沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值分析

陳紹晴 陳 彬 宋 丹

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院/環(huán)境模擬與污染控制國家重點實驗室，北京100875)

沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值分析

陳紹晴 陳 彬 宋 丹

(北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院/環(huán)境模擬與污染控制國家重點實驗室，北京100875)

以沼氣為紐帶的農(nóng)業(yè)綜合利用系統(tǒng)對農(nóng)村和偏遠地區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文基于能值流圖和指標體系，構(gòu)建了沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的綜合評價框架，并以國家沼氣農(nóng)業(yè)示范區(qū)廣西恭城縣為案例，分析養(yǎng)殖－沼氣－種植“三位一體”典型沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)的能值投入產(chǎn)出量及其結(jié)構(gòu)，利用能值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能指標對該系統(tǒng)進行經(jīng)濟生態(tài)多元分析，評估其投資率、產(chǎn)出率、環(huán)境壓力以及可持續(xù)性等系統(tǒng)綜合表現(xiàn)，并與國內(nèi)外其他農(nóng)業(yè)系統(tǒng)進行比較分析。系統(tǒng)投入結(jié)果表明，恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)總投入中人類經(jīng)濟反饋在系統(tǒng)中所占比例最大，可更新環(huán)境資源次之，其中又以肥料、農(nóng)藥和勞工與管理的投入最大;系統(tǒng)產(chǎn)出表明，目前仍以種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)為主導(dǎo)，水產(chǎn)業(yè)相對薄弱，而新興的沼氣產(chǎn)業(yè)因其低耗高產(chǎn)的特點，發(fā)展勢頭良好;而能值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能指標表明該農(nóng)業(yè)系統(tǒng)整體具有環(huán)境負荷低、產(chǎn)出效率高、可持續(xù)性強等優(yōu)勢。依照能值分析各項結(jié)果，本文對沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)優(yōu)化配置和進一步推廣應(yīng)用提出了參考建議。

沼氣;農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng);能值分析;可持續(xù)性評價

戶用沼氣系統(tǒng)能夠有效地將農(nóng)戶養(yǎng)殖生產(chǎn)、種植生產(chǎn)等有機結(jié)合起來，使農(nóng)業(yè)系統(tǒng)形成能流和物流合理轉(zhuǎn)換的閉合生態(tài)鏈，在局部和整體上達到經(jīng)濟和環(huán)境等多重效益［1－4］。早在上世紀20年代，沼氣利用模式已在全球范圍內(nèi)不斷得到理論上的探討和實踐應(yīng)用［5－6］。自本世紀農(nóng)業(yè)部提出“生態(tài)家園富民計劃”以來，國內(nèi)多地區(qū)農(nóng)村逐步興起高產(chǎn)低耗的沼氣綜合利用生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，旨在達到生態(tài)系統(tǒng)能量多級循環(huán)利用和物質(zhì)的良性循環(huán)［7－9］。沼氣建設(shè)可促進生態(tài)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟社會的發(fā)展，具有較好的發(fā)展前景［10］，但當前在我國農(nóng)村地區(qū)實際應(yīng)用過程中存在著產(chǎn)業(yè)投入不平衡、產(chǎn)出可持續(xù)性不高等一系列問題，需要兼顧經(jīng)濟生態(tài)等方面的綜合考量和系統(tǒng)優(yōu)化。為此，層次分析法［11］、生命周期評價［12］、能值分析(Emergy Analysis)［13－14］等已被應(yīng)用于沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)的綜合多元評估，涉及系統(tǒng)經(jīng)濟效益、能源消耗、溫室氣體減排效應(yīng)和環(huán)境影響等方面。其中，能值分析作為能夠融合系統(tǒng)生態(tài)與經(jīng)濟過程的理論和方法，已被廣泛應(yīng)用于生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的定性定量解析與綜合評價，為調(diào)控農(nóng)業(yè)系統(tǒng)促進其可持續(xù)發(fā)展提供了依據(jù)和指導(dǎo)［15－16］。Lefroy［17］利用能值對比分析不同種植類型在使用本地可再生資源、不可再生資源及購買物資和能量輸入時的環(huán)境壓力和可持續(xù)性，Vassallo等［18］將能值理論應(yīng)用于漁業(yè)系統(tǒng)以分析系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展形勢，Zhang等［13］對內(nèi)蒙古種植－放牧系統(tǒng)進行能值核算并對與其他農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對比分析其可持續(xù)性發(fā)展特征。Chen等［19］和Jiang等［20］應(yīng)用能值理論對中國農(nóng)業(yè)環(huán)境經(jīng)濟投入、產(chǎn)出率、環(huán)境壓力等進行了能值圖示和解析，構(gòu)建了中國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)核算范例和評價框架。另外，能值分析在沼氣利用模式綜合評價上的價值也已得到初步探討［14］。Wei等［14］利用能值分析方法評估了北京平谷地區(qū)桃園生產(chǎn)效率和可持續(xù)性，并通過與常規(guī)溫室桃生產(chǎn)的對比揭示了沼氣技術(shù)驅(qū)動的農(nóng)業(yè)體系具有較高的經(jīng)濟與環(huán)境效益。Zhou等［21］則以農(nóng)業(yè)中沼氣工程應(yīng)用為對象進行能值分析，指出農(nóng)業(yè)沼氣工程相對于其他典型的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)而言具有較小的環(huán)境壓力以及更高的可持續(xù)性。但對于種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等有機聯(lián)合的區(qū)域沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)，尚未建立具體有效的能值核算方法和評價體系，復(fù)合系統(tǒng)中沼氣產(chǎn)出效率、投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)、環(huán)境影響強度和可持續(xù)性等亦未得到充分論證?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)能值理論與方法，本文構(gòu)建了沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)的綜合評價指標和評價框架，并以廣西恭城縣“三位一體”沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)作為典型案例，進行能值投入產(chǎn)出流分析和可持續(xù)性等指標評價，旨在為沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)優(yōu)化配置和進一步推廣應(yīng)用提供一定的決策參考。

