沼氣能源為核心的寒地生態農業循環經濟能流分析

趙 光， 冀麗爽， 郭 星， 陳 婷， 馬 放, 陳忠林

(1.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院， 哈爾濱 150090； 2.遼寧工業大學 化學與環境工程學院， 遼寧 錦州 121001)

沼氣能源為核心的寒地生態農業循環經濟能流分析

趙 光1,2， 冀麗爽2， 郭 星2， 陳 婷2， 馬 放1, 陳忠林1

(1.哈爾濱工業大學 市政環境工程學院， 哈爾濱 150090； 2.遼寧工業大學 化學與環境工程學院， 遼寧 錦州 121001)

文章針對寒地典型沼氣工程代表的海林沼氣發酵系統的“牛-沼氣-玉米”農業循環經濟模式的運行特性，應用能流理論分析方法，通過能流循環指數、能量產投比、光能利用率等指標，對該系統能量的去向、能量流入與流出進行了系統分析。經計算該系統能流循環指數0.9709，表明海林農場以沼氣為核心的農業循環經濟可持續發展能力強，自我維持循環能力水平較高；但是，由于該模式養殖子系統的能量產投比較低，造成整個循環系統的產投比僅為0.0432，反映該系統的末端產品能量高附加值轉化水平低；系統有機能與無機能之比值為34.128，表明整個系統屬有機生態模式。綜合各項指標經分析，該農業循環經濟系統有利于該地區生態農業的發展，符合可持續發展要求，是一種適用于北方寒區推廣的典型循環農業發展模式。

沼氣能源； “牛-沼氣-玉米”循環系統； 能流分析； 綜合評價

能量是驅動生態系統發展的動力源泉[1]。在地球這個最大的生態圈中，能量每時每刻都在進行著傳遞、轉化、存儲，因此能量流動是生態系統的基本功能之一[2]。能流分析方法經過多年不斷探索與研究，不僅可以系統評價農業生態系統的結構和功能，而且能客觀反映系統各部分間深層次的邏輯關系[3-4]。

近年來，隨著農業迅速發展，產生經濟與社會效益的同時也產生大量的生物質廢棄物，逐漸加重了生態環境的負擔[5]。發展以利用生物質廢棄物為發酵底物的沼氣工程，不僅可以有效削減污染環境的生物質廢棄物，同時可產生清潔能源甲烷和其他可再生資源，如沼渣有機肥、沼液葉面肥等[6-7]。2009年，我國僅戶用沼氣產熱值折合就可達1900萬噸燃煤所產生的熱值，節約了150億元人民幣[8]。目前，厭氧發酵是生物質廢棄物資源化利用的最有效方式之一，也是農業生態環境良性發展的重要途徑，沼氣工程的產業化已成為應用與推廣的主要發展模式[9]。然而，在我國北方地區，受低溫條件的制約，沼氣工程無法規?；l展，因此探索適合北方高寒地區推廣應用的沼氣發酵技術與模式，對于發展農業生態循環經濟具有重要意義[10]。

位于黑龍江省的海林農場繼傳統農業生產發展模式之后，提出了一種新的以沼氣為核心的循環農業發展模式。為了科學評價海林農場以沼氣為核心的循環農業發展模式的綜合生態效益，研究該循環農業模式的能量流動特征，筆者主要采用Odum[11-13]提出的能流符號語言繪制出詳細的海林農場生態系統能流分析圖，并采用能流分析方法對海林農場的“牛-沼氣-玉米”循環系統各子系統的能量流動特征進行綜合分析及系統的評價，旨在探索出最佳能量調控途徑，以期為這種循環模式在北方寒地的推廣提供理論依據，從而指導綠色、高效的農業生產。

