中国蚕桑生态系统能值分析

金佩华 陈敏刚
（浙江大学动物科学学院，浙江 杭州 310029）

摘 要：蚕桑生态系统是我国农业生态系统的重要组成部分。本文采用H．T．Odum的能值评估原理和方法, 系统研究了中国蚕桑生态系统的内部结构及其与外界自然、环境、经济之间的关系。定量计算了反映中国蚕桑生态系统的能值指标，并与中国农业生态系统相比较。结果显示：中国蚕桑生态系统能值投入率(EIR)为3.78，能值产出率(EYR)为4.68，环境负载率(ELR)为0.18，系统能值可持续指标(ESI)为26.0。这些指标综合表明中国蚕桑生态系统环境压力小，但科技水平需进一步提高。
关键字：蚕桑生态系统；能值；可持续性

  1? 引言
能值分析是美国著名生态学家奥德姆(H．T．Odum)创立的，以能量为核心的系统分析方法。 能值(emergy)不同于能量（energy）,是一个新创立的科学概念和度量标准，其定义是某种流动或贮存的能量所包含的另—种能量的数量，称为该能量的能值，或者说能值就是直接或间接用于形成资源、产品成劳务的某种类型的能量的数量[1]。能值分析以热力学定律（laws of thermodynamics）和最大功率原则（maximum power principle）为理论基础，把生态系统或生态经济系统中不同种类、不同能质（emergy quality）[2~5]的能量转换成同一标准的能值来衡量和分析，从而评价其在系统中的作用和地位；综合分析系统中各种生态流(能流、物质流、货币流和信息流)，得出一系列能值综合指标，定量分析系统的结构功能特征与生态经济效益。该理论自创建以来，国际学术界非常重视，应用领域不断拓展[6~19],其中关于农业生态系统的能值研究也十分活跃[20~23]。
蚕桑生态系统是以蚕和桑树的生物学特性为基础，通过农业劳动获取以蚕茧为主要产品的种植业和养殖业结合的复合农业生态系统。我国现有桑园面积为75.43万公顷，全年蚕种发重量为1651.30万盒，蚕茧产量为515885吨。除北京、天津、西藏、青海外，共有27个省（取、市）有蚕桑生产，其中主产区（蚕茧年产量在2万吨以上）的蚕区有江苏、浙江、四川、广西、山东、重庆、安徽等8个。全国蚕茧和生丝产量占世界的70%，近2000万农户从事蚕桑生产[24]，总共保存有1923份桑树品种，蚕品种510个[25,26]。我国栽桑养蚕已经有5000多年的历史，江、浙、川、桂、粤、鲁等许多地方蚕桑业已形成区域分布，集中连片，向专业化、规模化方向发展；许多桑园位于丘陵、河岸、滩地等生态环境脆弱的区域。因此，保持蚕桑生态系统的良性运作和可持续发展，充分发挥其生态和经济价值，对我国广大农村地区的环境生态建设和农村经济建设非常重要。
目前，国内学者对中国蚕桑生态系统的研究还很少，从能值的角度对其内部能量流动以及它和外部经济、自然环境间的关系进行系统的研究更是未见报道。虽然已有学者对印度的丝绸业做过能值研究[1]，但是，该研究还是存在着重大的缺陷：把丝绸作为最终产品，能值分析中缺少从蚕茧到缫丝到丝绸这系列过程中不可忽略的工业能值统计数据，因而结果不是很精确。本研究以中国蚕桑生态系统为研究对象，系统的产品主要是桑叶、蚕茧等农产品，不包括后续的从蚕茧加工到丝绸的工业化生产阶段。
2? 蚕桑生态系统能值分析
2.1? 能值分析步骤
2.1.1? 基础资料的收集?
通过调查、测定、计算和文献搜索整理我国蚕桑生态系统中有关自然环境经济状况等基本资料，分类处理。
2.1.2? 能值指标计算和能值分析表的建立
根据获得的蚕桑生态系统基本资料，计算各种来源的能值投入和不同的能值产出，并按照不同类别的资源能量进行归类，制作系统能值投入/产出分析表。
2.1.3? 依据能值指标系统分析蚕桑生态系统的生态经济状况
在能值投入/产出分析表的基础上，建立蚕桑生态系统能值指标体系，评价自然资源环境和经济对系统的贡献和作用。

