有機和常規生產方式下葡萄園環境效應比較分析

夏聯海 姬亞嵐

摘要：用系統動力學方法構建復式模型，并基于浙江杭州有機葡萄農莊和常規葡萄農莊實際調查數據進行仿真模擬，在此基礎上對比分析其環境效應差異及其長期變化趨勢。結果顯示，在相同產出水平下有機生產方式和常規生產方式下葡萄園環境效應存在一定的差異，且這種差異有逐漸增大的趨勢。具體而言，葡萄有機生產在整個模擬期內單位產值能源消耗和溫室氣體排放比常規生產方式分別低44.6%～52.8%、31.2%～42.8%；單位產值環境酸化效應負荷和環境富營養化負荷在前期并沒有太大的差別，而后期有機生產方式表現出較小的影響。因此，從長遠來看，葡萄有機生產在緩解能源消耗、溫室效應、酸化效應及富營養化等環境壓力方面具有較大的潛力。

關鍵詞：葡萄園；有機生產方式；常規生產方式；環境效應；系統動力學方法

中圖分類號：S663.104；S181.6 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0379-04

當前，農業生產活動對生態環境的影響越來越受到人們的關注。隨著以大量消耗能源為特征的美國式現代農業的推進，農業生產對化石能源的依賴日益增強，使得其在保持高產出的同時加劇了全球范圍內的環境污染、能源危機、食品安全危機等問題，農業的可持續性問題變得日益突出，轉變農業生產方式成為當務之急。有機農業因其“低能耗、低污染”的特點被認為是較具潛力的替代方式。許多學者從不同的角度利用不同的方法比較有機生產方式和常規生產方式下農業生產對環境的影響，結果表明，與常規農業相比，有機農業具有明顯的環境效益，在節約化石能源、減少溫室氣體排放、降低環境酸化風險和富營養化風險、增加土地的美學價值及保護生物多樣性等方面具有明顯的優勢[1-5]。然而，由于農業生產活動表現出的環境效應是地理環境條件、能源投入結構、產量及市場條件等其他影響因素共同作用的結果，對不同農業生產方式所引起的環境效應差異的長期表現進行分析較困難。系統動力學（system dynamic，SD）是一種研究復雜系統因果反饋結構與行為的系統科學方法，適合解決系統性、非線性、長期性及動態性的復雜問題，已被廣泛用于生態學、經濟學、社會學等各個領域[6]。而系統動力學在農業中的運用多為國家層面和地區層面的研究，而基于經營主體層面的研究并不多且主要是對循環農業、農業組織模式、規模化生產等考察上。例如，姬亞嵐等運用系統動力學方法比較3種不同組織模式下休閑農業的經濟效益、社會效益和環境效益長期變化[7]；盧花等構建比較傳統散戶種植模式和規模化種植模式下獼猴桃果園的生態碳匯能力[8]；甘筱青等分別構建了生豬、蛋雞供應鏈SD模型仿真未來10年內2種不同養殖模式下的經濟和食品安全狀況[9-10]。而系統動力學方法運用于不同農業生產方式的環境影響差異的研究還不多見。為了考察在相同的產出水平下有機生產方式和常規生產方式環境效應差異及長期表現，本研究構建了系統動力學模型，以浙江杭州地區有機種植和常規種植葡萄園農莊為例進行仿真模擬，并在此基礎上探究符合當前發展要求的農業生產方式。

1 葡萄園系統動力學模型構建

1.1 基本思路

從系統動力學的角度看，系統的動態行為表現取決于內部各變量或組織依據自身的邏輯相互聯系、相互影響[6]。葡萄經營主體的目的是獲得一定的經濟效益，須經過投入環節和銷售環節來實現，與此同時產生的污染物會對環境造成一定的影響。因此，根據研究目的，模型主要分為投入、生產與銷售、收益、環境及指標5個模塊。這幾個模塊相互促進、相互制約分別表現為正向反饋和負向反饋：收益模塊分別受生產和銷售模塊、投入模塊的正反饋和負反饋作用；環境模塊則是這2個模塊同時正向反饋作用；而指標模塊是生產與銷售模塊和環境模塊負反饋和正反饋相互作用的結果。各個模塊的相互關系如圖1所示。根據這5個模塊的反饋關系構建系統動力學模型，共6個狀態變量、10個速率變量和56個輔助變量（具體系統流程圖見圖2）。

1.2 結構介紹

1.2.1 投入模塊

投入模塊是整個動力學模型的輸入模塊，主要變量有2個狀態變量（種植面積、固定資本）和1個輔助變量（投入成本）。考慮到本研究的樣本在未來幾年仍有規模擴張的趨勢，因此假定種植面積的變化只有流進沒有流出，種植面積增量取決于當前規模，同時受其潛在最大可用耕地面積的限制。固定資本由固定資本投資增量和固定資本折舊量決定，固定資本投資增量隨利潤的變化而變化。投入成本主要取決于固定資本折舊量、種植階段能源及其產品投入成本（肥料、農藥、農膜、燃油及電力等）、非能源要素投入成本（地租及勞動等）和廢棄物回收利用價值。