1 基本理論與方法

1．1 能值分析理論

能值理論是著名生態(tài)學(xué)家H．T．Odum所創(chuàng)立的以能量為核心的系統(tǒng)分析方法［22－23］。所謂能值，是指流動或貯存的所包含的另一類別能量的數(shù)量。能值統(tǒng)一度量自然和人類在生產(chǎn)商品和服務(wù)的歷程中所付出的直接和間接投入，可稱之為能量記憶或者商品服務(wù)中的體現(xiàn)能(Embodied energy)［22］。在實際能值分析的過程中，以太陽能值(Solar emergy)來衡量某一能量的能值大小，其單位為J(Solar Emjoules)。能值不僅是對宏觀宇宙的拓撲解釋，也是被廣泛采納的生態(tài)經(jīng)濟評價方法［24］。能值分析在綜合考慮自然資源和社會經(jīng)濟價值的基礎(chǔ)上，以能值為基準，把生態(tài)系統(tǒng)或生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中各種生態(tài)流(能量流、物質(zhì)流和經(jīng)濟流)換算成統(tǒng)一標準的能值來衡量和分析，可以定量分析生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能，實現(xiàn)定量分析與定性分析相結(jié)合，較好的體現(xiàn)了系統(tǒng)運行的真正價值，從中可以了解人類社會對環(huán)境的影響以及對資源的利用狀況，為可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)［23，25］。

能值轉(zhuǎn)換率(Emergy transformity)指的是形成每單位物質(zhì)所含有的另一種能量的量(單位是Solar Emjoules/J、Solar Emjoules/g或Solar Emjoules/$)，表征能值和能量之間的關(guān)系，是衡量能量的能質(zhì)等級的指標。能值轉(zhuǎn)換率與投入路徑直接相關(guān)，由物質(zhì)和能量在每一生產(chǎn)過程的消耗決定。能值－貨幣比率是當年總量能值使用量與當年國民生產(chǎn)總值(GNP)的比率，能值－貨幣比率反映了總應(yīng)用能值與國民生產(chǎn)總值的比例關(guān)系，其比值大小反映了貨幣購買力的高低。能值－貨幣價值(Emdollar value)是指將生態(tài)系統(tǒng)或生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)物質(zhì)和能量的能值折算成貨幣值，折算方法是能值除以當年能值－貨幣比率，它可以反映某一產(chǎn)品的實際價值。能值轉(zhuǎn)換率的差別從本質(zhì)上揭示了不同類別的自然物和產(chǎn)品存在質(zhì)的差別的內(nèi)因，而能值－貨幣比率和能值－貨幣價值則從貨幣角度體現(xiàn)出這一差別，因此利用太陽能值及能值轉(zhuǎn)換率等指標作為衡量環(huán)境資源投入對生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)影響有其客觀的合理性［19，22 －23］。

