基于能值分析的秸秆-羊-田循环系统生产效率与可持续性评估

朱冰莹，董 佳，沈明星，郑建初



基于能值分析的秸秆-羊-田循环系统生产效率与可持续性评估

朱冰莹1，董 佳1，沈明星2，郑建初3※

（1. 南京农业大学人文与社会发展学院，南京 210095；2. 江苏太湖地区农业科学研究所，苏州 215155；3. 江苏省农业科学院循环农业研究中心，南京 210095）

生态循环农业是解决现代规模化养殖污染的有效手段。该文使用能值分析方法，对现代“秸秆-羊-田”循环系统的生产效率与可持续性进行评估。结果表明，与单一湖羊养殖系统相比，“秸秆-羊-田”复合循环系统的能值转换率降低96.09%，表明循环系统大大提高了终端产品的能值利用效率；能值投资率和环境负载率降低程度达67.66%以上，而可持续发展指数明显增加，表明循环系统在生产过程中能够较好地降低环境压力而具有很好的可持续发展潜力；净能值产出率和能值产投比分别降低70.32%和70.43%，表明复合生态循环系统的生产效率和经济效益有所降低，主要是由于生产原材料（豆粕、秸秆等）、基建与设备投入增加造成。因此，需要对其提供的生态服务功能的正外部性进行经济补偿，补偿标准为380.76元/（只·a）。然而，如果对目前的循环生产过程进行优化，理论上能够提高净能值产出率，从而实现对循环系统环境效益的自我补偿。

可持续性；秸秆；循环农业系统；能值评估；生产效率

0 引 言

近年来，畜禽养殖业规模化发展带来巨大的经济效益，同时，也产生了大量的养殖废弃物，对农村生态环境造成了巨大的压力[1]。如何减少废弃物排放而合理有效利用，引起了政府和学术界的广泛关注[2]。基于“减量化、资源化、再循环和可控化”原则的循环经济思想而设计的循环农业模式，被认为是解决畜禽养殖污染的最有效手段之一[3]。2016年和2017年中央一号文件明确提出要“推动种养结合、农牧循环发展”、“大力推行高效生态循环的种养模式”。目前，中国正在尝试实践的循环农业模式可以归为2类：以“沼气”为纽带的“养殖-沼气-作物”循环利用模式[4-6]和以“有机肥”为纽带的“养殖-有机肥-作物”循环利用模式[7]。已有研究主要关注循环模式的工艺设计、污染物减排和沼(有机)肥的田间肥效等方面[6,8-9]。然而，目前，仍然缺乏从生态经济学角度对循环农业模式的生产效率和可持续发展能力的定量分析研究。

能值分析是一种以自然价值为基础，将各种自然资源和社会经济资源转化为太阳能值（emergy）进行研究的方法[10]。该方法克服了目前主流生态经济学手段难以统一生态流和经济流的缺陷，如生命周期评价法主要是针对环境排放和资源利用程度进行定量评价，而缺乏对社会经济效益的评估[11]；价值量评价法仅能对某系统的生态服务的市场价值量进行评价，而不能对生态资产进行评估[12]。然而，能值分析方法可以将不同质的物质、能量和信息等转化为量纲统一的能值，单位为太阳能焦耳（Sej），从而实现了生态流与经济流的对接[13]。目前，已有研究人员将能值分析方法在循环农业评估中进行了初步尝试。例如，钟珍梅等[14]使用能值分析发现，以沼气为纽带的循环农业模式比单纯生猪养殖系统的环境负载率低15.00%，而可持续发展指数提高15.71%。周连第等[11]使用能值分析对京郊密云尖岩村的生物循环模式进行了评估，发现循环系统比各生产环节子系统的能值投资率和环境负载率低，而净能值产出率和可持续发展指数高。

