中国农业科学 2005,38(5):983-989 Scientia Agricultura Sinica
农业生态系统生产力的概念及其度量方法
朱万斌，邱化蛟，常 欣，程 序
2
(1世界持续农业协会中国中心，北京 100094; 中国农业大学农学与生物技术学院，北京 100094)
1122
摘要：生产力是农业生态系统的核心问题之一，其概念与计量方法对人类认识农业生产具有决定性的意义。目前农业生产力概念的界定及其度量方法已经与飞速发展的农业生产严重脱节，导致对农业生产的功能与价值普遍认识不全面，造成许多有致命弱点的农业生产方式因短期经济效益掩盖了严重的生态环境问题而迅速扩张，和许多生态效益良好但是直接经济效益不显著的农业生产方式难以为继。本研究在厘清近一百年间农业生产属性和特征变化的基础上，界定了生态系统尺度上的农业生态系统生产力概念，并引入能值和最大潜能两种分析法，给出了农业生态系统的总成本、生产力、耦合度等的计量公式，把农业生产占用的自然资本与人工投入，生产的目标产品与生产过程造成的环境影响纳入到同一个框架下进行统一的计算。
关键词：农业生态系统；生产力；能值；最大潜能
The Concept of Agricultural Productivity on Ecosystem
Scale and Its Measurement
ZHU Wan-bin1, QIU Hua-jiao1, CHANG Xin2, CHENG Xu2
(1China Branch of the World Sustainable Agriculture Association, Beijing 100094;
2
College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100094)
Abstract: What is the connotation and the extension of the productivity concept and how to calculate it are the core problems in evaluating an agricultural production process. The attributes of agricultural production processes have changed greatly in the last 100 years, and the methods to describe and measure the productivity failed to keep up with, resulting in a totally vague, incomplete valuation of the production processes. Sometimes the serious pollution is missed behind shortdated money making, bringing along a blooming and flooding polluting; sometimes the great ecological benefits are ignored and the corresponding production processes are died from “economic deficit”. With the old agricultural productivity indices, it can’t be told what an agroecosytem is ultimately producing to mankind, pollution or welfare. A new concept, Agricultural Productivity on Ecosystem Scale(APES) and the related indices are defined here to solve these problems. Emergy and exergy are introduced to help the measurement of the indices. Emergy is the memory of energy, can be used to measure the total cost, including natural capital and social capital. APES of the agroecosystem is the aggregated contributions of all components to mankind and its habitat in uniformed dimensions, may be expressed in material, energy, information, organization or pollution, damage etc., positive or negative, are calculated based on exergy methods. And a related index Agroecological Coupling Degree(ACD)shows sustainability.
Key words: Agroecosystem; Productivity; Emergy; Exergy
1 农业生态系统生产力的概念
1.1 农业生产本质属性的变化
生产力是农业生产的本质性特征[1]。生产力的界定与计量方法对于农业生产体系的现状评价和发展导向具有非常关键的意义。过去一百年中，农业科学技
收稿日期：2004-09-23
基金项目：国家“973”项目（G2000018606）资助 作者简介：朱万斌（1976-），男，湖北房县人，博士研究生。Tel: 010-62731286；E-mail: [email protected]。程序为通讯作者，Tel: 010-62731286；
E-mail: [email protected]
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术和农业生产发展迅速，导致农业生产的特点和属性发生了根本性的变化，主要表现如下。
