武湖高车分场农业生态系统能量转化

（一）系统能流模型的建立

对高车分场进行能流分析时，我们是以该场农业生态系统为研究对象。考虑到该场农田占土地总面积80%以上，又是以种植粮油棉为主，因此农田生态系统是该场农业生态系统中最大的一个亚系统。为了抓住主要矛盾，在进行能流分析时，只考虑与农田亚系统密切的畜牧业亚系统和本场居民亚系统，而农业生态系统中鱼塘、人工林等亚系统暂忽略不计。故本场农业生态系统只建立一个包括农田、畜牧、本场居民三个亚系统在内的系统能流模型。在农田亚系统中，输入能量有太阳能和农机、农用电力、化肥，农药等工业能源，同时还有系统内居民投入的人力、人粪尿以及畜牧业亚系统提供的畜力、畜禽粪尿等，还有从系统外输入农田的作物种子，有机肥（如饼肥）等生物能源。从农田输出的能量有输入本场居民亚系统的粮油棉瓜菜等农作物产品以及作为燃料的作物秸秆，有输入畜牧业亚系统的各种饲料，还有作为商品输出该农业生态系统的各种农作物。在畜牧业亚系统中，输入的能量有农田亚系统提供的饲料、饲草和系统外购进的饲料，系统内居民管理畜牧的人力和畜牧机械（含医疗器具），它向系统外输出的能量主要有肉猪、鸡、蛋等畜禽产品，还有向农田系统输入的畜力和粪肥等。依据以上对各亚系统之间能流关系和大系统内外能量输入、输出关系的分析，兹建立高车分场农业生态系统能流模型，见图6-1。

图6-1　高车分场农业生态系统能流模型

（二）农田的光能利用效率

为了掌握本场农业生态系统初级生产力，应探清农作物生产潜力。由下式

得到主要农作物的平均生长率（CGR）见表6-9。

表6-9　主要作物平均生长率（CGR）

由此可知，水稻的平均生长率最高为12～16克/米2天；黄豆为8.1克/米2天；而小麦、大麦和油菜最低分别为2.2、4.4和2.7克/米2天。

光能利用率用下式计算

其中，H为物质燃烧热（卡/g）；ΔW为干物质增重（g/cm2）；∑S为生育期内总辐射量（卡/cm2）。根据上式计算的农作物光能利用率见表6-10。早稻光能利用率为1.25%，较湖北武昌1981年高产田的1.40%低0.15%；水稻中以晚稻最低，为0.93%；作物中以小麦最低，只有0.22%，为早稻的五分之一；油菜为0.37%，大麦和棉花相近，为0.45%左右。由此可知，主要农作物的光能利用率偏低，与江苏苏州地区高产田块光能利用率1.7%～2.0%、湖南桃源高产田块光能利用率2.2%～2.5%相比差距很大，这表明该场农作物还有较大生产潜力，只要选择好作物品种，合理利用水肥条件，加强农田管理技术，就可提高光能利用率，从而促进农作物增产。

表6-10　主要作物光能利用率

（三）系统能量输入与输出

经计算，由外界向高车分场农业生态系统输入的总能量为46.4368×1012J，其中生物能为15.8314×1012J，占输入总量的34.1%，工业能为30.6055×1012J，占输入总量的65.9%。往系统外输出的总能量为37.55171012J，其中植物性产品能为35.2167×1012J，占输出总量的92.8%，动物性产品能为2.3350×1012J，占输出总量的7.2%。全系统的能量总输入大于总输出，这说明投入能大于产出能，投能效率相当低，投入产出比为1∶0.8，表明该系统投能浪费较大，生产效率低，其增产潜力还远未充分发掘出来。在投能方面工业能所占比重较大，说明该系统在一定程度上依赖于商品能的输入，虽然能够提高产量，但成本高，农业自然资源多层次利用少，使无效输出能量过大，不仅经济效益差，而且生态效益也低，易造成农产品污染。无论从有机农业，还是从生态农业要求来看，本场投能结构都有待进一步改进，主要是对系统加强有机能的投入。

（四）系统能量流动分析

1.能流分析

每年输入到农田亚系统的能量达到45.0701×1012J（不包括太阳能25330.5×1012J）；年输出156.0965×1012J的能量。在农田亚系统的投能结构中，投入有机肥的能量为10.0322×1012J（含从牲畜亚系统种子带入的粪肥6.2013×1012J和从系统外引进饼肥等有机肥1.917×1012J）；返回农田亚系统种子带入的能量为3.1299×1012J；劳力和畜力在农事中的能耗为1.4279×1012J，投入农田亚系统的工业辅助能为30.481×1012J（含农业机械2.7232×1012J；农用电力1.0492×1012J；化肥21.2774×1012J；农药5.4303×1012J）。从农田亚系统输出的总能量，其中有26.1759×1012J用于牧畜亚系统作为饲料能，有64.9248×1012J供本场居民亚系统作生活能源；有35.2167×1012J的能量以商品形式直接进入市场。(www.xing528.com)

