種養循環模式的評價方法及優缺點分析

葉小梅， 王 莉， 張曼秋

(1.江蘇省農業科學院畜牧研究所/農業農村部種養結合重點實驗室，江蘇南京 210014； 2.南京農業大學資源與環境學院，江蘇南京 210095)

近年來，由于人口迅速增長，人們對資源的過度開采破壞了環境的動態平衡。針對農業環境中出現的問題，提出了循環農業的概念，即將循環經濟的理念融入到農業生產中，不再是單一的種植養育模式，而是種養一體化的循環模式，從而減少資源的消耗以及廢棄物的排放。循環農業可以概括為“4R”農業，即實現廢棄物的減量化、再循環、再利用、可控化。

循環農業具有多種模式，其中，種養循環模式在部分地區的生態經濟效益較高，即通過種植業與畜牧業的結合，充分利用種植業的主副產品，減少農業廢棄物的產生，實現資源的循環利用。這種模式主要有“糧食(草)-豬-沼”“糧食-豬-魚”“玉米-養殖”等多種具體形式。

關于種養循環模式的評估主要有以隨機前沿分析(SFA)為代表的參數估計法、以數據包絡分析(DEA) 為代表的非參數估計法、生命周期評價法(LCA)、能值分析法(EME)、EME-LCA綜合評價法等。

生命周期評價法是對一個體系生產工序中產生的資源消耗和產出以及對潛在環境的影響進行全面分析與評價的方法，使決策者依據該體系對環境排放的標準化核算結果，更加了解該體系的優劣，從而提出改進措施，目前已廣泛應用于污水處理、固廢管理及資源化等。能值分析法是將生態系統中不斷交換的各種不同類型的能量和物質，按照實踐得出的同一標準進行轉化從而進行定量分析，通過能值轉換效率來評價系統的可持續性。數據包絡分析(DEA)是一種對比評估樣本間相對效率的工具，與隨機前沿分析(SFA)等所謂的“參數法”形成了鮮明對比。本研究擬從以上幾種角度對種養循環展開評價方法探究。

1 LCA與種養循環模式

1.1 LCA是一種成熟評價方法

LCA是對生態經濟系統整個生命周期的過程進行評價，包括對原材料的提取、產品的設計和生產、使用過程、最終回收和處理等，對整體過程進行定量計算，最后評價整個系統消耗的資源和廢棄物排放量以及對環境的潛在危害。LCA由4個部分組成，即評價目標和范圍、清單分析、影響評價(分類化、特征化、標準化、加權)、結果解釋。LCA的基本流程見圖1。

基于普遍的種養循環模式，基本流程見圖2。

以種養循環模式進行LCA評價的目標，就是通過對種養循環系統進行全面的評價，分析系統對環境的潛在影響，從而采取相應的改進方法，促進種養循環模式的發展，范圍可以根據具體的研究對象(農資生產、農作生產、原料資源等)來確定。清單分析的一般范圍見圖3。

種養循環模式影響評價包括對環境負荷(富營養化、環境酸化、全球變暖、人體健康損害等)、不可再生資源、可再生資源3個方面進行評價。

特征化是以某影響因素中某一種生態影響因子為基準，得出各因素的特征值。各環境影響潛值可根據以下公式進行計算：

()=∑()=∑[()()]。

式中：()代表第種生態影響因子的排放量；()為第種生態影響因子對第種因素的環境影響當量系數；()為第種生態影響因子對第種因素的影響；()是指第種因素對環境的影響。

標準化是將特征化的結果一般化的過程，可用以下公式表示：

=()。

式中：()是指第種因素對環境的影響；為世界2000年人均標準化基準值；代表第種因素的標準化結果。

加權評估是利用權重來確定各因素對系統的影響程度，常采用層次分析法、專家組評議等確定權重。

結果解釋即通過分析處理后的數據，對種養循環模式整個生命周期的資源消耗、廢棄物的排放進行評價。通過評估從而提出定量或定性的改善方法，例如改變種養模式、重新選擇原材料等。

