全 文 ：陕西省西坡村农果复合生态经济
系统能量流特征*
吴发启**摇 朱摇 丽1 摇 王红红2
(西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100)
摘摇 要摇 以陕西省淳化县西坡村农果复合系统为例,对比分析了 2008 和 2010 年农业、果业、
畜牧业、人类子系统的能流路径、能流投入、产出结构和能量循环指数.结果表明: 2008—2010
年间,研究区农果复合系统总投入下降了 1. 6% ,总产出却增长了 56. 7% ,产投比增加了
59郾 4% .各子系统(农业子系统、果业子系统、畜牧业子系统和人类子系统)的能量产投比分别
增长了 36. 6% 、21. 0% 、10. 0%和 3. 8% ;西坡村仍需坚持“稳定农业、发展畜牧业和强化果
业冶的发展方针,以促进农果复合系统的发展和优化升级.
关键词摇 能流摇 农果复合系统摇 产投比
文章编号摇 1001-9332(2014)01-0195-06摇 中图分类号摇 S181摇 文献标识码摇 A
Energy flow characteristics of the compound agriculture鄄fruit farming system in Xipo
Village, Shaanxi, Northwest China. WU Fa鄄qi, ZHU Li, WANG Hong鄄hong (College of Re鄄
sources and Environmental Science, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, Chi鄄
na) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(1): 195-200.
Abstract: Taking the crop鄄fruit farming system in Xipo Village in Chunhua, Shaanxi Province as a
case, the energy flow path, input and output structure, and the indices of energy cycle for the agri鄄
culture, fruit, stockbreeding and human subsystems were compared between 2008 and 2010. Re鄄
sults showed that during the study period the total investment to the agriculture鄄fruit farming system
(CAF) decreased by 1. 6% , while the total output increased by 56. 7% , which led to a 59. 4% in鄄
crease of the output / input ratio. Energy output / input ratio of the agriculture, fruit, stockbreeding,
human subsystems increased by 36. 6% , 21. 0% , 10. 0% and 3. 8% , respectively. The Xipo Vil鄄
lage still needed to stabilize the agriculture, develop stockbreeding and strengthen fruit to upgrade
the compound agriculture鄄fruit farming system.
Key words: energy flow; compound agriculture鄄fruit farming system; output / input ratio.
*中国科学院知识创新工程项目(KZCX1鄄06)、国家重点科技计划项
目(2001BA508B20)和十二五"国家科技支撑项目(2012BAD14B11)
资助.
**通讯作者. E鄄mail: lf2220526@ sohu. com
2013鄄04鄄18 收稿,2013鄄10鄄23 接受.
摇 摇 能量是生态系统赖以存在和发展的基础. 应用
能量流动方法对农业生态系统特征进行分析,能够
客观、全面和定量地反映系统各成分间最本质的关
系[1] .能量流动分析是农业生态系统功能研究的一
个重要内容,并受到国内外农业生态学者的广泛重
视[2] .能量的转化与流动是生态系统的重要功能之
一,对其展开研究有利于认识系统内各组分间的关
系,这对于提高系统生产力、制定区域生产规划等十
分必要[3] .近年来,对能量流动分析的研究多集中
在农田(种植业)生态系统、区域农业生态系统和自
然鄄社会鄄经济复合生态系统三方面[4],并从不同深
度和规模层次对农业生态系统进行了定量和半定量
研究[5] .以往的能量分析将各种性质和来源不同的
能量以统一能量单位表示后进行比较和数量研究,
以利于不同类型的能量进行比较和加减[6];能流分
析主要用于计算系统能量的产投比及各组分间的能
流状况,一方面显示出投入能对产出能形成的效率,
另一方面也对系统内各组分间以及系统内外的能量
流交流进行分析,分析结果得出的综合指标体系既
反映生态效益,也体现了经济效益[7] . 将自然系统、
人类社会和经济系统结合起来进行定量分析,对系
统内的资源利用、当地循环模式现状及其发展的可
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 1 月摇 第 25 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2014, 25(1): 195-200
持续性进行评估,可为当地的经济政策制定提供科
学依据.目前国内外学者对农业生态系统及农田生
态系统能量流的研究进行了大量报道[8-11],但大部
分以省、县等区域为研究对象,以村为单位、对能量
流进行横向对比的报道甚少. 本研究以淳化县西坡
村为研究对象,对比分析该地区农业子系统、果业子
系统、畜牧业子系统、人类群体子系统和农果复合系
统的能量投入与产出特征,分析了农果复合系统的
投入产出情况、以及运行效率和环境负荷,以期为黄
土高原中南部农村地区农业产业的结构优化和效益
提高提供依据[5,12-13] .
