当前我国农业发展面临播种面积减少、耕地质量下降、生态环境恶化等问题, 大力发展以稻田生态种养模式为代表的多功能生态农业可促进农业资源与环境可持续发展^[1]。稻蛙生态种养模式是稻田生态种养模式的一种典型模式, 在单一的水稻(Oryza sativa)种植环境中引入了蛙类, 利用物种之间的生态位互补控制病虫害以减少或避免农药的使用^[2], 既可以提高稻田效益, 又保护了环境。近年稻蛙生态种养模式在各地区蓬勃发展, 而相关的效益评价研究相对匮乏, 研究并评价稻蛙生态种养模式的经营效益及其可持续性对进一步优化其生产与推广有重要意义。

能值分析方法最早于20世纪80年代由美国著名生态学家Odum创立, 将生态经济系统内流动和储存的各种不同类别的能量与物质转换为统一标准的能值——太阳能, 是生态经济系统评价的重要方法, 同时也是衡量自然与人类社会系统之间相互作用的客观标准, 通过收集资料、绘制能值系统图、编制能值分析表、分析能值指标等步骤对系统进行评价分析^[3]。近年来, 能值分析方法在农业发展研究中受到重视, 许多学者将它运用到包括种植业^[4-5]、循环农业^[6]、城市生态^[7]等方面的分析当中。其中, 席运官等^[8]运用能值分析方法对稻鸭生态种养模式进行分析, 显示稻鸭生态种养模式具备较高的能值利用效率与可持续发展能力; 杨海龙等^[9]利用能值分析方法对贵州省稻鱼共生系统与水稻单作系统进行对比分析, 总结出稻鱼共生系统的优势表现。目前针对稻蛙生态种养模式进行系统的能值研究还比较少。因此, 本研究以上海市青浦区稻蛙生态种养模式为研究对象, 采用能值分析法对稻蛙生态种养模式的发展情况进行量化评价, 以填补相关研究空缺且为该模式未来健康稳定发展和推广提供了参考依据与方法借鉴, 从而促进稻田绿色高效发展, 助力生态农业建设。

1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况

本研究对象为上海市青浦区的稻蛙生态种养系统。上海市青浦区位于120°53′~121°17′E、30°59′~ 31°16′N, 区域内地势平坦, 平均海拔2.8~3.5 m, 全区水稻土占耕地总面积的95.60%; 区内属北亚热带南缘季风气候, 温和湿润, 四季分明, 雨水充沛, 光照正常; 全区河道纵横, 为平原感潮地区, 共有大小河道1817条, 河道面积为112.46 km^2[10]。青浦区拥有稻蛙种养面积580.02 hm², 辐射朱家角、练塘、金泽3镇, 种植区域通过国家绿色产品认证^[11]。其中在上海市青浦现代农业园区内现已形成一套完整的稻蛙生态种养技术标准。园区内农业企业与周边农户签订种植合同, 采取由农业企业提供水稻种子、蛙苗和技术标准, 农户提供劳动力和各种农机设备、生产物资费用等的模式, 整个种植过程和投入品的使用严格按照企业的技术标准执行, 企业委派技术人员现场监督、管理, 最后企业统一加价收购符合标准的稻谷。

1.2 研究方法 1.2.1 数据来源

能值研究中所用数据来源: 1)农业企业经营数据, 为实地调研数据; 2)官方公开统计数据, 包括《上海统计年鉴》《上海农村统计年鉴》、青浦区国民经济和社会发展公报等; 3)文献数据, 包括Odum^[12]、蓝盛芳等^[13]关于能值转换率的研究文献。

1.2.2 系统界定

稻蛙生态种养模式是指通过利用互利共生、生态位等生态学原理^[14], 同时进行水稻种植和蛙类养殖的稻田生态种养模式。本次研究选取位于上海市青浦现代农业园区内113.56 hm²种养区域作为研究对象, 所采用的单位面积(1 hm)数据为研究区域内平均水平。本研究以一个完整的生产过程为周期, 对生产过程中的各种投入、生产进行详细记录: 青浦区稻蛙生态种养模式于每年5月初开始翻耕, 5月15日后播种, 5月下旬进行围网, 6月15日左右完成移栽, 6月中旬在秧苗返青10~15 d后放蛙, 投放蛙数量为3000~4500只·hm^-2, 期间进行杂草防治、施肥、病虫防治等田间管理工作, 于每年10月底进行水稻收割。总生产时间约为6个月。

