全 文 ：中国生态农业学报 2012年 7月 第 20卷 第 7期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, Jul. 2012, 20(7): 945−955
* 四川省科技支撑计划项目(2011NZ0001)和四川省教育厅青年基金项目(2007B065)资助
税伟(1974—), 男, 汉族, 博士, 副教授, 硕士研究生导师, 主要从事生态农业与乡村规划研究。E-mail: shuiweiman@163.com
收稿日期: 2011-12-23 接受日期: 2012-05-10
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2012.00945
基于能流的生态农户分析与设计方法研究*
—— 以川北丘陵区一肉狗养殖户为例
税 伟 李碧军 白剑平
(四川农业大学生态农业与区域发展系 成都 611130)
摘 要 为了探索基于能流理论的生态农户分析与规划设计方法, 以四川北部丘陵区一个肉狗养殖户为研
究案例, 运用能流理论与分析方法, 对该农户的生态系统能流进行诊断分析, 进而对两种基于肉狗养殖的新
生态农户模式设计方案进行系统结构分析、组分模拟与综合效益的评价与比较。结果显示: 原生态农户是一
个有机型系统, 但能量转化率很低, 仅为 0.62%; 能量输出能力较差, 种植子系统与养殖子系统的能量产投
比分别为 3.93 和 0.32; 能量循环指数也较低, 为 0.70, 低于国内 20世纪 70年代末的水平。该系统应适当增
加有机能的投入以改善系统的能流状况。两种基于肉狗养殖的新生态农户设计模式的系统自我维持能力会增
强, 能量转化效率明显提升, 模式一为 1.02%, 模式二为 1.13%; 能量循环指数也明显提高, 分别为 0.83 和
0.84; 种植子系统和养殖子系统能量产投比明显提升, 分别为 4.80、0.48和 4.93、0.46。新设计生态农户模式
的综合效益均高于原生态农户。模式一的综合效益高于模式二, 最终形成了比较严谨的生态农户设计方案。
研究发现, 基于能流理论对原农户生态系统进行诊断与分析, 并结合多种新生态农户设计模式的能流模拟与
综合效益比较, 为生态农户的系统分析与优化设计提供了一种好方法与解决方案, 为提高农户生态系统的能
量输出能力和综合效益的最优化提供了现实的参考依据。
关键词 能流分析 生态农户 综合效益评价 规划设计方法 川北
中图分类号: Q146 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2012)07-0945-11
Analysis and design methods of ecological farmer household based on energy
flow: A case study of dog-breeding farmer household in northern Sichuan
SHUI Wei, LI Bi-Jun, BAI Jian-Ping
(Department of Eco-agriculture and Rural Development, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China)
Abstract A dog-breeding farmer household in northern Sichuan was used as a case to analyze and design an ecological farm
household based on energy flow theory. The energy input-output of original ecological farmer household systems in 2008 was
initially analyzed and diagnosed for ecosystem structures and benefits. According to the analysis results, two new design
modes of farmer household ecosystems modeled with dog-breeding were proposed. Comprehensive input-output energy and
benefits were comparatively analyzed, simulated and compared with the original system. The results showed that although the
original ecological farmer household system was an organic ecosystem, its energy conversion rates and output capacity were
very low. The ratios of solar energy and average energy input-output of both planting and breeding subsystems along with the
energy cycle index of the original ecological farmer household system were 0.62%, 3.93, 0.32 and 0.70, respectively. This
indicated lower organic energy input and suggested necessary improvements in energy flows. Compared with the original
ecosystem, the two new designed ecosystems showed higher self-sustainability capacity and energy conversion efficiency. The
ratios of solar energy and average energy input-output of both planting and breeding subsystems and the energy cycle indices
of the new designed ecosystem modes 1 and 2 were 1.02% and 1.13%, 4.80 and 4.93, 0.48 and 0.46, 0.83 and 0.84,
respectively. The comprehensive benefits of the designed mode 1 were higher than those of mode 2. The above analyses and
results suggested that the study presented a very rigorous design of ecological farmer household. The results also contributed
946 中国生态农业学报 2012 第 20卷
to developing new optimized design methods for farmer household ecosystems based on energy flow simulations and
comprehensive benefit comparisons. More specifically, the analysis and design method of ecological farmer household in this
study provided a realistic reference base for improving ecosystem energy output and benefit optimization.
Key words Energy flow analysis, Ecological farmer household, Comprehensive benefit evaluation, Design mothod, Northern Sichuan
(Received Dec. 23, 2011; accepted May, 10, 2012)
生态农业是依据生态学原理和生态经济规律 ,
因地制宜地设计、组装、调整和管理农业生产和农
村经济的系统工程体系[1]。生态农户作为生态农业
发展的基本单元和“细胞”, 对其进行规划、设计与建
设已成为生态农业发展的有效途径[2]。而能流分析
法则是研究评价生态农户的重要手段之一。自
Lindeman (1942 年 )创立能流分析法以来 , E. P.
