基于能值分析的秸稈-羊-田循環系統生產效率與可持續性評估

朱冰瑩，董 佳，沈明星，鄭建初

?

基于能值分析的秸稈-羊-田循環系統生產效率與可持續性評估

朱冰瑩1，董 佳1，沈明星2，鄭建初3※

（1. 南京農業大學人文與社會發展學院，南京 210095；2. 江蘇太湖地區農業科學研究所，蘇州 215155；3. 江蘇省農業科學院循環農業研究中心，南京 210095）

生態循環農業是解決現代規模化養殖污染的有效手段。該文使用能值分析方法，對現代“秸稈-羊-田”循環系統的生產效率與可持續性進行評估。結果表明，與單一湖羊養殖系統相比，“秸稈-羊-田”復合循環系統的能值轉換率降低96.09%，表明循環系統大大提高了終端產品的能值利用效率；能值投資率和環境負載率降低程度達67.66%以上，而可持續發展指數明顯增加，表明循環系統在生產過程中能夠較好地降低環境壓力而具有很好的可持續發展潛力；凈能值產出率和能值產投比分別降低70.32%和70.43%，表明復合生態循環系統的生產效率和經濟效益有所降低，主要是由于生產原材料（豆粕、秸稈等）、基建與設備投入增加造成。因此，需要對其提供的生態服務功能的正外部性進行經濟補償，補償標準為380.76元/（只·a）。然而，如果對目前的循環生產過程進行優化，理論上能夠提高凈能值產出率，從而實現對循環系統環境效益的自我補償。

可持續性；秸稈；循環農業系統；能值評估；生產效率

0 引 言

近年來，畜禽養殖業規模化發展帶來巨大的經濟效益，同時，也產生了大量的養殖廢棄物，對農村生態環境造成了巨大的壓力[1]。如何減少廢棄物排放而合理有效利用，引起了政府和學術界的廣泛關注[2]。基于“減量化、資源化、再循環和可控化”原則的循環經濟思想而設計的循環農業模式，被認為是解決畜禽養殖污染的最有效手段之一[3]。2016年和2017年中央一號文件明確提出要“推動種養結合、農牧循環發展”、“大力推行高效生態循環的種養模式”。目前，中國正在嘗試實踐的循環農業模式可以歸為2類：以“沼氣”為紐帶的“養殖-沼氣-作物”循環利用模式[4-6]和以“有機肥”為紐帶的“養殖-有機肥-作物”循環利用模式[7]。已有研究主要關注循環模式的工藝設計、污染物減排和沼(有機)肥的田間肥效等方面[6,8-9]。然而，目前，仍然缺乏從生態經濟學角度對循環農業模式的生產效率和可持續發展能力的定量分析研究。

能值分析是一種以自然價值為基礎，將各種自然資源和社會經濟資源轉化為太陽能值（emergy）進行研究的方法[10]。該方法克服了目前主流生態經濟學手段難以統一生態流和經濟流的缺陷，如生命周期評價法主要是針對環境排放和資源利用程度進行定量評價，而缺乏對社會經濟效益的評估[11]；價值量評價法僅能對某系統的生態服務的市場價值量進行評價，而不能對生態資產進行評估[12]。然而，能值分析方法可以將不同質的物質、能量和信息等轉化為量綱統一的能值，單位為太陽能焦耳（Sej），從而實現了生態流與經濟流的對接[13]。目前，已有研究人員將能值分析方法在循環農業評估中進行了初步嘗試。例如，鐘珍梅等[14]使用能值分析發現，以沼氣為紐帶的循環農業模式比單純生豬養殖系統的環境負載率低15.00%，而可持續發展指數提高15.71%。周連第等[11]使用能值分析對京郊密云尖巖村的生物循環模式進行了評估，發現循環系統比各生產環節子系統的能值投資率和環境負載率低，而凈能值產出率和可持續發展指數高。

湖羊是太湖平原地區唯一的優良綿羊品種，具有繁殖力強、早期生長快和耐粗飼等優良特點[15]。由于在江南地區長期馴化，適應高濕高熱環境和圈養，從而為規模化養殖帶來了可能[16]。為了促進當地經濟發展，江蘇太倉市城廂鎮東林村以集體自營方式成立了合作農場，發展以湖羊規模化養殖為核心的“草(秸稈)-羊-田”循環農業產業，具有較大的社會影響力[17]。為了科學評估該循環農業模式的可持續發展能力和生態經濟效益，本文使用能值分析方法，研究了該模式現行運作條件下的能值流特征、綜合效益和生態補償標準，并預測了在系統優化條件下的系統產出效率和生態經濟效益，以期為該模式的改進與推廣提供理論依據。

