武威农业系统优化模式选择建议.docx
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武威农业系统优化模式选择建议
分类号:
密级:
专业学位研究生学位论文
论文题目(中文)
武威农业系统优化模式选择建议
论文题目(外文)
StrategiesforOptimizingAgriculturalSysteminWuwei
研究生姓名
王寅龙
学位类别
农业推广硕士
专业学位领域
农村与区域发展
学位级别
硕士
校内导师姓名、职称
龙瑞军教授
校外导师单位、姓名
论文工作起止年月
2012年10月至2014年10月
论文提交日期
2014年10月
论文答辩日期
2014年11月
学位授予日期
2014年12月
校址:
甘肃省兰州市
原创性声明
本人郑重声明:
本人所呈交的学位论文,是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。
学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。
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论文作者签名:
日期:
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本学位论文研究内容:
□可以公开
□不宜公开,已在学位办公室办理保密申请,解密后适用本授权书。
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论文作者签名:
导师签名:
日期:
日期:
武威农业系统优化模式选择建议
中文摘要
武威的农业系统是西北内陆典型的山地—绿洲—荒漠复合农业生态系统,在山地—绿洲—荒漠复合农业生态系统中又体现出典型的农牧交错型自然—社会生态系统的功能特征。
本论文以武威市农业发展现状为依据,通过草地农业系统耦合理论,研究武威农业系统优化模式及发展潜力。
武威农业生态系统发展的重点应该是“南保水源,北锁风沙,中兴绿洲”。
在南部山区采取保护林草,涵养水源的措施;在北部荒漠补给地下水,防止荒漠植被死亡和沙漠的南移;在中部绿洲采取农艺措施、工程措施和管理措施,节约高效用水,修复生态环境。
武威山地—绿洲—荒漠复合农业系统共有4类耦合方式。
耦合模式Ⅳ为最优模式。
借助农业、牧业初级生产和农副产品加工的耦合,建立以农产品加工为主的龙头企业,增加产品附加值,缩减运输费用,大力发展后生物生产层是带动武威农业系统经济发展的重要方法。
关键词:
农业系统,草地农业,优化模式,山地—绿洲—荒漠,武威
StrategiesforOptimizingAgriculturalSysteminWuwei
Abstract
TheagriculturalsystemofWuweiisatypicalagriculturalmeta-ecosystemofmountain,oasis,desertinnorth-westChina.Thesystemreflectsthetypicalfarming-pastoralnature-societyfunctioncharacteristicsoftheecosystem.
BasedonpresentsituationofagriculturaldevelopmentofWuweiandcouplingtheoryofagro-grasslandsystem,thispaperstudiedtheagriculturalsystemoptimizationmodelofWuwei.ThekeyofdevelopmentofagriculturalecosysteminWuweishouldbe"Protectionofwatersourceinsouth,Preventionofwindandsandinnorth,DevelopmentofOasisinmidle".Throughtheemergytheory,Thepaperstudiedhowtoestablishtheagriculturalcouplingsystemofmountain,oasisanddesertinWuwei.TherearethefouroptimizationmodelsintheagriculturalsysteminWuwei.Thefourthmodelisthebestpattern.
Finally,thecouplingpatternandthedevelopmentpotentialoftheagriculturalcouplingsystemofmountain,oasisanddesertinWuweiwerepresentedinthispaper.
