沼气能源为核心的寒地生态农业循环经济能流分析

赵 光， 冀丽爽， 郭 星， 陈 婷， 马 放, 陈忠林

(1.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院， 哈尔滨 150090； 2.辽宁工业大学 化学与环境工程学院， 辽宁 锦州 121001)

沼气能源为核心的寒地生态农业循环经济能流分析

赵 光1,2， 冀丽爽2， 郭 星2， 陈 婷2， 马 放1, 陈忠林1

(1.哈尔滨工业大学 市政环境工程学院， 哈尔滨 150090； 2.辽宁工业大学 化学与环境工程学院， 辽宁 锦州 121001)

文章针对寒地典型沼气工程代表的海林沼气发酵系统的“牛-沼气-玉米”农业循环经济模式的运行特性，应用能流理论分析方法，通过能流循环指数、能量产投比、光能利用率等指标，对该系统能量的去向、能量流入与流出进行了系统分析。经计算该系统能流循环指数0.9709，表明海林农场以沼气为核心的农业循环经济可持续发展能力强，自我维持循环能力水平较高；但是，由于该模式养殖子系统的能量产投比较低，造成整个循环系统的产投比仅为0.0432，反映该系统的末端产品能量高附加值转化水平低；系统有机能与无机能之比值为34.128，表明整个系统属有机生态模式。综合各项指标经分析，该农业循环经济系统有利于该地区生态农业的发展，符合可持续发展要求，是一种适用于北方寒区推广的典型循环农业发展模式。

沼气能源； “牛-沼气-玉米”循环系统； 能流分析； 综合评价

能量是驱动生态系统发展的动力源泉[1]。在地球这个最大的生态圈中，能量每时每刻都在进行着传递、转化、存储，因此能量流动是生态系统的基本功能之一[2]。能流分析方法经过多年不断探索与研究，不仅可以系统评价农业生态系统的结构和功能，而且能客观反映系统各部分间深层次的逻辑关系[3-4]。

近年来，随着农业迅速发展，产生经济与社会效益的同时也产生大量的生物质废弃物，逐渐加重了生态环境的负担[5]。发展以利用生物质废弃物为发酵底物的沼气工程，不仅可以有效削减污染环境的生物质废弃物，同时可产生清洁能源甲烷和其他可再生资源，如沼渣有机肥、沼液叶面肥等[6-7]。2009年，我国仅户用沼气产热值折合就可达1900万吨燃煤所产生的热值，节约了150亿元人民币[8]。目前，厌氧发酵是生物质废弃物资源化利用的最有效方式之一，也是农业生态环境良性发展的重要途径，沼气工程的产业化已成为应用与推广的主要发展模式[9]。然而，在我国北方地区，受低温条件的制约，沼气工程无法规模化发展，因此探索适合北方高寒地区推广应用的沼气发酵技术与模式，对于发展农业生态循环经济具有重要意义[10]。

位于黑龙江省的海林农场继传统农业生产发展模式之后，提出了一种新的以沼气为核心的循环农业发展模式。为了科学评价海林农场以沼气为核心的循环农业发展模式的综合生态效益，研究该循环农业模式的能量流动特征，笔者主要采用Odum[11-13]提出的能流符号语言绘制出详细的海林农场生态系统能流分析图，并采用能流分析方法对海林农场的“牛-沼气-玉米”循环系统各子系统的能量流动特征进行综合分析及系统的评价，旨在探索出最佳能量调控途径，以期为这种循环模式在北方寒地的推广提供理论依据，从而指导绿色、高效的农业生产。

1 研究地区概况

1.1 研究区自然概况

海林农场位于黑龙江省海林市长汀镇附近，地理位置在东经128°47′30″～129°7′30″，北纬44°15′～44°25′，该区面积32万亩，其中耕地面积13.82万亩，人口数量比较少，约7300人，海林农场的气候类型为中纬度大陆性季风气候，无霜期平均在138 d左右，年平均降雨量543.2 mm，年平均气温3.4℃，年日照时数2353.5 h，历年平均积温2643.1℃，年总辐射量1.12×1013kJ[14-15]。

