本發(fā)明屬于水資源經(jīng)濟技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正負效益的分析方法，具體涉及一種基于能值分析的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正負效益統(tǒng)一度量分析方法。

技術(shù)背景

人類通過農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，干涉和利用自然生態(tài)系統(tǒng)，與其形成最廣泛最具有生命活力的物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換過程。水是一切農(nóng)作物生長所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)，是農(nóng)業(yè)的命脈、也是整個國民經(jīng)濟和人類生活的命脈。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要利用水的化學(xué)能，通過農(nóng)作物的光合作用和呼吸作用將其轉(zhuǎn)化為有機態(tài)的化學(xué)能，為人類提供賴以生存的農(nóng)產(chǎn)品和工業(yè)原料，達到農(nóng)業(yè)增產(chǎn)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水的正效益。但是長期的高強度土地利用、過量工業(yè)輔助能投入，以及不合理的水資源開發(fā)和利用必然會引起一系列的環(huán)境負效應(yīng)，如水質(zhì)下降、水土流失、生態(tài)植被退化、地下水位變化等，即農(nóng)業(yè)用水所引起的負效應(yīng)。因此，在農(nóng)業(yè)用水中存在正效益的同時也存在負效應(yīng)，只有充分了解用水所引起的正效益及負效應(yīng)，才能更有效的減小用水負效應(yīng)、合理利用水資源。因此，對農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水產(chǎn)生的正負效益進行分析計算，對于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水的可持續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

然而，由于農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)是自然因素與人為因素共同作用的系統(tǒng)，有直接帶來的較好的的經(jīng)濟效益，也有造成的生態(tài)環(huán)境的效應(yīng)，但是各種類型因素量綱各異，難以實現(xiàn)統(tǒng)一度量，因此難以實現(xiàn)多種因素的統(tǒng)一定量分析。因此，采用生態(tài)經(jīng)濟學(xué)中的能值理論和分析方法實現(xiàn)用水正負效益的統(tǒng)一度量分析，會成為解決定量分析農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正負效益、實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展的有效手段。

本發(fā)明通過能值計算將農(nóng)業(yè)用水正負效益的分析結(jié)果進行統(tǒng)一，得出統(tǒng)一的分析結(jié)果，通過正負效益的定量對比分析，對該區(qū)域系統(tǒng)農(nóng)業(yè)的用水情況建立客觀的評價標(biāo)準(zhǔn)，指出區(qū)域農(nóng)業(yè)用水存在的問題，用于為該區(qū)域農(nóng)業(yè)用水的優(yōu)化配置及節(jié)約型農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供參考。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于能值分析的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正負效益統(tǒng)一度量分析方法。該方法將農(nóng)業(yè)用水系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)、經(jīng)濟系統(tǒng)視為一個完整的系統(tǒng)，在充分考慮各類能量、物質(zhì)投入產(chǎn)出的基礎(chǔ)上，對農(nóng)業(yè)用水的正負效益進行總結(jié)，并以“能值”作為統(tǒng)一的度量尺寸對各項效益進行定量分析，實現(xiàn)最終的統(tǒng)一度量及對比分析。

本發(fā)明從生態(tài)經(jīng)濟學(xué)的角度，采用能值分析方法對農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)進行研究，在對系統(tǒng)能值投入與產(chǎn)出分析的基礎(chǔ)上，通過能值指標(biāo)體系建立起農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入與產(chǎn)出的數(shù)量關(guān)系，反映系統(tǒng)的經(jīng)濟效率，評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能及運行狀態(tài)；并從生態(tài)角度入手，考慮了用水過程中引起的環(huán)境負效應(yīng)，以能值作為統(tǒng)一的度量尺度，提出了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)用水正負效益的計算方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的

一種基于能值分析的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正負效益統(tǒng)一度量分析方法，包括以下步驟：

(1)構(gòu)建農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖

所述農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖的構(gòu)建包括以下步驟：

A.確定農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量來源、物質(zhì)來源、能量產(chǎn)出以及系統(tǒng)內(nèi)部各組分間的作用過程；

B.繪制矩形，列出農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能量來源、物質(zhì)來源以及能量產(chǎn)出，分別用符號表示繪制在所述的矩形邊框內(nèi)部或矩形邊框外部；

