有机农场循环型农业系统的能值分析.ppt

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1、有机农场循环型农业有机农场循环型农业系统的能值分析系统的能值分析能值分析是以同一客观标准太阳能值，来衡量不同类别不同能质的能量所拥有的真实价值和数量关系的方法。应用能值分析方法，把生态环境系统和人类社会经济系统结合起来，定量地分析系统中自然资源和人类投入对系统的贡献，通过对系统中的能量流、物质流、货币流、信息流的能值转换，为资源的合理利用、经济发展方针的制定提供了一个重要的度量标准。研究地区概况 研究地点绿草荡有机农场位于扬州市宝应县西安丰镇（东经119 o20/，北纬33 o10/），有机水稻种植面积30hm2，地势平坦，土壤7.0-7.5，有机质1.5-2.0%，气候温和湿润，四季分明，日

2、照充足，雨水充沛，呈北亚热带季风性湿润气候特征，适合水稻的生长。平均全年日照数2080h，常年平均气温14.4，最冷月(1月)均温2.6，最热月(7月)均温 26.4，无霜期220d，10积温为2483,年平均降雨量966mm，年均太阳辐射约465KJ/cm2。研究方法在绿草荡有机农场选取典型的循环农业生产模式，以一个完整的生产年度为界限，对2005-2006年度有机水稻生产过程中各种投入、产出进行详细的记录，并加以计算。农业生产流程图农业生产流程图05年9月下旬水稻收割前播种绿肥紫云英，10月中旬开始收割水稻，至06年4月上旬翻耕绿肥，5月中旬开始水稻播种育秧，6月中旬移栽，移栽20天后开始

3、放鸭下田，直至8月中旬水稻孕穗期为止，10月中旬开始收割水稻。收割后水稻秸秆一部分还田，另一部分加工成饲料喂养鸭子，再把鸭粪收集添加到猪饲料中喂猪，最后收集猪粪在发酵池中进行发酵，通过三相分离的技术产生沼气、沼液和沼渣，沼气作为一种清洁能源以供农民的生产、生活之用，沼液作为农药的替代品能够有效的防治水稻的虫害，而沼渣则作为一种有机肥还田用来保持土壤的肥力水平。全年的生产过程中不使用任何化学合成的农药、化肥等农用化学品，通过施加绿肥、有机肥和秸秆还田等措施来培肥土壤，通过稻鸭共作以及使用植物源和生物农药来防治病虫草害发生。能值分析 通过调研绿草荡有机农场05-06年度的投入和产出数据，并收集当地

4、相关的气象数据，绘制出绿草荡有机农场的能量系统图。1:绿肥种植,2:水稻种植,3:鸭养殖,4:猪养殖 绿草荡有机农场能值系统图解绿草荡有机农场能值系统图解 由上图所示，不仅可以看出整个系统的能值输入与能值输出，也可以看出系统内部的能值流动。绿肥固氮产生的能值全部提供给水稻的种植与生长，并没有能值产出进入市场；水稻生产稻谷作为进入市场的产出能值，水稻秸秆通过粉碎，一部分还田给下一季度绿肥生长提供能值，另一部分经过加工添加到鸭子和猪的饲料中用来养殖鸭子和猪；养鸭则通过鸭子食用稻田的杂草、捕食田间的害虫获得能值，通过排除粪便等向稻田输入能值，并且鸭棚里的鸭粪还经过加工添加到猪饲料中；最后收集猪粪在发

5、酵池中进行发酵，通过三相分离的技术产生沼气、沼液和沼渣，沼气是清洁能源，沼液用来防治水稻虫害，沼渣用来还田增强土壤肥力。在能值分析表中依次列出项目编号和名称、原始数据、能值转换率、太阳能值和宏观经济价值，计算：可更新自然资源能值（R）不可更新自然资源能值（N）不可更新工业辅助能值(F)可更新有机能值(R1)系统反馈的能值(R0)系统的总投入能值(T)系统的产出能值(Y)，可更新环境资源（R）(1)太阳能1.02E+1611.02E+162.02E+03(2)风能1.57E+126631.04E+152.06E+02(3)河流势能1.89E+12154442.92E+165.78E+03(4)雨

6、水化学和势能1.12E+1288889.95E+151.97E+03(5)地球旋转能5.39E+11290001.56E+163.09E+03小计2.92E+165.78E+03不可更新环境资源（N）(6)表土层净损失7.59E+11625004.74E+169.39E+03小计4.74E+169.39E+03不可更新工业辅助能（F）(7)机械6.53E+03$75000003.30E+166.53E+03(8)燃油5.10E+10660003.37E+156.66E+02(9)电力1.28E+111590002.04E+164.03E+03(10)有机肥1.95E+10660001.29E+