1．2 沼氣復(fù)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析

根據(jù) H．T．Odum 提出的能值分析一般流程［22－23］，結(jié)合沼氣農(nóng)業(yè)的實際情況，制定沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值分析具體步驟:

(1)數(shù)據(jù)收集與整理。通過實地調(diào)查與文獻研究，收集有關(guān)沼氣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自然環(huán)境、地理條件及經(jīng)濟社會發(fā)展等各種資料，從中辨識沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)各組分的相互關(guān)系，并整理歸納與沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)投入產(chǎn)出相關(guān)條目的物質(zhì)、能量和資金等數(shù)據(jù)。

(2)繪制系統(tǒng)能值圖。在掌握生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟各個方面的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)各組分作用過程及相互關(guān)系，確定沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)的邊界，列出系統(tǒng)主要能量來源及系統(tǒng)內(nèi)的主要成分，包括主要的物質(zhì)流、貨幣流和其他生態(tài)流。依據(jù)Odum能量系統(tǒng)語言圖例規(guī)則，繪制沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)能值圖(圖1)。

圖1 沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值流概念圖Fig．1 Conceptual emergy flow diagram for typical biogas agricultural complex ecosystem

(3)編制能值分析表。能值分析評估表一般包括6項內(nèi)容，即項目編號、項目名稱、能值原始數(shù)據(jù)、能值轉(zhuǎn)換率、太陽能值、能值－貨幣價值。其中，能值原始數(shù)據(jù)單位是根據(jù)資料來源通過計算所得值而定，一般為J，g和$;能值轉(zhuǎn)換率單位為J/單位，即Solar Emjoules/unit(如，若原始數(shù)據(jù)單位為J，即為Solar Emjoules/J);太陽能值則由能值原始數(shù)據(jù)和能值轉(zhuǎn)換率相乘得到。

(4)系統(tǒng)投入產(chǎn)出分析。根據(jù)沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值流，分析系統(tǒng)當?shù)丨h(huán)境投入、人類反饋等各項投入量以及各產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)出量，基于此辨識系統(tǒng)投入及產(chǎn)出結(jié)構(gòu)。

(5)能值指標體系評價。引入經(jīng)典能值分析指標，整理構(gòu)建針對沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的能值分析指標體系(表1)。沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)評價體系由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指標(7項能值指標)、系統(tǒng)功能指標(6項能值指標)和綜合可持續(xù)性指標(4項能值指標)3個子體系共18個指標組成，內(nèi)容涵括各類型能值結(jié)構(gòu)、能值投入程度和產(chǎn)出效率、能值流動強度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、經(jīng)濟發(fā)展程度、環(huán)境負荷、可持續(xù)發(fā)展指標等生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟特征;同時，一一解析各能值指標在沼氣農(nóng)業(yè)發(fā)展評價中的含義，最后根據(jù)此指標體系對所關(guān)注的沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)進行全面評估分析。

表1 沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)能值指標體系Tab．1 Emergy indices system for biogas agricultural complex ecosystem

2 研究區(qū)域概況

本文以廣西恭城縣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)為案例，對典型沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)進行分析。恭城縣位于廣西東北部，桂林市東南面，境內(nèi)年平均氣溫19．7℃，年均降雨量1 439.7 mm，年均日照時數(shù)1 653.7 h，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。全縣國土總面積2 149 km2，轄3鎮(zhèn)6鄉(xiāng)117個行政村;2009年實現(xiàn)農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值19.41億元，農(nóng)民人均純收入4 630元，糧食面積26.23萬畝，總產(chǎn)量 7.44萬 t;森林覆蓋率達77.09%。恭城縣的沼氣農(nóng)業(yè)建設(shè)起步于20世紀80年代初期，經(jīng)過多年的探索發(fā)展，逐步形成了以鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境為背景、生態(tài)農(nóng)業(yè)和鄉(xiāng)村文化為基礎(chǔ)，以養(yǎng)殖為龍頭，沼氣為紐帶，種植為重點的“三位一體”生態(tài)農(nóng)業(yè)模式(見圖2)，組成能流和物流合理轉(zhuǎn)換、良性循環(huán)的復(fù)合生態(tài)鏈，我們將其稱為沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)(Biogas agriculture complex ecosystem)。至2009年底，全縣共建有農(nóng)村戶用沼氣6.36萬座，入戶率89%以上，居全國前列。省柴節(jié)能灶6.11萬戶，普及率達91.6%。沼氣池和省柴節(jié)能灶年可節(jié)柴22.62萬t，相當于12.92萬 t標煤，每年可保護4.87萬hm2的森林免遭砍伐，水土流失得到控制;同時每年可提供1 712萬t沼液沼渣優(yōu)質(zhì)有機肥，為農(nóng)民增收節(jié)支1.27億元;目前建有117個村級沼氣服務(wù)網(wǎng)點，1個縣級服務(wù)站，基本搭建起了縣、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、村三級聯(lián)動服務(wù)網(wǎng)絡(luò)①數(shù)據(jù)來源:《恭城瑤族自治縣2009年度經(jīng)濟社會報表》、《恭城瑤族自治縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展狀況匯報》、《恭城瑤族自治縣沼氣能源建設(shè)情況匯報》。。

