作者：王千 金曉斌 周寅康 單位：南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院

增加糧食產(chǎn)量，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力是促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的驅(qū)動力和保障力的有效舉措。隨著耕地自然生態(tài)系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)耦合程度的提高，在化石能源等不可再生資源日益枯竭，農(nóng)藥、化肥等常規(guī)種植業(yè)投入要素引起的生態(tài)環(huán)境問題日益惡化的嚴(yán)峻形勢下，利用新方法、新技術(shù)對種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的投入產(chǎn)出狀況進(jìn)行客觀評估與分析，從而逐步實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向生態(tài)型轉(zhuǎn)變，成為區(qū)域糧食生產(chǎn)與耕地合理利用的迫切要求［1-2］。能值(Emergy)理論是目前對種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)行能量分析的重要方法與手段。

該理論是由美國生態(tài)學(xué)家H．T．Odum等［3］于20世紀(jì)80年代在能量系統(tǒng)基礎(chǔ)上創(chuàng)立的新興理論方法，其為定量評價(jià)資源環(huán)境價(jià)值提供了科學(xué)依據(jù)與平臺。在國外，能值理論在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面得到了廣泛的應(yīng)用，H．T．Odum、Brown、Ortega以及Ulgiati等［4-6］不僅構(gòu)建了基礎(chǔ)的能值分析指標(biāo)體系，而且將其應(yīng)用到國家、區(qū)域以及農(nóng)場等尺度，并取得了具有一定意義的研究成果。國內(nèi)，在研究尺度上，藍(lán)盛芳等［7-9］開展了我國國家農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值分析，以及廣東、海南等省的省級農(nóng)業(yè)系統(tǒng)分析;董孝斌等［10］分析了黃土高原典型流域農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值特點(diǎn);陸宏芳等［11-13］對市級農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和水稻、水產(chǎn)、復(fù)合農(nóng)林業(yè)系統(tǒng)的能值特點(diǎn)進(jìn)行了研究;白瑜等［14］進(jìn)行了耕地系統(tǒng)能值分析和不同耕作技術(shù)的能值分析研究。從研究內(nèi)容上看，國內(nèi)學(xué)者主要集中于基于能值理論的區(qū)域能值利用特征、能值時(shí)間變化序列特點(diǎn)［15］以及農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)可持續(xù)利用等方面的研究與分析。

格局分析是地理學(xué)與景觀生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容，“格局影響過程，過程反衍機(jī)理，機(jī)理揭示規(guī)律”。種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值指標(biāo)空間格局研究，為高效合理利用人類社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中的不可再生資源，充分挖掘自然生態(tài)環(huán)境資源生產(chǎn)潛力，制定科學(xué)合理的區(qū)域耕地保護(hù)政策提供依據(jù)［16］。而就目前研究而言，國內(nèi)基于省域尺度縣級層次的種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)投入產(chǎn)出能值指標(biāo)的空間差異與態(tài)勢研究還較為鮮見，尤其是針對我國糧食主要產(chǎn)區(qū)的種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出的研究仍需完善與加強(qiáng)。本研究基于能值理論與地理學(xué)研究中的空間分析技術(shù)，以國家糧食主產(chǎn)區(qū)河北省為例，估算了2009年河北省138個(gè)縣種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)投入產(chǎn)出能值，重點(diǎn)探討其在省域范圍內(nèi)的空間分布差異與特征。

1研究區(qū)域概況

河北省位于華北平原中部(36°03'～42°40'N，113°27'～119°50'E)，總面積18.88×104km2;從北向南依次為冀北壩上高原、冀北(燕山)山地和冀西北山間盆地，自東向西依次為太行山山地、太行山山前平原—燕山山前平原和冀中平原—濱海平原。區(qū)域內(nèi)光熱資源豐富，呈北高南低、東西高中間低的分布趨勢。降水量時(shí)空分布不均勻，總體上東南部地區(qū)多于西北部地區(qū)。2009年全省耕地面積為5.90×106hm2。河北省是《全國新增1000億斤糧食生產(chǎn)能力規(guī)劃(2009—2020)》中所設(shè)置的國家級重要糧食主產(chǎn)區(qū)，為我國糧食安全、保障京津冀都市圈的糧食供應(yīng)與經(jīng)濟(jì)的良性發(fā)展發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源與處理

