劉　振, 劉　玲, 張淑敏, 孫　濤, 寧堂原,*, 李傳榮, 李增嘉

1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，泰安　271018 2 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，泰安　271018

?

秸稈利用循環(huán)模式的能值效率和持續(xù)發(fā)展能力

劉振1, 劉玲2, 張淑敏2, 孫濤2, 寧堂原2,*, 李傳榮1, 李增嘉2

1 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，泰安271018 2 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，泰安271018

用能值法分析了不同農(nóng)業(yè)循環(huán)模式的能值效率和可持續(xù)發(fā)展能力，以期找到適合本地區(qū)發(fā)展的農(nóng)業(yè)循環(huán)模式。以小麥玉米兩熟農(nóng)田、奶牛飼養(yǎng)系統(tǒng)和沼氣發(fā)酵系統(tǒng)為研究對(duì)象，以常規(guī)施肥為對(duì)照模式(CK)，設(shè)置玉米秸稈粉碎還田的農(nóng)田循環(huán)模式、沼液還田的農(nóng)沼循環(huán)模式和有機(jī)肥還田的農(nóng)牧循環(huán)模式3種循環(huán)模式，用能值方法比較4種循環(huán)系統(tǒng)的能值效率和可持續(xù)發(fā)展能力。結(jié)果表明，4種模式的凈能值產(chǎn)出率 (EYR) 都大于1，農(nóng)田、農(nóng)沼和農(nóng)牧循環(huán)模式的EYR分別是對(duì)照模式的1.13倍、54.22% 和50.2%，農(nóng)田、農(nóng)沼和農(nóng)牧循環(huán)模式的能值投資率(EIR)分別是對(duì)照模式的80.88%、4.25倍和5.85倍，農(nóng)田、農(nóng)沼和農(nóng)牧循環(huán)模式的環(huán)境負(fù)載率(ELR)分別是對(duì)照模式的78.95%、3.71倍和1.76倍，農(nóng)田循環(huán)模式對(duì)環(huán)境的壓力最小，農(nóng)沼循環(huán)模式對(duì)環(huán)境的壓力較大，4種模式的ELR都在可接受范圍內(nèi)。農(nóng)牧循環(huán)模式的產(chǎn)品安全性指標(biāo)(EIPS)為 -0.015，最接近于0，其產(chǎn)品安全性最高，而對(duì)照模式的產(chǎn)品存在一定的安全隱患。種植模式中農(nóng)田循環(huán)模式可持續(xù)發(fā)展能力優(yōu)于對(duì)照模式，復(fù)合循環(huán)模式中農(nóng)牧循環(huán)模式要優(yōu)于農(nóng)沼循環(huán)模式。綜上所述，農(nóng)牧循環(huán)模式的發(fā)展?jié)摿ψ畲?，是最適合本地區(qū)的秸稈利用循環(huán)模式。

循環(huán)模式；能值；環(huán)境負(fù)載率；可持續(xù)發(fā)展能力

循環(huán)農(nóng)業(yè)是相對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)提出的一種新的發(fā)展模式，它的目標(biāo)是追求資源低消耗、污染物低排放、資源利用高效率。用循環(huán)農(nóng)業(yè)的理念指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，可從根本上轉(zhuǎn)變農(nóng)村發(fā)展方式，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，保障農(nóng)業(yè)和農(nóng)民增收[1]。作物秸稈是中國(guó)發(fā)展農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其綜合利用符合新的能源產(chǎn)業(yè)政策[2]，是重要的可再生資源，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注[3]。在循環(huán)農(nóng)業(yè)理論指導(dǎo)下探討秸稈的資源化利用策略與途徑，能促進(jìn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)[4]，圍繞農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，秸稈肥料化利用模式的研究主要集中在秸稈還田耕作管理方式[5- 6]等方面。目前秸稈利用的成熟技術(shù)和方法較多，如秸稈能源利用技術(shù)、秸稈肥料利用技術(shù)、秸稈飼料利用技術(shù)以及秸稈工業(yè)原料利用技術(shù)等，其中秸稈飼料化技術(shù)在“種-養(yǎng)”產(chǎn)業(yè)鏈上的綜合利用，通過(guò)技術(shù)革新與理念突破，構(gòu)建秸稈循環(huán)利用的模式[7- 8]，即農(nóng)牧循環(huán)模式；還有學(xué)者研究了秸稈能源化利用的秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣關(guān)鍵技術(shù)和沼渣沼液綜合利用技術(shù)[9-10]，即農(nóng)沼循環(huán)模式。早在20世紀(jì)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(shí)踐應(yīng)用[11- 12]，Zhou 等[13]則以農(nóng)業(yè)中沼氣工程應(yīng)用為對(duì)象進(jìn)行能值分析，指出農(nóng)業(yè)沼氣工程相對(duì)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)境壓力以及更強(qiáng)的可持續(xù)發(fā)展能力。Chen等[14]證明沼氣生產(chǎn)過(guò)程中清潔能源機(jī)制與其他生物質(zhì)能源利用模式相比更能夠減少碳排放，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)。但是目前還沒有形成大規(guī)模高效的循環(huán)利用模式和技術(shù)體系，因此亟需研究農(nóng)田秸稈資源的循環(huán)利用及加環(huán)增值技術(shù)，延伸農(nóng)田種植業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈，如果這種狀況不能得到及時(shí)的改變，勢(shì)必會(huì)嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。要解決這些問(wèn)題，就要運(yùn)用科學(xué)合理的定量分析方法進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，目前的研究方法主要是生命周期評(píng)價(jià)法、物質(zhì)流分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色關(guān)聯(lián)度法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法等，這些方法都是建立在基于貨幣流的價(jià)值分析基礎(chǔ)上，沒有考慮系統(tǒng)環(huán)境資源的功能，當(dāng)系統(tǒng)中的產(chǎn)品價(jià)格體系不完善時(shí)，不能對(duì)不同區(qū)域間或不同產(chǎn)品間的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行合理的比較評(píng)價(jià)，能值分析方法正好能彌補(bǔ)這些缺陷，也可以克服以往系統(tǒng)優(yōu)化中各種資源評(píng)價(jià)指標(biāo)不統(tǒng)一這一缺陷，而且具有嚴(yán)密的熱力學(xué)和系統(tǒng)生態(tài)學(xué)科學(xué)理論基礎(chǔ)和理論體系，綜合性更強(qiáng)[15- 17]。因此本研究擬采用能值分析方法來(lái)探討不同秸稈利用方式下的農(nóng)田、農(nóng)沼和農(nóng)牧3種循環(huán)模式的能值效率和可持續(xù)發(fā)展能力，以期為華北地區(qū)農(nóng)業(yè)循環(huán)模式的發(fā)展提供理論支撐。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

