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摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 32 卷 第 18 期摇 摇 2012 年 9 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
亚热带典型树种对模拟酸雨胁迫的高光谱响应 时启龙,江摇 洪,陈摇 健,等 (5621)……………………………
珠江三角洲地面风场的特征及其城市群风道的构建 孙摇 武,王义明,王越雷,等 (5630)………………………
粤北山地常绿阔叶林自然干扰后冠层结构与林下光照动态 区余端,苏志尧 (5637)……………………………
四种猎物对南方小花蝽生长发育和繁殖的影响 张昌容, 郅军锐, 莫利锋 (5646)……………………………
普洱季风常绿阔叶林次生演替中木本植物幼苗更新特征 李帅锋,刘万德,苏建荣,等 (5653)…………………
喀斯特常绿落叶阔叶混交林物种多度与丰富度空间分布的尺度效应 张忠华,胡摇 刚,祝介东,等 (5663)……
格氏栲天然林土壤养分空间异质性 苏松锦,刘金福,何中声,等 (5673)…………………………………………
种植香根草对铜尾矿废弃地基质化学和生物学性质的影响 徐德聪,詹摇 婧,陈摇 政,等 (5683)………………
灌溉对三种荒漠植物蒸腾耗水特性的影响 单立山,李摇 毅,张希明,等 (5692)…………………………………
真盐生植物盐角草对不同氮形态的响应 聂玲玲,冯娟娟,吕素莲,等 (5703)……………………………………
庞泉沟自然保护区寒温性针叶林演替优势种格局动态分析 张钦弟,毕润成,张金屯,等 (5713)………………
不同水肥条件下 AM真菌对丹参幼苗生长和营养成分的影响 贺学礼, 马摇 丽, 孟静静, 等 (5721)…………
垄沟覆膜栽培冬小麦田的土壤呼吸 上官宇先,师日鹏,韩摇 坤,等 (5729)………………………………………
不同方式处理牛粪对大豆生长和品质的影响 郭立月, 刘雪梅,战丽杰,等 (5738)……………………………
基于大气沉降与径流的乌鲁木齐河源区氮素收支模拟 王圣杰, 张明军, 王飞腾,等 (5747)…………………
基于能值理论的循环复合农业生态系统发展评价———以福建省福清星源循环农业产业示范基地为例
钟珍梅,翁伯琦, 黄勤楼,等 (5755)
………
……………………………………………………………………………
低温暴露和恢复对棘胸蛙雌性亚成体生存力及能量物质消耗的影响 凌摇 云,邵摇 晨,颉志刚,等 (5763)……
暗期干扰对棉铃虫两个不同地理种群滞育抑制作用的比较 陈元生,涂小云,陈摇 超,等 (5770)………………
水土流失治理措施对小流域土壤有机碳和全氮的影响 张彦军,郭胜利,南雅芳,等 (5777)……………………
不同管理主体对泸沽湖流域生态系统影响的比较分析 董仁才,苟亚青,李思远,等 (5786)……………………
连江鱼类群落多样性及其与环境因子的关系 李摇 捷,李新辉,贾晓平,等 (5795)………………………………
溶氧水平对鲫鱼代谢模式的影响 张摇 伟,曹振东,付世建 (5806)………………………………………………
象山港人工鱼礁区的网采浮游植物群落组成及其与环境因子的关系 江志兵,陈全震,寿摇 鹿,等 (5813)……
填海造地导致海湾生态系统服务损失的能值评估———以套子湾为例 李睿倩,孟范平 (5825)…………………
城市滨水景观的视觉环境质量评价———以合肥市为例 姚玉敏,朱晓东,徐迎碧,等 (5836)……………………
专论与综述
生态基因组学研究进展 施永彬,李钧敏,金则新 (5846)…………………………………………………………
海洋酸化生态学研究进展 汪思茹,殷克东,蔡卫君, 等 (5859)…………………………………………………
纺锤水蚤摄食生态学研究进展 胡思敏,刘摇 胜,李摇 涛,等 (5870)………………………………………………
河口生态系统氨氧化菌生态学研究进展 张秋芳,徐继荣,苏建强,等 (5878)……………………………………
嗜中性微好氧铁氧化菌研究进展 林超峰,龚摇 骏 (5889)…………………………………………………………
典型低纬度海区(南海、孟加拉湾)初级生产力比较 刘华雪, 宋星宇, 黄洪辉,等 (5900)……………………
植物叶片最大羧化速率及其对环境因子响应的研究进展 张彦敏, 周广胜 (5907)……………………………
中国大陆鸟类栖息地选择研究十年 蒋爱伍,周摇 放,覃摇 玥,等 (5918)…………………………………………
研究简报
孵化温度对赤链蛇胚胎代谢和幼体行为的影响 孙文佳,俞摇 霄,曹梦洁,等 (5924)……………………………
不同培肥茶园土壤微生物量碳氮及相关参数的变化与敏感性分析 王利民, 邱珊莲,林新坚,等 (5930)……
施肥对两种苋菜吸收积累镉的影响 李凝玉, 李志安,庄摇 萍,等 (5937)………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*322*zh*P* ￥ 70郾 00*1510*36*
室室室室室室室室室室室室室室
2012鄄09
封面图说: 冬天低空飞翔的丹顶鹤———丹顶鹤是鹤类中的一种,因头顶有“红肉冠冶而得名。 是东亚地区特有的鸟种,因体态优
雅、颜色分明,在这一地区的文化中具有吉祥、忠贞、长寿的象征,是传说中的仙鹤,国家一级保护动物。 丹顶鹤具备
鹤类的特征,即三长———嘴长、颈长、腿长。 成鸟除颈部和飞羽后端为黑色外,全身洁白,头顶皮肤裸露,呈鲜红色。
丹顶鹤每年要在繁殖地和越冬地之间进行迁徙,只有在日本北海道等地是留鸟,不进行迁徙,这可能与冬季当地人
有组织地投喂食物,食物来源充足有关。
彩图提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 32 卷第 18 期
2012 年 9 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 32,No. 18
Sep. ,2012
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家科技支撑资助项目(2012BAD14B15, 2011BAD17B00, 2012BAD14B03鄄05)
收稿日期:2011鄄08鄄10; 摇 摇 修订日期:2012鄄02鄄22
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: boqiweng@ yahoo. com. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201108101175
钟珍梅,翁伯琦, 黄勤楼, 黄秀声, 陈钟佃, 冯德庆.基于能值理论的循环复合农业生态系统发展评价———以福建省福清星源循环农业产业示范
基地为例.生态学报,2012,32(18):5755鄄5762.