1.2 研究区沼气工程概况

绿源沼气发酵体系不仅是海林农场的沼气工程的示范体系，同时也是北方寒地最大的沼气发酵系统[16]。该工程一期建设于2005年，产气量可达1200～1600 m3·d-1，二期工程建设与2007年，产气量1800 m3·d-1，现年均产沼气可达100万m3左右，极大的提高了地方经济与环境效益[17]。该沼气发酵体系以奶牛养殖场的牛粪为主要发酵底物，或混合废水发酵，详细的运行模式见图1。该模式利用沼气发酵工艺，夏季池体一般采用中温半连续进料方式运行，温度较低的冬季则利用太阳能集热器辅助增温以保证常温半连续发酵体系的稳定运行，由此保证了沼气发酵系统的产气效率及产气质量[18]。另外，规模化沼气站的建立，极大的提高了沼气能源的利用率，产生的沼气供应地区居民生活用气以及为牛场提供电能等，沼渣、沼液通过再培养，作为有机肥用来肥沃土壤[19]。逐步形成物质多级利用、废弃物资源化处理的循环复合生态系统，并形成以沼气为核心的循环经济产业链，实现了当地产业有序、健康的发展，发挥更大的综合效益，同时具有节能、环保，能量利用率高等多个优点[20]。该沼气工程对寒地农村沼气能源的推广、废弃物资源化利用及推进农业循环经济的发展起到了示范效应[18]。

图1 海林农场沼气工程工艺流程图

2 研究方法

2.1 数据收集

研究中用到的所有基础数据来源于笔者所在课题组参加的国家科技支撑计划专题项目调研。

2.2 能流的计算

折能公式：计算各物质的能量，用统一单位焦耳(J)来表示，折能系数参考蓝盛芳[21-24]等研究成果。

Y=KX

(1)

式中：Y为能量值；K为折能系数；X为输入和输出的产品或物质数量。

2.3 数据整理

依据各子系统输入和输出的产品或物质的数量，根据蓝盛芳[21～24]等研究的折能系统，采用折能计算公式(1)，计算出系统各项能量数值(见表1，表2)。

表1 “牛-沼气-玉米”循环系统能量投入表

表2 “牛-沼气-玉米”循环系统能量产出表

2.4 能流图的绘制

根据已计算的系统各项能量数值(见表1，表2)及国外学者Odum[11-13]提出的“能流符号”绘制出详细的海林农场生态系统能流图(见图2)。该图不仅清晰地反映了海林农场“牛-沼气-玉米”循环系统的能量流动去向，还明确了系统中各子系统能量投入与产出的具体数值，为合理优化整个循环系统的能量流动提供依据[25]。

2.5 能流分析方法

笔者主要采用能流循环指数、产投比、光能利用率3个指标对海林农场“牛-沼气-玉米”循环系统的能量流动效率进行系统的分析。

能流循环指数(CREF)：反映农业生态系统内部子元素之间相互作用和能量利用状况，是评价系统抵抗不利自然因素的能力、持续发展能力的重要指标[26]。

CREF=OEI/SEI

(2)

式中：CREF为能流循环指数；OEI为有机能投入量；SEI为人工辅助能的总投入量。

产投比(Theenergyinput-outputratio)：反应系

图2 海林农场生态系统能流分析图(×109 kJ)

统的生产效率[27]。

R=EO/EI

(3)

式中：R为系统产投比；EO为系统能量产出；EI为系统能量投入

光能利用率(Lightutilizationrate)：反映种植业生产效率的重要指标之一[28]。

LUR=E1/E2

(4)

式中：LUR为光能利用率；E1为单位面积作物积累的化学潜能；E2为单位面积的有效辐射能。

3 海林农场循环模式能流分析

依据公式1对折能系数的研究，得出海林循环农业系统的能量情况，各子系统能量投入主要来源于太阳能及人工辅助能，能量产出主要包括经济能与非经济能，本文着重研究该系统的人工辅助能，主要由有机能与无机能组成，具体数值见表1和表2，能量流动方向见图2。

3.1 养殖子系统能量特征分析

该子系统有机能包括饲料、人工、动物幼崽等，无机能包括电力、煤炭、饲用水等；经济能包括牛肉及动物幼崽，非经济能主要为动物粪便。由表1得知，肉牛养殖子系统中，有机能总投入153771.79×109kJ·a-1，无机能总投入4067.0464×109kJ·a-1，分别占子系统总投能的9/10，1/10左右。其中有机能投入的90%以上来自于青贮饲料，玉米面与小麦麸及饲料各占3.18%，4.48%。可见在海林农场肉牛养殖是以青贮秸秆为主，辅以玉米、小麦麸、饲料。其中，0.14%的青贮饲料及20.29%的玉米均由种植业子系统提供，提高了养殖系统的经济效益。产出能中经济能值(肉牛)为1.008×1011kJ·a-1，占子系统总产能的1.47%，以商品的形式通过出售进入市场(见表2)；由表2可知，非经济能值(牛粪)为4801.04×109kJ·a-1，占总产能的70.15%，其中一部分流入沼气工程子系统，一部分作为农家肥投入种植业子系统。种植业中玉米、秸秆对养殖子系统的投入减少了肉牛养殖原料的能量投入，提高了经济收益；沼气工程对肉牛粪便的回收再利用，有效减少了污染物的排放对环境所造成的负担。