1 研究地區概況

1.1 研究區自然概況

海林農場位于黑龍江省海林市長汀鎮附近，地理位置在東經128°47′30″～129°7′30″，北緯44°15′～44°25′，該區面積32萬畝，其中耕地面積13.82萬畝，人口數量比較少，約7300人，海林農場的氣候類型為中緯度大陸性季風氣候，無霜期平均在138 d左右，年平均降雨量543.2 mm，年平均氣溫3.4℃，年日照時數2353.5 h，歷年平均積溫2643.1℃，年總輻射量1.12×1013kJ[14-15]。

1.2 研究區沼氣工程概況

綠源沼氣發酵體系不僅是海林農場的沼氣工程的示范體系，同時也是北方寒地最大的沼氣發酵系統[16]。該工程一期建設于2005年，產氣量可達1200～1600 m3·d-1，二期工程建設與2007年，產氣量1800 m3·d-1，現年均產沼氣可達100萬m3左右，極大的提高了地方經濟與環境效益[17]。該沼氣發酵體系以奶牛養殖場的牛糞為主要發酵底物，或混合廢水發酵，詳細的運行模式見圖1。該模式利用沼氣發酵工藝，夏季池體一般采用中溫半連續進料方式運行，溫度較低的冬季則利用太陽能集熱器輔助增溫以保證常溫半連續發酵體系的穩定運行，由此保證了沼氣發酵系統的產氣效率及產氣質量[18]。另外，規模化沼氣站的建立，極大的提高了沼氣能源的利用率，產生的沼氣供應地區居民生活用氣以及為牛場提供電能等，沼渣、沼液通過再培養，作為有機肥用來肥沃土壤[19]。逐步形成物質多級利用、廢棄物資源化處理的循環復合生態系統，并形成以沼氣為核心的循環經濟產業鏈，實現了當地產業有序、健康的發展，發揮更大的綜合效益，同時具有節能、環保，能量利用率高等多個優點[20]。該沼氣工程對寒地農村沼氣能源的推廣、廢棄物資源化利用及推進農業循環經濟的發展起到了示范效應[18]。

圖1 海林農場沼氣工程工藝流程圖

2 研究方法

2.1 數據收集

研究中用到的所有基礎數據來源于筆者所在課題組參加的國家科技支撐計劃專題項目調研。

2.2 能流的計算

折能公式：計算各物質的能量，用統一單位焦耳(J)來表示，折能系數參考藍盛芳[21-24]等研究成果。

Y=KX

(1)

式中：Y為能量值；K為折能系數；X為輸入和輸出的產品或物質數量。

2.3 數據整理

依據各子系統輸入和輸出的產品或物質的數量，根據藍盛芳[21～24]等研究的折能系統，采用折能計算公式(1)，計算出系統各項能量數值(見表1，表2)。

表1 “牛-沼氣-玉米”循環系統能量投入表

表2 “牛-沼氣-玉米”循環系統能量產出表

2.4 能流圖的繪制

根據已計算的系統各項能量數值(見表1，表2)及國外學者Odum[11-13]提出的“能流符號”繪制出詳細的海林農場生態系統能流圖(見圖2)。該圖不僅清晰地反映了海林農場“牛-沼氣-玉米”循環系統的能量流動去向，還明確了系統中各子系統能量投入與產出的具體數值，為合理優化整個循環系統的能量流動提供依據[25]。

2.5 能流分析方法

筆者主要采用能流循環指數、產投比、光能利用率3個指標對海林農場“牛-沼氣-玉米”循環系統的能量流動效率進行系統的分析。

能流循環指數(CREF)：反映農業生態系統內部子元素之間相互作用和能量利用狀況，是評價系統抵抗不利自然因素的能力、持續發展能力的重要指標[26]。

CREF=OEI/SEI

(2)

式中：CREF為能流循環指數；OEI為有機能投入量；SEI為人工輔助能的總投入量。

產投比(Theenergyinput-outputratio)：反應系

圖2 海林農場生態系統能流分析圖(×109 kJ)

統的生產效率[27]。

R=EO/EI

(3)

式中：R為系統產投比；EO為系統能量產出；EI為系統能量投入

光能利用率(Lightutilizationrate)：反映種植業生產效率的重要指標之一[28]。

LUR=E1/E2

(4)

