福建欠發(fā)達(dá)山區(qū)沼氣運(yùn)營特征及生態(tài)效應(yīng)

林惠花,徐凌星,陳志強(qiáng),2,陳志彪,2,李東曄

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007

福建欠發(fā)達(dá)山區(qū)沼氣運(yùn)營特征及生態(tài)效應(yīng)

林惠花1,2,*,徐凌星1,陳志強(qiáng)1,2,陳志彪1,2,李東曄1

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007 2 福建師范大學(xué)濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地, 福州 350007

在問卷調(diào)查獲取福建欠發(fā)達(dá)山區(qū)6種典型沼氣運(yùn)營模式基礎(chǔ)上,分別應(yīng)用能值分析法、溫室氣體減排量計(jì)算及成本效益分析法,比較6種模式沼氣運(yùn)營系統(tǒng)的能值投入與產(chǎn)出結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能和生態(tài)效應(yīng)差異。結(jié)果顯示：(1)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上,集中供氣型主要利用不可再生購買能值的大量投入,取得高效的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益,而自建自用型則以可再生購買能值的大量投入,對自然資源利用率高,環(huán)境負(fù)荷小；在系統(tǒng)性能上,因凈能值產(chǎn)出率和能值交換率高,集中供氣型比自建自用型的系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能更佳,其中銷售型尤其突出。(2)在生態(tài)效益上,以養(yǎng)殖為主的集中供氣型和純養(yǎng)殖型的溫室氣體減排效應(yīng)非常突出,而傳統(tǒng)種養(yǎng)型、特色種植型和半工半農(nóng)型的減排作用不明顯。(3)在政府補(bǔ)貼下的財(cái)務(wù)特征上,集中供氣型及純養(yǎng)殖型雖有高效的生態(tài)效益但不符合農(nóng)戶財(cái)務(wù)投資標(biāo)準(zhǔn)；相反，特色種植型與半工半農(nóng)型則因系統(tǒng)的低生態(tài)效益而不能滿足政府補(bǔ)貼的社會經(jīng)濟(jì)預(yù)期，經(jīng)濟(jì)預(yù)期,僅傳統(tǒng)種養(yǎng)型農(nóng)戶完全滿足社會經(jīng)濟(jì)角度與農(nóng)戶角度的投資標(biāo)準(zhǔn)。針對養(yǎng)殖規(guī)?；l(fā)展趨勢和欠發(fā)達(dá)山區(qū)能源利用現(xiàn)狀,對沼氣工程正確運(yùn)營模式的選擇提出相應(yīng)的建議。

沼氣運(yùn)營；生態(tài)效應(yīng)；生計(jì)模式；欠發(fā)達(dá)山區(qū)；福建省

在全球變暖與氣候異常日趨顯現(xiàn)的當(dāng)下,作為能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國,為應(yīng)對能源危機(jī)與環(huán)境危機(jī),我國正加大力度推廣沼氣等可再生清潔能源[1]。應(yīng)對傳統(tǒng)薪柴采伐破壞生態(tài)環(huán)境及山地土壤貧瘠,發(fā)揮沼氣的能源替代與沼液沼渣的土壤改良作用,是上個(gè)世紀(jì)以來我國在欠發(fā)達(dá)山區(qū)優(yōu)先推廣沼氣的出發(fā)點(diǎn)。由此,學(xué)術(shù)界對沼氣利用的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)作用、沼氣工程技術(shù)等展開了深入的研究[2- 8]。但近年來筆者在福建欠發(fā)達(dá)山區(qū)走訪中發(fā)現(xiàn)：政府補(bǔ)貼建造的沼氣池被廢棄的比例劇增,建池戶隨意排放沼液沼渣造成環(huán)境污染的問題日趨突出。相關(guān)研究雖對此有所關(guān)注[9-10],但大多從農(nóng)戶能源消費(fèi)構(gòu)成、習(xí)慣和生計(jì)資本等進(jìn)行分析[9-15],比較不同沼氣運(yùn)營模式的研究少見,而筆者認(rèn)為客觀評價(jià)不同沼氣運(yùn)營模式的系統(tǒng)特征和性能差異,才能實(shí)現(xiàn)沼氣的合理建設(shè)和發(fā)揮政府財(cái)政補(bǔ)貼效應(yīng)。因此本文以福建欠發(fā)達(dá)山區(qū)為例,實(shí)地調(diào)研獲取典型沼氣運(yùn)營模式,通過研究典型模式的運(yùn)營特征和生態(tài)效應(yīng),比較不同模式沼氣運(yùn)營系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能及生態(tài)效益上的差異,為深化研究區(qū)沼氣建設(shè)和發(fā)揮政策優(yōu)勢提供科學(xué)依據(jù)。