湖羊是太湖平原地区唯一的优良绵羊品种，具有繁殖力强、早期生长快和耐粗饲等优良特点[15]。由于在江南地区长期驯化，适应高湿高热环境和圈养，从而为规模化养殖带来了可能[16]。为了促进当地经济发展，江苏太仓市城厢镇东林村以集体自营方式成立了合作农场，发展以湖羊规模化养殖为核心的“草(秸秆)-羊-田”循环农业产业，具有较大的社会影响力[17]。为了科学评估该循环农业模式的可持续发展能力和生态经济效益，本文使用能值分析方法，研究了该模式现行运作条件下的能值流特征、综合效益和生态补偿标准，并预测了在系统优化条件下的系统产出效率和生态经济效益，以期为该模式的改进与推广提供理论依据。

1 研究材料与方法

1.1 研究对象

东林合作农场位于江苏省太仓市城厢镇（31°25′N，121°05′E），属长江三角洲冲积平原，地处北亚热带南部湿润气候区。城厢镇年平均气温15.3 ℃，年均降水量1 070.3 mm，相对湿度81%，日照1 977.1 h，全年雨日有129.5 d，霜期135 d，霜日49.6 d。东林合作农场成立于2010年，为江苏省首家村级集体自营的合作农场，以发展现代“秸秆-羊-田”循环农业为支柱产业。该循环系统包括湖羊养殖厂、有机肥生产厂、稻麦农田和饲料加工厂4个部分，系统结构如图1所示（虚线部分表示系统边界）。其中，湖羊养殖厂的设计规模为万头出栏量，目前的生产水平为3 000头，分为育肥生产部和良种培育部，总投资3 500万元（包括基础设施、设备、流动资金等），总建筑面积约27 000 m2。有机肥厂占地面积4 100 m2，以湖羊养殖厂产生的羊粪为原料，辅以菌棒、树皮、米糠和稻麦秸秆等，进行生产高效有机肥。配置133.33 hm2高标准农田，以消纳羊粪有机肥。农田生产施行水稻和小麦周年轮作，雇佣18名工人进行集约化生产管理。秸秆饲料加工厂占地1.6 hm2，总投资4 500万元。饲料厂利用发酵稻麦秸秆和豆渣酒糟等农作物废料，经过有益微生物菌剂发酵制作成适合湖羊喂养的饲料。

注：系统边界以虚线表示。

1.2 研究方法

1.2.1 能值分析

能值理论是由美国著名生态学家Odum于1980年代创立[10]。该理论认为，一切自组织系统的运作过程都在直接或间接地利用太阳能，各种物质、能量、信息和经济价值都可通过某一转换系数（transformity，即能值转换系数）转化为太阳能，即能值（emergy；单位为太阳能焦耳：Sej），从而实现了能流、物流和价值流的对接统一。

能值转换系数是能值分析中最为关键的参数之一，表示单位能量的能值含量[11]。本文所用的能值转换系数来自于Odum[18]和蓝盛芳[19]提供的能值分析清单及其他参考文献[20]。本研究中能值转换系数的全球基准能值为15.83×1024Sej/a[18]。

参照周连第等[11]方法，能值投入结构可解析为可更新环境资源能值（）、不可更新环境资源能值（）和购买性经济反馈能值（）3部分各占能值投入总量（）的比例。能值输入结构可解析为不同产品占能值输出总量（）的比例。

1.2.2 能值评价指标

本文选用以下6个指标对现代“秸秆-羊-田”循环系统及其各个子系统进行能值评估：

1）能值投资率（emergy investment ratio，EIR）：为经济反馈能值与环境资源能值的比率，是反映经济发展指标与环境负载程度的指标[11]。EIR值越大，表明对社会经济系统的依赖越强，而其值越小，表明对社会经济系统的依赖较低而对环境资源的依赖较强。计算公式为EIR=/(+)。

2）能值转换率（unit emergy value，UEV）：为系统生产单位产品所需要的能值投入量，是评价系统产品能值利用效率的有效手段，其值越高，表明产品的能值利用效率越低[13]。计算公式为UEV=/，其中，为系统的能值输出总量，为系统产品的能量产出。

3）可更新比率（renewable ratio，F）：反映生产过程中所利用可更新资源的比率[13]。F值越大，表明系统运作更多地依赖于可更新资源的投入。计算公式为F=/，其中，为可更新环境资源能值，为能值投入总量。

4）环境负载率（environmental loading ratio，ELR）：指不可更新能值与可更新能值投入的比率，反映系统生产对周围环境的压力[11]。ELR值越大，表明系统生产过程对环境的压力越大。计算公式为ELR=(+)/。

