通过能值探讨沼气工程在恩施农业生态系统中的作用

李娇娇,艾训儒,茅 夫,关阅章,黄 媛

(1.华中农业大学 植物科学学院，湖北 武汉 430070；2.湖北民族学院 生物科学与技术学院，湖北 恩施 445000；3.华东师范大学 环境科学系，上海 200062；4.广西师范大学 生命科学学院，广西 桂林 541004)

20世纪80年代，国际生态学界提出能值(emergy) 新理论和分析新方法，为生态系统和生态经济系统的定量分析研究开拓了新途径[1].将一种流动或储存的能量中所包含的另一种类别能量的数量，称为该能量的能值(solar emergy)[2-3].太阳能是最原始的能源形式，故实际应用以太阳能值为统一标准来衡量不同类别的能量.任何资源、商品和劳务在形成过程中都直接或间接地利用太阳能，即为其具有的太阳能值.以能值为基准，可以衡量和比较生态系统中不同等级能量的真实价值与贡献，能值分析把生态系统或生态经济系统中不同种类，不可比较的能量转换成用同一标准的能值来衡量，从中评价其在系统中的作用和地位[1].

加快社会主义新农村建设，实施“生产发展、生活宽裕、乡风文明、村容整洁、管理民主”战略，是我国农村建设的重大改革[4].以沼气为新型清洁能源的沼气工程建设是新农村建设的重要内容，在家庭农业生态系统中的作用也至关重大[5].本文以恩施市龙凤镇三龙坝村为研究对象，将农业生态系统中的各指标用能值分析法转换成能值指标体系，分析沼气工程在农业生态系统中的作用，为恩施州乃至沼气工程建设区的新农村建设提供理论参考，为农业生态系统的优化提出建议.

1 研究地概况

恩施市龙凤坝镇三龙坝村，位于318、209国道交汇处，地理坐标109°31′46″E，30°23′17″N，属亚热带季风性湿润气候，温湿多雨，四季分明，年平均气温20℃，最冷月均温3.5℃；最热月均温28℃，无霜期230～260 d，多年平均降雨量1 500 mm，其中70%以上降雨主要集中在5～9月.土壤为山地黄壤，pH 3.5～8.5，土层厚35～45 cm，平均海拔510 m.国土面积1 575 hm2，其中耕地面积233.8 hm2，主要种植水稻、玉米、马铃薯、大豆等作物，林地面积661.9 hm2，优势种以马尾松和杉木人工林群落为主，森林覆盖率80.5%，生态环境良好.

恩施市龙凤坝镇三龙坝村由原三龙坝、竹园坡和衣角坝三个村合并而成，水、电、路畅通，交通便利.2008年总户数1 547户，总人口5 558人，劳动力2 570人，年人均纯收入2 200元.该村主要经济来源为外出务工、种植业以及作坊式加工业(米粑粑、玉米熬糖)[6].

三龙坝村的沼气工程建设在2002年新农村建设时大力推行，到2008年，沼气池的总量就由2000年的0个达到1 020个，在三个组的平均普及率达到了61.53%，使沼气成为该村主要使用能源之一.

2 研究方法

在三龙坝村所辖的三个组三龙坝组、竹园坡组和衣角坝组中随机抽取20户进行走访，记录沼气工程建设前的2000年和建设后的2008年的家庭人口、太阳能、电能、煤、柴、液化气、化肥、人力资源等状况，实地勘察沼气池的建设情况，问询沼肥的使用情况及使用效果，记录综合后进行资料整理，统计后得出结论.

采用能值分析法，即在确定系统边界的基础上，用“能流语言”图解方式表达系统与外部环境的能量、物质、货币等的交换作用关系；根据原始数据的物质量(kg)、能量(J)、货币量(￥)按照能量折算方法编制能值计算表；计算一系列能值指标以反应系统能值投入结构、投入水平以及利用效率等；在此基础上探讨系统的优化与调控措施[7].

农业生态系统能值分析：通过调查、测算和文献参考，获得农业生态系统中有关自然环境、经济状况等的基础资料，计算各种来源的能值投人和不同的能值产出，并按照不同类别的资源进行归类 ，制作系统能值投人产出分析表；在能值投人产出分析表的基础上，建立农业生态系统能值指标体系，评价自然环境资源和经济活动对农业生态系统的贡献和作用[1,8-10].

取一个典型户进行详细询问和调查，调查家庭人口、能源状况、种植、养殖情况和主要经济来源等，将记录的数据进行统计分析，建立能值指标体系，对系统的发展进行评价和策略分析，并对系统的优化提出建议.

3 结果与分析

3.1 沼气工程建设前后沼气池建设情况

恩施市龙凤镇三龙坝村自2002年开始进行沼气工程建设，主要的建设模式及应用模式如图1所示.由图1可知，恩施市三龙坝村沼气工程的建设主要是利用沼气、沼渣和沼液进行日常生活和农业生产的使用，沼气供气进行做饭烧水，沼液和沼渣进行肥田和杀虫，改善蔬菜和农作物的品质和口感等.

