基于能值方法的“五配套”生態(tài)果園可持續(xù)性評(píng)價(jià)

張叢光 ，韓建聰 ，邱 凌 *，朱銘強(qiáng) ，成 嘉

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用西部科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，陜西 楊凌712100）

根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局的有關(guān)數(shù)據(jù)，2014年以來，陜西省的蘋果年產(chǎn)量已超過1000萬t，其種植面積高達(dá)66.52萬hm2[1]，在全國各省及自治區(qū)中位列第一，作為陜西省的六大支柱產(chǎn)業(yè)之一，蘋果產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展事關(guān)重大。西北“五配套”生態(tài)果園模式是近些年陜西省發(fā)展綠色有機(jī)蘋果的重要支撐，是根據(jù)黃土高原地區(qū)獨(dú)特的地理環(huán)境長期發(fā)展形成的，該模式的主要構(gòu)成是[2]：以一個(gè)0.33 hm2（約5畝）的成齡果園為基本生產(chǎn)單元，在果園前后配套一口8～10 m3的沼氣池、一眼 20～40 m3的水窖、一座 10～20 m2的豬舍、一種節(jié)水保墑裝置以及一棟10～15 m2的簡(jiǎn)易看護(hù)房。實(shí)踐證明，該模式是一類符合系統(tǒng)工程學(xué)、生態(tài)學(xué)及科學(xué)發(fā)展觀原理，以生物種群互惠共生、相互促進(jìn)、協(xié)調(diào)發(fā)展為基本特征的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式[3]。目前，關(guān)于循環(huán)農(nóng)業(yè)模式的評(píng)價(jià)方法[4]已出現(xiàn)多種，如基于宏觀尺度的層次分析法、主成分分析法、灰色關(guān)聯(lián)度分析等，以及基于微觀尺度的LCA法、能值分析法、生態(tài)碳足跡法等[5－12]。能值分析法基于研究對(duì)象的自然價(jià)值，將系統(tǒng)內(nèi)的全部生態(tài)流、經(jīng)濟(jì)流和物質(zhì)流以統(tǒng)一太陽能值的形式進(jìn)行表達(dá)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)性能的合理評(píng)估?；谀苤捣治鲈u(píng)價(jià)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式的研究已相當(dāng)廣泛，針對(duì)“豬－沼－果”、“四位一體”、“豬－沼－菜”、“稻－鴨”及其他沼氣循環(huán)農(nóng)業(yè)等模式的評(píng)估[13－20]，同時(shí)還出現(xiàn)了一些由能值分析與生命周期評(píng)價(jià)、生態(tài)足跡等方法結(jié)合而成的新方法[21－25]，它們極大地豐富了循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)評(píng)價(jià)理論的內(nèi)涵。然而，截至目前運(yùn)用能值方法評(píng)價(jià)“五配套”生態(tài)果園模式的研究鮮有報(bào)道。

本研究從西北“五配套”生態(tài)果園的結(jié)構(gòu)、功能及運(yùn)行機(jī)制出發(fā)，在深入掌握其功能原理及綜合效益的基礎(chǔ)上，運(yùn)用能值分析方法研究全國優(yōu)質(zhì)蘋果生產(chǎn)基地——澄城縣東馬店村“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“DFO”系統(tǒng)），通過對(duì)“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)進(jìn)行能值評(píng)價(jià)，可以從能量的視角評(píng)估該模式的生產(chǎn)效率及可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?，發(fā)現(xiàn)整套系統(tǒng)中潛在的優(yōu)勢(shì)與缺陷，為今后該模式的優(yōu)化發(fā)展工作提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文以東馬店村（35°15′N，109°57′E）“五配套”生態(tài)果園項(xiàng)目為研究對(duì)象，其研究區(qū)位于陜西省渭北高原東北部的澄城縣。該地區(qū)屬關(guān)中平原暖溫帶半濕潤季風(fēng)性氣候，年平均氣溫約12℃，年平均降水量680 mm，無霜期204 d，晝夜溫差較大，年平均日照時(shí)長約2616 h。近年來，澄城縣蘋果種植面積已達(dá)2.67×104hm2，年產(chǎn)量約40萬t，產(chǎn)值高達(dá)18億元，且約有1067 hm2蘋果園獲得美國、歐盟及國內(nèi)有機(jī)認(rèn)證。東馬店村共有農(nóng)戶138戶，約600余人，耕地面積97.67 hm2，其中蘋果種植面積33.33 hm2，主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)為畜禽養(yǎng)殖和蘋果種植，全村共建“五配套”沼氣池123口，占總農(nóng)戶的90%以上，經(jīng)過該模式的長期推廣和應(yīng)用，東馬店村的養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)均實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，據(jù)調(diào)查，該村平均每戶居民擁有“五配套”生態(tài)果園0.332 hm2，每戶平均年出欄生豬11.61頭，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 研究方法