Zhong Z M, Weng B Q, Huang Q L, Huang X S, Chen Z D, Feng D Q. Evaluating the ecosystem sustainability of circular agriculture based on the emergy
theory: a case study of the Xingyuan circular agriculture demonstration site in Fuqing City, Fujian. Acta Ecologica Sinica,2012,32(18):5755鄄5762.
基于能值理论的循环复合农业生态系统发展评价
———以福建省福清星源循环农业产业示范基地为例
钟珍梅,翁伯琦*, 黄勤楼, 黄秀声, 陈钟佃, 冯德庆
(福建省农科院农业生态研究所 福建省丘陵地区循环农业工程技术研究中心, 福州摇 350003)
摘要:循环农业是当前农业可持续发展理念的具体运作模式。 对能值分析方法优化,使其更适合循环复合生态系统的应用上进
行优化,并以福建省福清星源循环农业产业示范基地为例验证,评价复合生态系统的可持续发展程度和经济效益。 结果表明改
进的能值分析方法对循环复合农业生态系统的可持续发展评价更科学,复合系统的可持续发展指数比单纯的生猪养殖提高
23. 44%—33郾 86% ,在 4 种组合的循环模式中以“生猪养殖鄄沼气工程鄄有机肥生产鄄种植业冶循环复合生态系统整体效益最佳,其
可持续发展指数最高,环境负载率最低,净能值产出率仅略低于“生猪养殖鄄沼气工程鄄种植业冶复合系统。
关键词:循环复合生态系统;能值分析;发展评价;经济效益
Evaluating the ecosystem sustainability of circular agriculture based on the
emergy theory: a case study of the Xingyuan circular agriculture
demonstration site in Fuqing City, Fujian
ZHONG Zhenmei, WENG Boqi*, HUANG Qinlou, HUANG Xiusheng, CHEN Zhongdian, FENG Deqing
Agricultural Ecology Institute, Fujian Academy of Agricultural Sciences, Fujian Engineering and Technology Research Center for Circular Agriculture Fuzhou,
Fujian 350003, China
Abstract: Since the introduction of the Circular Economy in the 1990s, the management practice of circular agriculture has
been rapid advancement. Based on the principles of sustainable agricultural development, circular agriculture has been the
subject of numerous reports, which have evaluated and studied the development of this new agricultural practice at different
scales. However, one of the most widely used methods of accounting for different forms of energy and resources—the emergy
theory—has yet to be employed in evaluating circular agriculture. Emergy describes one kind of available energy that is
used up in transformation, directly or indirectly, to make a product. It measures quality differences between forms of energy
that are generated by transformation processes in nature, and that support work in natural or human dominated systems. In
this study, the emergy analysis method was partly modified and specifically tailored for circular agriculture systems, and
then used to evaluate the sustainability and economic benefits of ecosystem development. To validate the feasibility and
quality of the improved emergy analysis method, we conducted assessments in four complex circular systems at Xingyuan
circular agriculture demonstration site in the city of Fuqing, Fujian Province. We found that total production input could be
substantially overestimated under the traditional emergy theory, as the systematic feedback emergy was accounted into total
inputs. Further, the environmental stresses from the tremendous amount of wastes generated in the studied systems were not
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considered in the traditional emergy theory, and as a result, the sustainability of the conventional ‘ pig鄄only爷 farm was
estimated to be 2. 8%—11. 52% higher than that of the studied circular systems. In contrast, the improved emergy analysis
method could evaluate the sustainability of the circular systems more efficiently and accurately, as the most important
advantage of circular agriculture—decreasing the total inputs and reducing environmental stresses by converting the
systematic wastes into renewable resources—were factored into the new analysis. Furthermore, the improved emergy theory
recognized the circular system as a whole by carefully defining the boundary conditions and energy fluxes in and out of the
system, which reflects the real production processes both by design and in practice. According to our evaluation using the
improved emergy method, the emergy sustainable indices (ESI) of the circular systems were improved by 23. 44%—
33郾 86% compared to that of conventional pig farming. The circular system of ‘pig farm鄄biogas system鄄compost production鄄
cultivation忆 had the highest overall benefit among the four circular systems, as demonstrated by the highest ESI, lowest
environment load ratio (ELR), and second highest emergy yield ratio (EYR), which was only slightly smaller than that of
the circulating system of ‘pig farm鄄biogas system鄄cultivation忆. The circular agricultural system is essentially an interactive
combination of multiple sub鄄systems. Its ecological benefits should be measured by the system efficiency rather than the
length of the production chain. This is supported by our evaluation using the modified emergy theory: the ‘ pig farm鄄fire
damp鄄compost production鄄mushroom farm鄄cultivation忆 system, with the longest chain in all four studied systems, had the
least ecological benefits. Further investigations into the model efficiency are required to improve flexibility and applicability
of the improved emergy theory in larger areas or more complex systems.