研究區(qū)現(xiàn)有養(yǎng)殖場建池供氣和農(nóng)戶自用沼氣兩種,首先根據(jù)養(yǎng)殖場供氣收費(fèi)與否分為饋贈型、銷售型兩種模式；考慮生計(jì)特征影響家庭能源消費(fèi)[11-13],而且生計(jì)模式不同沼氣運(yùn)營特征也存在明顯差異,因此本文按研究區(qū)主要建池農(nóng)戶生計(jì)類型,將農(nóng)戶自建自用沼氣區(qū)分為特色種植型、半工半農(nóng)型、傳統(tǒng)種養(yǎng)型和純養(yǎng)殖型等四類,與饋贈供氣型、銷售供氣型構(gòu)成本文研究的6種典型沼氣運(yùn)營模式。

1 研究對象與研究數(shù)據(jù)

1.1 研究對象

根據(jù)2013年對福建欠發(fā)達(dá)山區(qū)的長汀縣、屏南縣實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù),確定長汀縣涂坊鎮(zhèn)羅屋崗村的生豬養(yǎng)殖大戶張壽生作為銷售供氣型研究對象,屏南縣棠口鄉(xiāng)安溪村康盛農(nóng)牧公司作為饋贈供氣型研究對象,并在對長汀縣策武鎮(zhèn)南坑村、屏南縣屏城鄉(xiāng)里坋溪村戶用型沼氣戶140個(gè)樣本的調(diào)查基礎(chǔ)上,選擇4戶典型戶分別代表特色種植型、半工半農(nóng)型、傳統(tǒng)種養(yǎng)型和純養(yǎng)殖型四種戶用沼氣運(yùn)營模式。

張壽生實(shí)施的是“草-牧-沼-果-漁-集中供氣”的運(yùn)營模式,草用于養(yǎng)魚和喂豬,果因栽種時(shí)間短未產(chǎn)出,截止2013年底該村240戶中已有120戶使用其供氣,每戶每日繳氣費(fèi)1.5元。棠口鄉(xiāng)安溪村的康盛農(nóng)牧公司實(shí)施的是“生豬養(yǎng)殖-固廢分離-沼氣工程-沼液利用-集中供氣”的運(yùn)營模式,沼氣免費(fèi)供應(yīng)村中的100戶農(nóng)戶。戶用型中,傳統(tǒng)種養(yǎng)型、半工半農(nóng)型、特色種植型和純養(yǎng)殖型分別以“養(yǎng)殖-沼氣-種植”、“沼氣-種植-務(wù)工”、“沼氣-種植”和“養(yǎng)殖-沼氣-草”為運(yùn)營模式。

1.2 研究數(shù)據(jù)

分別于2013年11月和2014年7、8兩月對上述6種模式進(jìn)行入戶問卷調(diào)查,問卷內(nèi)容主要是2013年家庭基本情況、生計(jì)類型、各項(xiàng)農(nóng)資投入與產(chǎn)出,生活用能及“三沼”的使用情況等。文中研究數(shù)據(jù)包括入戶調(diào)查數(shù)據(jù)和《2014年長汀縣統(tǒng)計(jì)年鑒》、《2014年屏南縣統(tǒng)計(jì)年鑒》、長汀縣及屏南縣氣象局地面觀測資料等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 沼氣系統(tǒng)的能值分析

