全 文 ：第 35 卷第 7 期
2015年 4月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.7
Apr.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家“十二五冶科技支撑计划项目(2012BAD14B03)
收稿日期:2013鄄06鄄04; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄05鄄08
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: wshgao@ sohu.com
DOI: 10.5846 / stxb201306041318
王小龙,韩玉,陈源泉,隋鹏,高旺盛,吴霞,杜传民.基于能值分析的无公害设施蔬菜生产系统效率和可持续性评价.生态学报,2015,35(7):
2136鄄2145.
Wang X L, Han Y, Chen Y Q, Sui P, Gao W S, Wu X, Du C M.Efficiency and sustainability evaluation of a pollution鄄free vegetable production system
based on emergy analysis.Acta Ecologica Sinica,2015,35(7):2136鄄2145.
基于能值分析的无公害设施蔬菜生产系统效率和可持
续性评价
王小龙1,韩摇 玉2,陈源泉1,隋摇 鹏1,高旺盛1,*,吴摇 霞1,杜传民3
1 中国农业大学农学与生物技术学院, 北京摇 100193
2 石家庄信息工程职业学院, 石家庄 050035
3 河北省景县津龙公司, 衡水摇 053500
摘要:发展无公害蔬菜是提高我国蔬菜品质和安全性、增强蔬菜产业竞争力的重要举措。 针对蔬菜生产高投入、高产出的特点,
采用能值分析方法对无公害设施蔬菜生产系统两种蔬菜栽培模式进行系统效率和可持续性评价,并与一般蔬菜生产模式进行
对比。 结果表明,无公害蔬菜生产模式能值利用效率、可更新比例、净能值产出率、食品安全性和可持续发展能力分别比一般蔬
菜生产系统平均提高 24.3%、24.9%、36.0%、98.2%和 3.87倍,环境负载率平均下降 64.7%,系统投入的能值货币价值平均降低
20.0%。 在此基础上,通过情景分析表明,如果进一步综合采用收集降雨用于棚内蔬菜灌溉、沼气发电供给蔬菜灌溉利用、通过
标准化管理降低人力投入,可以使现有的无公害生产方式的能值利用效率提高 3.4%—10.8%,可持续性提高 1.2%—31郾 7%。
该研究也表明,将无公害蔬菜生产纳入我国以沼气为纽带的循环农业发展模式中,实现适度的产业结合与规模化经营,能够较
好的提高无公害蔬菜生产的生态经济效益和可持续发展能力。
关键词:无公害设施蔬菜; 可持续性; 系统效率; 能值评价
Efficiency and sustainability evaluation of a pollution鄄free vegetable production
system based on emergy analysis
WANG Xiaolong1, HAN Yu2, CHEN Yuanquan1, SUI Peng1, GAO Wangsheng1,*, WU Xia1, DU Chuanming3
1 College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China
2 Shijiazhuang Information Engineering Vocational College, Shijiazhuang 050035, China
3 Hebei Jing County Jinlong Company, Hengshui 053500, China
Abstract: Substantial development is needed in the production of pollution鄄free vegetables to ensure the quality, safety,
and competitiveness of vegetables in China. In contrast to customary vegetable production, pollution鄄free production uses
organic fertilizers and biological pesticides instead of chemical fertilizers and chemical pesticides. This mode of production
improves the safety of the vegetables and reduces environmental pollution, and the government is encouraging its use
throughout China. Nevertheless, there is still considerable scope for research into efficient and sustainable vegetable
production. Emergy evaluation is an effective tool in analyzing the efficiency and sustainability of an ecological system,
which addresses the weakness of traditional energy analysis and expresses different forms of energy using a common physical
basis, namely, solar emergy. It also has the advantage of taking into consideration aspects such as natural resources, labor,
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and ecosystem services that are generally left uncalculated by other evaluation methods. This paper evaluated the efficiency
and sustainability of a pollution鄄free vegetable production system based on emergy analysis, and results were compared with
those of a customary vegetable production system. At the same time, the renewability factor of each input item was
introduced in this study to improve analysis of the types of energy input. The emergy input structure and energy鄄based
indices such as emergy efficiency (UEV), renewability (椎R), net emergy yield ratio (EYR), environmental loading rate
(ELR), product safety index based鄄emergy (PSI), emergy sustainability index (ESI), and emergy鄄based monetary value
(EmRMB) were analyzed to estimate the efficiency and sustainability of the pollution鄄free vegetable system, and to
determine the key points affecting the ecological performance of the system. The results showed that the total energy input of
the two modes of the pollution鄄free vegetables production system were 4. 97 伊 1016 sej / year and 4. 12 伊 1016 sej / year,
respectively. Compared with the customary vegetable production system, the UEV, EYR, 椎R, EPSI, and ESI values of the
pollution鄄free vegetable production system rose on average by 24.3%, 24.9%, 36.0%, 98.2%, and 387.0%, respectively;
and on average the ELR value declined by 64.7% and the EmRMB by 20.0%. At the same time, we found that that labor
input and irrigation were the core factors that affected the efficiency and sustainability of the system. The scenario analysis
revealed that the emergy efficiency and sustainability of the current pollution鄄free vegetable production system could be
improved by 3.4%—10.8% and by 1.2%—31.7%, respectively, by creating an efficient system capable of adjusting to
changes such as collection of rainfall to irrigate vegetables in a greenhouse, usage of electricity from a biogas project to
irrigate, and reducing the labor input by applying standardized management. From an economic point of view, the reduction
in purchased inputs and the higher price of pollution鄄free vegetables can be beneficial to the farmer. Moreover, the study
demonstrates that the introduction of pollution鄄free vegetable production into recycling agriculture and the usage of biogas
slurry as the main fertilizer have positive economic and ecological effects. Consequently, there is a considerable prospect for
the development of pollution鄄free vegetables in China. The results also indicated that emergy evaluation is an effective
method to analyze the vegetable ecological system and could provide a useful tool in the development of pollution鄄free
vegetable production in China.
