黑龙江垦区种养业生产系统可持续发展评价*

楚天舒，宋宇桐，杨增玲

（中国农业大学工学院，北京 100083）

0 引言

农业是国民经济的基础，关乎国家粮食安全、资源安全和生态安全[1]。近年来，农业可持续发展问题引起国际社会的广泛关注。2018 年联合国粮食及农业组织（FAO）在《粮食及农业转型以支持实现可持续发展目标》中将可持续农业作为重要的发展目标[2]。《全国农业可持续发展规划2015—2030》提出中国不同区域的农业持续发展方向与重点。因此，区域农业生产系统的可持续性发展评价与研究显得尤为重要。

能值分析作为一种系统评价方法，整合经济、社会、环境三大子系统，利用太阳能值转换率，将系统中无法直接进行比较的物质和能量统一为太阳能能值，进而对系统的能值流动、环境负荷和可持续性等方面进行定量评价分析[3]。近年来，能值分析已广泛应用于农业生产系统的各个子系统中，Wang 等[4]和Gang等[5]分别在浙江省域尺度和国家尺度上进行能值分析评价，均发现当下种植业生产中过度依赖工业化学品投入的问题。周江等[6]针对湖南水稻栽培进行的小尺度能值分析也发现工业品投入过多的问题。因此，减少粗放式工业化学品投入，对农业可持续发展显得至关重要。此外，朱冰莹等[7]运用能值分析方法对“秸秆—羊—田”复合生态循环系统与单一养殖系统进行比较分析，证实有机物循环利用可提升农业生产系统的可持续发展潜力；地中海地区“羊—农作物”生产系统[8]、辽河流域的“稻蟹共生”系统[9]、农村循环系统[10]进行能值评价也得到类似结果。田宜水等[11]通过构建能值流量、经济发展、资源利用、环境负载以及综合指数为主的能值评价体系，对某农业科技园区进行评价后，提出了调整产业结构、提高废弃物资源化转化率的建议。因此，应用能值分析方法评价种养业生产系统中的系统能量流动，有助于揭示投入到种养业生产系统中各种资源的构成，并从经济效益与环境效益等多角度评价，为促进系统的可持续性发展提供依据。

黑龙江垦区依靠较好的农业生产条件，着力于发展现代化大农业，从曾经的北大荒变成为现在的北大仓，成为中国农业先进生产力的代表。但水土资源过度消耗、农药化肥过度依赖等问题，正影响其农业生产稳定与可持续发展。随着农业供给侧结构性改革的深入推进，增强农业可持续发展能力成为农业改革发展的重点之一。因此，文章拟采用能值分析方法，以黑龙江垦区种养业生产系统为研究对象，综合分析2009—2018 年该系统其能值投入动态变化过程，评价该系统可持续发展水平，以期为其种养业绿色发展提供理论依据。

1 研究区域概况

黑龙江垦区土地总面积554 万hm2，地处小兴安岭南麓、松嫩平原和三江平原地区，是世界三大黑土带之一，土壤有机质含量高达45.6 g/kg，全氮含量为2.2 g/kg，有效磷含量为29.5 mg/kg，速效钾含量为178.1 mg/kg[12]。黑龙江垦区下辖宝泉岭局、红兴隆局、建三江局、牡丹江局、北安局、九三局、齐齐哈尔局、绥化局、哈尔滨局9 个管理局，总局设在哈尔滨市。2018 年黑龙江垦区农作物种植面积为289.30 万hm2，粮食总产量为2 279.64 万t，为国家提供商品粮2 165.65 万t，粮食商品率达95%，是我国重要的水稻、玉米和大豆等商品粮生产基地。在养殖业方面，大牲畜年末存栏量为20.488 8万头，肉类产量27.368 8 万t，牛奶产量37.614 2 万t，禽蛋产量2.961 7 万t。