美國著名生態(tài)學(xué)家H. T. Odum 創(chuàng)立的能值理論,通過將生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)內(nèi)不同類別的物質(zhì)和能量,利用太陽能值轉(zhuǎn)化率、能值貨幣比等轉(zhuǎn)換為相同基準(zhǔn)的能值,從而實(shí)現(xiàn)對自然環(huán)境生產(chǎn)和人類經(jīng)濟(jì)活動共同作用的生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和效益的統(tǒng)一定量評價(jià)。沼氣運(yùn)營系統(tǒng)是個(gè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),系統(tǒng)內(nèi)有自然資源和人力、物資等社會資源的使用和流動,為客觀比較6種模式沼氣運(yùn)營系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,本文參照Odum、藍(lán)盛芳等的計(jì)算方法[16-17],對各系統(tǒng)的投入產(chǎn)出進(jìn)行能值轉(zhuǎn)換。進(jìn)而借鑒陸宏芳等在珠江三角洲三水市3種基塘農(nóng)業(yè)生態(tài)工程模式可持續(xù)性能比較的研究經(jīng)驗(yàn)[18],以能值投資率(EIR)、凈能值產(chǎn)出率(EYR)、能值負(fù)載率(ELR)、能值交換率(EER)等指標(biāo)為基礎(chǔ),構(gòu)建系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能指數(shù)(SDI),對6種模式的系統(tǒng)資源利用率、經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)性能進(jìn)行比較。相關(guān)能值指標(biāo)計(jì)算式分別如下：

(1)能值投資率(EIR),購買能值與環(huán)境資源能值(包括可再生資源能RR和不可再生資源能NR)的比率,其中購買能值包括不可更新工業(yè)輔助能(NP)和可更新有機(jī)能(RP)。表達(dá)式為：

(1)

(2)凈能值產(chǎn)出率(EYR),系統(tǒng)能值凈產(chǎn)出(由系統(tǒng)能值總產(chǎn)出Y減去廢棄物W)與購買能值之比。表達(dá)式為：

(2)

(3)能值負(fù)載率(ELR),不可更新能值投入(不可更新工業(yè)輔助能值和不可再生資源能)與可更新能值投入(可更新有機(jī)能值+環(huán)境資源能值)的比率。表達(dá)式為：

(3)

(4)能值交換率(EER),是系統(tǒng)產(chǎn)品能值(NY)與購買該產(chǎn)品支付貨幣的相當(dāng)能值之比(購買產(chǎn)品支付的能值等于產(chǎn)品市場價(jià)格除以能值貨幣比率)。表達(dá)式為：

EER=NY×Emr÷p

(4)

式中,Emr為能值貨幣比率,本文的Emr=3.39×1011sej/Yuan,P為產(chǎn)品市場價(jià)格；

(5)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能指數(shù)(SDI),是指系統(tǒng)能值產(chǎn)出率與能值交換率的積和環(huán)境負(fù)載率的比。表達(dá)式為：

SDI=EYR×EER÷ELR

(5)

2.2 沼氣運(yùn)營系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)

2.2.1 沼氣工程的溫室氣體減排效益計(jì)算

沼氣利用在溫室氣體減排量、清潔環(huán)境、改良土壤質(zhì)地、提升農(nóng)作物品質(zhì)等方面產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)已被廣泛研究。本文借鑒已有研究和計(jì)算方法[19- 23],進(jìn)行6個(gè)沼氣運(yùn)行系統(tǒng)的溫室氣體(CO2)減排計(jì)算,把沒有工程時(shí)畜禽糞便直接排放釋放的溫室氣體量及沼氣所替代的薪柴燃燒排放的溫室氣體量之和作為基準(zhǔn)線,溫室氣體量減排總量則是基準(zhǔn)線減去沼氣替代燃燒時(shí)的CO2排放量,乘以2013年中國碳匯交易價(jià)格50元/t,即為當(dāng)年碳減排效益。因本文沼氣工程的原料為豬糞,依據(jù)IPCC推薦的算法,取每豬甲烷排放因子為4kg/a,根據(jù)豬年出欄量,求算豬糞直排對應(yīng)的年甲烷排放量換算成相應(yīng)CO2的當(dāng)量；計(jì)算沼氣工程替代薪柴使用減少的CO2排放量時(shí),所用薪材含碳系數(shù)、氧化率等相關(guān)系數(shù)取自王革華等人關(guān)于CO2排放量的研究[24]。

