黄土高原典型流域农业生态系统生产力的能值分析——以安塞县纸坊沟流域为例，本文主要内容关键词为：黄土高原论文,流域论文,安塞县论文,为例论文,生产力论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
黄土高原丘陵沟壑区是我国典型的农牧交错区和生态环境脆弱区，资源和环境问题一直是困扰该区稳定发展的瓶颈，而这一矛盾导致的直接后果是系统生产力水平低下。然而当众多的研究试图从其入手时，以往的经济学或生态学方法并不能清楚地分析资源环境的利用与保护及其相互作用的本质关系，而能值理论及分析方法为我们解决这一问题提供了很好的工具。能值分析是美国著名生态学家H.T.Odum在系统生态、能量生态、生态经济理论基础上于20世纪80年代创立的系统分析新方法和理论。能值分析常用太阳能值(solar emergy joules,sej)来衡量某一能量的能值大小。任何资源、产品或劳务形成所需直接和间接应用的太阳能之量就是其所具有的太阳能值[1]，单位为太阳能焦耳。能值分析为定量分析生态系统和复合生态系统提供了一个衡量和比较各种不同种类、不可比较的能量（能量流、物质流、经济流、信息流）的共同尺度和标准，该理论把自然、社会和经济等亚系统统一起来，可以定量分析自然和人类社会经济系统，资源与环境的真实价值以及它们之间的关系[2-4]。90年代以来国内外能值分析研究很活跃[2-11]，但进行生态环境脆弱区农业生态系统生产力分析的研究还未见报道。而研究一个区域农业生态系统的生产力对于调整该区域的农林牧结构、产业化选择、生态环境治理及最终实现生态经济的良性发展具有十分重要的意义，特别是在生态环境脆弱的黄土高原地区更有其现实意义。
2 研究区概况与研究方法
2.1 自然概况
纸坊沟流域地处黄土高原中心，属于陕西省安塞县，位于109°13′46″～109°16′03″E,36°42′42″～36°46′28″N，属丘陵沟壑区第二副区，面积8.27
，包括纸坊沟、寺崾岘、瓦树塌三个村，现有113户，499人，人口密度60.3人／。流域内大部分土壤是黄绵土，占总面积的77.1%。流域属暖温带半干旱气候区，年日照总时数2415.6h，年辐射量132Kcal/
，年平均气温8.8℃，≥10℃积温3113.9℃，平均无霜期159天。年平均降雨量549.1mm，但分布不均，7、8、9三个月降雨量占年降雨量的61.1%，且多暴雨，是造成水土流失的主要原因。流域内梁峁起伏，地形破碎，沟壑密度高达8.06km/，海拔1100～1400m。该流域从“六五”期间开始在中科院等单位的技术支持和大量投资下进行了长达20多年的综合治理，已经成为黄土高原地区的典型样板流域，1999年流域林草地总面积586.53
，林草覆盖率达70.9%，人均粮食产量603kg，农民人均纯收入2137元。
2.2 研究方法
高旺盛2002年提出农业系统生产力是由特定区域边界尺度下，由植物初级生产力(NPP)、动物次级生产力(SP)、农户经济生产力(FEP)以及生态系统服务生产力(ESP)四部分相互耦合形成的整体生产力[12]，利用此概念理论，采用以往科研成果和实际测量调查结果以及与农产访问相结合的方法，收集纸坊沟流域2001年统计资料和其他相关资料[13-16]，将各种物质能量的投入换算成能值量[2-4]，以系统生产力组成并结合一些能值指标进行分析。
3 结果与分析
3.1 纸坊沟流域环境与资源的能值投入结构分析
能值投入结构分析有助于从整体上评价特定区域农业系统的开放与发展程度。从表1可见，纸坊沟流域的总能值年投入量为
，与该流域的农林牧总产值比得其能值／货币比率为8.52×
sej/＄，高于1995年中国大陆能值／货币比率7.38×sej/＄[6]，远大于美国1983年能值／货币比率2.55×sej/＄[9]，这是因为该流域使用了大量无需付费的环境能值及其国民生产总值较低，这一结果表明纸坊沟流域仍属于工业化程度很低的纯农业地区。
表1 2001年纸坊沟流域的能值投入
Tab.1 Emergy input of Zhifanggou valley (2001)
注1、原始数据是根据调查的数据及参考文献14-16计算得到的。2、太阳能值转换率参考文献1-3,5-7。
