崇明东滩互花米草资源化利用生态工程系统生态经济评价

辛 悦，邹彩瑜，王 磊，刘金娥②，李秀珍

(1.南京师范大学环境学院，江苏 南京 210023；2.生态环境部南京环境科学研究所，江苏 南京 210042；3.华东师范大学河口海岸科学研究院，上海 200241)

互花米草(Spartinaalterniflora)是原产美洲大西洋沿岸的多年生草本植物，出于保滩护岸、促淤造陆的目的，于1979年12月被引入中国[1]。 由于耐盐、耐淹的生理特性和极强的繁殖扩散能力，在抵抗风浪、积累养分、为野生动物提供栖息地、固定二氧化碳、释放氧气、控制污染和净化环境方面提供了重要的生态服务[2-3]。 然而，随着互花米草在我国沿海滩涂的迅速扩张，对一些本地种产生了威胁，对沿海滩涂生物多样性产生了一定影响[4-6]。

崇明东滩湿地是长江口规模最大、发育最完善的河口型潮汐滩涂湿地，是亚太地区水鸟迁徙的重要通道。互花米草入侵崇明东滩盐沼湿地后快速扩张，压缩了土著植物芦苇(Phragmitesaustralis)和海三棱藨草(Scirpusmariqueter)的生长空间，为此政府于2012年12月批准启动了“上海崇明东滩鸟类国家级自然保护区互花米草控制和鸟类栖息地优化工程”，通过修筑围堤从空间上阻断了互花米草扩张途径，并形成了“围、割、淹、晒、种、调”的生态治理方针[7-8]，初步取得了一定成效，但难度大，成本高。互花米草生长迅速，生物量大，植株具有较高的碳水化合物、蛋白质和脂肪储量，可以用作肥料、饵料、燃料、饲料和化工原料等[9-11]。对互花米草的生物质能进行资源化利用，就能化害为利、变废为宝[12]。

能值分析理论是由美国著名生态学家H. T. Odum于20世纪80年代创立的，是可用于定量评估生态经济系统绩效的理论体系，对自然资源的科学评估和合理利用、经济发展方针的制定及生态系统未来的预测，均有指导意义，已广泛应用于各生态系统的评估[13-14]。该文采用能值分析方法对崇明东滩湿地互花米草资源化利用生态工程系统进行评价，通过构建互花米草生长-收割运输-生物矿质液-降脂胶囊-生物炭-护岸材料产业链，定量分析互花米草的生态与经济效益，为进一步利用互花米草提供参考。

1 研究区概况

崇明东滩(31°25′～31°38′ N，121°50′～122°05′ E)位于上海市崇明岛最东端，南北濒临长江入海口，堤外滩涂面积为326 km2，核心区面积为159.92 km2，标高为4.2 m，是我国淤积最快、成陆时间最晚的潮滩湿地之一[15]。崇明东滩自陆向海依次可划分为高、中、低潮滩，潮汐类型属于非正规半日浅海潮，平均潮差为2.40～3.20 m，属于典型的亚热带季风气候区，温和湿润，四季分明，年均温度为15.3 ℃，年均降水量为1 022 mm，主要集中在4—9月，无霜期达229 d，年平均日照时数为2 129.5 h，太阳总辐射量为4 300～4 600 MJ·m-2[16-17]。崇明东滩优势物种主要有互花米草、芦苇和海三棱藨草等，其中，互花米草面积约为15 km2，高度为115～257 m，地上和地下部分生物量分别为1.3和1.9 kg·m-2，总生物量为4.8万t[18-19]。崇明东滩潮间带生物以底栖生物为主，大型底栖动物共83种，丰度为637.83 ind·m-2，生物量为37.30 g·m-2，多样性指数H′、均匀度指数J、Simpson 指数D和丰富度指数d分别为1.97、0.52、0.61和1.83[20]。崇明东滩是候鸟迁徙路线上的重要驿站，已记录到的鸟类有18目54科265种，春季鸟类平均密度为14.60只·hm-2，多样性指数为2.08，均匀度指数为0.49，优势度指数为0.22[21-22]。东滩湿地为多种植物、鱼类和底栖动物等创造了良好的生存环境，也为鸟类提供了充足的食物和适宜的栖息地，维持了较高的物种多样性，具有十分重要的生态价值[23]。