3 結(jié)果與分析

3．1 沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出分析

基于對恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的調(diào)研，掌握該區(qū)域經(jīng)濟生態(tài)基礎(chǔ)資料，進行了沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值流分析。首先確定恭城縣及其子系統(tǒng)的系統(tǒng)邊界，對恭城縣與沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)相關(guān)的能流、物質(zhì)流和貨幣流進行概化、分析，并確定各子系統(tǒng)之間以及子系統(tǒng)內(nèi)各組分之間的相互關(guān)系，得到了恭城縣養(yǎng)殖－沼氣－種植“三位一體”農(nóng)業(yè)能值系統(tǒng)圖。如圖3所示，恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值流動圖由自然生態(tài)、沼氣農(nóng)業(yè)和城鎮(zhèn)消費者三個子系統(tǒng)組成，包括可更新資源、不可更新資源的利用、經(jīng)濟反饋投入以及商品服務(wù)產(chǎn)出等過程，是一個與自然生態(tài)過程和城鎮(zhèn)消費緊密依存、種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和沼氣工程聯(lián)合發(fā)展的復(fù)合農(nóng)業(yè)經(jīng)濟系統(tǒng)。

圖2 恭城縣“三位一體”生態(tài)農(nóng)業(yè)模式圖Fig．2 “Three in one”eco-agriculture mode of Gongcheng County

為全面分析具體投入產(chǎn)出能值流，依照能值系統(tǒng)圖的框架(圖1)，進行了全系統(tǒng)能值核算，并將結(jié)果編制成沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值分析表(表2)，作為系統(tǒng)評價的分析基礎(chǔ)。該表列出了恭城縣的主要資源投入來源和商品服務(wù)產(chǎn)出(共28項)，其中，系統(tǒng)投入(序號1－21)包括本地可更新資源(太陽能、雨水、風(fēng)等)、當?shù)夭豢筛履茉?表土凈損耗)、可更新經(jīng)濟投入(勞工與管理、幼苗、種子等)、不可更新經(jīng)濟投入(電力、柴油、農(nóng)業(yè)機械設(shè)備);系統(tǒng)產(chǎn)出(序號22－28)則包括種植、養(yǎng)殖等農(nóng)副產(chǎn)品以及可利用沼氣等。能值分析一覽表中的各類別生態(tài)流量(原始數(shù)據(jù))，能量流以J為單位;物質(zhì)流以g為單位;經(jīng)濟流以US$為單位。各類別生態(tài)流量統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的太陽能值，并參考 Yang等［26］計算其相應(yīng)的能值 －貨幣價值(Emdollar value=能值/能值－貨幣比率)。

為了簡潔直觀地觀察系統(tǒng)的投入產(chǎn)出情況，在沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值分析一覽表的核算基礎(chǔ)上總結(jié)整理出恭城縣以沼氣為核心的“三位一體”農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)的能值投入產(chǎn)出量(表3);同時，為深入辨識沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)的投入產(chǎn)出特征，圖示了恭城縣沼氣系統(tǒng)的總能值投入結(jié)構(gòu)、人類反饋總能值投入結(jié)構(gòu)和能值產(chǎn)出結(jié)構(gòu)(圖3)。