图? 1 中国蚕桑生态系统能值分析图
Fig 1 Emergy analysis of mulberry-silkworm ecosystem in China
2.2? 能值分析计算方法
本文涉及到的计算方法结合文献1，以及根据我国蚕桑生态系统的实际情况，整合后得到公式如下：
太阳能值＝原始数据×能值转换率；
太阳光能＝面积×太阳光平均辐射量；
雨水势能＝水密度×面积×年平均降雨量×平均高度×重力加速度；
雨水化学能＝水吉布斯自由能G×年平均降雨量×面积；
表土流失能=土地面积×表土侵蚀速度×单位土地含能数；
劳动力能=单位面积劳动力含能数×面积。
表1? 中国蚕桑生态系统能值投入/产出分析表
Table 1 input/output emergy analysis of mulberry-silkworm ecosystem in China

注：a本文的原始数据统计来源于文献24~26, 28~29，主要数据的时间为2002年；
b能值转换率参考文献1，20，30~31；c化肥和有机肥的单位为g，其能值转换率单位相应地变为sej/g；d桑叶的能值已扣除生产蚕茧所消耗的部分。

1. 中国蚕桑生态系统能值分析框架

生态系统的能值分析建立在能量符号语言基础上。本文运用Odum能量系统语言图例
[27]，以直观和结构层次明晰的生态系统能值图表示蚕桑生态系统的范围边界，内部结构。如图1表示蚕桑生态系统自然、环境和经济的相互作用。
从图1中可以看出，蚕桑生态系统的可更新环境资源包括阳光、水；不可更新环境资源包括土壤表土。化肥、农药等来自系统外的需购买的工业辅助能和有机肥和劳动力等可更新的有机能也是系统的能值投入。系统的产出以蚕茧为主。
3? 结果和讨论
3.1? 编制能值分析表
按照2.3的方法，经过计算整理，得到蚕桑生态系统的各种能值投入和产出，具体数据见表1。由表中数据可知，项目名称栏列出的为该系统主要的能量来源和产出，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，可更新有机能等投入能值，桑叶、蚕
茧等产出能值。
为突出每个项目能值情况，在表1详细的统计计算基础上，按照具体资源类别归类合并，可以得到简化明了的中国蚕桑生态系统能值流表，方便下一步的分析（见表2具体内容）。
表2? 中国蚕桑生态系统能值流
Table 2 Summary of emergy flows of mulberry-silkworm ecosystem in China