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究地区概况
西坡村隶属于陕西省咸阳市北部的淳化县
(34毅43忆—35毅03忆 N,108毅18忆—108毅50忆 E),地形北高
南低,呈长条状,属黄土高原区.年均气温 9. 8 益,1
月平均气温-4. 3 益,7 月平均气温 23. 1 益,年无霜
期 138 d,逸10 益活动积温 3218 益,太阳年辐射总
量 505. 86 kJ·cm-2,年日照时数 2372. 1 h,年均降
水量 606. 6 mm,全县地表水常流量 0. 98 m3·s-1,
平均径流深 58 mm,径流总量 5706伊104 m3,地下水
埋深达 100 m以上,人畜用水困难.土壤为黄土母质
发育的黄鳝土,地带性黑垆土仅存于塬心,自然植被
存在于沟坡,多为草本、灌木,源面上基本为人工植
被.该村土地总面积 259. 89 hm2,其中,基本农田面
积69. 54 hm2,果园面积 159 hm2,人均果园面积
0郾 27 hm2,人均耕地面积 0. 069 hm2 .作物主要有小
麦、玉米、油菜等,主栽果树为红富士(14 年)和秦冠
(20 年),畜禽养殖主要为猪、鸡、奶羊等[14] .
1郾 2摇 系统结构的确定
通过调查各子系统能量的投入、输出项,对能量
值进行计算,分析各子系统的能量流动情况,进而汇
总分析复合系统的能量流动特征.
对研究区农户进行广泛调查后认为,系统由农
业、果业、畜牧业和人类群体 4 个子系统组成. 农业
子系统主要包括小麦、玉米、谷子、油菜和土豆;果业
子系统包括秦冠和富士 2 个苹果品种;畜牧业子系
统由猪、鸡、羊、驴等组成;人类群体子系统可划分为
老年人、成年人和儿童[5] .
1郾 3摇 系统的调查
2008 和 2010 年 4—11 月,分别对西坡村 34 户
典型农户采用每个月定期访问和发放调查记录本的
形式进行调查,调查内容主要包括:人口、畜禽、土地
利用、经济来源与消费;劳动力、畜力、种子、有机肥
等有机能的投入量,以及农机、燃油、电力、化肥、农
药等无机能的投入量;粮食、果品和肉、蛋、粪便等的
产出量,取各项的平均值以户为单位进行分析.在当
地的农贸市场调查苹果、作物、畜禽的市场价格,进
行系统经济效益的分析评价[15] .
1郾 4摇 能量计算
由亚子系统、子系统到复合系统逐级计算、汇总
计算能量.农业和果业子系统能量产投比的计算公
式为:
E有 =移
n
i = 1
(E i有Ai) (1)
E无 =移
n
i = 1
(E i无Ai) (2)
E投 = E有 + E无 (3)
E产 = (移
n
i = 1
E i忆Ai) (4)
能量产投比 = E产 / E投 (5)
CREF = E有 / E投 (6)
式中:E有为子系统有机能投入;E无为子系统无机能
投入;E投为子系统总投能;E产为子系统总产能;E i有
为第 i种作物单位面积有机能投入量;E i无为第 i 种
作物单位面积无机能投入量;E i忆为第 i 种作物单位
面积能量产出;Ai为第 i 种作物种植面积;CREF 为
能流循环指数,指有机能投入占总投入能量的比重,
反映了农业生态系统内子系统之间的协调关系和能
量利用状况,是反映系统稳定性、自我维持能力和持
续发展的重要指标[5,8,11,16] .
