城郊型成都綠灣農(nóng)業(yè)合作社生態(tài)農(nóng)場(chǎng)的能流分析和提升對(duì)策

母娜，李首成，陳勇

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，四川 成都 611130)

隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市人口與經(jīng)濟(jì)對(duì)城郊型農(nóng)業(yè)發(fā)展提出了更高的要求。城郊型農(nóng)業(yè)發(fā)源于臨近城市的郊區(qū)地帶，利用優(yōu)越的地理位置，生產(chǎn)鮮活農(nóng)副產(chǎn)品以滿(mǎn)足城市市場(chǎng)和生態(tài)環(huán)境需求，具有高效可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)[1-3]。城郊型農(nóng)業(yè)在城鄉(xiāng)互動(dòng)過(guò)程中兼具生產(chǎn)服務(wù)功能、生態(tài)保育功能及景觀文化功能，力求通過(guò)功能調(diào)整實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)效益的最大化[4]。

對(duì)城郊型農(nóng)業(yè)生態(tài)種養(yǎng)系統(tǒng)進(jìn)行能流分析，有助于更加清晰簡(jiǎn)明的認(rèn)識(shí)城郊型農(nóng)業(yè)，以促進(jìn)其發(fā)展。Odum等[5]學(xué)者在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)能流理論研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出圖解、符號(hào)、轉(zhuǎn)換系數(shù)量表等簡(jiǎn)單工具，將不同物質(zhì)轉(zhuǎn)換為同一單位能量進(jìn)行比較分析，開(kāi)創(chuàng)了能流分析的范式。

能量是生態(tài)系統(tǒng)存在發(fā)展的基礎(chǔ)。生態(tài)系統(tǒng)中能量的輸入、輸出及其在系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間的流動(dòng)，是生態(tài)系統(tǒng)的基本運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程之一[6]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，衡量一個(gè)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)功能的重要指標(biāo)之一便是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)出水平，目標(biāo)是高效能量產(chǎn)出和低水平能量消耗[7]。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，初級(jí)生產(chǎn)和次級(jí)生產(chǎn)之間能量相互匹配、流轉(zhuǎn)和協(xié)調(diào)的核心問(wèn)題是物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)換。對(duì)城郊型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行能流分析，能夠反映農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在微觀層次上的結(jié)構(gòu)和功能，簡(jiǎn)化工作模式，減輕工作量，得出具有重要指導(dǎo)意義的結(jié)論[8]。本研究以成都綠灣農(nóng)業(yè)合作社下設(shè)的綠灣生態(tài)農(nóng)場(chǎng)為研究對(duì)象，分析該農(nóng)場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)特征，總結(jié)提升對(duì)策，以期探索城郊型農(nóng)業(yè)發(fā)展的一般模式和能量流動(dòng)情況，也為完善農(nóng)場(chǎng)的能量投入結(jié)構(gòu)、優(yōu)化調(diào)整農(nóng)場(chǎng)的能流方向及能流路徑提供依據(jù)，為進(jìn)一步提升城郊型農(nóng)場(chǎng)的能流效率，促進(jìn)該農(nóng)場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)高效產(chǎn)出和良性循環(huán)奠定理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

成都綠灣農(nóng)業(yè)合作社位于成都市新都區(qū)馬家鎮(zhèn)錦城村，距離成都市中心16 km。合作社位于成都平原東北部，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，雨熱同期，降水充沛，年平均日照時(shí)數(shù)為1 042～1 412 h，年平均太陽(yáng)輻射總量為347～397 kJ·cm-2，年平均氣溫16 ℃，全年無(wú)霜期280 d，年降水量900～1 300 mm[9]。整個(gè)合作社占地約33.33 hm2，耕地面積4 hm2，主要進(jìn)行小麥、水稻、油菜、蔬菜種植和豬、雞、鴨、鵝、牛、羊等禽畜養(yǎng)殖，共有農(nóng)業(yè)工人13人。通過(guò)多年發(fā)展，合作社構(gòu)建了生態(tài)循環(huán)利用模式，力求打造成安全優(yōu)質(zhì)的城郊生態(tài)農(nóng)場(chǎng)，設(shè)置種植業(yè)、三葉草、養(yǎng)殖、蔬菜等為一體的產(chǎn)業(yè)鏈，形成“種植業(yè)-三葉草-有機(jī)肥”和“畜禽及稻田養(yǎng)魚(yú)-沼氣-有機(jī)肥”循環(huán)結(jié)構(gòu)。農(nóng)場(chǎng)采用人工提灌獲取清潔水源，道路基礎(chǔ)設(shè)施采用草坪、卵石、碳渣等覆蓋，減少水泥硬化，種植過(guò)程禁用農(nóng)藥、化肥，養(yǎng)殖過(guò)程不使用飼料等，力求達(dá)到生態(tài)系統(tǒng)平衡。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

