黄土高原典型流域种植业发展模式的能值分析

为客观评估和比较退耕还林后黄土高原典型小流域不同种植业发展模式的稳定性和可持续性,本研究通过能值分析方法,定量分析了粮食和果树兼作、粮食生产为主和果树种植为主3种典型流域种植业系统的能值投入和产出情况,建立能值分析指标体系,在自然资源压力、社会和经济发展水平方面进行比较,进而对3种模式的系统可持续性进行评估.结果表明: 黄土高原典型流域不同类型种植业系统外部辅助能值均占总能值投入的75%以上,且其中不可更新能值所占比例远大于可更新能值,由此造成了能值自给率低而环境承载率高的特点;流域粮食种植业生产具有高投入、低产出的特点,而水果种植和粮果兼作具有高投入、高产出的特点,3种模式能值密度均达到全国农业经济系统平均水平2倍以上,其中,粮食生产为主的模式净能值产出率最低而粮果兼作型最高;流域种植业能值可持续发展指数均<1,能值/环境可持续指标均远低于全国农业系统平均水平,可持续发展能力较低,以粮食和果树兼作的模式可持续发展指数最高.3种模式比较发现,粮果兼作发展模式在流域种植业发展中具有相对较好的发展能力和较高的系统稳定性,能值生产效率适中且可持续性最高,因此黄土高原地区以流域为单元的农业发展应该更加偏向于考虑多产业综合的复合结构生产方式.     

基于能值理论的吉林省农业生态系统分析

以吉林省为研究区进行了农业生态系统的能值动态分析.结果表明:1990-2007年,吉林省的总能值投入呈上升的趋势,源于经济系统的反馈能值占总投入能值的比例基本保持在85%以上,其中可更新的能值投入占总投入的80%以上(农业劳动力的能值投入占总投入的60%);总产出能值也呈逐年增加的趋势,从1990年的5.5×1022 sej增至2007年的13.61×1022 sej,增长了147%,其中产出能值以种植业和畜牧业为主;1990--2007年总体上吉林省净能值产出率较高,环境负载率比较低,可持续发展能值指标较高并且呈逐年上升的趋势(从1990年的2.64上升到2007年的4.98),但吉林省农业生态系统的社会经济反馈能值中工业辅助能值投入不足,总的来说吉林省的农业可持续发展潜力较大.     

湖南省农业生态系统能值演变与趋势

应用能值分析方法,对1999-2008年湖南省农业生态系统的能值总量、投入和产出结构以及各能值指标的变化进行趋势分析.结果表明： 研究期间,湖南省农业生态系统总能值使用投入量基本保持平稳,但能值投入结构有变化,其中,不可更新工业辅助能值投入量由400E+22 sej增至5.53E+22 sej,可更新有机能值投入量由1.32E+23 sej降至1.20E+23 sej;系统能值产出总量和产出效率均有较大幅度的提高,2008年总能值产出达1.69E+23 sej,比1999年提高23.8%,净能值产出率由0.79升至0.96;由于环境负载率也呈不断上升的趋势（由1.12上升到1.79）,可持续发展指数呈缓慢下降趋势,由0.71降至0.54,说明湖南省农业总体属于高消费驱动型生态系统,具有较明显的粗放式发展特征.     

基于能值分析的环洞庭湖区农业生态系统结构功能和效率

为探究湖南环洞庭湖区农业生态系统的生态效率,揭示其中人与自然资源以及环境的相互关系,本文借鉴HT Odum的能值研究方法,以该系统2009年能值投入产出数据为依据,分析了能值结构、功能和效率.结果表明:研究期间,该系统经济较发达,机械化、现代化程度较高,其中,化肥能值和农业机械能值占比分别为47.13％和10.62％,能值密度为8.77×1011 sej·m-2·a-1;系统能值产出不平衡,种植业能值产出比重大,林业和渔业的能值产出比例相对偏低;人均产出能值的货币价值为31873.56元,远远大于该系统人均地区经济总产值24761.14元,表明系统产品的市场定价明显偏低,尤其是种植业产品,自然资源和环境的价值未得到市场体现;环境负载率为1.74,系统可持续发展指数为1.40;人口承受力为4.91×105人(该区域农业从业人口为3.15×106人),说明系统富有活力和发展潜力,自然资源和环境的压力不是很大,但系统人口承受力超载.总之,进一步缩小工农产品的价格剪刀差,继续对种植业产品实行价格保护,调整农业产业结构和产品结构,转移剩余劳动力是当前该区域农业政策的基本取向.     