1.2.2 生產與銷售模塊 生產與銷售模塊以物質流為主線貫穿農產品生產、包裝、配送幾個環節，與物質流相伴而生的是能耗和溫室氣體排放，主要包括總產量、包裝成本、配送成本、包裝能耗、配送能耗、包裝能耗溫室氣體排放和配送能耗溫室氣體排放6個主要變量。其中，最主要的總產量為流速變量，由技術和管理影響因子、產量及種植面積決定。另外，為了內化配送平均距離不同而引起能源消耗及能耗引起的溫室氣體排放的差異，模型設定上對平均配送距離進行同一化處理。

1.2.3 收益模塊 收益模塊主要是總利潤、銷售總收入和總成本構成。其中，總利潤為狀態變量，是銷售總收入與總成本綜合變化的結果；銷售總收益由就地銷售量、配送量以及售價決定；總成本是種植階段、包裝階段和運輸階段3個階段投入成本的總和。

1.2.4 環境模塊 有機生產方式和常規生產方式的綜合特征表現在化石能源及其產品利用的區別上。因此，可用化石能源消耗所表現的環境效應來代替。從投入到生產、包裝、配送階段能源消耗產生多種污染物，這些污染物對環境的影響涉及到空氣、水、土壤及生物四大類[11]，每類又可細分為若干個具體表現形式，全部量化分析這些表現形式不僅難度大，而且沒有必要。因此，借鑒生命周期法（life cycle assessment，LCA）在研究農產品生產能耗的環境影響的評價依據，以化石能源的能源消耗及其排放的污染物所造成的溫室效應、酸化效應及富營養化4種環境負荷類型作為評價環境效應的指標體系，總能源消耗、溫室氣體排放分別為上述3個階段中能源消耗和溫室氣體排放之和。總酸化效應和富營養化由消耗的化石能源排放的對應污染物決定。

1.2.5 指標模塊 設定指標模塊主要是便于橫向對比分析不同農業生產方式的環境效應及其變化，因此本模塊指標是個相對指標。在比較標準的設定上主要有4個，即面積、能耗、產量及產值[12]，在果品環境效應比較分析中最常用的是產量，如用1 kg果品排放溫室氣體CO2當量值作比較。各比較標準的優缺點詳見Cerutti等的研究結果[13]。相比較而言，產值作為比較標準利于協調和優化農業系統的經濟效益和環境效益[14]。而產值同時包含了產量和質量信息，對于環境效應評價也更合理。因此，本模塊的主要變量為單位產值能耗、單位產值溫室效應、單位產值酸化效應和單位產值富營養化。

2 不同生產方式葡萄園環境效應系統動力學仿真分析

2.1 樣本點概況

本研究以杭州地區的山果灣生態農莊、臨安橫街葡萄園農莊分別作為葡萄有機生產和常規生產的樣本點，通過問卷調查和訪談了解其近3年（2012—2014年）的基本情況。

山果灣生態農莊（以下簡稱山果灣）位于余杭區徑山鎮四嶺村，始建于2009年，占地35.33 hm2。依托飲用水保護源頭——四嶺水庫及雙溪漂流等生態、旅游資源，通過上海馬陸有機葡萄研究所技術支持，現代化的設施以及科學的管理打造真正意義上的有機農產品。山果灣形成了以葡萄為主，以琵琶、猴面李、小林黃姜、桃、梨等為輔的多品種生態種植結構。有機葡萄（未認證）種植面積6.67多hm2，在生產上嚴格按照我國有機生產體系的種植標準進行生產。利用有機農家肥充分培養葡萄生長所需的天然益生菌，禁用化學除草劑，使用機械翻耕及人工結合除草，使用殺蟲燈、果實套袋、防蟲網以及施用少量低濃度殺菌劑等來減少病蟲害。通過采摘、親子活動、農耕體驗等參與式項目提高消費者對園區有機農產品的認同度，形成集科研、生產、示范、培訓、休閑為一體的綜合性基地。

臨安橫街葡萄園農莊（以下簡稱橫街）位于浙江省臨安市錦城街道橫街村，隸屬于橫街水果專業合作社。水果種植面積180余hm2，其中葡萄種植面積達133.33 hm2。橫街依傍于被稱為小九寨溝的太湖源風景區以及著名的天目山風景區必經之路——205省道。橫街村有20多年的葡萄種植史，因地制宜，橫街葡萄產量達到22 500 kg/hm2，年產值3 000余萬元。每年開展以采摘、觀光、葡萄節等形式的活動使得橫街葡萄在杭州乃至整個浙江省小有名氣。依托優厚的種植技術、區位便利的交通和優厚的旅游資源、規范的無公害葡萄管理以及多樣化的產品銷售形式，橫街形成了一套成熟的產銷一體化的經營方式。