Key Words: complex circular ecosystem; emergy analysis; sustainability evaluation; economic benefit
1966 年美国生态经济学家鲍尔丁提出“用循环使用各种资源的循环式经济代替单程式经济冶的观点,循
环经济的理念由此诞生[1]。 经多年的发展实践,作为可持续发展的具体运作模式,循环经济已被许多国家接
受和实践应用[2鄄3]。 我国至 20 世纪 90 年代引入循环经济的理念,并逐步把它运用到农业生产中,形成一些有
特色的循环农业经济模式。 农业生态经济系统包括种植业、林业、畜牧业、渔业及其延伸的农产品加工业、贸
易与服务业等子系统,这些子系统相互联系、相互交错、协同发展,各子系统之间通过物质、能量的交换、转化
和循环,紧密地结合成一个有机循环整体[4]。 目前,已有学者开展循环农业生态系统评价,既有从大尺度对
区域循环经济的评价[5鄄8],也有对小规模循环经济模式的评价[9],但是运用能值分析方法对小规模循环复合
生态系统的评价目前尚未见报道。
“能值冶理论是 20 世纪 80 年代美国著名系统生态学家 H. T. Odum为首创立的[10],其是以自然价值为基
础,将系统中各种生态流和经济流转换为能值,对自然环境生产与人类经济活动进行统一评价,定量分析系统
结构、功能与生态经济效益的一种方法[11]。 经近 20 年的发展,能值分析已广泛应用于自然生态系统、农业生
态系统、工业生产系统、城市生态系统以及区域生态系统发展可持续性的分析、评价与比较[12]。 但能值分析
方法在实际应用中还有一定的局限性,还存在能值转换率计算、复合系统投入能值流重复计算等问题[13]。 本
文在传统能值方法基础上优化,探讨适合复合循环生态系统的能值分析方法,并以福建省福清星源循环农业
产业示范基地为例验证,评价复合生态系统的可持续发展程度和经济效益,以期为能值方法的完善和循环农
业的发展提供科学依据。
1摇 研究方法
1. 1摇 研究区概括
本研究的对象为福清市星源循环农业产业化示范基地生态系统。 该基地位于福清市龙山街道先强村,距
福清市区 13 km,北纬 25毅42忆,东经 119毅27忆,系统总占地面积 30. 15 hm2,其中种植面积 22. 78 hm2。 研究区年
太阳辐射 4. 297伊109J / km2,年平均气温 19. 6 益,年平均降雨量 1697. 4 mm,当地径流年平均值 200 mm。 研究
区系统以生猪养殖为平台,养殖场废弃物干湿分离,猪粪渣用来栽培食用菌和生产有机肥,污水经沼气工程厌
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氧发酵消纳,污水厌氧发酵后的沼气用于产热和发电,沼渣、沼液用来浇灌牧草、甘蓝、玉米等,形成物质多级
循环利用、废弃物资源化循环利用的循环复合生态系统。
1. 2摇 资料收集与数据处理方法
通过实地调查与资料收集的方法获得整年度系统能值分析的原始数据,能值转化率参考相关文献[14鄄17]。
1. 3摇 研究方法
1. 3. 1摇 传统的生态系统能值分析方法
能值分析方法是以能量为核心的系统分析方法,它以能值为量纲,把系统内所有的资源、产品和劳务的价
值等用其在形成过程中所需直接和间接消耗的太阳能来衡量,单位为太阳能焦耳(solar emjoules, sej)。 系统
能值分析主要包括投入和产出能值(Y)分析、系统能值指标分析等,能值投入主要有自然资源投入(可更新 R
和不可更新 N)、社会购买能值投入(可更新有机能 T和不可更新工业能 F),在此基础上建立能值指标体系。
农业生态系统常用的能值指标有净能值产出率(EYR)、环境负载率(ELR)、可持续发展指标(ESI)及适合于复
合生态系统的指标:系统稳定性指数( s) [14]。
(1)能值产出率(EYR),系统能值总产出与社会经济反馈能值投入之比,表达式为:
EYR=EmY / (EmF+Emt) (1)
(2)环境负载率(ELR),系统不可更新能值投入总量与可更新能值投入总量的比值,表达式为:
ELR=(EmF+EmN) / (EmR+EmT) (2)
(3)可持续发展指标(ESI),能值产出率与环境负载率的比值,其表达式为:
ESI = EYR / ELR (3)
(4)系统稳定性指数( s) [14,18],表示系统生产稳定性的大小,稳定性越高,则说明系统的物质流、能量流连
接网络越发达,系统的自控、调节、反馈作用越强,其表达式为:
S = - 移
n
i = 1
(EmYi / EmYi)ln(EmYi / EmY) (4)
式中, EmYi 表示第 i个子系统的能值产出, EmY 表示系统能值总产出。
1. 3. 2摇 循环复合农业生态系统的能值分析方法
研究区系统是一个集养殖业、种植业、加工业等多产业复杂的复合生态系统,系统内资源多级利用,废弃
物资源化循环利用。 研究区系统能值投入除了自然资源投入和社会反馈投入外,还有一部分投入来自系统内
部,其中很大部分是系统废弃物,而产出能值除了流入市场外,还有一部分反馈回系统。 因此,在公式(1)—
(4)的基础上进一步细化,对部分能值指标的计算完善和优化,建立一套适合复合循环农业生态系统的能值
分析方法和能值指标体系。
(1)能值产出率(Emergy yield ratio,EYR)
由于废弃物对生产、环境、效益等方面的影响表现为负面效应,将其设定为负产出,其它设定为正产出。
研究区各子系统能值产出可分为 3 部分,其一为正产出中流出系统外进入市场部分,其二为正产出中在系统
内其它子系统再次循环利用部分,其三为废弃物(负产出)。 由于第二部分产出未进入市场流通,仅作为生产
资料在全系统内再次利用,不可将其归并入总产值中,而第三部分产出对能值产出率为负贡献,因此在公式
(1)的基础上将能值产出率指标的计算优化为系统总产出能值减去反馈回系统的部分和废弃物后与社会购
买能值投入之比:
EYR =移
n
i = 1
(Yi - fi忆 - Wi) /移
n
i-1
(Fi + Ti - fi) (5)
式中, Yi 表示复合生态系统中单一子系统 i的能值产出(sej / a), fi忆表示子系统 i产出反馈回系统内某个子系
统的能值, Wi表示复合生态系统中单一子系统 i排放到整个系统外的废弃物能值(sej / a), Fi 表示单一子系
统 i不可更新工业辅助能投入, Ti表示单一子系统 i可更新有机能投入, fi表示某个子系统反馈输入到子系
统 i的能值(sej / a)。
7575摇 18 期 摇 摇 摇 钟珍梅摇 等:基于能值理论的循环复合农业生态系统发展评价 摇
