沼气农业复合生态系统能值分析
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摘要 以沼气为纽带的农业综合利用系统对农村和偏远地区可持续发展具有重要意义。本文基于能值流图和指标体系，构建了沼气农业复合生态系统的综合评价框架，并以国家沼气农业示范区广西恭城县为案例，分析养殖-沼气-种植“三位一体”典型沼气农业复合系统的能值投入产出量及其结构，利用能值系统结构功能指标对该系统进行经济生态多元分析，评估其投资率、产出率、环境压力以及可持续性等系统综合表现，并与国内外其他农业系统进行比较分析。系统投入结果表明，恭城县沼气农业复合系统总投入中人类经济反馈在系统中所占比例最大，可更新环境资源次之，其中又以肥料、农药和劳工与管理的投入最大；系统产出表明，目前仍以种植业和养殖业为主导，水产业相对薄弱，而新兴的沼气产业因其低耗高产的特点，发展势头良好；而能值系统结构功能指标表明该农业系统整体具有环境负荷低、产出效率高、可持续性强等优势。依照能值分析各项结果，本文对沼气农业系统优化配置和进一步推广应用提出了参考建议。
关键词 沼气；农业复合系统；能值分析；可持续性评价
中图分类号 Q148：X321 文献标识码 A 文章编号 1002-2104（2012）04-0080-10 doi:10.3969/j.issn.1002-2104.2012.04.015
户用沼气系统能够有效地将农户养殖生产、种植生产等有机结合起来，使农业系统形成能流和物流合理转换的闭合生态链，在局部和整体上达到经济和环境等多重效益［1-4］。早在上世纪20年代，沼气利用模式已在全球范围内不断得到理论上的探讨和实践应用［5-6］。自本世纪农业部提出“生态家园富民计划”以来，国内多地区农村逐步兴起高产低耗的沼气综合利用生态农业模式，旨在达到生态系统能量多级循环利用和物质的良性循环［7-9］。沼气建设可促进生态农业和农村经济社会的发展，具有较好的发展前景［10］，但当前在我国农村地区实际应用过程中存在着产业投入不平衡、产出可持续性不高等一系列问题，需要兼顾经济生态等方面的综合考量和系统优化。为此，层次分析法［11］、生命周期评价［12］、能值分析（Emergy Analysis）［13-14］等已被应用于沼气农业复合系统的综合多元评估，涉及系统经济效益、能源消耗、温室气体减排效应和环境影响等方面。其中，能值分析作为能够融合系统生态与经济过程的理论和方法，已被广泛应用于生态农业系统的定性定量解析与综合评价，为调控农业系统促进其可持续发展提供了依据和指导［15-16］。Lefroy［17］利用能值对比分析不同种植类型在使用本地可再生资源、不可再生资源及购买物资和能量输入时的环境压力和可持续性，Vassallo等［18］将能值理论应用于渔业系统以分析系统的可持续发展形势，Zhang等［13］对内蒙古种植-放牧系统进行能值核算并对与其他农业系统对比分析其可持续性发展特征。Chen等［19］和Jiang等［20］应用能值理论对中国农业环境经济投入、产出率、环境压力等进行了能值图示和解析，构建了中国农业系统核算范例和评价框架。另外，能值分析在沼气利用模式综合评价上的价值也已得到初步探讨［14］。Wei等［14］利用能值分析方法评估了北京平谷地区桃园生产效率和可持续性，并通过与常规温室桃生产的对比揭示了沼气技术驱动的农业体系具有较高的经济与环境效益。Zhou等［21］则以农业中沼气工程应用为对象进行能值分析，指出农业沼气工程相对于其他典型的农业生产系统而言具有较小的环境压力以及更高的可持续性。但对于种植业、养殖业等有机联合的区域沼气农业复合系统，尚未建立具体有效的能值核算方法和评价体系，复合系统中沼气产出效率、投入产出结构、环境影响强度和可持续性等亦未得到充分论证。基于生态系统能值理论与方法，本文构建了沼气农业复合系统的综合评价指标和评价框架，并以广西恭城县“三位一体”沼气农业系统作为典型案例，进行能值投入产出流分析和可持续性等指标评价，旨在为沼气农业复合系统优化配置和进一步推广应用提供一定的决策参考。
1 基本理论与方法
1.1 能值分析理论
能值理论是著名生态学家H.T. Odum所创立的以能量为核心的系统分析方法［22-23］。所谓能值，是指流动或贮存的所包含的另一类别能量的数量。能值统一度量自然和人类在生产商品和服务的历程中所付出的直接和间接投入，可称之为能量记忆或者商品服务中的体现能（Embodied energy）［22］。在实际能值分析的过程中，以太阳能值（Solar emergy）来衡量某一能量的能值大小，其单位为J（Solar Emjoules）。能值不仅是对宏观宇宙的拓扑解释，也是被广泛采纳的生态经济评价方法［24］。能值分析在综合考虑自然资源和社会经济价值的基础上，以能值为基准，把生态系统或生态经济系统中各种生态流（能量流、物质流和经济流）换算成统一标准的能值来衡量和分析，可以定量分析生态经济系统的结构、功能，实现定量分析与定性分析相结合，较好的体现了系统运行的真正价值，从中可以了解人类社会对环境的影响以及对资源的利用状况，为可持续发展提供科学依据［23,25］。
