2021-4-9 | 生态经济论文
作者：王千 金晓斌 周寅康 单位：南京大学地理与海洋科学学院
增加粮食产量，提高农业综合生产能力是促进我国经济社会可持续发展的驱动力和保障力的有效举措。随着耕地自然生态系统与经济系统耦合程度的提高，在化石能源等不可再生资源日益枯竭，农药、化肥等常规种植业投入要素引起的生态环境问题日益恶化的严峻形势下，利用新方法、新技术对种植业生态经济系统的投入产出状况进行客观评估与分析，从而逐步实现由传统农业向生态型转变，成为区域粮食生产与耕地合理利用的迫切要求［1-2］。能值(Emergy)理论是目前对种植业生态经济系统进行能量分析的重要方法与手段。
该理论是由美国生态学家H．T．Odum等［3］于20世纪80年代在能量系统基础上创立的新兴理论方法，其为定量评价资源环境价值提供了科学依据与平台。在国外，能值理论在农业生产方面得到了广泛的应用，H．T．Odum、Brown、Ortega以及Ulgiati等［4-6］不仅构建了基础的能值分析指标体系，而且将其应用到国家、区域以及农场等尺度，并取得了具有一定意义的研究成果。国内，在研究尺度上，蓝盛芳等［7-9］开展了我国国家农业系统能值分析，以及广东、海南等省的省级农业系统分析;董孝斌等［10］分析了黄土高原典型流域农业生态系统能值特点;陆宏芳等［11-13］对市级农业系统和水稻、水产、复合农林业系统的能值特点进行了研究;白瑜等［14］进行了耕地系统能值分析和不同耕作技术的能值分析研究。从研究内容上看，国内学者主要集中于基于能值理论的区域能值利用特征、能值时间变化序列特点［15］以及农业生态经济系统可持续利用等方面的研究与分析。
格局分析是地理学与景观生态学研究的重要内容，“格局影响过程，过程反衍机理，机理揭示规律”。种植业生态经济系统能值指标空间格局研究，为高效合理利用人类社会经济系统中的不可再生资源，充分挖掘自然生态环境资源生产潜力，制定科学合理的区域耕地保护政策提供依据［16］。而就目前研究而言，国内基于省域尺度县级层次的种植业生态经济系统投入产出能值指标的空间差异与态势研究还较为鲜见，尤其是针对我国粮食主要产区的种植业生态经济系统能值投入产出的研究仍需完善与加强。本研究基于能值理论与地理学研究中的空间分析技术，以国家粮食主产区河北省为例，估算了2009年河北省138个县种植业生态经济系统投入产出能值，重点探讨其在省域范围内的空间分布差异与特征。
1研究区域概况
河北省位于华北平原中部(36°03'～42°40'N，113°27'～119°50'E)，总面积18.88×104km2;从北向南依次为冀北坝上高原、冀北(燕山)山地和冀西北山间盆地，自东向西依次为太行山山地、太行山山前平原—燕山山前平原和冀中平原—滨海平原。区域内光热资源丰富，呈北高南低、东西高中间低的分布趋势。降水量时空分布不均匀，总体上东南部地区多于西北部地区。2009年全省耕地面积为5.90×106hm2。河北省是《全国新增1000亿斤粮食生产能力规划(2009—2020)》中所设置的国家级重要粮食主产区，为我国粮食安全、保障京津冀都市圈的粮食供应与经济的良性发展发挥着关键作用。
2数据来源与研究方法
2.1数据来源与处理
本研究数据主要来源于河北省统计年鉴、河北省土地资源调查数据及环境质量公报等相关资料。采用9.44×1024sej/a的全球能值基准值，具体能值转化率主要来自Odum与蓝盛芳等学者的研究成果［17］，所涉及到的能量折算数据主要参考《农业生态学》［18］和《农业技术经济手册》［19］。
2.2研究方法
2.2.1能值理论能值，即一种流动或储存的能量所包含的另一种类别能量的数量，其常用单位为太阳能焦耳(sej)。单位能量(或物质)所含的太阳能量称为太阳能值转换率，单位为sej/J(或sej/g)，是度量某种能量(或物质)质量的尺度。通过相应的能值转换率，可将不同能质的能量转换为其所包含的太阳能值，达到统一度量评价的目的。根据Odum、Ulgiati和Brown以及陆宏芳等［20］的研究成果，种植业能值分析流程为:①收集整理资料，客观全面地收集与整理耕地生态经济系统的能物流、信息流、货币流及人口流资料;②绘制能值系统图，根据研究内容确定系统的主要能源，找出主要能源之间的关系，以符号化语言形式表示绘制能值系统图;③编制能值分析表，能值分析表包括资源类别、资源能流量、太阳能值转换率及太阳能值等项;④筛选能值指标，选择能值指标对区域种植业能值经济系统进行评价与分析。根据河北省种植制度与耕地利用特征，绘制能值系统图，如图1。在对已有研究成果所涉及到的能值指标进行初选的基础上，邀请了相关研究领域的专家进行筛选，进而构建了河北省县级层次种植业生态经济系统能值评价指标体系，见表1。
