全 文 ：基于能流物流理论的农牧交错带生态治理模式研究*



以内蒙古后山旱农区为例
范锦龙1* *  潘志华2  赵  举3  郑大玮2  妥德宝3  赵沛义3
( 1 中国气象局国家卫星气象中心,北京 100081; 2中国农业大学,北京 100094; 3 内蒙古农业科学院, 呼和浩特 010031)
摘要!  中国北方农牧交错带的生态环境问题引起了人们广泛关注.经过多年的攻关研究, 以能物流理论
为指导, 根据地处北方农牧交错带的后山旱农区的自然、社会、经济特征, 提出了以丘陵为单元的生态治理
模式. 1999 年对传统顺坡种植模式、人工草地模式和生态治理模式进行观测.能物流分析结果表明, 生态
治理模式与传统的种植模式相比, 能提高太阳能利用率 8
3% ,提高能量输出量 8
7% ,提高能量转化效率
19
4% , N的输出量提高 26
5% , 转化效率提高 57
1% , P的输出量提高12
1% , 转化效率提高 45
0% ,水
分利用效率提高 17
7% . 人工草地模式与传统模式和生态治理模式相比, 其太阳能利用率、能量输出量、
能量转化效率都是最低的. 治理模式产出最多,盈利最多,是经济效益最好的模式, 经济效率比传统模式提
高 16
1% .
关键词  能物流  农牧交错带  生态治理  模式
文章编号  1001- 9332( 2004) 04- 0579- 05 中图分类号  Q148, S342
1 文献标识码  A
Ecological management model of agriculturepasture ecotone based on the theory of energy and material f low

a case study in Houshan dryland area of Inner Mongolia. FAN Jinlong1 , PAN Zhihua2, ZHAO Ju3 , ZHENG
Dawei2 , TUO Debao3 , ZHAO Peiyi3 ( 1National S atellite Meteor ological Center , China Meteor ological Adminis
tr ation , Beij ing 100081, China; 2 China Agr icultural University , Beij ing 100094, China; 3 I nner Mongolia A
cademy of Agr icultural Sciences , Huhhot 010031, China) . Chin. J . A ppl . Ecol. , 2004, 15( 4) : 579~ 583.
The degr adation of ecolog ical environment in t he agr icultur epasture ecotone in no rthern China has been paid
more attentions. Based on our many years∀ research and under the guide of energy and mater ial flow theory , this
paper put forw ard an eco logical management model, with a hill as the basic cell and according to the natural, so
cial and economic characters of Houshan dryland farming area inside the north agriculturepasture ecotone. The
input and output of three models, i. e. , the traditional alongslopetillage model, the artificial grassland model and
the ecological management model, were observed and recorded in detail in 1999. Energy and mater ial flow analy
sis based on field test show ed that compared w ith traditional model, ecological management model could increase
solar use efficiency by 8. 3% , energ y output by 8. 7% , energy conversion efficiency by 19. 4% , N output by
26
5% , N conversion efficiency by 57. 1% , P output by 12. 1% , P conversion efficiency by 45. 0% , and water
use efficiency by 17. 7% . Among the models, artificial grassland model had the lowest solar use efficiency, ener gy
output and energy conversion efficiency; w hile the ecolog ical management model had the most outputs and bene
fits, w as the best model w ith high economic effect, and increased economic benefits by 16. 1% , compared wit h
the tr aditional model.
Key words  Energy and material flow, Agriculturepasture ecotone, Ecological management, Model.
* 国家自然科学基金项目( 30100127, 30270269 )和科技部国家科技
攻关资助项目( 960040408, 2001BA508B12) .
* * 通讯联系人.
2002- 11- 19收稿, 2003- 02- 26接受.