能值转换率（Emergy transformity）指的是形成每单位物质所含有的另一种能量的量（单位是Solar Emjoules/J、Solar Emjoules/g或Solar Emjoules/$），表征能值和能量之间的关系，是衡量能量的能质等级的指标。能值转换率与投入路径直接相关，由物质和能量在每一生产过程的消耗决定。能值-货币比率是当年总量能值使用量与当年国民生产总值（GNP）的比率，能值-货币比率反映了总应用能值与国民生产总值的比例关系，其比值大小反映了货币购买力的高低。能值-货币价值（Emdollar value）是指将生态系统或生态经济系统物质和能量的能值折算成货币值，折算方法是能值除以当年能值-货币比率，它可以反映某一产品的实际价值。能值转换率的差别从本质上揭示了不同类别的自然物和产品存在质的差别的内因，而能值-货币比率和能值-货币价值则从货币角度体现出这一差别，因此利用太阳能值及能值转换率等指标作为衡量环境资源投入对生态经济系统影响有其客观的合理性［19,22-23］。
1.2 沼气复合农业生态系统能值分析
根据H.T. Odum提出的能值分析一般流程［22-23］，结合沼气农业的实际情况，制定沼气农业复合生态系统能值分析具体步骤：
（1）数据收集与整理。通过实地调查与文献研究，收集有关沼气农业生态系统的自然环境、地理条件及经济社会发展等各种资料，从中辨识沼气农业系统各组分的相互关系，并整理归纳与沼气农业系统投入产出相关条目的物质、能量和资金等数据。
（2）绘制系统能值图。在掌握生态环境和社会经济各个方面的基础上，根据系统各组分作用过程及相互关系，确定沼气农业复合系统的边界，列出系统主要能量来源及系统内的主要成分，包括主要的物质流、货币流和其他生态流。依据Odum能量系统语言图例规则，绘制沼气农业复合系统能值图（图1）。
图1 沼气农业复合生态系统能值流概念图
Fig.1 Conceptual emergy flow diagram for typical biogas agricultural complex ecosystem
（3）编制能值分析表。能值分析评估表一般包括6项内容，即项目编号、项目名称、能值原始数据、能值转换率、太阳能值、能值-货币价值。其中，能值原始数据单位是根据资料来源通过计算所得值而定，一般为J,g和$；能值转换率单位为J/单位，即Solar Emjoules/unit (如，若原始数据单位为J，即为Solar Emjoules/J)；太阳能值则由能值原始数据和能值转换率相乘得到。
（4）系统投入产出分析。根据沼气农业系统能值流，分析系统当地环境投入、人类反馈等各项投入量以及各产业的产出量，基于此辨识系统投入及产出结构。
（5）能值指标体系评价。引入经典能值分析指标，整理构建针对沼气农业复合生态系统的能值分析指标体系（表1）。沼气农业复合系统评价体系由系统结构指标（7
① 数据来源：《恭城瑶族自治县2009年度经济社会报表》、《恭城瑶族自治县农业农村经济发展状况汇报》、《恭城瑶族自治县沼气能源建设情况汇报》。
表1 沼气农业复合系统能值指标体系
项能值指标）、系统功能指标（6项能值指标）和综合可持续性指标（4项能值指标）3个子体系共18个指标组成，内容涵括各类型能值结构、能值投入程度和产出效率、能值流动强度、系统稳定性、经济发展程度、环境负荷、可持续发展指标等生态环境和经济特征；同时，一一解析各能值
指标在沼气农业发展评价中的含义，最后根据此指标体系对所关注的沼气农业系统进行全面评估分析。
2 研究区域概况
本文以广西恭城县农业系统为案例，对典型沼气农业复合生态系统进行分析。恭城县位于广西东北部，桂林市东南面，境内年平均气温19.7℃，年均降雨量1 4397 mm，年均日照时数1 6537 h，属中亚热带季风气候区。全县国土总面积2 149 km2，辖3镇6乡117个行政村；2009年实现农业总产值1941亿元，农民人均纯收入4 630元，粮食面积2623万亩，总产量744万t；森林覆盖率达7709%。恭城县的沼气农业建设起步于20世纪80年代初期，经过多年的探索发展，逐步形成了以乡村生态环境为背景、生态农业和乡村文化为基础，以养殖为龙头，沼气为纽带，种植为重点的“三位一体”生态农业模式（见图2），组成能流和物流合理转换、良性循环的复合生态链，我们将其称为沼气农业复合系统（Biogas agriculture complex ecosystem）。