本研究選擇山東省德州市平原縣胡莊村為試驗(yàn)點(diǎn)，試驗(yàn)時(shí)間為2012—2014年。該試驗(yàn)點(diǎn)位于東經(jīng)116°26′、北緯37°09′，地處黃淮海平原，屬東亞暖溫帶亞濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。年均氣溫 12.1—13.1℃，年均降水量 578.2—623.3 mm，是典型的黃河沖積平原。采用冬小麥夏玉米一年兩熟種植制度，耕層土壤類型為輕鹽化草甸土，含有機(jī)質(zhì)12.8mg/kg、全氮1.38mg/kg、堿解氮肥 77.5 mg/kg、速效磷 26.9 mg/kg、速效鉀 145.2 mg/kg，pH為7.7。

1.2研究方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選擇當(dāng)?shù)匦←?玉米一年兩熟標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，4個(gè)小區(qū)，3 次重復(fù)，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積980 m2。按照同等施氮量原則，在小麥(濟(jì)麥22)季，以常規(guī)施肥為對(duì)照(CK)，設(shè)置玉米秸稈粉碎直接還田的農(nóng)田循環(huán)模式、玉米秸稈發(fā)酵后殘留的沼液還田的農(nóng)沼循環(huán)模式和玉米秸稈過(guò)腹之后有機(jī)肥(牛糞)還田的農(nóng)牧循環(huán)模式3種循環(huán)農(nóng)業(yè)模式。

4種循環(huán)模式的能量流動(dòng)如圖1—圖4所示。

(1)對(duì)照模式玉米收獲后，玉米秸稈全部運(yùn)出，然后進(jìn)行常規(guī)施肥，將化肥均勻撒施于試驗(yàn)小區(qū)中，能量流動(dòng)如圖1所示。

圖1　對(duì)照模式能量(×1014 Sej/a)圖解Fig.1　Diagram of energy (×1014 Sej/a) flow in control mode

(2)農(nóng)田循環(huán)模式播種前翻地，深度為20 cm，將收獲的玉米秸稈粉碎3 cm 左右，均勻撒施于試驗(yàn)小區(qū)中，能量流動(dòng)如圖2所示。

圖2　農(nóng)田循環(huán)模式能量(×1014 Sej/a)系統(tǒng)圖解Fig.2　Diagram of energy (×1014 Sej/a) flow in farmland circulation mode

(3)農(nóng)沼循環(huán)模式玉米收獲后，將試驗(yàn)小區(qū)中的玉米秸稈全部運(yùn)至沼氣池進(jìn)行厭氧發(fā)酵，往沼氣池內(nèi)投入菌種、尿素等，產(chǎn)出的沼氣作為能源用于居民做飯、照明、取暖等日常生活，剩余的殘?jiān)M(jìn)入到試驗(yàn)小區(qū)中，形成農(nóng)田-沼液循環(huán)系統(tǒng)，能量流動(dòng)如圖3所示。

圖3　農(nóng)沼循環(huán)模式能量(×1014 Sej/a)系統(tǒng)圖解Fig.3　Diagram of energy (×1014 Sej/a) flow in farmland-biogas slurry circulation mode