辽宁省朝阳市农业生态经济系统能值分析

应用能值分析的方法,研究了以辽宁省朝阳市为代表的辽西半干旱区农业生态经济系统的能值投入及产出结构,并通过计算、对比能值评价指标,分析了朝阳市农业生态经济系统的发展现状。结果表明,对自然资源的过度利用造成了当地生态环境条件的恶化,由此产生不可更新自然资源的流失以及产出能值的损失;对可更新有机能的不充分利用也是造成当地资源浪费和环境破坏的重要原因。     

山东省农业生态系统能值分析

为了更好地评价山东省农业种植业对太阳能资源的利用情况和山东省农业的可持续发展状况,用能值分析方法对山东省农业生态系统的能值投入产出状况、环境承载情况和生态系统运行效果进行了定量分析.结果表明:山东农业生态系统的能值投入中,无偿利用的环境能值贡献率、不可更新的工业辅助能值贡献率和可更新的有机能值贡献率分别为21.0%、54.5%和24.5%;净能值产出率为5.31,环境承载力为6.42,能值密度为7.22×1011sej·m-2;基于能值分析的可持续发展指数为1.52.经分析,山东省农业生态系统能值产出效率相对较高,整体运行状况处于较好水平,但仍处于石油农业发展阶段,应引起关注.为促进山东省农业的可持续发展,应调整能值投入结构,加大农业科技的研究和推广力度,逐步减少石化能源的投入比例.     

黄土高原-青藏高原过渡带农户生产系统的能值分析——以通渭-渭源-夏河样带为例

通渭-渭源-夏河样带位于黄土高原向青藏高原过渡的生态区,是我国典型农牧交错带。长期以来,不合理的农业生产结构带来生态、经济等一系列问题,制约了该地区草地农业的持续发展。为此,从能值角度分析区域农业生产结构,可为农(牧)户决策提供理论依据,为优化区域农业生产结构提供科学依据。收集研究区农户作物和家畜生产的投入-产出数据,用能值方法分析农户生产系统结构特征、农户生产决策行为及生产系统耦合作用,用结构方程模型(SEM)分析农户生产系统能量的组分间流动。研究发现,随海拔增高,农户作物生产活动减少,作物总产出能值递减;尽管作物生产主要投入和产出要素相同,但同一作物不同地点的同一要素投入、产出能值和能值收益率均存在显著差异(P0.05);同一地点不同作物的同一要素投入、产出能值和能值收益率均差异显著(P0.05);作物生产投入要素中,有机肥能值在通渭和渭源均有较高贡献;作物投入和产出能值的农户生产决策阈值自东向西递减,在能值投入初始增加时,夏河农户作物生产规模扩增最为迅速。家畜养殖规模、能值投入和产出自东向西递增;通渭和渭源,小麦秸秆和苜蓿作为中间投入,能值贡献率达到80%;夏河家畜生产投入要素中,补饲粮食能值贡献率高达90%;家畜投入和产出能值的农户生产决策阈值点自东向西递增;能值收益率随耦合度的增加呈指数上升,通渭和渭源能值收益率的增加速度,随耦合度的增加趋于缓慢,而夏河能值收益率增速随耦合度的增加而上升。调整作物生产内部粮、经、饲产品比例结构,加强作物生产与家畜生产耦合作用,优化天然草地利用方式,实现生态效益最大化;阈值点调控农户生产决策行为,实现该区域农业生产结构优化。     

