农业生态系统探究

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1研究区域与研究方法

1．1研究区域概况

山西省位于太行山和黄河中游之间(34。34．8’一40。43．4N’，110。14．6’一114。34．4’E1，总面积15．6万km2。该区总体上为山地高原地貌，属温带大陆性季风气候，春季干旱，夏季高温多雨，秋季爽朗，冬季寒冷干燥，年降水量400～650rflnl，>10~C年积温3000~C-4000~C，太阳辐射4900～6000MJ／m。全省80％以上的土地为山地丘陵，水土流失严重，水资源短缺。这已经成为农业发展的主要制约因素。山西省主要种植有小麦、玉米、谷子、高粱、大豆、薯类等粮食作物。1980-2008年的29年间，山西省粮食总产从1980年的685．7万t，增加到了2008年的1028万t，年均递增2．6％。而同期粮食播种面积则呈下降趋势，粮食播种面积从1980年的3．51×10hm下降到2008年的3．11×10hm2，年均递减0．61％。近年来，山西省农业机械、水利、电力发展较快，有效灌溉面积有所增加，化肥及农药的用量增大，有力地促进了农业生产的发展。

1．2研究方法

通过调查测算和文献搜索，获得1980---2008年的29年问山西省农业生态系统中有关自然环境、经济状况等的基础资料；根据上述资料计算各种来源的能值投入和不同的能值产出，并按照不同类别的资源进行归类，制作系统能值投入产出分析表；在能值投入产出分析表的基础上，建立农业生态系统能值指标体系；评价自然环境资源和经济活动对农业生态系统的贡献和作用，探求山西省农业生态系统结构与功能变化的基本规律。本研究的原始数据主要源于山西统计年鉴(山西省统计局，1981、1986、1991、1996、2001、2002、2006、2009)、中国统计年鉴(中国国家统计局，1981、1986、1991、1996、2001、2006、2009)，部分数据来自笔者的实地抽样调查，能量折算系数参考《简明农机手册》[51及骆世明等睁1的研究结果，能值转换率(基于新的全球能值基准)和计算方法参照Odumt】，Brownt“1，Bran&．Williamst及Campbellt”等的相关文献。

2结果与分析

2．1山西省农业生态系统主要年份能值分析表

应用能值理论及分析方法，对山西省农业生态经济系统的各种生态流1980-2008年历年的能值输入量及能值输出量进行了分析计算(具体过程略)，最后得出山西省农业生态系统主要能值指标汇总表(表1)。

2．2山西省农业生态系统能值总量变动趋势

从能值总量分析(表1)可以清楚地看出，29年中山西省农业生态系统的年总能值使用量基本上呈平缓增加的趋势，由1980年的1．03×10sej增长为2008年的1．11×10∞sej，2008年仅比1980年增长了9％，但年总能值产出却有了大幅度的增长，由1980年的3．33×10sej增长为2008年的9．36×10sei，增长了185％，这说明29年中山西省的农业资源利用效率有了十分显著的提高，同时山西省的农业生产效率有了十分显著的提高，即在能值投入总量基本相同的前提下获得了更多的能值产出。根据生态系统结构与功能关系的基本原理及系统投入产出的基本原理推断，系统的产出功能发生了巨大变化一定是系统的结构发生了重大变化，即农业生产效率之所以提高的原因，必然是由于农业生态系统能值投入结构及能值产出结构发生了重大变化。