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(2)环境负载率(ELR)
由于废弃物对环境的影响是负面的,即对环境负载率的贡献为正值,因此在公式(2)的基础上将环境负
载率指标的计算优化为不可更新能值投入和排放废弃物能值之和与可更新能值投入的比值,表示系统生产过
程对环境造成的压力大小:
ELR =移
n
i = 1
(Ni + Fi + Wi) /移
n
i = 1
(Ri + Ti忆) (6)
式中, Ni表示单一子系统 i不可更新自然资源能值投入, Ri 表示单一子系统 i 可更新自然资源能值投
入, Ti忆表示单一子系统 i来自社会可能新能值投入。
(3)可持续发展指数(ESI)
能值产出率与环境负载率的比值,其表达式如公式(7)所示:
ESI = EYR / ELR (7)
(4)系统稳定性指数(S)
本指标是衡量复合生态系统生产稳定性大小的指标,计算过程中同样把总产出分为 3 部分,在公式(4)
的基础上优化:
S = - 移
n
i = 1
[(Yi - fi忆 - Wi) / (Y - f忆 - W)]ln[(Yi - fi忆 - Wi) / (Y - f忆 - W)] (8)
式中,Y表示复合生态系统能值总产出, f忆表示复合生态系统中总产出能值反馈回系统的部分,W表示复合生
态系统总产出的废弃物能值部分。
1. 4摇 复合生态系统中子系统的组合方案
研究区“生猪养殖鄄沼气工程鄄固废处理鄄沼液利用冶 复合生态农业系统包括 4 个子系统,其中固废处理子
系统属增益链,包括有机肥生产和食用菌栽培,在实际生产中各子系统可通过不同的组合形成不同的循环农
业模式,一种循环农业模式构成一个循环复合生态系统。 本研究将 4 个子系统按不同方式组合,形成 4 种组
合方案(表 1),以生猪养殖子系统为对照,比较 4 种组合方式下形成的复合生态系统的可持续性、系统稳定性
和经济效益。
表 1摇 按不同循环方式组合子系统的方案表
Table 1摇 Combined projects of subsystem by different circular mode
方案序号
Treatment
number
组合方案
Treatment
备注
Remarks
对照
Control 生猪养殖 生猪养殖产生的猪粪尿不在系统内处理
1 生猪养殖+沼气工程+种植业 猪粪尿经干湿分离,污水经过沼气工程,沼液作为种植业灌溉水,猪粪渣和沼渣不在系统内处理
2 生猪养殖
+沼气工程+食用菌种植+种
植业
猪粪尿经干湿分离,污水经过沼气工程,沼液作为种植业灌溉水,猪粪渣和沼渣
全部用于食用菌栽培原料
3 生猪养殖
+沼气工程+有机肥生产+种
植业
猪粪尿经干湿分离,污水经过沼气工程,沼液作为种植业灌溉水,猪粪渣和沼渣
全部用于生产有机肥
4 生猪养殖
+沼气工程+有机肥生产+食
用菌种植+种植业
猪粪尿经干湿分离,污水经过沼气工程,沼液作为种植业灌溉水,猪粪渣和沼渣
全部按不同比例分别用于生产有机肥和栽培食用菌
1. 5摇 数据统计
所有数据均通过 Excel计算和处理。
2摇 结果分析
2. 1摇 子系统投入产出能值分析
各子系统之间物质循环如下:生猪养殖每年产废弃物干湿分离后产猪粪渣、污水(尿液和冲栏水)1. 79伊
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1017 sej、1. 31伊1018 sej,污水进入沼气工程环节,经厌氧发酵后年产沼液和沼渣分别为 6. 34伊1017 sej 和 7. 65伊
1017 sej,其中 29. 18% (1. 85伊1017 sej)的沼液反馈到种植业,27. 40%猪粪渣反馈到食用菌栽培系统,72. 60%
猪粪渣和所有的菌渣、沼渣反馈到有机肥系统,仅有 0. 91% (8. 72伊1015 sej)有机肥反馈到种植业系统,其它的
流入市场(图 1)。
图 1摇 循环复合生态系统能值流图
Fig. 1摇 The emergy flow diagram of combined ecosystems
根据实际生产中的数据计算出各子系统能值投入和产出,进而计算出各子系统的能值流。 可更新有机能
分为两部分,一部分来自系统外(T忆),即社会购买能值,另外一部分由其他子系统反馈投入( f)。 总产出能值
(Y)分为三部分,一部分反馈回系统( f忆),一部分为系统的废弃物产出(W),剩余部分为系统产出能值(Y忆)。
然后按表 1 的 5 种组合计算,结果如表 2 所示。
表 2摇 5 种组合的复合生态系统能值流汇表 / sej
Table 2摇 The emergy flows of five kinds of combined ecosystems
项目 Items 对照 Control 1 2 3 4
可更新自然资源(R)Renewable natural source 1. 79伊1016 1. 87伊1016 1. 87伊1016 1. 87伊1016 1. 87伊1016
不可更新自然资源(N)Nonrenewable natural source - 4. 14伊1014 1. 31伊1016 4. 14伊1014 1. 31伊1016
不可更新工业能(F)Nonrenewable industrial energy 2. 55伊1018 2. 93伊1018 3. 07伊1018 3. 16伊1018 3. 30伊1018
外界投入的可更新有机能(T忆)
Renewable organic energy from the outside 6. 70伊10
18 7. 23伊1018 7. 45伊1018 7. 37伊1018 7. 58伊1018
系统反馈投入的可更新有机能( f)
Feedback organic energy from the inside 3. 88伊10
16 1. 53伊1018 1. 58伊1018 1. 98伊1018 2. 03伊1018
总可更新有机能(T) The total organic energy 6. 74伊1018 8. 76伊1018 9. 03伊1018 9. 35伊1018 9. 60伊1018
产出能值(Y忆) Output emergy 6. 38伊1019 6. 83伊1019 6. 88伊1019 6. 98伊1019 7. 04伊1019
产出能值反馈回系统的部分( f忆) Output emergy fed back systems - 2. 31伊1018 2. 31伊1018 2. 31伊1018 2. 31伊1018
