京津冀地区的城市化与生态环境的耦合过程及演变趋势

　　我国设施蔬菜面积和产量居世界第一位.各地在长期探索和实践的基础上，已经形成大量设施蔬菜栽培模式,使我国蔬菜产量、种类及其供应季节都能够充分满足人们生活需求。但随着人民生活水平不断提高，特别是在近年来我国食品安全问题高发的背景下，人们开始更多的关注于蔬菜品质与安全性问题。按照国内分级标准，蔬菜生产可分为一般蔬菜、无公害蔬菜、绿色蔬菜和有机蔬菜四个等级,其中，无公害蔬菜是安全蔬菜所应该达到的最低等级，也是我国应该主要发展的蔬菜生产方式。

　　设施蔬菜是一种高投入、高产出的集约化农业生产方式。一般蔬菜的生产过度依赖于化肥、农药等石油产品，在加剧能源消耗的同时，也造成了严重的环境污染和农产品安全隐患。相反，无公害蔬菜生产则具有不施或少施化肥和农药、以有机肥投入和生物防治为主的特点。但是，相比于一般蔬菜生产方式，无公害设施蔬菜生产系统的产出效率和可持续性如何，则是一个需要研究的问题，也是我国能否长期坚持并大面积对其推广的前提。当前对设施蔬菜生产系统的研究主要集中在高产高效栽培模式、病虫害防治、水肥管理和温室及土壤微环境研究等方面，对其系统可持续性分析大多集中于产业发展对策,而对其系统效率的定量分析则大多仅关注于栽培模式的产量和经济效益.因此，从生态经济学角度对无公害设施蔬菜生产系统产出效率与可持续发展能力进行定量分析是一个重要的研究课题。

　　二十世纪八十年代，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，克服了不同能质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。当前，能值分析在农业生态系统已经得到广泛的应用,但对于蔬菜生态系统，有关研究尚少。因此，本文以河北省景县津龙公司两种主要的无公害设施蔬菜栽培模式为研究对象，重点分析比较了该系统与一般蔬菜生产模式的系统效率和可持续性，找出影响其生态表现的关键点，在此基础上模拟和讨论其改进措施，为无公害设施蔬菜生产模式的进一步发展和推广提供理论依据。

　　1 研究对象与方法
　　
　　1.1 研究对象
　　本文以河北省景县津龙公司（37°58?N, 115°99?E）无公害设施蔬菜生产系统为研究对象。该地区年太阳辐射 5.06×109J/m2,平均气温 12.5 ℃，年平均降雨量 554 mm.在该生产系统中选取了具有代表性的“茄子（Solanum melongena L）- 菠菜（Spinacia oleracea L）”（模式一）和“黄瓜（Cucumis sativus L）- 茄子（Solanummelongena L）”（模式二）两种无公害蔬菜生产模式进行研究，其中，茄子和黄瓜的育苗阶段不在考虑范围。

　　模式一中茄子于 3 月下旬定植，10 月中旬拔秧，10 月末种植菠菜，至下一年 3 月下旬收获。模式二中黄瓜于 4 月初定植，6 月末拔秧，7 月初定植茄子，11 月中旬拔秧，冬季休闲。蔬菜大棚面积为 800 m2,采用8 米宽提高型钢架大棚，一年两茬作物，不喷施农药。由于该公司同时具有规模化养殖业和大型沼气工程，故蔬菜生产中的肥料主要由公司内部的畜禽粪便和沼液提供。此外，本文选取了该地区普通农户大棚“茄子-豇豆（Vigna unguiculata L）-辣椒（Capsicum annuum）”栽培模式（模式三）作为对照，与该无公害蔬菜生产系统的产出效率和可持续性进行比较分析。

　　1.2 研究方法
　　根据 Odum 所设计的能量语言,本文绘制了设施蔬菜系统的能流图，从总体上反映该系统的能量投入产出过程（图 1）。根据投入系统的能量来源，可将其划分为本地资源（L）和购买性资源（P）。由于某些资源在形成过程中既有可更新资源的投入，又有不可更新资源的投入，而且投入资源的来源不同，可更新价值往往有所差异,因此，本文参考国际相关研究进展，在能值核算过程中引入可更新比例系数（partialrenewability），将系统投入资源划分为可更新和不可更新部分，从而提高系统评价的科学性，其中可更新比例系数来自参考文献.此外，本文主要采用了 7 个能值评价指标（表 1）来分析不同蔬菜生产模式的系统产出效率和可持续发展能力及其生态经济效益。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.【图1.表1】