5）净能值产出率（emergy yield ratio，EYR）：指系统产出能值与购买性能值的比率，是衡量系统产出对经济贡献大小的指标，也能反映系统生产效率[11]。EYR值越大，表明系统的生产效率越高，经济效益越好。计算公式为EYR=/。

6）可持续发展指数（emergy sustainability index，ESI）：指能值产出率EYR与环境负载率ELR的比值，反映系统发展的可持续潜力[11]。计算公式如下：ESI=EYR/ELR。

1.2.3 能值综合效益与生态补偿

本文选用能值产投比反映系统的能值综合效益，即能值产出总量与投入总量的比值。其值越大，表明综合效益越高。借鉴毛德华等[21]的研究方法，本文首先计算出循环系统（RC）与湖羊养殖系统（CK）之间的净能值收益差值（），即=(RC−RC)−(CK−CK)，作为评判是否需要进行生态补偿的依据。如果≤0，表明循环系统提供了较好的生态服务功能（即正外部性），而经济效益受到影响，因此需要受益对象对其进行补偿；如果>0，表明循环系统具有很好的经济效益，能够实现自我补偿而无需受益对象进行生态补偿。其次，如果需要进行生态补偿，将净能值收益差值作为补偿额度，通过能值/货币比率，将其转化为经济补偿标准。某一地区的能值/货币比率（，Sej/元）的计算公式为=/GNP[21]，其中，为某一特定区域全年的总能值投入，GNP为某一地区的全年国民生产总值。依据《2017年江苏省统计年鉴》提供的2016年江苏省各项社会、经济投入与产出数据和Odum[18]和蓝盛芳等[19]提供的能值转化系数，经转化并计算获得。经核算，2017年江苏省的能值投入总量为3.41×1024Sej，而当年的GNP为6.51×1011元。因此，3.41×1024Sej/6.51×1011元=5.24×1012Sej/元。

1.2.4 系统优化及综合评估

本文所研究的现代“秸秆-羊-田”循环系统各环节的配置主要来源于当地农民的生产经验，缺乏相应的科学依据，因此，具有进一步优化的空间。羊粪有机肥还田量是该循环系统的关键环节，决定着养殖规模与农田产出。还田量不足会导致土壤肥力不够，影响作物产量；还田量过高，依然会对作物生产造成负面影响。目前，该系统运作是以1 t羊粪有机肥/亩用量，并配合化肥，且仅在稻季施用，达不到“闭合循环”的设计初衷。本文依据钱俊熹[22]的研究结果，羊粪有机肥最佳承载量为水稻季84.30 t/hm2，小麦季64.80 t/hm2，且对应的水稻产量为12.16 t/hm2，小麦产量为5.30 t/hm2。由于当初建立的湖羊养殖场、有机肥堆肥生产设备及饲料加工生产设备都具有较大的生产能力，目前的生产水平远没有达到生产上限。因此，基于农田最佳羊粪有机肥承载量，以扩大生产规模为目标进行系统优化。优化参数如下：系统配置133.33 hm2稻麦两熟制农田，两季作物需施入羊粪有机肥(84.30+64.80) t/hm2×133.33 hm2=19 880 t/a，不需施用化肥；据估算，每只湖羊在养殖期间产生湿粪约为1 000 kg，粪便系数设为0.667[23]，因此，为满足有机肥供应，需养殖湖羊19 880×1 000 kg/(1000 kg×0.667)= 29 805只（出栏量）；每只湖羊在养殖期间需要消耗饲料约830 kg，因此，为满足湖羊生产要求，需饲料29 805只×830 kg/只=24 852 t；生产1 t饲料需要投入0.76 t秸秆和0.07 t豆粕，因此，饲料生产需要购入1764 t豆粕和18 916 t秸秆。

基于优化系统的相关数据，估算出能值投资率、能值转换率、可更新比率、环境负载率、净能值产出率和可持续发展指数；并估算出净能值效益，进一步与单一湖羊养殖系统比较，计算出净能值收益差异，以确定生态补偿标准是否有所变化。

