孙 路，韩霁昌，吴发启

(1.陕西省土地工程建设集团， 陕西 西安 710075； 2.西北农林科技大学资源环境学院， 陕西 杨凌 712100)

农户型“猪-沼-石榴”循环农业模式能值及经济效益

孙 路1,2，韩霁昌1，吴发启2

(1.陕西省土地工程建设集团， 陕西 西安 710075； 2.西北农林科技大学资源环境学院， 陕西 杨凌 712100)

以农户型“猪-沼-石榴”循环农业模式(模式Ⅰ)作为切入点，将单一石榴种植模式(模式Ⅱ)和单一生猪养殖(模式Ⅲ)作为参考，运用能值理论和方法对三种模式的结构、能值流特征、综合效益进行定量分析。结果表明：三种模式中，模式Ⅰ能值产投比(OIR)8.49，高于模式Ⅲ，低于模式Ⅱ；能值反馈率(EFR)最低0.010；环境负载率(ELR)最低，分别降低了1.647、0.530；能值废弃率(EWR)最低，降低了14.4%；系统可持续发展性能(EISD)最高，分别增加了9.823、8.830；对比单一农业模式，模式Ⅰ各子系统经济产投比在不同程度上都有所增加。综上说明该模式具有资源利用率高、低排放、环境压力小、富有活力和可持续发展潜力，生态经济综合效益佳等优势，可将农村地区生活方式由资源浪费型转变为清洁节约型。

农户型循环农业；能值分析；经济效益

改革开放以来，中国不断增长的人口和有限的耕地资源矛盾愈演愈烈，加之人们对农业资源不科学利用，亘古不变的传统种植方式，导致农业中出现“高投入、高污染、低产出”现象[1]。如何有效地提高和保障农业的可持续生产？新一届中国政府为我国农业发展明确了方向“注重永续发展，转变农业发展方式，发展循环农业”。所谓“循环农业”，是以生态经济原理为基础，以“减量化、再利用、资源化”为原则，通过系统设计和管理，实现物质能量资源的多层次、多级化的循环利用的现代农业生产模式[2]。循环农业的三大原则顺应了农业的可持续发展要求，得到了全世界各界学者的认同，并在世界各地蓬勃发展。能值分析理论和方法是美国著名系统生态学家奥德姆(H.T.Odum)在20世纪80年代提出的，以能值为单位，把不同种类、不同单位、不同属性、不可比较的流动的或固定的能量或物质换算成同一标准的能值进行定量分析和比较研究[3-4]，Jorge等[5]认为能值分析可对自然环境生产与人类经济活动进行统一评价,对循环农业模式的结构、功能与生态经济效益可进行定量分析。

目前，以沼气为纽带的循环农业模式可分为规模化和散户型两大类。钟珍梅等[6]学者对规模化循环农业模式进行了系统的可持续性分析研究。“猪-沼-果”循环农业模式是典型的以户为单位，依托大田、庭院，以养殖业为主，以沼气建设作为纽带，将种、养、加工产业结合起来的综合性生产模式。周昱[7]等学者通过对江西省赣州市户用“猪-沼-果”生态模式进行经济评价，指出“猪-沼-果”模式具有强的盈利能力和抗风险能力。修金生[8]等学者对福建省“猪-沼-果”生态养殖模式进行研究，指出“猪-沼-果”生态养殖模式是一种低碳、环保、循环利用的生态农业模式，符合养殖模式发展的时代要求。迄今为止，对“猪-沼-果”农户型的研究大多数集中于基本理论和模式的经济效益评价方面，但对农户型循环农业模式的可持续研究甚少[9]。本文以关中平原中部的临潼区实施的“猪-沼-石榴”为例，将能值分析方法应用到农户型循环农业系统的研究中，从生态、社会、经济、可持续发展角度下定量分析该模式的各项能值指标以及能值流特征，为该模式的进一步优化提供理论依据，对模式推广具有现实的指导意义。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