2.2 模型主要參數賦值

模型中存量的初始值以及大部分輔助變量的值為2012年調查的實際值，少部分輔助變量的值直接或者間接借鑒相關文獻成果。為了內化其他因素（如地理環境）而凸顯生產方式對環境影響的變化，除了樣本的選擇外，還須要體現在系統參數的設定上。如在技術與管理水平和廢棄物的回收利用上，有機生產方式比常規生產方式明顯要求要高。

溫室氣體排放主要來源于投入階段、包裝階段及配送階段的能源消耗。各類型能源統一化折算系數以及對應的二氧化碳當量折算標準主要參考聞大中等的相關研究結論[14-15]。酸化效應和富營養化取決于肥料的投入，而其他能源消耗影響甚小，可以忽略。酸化效應主要受肥料生產中排放的SOx、NOx、NH3的影響，富營養化主要受NOx、NH3沉降和氮素、磷素的以硝態氮（NO-3-N）、PO3-4淋失。降雨和灌溉是影響NO-3-N、PO3-4等淋失的主要因素，在溫室條件下合理地灌溉可以極大地降低營養的淋失率，因此假定肥料中營養元素的淋失率為0，而所考慮的幾種污染物的排放系數主要參考胡志遠等相關研究[16-19]。對這幾種污染物所造成的酸化效應或者富營養化效應統一化為SO2當量值和PO3-4當量值，當量系數借鑒鄧圣南等的研究成果[20]。由此計算出化肥的當量折算系數（SO2 0039 3 kg/kg、PO3-4 0.005 8 kg/kg）和有機肥的當量折算系數（SO2 0005 6 kg/kg、PO3-4 0.001 kg/kg）。

2.3 模型檢驗

模型檢驗主要是通過將模擬出的部分結果與實際數據進行對比，從而檢驗模型的符合程度。本研究以2012年各變量的實際值作為模型的初始值進行仿真模擬，部分實際值與仿真值比較結果見表1。由表1可知，仿真值與實際值的相對誤差均在5%以內，吻合度較高。可以在此基礎上進行仿真模擬，模擬時間設定為2012—2022年。

2.4 結果與分析

2.4.1 能源消耗

如圖3-a所示，山果灣2020年以前的單位產值能耗變化較平穩，2020年以后明顯減少，而橫街則變化不大。從縱向看，2022年山果灣能耗比2012年約減少8.1%，而橫街則略微增加0.2%；從橫向看，山果灣單位產值能耗均明顯低于橫街，整個階段，山果灣比橫街低44.6%～528%。主要原因在于山果灣一方面通過環境友好型技術和使用低能耗產品減少化石能源投入，另一方面注重廢棄物的回收再利用，并且山果灣有機生產體系隨著時間變化而不斷完善，后期逐漸顯現出較大的經濟回報。

2.4.2 溫室效應

由于溫室氣體的排放與總能源消耗有明顯的正向關系，所以在走勢上比較類似。如圖3-b所示，從單個來看，模擬期末年山果灣單位產值溫室氣體排放量約比期初減少13.3%，而橫街則略微減少，為0.5%；從整體上看，山果灣單產能耗均明顯低于橫街，整個階段山果灣比橫街低31.2%～42.8%。

2.4.3 酸化效應

如圖3-c所示，從走勢上看，山果灣2018年以前變化較平穩，2018年以后具有明顯減少的趨勢，而橫街在整個階段變化不太明顯。自身比較而言，2022年山果灣單位產值溫室氣體排放量比2012年約減少17.9%，而橫街則略微減少1%。相比之下，2021年以前山果灣高于橫街，2016年最高為11.7%，2021年左右二者基本相當，2021年以后山果灣比橫街少，2022年山果灣比橫街小9.1%。主要原因在于山果灣1 hm2有機肥用量高40%左右，有機肥施用過程中會排放大量的NH3，是導致環境酸化的主要污染物。而在山果灣前期經濟效益蟄伏階段，單位產值酸化效應可能表現較高，而經濟回報提升到一定程度總體會走低。

2.4.4 富營養化

由于NH3也是引起富營養化的重要因素，所以在變化趨勢上與酸化效應并沒有太大差別。如圖3-d 所示，從縱向來看，山果灣模擬期末單位產值溫室效應約比2012減少18.5%，而橫街則略微減少，為1.2%。從橫向來看，2018年以前山果灣與橫街相當，2018年以后山果灣低于橫街，到2022年，山果灣比橫街低18.5%。