C.確定步驟A所述系統(tǒng)內(nèi)部各組分間的作用過程，并以各種能量符號圖例繪制；

D.列出步驟C所述系統(tǒng)內(nèi)部各組分間的作用過程中的水循環(huán)過程，及其伴隨的能物流、貨幣流以及生態(tài)經(jīng)濟流的能量流動和物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系；

E.繪出農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)圖全圖；繪制出步驟B所述的矩形，然后繪制矩形邊框外部的各部分圖例，沿矩形邊框周邊外排列；再繪制矩形邊框以內(nèi)各組分的圖例，矩形邊界內(nèi)外各圖例從投入到產(chǎn)出由左向右排列；得到所述的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖；

上述的能量來源均是指該能源占整個農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能源總量的5％以上，低于5％的忽略。構(gòu)建的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖如圖1所示；

(2)編制農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析表

所述的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析表的編制包括以下步驟：

a.根據(jù)步驟(1)中的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖，列出農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能量來源、物質(zhì)來源、能量產(chǎn)出項目，并按照能量來源、物質(zhì)來源、能量產(chǎn)出項目的類別進行分類排列；b.收集步驟a所述系統(tǒng)內(nèi)所有物質(zhì)、能源相應(yīng)的物質(zhì)量、能量以及能值轉(zhuǎn)換率的原始數(shù)據(jù)；c.將步驟b得到的各類物質(zhì)量、能量，轉(zhuǎn)換為共同的能值單位，分類匯總、列表，即可得到農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析表；

步驟(1)及步驟(2)所述的能量來源和物質(zhì)來源包括可更新自然資源、不可更新自然資源、可更新有機能和不可更新工業(yè)輔助能；所述的可更新自然資源包括：陽光、風(fēng)能、地表水、地下水、雨水；所述的不可更新自然資源包括：土壤；所述的可更新有機能包括：種子、人力、畜力、有機肥；所述的不可更新工業(yè)輔助能包括：傳統(tǒng)化肥、農(nóng)藥、電力、機械；

步驟(1)及步驟(2)所述的能量產(chǎn)出各項目包括種植業(yè)產(chǎn)品、林產(chǎn)品、畜產(chǎn)品、水產(chǎn)品；所述的種植業(yè)產(chǎn)品包括：谷類、小麥、玉米、豆類、薯類、油料、棉花、煙葉、蔬菜、水果；所述的林產(chǎn)品包括：木材；所述的畜產(chǎn)品包括：牛肉、羊肉、其他肉類、奶產(chǎn)品、羊毛、蜂蜜、禽蛋；所述的水產(chǎn)品包括：漁類產(chǎn)品；

步驟(2)c中所述各類物質(zhì)量、能量與能值的轉(zhuǎn)換公式為：EM＝τ×B；

式中，EM表示能值(sej)，τ表示能值轉(zhuǎn)換率(sej/J或sej/g)，B代表能量或物質(zhì)的量(J或g)；

(3)農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正效益的能值分析

農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)是太陽能、水化學(xué)能及經(jīng)濟系統(tǒng)反饋投入的農(nóng)藥、化肥等工業(yè)輔助能共同作用的結(jié)果，因此，農(nóng)業(yè)用水正效益只是農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效益的一部分，即水資源投入要素對農(nóng)業(yè)總產(chǎn)出的貢獻量。通過對系統(tǒng)各種能量流、物質(zhì)流、貨幣流的分析，構(gòu)建農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖，編制農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析表，明確系統(tǒng)的各種能量的來源和能量產(chǎn)出。采用各類投入能值占投入總能值的比例來表示總產(chǎn)出能值中各類投入所做的貢獻率；

在整個農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中，其中農(nóng)業(yè)用水來源包括雨水、地表水和地下水；

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程利用水的化學(xué)能，包括雨水化學(xué)能、地表水化學(xué)能和地下水化學(xué)能，水資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能值貢獻率(WCR)的計算公式如下：

