农业生产过程既受到自然资源条件的约束, 又受到经济社会因素的影响, 并对自然环境和经济社会系统产生反馈作用, 农业系统是自然系统和经济系统共同作用的耦合系统。ODUM^[1]提出了著名的能值理论, 采用太阳能值将各类系统中不同能源流、物质流统一起来, 打破了原有人类经济社会和自然资源系统分析的割裂局面, 提高了系统研究的完整性和科学性。能值理论自创立以来, 在世界范围内广泛应用于农业生产系统^[2-5]、工业生产系统^[6]、森林生态系统^[7]、旅游生态系统^[8-9]、污水处理系统^[10]等的能量流动和代谢过程的分析和评价, 也为区域^[11]和行业可持续发展研究^[12]提供决策支持, 成为分析能量系统发展模式、演替规律, 衡量系统发展的社会、经济地位, 预测系统发展可持续性的重要方法之一^[13]。

三元相图法广泛应用于物理化学、地质学和冶金学等领域。GIANNETTI等^[14]和ALMEIDA等^[15]首次将三元相图法和能值分析结合起来, 定义并阐述了相图中各特征曲线的生态经济学内涵以及不同资源开发及利用模式下各系统资源配置关系的发展趋势。我国学者应用三元相图能值法研究不同区域(系统)的可持续发展态势并对系统资源配置关系进行预测^{[13, 16-17]}。

河北省地处环京津要地, 为京津冀地区提供农产品供应保障。然而, 当前农业生产过程中, 过量施用化肥、农药, 超采地下水用于农业灌溉等现象极为普遍, 导致资源浪费、环境污染、生物多样性锐减以及地下水位连年下降^[18-19]等一系列生态问题, 追求农业高产的同时付出了巨大的环境代价^[20], 严重制约着河北省农业生态经济系统发展的可持续性。因此, 客观认识和科学管理农业生产过程, 调整农业发展方向是实现河北省现代农业健康可持续发展的重要途径。笔者拟运用能值理论结合三元相图方法, 研究河北省2001—2016年农业生态经济系统的资源利用配置关系, 分析系统中各类资源投入结构和变动趋势, 对系统发展的可持续性进行预测并优化河北省农业生态经济系统可持续发展路径, 以期为河北省农业经济发展提供借鉴, 为其他类似地区提供参考。

1 研究区概况

河北省地处天津市和北京市外围, 36°05′~42°40′ N, 113°27′~119°50′ E, 总面积18.77万km²。气候属温带大陆性季风气候, 多年平均气温16 ℃, 多年平均降水量为532.65 mm(统计年份2001—2016年), 约80%降雨量集中在夏季(6—9月)^[21]。河北省土壤种类繁多, 从坝上高原地区的栗钙土逐步过渡到平原地区的潮土、沼泽土和盐土, 不同地貌类型的土壤具有较强的分带性。据统计, 2016年河北省水土流失面积为7 125.49千hm², 主要集中在太行山迎风坡地区。河北省为农业大省, 全省多年平均播种面积为8 744.06千hm², 盛产小麦、玉米、麻类、糖类、棉花、大豆、高粱、花生等。2016年全省总人口7 470.05万, 农业劳动力1 369.28 万。农、林、牧、渔业生产总值6 083.86亿元, 位居全国第6位^[22]。

2 研究方法 2.1 河北省农业生态经济系统能值分析

能值理论认为自然界所有能量均来自于太阳能, 其他形式的能量都是由太阳能直接或间接转化而来, 通常采用太阳能值为基准来衡量其他各种形式能量的大小。首先确定某单位物质或能量所需要的太阳能的量, 即太阳能值转换率, 然后用该种物质或能量乘以太阳能值转换率, 即为该种物质或能量所具有的太阳能值当量。

收集2002—2017年《河北农村统计年鉴》《河北省水资源公报》《河北省气候公报》《中国环境统计年鉴》等相关统计数据, 收集并整理河北省2001—2016年农业生产过程中的各类能源、资源投入数据, 对农业生态经济系统的主要能源流、资源流及配置进行了梳理(图 1)。系统主要输入能值包括可更新资源(包括风能、雨水势能、雨水化学能和太阳能)、不可更新资源〔包括农业灌溉水量(主要来源于地下水)和表土层损失〕和社会经济系统的反馈能值(包括农业机械动力、灌溉设施、农药、化肥、塑料薄膜、电力、劳动力和种子)。