在畜禽种类、数量等调查的基础上,按李中
魁[17]、王幼民[18]提出的方法,计算各畜种的饲料、
饲草消耗量及粪便产量,再乘以相应的折能系
数[16,19],计算畜牧业子系统能量. 主要投入物质的
折能系数参考闻大中[20]、骆世明[1]的方法和标准来
确定.
1郾 5摇 数据来源与处理
本研究所采用的数据资料主要源自于农户调查
和调查所在地农业局、果业局和气象局收集的数据.
采用 Excel软件进行数据处理和分析.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 各子系统能量流动特征
2郾 1郾 1 农业子系统摇 2008 和 2010 年,西坡村农业子
系统年均总投能分别为 9. 9 伊 1010和 9. 83 伊 1010
J·hm-2,期间下降 0. 7% . 其中,有机能投入分别为
691 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
5郾 53 伊 1010 和 5. 51 伊 1010 J · hm-2, 期间下降了
0郾 4% ,分别占总投能的 56%和 57% ;无机能投入分
别为 4. 37伊1010和 4. 32 伊1010 J·hm-2,期间下降了
1郾 1% ,分别占总投能的 44%和 43% (表 1).说明该
区农业子系统的投入以有机肥投入为主,无机能投
入以氮、磷肥的施用为主;其投能总体水平高于
1985 年 黄 土 高 原 的 平 均 水 平 ( 3. 78 伊 1010
J·hm-2) [21] .该子系统能流循环指数由 2008 年的
0. 56 提高到 2010 年的 0. 57,说明该子系统的稳定
性、自我维持能力和持续发展能力相对稳定并趋于
增强[5] .
2郾 1郾 2 果业子系统摇 2008 和 2010 年,果业子系统总
投能分别为 15. 45伊1010和 17. 95伊1010 J·hm-2,期间
增长 16. 2% ;其中,有机能投入分别为 9. 05伊1010和
11. 7伊1010 J·hm-2,期间增长 29. 3% ,分别占总投能
的 59% 和 65% ;无机能投入分别为 6. 40 伊1010和
6郾 25伊1010 J·hm-2,下降了 2. 3% ,分别占总投能的
41%和 35% (表 2).说明西坡村果业子系统投入以
有机能投入为主,并逐渐加大了有机能投入力度.
2008 和 2010 年该子系统总产值分别为 38. 90伊1010
和 54. 70伊1010 J·hm-2,期间增长 40. 6% ,与系统总
投入的增加幅度相比,系统总产出的增幅较大;能量
产投比分别为 2. 52 和 3. 05,增长 21. 0% ;能流循环
指数分别为 0. 59 和 0. 65,提高了 11. 3% ,说明期间
果业子系统的稳定性有所提高[5] .
2郾 1郾 3 畜牧业子系统摇 不同畜禽种类的能量产投比
不同(表 3).在各能量投入项中,饲料投入占很大比
重,2008 和 2010 年西坡村饲料投入分别占总能量
投入的 99. 1%和 99. 5% ,说明饲料能的多寡决定畜
禽子系统的投能水平. 畜牧业子系统能量输出以畜
禽粪便为主,分别占总输出的 97. 3% (2008 年)和
96. 8% (2010 年).整个畜牧业子系统的能量产投比
分别为 11. 47 和 12. 62,主要由农户的畜禽种类、饲
养数量和方法不同所致[5] .