至2009年底，全县共建有农村户用沼气636万座，入户率89%以上，居全国前列。省柴节能灶611万户，普及率达916%。沼气池和省柴节能灶年可节柴2262万t，相当于1292万t标煤，每年可保护487万hm2的森林免遭砍伐，水土流失得到控制；同时每年可提供1 712万t沼液沼渣优质有机肥，为农民增收节支127亿元；目前建有117个村级沼气服务网点，1个县级服务站，基本搭建起了县、乡（镇）、村三级联动服务网络①。
3 结果与分析
3.1 沼气农业系统能值投入产出分析
基于对恭城县沼气农业发展现状的调研，掌握该区域经济生态基础资料，进行了沼气农业复合生态系统能值流分析。首先确定恭城县及其子系统的系统边界，对恭城县与沼气农业复合系统相关的能流、物质流和货币流进行概化、分析，并确定各子系统之间以及子系统内各组分之间的相互关系，得到了恭城县养殖-沼气-种植“三位一体”农业能值系统图。如图3所示，恭城县沼气农业系统能值流动图由自然生态、沼气农业和城镇消费者三个子系
图2 恭城县“三位一体”生态农业模式图
Fig.2 “Three in one” ecoagriculture mode of Gongcheng County
统组成，包括可更新资源、不可更新资源的利用、经济反馈投入以及商品服务产出等过程，是一个与自然生态过程和城镇消费紧密依存、种植业、养殖业和沼气工程联合发展
的复合农业经济系统。
为全面分析具体投入产出能值流，
依照能值系统图的框架（图1），进行了全系统能值核算，并将结果编制成沼气农业系统能值分析表（表2），作为系统评价的分析基础。该表列出了恭城县的主要资源投入
来源和商品服务产出（共28项），其中，系统投入（序号1-21）包括本地可更新资源(太阳能、雨水、风等)、当地不可更新能源(表土净损耗)、可更新经济投入(劳工与管理、幼苗、种子等)、不可更新经济投入(电力、柴油、农业机械设备)；系统产出（序号22-28）则包括种植、养殖等农副产品以及可利用沼气等。能值分析一览表中的各类别生态流量(原始数据)，能量流以J为单位；物质流以g为单位；经济流以US $为单位。各类别生态流量统一转换为相应的太阳能值，并参考Yang等［26］计算其相应的能值-货币价值(Emdollar value=能值/能值-货币比率)。
为了简洁直观地观察系统的投入产出情况，在沼气农业系统能值分析一览表的核算基础上总结整理出恭城县以沼气为核心的“三位一体”农业复合系统的能值投入产出量（表3）；同时，为深入辨识沼气农业复合系统的投入产出特征，图示了恭城县沼气系统的总能值投入结构、人类反馈总能值投入结构和能值产出结构（图3）。
结果表明，恭城县沼气农业复合系统2009年系统总
投入能值为1.32×1021 J，其中可更新环境资源、不可更新环境资源、可更新反馈投入、不可更新反馈投入、所占比例分别为43.3%、9.1%、14.5%和33.1%，人类反馈能值总所占比例为47.6%（图4a）。人类反馈能值在系统中所占比例最大，可更新环境资源稍次之，不可更新环境资源比例最低。可见，作为同时借助大量资金支持和可再生资源循环利用的沼气农业发展模式，恭城县沼气农业复合生态系统对外界经济社会反馈和当地可更新环境资源依赖均较大，经济投入支撑和可更新资源的利用是维系该系统发展的关键因素，系统社会购买能值对于实现开放系统与外界的物质能量的交换起到一定作用；而系统表土侵蚀的影响并不明显，这与恭城县沼气能源得到充分利用以来森林覆盖率不断增加密切相关。
而对于人类反馈能值（图4b），占比例最大的前六位投入项目分别是氮肥（259%）、劳工与管理（167%）、复合肥（135%）、有机肥（123%）、磷肥（120%）、农药（95%），可见该农业系统投入仍以传统的种植业消耗品和劳动力资本为主，而其他类别能值投入总和只占总反馈能值的31%，这体现了种植业作为恭城县重点产业在经济投入上占有主导地位，同时也说明传统的化肥和农药份额仍很大，
可通过进一步增加沼气应用的力度并提高沼气沼渣作为肥料和杀虫剂的技术水平来减少系统对于这些不可更新经济投入的依赖程度。值得注意的是，沼气建设直接投入只占经济反馈投入的07%，但沼气直接产出（即沼气能源）却占总产出的107%，表明沼气资金投入相对于直接流入种植业或者养殖业等投入虽然比重较轻，却有很明显的产出效果，在沼气农业系统发展中占有很重要的地位。