(4)農(nóng)牧循環(huán)模式玉米收獲后，將試驗(yàn)小區(qū)中的玉米秸稈運(yùn)送至牛場(chǎng)青貯處理做成青貯飼料，20d之后，在牛場(chǎng)中選擇年齡、品種、體型、健康狀況一致的奶牛20頭，每天每頭奶牛飼喂20kg青貯飼料，產(chǎn)出的牛奶出售，牛糞等廢棄物重新回到該試驗(yàn)小區(qū)中，形成玉米秸稈過(guò)腹還田的農(nóng)田-畜牧循環(huán)系統(tǒng)，能量流動(dòng)如圖4所示。

圖4　農(nóng)牧循環(huán)模式能量(×1014 Sej/a)系統(tǒng)圖解Fig.4　Diagram of energy (×1014 Sej/a) flow in farmland-livestock circulation mode

4種循環(huán)模式在玉米季(鄭單958)，小麥秸稈均全部還田，全年施肥量如表1所示。

1.2.2能值分析

Odum[18]給出了系統(tǒng)能值計(jì)算必須遵循的4條規(guī)則：(1)對(duì)于穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，輸入的能值將全部分配給輸出的產(chǎn)品；(2)對(duì)于多產(chǎn)品系統(tǒng)，每個(gè)產(chǎn)品能值輸出都等于輸入的能值之和；(3)當(dāng)系統(tǒng)中一個(gè)路徑分叉時(shí)，輸入的能值分配給每條路徑的能值由該路徑的能量或質(zhì)量分率決定，而每條路徑所具有的能值轉(zhuǎn)換率不變；(4)在一個(gè)系統(tǒng)中，輸入的能值不能重復(fù)累加。本文遵循此規(guī)則，分別對(duì)系統(tǒng)的能值投入、流動(dòng)和產(chǎn)出進(jìn)行了計(jì)算，如圖1—圖4所示。

能值方法是通過(guò)產(chǎn)生某一資源或勞務(wù)的過(guò)程中直接或間接消耗的另一種能量類型多少進(jìn)行評(píng)價(jià)，由于太陽(yáng)能是最原始的能源形式，應(yīng)用中常以太陽(yáng)能值(Solar Emergy)為標(biāo)準(zhǔn)度量，單位為太陽(yáng)能焦耳(Solaremjoules，縮寫為sej)[19]。本研究中能值轉(zhuǎn)換率的全球能值基準(zhǔn)為15.83×1024sej/a[18,20]。表2列出了本文研究的生態(tài)系統(tǒng)能值分析指標(biāo)及表達(dá)式，通過(guò)繪制能值分析表，列出能值的投入和產(chǎn)出，計(jì)算能值指標(biāo)，如表3—表6所示。

表1　不同循環(huán)模式的全年施肥量/(kg/hm2)

玉米秸稈N、P、K含量分別為0.57%、0.20%、0.73%，含水量為65.01%；沼液N、P、K含量分別為0.3%、0.03%、0.15%；牛糞N、P、K含量分別為0.58%、0.2%、0.31%，含水量為28.23%;*表示濕重

表2　生態(tài)系統(tǒng)能值分析指標(biāo)匯總

(1)能值產(chǎn)出率(EYR)能值產(chǎn)出率是衡量系統(tǒng)產(chǎn)出對(duì)經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)大小和系統(tǒng)生產(chǎn)效率的指標(biāo)，它是系統(tǒng)產(chǎn)出能值與總輔助能值投入的比率。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)EYR值越高，系統(tǒng)的生產(chǎn)效率越高，越具有區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)力。表達(dá)式為：

EYR=系統(tǒng)產(chǎn)出能值Y/經(jīng)濟(jì)反饋能值(F+R1)

(2)能值投資率(EIR)能值投資率是指生態(tài)系統(tǒng)的反饋能值與環(huán)境無(wú)償能值比。它是計(jì)量經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度和環(huán)境負(fù)載程度的指標(biāo)。其值越大表明系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度越高，而對(duì)環(huán)境的依賴越弱。表達(dá)式為：

EIR=經(jīng)濟(jì)反饋能值(F+R1)/環(huán)境的無(wú)償能值(R+N)

(3)環(huán)境負(fù)載率(ELR)通常用來(lái)自系統(tǒng)的購(gòu)買能值與系統(tǒng)不可更新環(huán)境資源能值之和除以系統(tǒng)可更新環(huán)境資源能值。一般來(lái)說(shuō)，環(huán)境負(fù)載率越小，表明農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境承載壓力越小，發(fā)展?jié)摿υ酱?。表達(dá)式為：

ELR=系統(tǒng)不可更新能值總量(F+N)/系統(tǒng)可更新能值總量(R+R1)

(4)基于能值的產(chǎn)品安全性指標(biāo)(EIPS)[21]此指標(biāo)用于評(píng)估系統(tǒng)的產(chǎn)品安全性，定義為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)施用化肥、農(nóng)藥的能值(C)和經(jīng)濟(jì)反饋能值之比的負(fù)值，0值為最安全，負(fù)值越大，說(shuō)明產(chǎn)品的安全性越差，-1為最不安全。表達(dá)式為：

