崇明東灘互花米草資源化利用生態工程系統生態經濟評價

辛 悅，鄒彩瑜，王 磊，劉金娥②，李秀珍

(1.南京師范大學環境學院，江蘇 南京 210023；2.生態環境部南京環境科學研究所，江蘇 南京 210042；3.華東師范大學河口海岸科學研究院，上海 200241)

互花米草(Spartinaalterniflora)是原產美洲大西洋沿岸的多年生草本植物，出于保灘護岸、促淤造陸的目的，于1979年12月被引入中國[1]。 由于耐鹽、耐淹的生理特性和極強的繁殖擴散能力，在抵抗風浪、積累養分、為野生動物提供棲息地、固定二氧化碳、釋放氧氣、控制污染和凈化環境方面提供了重要的生態服務[2-3]。 然而，隨著互花米草在我國沿海灘涂的迅速擴張，對一些本地種產生了威脅，對沿海灘涂生物多樣性產生了一定影響[4-6]。

崇明東灘濕地是長江口規模最大、發育最完善的河口型潮汐灘涂濕地，是亞太地區水鳥遷徙的重要通道。互花米草入侵崇明東灘鹽沼濕地后快速擴張，壓縮了土著植物蘆葦(Phragmitesaustralis)和海三棱藨草(Scirpusmariqueter)的生長空間，為此政府于2012年12月批準啟動了“上海崇明東灘鳥類國家級自然保護區互花米草控制和鳥類棲息地優化工程”，通過修筑圍堤從空間上阻斷了互花米草擴張途徑，并形成了“圍、割、淹、曬、種、調”的生態治理方針[7-8]，初步取得了一定成效，但難度大，成本高。互花米草生長迅速，生物量大，植株具有較高的碳水化合物、蛋白質和脂肪儲量，可以用作肥料、餌料、燃料、飼料和化工原料等[9-11]。對互花米草的生物質能進行資源化利用，就能化害為利、變廢為寶[12]。

能值分析理論是由美國著名生態學家H. T. Odum于20世紀80年代創立的，是可用于定量評估生態經濟系統績效的理論體系，對自然資源的科學評估和合理利用、經濟發展方針的制定及生態系統未來的預測，均有指導意義，已廣泛應用于各生態系統的評估[13-14]。該文采用能值分析方法對崇明東灘濕地互花米草資源化利用生態工程系統進行評價，通過構建互花米草生長-收割運輸-生物礦質液-降脂膠囊-生物炭-護岸材料產業鏈，定量分析互花米草的生態與經濟效益，為進一步利用互花米草提供參考。

1 研究區概況

崇明東灘(31°25′～31°38′ N，121°50′～122°05′ E)位于上海市崇明島最東端，南北瀕臨長江入海口，堤外灘涂面積為326 km2，核心區面積為159.92 km2，標高為4.2 m，是我國淤積最快、成陸時間最晚的潮灘濕地之一[15]。崇明東灘自陸向海依次可劃分為高、中、低潮灘，潮汐類型屬于非正規半日淺海潮，平均潮差為2.40～3.20 m，屬于典型的亞熱帶季風氣候區，溫和濕潤，四季分明，年均溫度為15.3 ℃，年均降水量為1 022 mm，主要集中在4—9月，無霜期達229 d，年平均日照時數為2 129.5 h，太陽總輻射量為4 300～4 600 MJ·m-2[16-17]。崇明東灘優勢物種主要有互花米草、蘆葦和海三棱藨草等，其中，互花米草面積約為15 km2，高度為115～257 m，地上和地下部分生物量分別為1.3和1.9 kg·m-2，總生物量為4.8萬t[18-19]。崇明東灘潮間帶生物以底棲生物為主，大型底棲動物共83種，豐度為637.83 ind·m-2，生物量為37.30 g·m-2，多樣性指數H′、均勻度指數J、Simpson 指數D和豐富度指數d分別為1.97、0.52、0.61和1.83[20]。崇明東灘是候鳥遷徙路線上的重要驛站，已記錄到的鳥類有18目54科265種，春季鳥類平均密度為14.60只·hm-2，多樣性指數為2.08，均勻度指數為0.49，優勢度指數為0.22[21-22]。東灘濕地為多種植物、魚類和底棲動物等創造了良好的生存環境，也為鳥類提供了充足的食物和適宜的棲息地，維持了較高的物種多樣性，具有十分重要的生態價值[23]。