Odum和 H. T. Odum 对各类生态系统进行了能流研
究, 提出了一套简明的“能流语言”和分析方法[1]。他
们在研究中首次用独创的能流框图来描述群落的能
流过程和模式, 同时对群落各种生态效率给予明确
的定义和计算公式[3]。如今, 能量生态学已成为生态
学的一个重要分支 [4], 能流分析法也因此逐渐应用
到了生态农业和生态农户的研究中[5−6]。
我国农业生态系统能量的研究起步较晚, 其研究
主要集中在能值分析上, 而对农业生态系统能流的分
析则相对较少[3−4]。在农业生态系统中, 无机环境、初
级生产和次级生产之间的能量在性质和数量方面的相
互匹配、畅通和速率协调的核心问题就是物质和能量
的交换与转化[5−8]。因此, 从能量角度对农业生态系统
加以分析, 能更定量、客观地反映系统各组分之间的
最基本和本质的关系[9]。近年来, 一些集中于农户层次
上的农业生态系统能流研究多是针对单个农户的某一
个亚系统如农田生态系统[10−14] 、庭院生态系统[11−12]
层次上进行的, 反映了农业生态系统在微观层面上的
结构和功能[11−14]。根据农业生态经济系统的分形特征,
基于农户层次上的分析, 能大大减轻工作量, 且得出
的结论具有非常重要的参考价值和意义[15]。
尽管生态系统能流分析方法已在国内外发展成
熟, 但还缺乏基于能流理论将原农户生态系统分析
与新生态农户模式的模拟、评价有效结合起来, 发
展一种基于能流的生态农户分析与设计方法。为此,
本文通过对川东北丘陵地区的某一肉狗养殖农户进
行调查, 并以该农户2008年农业生产的相关数据为
基础, 基于原农户生态系统的诊断分析, 对新设计
生态农户模式进行了系统结构分析 , 各组分模拟 ,
以及综合效益的纵横向比较分析与评价, 并揭示了
系统运行存在的能流通量、能流方向与子系统间能
量结构的问题, 并最终形成比较严谨的生态农户设
计方案。本研究旨在探索基于能流理论与方法的生
态农户系统分析与优化设计提供新方法与解决方案,
为提高农户层次的农业生态系统的能量输出能力和
综合效益提供科学的参考依据。
1 研究区域与研究方法
1.1 研究区域及农户概况
研究区域为四川省仪陇县, 该县位于四川盆地
东北部低山与川中丘陵过渡地带, 年均气温 15.6 ℃,
年均降水量 1 110 mm, 年日照时数达 1 566 h。所选
择的农户位于仪陇县永乐镇牌楼沟村, 距永乐镇 8 km,
交通闭塞, 现有耕地约 0.268 hm2, 林地 0.255 hm2,
宅基地 0.054 hm2。该农户主要利用家庭院落的空间
与资源, 从事以满足家庭自需的养殖、种植和初加
工的集约化农业生产活动, 养殖少量的猪、鸡、鸭,
种植以小麦、玉米、油菜、红薯和蔬菜为主, 年均
农业生产收入约 8 000元, 纯利润约 2 000元。是一
种延续四川丘陵区农耕文明的典型原始型生态农户,
其模式较简单, 由种植子系统、养殖子系统及人口
子系统简单组合, 各子系统间关联性较小。
1.2 新生态农户模式设计
为了优化这一原始型生态农户的结构与功能 ,
提高以经济效益为核心的综合效益, 基于该农户新
发展肉狗养殖的意愿, 在对原农户生态系统诊断与
分析的基础上, 因地制宜提出了两种以肉狗养殖为
特色的新生态农户设计模式(图 1)。新设计模式一为
“狗−沼−粮、果”生态农户模式(图 1a), 由种植子系统、
肉狗养殖子系统、人口子系统和林果子系统组成, 各
子系统以沼气池为纽带形成良性循环的农户生态系
统; 新设计模式二为“狗、猪−沼−粮、果”生态农户模
式(图 1b), 仍以沼气池为纽带, 以种植、养殖、人口
与林果子系统所构成, 不同的是在模式一的肉狗养
殖基础上附加了生猪养殖, 以满足该农户自需。
1.3 数据来源及说明
由于数据收集难度较大, 因此本研究以 2008年
该农户农业生产相关数据为基础, 其投入物以及经
济产品均为准确数据, 这部分数据通过对农户进行
访谈或实测获得, 土地面积则通过实测获得, 其他
数据根据实际情况和历史数据进行估算或预测。
第 7期 税 伟等: 基于能流的生态农户分析与设计方法研究 947
图 1 基于肉狗养殖的新生态农户设计模式一(a)和模式二(b)
Fig. 1 New designed mode #1 (a) and #2 (b) of dog-breeding farmer household ecosystems
1.4 数据处理方法
1.4.1 农户生态系统及各子系统能流特征指标
种植子系统主要分析人工辅助能的投入能量
(以下简称投能)结构和输出能量的方向、方式。投入
能包括有机肥、种子、人力、畜力等有机能和农具、
化肥、农药等无机能。畜牧子系统收集饲料、人力
948 中国生态农业学报 2012 第 20卷
等投能结构及系统输出能量的方向、方式[5]。
以光能利用率、能量转化效率为指标, 分析评
价种植子系统的能流特征, 以能量循环指数分析评
价系统投能结构。以能量转化效率为指标分析评价
养殖子系统的能流特征。根据李秀萍等[7]、贾海燕[5]
的研究总结出相关计算公式如下:
(1)辐射能只取光合有效辐射部分, 计算公式为[7]:
AR=Q×(0.53−0.073K), 式中 Q为太阳总辐射能, K为
日照百分率(K=n/N, n 为日照时数, N 为实际可能日
照数)。
(2)系统辅助能的物质输入和以产品形式输出能
量的计算公式为[5]: Y=kX, 式中 Y 为能量, k 为折能
系数, X为输入和输出的产品或物质数量。
(3)有机能投入占人工总能量投入的比例称为能
量循环指数(CREF)[5]: CREF=OEI/SEI, 式中 OEI 表
示有机能投入量, SEI表示人工辅助能的总投入量。
(4)从生态学角度出发, 能量转化效率为光能利
用率 , 计算公式为 [5]: 光能利用率(%)=固定的太阳
能量/光合有效辐射×100%。
(5)从经济学角度出发, 能量转化效率为经济产
品的能量产投比 , 计算公式为 [5]: 经济产品能量产
投比=经济产品能量/总投入能量。
1.4.2 农户生态系统能流分析
整个农户生态系统的能流情况以能流图表示 ,