結(jié)果表明，恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)2009年系統(tǒng)總投入能值為1．32×1021J，其中可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源、可更新反饋投入、不可更新反饋投入、所占比例分別為 43．3%、9．1%、14．5% 和 33．1%，人類反饋能值總所占比例為47．6%(圖4a)。人類反饋能值在系統(tǒng)中所占比例最大，可更新環(huán)境資源稍次之，不可更新環(huán)境資源比例最低?？梢?，作為同時借助大量資金支持和可再生資源循環(huán)利用的沼氣農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)對外界經(jīng)濟社會反饋和當?shù)乜筛颅h(huán)境資源依賴均較大，經(jīng)濟投入支撐和可更新資源的利用是維系該系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素，系統(tǒng)社會購買能值對于實現(xiàn)開放系統(tǒng)與外界的物質(zhì)能量的交換起到一定作用;而系統(tǒng)表土侵蝕的影響并不明顯，這與恭城縣沼氣能源得到充分利用以來森林覆蓋率不斷增加密切相關(guān)。

而對于人類反饋能值(圖4b)，占比例最大的前六位投入項目分別是氮肥(25.9%)、勞工與管理(16.7%)、復(fù)合肥(13.5%)、有機肥(12.3%)、磷肥(12.0%)、農(nóng)藥(9.5%)，可見該農(nóng)業(yè)系統(tǒng)投入仍以傳統(tǒng)的種植業(yè)消耗品和勞動力資本為主，而其他類別能值投入總和只占總反饋能值的3.1%，這體現(xiàn)了種植業(yè)作為恭城縣重點產(chǎn)業(yè)在經(jīng)濟投入上占有主導(dǎo)地位，同時也說明傳統(tǒng)的化肥和農(nóng)藥份額仍很大，可通過進一步增加沼氣應(yīng)用的力度并提高沼氣沼渣作為肥料和殺蟲劑的技術(shù)水平來減少系統(tǒng)對于這些不可更新經(jīng)濟投入的依賴程度。值得注意的是，沼氣建設(shè)直接投入只占經(jīng)濟反饋投入的0.7%，但沼氣直接產(chǎn)出(即沼氣能源)卻占總產(chǎn)出的10.7%，表明沼氣資金投入相對于直接流入種植業(yè)或者養(yǎng)殖業(yè)等投入雖然比重較輕，卻有很明顯的產(chǎn)出效果，在沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)發(fā)展中占有很重要的地位。

另一方面，在恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值產(chǎn)出量為1.24×1021J，在核算誤差允許的情況下，基本與能值投入持平，表明系統(tǒng)儲存相對穩(wěn)定。產(chǎn)出結(jié)構(gòu)分析中(圖3b)，種植業(yè)產(chǎn)品、畜牧業(yè)產(chǎn)品、漁業(yè)產(chǎn)品、沼氣資源基本能值產(chǎn)出分別占系統(tǒng)能值總產(chǎn)出的 10.9%、74.3%、4.0%、10.7%(圖3c)。顯然，恭城縣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)以養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)品為農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)，種植業(yè)也占有重要地位，新興的沼氣能源產(chǎn)業(yè)也已在產(chǎn)出中占有重要份額。而漁業(yè)產(chǎn)品比例最低，反映水產(chǎn)業(yè)在沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中相對薄弱。這與漁業(yè)未納入恭城縣主要沼氣綜合利用模式有關(guān)，同時也表明恭城縣在水產(chǎn)業(yè)上的發(fā)展?jié)摿ι泻艽螅稍诶^續(xù)鞏固養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)的基礎(chǔ)上，為水產(chǎn)業(yè)提供有利的發(fā)展條件。

能值－貨幣價值反映某一產(chǎn)品的實際價值，與市場貨幣價格(只能反映人類勞動的價值)不同，能值貨幣價值包括凝結(jié)在產(chǎn)品中的人類勞動和環(huán)境資源的價值［19］。由表3，免費的環(huán)境資源實際價值為1.18×108美元，其中包括可更新環(huán)境資源9.75×107美元，不可更新環(huán)境資源2.04×107美元，人類反饋總能值價值為1.07×108美元，沼氣直接相關(guān)能值投入和產(chǎn)出價值分別為7.80×105美元和2.26×107美元，總產(chǎn)出價值相當于2.11×108美元，其結(jié)構(gòu)組成與系統(tǒng)能值相同。

表2 恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值分析一覽表(2009年)Tab．2 Emergy analysis of the biogas agriculture complex ecosystem in Gongcheng County in 2009

3．2 沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值指標分析

為綜合定量地解析沼氣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能特征，依照已構(gòu)建的沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值指標體系，在系統(tǒng)能值流分析的基礎(chǔ)上進行了恭城縣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的能值指標評價，主要能值指標值見表4。

恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指標主要反映了該系統(tǒng)對當?shù)丨h(huán)境資源和外界經(jīng)濟投入的依賴程度、系統(tǒng)競爭力及自我支撐能力。通過分析可以看出，該系統(tǒng)可更新資源能值比重與購入能值比重相當且遠高于不可更新資源能值所占的比重，能值自給率和生產(chǎn)優(yōu)勢度較低。為降低農(nóng)業(yè)成本，應(yīng)積極利用免費的可再生資源，減少對經(jīng)濟反饋尤其是不可更新經(jīng)濟投入的依賴，從而提高能值自給率，增加系統(tǒng)自給能力，增加沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對外的生產(chǎn)優(yōu)勢。系統(tǒng)功能指標主要反映該沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)運行效益、農(nóng)民生活質(zhì)量經(jīng)濟水平等。指標分析結(jié)果表明，相對于中國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)普遍水平［15］，恭城縣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)出效率(0．94)較高，具有較高的資源利用效率;而人均輔助能值用量和人均能值量則處于中等偏高水平，表明沼氣農(nóng)業(yè)下人類活動相對活躍，農(nóng)村生活水平也較高;該農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的能值密度為7．68 ×1011Solar Emjoules/m2，高于全國平均水平(5．35×1011Solar Emjoules/m2)［15］，進一步說明該系統(tǒng)經(jīng)濟發(fā)展水平較高，沼氣在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展中的紐帶和傳遞作用至關(guān)重要。另外，關(guān)于沼氣產(chǎn)業(yè)，結(jié)構(gòu)功能指標分析結(jié)果與投入產(chǎn)出結(jié)果(表3)一致，沼氣產(chǎn)出率(沼氣能源產(chǎn)出與經(jīng)濟反饋之比)達到0．21，表明相比系統(tǒng)其他傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，沼氣的投資低產(chǎn)出高，在農(nóng)村經(jīng)濟建設(shè)和能源供給中具有很好的應(yīng)用價值和推廣前景。

為了進一步分析沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)勢及驗證能值分析在綜合評價系統(tǒng)的經(jīng)濟投入、環(huán)境影響和可持續(xù)性能的重要價值，本文比較了恭城縣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和國內(nèi)外其他農(nóng)業(yè)系統(tǒng)基于綜合可持續(xù)性指標的系統(tǒng)表現(xiàn)(表5)。這些國內(nèi)外對照農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的綜合可持續(xù)指標研究案例包括國內(nèi)的廣東［31］、海南［32］、江蘇［33］、內(nèi)蒙古［13］以及全國農(nóng)業(yè)系統(tǒng)［15］，國外則選取瑞士［34］和意大利［35］作為代表。

圖3 恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)(養(yǎng)殖－沼氣－種植“三位一體”模式)能值圖Fig．3 Emergy system diagram for biogas agriculture complex ecosystem(breeding-biogas-planting“three in one”pattern)of Gongcheng County

表3 恭城縣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出Tab．3 Emergy inputs and outputs of biogas agriculture complex ecosystem in Gongcheng County