2.2.2 沼氣工程的成本效益分析

成本效益分析法是通過比較項(xiàng)目的全部成本和效益來評估項(xiàng)目投資價(jià)值的一種方法。本文為了度量不同模式沼氣工程政府補(bǔ)貼與其生態(tài)效益的匹配程度,借鑒相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)[7-8,25],在界定政府補(bǔ)貼作為一種轉(zhuǎn)移性支付,從農(nóng)戶財(cái)務(wù)角度是沼氣外部性效益的替代收入,從社會經(jīng)濟(jì)角度則是公共財(cái)政資源向社會成員的轉(zhuǎn)移,不能計(jì)入社會經(jīng)濟(jì)角度的收入,但沼氣的正外部性效益是社會經(jīng)濟(jì)角度的收益等的基礎(chǔ)上,從農(nóng)戶財(cái)務(wù)和社會經(jīng)濟(jì)兩個(gè)角度,統(tǒng)計(jì)6種模式沼氣工程建設(shè)總成本與其在沼氣、沼肥、碳排放等方面的收益,利用模型計(jì)算財(cái)務(wù)動態(tài)流表,即可分析政府補(bǔ)貼下農(nóng)戶財(cái)務(wù)角度沼氣工程投資可行性,和考慮沼氣正外部性收益時(shí),社會經(jīng)濟(jì)角度沼氣工程投資可行性。具體計(jì)算模型如下：

(6)

(7)

式中,NPV為農(nóng)戶角度的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值, NPVsocial為社會角度的經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值,T為計(jì)算周期,取沼氣工程的使用壽命20年,Bt為第t年的收益,Ct為第t年的成本,Gt為沼氣工程所帶來的正外部效益,由于沼氣工程的正外部效應(yīng)包涵了溫室氣體減排量、清潔環(huán)境、改良土壤質(zhì)地、提升農(nóng)作物品質(zhì)等,而評價(jià)這些項(xiàng)目的效益需要許多復(fù)雜的環(huán)境經(jīng)濟(jì)價(jià)值評估方法,且不少效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)長超過本文研究周期,故文中僅選用沼氣工程所減排二氧化碳(CO2)的環(huán)境經(jīng)濟(jì)價(jià)值作為Gt值?；鶞?zhǔn)折現(xiàn)率r取5%,內(nèi)部收益率IRR等于上述兩式凈現(xiàn)值方程式為零時(shí)的折現(xiàn)率。當(dāng)NPV>0且IRR≥r時(shí)農(nóng)戶角度沼氣工程投資可行,當(dāng)NPVIRR>0且IRR≥r時(shí)社會角度沼氣工程投資可行。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于能值理論的6種模式沼氣運(yùn)營系統(tǒng)特征比較

根據(jù)研究區(qū)的調(diào)查數(shù)據(jù),利用相關(guān)能值轉(zhuǎn)換率和能值貨幣比,獲得研究區(qū)6種模式的沼氣運(yùn)營系統(tǒng)能值投入與產(chǎn)出情況,并根據(jù)公式(1)—(5)計(jì)算得出相應(yīng)的能值指標(biāo)值,具體如表1、表2所示。

從表1可見,6個(gè)模式的系統(tǒng)能值投入主要來自購買能值,但比重卻明顯不同,饋贈型與銷售型因以養(yǎng)殖為主,不可更新工業(yè)輔助能投入量分別占總能值的89.65%和75.72%,用于購買養(yǎng)殖設(shè)施、沼氣池建設(shè)、養(yǎng)殖飼料、養(yǎng)殖用藥等,經(jīng)濟(jì)投入量大。戶用型的特色種植型、半工半農(nóng)型、傳統(tǒng)種養(yǎng)型的系統(tǒng)主要投入為可更新有機(jī)能,分別占總投入的79.62%、92.13%和90.05%,主要是人工成本；純養(yǎng)殖型的不可更新工業(yè)輔助能與可更新有機(jī)能分別占總投入的38.5%和39.76%,對資金和人力資本的雙重依賴；6個(gè)系統(tǒng)均有反饋能,主要是沼液和沼氣在系統(tǒng)中循環(huán)利用,替代了部分系統(tǒng)外不可更新工業(yè)能的投入,比重較大的是純養(yǎng)殖型和銷售型,分別為21.70%、14.95%。一般系統(tǒng)內(nèi)反饋能越多,投入社會購買能值越少,生產(chǎn)成本節(jié)約得越多,系統(tǒng)的自組織能力就越強(qiáng)。因此可以認(rèn)為沼氣工程對提高農(nóng)戶農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自組織力有積極意義。

在地物符號的分類上，三維地形圖不同于二維數(shù)字地形圖，其劃分原則是按不同的要素類型，對地物符號進(jìn)行劃分，有點(diǎn)狀符號、線狀符號、面狀符號及體狀符號4個(gè)類別。在三維地形圖中，雖然部分沒有高度的點(diǎn)狀符號、線狀符號和面狀符號仍然保留了其在二維數(shù)字地形圖中的表達(dá)方式，但作為一個(gè)完整的三維數(shù)字地形圖的理論體系，我們依舊按照新的分類方法對其一并進(jìn)行了劃分［1-3］。在三維地形圖中，地物要素最多的即點(diǎn)狀符號，而點(diǎn)狀符號的分類與表達(dá)有一定的復(fù)雜性與多元性。因此，本文主要探討三維點(diǎn)狀符號的設(shè)計(jì)與表達(dá)。

