农业有机废弃物能源化资源环境效应评估

郗伟东 武晓艺

摘要：

根据能值理论建立农业资源环境效应评估模型，并对涟水县高沟镇进行实证分析。结果表明，农业有机废弃物能源化具有较高资源环境正效应和较高代际正效应。

关键词：

农业有机废弃物能源化;资源环境效应;能值

中图分类号：S216

文献标识码：A

DOI：1019754/jnyyjs20200630035

前言

我国自20世纪80年代初就已经全面进入化学农业模式。化学农业又称能源农业，或称石油农业，即越来越依靠以矿物能源（特别是石油能源）为基础的技术和产品来管理农业生态系统的趋势。1982年我国平均每公顷农作物播种面积所用的氮肥量已比美国1975年的用量高22%，农药和除草剂的平均用量也已接近美国用量的2倍，每公顷农作物播种面积实际消耗的矿物能源总量比美国1975年高17%，按生产每千焦粮食所实际消耗的工业能源计，则比美国1975年还高24%[1]。目前，我国以仅占世界耕地面积7%的耕地，消费了将近世界1/3的肥料，单位面积用量约为世界平均水平的37倍[2]，导致了日益严重的农业面源污染问题。如2014年，除黑龙江、西藏、青海外，其余地区均存在不同程度的化肥面源污染，其中重度污染以上就包括北京、海南、陕西、福建、广东、河南、天津、广西、新疆、湖北、山东、江苏、吉林等13个地区，中度污染包括浙江、河北、安徽、辽宁、山西、宁夏、云南、内蒙古等8个地区，中重度以上地区超过2/3[3]。近年来，虽然我国出台了一系列化肥农药减量化、降低分散化畜禽养殖规模等政策，但化学投入品居高不下，农业面源污染问题依然突出。因此，通过农业有机废弃物（简称农废）能源化与生态化（简称能源化）降低农业面源污染水平具有重要意义。

1农废能源化的资源与环境效应

作为传统农业大国，我国农业生产活动衍生出大量生物质废弃物资源，农村生物质资源具有资源量大、再生性强等特征，具备较高的开发潜力[4]。其通过能源化可以转化为绿色“气、电、肥”等产品，从而代替较大比例的化肥、农药等化学农业投入品，以及农业生产、农村生活所需不可更新的化石能源（及其转化而来的二次能源）。从可持续发展角度看，农废能源化产生的要素替代不仅具有较高的资源效应，而且也具有较高的生态效应。在资源效应方面，农废能源化产品可以替代较大比例的化肥、农药、户用化石能源（农户生活与生产所需的煤炭、电力）等，进而降低用于生产化肥、农药、电力等所需的一次化石能源;在环境效应方面，农废能源化生产出来的沼渣、沼液是具有较好生态效应的有机肥，其通过替代降低化肥农药对土壤、水资源和空气的污染，改善农业与农村环境、提升居民健康水平。

2农废能源化资源环境效应评估方法

以往评估人类经济活动对资源环境的影响主要采取价值评估方法。但该方法存在2个难以避免的缺陷：对不同形态的投入和产出缺乏统一的价值折算标准，使价值评估难以客观真实反映评估对象的外部性;难以科学估算不可更新资源与生态环境的损失。而能值理论则认为，人类的任何行为及行为对象都可以利用太阳能值表征，进而可以对不同度量因素进行加总，从而有效避免价值评估方法的缺陷。

能值理论是美国著名生态学家奥德姆（H.T.Odum）在热力学定律、最大功率原则和能量等级原理基础上创立的以能量为核心的系统分析方法，其以能值作为基准，把不同种类、不可比较的能量转换成统一标准来进行比较，进而从一个更为系统化的角度给出了可持续发展水平的衡量标准[5]。本文在外部性理论框架下根据能值理论建立了农废能源化资源环境效应评价模型。

21化学农业资源环境效应评估模型

我国农业生产的核心目标是确保粮食稳产增产，因此化学农业生产模式资源环境效应评估是建立在这一核心目标基础之上，其评估模型如式（1）所示。该模型描述了在确保粮食安全目标条件下化学农业的资源环境负效应水平。

NH=-（NHZ+NHH+NHJ）s.t.LS（NH）LS0（1）

式中，Ni按下式计算：

ΔHi=Wi·wi·Bi·zi（2）

式中，NHZ、NHH、NHJ、NH分别为化学农业生产活动产生的热耗失所导致资源负效应、环境负效应、人类健康负效应和总效应，NH为化学投入品數量，这些指标均以能值表征（单位为sej）;LS、LS0分别为粮食实际产量和目标产量;Wi、wi、Bi、zi分别为第i种化学投入品的投入数量、生产过程中的耗散率、作用对象边界和治理单耗。

22农废能源化资源环境效应评估模型

农废能源化开发利用的目标是在确保粮食稳产增产条件下优化农业生态与改善农村环境同时，降低不可更新资源的消耗、减化学农业面源污染，进而实现农业可持续发展。故农废能源化资源环境效应评估模型如式（3）所示。