EIPS= -[化肥、農(nóng)藥能值(C)/經(jīng)濟(jì)反饋能值 (F+R1)]

(5)可持續(xù)發(fā)展指數(shù)(ESI)能值可持續(xù)發(fā)展指標(biāo)是系統(tǒng)凈能值產(chǎn)出率與環(huán)境負(fù)載率的比值。但并不是ESI 值越大，可持續(xù)發(fā)展能力就越強(qiáng)，當(dāng)110時(shí)，則系統(tǒng)不發(fā)達(dá)，當(dāng)ESI<1時(shí)，屬于消費(fèi)型系統(tǒng)[22]。表達(dá)式為：

ESI=凈能值產(chǎn)出率EYR/環(huán)境負(fù)載率ELR

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)收集取樣獲得小麥、玉米、小麥秸稈、玉米秸稈、牛奶、牛糞、沼液等的數(shù)量，通過(guò)實(shí)地調(diào)查與資料收集的方法獲得整年度系統(tǒng)能值分析的原始數(shù)據(jù)，能值轉(zhuǎn)化率參考相關(guān)文獻(xiàn)。

2　結(jié)果與分析

2.1能值輸入與輸出

4種不同模式的能值輸入和輸出情況見表3—表6。能值輸入包括可更新資源、不可更新資源、不可更新工業(yè)輔助能和可更新有機(jī)能；能值輸出為系統(tǒng)產(chǎn)出的全部產(chǎn)品。

從表3—表6中可以看出，對(duì)照模式(CK)、農(nóng)田循環(huán)模式、農(nóng)沼循環(huán)模式和農(nóng)牧循環(huán)模式的能值投入分別為1.68×1015、1.55×1015、3.89×1015、1.31×1016Sej/a，對(duì)照模式和農(nóng)田循環(huán)模式的投入都較低且相差不大，而農(nóng)沼循環(huán)模式和農(nóng)牧循環(huán)模式分別是對(duì)照模式投入的2.32倍和7.8倍，這是因?yàn)檗r(nóng)沼和農(nóng)牧循環(huán)模式均為復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)，其經(jīng)濟(jì)反饋能值除農(nóng)田中投入外，農(nóng)沼循環(huán)模式還有沼氣池建造和維護(hù)、菌種等，農(nóng)牧循環(huán)模式還有建筑、電力、水、草等。其中可更新資源、不可更新資源、不可更新工業(yè)輔助能和可更新有機(jī)能占總能值投入的比例，對(duì)照模式分別為59.29%、0.3%、27.02%、13.21%，農(nóng)田循環(huán)模式分別為64.26%、0.32%、22.78%、12.65%，農(nóng)沼循環(huán)模式分別為25.6%、0.13%、58.35%、15.89%，農(nóng)牧循環(huán)模式分別為20%、0.1%、40.08%、39.77%。對(duì)照模式和農(nóng)田循環(huán)模式的可更新資源投入的能值所占的比例最高，是輸入的主要能值，說(shuō)明了對(duì)照模式和農(nóng)田循環(huán)模式對(duì)環(huán)境的依賴更大；農(nóng)牧循環(huán)模式中不可更新工業(yè)輔助能和可更新有機(jī)能所占比例基本相等且最高，農(nóng)沼循環(huán)模式主要依賴購(gòu)買的不可更新工業(yè)輔助能的投入，而農(nóng)牧循環(huán)模式既依靠不可更新工業(yè)輔助能，也依賴于牛糞等有機(jī)廢棄物的能值投入。

表3　常規(guī)施肥處理下對(duì)照模式能值分析

可更新資源包括太陽(yáng)輻射能、風(fēng)能、雨水化學(xué)能和雨水勢(shì)能，根據(jù)試驗(yàn)地的年均太陽(yáng)輻射量和年均降雨量計(jì)算，但僅取最大值的雨水化學(xué)能，避免重復(fù)計(jì)算根據(jù)能值理論，處于平衡態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部庫(kù)存不變，系統(tǒng)能值產(chǎn)出等于系統(tǒng)能值投入，所以對(duì)照模式、農(nóng)田循環(huán)模式、農(nóng)沼循環(huán)模式和農(nóng)牧循環(huán)模式的能值輸出分別為1.68×1015、1.55×1015、3.89×1015、1.31×1016Sej/a。4種循環(huán)模式均有能值產(chǎn)出進(jìn)入市場(chǎng)，對(duì)照模式產(chǎn)出主要為小麥、玉米和玉米秸稈；農(nóng)沼循環(huán)模式產(chǎn)出的沼氣主要用于居民日常生活，剩余的沼液作為肥料返回到農(nóng)田中；農(nóng)牧循環(huán)模式中產(chǎn)出的牛奶出售為牛場(chǎng)賺取經(jīng)濟(jì)效益，此模式中產(chǎn)生大量牛糞等廢棄物也是作為肥料返回到農(nóng)田中。