黄河流域河水水化学组成的时间和空间变化特征

选择我国黄河流域河水作为研究对象,分别在上游唐乃亥和青铜峡站,中游花园口站和下游的济南站对河水进行为期2年的逐月采样。分析河水主要离子浓度时空变化特征,探讨自然因素和人为活动对河水水化学组成的控制作用。结果表明:(1)黄河流域不同站点河水pH值变化范围6.90~9.00,均值为7.94,TDS值变化范围为178~685 mg·L~(-1),均值为453 mg·L~(-1),河水pH均值呈现从上游到下游逐渐降低的趋势,TDS均值呈现从上游到下游逐渐增加的趋势;(2)黄河流域不同站点河水水化学类型差异明显,上游唐乃亥站河水水化学类型以HCO3-Ca型为主,青铜峡和花园口站点河水水化学类型以HCO_3-SO_4-Ca-Na型为主,花园口站点个别月份河水水化学类型变为SO_4-Ca-Mg型和Cl-Na型,济南站点河水水化学类型以HCO_3-SO_4-Na-Ca型为主,个别月份河水水化学类型变为ClNa型;(3)黄河流域不同站点受降雨稀释作用影响,丰水期(7月份和8月份)河水溶解性离子含量普遍偏低,在冬季(12月份左右)和冰融期(3月份左右)河水溶解性离子含量普遍偏高;(4)黄河流域河水水化学组成主要受到自然因素控制,其中上游唐乃亥站点河水受碳酸盐岩矿物化学风化影响较大,同时硫酸参与碳酸盐岩矿物化学风化;进入黄土高原区后,受硅酸盐岩矿物风化和蒸发盐岩矿物溶解影响增加。下游花园口和济南站河水5月份和6月份左右NO_3~-含量略微升高可能与农田灌溉回水有关。     

西溪国家湿地公园生态经济效益能值分析

应用生态经济系统能值分析理论和方法,定量分析了西溪湿地公园建立前后生态经济系统的物流和能流,并通过建立新的能值指标从生态环境和经济角度评价了系统的可持续发展能力和产出效率,以期为湿地公园保护模式研究提供借鉴.研究结果表明,西溪湿地公园建立以后,每年能值总投入增加到原来的1.6倍,能值总产出是原来的1.9倍;能值总产出中经济收入减少,但环境产出大幅度增加,其中有机物质产出和生态系统服务能值产出分别是原来的1.5倍和2.3倍.能值指标分析结果表明,湿地公园建立以后系统净环境效益提高,可持续发展能力增强,经济产出率有所降低.研究结果证明,建立湿地公园增加经济投入,改善生态环境,并适当发展湿地旅游增加经济收入,保障系统反馈,能够提高系统可持续发展能力,是湿地资源保护与合理开发利用的有效模式.     

江西省主要作物(稻、棉、油)生态经济系统综合分析评价

基于成本收益分析和能值分析理论,构建经济效益指标和生态经济效益指标,对江西省水稻(早稻和晚稻)、棉花、油菜种植系统的经济效益、生态经济综合效益进行分析和评价。经济效益方面,分析比较了单位面积作物成本构成,构建了净利润(Rev)和净利润率(Prof)两个经济效益指标;生态经济方面,分析比较了单位面积能值投入产出构成,构建了能值投入率、能值产出率、环境负载率、宏观经济能值等四个能值评价指标。计算结果表明江西省水稻、棉花和油菜等作物的生产成本占主导地位,价格因素是影响种植成本最重要的因素。水稻主要是以生产物资费用为主,而棉花和油菜以人工费用为主。从产值和收益来看,Rev大小为棉花>晚稻>早稻>油菜,Prof大小为晚稻>棉花>早稻>油菜。水稻、棉花和油菜种植系统对自然更新资源的依靠程度较低,系统的维系主要依赖于外部购买能值的投入,其构成与生产成本构成是一致的。水稻、棉花和油菜等作物的种植系统能值投入率比较高,大小为棉花>早稻>晚稻>油菜,能值产出率:油菜>棉花>晚稻>早稻,造成生态环境压力为晚稻>早稻>油菜>棉花,宏观经济能值大小为油菜>棉花>晚稻>早稻。结果表明,江西省水稻、棉花、油菜种植系统是高度开放的系统,主要依赖购买能值,但是系统产出率不高,其环境压力也不大。研究结果可为深入认识江西水稻、棉花和油菜等主要作物种植系统提供一个新的视角,并为种植业可持续发展提供一定的参考价值。     