3 結論

通過運用系統動力學方法構建模型，比較分析有機生產方式和常規生產方式下葡萄園環境效應長期變化。結果表明，在相同產出水平下，葡萄有機生產在短期內可能仍存在一定的酸化風險和富營養化風險。但從長遠來看，有機生產方式在能源消耗、溫室效應、酸化效應及富營養化等4種環境效應類型方面均優于常規生產方式，有機生產方式具有一定的減少環境效應的潛力。從目前來看，有機生產因其前期投入大、收益低、投資風險高，并不具有太大的吸引力。因此，為了鼓勵和扶持農業有機方式，政府在農業相關政策的制定和完善中有必要適度地向有機生產方式傾斜，同時須要完善監管體系，確保農產品的有機生產規范有效。

參考文獻：

[1]Cederberg C，Mattsson B. Life cycle assessment of milk production-a comparison of conventional and organic farming[J]. Journal of Cleaner Production，2000，8（1）：49-60.

[2]Haas G，Wetterich F，Kpke U. Comparing intensive，extensified and organic grassland farming in southern Germany by process life cycle assessment[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2001，83（1/2）：43-53.

[3]Marie T K，Qiao Y H，Luo Y，et al. Environmental assessment of organic soybean （Glycine max.） imported from China to Denmark：a case study[J]. Journal of Cleaner Production，2010，18（14）：1431-1439.

[4]Litskas V D，Mamolos A P，Kalburtji K L，et al. Energy flow and greenhouse gas emissions in organic and conventional sweet cherry orchards located in or close to natura 2000 sites[J]. Biomass and Bioenergy，2011，35（3）：1302-1310.

[5]Michos M C，Mamolos A P，Menexes G C，et al. Energy inputs，outputs and greenhouse gas emissions in organic，integrated and conventional peach orchards[J]. Ecological Indicators，2012，13（1）：22-28.

[6]陶在樸. 系統動力學——直擊《第五項修煉》奧秘[M]. 北京：中國稅務出版社，2005.

[7]姬亞嵐，張 玫. 多功能農業框架下休閑農業組織模式比較——一個系統思考方法[J]. 農業技術經濟，2012（4）：86-95.

[8]盧 花. 基于系統仿真模型的不同獼猴桃果園生態系統碳匯能力比較研究——以滎經縣青龍鄉柏香村為例[D]. 雅安：四川農業大學，2012.

[9]甘筱青，高 闊. 生豬供應鏈模式的系統動力學仿真及對策分析[J]. 系統科學學報，2012，20（3）：46-49.

[10]周業付，蔡存凱，敖 毅. 兩種蛋雞養殖模式的系統動力學仿真研究[J]. 浙江農業學報，2014，26（6）：1703-1708.

[11]Kristensen T，Mogensen L，Knudsen M T，et al. Effect of production system and farming strategy on greenhouse gas emissions from commercial dairy farms in a life cycle approach[J]. Livestock Science，2011，140（1/2/3）：136-148.

[12]Cerutti A K，Bruun S，Beccaro G L，et al. A review of studies applying environmental impact assessment methods on fruit production systems[J]. Journal of Environmental Management，2011，92（10）：2277-2286.

[13]Mouron P，Nemecek T，Scholz R W，et al. Management influence on environmental impacts in an apple production system on Swiss fruit farms：combining life cycle assessment with statistical risk assessment[J]. Agriculture Ecosystems & Environment，2006，114（2/3/4）：311-322.

[14]聞大中. 再論農業生態系統能流研究方法[J]. 農村生態環境，1987（1）：61-67.

[15]Liu Y X，Langer V，Hgh-Jensen H，et al. Life cycle assessment of fossil energy use and greenhouse gas emissions in Chinese pear production[J]. Journal of Cleaner Production，2010，18（14）：1423-1430.

[16]胡志遠，譚丕強，樓狄明，等. 不同原料制備生物柴油生命周期能耗和排放評價[J]. 農業工程學報，2006，22（11）：141-146.

[17]葛順峰，姜遠茂，彭福田，等. 春季有機肥和化肥配施對蘋果園土壤氨揮發的影響[J]. 水土保持學報，2010，24（5）：199-203.

[18]盧 娜，曲福田，馮淑怡.太湖流域上游地區不同施肥技術下水稻生產對環境的影響分析——基于生命周期評價方法[J]. 南京農業大學學報：社會科學版，2012，12（2）：44-51.

[19]籍春蕾，丁 美，王彬鑫，等. 基于生命周期分析方法的化肥與有機肥對比評價[J]. 土壤通報，2012（2）：412-417.

[20]鄧南圣. 生命周期評價[M]. 北京：化學工業出版社，2003.