进一步分析，该流域能值投入结构具有5个特点：一是纸坊沟流域环境投入能值占总能值投入的21%，低于海南省30%[8]的比率，但高于广东省1997年的14%[10]和意大利的1989年的12%[10]，而1996年全国所使用的环境能值占总能值用量的9%[5]，说明该流域的发展使用了较多的无偿环境能值；二是不可更新环境资源投入占总能值投入的7%，由于自然和人为的原因，纸坊沟流域农业生产系统中对不可更新环境资源的无效损失比较高，而土壤侵蚀是主要原因；三是不可更新的辅助能值投入占能值总投入的5.7%，低于海南省1994年的6.5%，其中机械能投入仅占不可更新辅助能值投入的7%，电力投入甚至低于1%，可见工业辅助能值的使用量非常低，说明农业系统仍处于粗放化阶段；四是可更新的有机能投入占总能值投入的73%，表明其农业能值投入仍以有机肥、劳动力等传统的有机能投入为主；第五方面值得注意的是在能值投入中人力能值投入占总能值投入的71%，而工业辅助能仅占总能值投入的5.7%，这是生态环境脆弱区存在的普遍问题，大量的人力能值投入形成了较低的劳动生产率，不利于培养产品的竞争力。
3.2 纸坊沟流域系统生产力各组分的能值分析
3.2.1 植物初级生产的能值分析 该流域的初级产品能值中以粮、油、菜为主（不包括秸杆）的农田系统的能值产出是主体，占总能值产出的39%（表2），表明种植业仍占据初级生产力中的绝对主导地位，不容忽视。从农田内部结构分析，不同作物的能值贡献大小不同，其中豆类最高，占纸坊沟流域的农田产出能值的53%，其次是玉米占15%，油料占9%，居第三位，说明该地区发展高能值作物（豆类、玉米）既有生态可行性，也是能值产出的重要成分。据我们调查，小杂粮豆的收入也是农民种植业的主要收入来源之一，因此今后继续积极发展这些特色产品。另外值得指出的是该流域产出的秸杆能值占总能值产出的8%，占农田产出能值的19%，占初级生产能值的13%，可以看出在以往的经济核算中常常被忽略的秸杆在该流域的能值生产中占了相当的份额，秸杆能值的储存可缓解冬春季节饲料缺乏的现状。
表2 2001年纸坊沟流域的能值产出
Tab.2 Emergy output of Zhifanggou valley (2001)
注：这里所指的初级生产没有包括林地茎叶和根的生物量，表中数据均为实地调查数据。
纸坊沟流域的林果产出能值占总产出能值的15%，占初级生产能值的23%，林果业本是这一地区的适合自然资源（日照充足，早晚温差大，海拔高，紫外线强，阴雨天少）的优势产业，在1994～1997年曾经历了一个高峰增长时期，但由于投入不足、品种退化、管理粗放，再加上市场供求信息的缺乏，经济林现在已经发挥不出前些年的效益优势，如不采取一定措施经济林将会退化为水保林或用材林，这将直接影响农民的收入水平。
目前人工草地产出能值仅占总能值产出的1%，这是因为人工草场的面积小，产出低，但是如加上天然草场的产出能值则占总能值产出的14%，接近于林果产出能值的比率，占初级生产总能值的18%。该流域的人工草场主要建在退耕后的坡地上，人工和天然草场的生物量都比较低，乔木和灌木的物种较单一，适生树种少，林木生产力水平低。当然这与当地的自然气候条件如降水有关，但是另一方面也是长期以来人为滥砍滥伐滥牧的结果。特别是上个世纪40年代以来，人口不断增长加上某些政策带来的短期行为，使原本是林草旺盛的次生林区变为70年代的无荒可开，农林牧生产严重失调，地力下降，水土流失十分剧烈的脆弱生态区，群众温饱问题都解决不了[14]。
3.2.2 动物次级生产的能值分析 纸坊沟流域的次级生产（畜产品）能值为63.05×
sej（表2），占总能值产山的38%。基本上与农产品的产出能值相近。另据测算，该流域的现有各种牲畜折羊单位为540个，而理论上该流域目前草场资源可以养活638个羊单位[14,15]，仅秸杆产出的能值其载畜量就达489个单位，总共可实现载畜量1127个羊单位，即使封闭天然草场禁牧后该流域仍可载畜749个羊单位，仍然大于现实饲养量。由此表明该流域经过20多年的生态恢复与重建之后，初级生产为牧业发展提供了比较充足的资源，促进农牧结合，发展高能值的牧业生产仍具有较大潜力。为了进一步分析初级生产与次级生产的关系，我们提山能值耦合度的概念：即系统内或系统间低质能（即指牧草和秸杆）转化成的高质能（即指牛羊肉和其毛类）占低质能总虽的百分数。纸坊沟流域的能值耦合度为(1.5+8.29)/(13.9+2.16+20.9)=26%，足以证明农牧耦合的效果并不好。另外需要关注的是次级生产中，耗粮较大的猪肉的产出能值最高，占次级生产能值量的83%，而我们所期望的以羊为主草食家畜的产出能值仅占16%，这一方面说明初级生产的低质能（牧草和秸杆）并未形成相应的次级高能值（羊产品），造成资源的浪费，另一方面过剩的低质能也是系统的驱动力，如加以合理利用必将实现系统间（初级生产与次级生产）的耦合效应[17]，农牧耦合产生能值增效的潜力巨大。