$WCR=\frac{\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{r}_i}{U}$

其中，

r_i＝l_i×τ_i

式中，U表示農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入總能值，由步驟(2)表格中收集的數(shù)據(jù)計算即可得到該數(shù)據(jù)；表示農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)水資源投入能值，由步驟(2)表格中收集的數(shù)據(jù)即可得出；r_p、r_sw、r_gw分別為雨水能值、地表水能值、地下水能值；l_i表示雨水水資源利用量、地表水水資源利用量或地下水水資源的利用量，τ_i為各項相應(yīng)的能值轉(zhuǎn)化率；其中，i表示雨水、地表水和地下水三項中的任一項，即i為p、sw或gw。

然后，將水資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能值貢獻率與農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的總產(chǎn)出能值相乘，計算得到水資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻量(WCQ)，即為農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正效益(PB)，公式如下：

$PB=WCQ=\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{S}_o\×WCR$

其中，

S_o＝C_o×τ_o

式中，表示農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)出總能值，由步驟(2)表中收集的數(shù)據(jù)計算即可得出；S_o表示林產(chǎn)品能值、種植業(yè)產(chǎn)品能值、畜產(chǎn)品能值和水產(chǎn)品能值四項中的任一項；C_o表示林產(chǎn)品產(chǎn)出量、種植業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)出量、畜產(chǎn)品產(chǎn)出量和漁產(chǎn)品產(chǎn)出量四項中的任一項，τ_o表示各項相應(yīng)的能值轉(zhuǎn)化率，其中，o分別表示林產(chǎn)品、種植業(yè)產(chǎn)品、畜產(chǎn)品和水產(chǎn)品四項中的任一項，即o表示f、p、l或α；S_f、S_p、S_l、S_a分別表示林產(chǎn)品能值、種植業(yè)產(chǎn)品能值、畜產(chǎn)品能值、水產(chǎn)品能值；WCR表示水資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能值貢獻率；

(4)農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水負效益的能值分析

農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水負效益(NB)包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動耦合作用造成的水土流失(r_wl)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)整體的生物多樣性減少(r_sj)、地下水超采造成的能量損失(r_gc)以及環(huán)境污染(r_ep)。

①水土流失造成的負效益

水土流失造成的負效益為水土流失量與其太陽能值轉(zhuǎn)換率之積，表達式為：

r_wl＝m_wl×τ_wl

式中，r_wl表示水土流失負效益；m_wl表示水土流失量；τ_wl表示流失水土的太陽能值轉(zhuǎn)化率；

②生物多樣性減少負效益

所述的生物多樣性減少負效益即以人類取用水資源造成野生動物的能值損失進行計算，為地表水化學(xué)能與取用單位地表水的野生動物損失能值的乘積和地下水化學(xué)能與取用單位地下水的野生動物損失能值的乘積之和，表達式如下：

r_sj＝ws×rs+wg×rg

式中，r_sj表示生物多樣性減少負效益；w_s表示地表水化學(xué)能、w_g表示地下水化學(xué)能；r_s表示取用單位地表水的野生動物損失能值、r_g表示取用單位地下水的野生動物損失能值；

③地下水超采負效益

以災(zāi)害程度、經(jīng)濟發(fā)展水平和人口密度為參數(shù)進行估算，分析公式如下：

$E_p=\frac{2}{3}{G}_{GDP}+\frac{1}{3}\mathrm{Pr}$

r_gc＝(0.0011E_p+12.434)×A×τ_gc

式中，r_gc表示地下水超采負效益，E_p表示地下水超采經(jīng)濟損失的復(fù)合參數(shù)，A表示計算區(qū)域面積，τ_gc表示當(dāng)?shù)啬苤地泿疟嚷?，G_GDP表示地均GDP，P_r表示人口密度；

④環(huán)境污染負效益

環(huán)境污染負效益包括種植業(yè)中化肥導(dǎo)致的水體、土壤、大氣污染和畜牧業(yè)中養(yǎng)殖污水造成的環(huán)境損失。根據(jù)系統(tǒng)化肥施用量及單位化肥施用環(huán)境成本、畜牧業(yè)排放污水量及污染水體能值轉(zhuǎn)換率進行估算：

r_ep＝q_f×l_f+q_w×τ_w

式中：q_f表示化肥施用量，kg；l_f表示單位化肥施用的環(huán)境成本，sej/kg；q_w表示畜牧業(yè)排放污水量，m³；τ_w表示污染水體能值轉(zhuǎn)換率，sej/m³；

