全 文 ：中国生态农业学报 2014年 6月 第 22卷 第 6期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jun. 2014, 22(6): 729−736
* 国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD14B18)资助
高雪松, 研究方向为农业资源循环利用。E-mail: gxs80@126.com
收稿日期: 2014−01−02 接受日期: 2014−03−14
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2014.40005
基于能值方法的成都平原农田生态系统秸秆
循环利用模式研究*
高雪松 邓良基 张世熔
(四川农业大学生态环境研究所/四川农业大学资源环境学院 成都 611130)
摘 要 本文采用能值分析方法与理论, 以成都平原“稻−麦”轮作农田生态系统不同秸秆循环利用模式为研
究对象, 通过系统定位试验与随机抽样调查, 对农田生态系统常规施肥生产模式(CF)、秸秆直接还田生产模式
(CFS)和食用菌菌废料还田生产模式(按物质投入量不同分为 FR1、FR2和 FR3)的能值投入产出进行比较。研究
表明: CF 和 CFS 模式不可更新能值投入比例较大, 主要依附工业辅助能的投入; 不同模式系统的总能值产出
量依次为 CF>FR2>CFS>FR1>FR3, 与 CF和 CFS模式相比, FR1、FR2、FR3模式的产投比相对较大, FR2模式最
大, 其产投比为 2.35。菌废料还田生产模式下农田生态系统有机能值占系统总能值比例较高, 系统净能值产出
率高, 环境负载率较低, 环境压力小, 可持续发展性能较强, FR2 菌废料还田生产模式是最适合成都平原的秸
秆循环利用生产模式。
关键词 “稻−麦”轮作农田生态系统 秸秆循环利用模式 食用菌废料还田 能值分析 成都平原
中图分类号: S181 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2014)06-0729-08
Comparison of different straw cycling modes in farmland ecosystems in
Chengdu Plain based on emergy theory
GAO Xuesong, DENG Liangji, ZHANG Shirong
(Institute of Ecology and Environment, Sichuan Agricultural University/Department of Resources and Environment, Sichuan
Agricultural University, Chengdu 611130, China)
Abstract The flow and transformation of energy and circulation of materials can reflect the basic functional processes of
agricultural ecosystems. Energy analysis of agricultural ecosystems focuses on the characteristics of energy flow, which converts
different resources into standard emergy. Thus energy conversion in intra-ecosystems or inter-systems can be explained and the
optimized modes or structures can be chosen. This paper aimed at finding out the most applicable straw utilization mode for local
agricultural ecosystems in Chengdu Plain. Chengdu Plain is one of the biggest grain and oil production bases with high straw
quantity in China. How to make better use of the straw resources rather than excessive consumption of agro-ecological resources has
attracted considerable interest in recent years. In this paper, the theory and method of emergy analysis were used to study different
straw cycling modes in “rice-wheat rotation” farmland ecosystems in Chengdu Plain. Through the systematic positioning test and
random sampling, emergy inputs and outputs of farm land production modes with different straw cycling ways in Chengdu Plain
were investigated. The modes included regular fertilization mode (CF), straw returning mode (CFS) and mushroom residues
utilization modes (FRs, in which three modes with different inputs were involved, FR1, FR2, FR3). Results indicated that
non-renewable emergy inputs of CF and CFS modes accounted for a large portion in all emergy input. This mainly depended on
auxiliary emergy of non-renewable industry, which easily resulted into non-point source pollution. The sequence of total emergy
values of different modes was CF > FR2 > CFS > FR1 > FR3. Compared with CF and CFS modes, emergy input-output ratios of FR1,
FR2 and FR3 modes were relatively higher. Total emergy output and emergy input-output ratio of FR2 mode were highest, reaching
2.20×1016 sej and 2.35, respectively. Mushroom residues utilization modes had high net emergy yield ratio with emergy
self-sufficiency ratio above 50%. Emergy loading ratios of CF and CFS modes were relatively high, reaching 1.66 and 1.75,
730 中国生态农业学报 2014 第 22卷
respectively. Emergy loading ratios of all the other modes of mushroom residues utilization were below 1. The sustainable indexes
of CF, CFS, FR1, FR2 and FR3 modes were 1.68, 1.42, 6.56, 5.75 and 4.07, respectively. While the CFS mode increased organic
emergy input, it decreased net emergy yield ratio. The CFS mode not only had high emergy input and emergy loading ratio, but
also under considerable environmental pressure. However, the FRs modes had less chemical fertilizer emergy input, low emergy
loading ratio and high net emergy yield ratio. Due to the sustainable features and development potential, the FRs modes were
recommended as applicable modes in Chengdu Plain. The FR2 mode was considered as the most suitable straw utilization
production mode.
