全 文 ：米草生态工程加环效益能值分析 3
刘金娥　钦　佩 3 3 　周虹霞　谢　民
(南京大学盐生植物研究实验室 ,南京 210093)
【摘要】　根据生态工程加环原理 ,在互花米草生态工程 ( S partina alternif lora Ecological Engineering ,
SAEE)基础上设计一个深度开发的增益环 ,选取天然植物纤维与互花米草提取物 ———生物矿质液 (Biolog2
ical Mineral Liquid ,BML)共同制成降脂胶囊 ,并应用能值分析的方法对 SAEE + 胶囊的加环设计 ( SAEE
and Capsule SAEEC)进行了经济、生态、社会复合效益评估. 与 SAEE 相比 ,加环设计 (SAEEC) 的经济投入
增加 ,能值投资比率 ( Emergy investment ratio , EIR) 是 SAEE 的 1. 37 倍 ;经济收益是 SAEE 的 2. 13 倍 ,经
济收益产投比是 SAEE的 1. 46 倍 ;净能值效益 (Net emergy yield ,N EY)是 SAEE的 3. 18 倍 ,净能值产出率
( Emergy yield ratio ,EYR)是 SAEE的 2. 20 倍 ,经济效益和生态效益均得到提高 ,体现了生态工程加环增
益的基本设计原则.
关键词 　互花米草 　能值分析 　加环 　生态工程
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 04 - 0673 - 05 　中图分类号 　Q149 　文献标识码 　A
Emergy analysis on an added loop in Spa rtina alternif lora ecological engineering. L IU Jin’e ,Q IN Pei ,ZHOU
Hongxia ,XIE Min ( Halophyte Research L aboratory of N anjing U niversity , N anjing 210093 , China) . 2Chin.
J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (4) :673～677.
Based on the principle of multi2grade utilization of resources to get ecological ,economic and social benefits of eco2
logical engineering ,this paper designed an added loop ,following the S partina alternif lora Ecological Engineering
(SAEE) . All the added loop design included SAEE ,and the capsule was named SAEEC. In the added loop de2
sign ,the Biological Mineral Liquid (BML ) was made into antihyperlipidemia capsules , of which , the total
flavonoids added up to 9. 58mg·g - 1 . Emergy analysis method was applied to evaluate the SAEEC project . Com2
pared with SAEE ,the added loop design increased emergy investment ratio ( EIR) by 1. 37 folds ,net economic
benefit of the SAEEC by 2. 13 folds ,economic yield / input ratio by 1. 46 folds ,net emergy yield (N EY) by 3. 18
folds ,and net emergy yield ratio ( EYR) by 2. 20 folds ,showing its more efficiency.
Key words 　S partina alternif lora , Emergy analysis , Added loop , Ecological engineering.3 江苏省自然科学基金 (B K2001036)和江苏省农业科技攻关资助项
目 (BE2001337) .3 3 通讯联系人. E2mail :qinpei @nju. edu. cn
2002 - 12 - 02 收稿 ,2004 - 01 - 12 接受.
1 　引 　　言
自从 1979 年互花米草被引入我国沿海滩涂 ,其
生长面积已经发展到约 125 km2 [20 ] ,主要分布在苏
北沿海及福建沿海的潮间带生态系统 ,已形成了大
型滩涂植被. 作为一个外来物种 ,互花米草对促淤造
陆 ,防风护堤作用已得到研究证明[3 ,10 ,20～22 ,29 ] ;互
花米草在环境与湿地生态系统水平上对潮间带生态
系统的效应 ,如对能量流动、物质循环、生物多样性
的影响有待科学研究证实 ;而如何科学地可持续利
用这一植被资源 ,无论对本地资源或外来物种的管
理和利用都是一种积极的有现实意义的探索.