6種模式的系統(tǒng)產(chǎn)出差異明顯,首先主產(chǎn)出充分體現(xiàn)農(nóng)戶生計(jì)特征。饋贈型、銷售型與養(yǎng)殖型主要產(chǎn)出是養(yǎng)殖收入,特色種植型以種植收入為主,半工半農(nóng)型以務(wù)工收入為主、種植收入為輔,傳統(tǒng)種養(yǎng)型以種植收入為主、養(yǎng)殖收入為輔；其次在沼氣子系統(tǒng)的產(chǎn)出中,饋贈型、銷售型比戶用型的多了沼氣、沼肥、和有機(jī)肥。沼氣產(chǎn)品多樣化且有相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益,值得注意的是,饋贈型因沒有種植業(yè),沼渣成為廢棄物,特色種植型、半工半農(nóng)型和傳統(tǒng)種養(yǎng)型也存在把沼液或沼渣作為廢棄物排放出系統(tǒng)的現(xiàn)象。

表1 不同模式沼氣系統(tǒng)能值投入產(chǎn)出結(jié)構(gòu)/sej

*饋贈型(模式Ⅰ)、銷售型(模式Ⅱ)、特色種植型(模式Ⅲ)、半工半農(nóng)型(模式Ⅳ)、傳統(tǒng)種養(yǎng)型(模式Ⅴ)、純養(yǎng)殖型(模式Ⅵ),為減少篇幅,下文表格均采用此標(biāo)識

表2 6種模式沼氣生態(tài)系統(tǒng)能值指標(biāo)

從公式(1)—(5)可知,能值投資率是單位能值環(huán)境資源的經(jīng)濟(jì)能值投入量,高投資率是高工業(yè)能投入的表現(xiàn),說明系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度高；而凈能值產(chǎn)出率則是系統(tǒng)單位經(jīng)濟(jì)能值投入量的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出,高凈能值產(chǎn)出率說明生產(chǎn)效率高,如果系統(tǒng)的能值投資率和凈能值產(chǎn)出率都高,說明其生產(chǎn)效率高,經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá),如果投資率高而產(chǎn)出率低則說明生產(chǎn)效率低,經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)化能力差。環(huán)境負(fù)載率是單位能值可再生資源的不可再生資源能值投入量,是環(huán)境承載負(fù)荷的表現(xiàn),其值越大,對環(huán)境壓力越大,一般不可再生資源投入量越小,系統(tǒng)對環(huán)境的壓力越小。能值交換率則強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)出能值與購買該產(chǎn)品所花的貨幣值在當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)條件下轉(zhuǎn)換為能值后的比率,一般產(chǎn)品的能值都是高于市場貨幣體現(xiàn)的能值,尤其是農(nóng)產(chǎn)品,所以能值交換率也被稱為能值受益率,越大說明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)越大。系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展性能指數(shù)構(gòu)建以社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境持續(xù)為系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展宗旨,利用凈能值產(chǎn)出率和能值交換率的乘積(代表系統(tǒng)產(chǎn)出是給人類帶來利益的)與環(huán)境負(fù)載率(代表環(huán)境負(fù)荷)的比,來衡量系統(tǒng)的可持續(xù)性能。其值反映了單位環(huán)境壓力下的社會經(jīng)濟(jì)效益,值越大系統(tǒng)的可持續(xù)性能越好。從表2可見,集中供氣型相較于戶用型,僅負(fù)向指標(biāo)環(huán)境負(fù)載率比戶用型差,其他指標(biāo)都好于戶用型,這是因?yàn)榧泄庑褪歉呓?jīng)濟(jì)投入量、大規(guī)模養(yǎng)殖產(chǎn)出高能值的養(yǎng)殖產(chǎn)品的緣故,其生產(chǎn)效率均比戶用型高出10倍以上,但因?yàn)橐?guī)模大,對環(huán)境資源的壓力也比戶用型高出很多。但同樣以養(yǎng)殖為主,戶用型的純養(yǎng)殖型與集中供氣型相反,其能值投資率最高,是銷售型的2.4倍,但凈能值產(chǎn)出率卻僅為銷售型的3.36%,能值交換率和系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)是所有系統(tǒng)中最小的,究其原因主要是：養(yǎng)殖規(guī)模小(年豬出欄量600頭,而銷售型為2000頭),經(jīng)濟(jì)投入水平低(不可更新工業(yè)能的投入比重僅為銷售型的一半,人力投入量卻與銷售型相同,說明系統(tǒng)發(fā)展依賴勞動力而沒有經(jīng)濟(jì)競爭力),無法實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益,所以系統(tǒng)性能差,而這應(yīng)也是近年來研究區(qū)類似純養(yǎng)殖型的農(nóng)戶數(shù)量銳減的原因。由于養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)大,純養(yǎng)殖型農(nóng)戶在沒有規(guī)模效益而經(jīng)濟(jì)投入能力有限的情況下,極有可能在市場競爭中被淘汰,生計(jì)發(fā)生變遷從而導(dǎo)致沼氣池廢棄,相應(yīng)的政府建池補(bǔ)貼也就白白浪費(fèi)了。