Keywords “Rice-wheat rotation” farmland system; Straw cycling mode; Mushroom residues utilization; Emergy analysis;
Chengdu Plain
(Received Jan. 2, 2014; accepted Mar. 14, 2014)
生态系统的基本功能过程体现为能量的不断流
动、转化和物质不断循环, 是研究复合生态系统最
主要的内容之一[1−2]。农业生态系统的能量分析即研
究系统的能量流动特征, 可把不同种类、不可比较
的资源类型的能量转换成同一标准的能值来衡量和
分析, 较好地解释农业生态系统内及不同系统间的
物质能量转化关系, 筛选出最佳的系统组织模式与
结构[3]。当前, 许多研究主要集中于不同尺度农业生
态系统和区域生态经济系统能值分析[4−6], 分析系统
结构[7], 探讨子系统的能量输入输出、能量转化效率
等能流特征[8−9]、环境负载力、可持续发展状况等[10−11]
方面。能值分析也延伸到循环农业系统研究中, 关
注秸秆等农业废弃物循环利用模式的物质与能量循
环 [12], 但由于区域种植业结构差异大, 这方面研究
还不够系统。成都平原作为中国主要的粮油生产基
地之一, 也是农作物秸秆很丰富的区域[13], 高投入、
高产出、高资源消耗的传统种植业系统已形成了对
农田生态系统资源的过度消耗, 亟需研究构建农田
秸秆资源等循环利用技术与模式, 评估农业生态系
统的功效。本文以成都平原典型的几种秸秆循环利
用模式为例, 通过能值分析方法, 分析不同秸秆循
环利用模式的能值投入产出, 揭示农田生态系统能
流特征以及系统结构与功能, 为探寻最适合当地农
业生态系统的秸秆循环利用模式提供依据。
1 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况
研究区域地处成都平原西部大邑县, 位于亚热
带湿润季风气候区内 , 气候温暖湿润 , 热量充足 ,
降水充沛, 境内年平均气温为 16.0 , ℃ 无霜期多年
平均为 284 d, 平均年降水量 1 098.2 mm。大邑县农
业种植制度以“稻−麦”轮作为主, 有“中国食用菌之
乡”之称, 秸秆原料化所占比例很高, 实现了“秸秆−
食用菌−(菌废料)−大田作物”的多级利用和良性循环。
1.2 研究方法
1.2.1 研究系统界定
本文以成都平原“稻−麦”轮作农田生态系统普
遍存在的“水稻−(秸秆)−小麦”、“粮−(秸秆)−食用菌−
(菌废料)−粮”秸秆循环利用生产模式为研究对象 ,
与常规农田生产模式比较。“稻−麦”轮作农田生态系
统生产模式共分为 5 类, 分别是常规施肥生产模式
(CF)、秸秆直接还田生产模式(CFS), 食用菌菌废料
还田生产模式(FR1、FR2和 FR3, 此 3 种生产模式差
异在于物质投入量不同, 详见表 1)。“稻−麦”轮作农
田生态系统包括 2 个亚系统: 小麦生产亚系统和水
稻生产亚系统。
1.2.2 数据来源及处理
研究采用系统定位试验与实地调查相结合。系
统定位试验于 2008年 4月—2011年 5月在成都市大邑
县韩场镇五合村试验田(103°41′42.9′′E, 30°27′22.5′′N)进
行。试验区均为“水稻−小麦”轮作, 供试土壤为长期
免耕的淹育型水稻土。以常规施肥生产模式(CF)、
秸秆直接还田生产模式(CFS)和食用菌菌废料还田
生产模式(FR1、FR2和 FR3)5种农田生产方式进行定
位试验。小区面积为 30 m2, 每个处理重复 4次, 随
