方式的選擇或采納,及自身特征、技術(shù)特性、政府支持等多種因素的影響[31],未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),將長(zhǎng)期存在多種種植方式并存的情況。除了比較3 種模式的投入收益差異,以及能值投入產(chǎn)出差異外,本文重點(diǎn)分析了不同種植模式下的高投入環(huán)節(jié),以便進(jìn)一步挖掘降低水稻種植環(huán)節(jié)經(jīng)濟(jì)成本及能值投入的方法。并進(jìn)一步解決農(nóng)機(jī)數(shù)量、農(nóng)機(jī)服務(wù)、地塊零碎、水源不足等制約節(jié)本增效方式推廣的因素,從而引導(dǎo)區(qū)域水稻生產(chǎn)良性發(fā)展。

4 結(jié)論

種植方式的改進(jìn)是降低丘陵山區(qū)單季中稻生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率和增加種糧收入的重要措施。從成本收益和生態(tài)經(jīng)濟(jì)角度評(píng)估丘陵山區(qū)單季中稻不同種植方式的可持續(xù)性,對(duì)于以重慶為代表的丘陵山區(qū)單季中稻產(chǎn)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。在以重慶為代表的丘陵山區(qū),水稻直播種植方式的產(chǎn)量最高,機(jī)插秧次之,人工種植最低。從種植成本收益來(lái)看,3 類種植方式的種糧收益均偏低或處于虧損,經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性均較弱。農(nóng)業(yè)資源環(huán)境指標(biāo)結(jié)果表明3 種單季中稻種植方式對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的壓力均相對(duì)較小;能值經(jīng)濟(jì)指標(biāo)結(jié)果表明直播種植方式通過(guò)提高稻谷產(chǎn)量和較低輔助能投入,其能值產(chǎn)投比優(yōu)于機(jī)插秧和人工種植方式;能值可持續(xù)發(fā)展指數(shù)表明3 種單季中稻種植方式的稻作系統(tǒng)均以環(huán)境資源投入為主,屬于自然資源驅(qū)動(dòng)型生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)。綜合而言,研究區(qū)直播種植方式的社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)優(yōu)勢(shì)最高,可因地制宜加強(qiáng)區(qū)域推廣,同時(shí)應(yīng)充分挖掘降低水稻種植環(huán)節(jié)經(jīng)濟(jì)成本及能值投入的方法,引導(dǎo)區(qū)域水稻生產(chǎn)良性發(fā)展。