基于能值分析的秸稈-羊-田循環(huán)系統(tǒng)生產(chǎn)效率與可持續(xù)性評估

朱冰瑩，董 佳，沈明星，鄭建初

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基于能值分析的秸稈-羊-田循環(huán)系統(tǒng)生產(chǎn)效率與可持續(xù)性評估

朱冰瑩1，董 佳1，沈明星2，鄭建初3※

（1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人文與社會發(fā)展學(xué)院，南京 210095；2. 江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，蘇州 215155；3. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院循環(huán)農(nóng)業(yè)研究中心，南京 210095）

生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)是解決現(xiàn)代規(guī)?；B(yǎng)殖污染的有效手段。該文使用能值分析方法，對現(xiàn)代“秸稈-羊-田”循環(huán)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率與可持續(xù)性進行評估。結(jié)果表明，與單一湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)相比，“秸稈-羊-田”復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的能值轉(zhuǎn)換率降低96.09%，表明循環(huán)系統(tǒng)大大提高了終端產(chǎn)品的能值利用效率；能值投資率和環(huán)境負載率降低程度達67.66%以上，而可持續(xù)發(fā)展指數(shù)明顯增加，表明循環(huán)系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中能夠較好地降低環(huán)境壓力而具有很好的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?；凈能值產(chǎn)出率和能值產(chǎn)投比分別降低70.32%和70.43%，表明復(fù)合生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益有所降低，主要是由于生產(chǎn)原材料（豆粕、秸稈等）、基建與設(shè)備投入增加造成。因此，需要對其提供的生態(tài)服務(wù)功能的正外部性進行經(jīng)濟補償，補償標準為380.76元/（只·a）。然而，如果對目前的循環(huán)生產(chǎn)過程進行優(yōu)化，理論上能夠提高凈能值產(chǎn)出率，從而實現(xiàn)對循環(huán)系統(tǒng)環(huán)境效益的自我補償。

可持續(xù)性；秸稈；循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)；能值評估；生產(chǎn)效率

0 引 言

近年來，畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；l(fā)展帶來巨大的經(jīng)濟效益，同時，也產(chǎn)生了大量的養(yǎng)殖廢棄物，對農(nóng)村生態(tài)環(huán)境造成了巨大的壓力[1]。如何減少廢棄物排放而合理有效利用，引起了政府和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[2]?；凇皽p量化、資源化、再循環(huán)和可控化”原則的循環(huán)經(jīng)濟思想而設(shè)計的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，被認為是解決畜禽養(yǎng)殖污染的最有效手段之一[3]。2016年和2017年中央一號文件明確提出要“推動種養(yǎng)結(jié)合、農(nóng)牧循環(huán)發(fā)展”、“大力推行高效生態(tài)循環(huán)的種養(yǎng)模式”。目前，中國正在嘗試實踐的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式可以歸為2類：以“沼氣”為紐帶的“養(yǎng)殖-沼氣-作物”循環(huán)利用模式[4-6]和以“有機肥”為紐帶的“養(yǎng)殖-有機肥-作物”循環(huán)利用模式[7]。已有研究主要關(guān)注循環(huán)模式的工藝設(shè)計、污染物減排和沼(有機)肥的田間肥效等方面[6,8-9]。然而，目前，仍然缺乏從生態(tài)經(jīng)濟學(xué)角度對循環(huán)農(nóng)業(yè)模式的生產(chǎn)效率和可持續(xù)發(fā)展能力的定量分析研究。

能值分析是一種以自然價值為基礎(chǔ)，將各種自然資源和社會經(jīng)濟資源轉(zhuǎn)化為太陽能值（emergy）進行研究的方法[10]。該方法克服了目前主流生態(tài)經(jīng)濟學(xué)手段難以統(tǒng)一生態(tài)流和經(jīng)濟流的缺陷，如生命周期評價法主要是針對環(huán)境排放和資源利用程度進行定量評價，而缺乏對社會經(jīng)濟效益的評估[11]；價值量評價法僅能對某系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)的市場價值量進行評價，而不能對生態(tài)資產(chǎn)進行評估[12]。然而，能值分析方法可以將不同質(zhì)的物質(zhì)、能量和信息等轉(zhuǎn)化為量綱統(tǒng)一的能值，單位為太陽能焦耳（Sej），從而實現(xiàn)了生態(tài)流與經(jīng)濟流的對接[13]。目前，已有研究人員將能值分析方法在循環(huán)農(nóng)業(yè)評估中進行了初步嘗試。例如，鐘珍梅等[14]使用能值分析發(fā)現(xiàn)，以沼氣為紐帶的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式比單純生豬養(yǎng)殖系統(tǒng)的環(huán)境負載率低15.00%，而可持續(xù)發(fā)展指數(shù)提高15.71%。周連第等[11]使用能值分析對京郊密云尖巖村的生物循環(huán)模式進行了評估，發(fā)現(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)比各生產(chǎn)環(huán)節(jié)子系統(tǒng)的能值投資率和環(huán)境負載率低，而凈能值產(chǎn)出率和可持續(xù)發(fā)展指數(shù)高。