Key Words: pollution鄄free vegetables production; sustainability; efficiency; emergy evaluation
我国设施蔬菜面积和产量居世界第一位[1鄄3]。 各地在长期探索和实践的基础上,已经形成大量设施蔬菜
栽培模式[4鄄6],使我国蔬菜产量、种类及其供应季节都能够充分满足人们生活需求。 但随着人民生活水平不
断提高,特别是在近年来我国食品安全问题高发的背景下,人们开始更多的关注于蔬菜品质与安全性问题。
按照国内分级标准,蔬菜生产可分为一般蔬菜、无公害蔬菜、绿色蔬菜和有机蔬菜 4个等级[7],其中,无公害蔬
菜是安全蔬菜所应该达到的最低等级,也是我国应该主要发展的蔬菜生产方式。
设施蔬菜是一种高投入、高产出的集约化农业生产方式。 一般蔬菜的生产过度依赖于化肥、农药等石油
产品,在加剧能源消耗的同时,也造成了严重的环境污染和农产品安全隐患。 相反,无公害蔬菜生产则具有不
施或少施化肥和农药、以有机肥投入和生物防治为主的特点。 但是,相比于一般蔬菜生产方式,无公害设施蔬
菜生产系统的产出效率和可持续性如何,则是一个需要研究的问题,也是我国能否长期坚持并大面积对其推
广的前提。 当前对设施蔬菜生产系统的研究主要集中在高产高效栽培模式[8鄄9]、病虫害防治[10]、水肥管
理[11鄄12]和温室及土壤微环境研究[13鄄14]等方面,对其系统可持续性分析大多集中于产业发展对策[15鄄16],而对其
系统效率的定量分析则大多仅关注于栽培模式的产量和经济效益[17鄄18]。 因此,从生态经济学角度对无公害
设施蔬菜生产系统产出效率与可持续发展能力进行定量分析是一个重要的研究课题。
20世纪 80年代,美国生态学家 H.T. Odum提出能值理论及其方法,该方法以太阳能值(Solar Emergy)作
为统一度量单位,克服了不同能质之间无法简单比较和计算的问题,并将自然环境资源、社会经济资源、生态
系统服务纳入评价范围,实现了对系统科学而全面的分析。 当前,能值分析在农业生态系统已经得到广泛的
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应用[19鄄25],但对于蔬菜生态系统,有关研究尚少。 因此,本文以河北省景县津龙公司两种主要的无公害设施
蔬菜栽培模式为研究对象,重点分析比较了该系统与一般蔬菜生产模式的系统效率和可持续性,找出影响其
生态表现的关键点,在此基础上模拟和讨论其改进措施,为无公害设施蔬菜生产模式的进一步发展和推广提
供理论依据。
1摇 研究对象与方法
1.1摇 研究对象
本文以河北省景县津龙公司(37毅58忆N, 115毅99忆E)无公害设施蔬菜生产系统为研究对象。 该地区年太阳
辐射 5.06伊109 J / m2,平均气温 12.5 益,年平均降雨量 554 mm。 在该生产系统中选取了具有代表性的“茄子
(Solanum melongena L)鄄菠菜( Spinacia oleracea L)冶 (模式一)和 “黄瓜 (Cucumis sativus L)鄄茄子 ( Solanum
melongena L)冶(模式二)两种无公害蔬菜生产模式进行研究,其中,茄子和黄瓜的育苗阶段不在考虑范围。 模
式一中茄子于 3月下旬定植,10月中旬拔秧,10 月末种植菠菜,至下一年 3 月下旬收获。 模式二中黄瓜于 4
月初定植,6月末拔秧,7月初定植茄子,11月中旬拔秧,冬季休闲。 蔬菜大棚面积为 800 m2,采用 8m 宽提高
型钢架大棚,一年两茬作物,不喷施农药。 由于该公司同时具有规模化养殖业和大型沼气工程,故蔬菜生产中
的肥料主要由公司内部的畜禽粪便和沼液提供。 此外,本文选取了该地区普通农户大棚“茄子鄄豇豆(Vigna
unguiculata L)鄄辣椒(Capsicum annuum)冶栽培模式(模式三)作为对照,与该无公害蔬菜生产系统的产出效率
和可持续性进行比较分析。
1.2摇 研究方法
根据 Odum所设计的能量语言[26],本文绘制了设施蔬菜系统的能流图,从总体上反映该系统的能量投入
产出过程(图 1)。 根据投入系统的能量来源,可将其划分为本地资源(L)和购买性资源(P)。 由于某些资源
在形成过程中既有可更新资源的投入,又有不可更新资源的投入,而且投入资源的来源不同,可更新价值往往
有所差异[22],因此,本文参考国际相关研究进展,在能值核算过程中引入可更新比例系数 ( partial
renewability),将系统投入资源划分为可更新和不可更新部分,从而提高系统评价的科学性,其中可更新比例
系数来自参考文献[22,25,27]。 此外,本文主要采用了 7个能值评价指标(表 1)来分析不同蔬菜生产模式的系统
产出效率和可持续发展能力及其生态经济效益。 关于能值方法的理论基础、分析步骤及指标的进一步解释可
参见文献[26,28鄄29]。
图 1摇 设施蔬菜生产系统能流图