Keywords:
agriculturalsystem,agro-grasslandsystem,optimizationmodel,mountainoasisanddesert,Wuwei
目录
中文摘要I
AbstractII
目录1
第一章文献综述1
1.1研究的意义、内容及国内外的相关研究评述1
1.1.1研究的意义和内容1
1.1.2国内外的相关研究评述2
1.2草地农业理论概述3
1.2.1草地农业概念3
1.2.2草地农业特征4
1.3系统耦合理论5
1.3.1系统耦合基本原理5
1.3.2系统耦合作用机制5
1.3.3系统相悖基本原理6
1.4农业耦合生态系统立论依据7
1.4.1绿洲子系统7
1.4.2山地子系统8
1.4.3荒漠子系统8
1.4.4三个子系统的系统耦合9
第二章武威农业发展现状概况11
2.1武威自然概况11
2.2武威农业发展现状12
2.2.1人口耕地情况12
2.2.2农业生产情况12
2.3武威农业发展存在的问题13
2.3.1气候干旱,降水少,水资源匮乏,生态环境脆弱13
2.3.2南部山地子系统水源地遭到破坏13
2.3.3中部绿洲子系统水资源过度开发,农业灌溉用水量大13
2.3.4北部荒漠子系统土地荒漠化、土壤盐渍化、草地退化严重15
第三章武威农业系统优化思路17
3.1南保水源17
3.1.1林草结合保护天祝祁连山区水源涵养地18
3.1.2发展营养体农业和草食畜牧业19
3.2北锁风沙19
3.2.1原生植被保护19
3.2.2民勤盆地生态建设与保护工程20
3.3中兴绿洲20
3.3.1调整农业产业结构,发展节水农业、草地农业和特色产业21
3.3.2农区作物—家畜系统耦合22
3.3.3水资源配置保障工程与灌区节水改造工程24
第四章武威农业系统优化模式选择建议25
4.1武威农业系统优化模式及发展潜力26
4.1.1优化模式26
4.1.2发展潜力27
4.2武威农业系统后生物生产层的建设与发展28
4.2.1大力发展草食畜牧业,提高产品加工转换水平29
4.2.2启动经济增长“能极”,发展农业循环经济29
4.2.3扶持龙头企业和农产品品牌,推进农业产业化30
4.2.4加大科技投入,建立营销信息服务网络,密切企农利益联结。
31
4.2.5建立草地生态补偿机制,维护武威生态安全32
第五章结论和不足33
5.1结论33
5.2不足35
参考文献36
致谢40
第一章文献综述
1.1研究的意义、内容及国内外的相关研究评述
1.1.1研究的意义和内容
武威市地处甘肃省中部,位于河西走廊东端,南望祁连山,北通腾格里沙漠,历史上曾经是著名的“丝绸之路”要冲。
在粮食紧缺的年代,武威曾经是国家商品粮基地,为缓解我国粮食压力、解决人民的温饱问题做出过很大的贡献。
但在历史的不断发展过程中,由于自然的演化,加上各种人类不合理的经济、社会活动,在武威乃至整个河西地区,引发了一系列的环境问题,甚至是生态报应。
例如南部祁连山区森林和草原资源被严重破坏,雪山的水源涵养功能不断下降;中部绿洲灌溉区农业开垦过度,水资源匮乏,土地盐渍化加重,农业生态环境恶化;北部荒漠区植被退化,地下水补给严重不足,沙漠出现局部治理、整体恶化的现象,肆虐的沙尘暴又进一步加深了生态危机,生态环境问题使包括武威在内的整个河西走廊地区都面临严峻的挑战[,][]。
人类是自然—社会生态系统耦合的产物[]。
从原始社会人类的渔猎开始,农业就伴随着人类的产生而产生。
