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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。#p#分页标题#e#
3.2河北省种植业能值产出空间格局与态势
3.2.1能值投入率分析
河北省种植业经济生态系统能值投入率(EIR)如图3(a)所示，在省域范围内南北方向上分布趋势不显著，而东西方向呈倒“U”型分布，其变异系数为0.245。EIR平均值为15.81，表明河北省种植业经济系统开发程度以及对环境的利用程度具有一定的水平。EIR指数Ⅰ级区主要分布在石家庄—唐山—秦皇岛地区，由于地处平原区且经济较为发达，工业辅助能能值投入高，同时丰富的地下水资源、较高的土壤质量以及良好的粮食生产气候环境，为种植业生产提供了有力保障，区域种植业经济系统开发程度较高;Ⅱ级区主要分布在河北省南部的邢台—邯郸地区，由子牙河—南运河—卫河所围成的冲积平原区，部分处于黄土台地区，土层较厚，土壤类型以潮土和褐土为主，土壤质量较高，区域可更新资源能值投入相对较多，而工业辅助能能值投入较低，成为种植业经济系统开发程度约束因素，影响了其利用程度;Ⅲ级区主要位于冀西北山地—冀北高原区，年平均降雨量仅为350～400mm，介于0～4℃等温线之间，土层薄而质差，粮食生产自然条件较差，加之经济发展水平较低，使得粮食生产可更新资源能值投入与工业辅助能能值投入不足，制约了能值投入率的提高。
3.2.2能值产出功率分析
河北省种植业经济生态系统能值产出功率(IEmPower)如图3(b)所示，由北向南呈递增趋势，由东向西呈倒“U”型分布。省域范围内各县能值产出功率差异较大，变异系数为0.510。IEmPower平均值为8.95×1015sej•km－2•a－1，最小值为沽源县(2.11×1014sej•km－2•a－1)，最大值为广宗县(2.46×1016sej•km－2•a－1)。IEmPowerⅠ级区主要分布在冀中平原地区的西部地区，包括衡水和邯郸的东部地区，该区域是河北省主要粮食产区;Ⅱ级区主要分布在冀中平原中部地区和燕山山前平原区，其中冀中平原地区河网密集，由太行山流出的10条河流在山麓形成冲积平原，年平均降雨量500～600mm，土壤以壤质为主，土层较高，土壤质量较好，区域经济水平高，粮食能值产出高，燕山山前平原和滨海平原区土壤有机质含量为0.6%～1.0%，年平均降雨量600～700mm，土壤质量高，降雨资源较充分，为高能值产出提供了条件保障;Ⅲ级区主要分布冀西北山地—冀北坝上高原区，该地区年平均降雨量＜500mm，地貌类型以山地丘陵和高原为主，土壤质量较低，较差的自然条件限制了种植业能值产出水平的提高。
3.2.3能值产出率分析
河北省种植业经济生态系统能值产出率(EYR)如图3(c)所示，南北方向上变化趋势不显著，由西向东呈递增趋势，平均值为1.34，其变异系数为0.820。EYRⅠ级区主要分布在邢台—邯郸的东南部地区，该区域具有较为优良的自然条件，为辅助能值潜力的发挥创造了良好条件，使得该区域种植业生态经济系统运转效率较高，作为传统集约化农区，在同等的投入条件下能值回报率较高;Ⅱ级区主要分布在石家庄—保定的中西部地区，该地区主要分布在太行山山前平原区，较高的能值产出依赖于高能值投入，给区域生态环境造成一定压力;Ⅲ级区主要分布在张家口地区，该区域主要位于冀西北山地—冀北高原区，生态环境因素和较低的耕地集约利用水平，影响了耕地能值产出，应加大农业投入，降低农业限制因子，通过退耕还林还草改善区域生态环境，降低粮食生产系统运转的生态资本，增强系统内各子系统、各要素间的协同程度，提高系统能值产出能力和产出效率。
4结论与政策建议
4.1结论
基于能值理论与地理学研究中的空间分析技术，从投入与产出角度，对河北省138个县种植业生态经济系统能值利用状况进行了估算，重点探讨了138个县的种植业能值投入产出指标空间分布差异与趋势。主要结论为:(1)省域内各项能值投入指标具有显著的空间地域分布特征。可更新资源投入(R)高值区主要分布在张家口和衡水—沧州—邢台地区，不可更新资源能值投入(N)高值区位于冀北坝上高原地区，河北省工业辅助能能值(FN)高值区主要分布在石家庄的东部和唐山的中部地区。(2)能值投入率(EIR)高值区主要分布在石家庄—唐山—秦皇岛地区，平均值15.81，区域差异相对较大，变异系数为0.245;河北省能值产出率(EYR)高值区主要分布在邢台—邯郸的东南部地区，变异系数为0.127。(3)河北省种植业投入与产出关键指标以及能值产出效率指数在省域内，在东西方向和南北方向上，呈倒“U”型、一阶型等空间分布趋势规律(表3)。