2.2 能值指标及计算

以河北省农业生态经济系统相关统计数据为基础, 分析研究期间河北省农业生态经济系统主要能值流量, 并计算能值指标(表 1)。

能值产出率(emergy yield ratio, EYR, R_EY):系统的总能值与购买反馈能值之间的比例, 衡量某一过程通过引入外部资源开发和使用本地资源的效率, 由此产生对经济主体的潜在贡献。

环境负载率(environmental loading ratio, ELR, R_EL):不可更新资源和购买反馈资源的使用与可更新资源使用的比例, 反映系统对环境造成的压力程度和胁迫作用。

能值投资率(emergy investment ratio, EIR, R_EI):辅助能值总投入占环境资源总投入的比值, 可用于衡量系统经济发展程度和环境依赖程度。能值投资率越高, 表明系统对经济投入依赖程度越高, 对环境的依赖程度越小。

能值可持续发展指数(emergy sustainability index, ESI, I_ES):EYR与ELR之比, 衡量本地系统在单位环境负载条件下对系统的潜在贡献, 用于评价系统的可持续发展能力。

2.3 能值分析的三元相图法

三元相图指构成整体的成分由3部分组成，3部分的比例之和为100%，3个变量之间的配比关系与系统的状态及性质相对应。在三元相图能值分析中, 用一个等边三角形表示构成能值输入的3部分:可更新资源能值(R)、不可更新资源能值(N)和经济社会反馈能值(F), 每个部分对应三角形的一个顶点, 顶点到对边的距离看作是100%。三角形内部和各条边上不同位置的点对应了不同类型能值投入结构, 即三角形内部或边界上任一点到3条边的垂直距离表示该底边对应的顶点代表的资源类型在总能值输入中所占的比例。通过对系统和过程在能值相图中不同相点的研究和对比, 分析系统资源配置和发展趋势。

3 结果与分析

研究河北省各类资源能值投入结构变化时, 选取2001、2003、2005、2007、2009、2011、2013、2015和2016年的数据进行分析。通过观察原始数据发现, 2001年降雨量比研究期间年均降雨量低24.22%, 导致该年可更新资源能值投入比例显著偏小, 反馈资源能值投入比例偏大; 2016年农业机械动力比2015年下降33.33%, 同时该年降雨量为595.9 mm, 比研究期间年均降雨量高12.61%, 导致该年反馈资源能值投入比例下降, 可更新资源能值投入比例升高。表现在相图中, 2001和2016年相点偏离研究期间能值投入整体变化趋势。该研究进行单独分析, 重点通过比较2003和2015年2个年份分析系统能值投入变化趋势。

3.1 能值指标分析

河北省农业生产过程中, 可更新资源、不可更新资源和系统外部反馈资源能值比例及能值指标的计算结果表明, 研究期间系统可更新资源投入比例稳中有降, 不可更新资源投入比例则呈现单调下降趋势(表 2)。通过分析不可更新资源原始数据发现, 不可更新资源投入比例的降低主要是由于农业灌溉水量逐年下降。由于河北省地表水资源匮乏, 农业灌溉主要依赖于地下水。为缓解华北平原地下漏斗进一步扩大的趋势, 2014年河北省开展地下水超采综合治理试点, 农业灌溉水量下降速度加快。截至2017年, 全省各级农业部门通过休耕、引入节水品种、推广水肥一体化等措施实现累计压采量达18.6亿m^3[23], 年降幅3.32%~5.79%。另外, 南水北调中线工程一期工程于2014年底正式通水, 每年可为河北省提供约30亿m³水量, 能够有效缓解水资源供需矛盾, 通过“开源”、“节流”两方面措施为河北省实现地下水压采目标, 促进地下水资源采补平衡提供保障^[24]。系统经济社会的反馈能值投入比例呈增加趋势, 表明农业生产过程对外界资源的依赖加重, 同时加大了本地环境的负荷。2003年到2015年系统能值投资率和环境负载率呈逐年上升态势, 而能值产出率逐年下降。能值产出率的下降和环境负载率的升高, 直接导致系统能值可持续发展指数逐年下降(表 2)。

3.2 能值相图分析 3.2.1 资源线分析

利用能值计算结果, 将研究区农业生态经济系统2001—2016年的能值投入在三相图上表达出来。根据相图理论, 农业生产系统投入的3类资源配置可以用相图中不同的点进行描述。相图中, 平行于三角形3条边的一系列平行线成为该边对应顶点所代表的资源类型的资源线, 如平行于R′N′边的称为F′资源线。任一类型资源投入百分比由相点到该资源类型顶点对边的垂直距离来表示。在同一条资源线上的点表示这些点所对应的该类资源的投入比例相同。因此, 资源线可用于比较农业生产过程对各类资源的利用结构。根据能值指标的定义, 能值投资率、能值产出率与F′资源线相对应, 环境负载率与R′资源线相对应^[14]。

