農業有機廢棄物能源化資源環境效應評估

郗偉東 武曉藝

摘要：

根據能值理論建立農業資源環境效應評估模型，并對漣水縣高溝鎮進行實證分析。結果表明，農業有機廢棄物能源化具有較高資源環境正效應和較高代際正效應。

關鍵詞：

農業有機廢棄物能源化;資源環境效應;能值

中圖分類號：S216

文獻標識碼：A

DOI：1019754/jnyyjs20200630035

前言

我國自20世紀80年代初就已經全面進入化學農業模式?；瘜W農業又稱能源農業，或稱石油農業，即越來越依靠以礦物能源（特別是石油能源）為基礎的技術和產品來管理農業生態系統的趨勢。1982年我國平均每公頃農作物播種面積所用的氮肥量已比美國1975年的用量高22%，農藥和除草劑的平均用量也已接近美國用量的2倍，每公頃農作物播種面積實際消耗的礦物能源總量比美國1975年高17%，按生產每千焦糧食所實際消耗的工業能源計，則比美國1975年還高24%[1]。目前，我國以僅占世界耕地面積7%的耕地，消費了將近世界1/3的肥料，單位面積用量約為世界平均水平的37倍[2]，導致了日益嚴重的農業面源污染問題。如2014年，除黑龍江、西藏、青海外，其余地區均存在不同程度的化肥面源污染，其中重度污染以上就包括北京、海南、陜西、福建、廣東、河南、天津、廣西、新疆、湖北、山東、江蘇、吉林等13個地區，中度污染包括浙江、河北、安徽、遼寧、山西、寧夏、云南、內蒙古等8個地區，中重度以上地區超過2/3[3]。近年來，雖然我國出臺了一系列化肥農藥減量化、降低分散化畜禽養殖規模等政策，但化學投入品居高不下，農業面源污染問題依然突出。因此，通過農業有機廢棄物（簡稱農廢）能源化與生態化（簡稱能源化）降低農業面源污染水平具有重要意義。

1農廢能源化的資源與環境效應

作為傳統農業大國，我國農業生產活動衍生出大量生物質廢棄物資源，農村生物質資源具有資源量大、再生性強等特征，具備較高的開發潛力[4]。其通過能源化可以轉化為綠色“氣、電、肥”等產品，從而代替較大比例的化肥、農藥等化學農業投入品，以及農業生產、農村生活所需不可更新的化石能源（及其轉化而來的二次能源）。從可持續發展角度看，農廢能源化產生的要素替代不僅具有較高的資源效應，而且也具有較高的生態效應。在資源效應方面，農廢能源化產品可以替代較大比例的化肥、農藥、戶用化石能源（農戶生活與生產所需的煤炭、電力）等，進而降低用于生產化肥、農藥、電力等所需的一次化石能源;在環境效應方面，農廢能源化生產出來的沼渣、沼液是具有較好生態效應的有機肥，其通過替代降低化肥農藥對土壤、水資源和空氣的污染，改善農業與農村環境、提升居民健康水平。

2農廢能源化資源環境效應評估方法

以往評估人類經濟活動對資源環境的影響主要采取價值評估方法。但該方法存在2個難以避免的缺陷：對不同形態的投入和產出缺乏統一的價值折算標準，使價值評估難以客觀真實反映評估對象的外部性;難以科學估算不可更新資源與生態環境的損失。而能值理論則認為，人類的任何行為及行為對象都可以利用太陽能值表征，進而可以對不同度量因素進行加總，從而有效避免價值評估方法的缺陷。

能值理論是美國著名生態學家奧德姆（H.T.Odum）在熱力學定律、最大功率原則和能量等級原理基礎上創立的以能量為核心的系統分析方法，其以能值作為基準，把不同種類、不可比較的能量轉換成統一標準來進行比較，進而從一個更為系統化的角度給出了可持續發展水平的衡量標準[5]。本文在外部性理論框架下根據能值理論建立了農廢能源化資源環境效應評價模型。

21化學農業資源環境效應評估模型

我國農業生產的核心目標是確保糧食穩產增產，因此化學農業生產模式資源環境效應評估是建立在這一核心目標基礎之上，其評估模型如式（1）所示。該模型描述了在確保糧食安全目標條件下化學農業的資源環境負效應水平。

NH=-（NHZ+NHH+NHJ）s.t.LS（NH）LS0（1）

式中，Ni按下式計算：

ΔHi=Wi·wi·Bi·zi（2）

式中，NHZ、NHH、NHJ、NH分別為化學農業生產活動產生的熱耗失所導致資源負效應、環境負效應、人類健康負效應和總效應，NH為化學投入品數量，這些指標均以能值表征（單位為sej）;LS、LS0分別為糧食實際產量和目標產量;Wi、wi、Bi、zi分別為第i種化學投入品的投入數量、生產過程中的耗散率、作用對象邊界和治理單耗。

22農廢能源化資源環境效應評估模型

農廢能源化開發利用的目標是在確保糧食穩產增產條件下優化農業生態與改善農村環境同時，降低不可更新資源的消耗、減化學農業面源污染，進而實現農業可持續發展。故農廢能源化資源環境效應評估模型如式（3）所示。