图1 沼气工程建设及应用模式Fig.1 Biogas project construction and application mode

按家用沼气灶国家标准，每标准立方米沼气低位热值21 000 kJ，相当于每小时耗沼气约0.5标准立方米[11].以此计算三龙坝村三个组沼气普及情况及总热值见表1.

表1 三龙坝村各组沼气建设情况

由表1可知，三龙坝村由沼气工程建设前的0个沼气池发展到2008年的1 020个，其中仍在使用的总数为951个，普及率平均达到61.53%，每年总共累计使用共9.84×1012J.由此可知，沼气池在恩施三龙坝村的建设较为普遍，沼气的使用在农民日常生活和农业生产中所占比例较大，那么沼气工程建设的好坏直接影响三龙坝村新农村建设的效果，沼气工程在恩施农业生态系统中也起着重要作用.

3.2 沼气工程建设前后转换成能值进行分析

恩施市三龙坝村在能源结构调整上，主要大力推行沼气工程建设，此外，电网、水网设施的完善，也使用电量增加.将各能源转化成热值，再算出各热值在总热值中所占的比例见表2.

表2 三农坝村沼气工程建设前后相关数据比较(户/年)

注：整个三农坝村沼气池平均容量为16.23 m2，每口沼气池年平均用时991.59 h.能源转化标准：电能：3.6×106J/(kW/h)；沼气：2.1×107J/m3，0.5×2.1×107J/h；煤：3.34×107J/kg；蜂窝煤：1.175kg/个；木柴：1.2×107J/kg；液化气：6.20×108J/罐[12-13].

由表2可知，随着人们生活水平的提高，能源多样化的普及，各能源便利与经济程度的变化，农民的使用能源模式及使用各能源的比例也在相应的发生变化.沼气工程的建设使2000年由只使用“电、煤、柴、气”模式转变成2008年的“沼、电、煤、柴、气”模式，能源结构发生变化；对各能源本身来说，沼气工程的建设使蜂窝煤的使用量较建设前减少14.84%，木柴的使用量减少了53.07%，液化气的使用量减少了51.47%，由于家用电器的增加和“农网改造”后电价的降低使用电量较建设前增加231.45%，又由于家庭作坊式熬糖工业块煤的大量使用，因此块煤较建设前用量增加了85.82%；将各能源转换成能值可知，沼气在2008年的总能值比例占总数的22.68%，木柴占0.33%，较2000年减少了0.54个百分点，蜂窝煤也减少了27.81个百分点，液化气减少了0.06个百分点，电和块煤的能值比例较2000年有所增加.综上可知，沼气工程的建设使三龙坝村民的生活发生了一定的改变，沼气逐渐在家庭农业生态系统中起到了一定的作用.

A：蔬菜、农作物；B：沼气；C：沼渣沼液；D1：人粪尿；D2：发酵后的人粪尿；D3：猪粪尿图2 家庭农业生态系统能量流动图Fig.2 The energy flow diagram of family agro-system

3.3 取一典型户进行详细分析

以一典型户作为研究对象进行详细说明.户主为该村三龙坝组人，48岁，4口人，土家族，夫妻二人均为农民，女儿外出打工，儿子为高二学生. 积极响应新农村建设的号召，在推行沼气工程建设时，自2002年11月，建设一口D为3.7 m，H为2.2m的沼气池，2008年平均每天冬季使用3 h，夏季使用6 h，到2008年11月共清除沼渣沼液2次，用于肥田除虫，肥田除虫效果好，口感较其他未施沼渣沼液好.使用的其他能源有太阳能、蜂窝煤、电.其中太阳能热水器一个，功率为1 500 W，全年使用约300 h，蜂窝煤全年使用587.5 kg，电全年使用1 200kW/h.种植业为1 333.4 m2水稻，年产1 000 kg；1 333.4 m2土豆，年产1 500 kg；1 333.4 m2红薯，年产2 800 kg；1 333.4 m2玉米，年产1 000 kg，其中土豆、红薯、玉米为山田套种，农作物中的蔬菜全部用于自身食用，大约每天花费20元.养殖业为每年养殖牲猪2头，仔猪在外购买，猪肉供自身食用.户主外出打工6～8个月，女儿全年外出打工，短期工不包吃住70元/d，包吃住50元/d，女儿打工年纯利润1500元.主要经济来源为劳力输出.本户家庭农业生态系统能量流动如图2所示.

由图2可知，各能量大致上是家庭农业的对内循环.居民和牲猪的尿液供沼气池使用，沼气池的沼气供居民使用，沼渣沼液供作物使用，作物的产出供居民和牲猪使用.居民对外需求的主要有自然能源降水和阳光，人工供能源煤、电、液化气；作物对外需求主要有种子、农药和化肥；牲猪对外需求主要有仔猪和饲料.其中，作物的部分农药和化肥可由沼渣沼液提供.

根据调查结果，将三龙坝村家庭农业生态系统的输入与输出系统以及系统内转换的每项物质(kg)、能量(J)、资金(元)转换成热值(J)，根据各项的太阳能值转化率，再将热值转化为太阳能值[7].某种能量的能值转换率愈高，表明该能量的能值和能级愈高；能值转换率是衡量能质和能级的尺度[14].在可更新环境资源投入中，为避免重复计算，同一性质的能量投入只取其最大值[9,15-17]，如表3.