1 研究材料與方法

1.1 研究對象

東林合作農場位于江蘇省太倉市城廂鎮（31°25′N，121°05′E），屬長江三角洲沖積平原，地處北亞熱帶南部濕潤氣候區。城廂鎮年平均氣溫15.3 ℃，年均降水量1 070.3 mm，相對濕度81%，日照1 977.1 h，全年雨日有129.5 d，霜期135 d，霜日49.6 d。東林合作農場成立于2010年，為江蘇省首家村級集體自營的合作農場，以發展現代“秸稈-羊-田”循環農業為支柱產業。該循環系統包括湖羊養殖廠、有機肥生產廠、稻麥農田和飼料加工廠4個部分，系統結構如圖1所示（虛線部分表示系統邊界）。其中，湖羊養殖廠的設計規模為萬頭出欄量，目前的生產水平為3 000頭，分為育肥生產部和良種培育部，總投資3 500萬元（包括基礎設施、設備、流動資金等），總建筑面積約27 000 m2。有機肥廠占地面積4 100 m2，以湖羊養殖廠產生的羊糞為原料，輔以菌棒、樹皮、米糠和稻麥秸稈等，進行生產高效有機肥。配置133.33 hm2高標準農田，以消納羊糞有機肥。農田生產施行水稻和小麥周年輪作，雇傭18名工人進行集約化生產管理。秸稈飼料加工廠占地1.6 hm2，總投資4 500萬元。飼料廠利用發酵稻麥秸稈和豆渣酒糟等農作物廢料，經過有益微生物菌劑發酵制作成適合湖羊喂養的飼料。

注：系統邊界以虛線表示。

1.2 研究方法

1.2.1 能值分析

能值理論是由美國著名生態學家Odum于1980年代創立[10]。該理論認為，一切自組織系統的運作過程都在直接或間接地利用太陽能，各種物質、能量、信息和經濟價值都可通過某一轉換系數（transformity，即能值轉換系數）轉化為太陽能，即能值（emergy；單位為太陽能焦耳：Sej），從而實現了能流、物流和價值流的對接統一。

能值轉換系數是能值分析中最為關鍵的參數之一，表示單位能量的能值含量[11]。本文所用的能值轉換系數來自于Odum[18]和藍盛芳[19]提供的能值分析清單及其他參考文獻[20]。本研究中能值轉換系數的全球基準能值為15.83×1024Sej/a[18]。

參照周連第等[11]方法，能值投入結構可解析為可更新環境資源能值（）、不可更新環境資源能值（）和購買性經濟反饋能值（）3部分各占能值投入總量（）的比例。能值輸入結構可解析為不同產品占能值輸出總量（）的比例。

1.2.2 能值評價指標

本文選用以下6個指標對現代“秸稈-羊-田”循環系統及其各個子系統進行能值評估：

1）能值投資率（emergy investment ratio，EIR）：為經濟反饋能值與環境資源能值的比率，是反映經濟發展指標與環境負載程度的指標[11]。EIR值越大，表明對社會經濟系統的依賴越強，而其值越小，表明對社會經濟系統的依賴較低而對環境資源的依賴較強。計算公式為EIR=/(+)。

2）能值轉換率（unit emergy value，UEV）：為系統生產單位產品所需要的能值投入量，是評價系統產品能值利用效率的有效手段，其值越高，表明產品的能值利用效率越低[13]。計算公式為UEV=/，其中，為系統的能值輸出總量，為系統產品的能量產出。

3）可更新比率（renewable ratio，F）：反映生產過程中所利用可更新資源的比率[13]。F值越大，表明系統運作更多地依賴于可更新資源的投入。計算公式為F=/，其中，為可更新環境資源能值，為能值投入總量。

4）環境負載率（environmental loading ratio，ELR）：指不可更新能值與可更新能值投入的比率，反映系統生產對周圍環境的壓力[11]。ELR值越大，表明系統生產過程對環境的壓力越大。計算公式為ELR=(+)/。

5）凈能值產出率（emergy yield ratio，EYR）：指系統產出能值與購買性能值的比率，是衡量系統產出對經濟貢獻大小的指標，也能反映系統生產效率[11]。EYR值越大，表明系統的生產效率越高，經濟效益越好。計算公式為EYR=/。

6）可持續發展指數（emergy sustainability index，ESI）：指能值產出率EYR與環境負載率ELR的比值，反映系統發展的可持續潛力[11]。計算公式如下：ESI=EYR/ELR。

1.2.3 能值綜合效益與生態補償

本文選用能值產投比反映系統的能值綜合效益，即能值產出總量與投入總量的比值。其值越大，表明綜合效益越高。借鑒毛德華等[21]的研究方法，本文首先計算出循環系統（RC）與湖羊養殖系統（CK）之間的凈能值收益差值（），即=(RC?RC)?(CK?CK)，作為評判是否需要進行生態補償的依據。如果≤0，表明循環系統提供了較好的生態服務功能（即正外部性），而經濟效益受到影響，因此需要受益對象對其進行補償；如果>0，表明循環系統具有很好的經濟效益，能夠實現自我補償而無需受益對象進行生態補償。其次，如果需要進行生態補償，將凈能值收益差值作為補償額度，通過能值/貨幣比率，將其轉化為經濟補償標準。某一地區的能值/貨幣比率（，Sej/元）的計算公式為=/GNP[21]，其中，為某一特定區域全年的總能值投入，GNP為某一地區的全年國民生產總值。依據《2017年江蘇省統計年鑒》提供的2016年江蘇省各項社會、經濟投入與產出數據和Odum[18]和藍盛芳等[19]提供的能值轉化系數，經轉化并計算獲得。經核算，2017年江蘇省的能值投入總量為3.41×1024Sej，而當年的GNP為6.51×1011元。因此，3.41×1024Sej/6.51×1011元=5.24×1012Sej/元。