1.2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征分析

西北“五配套”生態(tài)果園模式是以農(nóng)戶耕地為基礎(chǔ)，以太陽能保溫為動(dòng)力，以戶用沼氣發(fā)酵系統(tǒng)為紐帶，形成以農(nóng)帶牧，以牧促沼，以沼促果，果牧結(jié)合，配套發(fā)展的農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)[26]?！拔迮涮住鄙鷳B(tài)果園模式的構(gòu)成要素為五個(gè)部分：沼氣子系統(tǒng)、太陽能暖圈子系統(tǒng)、集水貯水子系統(tǒng)、節(jié)灌保墑子系統(tǒng)以及蘋果種植子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)的基本構(gòu)架和功能流程如圖1所示，即在種植面積約0.33 hm2的成齡果園基礎(chǔ)上，建一體積為8 m3的沼氣池，一座占地12 m2的豬圈（該豬圈與衛(wèi)生戶廁共同構(gòu)成太陽能暖圈子系統(tǒng)），一套由水窖和滴灌管道構(gòu)成的節(jié)水滴灌系統(tǒng)，形成一整套能源－生態(tài)－經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展的循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[27]。

在“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)中，作為種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)之間紐帶的沼氣發(fā)酵子系統(tǒng)，為果樹的生長發(fā)育提供了優(yōu)質(zhì)的沼肥——沼渣和沼液，它們是富含氮磷鉀元素的有機(jī)肥，施用該有機(jī)肥后，蘋果果樹樹勢(shì)強(qiáng)壯，葉色濃綠，果實(shí)的商品率平均高達(dá)85%，且售價(jià)高于市場(chǎng)均價(jià)的25%左右[27]。該模式的大規(guī)模推廣，能夠產(chǎn)生多方面的有益價(jià)值：拉動(dòng)研究區(qū)種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)的大力發(fā)展，增加農(nóng)民收入并解決農(nóng)村能源短缺問題，改善當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境以及促進(jìn)農(nóng)村精神文明建設(shè)等[28]。

圖1 “五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)流程圖Figure1 Flow diagram of the"Five-in-One"orchard system

1.2.2 “五配套”系統(tǒng)能值分析

東馬店村“五配套”生態(tài)果園項(xiàng)目隸屬于農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的范疇，因此其能值分析亦應(yīng)遵循農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的一般規(guī)則和程序。本研究按照如下步驟對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行能值分析：（1）根據(jù)Odum[29]提出的“能量系統(tǒng)語言”繪制“五配套”生態(tài)系統(tǒng)的能值流圖，對(duì)流經(jīng)復(fù)合系統(tǒng)與各子系統(tǒng)的環(huán)境資源、購買的可更新有機(jī)能與不可更新工業(yè)輔助能、流經(jīng)市場(chǎng)的物質(zhì)能量及系統(tǒng)反饋資源加以可視化表達(dá)；（2）進(jìn)行復(fù)合系統(tǒng)及各子系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)搜集并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)，分析能量在各子系統(tǒng)間的流動(dòng)特征；（3）建立東馬店“五配套”生態(tài)系統(tǒng)的能值分析表，該表應(yīng)包含序號(hào)、原始數(shù)據(jù)、太陽能值轉(zhuǎn)化率或物質(zhì)能量轉(zhuǎn)換系數(shù)、計(jì)算單位、太陽能值與文獻(xiàn)等；（4）建立反映系統(tǒng)不同性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)各指標(biāo)予以解釋和分析，并針對(duì)數(shù)據(jù)所反映的問題提出相應(yīng)的策略或建議，為研究區(qū)內(nèi)“五配套”模式的未來建設(shè)項(xiàng)目提供參考。

表1 “五配套”系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)價(jià)指標(biāo)Table1 Energy indices of the"Five-in-One"orchard system

1.2.3 系統(tǒng)可持續(xù)性及生產(chǎn)效率評(píng)價(jià)