Fig.1摇 Energy flow diagram of the facilities vegetable production system
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表 1摇 能值指标描述及其表达式
Table 1摇 Expression and description of emergy indices
能值指标
Emergy indices
表达式
Expression
描述
Description
能值转换率(UEV) Unit Emergy Value Y / E 指生产单位产品所需要投入的能值量
可更新比率(椎R) Renewable Ratio 100伊(R+PR) / Y 反应系统生产过程中所利用的可更新资源的比例
净能值产出率(EYR) Emergy Yield Ratio Y / P 反应系统利用本地资源的能力和对外部经济系统的贡献能力
环境负载率(ELR) Environmental Loading Ratio (N+PN) / (R+PR) 反应系统生产过程对周围环境的压力
可持续性指标(ESI) Emergy Sustainability Index EYR / ELR 反应系统的可持续性
基于能值的产品安全性指标(PSI)
Product Safety Index Based鄄Emergy
-(C / P) 反应农产品的安全性高低的指标
能值鄄货币价值(EmRMB) Emdollar Value Y / EMR 指能值相当的市场货币价值
摇 摇 E: 系统产品的能量产出; EMR (Emergy鄄money ratio):能值鄄货币比率;C: 化肥和农药能值总量; Y: 总能值投入; R: 本地可更新能值投入;
N: 本地不可更新能值投入;P: 购买性能值投入;PR: 购买能值的可更新部分;PN: 购买资源不可更新部分
1.3摇 数据来源
本研究中,无公害设施蔬菜系统的所有原始数据都来自 2012 年对景县津龙公司的实地调研。 对照模式
三的原始数据来自该地区附近农户的调研。 以一个完整的生产年度为界限, 对两种蔬菜生产模式的各种投
入、产出数据进行详细记录。 自然资源数据来自“中国气象科学数据共享服务网( http: / / cdc. cma. gov. cn /
home.do. Accessed on 05 / 28 / 2012)冶。 研究中涉及到的建筑和机械都根据其预计使用年限折算为每年的能量
投入。 相关的能量折算系数参考自陈阜编著的《农业生态学》 [30],原始数据的计算方法来自文献[26]。 本文中
的太阳能值转换率皆来自之前的相关研究[22,31鄄33],并采用了新的能值基准 15.83伊1024 sej / a。 人民币与美元的
换算采用 2012年汇率 6.22。
此外,需要特别指出的是,考虑到该公司无公害蔬菜生产过程中,沼液作为其主要肥料来源,全部来自于
公司内部的大型沼气工程,因此,为了计算结果准确,我们根据能值评价原则,首先详细计算了该公司沼气工
程所产沼液的太阳能值转换率为 1.80伊107 sej / J,以此来计算蔬菜生产所投入沼液的能值。
2摇 结果分析
2.1摇 能值投入结构分析
如表 2所示,模式一与模式二的总能值投入分别为 4.97伊1016 sej和 4.12伊1016 sej。 其中,本地资源分别占
到两种模式总能值投入的 25.08%和 27.95%,购买性资源分别占到 74.92%和 72.05%。 从资源类别上看,模式
一中可更新和不可更新资源能值投入分别为 2.80伊1016 sej 和 2.17伊1016 sej,占其总能值投入的 56.38%和
43郾 62%;模式二中可更新与不可更新资源能值投入分别为 2.10伊1016 sej 和 2.02伊1016 sej,占其总能值投入的
51.06%和 48.94%。。 由此可见,该无公害蔬菜生产系统两种模式的运转主要靠可更新资源驱动,而本地资源
在其中也发挥中重要作用。
表 2摇 设施蔬菜生产系统能值分析表(666.7m2)
Table 2摇 Emergy analysis table of the facilities vegetable production system (666.7m2)
项目
Items
单位
Unit
可更新系数
Renewability
factor
能值转换率
Transformity /
(sej / unit)
模式一 (Mode 1)
原始数据
Raw data
太阳能值
Emergy
模式二 (Mode 2)
原始数据
Raw data
太阳能值
Emergy
模式三 (Mode 3)
原始数据
Raw data
太阳能值
Emergy
本地资源 Local resources (L)
太阳能 Sun J 1.00 1.00 [32] 2.70伊1012 2.70伊1012 2.70伊1012 2.70伊1012 2.70伊1012 2.70伊1012
