全 文 ：王立革，焦晓燕，董二伟，郜春花，苗伟，田锋. 采煤沉陷区复垦前后农业生态系统能值变化特征分析[J]. 生态科学, 2011. 30(3): 334-339.
WANG Li-ge, JIAO Xiao-yan, Dong Er-wei, GAO Chun-hua, Miao Wei, Tian Feng. Effects of reclamation of coal mining
subsidence on emergy characteristics of agricultural ecosystem [J]. Ecological Science, 2011. 30(3): 334-339.
采煤沉陷区复垦前后农业生态系统能值变化特征分析
王立革1，焦晓燕 1，董二伟 1，郜春花 1，苗 伟 2，田 锋 2
1． 山西省农业科学院农业环境与资源研究所 山西太原 030031
2． 山东省邹城市国土局土地整理中心 山东邹城 273500

【摘要】采用能值理论分析方法，比较采煤沉陷区复垦前后农业生态系统能值投入和输出，结果显示，复垦后的能值总投入是
复垦前的 2.7 倍，能值总输出是复垦前的 3.1 倍，能值投入率是复垦前的 7.4 倍，说明复垦后的农业生态系统经济发展水平有所
提高；人均能值用量是复垦前的 2.7 倍，表明复垦后人民的生活水平得到改善；由于复垦后农业产业结构的多元化，各产业结
构正处于发展中阶段，因此，净能值产出率由复垦前的 0.28 降低到复垦后的 0.14，但环境负荷率由复垦前的 0.5 上升到复垦后
的 3.7，系统稳定性指数由复垦前的 0.10 上升到复垦后的 0.36，从而说明，复垦后的农业生态系统相对复垦前循环利用率和持
续发展程度较高。
关键词：采煤沉陷 能值分析 农业生态系统 复垦
doi:10.3969/j.issn. 1008-8873.2011.03.019 中图分类号：Q178.532 文献标识码：A 文章编号：1008-8873(2011)03-334-06
Effects of reclamation of coal mining subsidence on emergy characteristics of
agricultural ecosystem
WANG Li-ge1, JIAO Xiao-yan1, DONG Er-wei1, GAO Chun-hua1, MIAO Wei2, TIAN Feng2
1 Institute of Agricultural Environment And Resources, Shanxi Academy of Agriculture Sciences, Taiyuan, Shanxi 030031, China
2 The Center of Land Reclamation, Bureau of Land and Resources of Zoucheng, Zoucheng, Shandong 273500, China
Abstract: Emergy theory and analysis method were employed to compare the effects of pre- and post-reclamation of coal mining
subsidence on emergy inputs and outputs of agricultural-ecosystem. The results showed that after reclamation, the total emergy input and
output were 2.7 times and 3.1 times of those before reclamation, respectively. Reclamation significantly increased the rate of emergy
input (defined as [renewable organic energy + unrenewable source production] / [renewable environmental resource + nonrenewable
environmental resource]), which was 7.4 times of that before reclamation, indicating reclamation promoted local economic development
of agricultural ecosystem. Emergy consumption per capita increased by 2.7 folds, suggesting improved living levels of local residents.
Diversification of the developing agricultural structure decreased the yield ratio of net emergy after reclamation. Accordingly, an increase
was observed for environmental loading ratio from 0.5 to 3.7, and for system stability indices from 0.1to 0.36, suggesting reclamation of
coal mining subsidence may improve the cyclic utilization efficiency and sustainability of agricultural ecosystem.
Keyword：mining subsidence, emergy analysis, agricultural ecosystem, reclamation

收稿日期：2011-02-09 收稿，2011-04-20 接受
基金项目：国家科技支撑计划(2006BAC09B02),山西省重大科技攻关项目(2006061099-01-02)
作者简介：王立革（1978—）男，山西永济人，硕士，助理研究员，主要从事植物营养方面的研究工作
通讯作者：焦晓燕，TEL:0351-7133633，E-mail: xiaoyan_jiao@yahoo.com.cn
第 30 卷 第 3 期 生 态 科 学 30(3): 334-339
2011 年 5 月 Ecological Science May 2011

万方数据
1 引言 (Introduction)