湖羊是太湖平原地區(qū)唯一的優(yōu)良綿羊品種，具有繁殖力強、早期生長快和耐粗飼等優(yōu)良特點[15]。由于在江南地區(qū)長期馴化，適應(yīng)高濕高熱環(huán)境和圈養(yǎng)，從而為規(guī)?；B(yǎng)殖帶來了可能[16]。為了促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展，江蘇太倉市城廂鎮(zhèn)東林村以集體自營方式成立了合作農(nóng)場，發(fā)展以湖羊規(guī)模化養(yǎng)殖為核心的“草(秸稈)-羊-田”循環(huán)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，具有較大的社會影響力[17]。為了科學(xué)評估該循環(huán)農(nóng)業(yè)模式的可持續(xù)發(fā)展能力和生態(tài)經(jīng)濟效益，本文使用能值分析方法，研究了該模式現(xiàn)行運作條件下的能值流特征、綜合效益和生態(tài)補償標準，并預(yù)測了在系統(tǒng)優(yōu)化條件下的系統(tǒng)產(chǎn)出效率和生態(tài)經(jīng)濟效益，以期為該模式的改進與推廣提供理論依據(jù)。

1 研究材料與方法

1.1 研究對象

東林合作農(nóng)場位于江蘇省太倉市城廂鎮(zhèn)（31°25′N，121°05′E），屬長江三角洲沖積平原，地處北亞熱帶南部濕潤氣候區(qū)。城廂鎮(zhèn)年平均氣溫15.3 ℃，年均降水量1 070.3 mm，相對濕度81%，日照1 977.1 h，全年雨日有129.5 d，霜期135 d，霜日49.6 d。東林合作農(nóng)場成立于2010年，為江蘇省首家村級集體自營的合作農(nóng)場，以發(fā)展現(xiàn)代“秸稈-羊-田”循環(huán)農(nóng)業(yè)為支柱產(chǎn)業(yè)。該循環(huán)系統(tǒng)包括湖羊養(yǎng)殖廠、有機肥生產(chǎn)廠、稻麥農(nóng)田和飼料加工廠4個部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示（虛線部分表示系統(tǒng)邊界）。其中，湖羊養(yǎng)殖廠的設(shè)計規(guī)模為萬頭出欄量，目前的生產(chǎn)水平為3 000頭，分為育肥生產(chǎn)部和良種培育部，總投資3 500萬元（包括基礎(chǔ)設(shè)施、設(shè)備、流動資金等），總建筑面積約27 000 m2。有機肥廠占地面積4 100 m2，以湖羊養(yǎng)殖廠產(chǎn)生的羊糞為原料，輔以菌棒、樹皮、米糠和稻麥秸稈等，進行生產(chǎn)高效有機肥。配置133.33 hm2高標準農(nóng)田，以消納羊糞有機肥。農(nóng)田生產(chǎn)施行水稻和小麥周年輪作，雇傭18名工人進行集約化生產(chǎn)管理。秸稈飼料加工廠占地1.6 hm2，總投資4 500萬元。飼料廠利用發(fā)酵稻麥秸稈和豆渣酒糟等農(nóng)作物廢料，經(jīng)過有益微生物菌劑發(fā)酵制作成適合湖羊喂養(yǎng)的飼料。

注：系統(tǒng)邊界以虛線表示。

1.2 研究方法

1.2.1 能值分析

能值理論是由美國著名生態(tài)學(xué)家Odum于1980年代創(chuàng)立[10]。該理論認為，一切自組織系統(tǒng)的運作過程都在直接或間接地利用太陽能，各種物質(zhì)、能量、信息和經(jīng)濟價值都可通過某一轉(zhuǎn)換系數(shù)（transformity，即能值轉(zhuǎn)換系數(shù)）轉(zhuǎn)化為太陽能，即能值（emergy；單位為太陽能焦耳：Sej），從而實現(xiàn)了能流、物流和價值流的對接統(tǒng)一。

能值轉(zhuǎn)換系數(shù)是能值分析中最為關(guān)鍵的參數(shù)之一，表示單位能量的能值含量[11]。本文所用的能值轉(zhuǎn)換系數(shù)來自于Odum[18]和藍盛芳[19]提供的能值分析清單及其他參考文獻[20]。本研究中能值轉(zhuǎn)換系數(shù)的全球基準能值為15.83×1024Sej/a[18]。

參照周連第等[11]方法，能值投入結(jié)構(gòu)可解析為可更新環(huán)境資源能值（）、不可更新環(huán)境資源能值（）和購買性經(jīng)濟反饋能值（）3部分各占能值投入總量（）的比例。能值輸入結(jié)構(gòu)可解析為不同產(chǎn)品占能值輸出總量（）的比例。

1.2.2 能值評價指標

本文選用以下6個指標對現(xiàn)代“秸稈-羊-田”循環(huán)系統(tǒng)及其各個子系統(tǒng)進行能值評估：

1）能值投資率（emergy investment ratio，EIR）：為經(jīng)濟反饋能值與環(huán)境資源能值的比率，是反映經(jīng)濟發(fā)展指標與環(huán)境負載程度的指標[11]。EIR值越大，表明對社會經(jīng)濟系統(tǒng)的依賴越強，而其值越小，表明對社會經(jīng)濟系統(tǒng)的依賴較低而對環(huán)境資源的依賴較強。計算公式為EIR=/(+)。

