秸秆利用循环模式的能值效率和持续发展能力
2016-10-24张淑敏宁堂原李传荣李增嘉
刘 振, 刘 玲, 张淑敏, 孙 涛, 宁堂原,*, 李传荣, 李增嘉
1 山东农业大学林学院，泰安 271018 2 作物生物学国家重点实验室，土肥资源高效利用国家工程实验室，山东农业大学农学院，泰安 271018
秸秆利用循环模式的能值效率和持续发展能力
刘振1, 刘玲2, 张淑敏2, 孙涛2, 宁堂原2,*, 李传荣1, 李增嘉2
1 山东农业大学林学院，泰安271018 2 作物生物学国家重点实验室，土肥资源高效利用国家工程实验室，山东农业大学农学院，泰安271018
用能值法分析了不同农业循环模式的能值效率和可持续发展能力，以期找到适合本地区发展的农业循环模式。以小麦玉米两熟农田、奶牛饲养系统和沼气发酵系统为研究对象，以常规施肥为对照模式(CK)，设置玉米秸秆粉碎还田的农田循环模式、沼液还田的农沼循环模式和有机肥还田的农牧循环模式3种循环模式，用能值方法比较4种循环系统的能值效率和可持续发展能力。结果表明，4种模式的净能值产出率 (EYR) 都大于1，农田、农沼和农牧循环模式的EYR分别是对照模式的1.13倍、54.22% 和50.2%，农田、农沼和农牧循环模式的能值投资率(EIR)分别是对照模式的80.88%、4.25倍和5.85倍，农田、农沼和农牧循环模式的环境负载率(ELR)分别是对照模式的78.95%、3.71倍和1.76倍，农田循环模式对环境的压力最小，农沼循环模式对环境的压力较大，4种模式的ELR都在可接受范围内。农牧循环模式的产品安全性指标(EIPS)为 -0.015，最接近于0，其产品安全性最高，而对照模式的产品存在一定的安全隐患。种植模式中农田循环模式可持续发展能力优于对照模式，复合循环模式中农牧循环模式要优于农沼循环模式。综上所述，农牧循环模式的发展潜力最大，是最适合本地区的秸秆利用循环模式。
循环模式；能值；环境负载率；可持续发展能力
循环农业是相对于传统农业提出的一种新的发展模式，它的目标是追求资源低消耗、污染物低排放、资源利用高效率。用循环农业的理念指导农业生产，可从根本上转变农村发展方式，提高农业综合生产能力和农产品质量安全，保障农业和农民增收[1]。作物秸秆是中国发展农业循环经济的重要物质基础，其综合利用符合新的能源产业政策[2]，是重要的可再生资源，近年来受到广泛关注[3]。在循环农业理论指导下探讨秸秆的资源化利用策略与途径，能促进农田生态系统的良性循环[4]，围绕农田生态系统，秸秆肥料化利用模式的研究主要集中在秸秆还田耕作管理方式[5- 6]等方面。目前秸秆利用的成熟技术和方法较多，如秸秆能源利用技术、秸秆肥料利用技术、秸秆饲料利用技术以及秸秆工业原料利用技术等，其中秸秆饲料化技术在“种-养”产业链上的综合利用，通过技术革新与理念突破，构建秸秆循环利用的模式[7- 8]，即农牧循环模式；还有学者研究了秸秆能源化利用的秸秆发酵产沼气关键技术和沼渣沼液综合利用技术[9-10]，即农沼循环模式。早在20世纪20年代，沼气利用模式已在全球范围内不断得到理论上的探讨和实践应用[11- 12]，Zhou 等[13]则以农业中沼气工程应用为对象进行能值分析，指出农业沼气工程相对于其他典型的农业生产系统而言具有较小的环境压力以及更强的可持续发展能力。Chen等[14]证明沼气生产过程中清洁能源机制与其他生物质能源利用模式相比更能够减少碳排放，市场竞争力更强。但是目前还没有形成大规模高效的循环利用模式和技术体系，因此亟需研究农田秸秆资源的循环利用及加环增值技术，延伸农田种植业的产业链，如果这种状况不能得到及时的改变，势必会严重制约农业的可持续发展。要解决这些问题，就要运用科学合理的定量分析方法进行分析评价，目前的研究方法主要是生命周期评价法、物质流分析法、模糊综合评价法、灰色关联度法、数据包络分析法等，这些方法都是建立在基于货币流的价值分析基础上，没有考虑系统环境资源的功能，当系统中的产品价格体系不完善时，不能对不同区域间或不同产品间的经济效益进行合理的比较评价，能值分析方法正好能弥补这些缺陷，也可以克服以往系统优化中各种资源评价指标不统一这一缺陷，而且具有严密的热力学和系统生态学科学理论基础和理论体系，综合性更强[15- 17]。因此本研究拟采用能值分析方法来探讨不同秸秆利用方式下的农田、农沼和农牧3种循环模式的能值效率和可持续发展能力，以期为华北地区农业循环模式的发展提供理论支撑。