采煤引起的地表沉陷，不仅造成耕地质量下降，
同时农事操作也受到不同程度的限制，从而破坏了原
有的农业生态系统，。土地复垦不仅修复了沉陷耕地
的地貌，同时也改善了农业生态环境，进而达到土地
资源的可持续利用[1-4]。
生态系统的本质特征是不断进行的能量流动、物
质循环和信息传递。 能量是生态系统赖以存在和发展
的基础。生态系统的能量输入和输出,及其在系统内各
组分间的流动,是生态系统最基本的功能过程之一。随
着生态学的不断发展，对于农业生态系统的研究成为
诸多学者关注的热点问题，自20世纪80年代美国著名
的生态学家H.T.Oudm创立能值分析理论方法以来，人
们对农业生态系统的研究方法从能量分析上升到能值
分析，在理论和方法上都是一个重大飞跃[5-7]。
近年来，对农业生态系统的能值理论分析屡见不
鲜[8-13]，所选用的区域大小不一，大到国家小到农户，
但针对采煤沉陷区域的农业生态系统研究相对较少。
因此，本文采用农业生态系统能值理论分析方法，研
究采煤沉陷区域复垦前后的农业生态系统能值变化
特征，以期为采煤沉陷区农业土地可持续利用发展提
供理论依据。

2 材料和方法（Material and method）

2.1 研究区域概况
研究区域为山东省邹城市北宿镇西故村，全村
共计 1 232 人，438 户，人均耕地面积为 66.7 m2人，
地理坐标为东径 116°44′30″～ 117°28′54″，北纬
35°9′12"～35°32′54″。属暖温带过渡型季风气候区，四
季分明，雨量集中，水热同步。年平均降水 771.7 mm，
年平均日照时数 2 427.9 h，年平均气温 14.1 ℃，
无霜期 202 d。临近兖州煤矿和南屯煤矿，2003 年
12 月，北京国地土地整理规划设计研究院对该项目进
行了规划设计，2005 年 10 月采煤塌陷地复垦项目正
式破土动工， 2007 年该区域复垦工程结束。本研究
将该区域的所有农用土地作为调查研究对象。

2.2 数据采集
通过对西故村2002年（复垦前）和2008年（复垦
后）农业生态系统产业结构的投入状况（人力、物力、
机械等）以及各产业的输出状况（产量、去向等），
同时对农事操作进行详细记录。由于该区域隶属山东
省邹城市北宿镇，因此自然环境资源数据通过查阅山
东统计年鉴中邹城市在2002年和2008年的统计数据
得到[14]，将采集数据输入Excel列表，进行归类整理。

2.3 研究方法
数据归类整理后，参阅《农业生态系统分析》，
将其折算成能量[15]，然后根据《生态经济系统能值
分析》再将能量折算成能值[16]。

3 结果分析（Results and analysis）

3.1 产业结构变化
表1数据显示，复垦前，该区域的农业生态系统
主要是耕地和观赏水面，其中观赏水面主要是进行网
箱养殖（5m×5m×5m）,表中显示的观赏水面面积并
不是实际网箱养殖的面积，其中少部分是由于采煤引
起的地表沉陷，造成局部积水，因此在复垦前，该区
域的耕地遭到了不同程度的破坏。

表 1 复垦前后西故村农业生态系统产业结构变化
Table 1 Industrial structure changes of before and after the
reclamation agricultural ecosystem in Xigu Village
产业结构
Industrial structure
面积
Area (hm2)
复垦前
Before
reclamation
（2002）
复垦后
After the
reclamation
（2008）
耕地 Arable 91.0 109.5
观赏水面 Visit and observe pool 221.5 144.8
精养鱼塘 Intensive ponds 0.0 52.7
建设用地 Construction land 38.5 38.5
养鸭场 Duck Factory 0.0 5.5
合计 Total 351.0 351.0

复垦后的农业生态系统产业结构呈现出多元化，
其中观赏水面仍然以网箱养殖为主（5m×5m×5m）,
另外增加了精养鱼塘、养鸭场、日光温室和林地，由
复垦前的2种产业结构发展到复垦后的6种产业结构，
其中建设用地主要是村庄的房屋建设和村庄绿化建
设，本研究并没有将其列入农业生态系统类型中。