研究原始數(shù)據(jù)主要通過(guò)對(duì)綠灣農(nóng)業(yè)合作社生態(tài)農(nóng)場(chǎng)管理人員多次調(diào)查并核實(shí)準(zhǔn)確，部分來(lái)自統(tǒng)計(jì)年鑒。將綠灣農(nóng)場(chǎng)劃分為種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、居民區(qū)3個(gè)子系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)場(chǎng)勞動(dòng)力、耕地面積、作物品種、種植面積、投入產(chǎn)出情況、家畜飼養(yǎng)情況等涉及能量輸入輸出的數(shù)據(jù)按照上述3個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)處理。

2.2 能流計(jì)算方法

對(duì)于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)而言，只有太陽(yáng)輻射量是以能量單位表示的，其他物質(zhì)流量的計(jì)量單位各有差異，需要通過(guò)折能系數(shù)將系統(tǒng)內(nèi)外流轉(zhuǎn)的物質(zhì)量轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一單位的能流量，用J表示，以便于對(duì)系統(tǒng)的定量描述。本文使用的各類(lèi)物質(zhì)折能系數(shù)主要采用聞大中的方法[10-12](表1～2)。對(duì)糞便含水量、作物谷草比、麥麩、米糠等不便準(zhǔn)確得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，作物干重采用烏日娜等[13]、張小燕等[14]的方法，將作物植株于105 ℃烘箱殺青30 min，再以80 ℃烘干至恒重。畜禽糞便含水量采用費(fèi)輝盈等[15]、張菲菲等[16]的方法，將樣品置于105 ℃烘箱烘干至恒重，再稱(chēng)重。作物谷草比參考謝光輝等[17]、張福春等[18]的方法。工具折能采用折算法，將工具折算成年損耗鋼材量(機(jī)械重量×10%)，鋼材折能88 576 kJ·kg-1，拖拉機(jī)、收割機(jī)、插秧機(jī)每臺(tái)分別折算成1 000、500、300 kg鋼材，手工農(nóng)具每件折算成3 kg鋼材，人工折能12 540 kJ·d-1，畜力折能62 700 kJ·d-1[19]。

表1 各農(nóng)作物的折能系數(shù)

表2 其他產(chǎn)品的折能系數(shù)

系統(tǒng)各物質(zhì)所含的能量計(jì)算公式[10-12]為：Y=kX。其中，Y表示輸入(輸出)的能量，k為各物質(zhì)的折能系數(shù)，X為流入(轉(zhuǎn)出)的物質(zhì)數(shù)量。

3 結(jié)果與分析

3.1 各子系統(tǒng)的能流分析

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中投入的能量可分為自然能和人工輔助能，人工輔助能又可細(xì)分為有機(jī)能和無(wú)機(jī)能。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部，各子系統(tǒng)之間有機(jī)能的輸入和利用情況在一定程度上反映了系統(tǒng)的自給能力。綠灣農(nóng)場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)主要是由種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、居民區(qū)3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的集農(nóng)業(yè)發(fā)展、科技示范與戶(hù)外休閑為一體的城郊型農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。其中，前2個(gè)子系統(tǒng)為生產(chǎn)性系統(tǒng)，本文著重對(duì)其進(jìn)行分析。本研究中生態(tài)系統(tǒng)的能量輸入、輸出及各子系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內(nèi)與系統(tǒng)外形成的能流圖見(jiàn)圖1。

3.1.1 種植業(yè)子系統(tǒng)

種植業(yè)子系統(tǒng)固定太陽(yáng)輻射能的方式是綠色植物的光合作用，以此形成初級(jí)生產(chǎn)力[20]，系統(tǒng)中能量投入主要是自然能和人工輔助能，能量輸出以糧食等經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出和秸稈等非經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出為主。