废弃物能值(W) The waste emergy 1. 49伊1018 1. 79伊1017 1. 35伊1015 - -
2. 2摇 两种能值分析方法的比较
将表 2 所得的数据根据表 1 的 5 种方式组合后再根据公式(1)—(8)计算,结果如表 3 所示。 用两种方
法计算所得的复合生态系统净能值产出率(EYR)和环境负载率(ELR)均低于生猪养殖系统,而用传统的能值
9575摇 18 期 摇 摇 摇 钟珍梅摇 等:基于能值理论的循环复合农业生态系统发展评价 摇
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分析方法计算可持续发展指数最高的为生猪养殖系统,其次为“生猪养殖鄄沼气工程鄄种植业冶复合生态系统,
最低的为“生猪养殖鄄沼气工程鄄有机肥生产鄄食用菌栽培鄄种植业冶复合系统,说明传统的能值分析方法将来自
系统内部能值归入购买能值投入计算净能值产出率,导致系统投入成本增加,生产效益和净能值产出率降低,
而在计算环境负载率未将系统排放的废弃物考虑在内,导致生猪养殖的环境负载率偏低,可持续发展指数最
高,不能反应真实生产状况。 在实际生产中生猪养殖是面源污染的重要源头,且单一系统稳定性差,其可持续
发展指数不可能高于复合生态系统。 用优化的复合生态系统能值分析方法计算所得的可持续发展指数高于
生猪养殖系统,这与实际生产相符,表明优化后的复合生态系统的能值分析方法更科学。
2. 3摇 不同子系统组合后的复合生态系统能值指标分析
用优化的复合生态系统能值分析方法计算 5 种组合的复合生态系统能值指标,结果如表 3 所示。 4 种复
合生态系统净能值产出率(EYR)比单纯的生猪养殖系统低 1. 9%—5. 8% ,由于种植业产出低值能产品,而养
殖业产出高值能产品,两者组合形成的循环复合生态系统的净能值产出率可能反而低于单纯的生猪养殖。 单
纯的生猪养殖环境负载率(ELR)最高,将产生 1. 49伊1018 sej 的废弃物(表 2),其它 4 种组合形成的复合生态
系统 ELR比单纯的生猪养殖低 26. 67%—30% ,其中“生猪养殖鄄沼气工程鄄有机肥生产鄄种植业冶复合生态系统
ELR最低,其次为“生猪养殖鄄沼气工程鄄食用菌栽培鄄种植业冶和“生猪养殖鄄沼气工程鄄种植业冶复合系统,而
“生猪养殖鄄沼气工程鄄有机肥生产鄄食用菌栽培鄄种植业冶复合生态系的 ELR略高于其它 3 种组合。 4 种复合生
态系统的可持续发展指数(ESI)比单纯的生猪养殖高出 23. 44%—33. 86% ,其中“生猪养殖鄄沼气工程鄄有机肥
生产鄄种植业冶复合生态系统 ESI最高,“生猪养殖鄄沼气工程鄄有机肥生产鄄食用菌栽培鄄种植业冶复合生态系统
的 ESI最低,表明循环链的长短与系统的可持续发展指数并不成正比。
从复合系统的稳定性指数( s)分析可知,4 种组合复合生态系统的稳定性指数均高于生猪养殖,其中“生
猪养殖鄄沼气工程鄄有机肥生产鄄食用菌栽培鄄种植业冶复合系统的稳定性最高,说明多子系统组合对提高复合生
态系统的稳定性有明显的作用,而同样为固废处理系统的“生猪养殖鄄沼气工程鄄有机肥生产鄄种植业冶复合系
统高于“生猪养殖鄄沼气工程鄄食用菌栽培鄄种植业冶。
表 3摇 5 种组合的复合生态系统能值指标分析表
Table 3摇 The emergy indices of five kinds of combined ecosystems
指标
Index
传统的生态系统能值分析方法
The traditional emergy analysis method
EYR1 ELR1 ESI1 S1
复合生态系统能值分析方法
The improved emergy analysis method
EYR ELR ESI s
对照 CK 6. 87 0. 38 18. 20 0 6. 87 0. 60 11. 99 0
1 5. 91 0. 33 17. 70 0. 30 6. 72 0. 43 15. 65 0. 26
2 5. 72 0. 35 16. 32 0. 34 6. 49 0. 43 15. 25 0. 31
3 5. 69 0. 33 17. 36 0. 39 6. 69 0. 42 16. 05 0. 36
4 5. 51 0. 34 16. 03 0. 44 6. 47 0. 44 14. 80 0. 41
摇 摇 EYR1、ELR1、ESI1、S1 分别根据公式(1)、(2)、(3)、(4)计算,EYR、ELR、ESI、S分别根据公式(5)、(6)、(7)、(8)计算
2. 4摇 不同子系统组合后的复合生态系统经济效益分析
按优化的复合生态系统能值分析方法将各组合子系统购买能值投入和产出能值相加得出复合系统的投
入和产出,进而得到系统的能值产投比、现金产投比及系统的净收益,结果如表 4 所示。 从能值货币价值分
析,4 种复合生态系统的能值货币价值产投比均低于单纯的生猪养殖,降低幅度为 2. 18%—5. 82% ,而能值净
收益则增加 6. 62%—9. 16% ,表明经过组合后复合系统的总生产效率略降低,但总体收益增加,这与实际生
产中种植业的生产效益低于养殖业相符。 从现金价值分析,4 种复合生态系统的产投比和单纯的生猪养殖相
比略有升高,而净收益比单纯的生猪养殖高出 5. 42%—19. 10% ,表明受到市场因素的干扰,一些农产品虽然
是低值能产品,但其在现金流通过程中有较高的附加经济价值,因此导致能值净产出率与现金产出率的值存
在一定的差异。
0675 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
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系统能值总产出是影响产投比的关键因素之一,养殖子系统产出能值占全系统能值总产出的 90. 25%
(表 2),由于畜牧产品是高质能产品,其能值转换率高,因此养殖子系统的产出能值高,进而全系统的能值总
产出也高,导致能值货币价值的产投比远高于现金价值产投比(表 4)。
表 4摇 5 种组合的复合生态系统经济价值分析表
Table 4摇 The economic value of five kinds of combined ecosystems
组合方案
Combination
project
能值货币价值＄ Em＄
投入伊106
Iuput
产出伊106
Output
产投比
Yield / input
净收益 伊106
Net yield
现金价值 ￥ Cash Value
投入伊106
Iuput
产出伊106
Output