2 数据来源与研究方法

2.1 研究方法

对一个系统中的物流、能流、信息流和价值流进行综合分析就需要统一标准，能值分析将所有形式的能量(资源、燃料、商品、服务等直接或间接能源)都转化为太阳能值来表示，将生态环境系统与人类社会经济系统有机联系起来，定量分析自然和人类经济活动的真实价值。能值转换率是每单位某种类别能量或物质所含能值之量，太阳能值(sej)=原始数据×能值转换率[24]。生态系统的能量来源主要有两类：一类来自于自然界无偿提供的环境资源，包括可更新自然资源(renewable resources，R)和不可更新自然资源(non-renewable resources，N)，前者即阳光、风、雨水和潮汐等，后者主要是土壤有机质的损失；另外一类来自于人类经济活动的反馈，即人类购买资源能值(purchased inputs，F)，包括购买的不可更新资源(purchased non-renewable inputs，FN)和购买的可更新资源(purchased renewable inputs，FR)[25]。主要能值指标如下：

(1)能值产出率(emergy yield ratio，EYR)为系统产出能值与经济反馈能值之比，它是衡量一个生态经济系统产出对外界经济贡献大小的指标。

(2)环境负载率(environmental load ratio，ELR)为不可更新资源投入能值总量与可更新资源投入能值总量之比，它反映一定的经济活动水平下系统所承受的压力。

(3)可持续发展指数(emergy sustainable index，ESI)为能值产出率与环境负载率之比，它能反映系统的可持续发展程度。

2.2 数据获取与计算方法

整个互花米草资源化利用生态工程系统以米草生长为起点，以护岸材料的制备为终点，构建以下6个子系统：(1)米草生长系统：米草在自然界提供的无偿能值下成片生长，发挥了调节空气、植被护堤、土壤沉积物、鸟类多样性和大型底栖动物多样性等生态功能。(2)米草收割运输系统；在每年的台风季节(10—12月)过去后，收割互花米草地上部分进行开发利用。整个收割运输过程的人工成本为575元·hm-2，用小船和拖拉机运输，运输距离为10 km。(3)生物矿质液(BML)提取系统：由南京大学生物技术研究所研制成功的BML是从互花米草中提取的一种无毒具有浓郁甜香味的深棕色黏稠状液体，较多的黄酮类化合物使其具有抗氧化作用和增强免疫力等生物活性，对心血管病具有防治和保健作用。收割的米草运输至工厂后，通过加热浓缩等过程，从米草中提取浓缩BML。(4)降脂胶囊制备系统：将提取的BML和米草粉混合，填充进购买的胶囊壳，制备得到降脂胶囊。(5)残渣制备生物炭系统：提取BML后的互花米草残渣多用于食用菌的培养、蚯蚓的养殖及生物有机肥的制备等[26]。考虑到互花米草秸秆内部呈海绵状，有许多竖直的通气孔，适合对生物炭比表面积、孔容及吸附能力等指标的要求，该研究用米草提取BML后得到的残渣制备高效生物炭，生物炭产出量(以干重计)为0.3 t·t-1，产品售价为2 500元·t-1。已有研究表明它对水体中某些污染物(如镉)的吸附性能远高于市场现有生物炭[27]。(6)护岸材料制备系统：以秸秆生物炭和河道淤泥为原料可制备得到生态型护岸基材，既能合理利用清淤底泥，又能发挥固土护坡功能。向脱水后的河道淤泥中投入互花米草秸秆生物炭，混合后充分搅拌均匀，然后依次添加稳定剂和固化剂并再次搅拌均匀，制备得到淤泥基生物炭多孔材料。

通过文献查阅与实地调查，结合《上海统计年鉴》，收集崇明东滩自然环境、地理条件等数据和互花米草资源化利用工程系统运行过程中与投入产出相关的物质、能量和资金投入等数据。该工程主要能流的原始数据计算方法[28]404-408见附录1[29-35]。