圖1 綠灣農(nóng)場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)的能流

如表3所示，綠灣生態(tài)農(nóng)場(chǎng)種植業(yè)子系統(tǒng)能量總輸入量為134 938.70 GJ，其中太陽(yáng)輻射能133 984 GJ，人工輔助能輸入954.70 GJ。人工輔助能中，246.90 GJ為系統(tǒng)外輸入，其他為系統(tǒng)自身提供。分析可知，系統(tǒng)的自給能力較強(qiáng)。

表3 種植子系統(tǒng)能量輸入輸出的情況

種植業(yè)子系統(tǒng)能量總輸出量為387.22 GJ，其中糧食、蔬菜產(chǎn)品輸出量為97.99 GJ，該部分作為商品全部輸出系統(tǒng)外。輸出的青飼料、飼草、薪柴、秸稈留在系統(tǒng)內(nèi)供給養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)和居民區(qū)子系統(tǒng)，共計(jì)289.23 GJ。種植業(yè)子系統(tǒng)的能量產(chǎn)投比僅為0.41。

3.1.2 養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)

植物通過(guò)光合作用將能量輸送到養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)，養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)再通過(guò)能量的消耗與轉(zhuǎn)化產(chǎn)出畜禽產(chǎn)品，所以養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)屬于次級(jí)生產(chǎn)系統(tǒng)，能量輸入主要為飼料、飼草、幼畜禽和少部分人力，能量輸出主要是豬肉、羊肉、禽蛋禽肉、畜力及畜禽糞便等。

如表4所示，養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)能量總輸入為368.02 GJ，總產(chǎn)出為682.28 GJ，能量產(chǎn)投比為1.854。其中，由系統(tǒng)外投入的糧食和畜禽含能279.17 GJ，麥麩、米糠、青飼料等投入含能88.47 GJ，人力投入0.38 GJ，系統(tǒng)外投能占總輸入的75.86%，系統(tǒng)內(nèi)自給的能量占24.14%。

養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)提供的肉禽蛋產(chǎn)品共89.58 GJ，全部作為產(chǎn)品輸出到系統(tǒng)外，故商品率為100%。畜力、糞便分別輸出1.88、590.82 GJ到種植業(yè)子系統(tǒng)。

3.1.3 居民區(qū)子系統(tǒng)

居民區(qū)子系統(tǒng)過(guò)去一年的能量輸入輸出情況見(jiàn)表5。由表5可知，系統(tǒng)外投入到居民區(qū)子系統(tǒng)的能量為62.51 GJ，分別為糧食、蔬菜、豬肉、菜籽油；系統(tǒng)投入61.09 GJ薪柴，占比49.423%。居民區(qū)子系統(tǒng)輸出人力19.83 GJ，糞尿2.42 GJ。居民區(qū)子系統(tǒng)輸出的人力是整個(gè)農(nóng)場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)的勞動(dòng)力來(lái)源。

表4 養(yǎng)殖子系統(tǒng)能量輸入輸出情況

表5 居民區(qū)子系統(tǒng)能量輸入輸出情況

3.2 能量的輸入輸出結(jié)構(gòu)

3.2.1 人工輔助能的輸入結(jié)構(gòu)

綠灣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)共輸入能量135 430.32 GJ，其中太陽(yáng)能133 984 GJ，占比98.93%，人工輔助能1 446.32 GJ，僅占能量總輸入量的1.07%。農(nóng)場(chǎng)3個(gè)子系統(tǒng)共投入人工輔助能1 446.32 GJ，其中來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)的人工輔助能為857.74 GJ，占比59.31%，來(lái)自系統(tǒng)外的為588.58 GJ，占比40.69%；有機(jī)能輸入1 330.15 GJ，占91.97%，可見(jiàn)該農(nóng)場(chǎng)是一個(gè)自給性較強(qiáng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)，且以有機(jī)能投入為主，無(wú)機(jī)能投入只存在于種植業(yè)子系統(tǒng)中。種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)2個(gè)生產(chǎn)性子系統(tǒng)投入的人工輔助能中，無(wú)機(jī)能僅為116.18 GJ，占人工輔助能的8.78%，有機(jī)能占91.22%，可見(jiàn)該農(nóng)場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)典型的生態(tài)種養(yǎng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