互花米草生态工程 ( S parti na alternif lora Eco2
logical Engineering , SAEE) 是南京大学盐生植物研
究实验室为了综合利用互花米草资源 ,按照生态工
程原理设计的开发方案[33 ] . 该设计的目标是在发挥
互花米草促淤护堤作用的同时 ,收割互花米草植被
地上部分 ,生产生物矿质液 (Biological Mineral Liq2 uid ,BML) . 生物矿质液的保健功效已为一系列研究试验证实 ,且已形成一定的生产效益[1 ,14 ,32 ] ,该工程的综合效益用优于单一的利用方式[12 ,13 ,34 ] .近年来沿海滩涂经济开发力度增强 ,经济开发模式转变 ,对互花米草植被的开发利用方式有必要深化. 本文作者遵循生态工程学中加环设计原理[33 ] ,选择清洁工艺在互花米草生态工程基础上设计了一个增益环 ,由 BML 研制降脂胶囊. 该加环设计 ( SAEE and Capsule SAEEC) 借鉴自然生态系统的结构与功能原理 ,延长生态工艺系统的生态链 ,增加资源的利用环节 ,提高资源的利用效率 ,以提高经济2生态2社会综合效益为目标 ,并运用能值分析对加环设计 (SAEEC) 的综合效益进行评价. 能值分析是美国著名生态学家 H1T1Odum 为首创立的系统
应 用 生 态 学 报 　2004 年 4 月 　第 15 卷 　第 4 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 2004 ,15 (4)∶673～677
分析方法[6 ] ,该方法将所有形式的能量都转化为太
阳能值 ,将生态环境系统与人类社会经济系统有机
地统一起来 ,定量分析自然系统与人类经济活动的
真实价值. 近 10 多年来国内外的能值分析研究也越
来越深入 ,从国家和地区资源环境、经济、社会发展
的能值评价[5 ,8 ,9 ,23～25 ,31 ,36 ] ,到具体生态系统和经
济系统的能值分析[15 ,17 ,27 ,28 ,35 ,37 ] ,均反映能值分析
作为一种新的研究手段和理论所具有的生命力.
2 　材料与方法
211 　互花米草生态工程设计
互花米草生态工程及加环设计的研究地点位于江苏省
射阳县双阳河口 ,双阳河以南 ,射阳河以北的盐沼湿地.
3317°N ,12012°E ,河口海岸带主要为侵蚀性岸段 ,系统面积
115 km2 ,系统内互花米草生物量为 5 600 g1m - 2 (1984～
1988 年的平均值) [14 ] ,年平均降雨量 1014 mm ,年太阳总辐
射量为 494 kJ·cm - 2 ,当地径流年平均值为 200 mm.
互花米草生态工程 (SAEE) :护堤 + 生物矿质液 (BML)
SAEE资源核算 :资源投入包括可更新资源投入和不可
更新资源投入 (设备投入 + 服务投入) ;收益包括节省海堤修
护资金和生物矿质液经济收益.
加环设计 ( SAEEC) :护堤 + 生物矿质液 (BML) + 降脂
胶囊
SAEEC 资源核算 :资源投入包括 SAEE 的资源投入
(SAEE可更新资源投入 + SAEE不可更新资源投入) 和降脂
胶囊的生产投入 (设备投入 + 服务投入) ;收益包括节省海堤
修护资金和胶囊的经济收益.
以 115 km2 内的互花米草生态系统为研究对象 ,将米草
生态工程与加环设计的复合效益进行比较 ,计算能值投资比
率、净能值效益、净效益、净能值产出率等能值指标 ,判断加
环设计是否合理 ,是否符合生态工程的设计原则.
212 　加环设计
每年台风季节过后 (10～12 月) [26 ,30 ] ,收割系统内米草
植被的地上部分 ,用于提取生物矿质液 (BML) ,以 BML 为
原料 ,以天然植物纤维为辅料 ,生产降脂胶囊.
按照生态工程的设计要求 ,该生产工艺以清洁、简单、资
源利用效率高 ,胶囊中总黄酮得率高为原则. 经过反复的筛
选试验 ,选择了简单的降脂胶囊的配方 ,以 BML 为主料 ,天
然纤维素为辅料 ,未添加任何化学制品或人造添加剂 ;确定
了以下路线 :将天然植物纤维素粉碎 ,过筛 ,按比例与 BML
混合 ,以中药制粒法制成颗粒 [2 ] ,常温干燥 ,按胶囊生产方法
制成胶囊[7 ] .