1.2 研究方法

1.2.1 样点选择 在临潼区以石榴种植为主的斜口街道办和仁宗街道办，随机选取10户“猪-沼-石榴”循环农业模式、30户单一生猪养殖模式和30户单一石榴种植模式作为调查户，自2012年6月13日至2013年6月8日每月1～3日，定期逐户进行实地监测与调查。

1.2.2 监测与调查内容

(1) 监测：监测是为了获得不同模式中各物质的实际投入与产出量数据。内容主要包括：化肥、农药、机械、电力等无机能的投入量；猪饲料、苗木、有机肥、人工等有机能投入量；生猪、石榴、沼渣、沼液等的产出量。

(2) 调查：调查是在监测的基础上进一步完善数据。内容主要包括当地的气象及地理资料、人口数、畜禽数、各种建设费用以及各种投入量的成分含量等。

1.2.3 能值分析方法 本研究所用原始数据处理方法，以10户“猪-沼-石榴”循环农业模式为例进行说明，具体方法为：将10户调查所得的某项投入与产出数据利用excel软件进行求和平均，然后将得到的平均值换算到单位面积上(m2)，从而得到该模式某项的投入与产出基础数据。参考骆世明[10]及相关能流分析研究新成果中的能量折算系数[11，14]，将基础数据换算为该研究的原始数据。最后借助蓝盛芳[15]等研究成果中的太阳能值转换率(本文采用9.26×1024sej·a-1全球能值基准值)以及能值/货币比率计算出系统中各种投入、产出及反馈的能值。本研究的分析数据为不同模式各自生产数据的平均值(单位：m2)。

① 自然资源能值计算公式[7]：

太阳光能能值=面积×太阳光平均辐射量×太阳能值转换率

(1)

雨水化学能能值=面积×平均降雨量×吉布斯自由能×太阳能值转换率

(2)

地球转动能能值=能值面积×热通量×太阳能值转换率

(3)

风能能值=高度×密度×涡流扩散系数×风速梯度×面积×太阳能值转换率

(4)

雨水势能能值=面积×平均海拔高度×平均降雨量×密度×重力加速度×太阳能值转换率

(5)

表土层净损失能能值=(面积×表土侵蚀速率-植被演替面积×表土形成速率)×太阳能值转换率

(6)

2 结果与分析

模式Ⅰ由石榴种植子系统、养殖子系统和沼气工程子系统组成，是以沼气工程子系统为核心，将养殖子系统所产生的废弃物能值经过厌氧发酵转化成沼肥和沼气能值，这些能值供石榴种植子系统的生产，实现了物质能量的多级循环利用(见图1)。该模式能值的流转环节多，物质的能值被更充分地利用，具有较好的生态经济效益。

图1 “猪-沼-石榴”循环模式系统能值

Fig.1 Emergy analysis of “pig-methane-pomegranate” recycling model

注：F—不可更新工业辅助能； Fn—系统反馈能值； M—市场；Me—沼； N—不可更新自然资源； Pi—猪；Po—石榴； R—可更新自然资源； T—可更新有机能

Note: F—nonrenewable industrial auxiliary energy； Fn—feedback emergy； M—market； Me—methane； N—nonrenewable natural resources； Pi—pig； Po—pomegranate； R—renewable natural resources； T—original energy

2.1 典型模式Ⅰ与Ⅱ的产投比特征分析

三种生产模式的能值投入与产出数据见表1。模式Ⅱ总投入中自然资源、不可更新工业辅助能、可更新有机能分别占5.14%、62.78%、32.08%。不可更新工业辅助能中氮肥、磷肥、钾肥、农药、叶面肥、塑料袋、机械及柴油、灌溉水分别占47.98%、38.42%、3.22%、3.87%、1.33%、0.98%、2.7%、1.5%，表明模式Ⅱ中以化肥与农药的投入为主；可更新有机能投入中人工投入占0.43%，说明模式Ⅱ人力投入比例小。