2．3山西省农业生态系统能值投入结构变动趋势

农业生态系统能值投入由可更新环境能值、不可更新环境能值、不可更新工业辅助能值及可更新有机能值4部分构成。从能值投入的角度看，山西省农业生产效率的提高是由于农业生态系统能值投入结构发生了变化。最明显的变化是，不可更新工业辅助能值显著增加，而可更新有机能值投入量有所下降。可以认为是这种变化导致了农业生产效率的大幅度提高。由能值投入结构变动趋势()可以看出，从198o__2008年的29年中，山西省农业生态系统不可更新工业辅助能值(主要是电力、化肥、机械、农药等)有了大幅度的增长，由1980年的1．11X10sej增长为2008年的2．17x10sej，增长了143％。伴随着不可更新工业辅助能值的增加，山西省农业生态系统可更新有机能值呈现平缓减少的趋势()。可更新有机能值在总能值投入里占主导地位，主要包括人力、畜力、有机肥、种子等投入，其中人类劳动力比重最大。从1980---2008年，可更新有机能值投入量有所下降，由8．12x10sej下降为7．53x10sej，主要是由于农业劳动力转离农业系统引起的，这是国家合理引导农村剩余劳动力流动的结果，但劳动力转移幅度并不大，从事农业的劳动力由1980年的702．58万人减少为2008年的638。9万人，29年里仅减少了不到1／10(9％)。由于劳动力能值的减少抵消了部分不可更新工业辅助能值的增加，因此，总能值使用量增加的趋势表现为平缓状态，但实际上内部已经发生了此消彼长的变化。总体来看，不可更新工业辅助能值趋向增加，可更新有机能值趋向减少，这对目前的山西省农业生态系统来说是一个良好的趋势，它意味着落后的农业手工劳动生产方式正在被先进的工业化手段所取代，山西省农业生态系统劳动力能值和工业辅助能值的搭配正在趋于合理化，从而促进了系统整体效率的提高。山西省的总环境能值投入所占总能值投入比重较小，平均值为11．28％。由能值投入结构变动趋势()可以看出，29年中可更新环境资源能值呈平缓增加的趋势，由1980年的9．47×10。sei增长为2008年的1．26x10sej，这主要是由于林地草地面积有一定程度的增加导致的，是国家退耕还林还草政策实施的结果。与此相对应，不可更新环境能值(主要是表土层损失)在2000年后呈现稳中有降的变动趋势()，说明自2000年起实施的退耕还林还草政策在一定程度遏制了水土流失面积的扩大，农业生态环境恶化的状况有所改善。从能值投入结构变动趋势(表1)还可以看出，自1980年以后，不可更新工业辅助能值的投入已经超过了总环境能值的投入，且超出的幅度越来越大，到2008年，总环境能值的投入为1．42x10sej，而不可更新工业辅助能值的投入为2．17x10控sej，后者是前者的1．6倍。这说明山西省农业生态系统的发展越来越依赖于工业辅助能值(主要是电力、化肥、机械、农药等)的投入，如果没有工业辅助能值的支撑，山西省农业生态系统的高效率将无法维持。

2．4山西省农业生态系统能值产出结构变动趋势

农业生态系统产业结构由种植业、畜牧业、林业及渔业4部分构成。系统能值产出总量的大幅度增加与这4个组成部分的变动情况有重大关系。29年中种牧林渔的量比关系由1980年的76：20：4：0变化为2008年的40．7：55．7：3：0．6，其中，种植业和畜牧业的量比关系发生了明显的此消彼长的变化(及表2)，种植业能值比重由75．98％降低到40．71％，畜牧业能值比重由20．45％增加到55．66％。这种结构性变化是农业结构调整优化的结果，也是山西省农业生态系统生产效率大幅提高的另一重要原因。从绝对量来看，种牧林渔4部分的能值产出均有不同程度的增加，但增加幅度最大的是畜牧业能值，畜牧业能值总量的增加对系统生产效率的提高发挥了重大作用。需要指出的是，种植业能值比重虽然大幅降低，但是，29年中种植业能值绝对量仍然呈增长趋势，由1980年的2．53x10sej增长到2008年的3．81×10se{，增长了66％。结合经济分析的结果，29年中山西省种植业单位面积产量提高很大，单产的提高是农业生产力提高的重要标志，这是系统整体运行效率提高的结果，与能值投入结构的优化有重大关系。从能值产出结构变动趋势图()可以看出，1980---1990年，山西省农业生态系统种植业能值产出呈大幅增长趋势，这是家庭联产承包责任制实行后，农业生产力得到释放，粮食产量得到大幅提高的时期。之后的l8年中，种植业能值呈现小幅波动状态，提高幅度不大，好象受到了某种阈值的限制。笔者认为这种限制来自于自然环境能值(土壤、水分、阳光等)投入的有限性及农业生产技术水平的有限性。自然环境能值投入的有限性是无法改变的，因此，如果没有农业技术的新的重大突破，则种植业能值产出很难再有显著的提高。能做的只是继续优化能值投入结构，并且在种植业结构上作一些合理的调整。从能值产出结构变动趋势(及表2)可以看出，1980---2008年，山西省畜牧业能值产出呈现出一路大幅攀升的趋势，由1980年的6．81×10sej迅猛增长到2008年的5-2l×l0sei，增长了665％。2005年以后畜牧业能值产出更是超过了种植业而跃居第1位，由此带动了整个系统能值产出的大幅提高，这是由于人民生活对肉奶蛋等畜产品需求的增加刺激了畜牧业的发展。随着养殖规模的扩大及人民生活水平的不断提高，畜牧业能值产出将来应该还会有大的增长，将继续发挥系统引擎的作用。山西省林业能值产出所占比重较小，从能值产出结构变动趋势()可以看出，1980-2008年，山西省林业能值产出呈现不断小幅增加的趋势。林地包括有林地、灌木林、疏林地、未成林造林地、迹地、苗圃等，林业能值产出主要来自有林地，而IlJ西省有林地仅占林地总面积的53．36％，发展空间还很大。随着国家退耕还林政策的进一步稳定实施，加之三北防护林工程、天然林保护工程、京津风沙源治理工程的继续实施，山西省的林业能值产出应该还会有大的提高。山西省渔业能值产出比重最小，但增长的幅度比较大()。29年中，由1980年的1．09x10sej增长到2008年的5．86x10柏sej，增长了53倍。尽管如此，由于山西省鱼类养殖只能在黄河沿岸等少数区域进行，受自然条件制约，对系统能值总产出的贡献不会很大。

