作者：王千 金曉斌 周寅康 單位：南京大學地理與海洋科學學院

增加糧食產量，提高農業綜合生產能力是促進我國經濟社會可持續發展的驅動力和保障力的有效舉措。隨著耕地自然生態系統與經濟系統耦合程度的提高，在化石能源等不可再生資源日益枯竭，農藥、化肥等常規種植業投入要素引起的生態環境問題日益惡化的嚴峻形勢下，利用新方法、新技術對種植業生態經濟系統的投入產出狀況進行客觀評估與分析，從而逐步實現由傳統農業向生態型轉變，成為區域糧食生產與耕地合理利用的迫切要求［1-2］。能值(Emergy)理論是目前對種植業生態經濟系統進行能量分析的重要方法與手段。

該理論是由美國生態學家H．T．Odum等［3］于20世紀80年代在能量系統基礎上創立的新興理論方法，其為定量評價資源環境價值提供了科學依據與平臺。在國外，能值理論在農業生產方面得到了廣泛的應用，H．T．Odum、Brown、Ortega以及Ulgiati等［4-6］不僅構建了基礎的能值分析指標體系，而且將其應用到國家、區域以及農場等尺度，并取得了具有一定意義的研究成果。國內，在研究尺度上，藍盛芳等［7-9］開展了我國國家農業系統能值分析，以及廣東、海南等省的省級農業系統分析;董孝斌等［10］分析了黃土高原典型流域農業生態系統能值特點;陸宏芳等［11-13］對市級農業系統和水稻、水產、復合農林業系統的能值特點進行了研究;白瑜等［14］進行了耕地系統能值分析和不同耕作技術的能值分析研究。從研究內容上看，國內學者主要集中于基于能值理論的區域能值利用特征、能值時間變化序列特點［15］以及農業生態經濟系統可持續利用等方面的研究與分析。

格局分析是地理學與景觀生態學研究的重要內容，“格局影響過程，過程反衍機理，機理揭示規律”。種植業生態經濟系統能值指標空間格局研究，為高效合理利用人類社會經濟系統中的不可再生資源，充分挖掘自然生態環境資源生產潛力，制定科學合理的區域耕地保護政策提供依據［16］。而就目前研究而言，國內基于省域尺度縣級層次的種植業生態經濟系統投入產出能值指標的空間差異與態勢研究還較為鮮見，尤其是針對我國糧食主要產區的種植業生態經濟系統能值投入產出的研究仍需完善與加強。本研究基于能值理論與地理學研究中的空間分析技術，以國家糧食主產區河北省為例，估算了2009年河北省138個縣種植業生態經濟系統投入產出能值，重點探討其在省域范圍內的空間分布差異與特征。

1研究區域概況

河北省位于華北平原中部(36°03'～42°40'N，113°27'～119°50'E)，總面積18.88×104km2;從北向南依次為冀北壩上高原、冀北(燕山)山地和冀西北山間盆地，自東向西依次為太行山山地、太行山山前平原—燕山山前平原和冀中平原—濱海平原。區域內光熱資源豐富，呈北高南低、東西高中間低的分布趨勢。降水量時空分布不均勻，總體上東南部地區多于西北部地區。2009年全省耕地面積為5.90×106hm2。河北省是《全國新增1000億斤糧食生產能力規劃(2009—2020)》中所設置的國家級重要糧食主產區，為我國糧食安全、保障京津冀都市圈的糧食供應與經濟的良性發展發揮著關鍵作用。

2數據來源與研究方法

2.1數據來源與處理

本研究數據主要來源于河北省統計年鑒、河北省土地資源調查數據及環境質量公報等相關資料。采用9.44×1024sej/a的全球能值基準值，具體能值轉化率主要來自Odum與藍盛芳等學者的研究成果［17］，所涉及到的能量折算數據主要參考《農業生態學》［18］和《農業技術經濟手冊》［19］。

2.2研究方法

2.2.1能值理論能值，即一種流動或儲存的能量所包含的另一種類別能量的數量，其常用單位為太陽能焦耳(sej)。單位能量(或物質)所含的太陽能量稱為太陽能值轉換率，單位為sej/J(或sej/g)，是度量某種能量(或物質)質量的尺度。通過相應的能值轉換率，可將不同能質的能量轉換為其所包含的太陽能值，達到統一度量評價的目的。根據Odum、Ulgiati和Brown以及陸宏芳等［20］的研究成果，種植業能值分析流程為:①收集整理資料，客觀全面地收集與整理耕地生態經濟系統的能物流、信息流、貨幣流及人口流資料;②繪制能值系統圖，根據研究內容確定系統的主要能源，找出主要能源之間的關系，以符號化語言形式表示繪制能值系統圖;③編制能值分析表，能值分析表包括資源類別、資源能流量、太陽能值轉換率及太陽能值等項;④篩選能值指標，選擇能值指標對區域種植業能值經濟系統進行評價與分析。根據河北省種植制度與耕地利用特征，繪制能值系統圖，如圖1。在對已有研究成果所涉及到的能值指標進行初選的基礎上，邀請了相關研究領域的專家進行篩選，進而構建了河北省縣級層次種植業生態經濟系統能值評價指標體系，見表1。