麻风果油为原料的生物柴油生产全过程能值分析

生物柴油作为石油的替代能源之一,已在我国开始了产业化应用。采用能值分析方法对以麻风果油为原料的生物柴油生产全过程,包括麻风树的种植、麻风果实的运输、麻风果油的榨取、果油酯化4个过程以及废水的处理进行了评价,从可更新资源、不可更新资源和购买资源入手构建了能值评价指标体系,并与大豆油为原料的生物柴油、小麦为原料的生物乙醇进行了比较。结果表明麻风果油生物柴油的能值转换率是1.67×1013sej/kg,能值产出率是1.85,环境负载率是6.84,可持续发展指数是0.271。比较得出,麻风果油能值转换率是大豆油的3倍,是生物乙醇的2倍;相同经济能值的投入,麻风果油能值产出率最高,但对环境的依赖程度也更强;可持续发展指数三者相差不大。原料的非食用性方面,与大豆生物柴油、生物乙醇相比,麻风果油有很大的优势,具有发展潜力。     

Emergy synthesis of a combined food and energy production system compared to a conventional wheat (Triticum aestivum) production system

It is a major challenge to produce food and energy sustainably for the ever increasing world population as today's conventional food production and energy needs are met by the fossil based resources, causing enormous environmental load. A novel, combined food and energy (CFE) agro-ecosystem, was designed for sustainable production of food, fodder and energy without chemical inputs (fertiliser, herbicide and fungicide). The objective was an emergy synthesis of the CFE system compared to a conventional wheat (Triticum aestivum) production system to assess resource use efficiency. The emergy indices, used to assess the environmental performance and sustainability, exhibited contrasting differences between the two production systems in terms of outputs (Y), total emergy use, solar transformity, relative use of local renewable resources, environmental loading ratio (ELR), emergy yield ratio (EYR) and emergy sustainability index (ESI). The Y in the CFE consisted of grain, straw, fodder and woodchip production of 4020, 3580, 6100 and 10,000 kg/ha/yr respectively whereas Y in the conventional wheat consisted of 7250 and 3770 kg grain and straw/ha/yr respectively. The Y in the CFE was 81% (2.80E+11 J/ha/yr) higher with 13.5 times (6.40E+03 seJ/J) lower solar transformity compared to the Y (1.54E+11 J/ha/yr) and solar transformity (8.63E+04 seJ/J) in the conventional wheat, exhibiting highly resource intensive production in conventional wheat. The local renewables constituted 19.2% and 2.6% of the total emergy input in the CFE and the conventional wheat respectively with a corresponding lower ELR (4.21) and 22.5% higher EYR (1.26) in CFE compared to conventional wheat. CFE was more reliant on local renewable emergy flows and compatible with the local environment with higher ESI (0.30) compared to conventional wheat (0.03), where 64.5% of the total emergy input constituted chemical inputs. The study demonstrated that the innovative agro-ecosystem, exemplified by CFE, is considerably less resource demanding and more amenable to sustainable production, whether defined in terms of outputs, solar transformity, relative use of local renewable resources, EYR, ELR or ESI.     

长江流域生态系统格局演变及驱动力

长江流域生态系统格局复杂,多种社会经济、政策和自然因素对土地利用变化的影响使得生态环境发生变化。分析了2000年至2015年长江流域生态系统格局和演变特征,及主要驱动力对生态系统变化的贡献。15年间,共有约6.4万km~2的生态系统类型发生变化,城镇增长67.5%,农田缩减7.5%,森林增加2.1%,剧烈的生态系统变化集中于下游,以及中上游的大城市,城镇聚集区以及退耕还林区。生态系统景观破碎化程度和景观多样性提高。上、中、下游生态系统格局、构成差异较大,15年间,上游和下游森林显著增加,下游城镇显著扩张、农田和湿地显著缩减,上游湿地增加最为显著。城镇化是生态系统格局演变的首要驱动力,对生态系统变化的贡献率达48.0%,长江下游城镇化的贡献率高达64.5%。生态保护与恢复工程是第二驱动力,对生态系统变化的贡献率为32.8%,在上游高达47.8%。水资源开发和农业开发贡献率分别为8.5%和9.9%,此外,气候变化促使高原湖泊面积增大。为保护长江流域生态系统的可持续发展,需划定生态保护红线,合理规划城市化进程中的土地利用,保护优质耕地,禁止重要湿地的开发。     