牧畜亚系统输入总能量为37.1065×1012J，主要是饲料能有36.96×1012J（含尾粉5.8832×1012J；玉米1.3313×1012J；糠麸10.1732×1012J；麦子和谷子2.1037×1012J；稻草9.9521×1012J；青饲料6.8635×1012J；豆饼0.653×1012J）。该亚系统输出总能量为8.8270×1012J，其中牧畜粪肥为6.2013×1012J；出售性畜产品能为2.335×1012J（含商品猪能2.198×1012J；家禽肉蛋能0.3628×1012J，牲畜亚系统提供的畜力为0.2907×1012J。为简化，输入项中没有考虑人工管理、设备及修理等能量输入）。

该场农业生态系统中人力提供的能量为1.1584×1012J，其中投入农田亚系统1.1372×1012J，投入牲畜亚系统只有0.0212×1012J。

2.结构分析

投入农田亚系统的人工辅助能结构见表6-11。

表6-11　农田亚系统人工辅助能投入组成（单位：MJ）

就农田亚系统而言，在生物能的投能构成中，有机肥比例达64%，而人力、畜力、种子只占36%；在工业能的投能构成中，以化肥和农药为主占87.6%，而农业机械和农用电力的投入只占12.4%。化肥的投能量占总能值的49.3%，有机肥投能量只占18.8%，农药投能量占12.6%，其他农业机械、农用电力、劳力、畜力、种子的投能量不足20%。工业辅助能投入总量30.4×1012J，生物辅助能投入总量12.6765×1012J，工业辅助能占总投入的70.53%，生物辅助能占29.37%。可见，投入农田亚系统的工业辅助能占比例较大，与全系统的情况一致。这说明农田亚系统对外界依赖性很大。该系统有机能和无机能投入之比为42∶100，而经验证明，有机能与无机能之比为4∶1时，产投比最高，该场离此目标甚远。再从肥料看，有机肥能和无机肥能之比为38∶100，也不符合要求。另外，农作物产品能中只有22.64%的能量直接输入市场，说明该农田生态系统的生产水平和开放程度不高，还有41.75%的能量供当地居民作食物、燃料能源。农田产出能中有16.83%经过牲畜转化后再输出。

在投入牲畜亚系统的能量构成中，饲料能占绝对优势，其中71%由农田亚系统提供，29%由系统外输入。在输出能量中，总产出能为8.8270×1012J，其中畜粪能占70.2%，畜禽产品能占26.4%。

该场生态系统中的人力耗能绝大部分投入农田亚系统，其余投入牲畜亚系统。前者占98%，后者占2%。

由系统外输入的能量，其中76.5%的能量是流向农田亚系统的，其余则流向牲畜亚系统。这说明系统外输入的能量是通过农田→饲料→牲畜→农田这一渠道流动转化的，并使生物资料得到增值。

3.效率分析

投入能流密度是单位面积各种辅助能的输入量，它是评价农田亚系统能流状况的指标之一，计算结果见表6-12。

表6-12　农田输入能流密度（单位：MJ/亩）

在所列的农田亚系统人工辅助能流密度中，化肥输入能流密度最大为1154.2MJ/亩，其次是有机肥为440.4MJ/亩，最小是畜力只有15.8MJ/亩。

产出能流密度是单位面积产出的能量。农田亚系统产出能主要是作物籽实和秸秆能。高车分场农田亚系统籽实产出能流密度为2190MJ/亩，作物秸秆产出能流密度为2934MJ/亩，单位面积总产出能为5124MJ/亩。各种能量效率、人工辅助能效率即总生物质能量输出与人工辅助能输入之比，它反映了农业系统的投能效率，是农田亚系统分析及评价的主要指标。高车分场亚系统的人工辅助能效2.2，见表6-13。

表6-13　农田辅助能投入产出与能效

工业辅助能效率是总产品能量输出与投入的总工业能量之比，它能反映以不可再生资源为基础的工业能量输入的利用率。高车分场农田亚系统的工业辅助能效率为3.1，此值低于国家平均水平，说明该农田亚系统对工业能源的使用效率还有待进一步提高。在牲畜亚系统转换率计算中，因限于资料，没有计入耕牛的能量输出和牛饲料的输入，因而用肉猪、鸡蛋产品产出能3.3392×1012J和饲料输入能27.0079×1012J之比求出饲料转换率，此值12.3%，亦比较低，鉴于此，必须从种群结构，数量等方面进一步调整。