在上海市青浦区稻蛙生态种养模式生产系统中(图 1), 水稻和蛙是生产者, 土壤和残留物是能量贮藏者; 系统产出部分主要为稻谷、秸秆、用于人工繁育的成蛙与政策性收入, 能量耗散主要在于蛙数量的减少(如被鸟类捕食等)、土壤侵蚀和废水排放。总投入(E)资源分类: 可更新环境资源(R)包括太阳光能、雨水化学能、雨水势能、风能和地球旋转能(为避免重复计算, 可更新环境资源中雨水化学能、雨水势能、风能、地球旋转能仅取最大值雨水化学能^[15]), 不可更新环境资源(N)即表土损失能, 不可更新工业辅助能能值(F)包括基础设施(如围网、投料台等)、农业机械折旧、塑料薄膜、柴油、电力、农药与化肥, 可更新生物辅助能能值(T)包括种子、养殖品(蛙)、农田灌溉水、人力与管理、生物农药、有机肥(纯氮)和饲料。总产出(Y)包括稻田生态系统内部产出的稻谷、秸秆和成蛙, 以及因运行该系统所获得的政策性收入。其中成蛙不予售卖, 只捕获小部分用于人工繁育, 其余使其在稻田系统中自然繁殖; 政策性收入指政府补贴, 包括规模化经营补贴、水稻机械化育插秧补贴、秸秆还田补贴、绿色补贴以及其余一般补贴等。

1.2.3 计算方式

本文采取最新太阳能值基准为1.20E+ 25 sej·a^-1[16]。太阳能值转化率主要参考Odum^[12]、蓝盛芳等^[13]以及相关研究记载等方法, 并按新的能值基准进行转换。主要投入能值计算公式如下:

$太阳光能=5 - 10 月平均太阳总辐射量(\mathrm{J} \cdot \mathrm{hm}^{-2}) \times \\ 农田面积( \left.\mathrm{hm}^{2}\right) \times 能值转换率(1.00 \;\mathrm{sej. J }^{-1} )$

(1)

$雨水化学能=5 - 10 月平均降水量(\mathrm{mm})\times水的密 \\ 度\left(\mathrm{kg} \cdot \mathrm{m}^{-3}\right) \times 水的自由能 \left(\mathrm{J} \cdot \mathrm{kg}^{-1}\right) \times 农田面积 \left(\mathrm{hm}^{2}\right) \times 能 \\ 值转换率 \left(2.31 \;\mathrm{E}+04 \;\mathrm{sej} \cdot \mathrm{J}^{-1}\right)$

(2)

$土地有机质损失=土壤侵蚀率 \left(\mathrm{g} \cdot \mathrm{hm}^{-2}\right) \times 有机质 \\ 能量(\mathrm{J} \cdot \mathrm{kg}^{-1} ) \times 单位质量土壤有机质含量 \left(\mathrm{g} \cdot \mathrm{kg}^{-1}\right) \times 农田 \\ 面积 \left(\mathrm{hm}^{2}\right) \times 能值转换率 \left(7.94 \mathrm{E}+04 \;\mathrm{sej} \cdot \mathrm{J}^{-1}\right)$

(3)

其余能值转换率如表 1所示。

根据上述能值计算方式获取可更新自然资源(R)、不可更新自然资源(N)、不可更新工业辅助能(F)、可更新生物辅助能(T)、总投入(E)、总产出(Y)各项总和, 从而计算出各模式的可更新自然资源能值、不可更新自然资源能值、不可更新工业辅助能值、可更新生物辅助能值和系统的产出能值。能值理论的相关计算公式及其相关解释意义如下^[22]:

$能值自给率 (\mathrm{ESR})=(R+N) / E$

(4)

$能值投资率(\mathrm{EIR}) =(F+T) /(R+N)$

(5)

$净能值产出率(\mathrm{NEY}) =Y /(F+T)$

(6)

$环境负载率(\mathrm{ELR}) =(F+N) /(R+T)$

(7)

$能值可持续指数 (\mathrm{ESI})=\mathrm{NEY} / \mathrm{ELR}$

(8)

2 结果与分析 2.1 青浦区稻蛙生态种养模式能值投入产出分析

2015—2019年上海市青浦区稻蛙生态种养模式生产系统投入产出各要素的单位面积能值数据。具体数据如表 2所示。

2.1.1 投入能值分析

1) 投入能值总体情况。2015—2019年上海市青浦区稻蛙生态种养模式生产系统能值投入总量基本稳定, 略有浮动。其中2019年为最高值, 投入总能量达7.62E+15 sej·hm^-2。