為了便于分析同類農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的能值流動(dòng)特征，本研究按照以“促進(jìn)資源減量化、提高環(huán)境承載力、提升生產(chǎn)效率以及綜合可持續(xù)發(fā)展”為模式發(fā)展目標(biāo)的指標(biāo)選取原則，引進(jìn)以能值投入比重、能值產(chǎn)出率、能值投資率、環(huán)境負(fù)荷率、可持續(xù)發(fā)展指數(shù)等指標(biāo)為主的系統(tǒng)可持續(xù)評(píng)估體系，如表1所示。

1.2.4 溫室效應(yīng)減緩潛力分析

以沼氣為紐帶的生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，往往能夠體現(xiàn)出經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及環(huán)境的多重效益，而溫室氣體減排是體現(xiàn)環(huán)境效益的重要指標(biāo)，本研究按照生命周期評(píng)價(jià)的一般流程，對(duì)“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)進(jìn)行了建設(shè)、生產(chǎn)及產(chǎn)物利用各階段的溫室氣體排放追蹤，以CO2、CO、CH4和N2O作為主要的溫室氣體排放物質(zhì)，并按照Wang等[22]、Wu等[30]采用的轉(zhuǎn)換系數(shù)統(tǒng)一折算為以CO2為當(dāng)量的溫室效應(yīng)潛值，其中 CO2、CO、CH4、N2O的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為1、2、25和298。根據(jù)“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)的實(shí)際情況，本文將造成溫室氣體排放及減排的各類物質(zhì)或原材料共分為8項(xiàng)，分別是基礎(chǔ)建設(shè)、化肥施用、運(yùn)輸耗能、設(shè)備折舊、豬糞發(fā)酵、沼肥還田、沼氣燃燒及由此引起的燃煤替代。

1.2.5 資料收集與數(shù)據(jù)處理方法

本研究采用實(shí)地入戶調(diào)查和查閱報(bào)表年鑒的方式獲取項(xiàng)目原始數(shù)據(jù)，在研究區(qū)的138戶居民中選取了123戶“五配套”生態(tài)果園模式戶，讓農(nóng)戶、村委工作人員填寫模式清單調(diào)查問卷，并按地理分布情況隨機(jī)挑選了30個(gè)模式戶進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，確保調(diào)查問卷的可靠性，通過對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析并以戶為單位整理“五配套”模式的投入產(chǎn)出數(shù)據(jù)，得到最終的農(nóng)戶基本情況、畜禽養(yǎng)殖、沼氣池和農(nóng)資等的投入產(chǎn)出清單結(jié)果。此外，“五配套”系統(tǒng)運(yùn)行期間的氣象數(shù)據(jù)通過當(dāng)?shù)貧庀缶帧⑥r(nóng)業(yè)局等部門獲得，利用Excel等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的核算以及圖表的繪制，所需能值轉(zhuǎn)換率或物質(zhì)折能系數(shù)參考相關(guān)文獻(xiàn)[31－35]。

圖2 “五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)能值流Figure2 Energy flow of the＂Five－in－One＂orchard system

2 結(jié)果與討論

2.1 東馬店村“五配套”系統(tǒng)能值流分析

東馬店村“五配套”生態(tài)果園的能值流動(dòng)情況如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)的能量流入主要依靠自然資源、購買的有機(jī)能和工業(yè)輔助能，而系統(tǒng)的能量流出方向主要是貨幣市場(chǎng)和自然環(huán)境，一部分產(chǎn)出能值又反饋給系統(tǒng)繼續(xù)利用，在“五配套”系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間也同時(shí)進(jìn)行著大量的能量交換。東馬店村“五配套”生態(tài)果園包含沼氣發(fā)酵、太陽能暖圈、集水貯水、節(jié)灌保墑以及蘋果種植五個(gè)模塊，其中沼氣發(fā)酵模塊是連接養(yǎng)殖與種植系統(tǒng)的紐帶，建于畜禽舍和衛(wèi)生戶廁下方，太陽能暖圈模塊（包括衛(wèi)生戶廁和豬舍）產(chǎn)生的人畜糞便及沖洗水經(jīng)進(jìn)料管道進(jìn)入沼氣池，根據(jù)對(duì)東馬店村項(xiàng)目的調(diào)查和計(jì)算，太陽能暖圈日產(chǎn)發(fā)酵原料約30～40 kg，即每年共計(jì) 10 000～15 000 kg 排泄糞便[36]，全部輸入至沼氣發(fā)酵模塊。沼氣發(fā)酵模塊產(chǎn)生的沼液與沼渣，是營養(yǎng)物質(zhì)豐富的有機(jī)肥料，可以替代一部分無機(jī)化肥和農(nóng)藥的施用[19]，系統(tǒng)每年產(chǎn)生的沼肥能值總量為8.70×1016se（j表2），全部作為系統(tǒng)反饋能值流入到沼肥利用子系統(tǒng)，即用于果園的肥料供應(yīng)。此外，沼氣發(fā)酵子系統(tǒng)每年還將生產(chǎn)能值總量達(dá)3.85×1017sej的沼氣，除少部分用于系統(tǒng)自身運(yùn)轉(zhuǎn)外，其余絕大部分流入銷售市場(chǎng)。