1 材料与方法
1.1研究区域概况
本研究选择山东省德州市平原县胡庄村为试验点，试验时间为2012—2014年。该试验点位于东经116°26′、北纬37°09′，地处黄淮海平原，属东亚暖温带亚湿润大陆性季风气候。年均气温 12.1—13.1℃，年均降水量 578.2—623.3 mm，是典型的黄河冲积平原。采用冬小麦夏玉米一年两熟种植制度，耕层土壤类型为轻盐化草甸土，含有机质12.8mg/kg、全氮1.38mg/kg、碱解氮肥 77.5 mg/kg、速效磷 26.9 mg/kg、速效钾 145.2 mg/kg，pH为7.7。
1.2研究方法
1.2.1试验设计
选择当地小麦-玉米一年两熟标准农田，4个小区，3 次重复，完全随机区组设计，小区面积980 m2。按照同等施氮量原则，在小麦(济麦22)季，以常规施肥为对照(CK)，设置玉米秸秆粉碎直接还田的农田循环模式、玉米秸秆发酵后残留的沼液还田的农沼循环模式和玉米秸秆过腹之后有机肥(牛粪)还田的农牧循环模式3种循环农业模式。
4种循环模式的能量流动如图1—图4所示。
(1)对照模式玉米收获后，玉米秸秆全部运出，然后进行常规施肥，将化肥均匀撒施于试验小区中，能量流动如图1所示。
图1 对照模式能量(×1014 Sej/a)图解Fig.1 Diagram of energy (×1014 Sej/a) flow in control mode
(2)农田循环模式播种前翻地，深度为20 cm，将收获的玉米秸秆粉碎3 cm 左右，均匀撒施于试验小区中，能量流动如图2所示。
图2 农田循环模式能量(×1014 Sej/a)系统图解Fig.2 Diagram of energy (×1014 Sej/a) flow in farmland circulation mode
(3)农沼循环模式玉米收获后，将试验小区中的玉米秸秆全部运至沼气池进行厌氧发酵，往沼气池内投入菌种、尿素等，产出的沼气作为能源用于居民做饭、照明、取暖等日常生活，剩余的残渣进入到试验小区中，形成农田-沼液循环系统，能量流动如图3所示。
图3 农沼循环模式能量(×1014 Sej/a)系统图解Fig.3 Diagram of energy (×1014 Sej/a) flow in farmland-biogas slurry circulation mode
(4)农牧循环模式玉米收获后，将试验小区中的玉米秸秆运送至牛场青贮处理做成青贮饲料，20d之后，在牛场中选择年龄、品种、体型、健康状况一致的奶牛20头，每天每头奶牛饲喂20kg青贮饲料，产出的牛奶出售，牛粪等废弃物重新回到该试验小区中，形成玉米秸秆过腹还田的农田-畜牧循环系统，能量流动如图4所示。
图4 农牧循环模式能量(×1014 Sej/a)系统图解Fig.4 Diagram of energy (×1014 Sej/a) flow in farmland-livestock circulation mode
4种循环模式在玉米季(郑单958)，小麦秸秆均全部还田，全年施肥量如表1所示。
1.2.2能值分析