2）能值轉(zhuǎn)換率（unit emergy value，UEV）：為系統(tǒng)生產(chǎn)單位產(chǎn)品所需要的能值投入量，是評價系統(tǒng)產(chǎn)品能值利用效率的有效手段，其值越高，表明產(chǎn)品的能值利用效率越低[13]。計算公式為UEV=/，其中，為系統(tǒng)的能值輸出總量，為系統(tǒng)產(chǎn)品的能量產(chǎn)出。

3）可更新比率（renewable ratio，F(xiàn)）：反映生產(chǎn)過程中所利用可更新資源的比率[13]。F值越大，表明系統(tǒng)運作更多地依賴于可更新資源的投入。計算公式為F=/，其中，為可更新環(huán)境資源能值，為能值投入總量。

4）環(huán)境負載率（environmental loading ratio，ELR）：指不可更新能值與可更新能值投入的比率，反映系統(tǒng)生產(chǎn)對周圍環(huán)境的壓力[11]。ELR值越大，表明系統(tǒng)生產(chǎn)過程對環(huán)境的壓力越大。計算公式為ELR=(+)/。

5）凈能值產(chǎn)出率（emergy yield ratio，EYR）：指系統(tǒng)產(chǎn)出能值與購買性能值的比率，是衡量系統(tǒng)產(chǎn)出對經(jīng)濟貢獻大小的指標，也能反映系統(tǒng)生產(chǎn)效率[11]。EYR值越大，表明系統(tǒng)的生產(chǎn)效率越高，經(jīng)濟效益越好。計算公式為EYR=/。

6）可持續(xù)發(fā)展指數(shù)（emergy sustainability index，ESI）：指能值產(chǎn)出率EYR與環(huán)境負載率ELR的比值，反映系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)潛力[11]。計算公式如下：ESI=EYR/ELR。

1.2.3 能值綜合效益與生態(tài)補償

本文選用能值產(chǎn)投比反映系統(tǒng)的能值綜合效益，即能值產(chǎn)出總量與投入總量的比值。其值越大，表明綜合效益越高。借鑒毛德華等[21]的研究方法，本文首先計算出循環(huán)系統(tǒng)（RC）與湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)（CK）之間的凈能值收益差值（），即=(RC?RC)?(CK?CK)，作為評判是否需要進行生態(tài)補償?shù)囊罁?jù)。如果≤0，表明循環(huán)系統(tǒng)提供了較好的生態(tài)服務(wù)功能（即正外部性），而經(jīng)濟效益受到影響，因此需要受益對象對其進行補償；如果>0，表明循環(huán)系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟效益，能夠?qū)崿F(xiàn)自我補償而無需受益對象進行生態(tài)補償。其次，如果需要進行生態(tài)補償，將凈能值收益差值作為補償額度，通過能值/貨幣比率，將其轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟補償標準。某一地區(qū)的能值/貨幣比率（，Sej/元）的計算公式為=/GNP[21]，其中，為某一特定區(qū)域全年的總能值投入，GNP為某一地區(qū)的全年國民生產(chǎn)總值。依據(jù)《2017年江蘇省統(tǒng)計年鑒》提供的2016年江蘇省各項社會、經(jīng)濟投入與產(chǎn)出數(shù)據(jù)和Odum[18]和藍盛芳等[19]提供的能值轉(zhuǎn)化系數(shù)，經(jīng)轉(zhuǎn)化并計算獲得。經(jīng)核算，2017年江蘇省的能值投入總量為3.41×1024Sej，而當(dāng)年的GNP為6.51×1011元。因此，3.41×1024Sej/6.51×1011元=5.24×1012Sej/元。

1.2.4 系統(tǒng)優(yōu)化及綜合評估

本文所研究的現(xiàn)代“秸稈-羊-田”循環(huán)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的配置主要來源于當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的生產(chǎn)經(jīng)驗，缺乏相應(yīng)的科學(xué)依據(jù)，因此，具有進一步優(yōu)化的空間。羊糞有機肥還田量是該循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定著養(yǎng)殖規(guī)模與農(nóng)田產(chǎn)出。還田量不足會導(dǎo)致土壤肥力不夠，影響作物產(chǎn)量；還田量過高，依然會對作物生產(chǎn)造成負面影響。目前，該系統(tǒng)運作是以1 t羊糞有機肥/畝用量，并配合化肥，且僅在稻季施用，達不到“閉合循環(huán)”的設(shè)計初衷。本文依據(jù)錢俊熹[22]的研究結(jié)果，羊糞有機肥最佳承載量為水稻季84.30 t/hm2，小麥季64.80 t/hm2，且對應(yīng)的水稻產(chǎn)量為12.16 t/hm2，小麥產(chǎn)量為5.30 t/hm2。由于當(dāng)初建立的湖羊養(yǎng)殖場、有機肥堆肥生產(chǎn)設(shè)備及飼料加工生產(chǎn)設(shè)備都具有較大的生產(chǎn)能力，目前的生產(chǎn)水平遠沒有達到生產(chǎn)上限。因此，基于農(nóng)田最佳羊糞有機肥承載量，以擴大生產(chǎn)規(guī)模為目標進行系統(tǒng)優(yōu)化。優(yōu)化參數(shù)如下：系統(tǒng)配置133.33 hm2稻麥兩熟制農(nóng)田，兩季作物需施入羊糞有機肥(84.30+64.80) t/hm2×133.33 hm2=19 880 t/a，不需施用化肥；據(jù)估算，每只湖羊在養(yǎng)殖期間產(chǎn)生濕糞約為1 000 kg，糞便系數(shù)設(shè)為0.667[23]，因此，為滿足有機肥供應(yīng)，需養(yǎng)殖湖羊19 880×1 000 kg/(1000 kg×0.667)= 29 805只（出欄量）；每只湖羊在養(yǎng)殖期間需要消耗飼料約830 kg，因此，為滿足湖羊生產(chǎn)要求，需飼料29 805只×830 kg/只=24 852 t；生產(chǎn)1 t飼料需要投入0.76 t秸稈和0.07 t豆粕，因此，飼料生產(chǎn)需要購入1764 t豆粕和18 916 t秸稈。