3 结果与分析

3.1 互花米草资源化利用工程的能值效益

互花米草资源化利用工程的能值系统图见图1，能值分析结果见表1[28,35-37]，能值指标计算结果见表2[38]。

该工程所研究的互花米草能值和经济效益对应的互花米草面积为15 km2，时间为1 a。互花米草生长系统反映了在没有人为干扰的情况下互花米草在滩涂自然生长创造的生态效益，潮水的周期性涨落是海岸带盐沼的一个重要特征，互花米草生境具有明显的潮汐作用，输入的可更新环境资源中潮汐能最大。大型底栖动物是盐沼湿地生态系统的重要组成部分，具有最大的能值输出，植被对空气的调节作用也是能值输出的重要部分。整个系统最终得到的产品为降脂胶囊和护岸材料，降脂胶囊制备子系统在所有子系统中具有最大的经济反馈能值投入和能值产出，能值效益达到3.80E+22 sej，高于其他子系统。护岸材料制备子系统的能值效益为8.80E+20 sej，能值产出率最大，表明该系统生产效率最高，经济活力最强。整个系统的能值产出率为28.134，处于较高水平，表明系统经济反馈能值大，经济开发程度高，对自然资源的依赖性低，但较高的社会经济投入强度不可避免地增加了系统的总体环境压力，整个系统的环境负载率达到154.634。当ESI<1时，属于消费型经济，系统进口资源或劳务量在总能值使用量中所占比例较大，环境负载率较大；当ESI值为1～10时，表明经济富有活力和发展潜力；当ESI>10时，则表明经济不发达，意味着对资源的开发利用不够。该研究中总系统ESI值仅为0.182，说明互花米草这一系列高度依赖人为活动的开发利用对环境造成了很大压力，降低了系统的可持续性能。

表1 互花米草资源化利用工程能值分析结果

续表1 Table 1 (Continued)

有关互花米草生长系统的原始数据来源及计算，前文均有所提及。收割运输系统、生物炭制备系统、护岸材料制备系统投入和产出的物质及其原始数据为实地调研所得，BML制备系统、降脂胶囊制备系统的工艺流程及相关的投入产出数据参考LU等[36]的研究。其中，收割运输系统主要考虑人力和能源消耗，其他投入如收割机等未作考虑。能值转换率主要参考蓝盛芳等[28]62-75、LIU等[35]、LU等[36]的研究成果。该文以最新的全球能值基线12.0E+24 sej·a-1作为能值研究的基础，其他能值基线的能值转化率通过基线换算转换成该研究使用的能值转换率[37]。能值-货币价值以美元为单位，采用1美元兑换6.7人民币的汇率，能值/货币比率取4.09E+12 sej·＄-1[36]。

表2 米草资源化利用工程系统能值指标计算结果

3.2 互花米草资源化利用工程的经济效益

将互花米草资源化利用工程的经济指标汇总于表3，可知整个系统的经济净收益为9.64E+09 ＄，其中，降脂胶囊子系统贡献最大，其收益占整个系统的96%。护岸材料制备系统经济产投比最大，为28.55，表明该系统能够以少量社会经济投入获得较高的经济产出，市场化潜力大。上海市2018年GDP为3.27E+12元[39]，若该工程的经济价值可以完全实现，所得效益(6.46E+10元)几乎占上海GDP的2%，可以为当地提供强劲的经济驱动。

表3 互花米草资源化利用工程系统经济指标值

4 讨论

自互花米草引进我国滩涂以来，充分发挥了保滩护堤、促淤造陆的生态功能，但也带来了一系列负面影响，如绞杀土著物种、危害贝类养殖、侵占航道、诱发赤潮等等[40-41]。让互花米草在滩涂自生自灭，不但浪费其巨大的生物资源，也可能会造成米草种群的矮化和退化。互花米草生态工程在发挥互花米草防风消浪作用的基础上，应用生态工程原理对其进行深度开发利用，能更好地发挥其生态和经济效益[42]。

崇明东滩互花米草生长的自然环境能值输入主要包括太阳能、风能、雨水化学能、潮汐能等，接收的自然界输入总能值为1.05E+19 sej，输出总能值为1.79E+20 sej。相关研究表明珠江三角洲各城市湿地生态系统总服务价值在1.20E+20～3.82E+21 sej之间[43]，可知崇明东滩互花米草盐沼湿地在维持生物多样性、调节空气和鸟类栖息等方面创造了较大的生态服务价值。吉丽娜等[44]对崇明东滩湿地2011年服务功能价值进行评估，结果表明其总价值为31.68亿元，供给服务价值和旅游、休闲服务价值所占比例较大。互花米草的生长完全依靠自然资源的投入，对环境没有压力，但也没有面向市场的经济产出，之后几个子系统的加入有效弥补了这方面的经济缺憾，最终整个系统的经济净收益达到9.64E+09 ＄。