2 數據來源與研究方法

2.1 研究方法

對一個系統中的物流、能流、信息流和價值流進行綜合分析就需要統一標準，能值分析將所有形式的能量(資源、燃料、商品、服務等直接或間接能源)都轉化為太陽能值來表示，將生態環境系統與人類社會經濟系統有機聯系起來，定量分析自然和人類經濟活動的真實價值。能值轉換率是每單位某種類別能量或物質所含能值之量，太陽能值(sej)=原始數據×能值轉換率[24]。生態系統的能量來源主要有兩類：一類來自于自然界無償提供的環境資源，包括可更新自然資源(renewable resources，R)和不可更新自然資源(non-renewable resources，N)，前者即陽光、風、雨水和潮汐等，后者主要是土壤有機質的損失；另外一類來自于人類經濟活動的反饋，即人類購買資源能值(purchased inputs，F)，包括購買的不可更新資源(purchased non-renewable inputs，FN)和購買的可更新資源(purchased renewable inputs，FR)[25]。主要能值指標如下：

(1)能值產出率(emergy yield ratio，EYR)為系統產出能值與經濟反饋能值之比，它是衡量一個生態經濟系統產出對外界經濟貢獻大小的指標。

(2)環境負載率(environmental load ratio，ELR)為不可更新資源投入能值總量與可更新資源投入能值總量之比，它反映一定的經濟活動水平下系統所承受的壓力。

(3)可持續發展指數(emergy sustainable index，ESI)為能值產出率與環境負載率之比，它能反映系統的可持續發展程度。

2.2 數據獲取與計算方法

整個互花米草資源化利用生態工程系統以米草生長為起點，以護岸材料的制備為終點，構建以下6個子系統：(1)米草生長系統：米草在自然界提供的無償能值下成片生長，發揮了調節空氣、植被護堤、土壤沉積物、鳥類多樣性和大型底棲動物多樣性等生態功能。(2)米草收割運輸系統；在每年的臺風季節(10—12月)過去后，收割互花米草地上部分進行開發利用。整個收割運輸過程的人工成本為575元·hm-2，用小船和拖拉機運輸，運輸距離為10 km。(3)生物礦質液(BML)提取系統：由南京大學生物技術研究所研制成功的BML是從互花米草中提取的一種無毒具有濃郁甜香味的深棕色黏稠狀液體，較多的黃酮類化合物使其具有抗氧化作用和增強免疫力等生物活性，對心血管病具有防治和保健作用。收割的米草運輸至工廠后，通過加熱濃縮等過程，從米草中提取濃縮BML。(4)降脂膠囊制備系統：將提取的BML和米草粉混合，填充進購買的膠囊殼，制備得到降脂膠囊。(5)殘渣制備生物炭系統：提取BML后的互花米草殘渣多用于食用菌的培養、蚯蚓的養殖及生物有機肥的制備等[26]。考慮到互花米草秸稈內部呈海綿狀，有許多豎直的通氣孔，適合對生物炭比表面積、孔容及吸附能力等指標的要求，該研究用米草提取BML后得到的殘渣制備高效生物炭，生物炭產出量(以干重計)為0.3 t·t-1，產品售價為2 500元·t-1。已有研究表明它對水體中某些污染物(如鎘)的吸附性能遠高于市場現有生物炭[27]。(6)護岸材料制備系統：以秸稈生物炭和河道淤泥為原料可制備得到生態型護岸基材，既能合理利用清淤底泥，又能發揮固土護坡功能。向脫水后的河道淤泥中投入互花米草秸稈生物炭，混合后充分攪拌均勻，然后依次添加穩定劑和固化劑并再次攪拌均勻，制備得到淤泥基生物炭多孔材料。

通過文獻查閱與實地調查，結合《上海統計年鑒》，收集崇明東灘自然環境、地理條件等數據和互花米草資源化利用工程系統運行過程中與投入產出相關的物質、能量和資金投入等數據。該工程主要能流的原始數據計算方法[28]404-408見附錄1[29-35]。