（1）农业生产的服务功能多样化。社会经济的发展促使农业生产的目标越来越多样化；生态文明意识的增强，引导人类对农业生态系统功能的认识越来越深化。从最初的提供谷物、蔬菜、水果，肉、蛋、奶产品，丝、棉等传统工业原料，到20世纪后半叶出现的性质各异的观光、休闲型都市农业，农业生态系统承担着越来越多样化的社会服务功能。农作物副产品还具有很高的能源开发价值 [2]。事实上，专门生产能源作物的农场正在飞速成长，据研究，随着化石能源和不可更新资源的耗竭，未来农业将成为可再生、可降解的生物物质材料和能源的主要提供者。除这些直接经济与社会效益之外，农业生态系统还具有水土保持、吸持温室气体、降解垃圾等生态功能。美国德州等部分地区已经在尝试支付农田吸持CO 2的生态服务费用，某些发达国家已与农业为主的发展中国家进行CO 2排放权的交易。农田对于全球C 循环的作用也正在积极研究中。农业早已不仅限于生产衣、食等人类基本生存资料，其服务功能正在扩展到人类生活的几乎所有领域。
（2）农业生产过程对环境的影响成为产出的重要组成部分。必须看到，在全世界享受温饱的人口比例越来越大、营养水平越来越高的同时，人类付出了重大的生态环境代价。农业生产引起的环境问题已经对全球生态环境和人类生活造成了非常大的影响。土地荒漠化和沙尘暴的加剧、面源污染、地下水资源耗竭等全球生态灾难，都与农业生产有着直接的关系。环境健康、资源存量的维护、资源质量的改善已经与农业生产的目标产品不可分割的捆绑在了一起。仅仅以单位土地生产出了多少粮食，和一个养殖场生产出了多少牲畜衡量其生产结果，已经远远不能说明生产过程带来的实际综合效益。例如一些养殖场造成的污染需要数十年的时间、成千上万倍于其经济效益的投入才能治理好；而生态脆弱区的滥垦滥牧则会引发全球性的生态危机。当然，农业生产过程的环境影响也可能是积极的，比如一些农业水保工程产生的生态效益能数倍于其直接经济效益。
（3）自然资本成为农业生产的重要成本。传统意义上的农业生产成本，主要包括人为投入的物质、能量与服务。近年来随着人类探索和开发自然的深入，资源的消耗速度惊人，不仅仅限于那些不可更新资源范畴。日益显露的供需矛盾，使人们逐步认识到，自
然资本都是社会真正的财富，也是人类福利直接或间接的巨大贡献者，应该把它们作为正式的生产成本来看待[3]。E. P. Odum在《基础生态学》中就曾经指出，农业生态系统与自然生态系统的最本质区别就在于物质和能量被大量移出，因而用于维持和修复系统的质能很少，这是造成生态脆弱区环境恶化的根源 [4]。这说明，农业生产占用了自然资本，造成生态退化和环境恶化，包含着不可忽视的生态机会成本，尽管在很多农业生态系统中这个矛盾没有很明显的暴露出来。过去那些没有引起注意的太阳光、雨水等农业生产的要素，和农药、化肥、种子以及人工和机械能一样，是农业生产的重要成本。
总之，现代农业已远不止于利用动植物机能来生产人类生存的基本资料。现实的农业生产运行模式是，投入光、热、水、土等自然资源，肥力、药品、机械功、人工、饲料等，经过生态系统的生物化学过程，生产出物质产品、信息和服务功能，以及环境影响。其成本不仅包括各种人工投入，也包括自然资本，其产出不仅包括显性的物资，隐性的信息和服务，还包括对环境的影响。
1.2 农业生态系统功能与价值评价中的问题
与对农业生态系统的基本属性的认识飞速发展不协调的是，我们在估测其状态、评价其功能、衡量其价值的方法上，却存在概念界定模糊、方法落后等严重问题。多年来一直沿用的谷物产量、营养物质含量、含能量，以及经济效益和其它指标，都已经难以表现出当今农业生产的本质和综合价值。主要问题有：
（1）难以衡量新功能。农业生态系统的某些新功能与服务无法用传统的方法和指标衡量，如环境健康和生态服务的贡献、观赏休闲价值等。尽管某些功能，比如农田吸持温室气体的服务价值，已经在尝试用市场价值进行具体计算，但依然是挂一漏万，不能说明农业生态系统的综合功能与价值。
（2）难以说清生产过程的实际成本。过去的核算主要是考虑人为投入，对生产过程中占用的自然资本部分没有进行统一核算。关键在于各种投入的质和量差别很大，单位不一致，用传统的量纲根本无法进行计算，比如，雨水+化肥，用谁的单位来表示都不合适。
（3）忽视了生产过程造成的环境影响。一种生产往往导致环境的无序化，甚至是污染和破坏。这种无序化是目标产品的副产品，多数是有损于生态环境健康和人类福利的，有的还相当严重，甚至超过了目标
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产品的服务与价值。而这部分影响以往大都没有计算，造成人们普遍只看到显性的目标产品，而对隐性的环境危害的估计不足，对生态方面的影响也熟视无睹。
（4）标准不统一，难以比较。过去的衡量标准主要是针对某一项产品和服务的，或者某方面指标的。由于衡量产出的单位不统一，不能说明性质不同的两个农业生态系统的差别。比如生产100 t牧草与生产10 t羊肉，哪一个更优化一些，根本不能进行比较。这样，在面对一个变化的农业生态系统的时候，就不能够定量的说明变化前后孰优孰劣。
因此，由于仅考虑单项产出或者某些服务与功能，再加上衡量成本与产出的量纲不统一，导致对一系列问题认识不清：一个农业生态系统到底是否可持续发展，或者到底是为人类生产了福利，还是让人类支付了巨额的环境代价；也难以说明一个变革的农业生态系统，其变革方向到底是进步的，还是退化的。 1.3 农业生态系统生产力的概念
为了明确农业生产过程的生态属性和系统特性，客观和完整地评价农业生态系统的功能和价值，程序等曾经尝试提出了“农牧交错带农业生态系统生产力”的术语[5]，现在此基础上将其拓展界定为用于科学测度农业综合生产力的一般概念。农业生态系统生产力是用统一量纲表示的农业生态系统保持自身健康的能力与为人类社会提供物质、能量、信息和生态服务能力的总和。实质上这是在生态系统尺度上的综合生产力，其英文表述为agricultural productivity on ecosystem scale，简称APES ，以区别于由ecosystem productivity 派生出来的agroecosystem productivity。
农业生态系统生产力不同于以往用质量单位、货币单位或者简单指标表示的农业生产力。其成本包括自然资本和社会资本两个方面，其产出包括一切具有食物、材料、能源、休闲等支持功能的物质和对环境的正面或负面影响。为了把不同质、量的投入和产出放到同一个框架下同以计量和比较，必须要借助一些能够统一衡量物质、能量、生态服务的量纲。