设备投入包括制粒、烘干、胶囊加工设备、生产场地设施
一次性投入 ,加一年期生产原材料投入 ,总计人民币 96104
万元 ,合 1116 万美元 ;一年期服务投入 (包括管理及劳动投
入) ,总计人民币 1217 万元 ,合 1153 万美元.
213 　降脂胶囊功效成分测定
黄酮类化合物降低血脂、软化血管的功效早为医学界研
图 1 　加环设计示意图
Fig. 1 Diagram of the added loop .
SAEE :米草生态工程 (护堤 + BML ) S parti na alternif lora ecological
engineering ;A :设备投入 + 服务投入 (306 000 ＄+ 63 700 ＄) Invest2
ment on equipments and service ;B :绿色配方 (天然植物纤维 + BML)
Prescription of lipid2lowering capsule (natural plant fibre + BML) ;C :制
粒 Granulating ;D :制胶囊 Producing capsule ; E :经济系统反馈 Feed2
back of economic system.
究证实 ,并广泛用于临床. 互花米草植株中也含有丰富的米
草总黄酮 ,其提取物生物矿质液中米草总黄酮的含量 41507
mg·ml - 1 . 实验证明米草总黄酮同样具有降低血脂、增强免
疫力的功效[4 ,16 ] ,因此将降脂胶囊中的总黄酮定为功效成
分 ,以氢氧化钠、硝酸铝比色法测定胶囊的总黄酮含量 [19 ] .
214 　能值分析计算方法
米草生态工程加环设计的能流系统简图如图 3 所示 ,系
统面积 P = 1 500 000 m2 ,系统内互花米草生物量 : 5 600g·
m
- 2 (1984～1988 年的平均值) . 在能值分析表中列出编号、
项目名称、原始数据、能值转换率、能值和能值货币价值 ,分
别计算可更新资源的流入及不可更新资源的流入 ,系统的生
产力及经济产出. 有关计算公式见文献 [11 ] .
215 　计算主要能值指标 [6 ,18 ]
能值投资比率 =经济系统反馈能值÷可更新资源的投入
净能值效益 =产出能值 - (可更新资源能值 +反馈能值)
净效益 = 产出能值 - 反馈能值
净能值产出率 = 产出能值 ÷反馈能值
通过对加环设计能值指标的计算 ,并与米草生态工程进
行比较 ,判断加环设计的复合效益.
3 　结果与分析
311 　功效成分分析
以芦丁为标准品 ,以文献[19 ]测得胶囊中总黄酮
含量为 9158 mg·g - 1 ;同时测定喷雾干燥法处理生
物矿质液得到的干物质中总黄酮含量为 7181 mg·
g - 1 ,加环工艺总黄酮得率是后者的 1123 倍 ,故加环
工艺中常温干燥处理优于喷雾干燥法. 降脂胶囊的
经济收益为 381 万美元. 以降脂胶囊中总黄酮市场
经济价值所包含的能值作为胶囊生产的能值收益指
标为 1188E + 19 sej.
312 　能值分析
31211 经济收益 　从表 1 可见 ,SAEE 的净经济收益
为 1650 000 美元 ,经济收益产投比为 5171 ;加环设
计的净经济收益为 3520 000 美元 ,是 SAEE 的 2113
476 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
倍 ,经济产投比为 8132 ,是 SAEE 的 1146 倍 ,体现
了该设计有较好的经济收益 ,比 SAEE 有更好的市
场化前景 ,有利于增加对系统的反馈投入.