7、152.55E+02小计5.80E+161.15E+04项目和项目编号原始数据(J)能值转换率（sej/J）太阳能值(sej)宏观经济价值(US$)项目和项目编号原始数据(J)能值转换率（sej/J）太阳能值(sej)宏观经济价值(US$)可更新的有机能（R1）(11)人力与管理1.31E+113800004.98E+169.86E+03(12)有机肥8.96E+082700002.42E+144.79E+01(13)种子5.97E+10660003.94E+157.80E+02(14)鸭苗5.42E+081.70E+069.21E+141.82E+02(15)饲料1.66E+118.30E+

8、041.38E+162.73E+03小计7.38E+161.46E+04 系统反馈能量(R0)(16)秸秆8.31E+109.50E+047.89E+151.56E+03(17)绿肥1.52E+119.50E+041.44E+162.86E+03小计2.23E+164.42E+03 总投入（T）2.31E+174.57E+04 产出（Y）(18)水稻2.52E+128.30E+042.09E+174.14E+04(19)鸭子6.33E+0917100001.08E+162.14E+03(20)猪5.34E+0919800002.70E+165.35E+03(21)沼气1.02E+1223000

9、2.34E+164.64E+03 总产出2.42E+175.36E+04上表相关说明：可更新环境资源（R）包括太阳能、风能、河流势能、雨水化学能、雨水势能和地球旋转能，根据试验所在地的年均太阳能辐射量和年均降雨量计算，但由于太阳能、风能、河流势能、雨水化学能、雨水势能和地球旋转能都具有相同来源，仅取数值最大者河流势能以免重复计算。第(6)项表土层净损失以整个有机农场每年水土流失的N为68.0kg/hm2进行估算，土壤全N为0.139%，有机质含量为2.28%,整个农场的表土层净损失估算为68.0kg/hm2*30 hm2/0.139%*2.28%*5400kcal/kg*4186J/kcal=

10、7.59E+11J。其余各项则是根据农场全年生产的记录数据，参考能值理论的相关公式进行计算。主要能值指标(1)能值自给率(ESR)=环境的无偿能值(R+N)/总投入能值(T);(2)能值投资率(EIR)=经济的反馈能值(F+R1)/环境的无偿能值(R+N);(3)净能值产出率(EYR)=系统产出能值(Y)/经济的反馈能值(F+R1);(4)环境负载率(ELR)=系统不可更新能值总量(F+N)/可更新能值总量(R+R1+R2);(5)能值可持续指标(ESI)=净能值产出率(NEY)/环境负载率(ELR);(6)系统产出能值反馈率（FYE）=系统产出能值反馈量(R2)/经济的反馈能值(F+R1);

11、(7)能值/环境可持续指标(E/ESI)=能值自给率(ESR)*净能值产出率(EYR)/环境负载率(ELR);第(7)条指标能值/环境可持续指标(E/ESI)为本文设立的新能值指标，定义为能值自给率(ESR)和净能值产出率(EYR)的乘积与环境负载率(ELR)的比值。能值自给率(ESR)表征系统的自组织能力，ESR越高说明系统的自组织能力越强；净能值产出率(EYR)表征系统的能值效益，EYR越高说明系统的能值效益越高；环境负载率(ELR)表征系统对环境的压力，ELR越高说明系统对环境的压力越大。能值/环境可持续指标(E/ESI)则是表征系统在能值效益、对环境的压力和系统自组织能力3个方面的一个

12、综合指标，E/ESI越高则说明系统的自组织能力越强、能值效益越高、对环境的压力越小，进而说明了系统的可持续发展能力越强。指标项表达式数值I数值II数值III能值自给率(ESR)Emergy self-supporting ratio(R+N)/T0.320.340.19能值投资率(EIR)Emergy investment ratio(F+R1)/(R+N)1.521.714.26净能值产出率(EYR)Emergy yield ratio Y/(F+R1)2.041.821.16环境负载率(ELR)Environmental loading ratio(F+N)/(R+R1+R0)0.840.

13、874.75能值可持续指标(ESI)Emergy-based sustainable index EYR/ELR2.432.090.24系统产出能值的反馈率(FYE)feedback ratio of yield emergyR0/(F+R1)0.170.140.01能值/环境可持续指标(E/ESI)Emergy/Environment sustainable indexESR*EYR/ELR0.780.710.05数值I各项指标是笔者所调研的宝应县绿草荡有机农场循环型农业系统的能值分析的指标数据；数值II是上海市崇明岛跃进农场稻鸭共作模式下有机水稻生产系统的指标数据；数值III是上海市崇明岛