2 农业生态系统生产力计量的理论
基础
2.1 能值（Emergy ，简写为E m ）
1987年H. T. Odum提出能值（Emergy ，其拼写含字母m ，区别于Energy ）概念，它是以太阳能焦耳（sej ）表示的生产一定数量有效能（available energy）所使用的有效能的总和。能值是一种流动或储存的能
量中所包含（embodied ）的另一种能量的数量，即产品或劳务形成过程中直接或间接投入应用的有效能总量，其基本单位是太阳能焦耳（sej ）[6~8]。人类所有的真实财富（Real Wealth）, 即一切“有用”的产品，都是自然机制或在人力参与下，通过做功从环境中生产出来的。而人力本身也来自于自然，所以追溯一种产品或服务的产生历史，都可以把其中任何一个环节的投入转换成所包含的太阳能数量。根据热力学第二定律，任何能量的传递和转换过程中，都伴随着能量耗散，同一系统不同能量等级上形成相同数量的能量所耗费的太阳能不同，用能值转换率（solar transformity ）表示，其单位为sej·j-1。随着能量等级的升高，能值转换率逐步升高，而实际获得的有效能则逐步减少。
能值的计算规则是，系统所有的直接和间接投入都要计入其产出的能值，所以，能值不是现实含有能量的数量，而是能量的记忆 [7]，用过的能量总和，实际上是系统运行的总成本，既包括太阳光、雨水等自然资本，也包括人工投入的物资和服务。借用能值的概念和能值分析法（emergy evaluation），可以定量描述农业生态系统运行的总成本。 2.2 最大潜能（Exergy, 简写为E x ）
最大潜能是一个远离平衡态的系统退化到参考系的热力学平衡态时，可释放出的最大熵值，亦即系统距离热力学平衡态的熵距[9]。1969年Evans 定义为
E x
=S (T −T 0) −V (p −p 0) +∑i
N i (μi −μ0i ) (1)
=T (S −S eq ) （2）
其中T ，p 和µi ；T 0，p 0和µoi 分别是所研究系统与参照系的绝对温度、气压与化学潜能；V 是体积，N 是不同化学物质的分子数量；S 是研究对象系统的熵，S eq 是该系统达到热力学平衡状态时系统的熵。
最大潜能是系统组织程度的一个参数，代表系统包括组织状态在内的所有组分可释放出的生物化学能的数量 [10]。
可以表述为一定数量的能量可以产生多少熵，或者说，一个系统退化到热力学平衡状态时最大可能释放出的能量[11]。Evans 的公式在计算复杂生态系统时遇到很多难题，Meyer 和Jorgenson （1979）提出了专用于计算高度组织含复杂有机物生态系统的最大潜能计算公式：
E eq x =RT ∑i
[C i ln(C i /C i ) +(C i −C i eq )] (3)
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式中，R 是气体常数，T 是绝对温度，C i 和C i eq
分别是系统中的第i 组分在所研究状态和处于热力学平衡态时的浓度。
C i eq 是一种生物复杂性（组织程度）的特征量，因为基因数量和生物的复杂性之间有显著的相关性（Li and Grauer,1991），所以C i eq 极可能是一个与系统组分DNA 中基因数量有关的变量[12]。
最大潜能（E x ）是一个远离平衡态的系统影响环境的最大潜在能力，可用于描述系统的复杂性与组织程度，（1）、（2）式适合分析无机环境，（3）式尤其适合分析生态系统，而且包含有组分的层次信息（S. Bastianoni,1998）[12]。这个特性与农业生态系统的产出实质，即影响环境的综合能力相吻合，所以借用这个概念，可以定量的描述农业生态系统的产出水平。近年来，对最大潜能的研究[13,14]和使用最大潜能作为产出[15,16]、服务[17]或者效率指标[18]的研究逐渐增加。
3 农业生态系统生产力的计量方法
3.1 农业生态系统的总成本（agroecological total cost,
简称ATC ，记为C at ）
把农业生产的占用的自然资本和人为投入加在一起，就是农业生态系统的总成本。它是农业生态系统为了生产出目标产品，同时也造成环境紊乱或者生态健康变化的所有代价。为显示生产所消耗的真正财富，并为了统一量纲，用能值法计算：
C at
=∑i
E mi （4）
式中，E mi 是第i 项投入的能值；C at 的单位是太阳能焦尔（sej ）。农业生产占用的自然资本有光、热、土壤、水、风等；社会资本有人力、种子、化肥、农药、畜力、机械能、生长调节剂等。
3.2 农业生态系统的毛产出（agroecological gross
output, 简称AGO ，记为O ag ）
农业生态系统目标产品的支持与服务能力就是农业生态系统的毛产出。因为在期望上，目标产品对人类社会是有益的，无论是有益还是有害，最终都要通过做功，从而影响或者改变环境来实现，所以AGO 实质上农业生态系统（建设性的）影响环境的能力。之所以这里称为毛产出，是因为生产过程产生的环境影响能力不止目标产品这一种，这仅是一种显性的，或者说是表观性的环境影响力。一个生态系统完全不具备影响环境能力的时候，只能是达到参考系统的热力学平衡态时。所以AGO 的客观值应该是最大潜能，
尽管一般限于利用方式的关系，最大潜能只能被部分的实现。由于农业生态系统的目标产品主要是生物部分（标记为E xb ），所以此处使用（3）式来计算：
O ag =RT ∑i
[C i ln(C i /C i eq ) +(C i −C i eq
)] (5)
其中，R 是气体常数，T 是绝对温度，C i 和C i eq
分别是系统中的第i 组分在研究状态下和处于热力学平衡态时的浓度；AGO 的单位是焦尔。
3.3 环境损耗（environment depletion, 简称ED ，记
为D e ）
一般生产过程会直接导致环境的无序化，甚至造成污染和损害，这其实也是一种影响环境的能力，不过一般更为隐蔽和缓慢，而且其影响的结果是与我们的期望相反的破坏性的，我们称之为环境损耗。由于这种损耗主要发生在生态系统的环境部分，例如，富营养化作用、有毒有害作用等，所以用生产开始与结束时生态系统的环境组分的最大潜能之差来表示，即生产过程之前的环境最大潜能减去末期环境组分的最大潜能。由于这部分主要是涉及环境方面（标记为E xe ），所以用（1）式来计算：