1  引   言
北方农牧交错带的生态环境问题已引起了社会
各界的广泛关注[ 1, 8, 9] ,地处其中部的内蒙古后山旱
农区,风蚀非常严重, 土壤十分瘠薄,是最为典型的
风蚀沙化生态脆弱区域. 根据朱震达[ 10]的监测资
料,后山旱农区 1975~ 1987年沙质荒漠化土地年增
长率为 4
66%,高于全国农牧交错带 1
39%的平均
增长速率, 是全国荒漠化最严重的地区之一. 1999
年# 4
15 沙尘暴∃带来的泥雨天气席卷了半个中
国[ 2] , 2000年 3、4月间北方多次发生大范围的扬尘
和沙尘暴天气, 2002 年 3 月 20日北京地区中午的
#红天∃甚至影响了韩国和日本, 这些沙尘暴事件无
不与后山旱农区的生态恶化有关.后山旱农区是京、
津和华北地区的生态屏障,该地区的生态治理对保
护首都、华北地区的生态环境有着举足轻重的作
用[ 9] . 为此,后山旱农区的科研人员进行了长期的
试验探索, 根据后山旱农区的自然、社会和经济特
征,提出了以丘陵为单元的生态治理模式[ 2] . 本文
通过能物流分析, 揭示该生态治理模式的理论内涵,
应 用 生 态 学 报  2004 年 4 月  第 15 卷  第 4 期                              
CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Apr . 2004, 15( 4)%579~ 583
为该模式的推广应用奠定基础.
2  研究地区与研究方法
2
1  研究地区概况
后山旱农区是指内蒙古大青山北部东起多伦县、西迄乌
拉特中旗的广大农区, 有耕地 12
83 & 105 hm2, 其中旱地
11
63& 105 hm2 , 大部分属于旱坡地, 约占总耕地面积的
90% .根据干湿程度划分, 后山旱农区属于半干旱偏旱类型
的农牧交错带,是典型的# 雨养农业区∃ .农牧业生产用地以
低山丘陵、波状丘陵和河谷盆洼地为主. 历史上曾是纯牧区,
植被为干草原,在不超载放牧的前提下,当地的生态系统是
能够保持平衡的.但是, 多年来土地过度开垦, 草地过牧, 种
植方式和种植制度不合理,植被破坏严重, 风蚀、水蚀加剧了
水土流失和土壤肥力下降,农业生产处在与生态环境同步的
恶性循环之中.本区的资源环境特征是土壤侵蚀严重、干旱
严重、土壤瘠薄、温度低.
后山旱农区的十几个县中, 武川县属于中等生产力水
平,是后山旱农区自然、经济、社会的典型代表县, 从 20 世纪
80 年代以来,武川县的农业生产出现了迅速发展的好势头,
粮食已能自给有余,商都县西井子乡和化德县七号乡三胜村
等风蚀沙化最严重的地区也做到粮食基本自给.但农牧结合
不好是后山旱农区长期存在的严重问题,近年来畜牧业的比
重有所下降. 乌盟盟委提出要建设畜牧业大盟, 政府投入
2000多万元实施畜牧业种子工程, 为后山旱农区畜牧业的
发展提供了良好的机遇.
2
2  研究方法
2
2
1 试验设计  本试验于 1999 年 4~ 9月实施,试验点设在
内蒙古武川旱农试验站.所选的是一个东西走向的丘陵,丘陵
的相对高差 12 m,东西长 1000 m,南坡平均坡度 3∋, 坡长 200
m,北坡平均坡度 4∋,坡长 175 m. 所选丘陵很有代表性, 西部
是传统的农业土地利用方式顺坡地,作为对照,东部是按治理
模式设计的,作为治理的丘陵.对照丘陵从南到北顺坡种植莜
麦, 作为传统的农作方式,顺坡种植箭舌豌豆、沙打旺,作为人
工草地.治理的丘陵按模式种植了莜麦和沙打旺.
2
2
2 观测内容及方法  于春、秋两季在试验地各取土样一
次( 0~ 20 cm) , 进行分析化验. 土壤测定项目是土壤有机质
含量、N、P、K 全量和有效量,化验以文献[ 5]为标准. 作物养
分含量根据文献[ 4, 6, 7]确定.