3.2 复垦前后能值投入比较
由于在复垦前地表沉陷，该区域的种植模式为小麦
-玉米-小麦轮作制，施肥主要以复合肥为主，且在小麦
3 期 王立革，等：采煤沉陷区复垦前后农业生态系统能值变化特征分析 335

万方数据
表 2 西故村复垦前后农业生态系统能值投入分析
Table 2 emergy input analysis of before and after the reclamation agricultural ecosystem in Xigu Village
项目
Item
原始数据（J 或 g) Original
data(J or g)
能值转换率
（Sej*J-1或 Sej/g)
Transformity
（Sej•J-1Or Sej•g-1）
能值（Sej)
Emergy (Sej)
复垦前
Before
reclamation
复垦后
After the
reclamation
复垦前
Before
reclamation
复垦后
After the
reclamation
可更新环境资源（R)
Renewable environmental
resource
太阳能 1.76×1015 1.76×1015 1 1.76×1015 1.76×1015
雨水势能 6.68×1015 5.73×1015 8888 5.94×1019 5.09×1019
风能 3.28×1013 3.28×1013 663 2.17×1016 2.17×1016
雨水化学能 1.35×1016 1.16×1016 15444 2.08×1020 1.78×1020
小计 2.67×1020 2.29×1020
不可更新环境资源（N)
Nonrenewable
environmental resource
表土损失能 2.99×1012 2.99×1012 6.35×104 1.90×1017 1.90×1017
小计 1.90×1017 1.90×1017
不可更新工业辅助能(F)
Unrenewable source
production
氮肥 8.63×107 9.36×107 4.62×109 3.99×1017 4.33×1017
磷肥 1.23×108 2.60×108 1.78×1010 2.20×1018 4.63×1018
钾肥 0.00 3.88×107 1.74×109 0.00 6.74×1016
复合肥 1.23×108 1.62×108 2.80×109 3.45×1017 4.55×1017
农药 0.00 2.84×1010 1.62×109 0.00 4.60×1019
农用柴油 1.18×1011 1.18×1011 6.60×104 7.81×1015 7.81×1015
农用机械 1.94×1010 6.11×1010 7.50×107 1.46×1018 4.58×1018
电力 1.33×1011 1.24×1012 1.59×105 2.12×1016 1.97×1017
小计 4.43×1018 5.64×1019
可更新有机能源(T)
Renewable organic energy
饲料 4.52×108 3.37×109 6.80×104 3.07×1013 2.29×1014
劳力 3.79×1010 2.32×1011 3.40×109 1.29×1020 7.87×1020
种籽 1.75×1012 8.90×1011 2.00×105 3.51×1017 1.78×1017
畜禽仔 0.00 1.17×1012 1.70×106 0.00 1.99×1018
鱼苗 8.88×109 9.78×1010 2.00×107 1.78×1017 1.96×1018
有机肥 0.00 6.40×107 2.70×104 0.00 1.73×1012
小计 1.30×1020 7.92×1020
总计 Total 4.02×1020 1.08×1021

播种前一次施入，小麦收获后种植玉米时则不再施肥，
之后再追施氮肥，因此，该区域在复垦前不施用钾肥；
复垦后，增加了日光节能温室，因此增加了钾肥的投入，
养鸭业也是在复垦后才增加的一种新型产业。
西故村在复垦前与复垦后的农业生态系统能值
投入包括可更新环境资源、不可更新环境资源、不可
更新工业辅助能和可更新有机能源。由表2可知，西
故村的能值总投入由复垦前的4.02×1020 Sej上升到复
垦后的1.08×1021 Sej。复垦前，能值总投入主要是可
更新环境资源，占总能值投入的66.4%；复垦后，能
值总投入主要是可更新有机能源，占总能值投入的
73.3%。说明西故村农业生态系统从复垦前主要依赖
于环境资源转变为复垦后主要以有机能源投入为主，
由此说明，复垦后的农业生态系统自我维持能力相对
复垦前有所提高。
不可更新工业辅助能由复垦前的4.43×1018 Sej上升
到复垦后的5.64×1019 Sej，分别占复垦前和复垦后总能
值投入的1.1%和5.2%，其中农药的能值投入在复垦后
所占比例相对最大，主要是因为复垦后增加了日光节能
温室，从而增加了农药的使用量所致。不可更新环境资
源能值主要以表土损失能为主，由于受调查的年限相隔
较短，因此复垦前后该能值投入并未有太大的变化。
在复垦前，西故村能值投入结构主要以可更新环境
资源中的雨水化学势能为主，占总能值投入的51.7%，
336 生 态 科 学 Ecological Science 30 卷