在图中主要标明能流路径及能流量。
1.4.3 生态农户模式评价
对所设计的生态农户模式进行模拟评价, 重点
评价其经济效益和生态效益。基于市场行情, 对农
户 2012 年至 2017 年的资金流动进行预测分析, 从
而评价其经济效益, 主要评价指标如下[16]:
(1)财务净现值(FNPV)=
1
( ) (1 ) ,
n
t
t c
t
CI CO i −
=
− × +∑
式中 CI为现金流入量, CO为现金流出量, (CI−CO)t
为第 t年的净现金流量, n为计算期, ic为期望的财务
收益率或折现率。其评价准则是: 当折现率(ic)取标
准值时 , 若 FNPV≥ 0, 则该项目是合理的 ; 若
FNPV<0, 则项目不经济; 且 FNPV 越大, 方案越优,
投资效益越好。
(2)财务内部收益率 (FIRR)的计算公式为 :
1
( ) (1 ) 0
n
t
t
t
CI CO FIRR −
=
− × + =∑ 。其评价准则为: 当设
定的财务基准收益率或折现率为 ic时, 若 FIRR≥ic,
即认为其盈利能力已满足最低要求, 在财务上可以
考虑接受; 若 FIRR
方案可取。
(3)投资回收期 Pt=(累计净现值出现正值年数
−1)+上年累计净现金流量绝对值/当年净现金流量。
投资回收期是考虑项目投资回收能力的主要静态评
价指标 , 以年表示 , 投资期越短 , 表明项目的盈利
能力越好和抗风险能力越好。投资回收期的判别标
准是基准投资回收期, 其取值可以根据行业水平或
者投资者的要求设定。
(4)生态效益评价主要从能流角度进行, 种植子
系统着重分析光能利用率、能量产投比、能量输入
与输出之间的差异; 养殖子系统着重分析能量产投
比、能量输入与输出之间的差异。如果输出系统能
量比例过大, 则对系统长期稳定发展不利。
2 结果与分析
2.1 原农户生态系统诊断分析
2.1.1 原农户种植子系统能流分析
研究区仪陇县域的太阳总辐射能为 49.571×104
J·cm−2·a−1, 日照百分率为 51%, 仪陇县域光合有效
辐射量为 244.274×103 J·cm−2·a−1。2008 年农户种植
子系统能量输入输出情况见表 1。
由表 1 可知, 该农户种植子系统人工辅助能投
入仅占总投能的 0.159%, 为 3.88×1010 J·hm−2, 低于
1979年全国平均水平 6.43×1010 J·hm−2[17], 更低于高
产区的 12.44×1010 J·hm−2[8]。能量循环指数反映了农
业生态系统内部子系统之间协调关系和能量利用状
况, 是反映系统稳定性、自我维持能力和持续发展
的一个指标[18]。该农户种植子系统有机能投入量为
2.69×1010 J·hm−2, 能量循环指数为 0.70, 低于 1979
年全国平均水平 0.77[17], 表明该农户种植子系统虽
是一个有机系统, 具有一定的自我维持能力, 但其
有机能投入仍偏低。根据有关投能结构与能量产投比
关系的研究[8], 当有机能和无机能之比为 4.92 时, 系
统的产投比最大, 两者之比在 3.06~6.78 范围内时,
系统有较好的产出效果。该农户种植业系统的有机与
无机能之比为 2.28, 由此可知增加有机能尤其是有机
肥的投入可提高该系统的能量产投比。该农户种植子
系统能量产投比为 3.93, 虽高于北京留民营村的
1.51 和河西农户的 3.11[16], 但低于东北沈阳农户的
4.91[8], 属中等水平。平均光能利用率为 0.62%, 属
于中等水平。
2.1.2 原农户养殖子系统能流分析
该农户养殖子系统主要养殖猪、鸡和鸭等, 其能
量输入主要是种苗、饲料及人工等, 而输出能主要是
第 7期 税 伟等: 基于能流的生态农户分析与设计方法研究 949
猪肉、禽肉、禽蛋以及畜禽粪尿等。其能量输入输出
情况见表 2。
由表 2 可知, 2008 年农户养殖子系统的投能主
要是燃料和饲料。输出总能为 19 214.68×106 J, 其中
畜产品总能为 6 549.68×106 J, 农户养殖的主要目的
是满足自需, 商品率低。畜禽粪尿为 12 665×106 J,
占总输出能的 65.91%。养殖子系统总能量产投比为
0.32, 低于达西村的 0.83[8]。造成这一结果的主要原
因有两点: 一是燃料投入太大; 二是饲料中精饲料
比重低。
2.1.3 原农户人口子系统能流分析
人口子系统是农户生态系统中一个重要的子系
统, 它是整个农户生态系统的核心。该农户常住人
口 5人, 有两个劳动力。其能量输入输出情况见表 3。
由表 3 可知, 2008 年农户人口子系统能量输入
能主要有燃料、粮食、蔬菜、肉类、电力等, 其中
燃料占 55.30%, 粮食占 18.81%, 肉类占 12.04%, 蔬
菜占 4.19%, 其他各占少许。人口子系统能量输出有
人力和人粪尿, 其中人力输出占 79.65%, 人粪尿输
出占 20.35%。
2.1.4 原农户生态系统能流图
根据前面分析所得数据, 绘制能流图, 标出能量
流动路径, 并将农户生态系统能流量标注其中, 得出
原农户生态系统能流图(图 2)。从分析及能流图来看,
该农户生态系统虽是一个有机系统, 但各个子系统
连接不紧密, 仅有极少部分能量参与系统内部流动,
非经济产品能没有得到充分利用, 系统内能量转化
率低。系统能量输出能力极差, 其经济效益极低。
表 1 原农户生态系统种植子系统能量输入输出情况
Table 1 Energy input and output of the planting subsystem of original farmer household ecosystem
输入 Input 输出 Output
项目
Item
单位投能
Energy input
(106 J·hm−2)
总投能
Total energy
input (106J)
百分比
Percent
(%)
项目
Item
产品分配
Product distribution
单位能量
Energy
(106 J·hm−2)
总能量
Total energy
(106J)
百分比
Percent