2 研究方法与数据来源

2.1 能值计算方法及数据来源

该研究选取黑龙江垦区种植业和养殖业生产系统作为研究对象，确定系统边界，绘制系统能量流动图（图1）。能值投入（I） 分为可更新的环境资源（R）、不可更新的环境资源（N）、不可更新的工业辅助能（FN）以及可更新的有机能（FR）4 部分，能值产出（Y）分为主产品（Y1）和副产品（Y2）两部分。其中，可更新的环境资源包括太阳能、风能、雨水势能和雨水化学能；不可更新的环境资源包括表土层损失能和水；可更新的有机能包括有机肥、劳动力和种子；不可更新的工业辅助能包括化肥、农药、农膜、农业机械、柴油、电力、饲料、兽药、养殖舍；主产品包括作物籽粒和畜禽主产品（肉、蛋、奶等）；副产品包括作物秸秆和畜禽副产品（骨、血、毛等）。此外，畜禽养殖饲料主要来源于种植业，为了避免计算重复，暂不计算。不同养殖场使用兽药的种类和量均存在一定差异，且无统计值，暂不计算。不同养殖场的畜禽舍的主要建材和用量数据无法获得，暂不计算。

图1 黑龙江垦区种养业生产系统能量流动图

在能值投入的计算部分，基础公式为能值（sej）=某种物质的能量或质量（J 或kg）×能值转换率（sej/J 或sej/kg）。采用全球能值流动功率基准为12.0×1024seJ/a[13]，并对所有能值转化率进行校准。具体计算方法与数据来源详见表1。

表1 能值投入计算方法及数据来源

2.2 能值评价指标

为研究黑龙江种养业生产系统经济效益与可持续发展情况，该研究选取以下5个指标。

①单位产值能值投入量（EPV）。单位产值能值投入为种养业生产系统每创造单位产值的能值投入情况，即在经济角度衡量能值投入量。其值越小，系统每创造单位产值的能值投入越小，经济效益越好。采用的计算公式为：

EPV=I/V（1）

式（1）中，V为种养业的总产值，万元。

②种养业生产系统的能值转化率（UEV*）。在常规能值计算中，某农产品或畜产品的能值转化率，是由生产该产品所需的能值投入除以产品的折能系数而得，其值越小，产品生产效率越高[36]。因此，该研究将该计算思路类比到种养业生产系统中，计算种养业生产系统主产品的能值转化率，将能值投入除以主产品的能量。该值表征种养业生产系统中，主产品的生产效率。系统能值转化率越小，主产品的生产效率越高，采用的计算公式为：

UEV*=I/G（2）

式（2）（3）中，G为主产品的能量，J；PG,i为第i种农作物籽粒产量[15]，kg；DRYi为第i种农作物籽粒干物质比例[35]；RG,i为第i种农作物籽粒的折能系数，MJ/kg；PS,i为第i种畜禽主产品产量[15]，kg；RS,j为第j种畜禽主产品的折能系数，MJ/kg；106为MJ和J的单位转化系数；i=1，2，3，…，n，j=1，2，3，…，m。其中，由于部分数据老旧、缺失或不典型等问题，该研究团队实地采集12 种农作物119 个样品，实验测定其折能系数，详见表2。

表2 折能系数 MJ/kg

③能值产出率（EYR）。能值产出率是能值投入与购买性能值（不可更新的工业辅助能和可更新的有机能）之比，该指标表征系统对购买性能值的依赖程度。其值越小，系统对购买性能值依赖程度越高[40]。采用计算公式为：

EYR=I/(FN+FR) （4）

④环境负载率（ELR）。环境负载率为系统不可更新能值投入（包括不可更新的环境资源和不可更新的工业辅助能）与可更新能值投入（包括可更新的环境资源和可更新的有机能）之比，用于衡量种养业生产系统承受的环境压力。其值越大，系统需要不可更新能值投入多，可更新能值投入少，所承受的环境压力大。采用计算公式为：

ELR=(FN+N)/(R+FR) （5）

⑤可持续发展指数（ESI）。可持续发展指数用来衡量种养业生产系统的可持续发展水平[3]，由EYR 与ELR 相除计算获得，该指标表征单位环境负载下的经济效益[40]。其值越大，系统的能值产出越高，环境压力越小。采用计算公式为：

ESI=EYR/ELR （6）

2.3 敏感性分析

敏感性分析作为不确定性分析的常用方法，主要用于探究参数变化对模型输出结果的影响程度[41]。该研究将敏感性分析与能值分析方法相结合，旨在模拟探究能值投入参数变化对系统可持续发展水平的影响程度。为促进黑龙江垦区种养业可持续发展，以2018 年黑龙江垦区种养业生产系统的数据作为基础，对系统能值投入进行敏感性分析。由于可更新的环境资源和不可更新的环境资源是自然环境带来的能值投入，故暂且不考虑对其人工干预。因此，该研究对不可更新的工业辅助能和可更新的有机能进行敏感性分析，即通过增减不可更新的工业辅助能和可更新的有机能，模拟计算获得黑龙江垦区种养业生产系统可持续发展指数。这样可掌握不同条件下可持续发展指数的变化趋势，为优化系统能值投入结构提出相关建议。