環(huán)境負荷率(ELR)為可更新能值投入與不可更新能值消耗的比值，表征系統(tǒng)由于經(jīng)濟發(fā)展所承受的環(huán)境壓力，恭城縣的沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)ELR相比其他地區(qū)或國家的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)都低得多，表明沼氣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)因其具有提供高效能源、減少溫室氣體排放、增加森林覆蓋率等重要優(yōu)勢，對減輕農(nóng)業(yè)活動對環(huán)境的壓力效應(yīng)明顯，相對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，是值得推廣的環(huán)境友好型的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。凈能值產(chǎn)出率(EYR)衡量的是產(chǎn)出對于經(jīng)濟貢獻的大小，恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)比國內(nèi)的廣東、海南農(nóng)業(yè)系統(tǒng)以及瑞士、意大利的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)均要高，與中國平均水平近似，表明恭城縣沼氣系統(tǒng)運作良好，并具有較好的經(jīng)濟效益。能值投資率為從系統(tǒng)外購進能值與當?shù)孛赓M自然資源能值相對比重，可表示經(jīng)濟發(fā)展程度和環(huán)境負載程度，發(fā)達國家的EIR一般高于發(fā)展中國家，恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值投資率(EIR)略高于全國平均水平，但低于國內(nèi)其他農(nóng)業(yè)系統(tǒng)(除內(nèi)蒙古)，結(jié)果說明恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)經(jīng)濟開發(fā)程度較低，環(huán)境負載較低，可供開發(fā)利用空間較大。能值可持續(xù)性(ESI)為系統(tǒng)凈能值產(chǎn)出率和環(huán)境負荷率的比值，表征系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能，恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)ESI明顯高于除內(nèi)蒙古以外的其他農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，達到全國平均水平的3．5 倍，根據(jù) Ulgiati和 Brown［36］對能值指標標準的界定當ELR＜3，系統(tǒng)屬于低程度環(huán)境影響，即有足夠的土地資源來消化發(fā)展產(chǎn)生的廢棄物和排放物。恭城縣環(huán)境負荷率;當1＜ESI＜5，系統(tǒng)具備中等可持續(xù)性，即能在較長一段時間內(nèi)對經(jīng)濟發(fā)展持續(xù)貢獻。據(jù)以上分析，ELR的降低空間已不大，為進一步提高系統(tǒng)在長期上的可持續(xù)水平，主要應(yīng)通過增大EYR來實現(xiàn)，而EYR又由能值產(chǎn)出和經(jīng)濟反饋能值投入兩個因素決定，因此在減少沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)經(jīng)濟反饋能值投入的前提下增加商品和服務(wù)的能值產(chǎn)出(或者后者增加速率大于前者)將進一步提高系統(tǒng)的可持續(xù)性。對于恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，繼續(xù)應(yīng)用推廣沼氣這一低投入高產(chǎn)出的系統(tǒng)組分，同時提高沼氣利用技術(shù)，降低化肥和農(nóng)藥等大份額的經(jīng)濟反饋投入以積極帶動養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)發(fā)展，重點扶持水產(chǎn)業(yè)，都是提高系統(tǒng)可持續(xù)性，同時保證經(jīng)濟效益增加的有效方案。

圖4 恭城縣農(nóng)業(yè)沼氣復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)Fig．4 The emergy input and output structure of biogas agriculture complex ecosystem in Gongcheng County

表4 恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能指標Tab．4 System structure and function indices of biogas agriculture complex ecosystem in Gongcheng County

表5 恭城沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)與其他農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合可持續(xù)性指標比較Tab．5 A comparison of sustainability indices of the biogas agriculture complex ecosystem of Gongcheng County with the other agricultural ecosystems

4 結(jié)論與討論

隨著沼氣生產(chǎn)技術(shù)和綜合利用技術(shù)的提升和生態(tài)家園項目的開展，以沼氣為紐帶的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在國內(nèi)多個省區(qū)農(nóng)村(包括四川，貴州，廣西，遼寧，西藏等)得到重要應(yīng)用，成為當?shù)剞r(nóng)村(邊遠地區(qū))推廣可再生能源的重要實現(xiàn)途徑，給這些區(qū)域的發(fā)展帶來了重要經(jīng)濟利益和生態(tài)效益，同時，鑒于沼氣發(fā)展存在的問題，為進一步系統(tǒng)優(yōu)化和沼氣技術(shù)推廣，丞需針對沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和生態(tài)保護等建立多元綜合評估框架和標準。

本研究基于能值理論與方法，建立了針對沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)發(fā)展的評價框架綜合評價指標體系，并恭城縣“三位一體”沼氣農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)作為典型案例進行能值核算和能值指標分析。結(jié)果表明，對于本案例恭城縣沼氣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)得出以下重要結(jié)論:沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)總投入能值為1．32×1021J，系統(tǒng)對外界經(jīng)濟反饋和當?shù)乜筛沦Y源投入的依賴性強，而不可更新資源消耗較低。該農(nóng)業(yè)系統(tǒng)仍為傳統(tǒng)的種植業(yè)消耗和勞動力主導(dǎo)型，種植業(yè)在經(jīng)濟投入上占有主導(dǎo)地位，傳統(tǒng)的化肥和農(nóng)藥份額仍很大，目前的沼氣系統(tǒng)應(yīng)用的力度和技術(shù)水平仍有上升空間。沼氣產(chǎn)業(yè)相對于直接流入種植業(yè)或者養(yǎng)殖業(yè)等投入相比具有低耗高產(chǎn)的特點，在復(fù)合農(nóng)業(yè)系統(tǒng)發(fā)展中應(yīng)得到重點發(fā)展利用，增強其經(jīng)濟拉動作用。系統(tǒng)產(chǎn)出中，養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)品為農(nóng)業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)，種植業(yè)也占有重要地位，而新興的沼氣能源產(chǎn)業(yè)也已在產(chǎn)出中占有重要份額，而漁業(yè)產(chǎn)品比例最低，表明恭城縣在水產(chǎn)業(yè)上的發(fā)展?jié)摿ι泻艽?。系統(tǒng)具有較高的資源利用效率，農(nóng)業(yè)活動相對活躍，農(nóng)村生活水平也較高，但系統(tǒng)的外界經(jīng)濟投入比可更新資源投入比重高，自給率和生產(chǎn)優(yōu)勢度偏低，目前應(yīng)積極利用免費的可再生資源，減少對經(jīng)濟反饋尤其是不可更新經(jīng)濟投入的依賴。總體上，該系統(tǒng)具有環(huán)境負荷低，凈產(chǎn)出量大的明顯優(yōu)勢，從而比起一般農(nóng)業(yè)系統(tǒng)具有更高的持續(xù)性，而通過減少沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)經(jīng)濟反饋投入的同時增加商品和服務(wù)產(chǎn)出的策略可以進一步鞏固這一優(yōu)勢。