研究期间河北省农业生产的资源配置发生了变化。2003—2015年河北省可更新资源投入比例从32%下降到24%, 系统环境负载率从2.15上升至3.18, 意味着农业生产过程对不可更新资源依赖程度加大。图 2表明, 河北省农业生态经济系统中可更新资源能值的利用比例和反馈资源能值的利用比例表现为互为消长。2003年降雨量高达656.23 mm, 是研究期间降雨量最大年份, 导致该年可更新资源能值投入比例最大, 反馈能值投入比例最低。研究期间不可更新资源能值投入比例单调递减, 不可更新资源能值投入比例从2003年的18%降为2015年的14%, 说明农业系统对环境资源的依赖程度减弱, 导致系统的能值自给率逐渐下降。

研究期间经济社会反馈能值投入比例逐年攀升, 从2003年的50%上升到2015年的62%, 不可更新资源(工业辅助能值)配置比例的不断上升(0.21→0.37)必然伴随着系统能值投资率的上升(1.01→1.63), 意味着农业生产过程在利用等量的本地资源的同时需要投入更多的反馈能值, 产品中所凝聚的能值更多来自于系统外来能值资源的贡献。这部分不可更新资源的利用伴随着温室气体和污染物质的排放, 会对环境产生潜在的危险, 因此河北省应积极采取相关措施提高对不可更新的经济社会反馈资源的利用效率, 避免或降低该类资源利用的不利影响。

3.2.2 敏感线分析

相图中某一点与顶点的连线被定义为“敏感线”, 表示该顶点所对应资源类型的百分率沿这条直线变化, 而另2类资源的投入比例保持恒定。敏感线对于模拟系统中特定资源变化具有重要意义^[14-15]。图 3表明河北省农业生态经济系统的资源配置比例沿R′/N′比例保持稳定, 反馈能值比例增大的敏感线F″F′移动的发展路径(F″→F′)。河北省农业生态经济系统的R/N比约为1.71 :1, 高于辽宁朝阳市和抚顺市^[13]、宁夏固原市原州区^[25]等地区, 表明河北省农业生态经济系统投入的可更新资源大于不可更新资源投入, 即河北省比上述地区具有更为优越的自然环境和气候资源。结合前面的资源线分析, 虽然河北省自然环境基础相对较为优越, 但河北省农业生态经济系统反馈能值的投入比例仍在逐年提高(2003—2015年), 一方面反映了河北省农业生态经济系统更高的工业化程度, 另一方面也势必对当地有限的自然环境产生更大压力, 导致系统向不可持续的方向进一步发展。

3.2.3 可持续线分析

可持续发展指数(I_ES)定义为系统净能值产出率与环境负载率的比值。一般地, 一个国家或地区的生态经济系统净能值产出率越高, 环境负载率越低, 则认为这个国家或地区的生态经济系统是可持续的, 反之不可持续。具体而言, I_ES>10是经济不发达的象征, 表明对资源的开发利用力度不够; I_ES值在1和10之间表明经济系统富有活力和发展潜力; I_ES < 1为消费型经济系统, 此时系统的进口资源及劳务能值量在总能值使用量中所占比例较大, 对本地不可更新资源的利用也较大, 环境负载率较高^[6]。

在三元相图中通过对各点的计算绘出可持续性指标相同的点, 得出相等各点的连线, 称为可持续线。可持续线从N′顶点出发向R′F′边移动, 可持续线将相图划分为系统多个不同的可持续性发展区域。河北省农业生态经济系统能值相图中, 可持续性指标I_ES=1的可持续线以上部分表示系统生产过程的可持续指数大于1, 以下部分表示系统生产过程的可持续指数小于1。由图 4可知, 研究期间河北省各年农业生态经济系统可持续发展指数均小于1, 2003年I_ES取值最大为0.93, 其余年份I_ES逐年降低, 均值为0.60。I_ES值小于1意味着系统对当地资源的开发效率逐渐降低, 对本地自然环境的压力日益增大, 系统为消费型的生产过程, 长远来看系统发展不可持续。

值得注意的是, 相图中可持续线是将系统的能值产出视为1的情况下绘制的, 即系统的能值产出保持恒定, 如果考虑实际的能值产出, 计算可持续发展指数多年平均值为0.27, 同样低于临界值1。说明能值相图描述的系统可持续发展状况与实际较为符合, 研究期间系统的发展状况基本处于不可持续状态。然而, 2016年I_ES值有所提高, 可能原因是政府大力推广节水灌溉, 加上南水北调工程供水补给及较2015年相比降水增加16.67%, 导致2016年农业灌溉用水量即不可更新资源利用比例大幅度降低, 提高了系统可持续性。