    1.3 数据来源
　　本研究中，无公害设施蔬菜系统的所有原始数据都来自 2012 年对景县津龙公司的实地调研。对照模式三的原始数据来自该地区附近农户的调研。以一个完整的生产年度为界限， 对两种蔬菜生产模式的各种投 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”.研究中涉及到的建筑和机械都根据其预计使用年限折算为每年的能量投入。相关的能量折算系数参考自陈阜编着的《农业生态学》，原始数据的计算方法来自文献.本文中的太阳能值转换率皆来自之前的相关研究,并采用了新的能值基准15.83×1024sej/year.人民币与美元的换算采用 2012 年汇率 6.22.

　　此外，需要特别指出的是，考虑到该公司无公害蔬菜生产过程中，沼液作为其主要肥料来源，全部来自于公司内部的大型沼气工程，因此，为了计算结果准确，我们根据能值评价原则，首先详细计算了该公司沼气工程所产沼液的太阳能值转换率为 1.80×107sej/J,以此来计算蔬菜生产所投入沼液的能值。

　　2 结果分析
　　
　　2.1 能值投入结构分析
　　如表 2 所示，模式一与模式二的总能值投入分别为 4.97×1016sej 和 4.12×1016sej.其中，本地资源分别占到两种模式总能值投入的 25.08%和 27.95%,购买性资源分别占到 74.92%和 72.05%.从资源类别上看，模式一中可更新和不可更新资源能值投入分别为 2.80×1016sej 和 2.17×1016sej,占其总能值投入的 56.38%和 43.62%;模式二中二者分别为 2.10×1016sej 和 2.02×1016sej ,占其总能值投入的 51.06%和 48.94%由此可见，该无公害蔬菜生产系统两种模式的运转主要靠可更新资源驱动，而本地资源在其中也发挥中重要作用。【表2】

　　模式三的总能值投入为 5.69×1016sej,比模式一与模式二分别高出 14.49%和 38.11%.其中，购入性资源占到能值投入总量的 99.99%,不可更新资源占到 71.02%.可见，一般蔬菜生产系统的运转对能值的需求要远大于无公害蔬菜生产模式，并且表现出对购买性资源和不可更新资源较强的依赖程度。如图 2 所示，在无公害蔬菜生产系统所利用的本地资源中，沼液投入分别占模式一和模式二全部能值投入的 20%和 23%,是本地资源中最大的单项能值投入，说明该系统较好地利用了公司内部充足的有机肥资源，这也是该公司生产无公害蔬菜的主要投入特点之一。而作为不可更新自然资源的地下水投入分别在两种模式总能值投入中都占 5%,仅次于沼液投入。此外，粪便在该系统中作为每茬作物底肥投入，在两种模式总能值投入中所占比例都小于 1%.以太阳能为主要表现形式的可更新自然资源投入在两种模式中所占比例也同样小于 1%,反映出设施农业相比于大田生产，更多的依靠社会经济系统较高级的反馈能来驱动。【图2】
 

　　在购买性资源中（图 2），人力投入分别占到模式一与模式二总能值投入的 42%和 34%,是该蔬菜生产系统中能值投入最大的部分，这充分的反映出，相比于大田作物种植，设施蔬菜生产有更多的农艺工作需要由人工完成，这也是系统运转的主要驱动力。大棚建设费和棚膜维护的能值投入共占模式一能值投入的21%,模式二能值投入的 25%,是最主要的不可更新资源投入，这也是设施农业所特有的投入项目。电力投入分别占到两种模式总能值投入的 11%和 12%,主要用于抽取地下水进行大棚灌溉。此外，机械投入在两种模式中皆占 1%,柴油、钾肥和种子投入所占比例均不足 1%.
　　
　　2.2 能值指标分析
　　（1） 能值转换率（UEV）能值转换率是评价系统某种产品的能值利用效率的有效手段。产品的能值转换率越高，则其能值利用效率越低。采用 Bastianoni and Marchettini的计算方法，得到模式一与模式二的系统产出能值转换率分别为 1.76×106sej/J 和 2.83×106sej/J（表 3），比模式三（3.03×106sej/J）分别低 41.9%和 6.6%,说明该无公害蔬菜生产系统的能值利用效率较高于一般蔬菜生产。这是因为一般蔬菜生产模式需要投入大量的化肥、农药等资源，提高了系统的总能值投入；同时，由于模式三中蔬菜产量水平低于该无公害蔬菜生产模式，造成其能值利用效率较低。此外，相比于大田玉米（3.28×104sej/J）能值转换率，该无公害蔬菜生产系统的能值转换率较高，说明其系统能值利用效率较低。这主要是因为设施蔬菜相比于大田作物生产，大棚建设维护和大量水肥投入导致其能值投入总量增加显着，因而降低其能值利用效率。就该设施蔬菜系统的两种生产模式而言，模式一的能值利用效率要比模式二高 38.0%,这是因为模式一中茄子有较长的生育期，保证了其产量。同时，引入越冬菠菜，较好的填补了冬季大棚种植的空白，提高了其能值利用效率。【表3】