3.2.2 系統(tǒng)能量的輸出結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)能量總輸出量為1 091.75 GJ。在系統(tǒng)輸出能中，養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)輸出最高，為682.28 GJ，占能量總輸出量的62.5%；種植業(yè)子系統(tǒng)次之，總輸出387.22 GJ，占比35.5%；再次為居民區(qū)子系統(tǒng)，輸出能量22.25 GJ，占比2.0%。由此可見(jiàn)，該農(nóng)場(chǎng)目前是一個(gè)種養(yǎng)結(jié)構(gòu)不配套的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，由于整個(gè)農(nóng)場(chǎng)不使用農(nóng)藥和化肥，所以種植業(yè)產(chǎn)出能占總產(chǎn)出能的比重很低，加之沼氣池正處在建設(shè)階段，尚不能發(fā)揮其本應(yīng)作為整個(gè)農(nóng)場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)的橋梁和紐帶的作用[21]。2個(gè)生產(chǎn)性子系統(tǒng)的總產(chǎn)出能為1 069.49 GJ，輸出到系統(tǒng)外的能量為187.57 GJ，該部分全部作為商品，占總產(chǎn)出能的17.54%；其余881.92 GJ進(jìn)入農(nóng)場(chǎng)的3個(gè)子系統(tǒng)，說(shuō)明該農(nóng)場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)自我維持的系統(tǒng)。

3.3 各子系統(tǒng)產(chǎn)出能的流向分析

種植業(yè)子系統(tǒng)的產(chǎn)出能為387.22 GJ。其中，146.88 GJ作為肥料和秸稈歸還農(nóng)田，占37.93%；97.99 GJ作為商品流向系統(tǒng)外，占25.31%；61.09 GJ流向居民區(qū)作燃料，占15.78%；81.26 GJ流向養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)作飼料，占21.05%。由此可知，58.98%的種植業(yè)子系統(tǒng)產(chǎn)出的生物能量流回到種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)2個(gè)子系統(tǒng)，符合循環(huán)農(nóng)業(yè)的要求[22-23]。養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)輸出的能量共682.28 GJ，其中糞便為590.82 GJ，占輸出能量的86.60%，全部歸還農(nóng)田作肥料；作為畜禽產(chǎn)品流向系統(tǒng)外的能量為89.58 GJ，僅占13.13%。

4 討論

4.1 城郊型生態(tài)農(nóng)場(chǎng)的能量流動(dòng)特征

本研究表明，綠灣農(nóng)場(chǎng)自給性較強(qiáng)，能量投入以有機(jī)能為主，占比91.22%。但由于處于起步階段，農(nóng)場(chǎng)各項(xiàng)設(shè)施尚不完善，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)出能力較低，種植業(yè)子系統(tǒng)產(chǎn)出能量?jī)H為387.22 GJ，屬于偏低水平。能量流動(dòng)多以單向流動(dòng)為主，各子系統(tǒng)之間的耦合程度不高。在初級(jí)生產(chǎn)中，保留了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢(shì)，并廣泛應(yīng)用生物、物理防蟲(chóng)除草等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)，既提高了土壤肥力，又促進(jìn)了資源的循環(huán)高效利用。近兩年來(lái)，農(nóng)場(chǎng)在提高水稻產(chǎn)量、提升質(zhì)量的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)運(yùn)作“水稻+魚(yú)”為主的稻魚(yú)觀光體驗(yàn)農(nóng)業(yè)模式，比傳統(tǒng)單一種植模式更深入地體現(xiàn)了生態(tài)農(nóng)業(yè)文化，同時(shí)還增加了系統(tǒng)產(chǎn)出。農(nóng)場(chǎng)注重景觀文化建設(shè)，利用現(xiàn)有植被打造喬木-灌木-草本(作物)相結(jié)合的生態(tài)路網(wǎng)和水網(wǎng)，并設(shè)有科普長(zhǎng)廊，建設(shè)了中小學(xué)教育示范基地。城郊型農(nóng)業(yè)是開(kāi)放程度較高、商品率較高的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，兼具生產(chǎn)服務(wù)功能、生態(tài)保育功能及景觀文化功能，加之臨近城市地區(qū)的區(qū)位優(yōu)勢(shì)，使得大多數(shù)城郊型農(nóng)業(yè)能夠方便地學(xué)習(xí)先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)營(yíng)管理理念[1-4]。隨著城市化進(jìn)程的加快，城郊型農(nóng)業(yè)有著巨大的發(fā)展?jié)摿褪袌?chǎng)空間，不但能夠滿(mǎn)足城市對(duì)鮮活農(nóng)產(chǎn)品的需求，還能夠發(fā)揮出巨大的生態(tài)服務(wù)價(jià)值。

