南通市农业生态系统经济能值投入产出分析

摘要：进行生态学与经济学系统分析方法的交叉探索，将能值这一全新的生态经济度量尺度引入经济学投入产出分析表，对江苏省长江三角洲南通市农业生态系统经济能值的直接消耗系统和完全消耗系统分析，弥补经济学分析中自然环境投入价值缺失的同时，为复合系统能值分析中各系统间互作分析的量化评价探索了新的途径。分析结果表明：南通市农业生态系统中种植业、渔业、畜牧业和林业之间存在经济能值的依存关系，有着直接的相互作用。种植业、渔业和畜牧业子系统间的经济能值交流网络较为发达。在种植业、渔业、畜牧业和林业中，渔业对种植业的完全消耗系数最大，达到3.461×10^-2, 畜牧业对种植业的完全消耗系数也最大，达到了8.423×10^-2；种植业对渔业的完全消耗系数最大，达到了7.685×10^-2。林业与种植业、渔业、畜牧业互相的完全消耗系数都比较小，林业和其它三个子系统的经济能值交流较弱。种植业子系统是整个南通市农业生态系统的基础，渔业和畜牧业在种植业的基础上发展，对物质和能量的再利用起了重要作用。林业子系统是南通市农业生态系统内部物质能量交流网络的薄弱环节。南通市农业生态系统的内部结构有待进一步调整，以加强各子系统间的互作，提高物质与能量的使用效率。

关键词：农业生态系统；种植业；畜牧业；渔业；林业；能值

投入-产出分析的思想由法国经济学家Quesnay于18世纪首先提出，20世纪30年代，为研究美国经济，Leontief应用该方法首先发展了经验性I/O表。此后，投入-产出分析成为标准的经济工具，被广泛地用于经济与环境问题^[1]。根据数据的性质，投入产出表有实物型、价值型、劳动消耗型等^[2]。实物型除了可用实物为单位外，还可以能量或物质为单位。本研究将太阳能值（sej）这一全新的生态系统度量尺度引入投入-产出表，以江苏省长江三角洲南通农业生态经济系统为对象，进行系统内部各子系统间的直接消耗系数和完全消耗系数分析，以期了解系统内的能物流互作机理，为该地区农业的优化发展提供理论依据。

能值不同于能量，它是一个新的概念和度量标准，形成某种资源、产品或劳务所投入（直接或间接）的某种能量的数量称之为能值（emergy）。由于地球上一切能量都来源于太阳能，故实际应用的是太阳能值，任何资源、产品或劳务形成过程中所需投入的太阳能数量，就是其具有的太阳能值（solar emergy），单位为太阳能焦耳（solar emjoules，简写为sej）^[3~5]。能值就其本质而言是一种生态经济成本价值度量尺度，即克服了货币在生态服务评估方面的缺憾，又突破了传统能量分析的“能质壁垒”，为各种品质的能量流、物质流和货币流评估提供了一个统一的平台^[6]。

能值转换率（transformity）是形成单位某种类型的物质或能量所需的直接或间接中另外某一种能量，实际应用的是太阳能值转换率，即形成单位某种类型的物质或能量所需的直接或间接的太阳能之量，单位是太阳能焦耳／克（sej/g）或太阳能焦耳／焦耳（sej/J）^[4]。如知道了物质或能量的数量及其太阳能值转换率，就可以求出其太阳能值了。能值转换率是衡量能值等级的指标。在能量转换链中，随着能量从左到右的流动和转化，能质和能量等级逐渐增高，能值转换率也随之增加。所以，某种能量的能值转换率愈高，表明该种能量的能质愈高，它在能量系统中等级也愈高。人类社会、自然界的一切物质和能量均遵循能量等级原理。太阳能值转换率从本质上揭示了不同类型物质和能量存在质的差别的内存原因。

农业生态系统的能值投入按其来源可以分为两类：一类直接来源于自然界，包括可更新环境资源（太阳能、风能、雨水化学能、雨水势能等）和不可更新环境资源（土壤表土层损失等），这类能值是从自然界无偿得到，不用人类付出货币购买，称为无偿能值或免费能值；另一类能值来源于人类社会经济系统，包括人工工业辅助能（化肥、燃油、农药、农膜、农机具等）和人工可更新有机能（劳力、种子、饲料等），这类能值需要货币购买，因而称为购买能值或经济能值。

1  研究对象概况

南通市位于江苏省东部，东抵黄海，南望长江，土地总面积为874.22 km²。属北亚热带季风气候，全年宜农，复种指数高；年均气温21.7 ℃，极端高温38.7 ℃，极端低温-0.7 ℃；年降雨量1619.6 mm；年总日照1842 h，全年无霜期354 d，≥10积温约7448 ℃。