模式Ⅰ石榴种植子系统总投入中，不可更新工业辅助能中氮肥、磷肥、钾肥、农药、叶面肥、塑料袋、机械及柴油、灌溉水分别占45.02%、34.03%、2.40%、6.91%、2.37%、1.78%、4.82%、2.67%，可更新有机能中人工投入占1.85%，对比模式Ⅱ可知，模式Ⅰ中化肥的投入比例少7.12%，但人工投入多1.42%，这是因为沼肥的施用代替了部分化肥，从而降低了化肥投入，增加了人工投入。

模式Ⅰ的石榴种植子系统、模式Ⅱ能值产出分别为2.45×1013sej·m-2·a-1、2.35×1013sej·m-2·a-1，前者比后者多产出1×1012sej·m-2·a-1，综上所述，模式Ⅰ的石榴种植子系统比模式Ⅱ投入少，产出高。

2.2 典型模式Ⅰ与Ⅲ的产投比特征分析

对比模式Ⅰ，模式Ⅲ中因猪圈面积相对很小，自然资源能投入仅为5×1010sej·m-2·a-1，而模式Ⅰ中有6.24×1010sej·m-2·a-1的自然资源能投入,占能值总投入的0.11%，即模式Ⅰ对无偿的自然资源利用率较高；模式Ⅲ中不可更新工业辅助能和可更新有机能分别占系统能值投入的38.5%和61.49%，模式Ⅰ中不可更新工业辅助能和可更新有机能分别占系统能值投入的8.75%和91.15%，出现不可更新工业辅助能与可更新有机能的差距现象是由于模式Ⅰ中增加了种植业和沼气工程。两种模式中的可更新有机能明显比例差异表明模式Ⅰ更有利于系统的物质循环和自我维持。除此之外，模式Ⅰ中各个子系统之间相互供给，系统有6.4×1011sej·m-2·a-1的反馈能值。

模式Ⅰ系统的产出能值为5.67×1014sej·m-2·a-1，其中生猪子系统的能值产出占总产出的97.5%，石榴种植业子系统能值产出占3.8%，沼气工程能值产出占2.5%，可见模式Ⅰ是以养殖业为主，种植业和沼气工程为辅；模式Ⅲ的产出能值为4.35×1015sej·m-2·a-1，其中生猪的产出占总产出的97.5%，废弃物占2.5%。对比分析可知，模式Ⅰ产出中养殖子系统所占比例虽比模式Ⅲ中的低，却无废弃物产出，这是因为模式Ⅰ产出中还包括石榴种植业与沼气工程，产生的废弃物都被系统内部转化并吸收。相同养殖规模下，模式Ⅰ对生态环境的破坏极小，而模式Ⅲ每年则要向自然环境中排放1.09×1014sej·m-2·a-1的废弃物，极大地污染了农村的生态环境。

由表1可知，模式Ⅰ的产投比为8.49，模式Ⅲ为5.75，模式Ⅱ为19.45，说明模式Ⅰ的生态经济效益较高。

表1 三种农业模式能值的投入与产出

2.3 三种模式能值指标对比分析

(1) 模式Ⅰ的能值自给率为0.001(见表2)，比模式Ⅲ高0.001，比模式Ⅱ低0.05，但均低于0.3(国内平均水平)，说明模式Ⅰ中无偿的资源环境投入比重很低，但就其他两种单一模式而言，相对较高，更有利于商业化发展。

(2) 模式Ⅰ、模式Ⅱ、模式Ⅲ的净能值产出率分别为8.503、20.503和 5.749，且均高于0.27(我国1998年农业系统的平均水平)，说明模式Ⅰ的生产效率远超全国的平均水平，但就其他两种单一模式而言较高，这是因为模式Ⅰ中，人为施沼肥时未按土地科学的需求关系投入，只是按照生产多少就投入多少的原则，导致了沼肥的投入过量，从而出现模式Ⅰ净能值产出率居中的结果，可见，按照作物所需科学合理的施肥是该模式Ⅰ更优的必然要求之一。

(3) 模式Ⅱ能值投资率最低，说明模式Ⅱ经济发展程度最低，对环境的依赖最强；模式Ⅲ远高于其它模式，说明其经济发展程度最高，但另一方面也表明，经济投入过大，其生产的生猪市场竞争力弱；模式Ⅰ的能值投资率高于种植模式，但远低于模式Ⅲ，说明其经济发展程度较高，对环境的依赖程度适中，较小的经济投入，使其生产的生猪市场竞争力更强。