　　（2） 可更新比例（ΦR）可更新比例（ΦR）作为分析系统驱动力来源的一种方法，其值越高，说明系统的运转和维持更多的依赖可更新资源的投入，也从一个侧面反应出系统具有较好的可持续发展能力。如表 3 所示，模式一和模式二的 ΦR 值分别为 56.4%和 51.1%,比模式三（28.9%）分别高出 27.5%和 22.2%.可见，该无公害蔬菜系统更多的依赖可更新资源投入，其原因是沼液、粪便投入增加而化肥、农药等投入降低，提高了系统总能值投入中的可更新比例，这也是该公司无公害生产方式与一般蔬菜生产系统的主要不同点。

　　（3） 净能值产出率（EYR）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。在本研究中，无公害蔬菜系统两种生产模式的 EYR 值分别为 1.33 和 1.39,表明其较好的利用了沼液、粪便等本地资源，通过这些农业废弃物的合理利用，将其转化为有效能产出，促进了社会经济的发展。该值比模式三的 EYR 值（1.00）分别高出 33.0%和 39.0%,可见，模式三中的蔬菜生产几乎完全依赖于购买性资源，这也是一般设施蔬菜生产高投入的特点。同时，相比于公主岭玉米生产（1.54）,该系统的 EYR 值略低，这是因为大田生产能利用除太阳能以外的降雨能量、表土层损耗能等自然资源，对本地资源的利用程度较高。

　　（4） 环境负载率（ELR）环境负载率是用来衡量系统中能量流动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.在本研究中，模式一与模式二的 ELR 值分别为 0.77 和 0.96,说明该无公害蔬菜生产系统所造成的环境负载较低。模式三的 ELR 值（2.45）分别是模式一与模式二的 3.18倍和 2.55 倍，而公主岭玉米生产（10.62）所造成的环境负载率则分别是其 13.8 倍和 11.1 倍。这充分说明，由于化肥、农药等物质投入的降低，无公害产品的环境友好程度相比与一般蔬菜和大田粮食生产优势明显。

　　（5） 可持续性指标（ESI）可持续性指标是反映系统可持续性的综合指标.Brown and Ulgiati 通过一些实例证明，ESI 值在 1到 10 之间时，说明系统具有较强的活力和发展潜力，其值越高，系统发展的可持续性越好.本文中，该系统模式一与模式二的 ESI 值分别为 1.72 和 1.45,是模式三（0.41）的 4.20 倍和 3.54 倍，是公主岭玉米生产（0.15）的 11.5 倍和 9.7 倍。反映出该系统的可持续发展能力较好。

　　（6） 基于能值的产品安全性指标（PSI）PSI 值定义为农业生产系统施用化肥、农药的能值和经济的反馈能值之比的负值，负值越大则说明产品的安全性越差，当该值等于 0 时，说明产品最安全，该值等于–1 时产品最不安全.如表 3 所示，该系统中模式一与模式二的 PSI 值分别为–0.05%和–0.06%,比模式三（–3.04%）分别高 98.4%和 98.0%.可见，无公害蔬菜生产模式的产品安全性要远高于一般蔬菜生产。