机区组排列。小区之间筑土埂, 并用 6 丝的薄膜相
互间隔至犁底层。水稻(Oryza sativa L.)种植品种为
‘冈优 94-11’(大田育秧 ), 小麦 (Triticum aestivum
Linn.)种植品种为‘蓉麦 2号’。
在水稻季, 除钾肥(45 kg·hm−2)在水稻扬花前施
用外 , 其余无机肥在水稻移栽后立即施入各小区 ,
而麦秆和菌废料在水稻移栽 4 d 后施入; 在小麦季,
所有肥料均在小麦播种前施入各小区。所用肥料均
为表施。复合肥为成都市大邑高效复合肥厂出产 ,
含 N量为 14%、P2O5量为 5%、K2O量为 6%; 氮肥
为四川金杯农业科技发展有限公司出产, 含 N 量为
17.1%; 磷肥为四川省成都市青白江区磷肥厂出产,
含 P2O5量为 12.0%; 钾肥为中化化肥控股有限公司
出产, 含 K2O 量为 60%。供试的双孢蘑菇菌废料在
大邑县兰田公司食用菌生产菇房中获取, 在出完最
后一潮双孢菇后, 用工具铲去表层泥土, 再将剩下
的菌渣下架, 于阴凉干燥处堆存备用。水稻种植株
距×行距为 13.3 cm×26.7 cm, 每穴 3苗, 在水稻生长
第 6期 高雪松等: 基于能值方法的成都平原农田生态系统秸秆循环利用模式研究 731
表 1 “稻−麦”轮作农田生态系统不同秸秆循环利用生产模式的投入情况
Table 1 Input informations of different straw recycling ways in “rice-wheat rotation” ecosystem kg·30m−2
水稻 Rice 小麦 Wheat
模式
Mode
复合肥
Compound
fertilizer
氮肥
Nitrogen
fertilizer
磷肥
Phosphate
fertilizer
钾肥
Potassium
fertilizer
稻秆 1)
Rice
straw
菌废料 1)
Mushroom
residue
复合肥
Compound
fertilizer
氮肥
Nitrogen
fertilizer
磷肥
Phosphate
fertilizer
钾肥
Potassium
fertilizer
麦秆 1)
Wheat
straw
菌废料 1)
Mushroom
residue
CF 0.90 0.90 — 0.225 — — 1.58 1.58 — — — —
CFS 0.90 1.50 0.38 0.315 20.25 — 1.58 1.58 0.51 0.070 24.75 —
FR1 — — 0.29 0.245 — 28.60 — — 0.46 0.032 — 30.34
FR2 — — 0.43 0.255 — 42.90 — — 0.69 0.048 — 45.50
FR3 — — 0.57 0.265 — 57.20 — — 0.92 0.064 — 60.67
CF: 常规施肥生产模式; CFS : 秸秆直接还田生产模式; FR1、FR2和 FR3均为食用菌菌废料还田生产模式, 差异在于不同的食用菌菌废料
还田量; 下同。1): 干重。CF: regular fertilization production mode; CFS: straw returning production mode; FR1, FR2 and FR3: mushroom residues
returning production modes with different mushroom residues amounts. The same below. 1): dry weight basis.