(4) 模式Ⅱ的环境负载率最高,为1.743，其次是模式Ⅲ为0.626，最后是模式Ⅰ,为0.096，说明模式Ⅰ生产过程中对环境的破坏最小，表现出显著的生态效益；但环境负载率值越低，另一方面又表明系统的科技发展水平不高，该模式Ⅰ的ELR指数0.096,远低于2000年我国农业系统(2.8)[22]，说明模式Ⅰ的科技发展水平还有待大幅度提高。

(5) 模式Ⅰ的能值反馈率比模式Ⅲ和模式Ⅱ高, 说明模式Ⅰ系统的自组织能力强，而模式Ⅲ和模式Ⅱ系统无自组织能力。

(6) 能值废弃率(Emergy waste ratio)：系统废弃物能值与系统总能值投入之比，用于反映系统废弃物给当地带来的环境压力。由表2知，在不进行任何利用的条件下，模式Ⅲ一年中将产生1.09×1014sej·m-2·a-1的猪粪尿，占系统总产出能值的2.5%(表2)，而模式Ⅰ通过增加的沼气工程将产生的猪粪尿全部发酵，进行重复改造利用，显著降低了对环境的污染。

(7) 由表2知，模式Ⅰ系统的可持续发展性能的能值指数为10.427，比模式Ⅱ、模式Ⅲ分别高9.823、8.830，这是因为模式Ⅰ充分利用了猪粪尿废弃资源，通过沼气工程，形成一个产气产肥，物质循环利用的产业链，降低了系统对外界环境的压力，提高了系统的可持续发展能力。

三种模式系统内部的经济发展程度，模式Ⅲ最高、模式Ⅰ次之、模式Ⅱ最低，就经济生产效率来说，模式Ⅱ最高、模式Ⅰ次之、模式Ⅲ最低；模式Ⅰ对环境的压力最弱、模式Ⅲ次之、模式Ⅱ最低；系统自身的自组织能力模式Ⅱ最强，说明模式Ⅰ的生态经济综合效益最佳。

表2 三种模式的能值指标

注：R—可更新自然资源;N—不可更新自然资源;T—可更新有机能;Fn—系统反馈能值;I—总投入能值;Y—总产出能值;W—系统废弃物能值；EER—能值交换率，是系统输入能值与输出能值之比。

Note:R—renewable natural resources;N—non renewable natural resources;T—organic energy;Fn—feedback emergy;I—total emergy input;Y—total emergy output;W—waste emergy;EER—the rate of emergy exchange is the ratio of total input emergy to total emergy output.

2.4 经济效益分析

将2012—2013年模式Ⅱ和模式Ⅲ，分别与模式Ⅰ中各子系统的经济产投进行对比统计得表3，由表3知：2012—2013年, 模式Ⅲ经济产投比为1.275，模式Ⅰ养殖子系统中，由于产生的沼气抵消掉了日常天然气的消耗，使得经济产投比增至1.279，是模式Ⅲ的1.003倍；模式Ⅱ的经济产投比为3.780，而模式Ⅰ石榴种植子系统，因产生的沼肥替代了大量的化肥，加之模式Ⅰ的劳动规模较大，吸引了在外务工人员，减少了雇工的费用，使得其经济产投比增至7.745，净利润每年增加1.534 元·m-2。

表3 经济产投对比

注：每立方米沼气的热值约21 MJ(CH460%)，相当于0.69 m3天然气的热值[23]，1方居民用天然气按1.98元(2013年)计算。

Note: the calorific value per cubic meter of methane is about 21 MJ (CH460%), equivalent to that of 0.69 m3natural gas whose price was 1.98 yuan for one cubic meter(2013)。