3 结果与分析

根据能值分析方法和敏感性分析方法，计算得到2009—2018 年黑龙江垦区种养业生产系统的能值投入、能值评价指标和敏感性分析结果。

3.1 能值分析

3.1.1 能值投入

2009—2018 年黑龙江垦区种养业生产系统的能值投入呈现“增长—平稳”的趋势（图2）。2009 年黑龙江垦区种养业生产系统的能值投入为10.13×1021sej，2009—2012 年值投入量快速增长，平均年增长率为4.62 %，至2012 年达到最高值11.60×1021sej；2012 年后能值投入量呈现平稳趋势，至2018 年能值投入量为11.28×1021sej。在能值投入结构中，2012年不可更新的工业辅助能超过可更新的环境资源，约占能值投入的33.13%，为第一大来源；可更新的环境资源约占能值投入的31.07%，为第二大来源；可更新的有机能和不可更新的环境资源，分别约占能值投入的19.39 %和16.42 %。2018 年可更新的环境资源、不可更新的环境资源、不可更新的工业辅助能和可更新的有机能分别为3.66×1021、1.97×1021、3.80×1021和1.85×1021sej。

图2 2009—2018年黑龙江垦区种养业生产系统能值投入

进而，对占比最大的不可更新的工业辅助能的变化趋势和构成进行分析，2009—2018 年黑龙江垦区种养业生产系统的不可更新的工业辅助能同样呈现“增长—平稳”的趋势（图3）。2009年不可更新的工业辅助能为2.95×1021sej，2009—2012年不可更新的工业辅助能快速增长，平均年增长率达到9.27%，至2012年达到最高值3.84×1021sej；2012年后，不可更新的工业辅助能变化趋于平稳，到2018 年不可更新的工业辅助能为3.80×1021sej。其中，柴油和氮肥分别为1.09×1021sej 和1.13×1021sej，均约占不可更新的工业辅助能的1/3，为其主要构成部分。

图3 2009—2018年黑龙江垦区不可更新的工业辅助能

3.1.2 单位产值能值投入量（EPV）

2009—2018 年黑龙江垦区种养业生产系统的单位产值能值投入量呈现“下降—增长”趋势（图4）。2009 年单位产值能值投入量为1.81×1015sej/万元，2009—2012 年后单位产值能值投入量呈现快速下降趋势，平均年下降率为15.71%，2012 年达到最低值1.08×1015sej/万元。2012 年后单位产值能值投入量波动增长，2018 年为1.47×1015sej/万元。由此可见，近年来黑龙江垦区种养业生产系统的经济效益有所下降。

图4 2009—2018年黑龙江垦区种养业生产系统 单位产值能值投入量

3.1.3 种养业生产系统的能值转化率（UEV*）

2009—2018 年黑龙江垦区种养业生产系统的能值转化率呈现“波动”趋势，变化范围为3.04×104～3.58×104sej/J，其中，2018年能值转化率为3.16×104sej/J（图5）。这表明垦区种养业生产系统主产品的生产效率也处于“波动”状态，主要由近年来其种植结构和养殖结构调整所导致。

图5 2009—2018年黑龙江垦区种养业生产系统的能值转化率

3.1.4 能值产出率（EYR）

2009—2018年黑龙江垦区种养业生产系统的能值产出率变化较为稳定，变化范围为1.90～2.02，其中，2018年能值产出率则为2.00（图6）。由此可见，黑龙江垦区种养业生产系统对购买性能值较为依赖。

图6 2009—2018年黑龙江垦区种养业生产系统的能值产出率

3.1.5 环境负载率（ELR）

2009—2018 年黑龙江垦区种养业生产系统的环境负载率呈现“增长—平稳”的趋势（图7）。其中，2009 年环境负载率为0.81，2009—2015 年的环境负载率快速增高，平均年增长率为4.53%，主要源于垦区不可更新的工业辅助能投入的快速增高，至2018 为1.05。由此可见，近年来黑龙江垦区种养业生产系统的环境压力有所增大。