D e =△E xe =E xe0-E xei （6）
E
=S (T −T 0) m
xe −V (p −p 0) +∑i
(−1) N i (μi −μ0i )
（7）
其中E xe 、
E xei 分别是生产开始前和结束后环境部分的最大潜能，都用（7）式算；T ，p 和µi ；T 0，p 0和µo i 分别是所研究系统与各自参照系的绝对温度、气压与化学潜能；V 是体积，N 是不同化学物质的分子数量；ED 的单位是焦耳。由于在一般性的最大潜能计算中，是不考虑组分作用的利害性质的，但是考虑到生态环境健康因素，这里要特别说明的是，对于那些有害环境健康或者会造成污染的组分，其化学潜能应该是负值，加和时取其m =1；而对于那些对环境无害，不造成污染的组分，加和时取其m =2，化学潜能为正值。
在有些情况下，我们可能对环境的组分了解得不够详细，而不得不借用（2）式计算，表达式为：
E xe =(−1) m
T (S −S eq ) （8）
其中，S 是研究对象系统的熵，S eq 使该系统达到热力学平衡状态时系统的熵；此时，需要对环境健康状况做出诊断，如果是一个健康具有活性的环境，则取其m =2；如果环境遭到全面污染，或者重要的组分
5期 朱万斌等: 农业生态系统生产力的概念及其度量方法 987
是污染的，则取其m =1。
如果一个环境遭到损耗、损害与污染，即生产结束时的环境最大潜能值比初始小，环境损耗值是正数；如果相反，环境状况得到改善，功能得到增强，则生产结束时的环境最大潜能值比初始大，环境损耗值是负数。生产过程导致的污染和损害越严重，环境消耗的值就越大。
3.4 农业生态系统生产力（APES ，记为P ae ）
其实农业生产过程既生产了对环境有益的一面，就是对人类有用，能够提供物质、能量或者信息、服务的那一部分，同时也生产了破环环境、削弱环境在生产能力的一面，即对人类和自然生态都没有积极作用，而是会降低人类福利，损害生态健康的环境损耗。农业生态系统的支持功能、服务能力与其对环境的影响在本质上是相同的，前者是可支持生态系统趋向于更有序化，创造效益和福利；后者则起到相反的作用，农业生产过程的净产出应该是农业生态系统的毛产出与环境损耗之差。这个差值包含了产出的所有功能与作用方面，就是农业生态系统生产力。
P ae =O ag -D e
（9）
AGO 的单位是焦耳，一般是正值，当 O ag ＞D e
时，
P ae
为正值，说明生产过程创造了净效益； O ag ＝D e 时，P ae
为0，说明生产在系统尺度上是一个无效系统，没有创造净效益； 而当O ag ＜D e 时，说明生产在系统尺度上完全
是个污染源。
3.5 农业生态系统产出率(agroecological output ratio,
简称AOR ，记为R ao ) 与农业生态系统耦合度(agroecological coupling degree, 简称ACD ，记为D ac )
与经济学上的产投比相似，农业生态系统的产出率为：
O R =ag ao C
（10） at
AOR 的倒数也是很有意义的，表示为了产生或者维持单位熵距需要投入的能值数量，表示系统的生
产效率。与AOR 相对应的还有：
P
C （11） at
这个不是一般意义上的产投比，而是系统的总效率。这个指标表示了系统的总体复杂程度与组织程度。因为农业生态系统的组织程度实际上是一系列的耦合（coupling ），如自然环境与第一性生产的耦合、第二性生产与第一性生产的耦合等的总和[19]。笔者将式（11）定义为农业生态系统的耦合度（ACD ）。将式（9）代入式（11），得到
O D ag −D e ac
=
C （12）
at
当农业生态系统的目标产出越高，环境消耗越小，总成本越低，ACD 的值就越大。反过来说，ACD 的值就越大，就说明系统的总成本越低，环境消耗越小，有效产出越高，可持续发展能力就越强，所以ACD 可以作为农业生态系统可持续发展能力的评价指标。
ACD 的值域为（-1，1），越接近1，说明农业生态系统的可持续发展能力越高；等于零，说明农业生产在生态系统尺度上是一个无效系统，没有创造净效益；而小于零，说明生产在系统尺度上完全是污染和损害环境的，且越接近-1，污染越严重。
4 讨论
本文所界定的一系列概念和计量方法，初步构建出了统一量纲的农业生态系统生产力的定量化计算方法。这为算清一个农业生态系统到底是对人类有益的还是有害的，算清其净生产能力多大提供了思路；也为不同性质、不同时空下的农业生态系统进行统一比较，以甄别优劣提供了方法。这对于目前处于结构调整中的中国农业尤其重要，这些指标和方法使得定量化说明农业生产方式变革前后的效果变化成为可能，使得建立在定量计算基础上的农业生产结构调整的导向成为可能。
农业生产是具有时间和空间尺度的，本文没有涉及，只是以生态系统为基本单位来定义了各种概念和指标，在实际应用的时候，可以根据需要给与相应尺
度。比如，用APES 除以系统所占用的土地面积和生产时间，得到单位时间内单位面积上的农业生态系统生产力；除以系统体积和占用的生长季节，则可以得到单位生长季节内单位体积的农业生态系统生产力，
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这样就可以在不同的系统之间进行比较了。
本研究涉及的范围较广，提出的指标较多，很多是首次在农业生态领域提出，各个指标对于农业生产的实际意义的阐释和标志性界限值的确定，还需要做大量的实证研究。在农业生态系统生产力的计量的基础上，还需要进一步联系经济系统，采用适当的方法对农业生态系统生产力进行赋值，以给与每个农业生态系统符合其实际贡献的经济地位，来鼓励那些真正
对人类福利有贡献的生产方式，抑制那些表面热闹，实际让人类付出巨大生态代价的生产方式。
5 结论
考虑到农业生产对环境的需求与影响因素，农业生态系统的成本应该包含自然资本，其产出应该包括对环境的改变，农业生态系统的运行模式如图示。
图 农业生态系统运行模式
Fig. An operating model of modern agroecosystem production process