4.2 城郊型生態(tài)農(nóng)場(chǎng)的能流效率

綠灣農(nóng)場(chǎng)位于成都北郊，屬于典型的城郊型農(nóng)業(yè)，但系統(tǒng)產(chǎn)出能力卻偏低，種植業(yè)子系統(tǒng)產(chǎn)出能為96.81 GJ·hm-2，低于新疆尉犁縣達(dá)西村(125.9 GJ·hm-2)[24]和河西走廊農(nóng)戶(hù)(282.6 GJ·hm-2)[25]。種植業(yè)子系統(tǒng)產(chǎn)投比僅為0.41，不僅低于生態(tài)條件較差的新疆尉犁縣達(dá)西村(2.30)[24]和隴東西峰市文安村(1.89)[26]，更低于生態(tài)條件較好的河西走廊(3.11)[25]和豫東農(nóng)戶(hù)(3.15)[27]，屬于較低水平。養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)的產(chǎn)投比為1.85，居民區(qū)子系統(tǒng)的產(chǎn)投比為0.18，也屬偏低水平。產(chǎn)投比偏低的原因之一是整個(gè)農(nóng)場(chǎng)采用傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式生產(chǎn)，機(jī)械化水平不高，勞動(dòng)力素質(zhì)不高，種養(yǎng)結(jié)構(gòu)單一，且存在不配套的問(wèn)題。雖然人工輔助能特別是有機(jī)能投入很高，但利用效率低，加之不施用化肥農(nóng)藥，而病蟲(chóng)害防治措施又尚未有效地落實(shí)，致使單位面積的產(chǎn)出能偏低。種植業(yè)子系統(tǒng)初級(jí)產(chǎn)品光能利用率為0.27%，高于達(dá)西村(0.26%)[24]、文安村(0.16%)[26]，但低于河西走廊農(nóng)戶(hù)(0.49%)[25]和豫東農(nóng)戶(hù)(0.74%)[27]。光能利用率偏低的原因是田間管理水平低、單產(chǎn)低，植株光合能力較弱，同時(shí)，由于種植密度過(guò)小導(dǎo)致葉面積指數(shù)小，漏光現(xiàn)象嚴(yán)重，造成光能浪費(fèi)。

4.3 城郊型生態(tài)農(nóng)場(chǎng)的優(yōu)化措施

綠灣農(nóng)場(chǎng)種植業(yè)子系統(tǒng)的能量產(chǎn)投比和光能利用率均屬于較低水平。此外，不配套的種養(yǎng)結(jié)構(gòu)和低水平的能量利用效率，使得種植業(yè)子系統(tǒng)產(chǎn)出能力偏低，不能提供養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)所需要的糧食，畜禽產(chǎn)生的大量?jī)?yōu)質(zhì)有機(jī)肥也存在嚴(yán)重浪費(fèi)。

針對(duì)綠灣生態(tài)農(nóng)場(chǎng)目前機(jī)械化、集約化程度低，系統(tǒng)產(chǎn)出能力較弱等問(wèn)題，提出以下建議：第一，綠灣農(nóng)場(chǎng)應(yīng)著力發(fā)展小型便攜機(jī)械化，采用合理的栽培技術(shù)，在保證作物品質(zhì)的前提下進(jìn)一步增加產(chǎn)量；第二，改變目前畜禽散養(yǎng)的現(xiàn)狀，集約管理，發(fā)展立體飼養(yǎng)；第三，優(yōu)化產(chǎn)出結(jié)構(gòu)，逐步發(fā)展林果業(yè)、蔬菜和其他經(jīng)濟(jì)作物，增強(qiáng)種養(yǎng)子系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)耦合關(guān)系，促使種養(yǎng)配套發(fā)展；第四，完善沼氣池，利用綠肥和畜禽糞肥生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，發(fā)揮沼氣池在農(nóng)場(chǎng)生態(tài)系統(tǒng)中的紐帶作用；第五，合作社可制定田間管理專(zhuān)業(yè)化操作規(guī)程，組織勞動(dòng)技能培訓(xùn)，推行精細(xì)化管控，防控病蟲(chóng)草害。