表4　玉米秸稈粉碎還田處理下農(nóng)田循環(huán)模式能值分析

表5　沼液還田處理下農(nóng)沼循環(huán)模式能值分析

表6　有機(jī)肥還田處理下農(nóng)牧循環(huán)模式能值分析

2.2主要能值指標(biāo)比較與分析

從表7中看出，4種生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的凈能值產(chǎn)出率都大于1，農(nóng)田、農(nóng)沼和農(nóng)牧循環(huán)模式的EYR分別是對(duì)照模式的1.13倍、54.22%和50.2%，說(shuō)明農(nóng)田循環(huán)模式能值利用效率要高于其他3種循環(huán)模式，凈能值產(chǎn)出率更高，能源生產(chǎn)與利用的效率更高，顯示更強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)競(jìng)爭(zhēng)力。農(nóng)田、農(nóng)沼和農(nóng)牧循環(huán)模式的EIR分別是對(duì)照模式的80.88%、4.25倍和5.85倍，說(shuō)明農(nóng)牧循環(huán)模式的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度最高。農(nóng)田、農(nóng)沼和農(nóng)牧循環(huán)模式的ELR分別是對(duì)照模式的78.95%、3.71倍和1.76倍，農(nóng)田循環(huán)模式對(duì)環(huán)境的壓力最小，農(nóng)沼循環(huán)模式對(duì)環(huán)境的壓力更大一些，4種循環(huán)模式的環(huán)境負(fù)載率都在可接受范圍內(nèi)?；谀苤档漠a(chǎn)品安全性指標(biāo)(EIPS)檢驗(yàn)了系統(tǒng)產(chǎn)出產(chǎn)品的安全性，在數(shù)軸上負(fù)值越接近0，產(chǎn)品安全性越高，越遠(yuǎn)離0，產(chǎn)品安全性越低。農(nóng)牧循環(huán)模式的產(chǎn)品安全性指標(biāo)為-0.015，最接近于0，其產(chǎn)品安全性是最高的，而對(duì)照模式的產(chǎn)品存在一定的安全隱患。農(nóng)田循環(huán)模式的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)最大，顯示出了很強(qiáng)的可持續(xù)發(fā)展能力，農(nóng)沼循環(huán)模式的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)小于1，說(shuō)明該循環(huán)模式屬于消費(fèi)型模式。種植模式中農(nóng)田循環(huán)模式綜合指標(biāo)優(yōu)于對(duì)照模式，復(fù)合循環(huán)模式中農(nóng)牧循環(huán)模式要優(yōu)于農(nóng)沼循環(huán)模式。

表7　不同循環(huán)模式下生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)能值評(píng)價(jià)指標(biāo)比較

EYR：能值產(chǎn)出率 Emergy yield ratio; EIR：能值投資率 Emergy investment ratio；ELR：環(huán)境負(fù)載率 Environmental loading ratio；EIPS：基于能值的產(chǎn)品安全性指標(biāo) Emergy index of product safety；ESI：可持續(xù)發(fā)展指數(shù)Emergy-based sustainability index