另一方面，在恭城县沼气农业系统能值产出量为124×1021 J，在核算误差允许的情况下，基本与能值投入持平，表明系统储存相对稳定。产出结构分析中（图3b），种植业产品、畜牧业产品、渔业产品、沼气资源基本能值产出分别占系统能值总产出的109%、743%、40%、107%（图3c）。显然，恭城县农业复合生态系统以养殖业产品为农业支柱产业，种植业也占有重要地位，新兴的沼气能源产业也已在产出中占有重要份额。而渔业产品比例最低，反映水产业在沼气农业系统中相对薄弱。这与渔业未纳入恭城县主要沼气综合利用模式有关，同时也表明恭城县在水产业上的发展潜力尚很大，可在继续巩固养殖业和种植业的基础上，为水产业提供有利的发展条件。
能值-货币价值反映某一产品的实际价值，与市场货币价格（只能反映人类劳动的价值）不同，能值货币价值包括凝结在产品中的人类劳动和环境资源的价值［19］。由表3，免费的环境资源实际价值为118×108美元，其中包括可更新环境资源975×107美元，不可更新环境资源204×107美元，人类反馈总能值价值为107×108美元，沼气直接相关能值投入和产出价值分别为780×105美元和226×107美元，总产出价值相当于211×108美元，其结构组成与系统能值相同。
表2 恭城县沼气农业复合生态系统能值分析一览表（2009年）
Tab.2 Emergy analysis of the biogas agriculture complex
ecosystem in Gongcheng County in 2009
注：可更新反馈投入指能被再次利用的劳务或经济投入。不可更新反馈投入指无法被再次利用的一次性经济投入。
3.2 沼气农业系统能值指标分析
为综合定量地解析沼气农业生态系统的结构功能特征，依照已构建的沼气农业复合生态系统能值指标体系，在系统能值流分析的基础上进行了恭城县农业系统的能值指标评价，主要能值指标值见表4。
恭城县沼气农业系统结构指标主要反映了该系统对当地环境资源和外界经济投入的依赖程度、系统竞争力及自我支撑能力。通过分析可以看出，该系统可更新资源能值比重与购入能值比重相当且远高于不可更新资源能值所占的比重，能值自给率和生产优势度较低。为降低农业成本，应积极利用免费的可再生资源，减少对经济反馈尤其是不可更新经济投入的依赖，从而提高能值自给率，增加系统自给能力，增加沼气农业系统对外的生产优势。系统功能指标主要反映该沼气农业复合系统运行效益、农民生活质量经济水平等。指标分析结果表明，相对于中国农业系统普遍水平［15］，恭城县农业系统产出效率（0.94）较高，具有较高的资源利用效率；而人均辅助能值用量和人均能值量则处于中等偏高水平，表明沼气农业下人类活动相对活跃，农村生活水平也较高；该农业系统的能值密度
为7.68×1011 Solar Emjoules/m2，高于全国平均水平（5.35×1011 Solar Emjoules/m2）［15］，进一步说明该系统经济发展水平较高，沼气在农业系统持续发展中的纽带和传递作用至关重要。另外，关于沼气产业，结构功能指标分析结果
与投入产出结果（表3）一致，沼气产出率（沼气能源产出与经济反馈之比）达到0.21，表明相比系统其他传统产业，沼气的投资低产出高，在农村经济建设和能源供给中具有很好的应用价值和推广前景。
为了进一步分析沼气农业系统的优势及验证能值分析在综合评价系统的经济投入、环境影响和可持续性能的重要价值，本文比较了恭城县农业系统和国内外其他农业系统基于综合可持续性指标的系统表现（表5）。这些国内外对照农业系统的综合可持续指标研究案例
包括国内的广东［31］、海南［32］、江苏［33］、内蒙古［13］以及全国农业系统［15］，国外则选取瑞士［34］和意大利［35］作为代表。
环境负荷率（ELR）为可更新能值投入与不可更新能值消耗的比值，表征系统由于经济发展所承受的环境压力，恭城县的沼气农业复合生态系统ELR相比其他地区
图3 恭城县沼气农业复合生态系统（养殖-沼气-种植“三位一体”模式）能值图
Fig.3 Emergy system diagram for biogas agriculture complex ecosystem
(breedingbiogasplanting “three in one” pattern) of Gongcheng County
表3 恭城县农业复合生态系统能值投入产出
Tab.3 Emergy inputs and outputs of biogas agriculture complex ecosystem in Gongcheng County