　　（7） 能值-货币价值（EmRMB）能值-货币价值是系统产品所包含的能值在市场中的货币表现形式。本研究中，模式一和模式二的能值-货币价值分别达到 25500 元和 21200 元，均远高于公主岭玉米生产系统（430 元）,说明该无公害蔬菜生产模式具有较高的宏观经济贡献能力，比大田粮食作物有较高的生态经济价值。但该值均低于模式三中一般蔬菜生产系统（29200 元），说明一般蔬菜生产所投入的能值价值要高于无公害蔬菜生产。
　　
　　2.3 系统情景模拟与优化
　　尽管该无公害蔬菜生产系统两种模式的生态表现都较好，但仍有改善和优化的空间。本文根据其能值投入结构的特点，从影响系统生态表现的关键点入手，模拟了该系统两种模式在不同技术改善的情境下关键指标的表现（表 4）。如果采用“集雨技术”可使模式一与模式二的能值转换率分别达到 1.70×106sej/J 和2.72×106sej/J,可持续性指数分别达到 1.74 和 1.44.模式一与模式二的能值利用效率分别提高 3.4%和 3.9%,模式一可持续性提高 1.2%.采用“电力替代”措施后，模式一与模式二在能值利用效率不变的情况下，可持续性指标分别达到 2.19 和 1.91,相比于当前水平分别提高 27.3%和 31.7%.如果降低该系统人力投入 20%,模式一与模式二的产品能值转换率将分别达到 1.61×106sej/J 和 2.63×106sej/J,能值利用效率效率分别提高8.5%和 7.1%,且系统的可持续性仍然保持在一个较高的水平。综合实施以上三种改进措施，则该系统模式一和模式二的产品能值转换率分别达到 1.57×106sej/J 和 2.56×106sej/J,可持续性指标分别达到 1.92 和1.66.相比于现有的能值评价结果，模式一与模式二的能值利用效率分别提高 10.8%和 9.5%,而系统发展的可持续性分别提高 11.6%和 14.5%.可见，目前该系统两种蔬菜生产模式的系统产出效率和可持续性都具有较大的提升空间，而这些改进措施的采用会有效改善系统的生态表现。【表4】

　　
　　3 讨论
　　
　　3.1 系统投入资源的能值转换率
　　能值转换率是能值分析理论及方法中的重要参数，在进行系统评价时，一定要根据研究对象所在的自然社会背景，选择合适的能值转换率进行计算，以减少结果误差。特别是当某种物质或能量在系统投入中所占比例较大，对系统的影响较为明显时，则更需要对能值转换率进行慎重选取。

　　在本研究中，沼液作为主要的肥料投入方式，对该设施蔬菜生产系统的养分水平起到关键影响。考虑到沼液全部来源于该公司内部的大型沼气工程，因此在进行系统能值评价之前，先对其产出沼液的能值转换率进行计算，结果为 1.80×107sej/J. 显然，这一结果高于文献中所采用的沼液或有机肥能值转换率（4.54×106sej/J），因为来源于我国大型沼气工程和国外农村户用型沼气池的沼液，其系统投入和运转过程不同，因而其能值转换率会有一定程度的差异。所以，采用本研究中计算得到的沼液能值转换率作为计算参数，极大的提高了该无公害设施蔬菜系统能值评价的准确性。这也是今后研究人员在能值分析中要重点关注的问题。只有选取合适的参数，才能保证评价结果的相对准确性，为所研究对象提供科学合理的建议。

　　此外，能值转换率也常常在能值分析中作为一个评价指标来反映系统产出的能值利用效率。但是，只有在比较具有的同样产品的系统时，较低的能值转换率才能被视为系统能值利用效率较高的指标.因为当系统产品不同时，能值转换率的不同，往往来源于多种因素，而通过能值转换率反映出的系统效率通常只能是产品数量上的差别。如在本文中，尽管三种模式的系统产出皆为蔬菜，利用能值转换率指标可以在一定程度上反应蔬菜系统产出效率，但由于蔬菜种类、品种和品质不同而造成的产量差异，则并不是不同蔬菜生产模式之间本质上的不同，不能简单的用能值转换率指标来进行系统效率的评价。同时，利用能值转换率作为效率指标，也仅能反映出系统能值总投入与总产出的关系，而不能反映出资源类别上的代替性选择.事实上，系统产出的高效不但表现在其能值转换效率上，更表现在对可更新资源的利用程度上。

　　3.2 无公害蔬菜生产的可持续性问题
　　蔬菜生产是劳动密集型的精细生产， 我国蔬菜及其制品的生产成本远低于国际水平， 在国际贸易中具有较强的价格和成本竞争优势,是我国加入 WTO 后最有潜力参与国际市场竞争的重要农产品之一.