过程中各小区均为独立灌排; 小麦按 135 kg·hm−2播
种量均匀播撒。
实地调查以走访和问卷调查为主, 典型调查与
随机调查相结合, 调查对象包括食用菌生产企业、
规模化生产户和一般农户, 调查内容主要包括食用
菌生产过程、农田耕作方式、施肥灌溉等管理方式,
不同秸秆循环利用模式下的投入和产出情况等。根
据田间定位试验和调查资料计算不同秸秆循环模式
的能值投入和能值产出, 并按照不同类别进行资源
归类, 编制系统能值投入产出分析表(表 2)。能值分
析表中原始数据由能量分析表中求得 , 太阳能值
(sej)为原始数据(能量或物质)与太阳能值转换率的
乘积。原始数据以物质量(g)、能量(J)或货币量($)
给出, 部分数据的能量折算方法、能量转化率和太
阳能值转换率参考相关文献[14−17]。
1.2.3 主要能值指标计算
为分析各项投入产出能值所占比例, 评价自然
环境(可更新投入)与辅助能对农田生态经济系统中
农业生产的贡献, 根据农田生态系统中秸秆循环利
用模式的特点和分析目的, 将各项投入和产出数据
进行归纳比较, 得出净能值产出率、能值投入率、
能值密度、环境负荷力、能值自给率、可持续发展
指数等能值指标, 并汇总编制成农田生态系统秸秆
循环模式的能值指标评估体系。
净能值产出率(EYR)=总能值产出(EmY)/总辅助
能值(EmU) (1)
能值投入率(EIR)=总辅助能值(EmU)/环境资源
总投入(EmI) (2)
能值投入密度(sej·m−2)=总投入能值(EmT)/土地
面积(A) (3)
能值自给率(ESR)=环境资源总投入(EmI )/总投
入能值(EmT) (4)
环境负载率(ELR)=工业辅助能值(EmF)/可更新
环境资源能值(EmR) (5)
可持续发展指数(ESI)=净能值产出率(EYR)/环
境负载率(ELR) (6)
2 结果与分析
2.1 不同秸秆循环利用模式的能值投入分析
2.1.1 可更新能值投入
农田生态系统可更新能值投入包括可更新环境
资源投入和可更新有机能投入 2 个部分。投入到农
田生态系统的可更新环境资源主要是太阳能和雨水,
其能值投入主要与研究系统面积大小、气候条件有
关, 因此, 单位面积投入到不同农田生态系统中的
可更新环境资源的能值相同, 均为 4.99E+15sej(表
3)。可更新有机能包括投入系统的人力、有机肥、
种子等, 5类模式中可更新有机能的差异在于有机肥
的投入。CF模式无有机肥投入, 可更新有机能值投
入最低, 可更新有机能值投入占总能值投入的比例
和占总辅助能值的比例均较低 , 分别为 18.94%和
30.27%(表 4); CFS模式投入的有机肥为秸秆, CFS模
式中虽因秸秆直接还田使得有机能值投入增加, 在
一定程度上改善了土壤理化性质, 减轻了土壤环境
压力 , 但为保证作物所需要养分 , 提高作物产量 ,
该系统在辅助能值投入上并没有相应减少化肥的使
用, 因此可更新有机能值投入占总能值投入的比例
和占总辅助能值的比例也较低 , 分别为 18.54%和
29.06%。CFS 模式可更新有机能值投入低于菌废料
还田生产模式, 菌废料还田生产模式 FR1、FR2、FR3
投入的可更新有机能值随着菌废料还田量的增加而
增加。菌废料还田生产模式(FR1、FR2、FR3)由于菌
废料的投入, 大大减少了化肥的施入, 可更新有机
能值投入占总能值投入的比例则增大 , 分别为
28.88%、27.59%、26.44%, 可更新有机能值占总辅
助能值比例分别为 66.23%、59.04%、53.37%, 即菌
732 中国生态农业学报 2014 第 22卷
第 6期 高雪松等: 基于能值方法的成都平原农田生态系统秸秆循环利用模式研究 733
表 3 “稻−麦”轮作农田生态系统不同秸秆循环利用模式的能值流汇总表
Table 3 Energy values of different straw recycling ways in “rice-wheat rotation” ecosystem sej
项目
Item
代号或表达式
Code or expression
CF CFS FR1 FR2 FR3
可更新环境资源 Renewable resource EmR 4.99E+15 4.99E+15 4.99E+15 4.99E+15 4.99E+15
工业辅助能 Industry auxiliary emergy EmF 5.76E+15 6.20E+15 1.30E+15 1.79E+15 2.28E+15
可更新有机能 Renewable organic emergy EmR1 2.50E+15 2.54E+15 2.55E+15 2.58E+15 2.61E+15