或国家的农业系统都低得多，表明沼气农业生态系统因其具有提供高效能源、减少温室气体排放、增加森林覆盖率等重要优势，对减轻农业活动对环境的压力效应明显，相对于传统农业生态系统，是值得推广的环境友好型的农业发展模式。净能值产出率（EYR）衡量的是产出对于经济贡献的大小，恭城县沼气农业系统比国内的广东、海南农业系统以及瑞士、意大利的农业系统均要高，与中国平均水平近似，表明恭城县沼气系统运作良好，并具有较好的经济效益。能值投资率为从系统外购进能值与当地免费自然资源能值相对比重，可表示经济发展程度和环境负载程度，发达国家的EIR一般高于发展中国家，恭城县沼气农业系统能值投资率（EIR）略高于全国平均水平，但低于国内其他农业系统（除内蒙古），结果说明恭城县沼气农业系统经济开发程度较低，环境负载较低，可供开发利用空间较大。能值可持续性（ESI）为系统净能值产出率和环境负荷率的比值，表征系统可持续发展性能，恭城县沼气农业系统ESI明显高于除内蒙古以外的其他农业系统，达到全国平均水平的3.5倍，根据Ulgiati和Brown［36］对能值指标标准的界定当ELR
图4 恭城县农业沼气复合生态系统能值投入产出结构
Fig.4 The emergy input and output structure of biogas agriculture complex ecosystem in Gongcheng County
表4 恭城县沼气农业复合系统结构功能指标
Tab.4 System structure and function indices of biogas
agriculture complex ecosystem in Gongcheng County
表5 恭城沼气农业复合生态系统与其他农业生态系统综合可持续性指标比较
Tab.5 A comparison of sustainability indices of the biogas agriculture complex ecosystem of Gongcheng County with the other agricultural ecosystems
极带动养殖业和种植业发展，重点扶持水产业，都是提高系统可持续性，同时保证经济效益增加的有效方案。
4 结论与讨论
随着沼气生产技术和综合利用技术的提升和生态家园项目的开展，以沼气为纽带的农业系统在国内多个省区农村（包括四川，贵州，广西，辽宁，等）得到重要应用，成为当地农村（边远地区）推广可再生能源的重要实现途径，给这些区域的发展带来了重要经济利益和生态效益，同时，鉴于沼气发展存在的问题，为进一步系统优化和沼气技术推广，丞需针对沼气农业复合系统的经济效益和生态保护等建立多元综合评估框架和标准。
本研究基于能值理论与方法，建立了针对沼气农业系统发展的评价框架综合评价指标体系，并恭城县“三位一体”沼气农业复合系统作为典型案例进行能值核算和能值指标分析。结果表明，对于本案例恭城县沼气农业生态系统得出以下重要结论：沼气农业系统总投入能值为1.32×1021J，系统对外界经济反馈和当地可更新资源投入的依赖性强，而不可更新资源消耗较低。该农业系统仍为传统的种植业消耗和劳动力主导型，种植业在经济投入上占有主导地位，传统的化肥和农药份额仍很大，目前的沼气系统应用的力度和技术水平仍有上升空间。沼气产业相对于直接流入种植业或者养殖业等投入相比具有低耗高产的特点，在复合农业系统发展中应得到重点发展利用，增强其经济拉动作用。系统产出中，养殖业产品为农业支柱产业，种植业也占有重要地位，而新兴的沼气能源产业也已在产出中占有重要份额，而渔业产品比例最低，表明恭城县在水产业上的发展潜力尚很大。系统具有较高的资源利用效率，农业活动相对活跃，农村生活水平也较高，但系统的外界经济投入比可更新资源投入比重高，自给率和生产优势度偏低，目前应积极利用免费的可再生资源，减少对经济反馈尤其是不可更新经济投入的依赖。总体上，该系统具有环境负荷低，净产出量大的明显优势，从而比起一般农业系统具有更高的持续性，而通过减少沼气农业系统经济反馈投入的同时增加商品和服务产出的策略可以进一步巩固这一优势。
案例研究表明:建立的评价体系能够体现出农业系统对当地自然资源和外界经济投入的利用和依赖情况，清晰辨析系统运行中各子系统和组分的相互关系，能源、资源消耗和资金流动，系统投入产出量和结构，并在此基础上评价系统的环境压力、净产出和投资率、可持续性等综合表现，通过与传统系统分析和不同时期分析判断系统需要加强和改进的环节和过程。因此，能值分析为沼气农业系统运行性能测度提供了能量学角度的标准和方法，可为系统整体调控与优化、地区沼气农业发展提供有力的评估手段，在平衡经济环境效益、实现高产低耗目标等方面的指导意义尤其值得重视，可作为沼气农业系统调控效率和优化配置，促进系统各时期可持续性发展的重要决策参考。