其中占用的自然资本与人工投入的总和就是农业生态系统的总成本（ATC ），用能值法计量；环境损耗（ED ）、目标产品（AGO ）本质上都是生产过程形成的环境影响力，用最大潜能来度量， AGO 与EDED 二者之差就是农业生态系统生产力（APES ）；系统的总效率用耦合度（ACD ）来表示，它是农业生态系统生产力与农业生态系统总成本之商，标志着一个农业生态系统耗费资源、损耗环境与净产出能力的大小，可以作为农业生态系统可持续发展能力的指标。
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(责任编辑 王 芳)
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关键词：农业生态系统；生产力；能值；最大潜能
The Concept of Agricultural Productivity on Ecosystem
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(1China Branch of the World Sustainable Agriculture Association, Beijing 100094;
2
College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100094)
Abstract: What is the connotation and the extension of the productivity concept and how to calculate it are the core problems in evaluating an agricultural production process. The attributes of agricultural production processes have changed greatly in the last 100 years, and the methods to describe and measure the productivity failed to keep up with, resulting in a totally vague, incomplete valuation of the production processes. Sometimes the serious pollution is missed behind shortdated money making, bringing along a blooming and flooding polluting; sometimes the great ecological benefits are ignored and the corresponding production processes are died from “economic deficit”. With the old agricultural productivity indices, it can’t be told what an agroecosytem is ultimately producing to mankind, pollution or welfare. A new concept, Agricultural Productivity on Ecosystem Scale(APES) and the related indices are defined here to solve these problems. Emergy and exergy are introduced to help the measurement of the indices. Emergy is the memory of energy, can be used to measure the total cost, including natural capital and social capital. APES of the agroecosystem is the aggregated contributions of all components to mankind and its habitat in uniformed dimensions, may be expressed in material, energy, information, organization or pollution, damage etc., positive or negative, are calculated based on exergy methods. And a related index Agroecological Coupling Degree(ACD)shows sustainability.
Key words: Agroecosystem; Productivity; Emergy; Exergy
1 农业生态系统生产力的概念
1.1 农业生产本质属性的变化
生产力是农业生产的本质性特征[1]。生产力的界定与计量方法对于农业生产体系的现状评价和发展导向具有非常关键的意义。过去一百年中，农业科学技
收稿日期：2004-09-23
基金项目：国家“973”项目（G2000018606）资助 作者简介：朱万斌（1976-），男，湖北房县人，博士研究生。Tel: 010-62731286；E-mail: [email protected]。程序为通讯作者，Tel: 010-62731286；
E-mail: [email protected]
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术和农业生产发展迅速，导致农业生产的特点和属性发生了根本性的变化，主要表现如下。
（1）农业生产的服务功能多样化。社会经济的发展促使农业生产的目标越来越多样化；生态文明意识的增强，引导人类对农业生态系统功能的认识越来越深化。从最初的提供谷物、蔬菜、水果，肉、蛋、奶产品，丝、棉等传统工业原料，到20世纪后半叶出现的性质各异的观光、休闲型都市农业，农业生态系统承担着越来越多样化的社会服务功能。农作物副产品还具有很高的能源开发价值 [2]。事实上，专门生产能源作物的农场正在飞速成长，据研究，随着化石能源和不可更新资源的耗竭，未来农业将成为可再生、可降解的生物物质材料和能源的主要提供者。除这些直接经济与社会效益之外，农业生态系统还具有水土保持、吸持温室气体、降解垃圾等生态功能。美国德州等部分地区已经在尝试支付农田吸持CO 2的生态服务费用，某些发达国家已与农业为主的发展中国家进行CO 2排放权的交易。农田对于全球C 循环的作用也正在积极研究中。农业早已不仅限于生产衣、食等人类基本生存资料，其服务功能正在扩展到人类生活的几乎所有领域。