风能 Wind J 1.00 2.45伊103[32] 4.28伊108 1.05伊1012 4.28伊108 1.05伊1012 4.28伊108 1.05伊1012
粪肥 Manure g 0.18 4.54伊106[31] 6.16伊106 2.79伊1013 6.16伊106 2.79伊1013 0 0
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续表
项目
Items
单位
Unit
可更新系数
Renewability
factor
能值转换率
Transformity /
(sej / unit)
模式一 (Mode 1)
原始数据
Raw data
太阳能值
Emergy
模式二 (Mode 2)
原始数据
Raw data
太阳能值
Emergy
模式三 (Mode 3)
原始数据
Raw data
太阳能值
Emergy
沼液 Biogas slurry J 0.47 1.80伊107[34] 5.66伊108 1.02伊1016 5.22伊108 9.40伊1015 0 0
地下水 Ground water J 0.00 2.27伊105[33] 9.90伊109 2.25伊1015 9.21伊109 2.09伊1015 8.06伊106 1.83伊1012
购入资源 Purchased materials (P)
复合肥 Compound fertilizer g 0.05 4.70伊109[31] 0 0 0 0 3.10伊105 1.46伊1015
钾肥 Potassium fertilizer g 0.05 1.85伊109[31] 1.38伊104 2.54伊1013 1.38伊104 2.54伊1013 6.00伊104 1.11伊1014
氮肥 Nitrogenous fertilizer g 0.05 6.38伊109[31] 0 0 0 0 4.40伊103 2.81伊1013
磷肥 Phosphate fertilizer g 0.05 6.55伊109[31] 0 0 0 0 1.00伊103 6.55伊1012
有机肥 Organic fertilizer g 0.18 4.54伊106[31] 0 0 0 0 9.00伊106 4.08伊1013
种子 Seed J 1.00 1.11伊105[31] 2.42伊107 2.69伊1012 2.29伊106 2.54伊1011 4.53伊107 5.02伊1012
柴油 Diesel oil g 0.05 1.11伊105[31] 1.83伊108 2.04伊1013 1.83伊108 2.04伊1013 2.75伊108 3.05伊1013
电力 Electricity g 0.81 2.69伊105[22] 1.99伊1010 5.51伊1015 1.85伊1010 5.13伊1015 1.62伊1010 4.35伊1015
农药 Pesticide g 0.00 2.69伊1010[22] 0 0 0 0 4.76伊103 1.28伊1014
机械 Machine $ 0.00 1.21伊1013[33] 3.93伊101 4.76伊1014 2.62伊101 3.17伊1014 2.50伊103 3.03伊1016
建设费 Building investment $ 0.00 1.21伊1013[33] 6.97伊102 8.43伊1015 6.97伊102 8.43伊1015 4.29伊102 5.19伊1015
棚膜 Greenhouse film $ 0.00 1.21伊1013[33] 1.61伊102 1.95伊1015 1.61伊102 1.95伊1015 8.04伊101 9.73伊1014
人力 Labor J 0.90 7.56伊106[32] 2.77伊109 2.10伊1016 1.85伊109 1.40伊1016 1.89伊109 1.43伊1016
产出 Outputs (E)
菠菜 Spinach J 7.50伊109 0 0
茄子 Eggplant J 2.08伊1010 6.25伊109 1.00伊1010
黄瓜 Cucumber J 0 8.34伊109 0
豇豆 Cowpea J 0 0 3.75伊109
辣椒 Pepper J 0 0 5.00伊109
总产出 Total yield J 2.83伊1010 1.46伊1010 1.88伊1010
全部能值投入 Total emergy inputs (Y) 4.97伊1016 100% 4.12伊1016 100% 5.69伊1016 100%
可更新能值流 Renewable emergy flows (R) 2.80伊1016 56.38% 2.10伊1016 51.06% 1.65伊1016 28.98%
不可更新能值流 Nonrenewable emergy flows (N) 2.17伊1016 43.62% 2.02伊1016 48.94% 4.04伊1016 71.02%