1.2.4 系統優化及綜合評估

本文所研究的現代“秸稈-羊-田”循環系統各環節的配置主要來源于當地農民的生產經驗，缺乏相應的科學依據，因此，具有進一步優化的空間。羊糞有機肥還田量是該循環系統的關鍵環節，決定著養殖規模與農田產出。還田量不足會導致土壤肥力不夠，影響作物產量；還田量過高，依然會對作物生產造成負面影響。目前，該系統運作是以1 t羊糞有機肥/畝用量，并配合化肥，且僅在稻季施用，達不到“閉合循環”的設計初衷。本文依據錢俊熹[22]的研究結果，羊糞有機肥最佳承載量為水稻季84.30 t/hm2，小麥季64.80 t/hm2，且對應的水稻產量為12.16 t/hm2，小麥產量為5.30 t/hm2。由于當初建立的湖羊養殖場、有機肥堆肥生產設備及飼料加工生產設備都具有較大的生產能力，目前的生產水平遠沒有達到生產上限。因此，基于農田最佳羊糞有機肥承載量，以擴大生產規模為目標進行系統優化。優化參數如下：系統配置133.33 hm2稻麥兩熟制農田，兩季作物需施入羊糞有機肥(84.30+64.80) t/hm2×133.33 hm2=19 880 t/a，不需施用化肥；據估算，每只湖羊在養殖期間產生濕糞約為1 000 kg，糞便系數設為0.667[23]，因此，為滿足有機肥供應，需養殖湖羊19 880×1 000 kg/(1000 kg×0.667)= 29 805只（出欄量）；每只湖羊在養殖期間需要消耗飼料約830 kg，因此，為滿足湖羊生產要求，需飼料29 805只×830 kg/只=24 852 t；生產1 t飼料需要投入0.76 t秸稈和0.07 t豆粕，因此，飼料生產需要購入1764 t豆粕和18 916 t秸稈。

基于優化系統的相關數據，估算出能值投資率、能值轉換率、可更新比率、環境負載率、凈能值產出率和可持續發展指數；并估算出凈能值效益，進一步與單一湖羊養殖系統比較，計算出凈能值收益差異，以確定生態補償標準是否有所變化。

1.3 數據采集

課題組于2018年3月對蘇州城廂鎮東林村的現代“秸稈-羊-田”循環系統進行了詳細調研。調研采用半結構式訪談形式，對村委會及各子系統負責人進行詳細咨詢。調研之前，分別對4個子系統的投入與產出情況列出詳細提綱。其中，湖羊養殖系統的調研數據包括：養殖規模、廠區面積、飼料、疫苗、電力、人工、用水及肉羊出欄量、羊糞產量等。有機堆肥系統的調研數據包括：基建及設備投入、電力、人工、柴油和有機肥產量等項目。農田生產系統的調研數據包括：種植面積、種子、機械、農藥、人工、用水、柴油、秸稈及籽粒產量等。飼料生產系統的調研數據包括：基建與設備、電力、人工、原材料（如豆粕、秸稈和菌劑等）。同時，也調研了各種設備的使用年限，以計算折舊費用。借鑒陳阜[24]和王小龍等[13]提供的折能系數，將各種物資與勞務進行能量轉化；太陽能、風能和降雨能等環境資源的能量投入依據郭媛等[25]、關穎慧[26]和Chen等[27]的研究方法進行估算，分別如下：

太陽能：根據郭媛等[25]對1960?2007年間長江流域太陽輻射變化的研究結果，本研究取50 a來長江流域太陽輻射的最大值4.42×109J/(m2·a)，反射率為20%。輻射面積為(m2)，時間為12個月。因此，進入各子系統的太陽能估算=4.42×109×(1?20%)×。

雨水化學能：根據關穎慧[26]的研究結果，長江流域年平均降雨量為1 067 mm。水密度=1 000.00 kg/m3，吉布斯自由能=4 940 J/kg。因此，進入系統的雨水化學能估算=1.067××1 000×4 940。

風能：風能的計算公式如下[27]：風能(J)=風阻系數×空氣密度(kg/m3)×面積(m2)×(風速(m/s))3×時間(s)/2。其中，風阻系數=0.002，適氣密度=1.23 kg/m3，研究地點的平均風速=1.70 m/s。

2 結果與分析

2.1 能值投入與輸出結構

湖羊養殖子系統、有機堆肥子系統、農田生產子系統與飼料生產子系統的能值輸入與輸出見表1～表5。各子系統的能值投入包括可更新環境資源、不可更新環境資源及購買性經濟資源；能值輸出包括系統的主產品和副產物。

湖羊養殖系統的能值投入與產出見表1。其中，可更新環境資源能值投入為2.33×1012Sej，占比<0.01%；不可更新本地資源投入為9.68×1015Sej，占比0.24%；購買性經濟資源能值投入為4.03×1018Sej，占比為99.76%。購買性能值輸入主要為飼料和人力投入，分別占84.22%和10.06%。系統能值輸出總量為2.65×1019Sej，包括肉羊和羊糞，分別占比為17.70%和82.30%。

有機堆肥系統的能值投入與產出見表2。其中，可更新環境資源投入能值為7.69×1012Sej，占比<0.01%；購買性經濟資源能值投入為2.44×1019Sej，占比>99.90%。有機肥生產所需原料占購買性能值的比例最大，即羊糞與秸稈，分別為89.31%和8.81%。系統能值輸出總量為2.06×1019Sej，包括用于循環系統內銷的有機肥和銷往市場的有機肥2部分，分別占比50.00%。