自然环境开始与人类群聚相耦合,从四处寻找食物、到学会生产食物、到以农业生产为主导,自然—社会生态系统耦合的农业系统就伴随着人类社会的发生而不断发展,逐步演变为复合的农业系统,有的以放牧为主,有的以种植为主,有的以其他类型的农业生产为主。
通过系统的自组织过程,这些复合农业系统的各个子系统之间,会发生初级的系统耦合。
武威的农业系统是西北内陆典型的山地—绿洲—荒漠复合农业生态系统,在山地—绿洲—荒漠复合农业生态系统中又体现出典型的农牧交错型自然—社会生态系统的功能特征。
在这种复合生态系统中,绿洲子系统的农业生产支撑着人类的生存与发展,山地子系统和荒漠子系统又支撑着绿洲子系统。
这种支撑,主要是以能流、物流贯通的形式,将生物和社会交互支撑。
武威的山地—绿洲—荒漠复合农业生态系统需要打破原有不合理的发展模式,通过科学的现代农业活动的干预,优化各个子系统,使复合型农业生态体系逐步转变成耦合农业体系,增强耦合农业体系生产能力,节约自然资源,创造社会财富。
为了进一步认识山地—绿洲—荒漠间农业系统耦合的规律,探讨如何解决河西走廊的农业甚至环境问题,找到一条山地—绿洲—荒漠农业耦合系统可持续发展的道路。
本文以草地农业生态系统耦合理论[]为指导,从武威山地—绿洲—荒漠复合农业系统的整体着眼,通过查阅大量文献,整理综述的方法,分别讨论三个子系统的优化,对农业耦合系统的优化模式[]及发展潜力进行论述。
1.1.2国内外的相关研究评述
在当今社会,全球一体化成为了世界的主旋律。
不同系统之间相互耦合则是全球一体化的系统动力学机制。
系统耦合最早是一个物理学概念,在农学、生态学等学科也逐渐被应用[]。
20世纪80年代,任继周院士首先提出农业系统耦合的问题[,][]。
20世纪90年代,任继周院士将系统耦合理论引入大农业系统[],提出系统耦合[,][]和系统相悖[]理论,是一项非常重大的理论成果。
Odum教授在生态学领域及能量分析学领域享有极高声誉,他综合能量生态及体系生态、经济学等多方面知识,最终创建能值原理[-][][][],使各种形态种类的物流、能量流等,都能从不同的系统通过不同的方式进行耦合时,都可以转换成太阳能值进行分析,这样可以更真实地反映系统耦合及系统间的相互作用[]。
任继周院士对系统耦合理论的相关研究[4,5],显示出河西走廊山地—绿洲—荒漠农业耦合系统具有巨大的研究潜力。
此后,众多学者对农业系统的耦合展开研究。
如葛文华等[]的研究表明将山区、绿洲区农业系统耦合,有利于商品羊的育肥和规模化生产经营。
马玉寿等[]的研究表明将农牧交错带农业系统和高原草地牧业系统进行耦合,具有巨大的生产潜力。
王宁等[]的研究表明农牧两大区域的农业系统耦合,在宁夏有很大的发展潜力。
侯扶江等[]针对重牧退化的肃南高山草原和环县典型草原,研究了这两种草原的植被、土壤及其耦合特征,表明草地退化不仅表现为植被的退化与土壤的衰退,也表现为植被与土壤2个子系统之间耦合关系的丧失。
李启森等[]以干旱区黑河流域山地—绿洲—荒漠生态系统中草食畜牧业发展为例,重点研究和阐述了区域草畜耦合相关的理论及其应用,舍饲养畜育肥耦合机制的基础、条件、途径和形式,草畜耦合机制的基本形式以及影响草畜耦合发展演变的相关问题等方面。
刘兴元等[]按照甘肃中部秦王川地区的资源特征,设计了符合该区域资源特征的植物、家畜生产时空配置结构和产业复合体系结构,提出3种农业资源复合经营的耦合式发展模式,分别是高效利用水土资源的生态模式、生态经济型林草植被恢复模式以及替代产业培育及产业化经营模式。
通过各结构要素在功能特性、产业布局,空间格局等在系统内部的耦合作用,分析了农业资源在复合经营条件下产生的生态效应、经济效应和社会效应。