基于優(yōu)化系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，估算出能值投資率、能值轉(zhuǎn)換率、可更新比率、環(huán)境負載率、凈能值產(chǎn)出率和可持續(xù)發(fā)展指數(shù)；并估算出凈能值效益，進一步與單一湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)比較，計算出凈能值收益差異，以確定生態(tài)補償標準是否有所變化。

1.3 數(shù)據(jù)采集

課題組于2018年3月對蘇州城廂鎮(zhèn)東林村的現(xiàn)代“秸稈-羊-田”循環(huán)系統(tǒng)進行了詳細調(diào)研。調(diào)研采用半結(jié)構(gòu)式訪談形式，對村委會及各子系統(tǒng)負責(zé)人進行詳細咨詢。調(diào)研之前，分別對4個子系統(tǒng)的投入與產(chǎn)出情況列出詳細提綱。其中，湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)的調(diào)研數(shù)據(jù)包括：養(yǎng)殖規(guī)模、廠區(qū)面積、飼料、疫苗、電力、人工、用水及肉羊出欄量、羊糞產(chǎn)量等。有機堆肥系統(tǒng)的調(diào)研數(shù)據(jù)包括：基建及設(shè)備投入、電力、人工、柴油和有機肥產(chǎn)量等項目。農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)的調(diào)研數(shù)據(jù)包括：種植面積、種子、機械、農(nóng)藥、人工、用水、柴油、秸稈及籽粒產(chǎn)量等。飼料生產(chǎn)系統(tǒng)的調(diào)研數(shù)據(jù)包括：基建與設(shè)備、電力、人工、原材料（如豆粕、秸稈和菌劑等）。同時，也調(diào)研了各種設(shè)備的使用年限，以計算折舊費用。借鑒陳阜[24]和王小龍等[13]提供的折能系數(shù)，將各種物資與勞務(wù)進行能量轉(zhuǎn)化；太陽能、風(fēng)能和降雨能等環(huán)境資源的能量投入依據(jù)郭媛等[25]、關(guān)穎慧[26]和Chen等[27]的研究方法進行估算，分別如下：

太陽能：根據(jù)郭媛等[25]對1960?2007年間長江流域太陽輻射變化的研究結(jié)果，本研究取50 a來長江流域太陽輻射的最大值4.42×109J/(m2·a)，反射率為20%。輻射面積為(m2)，時間為12個月。因此，進入各子系統(tǒng)的太陽能估算=4.42×109×(1?20%)×。

雨水化學(xué)能：根據(jù)關(guān)穎慧[26]的研究結(jié)果，長江流域年平均降雨量為1 067 mm。水密度=1 000.00 kg/m3，吉布斯自由能=4 940 J/kg。因此，進入系統(tǒng)的雨水化學(xué)能估算=1.067××1 000×4 940。

風(fēng)能：風(fēng)能的計算公式如下[27]：風(fēng)能(J)=風(fēng)阻系數(shù)×空氣密度(kg/m3)×面積(m2)×(風(fēng)速(m/s))3×?xí)r間(s)/2。其中，風(fēng)阻系數(shù)=0.002，適氣密度=1.23 kg/m3，研究地點的平均風(fēng)速=1.70 m/s。

2 結(jié)果與分析

2.1 能值投入與輸出結(jié)構(gòu)

湖羊養(yǎng)殖子系統(tǒng)、有機堆肥子系統(tǒng)、農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)與飼料生產(chǎn)子系統(tǒng)的能值輸入與輸出見表1～表5。各子系統(tǒng)的能值投入包括可更新環(huán)境資源、不可更新環(huán)境資源及購買性經(jīng)濟資源；能值輸出包括系統(tǒng)的主產(chǎn)品和副產(chǎn)物。

湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)的能值投入與產(chǎn)出見表1。其中，可更新環(huán)境資源能值投入為2.33×1012Sej，占比<0.01%；不可更新本地資源投入為9.68×1015Sej，占比0.24%；購買性經(jīng)濟資源能值投入為4.03×1018Sej，占比為99.76%。購買性能值輸入主要為飼料和人力投入，分別占84.22%和10.06%。系統(tǒng)能值輸出總量為2.65×1019Sej，包括肉羊和羊糞，分別占比為17.70%和82.30%。

有機堆肥系統(tǒng)的能值投入與產(chǎn)出見表2。其中，可更新環(huán)境資源投入能值為7.69×1012Sej，占比<0.01%；購買性經(jīng)濟資源能值投入為2.44×1019Sej，占比>99.90%。有機肥生產(chǎn)所需原料占購買性能值的比例最大，即羊糞與秸稈，分別為89.31%和8.81%。系統(tǒng)能值輸出總量為2.06×1019Sej，包括用于循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)銷的有機肥和銷往市場的有機肥2部分，分別占比50.00%。