式中：LUR為光能利用率；E1為單位面積作物積累的化學潛能；E2為單位面積的有效輻射能。

3 海林農場循環模式能流分析

依據公式1對折能系數的研究，得出海林循環農業系統的能量情況，各子系統能量投入主要來源于太陽能及人工輔助能，能量產出主要包括經濟能與非經濟能，本文著重研究該系統的人工輔助能，主要由有機能與無機能組成，具體數值見表1和表2，能量流動方向見圖2。

3.1 養殖子系統能量特征分析

該子系統有機能包括飼料、人工、動物幼崽等，無機能包括電力、煤炭、飼用水等；經濟能包括牛肉及動物幼崽，非經濟能主要為動物糞便。由表1得知，肉牛養殖子系統中，有機能總投入153771.79×109kJ·a-1，無機能總投入4067.0464×109kJ·a-1，分別占子系統總投能的9/10，1/10左右。其中有機能投入的90%以上來自于青貯飼料，玉米面與小麥麩及飼料各占3.18%，4.48%。可見在海林農場肉牛養殖是以青貯秸稈為主，輔以玉米、小麥麩、飼料。其中，0.14%的青貯飼料及20.29%的玉米均由種植業子系統提供，提高了養殖系統的經濟效益。產出能中經濟能值(肉牛)為1.008×1011kJ·a-1，占子系統總產能的1.47%，以商品的形式通過出售進入市場(見表2)；由表2可知，非經濟能值(牛糞)為4801.04×109kJ·a-1，占總產能的70.15%，其中一部分流入沼氣工程子系統，一部分作為農家肥投入種植業子系統。種植業中玉米、秸稈對養殖子系統的投入減少了肉牛養殖原料的能量投入，提高了經濟收益；沼氣工程對肉牛糞便的回收再利用，有效減少了污染物的排放對環境所造成的負擔。

由表3，經計算該子系統產投比為0.0311，說明系統能量未得到高效的轉化，建議加大肉牛養殖系統產業鏈下游產品的開發與高附加值產品的研究，提高產投比，進一步提升能量的轉化率。能流循環指數為0.9709，較高，說明海林農場的循環農業發展模式穩定性強，種植業、沼氣工程與養殖業所構成的循環經濟能量結構合理，利用效率較高。

3.2 沼氣子系統能量特征分析

由表1知沼氣工程子系統中，能量投入全部為有機能，總量為45.825×109kJ·a-1(太陽能未算入其中)；能量產出包括經濟能與非經濟能，能量總值為 51.4×109kJ·a-1，沼氣和沼肥分別占系統產出能的66.54%和33.46%，產生的沼氣能源可供應戶用電能、取暖等，沼渣、沼液等經過培養加工作為青貯飼料及有機作物種植肥料再次進入循環系統。

由表3可知，系統產投比為1.192，不僅說明系統的生產效率較高，而且表明海林農場沼氣工程工藝合理、各設備運行狀態良好。沼氣系統的穩定運行，不僅可連續供應該地區居民生活用氣以及牛場的用電需求，同時有效削減了生物質廢棄物，保護生態環境的同時更提高了能量的利用率。

3.3 種植子系統能量特征分析

該系統人工輔助能中的有機能主要包括種子、勞動力、秸稈及沼渣、沼液等，無機能部分包括化肥、農藥、機械、柴油等。由表1，能量投入中有機能值為38.77×109kJ·a-1，無機能值為4.4118×1011kJ·a-1，分別占子系統總投能的8.07%，91.93%。在有機能投入中柴油能值占 33.66%，符合海林農場的機械化種植情況，農場不再以傳統的人力消耗模式而是采用大型機械進行土地的翻耕、播種、收割、脫粒等。無機能中以氮肥、農藥投入為主，說明土壤營養性較差，目前海林農場的部分土地正逐漸施用沼肥、農家肥等。此項措施可逐步改善土壤肥力，有利于土壤的可持續性發展的同時有效提升種植業的經濟效益。在產出能中經濟能與非經濟能分別占總產出能的17.21%和82.79%，非經濟能的產出約為總產出的4/5，表明種植業仍以玉米籽粒為主要能值產出。