本研究數(shù)據(jù)主要來源于河北省統(tǒng)計(jì)年鑒、河北省土地資源調(diào)查數(shù)據(jù)及環(huán)境質(zhì)量公報(bào)等相關(guān)資料。采用9.44×1024sej/a的全球能值基準(zhǔn)值，具體能值轉(zhuǎn)化率主要來自O(shè)dum與藍(lán)盛芳等學(xué)者的研究成果［17］，所涉及到的能量折算數(shù)據(jù)主要參考《農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)》［18］和《農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)手冊》［19］。

2.2研究方法

2.2.1能值理論能值，即一種流動或儲存的能量所包含的另一種類別能量的數(shù)量，其常用單位為太陽能焦耳(sej)。單位能量(或物質(zhì))所含的太陽能量稱為太陽能值轉(zhuǎn)換率，單位為sej/J(或sej/g)，是度量某種能量(或物質(zhì))質(zhì)量的尺度。通過相應(yīng)的能值轉(zhuǎn)換率，可將不同能質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換為其所包含的太陽能值，達(dá)到統(tǒng)一度量評價(jià)的目的。根據(jù)Odum、Ulgiati和Brown以及陸宏芳等［20］的研究成果，種植業(yè)能值分析流程為:①收集整理資料，客觀全面地收集與整理耕地生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的能物流、信息流、貨幣流及人口流資料;②繪制能值系統(tǒng)圖，根據(jù)研究內(nèi)容確定系統(tǒng)的主要能源，找出主要能源之間的關(guān)系，以符號化語言形式表示繪制能值系統(tǒng)圖;③編制能值分析表，能值分析表包括資源類別、資源能流量、太陽能值轉(zhuǎn)換率及太陽能值等項(xiàng);④篩選能值指標(biāo)，選擇能值指標(biāo)對區(qū)域種植業(yè)能值經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)與分析。根據(jù)河北省種植制度與耕地利用特征，繪制能值系統(tǒng)圖，如圖1。在對已有研究成果所涉及到的能值指標(biāo)進(jìn)行初選的基礎(chǔ)上，邀請了相關(guān)研究領(lǐng)域的專家進(jìn)行篩選，進(jìn)而構(gòu)建了河北省縣級層次種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值評價(jià)指標(biāo)體系，見表1。

2.2.2變異系數(shù)法變異系數(shù)法，又稱為標(biāo)準(zhǔn)差模型，記為CV，是分析變量之間離散程度最常用的數(shù)學(xué)方法之一［21］。

2.2.3趨勢面分析法趨勢分析利用多重回歸方法描述變量或變量集合在空間或時(shí)間上的大規(guī)模系統(tǒng)變化問題。趨勢分析方法能夠查明和刻畫研究變量在研究區(qū)域內(nèi)的空間分布趨勢與格局，通過一般線性模型———最小二乘法用數(shù)學(xué)曲面(多項(xiàng)式曲面)擬合圖面觀測數(shù)據(jù)［22］。運(yùn)用ArcGIS軟件中的地統(tǒng)計(jì)學(xué)模塊的趨勢分析工具，可以獲得各指標(biāo)異向性分布特征以及空間分布趨勢效應(yīng)特征。趨勢效應(yīng)一般分為0階(沒有趨勢效應(yīng))、常量(區(qū)域化變量沿一定方向呈常量增加或者減少)、一階(區(qū)域化變量沿一定方向呈直線變化)、二階或多階(區(qū)域化變量沿一定方向呈多項(xiàng)式變化)。

