種養(yǎng)循環(huán)模式的評價方法及優(yōu)缺點分析

葉小梅， 王 莉， 張曼秋

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院畜牧研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種養(yǎng)結(jié)合重點實驗室，江蘇南京 210014； 2.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，江蘇南京 210095)

近年來，由于人口迅速增長，人們對資源的過度開采破壞了環(huán)境的動態(tài)平衡。針對農(nóng)業(yè)環(huán)境中出現(xiàn)的問題，提出了循環(huán)農(nóng)業(yè)的概念，即將循環(huán)經(jīng)濟的理念融入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，不再是單一的種植養(yǎng)育模式，而是種養(yǎng)一體化的循環(huán)模式，從而減少資源的消耗以及廢棄物的排放。循環(huán)農(nóng)業(yè)可以概括為“4R”農(nóng)業(yè)，即實現(xiàn)廢棄物的減量化、再循環(huán)、再利用、可控化。

循環(huán)農(nóng)業(yè)具有多種模式，其中，種養(yǎng)循環(huán)模式在部分地區(qū)的生態(tài)經(jīng)濟效益較高，即通過種植業(yè)與畜牧業(yè)的結(jié)合，充分利用種植業(yè)的主副產(chǎn)品，減少農(nóng)業(yè)廢棄物的產(chǎn)生，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。這種模式主要有“糧食(草)-豬-沼”“糧食-豬-魚”“玉米-養(yǎng)殖”等多種具體形式。

關(guān)于種養(yǎng)循環(huán)模式的評估主要有以隨機前沿分析(SFA)為代表的參數(shù)估計法、以數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA) 為代表的非參數(shù)估計法、生命周期評價法(LCA)、能值分析法(EME)、EME-LCA綜合評價法等。

生命周期評價法是對一個體系生產(chǎn)工序中產(chǎn)生的資源消耗和產(chǎn)出以及對潛在環(huán)境的影響進行全面分析與評價的方法，使決策者依據(jù)該體系對環(huán)境排放的標準化核算結(jié)果，更加了解該體系的優(yōu)劣，從而提出改進措施，目前已廣泛應用于污水處理、固廢管理及資源化等。能值分析法是將生態(tài)系統(tǒng)中不斷交換的各種不同類型的能量和物質(zhì)，按照實踐得出的同一標準進行轉(zhuǎn)化從而進行定量分析，通過能值轉(zhuǎn)換效率來評價系統(tǒng)的可持續(xù)性。數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)是一種對比評估樣本間相對效率的工具，與隨機前沿分析(SFA)等所謂的“參數(shù)法”形成了鮮明對比。本研究擬從以上幾種角度對種養(yǎng)循環(huán)展開評價方法探究。

1 LCA與種養(yǎng)循環(huán)模式

1.1 LCA是一種成熟評價方法

LCA是對生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)整個生命周期的過程進行評價，包括對原材料的提取、產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)、使用過程、最終回收和處理等，對整體過程進行定量計算，最后評價整個系統(tǒng)消耗的資源和廢棄物排放量以及對環(huán)境的潛在危害。LCA由4個部分組成，即評價目標和范圍、清單分析、影響評價(分類化、特征化、標準化、加權(quán))、結(jié)果解釋。LCA的基本流程見圖1。

基于普遍的種養(yǎng)循環(huán)模式，基本流程見圖2。

以種養(yǎng)循環(huán)模式進行LCA評價的目標，就是通過對種養(yǎng)循環(huán)系統(tǒng)進行全面的評價，分析系統(tǒng)對環(huán)境的潛在影響，從而采取相應的改進方法，促進種養(yǎng)循環(huán)模式的發(fā)展，范圍可以根據(jù)具體的研究對象(農(nóng)資生產(chǎn)、農(nóng)作生產(chǎn)、原料資源等)來確定。清單分析的一般范圍見圖3。

種養(yǎng)循環(huán)模式影響評價包括對環(huán)境負荷(富營養(yǎng)化、環(huán)境酸化、全球變暖、人體健康損害等)、不可再生資源、可再生資源3個方面進行評價。

特征化是以某影響因素中某一種生態(tài)影響因子為基準，得出各因素的特征值。各環(huán)境影響潛值可根據(jù)以下公式進行計算：

()=∑()=∑[()()]。

式中：()代表第種生態(tài)影響因子的排放量；()為第種生態(tài)影響因子對第種因素的環(huán)境影響當量系數(shù)；()為第種生態(tài)影響因子對第種因素的影響；()是指第種因素對環(huán)境的影響。