由表3，经计算该子系统产投比为0.0311，说明系统能量未得到高效的转化，建议加大肉牛养殖系统产业链下游产品的开发与高附加值产品的研究，提高产投比，进一步提升能量的转化率。能流循环指数为0.9709，较高，说明海林农场的循环农业发展模式稳定性强，种植业、沼气工程与养殖业所构成的循环经济能量结构合理，利用效率较高。

3.2 沼气子系统能量特征分析

由表1知沼气工程子系统中，能量投入全部为有机能，总量为45.825×109kJ·a-1(太阳能未算入其中)；能量产出包括经济能与非经济能，能量总值为 51.4×109kJ·a-1，沼气和沼肥分别占系统产出能的66.54%和33.46%，产生的沼气能源可供应户用电能、取暖等，沼渣、沼液等经过培养加工作为青贮饲料及有机作物种植肥料再次进入循环系统。

由表3可知，系统产投比为1.192，不仅说明系统的生产效率较高，而且表明海林农场沼气工程工艺合理、各设备运行状态良好。沼气系统的稳定运行，不仅可连续供应该地区居民生活用气以及牛场的用电需求，同时有效削减了生物质废弃物，保护生态环境的同时更提高了能量的利用率。

3.3 种植子系统能量特征分析

该系统人工辅助能中的有机能主要包括种子、劳动力、秸秆及沼渣、沼液等，无机能部分包括化肥、农药、机械、柴油等。由表1，能量投入中有机能值为38.77×109kJ·a-1，无机能值为4.4118×1011kJ·a-1，分别占子系统总投能的8.07%，91.93%。在有机能投入中柴油能值占 33.66%，符合海林农场的机械化种植情况，农场不再以传统的人力消耗模式而是采用大型机械进行土地的翻耕、播种、收割、脱粒等。无机能中以氮肥、农药投入为主，说明土壤营养性较差，目前海林农场的部分土地正逐渐施用沼肥、农家肥等。此项措施可逐步改善土壤肥力，有利于土壤的可持续性发展的同时有效提升种植业的经济效益。在产出能中经济能与非经济能分别占总产出能的17.21%和82.79%，非经济能的产出约为总产出的4/5，表明种植业仍以玉米籽粒为主要能值产出。

由表3可知，系统的产投比为3.902，反映出较高的能量产出水平及较高能量转化率。玉米经过再加工与青贮秸秆再次投入到养殖系统，这不仅可增加养殖系统的经济效益，还可提高有机能的转化率。能流循环指数仅为0.002，较低，说明系统的稳定性较差，需要其他能量的投入来维持系统的稳定性。光能利用率仅为0.025%，反映该地区种植的作物对光能的转化率较低，玉米作物的高值转化效能水平差。

表3 不同系统的能量指标分析

注：在计算投能时太阳辐射能未计算其中，故能量产投比会出现大于1的结果。

4 讨论

“牛-沼气-玉米”是海林农业循环经济的一个子系统，通过对子系统能量的有效规划可以实现区域能量利用效率的最大化，系统有机能投入的最低化，生物质废弃物的可控化。蒋碧[29]等在关中平原农田生态系统的研究结果表明：2010～2011年小麦秸秆高留茬-玉米秸秆粉碎还田模式(WH-MC)的能流循环指数为0.76，是当时9种系统中投入能量最多，还田量最大的一种模式。而海林农业“牛-沼气-玉米”循环系统能流循环指数为0.9715，同比提高27.83%。并且多年实践证明，海林农场以沼气为核心的“牛-沼气-玉米”循环系统可持续发展能力强，自我维持能力水平较高，并具有较强的抗灾能力；在养殖子系统中有机能投入占子系统总投入利用的97.09%，表明有机能的投入力度非常大。在种植子系统中，与养殖子系统相反，无机能投入较高，有机能仅占子系统投入的8.07%，而有机能投入的1/3均来自于柴油能量的投入，反映出子系统的农业工业化水平程度较高。肥料大部分来自于沼肥及农家肥，不仅有利于增加系统的经济产出，而且利于改善种植子系统土壤的理化性质，从而为种植子系统的长期可持续发展奠定基础。