由表3可知，系統的產投比為3.902，反映出較高的能量產出水平及較高能量轉化率。玉米經過再加工與青貯秸稈再次投入到養殖系統，這不僅可增加養殖系統的經濟效益，還可提高有機能的轉化率。能流循環指數僅為0.002，較低，說明系統的穩定性較差，需要其他能量的投入來維持系統的穩定性。光能利用率僅為0.025%，反映該地區種植的作物對光能的轉化率較低，玉米作物的高值轉化效能水平差。

表3 不同系統的能量指標分析

注：在計算投能時太陽輻射能未計算其中，故能量產投比會出現大于1的結果。

4 討論

“牛-沼氣-玉米”是海林農業循環經濟的一個子系統，通過對子系統能量的有效規劃可以實現區域能量利用效率的最大化，系統有機能投入的最低化，生物質廢棄物的可控化。蔣碧[29]等在關中平原農田生態系統的研究結果表明：2010～2011年小麥秸稈高留茬-玉米秸稈粉碎還田模式(WH-MC)的能流循環指數為0.76，是當時9種系統中投入能量最多，還田量最大的一種模式。而海林農業“牛-沼氣-玉米”循環系統能流循環指數為0.9715，同比提高27.83%。并且多年實踐證明，海林農場以沼氣為核心的“牛-沼氣-玉米”循環系統可持續發展能力強，自我維持能力水平較高，并具有較強的抗災能力；在養殖子系統中有機能投入占子系統總投入利用的97.09%，表明有機能的投入力度非常大。在種植子系統中，與養殖子系統相反，無機能投入較高，有機能僅占子系統投入的8.07%，而有機能投入的1/3均來自于柴油能量的投入，反映出子系統的農業工業化水平程度較高。肥料大部分來自于沼肥及農家肥，不僅有利于增加系統的經濟產出，而且利于改善種植子系統土壤的理化性質，從而為種植子系統的長期可持續發展奠定基礎。

海林農場“牛-沼氣-玉米”循環系統的產投比僅為0.0432，造成整個系統產投比較低的原因是養殖子系統的產投比太低僅為0.0311，由于養殖子系統的能量投入比重較大，即使種植及沼氣子系統的產投比都非常高，平均值依然較低。建議未來應加大養殖子系統下游高附加值產品的研發，將有利于拉動整個系統投能效益的提高。根據高雪松[30]等的研究，成都平原秸稈直接還田生產模式(CFS)的產投比為1.59，而海林農場“牛-沼氣-玉米”循環系統的沼氣工程子系統中，能量產投比為1.409，二者非常接近，說明系統能量投入較低時，若能保證能量輸出量，轉化效率依然較高，由此表明沼氣工程子系統資源利用狀態良好。目前，海林農場部分沼氣工程利用太陽能對沼氣池進行增溫，既縮減了生產投入，又降低了化石能源的使用，并且形成了可以復制和推廣的高寒地區大型養殖場工廠化沼氣工程運行的成熟技術與模式。種植業子系統能量產投比達到了3.902，是CFS模式產投比的2.45倍，說明種植子系統能量得到了充分利用。

綜上，海林農場“牛-沼氣-玉米”循環農業發展模式有利于生態環境保護及環境自我修復能力的提高，并實現能量的多級利用，為今后推廣以沼氣能源為核心的寒區種植業與養殖業的配套模式提供了可靠的工程依據。

5 結論

(1)海林農場“牛-沼氣-玉米”循環系統的CREF為0.9715，是2010～2011年關中平原農田生態系統的1.27倍，表明該模式是一種對外界不良因素抵抗力較強，有利于生態農業可持續發展，并且符合循環經濟發展原則的生態農業模式。