本地资源 Local resoureces (L) 1.25伊1016 25.08% 1.15伊1016 27.95% 4.53伊1012 0.01%
购入资源 Purchased materials (P) 3.72伊1016 74.92% 2.97伊1016 72.05% 5.69伊1016 99.99%
摇 摇 (1) 在能值评价中,雨水和风等自然资源被看作是太阳辐射的副产品,为了避免重复计算,仅计算其数值最大的一项; (2) 能值转换率来源于文献[22,31鄄34]
模式三的总能值投入为 5.69伊1016 sej,比模式一与模式二分别高出 14.49%和 38.11%。 其中,购入性资源
占到能值投入总量的 99.99%,不可更新资源占到 71.02%。 可见,一般蔬菜生产系统的运转对能值的需求要
远大于无公害蔬菜生产模式,并且表现出对购买性资源和不可更新资源较强的依赖程度。
如图 2所示,在无公害蔬菜生产系统所利用的本地资源中,沼液投入分别占模式一和模式二全部能值投
入的 20%和 23%,是本地资源中最大的单项能值投入,说明该系统较好地利用了公司内部充足的有机肥资
源,这也是该公司生产无公害蔬菜的主要投入特点之一。 而作为不可更新自然资源的地下水投入分别在两种
模式总能值投入中都占 5%,仅次于沼液投入。 此外,粪便在该系统中作为每茬作物底肥投入,在两种模式总
能值投入中所占比例都小于 1%。 以太阳能为主要表现形式的可更新自然资源投入在两种模式中所占比例
也同样小于 1%,反映出设施农业相比于大田生产,更多的依靠社会经济系统较高级的反馈能来驱动。
在购买性资源中(图 2),人力投入分别占到模式一与模式二总能值投入的 42%和 34%,是该蔬菜生产系
统中能值投入最大的部分,这充分的反映出,相比于大田作物种植,设施蔬菜生产有更多的农艺工作需要由人
工完成,这也是系统运转的主要驱动力。 大棚建设费和棚膜维护的能值投入共占模式一能值投入的 21%,模
式二能值投入的 25%,是最主要的不可更新资源投入,这也是设施农业所特有的投入项目。 电力投入分别占
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到两种模式总能值投入的 11%和 12%,主要用于抽取地下水进行大棚灌溉。 此外,机械投入在两种模式中皆
占 1%,柴油、钾肥和种子投入所占比例均不足 1%。
图 2摇 两种无公害设施蔬菜系统资源投入结构
Fig.2摇 Resource input structure of the two modes of the pollution鄄free vegetable production systems
2.2摇 能值指标分析
(1) 能值转换率(UEV)
能值转换率是评价系统某种产品的能值利用效率的有效手段。 产品的能值转换率越高,则其能值利用效
率越低。 采用 Bastianoni和 Marchettini[35]的计算方法,得到模式一与模式二的系统产出能值转换率分别为 1.
76伊106 sej / J和 2.83伊106 sej / J(表 3),比模式三(3.03伊106 sej / J)分别低 41.9%和 6.6%,说明该无公害蔬菜生
产系统的能值利用效率较高于一般蔬菜生产。 这是因为一般蔬菜生产模式需要投入大量的化肥、农药等资
源,提高了系统的总能值投入;同时,由于模式三中蔬菜产量水平低于该无公害蔬菜生产模式,造成其能值利
用效率较低。 此外,相比于大田玉米(3.28伊104 sej / J) [36]能值转换率,该无公害蔬菜生产系统的能值转换率较
高,说明其系统能值利用效率较低。 这主要是因为设施蔬菜相比于大田作物生产,大棚建设维护和大量水肥
投入导致其能值投入总量增加显著,因而降低其能值利用效率。 就该设施蔬菜系统的两种生产模式而言,模
式一的能值利用效率要比模式二高 38.0%,这是因为模式一中茄子有较长的生育期,保证了其产量。 同时,引
入越冬菠菜,较好的填补了冬季大棚种植的空白,提高了其能值利用效率。
(2) 可更新比例(椎R)
可更新比例(椎R)作为分析系统驱动力来源的一种方法,其值越高,说明系统的运转和维持更多的依赖
可更新资源的投入,也从一个侧面反应出系统具有较好的可持续发展能力。 如表 3 所示,模式一和模式二的
椎R值分别为 56.4%和 51.1%,比模式三(28.9%)分别高出 27.5%和 22.2%。 可见,该无公害蔬菜系统更多的
依赖可更新资源投入,其原因是沼液、粪便投入增加而化肥、农药等投入降低,提高了系统总能值投入中的可
更新比例,这也是该公司无公害生产方式与一般蔬菜生产系统的主要不同点。
(3) 净能值产出率(EYR)
净能值产出率是评价系统能量产出和本地资源开发的一个有效指标,其最小值为 1,表示系统运转完全
依赖经济系统反馈能来驱动,没有利用任何本地资源,也不能对系统外部经济增长做出有效贡献。 在本研究
中,无公害蔬菜系统两种生产模式的 EYR 值分别为 1.33 和 1.39,表明其较好的利用了沼液、粪便等本地资