于收获季节在试验地不同位置随机设置 5 m & 0
6 m 样
方 3个, 调查样方的莜麦生物量及经济产量, 求出样方的平
均生物量和产量,计算单位面积生物量和产量.于秋季在试
验地内, 随机设 1 m & 1 m 样方 5 个, 用割样法测定草生物
量.详细记录各试验地能量、物质的投入和产出量.折能系数
根据文献[ 6, 7]确定, 详见文献[ 2] .
3  结果与分析
3
1  生态治理模式
内蒙古高原从阴山往北逐渐由缓坡丘陵过渡到
波状高原, 风蚀水蚀主要发生在缓坡丘陵和波状高
原上,滩川地基本不存在荒漠化的威胁. 因此, 后山
旱农区的生态综合治理应以丘陵为单元, 生态治理
的主要任务就是恢复植被.退耕还林还草是逐步恢
复植被的过渡性措施, 但是往往退耕以后农民不再
管理自己的土地, 反而加快了该地区荒漠化进程.因
此,退耕地还需投入人力物力,大力种草, 培育植被,
遏制荒漠化.近年来,内蒙古自治区在后山旱农区大
力推广等高田,掀起了一股建设等高田的热潮. 等高
田大大改善了农田的生态环境, 变#三跑田∃为#三保
田∃,是控制水蚀和风蚀的一项有力措施. 配合等高
田的大范围推广, 本文提出以丘陵为单元的生态治
理模式.其内容概括为#草业冠, 等高田, 生态沟∃或
#草业冠,粮缠腰, 树湾沟∃, 即丘陵顶部、坡面上部以
及 15∋以上陡峭坡面退耕等高种植柠条、沙打旺、箭
舌豌豆等牧草,并实行灌草带状间作,以灌木林带保
护牧草; 15∋以下的坡面建设等高田,采取定向耕翻
逐年整平;等高田实行带状间作, 以减轻风蚀,埂上
种植鸢尾等植物护埂; 等高田上部挖集水沟和水窖,
田边筑坑就地将秸秆堆沤积肥; 丘陵下部低平处建
成旱滩地稳产基本农田, 有条件的挖掘水源实行节
水灌溉;冲沟源头填土封堵,下部沿沟旁种草植树固
土,防止继续冲刷扩大,在条件较好的水地、滩地、沟
壑地四旁应积极种植耐旱耐寒树种, 建立防护林网;
改造天然草场,控制草场载畜量,充分利用秸秆和牧
草发展畜牧业, 粪肥腐熟后还田; 增加农田的投入
量,提高畜产品的商品率.
3
2  生态治理模式的能物流
3
2
1 生态治理模式的能物流理论分析  从系统的
角度来考虑,良性循环的生态系统实质上是能量流、
物质流和信息流保持有组织性和有秩序性,这种有
组织性和有秩序性是通过负熵的输入实现的.恶性
循环的生态系统实质上就是能量流、物质流日益衰
减和信息流不畅, 生态系统的熵增加, 系统更趋混
乱.生态系统的恶性循环具体表现为生态、经济和社
会发展的 3个恶性循环, 其中生态恶性循环实质上
是农业生态系统能物流及其转化率日益缩小的问
题,经济恶性循环实质上是农业经济系统中以商品
货币形态的能物流及其转化率低下的问题,社会恶
性循环实质上是农村社会系统的信息流不畅和落后
的问题.鉴于此,后山旱农区的综合治理也必须从生
态、经济和社会 3个方面入手,才能扭转 3个恶性循
环,产生农业持续发展的机制与动力.扭转生态恶性
循环的关键在于通过增加植被覆盖来提高自然能物
流的转化率,因为无论风蚀沙化还是水土流失, 都是
失去植被的保护而引起的,只有利用植被的光合作
580 应  用  生  态  学  报                   15卷
用,从生态系统以外大量引进负熵即太阳能, 才能提
高农业生态系统的能量物质转换率;扭转经济恶性
循环的关键是在解决温饱的基础上努力提高农产品
的商品率,市场经济中的#血∃就是商品流,所谓扶贫
落实到形成造血功能就是要使农产品成为商品, 再
通过市场交换形成扩大再生产的能力; 扭转社会恶
性循环的关键在于通过教育和培训输入先进的管理
与技术信息,落实到提高人的素质上,通过信息来调
动物质和能量流并提高其转化率[ 9] .
