化肥、农药、农膜等的大量使用，在促进农业发展的同时，也会带来严重的负面影响，成为面源污染的主要来源。相对于点源污染而言，面源污染具有广域性、复杂性、间歇性、滞后性及分散性等特点，控制难度大，成本高，且成效不明显^[1]。因此，深入探讨农业面源污染与农业发展之间的关系，对有效配置农业生产要素、转变农业经济增长方式、在追求经济效益的同时减少对农业生态环境的破坏、实现生态环境与农业经济的协调发展具有重要的现实意义^[2]。

农业生态系统是社会、经济、生态相互联系的复合系统，它不但拥有自然生态系统中的许多特征和特质，还包含社会经济系统中多种类型的能量。能值分析方法可通过太阳能值转换率将不同种类、不同类别的能量联系起来，实现对系统的科学评价，因而被广泛应用于农业生态系统的评价研究中。如张小平等^[3]、刘水琴等^[4]、徐宏^[5]、杨增玲等^[6]、王梦媛等^[7]利用能值分析方法对农业生态系统进行了评价研究。但上述研究均未考虑农业发展过程中伴随的面源污染对农业生态系统的影响，而农业面源污染不可避免地会破坏土壤结构与水生态系统，造成水体富营养化，严重影响系统的可持续性，因此在对农业生态系统进行评价时，考虑农业面源污染产生的负面影响是十分必要的。

基于此，在农业生态系统能值评价常规指标的基础上，本研究考虑农业面源污染的负产出，提出内部损耗率（ILR）指标，量化评价农业生态系统正效益产出过程中伴随的负效益产出情况。以河南省为研究对象，通过能值评价指标的量化分析，评价2011— 2016年河南省农业生态系统对自然资源的依赖程度、农业迅速发展对生态环境带来的压力以及可持续发展状况，为河南省生态农业和现代农业的发展提供借鉴和参考。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

河南省地处华北平原南部，总面积16.6万km²，其中平原区面积8.5万km²，主要分布在黄淮海冲积平原及南阳盆地。河南省南北跨度大，无霜期长，气候温和，土壤肥沃，适合种植多种农作物。河南是农业大省、用肥大省，2016年粮食总产量达5 946万t，为历史上第二个高产年；化肥施用总量715万t，平均881.52 kg·hm^-2，是全国化肥平均施用量491.24 kg· hm^-2的1.8倍，是发达国家为防止化肥造成水污染设置225 kg·hm^-2安全上限^[8]的3.9倍。2016年河南省农药施用量14.37万t，与2015年相比增长10%。大量、长期的化肥、农药使用导致全省农业面源污染问题日益凸显，农业生态系统可持续发展状况堪忧。

1.2 研究方法 1.2.1 能值理论

能值理论是由美国生态学家Odum^[9]为代表的科学家于20世纪80年代提出的新科学理论体系，后引入我国。Odum将能值定义为一种流动或存储的能量中所包含的另一种类别能量的数量^[10]。与能量有着本质的不同，能值是一种比值定义的概念。运用能值理论，通过能值转换率将生态经济系统中不同类别、不同等级的物质流、能量流和货币流转换为统一标准的太阳能值，从而使系统各种形式的能量具有可加性、可比性，便于进行定量分析研究。计算公式如下：

(1)

式中：EM表示太阳能值，sej；τ表示太阳能值转换率，sej·J^-1或sej·g^-1；B代表能量或质量，J或g。

1.2.2 评价指标

根据Odum^[9]提出的能值评价指标体系，选取净能值产出率、环境负载率、能值可持续指标作为评价系统可持续性的指标；同时，考虑农业面源污染造成的负产出这一情形，提出内部损耗率指标，以期较为全面地评价农业生态系统。

（1）净能值产出率

净能值产出率^[11]（Emergy yield ratio，EYR）为系统总能值产出（Y）与来自人工辅助能能值（M）的比值，可衡量系统投入能值的转化率，显示开发当地资源、促进经济发展而需要的外部投入情况。净能值产出率越大说明系统的能值利用率越高，系统的生产率越高，经济效益越大，系统越有竞争力。一般来说，若EYR>2，说明农业技术和生产水平较高；EYR < 2，则说明农业系统转化率较低。

(2)