环境资源总投入 Total environmental resource input EmI= EmR 4.99E+15 4.99E+15 4.99E+15 4.99E+15 4.99E+15
总辅助能投入 Total auxiliary emergy input EmU= EmF+ EmR1 8.26E+15 8.74E+15 3.85E+15 4.37E+15 4.89E+15
能值投入
Emergy
input
总能值投入 Total emergy input EmT= EmI+ EmU 1.32E+16 1.37E+16 8.83E+15 9.35E+15 9.87E+15
作物籽粒 Crop grain EmY1 1.74E+16 1.59E+16 1.43E+16 1.60E+16 1.41E+16
作物秸秆 Crop straw EmY2 5.53E+15 5.91E+15 5.19E+15 5.98E+15 5.32E+15
能值产出
Emergy
output
总能值产出 Total emergy output EmY= EmY1+ EmY2 2.30E+16 2.18E+16 1.95E+16 2.20E+16 1.95E+16
废料还田生产模式系统的辅助能值的投入主要以有
机能为主, 提高了农田生态系统的物质循环和自我
维护。CF、CFS、FR1、FR2、FR3 模式中有机肥能
值占可更新有机能值比例分别为 0、1.59%、2.08%、
3.08%、4.06%, 说明各系统有机肥能值投入还较低,
虽然菌废料还田减少了化肥投入, 但有机肥能值投
入仍较低; CF、CFS、FR1、FR2、FR3模式有机肥循
环指数分别为 0、0.30%、0.60%、0.85%、1.07%, 表
明随着有机肥能值投入的增加, 有机肥循环指数将
增大, 但系统有机肥能值投入总体不高, 有机肥循
环指数仍处于较低水平。
2.1.2 不可更新能值投入
农田生态系统中不可更新能主要是指工业辅助
能, 5个模式系统中工业辅助能值的差异主要来源于
化肥能源的投入。CF和 CFS模式由于化肥投入量较
大, 导致工业辅助能值较大; 而 FR1、FR2、FR3模式
因大量减少化肥施用, 工业辅助能值大大减小。从
表 4可知, CF和 CFS模式下农田生态系统化肥能值
分别占工业辅助能值的 96.19%和 96.47%, 占总投入
能值的 41.98%和 43.66%, 即工业辅助能中主要以化
肥为主, 两种模式下系统工业辅助能值分别占总辅
助能值的 69.73%和 70.94%, 占总投入能值的
43.64%和 45.26%, 说明 CF和 CFS模式下农田生产
依附工业辅助能的投入。FR1、FR2、FR3 模式下农
田生态系统不可更新工业辅助能值只分别占总辅助
能值的 33.77%、40.96%、46.63%, 仅占总能值投入
的 14.72%、19.14%和 23.10%, 即工业辅助能值在系
统能值投入中并不占主导地位, 化肥能值虽在工业
辅助能值中占主体, 但在总能值投入所占比例较小,
表明菌废料还田模式下的农田生产并不依附于化肥
投入。
CF和CFS模式不可更新能值投入比例较大, 农
田生态系统依附工业辅助能的投入, 这不但容易产
生面源污染, 而且对农田生态系统的其他方面也造
成损害, 如温室气体排放增加, 地下水硝态氮和铵
态氮污染等。因此, 农田生态系统应该遵循“减少化、
循环利用”原则, 优化施肥结构, 减少化学农药投入
等, 从而降低不可更新资源的使用, 维护良好的生
态环境。菌废料还田模式不但有效解决了秸秆利用
问题, 而且大大减少了化肥的投入, 改善了土壤理
化性质, 调节土壤的水、肥、气、热状况, 有效减少
了农田温室气体的排放和土壤硝态氮、铵态氮的淋
失, 提高了农田生态系统物质循环和自我维护。
2.2 不同秸秆循环利用模式的能值产出分析
从表 3可以看出, CF和 CFS模式下农田生态系
统总能值产出分别为 2.30×1016 sej和 2.18×1016 sej,
FR2 模式农田生态系统总能值产出最大 , 为 2.20×
1016 sej。5 种模式系统的总能值产出量依次为 CF>
FR2>CFS>FR1>FR3。
2.3 不同秸秆循环利用模式的能值指标分析
2.3.1 太阳能值转换率
太阳能值转换率是单位能量产出所需要的能值
投入, 反映作物生产总成本的大小, 系统的太阳能
值转换率越高, 其能质等级越高。CFS 模式太阳能
值转换率最高, 为 3.17×104 sej·J−1, FR2模式最低, 为
2.15×104 sej·J−1(表 4)。各模式系统太阳能值转换率
依次为 CFS>CF>FR3>FR1>FR2, 表明秸秆直接还田
和常规生产模式下的农田系统需要输入较多的能量
来维持作物的生产过程, 而菌废料还田生产模式下
