2019, Vol. 27
2. 福建省农业科学院果树研究所 福州 350003;
3. Department of Engineering, Faculty of Agriculture, Dalhousie University, Canada B2N 5E3;
4. 福建省山地草业工程技术研究中心 福州 350013
2. Institute of Fruit Research, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fuzhou 350003, China;
3. Department of Engineering, Faculty of Agriculture, Dalhousie University, B2N 5E3, Canada;
4. Fujian Engineering and Technology Research Center for Hilly Prataculture, Fuzhou 350013, China
果园生草是生态果园建设的重要环节, 农区草业的重要组成部分, 在生态脆弱区的水土流失治理、农业环境污染治理发挥着不可替代的作用[1]。平和县人地矛盾突出, 是福建省水土流失治理重点区之一, 同时也是蜜柚主产区, 蜜柚种植面积约占全国的1/3[2]。平和蜜柚[Citrus grandis (L.) Osbeck.]在以量取胜的产业快速发展过程中, 也带来了突出的区域生态问题, 包括土壤酸化严重, pH > 5的园地仅为3.39%[3], 水土流失严重, 营养失衡, 黄脉病普遍, 氮素流失严重, 磷素盈余明显[4]。李发林等[5]的研究表明, 蜜柚园试验区汇水全年总磷含量大于Ⅲ类水质标准要求, 总氮含量大于Ⅴ类水质标准要求, 引发了日渐严重的河流富营养化等问题, 进而影响平和百姓的生活用水。为此, 平和县积极探索蜜柚园生草模式。研究显示, 蜜柚园生草可显著降低蜜柚园径流总氮、总磷流失量[6-7], 改善蜜柚园小气候[8-9], 增加蜜柚园害虫天敌的数量[10], 减少蜜柚裂果现象[11], 同时也带来一定的劳动力投入, 给生草模式的推广应用带来一定难度。
综合评价该模式的生态经济效益是深入分析这一矛盾的重要方法。目前果园生草的生态效益评价研究较为深入, 部分学者对生态经济耦合也开展了评估。如刘兴元等[12]分析显示果-草-鸡生态循环模式的水分利用提高54.1%, 土流失减少58.82%, 土地利用效率提高36.84%、产出利润提高3.82倍。但该研究还是偏重于系统的自然属性, 这与果园作为农业生态系统的一种类型, 其类似的属性特征使学者在评价研究中多借鉴于农业生态系统的评价方法有关。韩玉等[13]研究表明, 针对农业生态系统的主流评价方法源于对自然生态系统的评价, 需要更多考虑生产操作、经营管理等方面的影响, 并尊重经营、管理、市场等因素在农业生产系统中的突出地位。因此, 同步、系统地评价果园生草模式的生态与经济效益相关报道较为少见。与生命周期法、生态足迹法等评价方法相比, 能值分析法同时注重资源环境等自然属性和经营管理、市场因素等经济属性, 可用于生态脆弱区农业生产模式的生态、经济平衡格局研究[14-15]。能值评价方法亦源于自然生态系统评价, 在从自然生态系统评价拓展到农业生态系统评价过程中, 能值基准、人力投入核算、货币能值转换以及产出能值分析等关键环节影响评价的可靠性。Odum[16]提出全球能值总量为9.44E+24 sej·a-1, 2000年又将能值基准更新为15.8E+24 sej·a-1 [17], Brown等[18]计算出的能值基准为15.2E+24 sej·a-1, Campbell等[19]认为9.26E+24 sej·a-1适于作为能值基准, Brown等[20-21]经过反复计算认为全球能值基准为12.0E+24 sej·a-1, 并得到了全球能值学会的推荐。随着中国经济社会发展, 劳动力成本不断提升, 基于国外的劳动力成本基础数据得到的人力投入能值核算结果难以反映中国实际。Yang等[22]对中国经济能值分析结果进行估算, 应用该研究结果得到的人力投入、货币转换等系数开展计算, 有助于大大提升评价科学性。本文以能值为标准, 应用前人最新研究结果, 遵守能值分析第一规则, 深入开展蜜柚园生草模式的相关指标分析, 以期为该模式的优化与应用提供科学参考。