林慧龙等[]应用合作对策理论,提出河西走廊山地—绿洲—荒漠复合农业生态系统的4种耦合模式。
1.2草地农业理论概述
1.2.1草地农业概念
草地农业系统是包括前植物生产层、植物生产层、动物生产层、后(外)生物生产层4个生产层的一个多层次的现代化综合农业系统[]。
此种作业方式打破了传统的“以粮为纲”的思维方式,实现了农林业和草地农业的完美对接,使其形成耦合性的大农业体系[9,][]。
草地农业除了取得生态、生产、生活的等多方面的效益外,还肩负着保障食物安全的重任[-][][][]。
在一定的水热条件下,草地农业生态系统将土壤—牧草—家畜—社会产品,通过能量、元素转化为一个结构完善、功能健全、可持续发展的农业生态系统网络。
草地农业的4个生产层代表草地农业生态系统的不同功能[]。
前植物生产层(含风景、水源涵养地、旅游景区、自然保护区等),是草地农业系统在生产初级产品及动物产品之前,不以植物产品和动物产品的收获为目的,注重从生态系统产生经济价值,主要服务功能是保护人类的自然生存环境,同时提供一定的人类休闲娱乐活动和美学享受,即以景观为整体向外输出社会产品。
前植物生产层的特点是利用自然特色,减少人为干预,取得生态效益和经济效益。
对前植物生产层的社会投入,主要是保持自然景观的相对稳定性。
植物生产层(含牧草、作物、蔬菜、林果等),也称作初级生产层,主要从事植物生产,包括牧草的刈割存贮、草地放牧及因地制宜发展乔木、灌木、大田作物,即传统农业生产。
植物生产系统大致可分为籽实生产系统和营养体生产系统。
籽实生产系统以收获植物籽实为产品,主要包括粮食作物的籽实、油料作物的菜籽、纤维作物的棉花等等。
营养体生产系统不以植物籽实为产品,而收获营养体整体为产品,主要包括林木、牧草、花卉、块根、块茎和放牧草地等等。
长期以来,我国由于自然和社会等因素,形成以籽实农业为主体的传统农业系统已经有数千年的历史。
植物生产形式主要包括放牧、采摘和割贮。
采摘指植物地上部分和地下部分的采摘,割贮、青贮和加工可以直接将植物变为产品。
动物生产层(含家畜、野生动物等),主要收获动物及动物产品。
动物生产层是草地农业系统的延伸和产品的拓展。
通过饲料投入、棚舍投入、管理投入等社会投入,可以将农业系统的经济效益大幅度提高。
后生物生产层(含植物和动物产品的加工及流通),也称作后次级生产层,包括草畜产品加工、流通及分配的全部过程。
社会投入将粗产品加工为精细产品,再通过分配、交换、流通等环节,产品效益达到最高水平。
1.2.2草地农业特征
1.具有丰富的产业链
农业生产经历多个阶段,大致可分为三个时期,即自然农业发展时期、自发农业发展时期及现代化农业可持续发展时期[]。
在人类最初的自然农业阶段,农业生产主要靠开发自然资源,以人、畜和简单的技术进行自然资源的开发,规模小,效益低,科技含量也很低。
在自发农业阶段,人类开始以石油化工动力为帮助,充分利用机械力量,强力开发自然资源,追求利润的最大值,这种研发忽视了生态系统可持续发展的原则,环境问题随之出现。
在现代可持续发展农业阶段,人类遵循生态学规律,谋求农业的可持续发展,通过信息网络媒介,提倡高效低耗循环农业生产。
人类在传统农业增长乏力、生态环境遭到破坏、自然资源消耗严重的压力下,必须发展现代可持续发展农业,建立具有产业链丰富、整合效应突出的大农业系统。
目前,中国农业系统处于从自发阶段向现代可持续发展农业阶段转变的过程中[]。
2.具有农业循环经济的特征
农业循环经济,突出资源的节约和循环利用,以实现农业可持续发展和生态良性循环为目的[]。