14、跃进农场常规非有机水稻生产系统的指标数据。数值II与数值III由国家环保总局南京环境科学研究所席运官研究员提供。通过把宝应县绿草荡有机农场循环型农业生产系统的能值分析的指标数据（2005年）和上海市崇明岛跃进农场常规非有机水稻生产系统的指标数据（2003年）相对比，可以看出有机循环农业生产系统的能值效益、可持续发展能力和系统自组织能力明显高于常规农业生产系统，并且有机循环农业生产系统对环境的压力明显低于常规农业生产系统，具体分析比较如下：(1)绿草荡有机农场循环型农业系统的能值自给率（ESR）为0.32，高于常规农业生产系统。说明采用循环农业模式的水稻生产系统的自我维持的能力高于常规农业生产系

15、统,由于采用有机生产方式，不施用化学肥料，而通过种植绿肥紫云英以及水稻秸秆还田、鸭粪猪粪发酵后还田等措施来保持土壤的肥力水平，整个农场全年只是施用了少量的有机肥，使总投入能值明显降低。(2)绿草荡有机农场循环型农业系统的能值投资率(EIR)为1.52，低于常规农业生产系统。表明采用循环农业模式的水稻生产系统的经济投资率低，需要购买的能值少，因此理论上绿草荡有机农场生产的水稻的产品竞争力应高于常规农场采用非循环模式生产的水稻。(3)绿草荡有机农场循环型农业系统的净能值产出率(EYR)为2.04，高于常规农业生产系统。说明采用循环农业模式的水稻生产系统的能值利用效率高于常规农业生产系统，能够产生更

16、高的经济效益。(4)绿草荡有机农场循环型农业系统的环境负载率(ELR)为0.84，明显低于常规农业生产系统。充分显示出循环农业生产系统以可再生能源投入为主的生产特征和对环境负荷小的优势，而常规农业生产系统以投入不可再生资源为主，生产过程中存在高强度的能值利用，对环境的压力较高。(5)绿草荡有机农场循环型农业系统的能值可持续指标(ESI)为2.43，明显高于常规农业生产系统。说明采用循环农业模式的水稻生产系统是一种可持续发展的农业生产系统，系统的产出能值反馈量大，自组织能力高。相反常规的农业生产系统过度依赖化肥和杀虫剂、除草剂的施用，是一种高资源消耗型的生产系统，并且对于自然环境不可避免的产生破

17、坏，是一种非可持续性的生产系统。(6)绿草荡有机农场循环型农业系统的系统产出能值的反馈率（FYE）为0.17，高于常规农业生产系统。说明采用循环农业模式的水稻生产系统的系统产出能值反馈量大，自组织能力远高于常规农业生产系统。(7)绿草荡有机农场循环型农业系统的能值/环境可持续指标(E/ESI)为0.78，远远高于常规农业生产系统。说明采用循环农业模式的水稻生产系统是一种更具有优势的农业生产系统，在能值效益、对环境的压力、可持续发展能力和系统自组织能力方面比常规农业生产系统有着明显的综合优势。绿草荡有机农场循环型农业系统采用的是稻鸭猪的循环型农业生产模式，而上海市崇明岛跃进农场的有机水稻生产则是

18、采用了稻鸭共作的模式。虽然2种模式都具有较高的能值效益、可持续发展能力和系统自组织能力并且都有利于环境的保护，但是稻鸭猪模式还是略优于稻鸭共作的模式，具体分析为以下几点：(1)稻鸭猪模式的能值自给率（ESR）和能值投资率(EIR)分别为0.32和1.52，而稻鸭共作模式分别为0.34和1.71。可以看出2种模式的ESR基本相当，说明两者具有相近的自我维持的能力，由于2种模式都采用有机生产方式，并且通过种植绿肥紫云英以及水稻秸秆还田、鸭粪还田等措施来保持土壤的肥力水平，整个农场全年只是施用了少量的有机肥而完全不施用化学肥料，所以都具有较低的总投入能值。稻鸭猪模式的EIR要低于稻鸭共作模式，说明稻

19、鸭猪模式购买的能值更少，并且经济投资率更高。笔者分析主要是由于稻鸭猪模式比稻鸭共作模式在能值的循环中多了一个猪养殖的环节。由于鸭子等禽类消化道短等缘故，不能完全吸收食物中的养分，因此把鸭粪加工处理添加到猪饲料中，再把猪粪收集于发酵池中进行发酵，通过三相分离的技术产生沼气、沼液和沼渣，则可以最大程度的利用系统中的能值。(2)稻鸭猪模式的净能值产出率(EYR)和系统产出能值的反馈率（FYE）分别为2.04和0.17，而稻鸭共作模式分别为0.82和0.14。可以看出2种模式的FYE基本相当，说明2种模式的系统产出能值反馈量相近，两者都具有较高的自组织能力。由于2种模式都是循环的农业生产系统，系统内的