2.2 系統(tǒng)能值結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 能值投入及產(chǎn)出分析

東馬店村“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)的能值核算情況如表 2 所示，系統(tǒng)的能值總投入為 8.08×1017sej·a－1，其中包含可更新自然資源投入 8.60×1016sej·a－1，不可更新自然資源投入 2.96×1016sej·a－1，購買的可更新有機(jī)能投入 4.68×1017sej·a－1，購買的不可更新工業(yè)輔助能投入 8.18×1016sej·a－1，分別占總投入的 10.64%、3.66%、57.92%及10.12%。在可更新自然資源能值投入中，由降雨引起的能值貢獻(xiàn)率高達(dá)67.91%，可見在整個(gè)“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)中，降水是影響蘋果種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最顯著環(huán)境因子。在購買的不可更新工業(yè)輔助能投入中，沼氣池、水窖、太陽能暖圈及附屬工程的建設(shè)與維護(hù)為主要項(xiàng)目，因此工業(yè)輔助能值投入集中于沼氣發(fā)酵子系統(tǒng)、太陽能暖圈子系統(tǒng)與集水滴灌子系統(tǒng)，其余少量能值用于蘋果種植子系統(tǒng)，如化肥、農(nóng)藥等。

綜合而言，購買的可更新有機(jī)能對(duì)“五配套”生態(tài)果園模式的能值貢獻(xiàn)最大，包括仔豬、飼料、人力和果苗等項(xiàng)目，而這些投入主要分布于養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)。在系統(tǒng)總能值投入中，購買能值（包括購買的可更新有機(jī)能與不可更新工業(yè)輔助能）投入占68.04%，自然資源能值投入僅占14.31%，因此在短期內(nèi)，“五配套”生態(tài)果園項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益并不會(huì)立即顯現(xiàn)，比較適合以政府投資為主體的中長期生態(tài)建設(shè)方案。此外，系統(tǒng)的可更新能值投入共計(jì) 5.54×1017sej·a－1，約占系統(tǒng)總能值投入的68.56%，說明東馬店村“五配套”生態(tài)果園模式的系統(tǒng)可更新能力較強(qiáng)，有利于該模式在研究區(qū)內(nèi)的大規(guī)模推廣。

表2 “五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)能值核算表Table2 Energy accounting of the"Five-in-One"orchard system

東馬店村“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)總能值產(chǎn)出6.07×1018sej·a-1，其中生豬、沼氣、蘋果和蘋果枝葉分別占17.79%、6.34%、74.50%、1.38%，因此蘋果種植業(yè)和生豬養(yǎng)殖業(yè)是該模式的主要能值產(chǎn)出來源，兩者對(duì)系統(tǒng)總產(chǎn)出的貢獻(xiàn)率高于90%，而其中能值產(chǎn)出最高的是蘋果，說明西北“五配套”生態(tài)果園模式的主要營利來源是蘋果產(chǎn)業(yè)，這與劉娟娟等[36]、高春雨等[37]關(guān)于蘋果在“五配套”系統(tǒng)中的經(jīng)濟(jì)效益高貢獻(xiàn)率相符合。根據(jù)計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)果園殘枝作為系統(tǒng)的廢棄資源未被反饋利用，由此造成了約12.6%的能值廢棄率（廢棄資源能值占總投入能值的比重），因此“五配套”模式應(yīng)探索蘋果枝葉等廢棄物的資源化利用，如通過炭化還田、腐化制有機(jī)肥等途徑反饋到蘋果種植子系統(tǒng)。