2.2.2變異系數法變異系數法，又稱為標準差模型，記為CV，是分析變量之間離散程度最常用的數學方法之一［21］。

2.2.3趨勢面分析法趨勢分析利用多重回歸方法描述變量或變量集合在空間或時間上的大規模系統變化問題。趨勢分析方法能夠查明和刻畫研究變量在研究區域內的空間分布趨勢與格局，通過一般線性模型———最小二乘法用數學曲面(多項式曲面)擬合圖面觀測數據［22］。運用ArcGIS軟件中的地統計學模塊的趨勢分析工具，可以獲得各指標異向性分布特征以及空間分布趨勢效應特征。趨勢效應一般分為0階(沒有趨勢效應)、常量(區域化變量沿一定方向呈常量增加或者減少)、一階(區域化變量沿一定方向呈直線變化)、二階或多階(區域化變量沿一定方向呈多項式變化)。

3研究結果

3.1河北省種植業能值投入空間格局與態勢

利用ArcGIS空間分析工具，分析河北省種植業生態經濟系統能值投入與產出空間格局特征與態勢(如圖2、圖3)，利用自然斷點法(NaturalBreak)對各能值指標進行分級，見表2。河北省種植業經濟生態系統可更新資源能值(R)如圖2(a)所示，Ⅰ級區主要分布在衡水—滄州—邢臺地區和張家口地區，其中衡水—滄州—邢臺地區降水充沛，地上水資源豐富，張家口地區海拔較高且耕地面積較大;Ⅱ級區主要分布在河北省中部平原區;Ⅲ級區主要分布在太行山山地丘陵區，該區域降水較少且蒸發量較大，影響了可更新資源能值大小。在省域范圍內可更新資源能值(R)由北向南呈遞減趨勢，由西向東呈增加態勢，平均值為4.10×1014sej，其變異系數為0.226。經分析可知，耕地面積與降雨量是河北省縣級種植業可更新資源能值高低的重要影響因素。河北省種植業經濟生態系統不可更新資源能值(N)如圖2(b)所示，Ⅰ級區主要位于冀北壩上高原地區，該地區系內蒙古高原的南緣，土壤主要為栗鈣土，土壤質地粗而土層薄，易受風蝕和水侵，N值較高;Ⅱ級區主要分布在石家莊的西部地區和承德中部地區，分別屬于太行山南段山地和燕山山地，土壤類型主要為草甸土、淋溶褐土和棕壤為主，河網密度較大，該區植被為闊葉林和灌叢草原類型，高植被覆蓋率，降低了區域土壤侵蝕;Ⅲ級區主要位于河北省中西部地區，該區域屬于冀中平原區，土壤侵蝕相對較小。在省域范圍內不可更新資源能值(N)由北向南呈“U”型分布，在東西方向上呈倒“U”型分布，其平均值4.64×1020sej，變異系數為0.166。河北省種植業經濟生態系統工業輔助能能值(FN)如圖2(c)所示，Ⅰ級區主要分布在石家莊的東部—唐山和秦皇島的中東部地區，該地區處于太行山山前平原和燕山山前平原區，區域地勢平坦，經濟發展水平較高，農業投入較大;Ⅱ級區，河北省東南部地區的邯鄲—滄州—邢臺地區，該區域農業基礎設施較為薄弱，使得工業輔助能能值投入相對較低;Ⅲ級區主要分布在張家口—承德地區，該地區屬于河北省經濟欠發達地區，農業生產條件較差，其中張家口的北部地區已屬于冀北壩上高原區，受到自然條件和經濟發展水平的雙重約束，導致工業輔助能能值投入較低。在省域范圍內工業輔助能能值(FN)由北向南呈遞減趨勢，在東西方向上呈“U”型分布，平均值為3.23×1018sej，最大值在贊皇縣，為9.40×1018sej，最小值在廣宗縣，為1.02×1018sej，變異系數為0.263。河北省種植業經濟生態系統有機能能值(FR)如圖2(d)所示，Ⅰ級區主要分布在省域北部的張家口地區;Ⅱ級區主要分布在燕山—太行山山麓地區;Ⅲ級區主要分布在河北省的平原地區。有機能能值(FR)在東西方向上呈“U”型分布，南北方向上分布趨勢不顯著，FR變異系數較小，僅為0.224，其主要原因是隨著農業現代化水平的提高，化石能源已經逐步取代有機肥成為農業生產的主要投入要素，其中尤以化肥、農藥的使用最為廣泛，加之機械化水平的提高，促使區域內有機能投入量減小，導致區際間的差異在縮小。有機能能值是提高種植業產量的重要能源，因此要加大區內有機肥、綠肥的投入水平，推廣秸稈還田等農業新技術。河北省種植業經濟生態系統能值投入功率(EmPower)如圖2(e)所示，Ⅰ級區主要分布在石家莊—唐山地區，該區域耕地生態環境優良，可更新資源能值與工業輔助能能值投入較高，EmPower值較大;Ⅱ級區主要分布在邢臺—邯鄲—滄州地區，該地區作為傳統的農耕區，農用地集約化程度較高;Ⅲ級區主要分布在張家口的北部地區，屬于壩上高原區，自然能值投入較高，而工業輔助能能值投入水平低，影響了EmPower值。