綜上可得，農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水負效益的計算公式為：

NB＝r_wl+r_sj+r_gc+r_ep

農(nóng)業(yè)用水只有通過和其他資源、勞務(wù)等多種投入共同作用，才能生產(chǎn)出農(nóng)產(chǎn)品價值。因此，通過整個系統(tǒng)中水資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)貢獻率的計算，提取出水資源對應(yīng)產(chǎn)生的價值，也就是水資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻量，即為上述的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正效益；

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動耦合作用造成的水土流失、生物多樣性減少以及超采地下水造成的地下水位變化等各種直接損失，即為上述的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水負效益。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下積極有益效果

(1)本發(fā)明的分析方法中，只需要獲取各區(qū)域不同類型的基本物質(zhì)投入產(chǎn)出量，即可求得相應(yīng)的能值數(shù)據(jù)，進一步得到農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)統(tǒng)一量綱的正負效益，通過正效益和負效益定量的對比分析，能夠?qū)υ撓到y(tǒng)的農(nóng)業(yè)用水情況建立客觀的評價標(biāo)準(zhǔn)，通過正負效益的對比才能夠體現(xiàn)出負效益的影響，通過負效益在綜合效益中所占的比例，可以直觀地反映出該區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水的實際生產(chǎn)情況以及存在問題的嚴(yán)重程度。

(2)通過對負效益各項組成的定量分析，可以直接得到主要哪些因素導(dǎo)致了該區(qū)域農(nóng)業(yè)用水對生態(tài)環(huán)境的破壞以及各項因素的重要性排序；可以更有針對性地從該區(qū)域問題最嚴(yán)重的方面入手采取相應(yīng)措施(盡量減少不可更新資源的不合理投入和利用，避免因環(huán)境污染和地下水超采引發(fā)的危害)；通過綜合評價、采取最優(yōu)措施，來提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正效益，降低生態(tài)環(huán)境的負效益，減少農(nóng)業(yè)用水的浪費，提高用水效率，達到節(jié)約用水的目的，實現(xiàn)整個區(qū)域的綜合效益最大化。

(3)根據(jù)本研究成果，可以對區(qū)域生態(tài)農(nóng)業(yè)建設(shè)提供參考，并以更全面的角度將農(nóng)業(yè)的生態(tài)效應(yīng)和社會效應(yīng)同時放在突出地位，以保證更好地維護和保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對區(qū)域的生態(tài)屏障作用。

附圖說明

圖1為農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能量系統(tǒng)圖；

在該能量系統(tǒng)圖中，實線表示能流、物流、信息流等生態(tài)經(jīng)濟流的流動路線和方向；虛線表示貨幣流；箭頭便是流動方向。

具體實施方式

通過以下實施例對本發(fā)明進行更加詳細的說明，但是本發(fā)明的保護范圍并不限于以下實施例。

實施例1

一種基于能值分析的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正負效益統(tǒng)一度量分析方法，包括以下步驟：(1)構(gòu)建農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖

所述農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖的構(gòu)建包括以下步驟：

A.確定農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量來源、物質(zhì)來源、能量產(chǎn)出以及系統(tǒng)內(nèi)部各組分間的作用過程；

B.繪制矩形，列出農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能量來源、物質(zhì)來源以及能量產(chǎn)出，分別用符號表示繪制在所述的矩形邊框內(nèi)部或矩形邊框外部；

C.確定步驟A所述系統(tǒng)內(nèi)部各組分間的作用過程，并以各種能量符號圖例繪制；

D.列出步驟C所述系統(tǒng)內(nèi)部各組分間的作用過程的水循環(huán)過程，及其伴隨的能物流、貨幣流以及生態(tài)經(jīng)濟流的能量流動和物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系；

E.繪出農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)圖全圖，繪制出步驟B所述的矩形，然后繪制矩形邊框外部的各部分圖例，沿矩形邊框周邊外排列；再繪制矩形邊框以內(nèi)各組分的圖例，矩形邊界內(nèi)外各圖例從投入到產(chǎn)出由左向右排列；得到所述的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖；