1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况蜜柚园生草模式示范区位于福建省平和县五寨镇前岭村(117°22′27″E, 24°10′57″N), 海拔150~200 m, 平均坡度15°。品种‘红肉蜜柚’, 果树树龄12年, 土壤为红壤。生草措施为保留自然草被, 劈矮影响田间操作的高秆草类。调查表明, 草层高度为20~40 cm, 草被覆盖度达95%左右, 主要草种有鸭跖草(Commelina communis L.)、红花酢酱草(Oxalis corymbosa DC.)、一年蓬[Erigeron annuus (L.) Pers.]、一点红[Emilia sonchifolia (L.) DC.]、霍香蓟(Ageratum houstonianum Miller)、百喜草(Paspalum notatum Flugge)、白三叶(Trifolium repens L.)、求米草[Oplismenus undulatifolius (Arduino) Beauv.]、马唐[Digitaria sanguinalis (Linn.) Scop.]、龙葵(Solanum nigrum Linn.)、凹头苋(Amaranthus lividus Linn.)、刺蓼[Polygonum senticosum (Meisn.) Franch. et Sav.]、截叶铁扫帚(Lespedeza cuneata G. Don)、鸡眼草[Kummerowia striata (Thunb.) Schindl.]、积雪草[Centella asiatica (Linn.) Urban]、含羞草(Mimosa pudica L.)、阿拉伯婆婆纳(Veronica persica Poir.)、短叶水蜈蚣(Kyllinga brevifolia Rottb.)等。
传统清耕模式位于福建省平和县五寨乡前岭村, 117°22′05″E, 24°10′12″N, 海拔150~200 m, 平均坡度12°, 品种‘红肉蜜柚’, 果树树龄12年, 土壤为红壤。清耕措施为果园每年喷施草甘磷3次, 零星生长的草种主要有一年蓬和马唐, 草被覆盖度为5%~10%。
1.2 研究方法 1.2.1 系统界定模式边界:蜜柚园生草果园面积21.7 hm2, 种植蜜柚1.2万棵, 厂房1座, 全园布设水肥一体化设备及管道, 生产用水为打井抽取。2011年起福建天意红肉蜜柚开发有限公司实施该管理模式, 生产数据为2017—2018年平均值。传统清耕果园面积10 hm2, 种植蜜柚5 560棵, 简易管理房8座, 全园布设水肥一体化设备及管道, 生产用水为自引水源。2007年起福建省平和县五寨乡前岭村8位村民实施该模式管理, 生产数据为2017—2018年平均值。
资源分类:可更新环境资源包括太阳能、化学雨水势能、电力(水利发电中河流势能部分); 不可更新环境资源包括土壤损失和生产用水(农药含量高, 无法再利用); 可更新有机能包括劳动力(日常消费部分)、有机肥; 工业辅助能包括电力(水利发电基础设施投入部分)、水溶肥、农药、纸袋以及厂房和设施的当年损耗部分; 系统反馈能主要是草被, 主要产出为柚果。蜜柚园生产系统里, 柚树为生产者, 草为反馈者, 土壤和留存在沟渠系统的废水为能量贮藏者。系统产出部分为商品果和废弃果。能量耗散主要存在于柚树代谢、枝条修剪、土壤侵蚀和废水排放。蜜柚园生草模式能值流动有别于蜜柚园清耕模式, 表现在3个方面: 1)改变传统管理方式, 包括减少除草剂, 增加有机肥投入; 2)减少土壤侵蚀, 循环利用部分废水, 减少能量耗散, 增加反馈能值(图 1); 3)调节土壤水分供应, 增加夏、秋季土壤保湿, 减少裂果发生率, 提高产出能值。
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图 1 蜜柚园生草(A)、清耕(B)模式能量流动图(单位: sej·hm-2) Fig. 1 Emergy flow of honey pomelo orchard systems with growing grasses (A) and clearing treatment (B) (Unit: sej·hm-2) |
本研究的基础数据是根据系统内2017年、2018年度的投入和产出, 以及记录当地气象部门的多年气象数据平均值计算得出, 并绘制蜜柚园生草模式的能值流程图。将调查的原始数据转化成以J、g、为单位的能量或物质数据, 将不同度量单位转换为统一的能值单位(sej), 编制能值分析表。并列出系统的主要能量来源和输出项目, 以及各能量或物质的太阳转化率, 能值基准为12.0E+24 sej·a-1 [20-21], 太阳能值转化率主要参考蓝盛芳等[23]整理结果, 并按新的能值基准进行转换。其中能值货币比参考Yang等[22]的研究结果(以9.44 E+24 sej·a-1为能值基准测算出货币能值转化率为5.87E+12 sej· -1), 并按新的能值基准进行转换。
