任一生态系统, 总是不断地和周围环境进行着能量交换, 都有它独特的能量输入与输出方式。天然生态系统的能量输入主要是太阳能, 人工生态系统则除了太阳能之外, 还存在其他多种形式的附加能输入。这种人为投入的附加能称为人工辅助能。对于人工生态系统, 辅助能的投入具有极其重要的作用, 是维持系统运转, 保证系统产出所不可缺少的。
一个生态系统的能量产出情况, 一方面决定于投入能量的多少, 一方面则决定于该系统的结构是否合理和功能是否高效。所以一个系统的能量产出情况是衡量其结构功能的最重要的指标之一
对河南新县10户农户家庭生产过程中能量产投情况的测定, 取得连续3年的完整数据, 并对该系统的人工辅助能产投比进行了分析和研究。
《1 基本假设与计算方法[1,4,5]》
1 基本假设与计算方法[1,4,5]
《1.1基本假设》
1.1基本假设
1) 新县农业生态工程的子系统包括种植业、饲养业、加工业、沼气池和农户5个子系统。每个一级子系统又由若干个亚子系统组成, 如种植业子系统包括水稻、油菜等亚子系统。饲养业子系统包括鸡、猪等亚子系统。
2) 系统能量产投比的计算采用最常用的投入-产出法, 由亚子系统、子系统、全系统逐级进行, 本研究只涉及两个最重要的子系统, 即种植业子系统和饲养业子系统, 并且根据惯例, 输入能中不计入太阳能, 只涉及人工辅助能。对种植业来说, 输入能主要包括有机能 (种子、人力、畜力、有机肥等) 和无机能 (电、柴油、机械、化肥、农药等) ;输出则指农产品及副产品。饲养业的能量输入主要是饲料、人工等;输出则是指经过畜体加工转化而来的肉、蛋以及产生的粪尿等。
3) 生态系统与其他任何系统一样, 都是有边界的。种植业各亚子系统则是以各种植物的种植地块边界为其系统边界;饲养业则以各种牲畜的饲养场边界为其系统边界。
《1.2计算方法》
1.2计算方法
人工辅助能产投比的计算, 分种植业和饲养业两个子系统进行, 每个系统又分为多个亚子系统进行。每项能量的测定, 除电、柴油、人工、畜力等以外, 均由实际样品开始, 分别测定、计算, 然后逐级汇总, 计算得全系统的能量产投比。
下面以2002年游光尧户种植业的水稻生产和饲养业的猪生产为例, 介绍具体计算方法。
《1.2.1 水稻生产人工辅助能产投比的计算》
1.2.1 水稻生产人工辅助能产投比的计算
2002年, 游光尧户水稻种植面积为0.227 hm2。生产过程中, 使用稻种20 kg, 投入劳动力26个工作日, 畜力9个工作日, 有机肥1 000 kg (其中猪粪500 kg、牛粪500 kg) , 化肥265 kg (其中氮肥220 kg、磷肥40 kg、尿素5 kg) 。使用农药0.475 kg (其中甲醛0.35 kg、除草剂0.125 kg) , 秧田抽水灌溉用电80 kW·h, 机械脱粒花费34元, 耗费柴油2 kg, 机油0.17 kg。在能量输出方面, 共收获稻谷1 400 kg, 稻草1 000 kg, 根茬400 kg。
对投入与产出的能量逐项计算, 最后得出游光尧一户水稻子系统的人工辅助能产投比为2.168。具体计算如图1所示。
《图1》
Fig.1 The output-input ratio of artificial supplementary energy of rice productivity in 2002
种植业其他各亚子系统均按同样方法计算。
《1.2.2 2002年游光尧户猪养殖人工辅助能产投比的计算》
1.2.2 2002年游光尧户猪养殖人工辅助能产投比的计算
猪养殖的生产过程中, 投入的能量为1头子猪22.5 kg, 饲料1 450 kg (其中米糠900 kg、麸子150 kg、红薯400 kg) , 劳动力10个工作日, 另外其他投入24元。在能量输出方面, 出售成猪160 kg, 猪粪尿 1 400 kg。
对投入与产出的能量逐项计算, 最后得出游光尧一户猪养殖子系统的人工辅助能产投比为1.068。具体计算见图2。
《图2》
Fig.2 The output-input ratio of artificial supplementary energy of pig farm in 2002
饲养业其他亚子系统的能量产投比计算按同样方法进行。
分别计算10户农民各亚子系统能量产投比, 进行累加计算, 可以得出各年度10户典型农户系统的能量产投比。
《2 结果》
2 结果
《2.12000年10户农民人工辅助能产投比计算结果》
2.12000年10户农民人工辅助能产投比计算结果
2000年10户农民各子系统人工辅助能产投比计算结果列于表1和表2。
Table 1 The output-input of artificial supplementary energy of planting Sub-system in 2000
1010 J
《表1》
子系统名称 | 投入能 | 产出能 | 产/投 | ||
有机能 | 无机能 | 合计 | |||