的系统维持作物生产所需要输入的能量相对较少。
成都平原地区当前严格执行秸秆禁烧政策, 对秸秆
直接还田模式极力倡导, 所以该模式在整个“稻−麦”
轮作系统应用较为广泛。而菌废料还田生产模式由
于受到资源条件和技术约束, 在成都平原应用推广
面积有限, 但其所需能量输入最少, 是值得大力推
广的模式。
734 中国生态农业学报 2014 第 22卷
表 4 “稻−麦”轮作农田生态系统不同秸秆循环利用模式的能值指标评估体系
Table 4 Energy index assessment systems of different straw recycling ways in rice-wheat rotation ecosystem
能值指标
Emergy index
表达式
Expression
CF CFS FR1 FR2 FR3
工业辅助能值/总投入能值
Industrial auxiliary emergy / total emergy input (%)
EmF/EmT 43.64 45.26 14.72 19.14 23.10
可更新有机能值/总投入能值
Renewable organic emergy / total emergy input (%)
EmR1/EmT 18.94 18.54 28.88 27.59 26.44
工业辅助能值/总辅助能值
Industrial auxiliary emergy / total auxiliary emergy (%)
EmF/EmU 69.73 70.94 33.77 40.96 46.63
可更新有机能值/总辅助能值
Renewable organic emergy / total auxiliary emergy (%)
EmR1/EmU 30.27 29.06 66.23 59.04 53.37
化肥能值/工业辅助能
Chemical fertilizer emergy / industry auxiliary emergy (%)
Fer/EmF 96.19 96.47 82.81 87.55 90.24
化肥能值/总投入能值
Chemical fertilizer emergy / total emergy input (%)
Fer/EmT 41.98 43.66 12.19 16.76 20.85
有机肥能值/可更新有机能值
Organic fertilizer emergy / renewable organic emergy (%)
Org/EmR1 0 1.59 2.08 3.08 4.06
有机肥循环指数(有机肥能值/总投入能值)
Organic fertilizer circulation index (organic fertilizer emergy /
total emergy input) (%)
Org/EmT 0 0.30 0.60 0.85 1.07
太阳能值转换率 Solar transformity (sej·J−1) EmT/EY 3.04E+04 3.17E+04 2.31E+04 2.15E+04 2.56E+04
能值产投比 Emergy input-output ratio EmY/EmT 1.74 1.59 2.21 2.35 1.98
净能值产出率(EYR) Net emergy yield ratio EmY/EmU 2.78 2.49 5.06 5.03 3.99
能值投入率(EIR) Emergy input ratio EmU/EmI 1.66 1.75 0.77 0.88 0.98
能值投入密度 Emergy input density (sej·m−2) EmT/A 1.32E+12 1.37E+12 8.83E+11 9.35E+11 9.87E+11
能值自给率(ESR) Emergy self-sufficiency ratio EmI/EmT 0.38 0.36 0.57 0.53 0.51
环境负载率(ELR) Emergy loading ratio EmF/EmR 1.66 1.75 0.77 0.88 0.98
可持续发展指数(ESI) Enviroment sustainable development index EYR/ELR 1.68 1.42 6.56 5.75 4.07
EY为系统总能量产出; EmY为总能值产出; EmI为环境资源总投入; A为土地面积; EmR为可更新环境资源能值。EY is the total energy output of
the ecosystem; EmY is the total emergy output; EmI is the total environmental resource input; A is the sample area.