得到所述的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖，如圖1所示；

(2)編制農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析表

所述農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析表的編制包括以下步驟：

a.根據(jù)步驟(1)中的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖，列出農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能量來源、物質(zhì)來源、能量產(chǎn)出項目，并按照能量物質(zhì)來源、能量產(chǎn)出項目的類別進行分類列排；

b.收集步驟a所述系統(tǒng)內(nèi)所有物質(zhì)、能源相應(yīng)的物質(zhì)量、能量以及能值轉(zhuǎn)換率的原始數(shù)據(jù)；c.將步驟b得到的各類物質(zhì)能源的物質(zhì)量、能量，轉(zhuǎn)換為共同的能值單位，分類匯總、列表，即可得到農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析表；

在步驟(2)c中所述各類物質(zhì)量、能量與能值的轉(zhuǎn)換公式如下：EM＝τ×B

式中，EM表示能值(sej)，τ表示太陽能值轉(zhuǎn)換率(sej/J或sej/g)，B代表能量或物質(zhì)的量(J或g)；

上述步驟(1)和步驟(2)所述的能量來源和物質(zhì)來源主要為可更新自然資源：陽光、風(fēng)能、地表水、地下水、雨水；不可更新自然資源：土壤；可更新有機能：種子、人力、畜力、有機肥；不可更新工業(yè)輔助能：傳統(tǒng)化肥、農(nóng)藥、電力、機械；

上述步驟(1)和步驟(2)所述的能量產(chǎn)出各項目包括種植業(yè)產(chǎn)品、林產(chǎn)品、畜產(chǎn)品和水產(chǎn)品，除了小部分農(nóng)產(chǎn)品滿足農(nóng)民生活需要和留作種子外，大部分均進入市場進行銷售，通過貨幣交易換取其他需要。

上述的能量來源均是指該能源占整個農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能源總量的5％以上，低于5％的忽略。

(3)農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正效益的能值分析

農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)是太陽能、水化學(xué)能及經(jīng)濟系統(tǒng)反饋投入的農(nóng)藥、化肥等工業(yè)輔助能共同作用的結(jié)果，因此，農(nóng)業(yè)用水正效益只是農(nóng)業(yè)產(chǎn)出效益的一部分，即水資源投入要素對農(nóng)業(yè)總產(chǎn)出的貢獻量。通過對系統(tǒng)各種能量流、物質(zhì)流、貨幣流的分析，構(gòu)建能量系統(tǒng)圖，編制系統(tǒng)能值分析表，明確系統(tǒng)的各種能量的輸入和輸出。采用各類投入能值占投入總能值的比例來表示總產(chǎn)出能值中各類投入所做的貢獻率；

在整個農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中，其中農(nóng)業(yè)用水來源包括雨水、地表水和地下水。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程利用水的化學(xué)能，包括雨水化學(xué)能、地表水化學(xué)能和地下水化學(xué)能，水資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能值貢獻率(WCR)的計算公式如下：

$WCR=\frac{\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{r}_i}{U}$

其中，

r_i＝l_i×τ_i

式中，U表示農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入總能值，由步驟(2)表格中收集的數(shù)據(jù)計算即可得到該數(shù)據(jù)；表示農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)水資源投入能值，由步驟(2)表格中收集的數(shù)據(jù)即可得出；r_p、r_sw、r_gw分別為雨水能值、有效地表水能值、有效地下水能值；l_i表示雨水水資源利用量、地表水水資源利用量或地下水水資源利用量，τ_i為各項相應(yīng)的能值轉(zhuǎn)化率；其中，i表示雨水、地表水和地下水三項中的任一項，即i為p、sw或gw。

然后，將水資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的能值貢獻率與農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)出總能值相乘，計算得到水資源對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻量(WCQ)，即為農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正效益(PB)，所以農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正效益的分析公式為：

$PB=WCQ=\underset{i=1}{\overset{4}{\Σ}}{S}_o\×WCR$

其中，

S_o＝Co×τo

式中，表示農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)出總能值，由步驟(2)中能值表可得所需數(shù)據(jù)；S_f、S_p、S_l、S_a分別表示林產(chǎn)品能值、種植業(yè)產(chǎn)品能值、畜產(chǎn)品能值、水產(chǎn)品能值；C_o表示林產(chǎn)品產(chǎn)出量、種植業(yè)產(chǎn)品產(chǎn)出量、畜產(chǎn)品產(chǎn)出量和漁產(chǎn)品產(chǎn)出量四項中的任一項，τ_o為各項相應(yīng)的能值轉(zhuǎn)化率；其中，o表示林產(chǎn)品、種植業(yè)產(chǎn)品、畜產(chǎn)品和水產(chǎn)品四項中的任一項，即o表示f、p、l或α；