能值理论的相关计算公式如下:
| $ 能值自给率({\rm ESR})=环境的无偿能值(R+N)/能值总投入(T) $ | (1) |
| $ 能值投资率({\rm EIR})=经济的反馈能值(F+R_1)/环境的无偿能值(R+N) $ | (2) |
| $ 净能值产出率({\rm}EYR)=系统产出能值(Y)/经济的反馈能值(F+R_1) $ | (3) |
| $ 环境负载率({\rm ELR})=系统不可更新能值总量(F+N)/可更新能值总量(R+R_1+R_0) $ | (4) |
| $ 有效能产出率({\rm EEYR})=商品果能量(Y')/能值总投入(T) $ | (5) |
| $ 能值反馈率({\rm FYE})=系统产出能值反馈量(R_1)/经济的反馈能值(F+R_1) $ | (6) |
蜜柚园生草与蜜柚园清耕管理模式的能值投入分析结果表明(表 1): 2017—2018年蜜柚园清耕模式投入能值密度平均为3.69E+17 sej·hm-2, 蜜柚园生草模式能值投入密度平均为3.35E+17 sej·hm-2, 较前者(清耕模式)下降9.21%;其中不可更新环境资源投入下降2.57E+14 sej·hm-2 (76.71%), 工业辅助能投入下降2.88E+15 sej·hm-2, 可更新有机能投入下降3.08E+16 sej·hm-2。反馈能值未纳入总能值投入, 但是2017—2018年蜜柚园生草模式的反馈能值平均为5.94E+14 sej·hm-2, 是蜜柚园清耕模式(1.35E+ 14 sej·hm-2)的4.4倍。生草栽培模式下, 与面源污染密切相关的表土损失能下降2.56E+14 sej·hm-2(82.2%), 农药投入能值下降3.80E+15 sej·hm-2(7.8%), 生产用水下降4.09E+11 sej·hm-2(1.7%)。
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表 1 两种栽培模式蜜柚园系统的能值投入(2017—2018年) Table 1 Emergy inputs of honey pomelo orchard systems with two cultivation patterns (2017-2018) |
蜜柚园生草模式总体上降低能值投入。分析2种模式的能值投入结构差异, 有助于理解栽培模式的变化给生产投入带来的影响。分析表明(表 2), 与清耕模式相比, 蜜柚园生草模式在购买资源部分(含工业辅助能和可更新有机能)的能值下降4.01E+ 16 sej·hm-2(11.1%), 在可更新资源部分(含可更新环境资源和可更新有机能)下降3.08E+16 sej·hm-2(16.5%), 能值投入结构趋于优化, 其中以可更新有机能下降为主, 是影响能值投入结构变化的重要因素。
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表 2 两种栽培模式蜜柚园系统的能值投入结构(2017—2018年) Table 2 Emergy input structure of honey pomelo orchard systems with two cultivation patterns (2017-2018) |
当前, 劳动力投入已经成为农业生产系统重要且关键的部分。在本系统中, 劳动力和有机肥是可更新有机能的主要组成部分。分析表明, 蜜柚园管理中劳动力能值投入占能值总投入70.45%~72.90%(表 1)。果园生草仍在试验和小面积推广阶段, 生草增加了蜜柚园管理难度和劳动力成本, 在一定程度上影响该模式推广[25]。研究结果显示(图 2), 蜜柚园生草的劳动力投入较蜜柚园清耕降低3.30E+16 sej·hm-2(表 1)。劳动环节中, 采摘作业所用的劳动力占蜜柚园生产过程最高, 达20.34%~28.46%(图 2)。生草模式在草被管理、采摘、套袋环节分别增加劳动力投入1.31E+16 sej·hm-2、1.24E+16 sej·hm-2和1.16E+15 sej·hm-2(图 2)。采用生草栽培的经营者更加注重基础设施建设布局, 在肥料搬运、翻埋、水肥施用、农药施用等环节, 累计降低劳动力投入5.98E+16 sej·hm-2, 可弥补草被管理增加的劳动力投入。蜜柚园生草栽培提高了采摘、套袋环节的劳动力投入, 提高商品果率, 综合产值更高。