万方数据
表 3 西故村复垦前后农业生态系统能值输出分析
Table 3 Emergy ouput analysis of before and after the reclamation agricultural ecosystem in Xigu Village
项目
Item
能量（J)
Energy(J)
能量（J)
Energy(J)
能值转化率（Sej•J-1)
Transformity（Sej•J-1)
能值（Sej)
Emergy(Sej)
能值（Sej)
Emergy(Sej)
复垦前
Before
reclamation
复垦后
After
reclamation
复垦前
Before
reclamation
复垦后
After
reclamation
种植业
Planting
粮食
作物
小麦 6.79×1012 7.76×1012 6.80×104 4.62×1017 5.28×1017
玉米 9.17×1012 1.02×1013 8.52×104 7.81×1017 8.69×1017
小计 1.24×1018 1.40×1018
经济
作物
葡萄 0.00 6.62×1011 5.30×104 0.00 3.51×1016
黄瓜 0.00 6.85×1011 2.70×104 0.00 1.85×1016
西红柿 0.00 6.34×1011 2.70×104 0.00 1.71×1016
小计 0.00 1.05×1018
畜禽业
Livestock

鸭肉 0.00 2.81×1013 1.70×106 0.00 4.80×1019
小计 0.00 4.80×1019
渔业
Fishery

水产品 1.81×1013 3.25×1013 2.00×106 3.61×1019 6.50×1019
小计 3.61×1019 6.50×1019
合计 Total 3.73×1019 1.15×1020

其次为可更新有机能源中的劳动力，占总能值投入的
32.1%。复垦后农业生态系统的能值投入结构主要以可
更新有机能源中的劳动力为主，占总能值投入的72.9%。
可见，不论是复垦前与复垦后，西故村的能值投入仍然
以劳动力为主，农业生产的机械化程度并不高。

3.3 复垦前后能值输出分析
由表3可知，西故村复垦后的农业生态系统在复
垦前的种植业、渔业基础上增加了畜禽业，能值总输
出由复垦前的 3.73×1019 Sej 上升到复垦后的
1.15×10
20
Sej，复垦前的能值产出结构包括种植业和
渔业，分别占复垦前总能值输出的3.3%和96.7%，复
垦后的能值产出结构包括种植业、畜禽业和渔业，分
别占复垦后总能值输出的1.2%、41.4%和57.4%。由
此可以看出，不论是复垦前还是复垦后，该区域的主
要产出结构是以渔业为主。由于西故村在复垦前，地
下煤层的挖掘，地表产生沉陷，造成地面局部积水，
因此，农民将其人工蓄水改造成了养鱼塘，但主要是
进行网箱养殖和繁殖鱼苗；复垦后，经过对该区域的
规划设计，将小面积的鱼塘改造成了精养鱼塘，同时
也扩大和加固了以前的大鱼塘，因此，该区域的渔业
相对种植业和畜禽业发达。
畜禽业是在复垦后增加的产业结构，占复垦后总
能值输出的41.4%，畜禽业所产出的粪便直接输送到
鱼塘，这也降低了鱼塘的经济投入，因此，畜禽业的
发展在该区域起到了举足轻重的作用。
种植业的发展由复垦前单一的粮食作物增加到复
垦后的粮食作物和经济作物两种，其中经济作物主要
有露地种植的葡萄和日光温室种植的黄瓜、番茄，使
复垦后的种植业产生了多元化。复垦前由于地表沉陷
变形，造成耕地质量下降，人们对种植业的意识淡薄；
复垦后，虽然增加了人们对种植业的信心，但由于复
垦工艺造成的土壤肥力难以在短期内得到恢复；因此，
不论是复垦前还是复垦后，种植业所占的份额相对较
小，但复垦后的种植业能值产出是复垦前的1.13倍，
这也说明了复垦后的种植业产出相对复垦前有所提高。