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Emergy Analysis of Biogas Agricultural Complex Ecosystem
CHEN Shaoqing CHEN Bin SONG Dan
(State Key Laboratory of Water Environment Simulation, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China)
Abstract The biogaslinked agricultural comprehensive utilization system plays an important role in sustainable development in rural and remote areas. In this study, we establish an evaluation framework for biogas agricultural complex ecosystem based on the conceptual emergy flow diagram and the emergy indices adopted. We then take Gongcheng, a biogas demonstration County in Guangxi Zhuang Autonomous Region as a case study, and analyze the emergy input and yield of the typical biogas agricultural complex ecosystem “breedingbiogasplanting”and their composition structure. Finally, the emergybased comprehensive indicators involving environmental investment, environmental yield, environmental loading and sustainability of the integrated agriculture system are calculated and compared to other agricultural systems at home and abroad. The system input results show that nonrenewable resources is the largest proportion, followed by renewable resources, in which fertilizers, pesticides and labor & services are the biggest inputs. The system output results indicate that planting subsystem and breeding subsystem still dominate in the biogas system of Gongcheng County, while the aquaculture industry is relatively weak, and the newlydeveloped biogas industry is promisingly ideal by its lowinput and highyield advantage. And the emergybased indicator system revealed that the overall system has its superiority with low environmental loading ratio, high environmental yield ratio and sustainability. On basis of these emergy results, recommendations are provided for the optimization and promotion of biogas agricultural ecosystem.
Key words biogas; agricultural complex system; emergy analysis; sustainability evaluation