2) 主要能值内容。每年占比较大的投入包括农田灌溉水、雨水化学能、复合肥、有机肥、基础设施等。其中农田灌溉水在2015—2018年连续4年占比第一, 年均占比20%左右; 2019年因青浦区降雨量较常年增多, 雨水化学能升至第一, 占比达20.14%。复合肥能值总体呈下降趋势, 有机肥投入量呈逐年上升趋势, 证明农业企业采取青浦稻蛙生态种植模式时有意识推行以有机肥替代化肥, 此项措施更利于环境保护。2018年农业企业尝试有机生产模式, 复合肥能值与有机肥能值分别达5年中最低值(1.76E+14 sej·hm^-2)与最高值(1.41E+ 15 sej·hm^-2)。因采取有机种植模式, 多数依靠人工进行除草等农事操作, 单位面积需雇佣人数上升, 人力与管理能值在2018年达最高值(8.45E+14 sej·hm^-2), 占比首次超过10%。但因有机种植模式成本过高, 2019年农业企业进行了模式回调。

3) 投入能值类别。如图 2所示, 可得出2015—2019年不同类别投入资源的占比及其变化情况。占比最多的都是可更新生物辅助能, 2018年甚至达65.30%, 受降雨量变化影响的缘故2019年可更新自然资源比重在下降中有所回升, 不可更新自然资源比重无明显变化, 不可更新工业辅助能总体呈下降趋势。2019年, 稻蛙生态种养模式生产系统的可更新自然资源(R)、不可更新自然资源(N)、不可更新工业辅助能(F)、可更新生物辅助能(T)占比分别为20.48%、1.81%、27.79%和49.91%。

2.1.2 产出能值分析

1) 产出能值总体情况。2015—2019年上海市青浦区稻蛙生态种养模式生产系统能值产出总体在稳定中有所上升, 2018年达最高值(2.43E+ 16 sej·hm^-2), 产出能值包括系统内部产出和政策性收入两部分。

2) 系统内部产出。如图 3所示, 上海市青浦区稻蛙生态种养模式生产系统内部产出中, 稻谷、秸秆与用于人工繁育的成蛙3项能值合计从2015年的1.10E+16 sej·hm^-2升至2019年的1.31E+16 sej·hm^-2。每年稻谷能值占总产出能值比例接近50%, 随着生产逐年稳定, 产量不断提升, 2019年的稻谷能值达最高值(1.08E+16 sej·hm^-2), 同时在总产出能值中占比第一。秸秆能值占比随稻谷产量同步变动, 年均占比约为10%。由于每年仅捕获少量用于人工繁育的成蛙, 数量为30~45只·hm^-2, 其余不进行捕获, 使其在稻田系统中自然繁殖, 所以产出中成蛙能值占比不大, 均未超过0.1%。

3) 政策性收入分析。政府补贴对水稻生产起着重要的影响作用, 将其纳入考量将更科学评价稻田生态种养模式的产出情况。2015—2019年政策性收入能值占总产值比例与稻谷能值相仿, 但总体占比呈下降趋势, 2019年政策性收入能值为1.03E+ 16 sej·hm^-2, 低于稻谷能值。

2.2 青浦区稻蛙生态种养模式能值指标分析

根据能值理论的相关计算公式, 得出2015—2019年上海市青浦区稻蛙生态种养模式各能值指标值, 如表 3所示。

1) 能值自给率(ESR)。此指标反映本地资源对系统生产的贡献以及系统受市场的影响大小, 相当于农业投入中自然资源投入的比重, 是评估系统独立发展即自给自足能力的指标。由表 3可知2015—2019年上海市青浦区稻蛙生态种养模式生产系统能值自给率较低, 为0.14~0.22, 无明显变化趋势。表明青浦区稻蛙生态种养模式生产系统对自然资源的依赖性相对低, 对工业投入依赖性相对较高, 农业生产集约度较高。

