基于畜禽糞便制有機肥工藝的種養(yǎng)結合生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值分析

孫育峰，張鵬飛，陳 博，蔡文超，胡建軍 (河南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)部可再生能源新材料與裝備重點實驗室，河南鄭州450002)

當前，我國的養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)水平不斷提高，綜合能力顯著增強［1］。畜牧業(yè)迅速發(fā)展的同時，畜禽糞便的產(chǎn)生量也在不斷地增加。據(jù)調查顯示，2009年全國畜禽糞便產(chǎn)生量為32.64億t，據(jù)估算，2020年全國畜禽糞便的產(chǎn)生量將達到42.44億t［2］。養(yǎng)殖場生產(chǎn)過程中排放的大量糞尿，由于得不到集中、有效的處理，對土壤、空氣和水源等生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的污染［3－5］。以畜禽糞便制有機肥為紐帶的種養(yǎng)結合模式是當前解決糞便處理難的有效模式之一［6］，運用一些特殊菌種進行分解處理，有效地調整畜禽糞便的營養(yǎng)成分比例，使之成為具有標準指標的有機肥［7］。

美國著名生態(tài)學家H.T.Odum經(jīng)過長期研究，綜合系統(tǒng)生態(tài)概念和度量標準，創(chuàng)立了能值理論和分析方法，通過對自然環(huán)境生產(chǎn)和人類經(jīng)濟活動進行統(tǒng)一評價，分析某個系統(tǒng)的功能、生態(tài)和經(jīng)濟效益［8］。在國內，駱世明等已經(jīng)在能值理論及方法研究取得了不小的進展［9－12］，能值分析方法已廣泛應用于農(nóng)業(yè)生態(tài)學［13］、城市生態(tài)系統(tǒng)［14］、區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)［15］等發(fā)展的可持續(xù)性分析、評價。此方法為科學評估畜禽糞便制有機肥的種養(yǎng)結合生態(tài)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)性和經(jīng)濟效益提供了科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況 該研究對象為河南省鄭州市中牟縣錦華牧業(yè)。該區(qū)域位于34.77°N，113.65°E，總占地面積26.67 hm2，其中種植面積為13.33 hm2。年均降雨量為624.5 mm，年均輻射量4 875.9 MJ/km2，年平均氣溫14℃。該養(yǎng)殖場以養(yǎng)殖奶牛為平臺，養(yǎng)殖數(shù)量為1 050頭。養(yǎng)牛場的畜禽糞便進行干濕分離，運用河南金匯農(nóng)業(yè)科技的有機肥生產(chǎn)工藝生產(chǎn)有機肥。有機肥大部分被施入種植區(qū)域，進行農(nóng)作物的生產(chǎn)。此模式達到了資源的循環(huán)有效利用，并且改善了土壤的質量，提高了蔬菜的無公害化生產(chǎn)。以此種種養(yǎng)結合的復合農(nóng)業(yè)生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)模式為研究對象，記為模式Ⅱ，以單獨養(yǎng)牛模式為參照，記為模式Ⅰ，對2種不同模式運用能值分析方法進行分析比較。模式Ⅱ的能流圖如圖1所示:

1.2 研究方法

1.2.1 原始數(shù)據(jù)及處理方法。通過對研究區(qū)域資料和數(shù)據(jù)的收集，將其轉換成統(tǒng)一單位(太陽能值)，轉換公式為:

式中，EM為太陽能值，sej;OD為原始數(shù)據(jù);UEV為能值轉換率。模式Ⅰ和模式Ⅱ的原始數(shù)據(jù)見表1。

表1 模式Ⅰ和模式Ⅱ的原始數(shù)據(jù)

1.2.2 能值指標及計算方法。針對生態(tài)農(nóng)業(yè)循環(huán)系統(tǒng)，可以從資源的有效利用及可持續(xù)發(fā)展性等方面著手研究。因此，該研究所采用的能值指標包括能值投資率、能值產(chǎn)出率、能值自給率、廢棄物資源利用率、環(huán)境負載率、可更新能源投入率及可持續(xù)發(fā)展指數(shù)。計算公式(表2)來源于藍盛芳等著的《生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析》［10］。