20、能值沿着循环链传递，环链内某一生产环节产生的能值都能传递给其它环节而充分利用，因此系统产出能值反馈量高。稻鸭猪模式的EYR 高于稻鸭共作模式，说明稻鸭猪模式的能值利用效率高于稻鸭共作模式，能够产生更高的能值效益。稻鸭共作模式中，主要是为了生产出高质高量的有机水稻，而鸭子的养殖完全是为了生产水稻服务的，是作为一种技术来增强土壤肥力，保证水稻的优质高产，因此鸭子的养殖基本不产生或产生很少的能值效益。而稻鸭猪模式不仅通过鸭养殖和猪养殖产生了一部分能值效益，而且还更加促进了水稻的生产，使得水稻所产生的能值效益又有所提高，另外通过发酵技术所产生的沼气作为一种清洁能源，不仅提高了能值效益，还减轻了对环境的

21、压力。(3)稻鸭猪模式的能值可持续指标(ESI)和能值/环境可持续指标(E/ESI)分别为2.43和0.78，而稻鸭共作模式分别为2.09和0.71。可以看出稻鸭猪模式的ESI和 E/ESI都比稻鸭共作模式稍高。说明稻鸭猪模式具有更高的可持续发展能力、更高的能值效益和更高的系统自组织能力并且对环境的压力更小。2种模式都是循环模式的有机水稻生产模式，区别在于一种是传统的稻鸭模式，而另一种在稻鸭模式的基础上加入猪养殖系统是稻鸭猪模式。在循环农业生产系统中，增长系统的能值循环链，有利于增强系统的可持续发展能力，另外还应该引用先进的生产技术和生产工艺，如运用三项分离技术产生沼气、沼渣、沼液，也有利于提

22、高系统的能值效益。结论结论1：系统产出能值的反馈率的提高：系统产出能值的反馈率的提高有利于整个系统能值效益的提高有利于整个系统能值效益的提高宝应县绿草荡有机农场有机水稻生产采用绿肥与水稻轮作、水稻与养鸭、养猪种养结合的循环农业模式，是一种农业生态工程的模式，具有良好的系统内部物质循环使用和能值反馈的特性，绿肥生长和固氮产生的能值全部作为投入用于有机水稻的生产，减少了对外部投入的依赖，提高了系统的能值效益和可持续生产的能力，明显优于非循环型农业生产模式。系统内部的能值反馈有利于提高整个系统的能值效益，如果常规农业生产系统即使不能完全采用循环型的生产方式，但只要能够同样使水稻等作物的秸秆就地还田而

23、不是焚烧掉，充分利用其有机能值，也可以减少常规系统的外界工业辅助能的投入，各项能值指标能够得到不同程度的优化，从而使系统的环境承载率降低，净能值产出率提高。因此在农业生态工程体系的设计和运行过程中，应有意识地提高系统产生能值的反馈率，从而提高系统的自组织能力和生产效率，促进系统的可持续发展。结论结论2：循环型农业系统中循环链的增长有：循环型农业系统中循环链的增长有利于提高系统的综合效益和可持续性利于提高系统的综合效益和可持续性Bastinanoni 等报道意大利的一个农场由于系统内部的牲畜养殖为作物种植提供有机肥,使系统的环境承载率降低,净能值产出率提高,体现出系统内部的能值反馈有利于提高整个

24、系统的能值效益的作用。陆宏芳等对基塘农业生态工程模式的能值评估结果同样证明,由于畜牧业增益环的引入增强了系统的内部循环和反馈,提高了系统的综合效益和可持续性。通过比较宝应县绿草荡有机农场稻鸭猪生产模式和上海市崇明岛跃进农场稻鸭共作生产模式各项能值指标，不难看出由于在系统内部的能值循环中增加了猪养殖的环节，通过猪粪发酵再运用三项分离的技术产生沼气、沼液、沼渣，沼渣为水稻种植提供了更多的有机肥，沼液作为农药的替代品能够有效的防治水稻的虫害，沼气作为一种清洁能源以供农民的生产、生活之用，稻-鸭-猪生产模式的各项能值指标都略优于稻鸭共作模式，具有更高的净能值产出率和更低的环境承载率。结论结论3：宝应县

25、绿草荡有机农场稻鸭共：宝应县绿草荡有机农场稻鸭共作系统的进一步优化作系统的进一步优化宝应县绿草荡有机农场的循环农业生产系统中，一年的生产周期有一半用于绿肥生产，而绿肥生产只是起到给水稻产生提供能值的作用，而不产生任何的经济产出能值，以至整个系统的经济产出能值降低。农业生产的首要任务是生产足够的并且是高质量的食品，为了能够再保证可持续发展的前提下进一步提高循环农业系统的经济产出能值，如果能够把有机生产系统中的绿肥生产用既能固氮培肥土壤又有经济能值产出的豆科作物（如适合冬季种植的豌豆、蚕豆等）来替代仅用来培肥土壤的紫云英，则可以增加系统的经济产品产出，提高系统的经济能值产出，使农业生产系统得到进一步的优化。