2) 能值投资率(EIR)。此指标是用来衡量经济活动的竞争力程度, EIR值越大表明该地区农业生态系统经济发展程度越高。2015—2019年青浦区稻蛙生态种养模式生产系统能值投资率存在浮动, 其中2018年达最高值6.20, 而在2019年却又跌到最低值3.48。分析其主要变动原因为: 2015—2018年不可更新工业辅助能(F)与可更新生物辅助能(T)投入逐年上升, 与此同时自然资源变化率较少, 购买能值投入比重不断上升, 能值投资率不断上升; 而2019年的雨水化学能较常年突然增多, 导致自然资源能值升高, 自然资源投入上升, 能值投资率降低。

3) 净能值产出率(NEY)。此指标是指衡量农业生态系统生产效率和产品竞争力大小的指标, NEY值越高则说明系统产出与辅助能投入之间比率越高, 表明系统的生产效率越高。2015—2019年青浦区稻蛙生态种养模式生产系统的净能值产出率总体较高且呈小幅上升趋势, 2019年达到3.95。说明稻蛙生态种养模式系统生产效率逐年增长, 产品竞争力不断增强。

4) 环境负载率(ELR)。此指标指购买能值和不可更新环境能值与可更新环境能值的比值, 是用来衡量某区域一定的经济状况下环境系统所承受压力的一个指标, 较高的环境负载表明系统科技发展水平较高, 同时当地环境系统承受的压力也较大。由表 3得知, 2015—2019年青浦区稻蛙生态种养模式生产系统的环境负载率都较低, 均处于1以下且总体呈下降趋势, 在实施有机种植模式的2018年更是实现了最低值(0.29)。说明青浦区稻蛙生态种养模式生产系统注重环境保护, 农田系统处于较低的环境负载率下。

5) 能值可持续指数(ESI)。此指标是指系统净能值产出率与环境负载率的比值, 如果一个地区的生态经济系统净能值产出率较高而环境负载率又相对较低, 则它是可持续的, 反之是不可持续的。ESI值大于1, 表明当地经济系统富有活力和发展潜力; ESI值小于1时为消费型经济系统, 该系统内不可更新资源的利用很大, 环境负载率较高。由表 3可知, 青浦区2015—2019年稻蛙生态种养模式生产系统的能值可持续指标都大于1, 且总体呈增长趋势, 其中2018年达最高值13.15, 说明稻蛙生态种养模式拥有较好的可持续发展潜力。

3 讨论

1) 本研究主要探究了稻蛙生态种养模式的系统运作情况。在文献研究与实地调研的基础上, 选用能值自给率等5项能值指标对稻蛙生态种养系统进行评价, 评价结果反映出稻蛙生态种养系统内部可更新自然资源、不可更新自然资源、不可更新工业辅助能和可更新生物辅助能与总产出之间的内在关系。将稻蛙生态种养模式生产系统的能值分析结果与已有相关领域研究结果进行对比发现: 青浦区稻蛙生态种养模式生产系统能值自给率年平均水平(0.18)低于常规双季稻耕作系统(0.44)^[4]、稻鸭生态种养模式生产系统(0.34)^[8]和稻鱼生态种养模式生产系统(0.39)^[9]; 能值投资率年平均水平(4.86)高于稻鸭生态种养模式生产系统(1.71), 但低于稻鱼生态种养模式生产系统(6.28); 净能值产出率年平均水平(3.65)高于常规双季稻耕作系统(1.78)、稻鸭生态种养模式生产系统(1.82)和稻鱼生态种养模式生产系统(1.66); 环境负载率年平均水平(0.46)低于常规双季稻耕作系统(1.06)、稻鸭生态种养模式生产系统(0.87)和稻鱼生态种养模式生产系统(1.80); 能值可持续指数年平均水平(8.52)高于常规双季稻耕作系统(4.07)、稻鸭生态种养模式生产系统(2.09)和稻鱼生态种养模式生产系统(0.92)。根据每个指标计算公式及来源, 分析得出此结果的原因在于稻蛙生态种养模式生产系统中自然资源投入相对较少, 购买能值投入较多, 且可更新生物辅助能占购买能值比例大, 产出水平较高, 能值利用效率较高。