表2 能值指標公式計算

2 結果與分析

2.1 兩種模式能值流分析比較 依據(jù)能值分析有關計算方法及分析步驟，結合相應的數(shù)據(jù)，計算得出了兩種不同模式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的投入產(chǎn)出的能值數(shù)據(jù)。具體的能值計算結果如表3所示:

2.2 能值指標分析 運用表2中的公式對表3中的數(shù)據(jù)進行處理，可以得出模式Ⅰ和模式Ⅱ的主要能值指標(表4)。

2.2.1 自然資源能值自給率和系統(tǒng)能值自給率。能值自給率越高，系統(tǒng)對投入依賴程度越小。錦華牧業(yè)自然資源能值自給率模式Ⅰ和模式Ⅱ分別為0和0.11，系統(tǒng)能值自給率模式Ⅰ和模式Ⅱ分別為0和0.30，表明模式Ⅱ的自然資源能值自給率和系統(tǒng)能值自給率相對于模式Ⅰ的都在變大，說明模式Ⅱ對自然環(huán)境的利用程度增加，對經(jīng)濟性投入依賴降低。

2.2.2 廢棄物資源利用率。系統(tǒng)的廢棄物資源利用率反映系統(tǒng)的廢棄物給當前環(huán)境所帶來的壓力，其值越大，系統(tǒng)對環(huán)境的壓力越小，對資源的有效利用程度越大。模式Ⅰ和模式Ⅱ廢棄物資源利用率分別為0和0.15，表明模式Ⅱ對廢棄物進行了有效處理并加以利用，對系統(tǒng)的投入減小，可持續(xù)的發(fā)展起到了良好的作用。

表3 模式Ⅰ和模式Ⅱ能值投入產(chǎn)出結構 sej

表4 模式Ⅰ和模式Ⅱ的主要能值指標比較

2.2.3 環(huán)境負載率。環(huán)境的負載率指經(jīng)濟投入能值加上不可更新資源能值與可更新資源能值的比率。模式Ⅰ和模式Ⅱ的環(huán)境負載率分別為0.44和0.37，表明模式Ⅱ的環(huán)境壓力小，有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ瑧M一步加大能值投入。據(jù)發(fā)達國家統(tǒng)計，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值增加的90%是依靠科技技術，因此先進技術的應用是有效推動農(nóng)業(yè)發(fā)展的有效途徑。

2.2.4 凈能值產(chǎn)出率。模式Ⅱ的凈能值產(chǎn)出率為1.47，高于模式Ⅰ的1.32。說明模式Ⅱ具有較高的能值利用效率，生產(chǎn)成本低，因而在同等條件下，其產(chǎn)品在市場上具有較強的競爭能力。這是由于模式Ⅱ系統(tǒng)購買能值的投入比例較低，而生產(chǎn)消耗無償?shù)淖匀画h(huán)境資源，如太陽能、雨水、土壤等的比例較高。

2.2.5 可持續(xù)發(fā)展指數(shù)。可持續(xù)發(fā)展指數(shù)即能值產(chǎn)出率與環(huán)境負載率的比值，作為兼顧系統(tǒng)社會經(jīng)濟效益與生態(tài)環(huán)境壓力的系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力的復合評價指標。模式Ⅱ的可持續(xù)發(fā)展指數(shù)3.97高于模式Ⅰ的3.00，表明模式Ⅰ的可持續(xù)發(fā)展能力相對較差，系統(tǒng)的發(fā)展前景不夠理想，模式Ⅱ的可持續(xù)發(fā)展能力較強，在市場的競爭力較為突出。

3 結論

(1)目前，錦華牧業(yè)采用的運作模式具有較高的現(xiàn)代化水平，能值自給率和廢棄物利用率都有提升，直接性的經(jīng)濟投入下降。環(huán)境負載率下降16%，對于響應國家的環(huán)境保護政策起到了很好的效果。

(2)錦華牧業(yè)運用模式Ⅱ進行生產(chǎn)，凈能值產(chǎn)出率提升11%，可持續(xù)發(fā)展指數(shù)提升32%，表明此種種養(yǎng)結合的生態(tài)農(nóng)業(yè)循環(huán)系統(tǒng)不僅在收益方面有所提升，對企業(yè)的長遠發(fā)展也具有良好的作用。

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