水稻 | 4.127 | 3.938 | 8.065 | 35.574 | 4.41 |
油菜 | 6.744 | 1.232 | 7.967 | 18.196 | 2.28 |
总计 | 10.871 | 5.170 | 16.032 | 53.770 | 3.35 |
Table 2 The output-input of artificial supplementary energy of animal husbandry sub-system in 2000
1010 J
《表2》
子系统名称 | 投入能 | 产出能 | 产/投 | ||
有机能 | 无机能 | 合计 | |||
猪 | 17.085 | — | 17.085 | 16.118 | 0.94 |
鸡 | 2.557 | — | 2.557 | 1.027 | 0.40 |
总计 | 19.642 | — | 19.642 | 17.145 | 0.87 |
《2.22001年10户农民人工辅助能产投比计算结果》
2.22001年10户农民人工辅助能产投比计算结果
2001年各子系统设置与2000年相同, 10户农民各子系统人工辅助能产投比计算结果列于表3和表4。
Table 3 The output-input of artificial supplementary energy of planting sub-system in 2001
1010 J
《表3》
子系统名称 | 投入能 | 产出能 | 产/投 | ||
有机能 | 无机能 | 合计 | |||
水稻 | 2.987 | 4.139 | 7.1265 | 31.003 | 4.35 |
油菜 | 9.142 | 2.636 | 11.778 | 22.584 | 1.92 |
总计 | 12.129 | 6.775 | 18.904 | 53.587 | 2.83 |
Table 4 The output-input of artificial supplementary energy of animal husbandry sub-system in 2001
1010 J
《表4》
子系统名称 | 投入能 | 产出能 | 产/投 | ||
有机能 | 无机能 | 合计 | |||
猪 | 15.093 | — | 15.093 | 15.310 | 1.01 |
鸡 | 1.265 | — | 1.265 | 0.508 | 0.40 |
总计 | 16.358 | — | 16.358 | 15.818 | 0.97 |
《2.32002年10户农民人工辅助能产投比计算结果》
2.32002年10户农民人工辅助能产投比计算结果
2002年各子系统设置与2000年相同, 各子系统人工辅助能产投比计算结果列于表5和表6。
《2.42000—2002年新县10户农民人工辅助能投入产出情况汇总 (表7) 》
2.42000—2002年新县10户农民人工辅助能投入产出情况汇总 (表7)
《3 讨论与结论》
3 讨论与结论
1) 用人工辅助能产投比作为评价一个农业生态工程生产效率和农业可持续发展水平的指标, 已得到国内外学术界的普遍认可。因为它从根本上反映了生态系统的效率, 是一个生产系统结构与功能的总的体现。
Table 5 The output-input of artificial supplementary energy of planting sub-system in 2002
1010 J
《表5》
子系统名称 | 投入能 | 产出能 | 产/投 | ||
有机能 | 无机能 | 合计 | |||
水稻 | 3.128 | 3.040 | 6.168 | 34.53 | 5.60 |
油菜 | 9.471 | 1.234 | 10.705 | 18.398 | 1.72 |
总计 | 12.599 | 4.274 | 16.873 | 52.928 | 3.14 |
Table 6 The output-input of artificial supplementary energy of animal husbandry sub-system in 2002
1010 J
《表6》
子系统名称 | 投入能 | 产出能 | 产/投 | ||
有机能 | 无机能 | 合计 | |||
猪 | 19.372 | — | 19.372 | 19.326 | 0.99 |
鸡 | 2.354 | — | 2.354 | 0.481 | 0.20 |
总计 | 21.726 | — | 21.726 | 19.807 | 0.91 |
衡量一个农业生态工程的建设成效和农业可持续发展能力的指标有许多种, 不仅包括一般的经济效益指标, 而且还包括生态效益和社会效益指标, 是一个内容十分丰富的指标体系