(2)海林農場“牛-沼氣-玉米”循環模式的產投比為0.0432，與成都平原農田CFS模式相比，水平較低。但并不代表整個循環系統的生產率低，種植與沼氣子系統的產投比仍然較高，分別為1.192，3.902，這在一定程度上，仍體現“牛-沼氣-玉米”循環模式可再生的產業屬性。未來加強養殖業下游產品的能值轉化率，可實現整個循環系統的能源的高效利用。

(3)海林農場 “牛-沼氣-玉米”循環模式是以沼氣為核心的循環農業發展模式，對綜合治理因畜禽糞便造成的農村污染，改善區域生態環境，優化能源結構方面效果顯著。對以沼氣能源為核心的寒地生態農業具有一定的示范效應，是一種可在北方寒區大力推廣典型的循環經濟發展模式。

[1] 黃治平, 郝 利, 高尚賓, 周連第, 張克強, 王 風, 鐘春艷, 劉 剛. 西柏店村級養殖種植園區氮素流和能量流分析[J]. 農業環境科學學報, 2011, 30(02): 395-403.

[2] Tripathi R S, Sah V K. Material and energy flows in high-hill, mid-hill and valley farming systems of Garhwal Himalaya[J]. Agriculture ecosystems environment, 2001, 86(1): 75-91.

[3] 劉 偉, 鞠美庭, 楚春禮, 邵超峰, 田文鑫. 區域環境-經濟系統物質流與能流分析方法及實證研究[J]. 自然資源學報, 2011, 26 (08): 1435-1445.

[4] Herendeen R A. Energy analysis and EMERGY analysis-a comparison[J]. Ecological Modelling, 2004, 178(1): 227-237.

[5] Liao X, Li H, Zhang Y, et al. Accelerated high-solids anaerobic digestion of sewage sludge using low-temperature thermal pretreatment[J]. International Biodeterioration Biodegradation, 2016, 106: 141-149.

[6] 劉建禹, 樊美婷, 劉 科. 高寒地區沼氣發酵料液加熱增溫裝置傳熱特性[J]. 農業工程學報, 2011, 27(2): 298-301.

[7] 蒲小東, 鄧良偉, 尹 勇，等. 大中型沼氣工程不同加熱方式的經濟效益分析[J]. 農業工程學報, 2010, 26(7): 281-284.

[8] 隋新. 寒區沼氣工程能耗分析與節能技術研究[D]. 哈爾濱：東北農業大學, 2015.

[9] Wang X, Lu X, Yang G, et al. Development process and probable future transformations of rural biogas in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 55: 703-712.

[10] Bouallagui H, Haouari O, Touhami Y, et al. Effect of temperature on the performance of an anaerobic tubular reactor treating fruit and vegetable waste[J]. Process Biochemistry, 2004, 39(12): 2143-2148.

[11] Odum E P, Connell C E, Davenport L B. Population Energy Flow of Three Primary Consumer Components of Old-Field Ecosystems[J]. Ecology, 1962, 43(1): 88-96.

[12] Odum H T. Ecological and general systems[M]. Univ：Press of Colorado, 1994.

[13] Yan M C, Odum H T. Eco-economic evolution, emergy evaluation and policy options for the sustainable development of Ti-bet[J]. The Journal of Chinese Geography, 2003, 10(1): 1-27.

[14] 胡中祿, 楊 勁, 張志鵬, 等. “海林農場發展模式” 初探-對海林農場經濟社會跨越發展情況的調查[J]. 農場經濟管理, 2009(10): 18-24.

[15] 薄 宇. 生態小城鎮環境管理機制研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學, 2006.

[16] 鄒 陽. 海林農場禽畜糞便資源化利用調查研究[D]. 大慶：黑龍江八一農墾大學, 2016.

[17] 郭 玄, 佟啟玉. 發展循環經濟建設低碳農業——黑龍江墾區海林農場發展畜牧業循環經濟的調研報告[J]. 現代化農業, 2015, 01: 6-7.