　　近些年来，随着国内外消费者需求的变化和食品安全问题的频发，蔬菜质量安全已经成为影响我国蔬菜产业发展的主要因素之一，它不仅关系着人民群众的饮食健康，同时也直接影响着我国农民的收入和我国农业的国际竞争力。因此，我国蔬菜生产已经处于由单纯追求数量和种类增长向追求蔬菜质量和品质提升转变的关键时期。

　　无公害蔬菜是我国大力推广的蔬菜生产模式，它在满足蔬菜安全的基础上，减少了由于过量使用化肥、农药等物质而导致的环境污染，同时间接降低了设施蔬菜生产系统全生命周期的能耗水平。所以，提高无公害蔬菜生产的系统产出效率和可持续发展水平，是我国蔬菜产业进一步发展并不断提高竞争力的重要基础。

　　在本研究中，无公害蔬菜生产系统的能值利用效率、净能值产出率、食品安全性和可持续发展能力分别比一般蔬菜生产系统平均提高 24.3%、36.0%、98.2%和 3.87 倍，环境负载率平均下降 64.7%.可见，无公害蔬菜生产模式相比于一般蔬菜的生产，有较高的系统产出效率和可持续发展能力，具有良好的发展前景。该无公害设施蔬菜生产系统之所以表现出较出明显的优势，一方面，是因为以沼液为主的肥料利用方式对蔬菜生产有多方面的积极影响。目前已有大量研究表明，沼液施用可稳产或提高蔬菜产量,改善蔬菜品质,显着降低蔬菜中的硝酸盐积累,降低土壤中硝态氮的浓度,抑制多种蔬菜病原菌.因此，以沼液为蔬菜栽培种主要的养分管理方式，能够明显地提高系统的能值利用效率和食品安全性。

　　另一方面，由于本研究中的无公害蔬菜生产系统属于景县津龙公司“种-养-沼-电”循环农业生产链上的一环，因此该公司规模化养殖业和大型沼气工程为无公害蔬菜生产提供了充足的本地有机肥资源，这不但减少了该公司农业废弃物的排放，而且实现了本地资源的高效利用，增强了系统的自组织能力。由于无公害蔬菜生产的主要特点在于通过大量有机肥施用和生物防治等办法以减少化肥、农药投入，因此，如果能将无公害蔬菜的生产与养殖和沼气发展相结合，实现系统内有机肥资源的自给自足，通过这种以沼气为纽带的循环农业模式，能够极大地降低无公害蔬菜生产对周围环境的压力、增强其可持续发展能力。蔬菜属于经济作物，因此在关注其生态表现可持续性的同时，必须考虑到其经济表现。本研究中，购买性资源的显着减少使无公害蔬菜生产系统投入降低，通过计算可知，该无公害蔬菜生产系统的能值货币价值平均为 23350 元，比一般蔬菜生产系统（29200 元）降低 20.0%,可见其生态经济成本有所下降。而从系统产出来看，无公害蔬菜生产能够保证蔬菜品质和安全性，其市场价格通常高于一般蔬菜，而消费者也愿意为其支付高于一般蔬菜的费用.如果能够实现无公害蔬菜生产适度规模化，利用企业运营优势，保障销路，提高品牌认知度，这将极大地提高无公害蔬菜生产收益和竞争力。

　　4 结论
　　
　　本研究基于能值分析方法对无公害设施蔬菜生产系统与一般蔬菜生产系统进行比较。其结果表明，无公害蔬菜生产系统具有较高的系统产出效率和可持续发展能力。通过对影响其生态表现的关键点进行模拟分析，我们发现该系统两种蔬菜生产模式的发展水平仍有一定程度的提升空间。

　　此外，该研究结果也表明，将无公害蔬菜纳入我国循环农业发展框架中，实现适度的产业结合与规模化经营，能够较好的提高无公害蔬菜生产的生态经济效益和可持续发展能力，推动我国农产品安全性和蔬菜产业竞争力的进一步提高。而能值分析方法则能够较为全面和系统的对蔬菜生产系统进行评价，从生态经济的角度为我国无公害蔬菜产业发展和布局提供决策基础。