(4)農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水負效益的能值分析

農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水負效益(NB)包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動耦合作用造成的水土流失(r_wl)、生物多樣性減少(r_sj)、地下水超采造成的能量損失(r_gc)以及化肥等輔助能帶來的環(huán)境污染(r_ep)所造成的一系列能量損失，即用以上四方面所對應(yīng)損失的能值之和即為農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水負效益，公式如下：

①水土流失負效益

水土流失為水土流失量與其太陽能值轉(zhuǎn)換率之積，表達式如下：

r_wl＝m_wl×τ_wl

式中，r_wl表示水土流失負效益，m_wl表示水土流失量，τ_wl表示流失水土的太陽能值轉(zhuǎn)化率；

②生物多樣性減少負效益

生物多樣性減少負效益即以人類取用水資源造成野生動物的能值損失進行計算，為地表水化學(xué)能與取用單位地表水的野生動物能值的乘積和地下水化學(xué)能與取用單位地下水的野生動物損失能值的乘積之和，表達式如下：

r_sj＝w_s×r_s+w_g×r_g

式中，r_sj表示生物多樣性減少負效益，w_s表示地表水化學(xué)能，w_g表示地下水化學(xué)能，r_s表示取用單位地表水的野生動物損失能值，r_g表示取用單位地下水的野生動物損失能值；

③地下水超采負效益

地下水超采負效益是以災(zāi)害程度、經(jīng)濟發(fā)展水平和人口密度為參數(shù)進行估算，計算公式如下：

$E_p=\frac{2}{3}{G}_{GDP}+\frac{1}{3}\mathrm{Pr}$

r_gc＝(0.0011E_p+12.434)×A×τ_gc

式中，r_gc表示地下水超采負效益，E_p表示地下水超采經(jīng)濟損失的復(fù)合參數(shù)，A表示計算區(qū)域面積，τ_gc表示當(dāng)?shù)啬苤地泿疟嚷?，G_GDP表示地均GDP，P_r表示人口密度；

④環(huán)境污染負效益

環(huán)境污染負效益包括種植業(yè)中化肥導(dǎo)致的水體、土壤、大氣污染和畜牧業(yè)中養(yǎng)殖污水造成的環(huán)境損失。根據(jù)系統(tǒng)化肥施用量及單位化肥施用環(huán)境成本、畜牧業(yè)排放污水量及污染水體能值轉(zhuǎn)換率進行估算，公式如下：

r_ep＝q_f×l_f+q_w×τ_w

式中：q_f表示化肥施用量，kg；l_f表示單位化肥施用環(huán)境成本，sej/kg；q_w表示畜牧業(yè)排放污水量，m³；τ_w表示污染水體能值轉(zhuǎn)換率，sej/m³；

綜上可得，農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水負效益的計算公式為：

NB＝r_wl+r_sj+r_gc+r_ep

由以上得到的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正效益及負效益的數(shù)值，即可得到在整個農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中用水正效益所占的份額以及用水負效益所占的份額。更好的了解整個農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中用水負效益的影響、以及用水負效益中影響較大的因素，以便采取相應(yīng)的措施，調(diào)節(jié)農(nóng)業(yè)用水的合理性，達到節(jié)約用水的目的。

具體應(yīng)用實施例

下面以鄭州市的用水情況為例，對鄭州市的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值的投入產(chǎn)出進行分析，包括以下步驟：

所述農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖的構(gòu)建包括以下步驟：

A.確定農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量來源、物質(zhì)來源、能量產(chǎn)出以及系統(tǒng)內(nèi)部各組分間的作用過程；

B.繪制矩形，列出農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能量來源、物質(zhì)來源以及能量產(chǎn)出各項目，分別用符號表示繪制在所述的矩形邊框內(nèi)部或矩形邊框外部；

C.確定步驟A所述系統(tǒng)內(nèi)部各組分間的作用過程，并以各種能量符號圖例繪制；

D.列出步驟C所述系統(tǒng)內(nèi)部各組分間的作用過程的水循環(huán)過程，及其伴隨的能物流、貨幣流以及生態(tài)經(jīng)濟流的能量流動和物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系；