標準化是將特征化的結(jié)果一般化的過程，可用以下公式表示：

=()。

式中：()是指第種因素對環(huán)境的影響；為世界2000年人均標準化基準值；代表第種因素的標準化結(jié)果。

加權(quán)評估是利用權(quán)重來確定各因素對系統(tǒng)的影響程度，常采用層次分析法、專家組評議等確定權(quán)重。

結(jié)果解釋即通過分析處理后的數(shù)據(jù)，對種養(yǎng)循環(huán)模式整個生命周期的資源消耗、廢棄物的排放進行評價。通過評估從而提出定量或定性的改善方法，例如改變種養(yǎng)模式、重新選擇原材料等。

1.2 LCA在種養(yǎng)循環(huán)模式中的應用

目前，我國應用生命周期評價對種養(yǎng)循環(huán)模式進行系統(tǒng)分析的研究較少。梁龍等采用改進的 LCA 模型，以湖南省某循環(huán)鴨產(chǎn)業(yè)為例進行研究，結(jié)果表明，循環(huán)農(nóng)業(yè)不宜過度循環(huán)，在實踐操作中不應該盲目追求低碳發(fā)展，過長的循環(huán)鏈雖然降低了碳排放，但會影響土壤和生物的固碳能力。Nhu等對比了以沼氣為紐帶的“豬-沼-魚”循環(huán)農(nóng)業(yè)模式和集約化養(yǎng)魚模式，結(jié)果表明，該循環(huán)模式在占地面積和對資源的消耗方面高于集約化養(yǎng)魚系統(tǒng)。Kluts等運用生命周期法，對集約化和農(nóng)業(yè)-水產(chǎn)養(yǎng)殖條紋鲇魚生產(chǎn)進行了比較評價，結(jié)果顯示，在集約化系統(tǒng)中，條紋鲇魚生產(chǎn)對9種已評估的影響類別(全球變暖、臭氧耗竭、酸化、富營養(yǎng)化、光化學氧化、人類毒性、淡水生態(tài)毒性、海洋水生生態(tài)毒性、化石耗竭)中的7種貢獻較大，而農(nóng)業(yè)-水產(chǎn)養(yǎng)殖模式對水體富營養(yǎng)化和淡水生態(tài)毒性的貢獻率高于集約化體系。但在這2個系統(tǒng)中，養(yǎng)魚對富營養(yǎng)化和淡水生態(tài)毒性的貢獻率均最大，而飼料生產(chǎn)對所有其他影響類別的貢獻率最大，在大多數(shù)影響類別中，農(nóng)業(yè)-水產(chǎn)養(yǎng)殖的可持續(xù)性更好。

2 EME與種養(yǎng)循環(huán)模式

2.1 EME能值分析法

能值分析是以太陽能為基準，將生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)中狀態(tài)不一、不可直接換算比較的能量根據(jù)對應的太陽能轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的能值來分析和比較，從而評價系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和可持續(xù)性的方法。通過綜合分析系統(tǒng)中各種生態(tài)流(能物流、貨幣流、人口流、信息流)，得出關(guān)于系統(tǒng)的能值綜合指標，從而定量分析系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征與經(jīng)濟效益。

首先繪制系統(tǒng)能值圖，其中循環(huán)模式能值投入包括：可更新自然資源(，太陽能、風能、雨水化學能等)、不可更新的自然資源(，表土層凈損失)、可更新有機能(，種子、人工等)以及不可更新工業(yè)輔助能(，機械、煤、化肥和電力等)，部分自然資源能值可以根據(jù)以下公式計算：

太陽光能能值=面積×太陽光平均輻射量×太陽能值轉(zhuǎn)換率；

雨水化學能能值=面積×平均降水量×吉布斯自由能×太陽能值轉(zhuǎn)換率；

風能能值=面積×高度×密度×風速梯度×渦流擴散系數(shù)×太陽能值轉(zhuǎn)換率；

雨水勢能能值=面積×平均降水量×平均海拔高度×密度×重力加速度×太陽能值轉(zhuǎn)換率；

表土層凈損失能能值=(表土侵蝕速率×面積-表土形成速率×植被演替面積)×太陽能值轉(zhuǎn)換率；

主要能值指標具體的計算公式見表1。

表1 能值指標計算公式

通過比較分析能值指標，對生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)各子系統(tǒng)的能值進行評價，根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同及對整體系統(tǒng)的貢獻差異，為后續(xù)對整體系統(tǒng)的改進提供科學依據(jù)，進一步優(yōu)化其生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)及增加其可持續(xù)性。