任何一个生产系统, 特别是农业生产系统, 都是一个复杂的生态系统。生态系统最基本的特征, 或者说基本功能, 一个是能量流动, 一个是物质循环, 离开了这两点, 就不能称其为生态系统。同样, 离开了对这两点的研究分析, 也谈不上对生态系统的研究分析。生态系统有各种各样的分类法 (如功能分类、地区流域分类, 等等) , 但最本质的分类是按能量进行的分类。因此, 对生态系统的研究, 不能不把能量流动情况、能量投入产出情况作为一个重要内容加以讨论。英国的沃辛顿教授说:除非对每一系统的产量用净能量的产出来表示, 否则是无法进行比较、进行评价的
表7 2000—2002年新县10户农民人工辅助能投入产出总表
Table 7 The output-input of artificial supplementary energy of Xin Xian 10 peasants in 2000—2002
《表7》
户名 | 年份 | 总能量投 入/1010 J | 总能量产 出/1010 J | 产投比 | |
每年每户 | 平均 | ||||
| 2002 | 6.915 | 6.589 | 0.952 | ||
游光尧 | 2001 | 4.697 | 7.934 | 1.689 | 1.842 |
| 2000 | 1.897 | 5.473 | 2.885 | ||
| 2002 | 1.399 | 3.468 | 2.478 | ||
游启志 | 2001 | 2.728 | 4.882 | 1.789 | 2.271 |
| 2000 | 3.224 | 8.210 | 2.546 | ||
| 2002 | 3.948 | 8.576 | 2.172 | ||
游光华 | 2001 | 1.521 | 5.042 | 3.314 | 2.797 |
| 2000 | 2.712 | 7.881 | 2.905 | ||
| 2002 | 3.700 | 10.467 | 2.828 | ||
刘开荣 | 2001 | 3.612 | 8.936 | 2.473 | 2.395 |
| 2000 | 5.009 | 9.443 | 1.885 | ||
| 2002 | 4.404 | 9.480 | 2.152 | ||
胡九根 | 2001 | 3.664 | 8.591 | 2.442 | 2.048 |
| 2000 | 3.718 | 5.765 | 1.550 | ||
| 2002 | 2.605 | 8.517 | 3.269 | ||
游光忠 | 2001 | 5.628 | 7.959 | 1.414 | 2.058 |
| 2000 | 5.306 | 7.917 | 1.492 | ||
| 2002 | 1.010 | 5.451 | 5.397 | ||
游光钊 | 2001 | 2.310 | 5.370 | 2.324 | 4.268 |
| 2000 | 0.978 | 6.441 | 6.585 | ||
游光朝 | 2002 | 1.292 | 7.792 | 6.030 | 6.849 |
| 2001 | 0.571 | 4.396 | 7.688 | ||
| 2002 | 6.061 | 8.600 | 1.418 | ||
叶立祥 | 2001 | 1.115 | 3.307 | 2.965 | 2.891 |
| 2000 | 0.751 | 3.222 | 4.290 | ||
| 2002 | 9.595 | 13.806 | 1.438 | ||
叶立华 | 2001 | 8.695 | 11.847 | 1.362 | 1.331 |
| 2000 | 9.909 | 11.840 | 1.194 | ||
| 2002 | 10965 | 82.746 | 2.019 | ||
10户总计 | 2001 | 33.209 | 68.624 | 2.066 | 2.02 |
| 2000 | 33.504 | 66.192 | 1.975 | ||
当今社会中, 企业与社会普遍重视一个系统的经济效益, 而忽视其所带来的环境和生态问题。笔者认为, 生产者与经营者在追求经济利益最大化的同时, 也应考虑其所带来的多方面的影响, 如环境污染、生态破坏与资源浪费所造成的负面影响。这不仅是漂浮在一个系统的表面不合理现象, 它更本质地反映了整个系统的结构不合理, 这种不合理会直接或间接地延伸影响到整个系统的经济效益。也就是说, 存在于这种系统中的人工辅助能产投比高低、结构是否合理与通常意义的经济效益的高低是密不可分的。所以, 既要抓整个系统的经济效益指标, 更要抓住其生态效益指标, 如人工辅助能产投比数据指标, 只有把两者紧密地结合起来, 才能更好地完善整个人工生态系统。
2) 本研究中能量产投比的计算, 采用最简单也是最常用的投入-产出法, 在计算过程中分别以种植业中的某一作物或饲养业某一家禽的饲养场为该系统的计算边界, 这样做的优点是:边界比较清楚, 计算准确, 可以反映每一子系统的生产 (及生态) 效率, 反映出各子系统间的联系及相互影响和各子系统对系统总体的贡献。