南通“据江海之会、扼南北之喉”，隔江与中国经济最发达的上海及苏南地区相望，北接广袤的苏北大平原，通过铁路与欧亚大陆桥相连，拥有毗邻长江三角洲大中城市群及的优势区位，拥有市内外完善的交通网络，水陆交通发达。

2  研究方法和步骤

（1）确定南通市农业生态系统及其子系统的边界和内容。

（2）收集所需的各种资料和数据，整理分类，输入计算机贮存处理。

本研究的原始数据主要来自南通市实地调查，部分来自统计年鉴。各种农业生产资料、要素及农产品的能量折算系数参考闻大中和刘巽浩的测定结果^[7~10]；部分能量折算系数参考《农业技术经济手册》及骆世明等^[11~13]的研究结果；太阳能值转换率参考H. T. Odum和蓝盛芳^[14~16]的研究结果。

（3）计算并汇总各种物质和能量的太阳能值，建立南通市农业生态系统经济能值投入产出表。

（4）计算直接消耗系数和完全消耗系数矩阵。

3  研究结果

3.1  投入产出表结构

南通市农业生态系统的投入产出表如表1所示。表中头4行数据的每一行分别表示该行对应的子系统的能值产出及产出能值的流向。例如，第一行数据表明种植业子系统的能值产出4.379×10²⁰sej中，以有机肥及其他形式返回种植业自身的能值共为1.652×10¹⁷ sej，以残菜、瓜藤等形式投入到渔业的能值共为6.036×10¹⁹sej，以青料、残菜等形式投入到畜牧业的能值共为8.845×10¹⁹ sej，以有机肥形式投入林业的能值为4.208×10¹⁵sej，以稻谷、椰菜、冬瓜等形式输出农业生态系统外的能值共为2.890×10²⁰ sej。南通市农业生态系统投入产出表有以下的横向关系：

南通市农业生态系统投入产出表中的每一列数据分别表明该列对应的子系统的各种经济能值投入、能值产出和子系统经济能值纯收益。例如，第一列数据表明，种植业子系统的生产要消耗种植业自身产出的能值1.652×10¹⁷ sej、渔业子系统产出的能值3.356×10¹⁹ sej、畜牧业子系统产出的能值1.738×10¹⁷ sej、农业生态系统外输入的人工可更新有机能能

值1.555×10²⁰sej、工业辅助能值1.587×10²⁰ sej。种植业能值总产出4.379×10²⁰ sej扣除各种经济能值投入后的纯收益为8.892×10¹⁹ sej。南通市农业生态系统投入产出表有以下的纵向关系：

                             

3.2  直接消耗系数

一般来说，划分为n个子系统（或部门）的系统投入产出表有以下的横向和纵向关系：

             (i、j=1、2、3…，n)

                            (i、j=1、2、3…，n)

定义第j个子系统生产单位产品需要直接消耗第i个子系统的产品量为直接消耗系数a_ij^[2]，即：a_ij=x_ij/x_j。

例如，a12=x12/x2=（6.036×1019 sej）/（1.748×1021）= 0.03453 sej，表示平均每生产1 sej的渔产品要消耗0.03453 sej的种植业产品。利用直接消耗系数的定义，南通市农业生态系统的投入产出表的横向关系可以表达为：

式1可以写成下列矩阵形式：AX＋Y＝X

对于南通市农业生态系统有：

      南通市农业生态系统的直接消耗矩阵（式2）可以用表2表示。

    表2中每一列数据表示该列所对应的子系统直接消耗系数。从表2中可以看出，种植业子系统对种植业、渔业、畜牧业、林业子系统的直接消耗系数分别为3.373×10^-4、7.664×10^-2、3.968×10^-4、0，共为7.737×10^-2，其中对渔业的直接消耗系数最大，表明渔业的发展对种植业的发展起的作用最大，南通市应加大基塘系统的面积，充分利用塘泥作为种植业的有机肥。

 渔业子系统对种植业、畜牧业子系统的直接消耗系数分别是3.453×10^-2、1.158×10^-5，种植业主要是为渔业提供饵料。畜牧业子系统对种植业、林业子系统的直接消耗系数分别是8.397×10^-2、1.851×10^-6，种植业为畜牧业提供食物。渔业和畜牧业对种植业的直接消耗系数分别为最大，表明种植业作为第一性生产系统，是渔业、畜牧业及其自身发展的基础，渔业和畜牧业在物质循环、能量转化方面起着重要作用。

 林业子系统对种植业和畜牧业子系统的直接消耗系数分别是3.155×10^-3、6.310×10^-3，种植业、畜牧业为林业的有机肥来源。而种植业、渔业对林业的直接消耗系数都为0，畜牧业只有1.851×10^-6，表明林业对其他子系统的发展起的作用极小，能值交流少，南通市应充分发展林业生产，发挥林业应有的作用。