農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)的能值投入與產(chǎn)出見表3。其中，可更新環(huán)境資源投入能值為1.12×1017Sej，占比為6.16%；不可更新環(huán)境資源能值投入為7.06×1015Sej，占比為0.38%；購買性經(jīng)濟資源能值投入為1.46×1018Sej，占比為93.46%。化肥、人力、電力、機械和柴油能值投入為購買性能值的主要來源，分別占比33.60%、26.86%、15.99%、12.78%和8.61%。系統(tǒng)能值總輸出量為2.57×1018Sej，包括籽粒和秸稈2部分，分別占比54.08%和45.91%。

飼料加工子系統(tǒng)的能值投入與產(chǎn)出見表4。其中，可更新環(huán)境資源能值投入為1.95×1013Sej，占比<0.01%；購買性經(jīng)濟資源能值投入為1.23×1019Sej，占比>99.99%。豆粕和秸稈是購買性能值的兩大主要來源，分別占比20.31%和50.32%。系統(tǒng)能值總輸出量為2.11×1019Sej，產(chǎn)品為飼料，其中用于湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)自銷部分占比16.13%，而外銷進入市場占比為83.87%。

以養(yǎng)殖-堆肥-農(nóng)田-飼料為生產(chǎn)環(huán)節(jié)的復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的能值投入與輸出如下：可更新環(huán)境資源投入能值為1.13×1017Sej，占比0.64%；不可更新環(huán)境資源能值投入為1.67×1016Sej，占比0.10%；購買性經(jīng)濟資源能值投入為1.74×1019Sej，占比為99.26%。秸稈（堆肥生產(chǎn)）、豆粕（飼料加工）和基建與設(shè)備（堆肥與飼料生產(chǎn)）為購買性能值的主要輸入項，分別占比53.05%、14.26%和13.93%。復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的能值輸出總量為3.40×1019Sej，主要為進入市場的終端產(chǎn)品，包括肉羊、有機肥、稻麥籽粒及飼料，分別占比13.78%、30.17%、4.09%和51.96%。

表1 湖羊養(yǎng)殖子系統(tǒng)能值分析

表2 有機堆肥子系統(tǒng)能值分析

表3 農(nóng)田生產(chǎn)子系統(tǒng)能值分析

表4 飼料加工子系統(tǒng)能值分析

2.2 能值評價指標分析

現(xiàn)代“秸稈-羊-田”復(fù)合生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)及各子系統(tǒng)的能值評價指標如表5所示。

1）能值投資率

能值投資率是反映經(jīng)濟發(fā)展程度的指標，其值越高，表明對市場的依賴程度越大。與湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)相比，復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的能值投資率低67.66%，其主要原因為飼料加工系統(tǒng)可以為湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)提供全部飼料，而不再需要從市場購入。有機堆肥系統(tǒng)和飼料加工系統(tǒng)表現(xiàn)出較大的能值投資率，這主要是由于二者作為獨立生產(chǎn)系統(tǒng)需從市場購入全部生產(chǎn)資料。農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)具有較低的能值投資率，主要是由于稻麥生產(chǎn)需要本地環(huán)境資源（如光、熱、水等）占有較大比例。

2）能值轉(zhuǎn)換率

能值轉(zhuǎn)換率是反映系統(tǒng)產(chǎn)品能值利用效率的指標，其值越高，表明能值利用效率越低。與湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)相比，復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的能值轉(zhuǎn)換率低96.09%，主要是由于循環(huán)系統(tǒng)充分利用了各子系統(tǒng)產(chǎn)生的廢棄能值，從而提高了能值利用效率。有機堆肥系統(tǒng)和飼料加工系統(tǒng)也具有較高的能值轉(zhuǎn)化率，表明，二者作為單一系統(tǒng)進行考慮，其能值利用效率很低。與復(fù)合系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)相比，農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)的能值轉(zhuǎn)化率最低。表明種植業(yè)生產(chǎn)的能值利用率較高，主要是由于大田作物對本地自然資源的依賴程度較大，且轉(zhuǎn)化效率較高。

3）可更新比率

可更新比率是分析系統(tǒng)驅(qū)動力來源的方法，其值越高，表明系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)對可更新資源的依賴程度越大。結(jié)果顯示，復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的可更新比率遠遠高于湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)、有機堆肥系統(tǒng)和飼料加工系統(tǒng)，而低于農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)。表明，復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)對可更新資源的利用要遠高于湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)、有機堆肥系統(tǒng)和飼料加工系統(tǒng)。農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)的可更新比率較高是由于作物生產(chǎn)必須依賴于光、熱等可更新資源。然而，各個系統(tǒng)可更新比率的絕對值較低，表明，可更新資源能值投入在能值總投入中所占的比例較低。

4）環(huán)境負載率

環(huán)境負載率反映系統(tǒng)生產(chǎn)對周圍環(huán)境造成的壓力，其值越高，表明對環(huán)境造成的負面影響越大。一般情況下，環(huán)境負載率小于2表示系統(tǒng)生產(chǎn)具有較小的環(huán)境壓力[28]。結(jié)果顯示，各子系統(tǒng)的環(huán)境負載率都遠大于2，表明如果單獨進行生產(chǎn)，均會對周圍環(huán)境產(chǎn)生較大的負面影響。然而，復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的環(huán)境負載率遠小于2，表明，通過將各子系統(tǒng)組合在一起，連通上下游形成閉合系統(tǒng)，將各自產(chǎn)生的廢棄物資源化循環(huán)利用，從而可以大大降低系統(tǒng)生產(chǎn)對環(huán)境造成的不良影響。