1.2 LCA在種養循環模式中的應用

目前，我國應用生命周期評價對種養循環模式進行系統分析的研究較少。梁龍等采用改進的 LCA 模型，以湖南省某循環鴨產業為例進行研究，結果表明，循環農業不宜過度循環，在實踐操作中不應該盲目追求低碳發展，過長的循環鏈雖然降低了碳排放，但會影響土壤和生物的固碳能力。Nhu等對比了以沼氣為紐帶的“豬-沼-魚”循環農業模式和集約化養魚模式，結果表明，該循環模式在占地面積和對資源的消耗方面高于集約化養魚系統。Kluts等運用生命周期法，對集約化和農業-水產養殖條紋鲇魚生產進行了比較評價，結果顯示，在集約化系統中，條紋鲇魚生產對9種已評估的影響類別(全球變暖、臭氧耗竭、酸化、富營養化、光化學氧化、人類毒性、淡水生態毒性、海洋水生生態毒性、化石耗竭)中的7種貢獻較大，而農業-水產養殖模式對水體富營養化和淡水生態毒性的貢獻率高于集約化體系。但在這2個系統中，養魚對富營養化和淡水生態毒性的貢獻率均最大，而飼料生產對所有其他影響類別的貢獻率最大，在大多數影響類別中，農業-水產養殖的可持續性更好。

2 EME與種養循環模式

2.1 EME能值分析法

能值分析是以太陽能為基準，將生態經濟系統中狀態不一、不可直接換算比較的能量根據對應的太陽能轉換成統一的能值來分析和比較，從而評價系統的經濟效益和可持續性的方法。通過綜合分析系統中各種生態流(能物流、貨幣流、人口流、信息流)，得出關于系統的能值綜合指標，從而定量分析系統的各個子系統的結構特征與經濟效益。

首先繪制系統能值圖，其中循環模式能值投入包括：可更新自然資源(，太陽能、風能、雨水化學能等)、不可更新的自然資源(，表土層凈損失)、可更新有機能(，種子、人工等)以及不可更新工業輔助能(，機械、煤、化肥和電力等)，部分自然資源能值可以根據以下公式計算：

太陽光能能值=面積×太陽光平均輻射量×太陽能值轉換率；

雨水化學能能值=面積×平均降水量×吉布斯自由能×太陽能值轉換率；

風能能值=面積×高度×密度×風速梯度×渦流擴散系數×太陽能值轉換率；

雨水勢能能值=面積×平均降水量×平均海拔高度×密度×重力加速度×太陽能值轉換率；

表土層凈損失能能值=(表土侵蝕速率×面積-表土形成速率×植被演替面積)×太陽能值轉換率；

主要能值指標具體的計算公式見表1。

表1 能值指標計算公式

通過比較分析能值指標，對生態經濟系統各子系統的能值進行評價，根據結構的不同及對整體系統的貢獻差異，為后續對整體系統的改進提供科學依據，進一步優化其生態經濟系統及增加其可持續性。

2.2 EME能值分析法在種養循環模式中的運用

近年來，能值評價方法開始逐漸被應用于種養循環模式分析當中，應用較廣泛。李艷春等對“奶牛-沼氣-牧草”種養循環模式進行能值分析，結果表明，該模式的純經濟效益是傳統奶牛養殖模式的1.13倍，且可持續性較好，但在凈能值產出方面較弱，還需對系統內部進行改進。Cavalett等采用新的能值參數，對巴西南部小農場的糧食、豬和魚綜合生產系統的環境方面進行評價，利用各輸入部分可再生系數來改進能值核算，結果表明，與分離生產子系統相比，集成生產子系統具有較高的能量效率、較強的可持續性和較低的環境壓力。Xi等研究了我國“稻-鴨”循環模式，結果表明，該循環模式在節能減排方面有較好的發展潛力。孟祥海等以武漢市銀河養豬場為例，將該養豬場的生態養殖系統與傳統養豬場進行了比較，并采用能值分析法對其進行了評價，結果表明，前者在減少資源消耗和減輕環境負荷以及生產效率方面明顯優于后者。在資源消耗最小化方面，前者能值自給率為1.77%，略高于后者(0.27%)，前者購買能值率為98.09%，略低于后者(99.74%)，前者的能值反饋率為5.69%，高于后者(0.00%)，前者垃圾回收率為5.80%，高于后者(0.00%)；在環境負荷方面，生態養殖系統的環境負荷率為85.72%，低于傳統養豬系統(116.04%)，而前者的系統輸入更新率為56.93%，高于后者(50.09%)；就生產效率而言，前者的凈能值產出率為2.07，略高于后者(1.93)。綜上所述，生態養殖體系的經濟效益顯著高于傳統養豬體系。Zhang等對內蒙古農牧結合的農業生產系統進行能值分析，結果表明，該模式相較于其他農業系統，具有較強的競爭力，但是該模式也面臨著嚴重的水土流失問題。