3　討論與結(jié)論

秸稈還田能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，增加土壤肥力，有助于土壤養(yǎng)分的可持續(xù)利用[25]。對(duì)照模式和農(nóng)田循環(huán)模式中，資源投入基本相同，但是系統(tǒng)主產(chǎn)品——玉米和小麥產(chǎn)量農(nóng)田循環(huán)模式高于對(duì)照模式，說(shuō)明秸稈還田可以增加土壤養(yǎng)分，改善土壤理化性狀，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，減少碳排放，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，所以應(yīng)減少化肥的使用，充分利用秸稈資源，減少環(huán)境污染。由于對(duì)照模式和農(nóng)田循環(huán)模式的投入和產(chǎn)出均較低，模式單一，這兩種模式并不能為當(dāng)?shù)貏?chuàng)造出更多的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。而農(nóng)沼循環(huán)模式和農(nóng)牧循環(huán)模式是分別由農(nóng)田和沼氣發(fā)酵系統(tǒng)、農(nóng)田和飼養(yǎng)系統(tǒng)組成的復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)，兩種循環(huán)模式具有良好的物質(zhì)循環(huán)和能值反饋特性，能夠充分利用玉米秸稈，充分利用其有機(jī)能，其本身產(chǎn)生的沼液、沼渣和牛糞等廢棄物肥料化反饋到農(nóng)田系統(tǒng)中，減少常規(guī)系統(tǒng)外界的工業(yè)輔助能的投入，使各項(xiàng)指標(biāo)都能得到優(yōu)化，提高了系統(tǒng)的能值效益和可持續(xù)發(fā)展能力。Bastinanoni等[26]報(bào)道意大利的一個(gè)農(nóng)場(chǎng)由于系統(tǒng)內(nèi)部的牲畜養(yǎng)殖為作物種植提供有機(jī)肥，使系統(tǒng)的環(huán)境承載力降低，凈能值產(chǎn)出率提高，體現(xiàn)出系統(tǒng)內(nèi)部的能值反饋有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的能值效益的作用。研究已經(jīng)證明，可更新能源的有效利用與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著緊密的聯(lián)系，是生產(chǎn)實(shí)踐中的優(yōu)先選擇[27]，本研究?jī)煞N復(fù)合循環(huán)模式在生產(chǎn)實(shí)踐中充分利用沼液、牛糞等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廢棄資源，使其發(fā)揮最大的利用價(jià)值。陸宏芳等[28]用與本文相同的方法分別對(duì)珠江三角洲三水市的3種基塘農(nóng)業(yè)生態(tài)工程模式進(jìn)行了系統(tǒng)層和子系統(tǒng)層的比較研究，結(jié)果表明由于引入了畜牧業(yè)，提高了系統(tǒng)的綜合效益和可持續(xù)性。本文農(nóng)牧循環(huán)模式能值產(chǎn)出率、能值投資率、環(huán)境負(fù)載率、產(chǎn)品安全性和可持續(xù)發(fā)展能力都要優(yōu)于農(nóng)沼循環(huán)模式，這是在種植系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加入了奶牛養(yǎng)殖業(yè)，提高了系統(tǒng)的綜合效益和可持續(xù)性，與上述研究結(jié)果一致。農(nóng)沼循環(huán)模式能夠有效地將農(nóng)戶種植業(yè)和日常生活等有機(jī)結(jié)合起來(lái)，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(dá)到經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等多重效益[29- 31]。但是本研究中的農(nóng)沼循環(huán)模式中由于技術(shù)及裝備制約，特別是產(chǎn)氣量低，維護(hù)費(fèi)用成本高等問(wèn)題，影響了秸稈被直接作為原料發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，能值產(chǎn)出率相對(duì)較低，可持續(xù)發(fā)展能力不強(qiáng)。因此，政府應(yīng)采取相應(yīng)的優(yōu)惠稅收政策補(bǔ)償沼氣池的維護(hù)費(fèi)用，支持沼氣工程中的清潔能源等項(xiàng)目的發(fā)展，使沼氣生產(chǎn)得到提升，為居民日常生活提供更多的服務(wù)。農(nóng)牧循環(huán)經(jīng)濟(jì)是在農(nóng)牧生態(tài)系統(tǒng)中，把初級(jí)生產(chǎn)和次級(jí)生產(chǎn)結(jié)合起來(lái)，在物質(zhì)循環(huán)利用過(guò)程中，把“土壤-植物-動(dòng)物”結(jié)合起來(lái)，使物質(zhì)循環(huán)能量利用更趨向合理，這種循環(huán)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)牧經(jīng)濟(jì)生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，是優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效農(nóng)牧業(yè)的中心環(huán)節(jié)[32]。農(nóng)牧業(yè)二者之間存在相互依賴又相互制約的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程，雖然在此過(guò)程中會(huì)消耗對(duì)方一部分的能量，但也能促進(jìn)雙方的生產(chǎn)發(fā)展。實(shí)行農(nóng)牧結(jié)合能夠使養(yǎng)分資源在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的利用更趨于合理化，以減少資源的浪費(fèi)[33- 34]。本研究中農(nóng)牧循環(huán)模式中飼養(yǎng)子系統(tǒng)產(chǎn)出牛糞等大量廢棄物，經(jīng)循環(huán)利用作為有機(jī)肥返回到大田中，降低了生產(chǎn)成本，減少了社會(huì)購(gòu)買能值的投入，其能值產(chǎn)出率是農(nóng)沼循環(huán)模式的90.4%，而其可持續(xù)發(fā)展能力是農(nóng)沼循環(huán)模式的1.95倍，因此農(nóng)牧循環(huán)的產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)、發(fā)展?jié)摿Ω?。席運(yùn)官等[21]研究表明，“稻鴨共作”有機(jī)農(nóng)業(yè)模式比稻麥輪作常規(guī)的生產(chǎn)模式產(chǎn)品的安全性高，而化肥和農(nóng)藥的大量施用使作物中積聚大量有害物質(zhì)，產(chǎn)品的安全性降低，這與本文中的研究結(jié)果一致，因此要減少化肥的使用，轉(zhuǎn)而加大有機(jī)肥等綠色肥料的推廣應(yīng)用。兩種復(fù)合循環(huán)模式相比較，農(nóng)牧循環(huán)模式在加強(qiáng)畜牧業(yè)廢棄物安全還田技術(shù)以及種植業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈延伸技術(shù)等后，可持續(xù)發(fā)展能力更強(qiáng)。綜上所述，農(nóng)牧循環(huán)模式在本地區(qū)的發(fā)展?jié)摿κ亲畲蟮?，要?quán)衡當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，在大力發(fā)展農(nóng)牧循環(huán)模式的同時(shí)，積極彌補(bǔ)農(nóng)沼循環(huán)模式的不足，實(shí)現(xiàn)多種秸稈利用模式共同良好的發(fā)展。

[1]周連第, 胡艷霞, 王亞芝, 雷慶國(guó). 京郊農(nóng)業(yè)生物循環(huán)系統(tǒng)生態(tài)經(jīng)濟(jì)能值評(píng)估——以密云尖巖村為例. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(23): 7346- 7354.