3
2
2生态治理模式的能物流定量分析  本文选择
了 3种模式进行能物流定量分析,第 1种是顺坡种
植莜麦,这是当地的传统习惯,第 2种是以丘陵为单
元的生态治理模式, 第 3种是整个丘陵种植人工草
地.由于试验年度 1999 年干旱严重, 作物生长受到
严重影响,再加上该丘陵的土层薄、肥力低、管理粗
放,故测定的生物量和产出水平均很低,但不同处理
间的差异还是很明显的. 从 3 种模式的能量投入产
出表(表 1)看出, 3种模式的投能结构不同, 投能的
大小顺序是顺坡莜麦模式> 治理模式> 人工草地模
式. 3种模式的产出能水平不同,产出能的大小顺序
是治理模式> 顺坡莜麦模式> 人工草地模式, 能量
转化效率的大小顺序是治理模式> 顺坡莜麦模式>
人工草地模式. 与顺坡莜麦模式相比,治理模式提高
太阳能利用率 8
3% , 提高能量输出量 8
7% , 提高
能量转化效率 19
4% .农业生产就是希望保持高的
能量转化效率, 治理模式符合生产的要求.与其余二
者相比,人工草地模式的太阳能利用率、能量输出
量、能量转化效率都是最低的,因此当前不宜全部退
耕种草,最好是先丘陵顶部退耕种草,随着生态环境
的恢复逐步过渡到全部退耕.治理模式的能流状况
如图 1所示,能量的输入有 6个途径,输出有 3个途
径.治理模式一年可提供 19 824 kg 秸秆和 1 342 kg
鲜草作为饲料,可见治理模式具有高的经济效益和
生态效益,既可控制风蚀、水蚀, 又为畜牧业提供了
更多的饲草.
图 1  治理模式能流图(M J)
Fig. 1 Energy f low chart of ecological management model .
AM :Agricultural machinery, DO: Diesel oil, CF:Ch emical fert ilizer, FG:
Forage grass.
表 1  各模式能量投入产出结构
Table 1 Structure of energy input and output of three models(MJ)
顺坡莜麦
Tradit ional model
人工草地
Art ificial grassland
治理模式
Ecological model
输入 Input 全年太阳辐射能Annual solar energy 2143575000
0 2143575000
0 2143575000
0
无机能 Inorganic energy
农机 Agricultural machinery 42262
5 42262
5 42262
5  柴油 Diesel Oil 49500
0 49500
0 49500
0  化肥 Fert ilizer 40702
5 32019
3  小计 Total 132465
0 91762
5 123781
8
有机能 Organic energy  劳力 Labor 15356
3 1181
3 17907
8  种子 Seed 75688
6 9884
8 61650
4  小计 Total 91044
8 11066
1 79558
2
辅助能总计 Sum of auxiliary energy 223509
8 102828
6 203340
0
输出 Output 经济能 Economic energy 217722
3 253044
6
非经济能 Non economic energy 1058002
6 1133319
6
总 能T otal energy 1275724
9 416781
1 1386364
2
转化效率 无机能/有机能 Inorganic/ Organic( % ) 1
45 8
29 1
56
Conversion ef ficiency 有机能/辅助能 Organic/ Aux iliary( % ) 40
7 10
8 39
1
太阳能利用率 Solar use ef ficiency( % ) 0
060 0
019 0
065
输出/辅助能 Output / Auxiliary( % ) 5
71 4
05 6
82
经济能/辅助能 Economic/ Auxiliary( % ) 0
97 1
24
5814 期            范锦龙等:基于能流物流理论的农牧交错带生态治理模式研究           
  各模式 N的投入产出结构如表 2所示.各模式
N 的来源是化肥和种子, 明显具有粗放式经营的特
点,其中主要是化肥,产出的 N 均比投入的多. 治理
模式 N 的输出量和转化效率都比顺坡莜麦模式高,
输出量提高 26
5%, 转化效率提高 57
1% . 治理模
式 N的循环状况如图 2所示.