海林农场“牛-沼气-玉米”循环系统的产投比仅为0.0432，造成整个系统产投比较低的原因是养殖子系统的产投比太低仅为0.0311，由于养殖子系统的能量投入比重较大，即使种植及沼气子系统的产投比都非常高，平均值依然较低。建议未来应加大养殖子系统下游高附加值产品的研发，将有利于拉动整个系统投能效益的提高。根据高雪松[30]等的研究，成都平原秸秆直接还田生产模式(CFS)的产投比为1.59，而海林农场“牛-沼气-玉米”循环系统的沼气工程子系统中，能量产投比为1.409，二者非常接近，说明系统能量投入较低时，若能保证能量输出量，转化效率依然较高，由此表明沼气工程子系统资源利用状态良好。目前，海林农场部分沼气工程利用太阳能对沼气池进行增温，既缩减了生产投入，又降低了化石能源的使用，并且形成了可以复制和推广的高寒地区大型养殖场工厂化沼气工程运行的成熟技术与模式。种植业子系统能量产投比达到了3.902，是CFS模式产投比的2.45倍，说明种植子系统能量得到了充分利用。

综上，海林农场“牛-沼气-玉米”循环农业发展模式有利于生态环境保护及环境自我修复能力的提高，并实现能量的多级利用，为今后推广以沼气能源为核心的寒区种植业与养殖业的配套模式提供了可靠的工程依据。

5 结论

(1)海林农场“牛-沼气-玉米”循环系统的CREF为0.9715，是2010～2011年关中平原农田生态系统的1.27倍，表明该模式是一种对外界不良因素抵抗力较强，有利于生态农业可持续发展，并且符合循环经济发展原则的生态农业模式。

(2)海林农场“牛-沼气-玉米”循环模式的产投比为0.0432，与成都平原农田CFS模式相比，水平较低。但并不代表整个循环系统的生产率低，种植与沼气子系统的产投比仍然较高，分别为1.192，3.902，这在一定程度上，仍体现“牛-沼气-玉米”循环模式可再生的产业属性。未来加强养殖业下游产品的能值转化率，可实现整个循环系统的能源的高效利用。

(3)海林农场 “牛-沼气-玉米”循环模式是以沼气为核心的循环农业发展模式，对综合治理因畜禽粪便造成的农村污染，改善区域生态环境，优化能源结构方面效果显著。对以沼气能源为核心的寒地生态农业具有一定的示范效应，是一种可在北方寒区大力推广典型的循环经济发展模式。

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The Energy-flow Analysis of Agricultural Circular Economy with the Biogas as the Core in Cold Region /

ZHAO Guang1,2, JI Li-shuang2, GUO Xing2, SUN Ting2, MA Fang1, CHEN Zhong-lin1/

(1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; 2.School of Chemical and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

Taking the Hailin biogas project as an example, the energy flow direction, and the energy input and output of “cattle-biogas-corn” agricultural circular system were analyzed based on energy flow theory, energy circulation index, energy input-output ratio, and the solar energy utilization rate. The results showed that the “cattle-biogas-corn” mode was beneficial to the development of ecological agriculture and conformed to the requirements of sustainable development. According to the calculation, the circulation index of energy flow was 0.9709, which showed a high sustainable development ability and self-maintaining ability. Yet, energy input-output ratio of the entire circulation system was only 0.0432 because of the energy input-output ratio of the breeding subsystem was very low, showing that the system’ terminal product was at the low level for high value energy transfer. The organic energy and inorganic energy ratio of the system was 34.128, showing that the whole system was in an organic ecological pattern.

biogas energy; “cattle-biogas -corn” circular agricultural system; energy flow; comprehensive evaluation

2016-09-04

2016-10-20

项目来源： 中国博士后科学基金(2014M561361)； 辽宁省博士科研启动基金项目(201501124)； 黑龙江垦区“十三五”规划项目(5021609)

赵 光(1980-)，男，副教授，主要研究方向为废弃物资源化利用，E-mail：zhaoguang@lnut.edu.cn 通信作者： 马 放，E-mail: mafang@hit.edu.cn

S216.4

B

1000-1166(2017)01-0093-07