式中：Y₁为农产品产出能值；Y₂为畜产品产出能值；Y₃为渔业产品产出能值；F为不可更新工业辅助能能值；T为可更新有机辅助能能值。

（2）环境负载率

环境负载率^[12]（Environment load ratio，ELR）为系统不可更新能源投入总量与可更新能源投入总量之比，比值越高，表明对化肥、机械等不可更新资源依赖程度越高，对环境的压力越大。一般来说，当ELR < 2时，系统环境压力较小，系统发展潜力较大；当ELR>2时，系统环境压力较大。计算公式为：

(3)

式中：N为不可更新环境资源能值；R为可更新环境资源能值。

（3）能值可持续指数

能值可持续指数^[10]（Emergy sustainable indices，ESI）为净能值产出率与环境负载率的比值，该指标反映系统可持续发展状况。从能值可持续指数定义可看出，若系统能值产出率越高，而其环境负荷率又相对较低，则它是可持续的，反之则是不可持续的。但并不是能值可持续发展指数越高，系统可持续性就越好，若ESI < 1表明系统是高度发展的消费型导向系统；若1 < ESI < 10表明系统富有活力和发展潜力，可持续状态较好；而ESI>10则是不可持续的象征^[10]。计算公式为：

(4)

（4）内部损耗率

为了定量评价农业生态系统的污染状况，提出内部损耗率指标（Internal loss rate，ILR），定义为能值总产出中的污染物能值与农产品、畜产品、渔业产品能值之和的比值。内部损耗率指标可以表征系统负产出对正产出的影响程度，内部损耗率比值越高，说明污染物负产出对正产出的影响越大，系统的清洁产出效率越低。一般认为，若ILR < 0.40，系统负产出影响较小，处于清洁产出阶段；若ILR>0.40，说明系统清洁产出效率较低。计算公式为：

(5)

式中：Y₄为污染物产出能值。

2 结果与讨论

根据上述方法步骤，对河南省2011—2016年农业生态系统的运行状况和趋势特点进行评价分析。河南省农业生态系统能值投入和产出计算所需原始数据来自《河南统计年鉴》（2012—2017）^[13]、《河南省水资源公报》（2011—2016）^[14]和《河南省生态环境状况公报》（2011—2016）^[15]，计算过程涉及到的太阳能值转换率参考文献[10]。

2.1 能值投入

能值投入主要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以及可更新有机辅助能四类。2011—2016年河南省能值投入情况如表 1所示。

2011—2016年，河南省农业能值总投入从127.55×10²¹ sej增加至133.82×10²¹ sej，增长了4.9%。其中可更新环境资源年均投入25.41×10²¹ sej，研究期内可更新环境资源能值投入占能值总投入的百分比在20.0%上下浮动，说明6年来河南省的可更新环境资源投入比较稳定。不可更新工业辅助能值年均投入为77.70×10²¹ sej，研究期内不可更新工业辅助能值投入占平均能值总投入的59.2%，说明河南省农业生产很大程度上依赖不可更新资源的投入；其中化肥、机械、电力的能值使用量占总不可更新工业辅助能总投入的比例分别为38.0%、39.1%、22.5%。可更新有机辅助能值由2011年的28.66×10²¹ sej逐年减少至27.51×10²¹ sej，减少了4.0%，主要表现为有机肥施用量以及役畜减少；研究期内人力能值投入占可更新有机辅助能值的比例为47.2%，说明人力在保障农业生产中具有重要作用。

2.2 能值产出

能值产出包括农产品产出、畜产品产出、渔业产品产出以及污染物的排放四类。2011—2016年河南省能值产出情况如表 2所示。

河南省农业能值净产出从2011年的226.82×10²¹ sej增加到2016年的291.70×10²¹ sej，增长了28.6%。其中农产品的能值产出由2011年的297.79×10²¹ sej增加至2016年的322.69×10²¹ sej，增长了8.4%，主要表现为粮食与油料作物的增产。多年平均农产品产出能值占农畜渔产品产出的65%。畜产品的能值产出从149.97×10²¹ sej增加至158.87×10²¹ sej，增长了5.9%，畜产品产出占多年农畜渔产品产出的32.4%。

农业生产过程会产生多种污染物，导致COD、氨氮、总氮及总磷等超标，是面源污染的主要原因^[16]。根据《河南省生态环境状况公报》^[15]，COD、氨氮、总磷及BOD5是河南省农业面源污染的主要来源，根据资料的获取情况，选择COD和氨氮两项指标进行河南省农业面源污染负产出的计算。计算结果表明，河南省农业面源污染负产出从2011年的232.26×10²¹ sej逐渐减少至2016年的203.99×10²¹ sej，减少了12.2%，多年平均217.46×10²¹ sej，其中COD排放量占农业污染负产出的71.9%，氨氮排放量占28.1%。研究期内农业COD排放量减少了10.6%，氨氮排放量减少了16.0%，表明河南省农业“高效减肥技术”实施效果明显。