表 2  各模式 N 素投入产出结构
Table 2 N structure of input and output of three models( kg)
来源
Source
顺坡莜麦
Traditional
model
人工草地
Artificial
grassland
治理模式
Ecological
model
输入 Input 化肥 Fertilizer 450
0 3 54
0
种子 Seed 94
5 37
5 82
3
小计 Total 544
5 37
5 4 36
3
输出Output 生物量Biomass 645
4 734
0 8 16
5
其中籽粒 Seed 275
7 3 14
6
转化效率 输出/输入Output/ Input( % ) 1
19 19
57 1
87
Conversion 籽粒/输入 Seed/ Input( % ) 0
51 0
72
efficiency 平衡Balance - 100
9 - 696
5 - 380
2
图 2  治理模式 N、P循环图
Fig. 2 N and P circle chart of ecological managem ent model( kg) .
  3种模式 P 的投入产出情况如表3,治理模式和
顺坡莜麦模式 P 的投入均大于产出, 治理模式 P 的
产出多于顺坡地, 提高 12
1%, 说明治理模式有利
于提高 P 的流量, 治理模式 P 的转化效率也是高
的,比顺坡莜麦模式提高 45
0% . 人工草地 P 的转
化效率比较高, 出现了亏缺. 治理模式 P 的循环状
况如图 2.
表 3  各模式 P的投入产出结构
Table 3 P structure of input and output of three models( kg)
来源
Source
顺坡莜麦
Traditional
model
人工草地
A rtificial
grassland
治理模式
Ecological
model
输入 Input 化肥 Fertilizer 562
5 442
5
种子 Seed 31
5 3
8 25
6
小计 Total 594
0 3
8 468
1
输出Output 生物量 Biomass 240
5 75
7 269
7
其中籽粒 Seed 91
1 105
0
输出/输入 Output/ Input( % ) 0
40 20
17 0
58
转化效率 籽粒/输入 Seed/ Input( % ) 0
15 0
22
Conversion efficiency平衡 Balance 353
5 - 71
9 198
4
  1999年是武川县自 1966 年以来最旱的一年,
莜麦生育期降水量为 115
5mm .传统农业利用方式
顺坡莜麦模式降水利用效率为 20
3 kg(mm- 1(
hm
- 2
,人工草地降水利用效率为 15
5 kg(mm- 1(
hm- 2,较传统模式降低 23
6%, 治理模式降水利用
效率为 23
9 kg(mm- 1(hm- 2, 比传统方式提高
17
7% .因此,按照治理模式进行生态治理还可以提
高降水利用效率.
3
2
3 经济效益分析  根据 1999 年调查数据及当
年价格标准,各模式经济效益核算如表 4. 投入最多
的是传统的农业生产方式顺坡莜麦地, 投入最少的
是人工草地,而生态治理模式的投入介于二者之间,
但产出最多, 盈利最多, 是经济效益最好的模式. 3
个模式的经济效率大小顺序为治理模式> 顺坡地模
式> 人工草地模式. 治理模式的经济效率比顺坡莜
麦模式提高 16
1% .因此,治理模式符合经济规律,
将易为老百姓所接受.