农业循环经济采用的是3R理论[],即“减量化(Reduce)、再利用(Reuse)、再循环(Recycle)”。
所谓减量化原则,即将物质资源及农业资源投入降至最低,尤其是对环境污染较严重的物质资料,以此达到降低污染物排放的目的;所谓再利用原则,即在生产时将农业资源充分应用,以此实现资源使用效率最大化;所谓再循环原则,即将生产加工完成后产生的废料充分利用,提取其中有用部分,以此将废料量降至最低。
遵循3R原则的农业循环经济模式,其技术保障是进行广泛的系统耦合[9],最终实现低消耗、高效益,人与自然和谐发展。
农业循环经济是农业发展的趋势,是对传统农业生产的深刻变革[,][]。
我国“以粮为纲”[]的传统农业生产系统缺陷明显,过度重视谷物生产,忽视植物与动物的有机联系,把动物生产当做是很次要的附属生产[],浪费了大量可以再利用的生产资源,简化甚至割裂农业生产生态链,导致传统农业生产效率不高。
在植物生产系统中加入动物生产的草地农业,正是朝着物质内部循环、能量分级利用的农业循环经济发展。
1.3系统耦合理论
1.3.1系统耦合基本原理
两个或两个以上性质相近似的生态系统具有互相亲合的趋势,当条件成熟时,它们可以结合为一个新的、高一级的结构-功能体,即系统耦合[10]。
农业生态系统也是一种特殊的结构—功能体。
经过自由能—系统会聚—超循环发育的新系统就是耦合系统。
耦合系统具有独特功能,即健全生态体系构架、挖掘生产潜力、延伸系统经济效益。
其驱动力来自非平衡态机制,自由能的不断累积能够为其提供充足的驱动力。
因非平衡态及驱动力中所蕴藏的自由能随处可见,所以由超循环所构成的系统耦合亦无处不在。
F=E—TS代表体系内能间的关联性,其中F表示自由能,S表示熵,T表示绝对温度,E表示总能[10]。
将温度调至某一特定值域范围,当能量投入不稳定,熵保持不变时,则自由能变大。
自由能不断累积,由此转化为势能,生态系统随之不断延展、开拓,由此变为非平衡态。
自由能不断变大,当达到某一界定值时,自由能转变为不稳定势能。
在各类参量分配均衡的情况下,势能能够使种类各异的生态系统不断集聚,形成新的层次较高的生态体系,由此从功能、结构上完成生态系统的完美对接[]。
在新的生态体系中,其能发挥驱动作用,推动能量流、物质流及数据流循环,即超循环。
超循环使生态系统间的连接成为可能,实现生态系统耦合。
自由能不断累积、生态系统汇聚、超循环生成等一系列过程共同组成了生态系统耦合,由此生态系统进化得以完成。
1.3.2系统耦合作用机制
系统耦合以自由能为外接键,使两个(或两个以上)生态系统之间发生相变,把系统A中的能量转移到系统B,系统A的自由能减少,熵值随之转移,系统B则吸收能量。
系统A和系统B的开放性都有所增益,所以系统A和系统B双方的生产水平同时大幅度提高。
系统耦合提高了生态系统的生产能力。
界面作为分界,使生态系统之间、生态系统和外部环境得以区分。
生态系统经由界面,使系统和外部环境实现了能量、数据及物质方面的交互。
草地农业体系共有三大经典界面,分别是草从-地表,草地-动物,草畜-经营管理[]。
草地农业系统的四大生产层经由此三类界面形成了完整的草地农业生态系统。
系统耦合在潜在可能性方面表现为以下几种,即位差可能性、催化可能性、管理可能性、多稳固可能性[10]。
系统耦合的催化潜在可能性在农业生产方面也适用,通过施肥、灌溉、耕作等生产资料的形式投入物质和能量,即正向催化;以收获的方式,取走物质和能量,即负向催化。
催化潜势在动物生产中,特别是反刍动物生产中,可以将动物粪便、食物废弃料返回土壤,给以正向催化,又可以充分消化植物生产系统中积累的自由能,达到负向催化。