图7 2009—2018年黑龙江垦区种养业生产系统环境负载率

3.1.6 可持续发展指数（ESI）

2009—2018 年黑龙江垦区种养业生产系统的可持续发展指数呈现“下降—平稳”的趋势（图8）。其中，2009 年可持续发展指数为2.39，2009—2012年可持续发展指数快速下降，平均年下降率为6.61%，至2012年降至最低值1.94，而2012年后可持续发展指数变化趋于平稳，2018 年较2017年有所下降，为1.91。由此可见，黑龙江垦区种养业生产系统可持续发展水平处于历史低位。

图8 2009—2018年黑龙江垦区种养业生产系统可持续发展指数

环境负载率和可持续发展指数作为区域种养业生产系统可持续发展的最重要的两个评价指标，与其他区域的评价值进行横向对比分析，有助于了解该区域种养业生产系统可持续发展水平。因此，通过文献收集，该研究归纳整理出近10年其他区域农业生产系统的环境负载率和可持续发展指数（表3）。将黑龙江垦区评价结果与28 个地区评价结果进行比较分析可知，黑龙江垦区种养业生产系统的可持续发展能力处于上游水平。其中，该指标优于黑龙江垦区的地区大多已经明确区域特色循环农业发展模式，注重种植业与养殖业之间物质循环。

表3 近10年其他区域评价

3.2 敏感性分析

该研究以2018 年黑龙江垦区种养业生产系统的数据作为基础，模拟将不可更新的工业辅助能和可更新的有机能各增减20 %，根据能值投入计算方法（表2）和能值评价指标，计算获得相应的可持续发展指数的变化趋势（图9）。从图9可知，随着不可更新的工业辅助能的增大，可持续发展指数下降；随着可更新的有机能的增大，可持续发展指数上升。而与可更新的有机能相比，可持续发展指数的变化幅度更大。

图9 不可更新的工业辅助能/可更新的有机能的敏感性分析

因此，从能值投入结构来说，如何调整不可更新的工业辅助能的投入，是促进黑龙江农垦种养业生产系统的可持续发展的重中之重。进一步对不可更新的工业辅助能投入结构进行分析可知，柴油和氮肥是不可更新的工业辅助能的主要构成部分。因此，调控柴油和氮肥的投入可作为一种系统优化策略。

4 结论与建议

4.1 结论

该研究通过对2009—2018 年黑龙江垦区种养业生产系统进行能值分析与敏感性分析，并评价该系统的可持续发展水平。得出以下结论。

（1）2009—2018 年黑龙江垦区种养业生产系统的能值投入呈现“增长—平稳”的趋势。2018 年能值投入为11.28×1021sej，不可更新的工业辅助能和可更新的环境资源为能值投入的主要来源，占能值投入总量的64.20%。

（2）2018 年黑龙江垦区种养业生产系统单位产值能值投入量为1.47×1015sej/万元，能值产出率为2.00，环境负载率为1.05，可持续发展指数为1.91。

（3）2009—2018 年黑龙江垦区种养业生产系统的经济效益有所下降，较为依赖工业产品投入、环境压力有所增大，可持续发展水平有所下降。但横向对比于其他地区的评价结果，黑龙江农垦种养业生产系统可持续发展能力处于上游水平。

4.2 建议

根据可持续发展评价结果，黑龙江垦区种植业生产系统未来需降低对工业产品投入的依赖，增强可持续发展能力。就此，该文提出以下3点发展建议。

（1）优化氮肥投入量。氮肥作为主要投入工业产品之一，优化其投入量显得至关重要。建议农场根据各自种植业发展需求，对各类减肥增效技术进行试验与分析，优化出最佳配套方案，并与轮作制度、农作物生产全程机械化模式相融合，更进一步挖掘肥料减施潜力。

（2）建立机械化生产定位观测站。调控柴油投入作为系统优化策略之一，而柴油的消耗主要来源于机械化生产。建议黑龙江垦区在各个管理局设立机械化生产定位观测站，采集与分析机械化生产相关数据，包括单位面积油耗等参数。将观测数据用于机械化生产模式的优化，科学降低柴油消耗量。

（3）明确区域特色循环农业发展模式。在宏观政策方面，通过查阅黑龙江垦区的政策发布与文献报道获悉，黑龙江垦区现阶段并未明确提出区域特色循环农业发展模式。建议黑龙江垦区结合自身种养业发展特点，开展系统性研究，制定科学合理的区域特色循环农业发展规划，促进其可持续发展。