(%)
太阳能 Solar 24 427 446.61 6 517 242.76 99.841 系统外 Outside system 5 800.00 1 554.40 3.82
人力 Labor input 9 402.99 2 520.00 0.039 农户自用 Farmer use 14 325.22 3 839.15 9.45
畜力 Animal power 0 0 0 储备 Reserves 0 0 0
化肥 Fertilizer 10 646.57 2 853.29 0.044 留种子 Seeds 4 638.21 1 243.05 3.06
有机肥 Organic fertilizer 12 593.28 3 375.00 0.052
经济产品能
Economic
product
energy
饲料 Feed 45 672.54 12 240.25 30.12
农药 Pesticide 0 0 0 饲料 Feed 28 555.97 7 653.00 18.83
农具 Farm tools 335.67 89.96 0.001 薪柴 Fuel wood 26 865.67 7 200.00 17.72
种子 Seeds 4 816.42 1 290.80 0.020 沤肥 Fermented manure 0 0 0
燃油 Fuel 0 0 0 焚烧 Incineration 22 699.70 6 083.50 14.97
农机 Agricultural machinery 0 0 0 做扫帚 Broom 563.43 151.00 0.37
塑料薄膜 Plastic film 774.63 207.60 0.003
非经济产品能
Non-economic
product
energy
丢弃 Rubbish 2 533.58 679.00 1.67
合计 Total input 24 466 016.17 6 527 579.41 100.000 合计 Total output 151 654.32 40 643.35 100.00
表 2 原农户生态系统养殖子系统能量输入输出情况
Table 2 Energy input and output from the breeding subsystem of original farmer household ecosystem
输入 Input 输出 Output
项目
Item
数量
Quantity
总能量
Total energy
(106J)
占输入比
Proportion of
total input (%)
项目
Item
数量
Quantity
(kg)
总能量
Total energy
(106J)
占输出比
Proportion of
total output (%)
种苗 Seedlings 82.05 kg 1 407.51 2.37 系统外 Outside system 220.50 3 554.85 18.50
上年流入 2007’s inflow 5.5 kg 34.10 0.06 农户自用 Farmer use 185.45 2 886.93 15.02
人力(净) Labor input 124 d 1 562.40 2.63 畜力 Animal power 0 0 0
燃料 Fuel 2 000 kg 33 000.00 55.56
粮食 Grains 650 kg 10 605.00 17.86
流入来年
Inflow to next year
14.50 107.90 0.56
红薯 Sweet potato 900 kg 5 130.00 8.64
红薯藤 Sweet potato vine 2 500 kg 6 250.00 10.52
莙达菜 Chard 2 000 kg 1 200.00 2.02
畜禽粪尿
Livestock & poultry
manure
11 250.00 12 665.00 65.91
瓜菜 Melon & vegetables 105 kg 203.00 0.34
合计 Total input 59 392.01 100.00 合计 Total output 11 670.45 19 214.68 100.00
950 中国生态农业学报 2012 第 20卷
表 3 原农户生态系统人口子系统能量输入输出情况
Table 3 Energy input and output of the population subsystem of original farmer household ecosystem
输入 Input 输出 Output
项目
Item
平均数量
Average
quantity
人均能量
Average energy
per cap. (106J)
总能量
Total energy
(106J)
占输入比
Proportion of
total input (%)
项目
Item
平均数量
Average
quantity
人均能量
Average energy
per cap. (106J)
总能量
Total energy
(106J)
占输出比
Proportion of
total output (%)
电力 Electric power 72.00 kWh 259.20 1 296.00 3.00
燃料 Fuel 300.00 kg 4 780.00 23 900.00 55.30
人力
Labor
output
146 d 1 839.60 9 198.00 79.65
粮食 Grains 100.00 kg 1 626.00 8 130.00 18.81
蔬菜 Vegetables 71.50 kg 361.95 1 809.75 4.19
肉类 Meat 40.72 kg 1 040.46 5 202.32 12.04
蛋类 Eggs 6.38 kg 51.00 254.99 0.59
人粪尿
Human
manure
850 kg 470.00 2 350.00 20.35
菜籽油 Rapeseed oil 6.00 kg 212.40 1 062.00 2.46