产投比
Yield / input
净收益 伊106
Net yield
CK 1. 88 12. 91 6. 87 11. 03 22. 85 31. 34 1. 37 8. 48
1 2. 06 13. 82 6. 72 11. 76 23. 16 32. 09 1. 39 8. 94
2 2. 15 13. 93 6. 49 11. 79 23. 74 32. 75 1. 38 9. 01
3 2. 11 14. 13 6. 69 12. 01 24. 20 34. 19 1. 41 9. 99
4 2. 20 14. 24 6. 47 12. 04 24. 78 34. 85 1. 41 10. 10
摇 摇 投入和产出均针对系统外,系统内部循环的不包括在内,产出除以投入得到产投比,净收益为产出与投入之差
3摇 结论与讨论
循环农业经济是具有高效资源代谢过程、完整的系统耦合结构及整体、协调、循环、自生功能的网络型、进
化型的复合生态系统。 研究复合生态系统结构和功能的前提在于摸清多级结构单元(子系统)内部及其与外
部系统的联结,通过结构的优化组合发挥系统的最大功能[18鄄19]。 本研究区的复合生态系统通过系统内部资
源、废弃物的循环利用减少系统外购买能值的投入,优化系统结构,发挥系统的最大功能,获得最佳经济效益。
传统能值方法分析循环农业系统时没有考虑产出的废弃物循环利用后社会购买能值投入的减少及其不利用
对整个系统和环境的负效应,不能真实反应废弃物资源化利用的循环农业系统优越性。 本研究涉及的养殖子
系统产出大量废弃物,其能值为 1. 49伊1018 sej(表 2),经循环利用这部分能值作为生产原料反馈到沼气工程
子系统和有机肥生产,降低了生产成本,减少了社会购买能值的投入,另一方面废弃物循环利用减少了环境污
染,降低环境压力,因此在计算能值环境负载率时应将其考虑在内。 张小洪等在应用能值理论分析城市污水
处理系统,结果表明由于没有考虑废物处理处置和排放的影响,传统的能值分析方法得出的结果与污水处理
系统的实际生产存在差异[20]。 本研究结果也表明优化后的复合生态系统能值分析方法将复合生态系统作为
一个整体,确定系统边界后分析系统内、外的物质与能量交流状况,更能反应循环复合生态系统的真实生产状
况。 因此笔者以为,应用能值分析方法应从系统的整体性出发进行系统可持续发展评价。
循环经济是多系统的耦合,但循环农业系统的链越长并不表示生态效益一定越好[2],丹麦卡伦堡生态产
业园是一个以废弃物循环利用的生态园,其在运行过程中受到市场某些产品滞销、原材料价格波动或某一工
艺环节出现事故时,整个循环系统运行的效率和效益可能比单个系统运行时要低[21]。 本研究的结果表明循
环链最长的“生猪养殖鄄沼气工程鄄有机肥生产鄄食用菌栽培鄄种植业冶复合生态系统的可持续发展指数、环境负
载率和净能值产出率在 4 种组合中均是最低的,可见循环链的延长并不能带来最好的效益,系统功能的有效
性在于结构的合理性。 “生猪养殖鄄沼气工程鄄种植业冶复合系统的经济效益在 4 种组合中的生产效率最高,由
于沼气厌氧发酵后将产生大量的沼液和沼渣,在利用过程中必须考虑废弃物循环利用的环境承载能力,即必
须有足够大面积的种植业才能完全吸纳,但这在实际生产中有一定的难度,因此研究区引进有机肥生产和食
用菌栽培处理过多的沼肥和养殖场的猪粪渣。 通过研究对比表明,在所有循环模式中“生猪养殖鄄沼气工程鄄
有机肥生产鄄种植业冶循环复合生态系统整体效益最佳,其可持续发展指数最高,环境负载率最低,净能值产出
率仅略低于“生猪养殖鄄沼气工程鄄种植业冶复合系统。
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2675 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 32 卷摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 32,No. 18 September,2012(Semimonthly)
CONTENTS
Hyperspectral characteristics of typical subtopical trees at different levels of simulated acid rain
SHI Qilong, JIANG Hong, CHEN Jian, et al (5621)
………………………………………
………………………………………………………………………………
Wind fields and the development of wind corridors in the urban metropolis of the Pearl River Delta
SUN Wu, WANG Yiming, WANG Yuelei, et al (5630)
…………………………………
……………………………………………………………………………
Dynamics of canopy structure and understory light in montane evergreen broadleaved forest following a natural disturbance in
North Guangdong OU Yuduan, SU Zhiyao (5637)…………………………………………………………………………………
The influence of 4 species of preys on the development and fecundity of Orius similis Zheng
ZHANG Changrong, ZHI Junrui, MO Lifeng (5646)
…………………………………………
………………………………………………………………………………
Woody seedling regeneration in secondary succession of monsoon broad鄄leaved evergreen forest in Puer, Yunnan, Southwest
China LI Shuaifeng, LIU Wande, SU Jianrong, et al (5653)……………………………………………………………………
Scale鄄dependent spatial variation of species abundance and richness in two mixed evergreen鄄deciduous broad鄄leaved karst forests,