3 DEA與種養循環模式

3.1 DEA數據包絡分析法

數據包絡分析是通過對比評估樣本間的相對效率來判斷優劣，主要方法是利用數學規劃來評價收集到的有效數據，研究其有效性。

在研究某一具體系統時，通常將同一類的樣本某一時間同一地點或某一時間不同地點的生產作為研究對象，這類研究對象具有相同的輸入和輸出指標，通過計算得出規模效率、經濟效率、投入產出效率的數值，可得該樣本的數據包絡有效性。

若將某一循環農業模式作為對象，可以選定一個樣本的相同指標不同年份數據來計算得出該樣本的效率，也可以是不同樣本的相同指標同一時間段的數據來計算得出這些樣本的效率。農業的輸入指標包括種子、化肥、機械動力、農藥等，產出包括牲畜產出等，計算得出的數據可以衡量這些樣本的投入產出相對效率，得出樣本之間的相對優劣，并可查找出相對劣勢的樣本具體指標的差異。

數據包絡分析方法的目標函數與約束方程如下：

min

其中：表示被評價樣本的有效值；為重新構造一個有效樣本組合中第個樣本的組合比例；、為松弛變量；為第個決策單元的輸入量；、分別表示定義決策單元的輸入向量和輸出向量。

當=1且==0時，則稱樣本為DEA相對有效(樣本的經濟運行效率指數為1，最優)；

當=1且≠0或≠0時，則稱樣本為DEA弱有效；

當<1，則稱樣本為DEA無效。

改進 DEA-EBM 模型的線性規劃表達式為：

3.2 種養循環模式中的應用

近年來，DEA模型因其投入、產出的評價優勢而被學者們廣泛應用。馬巧云等采用DEA法對河南省28個地區的農業循環模式進行經濟效率評價，結果表明，2006—2015年河南省循環農業的經濟發展穩步提升，其中經濟社會發展子系統對農業循環經濟發展的作用最大，但循環利用子系統和生態環境子系統的作用微乎其微。對2015年河南省28個地區進行DEA測算，其中10個地區非DEA有效，導致這種情況的原因是農藥、農膜過度使用等。楊琰等運用DEA對陜西省11個市(區)的農業循環經濟效率進行測算，結果顯示，陜西省有近一半的地區有投入過剩和產出較少的問題。Almeida等利用能值分析法對一家生產玉米、雞蛋、豬肉和牛奶的農業綜合企業進行了評估，采用7種方案對生產過程中的系統效率和環境可持續性的影響進行了評估，結果表明，增加一體化本身并不能確保在環境可持續性方面取得進展，將家禽和生豬生產中的殘留作為有機肥進行綜合管理在7種方案中均具有優勢，因此，所提出的方案應有助于評價組織革新和確定可能影響農業綜合系統環境績效的折中辦法。

4 總結

綜合現有關于種養循環的定量分析和評價方法發現，各種評價方法各有利弊：(1)生命周期評價方法的優點主要體現在2個方面。一方面，該方法使用較為廣泛，技術較為成熟；另一方面，該方法作為現行認可度較高的環境影響評價方法，可以量化分析整個生命周期的潛在環境影響。但目前常用的生命周期評價方法無法分析自然環境資源、人力等方面對農業生產過程的貢獻，并且不太重視種養循環系統有效能的產出效率。因此，可以將生命周期評價和能值評價結合起來，從而對系統的評價更加全面。(2)能值分析可以對系統的各子系統進行系統分析，更全面體現種養循環模式的獨特性，但通常將系統內部循環作為“黑箱”處理，無法推斷出某一具體環節影響了整體體系，從而找不到關鍵點去優化該種養循環系統，也無法判斷某項引入的農業技術是否對系統產生正向作用。(3)DEA分析方法相較于前面2種不需要主觀賦權和設定既定函數關系，更為簡單靈活，可以避免一部分由于函數形式錯誤導致的問題，還可以解決非有效技術和中性技術的問題，從而在結果得出時表現出優勢。但DEA是對系統的整體分析，只能簡單地對投入和產出進行比較，而無法明確亞系統的效率。