表4[35-36,45-49]显示，在相似的海岸(河口)地区，互花米草资源化利用工程系统的经济净收益高出其他生态经济系统几个数量级，水产养殖(鳝鱼、黑鱼、鲈鱼、沙蚕、蛤)[35,45]、河口种植(香蕉、木瓜、石榴、黄皮)[46]和海洋牧场(以渔业为主，分为网箱养殖区、海藻增殖区、贝类底播区、增殖流放区和人工鱼礁区5个功能区)[47]生态系统的经济产投比分别为2.10～2.99、1.82～4.87和7.17～12.11，均低于该系统的产投比(27.78)。表4还显示，海岸生态系统同样依赖社会经济投入，对环境造成压力，种植和养殖业ESI值分别为0.10～0.40和0.04～0.72，略高于该系统ESI值(0.182)，但在可持续性都不高的情况下，该系统具有较强的经济竞争力，经济活力高。互花米草生态工程中BML的提取是相当重要的一环，张晟途等[48]对互花米草进行绿色食品(主要包括BML及总黄酮系列产品)的开发利用，获得了一定的经济效益，且ESI值为4.04(表4)，系统具有良好的可持续性。刘金娥等[49]对互花米草BML进行提取，并在此基础上增加一个增益环，由BML制备降脂胶囊，加环设计使生态系统经济和能值效益增加，笔者研究结果与之一致。随着加工链的延长，系统的社会经济投入强度增大，在经济竞争力提高的同时，环境负荷增大，降低了系统可持续性。LU等[36]设计了7步互花米草增值加工链，并在我国江苏省展开实践，通过互花米草收获-产品运输-生物矿物液体提取-降脂胶囊制备-食用菌栽培基质-蚯蚓饲养-生物有机肥产业链，对互花米草进行逐级利用，年收入为3.66E+06 ＄·hm-2(表4)。笔者研究中15 km2互花米草年收入为9.64E+09 ＄，即 6.43E+06 ＄·hm-2，说明笔者研究中互花米草利用系统具有更大的经济效益。由于该系统高度依赖人为活动，尤其是降脂胶囊子系统中胶囊壳的购买需要大量的经济投入，导致ELR值达到154.634，但相对于整个上海生态经济系统(ELR为311)而言，该系统的环境压力并不高[50]。该系统ESI值仅为0.182，对人工系统的高度依赖和高环境负荷使系统的可持续性不足。为了获得高经济效益，现阶段互花米草的利用方式主要是BML提取和降脂胶囊制备，在此基础上延伸产业链，未来的利用方式可以考虑减少人工投入，更多地依赖自然系统，以尽可能低的经济反馈维持系统的经济收益是未来的主要研究目标。此外，由于EYR值(28.134，表4)较高，该系统的ESI值(0.182)仍然高于LU等[36]研究中的ESI值(0.008，表4)，具有更好的可持续性。

表4 米草资源化利用工程系统与其他相关生态经济系统能值比较

整个生态工程实际运行起来还需要考虑一系列问题，比如互花米草在潮间带生长，不易收获和运输；互花米草中盐分含量较高，容易变湿，不利于互花米草贮藏等[51]。此外，该系统经济效益高，但对降脂胶囊生产系统的依赖度也高，市场波动及消费模式变化会明显影响该生产系统的效益，应深度开发互花米草系列产品，延长产业链，降低对降脂胶囊的依赖性，保证系统能够长久稳定的运行。崇明东滩自然环境相关数据由笔者查阅多篇文献获得，由于各研究时间、地点和方法存在差异，导致对互花米草生长系统各物质能值的输入、输出计算可能有些误差。

5 结论

该文对崇明东滩互花米草进行深度利用和开发，通过延长生态工艺系统产业链，提高了互花米草利用效率，实现了对互花米草由低值化利用到高值化利用的转变。互花米草资源化利用工程的能值和经济效益均高于相似的海岸生态经济系统和其他互花米草生态工程，且在长期运行中是可持续的，具有良好的发展前景。如何减少子系统特别是降脂胶囊子系统的经济投入，降低系统负荷，增加系统活力，是系统优化的关键问题。