3.3  完全消耗系数

直接消耗系数a_ij表示第j个子系统生产每单位产品对第i个子系统的产品的消耗，然而第j子系统对第i子系统的间接消耗并未计算在内，例如南通市农业生态系统每1 sej渔业产品平均对种植业产品的能值直接消耗为3.453×10^-2sej，渔业通过畜牧业引起的对种植业产品的消耗，即种植业→畜牧业→渔业途径的1次间接消耗量为a₁₃×a₃₂＝（8.397×10^-2）×(1.158×10^-5)＝9.728×10^-7；通过种植业→林业→畜牧业→渔业的2次间接消耗量以及通过种植业→种植业→畜牧业→渔业的2次间接消耗量等待。每1 sej渔产品平均对种植业的全部消耗是这些直接消耗与间接消耗的总和。

对于一般系统，设b_ij为每单位j子系统产品对i子系统产品的完全消耗系数，对于分成n个子系统的投入产出有：

　　（i，j=1，2，3，…，n）

设a_ij构成矩阵A，bij构成矩阵B，则：B=A+BA=(A-I)^-1-I（其中I为单位矩阵）。

利用已求出的南通市农业生态系统的直接消耗系数矩阵A的数据，可以求出完全消耗系数矩阵B为：

式3可以用表3来表示。

     在表3中，每一列数据表示该列所对应的子系统对各行所对应的子系统的完全消耗系数。从中可以看出：种植业对种植业自身、渔业、畜牧业、林业的完全消耗系数分别为3.064×10^-3、7.685×10^-2、3.911×10^-4、7.893×10^-9，共为8.031×10^-2，其中渔业最大，表明种植业对渔业的依赖性较强，基塘系统提供的塘泥对种植业的发展起了重要的推动作用。

渔业子系统对种植业、渔业、畜牧业、林业子系统的完全消耗系数分别是3.461×10^-2、2.652×10^-3、3.400×10^-5、2.000×10^-5，共为8.031×10^-2，其中种植业最大，种植业为渔业提供青料、瓜藤、黑麦草等饵料，对渔业的发展起了促进作用，渔业对种植业的依赖性最强。

畜牧业子系统对种植业、渔业、畜牧业、林业子系统的完全消耗系数分别是8.423×10^-2、6.456×10^-2、2.577×10^-5、5.154×10^-10，共为1.427×10^-1，其中种植业最大，畜牧业次之。畜牧业对种植业领带性最强。

林业对种植业、渔业、畜牧业子系统的完全消耗系数分别是3.696×10^-3、2.833×10^-3、6.311×10^-3，共为6.709×10^-2。林业对其它子系统的完全消耗系数都比较小，并且其它子系统对林业输入的能值也最小，表明其它子系统对林业输入的能值较少；林业和其它子系统的物质、能量输入输出交流也较少。

4  结论与讨论

将能值这一生态经济学成本度量单位引入经典经济学投入产出分析表，即弥补了传统经济学对环境成本评估的缺憾，又充分利用了相对成熟的经济学分析方法的优势，可实现研究对象系统内子系统间直接和间接的生态经济学相互作用程度，即自组织程度的量化透析，进而为实现系统内的全面优化、调节提供依据。

就南通市农业发展而言，总体水平较高，能够大规模地采用农业机械、石化产品、良种等先进技术和手段，同时结合现代生产技术和经营管理方法，充分利用自然资源，促进物质的转化和循环，属于一种石油－生态农业模式，正处于传统农业向现代农业演化的转型期。

南通市农业生态系统直接消耗系数和完全消耗系数表明：种植业、渔业、畜牧业和林业之间存在经济能值的依存关系，有着直接或间接的相互作用。种植业、渔业和畜牧业子系统间的经济能值交流网络较为发达。在种植业、渔业、畜牧业和林业中，渔业对种植业的完全消耗系数最大，达到3.461×10^-2，畜牧业对种植业的完全消耗系数也最大，达到了8.423×10^-2；种植业对渔业的完全消耗系数最大，达到了7.685×10^-2。

林业与种植业、渔业、畜牧业互相的完全消耗系数都比较小，林业和其它三个子系统的经济能值交流较弱。林业子系统的人工投入能值数量少，其发展余地非常大。我国的农林复合业发展历史悠久，积累了很多好的模式，是加强林业与其它产业系统联系，充分发挥和提高林业子系统的天然保护屏障作用，促进农、林、牧、副、渔协同发展的有效途径^[17,18]。业子系统间接生态服务价值的准确评估有待加强。

种植业子系统是整个南通市农业生态系统的基础，渔业和畜牧业在种植业的基础上发展，对物质和能量的再利用起了重要作用。林业子系统是南通市农业生态系统内部物质能量交流网络的薄弱环节。

在农业生产中，应加强各个子系统之间的物质和能量交换，以促进系统内部的物质循环和能量重复利用。一切系统的外部动力行为的性质主要取决于系统的内部。合理调整农业生态系统的内部结构，将会提高整个系统的功能和效率，以较少的投入获得较多的产出。

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