2.2.2 系統(tǒng)反饋能值分析

為方便“五配套”生態(tài)果園模式的特征分析，探究該模式與其他類型的沼氣循環(huán)農(nóng)業(yè)模式及單純蘋果種植模式的共性和差異，本文對(duì)比研究了其他兩類沼氣循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)——“豬-沼-糧”（PBG）系統(tǒng)[43]“沼氣生態(tài)村”（BEV）系統(tǒng)[42]，以及一類單一蘋果種植系統(tǒng)（SAP）[39]，三類對(duì)照系統(tǒng)的能值投入產(chǎn)出情況見表3，其中沼氣循環(huán)農(nóng)業(yè)模式以各自的單元系統(tǒng)運(yùn)行一年作為核算依據(jù)，單一蘋果種植模式則以同等面積的果園系統(tǒng)運(yùn)行一年作為核算依據(jù)?！拔迮涮住毕到y(tǒng)的反饋能值為 1.43×1017sej·a-1，占系統(tǒng)能值總投入的17.70%，整體上反映了“五配套”生態(tài)果園具有較強(qiáng)的資源利用效率和自我更新能力，能夠在較大程度上提高系統(tǒng)的能值效益，然而與其他沼氣循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相比，在某些方面具有相對(duì)明顯的差異。

如表3所示，“豬-沼-糧”系統(tǒng)、沼氣生態(tài)村系統(tǒng)和單一蘋果種植系統(tǒng)的反饋能值占系統(tǒng)能值總投入的比例分別為11.31%、29.23%和0%。“五配套”生態(tài)果園與沼氣生態(tài)村、“豬-沼-糧”系統(tǒng)均是沼氣循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，但其反饋能值比率卻高于“豬-沼-糧”系統(tǒng)（圖2a），低于沼氣生態(tài)村系統(tǒng)（圖2b），產(chǎn)生較大差異主要是由系統(tǒng)循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈和系統(tǒng)內(nèi)的物種生物多樣性不同造成的，如在沼氣生態(tài)村系統(tǒng)中，由花卉苗木、果園和特色種植所生產(chǎn)的大量有機(jī)飼料反饋到養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)，且整體上其循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈的長度明顯大于“五配套”系統(tǒng)，從而形成相對(duì)“五配套”生態(tài)果園更高比率的反饋能值以及系統(tǒng)穩(wěn)定性。而在單一蘋果種植系統(tǒng)中，反饋能值為0，可見以沼氣為紐帶的復(fù)合系統(tǒng)由于連通了養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)，形成了一定的能值反饋流，從而可以更為高效地實(shí)現(xiàn)部分農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)品及其他廢棄物的資源化利用，提高系統(tǒng)的資源利用率與生產(chǎn)效率。

圖2 “豬-沼-糧”系統(tǒng)（a）和沼氣生態(tài)村系統(tǒng)（b）的反饋能值結(jié)構(gòu)Figure2 Feedback energy structure of the PBG system（a）and BEV systems（b）

表3 “五配套”及三類對(duì)照系統(tǒng)的投入產(chǎn)出能值分析表Table3 Energy input and output of the"Five-in-One"orchard system and three control systems

2.3 系統(tǒng)可持續(xù)性評(píng)價(jià)

2.3.1 資源利用及清潔生產(chǎn)分析

東馬店村“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)與“豬-沼-糧”系統(tǒng)、沼氣生態(tài)村系統(tǒng)、單一蘋果種植系統(tǒng)的能值評(píng)價(jià)指標(biāo)見表4。資源利用及清潔生產(chǎn)是表征農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合發(fā)展能力的重要表現(xiàn)，也是現(xiàn)階段我國對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提出的新要求，它不僅要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中注重一次資源的高效利用以及二次資源的重復(fù)利用，還要求不以更多化肥、農(nóng)藥等資源投入為代價(jià)。能值自給率反映了系統(tǒng)建設(shè)中環(huán)境資源投入的比重，由表4可知，“五配套”系統(tǒng)的ESR明顯高于其他兩類沼氣循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，說明該系統(tǒng)對(duì)購買的資源投入依賴程度較小，對(duì)從自然環(huán)境中獲取的資源比重較大，能夠保持長期的發(fā)展穩(wěn)定性。從廢棄能值角度來看，東馬店村“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)與沼氣生態(tài)村系統(tǒng)相當(dāng)，低于單一蘋果種植系統(tǒng)，產(chǎn)生廢棄能值的原因主要是蘋果種植產(chǎn)生的殘枝落葉未被有效利用，將來應(yīng)考慮利用生物質(zhì)炭化還田、腐化制成有機(jī)肥、提高系統(tǒng)內(nèi)生物多樣性（如香菇種植）等方法充分利用該類資源。