2) 稻蛙生态种养模式生产系统与其他生产系统形成差异的原因主要有以下两点: 一是研究区域与研究时间不同造成的自然资源能值投入差异, 常规双季稻模式与稻鸭、稻鱼生态种养模式生产系统的自然资源能值投入都较稻蛙生态种养系统多。二是系统之间经营模式存在差异, 主要表现在购买能值投入与系统产出上。稻田生态种养模式生产系统中因增加养殖品相关投入及产出, 购买能值投入与系统产出较常规双季稻耕作系统多。而在稻田生态种养模式不同生产系统中, 稻蛙生态种养模式生产系统购买能值投入比例最大, 如肥料及人力与管理等项目, 且与稻鱼生态种养模式生产系统不同的是, 稻蛙生态种养模式生产系统购买能值中占比较多的是可更新生物辅助能, 所以稻蛙生态种养模式的环境负载率与可持续发展指数都表现得比稻鱼生态种养模式好。另外, 尽管稻鸭生态种养模式与稻蛙生态种养模式两者都更注重使用有机肥等可更新生物辅助能, 但因稻鸭生态种养模式生产系统中购买能值投入比例及总产出都相对较少, 导致能值投资率、净能值产出率及可持续发展指数表现不如稻蛙生态种养模式生产系统。

3) 稻蛙生态种养模式生产系统的当前不足与发展方向。总体而言, 与其他系统相比, 稻蛙生态种养模式的能值指标表现较好。但从另一角度看, 稻蛙生态种养模式生产系统的自然资源投入相对较少, 说明系统自我维持力弱, 受经济社会影响波动较大; 能值投资率仍处于较低水平, 经济发展程度可进一步优化调整; 净能值产出率与环境负载率低, 说明稻蛙生态种养模式产出能力仍有较大提升空间, 科技发展水平还有待提高; 2018年稻蛙生态种养模式生产系统可持续发展指数达13.15, 有学者指出, 当能值可持续指数大于10吋, 表明对资源的开发利用不够, 经济不是很发达^[23]。为进一步优化青浦区稻蛙生态种养模式生产系统, 应加大对系统的开发以及工业辅助能与现代化技术的投入, 如适当再提高购买能值投入占比, 进行科技创新、提高机械化水平等; 同时尝试开拓多元化商品市场, 提高总产出水平, 如考虑上市养殖品(蛙)或增加此模式相关的旅游服务产品等。

4) 能值分析方法的局限性与未来研究重点。能值分析方法从提出至今已应用到不同领域之中, 农业系统是其中最为代表性的领域。通过能值分析, 能实现系统中自然因素与经济社会因素的有效连接, 能清楚展现出系统内部投入产出的运行机制, 从而为下一步改善与发展找到突破口。但在使用能值分析方法时, 也出现全球能值基准未更新、系统边界不一致、资源贡献不合理计算等问题^[16]。本研究发现能值分析方法也未能全面反映系统情况。如本研究中能值产出只考虑稻作系统初级产品(稻谷)的产量, 而稻蛙生态种养模式产出的稻谷利用其绿色生态的特点, 能以稻米的形式销售至市场, 从而获取更多经济价值产出, 实际上稻蛙系统的能值产出应比常规纯稻谷销售的能值产出更高。未来能值分析研究如何充分将市场效益纳入考虑计算将是研究的重点方向之一。

4 结论

本研究通过能值分析, 将稻蛙生态系统内在的能流与经济流联系在一起, 全面、系统地分析稻蛙生态种养模式的生产过程, 为该模式后续研究与推广应用提供参考。研究结果如下:

2015—2019年上海市青浦区稻蛙生态种养模式中, 农田灌溉水、雨水化学能、复合肥、有机肥、基础设施等是主要的能值投入内容, 稻谷、秸秆、成蛙以及政策性收入为主要产出能值内容。青浦区稻蛙生态种养模式生产过程中以工业辅助能和生物辅助能为主, 5年两者占比之和均达80%以上, 对购买能值投入依赖性较高; 同时以可更新自然资源和可更新生物辅助能为主, 5年中两者占比之和均在65%以上, 以可再生能源投入为主。

2015—2019年青浦区稻蛙生态种养系统能值自给率0.18、能值投资率4.86、净能值产出率3.65、环境负载率0.46、能值可持续指标8.52。稻蛙生态种养模式能值自给率较低, 对自然资源依赖较低; 环境负载率低且能值可持续指数较高, 环境系统承受压力较小, 可持续发展潜力大; 但能值投资率、净能值产出率较低, 农业生态系统经济发展程度与生产效率仍有提升空间。

总体而言, 上海市青浦区稻蛙生态种养系统的能值分析综合效果好, 可持续发展潜力大, 是青浦区生态经济协调绿色发展的重要路径, 是值得拓展推广的生态农业模式; 同时此模式未来发展及推广应充分利用资源, 开拓多元化产品, 提高系统产出率。