其他 Others 20.78 kg 312.20 1 561.01 3.61
合计 Total input 8 643.21 43 216.07 100.00 合计 Total output 2 455.60 11 548.00 100.00
图 2 原农户生态系统能流图 (单位: 106 J)
Fig. 2 Energy flow diagram of original farmer household ecosystem (unit: 106 J)
2.2 新生态农户设计模式一的能流模拟及其综合
效益评价
2.2.1 新生态农户设计模式一的能流模拟分析
该模式以肉狗养殖为特色 , 以沼气池为纽带 ,
种养结合, 狗粪尿、果树枯枝落叶及作物秸秆等通
过厌氧发酵 , 产生的沼气输至人口子系统作燃料 ,
而沼渣、沼液则是优质的有机肥。种植子系统最大
限度为肉狗提供饲料, 林果子系统消纳多余粪肥。
从而形成一个以肉狗养殖为特色的“狗−沼−粮、果”
良性循环生态农户模式。由于农户林果子系统生产
第 7期 税 伟等: 基于能流的生态农户分析与设计方法研究 951
周期较长, 且相关数据采集难度较大, 因此生态农
户模式的模拟与评价暂不考虑林果子系统。在预测
投入产出的基础上, 对新生态农户设计模式一的养
殖子系统、人口子系统、种植子系统的能流进行模
拟分析, 并绘制出能流图(图 3)。
(1) 肉狗养殖子系统能流模拟分析
根据肉狗养殖规模及肉狗营养需求(每只幼狗
每天约需能量 1.255×106 J, 每只成狗每日约需能量
3.1375×106 J[19])算出肉狗养殖子系统能量输入输出
情况如表 4 所示。模式一的肉狗养殖子系统能量产
投比为 0.48。
(2) 人口子系统能流分析
预计未来 10年内, 该农户常住人口为 6人(5男
1 女, 有劳动力 3 人)。根据人的基础代谢需要的基
本热量[20] (男性 9 196~10 032 kJ, 女性 7 942~8 778
kJ)可知人口子系统每年约需食物能 21 512.37×106 J。
人口子系统预期能量输入输出情况见表 5。
(3) 种植子系统能流分析
据表 4可知, 肉狗养殖需饲料能 63 926.56×106 J·a−1,
其中约 40%来自玉米, 10%来自小麦。因此农户每年
至少需玉米 1 550 kg, 小麦 408 kg。根据当地实际情
况估算, 该农户每年最低需种植玉米 0.268 hm2、小麦
0.134 hm2。同时可种植花生 0.134 hm2, 油菜 0.134 hm2,
蔬菜及其他根据实际情况进行种植。根据作物对主
要养分的需求[21]估算出此模式下种植子系统预期能
量输入输出情况(表 6)。基于模式一, 种植子系统能
量产投比预计为 4.80, 光能利用率为 1.02%, 输入能
中参与物质循环的至少为 13 500.00×106 J, 产出能
中输至系统外的有 8 129×106 J。
2.2.2 新生态农户设计模式一的经济效益分析
生产期按 5年计算, 建设期 1年, 建设当年即有
产出, 农户建设期总投资 50 000元, 其中 23 000元
用于固定资产投资, 23 287.50 元为其他投资, 剩余
资金流入来年。这 50 000元的启动资金全部由农户
图 3 新生态农户设计模式一的能流模拟
Fig. 3 Energy flow simulation of new designed farmer household ecosystem mode #1
952 中国生态农业学报 2012 第 20卷
表 4 基于新生态农户设计模式一的肉狗养殖子系统预期能量输入输出情况
Table 4 Simulated energy input and output of the dog-breeding subsystem of new farmer household ecosystem mode #1
输入 Input 输出 Output
项目
Item
总能量
Total energy (106J)
占输入比
Proportion of total input (%)
项目
Item
总能量
Total energy (106J)
占输出比
Proportion of total output (%)
人力 Labor input 5 670.00 6.83 系统外 Outside system 12 125.00 30.22
饲料 Animal feed 63 926.56 77.05 留种狗 Reserved stud dog 2 425.00 6.04
燃料 Fuel 10 950.00 13.20 狗粪尿 Manure & urine 25 570.62 63.73
种畜 Breeding stock 2 425.00 2.92
合计 Total input 82 971.56 100.00 合计 Total output 40 120.62 100.00
粪便能按饲料总能的 40%计算[18]; 燃料以沼气为主, 平均每日投入 30×106 J。商品狗按从断奶到出栏计算, 种狗按成年狗计算, 商品狗养
殖 150 d, 种狗饲养期按 365 d计算, 出栏体重按 20 kg计算, 种狗按 20 kg计算; 狗肉的折能系数为 4.85×106 J·kg−1。表 8同。Manure energy is
calculated as 40% of total energy[18]. The fuel is mainly the biogas with average daily input of 30×106 J. The growing season of commodity dogs is 150
days from weaning to slaughter (20 kg). Stud dog is adult dog (20 kg) and its breeding period is 365 days. Dog meat’s energy coefficient is 4.85×106
J·kg−1.Same to table 8.