2．5能值投资率变动趋势

能值投资率是指经济反馈能值(购买能值)与自然环境资源输入生产过程的能值之比值。经济反馈能值来自于人类社会经济系统，包括电力、机械、化肥、农药等各种生产资料所含的能值。经济反馈能值投入越大，则能值投资率越高，系统开发程度也越高，同时，系统生产成本也越高。反之，经济反馈能值投入过低，则环境资源得不到充分的开发，资源利用效率低下，系统发展水平处于落后不发达状态。因此，农业系统要具有竞争力，必须遵循能值投入搭配原则，即高能质的经济反馈资源与低能质的环境资源须搭配适当。中国农业生态系统1998年的能值投资率是4．93E“】，意大利农业生态系统1989年的能值投资率是7．55t”】。从1980--2008年，山西省农业生态系统能值投资率从1．04上升到1．53(表1)，呈现不断上升的趋势，这说明山西省经济反馈能值投入水平在不断提高，但是与国内平均水平和国际水平相比仍然差距甚远。因此，对山西省农业生态系统来说，经济反馈能值投入不是过高，而是过低，这使农业资源得不到高效的利用，制约了农业生产的发展。因此，以后应该继续增加对农业的经济投入，以进一步提高农业生产能力。

2．6值产出率变动趋势

净能值产出率可以用来说明某一地区生产活动的能值利用效率。如果生产过程中产出的能值大于自经济社会投入的能值，则净能值产出率大于1，系统有能值盈余；反之，如果产出的能值小于自经济社会投入的能值，则净能值产出率小于1，系统有能值亏损。由表1可以看出，山西省农业生态系统的净能值产出率呈不断提高的趋势，由1980年的O．36增加到2008年的0．96，说明随着能值投入结构的不断优化，山西省农业生态系统的能值产出在不断提高，已经由能值严重亏损阶段走向能值收支基本平衡阶段，照此趋势继续发展下去，有希望出现一定的能值盈余，为国民经济发展提供更有力的支撑。净能值产出率也反映了系统在获得经济输入能值上是否具有优势，这在一定程度上反映了系统的可持续发展状况。Odum认为该值应在1—6之间，如果一个系统的净能值产出率小于1，则该系统的能值将不会增加；如果一个系统的净能值产出率小于另一个系统的净能值产出率，那么该系统获得经济投资的机会和数额就会小于另一系统，从而降低该系统获得经济投入能值的竞争能力，最终会被净能值产出率高的系统所替代。目前，山西省农业生态系统在获得经济输入能值上显然处于劣势，改变这一劣势的途径在于进一步调整能值投入结构，提高农业现代化装备和技术。