2.2 EME能值分析法在種養(yǎng)循環(huán)模式中的運用

近年來，能值評價方法開始逐漸被應用于種養(yǎng)循環(huán)模式分析當中，應用較廣泛。李艷春等對“奶牛-沼氣-牧草”種養(yǎng)循環(huán)模式進行能值分析，結(jié)果表明，該模式的純經(jīng)濟效益是傳統(tǒng)奶牛養(yǎng)殖模式的1.13倍，且可持續(xù)性較好，但在凈能值產(chǎn)出方面較弱，還需對系統(tǒng)內(nèi)部進行改進。Cavalett等采用新的能值參數(shù)，對巴西南部小農(nóng)場的糧食、豬和魚綜合生產(chǎn)系統(tǒng)的環(huán)境方面進行評價，利用各輸入部分可再生系數(shù)來改進能值核算，結(jié)果表明，與分離生產(chǎn)子系統(tǒng)相比，集成生產(chǎn)子系統(tǒng)具有較高的能量效率、較強的可持續(xù)性和較低的環(huán)境壓力。Xi等研究了我國“稻-鴨”循環(huán)模式，結(jié)果表明，該循環(huán)模式在節(jié)能減排方面有較好的發(fā)展?jié)摿?。孟祥海等以武漢市銀河養(yǎng)豬場為例，將該養(yǎng)豬場的生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)與傳統(tǒng)養(yǎng)豬場進行了比較，并采用能值分析法對其進行了評價，結(jié)果表明，前者在減少資源消耗和減輕環(huán)境負荷以及生產(chǎn)效率方面明顯優(yōu)于后者。在資源消耗最小化方面，前者能值自給率為1.77%，略高于后者(0.27%)，前者購買能值率為98.09%，略低于后者(99.74%)，前者的能值反饋率為5.69%，高于后者(0.00%)，前者垃圾回收率為5.80%，高于后者(0.00%)；在環(huán)境負荷方面，生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)的環(huán)境負荷率為85.72%，低于傳統(tǒng)養(yǎng)豬系統(tǒng)(116.04%)，而前者的系統(tǒng)輸入更新率為56.93%，高于后者(50.09%)；就生產(chǎn)效率而言，前者的凈能值產(chǎn)出率為2.07，略高于后者(1.93)。綜上所述，生態(tài)養(yǎng)殖體系的經(jīng)濟效益顯著高于傳統(tǒng)養(yǎng)豬體系。Zhang等對內(nèi)蒙古農(nóng)牧結(jié)合的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)進行能值分析，結(jié)果表明，該模式相較于其他農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，具有較強的競爭力，但是該模式也面臨著嚴重的水土流失問題。

3 DEA與種養(yǎng)循環(huán)模式

3.1 DEA數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析是通過對比評估樣本間的相對效率來判斷優(yōu)劣，主要方法是利用數(shù)學規(guī)劃來評價收集到的有效數(shù)據(jù)，研究其有效性。

在研究某一具體系統(tǒng)時，通常將同一類的樣本某一時間同一地點或某一時間不同地點的生產(chǎn)作為研究對象，這類研究對象具有相同的輸入和輸出指標，通過計算得出規(guī)模效率、經(jīng)濟效率、投入產(chǎn)出效率的數(shù)值，可得該樣本的數(shù)據(jù)包絡(luò)有效性。

若將某一循環(huán)農(nóng)業(yè)模式作為對象，可以選定一個樣本的相同指標不同年份數(shù)據(jù)來計算得出該樣本的效率，也可以是不同樣本的相同指標同一時間段的數(shù)據(jù)來計算得出這些樣本的效率。農(nóng)業(yè)的輸入指標包括種子、化肥、機械動力、農(nóng)藥等，產(chǎn)出包括牲畜產(chǎn)出等，計算得出的數(shù)據(jù)可以衡量這些樣本的投入產(chǎn)出相對效率，得出樣本之間的相對優(yōu)劣，并可查找出相對劣勢的樣本具體指標的差異。