對比集中供氣的饋贈型與銷售型能值指標(biāo)可知,銷售型的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于饋贈型,分析其原因主要是銷售型主動將沼氣工程作為系統(tǒng)的增益環(huán)節(jié),充分利用多樣化的沼氣產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)無廢物排放,而饋贈型卻是迫于排污罰款壓力建造沼氣工程,沼氣輸出對自身無利益,維護(hù)和提供供氣設(shè)施加重了生產(chǎn)成本,把沼液沼渣當(dāng)廢棄物直接排放出于降低處置成本,這顯然不利于系統(tǒng)良性發(fā)展。

除了養(yǎng)殖型,在其他3種戶用型中,特色種植型的工業(yè)購買能值投入比其他類型低,而對環(huán)境可更新資源利用量卻是最大,所以能值投資率最低,因農(nóng)產(chǎn)品的高能值特征則使其凈能值產(chǎn)出率比其余兩種高,在三者的能值交換率區(qū)別不大的情況下,特色種植型成為戶用型中可持續(xù)發(fā)展指數(shù)最高的類型。

3.2 不同模式沼氣運(yùn)營系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)對比

3.2.1 溫室氣體減排效益對比

根據(jù)前述溫室氣體減排算法,本文對6種模式沼氣工程溫室氣體減排差異測算結(jié)果如表3所示。

表3 不同模式沼氣運(yùn)營系統(tǒng)溫室氣體減排效益

3.2.2 基于成本效益法的沼氣運(yùn)營系統(tǒng)的生態(tài)效應(yīng)分析

根據(jù)公式(6)、(7),6種模式沼氣工程的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 6種模式沼氣運(yùn)營系統(tǒng)不同角度的財(cái)務(wù)特征值

“-”表示對該類沼氣運(yùn)營系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)財(cái)務(wù)測算后,不存在內(nèi)部收益率