表 5 基于新生态农户设计模式一的人口子系统预期能量输入输出情况
Table 5 Simulated energy input and output of the population subsystem of new designed farmer household ecosystem mode #1
输入 Input 输出 Output
项目
Item
人均能量
Average energy
per cap. (106J)
总能量
Total energy
(106J)
占输入比
Proportion of
total input (%)
项目
Item
人均能量
Average energy
per cap. (106J)
总能量
Total energy
(106J)
占输出比
Proportion of
total output (%)
电力 Electric power 438.00 2 628.00 8.36 人力 Labor output 2 299.50 13 797.00 79.65
燃料 Fuel 1 216.67 7 300.00 23.22 粪尿 Manure & urine 587.65 3 525.90 20.35
食物 Food 3 585.40 21 512.37 68.42
合计 Total 5 240.06 31 440.37 100.00 合计 Total 2 887.15 17 322.90 100.00
燃料平均每日投入 20×106 J, 电每日约 2 kWh。Fuel average daily input is 20×106 J and electric power is 2 kWh.
表 6 基于新生态农户设计模式一的种植业子系统预期能量输入输出情况
Table 6 Simulated energy input and output of the planting subsystem of new designed farmer household ecosystem mode #1
输入 Input 输出 Output
项目
Item
单位投能
Energy input
(106 J·hm-2)
总投能
Total energy
(106J)
百分比
Percent
(%)
项目
Item
产品分配
Product distribution
单位能量
Energy
(106 J·hm-2)
总能量
Total energy
(106J)
百分比
Percent
(%)
太阳能 Solar 24 427 446.61 9 775 864.14 99.79 系统外 Outside system 20 221.34 8 129.00 8.13
有机肥 Organic fertilizer 24 875.67 10 000.00 0.10 农户自用 Farmer use 13 220.15 5 314.50 5.31
化肥 Fertilizer 3 731.34 1 500.00 0.02
经济产品能
Economic
product energy
饲料 Feed 79 510.60 31 963.28 31.96
塑料薄膜 Plastic film 2 487.61 1 000.00 0.01 留种子 Seeds 1 243.73 500.00 0.50
人力 Labor input 12 437.76 5 000.00 0.05
种子 Seeds 4 975.08 2 000.00 0.02
沼气发酵
Biogas fermentation
134 595.07 54 107.20 54.10
其他 Others 2 487.61 1 000.00 0.01
非经济产品能
Non-economic
product
energy
合计 Total input 24 478 441.68 9 796 364.14 100.00 合计 Total output 248 790.89 100 013.98 100.00
投能根据作物需求估算, 但高于作物最低需求。产出物中玉米和小麦全部用作饲料, 花生和油菜各留 100 kg 农户自用, 剩余部分输出。
蔬菜全部输至人口子系统, 非经济产品能也进行估算。蔬菜折能系数为 2.5×106 J·kg−1。表 9同。Energy input is estimated by crop needs which are
higher than crop minimum requirements. The corn and wheat outputs are used as feed. 100 kg peanuts and rapeseeds are for the farmer own use re-
spectively, the rests are output. The vegetables all enter into population subsystem. Non-economic product energy is estimated too. Vegetables’ energy
coefficient is 2.5×106 J·kg−1. The same as table 9.