3.2.3 生态系统服务生产力及生态服务的能值分析 纸坊沟流域经过几十年的综合治理，植被得到恢复，生态环境得到改善，植物种类由原来的40科126种增至45科151种，每个种类的数量和生长量成倍的增加，呈现出植物多样性初期景象[16]。为进行其生态效益的能值测算我们采用生态系统服务价值的估算方法[18-25]来考虑其主要的土壤保持、涵养水源、固定
和释放
、维持营养物质循环功能并计算其服务价值和相应能值产出。生态系统服务是生态系统的特殊且重要功能，我们之所以把它作为系统生产力的一个重要组成部分来研究是因为其对系统的稳定与持续发展发挥着潜在的不容忽视的作用，它所能产生的价值量是巨大的，特别是在生态环境脆弱的黄土高原地区，可以把它作为恢复林草植被的效益的重要指标。该流域生态系统的土壤保持价值已达总服务价值约50%左右（表4），而据我们估算该流域所在的县域尺度上的安塞县的相应数值为5%[16]，说明随着植被恢复和生态环境的治理使得生态系统土壤保护功能显著提高。良好的生态环境在1995年、1997年的自然灾害中起到了一定的调节作用，使得纸坊沟流域粮食减产幅度是沟外减产幅度的一半[16]。表4计算结果还表明纸坊沟流域生态系统服务总价值
美元，折合人民币为
元，是该流域农业系统生产总值的14326倍，平均每人拥有的生态系统服务价值为
元。同样用能值也可以定量表示生态系统各服务功能的水平，这样也便于和流域的初级和次级生产进行比较分析。在纸坊沟流域生态系统服务价值中，由于固定和释放的服务价值很小也难于用能值计算，我们仅考虑土壤保持（根据土壤保持量中的所含的有机质、氮、磷、钾的能值量计算）、涵养水分（根据涵养水的能值量计算）和维持营养物质循环（根据维持有机质、氮、磷、钾等营养物质循环的能值量计算）的能值量。经计算上述三种生态系统服务所产生的总能值量为
，是该流域初级、次级生产总能值的29020倍，平均每人拥有的生态系统服务能值为
，以宏观经济价值表示为
美元，折合人民币
元。这意味着该流域20年来治理的生态系统为农牧林经济生产力的形成提供了巨大的服务功能和能值储备。
表3 纸坊沟流域生态系统服务价值
Tab.3 The value of ecosystem service in Zhifanggou valley
3.2.4 农户经济生产力的能值分析 农户经济生产力的形成是农业生态系统功能加强的最直接也是最重要体现，它是系统初级生产能值、次级生产能值经过市场或加工系统转化后为农户所形成的经济价值或经济收入。然而在以往能值分析中并没有反映农户经济生产力的能值指标，在此我们尝试用人均能值占有量[1]、人均农林畜产品的能值量[7]来反映农户的经济生产力水平。在能值分析中，人均能值使用量可以判断居民生活水平的高低，人均能值使用量越高，表示该国（区域）人民的生活水平越高[1]。纸坊沟流域人均能值使用量为
，只相当于全国1996年平均水平
sej[6]的68%，相当于美国1983年的
sej[9]的10%。我们可以认为纸坊沟流域农户经济生产力仍处于不发达的传统农业阶段，为促进其发展还应进一步增加能值投入。若把人均农林畜产品能值拥有量折成宏观经济价值（是指输入经济系统的某种能值对经济活动的贡献，如果折算成能值相当于多少货币，其折算方法是将输入或经济活动所产生的某种能值除以能值／货币比率[1]。），相当于人均拥有2938元的由潜在能值转化成的宏观经济产值。而纸坊沟流域2001年实际人均纯收入为2176元，其中非加工型的劳务等收入占53%，则真正来自农牧林系统的收入约1000元，相当于上述人均农林牧产品能值转化成宏观经济价值的1/3，这与我们所期望的由系统内产生的农牧耦合，能值增效所带来的人均能值占有量、人均收入水平增加的结果有相当大的差距，因此如何把潜在的能值宏观价值转化成农户的现实价值量是值得探讨的问题。
4 结论
经过20多年治理的纸坊沟流域不可更新的工业辅助能值占总能值投入的5.7%，可更新有机能值却占到了73%，说明该流域依然处于传统的粗放生产阶段。初级产品的能值中由粮、油、菜组成的农田产出是主体，与初级生产能值水平相比，动物次级生产能值水平较低，占总能值产出的38%，且低质能到高质能的转化率低下，农牧系统耦合的效果差。该流域的生态系统服务价值巨大，是该流域农业系统生产总值的14326倍，为农业系统生产力的形成创造了基础。另外，分析得出该流域现行的农户产业结构畸形而导致农业系统的产品能值的潜在经济价值向农户现实经济收入的转化能力低下，因此，调整农户的种植结构及产业配置是促进系统生产力高效转化的内在需求。可以预见随着封山育林的进一步实施及人工草场生产力的提高，舍饲养殖是必然之路，资源的能值利用率可相应提高，系统生产力的耦合效应才能得到体现，农林牧的发展才会从相互制约真正走向相互促进。
收稿日期：2003-05-17；修订日期：2003-08-29