從表4可見,饋贈型、銷售型和純養(yǎng)殖型在農(nóng)戶角度不可行,社會經(jīng)濟(jì)角度可行,項(xiàng)目生態(tài)效益溢出、補(bǔ)貼額度不足；半工半農(nóng)、特色種植型沼氣在農(nóng)戶角度可行,社會經(jīng)濟(jì)角度不可行,屬于補(bǔ)貼對農(nóng)戶建池有意義、但所得生態(tài)效益不足,僅種養(yǎng)型農(nóng)戶角度和社會經(jīng)濟(jì)角度均可行,屬于農(nóng)戶與生態(tài)效益雙贏。分析各個(gè)系統(tǒng)的財(cái)務(wù)動態(tài)測算流表結(jié)合表4可知,在農(nóng)戶角度,集中供氣的饋贈型、銷售型都是大型沼氣工程,初期投入巨大,20a使用周期里,饋贈型完全虧損(虧損量達(dá)15313萬元),不存在內(nèi)部收益率；而銷售型先虧損至第15年才收益(收益凈現(xiàn)值56.09萬元),但內(nèi)部收益率僅為2.56%,小于折現(xiàn)率r；純養(yǎng)殖型雖然有相當(dāng)?shù)呢?cái)務(wù)凈現(xiàn)值,但內(nèi)部收益率不存在,投資無效；特色種植型、半工半農(nóng)型與傳統(tǒng)種養(yǎng)型因戶用沼氣池小,政府補(bǔ)貼下,農(nóng)戶投建成本低于選擇其他用能成本,分別在第4年、第6年和第2年實(shí)行盈利,內(nèi)部收益率都大于5%,傳統(tǒng)種養(yǎng)型可達(dá)64.26%。在社會經(jīng)濟(jì)角度,饋贈型、銷售型和純養(yǎng)殖型的財(cái)務(wù)凈現(xiàn)值分別高達(dá)20291.47萬元、5508.20萬元和921.75萬元,投資當(dāng)年即實(shí)現(xiàn)高額收益,內(nèi)部收益率極高,這與其把沼氣減排效益作為收入密不可分,說明大型養(yǎng)殖建設(shè)沼氣工程是一項(xiàng)非常高回報(bào)的社會投資,值得政府扶持投資的；特色種植型、半工半農(nóng)型因除了沼氣產(chǎn)量自用外,沼液沼渣基本沒利用,生態(tài)效益不明顯,社會經(jīng)濟(jì)角度投資年年虧損；傳統(tǒng)種養(yǎng)型能充分利用自身系統(tǒng)廢棄物制沼,沼氣和沼肥產(chǎn)出與投資匹配,每年都有盈利,而且社會角度凈現(xiàn)值比農(nóng)家角度高出41670.06元,是6種模式中唯一滿足農(nóng)戶角度和社會經(jīng)濟(jì)角度雙重投資可行的模式。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

通過對6種模式沼氣工程系統(tǒng)的運(yùn)營特征、系統(tǒng)性能及生態(tài)效應(yīng)比較,得出以下結(jié)論：

(1)能值結(jié)構(gòu)分析顯示,6種模式都以沼氣、沼液作為反饋能投入,其中純養(yǎng)殖型和銷售型的比重比其他四種大；集中供氣型因規(guī)模優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)實(shí)力,有沼氣、沼肥和有機(jī)肥產(chǎn)出,有利于發(fā)揮沼氣工程的綜合效益,戶用型僅有沼液和沼渣產(chǎn)出；饋贈型、特色種植型、半工半農(nóng)型和傳統(tǒng)種養(yǎng)型都存在把沼液、沼渣當(dāng)廢棄物輸出現(xiàn)象。

(2)能值指標(biāo)分析顯示,與戶用型相比,集中供氣型生產(chǎn)效率高經(jīng)濟(jì)效益好,可持續(xù)發(fā)展性能指數(shù)高,尤其是銷售型；而戶用型則具有自然資源利用率高；環(huán)境負(fù)荷小的優(yōu)點(diǎn)。

(3)生態(tài)效益上集中供氣型與養(yǎng)殖型比傳統(tǒng)種養(yǎng)型、特色種植型和半工半農(nóng)型的溫室氣體減排效應(yīng)顯著,具有高效的社會經(jīng)濟(jì)角度的投資回報(bào)率,但不具農(nóng)戶角度的投資可行性；而特色種植型與半工半農(nóng)型相反,傳統(tǒng)種養(yǎng)型符合社會經(jīng)濟(jì)角度和農(nóng)戶財(cái)務(wù)角度投資。

4.2 討論

(1)集中供氣型優(yōu)于戶用型的事實(shí)說明,沼氣工程也具有規(guī)模效益,今后應(yīng)以發(fā)展集中供氣為沼氣的主要運(yùn)營方式；而銷售型優(yōu)于饋贈型的經(jīng)驗(yàn)則強(qiáng)調(diào)了隨著養(yǎng)殖規(guī)?；?為發(fā)揮沼氣工程的綜合效益,應(yīng)根據(jù)養(yǎng)殖規(guī)模,配置適量種植業(yè)來消納沼渣、沼液,提高了沼氣產(chǎn)品的綜合利用率,同時(shí)走供氣市場化,提高養(yǎng)殖戶經(jīng)濟(jì)收益。

(2)戶用型沼氣戶因?qū)Νh(huán)境友好,雖從成本效益分析看,社會投資是不經(jīng)濟(jì)性的,但在欠發(fā)達(dá)山區(qū),城市化進(jìn)程較緩慢,在農(nóng)戶較分散且有制沼原料的情形下,適度補(bǔ)貼沼氣工程仍有意義。而在聚落較發(fā)達(dá)區(qū)域則應(yīng)盡量推廣集中供氣。