2郾 1郾 4 人类子系统 摇 由表 4 可以看出,2008—2010
年 ,西坡村人类群体子系统总投能增长2郾 9% ,总
表 1摇 农业子系统的能量输入与产出
Table 1摇 Energy input and output in agricultural subsystem
项目 Item 年份 Year O I O / I Tin Tout Tout / Tin CREF
小麦 摇 摇 摇 2008 3. 29 2. 23 1. 48 5. 52 6. 38 1. 16 0. 60
Wheat 摇 摇 摇 2010 2. 96 2. 46 1. 20 5. 42 9. 74 1. 80 0. 55
增长率 Increment (% ) -10 . 0 10 . 3 -18. 4 -1. 8 52. 7 55. 5 -8. 4
玉米 摇 摇 摇 2008 1. 61 1. 53 1. 05 3. 14 6. 97 2. 22 0. 51
Corn 摇 摇 摇 2010 1. 84 1. 4 1. 31 3. 24 8. 85 2. 73 0. 57
增长率 Increment (% ) 14. 3 -8. 5 24. 9 3. 2 27. 0 23. 1 10. 8
油菜 摇 摇 摇 2008 0. 63 0. 61 1. 02 1. 24 1. 87 1. 51 0. 51
Rape 摇 摇 摇 2010 0. 71 0. 46 1. 54 1. 16 2. 06 1. 78 0. 61
增长率 Increment (% ) 12. 7 -24. 6 49. 5 -5. 7 10. 2 16. 8 19. 4
总计 摇 摇 摇 2008 5. 53 4. 37 1. 27 9. 90 15. 22 1. 54 0. 56
摇 摇 摇 2010 5. 51 4. 32 1. 28 9. 81 20. 65 2. 10 0. 57
Total 增长率 Increment (% ) -0. 4 -1. 1 7. 9 -0. 7 35. 7 36. 6 1. 8
O: 有机能 Organic energy (伊1010 J·hm-2); I: 无机能 Inorganic energy ( 伊1010 J·hm-2 ); Tin: 总投能 Total input energy ( 伊1010 J·hm-2 );
Tout: 总产值 Total output energy (伊1010 J·hm-2); Tout / Tin: 能量产投比 Energy input鄄output ratio; CREF: 能量循环指数 Index of energy cycle.
在计算总投能时未计算太阳辐射能,故此表能量产投比会出现大于 1 的结果 The total input energy excluded the solar radiant energy, so some ratios
of output to input were bigger than 1.下同 The same below.
表 2摇 果业子系统的能量输入与产出
Table 2摇 Energy input and output in fruit subsystem
项目 Item 年份 Year O I O / I Tin Tout Tout / Tin CREF
秦冠苹果 摇 摇 摇 2008 5. 70 3. 30 1. 73 9. 00 21 2. 33 0. 63
Qinguan apple 摇 摇 摇 2010 6. 40 3. 61 1. 77 10. 01 34 3. 40 0. 64
增长率 Increment (% ) 12. 3 9. 4 2. 6 11. 2 61. 9 45. 6 1. 0
富士苹果 摇 摇 摇 2008 3. 35 3. 10 1. 08 6. 45 17. 9 2. 78 0. 52
Fushi apple 摇 摇 摇 2010 5. 30 2. 64 2. 01 7. 94 20. 7 2. 61 0. 67
增长率 Increment (% ) 58. 2 -14. 8 85. 8 23. 1 15. 6 -6. 1 28. 5
总计 摇 摇 摇 2008 9. 05 6. 40 1. 41 15. 45 38. 9 2. 52 0. 59
Total 摇 摇 摇 2010 11. 70 6. 25 1. 87 17. 95 54. 7 3. 05 0. 65
增长率 Increment (% ) 29. 3 -2. 3 32. 4 16. 2 40. 6 21. 0 11. 3
7911 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 吴发启等: 陕西省西坡村农果复合生态经济系统能量流特征摇 摇 摇 摇 摇
表 3摇 畜牧业子系统的能量输入与产出
Table 3摇 Energy output and input of livestock subsystem
项目 Item 年份 Year Tin Tout Tout / Tin CREF
猪 2008 5. 91 42. 4 7. 17 1
Pig 2010 6. 32 44. 73 7. 08 1
增长率 Increment (% ) 6. 9 5. 5 -1. 3 0
羊 2008 0. 47 1. 76 3. 74 1
Sheep 2010 0. 5 2. 34 4. 68 1
增长率 Increment (% ) 6. 4 33. 0 25. 0 0
鸡 2008 0. 61 0. 34 0. 56 1
Chicken 2010 0. 5 0. 43 0. 86 1
增长率 Increment (% ) -18. 0 26. 5 54. 3 0
总计 2008 6. 99 44. 50 11. 47 1
Total 2010 7. 32 47. 50 12. 62 1
增长率 Increment (% ) 4. 7 6. 7 10. 0 0
表 4摇 人类子系统的能量输入与产出
Table 4摇 Energy output and input of human being subsys鄄
tem
年份 Year Tin M D Tout Tout / Tin CREF
2008 9. 83 0. 31 0. 79 1. 10 0. 11 0. 67
2010 10. 11 0. 42 0. 82 1. 24 0. 12 0. 54
增长率
Increment (% )
2. 9 35. 5 3. 8 12. 7 11. 5 -19. 4
M: 人工能 Manpower ( 伊 1010 J · hm-2 ); D: 人粪尿 Dejecta
(伊1010 J·hm-2) .