源,通过这些农业废弃物的合理利用,将其转化为有效能产出,促进了社会经济的发展。 该值比模式三的
EYR值(1.00)分别高出 33.0%和 39.0%,可见,模式三中的蔬菜生产几乎完全依赖于购买性资源,这也是一般
设施蔬菜生产高投入的特点。 同时,相比于公主岭玉米生产(1.54) [36],该系统的 EYR值略低,这是因为大田
生产能利用除太阳能以外的降雨能量、表土层损耗能等自然资源,对本地资源的利用程度较高。
(4) 环境负载率(ELR)
环境负载率是用来衡量系统中能量流动过程对外部环境所造成的压力。 通常情况下,ELR值小于 2表示
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该系统对周围环境造成了较小的压力[27]。 在本研究中,模式一与模式二的 ELR 值分别为 0.77 和 0.96,说明
该无公害蔬菜生产系统所造成的环境负载较低。 模式三的 ELR值(2.45)分别是模式一与模式二的 3.18倍和
2.55倍,而公主岭玉米生产(10.62) [36]所造成的环境负载率则分别是其 13.8倍和 11.1 倍。 这充分说明,由于
化肥、农药等物质投入的降低,无公害产品的环境友好程度相比与一般蔬菜和大田粮食生产优势明显。
(5) 可持续性指标(ESI)
可持续性指标是反映系统可持续性的综合指标[28]。 Brown和 Ulgiati通过一些实例证明,ESI值在 1到 10
之间时,说明系统具有较强的活力和发展潜力,其值越高,系统发展的可持续性越好[37]。 本文中,该系统模式
一与模式二的 ESI值分别为 1.72和 1.45,是模式三(0.41)的 4.20倍和 3.54 倍,是公主岭玉米生产(0郾 15) [36]
的 11.5倍和 9.7倍。 反映出该系统的可持续发展能力较好。
(6) 基于能值的产品安全性指标(PSI)
PSI值定义为农业生产系统施用化肥、农药的能值和经济的反馈能值之比的负值,负值越大则说明产品
的安全性越差,当该值等于 0 时,说明产品最安全,该值等于-1 时产品最不安全[29]。 如表 3 所示,该系统中
模式一与模式二的 PSI值分别为鄄0.05%和鄄0.06%,比模式三(-3.04%)分别高 98.4%和 98.0%。 可见,无公害
蔬菜生产模式的产品安全性要远高于一般蔬菜生产。
(7) 能值鄄货币价值(EmRMB)
能值鄄货币价值是系统产品所包含的能值在市场中的货币表现形式。 本研究中,模式一和模式二的能值鄄
货币价值分别达到 25500 元和 21200 元,均远高于公主岭玉米生产系统(430 元) [36],说明该无公害蔬菜生产
模式具有较高的宏观经济贡献能力,比大田粮食作物有较高的生态经济价值。 但该值均低于模式三中一般蔬
菜生产系统(29200元),说明一般蔬菜生产所投入的能值价值要高于无公害蔬菜生产。
表 3摇 系统能值评价指标
Table 3摇 Emergy indictors of the facilities vegetable production system
能值指标
Emergy inditors
无公害设施蔬菜系统
The non鄄pollution facilities vegetable system
模式一
Mode 1
模式二
Mode 2
一般设施蔬菜系统
General vegetable system
模式三
Mode 3
大田作物生产系统
Crop system in field
公主岭玉米生产[36]
Maize production
UEV / (sej / J) 1.76伊106 2.83伊106 3.03伊106 3.28伊104 a
椎R 56.4% 51.1% 28.9% b
EYR 1.33 1.39 1.00 1.54
ELR 0.77 0.96 2.45 10.62
ESI 1.72 1.45 0.41 0.15c
PSI% -0.05 -0.06 -3.04
EmRMB /元 25500 21200 29200 430d
摇 摇 a: 在同一基准下比较,该值为原始值乘以 1.68 得到;b: “ 冶表示该指标在相应参考文献中没有涉及;c: 该 ESI 值为本文根据其 EYR 和
ELR值计算得到;d: 折算成每亩数值;UEV: 能值转换率 Unit Emergy Value; 椎R: 可更新比例 Renewability; EYR: 能值产出率 Emergy Yield
Ratio; ELR: 环境负载率 Environmental Loading Ratio; ESI: 可持续性指数 Emergy Sustainability index; PSI: 基于能值的产品安全性指标 Product
Safety Index Based鄄Emergy; EmRMB: 能值鄄货币价值 Emdollar Value
2.3摇 系统情景模拟与优化
尽管该无公害蔬菜生产系统两种模式的生态表现都较好,但仍有改善和优化的空间。 本文根据其能值投