表 4  各模式经济效益分析(元)
Table 4 Economic analysis of three models(
)
化肥
Chemical
fert ilizer
种子
Seed
人工
Labor
耕翻种地
Tillage and
cult ivat ion
总投入
Total
input
籽粒
S eed
秸秆
S talk
总产出
Total
output
盈利
Prof it
产/投
Input /Output
顺坡莜麦 T raditional model 3375 11250 7313 10687 32625 32361 24926 57287 24662 1
76
人工草地 Artif icial grassland 6750 563 10687 18000 26780 8780 1
44
治理模式 Ecological model 2655 10290 8528 10687 32160 37611 28082 65693 33533 2
04
4  结   论
4
1  根据后山旱农区的地貌特征,生态综合治理应
以丘陵为单元. 本文提出以丘陵为单元的生态治理
模式,其内容概括为#草业冠, 等高田,生态沟∃或#草
业冠,粮缠腰,树湾沟∃.
4
2  能量物质流理论是生态治理模式的理论基础.
虽然试验年度 1999年干旱严重,作物生长受到严重
影响,加上该丘陵的土层薄、肥力低、管理粗放, 测定
的生物量和产出水平均低,但不同处理间的差异还
是很明显的.与顺坡莜麦模式相比,治理模式提高能
量输出量 8
7% ,提高太阳能利用率 8
3%, 提高能
量转化效率 19
4% . 治理模式 N 的输出量提高
26
5% ,转化效率提高 57
1% . 治理模式 P 的输出
582 应  用  生  态  学  报                   15卷
量提高 12
1%,转化效率提高 45
0% .大旱的 1999
年传统农业利用方式顺坡莜麦模式降水利用效率为
20
3 kg(mm- 1(hm- 2, 治理模式降水利用效率为
23
9 kg(mm- 1(hm - 2,比传统模式提高 17
7% . 治
理模式产出最多, 盈利最多, 是经济效益最好的模
式,经济效率比顺坡莜麦模式提高 16
1% .
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作者简介  范锦龙, 男, 1975 生, 博士, 助理研究员, 主要从
事农业与生态环境遥感研究, 发表论文 10 余篇. Email:
caufjl@ 263. net
欢迎订阅 2004年)应用生态学报∗
)应用生态学报∗( 1990年创刊)是经国家科委批准、科学出版社出版的国内外发行的综合性学术刊物.
本刊宗旨是坚持理论联系实际的办刊方向,结合科研、教学、生产实际,报导生态科学诸领域在应用基础研究
方面具有创新性的研究成果, 交流基础研究和应用研究的最新信息, 促进生态学研究为国民经济建设服务.
本刊专门登载有关应用生态学(主要包括森林生态学、农业生态学、草地牧业生态学、渔业生态学、自然
资源生态学、全球生态学、污染生态学、化学生态学、生态工程学等)的综合性论文、创造性研究报告和研究简
报等.
本刊读者对象主要是从事生态学、地学、林学、农学和环境科学研究、教学、生产的科技工作者,有关专业
的大学生及经济管理和决策部门的工作者.
本刊与数十家相关学报级期刊建立了长期交换关系, )中国科学引文索引∗、)中国生物学文摘∗、美国
)生物学文摘∗( BA)、美国)化学文摘∗( CA)、英国)生态学文摘∗( EA)、日本)科学技术文献速报∗( CBST)和俄
罗斯)文摘杂志 ∗(
 )等十几种权威检索刊物均收录本刊的论文摘要(中英文) ,并被认定为)中国核心期刊
(遴选)数据库∗和)中国科学引文数据库∗来源期刊.本刊的整体质量与水平已达到新的高度, 1992年荣获全
国优秀科技期刊三等奖和中国科学院优秀期刊二等奖, 1996年荣获中国科学院优秀期刊三等奖. 2000年荣
获中国科学院优秀期刊二等奖. 2001年入选中国期刊方阵双效期刊.
本刊为月刊, A4开本, 176页,每月 18日出版,期定价 28. 00元,全国各地邮政局(所)均可订阅, 邮发代
号 8- 98.错过订期也可直接向本刊编辑部邮购,个人订阅优惠 30% .地址: 110016 辽宁省沈阳市文化 72号
)应用生态学报∗编辑部. 电话: ( 024) 83970393, Email: cjae@ iae. ac. cn
5834 期            范锦龙等:基于能流物流理论的农牧交错带生态治理模式研究