3研究結(jié)果

3.1河北省種植業(yè)能值投入空間格局與態(tài)勢

利用ArcGIS空間分析工具，分析河北省種植業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值投入與產(chǎn)出空間格局特征與態(tài)勢(如圖2、圖3)，利用自然斷點(diǎn)法(NaturalBreak)對各能值指標(biāo)進(jìn)行分級，見表2。河北省種植業(yè)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)可更新資源能值(R)如圖2(a)所示，Ⅰ級區(qū)主要分布在衡水—滄州—邢臺地區(qū)和張家口地區(qū)，其中衡水—滄州—邢臺地區(qū)降水充沛，地上水資源豐富，張家口地區(qū)海拔較高且耕地面積較大;Ⅱ級區(qū)主要分布在河北省中部平原區(qū);Ⅲ級區(qū)主要分布在太行山山地丘陵區(qū)，該區(qū)域降水較少且蒸發(fā)量較大，影響了可更新資源能值大小。在省域范圍內(nèi)可更新資源能值(R)由北向南呈遞減趨勢，由西向東呈增加態(tài)勢，平均值為4.10×1014sej，其變異系數(shù)為0.226。經(jīng)分析可知，耕地面積與降雨量是河北省縣級種植業(yè)可更新資源能值高低的重要影響因素。河北省種植業(yè)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)不可更新資源能值(N)如圖2(b)所示，Ⅰ級區(qū)主要位于冀北壩上高原地區(qū)，該地區(qū)系內(nèi)蒙古高原的南緣，土壤主要為栗鈣土，土壤質(zhì)地粗而土層薄，易受風(fēng)蝕和水侵，N值較高;Ⅱ級區(qū)主要分布在石家莊的西部地區(qū)和承德中部地區(qū)，分別屬于太行山南段山地和燕山山地，土壤類型主要為草甸土、淋溶褐土和棕壤為主，河網(wǎng)密度較大，該區(qū)植被為闊葉林和灌叢草原類型，高植被覆蓋率，降低了區(qū)域土壤侵蝕;Ⅲ級區(qū)主要位于河北省中西部地區(qū)，該區(qū)域?qū)儆诩街衅皆瓍^(qū)，土壤侵蝕相對較小。在省域范圍內(nèi)不可更新資源能值(N)由北向南呈“U”型分布，在東西方向上呈倒“U”型分布，其平均值4.64×1020sej，變異系數(shù)為0.166。河北省種植業(yè)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)工業(yè)輔助能能值(FN)如圖2(c)所示，Ⅰ級區(qū)主要分布在石家莊的東部—唐山和秦皇島的中東部地區(qū)，該地區(qū)處于太行山山前平原和燕山山前平原區(qū)，區(qū)域地勢平坦，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較高，農(nóng)業(yè)投入較大;Ⅱ級區(qū)，河北省東南部地區(qū)的邯鄲—滄州—邢臺地區(qū)，該區(qū)域農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱，使得工業(yè)輔助能能值投入相對較低;Ⅲ級區(qū)主要分布在張家口—承德地區(qū)，該地區(qū)屬于河北省經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較差，其中張家口的北部地區(qū)已屬于冀北壩上高原區(qū)，受到自然條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的雙重約束，導(dǎo)致工業(yè)輔助能能值投入較低。在省域范圍內(nèi)工業(yè)輔助能能值(FN)由北向南呈遞減趨勢，在東西方向上呈“U”型分布，平均值為3.23×1018sej，最大值在贊皇縣，為9.40×1018sej，最小值在廣宗縣，為1.02×1018sej，變異系數(shù)為0.263。河北省種植業(yè)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)能能值(FR)如圖2(d)所示，Ⅰ級區(qū)主要分布在省域北部的張家口地區(qū);Ⅱ級區(qū)主要分布在燕山—太行山山麓地區(qū);Ⅲ級區(qū)主要分布在河北省的平原地區(qū)。有機(jī)能能值(FR)在東西方向上呈“U”型分布，南北方向上分布趨勢不顯著，F(xiàn)R變異系數(shù)較小，僅為0.224，其主要原因是隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的提高，化石能源已經(jīng)逐步取代有機(jī)肥成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要投入要素，其中尤以化肥、農(nóng)藥的使用最為廣泛，加之機(jī)械化水平的提高，促使區(qū)域內(nèi)有機(jī)能投入量減小，導(dǎo)致區(qū)際間的差異在縮小。有機(jī)能能值是提高種植業(yè)產(chǎn)量的重要能源，因此要加大區(qū)內(nèi)有機(jī)肥、綠肥的投入水平，推廣秸稈還田等農(nóng)業(yè)新技術(shù)。河北省種植業(yè)經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)能值投入功率(EmPower)如圖2(e)所示，Ⅰ級區(qū)主要分布在石家莊—唐山地區(qū)，該區(qū)域耕地生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，可更新資源能值與工業(yè)輔助能能值投入較高，EmPower值較大;Ⅱ級區(qū)主要分布在邢臺—邯鄲—滄州地區(qū)，該地區(qū)作為傳統(tǒng)的農(nóng)耕區(qū)，農(nóng)用地集約化程度較高;Ⅲ級區(qū)主要分布在張家口的北部地區(qū)，屬于壩上高原區(qū)，自然能值投入較高，而工業(yè)輔助能能值投入水平低，影響了EmPower值。