E.繪出農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)圖全圖，繪制出步驟B所述的矩形，然后繪制矩形邊框外部的各部分圖例，沿矩形邊框周邊外排列；再繪制矩形邊框以內(nèi)各組分的圖例，矩形邊界內(nèi)外各圖例從投入到產(chǎn)出由左向右排列；得到所述的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖；

得到所述的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖；如圖1所示；

(2)編制鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析表

所述的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析表的編制包括以下步驟：

a.根據(jù)步驟(1)所述的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖，列出鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的能量來源、物質(zhì)來源和能量產(chǎn)出項目，并按照能量來源、物質(zhì)來源、能量產(chǎn)出項目的類別進行分類列排；

b.根據(jù)《鄭州市統(tǒng)計年鑒》、《鄭州市水資源公報》以及《生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析》收集步驟a所述系統(tǒng)內(nèi)各類物質(zhì)、能源相應(yīng)的物質(zhì)量、能量及相應(yīng)的能值轉(zhuǎn)換率的原始數(shù)據(jù)；

c.將步驟b得到的各類物質(zhì)量、能量根據(jù)公式EM＝τ×B轉(zhuǎn)換為共同的能值單位，然后進行分類匯總，即可得到農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析表，如表1所示；根據(jù)公式EM＝τ×B進行計算，如下所示：

物質(zhì)量或能量與能值之間的轉(zhuǎn)化為：太陽能值＝物質(zhì)量/能量×相應(yīng)的太陽能值轉(zhuǎn)換率

即，太陽能值＝(3.63×10¹⁹J)×1sej/J＝3.63×10¹⁹sej

風(fēng)能與能值之間的轉(zhuǎn)化為：風(fēng)能的能值＝風(fēng)能×相應(yīng)的能值轉(zhuǎn)換率

即，風(fēng)能的能值＝(6.29×10¹⁶J)×(6.23×10²sej/J)＝3.92×10¹⁹sej

依次對各個能量進行轉(zhuǎn)換，均得到相應(yīng)的能值，在表1中進行記錄。

表1鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出值

上述步驟(1)和步驟(2)所述的能量來源主要為可更新自然資源：陽光、風(fēng)能、地表水、地下水、雨水；不可更新自然資源：土壤；可更新有機能：種子、人力、畜力、有機肥；不可更新工業(yè)輔助能：傳統(tǒng)化肥、農(nóng)藥、電力、機械；

上述步驟(1)和步驟(2)所述的能量產(chǎn)出各項目為種植業(yè)產(chǎn)品、林產(chǎn)品、畜產(chǎn)品和水產(chǎn)品，除了小部分農(nóng)產(chǎn)品滿足農(nóng)民生活需要和留作種子外，大部分均進入市場進行銷售，通過貨幣交易換取其他需要；

(3)鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正效益的能值分析

由步驟(2)表1中的記錄可得，農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)投入總能值為：可更新自然資源、不可更新自然資源、不可更新工業(yè)輔助、可更新有機能中各項的能值總和U，結(jié)果為7.20×10²¹sej，農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)水資源投入能值為雨水、地表水和地下水的能值總和結(jié)果為5.24×10²⁰sej；所以，根據(jù)公式可得水資源對農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的貢獻率為：WCR＝(5.24×10²⁰sej)/(7.20×10²¹sej)＝7.28％；

由表1可得，農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)總能值產(chǎn)出為：2.22×10²²sej，所以根據(jù)可得，水資源對農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的貢獻量可得農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正效益為1.62×10²¹sej，結(jié)果如表2所示；

表2鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水正效益分析結(jié)果

(4)鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水負效益能值分析

在農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水過程中，根據(jù)鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水負效益的記錄表3收集到的數(shù)據(jù)可知：

①水土流失量為3.75×10⁹g、相應(yīng)的太陽能值轉(zhuǎn)換率為1.70×10⁹sej/g，所以水土流失所造成的損失能值r_wl＝(3.75×10⁹g)×(1.70×10⁹sej/g)＝6.38×10¹⁸sej；