Odum[18]给出了系统能值计算必须遵循的4条规则：(1)对于稳态系统，输入的能值将全部分配给输出的产品；(2)对于多产品系统，每个产品能值输出都等于输入的能值之和；(3)当系统中一个路径分叉时，输入的能值分配给每条路径的能值由该路径的能量或质量分率决定，而每条路径所具有的能值转换率不变；(4)在一个系统中，输入的能值不能重复累加。本文遵循此规则，分别对系统的能值投入、流动和产出进行了计算，如图1—图4所示。
能值方法是通过产生某一资源或劳务的过程中直接或间接消耗的另一种能量类型多少进行评价，由于太阳能是最原始的能源形式，应用中常以太阳能值(Solar Emergy)为标准度量，单位为太阳能焦耳(Solaremjoules，缩写为sej)[19]。本研究中能值转换率的全球能值基准为15.83×1024sej/a[18,20]。表2列出了本文研究的生态系统能值分析指标及表达式，通过绘制能值分析表，列出能值的投入和产出，计算能值指标，如表3—表6所示。
表1 不同循环模式的全年施肥量/(kg/hm2)
玉米秸秆N、P、K含量分别为0.57%、0.20%、0.73%，含水量为65.01%；沼液N、P、K含量分别为0.3%、0.03%、0.15%；牛粪N、P、K含量分别为0.58%、0.2%、0.31%，含水量为28.23%;*表示湿重
表2 生态系统能值分析指标汇总
(1)能值产出率(EYR)能值产出率是衡量系统产出对经济贡献大小和系统生产效率的指标，它是系统产出能值与总辅助能值投入的比率。农业生态系统EYR值越高，系统的生产效率越高，越具有区域竞争力。表达式为：
EYR=系统产出能值Y/经济反馈能值(F+R1)
(2)能值投资率(EIR)能值投资率是指生态系统的反馈能值与环境无偿能值比。它是计量经济发展程度和环境负载程度的指标。其值越大表明系统经济发展程度越高，而对环境的依赖越弱。表达式为：
EIR=经济反馈能值(F+R1)/环境的无偿能值(R+N)
(3)环境负载率(ELR)通常用来自系统的购买能值与系统不可更新环境资源能值之和除以系统可更新环境资源能值。一般来说，环境负载率越小，表明农业生态系统的环境承载压力越小，发展潜力越大。表达式为：
ELR=系统不可更新能值总量(F+N)/系统可更新能值总量(R+R1)
(4)基于能值的产品安全性指标(EIPS)[21]此指标用于评估系统的产品安全性，定义为农业生产系统施用化肥、农药的能值(C)和经济反馈能值之比的负值，0值为最安全，负值越大，说明产品的安全性越差，-1为最不安全。表达式为：
EIPS= -[化肥、农药能值(C)/经济反馈能值 (F+R1)]
(5)可持续发展指数(ESI)能值可持续发展指标是系统净能值产出率与环境负载率的比值。但并不是ESI 值越大，可持续发展能力就越强，当1
ESI=净能值产出率EYR/环境负载率ELR
1.3 数据分析
通过收集取样获得小麦、玉米、小麦秸秆、玉米秸秆、牛奶、牛粪、沼液等的数量，通过实地调查与资料收集的方法获得整年度系统能值分析的原始数据，能值转化率参考相关文献。
2 结果与分析
2.1能值输入与输出
4种不同模式的能值输入和输出情况见表3—表6。能值输入包括可更新资源、不可更新资源、不可更新工业辅助能和可更新有机能；能值输出为系统产出的全部产品。
从表3—表6中可以看出，对照模式(CK)、农田循环模式、农沼循环模式和农牧循环模式的能值投入分别为1.68×1015、1.55×1015、3.89×1015、1.31×1016Sej/a，对照模式和农田循环模式的投入都较低且相差不大，而农沼循环模式和农牧循环模式分别是对照模式投入的2.32倍和7.8倍，这是因为农沼和农牧循环模式均为复合循环系统，其经济反馈能值除农田中投入外，农沼循环模式还有沼气池建造和维护、菌种等，农牧循环模式还有建筑、电力、水、草等。其中可更新资源、不可更新资源、不可更新工业辅助能和可更新有机能占总能值投入的比例，对照模式分别为59.29%、0.3%、27.02%、13.21%，农田循环模式分别为64.26%、0.32%、22.78%、12.65%，农沼循环模式分别为25.6%、0.13%、58.35%、15.89%，农牧循环模式分别为20%、0.1%、40.08%、39.77%。对照模式和农田循环模式的可更新资源投入的能值所占的比例最高，是输入的主要能值，说明了对照模式和农田循环模式对环境的依赖更大；农牧循环模式中不可更新工业辅助能和可更新有机能所占比例基本相等且最高，农沼循环模式主要依赖购买的不可更新工业辅助能的投入，而农牧循环模式既依靠不可更新工业辅助能，也依赖于牛粪等有机废弃物的能值投入。