（2）农业生产过程对环境的影响成为产出的重要组成部分。必须看到，在全世界享受温饱的人口比例越来越大、营养水平越来越高的同时，人类付出了重大的生态环境代价。农业生产引起的环境问题已经对全球生态环境和人类生活造成了非常大的影响。土地荒漠化和沙尘暴的加剧、面源污染、地下水资源耗竭等全球生态灾难，都与农业生产有着直接的关系。环境健康、资源存量的维护、资源质量的改善已经与农业生产的目标产品不可分割的捆绑在了一起。仅仅以单位土地生产出了多少粮食，和一个养殖场生产出了多少牲畜衡量其生产结果，已经远远不能说明生产过程带来的实际综合效益。例如一些养殖场造成的污染需要数十年的时间、成千上万倍于其经济效益的投入才能治理好；而生态脆弱区的滥垦滥牧则会引发全球性的生态危机。当然，农业生产过程的环境影响也可能是积极的，比如一些农业水保工程产生的生态效益能数倍于其直接经济效益。
（3）自然资本成为农业生产的重要成本。传统意义上的农业生产成本，主要包括人为投入的物质、能量与服务。近年来随着人类探索和开发自然的深入，资源的消耗速度惊人，不仅仅限于那些不可更新资源范畴。日益显露的供需矛盾，使人们逐步认识到，自
然资本都是社会真正的财富，也是人类福利直接或间接的巨大贡献者，应该把它们作为正式的生产成本来看待[3]。E. P. Odum在《基础生态学》中就曾经指出，农业生态系统与自然生态系统的最本质区别就在于物质和能量被大量移出，因而用于维持和修复系统的质能很少，这是造成生态脆弱区环境恶化的根源 [4]。这说明，农业生产占用了自然资本，造成生态退化和环境恶化，包含着不可忽视的生态机会成本，尽管在很多农业生态系统中这个矛盾没有很明显的暴露出来。过去那些没有引起注意的太阳光、雨水等农业生产的要素，和农药、化肥、种子以及人工和机械能一样，是农业生产的重要成本。
总之，现代农业已远不止于利用动植物机能来生产人类生存的基本资料。现实的农业生产运行模式是，投入光、热、水、土等自然资源，肥力、药品、机械功、人工、饲料等，经过生态系统的生物化学过程，生产出物质产品、信息和服务功能，以及环境影响。其成本不仅包括各种人工投入，也包括自然资本，其产出不仅包括显性的物资，隐性的信息和服务，还包括对环境的影响。
1.2 农业生态系统功能与价值评价中的问题
与对农业生态系统的基本属性的认识飞速发展不协调的是，我们在估测其状态、评价其功能、衡量其价值的方法上，却存在概念界定模糊、方法落后等严重问题。多年来一直沿用的谷物产量、营养物质含量、含能量，以及经济效益和其它指标，都已经难以表现出当今农业生产的本质和综合价值。主要问题有：
（1）难以衡量新功能。农业生态系统的某些新功能与服务无法用传统的方法和指标衡量，如环境健康和生态服务的贡献、观赏休闲价值等。尽管某些功能，比如农田吸持温室气体的服务价值，已经在尝试用市场价值进行具体计算，但依然是挂一漏万，不能说明农业生态系统的综合功能与价值。
（2）难以说清生产过程的实际成本。过去的核算主要是考虑人为投入，对生产过程中占用的自然资本部分没有进行统一核算。关键在于各种投入的质和量差别很大，单位不一致，用传统的量纲根本无法进行计算，比如，雨水+化肥，用谁的单位来表示都不合适。
（3）忽视了生产过程造成的环境影响。一种生产往往导致环境的无序化，甚至是污染和破坏。这种无序化是目标产品的副产品，多数是有损于生态环境健康和人类福利的，有的还相当严重，甚至超过了目标
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产品的服务与价值。而这部分影响以往大都没有计算，造成人们普遍只看到显性的目标产品，而对隐性的环境危害的估计不足，对生态方面的影响也熟视无睹。
（4）标准不统一，难以比较。过去的衡量标准主要是针对某一项产品和服务的，或者某方面指标的。由于衡量产出的单位不统一，不能说明性质不同的两个农业生态系统的差别。比如生产100 t牧草与生产10 t羊肉，哪一个更优化一些，根本不能进行比较。这样，在面对一个变化的农业生态系统的时候，就不能够定量的说明变化前后孰优孰劣。
因此，由于仅考虑单项产出或者某些服务与功能，再加上衡量成本与产出的量纲不统一，导致对一系列问题认识不清：一个农业生态系统到底是否可持续发展，或者到底是为人类生产了福利，还是让人类支付了巨额的环境代价；也难以说明一个变革的农业生态系统，其变革方向到底是进步的，还是退化的。 1.3 农业生态系统生产力的概念
为了明确农业生产过程的生态属性和系统特性，客观和完整地评价农业生态系统的功能和价值，程序等曾经尝试提出了“农牧交错带农业生态系统生产力”的术语[5]，现在此基础上将其拓展界定为用于科学测度农业综合生产力的一般概念。农业生态系统生产力是用统一量纲表示的农业生态系统保持自身健康的能力与为人类社会提供物质、能量、信息和生态服务能力的总和。实质上这是在生态系统尺度上的综合生产力，其英文表述为agricultural productivity on ecosystem scale，简称APES ，以区别于由ecosystem productivity 派生出来的agroecosystem productivity。
农业生态系统生产力不同于以往用质量单位、货币单位或者简单指标表示的农业生产力。其成本包括自然资本和社会资本两个方面，其产出包括一切具有食物、材料、能源、休闲等支持功能的物质和对环境的正面或负面影响。为了把不同质、量的投入和产出放到同一个框架下同以计量和比较，必须要借助一些能够统一衡量物质、能量、生态服务的量纲。
2 农业生态系统生产力计量的理论
基础
2.1 能值（Emergy ，简写为E m ）
1987年H. T. Odum提出能值（Emergy ，其拼写含字母m ，区别于Energy ）概念，它是以太阳能焦耳（sej ）表示的生产一定数量有效能（available energy）所使用的有效能的总和。能值是一种流动或储存的能
