华北平原种粮大户小麦-玉米轮作系统能值分析——以山东省滨州市为例

钱欣，王小龙，张慧，成浩，3，刘开昌，方志军，李宗新

（1.山东省农业科学院玉米研究所／小麦玉米国家工程实验室，山东 济南 250100；2.华南农业大学农学院，广东广州 510642；3.青岛农业大学农学院，山东 青岛 266109）

农业生产经营方式是影响农业生产力水平和系统可持续性水平的重要因素。为促进农业经营方式向现代化转型，国家制定了一系列政策鼓励土地流转，形成了不同类型的新型农业经营主体。随着土地流转的不断加快和深入，种粮大户在稳定粮食种植面积、增强粮食生产能力、延伸粮食产业链等方面发挥了日益显著的作用［1］。但是，近年来有研究表明，农业经营方式和生产规模的变化，会影响农业生产系统生态经济效率和可持续性［2-4］。相比于传统小农户生产方式，规模化粮食生产系统的生态环境表现可能会发生变化［5，6］。20世纪 80年代，美国生态学家 H.T.Odum提出能值理论及其方法，该方法以太阳能值（solar emergy）作为统一度量单位，克服了不同能值之间无法简单比较和计算的问题，并将自然环境资源、社会经济资源、生态系统服务纳入评价范围，实现了对系统科学而全面的分析。目前，能值分析在农业生态系统可持续性评价方面已经得到广泛应用［7-10］，但大多集中于传统小农户生产模式，针对以种粮大户为代表的各类新型农业经营主体的相关研究尚较少报道。因此，本研究以华北平原种粮大户冬小麦-夏玉米粮食生产系统（简称麦玉生产系统）为研究对象，针对种粮大户生产经营特点，对其生产经营模式的生态经济可持续性进行综合评价，找出影响其生态表现的关键点，以期为我国粮食生产向绿色、高效的适度规模化农场发展提供研究基础。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究对象

本研究选择山东省平原黄灌区典型区域的滨州市为研究对象。该地区位于山东省北部、鲁北平原、黄河三角洲腹地，地处黄河三角洲高效生态经济区，年平均日照时数2 632 h，平均气温12.7℃，年平均降水量565 mm，是我国重要粮食生产区域之一。近年来，山东省滨州市大力发展新型农业经营主体，截至2018年底，滨州市土地流转总面积达16.1万公顷，农村承包土地规模化率达57.8%，认定家庭农场市级示范场 109家［11］，形成许多具有代表性的种粮大户，在一定程度上能够反映华北平原粮食主产区种粮大户的生产经营特点，具有研究的代表性。

1.2 研究方法

能值是指产品或劳务形成过程中直接或间接投入应用的一种有效能总量［12］。根据能值分析方法的基本步骤，本研究首先绘制了种粮大户粮食生产系统能流图（图1），反映该系统的能量投入产出过程。根据投入系统的能量来源，可将其划分为环境资源（E）和经济系统反馈资源（F）。同时，本研究在能值核算过程中引入可更新比例系数（R，%），将系统投入资源划分为可更新和不可更新资源两部分，从而提高系统评价的科学性。此外，本研究主要采用5个能值评价指标（表1）来分析麦玉轮作生产模式的系统产出效率和可持续发展能力。关于能值方法的理论基础、分析步骤及指标的进一步解释可参见文献［12-15］。

图1 山东省种粮大户麦玉生产系统能量流动图

表1 能值指标描述及其表达式

1.3 数据来源

本研究中，所有原始数据都来自于2019年对山东省滨州市邹平市、惠民县、博兴县54个典型种粮大户的实地调研。以一个完整的生产年度为界限，对冬小麦、夏玉米两种粮食作物生产过程中的各种投入、产出数据进行详细记录。自然资源数据来自“中国气象科学数据共享服务网”（http：／／cdc.cma.gov.cn／home.do.Accessed on 05／28／2012）。相关的能量折算系数参考陈阜编著的《农业生态学》［16］，原始数据的计算方法参考文献［13］。研究中采用的全球能值基准为12.00×1024sej／年［17］。人民币与美元的换算采用 2019年平均汇率6.8985。