(3)成本效益分析再次凸顯了規(guī)模養(yǎng)殖戶建池的不經(jīng)濟(jì)性和沼氣工程正外部性無法合理內(nèi)化的矛盾,政府的排污罰款與建池補(bǔ)貼策略雖有一定成效,但不利于沼氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展?？梢龑?dǎo)養(yǎng)殖大戶借鑒我國中西部建設(shè)清潔生產(chǎn)機(jī)制(CDM)的思路,應(yīng)用生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制,從國際、國內(nèi)層面拓寬資金來源,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益共贏的發(fā)展模式。

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Biogas operation characteristics and its ecological effects in different typical modes of the underdeveloped mountainous area in Fujian Province

LIN Huihua1,2,*, XU Lingxing1, CHEN Zhiqiang1,2, CHENG Zhibiao1, 2, LI Dongye1

1CollegeofGeographicalSciences,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China2StateKeyLaboratoryofSubtropicalMountainEcology(FoundedbyMinistryofScienceandTechnologyandFujianProvince),FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China

Biogas is an important renewable energy in underdeveloped mountainous areas. Through questionnaire surveys of biogas users in the underdeveloped mountainous areas in Fujian Province, six typical modes of the biogas operation system were determined, namely, the biogas welfare-supply mode, commodity-producer mode, characteristic-planting mode, working and farming combination mode, traditional farming and breeding mode, and professional-breeding mode. Among these, the first two belong to the supply type, whereas the later four are the self-sufficient type. In this study, based on the emergy theory, we used the emergy indexes analysis system. The six typical modes were first studied to determine differences in their input and output composition, system performance, and system sustainable development ability. Next, by calculating the emission reduction of greenhouse gases, the emission reduction benefits of the six modes were estimated. Finally, differences in the financial investment in government subsidies for the six typical modes were determined by cost-benefit analysis. The study results showed that (1) regarding emergy input-output, supply-type biogas invested large amounts of purchased non-renewable emergy and realized high efficiency and high yields for production. Conversely, self-sufficient biogas was characterized by a high utilization rate of natural resources and low environmental load rates, with a large investment of purchased renewable emergy. In terms of system performance, the high net emergy yield ratio and emergy exchange ratio for supply-type biogas was better than that of the self-sufficient type because the later exhibited insufficient output. With the highest net emergy yield ratio and emergy exchange ratio, the commodity-producer mode had the best system performance among the six modes. (2) Regarding ecological benefits, modes including welfare mode, commodity-producer mode, and professional livestock-raising mode were prominent in the reduction of emission effects of greenhouse gases because their main income was from breeding. The modes including characteristic-planting mode, working and farming-combination mode, and traditional farming and breeding mode were not obvious in the reduction of the emission of greenhouse gases because their main development was planting. (3) From the perspective of government subsidies, the financial investment feasibility of the six modes was demonstrated at two angles, which were the farmer household financial angle and social economic angle. For the farmer household financial angle, welfare mode, commodity-producer mode, and professional-breeding mode could not satisfy the standard of farmer household financial investment. However, because of high ecological benefits from emission reduction of greenhouse gases, they conformed to the financial feasibility standard of the social economic point of view. On the other hand, the characteristic-planting mode and working and farming combination mode could not meet the financial feasibility standard of the social economic point of view, but satisfied the farmer household financial standard. Only traditional farming and breeding mode fully met the needs of social economic perspectives and the perspective of the farmer household financial standard. Based on the above research results, according to the breeding scale developmental trend and the present situation regarding energy utilizing in the underdeveloped mountainous area, some suggestions were proposed for choosing the appropriate development mode of biogas plant construction in the study area.

biogas operation; ecological effect; emergy analysis; cost-benefit analysis; underdeveloped mountainous area

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2016J01183)

2016- 08- 20;

2016- 11- 04

10.5846/stxb201608201707

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lhh613@163.com

林惠花,徐凌星,陳志強(qiáng),陳志彪,李東曄.福建欠發(fā)達(dá)山區(qū)沼氣運(yùn)營特征及生態(tài)效應(yīng).生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(1):305- 312.

Lin H H, Xu L X, Chen Z Q, Chen Z B, Li D Y.Biogas operation characteristics and its ecological effects in different typical modes of the underdeveloped mountainous area in Fujian Province.Acta Ecologica Sinica,2017,37(1):305- 312.