3 结论与讨论

本文分别将单一石榴种植和单一生猪养殖作为对照，对比分析了农户型“猪-沼-石榴”循环农业模式的能值流特征和经济效益，结论如下：(1) “猪-沼-石榴”循环农业模式由三个子系统组成，能值流经环节多，更有利于系统物质的循环和自我维持，能值产投比8.49，比模式Ⅲ高2.75，比模式Ⅱ低10.955。(2) “猪-沼-石榴”循环农业模式的能值反馈率为0.010，比其它模式增加了0.01；环境负载率最低为0.096，远低于2000年我国农业系统(2.8)[22]，比其它模式分别降低了1.647、0.530；能值废弃率最低，降低了14.4%；系统可持续发展性能最高，分别增加了9.823、8.830；对比单一农业模式，“猪-沼-石榴”循环模式各子系统经济产投比在不同程度上都有所增加，说明该模式具有资源利用率高、低排放、环境压力小，是一个更富有活力和可持续发展潜力更长久的模式，生态经济综合效益佳等优势，可将农村地区生活方式由资源浪费型转变为清洁节约型。(3) “猪-沼-石榴”循环农业模式的能值自给率为0.001、净能值产出率为8.503、能值投资率为929.370，数值结果居中，说明该模式还有很大的优化空间，笔者认为可加大现代科技的投入，以现代机械代替人工投入，进一步提高系统的生产效率及加大对系统的经济开发利用。

本文所涉及的实验数据主要是通过农户调查和按一定比例估算获得，虽说数据能代表农户实际的生产情况，但由于不同农户个体之间的判断和记忆差异，数据的准确性还不是很高，从而导致整个研究结果的准确性还有待检验和考证。今后数据收集时，应选取更多数量的个体取其平均值，同时要组织当地的农技人员核对实地调查的数据，从而提高数据的真实可靠性。其次，本文只从能值和经济效益两个方面分析研究了临潼区常见的农户型“猪-沼-石榴”循环农业模式，而中国土地面积辽阔，农户型循环模式类型多种多样，分析和评价生态系统的方法体系繁多，其中以能量平衡分析法[24]、生命周期评价法[25]、循环经济指标体系法[26]、经济学方法等方法为主[27]，且各有优缺点，故仅从这两个方面对农户型循环农业模式进行分析研究，并不能全面系统地分析农户型循环模式，今后应采用更多的分析评价体系，选取不同地区更多的农业生产模式进行综合对比分析，从而得到更全面准确的研究结果。

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Emergy and benefit evaluation of “pig-methane-pomegranate” recycling agriculture in Guanzhong Plain

SUN Lu1,2, HAN Ji-chang1, WU Fa-qi2

(1.ShaanxiLandConstructionGroup,Xi’an,Shaanxi710075,China;2.CollegeofResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

To explore the advantage of “pig-methane-pomegranate (PMP)” recycling agriculture mode, we analyzed the emergy flow characteristics, structure and comprehensive benefits of three modes of PMP using the single pomegranate planting mode (mode II) and single pig breeding (mode III) as references. The results show that output-input ratio of model I was 8.49, higher than that of mode III while next to mode II. Emengy feedback ratio of model I was the minimum value of 0.010. The Environmental loading ratio of model I was the lowest, decreased by 1.647 and 0.530 compared with mode II and mode III, respectively. Emergy waste ratio of model I was the lowest among the three modes. Emergy index for sustainable development of model I had the best performance, increased by 9.823 and 8.830, respectively. Compared to the single agricultural mode, economic input-output ratio of all subsystems of model I increased at various degrees. In summary, model I had the high resource-using rate, low emission, low environment pressure, high sustainable development potential, high ecological and economic benefits.

farmers type recycling agriculture; emergy analysis; economic benefit

1000-7601(2017)04-0199-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.04.30

2016-05-20

陕西省科技厅计划项目(2011TG-06)

孙 路(1988—)，女，陕西西安人，硕士研究生，研究方向为土地资源利用。 E-mail:930845324@qq.com。

韩霁昌(1966—)，男，博士，研究员，主要研究方向为土地工程及土地资源利用。 E-mail:fupingyanjiuyuan@2980.com。

S181

A