量中所包含（embodied ）的另一种能量的数量，即产品或劳务形成过程中直接或间接投入应用的有效能总量，其基本单位是太阳能焦耳（sej ）[6~8]。人类所有的真实财富（Real Wealth）, 即一切“有用”的产品，都是自然机制或在人力参与下，通过做功从环境中生产出来的。而人力本身也来自于自然，所以追溯一种产品或服务的产生历史，都可以把其中任何一个环节的投入转换成所包含的太阳能数量。根据热力学第二定律，任何能量的传递和转换过程中，都伴随着能量耗散，同一系统不同能量等级上形成相同数量的能量所耗费的太阳能不同，用能值转换率（solar transformity ）表示，其单位为sej·j-1。随着能量等级的升高，能值转换率逐步升高，而实际获得的有效能则逐步减少。
能值的计算规则是，系统所有的直接和间接投入都要计入其产出的能值，所以，能值不是现实含有能量的数量，而是能量的记忆 [7]，用过的能量总和，实际上是系统运行的总成本，既包括太阳光、雨水等自然资本，也包括人工投入的物资和服务。借用能值的概念和能值分析法（emergy evaluation），可以定量描述农业生态系统运行的总成本。 2.2 最大潜能（Exergy, 简写为E x ）
最大潜能是一个远离平衡态的系统退化到参考系的热力学平衡态时，可释放出的最大熵值，亦即系统距离热力学平衡态的熵距[9]。1969年Evans 定义为
E x
=S (T −T 0) −V (p −p 0) +∑i
N i (μi −μ0i ) (1)
=T (S −S eq ) （2）
其中T ，p 和µi ；T 0，p 0和µoi 分别是所研究系统与参照系的绝对温度、气压与化学潜能；V 是体积，N 是不同化学物质的分子数量；S 是研究对象系统的熵，S eq 是该系统达到热力学平衡状态时系统的熵。
最大潜能是系统组织程度的一个参数，代表系统包括组织状态在内的所有组分可释放出的生物化学能的数量 [10]。
可以表述为一定数量的能量可以产生多少熵，或者说，一个系统退化到热力学平衡状态时最大可能释放出的能量[11]。Evans 的公式在计算复杂生态系统时遇到很多难题，Meyer 和Jorgenson （1979）提出了专用于计算高度组织含复杂有机物生态系统的最大潜能计算公式：
E eq x =RT ∑i
[C i ln(C i /C i ) +(C i −C i eq )] (3)
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式中，R 是气体常数，T 是绝对温度，C i 和C i eq
分别是系统中的第i 组分在所研究状态和处于热力学平衡态时的浓度。
C i eq 是一种生物复杂性（组织程度）的特征量，因为基因数量和生物的复杂性之间有显著的相关性（Li and Grauer,1991），所以C i eq 极可能是一个与系统组分DNA 中基因数量有关的变量[12]。
最大潜能（E x ）是一个远离平衡态的系统影响环境的最大潜在能力，可用于描述系统的复杂性与组织程度，（1）、（2）式适合分析无机环境，（3）式尤其适合分析生态系统，而且包含有组分的层次信息（S. Bastianoni,1998）[12]。这个特性与农业生态系统的产出实质，即影响环境的综合能力相吻合，所以借用这个概念，可以定量的描述农业生态系统的产出水平。近年来，对最大潜能的研究[13,14]和使用最大潜能作为产出[15,16]、服务[17]或者效率指标[18]的研究逐渐增加。
3 农业生态系统生产力的计量方法
3.1 农业生态系统的总成本（agroecological total cost,
简称ATC ，记为C at ）
把农业生产的占用的自然资本和人为投入加在一起，就是农业生态系统的总成本。它是农业生态系统为了生产出目标产品，同时也造成环境紊乱或者生态健康变化的所有代价。为显示生产所消耗的真正财富，并为了统一量纲，用能值法计算：
C at
=∑i
E mi （4）
式中，E mi 是第i 项投入的能值；C at 的单位是太阳能焦尔（sej ）。农业生产占用的自然资本有光、热、土壤、水、风等；社会资本有人力、种子、化肥、农药、畜力、机械能、生长调节剂等。
3.2 农业生态系统的毛产出（agroecological gross
output, 简称AGO ，记为O ag ）
农业生态系统目标产品的支持与服务能力就是农业生态系统的毛产出。因为在期望上，目标产品对人类社会是有益的，无论是有益还是有害，最终都要通过做功，从而影响或者改变环境来实现，所以AGO 实质上农业生态系统（建设性的）影响环境的能力。之所以这里称为毛产出，是因为生产过程产生的环境影响能力不止目标产品这一种，这仅是一种显性的，或者说是表观性的环境影响力。一个生态系统完全不具备影响环境能力的时候，只能是达到参考系统的热力学平衡态时。所以AGO 的客观值应该是最大潜能，
尽管一般限于利用方式的关系，最大潜能只能被部分的实现。由于农业生态系统的目标产品主要是生物部分（标记为E xb ），所以此处使用（3）式来计算：
O ag =RT ∑i
[C i ln(C i /C i eq ) +(C i −C i eq
)] (5)
其中，R 是气体常数，T 是绝对温度，C i 和C i eq
分别是系统中的第i 组分在研究状态下和处于热力学平衡态时的浓度；AGO 的单位是焦尔。
3.3 环境损耗（environment depletion, 简称ED ，记
为D e ）
一般生产过程会直接导致环境的无序化，甚至造成污染和损害，这其实也是一种影响环境的能力，不过一般更为隐蔽和缓慢，而且其影响的结果是与我们的期望相反的破坏性的，我们称之为环境损耗。由于这种损耗主要发生在生态系统的环境部分，例如，富营养化作用、有毒有害作用等，所以用生产开始与结束时生态系统的环境组分的最大潜能之差来表示，即生产过程之前的环境最大潜能减去末期环境组分的最大潜能。由于这部分主要是涉及环境方面（标记为E xe ），所以用（1）式来计算：
D e =△E xe =E xe0-E xei （6）
E
=S (T −T 0) m
xe −V (p −p 0) +∑i
(−1) N i (μi −μ0i )
（7）
其中E xe 、
E xei 分别是生产开始前和结束后环境部分的最大潜能，都用（7）式算；T ，p 和µi ；T 0，p 0和µo i 分别是所研究系统与各自参照系的绝对温度、气压与化学潜能；V 是体积，N 是不同化学物质的分子数量；ED 的单位是焦耳。由于在一般性的最大潜能计算中，是不考虑组分作用的利害性质的，但是考虑到生态环境健康因素，这里要特别说明的是，对于那些有害环境健康或者会造成污染的组分，其化学潜能应该是负值，加和时取其m =1；而对于那些对环境无害，不造成污染的组分，加和时取其m =2，化学潜能为正值。