2011—2016年河南省农业能值投入增长了4.9%，而能值净产出增长了28.6%，说明系统生产效率显著提高。究其原因，一是经济社会的快速发展，劳动力价格升高，农业种植结构调整^[14]，农民愿意种植省工省力的农作物，增加了小麦、玉米等主粮的种植面积，减少了豆类、薯类、棉花、烟叶的种植面积；二是农业COD和氨氮排放量逐年减少，农业面源污染防治初见成效，但污染物排放能值占能值总产出的比例仍然较大，说明面源污染拉低了整个农业生态系统的生产水平，需进一步加强面源污染防治工作。

2.3 能值指标量化结果

根据能值投入、产出数据计算河南省2011— 2016年农业生态系统的净能值产出率、环境负载率、可持续发展指数和内部损耗率指标，量化评价河南省农业生态系统的发展状况，结果如图 1所示。

（1）净能值产出率（EYR）

计算结果（图 1）显示，河南省农业生态系统净能值产出率从2011年的4.50上升至2016年的4.58，多年平均值为4.54，2011—2016年变化不大，趋势稳定。其中，2014年净能值产出率较2013年略有下降，原因主要是由于豆类、棉花、油料产量的下降，减少了净能值产出量。总体来看，河南省净能值产出率大于邻近的河北省（2.40）及山东省（3.37）^[17]，说明河南省农业富有发展潜力，是资源输出型的区域。

（2）环境负载率（ELR）

河南省农业生态系统环境负载率从2011年的1.35增加至2014年的1.54，又减少到2016年的1.52，总体增幅12.5%，其中，2015、2016年的环境负载率分别为1.53、1.52（图 1），下降的原因是不可更新资源投入增速放缓，可更新资源中从事农业的人数以及有机肥施用量减少，导致环境负载率一定程度下降。一般来说，环境负载率小于2意味着比较低的环境压力^[18]。与邻近省份比较，河南省农业生态系统环境负载率小于河北省（2.04），与山东省（1.53）水平相近，但大于江苏省（1.06）、浙江省（1.13）等经济发达省份^[17]，说明河南省农业生态系统对不可更新资源的依赖程度仍然较强。河南省作为一个正在快速发展的省份，如果长时间处于较大的环境负载率，将严重影响农产品的产出，不利于今后的可持续发展。

（3）能值可持续指数（ESI）

由图 1可知，河南省农业生态系统能值可持续指标从2011年的3.33下降至2014年的2.90，而后从2015年的2.96上升至2016年的3.01，多年平均值为3.13。比较而言，河南省农业生态系统可持续指标值高于河北省（1.18）、山东省（2.20）及江苏省（3.25），略低于安徽省（3.39）^[17]，说明河南农业生态系统具有较强的发展活力和潜力，处于较好的可持续状态，但指标值波动起伏较大，应引起高度重视。

（4）内部损耗率（ILR）

化肥农药的过量施用引发农业面源污染，造成水体富营养化、农产品品质降低等一系列问题，给农业生态系统带来严重影响。内部损耗率的存在是不可避免的，但是可以控制在一个合理的范围内，该值越低，表明系统资源利用率越高、清洁产出效率越高。由图 1可知，河南省农业生态系统内部损耗率从2011年的0.51逐渐下降至2016年的0.41，降低了19.6%，表明河南省农业生态系统的污染负产出逐年降低，系统正产出逐步提高，农业面源污染状况呈好转趋势。虽然研究期内每年净能值产出持续增长，但污染造成的内部损耗率仍大于0.40，故需继续开展耕地质量保护与提升行动，加快高效减肥技术推广，促进化肥用量继续减少，提高化肥利用率，提升土壤有机质含量和农产品品质。

3 结论

（1）河南省2011—2016年农业生态系统能值评价结果显示，河南省农业发展富有潜力，为资源输出型区域，但其对不可更新资源的依赖性较强。

（2）河南省农业生态系统总体可持续发展状态较好，但存在波动起伏；内部损耗率呈下降趋势，表明农业面源污染防治初见成效，但内部损耗率仍超过0.40。

（3）河南省应在保证粮食安全的前提下，尽快实现化肥农药的减施增效，发展绿色农业，促进粮食生产与污染防治的协调发展，稳步推进农业生态系统可持续发展。