[2]韓芹芹, 姜逢清, 楊躍輝. 我國(guó)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點(diǎn)之一在農(nóng)業(yè). 鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì), 2008, 24(2): 62- 65.

[3]韋茂貴, 王曉玉, 謝光輝. 中國(guó)各省大田作物田間秸稈資源量及其時(shí)間分布. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 17(6): 32- 44.

[4]畢于運(yùn), 王道龍, 高春雨, 王亞靜. 中國(guó)秸稈資源評(píng)價(jià)與利用. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社, 2008: 5- 5.

[5]劉世平, 聶新濤, 張洪程, 戴其根, 霍中洋, 許軻. 稻麥兩熟條件下不同土壤耕作方式與秸稈還田效用分析. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2006, 22(7): 48- 51.

[6]劉巽浩, 高旺盛, 朱文珊. 秸稈還田的機(jī)理與技術(shù)模式研究. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2001: 124- 130.

[7]鐘華平, 岳燕珍, 樊江文. 中國(guó)作物秸稈資源及其利用. 資源科學(xué), 2003, 25(4): 62- 67.

[8]高旺盛. 我國(guó)循環(huán)農(nóng)業(yè)的原理、模式與技術(shù)途徑// 中國(guó)農(nóng)作制度研究進(jìn)展2008. 沈陽(yáng): 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社, 2008: 427- 431.

[9]武少菁, 劉圣勇, 王曉東, 劉小二, 王森. 秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)的概述和展望. 中國(guó)沼氣, 2008, 26(4): 20- 23.

[10]李世密, 魏雅潔, 張曉健, 趙連臣, 張大雷. 秸稈類木質(zhì)纖維素原料厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究. 可再生能源, 2008, 26(1): 50- 54.

[11]Katuwal H, Bohara A K. Biogas: a promising renewable technology and its impact on rural households in Nepal. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(9): 2668- 2674.

[12]Chen Y, Yang G H, Sweeney S, Feng Y Z. Household biogas use in rural China: a study of opportunities and constraints. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010, 14(1): 545- 549.

[13]Zhou S Y, Zhang B, Cai Z F. Emergy analysis of a farm biogas project in China: a biophysical perspective of agricultural ecological engineering. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2010, 15(5): 1408- 1418.

[14]Yang J, Chen B. Emergy analysis of a biogas-linked agricultural system in rural China-A case study in Gongcheng Yao autonomous county. Applied Energy, 2014, 118: 173- 182.

[15]Campbell D E. Emergy analysis of human carrying capacity and regional sustainability: an example using the state of Maine. Environmental Monitoring and Assessment, 1998, 51(1/2): 531- 569.

[16]Ulgiati S, Brown M T. Monitoring patterns of sustainability in natural and man-made ecosystems. Ecological Modelling, 1998, 108(1/3): 23- 36.

[17]Brown M T, Ulgiati S. Energy quality, emergy, and transformity: H. T. Odum′s contributions to quantifying and understanding systems. Ecological Modelling, 2004, 178(1/2): 201- 213.

[18]Odum H T. Environmental Accounting: Emergy and Environmental Decision Making. United States: Wiley, 1995.

[19]陸宏芳, 藍(lán)盛芳, 李謀召, 隋春花. 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析方法研究. 韶關(guān)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2000, 21(4): 74- 78.

[20]Odum H T, Brown M T, Williams S B. Handbook of Emergy Evaluation, A Compendium of Data Emergy Computation Issued in A Series of Folios. Gainesville: University of Florida, 2000.

[21]席運(yùn)官, 欽佩. 稻鴨共作有機(jī)農(nóng)業(yè)模式的能值評(píng)估. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2006, 17(2): 237- 242.

[22]Ulgiati S, Odum H T, Bastianoni S. Emergy use, environmental loading and sustainability an emergy analysis of Italy. Ecological Modelling, 1994, 73(3/4): 215- 268.

[23]Brown MT, Arding J. Transformities working paper, center for wetlands, University of Florida, Gainesville, FL, 1991.

[24]Yang Z F, Jiang M M, Chen B, Zhou J B, Chen G Q, Li S C. Solar emergy evaluation for Chinese economy. Energy Policy, 2010, 38(2): 875- 886.

[25]陳芝蘭, 張涪平, 蔡曉布, 何建清, 彭岳林. 秸稈還田對(duì)西藏中部退化農(nóng)田土壤微生物的影響. 土壤學(xué)報(bào), 2005, 42(4): 696- 699.