5）凈能值產(chǎn)出率

凈能值產(chǎn)出率反映系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，其值越高，表明系統(tǒng)的生產(chǎn)效率越高，經(jīng)濟效益越好。與單一湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)相比，復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率低70.32%，而明顯高于有機堆肥系統(tǒng)、農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)和飼料加工系統(tǒng)，表明，由于增加了有機肥、種植業(yè)和飼料加工等環(huán)節(jié)的工程及設(shè)備成本，導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)生產(chǎn)效益降低。

6）可持續(xù)發(fā)展指數(shù)

可持續(xù)發(fā)展指數(shù)反映某一系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Γ渲翟礁?，表明系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿υ酱?。一般情況下，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)小于1，表明系統(tǒng)高度依賴外界市場的資源輸入，因而可持續(xù)發(fā)展?jié)摿^差；可持續(xù)發(fā)展指數(shù)在1～10之間，表明系統(tǒng)的活力較高，對外界市場資源具有一定依賴而對自身資源循環(huán)利用的依賴程度較大，因而具有較大發(fā)展?jié)摿?；可持續(xù)發(fā)展指數(shù)大于10，表明系統(tǒng)幾乎不從外界市場獲取資源，僅通過自身資源循環(huán)利用即可實現(xiàn)持續(xù)運作，因而具有很強的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿29]。本文結(jié)果顯示，各個子系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)均遠小于1，而復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)遠大于10，表明各個子系統(tǒng)單獨進行運作生產(chǎn)時，可持續(xù)生產(chǎn)潛力很低，而將其組合形成復(fù)合閉環(huán)系統(tǒng)，具有很大的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

表5 能值評價指標

2.3 能值綜合效益與生態(tài)補償

首先，以能值產(chǎn)投比來反映各系統(tǒng)的能值綜合效益。湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)、有機堆肥系統(tǒng)、農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)和飼料加工系統(tǒng)的能值產(chǎn)投比分別為6.56，0.84，1.41和1.71，而復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的能值產(chǎn)投比為1.94。能值產(chǎn)投比降低70.43%。表明，與單一湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)相比，復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的能值綜合效益明顯降低。

其次，計算凈能值收益。湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)、有機堆肥系統(tǒng)、農(nóng)田生產(chǎn)系統(tǒng)和飼料加工系統(tǒng)的凈能值收益分別為2.24×1019、?3.88×1018、7.45×1017和8.78×1018Sej，而復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的凈能值收益為1.65×1019Sej，表明，與單一湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)相比，復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的凈能值收益有所降低，差值為5.98×1018Sej。此外，有機堆肥系統(tǒng)的凈能值收益為負值，表明，如果該系統(tǒng)進行單獨運作，將會具有較差的綜合效益。

最后，能值產(chǎn)投比和凈能值收益均表明，復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的能值綜合效益確實有所降低，需要進行生態(tài)補償。本文以復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)與湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)的凈能值收益差異為補償標準進行補償。經(jīng)核算，江蘇省的能值/貨幣比率為5.24×1012Sej/元，將凈能值收益差異轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟補償標準，即每只羊（出欄）380.76元/年。

2.4 系統(tǒng)優(yōu)化與綜合評估

與現(xiàn)行“秸稈-羊-田”循環(huán)系統(tǒng)相比，系統(tǒng)優(yōu)化后的能值投資率降低6.26%（表5），表明優(yōu)化系統(tǒng)對市場的依賴程度降低。這主要是優(yōu)化系統(tǒng)全部施用系統(tǒng)自身生產(chǎn)的羊糞有機肥，而不施用化肥。優(yōu)化系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率提高了49.23%（表5），表明，系統(tǒng)優(yōu)化后經(jīng)濟效益明顯提高。系統(tǒng)優(yōu)化后的環(huán)境負載率為0.15（表5），其值雖然大于系統(tǒng)優(yōu)化前，但是遠小于2，表明優(yōu)化系統(tǒng)對周圍的環(huán)境壓力依然很小。優(yōu)化系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)為19.93（表5），大于10，表明優(yōu)化后的循環(huán)系統(tǒng)具有更好的閉合循環(huán)能力和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

優(yōu)化系統(tǒng)的凈能值收益為2.54×1019Sej，比湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)的凈能值收益高出3.00×1018Sej，即凈收益差異＞0，表明，優(yōu)化后的循環(huán)系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟效益，能夠?qū)ζ涮峁┑纳鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的正外部性進行自我補償，而不需要從受益方獲得專門的生態(tài)補償以彌補經(jīng)濟效益損失。