在有些情况下，我们可能对环境的组分了解得不够详细，而不得不借用（2）式计算，表达式为：
E xe =(−1) m
T (S −S eq ) （8）
其中，S 是研究对象系统的熵，S eq 使该系统达到热力学平衡状态时系统的熵；此时，需要对环境健康状况做出诊断，如果是一个健康具有活性的环境，则取其m =2；如果环境遭到全面污染，或者重要的组分
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是污染的，则取其m =1。
如果一个环境遭到损耗、损害与污染，即生产结束时的环境最大潜能值比初始小，环境损耗值是正数；如果相反，环境状况得到改善，功能得到增强，则生产结束时的环境最大潜能值比初始大，环境损耗值是负数。生产过程导致的污染和损害越严重，环境消耗的值就越大。
3.4 农业生态系统生产力（APES ，记为P ae ）
其实农业生产过程既生产了对环境有益的一面，就是对人类有用，能够提供物质、能量或者信息、服务的那一部分，同时也生产了破环环境、削弱环境在生产能力的一面，即对人类和自然生态都没有积极作用，而是会降低人类福利，损害生态健康的环境损耗。农业生态系统的支持功能、服务能力与其对环境的影响在本质上是相同的，前者是可支持生态系统趋向于更有序化，创造效益和福利；后者则起到相反的作用，农业生产过程的净产出应该是农业生态系统的毛产出与环境损耗之差。这个差值包含了产出的所有功能与作用方面，就是农业生态系统生产力。
P ae =O ag -D e
（9）
AGO 的单位是焦耳，一般是正值，当 O ag ＞D e
时，
P ae
为正值，说明生产过程创造了净效益； O ag ＝D e 时，P ae
为0，说明生产在系统尺度上是一个无效系统，没有创造净效益； 而当O ag ＜D e 时，说明生产在系统尺度上完全
是个污染源。
3.5 农业生态系统产出率(agroecological output ratio,
简称AOR ，记为R ao ) 与农业生态系统耦合度(agroecological coupling degree, 简称ACD ，记为D ac )
与经济学上的产投比相似，农业生态系统的产出率为：
O R =ag ao C
（10） at
AOR 的倒数也是很有意义的，表示为了产生或者维持单位熵距需要投入的能值数量，表示系统的生
产效率。与AOR 相对应的还有：
P
C （11） at
这个不是一般意义上的产投比，而是系统的总效率。这个指标表示了系统的总体复杂程度与组织程度。因为农业生态系统的组织程度实际上是一系列的耦合（coupling ），如自然环境与第一性生产的耦合、第二性生产与第一性生产的耦合等的总和[19]。笔者将式（11）定义为农业生态系统的耦合度（ACD ）。将式（9）代入式（11），得到
O D ag −D e ac
=
C （12）
at
当农业生态系统的目标产出越高，环境消耗越小，总成本越低，ACD 的值就越大。反过来说，ACD 的值就越大，就说明系统的总成本越低，环境消耗越小，有效产出越高，可持续发展能力就越强，所以ACD 可以作为农业生态系统可持续发展能力的评价指标。
ACD 的值域为（-1，1），越接近1，说明农业生态系统的可持续发展能力越高；等于零，说明农业生产在生态系统尺度上是一个无效系统，没有创造净效益；而小于零，说明生产在系统尺度上完全是污染和损害环境的，且越接近-1，污染越严重。
4 讨论
本文所界定的一系列概念和计量方法，初步构建出了统一量纲的农业生态系统生产力的定量化计算方法。这为算清一个农业生态系统到底是对人类有益的还是有害的，算清其净生产能力多大提供了思路；也为不同性质、不同时空下的农业生态系统进行统一比较，以甄别优劣提供了方法。这对于目前处于结构调整中的中国农业尤其重要，这些指标和方法使得定量化说明农业生产方式变革前后的效果变化成为可能，使得建立在定量计算基础上的农业生产结构调整的导向成为可能。
农业生产是具有时间和空间尺度的，本文没有涉及，只是以生态系统为基本单位来定义了各种概念和指标，在实际应用的时候，可以根据需要给与相应尺
度。比如，用APES 除以系统所占用的土地面积和生产时间，得到单位时间内单位面积上的农业生态系统生产力；除以系统体积和占用的生长季节，则可以得到单位生长季节内单位体积的农业生态系统生产力，
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这样就可以在不同的系统之间进行比较了。
本研究涉及的范围较广，提出的指标较多，很多是首次在农业生态领域提出，各个指标对于农业生产的实际意义的阐释和标志性界限值的确定，还需要做大量的实证研究。在农业生态系统生产力的计量的基础上，还需要进一步联系经济系统，采用适当的方法对农业生态系统生产力进行赋值，以给与每个农业生态系统符合其实际贡献的经济地位，来鼓励那些真正
对人类福利有贡献的生产方式，抑制那些表面热闹，实际让人类付出巨大生态代价的生产方式。
5 结论
考虑到农业生产对环境的需求与影响因素，农业生态系统的成本应该包含自然资本，其产出应该包括对环境的改变，农业生态系统的运行模式如图示。
图 农业生态系统运行模式
Fig. An operating model of modern agroecosystem production process
其中占用的自然资本与人工投入的总和就是农业生态系统的总成本（ATC ），用能值法计量；环境损耗（ED ）、目标产品（AGO ）本质上都是生产过程形成的环境影响力，用最大潜能来度量， AGO 与EDED 二者之差就是农业生态系统生产力（APES ）；系统的总效率用耦合度（ACD ）来表示，它是农业生态系统生产力与农业生态系统总成本之商，标志着一个农业生态系统耗费资源、损耗环境与净产出能力的大小，可以作为农业生态系统可持续发展能力的指标。
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(责任编辑 王 芳)
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