系统耦合的位差潜势体现为农耕系统和畜牧系统之间位差势能发生耦合的效应,往往表现为市场价格之差。
系统耦合的多稳定潜在可能性表现在总体功能方面,从耦合系统角度讲,通常超循环优于简单的农业体系。
而管理的潜在可能性表现为耦合体系的管理功效大幅度提高。
草地农业生态系统中的4个生产层之间都有可能发生系统耦合。
草地农业生态系统是一个有机整体,包含动植物种和种群,其合理的优化组合就是种间形态的耦合。
一般有下面几种种间耦合形式:
林木与牧草耦合、作物与牧草耦合、一年生牧草与多年生牧草耦合、禾本科作物与豆科牧草、畜种与种群内耦合等等。
系统耦合是一个与尺度密切相关的生态过程,生态要素的空间分布与格局构成了耦合的基础。
武威山地—绿洲—荒漠系统,这一体系涉及了多种系统景观,如山地、荒漠、道路、绿洲等[]。
其中,荒漠是山地—绿洲—荒漠复合系统的基质,山地、绿洲是复合系统的斑块,水系、道路是复合系统的廊道。
山地—绿洲—荒漠复合系统通过人类活动干扰,从自然耦合到人工耦合的系统进化,物质循环、能量转化使系统耦合从界面向空间延伸,在时间交替轮回,不断提高了耦合系统的复杂性和景观格局的异质性。
1.3.3系统相悖基本原理
当系统数量达到两个,抑或两个以上时,在此基础上发生系统耦合极易出现状况,如构架不健全性对接、功能不协同等,此种现象就是系统相悖[12]。
系统相悖,简而言之即耦合的相对一面,但这是释放耦合生产潜在能力的制胜点[]。
就草地农业体系而言,系统相悖简单说就是在不适宜的时间、不适宜的地区,进行不适宜的农业生产。
解决系统相悖的核心就是建立完善的草地农业生态系统,通过经济、技术、行政的手段,实现各个子系统完善的系统耦合。
系统相悖是系统耦合过程中不可避免出现的不协调因子群,蕴藏着巨大的生产潜势,克服这些系统相悖的因子群,系统耦合才能更好地发挥作用。
草地农业生态系统中既含有系统耦合的正因素,又含有系统相悖的负因素。
任何形式的系统相悖,都有可能具有生产潜势,要因势利导,把握好系统耦合的大趋势,防止系统相悖。
1.4农业耦合生态系统立论依据
不同生态系统之间能够发生系统耦合,其序参量是能量(或其异化物)。
能量这个共同序参量的存在,是使不同质的生态系统发生耦合的关键所在。
不同质系统之间发生系统耦合是以自由能为序参量实现的。
在外界的控制和干预下,系统通过输出(或输入)负熵流,抵消自己的熵增,不断提高系统的有序程度,从而按照一定的协同性,使耦合系统各要素之间形成具有耦合特征的新的结构和功能体。
在武威山地—绿洲—荒漠复合农业生态系统中,分别对山地子系统、绿洲子系统和荒漠子系统的能流单位和步骤进行计算,由此验证子系统间是否存在耦合性,绿洲子系统是否占据核心地位[5]。
1.4.1绿洲子系统
绿洲子系统集中了荒漠子系统95%的能量,同时绿洲子系统与山地子系统发生着商品流通,吸收山地子系统大部分的能量。
绿洲子系统是山地—绿洲—荒漠农业耦合体系能量聚集地,同时也是交换的核心地带,其自身的生产能力超高,同时对荒漠及山地等子系统的生产力也有显著的提升作用。
图1-1绿洲子系统能流模式图
绿洲子系统含有5项草地农业系统组分。
植物生产层有4项,分别是农田、林地、盐渍草地和天然草地;动物生产层有1项。
农田生产力最高,以100个能流单位计算,其中农田自身损耗为30,农田产生社会产品为20,农田产生饲料供给动物生产为50。
林地生产力为农田的20%,即20个能流单位,其中林地自身损
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