表 1 　主要经济指标
Table 1 Major economic indexes of the design
项目
Items
经济投入
Economic
input ( ＄)
经济产出
Economic
yield ( ＄)
经济净收益
Net economic
yield ( ＄)
经济产投比
Yield/ Input
ratio
米草生态工程 SAEE 3150 E + 05 2100 E + 06 1165 E + 06 5171
胶囊生产 Capsule 1131 E + 05 3181 E + 06 3168 E + 06 29108
加环设计 SAEEC 4181 E + 05 4100 E + 06 3152 E + 06 8132
注 Note :1)米草生态工程经济投入 (设备投入 + 服务投入)为表 2 中原始数据
的第 8 项和第 9 项之和 ; Economic input of SAEE ( Facilities + Services) included
the raw data of item 8 and 9 in table 2 ;2)胶囊生产 (设备投入 +服务投入)为表
2 中原始数据的第 10 项和第 11 项之和 ; Economic input of the capsule ( Facilities
+ Services) included the raw data of utem 10 and 11 in table 1 ;3)加环设计 (设备
投入 +服务投入) 为表 2 中原始数据的第 8 ,9 ,10 ,11 项之和 ; Economic input
of SAEEC( Facilities + Services) included the raw data of item 8 ,9 ,10 and 11 in
table 2 ;4)经济净收益 =经济产出2经济投入 ;经济产投比 =经济产出 ÷经济投
入 Net economic yield = Economic yield2Economic input ; Yield/ Input ratio = Eco2
nomic yield ÷Economic input.
31212 　能值收益 　加环设计的系统能流简图见图
2 和图 3 ,能值分析结果见表 2 ,能值指标计算结果
见表 3. 由表 3 可看到 ,加环设计 ( SAEEC) 的净能值
效益是 SAEE 的 3118 倍 ,净能值产出率 ( EYR) 是
SAEE 的 2120 倍 ,能值投资比率 ( EIR) 是 SAEE 的
1137 倍. 净能值产出率 ( EYR) 是衡量系统的生产效
率的一种标准 ,反映资源利用效率和经济活力 ,
SAEEC 的 EYR 值比较高 ,表明该系统投入一定的
经济能值获得的能值产出较高 ,即系统的生产效率
较高. 能值投资比率 ( EIR) 是衡量经济发展程度和
环境负载程度的指标 ,加环设计的 EIR 值有较大提
高 ,说明来自经济系统的反馈能值增加 ,与人类经济
活动联系更加紧密 ,市场化潜力提高.
图 2 　米草生态工程加环设计的能流系统简图
Fig. 2 Energy flow of the SAEE added loop system.
Y1 :互花米草植被 S1 alternif lora vegetation ; Y2 :生物矿质液 Biologi2
cal mineral liquid ,BML ; Y3 :降脂胶囊 Lipid2lowering capsule ; R1 :太阳
能 Solar energy ;R2 :风能 Wind ,kinetic ;R3 :雨水能 Rain ,chemical ;R4 :
潮汐能 Tidal energy ; I1 :BML 生产的设备投入 Investment on the fa2
cilities for BML ; S1 :BML 生产的服务投入 Investment on the service
for BML ; I2 :降脂胶囊生产的设备投入 Investment on the facilities for
antihyperlipidemia capsule ; S2 :降脂胶囊的生产服务投入 Investment
on the service for antihyperlipidemia capsule ; O :系统的输出 Output ;
M :市场 Market .
图 3 　米草生态工程加环设计能值综合图示
Fig. 3 Outline of emergy utilization in SAEE added loop design.