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法的目標函數(shù)與約束方程如下：

min

其中：表示被評價樣本的有效值；為重新構(gòu)造一個有效樣本組合中第個樣本的組合比例；、為松弛變量；為第個決策單元的輸入量；、分別表示定義決策單元的輸入向量和輸出向量。

當=1且==0時，則稱樣本為DEA相對有效(樣本的經(jīng)濟運行效率指數(shù)為1，最優(yōu))；

當=1且≠0或≠0時，則稱樣本為DEA弱有效；

當<1，則稱樣本為DEA無效。

改進 DEA-EBM 模型的線性規(guī)劃表達式為：

3.2 種養(yǎng)循環(huán)模式中的應用

近年來，DEA模型因其投入、產(chǎn)出的評價優(yōu)勢而被學者們廣泛應用。馬巧云等采用DEA法對河南省28個地區(qū)的農(nóng)業(yè)循環(huán)模式進行經(jīng)濟效率評價，結(jié)果表明，2006—2015年河南省循環(huán)農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟發(fā)展穩(wěn)步提升，其中經(jīng)濟社會發(fā)展子系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的作用最大，但循環(huán)利用子系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)的作用微乎其微。對2015年河南省28個地區(qū)進行DEA測算，其中10個地區(qū)非DEA有效，導致這種情況的原因是農(nóng)藥、農(nóng)膜過度使用等。楊琰等運用DEA對陜西省11個市(區(qū))的農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟效率進行測算，結(jié)果顯示，陜西省有近一半的地區(qū)有投入過剩和產(chǎn)出較少的問題。Almeida等利用能值分析法對一家生產(chǎn)玉米、雞蛋、豬肉和牛奶的農(nóng)業(yè)綜合企業(yè)進行了評估，采用7種方案對生產(chǎn)過程中的系統(tǒng)效率和環(huán)境可持續(xù)性的影響進行了評估，結(jié)果表明，增加一體化本身并不能確保在環(huán)境可持續(xù)性方面取得進展，將家禽和生豬生產(chǎn)中的殘留作為有機肥進行綜合管理在7種方案中均具有優(yōu)勢，因此，所提出的方案應有助于評價組織革新和確定可能影響農(nóng)業(yè)綜合系統(tǒng)環(huán)境績效的折中辦法。

4 總結(jié)

綜合現(xiàn)有關(guān)于種養(yǎng)循環(huán)的定量分析和評價方法發(fā)現(xiàn)，各種評價方法各有利弊：(1)生命周期評價方法的優(yōu)點主要體現(xiàn)在2個方面。一方面，該方法使用較為廣泛，技術(shù)較為成熟；另一方面，該方法作為現(xiàn)行認可度較高的環(huán)境影響評價方法，可以量化分析整個生命周期的潛在環(huán)境影響。但目前常用的生命周期評價方法無法分析自然環(huán)境資源、人力等方面對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的貢獻，并且不太重視種養(yǎng)循環(huán)系統(tǒng)有效能的產(chǎn)出效率。因此，可以將生命周期評價和能值評價結(jié)合起來，從而對系統(tǒng)的評價更加全面。(2)能值分析可以對系統(tǒng)的各子系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析，更全面體現(xiàn)種養(yǎng)循環(huán)模式的獨特性，但通常將系統(tǒng)內(nèi)部循環(huán)作為“黑箱”處理，無法推斷出某一具體環(huán)節(jié)影響了整體體系，從而找不到關(guān)鍵點去優(yōu)化該種養(yǎng)循環(huán)系統(tǒng)，也無法判斷某項引入的農(nóng)業(yè)技術(shù)是否對系統(tǒng)產(chǎn)生正向作用。(3)DEA分析方法相較于前面2種不需要主觀賦權(quán)和設(shè)定既定函數(shù)關(guān)系，更為簡單靈活，可以避免一部分由于函數(shù)形式錯誤導致的問題，還可以解決非有效技術(shù)和中性技術(shù)的問題，從而在結(jié)果得出時表現(xiàn)出優(yōu)勢。但DEA是對系統(tǒng)的整體分析，只能簡單地對投入和產(chǎn)出進行比較，而無法明確亞系統(tǒng)的效率。