農田生產子系統的能值投入與產出見表3。其中，可更新環境資源投入能值為1.12×1017Sej，占比為6.16%；不可更新環境資源能值投入為7.06×1015Sej，占比為0.38%；購買性經濟資源能值投入為1.46×1018Sej，占比為93.46%。化肥、人力、電力、機械和柴油能值投入為購買性能值的主要來源，分別占比33.60%、26.86%、15.99%、12.78%和8.61%。系統能值總輸出量為2.57×1018Sej，包括籽粒和秸稈2部分，分別占比54.08%和45.91%。

飼料加工子系統的能值投入與產出見表4。其中，可更新環境資源能值投入為1.95×1013Sej，占比<0.01%；購買性經濟資源能值投入為1.23×1019Sej，占比>99.99%。豆粕和秸稈是購買性能值的兩大主要來源，分別占比20.31%和50.32%。系統能值總輸出量為2.11×1019Sej，產品為飼料，其中用于湖羊養殖系統自銷部分占比16.13%，而外銷進入市場占比為83.87%。

以養殖-堆肥-農田-飼料為生產環節的復合循環系統的能值投入與輸出如下：可更新環境資源投入能值為1.13×1017Sej，占比0.64%；不可更新環境資源能值投入為1.67×1016Sej，占比0.10%；購買性經濟資源能值投入為1.74×1019Sej，占比為99.26%。秸稈（堆肥生產）、豆粕（飼料加工）和基建與設備（堆肥與飼料生產）為購買性能值的主要輸入項，分別占比53.05%、14.26%和13.93%。復合循環系統的能值輸出總量為3.40×1019Sej，主要為進入市場的終端產品，包括肉羊、有機肥、稻麥籽粒及飼料，分別占比13.78%、30.17%、4.09%和51.96%。

表1 湖羊養殖子系統能值分析

表2 有機堆肥子系統能值分析

表3 農田生產子系統能值分析

表4 飼料加工子系統能值分析

2.2 能值評價指標分析

現代“秸稈-羊-田”復合生態循環系統及各子系統的能值評價指標如表5所示。

1）能值投資率

能值投資率是反映經濟發展程度的指標，其值越高，表明對市場的依賴程度越大。與湖羊養殖系統相比，復合循環系統的能值投資率低67.66%，其主要原因為飼料加工系統可以為湖羊養殖系統提供全部飼料，而不再需要從市場購入。有機堆肥系統和飼料加工系統表現出較大的能值投資率，這主要是由于二者作為獨立生產系統需從市場購入全部生產資料。農田生產系統具有較低的能值投資率，主要是由于稻麥生產需要本地環境資源（如光、熱、水等）占有較大比例。

2）能值轉換率

能值轉換率是反映系統產品能值利用效率的指標，其值越高，表明能值利用效率越低。與湖羊養殖系統相比，復合循環系統的能值轉換率低96.09%，主要是由于循環系統充分利用了各子系統產生的廢棄能值，從而提高了能值利用效率。有機堆肥系統和飼料加工系統也具有較高的能值轉化率，表明，二者作為單一系統進行考慮，其能值利用效率很低。與復合系統和其他子系統相比，農田生產系統的能值轉化率最低。表明種植業生產的能值利用率較高，主要是由于大田作物對本地自然資源的依賴程度較大，且轉化效率較高。

3）可更新比率

可更新比率是分析系統驅動力來源的方法，其值越高，表明系統的運轉對可更新資源的依賴程度越大。結果顯示，復合循環系統的可更新比率遠遠高于湖羊養殖系統、有機堆肥系統和飼料加工系統，而低于農田生產系統。表明，復合循環系統對可更新資源的利用要遠高于湖羊養殖系統、有機堆肥系統和飼料加工系統。農田生產系統的可更新比率較高是由于作物生產必須依賴于光、熱等可更新資源。然而，各個系統可更新比率的絕對值較低，表明，可更新資源能值投入在能值總投入中所占的比例較低。

4）環境負載率

環境負載率反映系統生產對周圍環境造成的壓力，其值越高，表明對環境造成的負面影響越大。一般情況下，環境負載率小于2表示系統生產具有較小的環境壓力[28]。結果顯示，各子系統的環境負載率都遠大于2，表明如果單獨進行生產，均會對周圍環境產生較大的負面影響。然而，復合循環系統的環境負載率遠小于2，表明，通過將各子系統組合在一起，連通上下游形成閉合系統，將各自產生的廢棄物資源化循環利用，從而可以大大降低系統生產對環境造成的不良影響。

5）凈能值產出率

凈能值產出率反映系統的生產效率和經濟效益，其值越高，表明系統的生產效率越高，經濟效益越好。與單一湖羊養殖系統相比，復合循環系統的凈能值產出率低70.32%，而明顯高于有機堆肥系統、農田生產系統和飼料加工系統，表明，由于增加了有機肥、種植業和飼料加工等環節的工程及設備成本，導致循環系統生產效益降低。

6）可持續發展指數

可持續發展指數反映某一系統的可持續發展潛力，其值越高，表明系統的可持續發展潛力越大。一般情況下，可持續發展指數小于1，表明系統高度依賴外界市場的資源輸入，因而可持續發展潛力較差；可持續發展指數在1～10之間，表明系統的活力較高，對外界市場資源具有一定依賴而對自身資源循環利用的依賴程度較大，因而具有較大發展潛力；可持續發展指數大于10，表明系統幾乎不從外界市場獲取資源，僅通過自身資源循環利用即可實現持續運作，因而具有很強的可持續發展潛力[29]。本文結果顯示，各個子系統的可持續發展指數均遠小于1，而復合循環系統遠大于10，表明各個子系統單獨進行運作生產時，可持續生產潛力很低，而將其組合形成復合閉環系統，具有很大的可持續發展潛力。