表3 家庭农业生态系统能值分析(/年)

续表3：

序号项目原始数据/gorJ太阳能值转换率[9，12，18-20]/(sej·g-1)or(sej·J-1)太阳能值/sej可更新有机能投入I11人力种植1．750×109J3．80×1056．650×101412人粪尿2．520×109J2．70×1046．804×101313人力养殖3．500×108J3．80×1051．330×101414猪粪尿5．040×109J2．70×1041．361×101415沼渣、沼液2．740×107g2．70×1067．398×101316沼气1．041×107J2．10×1072．186×101417种子2．510×108J2．70×1046．777×101218仔猪1．335×106J1．73×1062．310×101219猪饲料7．250×108J6．80×1044．930×1013小计(取11-19项)1．353×1015投入总计4．738×1015产出20劳力输出(打工)5．480×109J3．80×1052．082×1015小计(取第20项)2．082×1015产出总计2．082×1015系统内投入与输出21猪肉(系统内消费)5．720×109J1．71×1069．781×101522水稻1．548×1010J8．30×1041．285×101523土豆6．456×109J2．70×1041．743×101424红薯1．600×1010J2．70×1044．320×101425玉米1．653×1010J2．70×1044．463×101426蔬菜2．563×109J2．70×1046．920×1013小计(取21-26项)1．288×1015

表4 沼气工程在家庭农业系统能值指标中的作用

由表3可知，沼气工程的建设在家庭农业生态系统中所占的比重较大，在可更新有机能投入中，由2000年的0%增加为2008年的21.626%，既为家庭增加了一种新型清洁能源，又为家庭创造了2.926×1014sej的能值.其中，作为沼渣、沼液形式的太阳能值为7.398×1013sej，作为沼气形式的太阳能值为2.186×1014sej，沼气形式所产能值为沼渣、沼液形式的约3倍，说明沼气工程建设中沼气的运用起到了重要作用.

根据陆宏芳等[9]的研究可知，能值分析能建立丰富多彩的能值指标.沼气工程的主要产出物有沼气、沼渣和沼液，属于可更新有机能投入范围，对沼气工程的相关能值指标分析，根据表3所计算的家庭主要能值指标如表4所示.

由表4可知，沼气工程的建设使恩施家庭农业生态系统中的可更新有机能值增加了21.626%，能值为2.926×1014sej，而茅夫等[6]经调查所知沼渣沼液的使用相当于节约1/3的农药和化肥，相当于减少了工业辅助能值6.373×1014sej，总体来说使总能值投入减少了3.447×1014sej，从而使能值自给率和可持续发展能值指标增加，使环境负载率减少.能值自给率的增加说明靠外界输入能量的减少，则从系统外摄入能量也相应减少，则使农业生态系统更加稳定.环境可持续则要求环境负载率低，因此环境负载率的减少能使环境可持续发展.可持续发展能值指标(EISD)越高的系统，意味着单位环境压力下的社会经济效益越高，系统的可持续发展能力越好，在可持续发展的长远尺度上越具竞争优势[22].表4表明沼气工程的使用使EISD增加，从而使恩施农业生态系统的可持续发展能力增强，在单位环境压力下能够创造更多的经济价值，即在农民生活富裕的前提下使环境得到更好的保护，使资源得到更好的利用.

4 沼气工程建设的完善与对策

沼气工程的建设是恩施市三龙坝村新农村建设的重要项目之一，自2002年建设以来，全村对一次能源薪炭材的使用量明显降低，对污染能源蜂窝煤的使用也有所减少，而对清洁能源沼气和电的使用量明显增加并逐渐普及.家庭农业生态系统中沼气、沼渣、沼液的使用也使其他能源和杀虫剂、化肥的使用量明显减少，沼气工程在新农村的建设中所起的作用不可忽视.

虽然取得了一定的成效，但是在实施过程中和多样化利用沼气池方面还是有所欠缺，主要表现在：首先，沼渣、沼液的提取比较困难.据了解，在三龙坝村有专门从事除沼渣的工作人员，但除一个沼气池需要300元，费用偏高，若不请人除沼渣，则一般2个劳动力最低需要一整天的时间，而且沼渣气味难闻，感官品质差，一些农民不愿意做，这样就使除沼渣不及时，影响产气效果.有些农民的农田离居所较远，路途坎坷，因此有些沼渣清除出来以后废弃闲置，导致沼渣的肥效得不到表现和认可.其次，村民所提取的沼渣沼液仅仅用于肥田，使沼渣沼液的利用率降低.沼渣沼液含有丰富的营养可用于养鱼、种树等.李艳春等人将沼气建设与养牛场结合起来研究，效果显著[24-25].

针对以上问题，对三龙坝村沼气工程建设提出以下建议：对沼气池产气技术和沼渣、沼液清除工艺进行完善；采用科学技术将沼气、沼渣、沼液进行多样化利用；扩大沼气工程在家庭农业生态系统中的比重，多使用清洁和可再生能源，尽量减少对污染性能源和不可再生能源的使用.

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