2.2.2变异系数法变异系数法，又称为标准差模型，记为CV，是分析变量之间离散程度最常用的数学方法之一［21］。
2.2.3趋势面分析法趋势分析利用多重回归方法描述变量或变量集合在空间或时间上的大规模系统变化问题。趋势分析方法能够查明和刻画研究变量在研究区域内的空间分布趋势与格局，通过一般线性模型———最小二乘法用数学曲面(多项式曲面)拟合图面观测数据［22］。运用ArcGIS软件中的地统计学模块的趋势分析工具，可以获得各指标异向性分布特征以及空间分布趋势效应特征。趋势效应一般分为0阶(没有趋势效应)、常量(区域化变量沿一定方向呈常量增加或者减少)、一阶(区域化变量沿一定方向呈直线变化)、二阶或多阶(区域化变量沿一定方向呈多项式变化)。
3研究结果
3.1河北省种植业能值投入空间格局与态势
利用ArcGIS空间分析工具，分析河北省种植业生态经济系统能值投入与产出空间格局特征与态势(如图2、图3)，利用自然断点法(NaturalBreak)对各能值指标进行分级，见表2。河北省种植业经济生态系统可更新资源能值(R)如图2(a)所示，Ⅰ级区主要分布在衡水—沧州—邢台地区和张家口地区，其中衡水—沧州—邢台地区降水充沛，地上水资源丰富，张家口地区海拔较高且耕地面积较大;Ⅱ级区主要分布在河北省中部平原区;Ⅲ级区主要分布在太行山山地丘陵区，该区域降水较少且蒸发量较大，影响了可更新资源能值大小。在省域范围内可更新资源能值(R)由北向南呈递减趋势，由西向东呈增加态势，平均值为4.10×1014sej，其变异系数为0.226。经分析可知，耕地面积与降雨量是河北省县级种植业可更新资源能值高低的重要影响因素。河北省种植业经济生态系统不可更新资源能值(N)如图2(b)所示，Ⅰ级区主要位于冀北坝上高原地区，该地区系内蒙古高原的南缘，土壤主要为栗钙土，土壤质地粗而土层薄，易受风蚀和水侵，N值较高;Ⅱ级区主要分布在石家庄的西部地区和承德中部地区，分别属于太行山南段山地和燕山山地，土壤类型主要为草甸土、淋溶褐土和棕壤为主，河网密度较大，该区植被为阔叶林和灌丛草原类型，高植被覆盖率，降低了区域土壤侵蚀;Ⅲ级区主要位于河北省中西部地区，该区域属于冀中平原区，土壤侵蚀相对较小。在省域范围内不可更新资源能值(N)由北向南呈“U”型分布，在东西方向上呈倒“U”型分布，其平均值4.64×1020sej，变异系数为0.166。河北省种植业经济生态系统工业辅助能能值(FN)如图2(c)所示，Ⅰ级区主要分布在石家庄的东部—唐山和秦皇岛的中东部地区，该地区处于太行山山前平原和燕山山前平原区，区域地势平坦，经济发展水平较高，农业投入较大;Ⅱ级区，河北省东南部地区的邯郸—沧州—邢台地区，该区域农业基础设施较为薄弱，使得工业辅助能能值投入相对较低;Ⅲ级区主要分布在张家口—承德地区，该地区属于河北省经济欠发达地区，农业生产条件较差，其中张家口的北部地区已属于冀北坝上高原区，受到自然条件和经济发展水平的双重约束，导致工业辅助能能值投入较低。在省域范围内工业辅助能能值(FN)由北向南呈递减趋势，在东西方向上呈“U”型分布，平均值为3.23×1018sej，最大值在赞皇县，为9.40×1018sej，最小值在广宗县，为1.02×1018sej，变异系数为0.263。河北省种植业经济生态系统有机能能值(FR)如图2(d)所示，Ⅰ级区主要分布在省域北部的张家口地区;Ⅱ级区主要分布在燕山—太行山山麓地区;Ⅲ级区主要分布在河北省的平原地区。有机能能值(FR)在东西方向上呈“U”型分布，南北方向上分布趋势不显著，FR变异系数较小，仅为0.224，其主要原因是随着农业现代化水平的提高，化石能源已经逐步取代有机肥成为农业生产的主要投入要素，其中尤以化肥、农药的使用最为广泛，加之机械化水平的提高，促使区域内有机能投入量减小，导致区际间的差异在缩小。有机能能值是提高种植业产量的重要能源，因此要加大区内有机肥、绿肥的投入水平，推广秸秆还田等农业新技术。河北省种植业经济生态系统能值投入功率(EmPower)如图2(e)所示，Ⅰ级区主要分布在石家庄—唐山地区，该区域耕地生态环境优良，可更新资源能值与工业辅助能能值投入较高，EmPower值较大;Ⅱ级区主要分布在邢台—邯郸—沧州地区，该地区作为传统的农耕区，农用地集约化程度较高;Ⅲ级区主要分布在张家口的北部地区，属于坝上高原区，自然能值投入较高，而工业辅助能能值投入水平低，影响了EmPower值。