入结构的特点,从影响系统生态表现的关键点入手,模拟了该系统两种模式在不同技术改善的情境下关键指
标的表现(表 4)。 如果采用“集雨技术冶可使模式一与模式二的能值转换率分别达到 1.70伊106 sej / J和 2.72伊
106 sej / J,可持续性指数分别达到 1.74和 1.44。 模式一与模式二的能值利用效率分别提高 3.4%和 3.9%,模
式一可持续性提高 1.2%。 采用“电力替代冶措施后,模式一与模式二在能值利用效率不变的情况下,可持续
性指标分别达到 2.19和 1.91,相比于当前水平分别提高 27.3%和 31.7%。 如果降低该系统人力投入 20%,模
式一与模式二的产品能值转换率将分别达到 1.61伊106 sej / J 和 2.63伊106 sej / J,能值利用效率效率分别提高
2412 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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8郾 5%和 7.1%,且系统的可持续性仍然保持在一个较高的水平。 综合实施以上 3 种改进措施,则该系统模式
一和模式二的产品能值转换率分别达到 1.57伊106 sej / J 和 2.56伊106 sej / J,可持续性指标分别达到 1.92 和
1郾 66。 相比于现有的能值评价结果,模式一与模式二的能值利用效率分别提高 10.8%和 9.5%,而系统发展的
可持续性分别提高 11.6%和 14.5%。 可见,目前该系统两种蔬菜生产模式的系统产出效率和可持续性都具有
较大的提升空间,而这些改进措施的采用会有效改善系统的生态表现。
表 4摇 情景描述和模拟结果
Table 4摇 Scenarios description and simulation results
情景
Item
描述
Description
模式一(Mode 1)
UEV / (sej / J) ESI
模式二(Mode 2)
UEV / (sej / J) ESI
1 收集降雨用于棚内蔬菜灌溉a 1.70伊106 1.74 2.72伊106 1.44
2 采用沼气发电供给设施蔬菜灌溉利用b 1.76伊106 2.19 2.83伊106 1.91
3 人力投入降低 20% c 1.61伊106 1.57 2.63伊106 1.33
4 综合实施以上三种措施 1.57伊106 1.92 2.56伊106 1.66
当前实际情景 1.76伊106 1.72 2.83伊106 1.45
摇 摇 a: 按照 666.7m2 大棚面积对应 666.7m2 降雨(2012年全年降雨量 723 mm)来计算,每 666.7m2 蔬菜全年节省地下水约 482 m3,进而节省电
力 379 kWh; b: 该公司内部的大型沼气工程兼具产气和发电功能,由于电力负载不足,沼气产生的大量电力没有得到很好的利用,导致能源浪
费;如果采用合理的措施利用沼气发电来提供抽取地下水所需的动力,将节省大量能源;按照实地调研估计,该公司的沼气工程目前的发电能力
能够满足设施蔬菜的全部需电量; c: 该系统能值投入结构分析的结果表明,人力投入是整个设施蔬菜生产系统中所占比例最大的部分,对系统
产出效率和可持续性影响最大;但在实地调研的过程中发现,目前该设施蔬菜生产系统的人力资源配置尚没有达到标准化,在生产经营过程中
存在着劳动力积极性不高,分工重复等问题;鉴于企业化管理的优势,明确劳动力分工,实行大棚承包制,将会有效提高工人积极性,提高劳动效
率;本文按照现有的生产条件下,采用有效的人员管理方式,降低人力投入 20%的标准来模拟计算
3摇 讨论
3.1摇 系统投入资源的能值转换率
能值转换率是能值分析理论及方法中的重要参数,在进行系统评价时,一定要根据研究对象所在的自然
社会背景,选择合适的能值转换率进行计算,以减少结果误差。 特别是当某种物质或能量在系统投入中所占
比例较大,对系统的影响较为明显时,则更需要对能值转换率进行慎重选取。
在本研究中,沼液作为主要的肥料投入方式,对该设施蔬菜生产系统的养分水平起到关键影响。 考虑到
沼液全部来源于该公司内部的大型沼气工程,因此在进行系统能值评价之前,先对其产出沼液的能值转换率
进行计算,结果为 1.80伊107 sej / J. 显然,这一结果高于文献[37]中所采用的沼液或有机肥能值转换率(4.54伊106
sej / J),因为来源于我国大型沼气工程和国外农村户用型沼气池的沼液,其系统投入和运转过程不同,因而其
能值转换率会有一定程度的差异。 所以,采用本研究中计算得到的沼液能值转换率作为计算参数,极大的提
高了该无公害设施蔬菜系统能值评价的准确性。 这也是今后研究人员在能值分析中要重点关注的问题。 只
有选取合适的参数,才能保证评价结果的相对准确性,为所研究对象提供科学合理的建议。
此外,能值转换率也常常在能值分析中作为一个评价指标来反映系统产出的能值利用效率。 但是,只有