3 結果與分析

3.1 互花米草資源化利用工程的能值效益

互花米草資源化利用工程的能值系統圖見圖1，能值分析結果見表1[28,35-37]，能值指標計算結果見表2[38]。

該工程所研究的互花米草能值和經濟效益對應的互花米草面積為15 km2，時間為1 a。互花米草生長系統反映了在沒有人為干擾的情況下互花米草在灘涂自然生長創造的生態效益，潮水的周期性漲落是海岸帶鹽沼的一個重要特征，互花米草生境具有明顯的潮汐作用，輸入的可更新環境資源中潮汐能最大。大型底棲動物是鹽沼濕地生態系統的重要組成部分，具有最大的能值輸出，植被對空氣的調節作用也是能值輸出的重要部分。整個系統最終得到的產品為降脂膠囊和護岸材料，降脂膠囊制備子系統在所有子系統中具有最大的經濟反饋能值投入和能值產出，能值效益達到3.80E+22 sej，高于其他子系統。護岸材料制備子系統的能值效益為8.80E+20 sej，能值產出率最大，表明該系統生產效率最高，經濟活力最強。整個系統的能值產出率為28.134，處于較高水平，表明系統經濟反饋能值大，經濟開發程度高，對自然資源的依賴性低，但較高的社會經濟投入強度不可避免地增加了系統的總體環境壓力，整個系統的環境負載率達到154.634。當ESI<1時，屬于消費型經濟，系統進口資源或勞務量在總能值使用量中所占比例較大，環境負載率較大；當ESI值為1～10時，表明經濟富有活力和發展潛力；當ESI>10時，則表明經濟不發達，意味著對資源的開發利用不夠。該研究中總系統ESI值僅為0.182，說明互花米草這一系列高度依賴人為活動的開發利用對環境造成了很大壓力，降低了系統的可持續性能。

表1 互花米草資源化利用工程能值分析結果

續表1 Table 1 (Continued)

有關互花米草生長系統的原始數據來源及計算，前文均有所提及。收割運輸系統、生物炭制備系統、護岸材料制備系統投入和產出的物質及其原始數據為實地調研所得，BML制備系統、降脂膠囊制備系統的工藝流程及相關的投入產出數據參考LU等[36]的研究。其中，收割運輸系統主要考慮人力和能源消耗，其他投入如收割機等未作考慮。能值轉換率主要參考藍盛芳等[28]62-75、LIU等[35]、LU等[36]的研究成果。該文以最新的全球能值基線12.0E+24 sej·a-1作為能值研究的基礎，其他能值基線的能值轉化率通過基線換算轉換成該研究使用的能值轉換率[37]。能值-貨幣價值以美元為單位，采用1美元兌換6.7人民幣的匯率，能值/貨幣比率取4.09E+12 sej·＄-1[36]。

表2 米草資源化利用工程系統能值指標計算結果

3.2 互花米草資源化利用工程的經濟效益

將互花米草資源化利用工程的經濟指標匯總于表3，可知整個系統的經濟凈收益為9.64E+09 ＄，其中，降脂膠囊子系統貢獻最大，其收益占整個系統的96%。護岸材料制備系統經濟產投比最大，為28.55，表明該系統能夠以少量社會經濟投入獲得較高的經濟產出，市場化潛力大。上海市2018年GDP為3.27E+12元[39]，若該工程的經濟價值可以完全實現，所得效益(6.46E+10元)幾乎占上海GDP的2%，可以為當地提供強勁的經濟驅動。

表3 互花米草資源化利用工程系統經濟指標值

4 討論

自互花米草引進我國灘涂以來，充分發揮了保灘護堤、促淤造陸的生態功能，但也帶來了一系列負面影響，如絞殺土著物種、危害貝類養殖、侵占航道、誘發赤潮等等[40-41]。讓互花米草在灘涂自生自滅，不但浪費其巨大的生物資源，也可能會造成米草種群的矮化和退化。互花米草生態工程在發揮互花米草防風消浪作用的基礎上，應用生態工程原理對其進行深度開發利用，能更好地發揮其生態和經濟效益[42]。

崇明東灘互花米草生長的自然環境能值輸入主要包括太陽能、風能、雨水化學能、潮汐能等，接收的自然界輸入總能值為1.05E+19 sej，輸出總能值為1.79E+20 sej。相關研究表明珠江三角洲各城市濕地生態系統總服務價值在1.20E+20～3.82E+21 sej之間[43]，可知崇明東灘互花米草鹽沼濕地在維持生物多樣性、調節空氣和鳥類棲息等方面創造了較大的生態服務價值。吉麗娜等[44]對崇明東灘濕地2011年服務功能價值進行評估，結果表明其總價值為31.68億元，供給服務價值和旅游、休閑服務價值所占比例較大。互花米草的生長完全依靠自然資源的投入，對環境沒有壓力，但也沒有面向市場的經濟產出，之后幾個子系統的加入有效彌補了這方面的經濟缺憾，最終整個系統的經濟凈收益達到9.64E+09 ＄。