表3 常规施肥处理下对照模式能值分析
可更新资源包括太阳辐射能、风能、雨水化学能和雨水势能，根据试验地的年均太阳辐射量和年均降雨量计算，但仅取最大值的雨水化学能，避免重复计算根据能值理论，处于平衡态系统，系统内部库存不变，系统能值产出等于系统能值投入，所以对照模式、农田循环模式、农沼循环模式和农牧循环模式的能值输出分别为1.68×1015、1.55×1015、3.89×1015、1.31×1016Sej/a。4种循环模式均有能值产出进入市场，对照模式产出主要为小麦、玉米和玉米秸秆；农沼循环模式产出的沼气主要用于居民日常生活，剩余的沼液作为肥料返回到农田中；农牧循环模式中产出的牛奶出售为牛场赚取经济效益，此模式中产生大量牛粪等废弃物也是作为肥料返回到农田中。
表4 玉米秸秆粉碎还田处理下农田循环模式能值分析
表5 沼液还田处理下农沼循环模式能值分析
表6 有机肥还田处理下农牧循环模式能值分析
2.2主要能值指标比较与分析
从表7中看出，4种生态循环系统的净能值产出率都大于1，农田、农沼和农牧循环模式的EYR分别是对照模式的1.13倍、54.22%和50.2%，说明农田循环模式能值利用效率要高于其他3种循环模式，净能值产出率更高，能源生产与利用的效率更高，显示更强的经济活动竞争力。农田、农沼和农牧循环模式的EIR分别是对照模式的80.88%、4.25倍和5.85倍，说明农牧循环模式的经济发展程度最高。农田、农沼和农牧循环模式的ELR分别是对照模式的78.95%、3.71倍和1.76倍，农田循环模式对环境的压力最小，农沼循环模式对环境的压力更大一些，4种循环模式的环境负载率都在可接受范围内。基于能值的产品安全性指标(EIPS)检验了系统产出产品的安全性，在数轴上负值越接近0，产品安全性越高，越远离0，产品安全性越低。农牧循环模式的产品安全性指标为-0.015，最接近于0，其产品安全性是最高的，而对照模式的产品存在一定的安全隐患。农田循环模式的可持续发展指数最大，显示出了很强的可持续发展能力，农沼循环模式的可持续发展指数小于1，说明该循环模式属于消费型模式。种植模式中农田循环模式综合指标优于对照模式，复合循环模式中农牧循环模式要优于农沼循环模式。
表7 不同循环模式下生态循环系统能值评价指标比较
EYR：能值产出率 Emergy yield ratio; EIR：能值投资率 Emergy investment ratio；ELR：环境负载率 Environmental loading ratio；EIPS：基于能值的产品安全性指标 Emergy index of product safety；ESI：可持续发展指数Emergy-based sustainability index
3 讨论与结论
秸秆还田能够提高土壤有机质含量，增加土壤肥力，有助于土壤养分的可持续利用[25]。对照模式和农田循环模式中，资源投入基本相同，但是系统主产品——玉米和小麦产量农田循环模式高于对照模式，说明秸秆还田可以增加土壤养分，改善土壤理化性状，提高土壤有机质含量，减少碳排放，提高作物产量和品质，所以应减少化肥的使用，充分利用秸秆资源，减少环境污染。由于对照模式和农田循环模式的投入和产出均较低，模式单一，这两种模式并不能为当地创造出更多的生态效益和经济效益。