Southwest China ZHANG Zhonghua, HU Gang, ZHU Jiedong, et al (5663)……………………………………………………
The spatial heterogeneity of soil nutrients in a mid鄄subtropical Castanopsis kawakamii natural forest
SU Songjin,LIU Jinfu,HE Zhongsheng,et al (5673)
…………………………………
………………………………………………………………………………
Effects of Vetiveria zizanioides L. growth on chemical and biological properties of copper mine tailing wastelands
XU Decong, ZHAN Jing, CHEN Zheng, et al (5683)
……………………
………………………………………………………………………………
Effects of different irrigation regimes on characteristics of transpiring water鄄consumption of three desert species
SHAN Lishan, LI Yi, ZHANG Ximing, et al (5692)
………………………
………………………………………………………………………………
The response of euhalophyte Salicornia europaea L. to different nitrogen forms
NIE Lingling, FENG Juanjuan, L譈 Sulian, et al (5703)
…………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Dynamic analysis on spatial pattern of dominant tree species of cold鄄temperate coniferous forest in the succession process in
the Pangquangou Nature Reserve ZHANG Qindi, BI Runcheng, ZHANG Jintun, et al (5713)…………………………………
Effects of AM fungi on the growth and nutrients of Salvia miltiorrhiza Bge. under different soil water and fertilizer conditions
HE Xueli,MA Li,MENG Jingjing,et al (5721)
………
……………………………………………………………………………………
The dynamics of soil respiration in a winter wheat field with plastic mulched鄄ridges and unmulched furrows
SHANGGUAN Yuxian, SHI Ripeng, HAN Kun, et al (5729)
…………………………
……………………………………………………………………
Cattle dung composted by different methods had different effects on the growth and quality of soybean
GUO Liyue, LIU XueMei, ZHAN Lijie, et al (5738)
………………………………
………………………………………………………………………………
Nitrogen budget modelling at the headwaters of Urumqi River Based on the atmospheric deposition and runoff
WANG Shengjie, ZHANG Mingjun, WANG Feiteng, et al (5747)
………………………
…………………………………………………………………
Evaluating the ecosystem sustainability of circular agriculture based on the emergy theory: a case study of the Xingyuan circular
agriculture demonstration site in Fuqing City, Fujian ZHONG Zhenmei, WENG Boqi, HUANG Qinlou, et al (5755)…………
Effects of cold exposure and recovery on viability and energy consumption in the sub鄄adult female giant spiny frogs (Paa spinosa)
LING Yun, SHAO Chen, XIE Zhigang, et al (5763)
…
………………………………………………………………………………
A comparison of night鄄interruption on diapause鄄averting among two populations of the cotton bollworm, Helicoverpa armigera
CHEN Yuansheng, TU Xiaoyun, CHEN Chao, et al (5770)
………
………………………………………………………………………
Effects of soil erosion control measures on soil organic carbon and total nitrogen in a small watershed
ZHANG Yanjun, GUO Shengli, NAN Yafang, et al (5777)
…………………………………
………………………………………………………………………