2．7环境负载率变动趋势

29年间，山西省农业生态经济系统的环境负载率呈现缓慢降低的趋势，由1980年的9．87降低到2008年的7．83(表1)。尽管如此，这一数值仍然较高(海南2．44，新疆5．23t”】，甘肃6．08E]，中国2．8t)，这主要是因为山西省在单位面积农用土地上投入了相对较多劳动力造成的。环境负载率越高，一方面表明系统在能值利用上的技术水平越高，另一方面也反映了当地环境所承受的压力越大；非常高的环境负载率意味着经济活动对当地的环境压力过大，甚至可能会超过生态系统维持其稳定性的临界值，引发生态危机。Odum声称，这个比率很像电路上的负荷，一个较大的比率数值表明在经济系统中存在高强度的能值利用，同时对环境系统保持着较大压力。环境负载率是对经济系统的一种警示，若系统长期处于较高的环境负载率，将产生不可逆转的功能退化或丧失。山西省农业生态经济系统的环境负载率虽然较高，但是与东部沿海地区(浙江11．25E】，江苏23．16E。)相比，仍然不算太高，即增加农业投入的空间还很大。山西省农业生态经济系统的环境负载率有所降低的主要原因在于，山西省有1／3的未利用土地，29年来农业用地面积在原来的基础上有一定地增加，特别是林草地面积有所扩大，因而可更新环境资源能值有所增加。但是农业用地面积要继续扩大是十分困难的，因为剩余的未利用土地都属于难利用土地，因此，山西省农业生态系统环境负载率将会长期居高不下。解决的办法不是减少工业辅助能的投入，而是加大农业剩余劳动力的转移力度。

3讨论

1980--2008年，山西省农业生态系统的能值投入呈快速的增长趋势，其中源于经济系统的反馈能值的增长尤为明显。由于山西省的地质地貌、气候、生物、土壤等自然条件和人文要素，尤其是土地利用方面，都表现出过渡性和波动性特点，加之长期以来科学技术、资金投入以及人们对生态环境重要性认识的不足，导致了其生态环境不断恶化，旱涝灾害频繁、土地盐碱化、沙漠化和草地退化等问题目趋加重，环境资源能值投入呈现波动变化状态，从而影响着其农业生态系统生产力的稳定性。1980-2008年，山西省总人口已经由1980年的2530万人增加到2008年的3410万人。快速的人口增长需要更多的营养食品，通过农业生产获取更多食物的能力依赖于耕地和各种形式的能量输入。随着对有限资源需求的不断增加，山西省农业将面临严重的资源短缺和环境退化，因此建设一个高效又可持续的农业生态系统是非常必要的。

4结论

经过29年的演替发展，山西省农业生态系统生产效率有了十分显著的提高。其原因有二：第一，山西省农业生态系统能值投入结构发生了显著变化，不可更新工业辅助能值趋向增加，可更新有机能值趋向减少。这意味着落后的农业手工劳动生产方式正在被先进的工业化手段所取代，农业生态系统劳动力能值和工业辅助能值的搭配正在趋于合理化，从而促进了系统整体效率的提高；第二，由农业结构调整导致农业能值产出结构的优化，是山西省农业生态系统生产效率大幅提高的另一重要原因。畜牧业能值总量的增加对系统生产效率的提高发挥了重大作用。随着养殖规模的扩大及人民生活水平的不断提高，畜牧业能值产出将来应该还会有大的增长，将继续发挥系统引擎的作用。山西省农业生态系统的发展越来越依赖于工业辅助能值(主要是电力、化肥、机械、农药等)的投入，如果没有工业辅助能值的支撑，农业生态系统的高效率将无法维持。但是山西省农业生态系统在获得经济输入能值上处于劣势，改变这一劣势的途径在于进一步调整能值投入结构，提高农业现代化装备和技术。山西省农业生态系统环境负载率将会长期居高不下，解决的办法不是减少工业辅助能的投入，而是加大农业剩余劳动力的转移力度。山西省农业生态系统的能值产出在不断提高，已经由能值严重亏损阶段走向能值收支基本平衡阶段，照此趋势继续发展下去，有希望出现一定的能值盈余，为国民经济发展提供更有力的支撑。