Emergy analysis of biogas production and electricity generation from small-scale agricultural digesters

An emergy analysis was performed to assess the relative sustainability and environmental impact of small-scale energy production using Taiwanese model plug-flow anaerobic digesters to treat livestock manure in Costa Rica. Emergy analysis quantifies all inputs to a system by converting them to solar energy equivalents, thus allowing for direct comparison of the diverse inputs of renewable energies, human labor and economic goods needed to construct and maintain anaerobic digestion systems. The digesters were located on the campus of EARTH University, Costa Rica, and the biogas was utilized to power a 40 kW generator that supplies electricity for farm operations. Separate emergy analyses were performed for the biogas production and the combination of biogas production and generation of electricity. Manure was the largest input in both analyses, accounting for 85.3% of the annual emergy input for biogas production and 66.9% for electricity generation from the biogas. The fraction of emergy inputs from renewable sources (ΦR) was 66% for biogas production and 52% for electricity generation from the biogas. The transformities of biogas and electricity generation from the biogas were 5.23E+04 sej/J and 1.01E+06 sej/J respectively. The emergy yield ratios (EYR) were 2.93 for biogas production and 2.07 for electricity generation indicating that these digesters efficiently match purchased resources and renewable energies to produce energy from livestock manure. The generation of electricity from the biogas resulted in a decrease in the emergy sustainability index (ESI) from 5.67 to 2.22 and an increase in the environmental loading ratio (ELR) from 0.52 to 0.93. Using a generator to convert the biogas to electricity does decrease the sustainability of the system, largely due to the high emergy value associated with the electrical generation equipment and machinery, but these results demonstrate that the production of biogas and the generation of electricity from Taiwanese model digesters in Costa Rica are environmentally sustainable processes that result in the production of energy that is largely dependent on renewable and recycled energies.     

山西省农业生态经济系统能值分析

采用能值分析方法对2005年山西省农业生态经济系统的投入产出状况、运行效率和环境负荷进行了系统分析.结果表明：2005年,山西省农业生态系统仍处于主要依赖人力有机能和环境资源的传统农业阶段;研究区系统能值投资率（EIR）为1.07,能值产出率（EYR）为0.99,环境负载率（ELR）为6.55;在农业结构调整方面,畜牧业取得了长足发展,而小杂粮、蔬菜和干鲜果的能值产出仍较小,远未成为优势产业;研究区农业生态系统整体的回报效率较低,承受的压力较大.山西省今后应继续转移农业剩余劳动力、控制人口增长,同时加大农业科技辅助能值投入、提高环境资源的利用效率,使系统能值的投入产出向高水平发展.     

舟山市东极大黄鱼养殖系统能值评估

以能值理论为基础,选择浙江省舟山市东极大黄鱼养殖系统为研究对象,在定量分析大黄鱼养殖系统的物流和能流基础上,通过建立能值评价指标体系,综合评价了东极大黄鱼养殖系统对环境的影响及其可持续性.结果表明:东极大黄鱼养殖系统的太阳能值转换率TR为1.46× 106 sej/J,环境承载力ELR为91.10,能值投入的生产效率PEEl为6.91× 10-7,能值持续性指数ESI为0.011.东极大黄鱼养殖系统虽然生产效率较高,但是过分依赖于外部购买资源,并且系统对环境的压力较大,环境的持续性也较差.另外,与广东珠江口3个不同鱼种养殖系统的有关指标进行了对比,提出了大黄鱼养殖系统的可持续性发展建议.     