3.2? 建立能值指标体系
能值指标体系参考农业生态系统能值分析的指标[1]，各指标的意义、计算方法和结果见表3。蚕桑是生态系统是中国农业生态系统的重要组成部分，本文通过两个系统的比较来分析中国蚕桑生态系统一些内部特征。
从表三的结果看出，在中国蚕桑生态系统中，能值投入率(EIR)为3.78，稍低于中国农业系统的能值投入率（4.93）,这主要是因为我国蚕桑业投入的工业能值总量偏少。而中国蚕桑生态系统的能值产出率(EYR)为4.68，远高于中国农业系统的能值产出率（0.27）。 中国蚕桑系统的能值产出率高，具备比较优势，这可以解释，蚕桑业在是我国农业中为数不多的在世界上竞争力强，地位举足轻重的一个重要产业。
蚕桑生态系统的环境负载率(ELR)仅为0.18,远远低于我国农业生态系统的环境负载率2.8。中国的农业系统中，工业辅助能值占总能值的62%，可见我国大部分农业生产中工业依赖程度很高。但是，在蚕桑生态系统中，工业辅助能值只占总能值的11%，工业对蚕桑业的影响轻微；大部分能值来源于自然环境和可再生的有机能（其中，环境资源占总能值21%，可更新有机能占总能值68%）；即使在使用自然环境资源方面，蚕桑生态系统也显示出强大的生态效益，其利用的能值大部分是可再生的自然资源，比如阳光、雨水，对不可更新的自
然资源消耗少（不可更新环境能值占环境总能值19%）。蚕桑生态系统的能值可持续指数（ESI）为26.0,说明蚕桑生态系统可持续性强。诸多指标综合反映了蚕桑业是我国历史形成的天然独特的生态农业。蚕桑生态系统的重要基础——桑树作为多年生木本植物比普通的一年生农作物具有更强的生态效应。比如我国浙江的嘉湖地区成片的桑林，和当地纵横交错的河网沟渠组成了稳定的区域农业生态系统，为地区农业环境改善做出了巨大的贡献。现阶段，我国广大农村生态环境形势严峻，传统的蚕区（江、浙等省）尤其需要保护现有的蚕桑生态系统，保持蚕桑业的适当稳定，在发挥经济效益的同时，使蚕桑生态系统的生态效益更好的发挥出来；我国中西部有很多自然生态环境脆弱的地区，在国家“东桑西移”的产业调整过程中，发展蚕桑业具有长远的生态意义。
在能值分析理论中，环境负载率越高，在一定程度上表明科技发展水平越高[1]。我国蚕桑生态系统极低环境负载率数值（大大低于中国农业生态系统）一方面虽然表明了发展蚕桑产业对环境的压力小，但另一方面也反映出蚕桑业整体科技发展水平低于我国农业科技的平均水平。能值理论中可持续指数ESI>10是系统不发达的象征，说明系统的开发利用程度低[1,5]。本文的研究结果与我国蚕桑业的现状相符：蚕桑业目前的主要产品是茧丝绸，产品单一，蚕桑资源的综合利用程度不高；蚕桑业是农业中一个典型的劳动密集型行业，众多来源的能值投入中，劳动力能值占总能值的63.78%,整体尚处于传统农业生产模式。以上两个指标表明我国蚕桑生态系统科技水平迫切需要提高。蚕桑业的科技发展水平低妨碍劳动生产率的提高，制约其经济效益的发挥。从经济的角度来说，蚕桑业在我国广大传统蚕桑业发达地区正逐渐失去吸引力，工业经济发达地区由于社会发展快，劳动力成本上升，蚕桑业相对其他农业比较效益下降。这也提醒我们目前我国正在实施“东桑西移”产业调整虽然有利于西部地区生态和经济建设，但在这个产业调整过程中蚕桑生态系统的科技水平若没有提升，那么它的经济效益也还是有限的；若生态和经济效益不能兼顾，像蚕桑这样的农业生态系统稳定性也没有可靠保障。因此，努力提升科技水平对于我国的蚕桑生态系统意义重大。
表3?? 中国蚕桑生态系统与农业生态系统能值指标比较
Table 3 The comparation of emergy Indices for mulberry-silkworm ecosystem and agricultural ecosystem in China

??? 4? 结论
从能值分析的结果看，蚕桑产业对自然资源破坏少，环境压力小，确实是我国优良的生态农业。但同时，我国的蚕桑生态系统属于开发程度低的农业系统，科技水平需要进一步提升。蚕桑产业需要从传统的农业转化成现代农业，迫切需要扩大科技力量的投入。蚕桑生态系统劳动力能值比例大，主要消耗于桑叶采摘和家蚕饲养等，因此有必要通过提升科技水平来降低劳动力能值，比如采用工厂化饲养，提高自动化程度；桑树栽培和桑叶采摘省力化技术；家蚕人工饲料的大面积推广和应用等方法。提升科技水平也是提高蚕桑业综合效益的必要途径，科技水平进步将促进蚕桑资源的综合开发利用，改变栽桑养蚕只为茧丝绸这样单一的一条产业链。目前，我国在利用家蚕作为生物反应器生产药物、桑叶药用成分开发等领域已初见成效。只有这样不断提升科技水平，才能保持我国蚕桑生态系统这种传统的生态农业模式的活力和可持续性。
蚕桑生态系统作为一种有长期历史的经济——自然复合系统，定量化研究其内部结构功能和它与外部经济、自然环境之间错综复杂的关系是很有价值的[32]。蚕桑生态系统这种典型的农业生态系统既不完全是自然生态系统，也不完全是人工生态系统，而是人类控制的半自然生态系统。能值理论作为系统生态学和生态经济学研究的新科学概念和度量尺度，有助于我们更好地理解自然和经济活动的关系。本文第一次将生态学的能值理论用于中国蚕桑生态系统，对中国蚕桑业的现状和可持续发展进行了系统分析，为今后进一步深入研究中国蚕桑生态系统提供了一个新方法。限于基础数据的缺乏，本文只能在全国尺度的蚕桑生态系统中进行能值分析，但是，作为一个研究农业生态系统的新工具，其在评价我国许多蚕区生态效益、研究各地蚕桑生态系统和其他农业系统的藕合关系等方面将大有作为。
（注：由于篇幅有限，参考文献和原始数据统计过程等内容在此省略。）