1.3 数据采集

课题组于2018年3月对苏州城厢镇东林村的现代“秸秆-羊-田”循环系统进行了详细调研。调研采用半结构式访谈形式，对村委会及各子系统负责人进行详细咨询。调研之前，分别对4个子系统的投入与产出情况列出详细提纲。其中，湖羊养殖系统的调研数据包括：养殖规模、厂区面积、饲料、疫苗、电力、人工、用水及肉羊出栏量、羊粪产量等。有机堆肥系统的调研数据包括：基建及设备投入、电力、人工、柴油和有机肥产量等项目。农田生产系统的调研数据包括：种植面积、种子、机械、农药、人工、用水、柴油、秸秆及籽粒产量等。饲料生产系统的调研数据包括：基建与设备、电力、人工、原材料（如豆粕、秸秆和菌剂等）。同时，也调研了各种设备的使用年限，以计算折旧费用。借鉴陈阜[24]和王小龙等[13]提供的折能系数，将各种物资与劳务进行能量转化；太阳能、风能和降雨能等环境资源的能量投入依据郭媛等[25]、关颖慧[26]和Chen等[27]的研究方法进行估算，分别如下：

太阳能：根据郭媛等[25]对1960−2007年间长江流域太阳辐射变化的研究结果，本研究取50 a来长江流域太阳辐射的最大值4.42×109J/(m2·a)，反射率为20%。辐射面积为(m2)，时间为12个月。因此，进入各子系统的太阳能估算=4.42×109×(1−20%)×。

雨水化学能：根据关颖慧[26]的研究结果，长江流域年平均降雨量为1 067 mm。水密度=1 000.00 kg/m3，吉布斯自由能=4 940 J/kg。因此，进入系统的雨水化学能估算=1.067××1 000×4 940。

风能：风能的计算公式如下[27]：风能(J)=风阻系数×空气密度(kg/m3)×面积(m2)×(风速(m/s))3×时间(s)/2。其中，风阻系数=0.002，适气密度=1.23 kg/m3，研究地点的平均风速=1.70 m/s。

2 结果与分析

2.1 能值投入与输出结构

湖羊养殖子系统、有机堆肥子系统、农田生产子系统与饲料生产子系统的能值输入与输出见表1～表5。各子系统的能值投入包括可更新环境资源、不可更新环境资源及购买性经济资源；能值输出包括系统的主产品和副产物。

湖羊养殖系统的能值投入与产出见表1。其中，可更新环境资源能值投入为2.33×1012Sej，占比<0.01%；不可更新本地资源投入为9.68×1015Sej，占比0.24%；购买性经济资源能值投入为4.03×1018Sej，占比为99.76%。购买性能值输入主要为饲料和人力投入，分别占84.22%和10.06%。系统能值输出总量为2.65×1019Sej，包括肉羊和羊粪，分别占比为17.70%和82.30%。

有机堆肥系统的能值投入与产出见表2。其中，可更新环境资源投入能值为7.69×1012Sej，占比<0.01%；购买性经济资源能值投入为2.44×1019Sej，占比>99.90%。有机肥生产所需原料占购买性能值的比例最大，即羊粪与秸秆，分别为89.31%和8.81%。系统能值输出总量为2.06×1019Sej，包括用于循环系统内销的有机肥和销往市场的有机肥2部分，分别占比50.00%。

农田生产子系统的能值投入与产出见表3。其中，可更新环境资源投入能值为1.12×1017Sej，占比为6.16%；不可更新环境资源能值投入为7.06×1015Sej，占比为0.38%；购买性经济资源能值投入为1.46×1018Sej，占比为93.46%。化肥、人力、电力、机械和柴油能值投入为购买性能值的主要来源，分别占比33.60%、26.86%、15.99%、12.78%和8.61%。系统能值总输出量为2.57×1018Sej，包括籽粒和秸秆2部分，分别占比54.08%和45.91%。

饲料加工子系统的能值投入与产出见表4。其中，可更新环境资源能值投入为1.95×1013Sej，占比<0.01%；购买性经济资源能值投入为1.23×1019Sej，占比>99.99%。豆粕和秸秆是购买性能值的两大主要来源，分别占比20.31%和50.32%。系统能值总输出量为2.11×1019Sej，产品为饲料，其中用于湖羊养殖系统自销部分占比16.13%，而外销进入市场占比为83.87%。