4 能值指标体系分析（Emergy indices system and
analysis）

4.1 环境能值贡献率、购买能值比率、工业辅助能比
率和有机辅助能比率
表4显示，环境能值贡献率由复垦前的66.7%降低
到复垦后的21.3%，而购买能值/总能值由复垦前的
33.35%上升到78.7%；工业辅助能/总能值由复垦前的
1.1%上升到复垦后的5.23%；有机辅助能/总能值由复
3 期 王立革，等：采煤沉陷区复垦前后农业生态系统能值变化特征分析 337

万方数据
表 4 西故村复垦前后农业生态系统能值指标体系
Table 4 Emergy indices system of before and after the reclamation agricultural ecosystem in Xigu Village
能值指标
Emergy indices
表达式
Expression
复垦前
Before reclamation
复垦后
After reclamation
环境能值贡献率(%)
Contribution to value the environment(%)
(EmR+EmN)/EmU 66.65 21.30
购买能值/总能值(%)
Buy Energy/Total Emergy(%)
(EmF+EmT)/EmU 33.35 78.70
工业辅助能/总能值（%）
Industrial support Emergy/Total Emergy(%)
EmF/EmU 1.10 5.23
有机辅助能/总能值（%）
Organic supp Emergy/ Total Emergy(%)
EmT/EmU 32.25 73.47
工业辅助能/总辅助能（%）
Industrial support Emergy/Total supp Emergy(%)
EmF/(EmF+EmT) 3.30 6.65
有机能/总辅助能（%）
Organic Emergy/ Total supp Emergy(%)
EmT/(EmF+EmT) 96.70 93.35
能值密度(Sej•m-2)
Energy density(Sej•m-2)
EmU/A 1.14×1014 3.07×10
14
人均能值用量（Sej•人-1）
Energy consumption per capita( Sej / person)
EmU/P 3.26×1017 8.75×10
17
环境负荷率
Environmental loading ratio
（EmF+EmT+EmN）/EmR 0.50 3.70
净能值产出率
Emergy yield ratio
EmY/(EmF+EmT) 0.28 0.14
能值投入率
Emergy input ratio
(EmF+EmT)/(EmR+EmN) 0.50 3.69
系统稳定性指数
System stability Indeices
∑{(EYi/EY)∣㏑(EYi/EY)∣} 0.10 0.36

垦前的32.23%上升到复垦后的73.47；说明该农业生
态系统已经由复垦前以依赖环境资源为主转变成为
以依靠购买能值、工业辅助能和有机辅助能为主来维
持该系统的发展。

4.2 能值密度
能值密度是反映被评价对象的发展强度和经济
发展等级，能值密度越大, 说明经济越发达。 西故
村复垦前能值密度为1.14×1014Sej•m-2，复垦后能值密
度上升为3.07×1014Sej•m-2，是复垦前的2.7倍，说明
复垦后该农业生态系统的发展强度较大，且经济水平
高于复垦前。

4.3 人均能值用量
人均能值用量是评价该地区人民生活水平的标
准。西故村的人均能值用量由复垦前的 3.26×1017
Sej•人-1 上升到8.75×1017Sej•人-1，说明复垦后人民的
生活水平和生活质量得到提高和改善。
4.4 环境负荷率
环境负荷率是衡量农业发展对环境压力大小的
能值指标，环境负荷率越高,说明系统的自组织程度
越低,经济活动对环境造成的压力越大。西故村的环
境负荷率由复垦前的0.5上升到复垦后的3.7，高于中
国平均水平（2.8）,远远低于衡东县2004年（11.64）
和三水市1998年（18.62），与江苏省2001年（3.75）
接近。说明西故村在复垦后农业发展对环境造成的压
力相对较大，这主要是因为，复垦后随着产业结构的
多元化，投入到农业生态系统的劳动力增加，以前外
出打工的劳动力都集中投入到复垦后的农业生态系
统中，由复垦前后劳动力的能值投入比较可以看出，
复垦后的劳动力能值投入是复垦前的6.1倍。