Comparative analysis of Lugu Lake watershed ecosystem function under different management authorities
DONG Rencai, GOU Yaqing, LI Siyuan,et al (5786)
……………………………
………………………………………………………………………………
Relationship between fish community diversity and environmental factors in the Lianjiang River, Guangdong, China
LI Jie, LI Xinhui, JIA Xiaoping, et al (5795)
…………………
……………………………………………………………………………………
Effect of dissolved oxygen level on metabolic mode in juvenile crucian carp ZHANG Wei, CAO Zhendong, FU Shijian (5806)……
Community composition of net鄄phytoplankton and its relationship with the environmental factors at artificial reef area in Xiang鄄
shan Bay JIANG Zhibing, CHEN Quanzhen, SHOU Lu, et al (5813)……………………………………………………………
Emergy appraisal on the loss of ecosystem service caused by marine reclamation: a case study in the Taozi Bay
LI Ruiqian,MENG Fanping (5825)
……………………
…………………………………………………………………………………………………
Assessing the visual quality of urban waterfront landscapes:the case of Hefei, China
YAO Yumin, ZHU Xiaodong, XU Yingbi,et al (5836)
…………………………………………………
……………………………………………………………………………
Review and Monograph
Advances in ecological genomics SHI Yongbin, LI Junmin, JIN Zexin (5846)…………………………………………………………
Advances in studies of ecological effects of ocean acidification WANG Siru, YIN Kedong, CAI Weijun, et al (5859)………………
Advances in feeding ecology of Acartia HU Simin, LIU Sheng, LI Tao, et al (5870)…………………………………………………
Research progress on ammonia鄄oxidizing microorganisms in estuarine ecosystem
ZHANG Qiufang, XU Jirong, SU Jianqiang, et al (5878)
………………………………………………………
…………………………………………………………………………
Recent progress in research on neutrophilic, microaerophilic iron(域)鄄oxidizing bacteria LIN Chaofeng, GONG Jun (5889)…………
A comparison study on primary production in typical low鄄latitude seas (South China Sea and Bay of Bengal)
LIU Huaxue, SONG Xingyu, HUANG Honghui, et al (5900)
…………………………
………………………………………………………………………
Advances in leaf maximum carboxylation rate and its response to environmental factors
ZHANG Yanmin, ZHOU Guangsheng (5907)
………………………………………………
………………………………………………………………………………………
10鄄years of bird habitat selection studies in mainland China: a review JIANG Aiwu, ZHOU Fang, QIN Yue, et al (5918)…………
Scientific Note
The effects of incubation temperature on embryonic metabolism and hatchling behavior in the Red鄄banded Snake, Dinodon
rufozonatum SUN Wenjia, YU Xiao, CAO Mengjie, et al (5924)…………………………………………………………………
Sensitivity analysis and dynamics of soil microbial biomass carbon, nitrogen and related parameters in red鄄yellow soil of tea garden
with different fertilization practices WANG Limin, QIU Shanlian, LIN Xinjian, et al (5930)……………………………………
Effect of fertilizers on cd uptake of two edible amaranthus herbs LI Ningyu, LI Zhian,ZHUANG Ping, et al (5937)…………………
《生态学报》2013 年征订启事
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