产值增长了 12. 7% ,其中,2008 和 2010 年,人工能
产出分别占总产值的 28. 2%和 33郾 9% ;粪尿占总产
出能的 71. 8%和 33. 9% ;能量产投比分别为 0. 11
和 0. 12,期间提高了 11. 5% .说明人类群体子系统
是典型的耗能群体,而提高人类群体子系统能量产
投比的途径是提高人口素质和劳动生产率.
2郾 2摇 农果复合系统能量流动特征
用于西坡村农果复合系统生产的能量投入中,
有机能种类主要为人力、畜力、有机肥、种子和苗木
等,无机能种类主要为柴油、电力、机械、化肥、农药
和塑料薄膜等,产出则为水果、粮食、蔬菜和粪便等.
从表 5 可以看出,2008 年,果业子系统是农果复合
生态系统中最大的耗能系统,年净消耗能量 15. 45伊
1010 J·hm-2,分别是农业、畜牧业和人类子系统利
用能量的 1. 57、2. 21 和 1. 57 倍.农业子系统年均产
能 15. 22伊1010 J·hm-2,占系统产能总量的 15. 4% ;
果业子系统年均提供经济产品 (果品)的能量为
38郾 9伊1010J·hm-2,占系统产能总量的 39. 3% ;人类
子系统年均产能 0. 31伊1010 J·hm-2,占系统产能总
量的 0. 3% ;畜牧业子系统年均产能 44. 5 伊 1010
J·hm-2,占系统产能总量的 45. 0% ,从供给系统有
机肥、提高农业和果业子系统秸秆、树叶等物质的利
用效率来讲,畜牧业子系统是连接农业和果业子系
统的主要桥梁. 2010 年,果业子系统仍是农果复合
生态系统中最大的耗能系统,年净消耗能量 17. 95伊
1010 J·hm-2,分别是农业、畜牧业和人类子系统利
用能量的 1. 83、2. 45 和 1. 78 倍.农业子系统年均产
能 20. 65伊1010 J·hm-2,占系统产能总量的 13. 3% ;
果业子系统年均提供经济产品 (果品)的能量为
54郾 7伊1010 J·hm-2,占系统产能总量的 35. 3% ;畜牧
业子系统年均产能 47. 5伊1010 J·hm-2,占系统产能
总量的 30. 7% ;人类子系统年均产能 0. 42 伊 1010
J·hm-2 ,占系统产能总量的0郾 3% . 2008—2010年,
表 5摇 2008 和 2010 年农果复合系统能量输入与产出
Table 5摇 Energy output and input of compound agriculture鄄fruit system in 2008 and 2010
项目 Item 年份 Year O I O / I Tin Tout Tout / Tin CREF
农业子系统 2008 5. 53 4. 37 1. 27 9. 90 15. 22 1. 54 0. 56
Agricultural subsystem 2010 5. 51 4. 32 1. 28 9. 81 20. 65 2. 10 0. 57
增长率 Increment (% ) -0. 4 -1. 1 7. 9 -0. 7 35. 7 36. 6 1. 8
果业子系统 2008 9. 05 6. 40 1. 41 15. 45 38. 90 2. 52 0. 59
Planting subsystem 2010 11. 70 6. 25 1. 87 17. 95 54. 70 3. 05 0. 65
增长率 Increment (% ) 29. 3 -2. 3 32. 4 16. 2 40. 6 21. 0 11. 3
畜牧业子系统 2008 6. 99 0 0 6. 99 44. 50 11. 47 1
Livestock subsystem 2010 7. 32 0 0 7. 32 47. 50 12. 62 1
增长率 Increment (% ) 4. 7 0 0 4. 7 6. 7 10. 0 0