3) 研究结果表明, 从系统总体看, 10户家庭总的人工辅助能产投比都远高于1, 其中2000年为1.99, 2001年为2.01, 2002年为1.88。各年度的不同, 是和当年的生产情况紧密相连的, 比如当年气候如何, 投入情况, 将直接影响种植业的产量, 从而影响到植业的产投比;而饲养业的管理及饲料状况直接影响饲养业产投比, 都会对总的产投比形成影响。
为了评价新县生态农业建设在人工辅助能产投比方面的效果, 将新县与北京留民营村做一比较, (留民营是我国开展生态农业建设研究最早的村庄, 也是系统进行能量流、人工辅助能产投比等理论研究分析的单位, 获得的结果得到国内外一致的公认, 并予以高度评价) 。比较结果列于表8。从整体上看, 新县比留民营生态农业系统1983—1985人工辅助能产投比数据高了将近1倍 (留民营生态系统人工辅助能产投比1985年为1.2, 1984年为1.0, 1983年为1.33, 如表8所示) , 这充分说明, 新县在产业结构调整、提高农业科技含量、改变农业经营管理方式和生产模式产生的结果, 充分反映了新县农业可持续发展能力的提高, 也反映了当前我国农业在科学种田、先进技术的应用方面较之上世纪80年代有了巨大进步。
Table 8 Comparison of artificial supplementary energy between Xin xian and Liu min ying
《表8》
单位 | 行业 | 产投比 | |
分项产投比 | 总体产投比 | ||
新县 | 种植业 | 4.599 | 2.686 |
| 养殖业 | 0.774 | ||
留民营 | 种植业 | 2.312 | 1.401 |
| 养殖业 | 0.491 | ||
注:表中所有数据均为3年的平均结果
4) 从不同行业看, 种植业各年度的产投比为2000年3.35, 2001年2.83, 2002年3.14, 总的看来, 3年的能量产投比都是相对较高的 (参见表1、表3、表5) 。
2001年种植业产投比明显低于2000年和2002年, 2000年最高, 2002年次之, 主要原因是2001年新县遭受历史上百年不遇的旱灾, 导致水稻和油菜产量下降, 从而直接导致当年种植业能量产投比下降, 2002年是继2001年大灾害后的生产恢复增长期, 能量产投比较2001年增长了10.95 %。
在总投能中, 有机能投入比例为2000年67.8 %、2001年64.2 %、2002年74.2 %, 这反映在新县生态农业系统中, 有机能的投入比较高, 对于提高产品品质和保护耕地十分有利。
在种植业各亚子系统中, 能量产投比的差距也较大。其中水稻的能量产投比明显高于油菜, 3年水稻能量产投比分别为4.41, 4.35和5.60, 分别比油菜高0.93倍、1.27倍和2.26倍。这说明, 要进一步提高种植业的能量产投比, 必须努力提高油菜的能量产投比。这就要求从油菜生产的管理、肥料结构等方面加以改进。
5) 从饲养业的情况来看, 一般情况下, 畜禽为了维持自身生活的需要及活动, 消耗较多的能量, 因此总的产投比往往低于种植业。在本研究中各年度总的人工辅助能产投比为:2000年0.87, 2001年0.97, 2002年0.91 (参见表2、表4、表6) , 3年的能量产投比均比较低。其中, 猪养殖的能量产投比较高, 2000年为0.94, 2001年为1.01, 2002年为0.99, 这说明, 猪养殖系统是健康的。而鸡饲养业很低, 其中以叶立华一户2002年鸡养殖产投比最低为0.108, 而最高的游光华一户2002年鸡养殖也只有0.8, 这主要是由于一家一户生产中鸡饲养规模过小, 投入过多, 各户在饲养时, 过于闲散, 疏于管理, 不能有效地利用资源, 导致能量的流失和浪费。为此应改变经营方式, 采取集中、集约式经营, 不仅可以减少劳动力的投入, 还可以节约能源, 增加输出量, 达到少投入多产出, 提高人工辅助能产投比。
由研究结果及以上讨论, 可以得到如下的结论:
1) 系统能量产投比是衡量农业生态工程系统结构功能和建设成效的重要指标。新县10户农民人工辅助能产投比, 优于北京留民营村, 充分说明了新县近几年实行农业结构改革的作用, 反映了新县农业生产可持续发展能力的提高。
2) 种植业的能量产投比总的来看是相当高的。但内部各子系统间差距比较大, 水稻达到高产水平, 而油菜相对水稻要低得多。今后, 应降低无机能及人工辅助能的输入, 加强管理, 改进种植制度, 提高油菜等亚子系统的能量产投比。
3) 饲养业中猪养殖的能量产投比几年来一直比较高, 且比较稳定, 应当继续保持当前的饲养方式和制度。相对猪养殖, 鸡养殖的能量产投比要低得多, 因此, 应建立有效而节能的集约式大规模鸡场, 以提高人工辅助能产投比。
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