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图 2 两种栽培模式蜜柚园系统的劳动力能值投入 Fig. 2 Labor emergy input of honey pomelo orchard systems with two cultivation patterns |
蜜柚园主要产出为蜜柚商品果和废弃果(包括裂果、幼果等)。2017年, 蜜柚园生草模式、清耕模式蜜柚商品果分别为37.80 t·hm-2、29.00 t·hm-2, 废弃果分别为0.23 t·hm-2、4.00 t·hm-2, 商品果产地销售均价分别为4.4元·kg-1、4.2元·kg-1, 产值分别为16.63万元·hm-2、12.18万元·hm-2。2018年蜜柚园生草模式、清耕模式商品果分别为48.38 t·hm-2、31.30 t·hm-2, 废弃果为0.23 t·hm-2、4.50 t·hm-2, 产地销售均价均为3.2元·kg-1, 产值分别为15.48万元·hm-2和10.02万元·hm-2。根据能值转换率换算, 2017—2018年蜜柚园生草模式的能值产出3.35E+17 sej·hm-2, 其中商品果能值产出为3.33E+17 sej·hm-2。蜜柚园清耕模式能值产出为3.69E+17 sej·hm-2, 其中商品果能值产出为3.23E+17 sej·hm-2。生草栽培的商品果能值产出比清耕模式提高1.00E+16 sej·hm-2 (30.96%)。基于能值的劳动生产效率分析表明:蜜柚园生草、清耕的劳动生产效率分别为1.41、1.20, 前者比后者增加17.50%(表 3)。
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表 3 两种栽培模式蜜柚园系统的劳动生产效率 Table 3 Labor efficiency of honey pomelo orchard systems with two cultivation patterns |
能值自给率指本地环境资源能值投入与系统能值总投入之比。分析表明(表 4), 2017—2018年蜜柚园清耕模式和生草模式能值自给率均为0.003。低能值自给率表明蜜柚生产需要大量的养分, 园地自身的土壤养分并不能满足目标产量, 需要外界输入大量的有机肥满足生产, 与此同时劳动力、农药的投入比例也较高。2017—2018年蜜柚园生草模式、清耕模式的能值投资率分别为339.291和295.763, 生草模式与清耕模式相比, 能值投资率高14.7%, 这也表明蜜柚园生草模式具更强经济活力。两种蜜柚园栽培模式净能值产出率均为1.003。环境负载率体现农业模式对环境的依赖性, 果园生草和果园清耕的环境负载率分别为0.348、0.321。生草有效阻控果园的水土流失和农业面源污染, 同时增加有机肥投入, 通过绿肥翻压, 增加系统反馈, 有利于降低环境负载, 但是通过管理大幅降低劳动力投入(3.30E+16 sej·hm-2), 劳动力投入降幅高于工业辅助能和不可更新环境资源投入下降值(3.13E+15 sej·hm-2), 导致生草模式环境负载率提升0.027。2017—2018年蜜柚园生草和清耕模式的有效能产出率分别为4.57E-7 J·sej-1、2.90E-7 J·sej-1, 前者比后者增加57.6%。
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表 4 两种栽培模式蜜柚园系统的能值指标 Table 4 Emergy indicators of honey pomelo orchard systems with two cultivation patterns |
随着城镇化快速推进, 农业劳动力逐渐向城镇和其他产业转移, 劳动力在中国已是稀缺资源, 在农业经营管理中劳动力因子已逐渐成为生产关系的核心。研究表明, 1986—2006年间, 我国农民工工资水平增长了10.2倍[27]; 稻田生态系统中, 长期以来劳动力能值投入超过总能值投入50%[28]。本研究显示蜜柚生产的劳动力能值投入占总能值投入的70.45%~72.90%, 这与蜜柚需要精耕细作的要求有关。近年水保型蜜柚高效生产模式的构建已经从注重单一控制水土流失发展到防控面源污染与提高柚果商品型并重的综合研究, 其中生草栽培对劳动力投入的影响是果农关心、关注的重点。分析表明生草栽培对劳动力投入产生3个方面的连锁反应: 1)蜜柚园生草模式中, 人工草被管理替代除草剂增加了劳动力投入, 增量为1.31E+16 sej·hm-2; 2)通过基础设施建设的科学布局, 实现有机肥料搬运、翻埋、水肥施用、农药施用4个环节的节能节支累计节约2.60E+16 sej·hm-2; 3)生草栽培商品果产量提高42.92%, 套袋、采果劳动力投入分别增加1.15E+15 sej·hm-2、1.25E+16 sej·hm-2。鉴于第3个方面的劳动力投入会带来产值增加, 农户普遍乐于接受。就前两个方面比较而言, 生草措施对劳动力的节支大于增量, 这为生草模式的推广应用奠定重要基础。