表5 能值評價指標

2.3 能值綜合效益與生態補償

首先，以能值產投比來反映各系統的能值綜合效益。湖羊養殖系統、有機堆肥系統、農田生產系統和飼料加工系統的能值產投比分別為6.56，0.84，1.41和1.71，而復合循環系統的能值產投比為1.94。能值產投比降低70.43%。表明，與單一湖羊養殖系統相比，復合循環系統的能值綜合效益明顯降低。

其次，計算凈能值收益。湖羊養殖系統、有機堆肥系統、農田生產系統和飼料加工系統的凈能值收益分別為2.24×1019、?3.88×1018、7.45×1017和8.78×1018Sej，而復合循環系統的凈能值收益為1.65×1019Sej，表明，與單一湖羊養殖系統相比，復合循環系統的凈能值收益有所降低，差值為5.98×1018Sej。此外，有機堆肥系統的凈能值收益為負值，表明，如果該系統進行單獨運作，將會具有較差的綜合效益。

最后，能值產投比和凈能值收益均表明，復合循環系統的能值綜合效益確實有所降低，需要進行生態補償。本文以復合循環系統與湖羊養殖系統的凈能值收益差異為補償標準進行補償。經核算，江蘇省的能值/貨幣比率為5.24×1012Sej/元，將凈能值收益差異轉化為經濟補償標準，即每只羊（出欄）380.76元/年。

2.4 系統優化與綜合評估

與現行“秸稈-羊-田”循環系統相比，系統優化后的能值投資率降低6.26%（表5），表明優化系統對市場的依賴程度降低。這主要是優化系統全部施用系統自身生產的羊糞有機肥，而不施用化肥。優化系統的凈能值產出率提高了49.23%（表5），表明，系統優化后經濟效益明顯提高。系統優化后的環境負載率為0.15（表5），其值雖然大于系統優化前，但是遠小于2，表明優化系統對周圍的環境壓力依然很小。優化系統的可持續發展指數為19.93（表5），大于10，表明優化后的循環系統具有更好的閉合循環能力和可持續發展潛力。

優化系統的凈能值收益為2.54×1019Sej，比湖羊養殖系統的凈能值收益高出3.00×1018Sej，即凈收益差異＞0，表明，優化后的循環系統具有更好的經濟效益，能夠對其提供的生態系統服務功能的正外部性進行自我補償，而不需要從受益方獲得專門的生態補償以彌補經濟效益損失。

3 討 論

隨著養殖規模化不斷增加，養殖廢棄物污染問題愈發嚴重[1]。基于“資源化循環利用”思想的循環農業正是解決養殖污染問題的重要手段[3]。本文研究結果顯示，與湖羊養殖系統相比，通過引入有機堆肥、農田生產和飼料加工等環節，生態循環系統不但有效地處理了養殖廢棄物污染問題，還能生產一些多余的產品，如有機肥、飼料等進入市場而獲得收益，從而大大降低了環境負載率而提高了可持續發展指數。前人研究表明，環境負載率低于2，表明對周圍的環境壓力較小[28]。本文發現，湖羊養殖、有機堆肥、農田生產和飼料加工等幾個子系統的環境負載率都遠高于2，表明，如果這些子系統單獨進行生產，都會對環境造成較大的負面影響。只有將幾個子系統設計為首尾銜接的閉合復合循環系統，環境負載率才能達到低于2的標準。本研究中，生態循環系統的環境負載率遠遠低于2，主要是因為該系統幾乎將各子系統產生的廢棄物如羊糞、秸稈全部資源化有效利用，排出系統外的廢棄物很少，從而減輕了環境壓力。此外，Ulgiati等[29]指出，可持續發展指數介于1～10之間，表明系統具有很好的發展潛力。本研究中，各子系統的可持續發展指數均遠小于1，而復合循環系統的可持續發展指數遠大于10，表明，整合了湖羊養殖、有機堆肥、農田生產和飼料加工的現代“秸稈-羊-田”復合生態循環系統具有很好的可持續發展潛力。

然而，本研究也發現，為了有效處理湖羊養殖產生的廢棄物（羊糞）污染問題而設計的生態循環系統，盡管自身可以盈利（能值凈效益>0），但是，與單一養殖系統相比，由于外購原材料（豆粕、秸稈）及基建與設備投入增加，導致其能值綜合效益明顯降低（凈能值產出率降低70.36%，凈能值收益降低5.98×1018Sej）。表明，現代“秸稈-羊-田”生態循環系統在提高環境效益的同時降低了經濟效益。因此，應該對其提供的生態系統服務功能（降低養殖污染而優化農業生產環境）的正外部性進行生態補償，以激勵該生態循環模式的生產實踐者的積極性，從而確保該系統長期可持續運行。然而，目前關于生態補償標準估算的環境經濟學方法如條件估值法、意愿調查法和機會成本法等均存在一定的主觀性和片面性，并且難以統一核算生態流和經濟流。基于能值與生態環境價值和市場經濟價值的可轉換性，本文借鑒毛德華等[21]的研究方法，對能值收益差異進行補償，以單一的湖羊養殖系統為對照，成功估算出現行“秸稈-羊-田”生態循環系統的生態補償標準為每只羊（出欄）380.76元/年。這一研究方法及研究結果對相關農村環境經濟政策的制定具有重要借鑒意義。