以养殖-堆肥-农田-饲料为生产环节的复合循环系统的能值投入与输出如下：可更新环境资源投入能值为1.13×1017Sej，占比0.64%；不可更新环境资源能值投入为1.67×1016Sej，占比0.10%；购买性经济资源能值投入为1.74×1019Sej，占比为99.26%。秸秆（堆肥生产）、豆粕（饲料加工）和基建与设备（堆肥与饲料生产）为购买性能值的主要输入项，分别占比53.05%、14.26%和13.93%。复合循环系统的能值输出总量为3.40×1019Sej，主要为进入市场的终端产品，包括肉羊、有机肥、稻麦籽粒及饲料，分别占比13.78%、30.17%、4.09%和51.96%。

表1 湖羊养殖子系统能值分析

表2 有机堆肥子系统能值分析

表3 农田生产子系统能值分析

表4 饲料加工子系统能值分析

2.2 能值评价指标分析

现代“秸秆-羊-田”复合生态循环系统及各子系统的能值评价指标如表5所示。

1）能值投资率

能值投资率是反映经济发展程度的指标，其值越高，表明对市场的依赖程度越大。与湖羊养殖系统相比，复合循环系统的能值投资率低67.66%，其主要原因为饲料加工系统可以为湖羊养殖系统提供全部饲料，而不再需要从市场购入。有机堆肥系统和饲料加工系统表现出较大的能值投资率，这主要是由于二者作为独立生产系统需从市场购入全部生产资料。农田生产系统具有较低的能值投资率，主要是由于稻麦生产需要本地环境资源（如光、热、水等）占有较大比例。

2）能值转换率

能值转换率是反映系统产品能值利用效率的指标，其值越高，表明能值利用效率越低。与湖羊养殖系统相比，复合循环系统的能值转换率低96.09%，主要是由于循环系统充分利用了各子系统产生的废弃能值，从而提高了能值利用效率。有机堆肥系统和饲料加工系统也具有较高的能值转化率，表明，二者作为单一系统进行考虑，其能值利用效率很低。与复合系统和其他子系统相比，农田生产系统的能值转化率最低。表明种植业生产的能值利用率较高，主要是由于大田作物对本地自然资源的依赖程度较大，且转化效率较高。

3）可更新比率

可更新比率是分析系统驱动力来源的方法，其值越高，表明系统的运转对可更新资源的依赖程度越大。结果显示，复合循环系统的可更新比率远远高于湖羊养殖系统、有机堆肥系统和饲料加工系统，而低于农田生产系统。表明，复合循环系统对可更新资源的利用要远高于湖羊养殖系统、有机堆肥系统和饲料加工系统。农田生产系统的可更新比率较高是由于作物生产必须依赖于光、热等可更新资源。然而，各个系统可更新比率的绝对值较低，表明，可更新资源能值投入在能值总投入中所占的比例较低。

4）环境负载率

环境负载率反映系统生产对周围环境造成的压力，其值越高，表明对环境造成的负面影响越大。一般情况下，环境负载率小于2表示系统生产具有较小的环境压力[28]。结果显示，各子系统的环境负载率都远大于2，表明如果单独进行生产，均会对周围环境产生较大的负面影响。然而，复合循环系统的环境负载率远小于2，表明，通过将各子系统组合在一起，连通上下游形成闭合系统，将各自产生的废弃物资源化循环利用，从而可以大大降低系统生产对环境造成的不良影响。

5）净能值产出率

净能值产出率反映系统的生产效率和经济效益，其值越高，表明系统的生产效率越高，经济效益越好。与单一湖羊养殖系统相比，复合循环系统的净能值产出率低70.32%，而明显高于有机堆肥系统、农田生产系统和饲料加工系统，表明，由于增加了有机肥、种植业和饲料加工等环节的工程及设备成本，导致循环系统生产效益降低。