而农沼循环模式和农牧循环模式是分别由农田和沼气发酵系统、农田和饲养系统组成的复合循环系统，两种循环模式具有良好的物质循环和能值反馈特性，能够充分利用玉米秸秆，充分利用其有机能，其本身产生的沼液、沼渣和牛粪等废弃物肥料化反馈到农田系统中，减少常规系统外界的工业辅助能的投入，使各项指标都能得到优化，提高了系统的能值效益和可持续发展能力。Bastinanoni等[26]报道意大利的一个农场由于系统内部的牲畜养殖为作物种植提供有机肥，使系统的环境承载力降低，净能值产出率提高，体现出系统内部的能值反馈有利于提高整个系统的能值效益的作用。研究已经证明，可更新能源的有效利用与工农业生产有着紧密的联系，是生产实践中的优先选择[27]，本研究两种复合循环模式在生产实践中充分利用沼液、牛粪等工农业生产中的废弃资源，使其发挥最大的利用价值。陆宏芳等[28]用与本文相同的方法分别对珠江三角洲三水市的3种基塘农业生态工程模式进行了系统层和子系统层的比较研究，结果表明由于引入了畜牧业，提高了系统的综合效益和可持续性。本文农牧循环模式能值产出率、能值投资率、环境负载率、产品安全性和可持续发展能力都要优于农沼循环模式，这是在种植系统基础上，加入了奶牛养殖业，提高了系统的综合效益和可持续性，与上述研究结果一致。农沼循环模式能够有效地将农户种植业和日常生活等有机结合起来，使农业系统形成能流和物流合理转换的闭合生态链，在局部和整体上达到经济和环境等多重效益[29- 31]。但是本研究中的农沼循环模式中由于技术及装备制约，特别是产气量低，维护费用成本高等问题，影响了秸秆被直接作为原料发酵产生沼气，能值产出率相对较低，可持续发展能力不强。因此，政府应采取相应的优惠税收政策补偿沼气池的维护费用，支持沼气工程中的清洁能源等项目的发展，使沼气生产得到提升，为居民日常生活提供更多的服务。农牧循环经济是在农牧生态系统中，把初级生产和次级生产结合起来，在物质循环利用过程中，把“土壤-植物-动物”结合起来，使物质循环能量利用更趋向合理，这种循环是实现农牧经济生态系统的良性循环，是优质高产高效农牧业的中心环节[32]。农牧业二者之间存在相互依赖又相互制约的营养物质的转化过程，虽然在此过程中会消耗对方一部分的能量，但也能促进双方的生产发展。实行农牧结合能够使养分资源在农业生态系统中的利用更趋于合理化，以减少资源的浪费[33- 34]。本研究中农牧循环模式中饲养子系统产出牛粪等大量废弃物，经循环利用作为有机肥返回到大田中，降低了生产成本，减少了社会购买能值的投入，其能值产出率是农沼循环模式的90.4%，而其可持续发展能力是农沼循环模式的1.95倍，因此农牧循环的产品市场竞争力更强、发展潜力更大。席运官等[21]研究表明，“稻鸭共作”有机农业模式比稻麦轮作常规的生产模式产品的安全性高，而化肥和农药的大量施用使作物中积聚大量有害物质，产品的安全性降低，这与本文中的研究结果一致，因此要减少化肥的使用，转而加大有机肥等绿色肥料的推广应用。两种复合循环模式相比较，农牧循环模式在加强畜牧业废弃物安全还田技术以及种植业产业链延伸技术等后，可持续发展能力更强。综上所述，农牧循环模式在本地区的发展潜力是最大的，要权衡当地的实际情况，在大力发展农牧循环模式的同时，积极弥补农沼循环模式的不足，实现多种秸秆利用模式共同良好的发展。
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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
国家“十二五”科技支撑项目(2012BAD14B07)
2015- 01- 18; 网络出版日期:2015- 11- 16
Corresponding author.E-mail: ningty@163.com
10.5846/stxb201501180147
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