盡管本文研究結果表明現代“秸稈-羊-田”生態循環模式具有很好的環境效益與可持續發展潛力，然而，該系統在相關環節的配置方面主要還是依據農業生產經驗而缺乏科學依據，導致一些生產性原材料難以自給而需要外購。例如，系統配置了2 000畝（133 hm2）稻麥兩熟制農田，而農田產生的秸稈難以滿足有機肥和飼料生產，需要從外界購入。同時，有機肥的配施只在水稻季進行，其用量（1 t/667 m2）并沒有科學依據，導致系統產生的有機肥并不能自身全部消耗而需要外銷進入市場。本文依據錢俊熹[22]關于東林村農田羊糞最大承載量的研究結果，在理論上對該系統進行了優化。結果表明，優化系統明顯提高了凈能值產出率，并且具有很好的能值收益，而不需要進行生態補償即可實現可持續運作。然而，我們也注意到，錢俊熹的研究結果是基于短期試驗，農田是否可以連年承載如此高的羊糞投入量，還需要進一步試驗驗證。因此，關于優化系統可以實現自我補償的論斷只是一種理論可能，實際情況需要長期試驗提供數據支撐。

4 結 論

與單一湖羊養殖系統相比，“秸稈-羊-田”復合循環系統的能值轉換率降低96.09%，表明循環系統大大提高了終端產品的能值利用效率；能值投資率和環境負載率降低程度達67.66%以上，而可持續發展指數明顯增加，表明循環系統在生產過程中能夠較好地降低環境壓力而具有很好的可持續發展潛力；凈能值產出率和能值產投比分別降低70.32%和70.43%，表明復合生態循環系統的生產效率和經濟效益有所降低，主要是由于生產原材料（豆粕、秸稈等）、基建與設備投入增加造成。因此，需要對其提供的生態服務功能的正外部性進行經濟補償，補償標準為380.76元/（只·a）。

[1] 潘丹. 規模養殖與畜禽污染關系研究：以生豬養殖為例[J]. 資源科學，2015(11)：2279－2287.

Pan Dan. The relationship between intensification of livestock production and livestock pollution for pig-breeding[J]. Resource Science, 2015(11): 2279－2287. (in Chinese with English abstract)

[2] 包維卿，劉繼軍，安捷，等. 中國畜禽糞便資源量評估相關參數取值商榷[J]. 農業工程學報，2018，34(24)：314－322.

Bao Weiqing, Liu Jijun, An Jie, et al. Discussion on value-taking of relative parameters for assessment of livestock and poultry excrement resource in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 314－322. (in Chinese with English abstract)

[3] 劉波，劉筱，韓宇捷，等. 規模化養豬場典型沼氣工程各排放節點氨排放特征研究[J]. 農業工程學報，2018，34(23)：179－186

Liu Bo, Liu Xiao, Han Yujie, et al. Study on emission characteristics of ammonia from anaerobic digesters in industrial pig farm[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 179－186. (in Chinese with English abstract)

[4] 張叢光，韓建聰，邱凌，等. 基于能值方法的“五配套”生態果園可持續性評價[J]. 農業環境科學學報，2018，37(2)：276－285.

Zhang Congguang, Han Jiancong, Qiu Ling, et al. Emergy method-based evaluation of the sustainability of the "Five-in-One" ecological orchard system[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2018, 37(2): 276－285. (in Chinese with English abstract)

[5] 孫路，田國成，吳發啟. 關中“豬-沼-糧”循環農業的能值評價[J]. 干旱地區農業研究，2015，33(2)：246－252.

Sun Lu, Tian Guocheng, Wu Faqi. Emergy evaluation of “Pig-Biogas-Crop” circular agriculture in the Guanzhong Regions[J]. Agricultural Research in Arid region, 2015, 33(2): 246－252. (in Chinese with English abstract)

[6] 黃宇. 小流域綜合治理新設計研究：豬沼果模式[J]. 環境科學與管理，2018，43(3)：72－74.

Huang Yu. New design of comprehensive management of small watershed with Pic-Bog-Fruit model[J]. Environmental Science and Management, 2018, 43(3): 72－74. (in Chinese with English abstract)

[7] 劉沖，張瑞明，李珍珍，等. 蔬菜園藝場種養結合規模匹配探索[J]. 長江蔬菜，2013(2)：52－55.

Liu Chong, Zhang Ruiming, Li Zhenzhen, et al. Research on scale matching of planting-breeding combined pattern in vegetable farms[J]. Journal of Changjiang Vegetables, 2013(2): 52－55. (in Chinese with English abstract)

[8] 王德福，黃會男，張洪建，等. 生豬養殖設施工程技術研究現狀與發展分析[J]. 農業機械學報，2018，49（11）：1－14.

Wang Defu, Huang Huinan, Zhang Hongjian, et al. Analysis of research status and development on engineering technology of swine farming facilities[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(11): 1－14. (in Chinese with English abstract)

[9] Yang Haishui, Yu Degui, Zhou Jiajia, et al. Rice-duck co-culture for reducing negative impacts of biogas slurry application in rice production systems[J]. Journal of Environmental Management, 2018, 213: 142－150.

[10] Odum H T. Self-organization, transformity, and information [J]. Science, 1988, 242(4882): 1132－1139.