分別為以能值表征的農廢能源化產品替代化學投入帶來的資源正效應、環境正效應、人類健康正效應和總效應，NFFNX為農廢能源化系統投入能值，N′H、NF、N0分別為以能值表征的化學投入品數量、農廢能源化產品數量和農廢資源可利用量，其它與式（1）相同。

在模型（3）中，約束條件分別表明了化肥與有機肥組合使用確保糧食穩產增產、農廢能源化資源數量不超過可利用量、化肥與有機肥組合需要達到化學農業模式下糧食產量同等效果。

3漣水縣高溝鎮農廢能源化的資源環境效應分析

31漣水縣高溝鎮農廢產量

本文選擇江蘇省漣水縣高溝鎮為實證分析對象，相關數據來源于《漣水統計年鑒》與《淮安統計年鑒》，其中各類農廢數量按可收集系數換算得出。數據資料整理如表1。

32漣水縣高溝鎮農業資源環境效應分析

321能值轉換參數

本文農廢能源化資源環境效應計算所需參數如表2所示。

322高溝鎮現行農業資源環境負效應

由表1可以看出高溝鎮屬于化學農業生產模式。根據表1、表2和模型（1）計算出高溝鎮現行農業資源環境負效應如表3所示。

由表3可以看出，高溝鎮化學農業帶來的資源負效應與環境負效應非常明顯，僅化肥農藥導致的資源負效應與環境負效應每年分別約合標煤785811tce、1618352tce;同時，化學污染與畜禽糞便污染導致的環境負效應更為明顯，其相當于標煤2935865tce。而資源存量的減少導致的代際負效應相當于標煤878072tce，農業面源污染致使環境遭受破壞導致的代內負效應相當于標煤3596843tce。

323農廢能源化資源環境效應

根據高溝鎮農廢可利用量、經濟收集半徑和評估模型（3），本文將該鎮農廢能源化模式設定為：

A根據60%有機肥加40%化肥搭配比例[6]，全鎮依托畜禽養殖場布局10套分布式“電、熱、肥”聯產發電項目，熱電聯產發電裝機總規模為10×430kW，年轉化秸稈313×104t，占全部秸稈產量比例為335%、畜禽糞便為484×104t，占全部畜禽糞便比例為694%。

B農廢能源化生產的電、熱、肥全部就地消納，其中電、熱直接用于本地農業生產和農民生活，有機肥替代化肥農藥用于本地生態農業生產。

在上述條件下，高溝鎮農廢能源化資源環境效應計算結果如表4所示。

農廢能源化資源正效應。由表4可以看出，高溝鎮農廢能源化資源正效應為217×1019sej，相當于每年節約185×104tce。其中有機肥替代化肥能值為80×1018sej，相當于每年節省約標煤682482tce。

農廢能源化生態正效應。該鎮農廢能源化環境正效應為377×1019sej，相當于每年節約322×104tce。其中恢復生物多樣性和改善水質分別為114×1019sej、130×1019sej，兩項合計相當于節約標煤208×104tce。

代際效應。從代際公平角度看，該鎮農廢能源化代際負效應、代際正效應、代內正效應分別為146×1019sej、331×1019sej、263×1019sej，分別相當于標煤125×104tce、282×104tce、225×104tce。

因此，綜合而言，扣除農廢能源化系統投入的不可更新資源，高溝鎮實施農廢能源化資源環境效應凈效應為448×1019sej，相當于每年節約382×104tce。

對比表4和表3可以看出，高溝鎮農廢能源化可以減少該鎮農業負效應達7723%。如果僅考慮化肥農藥的影響，則可減少該鎮農業負效應達8549%;而在恢復生物多樣性與水質改善方面，農廢能源化恢復生物多樣性能力達到60%，改善水質能力達6033%。

4結論與政策啟示

41結論

實證分析表明，僅高溝鎮的農廢能源化的資源環境正效應非常顯著。推而廣之，在全國農業主產區面向農村推廣分布式農廢能源化模式不僅可以大幅度減少化學農業導致的面源污染，而且可以降低化石能源等不可更新資源的消耗速度，從而提升代際公平。

42政策啟示

完善面向農村的農廢能源化政策體系，將分布式能源產業政策、生態農業政策、節能減排政策有效結合。積極培育農廢能源化市場、完善相關公共服務體系，使農業農村農民融入農廢能源化產業過程。在制度層面上，建立面向農業生態需求的社會反哺農業機制，使社會資本與技術、農村資本、農業勞動力、農廢資源形成有效配置的同時，確保三農利益。

參考文獻

[1]聞大中.我國農業生態系統的“石油化”及其改善Ⅰ：對我國農業生態系統“石油化”的剖析[J].生態學，1987，6（03）：1-5.

[2]劉聰.中國農業化肥面源污染的成因及負外部性研究[D].杭州：浙江大學，2018.

[3]尚杰，尹曉宇.中國化肥面源污染現狀及其減量化研究[J].生態經濟，2016，32（05）：196-199.

[4]穆獻中，余漱石，徐鵬.農村生物質能源化利用研究綜述[J].現代化工，2018，38（03）：9-13，15.

[5]崔風暴，鐘玉鋒，徐鵬.論能值分析理論研究新進程及展望[J].生產力研究，2009（24）：248-250.

[6]謝景歡，陳鋼，袁巧霞，等.沼渣與化肥配合施用對溫室番茄生長發育、產量及品質的影響[J].應用生態學報，2010，21（9）：2353-2357.

（責任編輯周康）