4.2主要政策建议
(1)科学分析种植业能值投入结构，提高粮食产出能力按照《全国新增1000亿斤粮食生产能力规划(2009—2020年)》(简称《规划》)中“粮食产能向主导区和产量大县集中”和“着力打造粮食生产核心区，提高商品粮调出能力”的要求，河北作为主要原粮调出区和粮食生产核心区，提高区域粮食产出能力是耕地利用的重要目标。基于能值角度，种植业生态经济系统是开放的耗散系统，充分考虑区域种植业生态经济系统能值投入结构特征，是保持系统平衡和稳定发展并取得高效益的前提。比如河北省涿鹿县虽然地处坝上高原区，其可更新资源能值(R)、有机能能值(FR)投入较高，而该地区工业辅助能投入(FN)较低，通过综合考虑区域能值投入结构，可以适当增加化肥、农药投入强度以及农业机械化水平以获得较高的粮食产量;而赞皇县处于平原地区，粮食产量较高，但该地区工业辅助能投入(FN)为9.40×1018sej，远大于全省平均值3.23×1018sej，较高的工业辅助能投入不仅增加了粮食生产成本，同时化肥农药的超标使用，造成了区域农业非点源污染，对地下水资源造成潜在危害。因此有必要通过对种植业能值投入结构分析，根据区域具体特点，合理确定区域种植业生态经济系统能值投入结构，提高区域粮食产出能力。
(2)充分利用自然资源，实现生态型农业随着人类对自然资源的过度使用，终将导致资源的枯竭，农业生产是人类存在基础，其必将由传统农业向生态型农业转变。F.Aostinho等［23］、E.Ortega等［24］利用能值理论对巴西3典型农场以及农田生态系统研究，表明生态型农业比传统农业具有更大的可持续发展潜力;而河北省耕地生态系统环境负载率为5.72，远低于日本的14.49［25］，农业生态系统可持续发展潜力较大。根据能值投入与产出的空间格局特征，考虑到河北省北部的坝上高原区，其可更新资源能值(R)、有机能能值(FR)投入较高，能值产出率(EYR)较低的特点，可将该区域作为生态农业优先发展区，发展生态型、绿色农业产品;而省域中部的平原地区，包括太行山山前平原和燕山山前平原，作为传统农业区域其能值投入功率(EmPower)高，能值投入率(EIR)较高，表明其种植业经济系统开发程度以及对环境的利用程度较高，同时由于化肥、农药等不可更新工业辅助能能值(FN)投入较高，其农业生产潜在风险较大，因此在保持该种植业生产优势的情况下，优化调整现有种植作物品种结构与空间布局，逐步实现由传统农业向生态农业过渡与转变，提高可持续发展潜力，实现生态与经济的“双赢”。#p#分页标题#e#
(3)基于能值投入产出格局，进行土地整治合理分区规模化是种植业取得高效益的重要条件。土地整治通过零碎化地块的归并、权属的调整，提高耕地连片程度，进而充分发挥农业生产的规模效益，为合理施肥、提高机械化水平提供有力的保障。研究表明区域土地整治提高了区域能值产出率和利用效率［26］。随着土地整治内涵的不断丰富，生态型土地整治已成为我国土地整治发展趋势。而土地整治分区是土地整治规划研究的重要内容，是合理进行土地整治项目空间配置的前提，区域种植业能值投入结构空间格局可作为土地整治分区的参考标准。如根据河北省种植业生态经济系统能值产出指标空间差异，将河北省划分为:“能值高投入-低产出”整治区，主要包括属于廊坊—保定北部的部分县(市);“能值高投入-高产出”整治区，即河北省中部平原地区的石家庄中东部以及衡水西部的部分县(市);“能值低投入-高产出”整治区，包括沧州东部和邢台中东部的部分地区;“能值低投入-低产出”整治区，主要包括属于坝上高原的张家口—承德北部的部分县(市)。在进行基于种植业能值投入产出差异的土地整治分区的基础上，可以提出相应的措施与建议，同时还可以与其他功能区划相结合进一步细分。
(4)提高农民素质，实现科学种田根据李小建等［27］、方鹏等［28］、孔祥斌等［29］关于农户行为的研究结果，农民素质对种植业生产活动具有重要影响。利用多种形式对农民进行农业生产培训，引导农民科学种田。对于河北省北部地区其可更新资源能值(R)、不可更新资源能值(N)、有机能能值投入(FR)较高，工业辅助能投入(FN)相对较低，可以考虑适当增加工业辅助能投入以提高区域种植业产出水平，对于中部平原其工业辅助能投入(FN)较高，为了避免农业污染，该类地区可考虑增加有机能能值投入，充分利用作物秸秆等可再生能源，合理调整种植业能值投入结构，从而促进区域农业种植业生态经济系统平衡，不仅可以提高自然资源利用效率，同时可以达到保护生态环境、提高耕地价值、增加农民收入的目标。