[11] 周連第，胡艷霞，王亞芝，等. 京郊農業生物循環系統生態經濟能值評估：以密云尖巖村為例[J]. 生態學報，2012，32(23)：7346－7354.

Zhou Liandi, Hu Yanxia, Wang Yazhi, et al. Emergy evaluation of an agro-circulation system in Beijing suburb: Take Jianyan village as a case study[J]. Acta Oecologica, 2012, 32(23): 7346－7354. (in Chinese with English abstract)

[12] 郝仕龍，李春靜，李壁成. 黃土丘陵溝壑區農業生態系統服務的物質量及價值量評價[J]. 水土保持研究，2010，17(5)：166－171.

Hao Shilong, Li Chunjing, Li Bicheng. Assessment on mass and value for agro-ecosystem services in loess hilly and gully region[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2010, 17(5): 166－171. (in Chinese with English abstract)

[13] 王小龍，韓玉，陳源泉，等. 基于能值分析的無公害設施蔬菜生產系統效率和可持續性評價[J]. 生態學報，2015，35(7)：2136－2145.

Wang Xiaolong, Han Yu, Chen Yuanquan, et al. Efficiency and sustainability evaluation of a pollution-free vegetable production system based on emergy analysis[J]. Acta Oecologica, 2015, 35(7): 2136－2145. (in Chinese with English abstract)

[14] 鐘珍梅，黃勤樓，翁伯琦，等. 以沼氣為紐帶的種養結合循環農業系統能值分析[J]. 農業工程學報，2012，28(14)：196－200.

Zhong Zhenmei, Huang Qinlou, Weng Boqi, et al. Energy analysis on planting-breeding circulating agriculture ecosystem linked by biogas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(14): 196－200. (in Chinese with English abstract)

[15] 徐東晨. 當前湖羊養殖應注意的幾個問題[J]. 當代畜牧，2014(26)：41－42.

Xu Dongchen. Some issues to be aware in sheep husbandry[J]. Current Husbandry, 2014(26): 41－42. (in Chinese with English abstract)

[16] 顧春梅，蔣柏榮. 桐鄉湖羊養殖現狀及發展對策調研報告[J]. 當代畜牧，2013(24)：67－69.

Gu Chunmei, Jiang Bairong. Current status and development strategy for sheep husbandry in Tongxiang[J]. Current Husbandry, 2013(24): 67－69. (in Chinese with English abstract)

[17] 王曉莉，孟慶國. 農業現代化進程中合作農場型生態循環農業的制度創新機制研究：以江蘇太倉東林農場為例[J].農業現代化研究，2015，36(1)：52－56.

Wang Xiaoli, Meng Qingguo. Institutional innovation mechanism of eco-recycling type cooperative farms: A case study of Donglin cooperative farm in Taicang County of Jiangsu Province[J]. Research in Agricultural Modernization, 2015, 36(1): 52－56. (in Chinese with English abstract)

[18] Odum H T. Folio #2: Emergy of Global Processes. Handbook of Emergy Evaluation[M]. Center for Environmental Policy, University of Florida, Gainesville, F L, 2000.

[19] 藍盛芳，欽佩. 生態經濟系統能值分析[M]. 北京：化學工業出版社，2002.

[20] 黃春，鄧良基，高雪松，等. 基于能值理論的秸稈利用生態足跡評估：以成都平原典型稻麥輪作區為例[J]. 中國農業生態學報，2014，22(6)：722－728.

Huang Chun, Deng Liangji, Gao Xuesong, et al. Evaluation of ecological footprint of straw resources utilization based on emergy theory: A case study of typical rice-wheat rotation region in Chengdu Plain[J]. Chinese Journal of Eco-agriculture, 2014, 22(6): 722－728. (in Chinese with English abstract)

[21] 毛德華，胡光偉，劉慧杰. 基于能值分析的洞庭湖區退田還湖生態補償標準[J]. 應用生態學報，2014，25(2)：525－532.

Mao Dehua, Hu Guangwei, Liu Huijie. Ecological compensation standard in Dongting Lake region of returning cropland to lake based on emergy analysis[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2014, 25(2): 525－532. (in Chinese with English abstract)

[22] 錢俊熹. 環境相容的稻麥高產農田羊糞承載量研究[D]. 揚州：揚州大學，2016.

Qian Junxi. The Study on the Capacity of Sheep Dung Fertilized in Rice and Wheat Farmland Environmentally Compatible with High Yield[D]. Yangzhou: Yangzhou University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[23] 郭冬生，彭小蘭. 湖南省常德市畜禽糞污排放量估算與治理對策[J].西南農業學報，2017，30(2)：444－451.

Guo Dongsheng, Peng Xiaolan. Estimation of production amount of livestock and poultry manure and control countermeasures in Changde city of Hunan Province[J]. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2017, 30 (2): 444－451. (in Chinese with English abstract)

[24] 陳阜. 農業生態學[M]. 北京：中國農業出版社，2011.

[25] 郭媛，王艷君，劉長坤. 近50年來（1960－2007年）長江流域20 cm口徑蒸發皿蒸發量與太陽輻射變化的對比[J]. 南京信息工程大學學報，2012，4(6)：496－505. Guo Yuan, Wang Yanjun, Liu Changkun. Comparative analysis of variations of 20 cm pan evaporation and global solar radiation over the Yangtze River Basin during 1960－2007[J]. Journal of Nanjing University of Information Science and Technology: Natural Science Edition, 2012, 4(6): 496－505. (in Chinese with English abstract)

[26] 關穎慧. 長江流域極端氣候變化及其未來趨勢預測[D]. 楊陵：西北農林科技大學，2015. Guan Yinghui. The Extreme Climate Change and Its Future Prediction in the Yangtze River Basin[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[27] Chen B, Chen Z M, Zhou Y, et al. Emergy as embodied energy based assessment for local sustainability of a constructed wetland in Beijing[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2009, 14(2): 622－635.