2 结果与分析

2.1 能值投入结构分析

如表2所示，山东省滨州市种粮大户麦玉生产系统全年能值总投入平均为2.21×1016sej／hm2，其中，惠民县种粮大户能值总投入最低，比邹平市和博兴县分别低13.3%和25.6%。可见，由于自然资源条件和农艺生产习惯不同，同一种植模式下的能值投入具有明显差异。从能值来源看，环境资源占研究对象总能值投入的2.9%～3.8%，经济系统反馈资源占96.2%～97.1%；而从资源类别看，在系统总能值投入中，不可更新能值投入平均占88.7%，而可更新能值投入仅占11.0%。以上结果说明，山东省种粮大户麦玉生产系统的运转主要依靠化肥、机械、人力等农资投入驱动，表现出对经济系统反馈资源和不可更新资源较强的依赖程度。

表2 山东省种粮大户麦玉系统能值分析表

2.2 能值投入特征分析

本研究将各项系统能值投入占总能值投入百分比超过3%的投入项目进行汇总，如图2所示，在山东省种粮大户麦玉生产系统中，氮肥、复合肥、电力、柴油、机械服务和人力投入是主要的能值投入源。从山东省平均水平来看，机械服务是总能值投入中占比最大的项目（24.5%），人力主要消耗于田间机械操作过程，其能值投入占总能值的23.1%，这说明山东省种粮大户麦玉生产模式的机械化水平较高。以氮肥和复合肥为主的化肥能值投入则分别占系统总能值投入的14.6%和23.9%。在当前山东省种粮大户麦玉生产系统中，化肥投入和机械化是系统运转过程主要的能值投入环节，尽管邹平、惠民和博兴三个代表县（市）各项的能值投入百分比略有差别，但总体特征基本一致，有必要进行针对性的优化调控。

图2 山东省种粮大户麦玉生产系统能值投入特征分析

2.3 能值指标分析

如表3所示，本研究中，山东省种粮大户麦玉模式的单位能值转换率（UEV）为 4.30×104sej／J，比河北省小农户模式、家庭农场和规模化农场中的麦玉生产系统低12.8%～50.1%。同时，山东省种粮大户麦玉模式的不可更新能值利用率（NRE）为3.83×104sej／J，比河北省小农户模式、家庭农场模式分别低7.0%～14.5%。

净能值产出率（EYR）、环境负载率指标（ELR）和可持续性指标（ESI）是评价生态经济系统可持续性的一组有效指标。本研究中，山东省种粮大户麦玉生产模式的EYR值为1.03，比河北省小农户模式、家庭农场、规模化农场中的EYR值低14.9%～24.8%。与此同时，其ELR值为8.07，明显高于河北省各类模式的麦玉生产系统，说明该系统所造成的环境负载较高。综合来看，研究对象的ESI值0.13，比河北省各模式低18.8% ～51.9%。

表3 能值评价指标

3 讨论与结论

3.1 系统调控关键点分析

本研究结果表明，山东省种粮大户麦玉生产系统的运转主要依靠化肥、机械、人力等农资投入驱动，表现出对经济系统反馈资源和不可更新资源较强程度的依赖。该研究结果与华北平原的其它相关研究结果一致［5，23-25］，说明资源高消耗是华北平原麦玉轮作模式的基本特征。通过对研究对象能值投入特征的分析发现，尽管邹平、惠民和博兴三个代表县（市）种粮大户麦玉模式中的能值投入百分比略有差别，但总体特征基本一致，化肥投入和机械化是系统运转过程主要的能值投入环节，有必要进行针对性的优化调控。Wang等［24］对规模化农场麦玉生产模式的情景分析指出，优化施肥后可使该农场粮食生产系统的能值利用效率和可持续指数分别提高14.7%和27.3%。邓明君等［26］指出，全国玉米和小麦的化肥施用碳减排潜力分别为574万吨和475万吨，山东省是减排关键区。秦雪超等［27］研究表明华北平原麦玉轮作模式中，通过化肥减量配施沼液可以在保证作物产量的条件下降低氮素流失。可见，提高化肥利用效率、减少化肥投入是山东省麦玉轮作系统提高系统效率、降低环境压力的重要措施。另一方面，机械使用效率的提高也是降低山东省麦玉系统能值投入的重要方面。在本研究中，尽管种粮大户已经有一定的土地经营面积，但农机自有率程度仍然不高，许多农艺工作需要雇佣农场外部机械、人工完成，其机械化水平有进一步提升的空间。需要说明的是，本研究实地调研过程中，机械服务通过货币价值体现，事实上该数值中已经包括了机械手、人力和机械耗油的金额，但由于在现实生产条件下难以将货币数据分割计算，因此可能造成机械服务能值投入核算结果高于实际情况，这也是本研究中机械服务能值投入过高的原因之一。此外，有许多研究指出，华北平原麦玉模式资源高消耗、环境高负载的主要原因是冬小麦种植［24，28，29］。因此，近年来开始有研究从不同角度探讨如何通过种植模式变化来改变华北平原传统麦玉生产系统高环境压力的特征［30，31］，这是值得深入研究的关键问题。