2.3.2 能值产投比
与 CF和 CFS模式相比, FR1、FR2、FR3模式的
产投比相对较大, FR2模式最大, 其产投比为 2.35。
可见, 虽然常规施肥生产模式和秸秆直接还田生产
模式投入的能值最大, 但系统的产出效率却相对较
低, 即系统的综合资源利用效率较低; 而菌废料还
田生产模式投入的能值较少 , 却能基本保证产量 ,
系统的综合资源利用效率较高(表 4)。
2.3.3 净能值产出率
净能值产出率反映购买能值应用的效率, 净能
值产出率越高, 表明购买能值的应用效率越高, 生
产同样的产品需要投入的经济能值越少, 所以产品
的市场竞争力越强。由表 4可知, CF、CFS、FR1、
FR2和 FR3模式的净能值产出率分别为 2.78、2.49、
5.06、5.03、3.99, 5 种模式的净能值产出率均大于
1, 说明具有较高的经济效益。与常规施肥生产模式
和秸秆直接还田生产模式相比, 菌废料还田生产模
式下系统净能值产出率较高, 表明系统具有相对高
的能值利用效率, 生产成本较低, 这主要是由于化
肥能值等购买能值的减少, 因此在同等条件下, 该
模式下生产的产品具有较强的市场竞争力。
2.3.4 能值投入率
能值投入率用于衡量经济活动在一定条件下的
竞争能力和经济发展程度, 并可测知环境资源条件
对经济活动的承受力。由表 4可知, CF、CFS、FR1、
FR2和 FR3模式能值投入率分别为 1.66、1.75、0.77、
0.88、0.98, 表明常规施肥和秸秆直接还田模式下,
每单位环境资源的利用相应投入了较多辅助能值 ,
主要体现在化肥购买上, 对自然环境资源的压力相
对较大; 而菌废料还田模式能值投入率较小, 系统
对购买性资源投入的依赖程度较小, 对无偿环境资
源的依赖性较大, 每单位无偿环境资源的利用相应
只投入了较少的辅助能值, 对环境资源的压力相对
较小, 但对环境资源的利用率相对较低, 特别是 FR1
模式系统值投入率太低, 不利于提高农业的集约化
程度。
2.3.5 能值投入密度
能值投入密度越大, 则说明系统集约化程度越
高。由表 4 可知, CFS 模式能值密度最大, 为 1.37×
1012 sej·m−2, FR1 模式能值密度最小, 为 8.83×1011
sej·m−2; 菌废料还田生产模式下系统能值密度远小
于常规施肥和秸秆直接还田生产模式, 表明常规施
肥和秸秆直接还田生产模式的能值集约度和投入强
度均大于菌废料还田生产模式, 且系统集约化程度
相对较高。
第 6期 高雪松等: 基于能值方法的成都平原农田生态系统秸秆循环利用模式研究 735
2.3.6 能值自给率
由表 4 可知, 菌废料还田生产模式系统能值自
给率均在 50%以上, 常规施肥生产模式和秸秆直接
还田生产模式不足 40%, 说明菌废料还田生产模式
本身提供的能值比重相对较大, 辅助能值的投入较
少, 系统对自然环境的依赖程度相对较高; 而常规
施肥和秸秆直接还田生产模式自给自足能力相对较
弱, 无偿资源环境对模式的作用相对较小, 模式对
化肥等购买能值的投入依赖较大。
2.3.7 环境负载率
在一定程度下, 经济资源的投入率增加, 对环
境资源的利用率增大, 相应环境负载率也增大, 若
系统长期处于较高的环境负载率, 则容易破坏系统
平衡, 产生不可逆转的功能退化或丧失。表 4 分析