3.2 生草栽培对蜜柚园系统环境负荷的影响蜜柚生产过程对生态环境造成的压力则是政府关心、关注的重点, 其中大量用肥用药造成的面源污染问题比较突出。在我国南方山区, 径流与泥沙是氮素、磷素、可溶性农药由土壤界面向水体界面输移的主要载体, 降雨是主要驱动因子。梯台建设和生草栽培是果园阻控径流与泥沙运移的两个重要手段。在年降雨量1 000 mm左右的西南山区, 如四川、云南, 以植物篱为代表的生草措施为主[29]; 在年降雨量达2 000 mm以上的华南山区, 如福建、广东, 以梯台为代表的工程措施为主。但是, 该区在丰水期梯台果园的溢流现象仍然十分明显[5, 8], 平时蓄积的污染物在溢流时段集中排放, 引发河流水质指标发生“短时爆表”的问题, 正越来越受到学者们的关注。相关研究表明蜜柚园清耕带来2 921.85 m3·hm-2的废水(总氮浓度达4.77 mg·L-1, 总磷浓度达1.27 mg·L-1), 生草栽培也带来1 531.65 m3·hm-2的废水(总氮浓度达2.72 mg·L-1, 总磷浓度达0.42 mg·L-1), 生草措施通过增加地表覆盖是有效解决这一问题的重要方法[5]。本研究分析表明:生草措施减少表土损耗能下降2.56E+14 sej·hm-2, 降幅达82.22%, 在一定程度上佐证了生草阻控径流的功能, 同时农药投入能值下降3.80E+15 sej·hm-2, 降幅达7.85%, 又发挥农药源头减量的作用, 给该区域构建群众主动式参与水土流失治理和农业面源污染防控提供理论支撑。本研究结果还可为7.525万hm2南方果园间隙地[1]的复合模式构建提供参考。
3.3 平和县蜜柚园生产系统的内在特征与优化方向蜜柚是平和县主导产业。分析表明:蜜柚生产是高投入、高产出的生产系统, 净能值产出率达1.003, 高于江西省水稻(0.41~0.43)[30]和茶叶(0.49~ 1.29)[31]等常规农业生产系统, 低于棉花(Gossypium spp.)(2.88)[30]、油菜(Brassica napus L.) (5.16)[30]等经济作物系统, 说明平和蜜柚具有明显的比较优势。蜜柚生产的环境负载率为0.321~0.348, 高于棉花(0.17)[30]、油菜(0.28)[30]和茶叶(0.05)[31], 低于水稻(Oryza sativa L.)(0.56~0.74)[30]。分析显示生产过程的能值自给率仅为0.003, 需要依靠大量的外源养分(有机肥、水肥)输入和劳动力投入。蜜柚生产环节包括有机肥施用、追施化肥、喷施农药、套袋、采摘、环割、修剪等, 每个环节均形成相对专业化的服务队, 实现高效生产, 劳动生产效率达1.20~1.41, 部分解决了劳动力就业问题。
当前, 平和蜜柚产业发展过程中面临着氮磷排放和比较优势逐渐消失的问题。随着蜜柚种植规模扩大, 尤其是广西、广东、海南大力发展蜜柚(采摘期提前, 竞争强), 平和蜜柚生产的比较效益逐渐减弱。因此, 积极推动绿色生产, 提升蜜柚品质, 提高柚果商品性是平和县蜜柚产业发展的必然趋势。这也为蜜柚园生草模式推广提供契机。实践表明, 善于科学管理与统筹安排, 蜜柚园生草栽培模式可以实现劳动力成本下降, 劳动生产效率提高。有机肥合理施用也是关系产业绿色发展的重要问题。蜜柚园能值自给率低, 生草模式通过增施有机肥是维持高效生产的关键措施, 但是过量施用带来了土壤磷素富集和流域面源污染风险。下一阶段, 将借鉴生态经济评价方法[32-34]开展水生态效率、资源利用效率的深入研究, 进一步提出系统性优化建议。
4 结论2017—2018年平和县蜜柚园生草模式与清耕模式的能值投入产出分析表明, 2种模式的净能值产出率均为1.003, 与蜜柚园清耕模式相比, 蜜柚园生草模式能值投资率高43.528, 环境负载率提高0.027, 有效能产出率提高1.67E-7 J·sej-1, 基于能值的劳动生产效率提高17.5%。总体上, 根据不同指标结果判断, 蜜柚园生草模式综合效果好。蜜柚园生草模式是平和县生态经济协调绿色发展的重要路径, 对于扭转蜜柚产业生产与生态矛盾日趋显现, 产业发展下行压力不断增强的被动局面具有积极意义。以平和蜜柚为例, 解析生草果园内部不同属性的资源投入和不同环节的劳动力投入特点, 有利于深入认识草在南方农区系统中的功能与作用。
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