采煤沉陷区复垦前后农业生态系统能值变化特征分析

采用能值理论分析方法,比较采煤沉陷区复垦前后农业生态系统能值投入和输出,结果显示,复垦后的能值总投入是复垦前的2.7倍,能值总输出是复垦前的3.1倍,能值投入率是复垦前的7.4倍,说明复垦后的农、业生态系统经济发展水平有所提高;人均能值用量是复垦前的2.7倍,表明复垦后人民的生活水平得到改善;由于复垦后农业产业结构的多元化,各产业结构正处于发展中阶段,因此,净能值产出率由复垦前的0.28降低到复垦后的0.14,但环境负荷率由复垦前的0.5上升到复垦后的3.7,系统稳定性指数由复垦前的0.10上升到复垦后的0.36,从而说明,复垦后的农业生态系统相对复垦前循环利用率和持续发展程度较高。     

基于GWR模型的伊河流域土壤有机碳空间分布特征及影响因素分析

土壤有机碳作为陆地碳库主体,其分布特征及与驱动因素的空间关系对土壤碳周转过程有重大影响。通过野外调查、采样和室内分析,基于地理加权回归（GWR）模型结合9个环境和土壤变量,建模分析伊河流域土壤有机碳空间分布状况,以及影响其分布的主要因素。研究发现,流域表层土壤有机碳在3.37-38.34 g/kg之间,上、中、下游有机碳分布存在空间差异,其中上游差异最大,下游差异最小。相关分析表明,有机碳与土壤理化性质相关性显著,与年平均气温以外的环境因子相关性不显著。GWR模型较好地预测了伊河流域土壤有机碳空间分布,局部决定系数在0.49-0.64之间,自下游到上游,决定系数逐步升高,对上游的预测精度最高。分析发现,在海拔较高的中上游区域,土壤有机碳含量主要受立地环境、成土母质和地表覆盖的影响;在中上游低山丘陵区,人类活动和环境因素共同影响了土壤有机碳含量;在中下游平原区农业活动和化肥投入是造成土壤有机碳含量较高的主要因素。研究揭示了各因素对有机碳影响的空间分异特征,可为伊河流域土壤生态系统的合理发展和管理提供依据。     

Comparisons of ecosystem services among three conversion systems in Yancheng National Nature Reserve

A conceptual framework of internal and external emergy was addressed to integrate ecosystem services evaluation and emergy analysis. Internal emergy yields support the material, structure, and information of the ecosystem, and external emergy is those goods and services related to the outside of the ecosystem. An accounting system was determined from the conceptual framework and applied to the evaluation of ecosystem services of conversion activities in Yancheng National Nature Reserve (YNNR), an international important coastal wetland in Jiangsu Province of China. Three typical conversion systems were selected as study cases: (1) a ragworm culturing system (RCS, located in the core zone of YNNR), (2) a clam culturing system (CCS, located in the buffer zone), and (3) a fishpond system (FCS, located in an experimental zone). Our results showed that the ragworm culturing system was more sustainable than the other two systems; indices of base emergy yield ratio (Beyr), net emergy yield ratio (EYR), eco-services benefits (Bs), emergy sustainable indices (ESI) were more sensitive in the new accounting system; the function of the ragworm culturing system relied more on renewable resources and the other two relied mainly on the economic management; and environmental impact, and external services played a crucial role in the ecological engineering evaluation.     

种养系统可持续发展指数的空间格局及其演变趋势——以山东省为例

农业生产专业化、集约化背景下,种养分离越发严重,畜禽粪便排放与环境之间矛盾日益突出,农业可持续发展面临重大挑战.本研究以山东省为例,基于1999-2015年种养系统投入产出资料,利用能值的方法,定量分析了山东省域及市域种养系统可持续发展指数的空间格局及其演变趋势.结果表明:1999-2015年,山东省种养系统的可持续性减弱.可持续发展指数呈极显著下降趋势,2015年较1999年下降了22.0%;净能值产出率和环境负载率均呈极显著增加趋势,单位经济投入获得的利益显著增加,同时种养生产对环境的压力明显加大,这主要与电力、复合肥、农业机械等工业资源投入量的增加密切相关.山东省各地市种养系统可持续发展水平具有差异.大部分地市种养系统的可持续发展指数较高,而沿海地区(威海、烟台)和工业城市(淄博)则较低.同时,各地市种养系统的可持续发展态势也具有差异.鲁中和鲁南地区可持续性逐年减弱,鲁北地区可持续性逐年增强.以2015年为本底数据进行情景分析,发现种养高度结合(100%粪便有机肥替代化肥)情景的可持续发展指数可达8.4,是种养结合现状(30%粪便有机肥替代化肥)的2.6倍.