表4 東馬店村“五配套”系統(tǒng)的能值指標(biāo)分析Table4 Energy indices of the"Five-in-One"system in Dongmadian Village

2.3.2 系統(tǒng)生產(chǎn)效率性能分析

對(duì)于大部分農(nóng)業(yè)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，唯有源源不斷的經(jīng)濟(jì)效益才能從根本上解決發(fā)展問題，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的積極性。經(jīng)分析，東馬店村“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)具有較高的能值產(chǎn)出率（11.10），相當(dāng)于沼氣生態(tài)村系統(tǒng)的2.5倍，單一蘋果種植系統(tǒng)的4倍，這說明在投入同等能值的情況下，“五配套”系統(tǒng)的產(chǎn)出能值更高，產(chǎn)品所帶有的價(jià)值量更高，如本研究區(qū)所生產(chǎn)的蘋果等產(chǎn)品，由于大量采用有機(jī)肥，較少使用化肥而具有更高的品質(zhì)效益，所生產(chǎn)的蘋果口感和營養(yǎng)均優(yōu)于其他地區(qū)。根據(jù)表4的指標(biāo)數(shù)據(jù)，“五配套”系統(tǒng)的能值投資率明顯低于“豬-沼-糧”系統(tǒng)和沼氣生態(tài)村系統(tǒng)，能值投資率是表征系統(tǒng)對(duì)環(huán)境資源依賴程度的能值指標(biāo)，該結(jié)果說明其能值投入中需要購買的能值比重相對(duì)其他兩類系統(tǒng)較低，通過對(duì)能值投入結(jié)構(gòu)的分析，可以發(fā)現(xiàn)“五配套”系統(tǒng)需要更多的太陽能和雨水能投入，這與太陽能暖圈子系統(tǒng)和集水貯水子系統(tǒng)的功能特征有關(guān)，這些子系統(tǒng)易受溫度、水分等自然條件的影響，因此需要大量的能值投入以維持其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3.3 可持續(xù)發(fā)展性能分析

隨著“減量化、再利用和再循環(huán)”原則在我國農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中的不斷深化，環(huán)境友好發(fā)展已成為表征農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)綜合能力的重要體現(xiàn)。東馬店村“五配套”系統(tǒng)的系統(tǒng)可更新率為68.56%，除可更新購買的有機(jī)能值投入，人畜糞便和沼液、沼渣等有機(jī)物的反饋也為整個(gè)系統(tǒng)的可更新能力作出了不可忽略的貢獻(xiàn)，東馬店村“五配套”系統(tǒng)與“豬-沼-糧”系統(tǒng)、沼氣生態(tài)村系統(tǒng)的可更新能力相似，均高于50%，且相比單一蘋果種植系統(tǒng)均有明顯提高，這體現(xiàn)了沼氣循環(huán)農(nóng)業(yè)模式在自我更新方面的優(yōu)越性，同時(shí)也表明種養(yǎng)產(chǎn)業(yè)結(jié)合的系統(tǒng)要比單一產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)具有更強(qiáng)的活力和可持續(xù)性。東馬店村“五配套”系統(tǒng)的環(huán)境負(fù)荷率與“豬-沼-糧”模式、沼氣生態(tài)村基本持平，但明顯低于單一蘋果種植系統(tǒng)的環(huán)境負(fù)荷率（2.77），這表明“五配套”生態(tài)果園模式的建設(shè)對(duì)環(huán)境的破壞力較小，能夠取得良好的生態(tài)效益，但據(jù)Wu等[30]的研究可以發(fā)現(xiàn)，本文所研究的三類沼氣循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的環(huán)境負(fù)荷率均處在較低水平，這表明該類系統(tǒng)的科技水平目前尚低，未來的建設(shè)應(yīng)該更加注重沼氣物聯(lián)網(wǎng)、智慧農(nóng)業(yè)等前沿技術(shù)的應(yīng)用。