3.2 能值综合评价指标比较分析

为综合评价山东省种粮大户麦玉模式的可持续性，本研究还计算了一系列能值综合指标。能值转换率是评价系统对能值利用效率的有效指标，通常情况下，系统有效产出的能值转换率越高，则系统的能值利用效率越低。本研究中，山东省种粮大户麦玉模式的能值转换率比同属华北平原粮食主产区的河北省小农户模式、家庭农场和规模化农场中的麦玉生产系统低12.8%～50.1%。与此同时，考虑到一个系统生产效率的高低不仅仅反映对总能值投入的利用效率，更需要通过对不可更新资源的利用效率来反映。因此，本研究引入了不可更新资源利用率来反映该问题，该值越高，系统生产过程对不可更新资源的利用效率越高。在本研究中，山东省种粮大户麦玉模式的NRE值比河北省小农户模式、家庭农场模式分别低7.0%～14.5%。以上两个指标共同说明，山东省种粮大户的系统生产效率较高，可以用较少的能值和不可更新资源生产同样数量的粮食产品。

净能值产出率是评价系统能量产出和本地资源开发的一个有效指标，其最小值为1，表示系统运转完全依赖经济系统反馈能来驱动，没有利用任何本地资源，也不能对系统外部经济增长做出有效贡献。本研究中，种粮大户麦玉生产模式的EYR值为1.03，仅略高于1，表明该系统主要依靠经济系统反馈资源进行生产，这也反映出该地区麦玉生产模式的农业集约化水平较高。同时，该值比河北省规模化农场麦玉生产模式低16.3%，主要是因为后者在粮食生产过程中大量施用了农场内部养殖系统产生的沼渣肥，提高了对系统本地资源的利用强度［24］。

环境负载率指标常被用来衡量系统运转过程对外部环境所造成的压力。通常情况下，ELR值小于2表示该系统对周围环境造成了较小的压力［32］。本研究中，山东省种粮大户麦玉生产模式的ELR值为8.09，明显大于2，也明显高于河北省各类模式的麦玉生产系统，说明该系统所造成的环境负载较高。这充分说明，农业生产过程机械化水平的提高，在增加系统生产效率的同时，也可能由于机械、柴油等投入增加，引发更强的环境压力。

可持续性指标是反映系统可持续性的综合指标，该值在1～10之间时，通常说明系统具有较强的活力和发展潜力，ESI值越高，系统发展的可持续性越好［33］。本研究中，华北平原麦玉生产系统在各种农场经营模式下的ESI值都小于1，其中山东省种粮大户麦玉生产模式的ESI值仅为0.13，说明该模式可持续发展能力不高，有待进一步提升。

综合来看，种粮大户经营模式变化、土地集约化程度提高，促进了农场麦玉生产系统农业机械化水平的提高，进而提高了系统生态经济效率。但是，由于不可更新资源利用程度提高，也增加了系统环境负载率，进而使其可持续发展指数较低，有进一步优化提升的空间。未来，以种粮大户为代表的华北平原适度规模化新型农业经营主体，应针对该地区麦玉生产模式高资源消耗、高环境负载的固有特征，围绕化肥投入、机械化应用等关键技术环节，充分发挥新型农业经营主体优势，优化种植模式，应用绿色农艺技术，促进华北平原粮食生产进一步向绿色、高效、可持续转型。