自筹。根据现市场行情, 预测出农户 2012年至 2017
年现金流量(表 7)。
据表 7 可得: FNPV=54 225.92 元>0(ic取 10%);
Pt=3.31年; FIRR=44%, 大于资金成本率 10%。由此
可见该方案盈利能力和偿还能力均较好, 投资方案
可行, 且在该区域的生态农户建设过程中将起到示
范和带头作用。
2.3 新生态农户设计模式二的能流模拟及其综合
效益评价
2.3.1 新生态农户设计模式二的能流模拟分析
模式二与模式一的区别在于养殖子系统增加了
生猪的养殖, 以满足农户自需。在预测新生态农户
设计模式二的投入产出基础上, 对其养殖、人口、
种植子系统的能流进行模拟分析, 并绘制出能流图
第 7期 税 伟等: 基于能流的生态农户分析与设计方法研究 953
(图 4)。
(1) 养殖子系统能流模拟分析
该农户在每年饲养 1 头猪的情况下, 最多可养
殖肉狗 130 只(种狗 4 组), 根据肉狗及猪的代谢能
(每头猪每日需能 19.5×106 J[21])需求估算出此模式下
养殖子系统预期能量输入与输出情况(表 8)。由表 8
可知养殖子系统能量产投比为 0.46。
(2)人口子系统能流模拟分析(同模式一)
(3)种植业子系统能流模拟分析
此模式下农户每年最低需种植玉米 0.248 hm2、
小麦 0.107 hm2、红薯 0.067 hm2。同时可种植花生
0.067 hm2, 油菜 0.134 hm2, 蔬菜约 0.067 hm2。同理
表 7 基于新生态农户设计模式一的现金流量表
Table 7 Cash flow of new designed farmer household ecosystem mode #1 Yuan
生产期 Production period
项目
Item
指标
Index
建设期
Construction
period
第 1年
First year
第 2年
Second year
第 3年
Third year
第 4年
Fourth year
第 5年
Fisth year
现金流入 Cash inflows 销售收现 Sales income 6 405 56 405 56 405 60 905 65 405 86 405
固定资产投资 Fixed assets investment 23 000 2 850 0 0 0 0
流动资金 Liquidity 3 712.5
销售付现 Sales cash 23 287.5 39 087.5 39 587.5 40 287.5 40 287.5 40 787.5
现金流出
Cash outflows
其他支出 Other expense 0 0 0 0 0 0
税前利润 Pre-tax profit 税收 Taxes 0 0 0 0 0 0
税后利润 After-tax profit 折旧 Depreciation 0 2 585 2 585 2 585 2 585 2 585
净现金流量 Net cash flow (NCF) −43 595 17 052.5 19 402.5 23 202.5 27 702.5 48 202.5
图 4 新生态农户设计模式二的能流模拟
Fig. 4 Energy flow simulation of new designed farmer household ecosystem mode #2
954 中国生态农业学报 2012 第 20卷
得出基于模式二种植子系统预期能量输入输出情况
见表 9。模式二下种植子系统预计能量产投比为 4.93,
光能利用率为 1.13%, 输入能中参与物质循环的至
少为 13 500.00×106 J, 产出能中输至系统外的仅有
5 280.00×106 J。
2.3.2 新生态农户设计模式二的经济效益分析
同理可预测出模式二下农户 2012 年至 2017 年
现金流量(表 10)。根据表 10可得: FNPV=37 227.42
元>0(ic取 10%); Pt=3.85年; FIRR=33%, 大于资金成
本率 10%。其盈利能力和偿还能力均较好, 因此投
资方案可行。
2.4 新旧模式对比分析
通过对原农户生态系统进行诊断分析, 并以此
为基础设计出两种生态农户模式。将两种设计的生
态农户模式与原生态农户模式对比, 发现两种新模式
都得到了优化, 种植子系统光能利用率以及能量循环
指数都将得到提高, 各子系统能量产投比都将大幅提
高; 模式二的生态效益稍优于模式一, 然而模式一的
经济效益却比模式二的好(表 11)。考虑到该农户在追
求生态效益的同时谋求经济效益的最大化, 从经济效
益优先角度, 模式一的综合效益高于模式二。
2.5 新生态农户规划与设计方案
基于以上分析, 结合地形、自然环境与社会经
济条件, 规划设计出该农户的建设内容及其空间布
局方案: (1)新建狗舍及其配套设施, 占地面积 500 m2,
拟建种狗舍 1栋, 占地面积 50 m2, 商品狗舍 2栋, 每
栋 65 m2; 1个约 20 m2隔离室(远离其他狗舍); 运动
场 300 m2。狗舍处于居住区下风向。(2)建 1口 10 m3
的沼气池及其配套设施。(3)建造 1栋占地约 120 m2,
2~3 层的特色住宅; 并配置生活废水处理池—— 无
表 8 基于新生态农户设计模式二的养殖子系统预期能量输入输出情况
Table 8 Simulated energy input and output of the breeding subsystem of new designed farmer household ecosystem mode #2
输入 Input 输出 Output
项目
Item
总能量
Total energy (106J)
占输入比
Proportion of total input (%)
项目
Item
总能量
Total energy (106J)
占输出比
Proportion of total output (%)
人力 Labor input 7 560.00 8.97 系统外 Outside system 10 670.00 27.26
饲料 Feed 59 815.00 70.99 留种 Reserved breeding animals 1 940.00 4.96
燃料 Fuel 14 600.00 17.33 农户自用 Farmer use 2 610.00 6.67
种畜 Breeding stock 2 288.00 2.72 粪尿Manure & urine 23 926.00 61.12
合计 Total input 84 263.00 100.00 合计 Total output 39 146.00 100.00
生猪屠体重按 150 kg计算 The slaughtered pig weight is 150 kg.