表4[35-36,45-49]顯示，在相似的海岸(河口)地區，互花米草資源化利用工程系統的經濟凈收益高出其他生態經濟系統幾個數量級，水產養殖(鱔魚、黑魚、鱸魚、沙蠶、蛤)[35,45]、河口種植(香蕉、木瓜、石榴、黃皮)[46]和海洋牧場(以漁業為主，分為網箱養殖區、海藻增殖區、貝類底播區、增殖流放區和人工魚礁區5個功能區)[47]生態系統的經濟產投比分別為2.10～2.99、1.82～4.87和7.17～12.11，均低于該系統的產投比(27.78)。表4還顯示，海岸生態系統同樣依賴社會經濟投入，對環境造成壓力，種植和養殖業ESI值分別為0.10～0.40和0.04～0.72，略高于該系統ESI值(0.182)，但在可持續性都不高的情況下，該系統具有較強的經濟競爭力，經濟活力高。互花米草生態工程中BML的提取是相當重要的一環，張晟途等[48]對互花米草進行綠色食品(主要包括BML及總黃酮系列產品)的開發利用，獲得了一定的經濟效益，且ESI值為4.04(表4)，系統具有良好的可持續性。劉金娥等[49]對互花米草BML進行提取，并在此基礎上增加一個增益環，由BML制備降脂膠囊，加環設計使生態系統經濟和能值效益增加，筆者研究結果與之一致。隨著加工鏈的延長，系統的社會經濟投入強度增大，在經濟競爭力提高的同時，環境負荷增大，降低了系統可持續性。LU等[36]設計了7步互花米草增值加工鏈，并在我國江蘇省展開實踐，通過互花米草收獲-產品運輸-生物礦物液體提取-降脂膠囊制備-食用菌栽培基質-蚯蚓飼養-生物有機肥產業鏈，對互花米草進行逐級利用，年收入為3.66E+06 ＄·hm-2(表4)。筆者研究中15 km2互花米草年收入為9.64E+09 ＄，即 6.43E+06 ＄·hm-2，說明筆者研究中互花米草利用系統具有更大的經濟效益。由于該系統高度依賴人為活動，尤其是降脂膠囊子系統中膠囊殼的購買需要大量的經濟投入，導致ELR值達到154.634，但相對于整個上海生態經濟系統(ELR為311)而言，該系統的環境壓力并不高[50]。該系統ESI值僅為0.182，對人工系統的高度依賴和高環境負荷使系統的可持續性不足。為了獲得高經濟效益，現階段互花米草的利用方式主要是BML提取和降脂膠囊制備，在此基礎上延伸產業鏈，未來的利用方式可以考慮減少人工投入，更多地依賴自然系統，以盡可能低的經濟反饋維持系統的經濟收益是未來的主要研究目標。此外，由于EYR值(28.134，表4)較高，該系統的ESI值(0.182)仍然高于LU等[36]研究中的ESI值(0.008，表4)，具有更好的可持續性。

表4 米草資源化利用工程系統與其他相關生態經濟系統能值比較

整個生態工程實際運行起來還需要考慮一系列問題，比如互花米草在潮間帶生長，不易收獲和運輸；互花米草中鹽分含量較高，容易變濕，不利于互花米草貯藏等[51]。此外，該系統經濟效益高，但對降脂膠囊生產系統的依賴度也高，市場波動及消費模式變化會明顯影響該生產系統的效益，應深度開發互花米草系列產品，延長產業鏈，降低對降脂膠囊的依賴性，保證系統能夠長久穩定的運行。崇明東灘自然環境相關數據由筆者查閱多篇文獻獲得，由于各研究時間、地點和方法存在差異，導致對互花米草生長系統各物質能值的輸入、輸出計算可能有些誤差。

5 結論

該文對崇明東灘互花米草進行深度利用和開發，通過延長生態工藝系統產業鏈，提高了互花米草利用效率，實現了對互花米草由低值化利用到高值化利用的轉變。互花米草資源化利用工程的能值和經濟效益均高于相似的海岸生態經濟系統和其他互花米草生態工程，且在長期運行中是可持續的，具有良好的發展前景。如何減少子系統特別是降脂膠囊子系統的經濟投入，降低系統負荷，增加系統活力，是系統優化的關鍵問題。