可持續(xù)性和穩(wěn)定性是衡量沼氣循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)綜合性能的根本體現(xiàn)，也是研究所有生態(tài)系統(tǒng)能值評(píng)估的落腳點(diǎn)。東馬店村“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)、“豬-沼-糧”生態(tài)系統(tǒng)、沼氣生態(tài)村復(fù)合系統(tǒng)和單一蘋果種植系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)分別是69.10、69.93、43.16與0.97，由此可見，“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)與“豬-沼-果”系統(tǒng)類似，其系統(tǒng)可持續(xù)性指數(shù)相當(dāng)于沼氣生態(tài)村系統(tǒng)的1.6倍、單一蘋果種植系統(tǒng)的71倍，相比沼氣生態(tài)村系統(tǒng)和單一蘋果種植系統(tǒng)具有更強(qiáng)的環(huán)境可持續(xù)性，充分體現(xiàn)了“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)良好的系統(tǒng)活力和發(fā)展?jié)撃堋?/p>

2.3.4 溫室氣體減排效益分析

如表5所示，“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)表現(xiàn)出整體核算上的GHG減排效益，其減排潛力高達(dá)1 251.99 kg CO2－eq·a－1。除發(fā)酵原料、沼肥及沼氣燃燒所替代的燃煤之外，其他均為溫室氣體排放項(xiàng)，且由化肥施用導(dǎo)致的溫室氣體排放最為嚴(yán)重（78.92%），基礎(chǔ)建設(shè)和沼氣燃燒亦分別造成了14.02%和7.05%的排放量。由此可見，大力實(shí)施“兩減一增”及“有機(jī)肥替代化肥”等措施，將有利于以沼氣為紐帶的生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。在GHG減排項(xiàng)中，燃煤替代和沼肥還田分別避免了－975.42 kg CO2－eq 與－1 290.79 kg CO2－eq的GHG排放，是整個(gè)系統(tǒng)最為可觀的環(huán)境效益來源。此外，將養(yǎng)殖模塊產(chǎn)生的豬糞反饋于沼氣模塊進(jìn)行厭氧發(fā)酵，帶來了約7%的溫室氣體減排量。

表5 東馬店村“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)溫室氣體減排效應(yīng)分析Table5 GHG mitigation analysis of the ＂Five－in－One＂system in Dongmadian Village

3 結(jié)論

（1）“五配套”生態(tài)果園作為一種典型的沼氣循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，同“豬－沼－糧”、“豬－沼－菜”及其他種養(yǎng)結(jié)合模式類似，相比單純的農(nóng)作物種植系統(tǒng)，整體上具有自我更新能力強(qiáng)、環(huán)境負(fù)荷小、生產(chǎn)效率和投資收益率高、系統(tǒng)可持續(xù)性強(qiáng)等特征。

（2）“五配套”系統(tǒng)由沼氣發(fā)酵、太陽能暖圈、集水貯水、蘋果種植及節(jié)灌保墑五個(gè)部分構(gòu)成，系統(tǒng)通常以縣域或鄉(xiāng)鎮(zhèn)為尺度進(jìn)行建設(shè)，其循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈較長，整體能值反饋率高達(dá)26%，因此其內(nèi)部反饋能值流更為復(fù)雜，具有良好的產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

（3）“五配套”生態(tài)果園模式的建設(shè)對(duì)環(huán)境的破壞力較小，能夠取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，但自然資源開發(fā)程度較低，應(yīng)注重引進(jìn)更為先進(jìn)的現(xiàn)代技術(shù)，降低人工和傳統(tǒng)資源投入，提升高品質(zhì)能值生產(chǎn)效率，且該系統(tǒng)能值廢棄率偏高，應(yīng)進(jìn)一步提高系統(tǒng)的生物多樣性，逐漸豐富和調(diào)控各子系統(tǒng)間的能值反饋結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的能值產(chǎn)投效益。

（4）“五配套”生態(tài)果園系統(tǒng)表現(xiàn)出整體核算上的GHG減排效益，其減排潛力高達(dá)1 251.99 kg CO2－eq·a－1，效益來源主要包括豬糞作為發(fā)酵原料的反饋投入、沼肥農(nóng)用以及由沼氣燃燒帶來的燃煤替代?；诖?，各類沼氣工程常被納入清潔發(fā)展機(jī)制（CDM）減排項(xiàng)目，產(chǎn)生了顯著的綜合效益。

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