表 9 基于新生态农户设计模式二的种植业子系统预期能量输入输出情况
Table 9 Simulated energy input and output of the planting subsystem of new designed farmer household ecosystem mode #2
输入 Input 输出 Output
项目
Item
投能
Energy input
(106 J·hm−2)
总投能
Total energy
input (106J)
百分比
Percent
(%)
项目
Item
产品分配
Product
distribution
能量
Energy
(106 J·hm−2)
总能量
Total energy
(106J)
百分比
Percent
(%)
太阳能 Solar 24 427 446.61 9 775 864.14 99.77 系统外 Outside system 13 134.33 5 280.00 4.76
有机肥 Organic fertilizer 352 713.28 9 500.00 0.10 农户自用 Farmer use 21 559.10 8 666.75 7.81
化肥 Fertilizer 55 691.64 1 500.00 0.02
经济产品能
Economic product
energy 饲料 Feed 95 665.37 38 457.50 34.68
塑料薄膜 Plastic film 37 128.51 1 000.00 0.01 留种子 Seeds 1 243.73 500.00 0.45
人力 Labor input 259 895.37 7 000.00 0.07
种子 Seeds 92 820.30 2 500.00 0.03
沼气发酵
Biogas fermentation
130 108.96 52 303.81 47.16
其他 Others 37 128.51 1 000.00 0.01
非经济
产品能
Non-economic
product energy 饲料 Feed 14 179.10 5 700.00 5.14
合计 Total input 25 262 824.22 9 798 364.14 100.00 合计 Total output 275 890.59 110 908.06 100.00
表 10 基于新生态农户设计模式二的现金流量表
Table 10 Cash flow of new designed farmer household ecosystem mode #2 Yuan
生产期 Production period
项目
Item
指标
Index
建设期
Construction
period
第 1年
First year
第 2年
Second year
第 3年
Third year
第 4年
Fourth year
第 5年
Fisth year
现金流入 Cash inflows 销售收现 Sales income 7 100 51 100 51 100 55 600 60 100 81 100
固定资产投资 Fixed assets investment 20 000 2 850 0 0 0 0
流动资金 Liquidity 6 300
销售付现 Sales cash 23 700 38 150 38 650 39 350 39 350 39 850
现金流出 Cash outflows
其他支出 Other expense 0 0 0 0 0 0
税前利润 Pre-tax profit 税收 Taxes 0 0 0 0 0 0
税后利润 After-tax profit 折旧 Depreciation 0 2 285 2 285 2 285 2 285 2 285
净现金流量 Net cash flow (NCF) −42 900 12 385 14 735 18 535 23 035 43 535
第 7期 税 伟等: 基于能流的生态农户分析与设计方法研究 955
表 11 新旧生态农户模式综合效益比较
Table 11 Comprehensive benefits comparison between original and new designed farmer household ecosystem modes
生态效益 Ecological benefits
子系统
Subsystem
模式
Mode
光能利用率
Utilization ratio
of solar energy (%)
能量循环指数
Energy cycle
index
能量产投比
Energy input-output
ratio
经济效益
Economic benefits
(Yuan·a−1)
社会效益
Social benefits
旧模式 Original mode 0.62 0.70 3.93 ＜2 000 无 Non
新模式一 New mode #1 1.02 0.83 4.80 ＞3 100 有 Yes
种植子系统
Planting subsystem
新模式二 New mode #2 1.13 0.84 4.93 ＞2 500 有 Yes
旧模式 Original mode — — 0.32 ＜500 无 Non
新模式一 New mode #1 — — 0.48 ＞25 000 有 Yes
养殖子系统
Breeding subsystem
新模式二 New mode #2 — — 0.46 ＞20 000 有 Yes
动力湿地处理池[14]。(4)土地置换与整理, 将离农户
住宅较远的地块置换至靠近农户的地方。并将部分
土地进行整改 , 置换面积约 0.2 hm2, 整改面积约
0.13 hm2。(5)年至少种植小麦 0.13 hm2, 玉米 0.26 hm2,
花生 0.13 hm2, 油菜 0.13 hm2, 合理使用间作与套种
制度, 提高其复种指数。(6)引进种狗 5 组(1 组 1 公
4 母)。每年肉狗养殖规模约 150 只(包括种狗)。(7)
种植仁用杏约 250 株。(8)根据实际情况利用粮食作
物种植间歇期种植短期蔬菜约 0.13~0.26 hm2。
3 结论
生态农户的能流分析已经成为一种比较成熟的
技术与方法, 但如何基于能流分析发展生态农户规
划设计的系统方法与技术路线却是一个新课题。本
文以川北丘陵区仪陇县一肉狗养殖户为例, 通过原
农户生态系统的能流分析与诊断, 设计出两种新生
态农户发展模式, 并对两种新模式进行了能流的模
拟分析、效益分析, 以及新旧模式效益的比较分析,
为进一步进行生态农户设计奠定坚实基础。
研究得出: (1)原农户生态系统虽是一个有机型
系统, 具有一定的自我维持能力, 但其能量转化率很
低, 能量输出能力较差, 适当增加有机能的投入能够
有效地改善农户生态系统的能流状况; (2)两种新模
式下系统自我维持能力将增强, 能量转化效率明显
增强, 均具有较高的综合效益; (3)模式一综合效益高
于模式二, 模式一财务净现值以及财务内部收益率
均高于模式二, 投资回收期短于模式二, 模式一生态
效益稍逊于模式二, 但高于原农户生态系统, 同时具
较好的社会效益, 因此模式一综合效益高于模式二;
(4)基于能流理论与方法, 按照本文的技术路线进行
生态农户规划设计更具科学性和合理性。
虽然目前尚无运用能流分析法进行生态农业规
划设计的经验, 但是生态系统能流分析的技术路线
却非常成熟, 本研究探索使用能流分析法进行生态
农户的规划设计, 从研究的过程和结果来看, 本次
探索是较成功的, 形成了比较系统地运用能流分析
法进行生态农户规划设计的总体框架与技术路线 ,
与传统规划设计方法相比较, 本方法更具科学性和
合理性, 是一种值得推广的技术与方法。
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