4.5 能值投入率
能值投入率是衡量经济发展程度和环境负载程
度的指标. 其值越大, 表明系统经济发展程度越高;
反之, 表明系统发展程度越低, 对环境的依赖性越强。
338 生 态 科 学 Ecological Science 30 卷

万方数据
西故村农业生态系统的能值投入率由复垦前的0.5上
升到3.69，说明目前该系统的发展程度较高，对环境
的依赖性较低。

4.6 净能值产出率
净能值产出率是反映系统在获得经济输入能值上
是否具有优势, 它也是衡量系统生产效率的一个标准。
西故村的净能值产出率有复垦前的0.28降低到复垦后
的0.14，主要是因为，复垦后产业结构多元化，尤其是
精养鱼塘和养鸭场的人力能值投入，而渔业和养殖业又
是复垦后该区域的主导产业，因此表现出复垦后单产业
的能值输出主要依靠高能值的人力能投入来维持，从而
出现了该系统在复垦后的生产效率低于复垦前；但从复
垦前后的能值投入、输出比较可以看出，该区域在复垦
后相对复垦前属于高投入高产出的形式，由于该区域属
于刚刚复垦后的农业生态系统，因此净能值产出率作为
该系统的生产效率指标存在一定的局限性，所以应当参
照该系统稳定发展的指标而论。

4.7 系统稳定性指数
系统稳定性指数表示该系统生产稳定性的大小,
农业系统的系统稳定性指数高, 说明农业系统的能
流、物流连接网络发达, 系统的自控、调节反馈作用
强, 有更大的自稳定性。西故村的系统稳定性指数由
复垦前的0.10上升到复垦后的0.36，说明该区域在复
垦后的农业生态系统优于复垦前，并且目前的农业生
态系统自稳定性较高。

5 讨论 (Discussions)

从能值分析的结果可知，该区域在复垦前由单一
的粮食作物种植模式发展到复垦后的产业结构多元
化，且农用土地面积相应增加，表明土地复垦能够改
善采煤沉陷的地形地貌，从而能达到土地的再利用。
复垦后的农业生态系统网络相对复垦前较发达，增
加了购买能值的同时，也提高了农产品的能值输出，由
于复垦后的劳动力集中投入，引起复垦后的环境负荷率
高于复垦前，同时复垦后的农业生态系统由于正处于发
展中状态，造成净能值产出率低于复垦前，但复垦后的
系统稳定性指数较高于复垦前，这也说明了复垦后的农
业生态系统优于复垦前，因此该区域在发展主导产业的
同时，应当注重科学技术的投入，使复垦后的劳动力集
中投入改变为科技重点投入，从而提高农业生态系统的
生产效率，缓解由于人力集中投入而造成的环境压力，
大力提高科学技术在农业生态系统中的应用和发展，真
正达到土地的再循环利用和可持续发展。
本研究的结果以期为采煤沉陷区农业生态系统
可持续发展和循环利用提供理论依据，由于并未对该
区域复垦前后的物质流动进行分析研究，此该问题还
有待进一步探讨。

参考文献 (References)

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3 期 王立革，等：采煤沉陷区复垦前后农业生态系统能值变化特征分析 339

万方数据
采煤沉陷区复垦前后农业生态系统能值变化特征分析
作者： 王立革， 焦晓燕， 董二伟， 郜春花， 苗伟， 田锋， WANG Li-ge， JIAO Xiao-yan， DONG Er-wei，
GAO Chun-hua， MIAO Wei， TIAN Feng
作者单位： 王立革,焦晓燕,董二伟,郜春花,WANG Li-ge,JIAO Xiao-yan,DONG Er-wei,GAO Chun-hua(山西省农业科学院
农业环境与资源研究所,山西太原,030031)， 苗伟,田锋,MIAO Wei,TIAN Feng(山东省邹城市国土局土地整理
中心,山东邹城,273500)
刊名： 生态科学
英文刊名： ECOLOGICAL SCIENCE
年，卷(期)： 2011,30(3)

参考文献(16条)
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