②地表水化學(xué)能為4.89×10¹⁴J，取用單位地表水的野生動物損失能值為1.12×10⁵sej/J，即地表水過度開采造成的生物多樣性減少損失能值為(4.89×10¹⁴J)×(1.12×10⁵sej/J)＝5.48×10¹⁹sej；

地下水化學(xué)能為1.58×10¹⁵J，取用單位地下水的野生動物損失能值為2.55×10⁵sej/J，即地下水超采造成的生物多樣性減少損失能值為(1.58×10¹⁵J)×(2.55×10⁵sej/J)＝4.03×10²⁰sej；

所以生物多樣性減少造成的用水負效益為：(5.48×10¹⁹sej)+(4.03×10²⁰sej)＝4.58×10²⁰sej；

③地下水超采負效益：鄭州市總GDP為4979億元，總?cè)丝跒?857385人，總面積為7446km²，由此計算可得地均GDP為(4979億元)/(7446km²)＝6687萬元/km²、人口密度為(8857385人)/(7446km²)＝1189人/km²，即由公式可得，地下水超采經(jīng)濟損失的復(fù)合參數(shù)為6687×(2/3)+1189×(1/3)＝4585萬元/km²；地下水超采年平均經(jīng)濟損失為(0.0011×(4585萬元/km²)+12.434)×(7446km²)＝130132萬元；

所以地下水超采造成的能值損失為：(130132萬元)×(19.33×10¹³sej/萬元)＝2.52×10¹⁹sej；

④環(huán)境污染負效益：化肥施用量為2.15×10⁸kg，單位化肥施用的環(huán)境成本為2.65×10¹¹sej/kg，所以化肥使用造成的環(huán)境能值損失為(2.15×10⁸kg)×(2.65×10¹¹sej/kg)＝5.70×10¹⁹sej；

畜牧業(yè)排放污水量為3.41×10⁶m³，水污染損失能值轉(zhuǎn)換率為7.49×10¹²sej/m3，所以水污染造成的能值損失為(3.41×10⁶m³)×(7.49×10¹²sej/m³)＝2.55×10¹⁹，

所以環(huán)境污染造成的負效益為(5.70×10¹⁹sej)+(2.55×10¹⁹sej)＝8.25×10¹⁹sej；

由以上數(shù)據(jù)可知：農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水負效益為：(6.38×10¹⁸sej)+(4.58×10²⁰sej)+(2.52×10¹⁹sej)+(8.25×10¹⁹sej)＝5.72×10²⁰sej，數(shù)據(jù)記錄及分析結(jié)果如表3所示：

表3鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水負效益的分析記錄

上述計算結(jié)果表明，鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水的正效益為1.62×10²¹sej，負效益為5.73×10²⁰sej，即負效益占正效益的35.37％，即鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水過程中存在較大的用水負效益，需要加強農(nóng)業(yè)用水的調(diào)節(jié)，合理利用水資源以達到節(jié)約用水的目的。即本發(fā)明通過將農(nóng)業(yè)用水正效益與用水負效益進行度量統(tǒng)一，更好的了解了在農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中，用水負效益在整個系統(tǒng)中所占的份額以及對整個系統(tǒng)的影響。若是沒有兩者的度量統(tǒng)一，則無法得到農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟用水正效益以及負效益在整個系統(tǒng)中占的份額，無法進行更好的判斷。

在農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)負效益中，生物多樣性減少負效益是由于用水過程中造成的水質(zhì)污染在一定程度上損壞了河流的自凈能力，使河水理化性質(zhì)惡化，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)動植物品種更加單一，進一步加劇了生態(tài)多樣性的破壞與喪失，進而造成嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)失調(diào)。種植業(yè)與畜牧業(yè)生產(chǎn)造成的環(huán)境污染負效益是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理帶來的弊端。地下水超采部分，是因為地下水超采會引起地下水位的變化，其上升或下降會直接導(dǎo)致水土、水鹽平衡失調(diào)，土壤質(zhì)量下降，造成土地荒漠化、鹽漬化、生態(tài)植被退化的嚴(yán)重問題。水土流失負效益說明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料投入量大且利用效率較低，浪費了大量能值資源。因此可以通過采取合理開采地下水、有效控制不可更新資源的投入及使用方面的手段、達到節(jié)約用水的目的。該結(jié)果說明：鄭州市農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)用水在取得正效益的同時也帶來了較大的用水負效益。