人类子系统 2008 6. 61 3. 22 2. 05 9. 83 0. 31 0. 79 1. 10
Human subsystem 2010 6. 73 4. 04 1. 67 10. 11 0. 42 0. 82 1. 24
增长率 Increment (% ) 1. 8 25. 5 -18. 7 2. 9 35. 5 3. 8 12. 7
农果复合系统 2008 28. 18 13. 99 2. 01 42. 17 98. 93 2. 35 0. 67
Compound agriculture鄄 2010 28. 98 12. 51 2. 32 41. 49 155. 00 3. 74 0. 70
fruit system 增长率 Increment (% ) 2. 8 -10. 6 15. 0 -1. 6 56. 7 59. 4 4. 5
891 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
西坡村农果复合系统有机能投入分别为 28. 18伊1010
和 28. 98伊1010 J·hm-2,期间提高了 2. 8% ;无机能
投入分别为 13. 99伊1010和 12. 51伊1010 J·hm-2,降低
了 10. 6% ;总投入量分别为 42. 17伊1010和 41. 49 伊
1010J·hm-2,降低了 1. 6% ;能量产出总量分别为
98. 93伊1010和 155伊1010 J·hm-2,增长了 56. 7% ;能
量产投比分别为 2. 35 和 3. 74,增长了 59. 4% ;说明
黄土高原的农果复合系统是一个低投入、高产出的
系统,2008 和 2010 年系统能流循环指数分别为
0郾 67 和 0. 70,期间增长 4. 5% ,说明 2010 年的农果
复合系统的稳定性、自我维持能力和可持续发展能
力均好于 2008 年.
3摇 结摇 摇 论
农业生态系统的结构状况反映了系统中环境资
源利用的合理性和系统内部生态经济关系的协调
性,从而决定系统整体结构的功能水平[22-24] . 在生
态系统中,有机能的能量投入比重越大、系统的能流
循环指数越大,系统越稳定、越能够自我维持和持续
发展. 2008—2010 年,研究区农业子系统的有机能
和无机能的投入都有所下降,而系统产投比和能量
循环指数呈上升趋势,说明研究区对农业的重视程
度有所加强,系统呈现低投入、高产出的情况;与农
业子系统相比,果业子系统的能量循环指数的增幅
较大,主要是由于果业子系统的有机能投入大幅提
高,系统的稳定性得到改善,系统经济效益较高;畜
牧业是连接农业和果业子系统的主要桥梁,其能量
投入以有机能投入为主,产投比增加 10% ,且产出
中以粪便产量最大,应在现有基础上扩大畜牧业子
系统的饲养规模,大力发展畜牧业,优化养殖结构,
以进一步协调各子系统之间的关系.研究期间,农果
复合生态系统总能量投入降低了 1. 6% ,而总能量
产出却增长 56. 7% ,能量产投比提高了 59. 4% ,能
量循环指数提高了 4. 5% ,说明 2010 年农果复合系
统相对于 2008 年具有更强的系统稳定性. 但总体
上,该地区农户农果复合生态系统中有机能投入仍
较低,应当加强畜禽养殖,提供充足的有机肥源,同
时调整系统的投能结构,使农果复合生态系统稳定、
持续的发展,产业结构仍需继续坚持“稳定农业、发
展畜牧业和强化果业冶的发展方针[8,25] .
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作者简介 摇 吴发启,男,1957 年生,教授,博士研究生导师.
主要从事水土保持与荒漠化防治研究. E鄄mail: lf2220526@
sohu. com
责任编辑摇 杨摇 弘
002 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