分别为以能值表征的农废能源化产品替代化学投入带来的资源正效应、环境正效应、人类健康正效应和总效应，NFFNX为农废能源化系统投入能值，N′H、NF、N0分别为以能值表征的化学投入品数量、农废能源化产品数量和农废资源可利用量，其它与式（1）相同。

在模型（3）中，约束条件分别表明了化肥与有机肥组合使用确保粮食稳产增产、农废能源化资源数量不超过可利用量、化肥与有机肥组合需要达到化学农业模式下粮食产量同等效果。

3涟水县高沟镇农废能源化的资源环境效应分析

31涟水县高沟镇农废产量

本文选择江苏省涟水县高沟镇为实证分析对象，相关数据来源于《涟水统计年鉴》与《淮安统计年鉴》，其中各类农废数量按可收集系数换算得出。数据资料整理如表1。

32涟水县高沟镇农业资源环境效应分析

321能值转换参数

本文农废能源化资源环境效应计算所需参数如表2所示。

322高沟镇现行农业资源环境负效应

由表1可以看出高沟镇属于化学农业生产模式。根据表1、表2和模型（1）计算出高沟镇现行农业资源环境负效应如表3所示。

由表3可以看出，高沟镇化学农业带来的资源负效应与环境负效应非常明显，仅化肥农药导致的资源负效应与环境负效应每年分别约合标煤785811tce、1618352tce;同时，化学污染与畜禽粪便污染导致的环境负效应更为明显，其相当于标煤2935865tce。而资源存量的减少导致的代际负效应相当于标煤878072tce，农业面源污染致使环境遭受破坏导致的代内负效应相当于标煤3596843tce。

323农废能源化资源环境效应

根据高沟镇农废可利用量、经济收集半径和评估模型（3），本文将该镇农废能源化模式设定为：

A根据60%有机肥加40%化肥搭配比例[6]，全镇依托畜禽养殖场布局10套分布式“电、热、肥”联产发电项目，热电联产发电装机总规模为10×430kW，年转化秸秆313×104t，占全部秸秆产量比例为335%、畜禽粪便为484×104t，占全部畜禽粪便比例为694%。

B农废能源化生产的电、热、肥全部就地消纳，其中电、热直接用于本地农业生产和农民生活，有机肥替代化肥农药用于本地生态农业生产。

在上述条件下，高沟镇农废能源化资源环境效应计算结果如表4所示。

农废能源化资源正效应。由表4可以看出，高沟镇农废能源化资源正效应为217×1019sej，相当于每年节约185×104tce。其中有机肥替代化肥能值为80×1018sej，相当于每年节省约标煤682482tce。

农废能源化生态正效应。该镇农废能源化环境正效应为377×1019sej，相当于每年节约322×104tce。其中恢复生物多样性和改善水质分别为114×1019sej、130×1019sej，两项合计相当于节约标煤208×104tce。

代际效应。从代际公平角度看，该镇农废能源化代际负效应、代际正效应、代内正效应分别为146×1019sej、331×1019sej、263×1019sej，分别相当于标煤125×104tce、282×104tce、225×104tce。

因此，综合而言，扣除农废能源化系统投入的不可更新资源，高沟镇实施农废能源化资源环境效应净效应为448×1019sej，相当于每年节约382×104tce。

对比表4和表3可以看出，高沟镇农废能源化可以减少该镇农业负效应达7723%。如果仅考虑化肥农药的影响，则可减少该镇农业负效应达8549%;而在恢復生物多样性与水质改善方面，农废能源化恢复生物多样性能力达到60%，改善水质能力达6033%。

4结论与政策启示

41结论

实证分析表明，仅高沟镇的农废能源化的资源环境正效应非常显著。推而广之，在全国农业主产区面向农村推广分布式农废能源化模式不仅可以大幅度减少化学农业导致的面源污染，而且可以降低化石能源等不可更新资源的消耗速度，从而提升代际公平。

42政策启示

完善面向农村的农废能源化政策体系，将分布式能源产业政策、生态农业政策、节能减排政策有效结合。积极培育农废能源化市场、完善相关公共服务体系，使农业农村农民融入农废能源化产业过程。在制度层面上，建立面向农业生态需求的社会反哺农业机制，使社会资本与技术、农村资本、农业劳动力、农废资源形成有效配置的同时，确保三农利益。

参考文献

[1]闻大中.我国农业生态系统的“石油化”及其改善Ⅰ：对我国农业生态系统“石油化”的剖析[J].生态学，1987，6（03）：1-5.

[2]刘聪.中国农业化肥面源污染的成因及负外部性研究[D].杭州：浙江大学，2018.

[3]尚杰，尹晓宇.中国化肥面源污染现状及其减量化研究[J].生态经济，2016，32（05）：196-199.

[4]穆献中，余漱石，徐鹏.农村生物质能源化利用研究综述[J].现代化工，2018，38（03）：9-13，15.

[5]崔风暴，钟玉锋，徐鹏.论能值分析理论研究新进程及展望[J].生产力研究，2009（24）：248-250.

[6]谢景欢，陈钢，袁巧霞，等.沼渣与化肥配合施用对温室番茄生长发育、产量及品质的影响[J].应用生态学报，2010，21（9）：2353-2357.

（责任编辑周康）