在比较具有的同样产品的系统时,较低的能值转换率才能被视为系统能值利用效率较高的指标[25]。 因为当
系统产品不同时,能值转换率的不同,往往来源于多种因素,而通过能值转换率反映出的系统效率通常只能是
产品数量上的差别。 如在本文中,尽管 3种模式的系统产出皆为蔬菜,利用能值转换率指标可以在一定程度
上反应蔬菜系统产出效率,但由于蔬菜种类、品种和品质不同而造成的产量差异,则并不是不同蔬菜生产模式
之间本质上的不同,不能简单的用能值转换率指标来进行系统效率的评价。 同时,利用能值转换率作为效率
指标,也仅能反映出系统能值总投入与总产出的关系,而不能反映出资源类别上的代替性选择[25]。 事实上,
系统产出的高效不但表现在其能值转换效率上,更表现在对可更新资源的利用程度上。
3412摇 7期 摇 摇 摇 王小龙摇 等:基于能值分析的无公害设施蔬菜生产系统效率和可持续性评价 摇
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3.2摇 无公害蔬菜生产的可持续性问题
蔬菜生产是劳动密集型的精细生产, 我国蔬菜及其制品的生产成本远低于国际水平, 在国际贸易中具
有较强的价格和成本竞争优势[7],是我国加入 WTO后最有潜力参与国际市场竞争的重要农产品之一[39]。 近
些年来,随着国内外消费者需求的变化和食品安全问题的频发,蔬菜质量安全已经成为影响我国蔬菜产业发
展的主要因素之一,它不仅关系着人民群众的饮食健康,同时也直接影响着我国农民的收入和我国农业的国
际竞争力。 因此,我国蔬菜生产已经处于由单纯追求数量和种类增长向追求蔬菜质量和品质提升转变的关键
时期。
无公害蔬菜是我国大力推广的蔬菜生产模式,它在满足蔬菜安全的基础上,减少了由于过量使用化肥、农
药等物质而导致的环境污染,同时间接降低了设施蔬菜生产系统全生命周期的能耗水平。 所以,提高无公害
蔬菜生产的系统产出效率和可持续发展水平,是我国蔬菜产业进一步发展并不断提高竞争力的重要基础。
在本研究中,无公害蔬菜生产系统的能值利用效率、净能值产出率、食品安全性和可持续发展能力分别比
一般蔬菜生产系统平均提高 24.3%、36.0%、98.2%和 3.87倍,环境负载率平均下降 64.7%。 可见,无公害蔬菜
生产模式相比于一般蔬菜的生产,有较高的系统产出效率和可持续发展能力,具有良好的发展前景。 该无公
害设施蔬菜生产系统之所以表现出较出明显的优势,一方面,是因为以沼液为主的肥料利用方式对蔬菜生产
有多方面的积极影响。 目前已有大量研究表明,沼液施用可稳产或提高蔬菜产量[40],改善蔬菜品质[40],显著
降低蔬菜中的硝酸盐积累[40鄄41],降低土壤中硝态氮的浓度[40,42],抑制多种蔬菜病原菌[42鄄43]。 因此,以沼液为
蔬菜栽培种主要的养分管理方式,能够明显地提高系统的能值利用效率和食品安全性。
另一方面,由于本研究中的无公害蔬菜生产系统属于景县津龙公司“种鄄养鄄沼鄄电冶循环农业生产链上的
一环,因此该公司规模化养殖业和大型沼气工程为无公害蔬菜生产提供了充足的本地有机肥资源,这不但减
少了该公司农业废弃物的排放,而且实现了本地资源的高效利用,增强了系统的自组织能力。 由于无公害蔬
菜生产的主要特点在于通过大量有机肥施用和生物防治等办法以减少化肥、农药投入,因此,如果能将无公害
蔬菜的生产与养殖和沼气发展相结合,实现系统内有机肥资源的自给自足,通过这种以沼气为纽带的循环农
业模式,能够极大地降低无公害蔬菜生产对周围环境的压力、增强其可持续发展能力。
3.3摇 生产无公害蔬菜的效益分析
蔬菜属于经济作物,因此在关注其生态表现可持续性的同时,必须考虑到其经济表现。 本研究中,购买性
资源的显著减少使无公害蔬菜生产系统投入降低,通过计算可知,该无公害蔬菜生产系统的能值货币价值平
均为 23350元,比一般蔬菜生产系统(29200 元)降低 20.0%,可见其生态经济成本有所下降。 而从系统产出
来看,无公害蔬菜生产能够保证蔬菜品质和安全性,其市场价格通常高于一般蔬菜,而消费者也愿意为其支付
高于一般蔬菜的费用[7]。 如果能够实现无公害蔬菜生产适度规模化,利用企业运营优势,保障销路,提高品
牌认知度,这将极大地提高无公害蔬菜生产收益和竞争力。
4摇 结论
本研究基于能值分析方法对无公害设施蔬菜生产系统与一般蔬菜生产系统进行比较。 其结果表明,无公
害蔬菜生产系统具有较高的系统产出效率和可持续发展能力。 通过对影响其生态表现的关键点进行模拟分
析,我们发现该系统两种蔬菜生产模式的发展水平仍有一定程度的提升空间。
此外,该研究结果也表明,将无公害蔬菜纳入我国循环农业发展框架中,实现适度的产业结合与规模化经
营,能够较好的提高无公害蔬菜生产的生态经济效益和可持续发展能力,推动我国农产品安全性和蔬菜产业
竞争力的进一步提高。 而能值分析方法则能够较为全面和系统的对蔬菜生产系统进行评价,从生态经济的角
度为我国无公害蔬菜产业发展和布局提供决策基础。
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