表明, 常规施肥和秸秆直接还田生产模式环境负载
率相对较高, 分别为 1.66 和 1.75, 菌废料还田生产
模式环境负载率较低, 均小于 1, 可见常规施肥和秸
秆直接还田生产模式下农田生态系统主要依靠人工
辅助能值的大量投入来获得较高的产量, 对不可更
新环境资源的利用率相对较高, 同时对环境的压力
也相对较大; 而菌废料还田生产模式远没有达到高
投入高产出的状态, 不可更新环境资源的利用程度
比较低, 对环境压力小, 尤其是 FR1和 FR2模式, 具
有很大的发展潜力, 可以通过加大系统的能值投入,
特别是科技和机械化投入, 提高系统对环境资源的
利用率。
2.4 不同秸秆循环利用模式的可持续发展能力评估
基于能值分析的系统可持续发展指数 (ESI)表
明, 若净能值产出率高而环境负荷率低, 则可持续
发展指数较高, 经济发展是可持续的, 反之则不可
持续。但并不是 ESI 值越大, 就表示系统的可持续
发展性越高。若 1
象征; 若 ESI<1, 则是高环境负载率的消费型生态
经济系统, 购买能值在总能值投入中占较大比重。
由表 4可知, CF、CFS、FR1、FR2和 FR3模式的可
持续发展指数分别为 1.68、1.42、6.56、5.75、4.07。
菌废料还田生产模式下, 农田生态系统的可持续发
展指数较高, 尤其是 FR1和 FR2模式, 具有较强的
可持续发展性能和较大的发展潜力; 而常规施肥和
秸秆直接还田生产模式因投入较多的化肥能值, 使
得环境负载率相对较高, 导致 ESI 较低, 秸秆直接
还田虽实现了物质的循环利用, 但系统的活力和发
展潜力相对较低, 可持续发展性能远低于菌废料还
田模式。
3 结论
1)农田生态系统常规施肥和秸秆直接还田生产
模式不可更新能值投入比例较大, 农田生态系统较
依附工业辅助能的投入, 容易产生面源污染; 不同
模式的总能值产出量依次为 CF>FR2>CFS>FR1>FR3,
食用菌菌废料还田生产模式中 FR2 模式农田生态系
统总能值产出最大, 为 2.20×1016 sej。
2)不同模式系统太阳能值转换率依次为
CFS>CF>FR3>FR1>FR2; 与 CF 和 CFS 模式相比 ,
FR1、FR2、FR3模式的产投比相对较大, FR2模式最
大, 其产投比为 2.35; 菌废料还田生产模式系统净
能值产出率较高, 系统能值自给率均在 50%以上。
CF 和 CFS 模式环境负载率相对较高, 分别为 1.66
和 1.75, 3种菌废料还田模式环境负载率较低, 均小
于 1, CF、CFS、FR1、FR2和 FR3模式的可持续发展
指数分别为 1.68、1.42、6.56、5.75、4.07。
3)秸秆直接还田生产模式虽然增加了系统有机
能投入, 但系统净能值产出率低, 能值投入率、环境
负载率相对较高, 环境压力大; 菌废料还田生产模
式下农田生态系统有机能值占系统总能值比例较
高 , 化肥能值投入较少 , 系统净能值产出率高 , 能
值投入率和环境负载率较低, 环境压力小, 可持续
发展性能较强, 发展潜力较大, 特别是 FR2 模式是
最适合成都平原实际生产情况的一种农田可持续生
产模式。
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