表 2 　米草生态工程加环设计能值流分析
Table 2 Emergy flow analysis of SAEE added loop system
项目
Items
原始数据
Raw data
(J or US ＄)
能值转换率
Transformity
(sej/ J or ＄)
太阳能值
Solar emergy
(sej)
能值2货币
价值 Em ＄
(2000 年 US ＄)
可更新资源输入 Renewable sources flow
　1 太阳光 Sunlight 5119 E + 15J 1 5119 E + 15 1105 E + 03
　2 风能 Wind ,kinetic 1116 E + 13J 6163 E + 02 7169 E + 15 1156 E + 03
　3 雨水势能 Rain ,geopotential 7142 E + 10J 8189 E + 03 6160 E + 14 1134 E + 02
　4 雨水化学能 Rain ,chemical 7148 E + 12J 1154 E + 04 1115 E + 17 2133 E + 04
　5 潮汐能 Tidal energy 1138 E + 12J 16842 2132 E + 16 4170 E + 03
　6 地球循环能 Earth cycle 2118 E + 12J 2190 E + 04 6132 E + 16 1128 E + 04
不可更新自然资源流入 Nonrenewable sources flow
　7 表土流失能 Net loss of topsoil 1128 E + 12J 6125 E + 04 8100 E + 16 1162 E + 04
经济反馈 Feedback
米草生态工程 SAEE
　8 设备投入 3 Facilities 2150 E + 05 ＄ 4194 E + 12 1124 E + 18 2151 E + 05
　9 服务投入 3 Services 1100 E + 05 ＄ 4194 E + 12 4194 E + 17 1100 E + 05
增益环 Added loop
　10 设备投入 Facilities 1116 E + 05 ＄ 4194 E + 12 5173 E + 17 1116 E + 05
　11 服务投入 Services 1153 E + 04 ＄ 4194 E + 12 7156 E + 16 1153 E + 04
输出 Output
米草生态工程 SAEE
　12 系统内互花米草植被总第一性生产力 Net primary productivity 1145 E + 14J 3799 5151 E + 17 1112 E + 05
　13 经济收益 (护堤 + BML) Benefits(bank2protecting & BML) 2100 E + 06 ＄ 4194 E + 12 9188 E + 18 2100 E + 06
　14 经济产投比 Yield/ Input 5171
增益环 Added loop
　15 胶囊的经济收益 Capsule benefits 3181 E + 06 ＄ 4194 E + 12 1188 E + 19 3181 E + 06
经济产投比 Yield/ Input 29102
加环设计经济产投比 Yield/ input ratio of SAEEC 8132
2000 年人民币/ 美圆汇率 The ratio of  / ＄(2000) 　　　　　　　　812796  / ＄
2000 年中国能值货币比率 Emergy / US ＄(2000) 　　　　　　　　4194 E + 12 sej/ ＄
5764 期 　　　　　　　　　　　　　　刘金娥等 :米草生态工程加环效益能值分析 　　　　　　　　　　　
　　综合表 2 和表 3 的结果 ,净能值效益的提高幅
度 (3118 倍) 要大于净经济收益的提高幅度 (2113
倍) ,净能值产出率的提高幅度 (2120 倍) 大于经济
产投比的提高幅度 (1146 倍) ,能值投资比率的提高
幅度 (1137 倍) 小于经济产投比的提高幅度 (1146
倍) . 在经济核算中只考虑经济反馈与经济产出的效
益 ,未将自然环境成本计算在内 ,和能值收益并非直
接相关 ,所以在工程设计中经济效益不一定和能值
收益的增长相一致 ,常常会发生背离. 如完全的自组
织生态系统的能值收益高 ,经济收益可能很低 ;一些
以消耗不可更新资源为代价的经济系统经济收益很
高 ,能值收益却很低. 所以 ,以尽可能低的经济反馈 ,
维持自组织系统经济收益和能值收益的协调增长是
生态工程设计的目标 ,反映了经济效益和生态效益
的一致性. SAEEC 无论经济收益和能值收益均比
SAEE 有明显提高 ,按照能值分析理论 ,加环设计系
统的生产效率和可持续性增加 ,实现了加环设计的
目标.