3.2.4 系统发展趋势预测与建议

通过能值相图分析, 发现近年来河北省农业生态经济系统中, 可更新自然资源能值和不可更新自然资源能值投入比例虽有波动, 但两者比例相对稳定, 而来源于经济社会的反馈资源能值投入呈现显著增加趋势。2003—2015年, I_ES值下降幅度达45.16%, 年均下降约3.76%, 下降速度快于新疆精河县^[17], 相图中的相点位置表现为逐渐向右下方偏移, 即沿靠近顶点F的方向发展。从当前现状来看, 系统未来的发展方向分2种可能。一种可能是继续沿着反馈能值的敏感线(F″F′), 向着实心箭头的方向发展(图 5), 系统反馈能值投入进一步增加, 可更新资源能值投入比例继续下降, 系统可持续性进一步降低。加之外部资源主要以燃料、化肥、农药等形式存在, 反馈能值投入的大量增加势必会加大环境负荷, 对农业生态经济系统结构及功能造成一定负面影响。照此态势发展下去, 系统发展的不可持续性会得到进一步加强。

如若沿着实心箭头相反的方向, 降低反馈能值投入的同时, 增加可更新和不可更新资源能值的投入。由于系统可更新资源在特定时间段内的有限性和减少以及对系统不可更新资源的过度开发与利用的双重制约, 因此通过减少反馈能值的利用比例以适应系统本地资源的数量这一路径仍不可行^[17]。如果按照图6中所画的空心箭头方向, 即沿着系统可更新资源能值R的敏感线R′R″由R″→R′所指示的方向发展, 保持系统不可更新资源能值和反馈能值的比例基本稳定, 增加系统内部可更新资源能值的投入。沿着这一方向发展的过程中, 系统反馈能值的使用比例与系统不可更新资源投入比例同等程度的减少。据相关数据统计, 2001—2014年期间华北平原每年约有60亿~80亿t地下水亏损。通过提高可更新资源利用效率, 如对雨水资源的高效利用等, 可以大幅度降低用于农业灌溉的地下水开采量, 减缓地下水水位下降速度, 为地下水的自我更新争夺宝贵的时间。减少不可更新资源投入如减少表土层的损失等, 可以通过改变耕作措施对土地实行免耕, 减少土壤流失并能降低耕作所需的农业机械动力投入, 同时减少二氧化碳等温室气体的排放。对于减少反馈能值的投入, 可以通过减少化肥、农药等施用量, 增加有机肥的施用量, 采用新型抗虫抗旱高产品种, 实现农业低碳生产。以上措施都会极大促进农业生态经济系统的健康可持续发展。需要指出的是, 农业生态经济系统是一种能量系统, 要维持其结构和功能的“有序性”, 必须依赖于能量的输入(负熵)。能量等级高的资源类型, 在使用的过程中能量转化率和效率也越高, 高能质能量的输入会提高系统的生产效率和发展速度^[26]。因此, 现代农业生产过程中低能质的可更新资源只能在一定程度上替代高能质的反馈资源, 即可更新资源对反馈资源的替代作用是有限的。

4 结论

利用能值理论结合三元相图分析方法, 对河北省农业生态经济系统相关统计资料和数据进行分析, 研究河北省农业生态经济系统资源投入结构、变化趋势及可持续性, 对未来系统发展方向进行预测, 得出以下结论:

(1) 研究期间河北省农业生态经济系统资源投入结构不合理, 经济社会反馈能值投入比例逐年增加, 系统环境负载率和能值自给率逐年降低, 本地环境负荷增大。

(2) 河北省农业生态经济系统可持续指数小于1, 系统为消费型系统, 且系统发展不可持续性逐年增强。

(3) 针对当前系统投入结构不合理问题, 应在保持不可更新资源和经济社会反馈资源利用比例的基础上, 提高可更新资源利用比例, 提高系统可持续性。

该研究对河北省农业生态经济系统运行现状的评价及趋势预测是否客观取决于能值分析方法及统计数据两方面。能值分析指标选取是否全面, 以及数据统计来源、手段及标准均存在差异会影响研究结果的客观性。另外, 笔者重点研究河北省农业生态经济系统的资源投入结构, 下一步工作拟结合农业产出相关资料对城市系统、工业系统等对河北省农业生态经济系统的影响作进一步深入分析。