6）可持续发展指数

可持续发展指数反映某一系统的可持续发展潜力，其值越高，表明系统的可持续发展潜力越大。一般情况下，可持续发展指数小于1，表明系统高度依赖外界市场的资源输入，因而可持续发展潜力较差；可持续发展指数在1～10之间，表明系统的活力较高，对外界市场资源具有一定依赖而对自身资源循环利用的依赖程度较大，因而具有较大发展潜力；可持续发展指数大于10，表明系统几乎不从外界市场获取资源，仅通过自身资源循环利用即可实现持续运作，因而具有很强的可持续发展潜力[29]。本文结果显示，各个子系统的可持续发展指数均远小于1，而复合循环系统远大于10，表明各个子系统单独进行运作生产时，可持续生产潜力很低，而将其组合形成复合闭环系统，具有很大的可持续发展潜力。

表5 能值评价指标

2.3 能值综合效益与生态补偿

首先，以能值产投比来反映各系统的能值综合效益。湖羊养殖系统、有机堆肥系统、农田生产系统和饲料加工系统的能值产投比分别为6.56，0.84，1.41和1.71，而复合循环系统的能值产投比为1.94。能值产投比降低70.43%。表明，与单一湖羊养殖系统相比，复合循环系统的能值综合效益明显降低。

其次，计算净能值收益。湖羊养殖系统、有机堆肥系统、农田生产系统和饲料加工系统的净能值收益分别为2.24×1019、−3.88×1018、7.45×1017和8.78×1018Sej，而复合循环系统的净能值收益为1.65×1019Sej，表明，与单一湖羊养殖系统相比，复合循环系统的净能值收益有所降低，差值为5.98×1018Sej。此外，有机堆肥系统的净能值收益为负值，表明，如果该系统进行单独运作，将会具有较差的综合效益。

最后，能值产投比和净能值收益均表明，复合循环系统的能值综合效益确实有所降低，需要进行生态补偿。本文以复合循环系统与湖羊养殖系统的净能值收益差异为补偿标准进行补偿。经核算，江苏省的能值/货币比率为5.24×1012Sej/元，将净能值收益差异转化为经济补偿标准，即每只羊（出栏）380.76元/年。

2.4 系统优化与综合评估

与现行“秸秆-羊-田”循环系统相比，系统优化后的能值投资率降低6.26%（表5），表明优化系统对市场的依赖程度降低。这主要是优化系统全部施用系统自身生产的羊粪有机肥，而不施用化肥。优化系统的净能值产出率提高了49.23%（表5），表明，系统优化后经济效益明显提高。系统优化后的环境负载率为0.15（表5），其值虽然大于系统优化前，但是远小于2，表明优化系统对周围的环境压力依然很小。优化系统的可持续发展指数为19.93（表5），大于10，表明优化后的循环系统具有更好的闭合循环能力和可持续发展潜力。

优化系统的净能值收益为2.54×1019Sej，比湖羊养殖系统的净能值收益高出3.00×1018Sej，即净收益差异＞0，表明，优化后的循环系统具有更好的经济效益，能够对其提供的生态系统服务功能的正外部性进行自我补偿，而不需要从受益方获得专门的生态补偿以弥补经济效益损失。

3 讨 论

随着养殖规模化不断增加，养殖废弃物污染问题愈发严重[1]。基于“资源化循环利用”思想的循环农业正是解决养殖污染问题的重要手段[3]。本文研究结果显示，与湖羊养殖系统相比，通过引入有机堆肥、农田生产和饲料加工等环节，生态循环系统不但有效地处理了养殖废弃物污染问题，还能生产一些多余的产品，如有机肥、饲料等进入市场而获得收益，从而大大降低了环境负载率而提高了可持续发展指数。前人研究表明，环境负载率低于2，表明对周围的环境压力较小[28]。本文发现，湖羊养殖、有机堆肥、农田生产和饲料加工等几个子系统的环境负载率都远高于2，表明，如果这些子系统单独进行生产，都会对环境造成较大的负面影响。只有将几个子系统设计为首尾衔接的闭合复合循环系统，环境负载率才能达到低于2的标准。本研究中，生态循环系统的环境负载率远远低于2，主要是因为该系统几乎将各子系统产生的废弃物如羊粪、秸秆全部资源化有效利用，排出系统外的废弃物很少，从而减轻了环境压力。此外，Ulgiati等[29]指出，可持续发展指数介于1～10之间，表明系统具有很好的发展潜力。本研究中，各子系统的可持续发展指数均远小于1，而复合循环系统的可持续发展指数远大于10，表明，整合了湖羊养殖、有机堆肥、农田生产和饲料加工的现代“秸秆-羊-田”复合生态循环系统具有很好的可持续发展潜力。