3 討 論

隨著養(yǎng)殖規(guī)?；粩嘣黾樱B(yǎng)殖廢棄物污染問題愈發(fā)嚴重[1]。基于“資源化循環(huán)利用”思想的循環(huán)農(nóng)業(yè)正是解決養(yǎng)殖污染問題的重要手段[3]。本文研究結(jié)果顯示，與湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)相比，通過引入有機堆肥、農(nóng)田生產(chǎn)和飼料加工等環(huán)節(jié)，生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)不但有效地處理了養(yǎng)殖廢棄物污染問題，還能生產(chǎn)一些多余的產(chǎn)品，如有機肥、飼料等進入市場而獲得收益，從而大大降低了環(huán)境負載率而提高了可持續(xù)發(fā)展指數(shù)。前人研究表明，環(huán)境負載率低于2，表明對周圍的環(huán)境壓力較小[28]。本文發(fā)現(xiàn)，湖羊養(yǎng)殖、有機堆肥、農(nóng)田生產(chǎn)和飼料加工等幾個子系統(tǒng)的環(huán)境負載率都遠高于2，表明，如果這些子系統(tǒng)單獨進行生產(chǎn)，都會對環(huán)境造成較大的負面影響。只有將幾個子系統(tǒng)設(shè)計為首尾銜接的閉合復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)，環(huán)境負載率才能達到低于2的標準。本研究中，生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的環(huán)境負載率遠遠低于2，主要是因為該系統(tǒng)幾乎將各子系統(tǒng)產(chǎn)生的廢棄物如羊糞、秸稈全部資源化有效利用，排出系統(tǒng)外的廢棄物很少，從而減輕了環(huán)境壓力。此外，Ulgiati等[29]指出，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)介于1～10之間，表明系統(tǒng)具有很好的發(fā)展?jié)摿?。本研究中，各子系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)均遠小于1，而復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)遠大于10，表明，整合了湖羊養(yǎng)殖、有機堆肥、農(nóng)田生產(chǎn)和飼料加工的現(xiàn)代“秸稈-羊-田”復(fù)合生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)具有很好的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/p>

然而，本研究也發(fā)現(xiàn)，為了有效處理湖羊養(yǎng)殖產(chǎn)生的廢棄物（羊糞）污染問題而設(shè)計的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，盡管自身可以盈利（能值凈效益>0），但是，與單一養(yǎng)殖系統(tǒng)相比，由于外購原材料（豆粕、秸稈）及基建與設(shè)備投入增加，導(dǎo)致其能值綜合效益明顯降低（凈能值產(chǎn)出率降低70.36%，凈能值收益降低5.98×1018Sej）。表明，現(xiàn)代“秸稈-羊-田”生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)在提高環(huán)境效益的同時降低了經(jīng)濟效益。因此，應(yīng)該對其提供的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能（降低養(yǎng)殖污染而優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境）的正外部性進行生態(tài)補償，以激勵該生態(tài)循環(huán)模式的生產(chǎn)實踐者的積極性，從而確保該系統(tǒng)長期可持續(xù)運行。然而，目前關(guān)于生態(tài)補償標準估算的環(huán)境經(jīng)濟學(xué)方法如條件估值法、意愿調(diào)查法和機會成本法等均存在一定的主觀性和片面性，并且難以統(tǒng)一核算生態(tài)流和經(jīng)濟流。基于能值與生態(tài)環(huán)境價值和市場經(jīng)濟價值的可轉(zhuǎn)換性，本文借鑒毛德華等[21]的研究方法，對能值收益差異進行補償，以單一的湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)為對照，成功估算出現(xiàn)行“秸稈-羊-田”生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的生態(tài)補償標準為每只羊（出欄）380.76元/年。這一研究方法及研究結(jié)果對相關(guān)農(nóng)村環(huán)境經(jīng)濟政策的制定具有重要借鑒意義。

盡管本文研究結(jié)果表明現(xiàn)代“秸稈-羊-田”生態(tài)循環(huán)模式具有很好的環(huán)境效益與可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?，然而，該系統(tǒng)在相關(guān)環(huán)節(jié)的配置方面主要還是依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)驗而缺乏科學(xué)依據(jù)，導(dǎo)致一些生產(chǎn)性原材料難以自給而需要外購。例如，系統(tǒng)配置了2 000畝（133 hm2）稻麥兩熟制農(nóng)田，而農(nóng)田產(chǎn)生的秸稈難以滿足有機肥和飼料生產(chǎn)，需要從外界購入。同時，有機肥的配施只在水稻季進行，其用量（1 t/667 m2）并沒有科學(xué)依據(jù)，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生的有機肥并不能自身全部消耗而需要外銷進入市場。本文依據(jù)錢俊熹[22]關(guān)于東林村農(nóng)田羊糞最大承載量的研究結(jié)果，在理論上對該系統(tǒng)進行了優(yōu)化。結(jié)果表明，優(yōu)化系統(tǒng)明顯提高了凈能值產(chǎn)出率，并且具有很好的能值收益，而不需要進行生態(tài)補償即可實現(xiàn)可持續(xù)運作。然而，我們也注意到，錢俊熹的研究結(jié)果是基于短期試驗，農(nóng)田是否可以連年承載如此高的羊糞投入量，還需要進一步試驗驗證。因此，關(guān)于優(yōu)化系統(tǒng)可以實現(xiàn)自我補償?shù)恼摂嘀皇且环N理論可能，實際情況需要長期試驗提供數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié) 論