[26]Bastianoni S, Marchettini N, Panzieri M, Tiezzi E. Sustainability assessment of a farm in the Chianti area (Italy). Journal of Cleaner Production, 2001, 9(4): 365- 373.

[27]Chen S Q, Chen B. Sustainability and future alternatives of biogas-linked agrosystem (BLAS) in China: an emergy synthesis. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(6): 3948- 3959.

[28]陸宏芳，彭少麟，藍(lán)盛芳，陳飛鵬. 基塘農(nóng)業(yè)生態(tài)工程模式的能值評(píng)估, 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2003,14(10):1622- 1626.

[29]武洲. 低碳農(nóng)業(yè)與農(nóng)村沼氣. 吉林農(nóng)業(yè), 2010, (8): 18- 24.

[30]李景明, 薛梅. 中國(guó)沼氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的回顧與展望. 可再生能源, 2010, 28(3): 1- 5.

[31]陳笑, 史劍茹, 孟蝶, 趙言文. 沼氣與沼肥在農(nóng)業(yè)和環(huán)境方面的運(yùn)用與成效. 中國(guó)沼氣, 2011, 9(1): 44- 47.

[32]賈金龍, 李祝山, 王燕鈞. 淺山旱作區(qū)農(nóng)牧結(jié)合的輪作制研究. 青海農(nóng)林科技, 1994, (2): 1- 6.

[33]曾江海, 張玉銘. 一個(gè)農(nóng)牧結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)營(yíng)養(yǎng)循環(huán)的源、庫(kù)、流. 生態(tài)學(xué)雜志, 1994, 13(4): 42- 46, 22- 22.

[34]冷志杰, 孟軍, 徐中儒, 葛家麒. 一個(gè)農(nóng)牧結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)物流模型的建立. 農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學(xué)與綜合研究, 1998, 14(1): 53- 54, 58- 58.

Comparison of emergy efficiency and sustainable development capability between different agricultural circulation modes with straw utilization

LIU Zhen1, LIU Ling2, ZHANG Shumin2, SUN Tao2, NING Tangyuan2,*, LI Chuanrong1, LI Zengjia2

1SchoolofForestryofShandongAgriculturalUniversity,Tai′an271018,China2StateLaboratoryofCropBiology,EngineeringLaboratoryforEfficientUtilizationofSoilandFertilizerResources,CollegeofAgronomicSciencesofShandongAgriculturalUniversity,Tai′an271018,China

Using emergy evaluation method, this paper compared the emergy efficiency and sustainable development capability of the different circular agriculture modes in North China. The emergy evaluation on four modes were conducted, which including wheat-maize cropping system with conventional fertilization (control), cropping system with crushed straw (farmland circulation mode), cropping- feeding (dairy cattle) system with dung used as fertilizer (farmland-livestock mode), and cropping- feeding- biogas system with biogas slurry used as fertilizer (farmland-biogas slurry mode). The results showed that the emergy yield ratios (EYR) of the 4 modes were higher than 1, the emergy yield ratios (EYR) of the farmland circulation mode, farmland-biogas slurry circulation mode, and farmland-livestock circulation mode, which were respectively 1.13 times, 54.22%, and 50.2% as much as those of control mode, whereas emergy investment ratios of the farmland circulation mode, farmland-biogas slurry circulation mode, and farmland-livestock circulation mode were respectively 80.88%, 4.25 and 5.85 times as much as those of control mode. The environmental loading ratios (ELR) of the farmland circulation mode, farmland-biogas slurry circulation mode, and farmland-livestock circulation mode were respectively 78.95%, 3.71 and 1.76 times as much as those of control mode. The environmental pressure of farmland circulation mode was the lowest, the farmland-biogas slurry circulation mode was the highest. But the ELRs of 4 modes were acceptable. The emergy index of product safety of the farmland-livestock circulation mode were -0.015, its safety was the highest, the products of the control mode had some safety loophole. The farmland circulation mode had the strongest sustainable potential in 2 planting modes, the farmland-livestock circulation mode had the strongest sustainable potential in 2 comprehensive circulation modes. In conclusion, farmland-livestock mode has the strongest sustainable potential and is an ideal circular agriculture mode, which should be popularized in the region.

circular agriculture; emergy; environmental load ratio; sustainable development capability

國(guó)家“十二五”科技支撐項(xiàng)目(2012BAD14B07)

2015- 01- 18; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 11- 16

Corresponding author.E-mail: ningty@163.com

10.5846/stxb201501180147

劉振, 劉玲， 張淑敏, 孫濤, 寧堂原, 李傳榮, 李增嘉.秸稈利用循環(huán)模式的能值效率和持續(xù)發(fā)展能力.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(15):4739- 4750.

Liu Z, Liu L, Zhang S M, Sun T, Ning T Y, Li C R, Li Z J.Comparison of emergy efficiency and sustainable development capability between different agricultural circulation modes with straw utilization .Acta Ecologica Sinica,2016,36(15):4739- 4750.