表 3 　主要能值指标
Table 3 Major emergy indexes of the design
项目
Items
米草生态工程
(护堤 + BML)
SAEE
(Protecting + BML)
加环设计
(护堤 + BML +胶囊)
SAEEC
(Protecting + Capsule)
1 可更新资源能值投入 (sej)
Renewable emergy flow 2101 E + 17 2101 E + 17
2 不可更新资源能值投入 (sej)
Nonrenewable emergy flow 8100 E + 16 8100 E + 16
3 经济反馈能值投入 (sej)
Investment emergy 1174 E + 18 2138 E + 18
4 能值产出 (sej)
Emergy yield 9188 E + 18 2198 E + 19
5 净能值效益 (sej)
Net emergy yield (NEY) 8112 E + 18 2158 E + 19
6 净效益
Net economic benefits(sej) 8114 E + 18 2160 E + 19
7 能值投资比率
Emergy investment ratio (EIR) 8166 11184
8 净能值产出率
Net emergy yield ratio ( EYR) 5168 12150
4 　讨 　　论
411 　加环设计符合生态工程原理
生态工程的设计应尽可能考虑到经济效益、社
会效益及生态效益的统一 ,以及工程系统运转的自
组织能力与可持续性. 生态工程加环设计的目的是
为了提高资源的利用效率 ,提高系统的产出效益. 通
过对 SAEE 和 SAEEC 能值分析和经济收益指标的
比较 ,SAEEC 的经济收益、净能值效益 (N EY) 、净能
值产出率 ( EYR) 、能值投资比率 ( EIR) 均有较大提
高 ,基本实现了设计目标. 首先 ,经济收益作为系统
产品输出到经济系统以后的价值体现 ,也反映了该
产品的社会效益 ,反映了设计的市场化潜力 ;净能值
效益 (N EY) 、净能值产出率 ( EYR) 的提高反映了加
环设计的生态复合效益. 经济收益和经济产投比的
提高提升了经济系统对工程系统持续反馈的动力 ,
促进经济系统对加环设计的反馈投入 ,保证系统再
次接受反馈投入的可能 ,在能值分析中反映为能值
投资比率 ( EIR) 的提高 ,也表明系统对经济环境的
依赖性增加. 生态工程设计需耦合经济系统的运行
规律与自然系统的物质能量流动 ,协调二者的关系
使系统各种流的输入与输出进入持续的良性运转.
工程系统对经济反馈依赖性增加的同时 ,自然亚系
统的自组织作用所占比例将会下降 ,可能会影响系
统功能的可持续性. 因此在具体的经济活动中 ,由于
不同地区的经济水平、资源水平不同 ,最适宜的 EIR
值也应与其经济资源条件相适应. 11184 是否为
SAEEC 的最适宜 EIR 值 ,有待在更大尺度下综合
该地区的资源与经济水平进行更深入的研究.
412 　加环设计对互花米草综合利用的意义
江苏沿海的互花米草植被在过去的 20 年里扩
展迅速 ,已经成为潮间带生态系统的优势植被 ,对其
开发利用的研究是一个很有意义的课题. 互花米草
植被的防风护堤和促淤造陆功能为江苏沿海的围
垦、养殖等经济活动提供了一道绿色屏障 ,同时加快
了围垦速度. 因此 ,开发互花米草植被不能牺牲其防
护作用 ,否则 ,海堤溃损 ,海潮倒灌对堤内的种、养殖
产业的破坏是毁灭性的. 同时海岸带湿地又是一个
非常重要的生态系统 ,江苏滩涂湿地上有丹顶鹤、麋
鹿两个国家级保护区 ,在开发任何湿地资源的同时
必须考虑到对湿地功能的影响 ,任何开发都不能以
单纯的经济效益为目的 ,必须兼顾到生态和社会效
益.所以 ,还应当放大时间和空间尺度 ,考察 SAEE
和 SAEEC 对研究系统内外的生态功能的影响 ,如
定期刈割对植被产量的影响 ,互花米草植被收割后
滩面上的生物多样性的变化 ,土壤微生物多样性和
生物量的变化 ,对系统内外土壤的营养循环的变化
等均在工程生态效应范围内 ,作为系统的非交换性
能值产出指标 ,计算系统的基础能值改变 ,完善对生
态工程效益的评价. 在工艺设计上也应当遵循分级
利用 ,清洁生产的原则 ,追求无污染的零排放设计 ,
尽量利用系统的可更新资源 ,使系统的净能值产出
率达到最优化. 因此 ,具有自组织作用的可持续生态
工程系统是互花米草植被利用的理想途径 ,有待深
入研究.
676 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
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作者简介 　刘金娥 ,女 ,1973 年生 ,博士研究生 ,主要研究方
向为生态工程学.
7764 期 　　　　　　　　　　　　　　刘金娥等 :米草生态工程加环效益能值分析