然而，本研究也发现，为了有效处理湖羊养殖产生的废弃物（羊粪）污染问题而设计的生态循环系统，尽管自身可以盈利（能值净效益>0），但是，与单一养殖系统相比，由于外购原材料（豆粕、秸秆）及基建与设备投入增加，导致其能值综合效益明显降低（净能值产出率降低70.36%，净能值收益降低5.98×1018Sej）。表明，现代“秸秆-羊-田”生态循环系统在提高环境效益的同时降低了经济效益。因此，应该对其提供的生态系统服务功能（降低养殖污染而优化农业生产环境）的正外部性进行生态补偿，以激励该生态循环模式的生产实践者的积极性，从而确保该系统长期可持续运行。然而，目前关于生态补偿标准估算的环境经济学方法如条件估值法、意愿调查法和机会成本法等均存在一定的主观性和片面性，并且难以统一核算生态流和经济流。基于能值与生态环境价值和市场经济价值的可转换性，本文借鉴毛德华等[21]的研究方法，对能值收益差异进行补偿，以单一的湖羊养殖系统为对照，成功估算出现行“秸秆-羊-田”生态循环系统的生态补偿标准为每只羊（出栏）380.76元/年。这一研究方法及研究结果对相关农村环境经济政策的制定具有重要借鉴意义。

尽管本文研究结果表明现代“秸秆-羊-田”生态循环模式具有很好的环境效益与可持续发展潜力，然而，该系统在相关环节的配置方面主要还是依据农业生产经验而缺乏科学依据，导致一些生产性原材料难以自给而需要外购。例如，系统配置了2 000亩（133 hm2）稻麦两熟制农田，而农田产生的秸秆难以满足有机肥和饲料生产，需要从外界购入。同时，有机肥的配施只在水稻季进行，其用量（1 t/667 m2）并没有科学依据，导致系统产生的有机肥并不能自身全部消耗而需要外销进入市场。本文依据钱俊熹[22]关于东林村农田羊粪最大承载量的研究结果，在理论上对该系统进行了优化。结果表明，优化系统明显提高了净能值产出率，并且具有很好的能值收益，而不需要进行生态补偿即可实现可持续运作。然而，我们也注意到，钱俊熹的研究结果是基于短期试验，农田是否可以连年承载如此高的羊粪投入量，还需要进一步试验验证。因此，关于优化系统可以实现自我补偿的论断只是一种理论可能，实际情况需要长期试验提供数据支撑。

4 结 论

与单一湖羊养殖系统相比，“秸秆-羊-田”复合循环系统的能值转换率降低96.09%，表明循环系统大大提高了终端产品的能值利用效率；能值投资率和环境负载率降低程度达67.66%以上，而可持续发展指数明显增加，表明循环系统在生产过程中能够较好地降低环境压力而具有很好的可持续发展潜力；净能值产出率和能值产投比分别降低70.32%和70.43%，表明复合生态循环系统的生产效率和经济效益有所降低，主要是由于生产原材料（豆粕、秸秆等）、基建与设备投入增加造成。因此，需要对其提供的生态服务功能的正外部性进行经济补偿，补偿标准为380.76元/（只·a）。

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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

江苏省农业科技自主创新资金重点项目 (CX(16)1003-13)

朱冰莹，博士，讲师，主要研究方向为农村与区域可持续发展。Email：zby@njau.edu.cn

郑建初，研究员，研究方向为循环农业。Email：zjc@jaas.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.06.029

S9

A

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

朱冰莹，董 佳，沈明星，郑建初. 基于能值分析的秸秆-羊-田循环系统生产效率与可持续性评估[J]. 农业工程学报，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