與單一湖羊養(yǎng)殖系統(tǒng)相比，“秸稈-羊-田”復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)的能值轉(zhuǎn)換率降低96.09%，表明循環(huán)系統(tǒng)大大提高了終端產(chǎn)品的能值利用效率；能值投資率和環(huán)境負載率降低程度達67.66%以上，而可持續(xù)發(fā)展指數(shù)明顯增加，表明循環(huán)系統(tǒng)在生產(chǎn)過程中能夠較好地降低環(huán)境壓力而具有很好的可持續(xù)發(fā)展?jié)摿?；凈能值產(chǎn)出率和能值產(chǎn)投比分別降低70.32%和70.43%，表明復(fù)合生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益有所降低，主要是由于生產(chǎn)原材料（豆粕、秸稈等）、基建與設(shè)備投入增加造成。因此，需要對其提供的生態(tài)服務(wù)功能的正外部性進行經(jīng)濟補償，補償標準為380.76元/（只·a）。

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Evaluation of production efficiency and sustainability for straw-sheep-cropland recycling agroecosystems based on emergy analysis

Zhu Bingying1, Dong Jia1, Shen Mingxing2, Zheng Jianchu3※

(1.210095,; 2.215155,; 3.210095,)

Ecological recycling agriculture is an effective practice to solve the pollution from large-scale livestock farming. This study evaluated the production efficiency and sustainability of the straw-sheep-cropland integrated agroecosystem. This integrated system included four subsystems, as the sheep raising subsystem, the organic composting subsystem, the cropping subsystem and the feed producing subsystem. For the sheep raising subsystem, the emergy input of renewable resources was 2.33×1012Sej, accounting for <0.01%; the emergy input of non-renewable resources was 9.68×1015Sej, accounting for 0.24%; the purchased economic resource emergy was 4.03×1018Sej, accounting for 99.76%, in which feed and labor were two main components, with a proportion of 84.22% and 10.06% respectively. The emergy output of the sheep husbandary subsystem was 2.65×1019Sej, including the sheep and manure, accounting for 17.70% and 82.30% respectively. For the organic composting subsystem, the emergy input of renewable resources was 7.69×1012Sej, accounting for <0.01%; the purchased economic resource emergy input was 2.44×1019Sej, accounting for >99.90%; in which the raw materials for producing organic fertilizers accounted for the most, including the manure and straw residues with a proportion of 89.31% and 8.81% respectively. The emergy output for the organic compost subsystem was 2.06×1019Sej, including two sections with equal proportion, one for inside using and the other for outside selling. For the cropping subsystem, the emergy input of renewable resources was 1.12×1017Sej, accounting for 6.16%; the non-renewable resource emergy input was 7.06×1015Sej, accounting for 0.38%; the purchased economic emergy was 1.46×1018Sej, accounting for 93.46%, in which the chemical fertilizer, labor, electricity, machinery and diesel were the main components with a proportion of 33.60%, 26.86%, 15.99%, 12.78% and 8.61%, respectively. The emergy output was 2.57×1018Sej, including two parts, grain accounted for 54.08% and straw residues accounted with 45.91%. For the feed-production subsystem, the renewable resource emergy input was 1.95×1013Sej, accounting for <0.01%; the purchased economic resource was 1.23×1019Sej, accounting for >99.99%, in which the soybean meal and straw residues were two main components, with a proportion of 20.31% and 50.32%, respectively. The only emergy output was feed of 2.11×1019Sej, with two parts with the inside using of 16.13% and outside selling of 83.87%. Results of evaluation for the integrated system showed that the unit emergy value (UEV) was reduced by 96.09%, which was suggested that the emergy use efficiency was greatly increased comparing to the single sheep husbandry. The emergy investment ratio (EIR) and environment loading ratio (ELR) were decreased by >67.66%, respectively, while the emergy sustainability index (ESI) was evidently enhanced, suggesting that the integrated agroecosystem has a good sustainable potential with low environmental pressure. However, the net emergy yield ratio (EYR) and emergy yield-investment ratio were decreased by 70.32% and 70.43%, respectively, suggesting that the production efficiency and economic benefit were reduced in the integrated agroecosystem. This was caused by increasing cost from raw materials (i.e. bean dregs or straw residues), buildings and equipment. Therefore, the ecological compensation is needed for the positive externality of ecosystem services from the integrated agroecosystem. The compensation standard was estimated as ￥380.76/sheep per year based on the net emergy benefit difference. Nonetheless, once the current integrated system is optimized, EYR will be increased in theory and the integrated system can achieve self-compensation for its positive environmental benefits.

sustainability; straw; recycling agroecosystem; emergy evaluation; production efficiency

2018-08-19

2019-01-25

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金重點項目 (CX(16)1003-13)

朱冰瑩，博士，講師，主要研究方向為農(nóng)村與區(qū)域可持續(xù)發(fā)展。Email：zby@njau.edu.cn

鄭建初，研究員，研究方向為循環(huán)農(nóng)業(yè)。Email：zjc@jaas.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.029

S9

A

1002-6819(2019)-04-0235-09

朱冰瑩，董 佳，沈明星，鄭建初. 基于能值分析的秸稈-羊-田循環(huán)系統(tǒng)生產(chǎn)效率與可持續(xù)性評估[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(6)：235－243. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.029 http://www.tcsae.org

Zhu Bingying, Dong Jia, Shen Mingxing, Zheng Jianchu. Evaluation of production efficiency and sustainability for straw-sheep-cropland recycling agroecosystems based on emergy analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 235－243. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.029 http://www.tcsae.org