[18] 趙 光. 兩段式厭氧工藝產甲烷發酵特性及微生物生態調控機制研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2013.

[19] 遠 方, 平 明. 海林農場打造中國北歐第一村[J]. 中外企業家, 2010, Z1: 40-45.

[20] 陸 學, 陳興鵬. 循環經濟理論研究綜述[J]. 中國人口·資源與環境, 2014, 24(05): 204-208.

[21] 藍盛芳, 霍華德, 歐 登，等. Energy flow and emergy analysis of the agroecosystems of China[J]. 生態科學, 1998, 17 (01): 34-41.

[22] 駱世明. 農業生態學[M]. 北京: 中國農業出版社, 2001.

[23] 譚程程. 黑龍江省生態經濟系統能值分析與情景預測[D]. 哈爾濱：東北林業大學, 2012.

[24] 熊林金. 寧鄉縣農業生態系統能值分析與模式構建[D]. 長沙：湖南農業大學, 2013.

[25] 李秀萍, 韓劍萍, 楊德剛. 基于農戶的農業生態系統能流分析[J]. 中國生態農業學報, 2008, 16 (06): 1535-1540.

[26] 稅 偉, 李碧軍, 白劍平. 基于能流的生態農戶分析與設計方法研究—以川北丘陵區-肉狗養殖戶為例[J]. 中國生態農業學報, 2012, 20(07): 945-955.

[27] 吳發啟, 朱 麗, 王紅紅. 陜西省西坡村農果復合生態經濟系統能量流特征[J]. 應用生態學報, 2014, 25(01): 195-200.

[28] 孫 路, 田國成, 吳發啟. 關中農戶型“豬-沼-糧”循環農業的能流及效益分析[J]. 中國農學通報, 2015, 31(08): 139-144.

[29] 蔣 碧, 李 明, 吳喜慧, 佟小剛, 吳發啟. 關中平原農田生態系統不同秸稈還田模式的能值分析[J]. 干旱地區農業研究, 2012, 30(06): 178-185.

[30] 高雪松, 鄧良基, 張世熔. 基于能值方法的成都平原農田生態系統秸稈循環利用模式研究[J]. 中國生態農業學報, 2014, 22 (06): 729-736.

The Energy-flow Analysis of Agricultural Circular Economy with the Biogas as the Core in Cold Region /

ZHAO Guang1,2, JI Li-shuang2, GUO Xing2, SUN Ting2, MA Fang1, CHEN Zhong-lin1/

(1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; 2.School of Chemical and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

Taking the Hailin biogas project as an example, the energy flow direction, and the energy input and output of “cattle-biogas-corn” agricultural circular system were analyzed based on energy flow theory, energy circulation index, energy input-output ratio, and the solar energy utilization rate. The results showed that the “cattle-biogas-corn” mode was beneficial to the development of ecological agriculture and conformed to the requirements of sustainable development. According to the calculation, the circulation index of energy flow was 0.9709, which showed a high sustainable development ability and self-maintaining ability. Yet, energy input-output ratio of the entire circulation system was only 0.0432 because of the energy input-output ratio of the breeding subsystem was very low, showing that the system’ terminal product was at the low level for high value energy transfer. The organic energy and inorganic energy ratio of the system was 34.128, showing that the whole system was in an organic ecological pattern.

biogas energy; “cattle-biogas -corn” circular agricultural system; energy flow; comprehensive evaluation

2016-09-04

2016-10-20

項目來源： 中國博士后科學基金(2014M561361)； 遼寧省博士科研啟動基金項目(201501124)； 黑龍江墾區“十三五”規劃項目(5021609)

趙 光(1980-)，男，副教授，主要研究方向為廢棄物資源化利用，E-mail：zhaoguang@lnut.edu.cn 通信作者： 馬 放，E-mail: mafang@hit.edu.cn

S216.4

B

1000-1166(2017)01-0093-07