[28] CavalettOtávio, QueirozJúlio-Ferraz, Ortega Enrique. Emergy assessment of integrated production systems of grains, pig and fish in small farms in the South Brazil[J]. Ecological Modelling, 2006, 193(3/4): 205－224.

[29] Ulgiati Sergio, Brown Mark. Monitoring patterns of sustainability in natural and man-made ecosystems[J]. Ecological Modelling, 1998, 108(1/2/3): 23－36.

Evaluation of production efficiency and sustainability for straw-sheep-cropland recycling agroecosystems based on emergy analysis

Zhu Bingying1, Dong Jia1, Shen Mingxing2, Zheng Jianchu3※

(1.210095,; 2.215155,; 3.210095,)

Ecological recycling agriculture is an effective practice to solve the pollution from large-scale livestock farming. This study evaluated the production efficiency and sustainability of the straw-sheep-cropland integrated agroecosystem. This integrated system included four subsystems, as the sheep raising subsystem, the organic composting subsystem, the cropping subsystem and the feed producing subsystem. For the sheep raising subsystem, the emergy input of renewable resources was 2.33×1012Sej, accounting for <0.01%; the emergy input of non-renewable resources was 9.68×1015Sej, accounting for 0.24%; the purchased economic resource emergy was 4.03×1018Sej, accounting for 99.76%, in which feed and labor were two main components, with a proportion of 84.22% and 10.06% respectively. The emergy output of the sheep husbandary subsystem was 2.65×1019Sej, including the sheep and manure, accounting for 17.70% and 82.30% respectively. For the organic composting subsystem, the emergy input of renewable resources was 7.69×1012Sej, accounting for <0.01%; the purchased economic resource emergy input was 2.44×1019Sej, accounting for >99.90%; in which the raw materials for producing organic fertilizers accounted for the most, including the manure and straw residues with a proportion of 89.31% and 8.81% respectively. The emergy output for the organic compost subsystem was 2.06×1019Sej, including two sections with equal proportion, one for inside using and the other for outside selling. For the cropping subsystem, the emergy input of renewable resources was 1.12×1017Sej, accounting for 6.16%; the non-renewable resource emergy input was 7.06×1015Sej, accounting for 0.38%; the purchased economic emergy was 1.46×1018Sej, accounting for 93.46%, in which the chemical fertilizer, labor, electricity, machinery and diesel were the main components with a proportion of 33.60%, 26.86%, 15.99%, 12.78% and 8.61%, respectively. The emergy output was 2.57×1018Sej, including two parts, grain accounted for 54.08% and straw residues accounted with 45.91%. For the feed-production subsystem, the renewable resource emergy input was 1.95×1013Sej, accounting for <0.01%; the purchased economic resource was 1.23×1019Sej, accounting for >99.99%, in which the soybean meal and straw residues were two main components, with a proportion of 20.31% and 50.32%, respectively. The only emergy output was feed of 2.11×1019Sej, with two parts with the inside using of 16.13% and outside selling of 83.87%. Results of evaluation for the integrated system showed that the unit emergy value (UEV) was reduced by 96.09%, which was suggested that the emergy use efficiency was greatly increased comparing to the single sheep husbandry. The emergy investment ratio (EIR) and environment loading ratio (ELR) were decreased by >67.66%, respectively, while the emergy sustainability index (ESI) was evidently enhanced, suggesting that the integrated agroecosystem has a good sustainable potential with low environmental pressure. However, the net emergy yield ratio (EYR) and emergy yield-investment ratio were decreased by 70.32% and 70.43%, respectively, suggesting that the production efficiency and economic benefit were reduced in the integrated agroecosystem. This was caused by increasing cost from raw materials (i.e. bean dregs or straw residues), buildings and equipment. Therefore, the ecological compensation is needed for the positive externality of ecosystem services from the integrated agroecosystem. The compensation standard was estimated as ￥380.76/sheep per year based on the net emergy benefit difference. Nonetheless, once the current integrated system is optimized, EYR will be increased in theory and the integrated system can achieve self-compensation for its positive environmental benefits.

sustainability; straw; recycling agroecosystem; emergy evaluation; production efficiency

2018-08-19

2019-01-25

江蘇省農業科技自主創新資金重點項目 (CX(16)1003-13)

朱冰瑩，博士，講師，主要研究方向為農村與區域可持續發展。Email：zby@njau.edu.cn

鄭建初，研究員，研究方向為循環農業。Email：zjc@jaas.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.029

S9

A

1002-6819(2019)-04-0235-09

朱冰瑩，董 佳，沈明星，鄭建初. 基于能值分析的秸稈-羊-田循環系統生產效率與可持續性評估[J]. 農業工程學報，2019，35(6)：235－243. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.029 http://www.tcsae.org

Zhu Bingying, Dong Jia, Shen Mingxing, Zheng Jianchu. Evaluation of production efficiency and sustainability for straw-sheep-cropland recycling agroecosystems based on emergy analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(6): 235－243. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.029 http://www.tcsae.org