案例研究表明:建立的評價體系能夠體現(xiàn)出農(nóng)業(yè)系統(tǒng)對當?shù)刈匀毁Y源和外界經(jīng)濟投入的利用和依賴情況，清晰辨析系統(tǒng)運行中各子系統(tǒng)和組分的相互關(guān)系，能源、資源消耗和資金流動，系統(tǒng)投入產(chǎn)出量和結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上評價系統(tǒng)的環(huán)境壓力、凈產(chǎn)出和投資率、可持續(xù)性等綜合表現(xiàn)，通過與傳統(tǒng)系統(tǒng)分析和不同時期分析判斷系統(tǒng)需要加強和改進的環(huán)節(jié)和過程。因此，能值分析為沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)運行性能測度提供了能量學(xué)角度的標準和方法，可為系統(tǒng)整體調(diào)控與優(yōu)化、地區(qū)沼氣農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有力的評估手段，在平衡經(jīng)濟環(huán)境效益、實現(xiàn)高產(chǎn)低耗目標等方面的指導(dǎo)意義尤其值得重視，可作為沼氣農(nóng)業(yè)系統(tǒng)調(diào)控效率和優(yōu)化配置，促進系統(tǒng)各時期可持續(xù)性發(fā)展的重要決策參考。

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Emergy Analysis of Biogas Agricultural Complex Ecosystem

CHEN Shao-qing CHEN Bin SONG Dan
(State Key Laboratory of Water Environment Simulation，School of Environment，Beijing Normal University，Beijing 100875，China)

The biogas-linked agricultural comprehensive utilization system plays an important role in sustainable development in rural and remote areas．In this study，we establish an evaluation framework for biogas agricultural complex ecosystem based on the conceptual emergy flow diagram and the emergy indices adopted．We then take Gongcheng，a biogas demonstration County in Guangxi Zhuang Autonomous Region as a case study，and analyze the emergy input and yield of the typical biogas agricultural complex ecosystem“breeding-biogas-planting”and their composition structure．Finally，the emergy-based comprehensive indicators involving environmental investment，environmental yield，environmental loading and sustainability of the integrated agriculture system are calculated and compared to other agricultural systems at home and abroad．The system input results show that non-renewable resources is the largest proportion，followed by renewable resources，in which fertilizers，pesticides and labor＆ services are the biggest inputs．The system output results indicate that planting subsystem and breeding subsystem still dominate in the biogas system of Gongcheng County，while the aquaculture industry is relatively weak，and the newly-developed biogas industry is promisingly ideal by its low-input and high-yield advantage．And the emergy-based indicator system revealed that the overall system has its superiority with low environmental loading ratio，high environmental yield ratio and sustainability．On basis of these emergy results，recommendations are provided for the optimization and promotion of biogas agricultural ecosystem．

biogas;agricultural complex system;emergy analysis;sustainability evaluation

Q148:X321

A

1002－2104(2012)04－0080－10

10．3969/j．issn．1002－2104．2012．04．015

2011－10－08

陳紹晴，碩士生，主要研究方向為能值分析和生態(tài)系統(tǒng)評價。

陳彬，博導(dǎo)，主要研究方向為生態(tài)系統(tǒng)評價與管理。

世界銀行貸款中國新農(nóng)村生態(tài)家園富民工程項目;國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)重點項目(編號:2009AA06A419);教育部新世紀優(yōu)秀人才(編號:NCET－09－0226)。

(編輯:李 琪)