基于能值分析的奶牛產業園區循環發展模式評價

董姍姍，隋 斌，趙立欣，孟海波，沈玉君，周海賓，丁京濤，程紅勝

基于能值分析的奶牛產業園區循環發展模式評價

董姍姍1,2，隋 斌2※，趙立欣1,3，孟海波1,2，沈玉君1,2，周海賓1,2，丁京濤1,2，程紅勝1,2

（1. 農業農村部規劃設計研究院，北京 100125；2. 農業農村部資源循環利用技術與模式綜合性重點實驗室，北京 100125；3. 農業農村部廢棄物能源化利用重點實驗室，北京 100125）

以沼氣工程為紐帶的循環農業模式是降低農業產業園區廢棄物污染、提高資源利用率的有效方式。該研究構建了適合園區規模的循環農業模式能值評價指標體系，以河北省某典型奶牛產業園區為案例，將園區現行的利用全混式厭氧反應技術（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）的濕法單相厭氧消化沼氣工程，與濕法兩相耦合厭氧消化、干法序批式厭氧消化、干法連續式厭氧消化3種不同沼氣工程模式進行對比，運用能值理論及計算方法對以沼氣工程為紐帶的農業產業園循環模式進行了評價，選擇最適宜園區發展的沼氣工程模式。結果表明，該園區能值投入率為17.57，能值產出率為0.41，環境負載率0.33，可持續發展指數1.23，以CSTR濕法單相厭氧消化沼氣工程為紐帶的循環農業模式整體效益優于其他3種模式。研究對其他園區的循環農業模式評價和以沼氣工程為紐帶的循環農業發展具有借鑒意義。

循環農業；能值分析；奶牛養殖；產業園區；資源化利用；沼氣工程

0 引 言

近年來，隨著中國奶業振興和全國奶牛養殖規模不斷擴大，2018年奶牛存欄量已達1 037.7萬頭[1]，現代化、標準化和規模化的園區式牧場逐漸成為主流。奶牛養殖供給優質乳品、滿足人們營養需求和促進經濟發展的同時，也產生了大量的養殖糞污，對環境造成了較大的壓力[2]。如何資源化利用養殖糞污、減少環境污染已成為國內外研究熱點。

循環農業作為一種倡導最大限度提升資源的利用效率、多種途徑循環可再生資源的農業可持續發展模式倍受關注[3-6]。將循環農業理念運用在奶牛養殖廢棄物處理上也頗有成效，以沼氣工程為紐帶的種養結合循環模式是其中的典型模式之一，通過沼氣工程處理養殖糞污，沼渣沼液還田利用，可將養殖業和種植業有機結合在一起，形成物質、能量循環利用的產業鏈，在減輕環境污染的同時，實現農業生態系統資源循環利用[7]。現行的沼氣工程主要包括利用安裝攪拌裝置使發酵原料和微生物完全混合這全一混式厭氧反應技術（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）的濕法單相厭氧消化、通過2個串聯裝置使酸化和甲烷化分別進行的濕法兩相耦合厭氧消化、利用車庫式反應器的干法序批式厭氧消化、利用立式-橫推流式反應器的干法連續式厭氧消化共4種模式[8-11]。對于以沼氣工程為紐帶的種養結合循環模式，現有研究主要關注沼氣工程發酵效率提升、三沼（沼氣、沼渣、沼液）綜合利用等方面，而從循環系統整體出發對模式資源利用程度和發展水平等進行效果評價的研究仍鮮有報道[12-13]。近年來，國內學者已建立了一些評價體系，其中涉及到的評估方法眾多，如綜合指數評價、經濟效益評價、專家打分法等，但由于具體模式的內容和方法差異較大，評價指標選取較為多元，這類方法通常主觀性較強，操作困難，可比性不強[14-16]。

能值分析理論和方法是由美國著名生態學家H. T. Odum于20世紀80年代創立的，這一方法是從系統能量流動的角度出發，引用太陽能值作為統一的單位，將系統中計量單位不同、不便于互相轉化的各種物質、能量進行比較和分析，進而對系統中的自然資源消耗、人類參與程度等進行定量分析[17]。目前已廣泛應用于自然生態系統、農業生態系統以及區域生態系統發展可持續性的分析、評價與比較中[18-20]。本研究以中國河北省具有典型代表性的某產業園區為案例，以“奶牛養殖—沼氣工程”循環農業模式為研究對象，將濕法單相厭氧消化，濕法兩相耦合厭氧消化、干法序批式厭氧消化、干法連續式厭氧消化這4種常見的沼氣工程效果進行對比，對沼氣工程為紐帶的種養結合循環農業模式效果進行評估。本研究運用能值分析方法構建了評價指標體系，對園區內循環農業系統進行了深入分析，通過計算自然、人力等各種資源需求，綜合考慮該園區的可持續發展性和生態經濟效益，最終選擇出最適宜園區發展的沼氣工程模式，并提出下一步發展建議。基于本研究的數據基礎及所構建的能值評價指標體系，其他同類型的產業園區也可進行類比分析，對產業園區中種植業與養殖業規模配比、沼氣工程處理能力等重點參數進行評估，有針對性地獲取相關發展建議，由此為以沼氣工程為紐帶的種養結合循環農業模式的推廣提供科學依據。

1 研究區概況及方法

1.1 研究區概況

河北省某典型奶牛養殖產業園區占地面積2×105m2，研究區域年太陽輻射5 016～5 852 MJ/m2，年平均氣溫15 ℃，年平均降雨量558.5 mm。園區內年養殖奶牛5 500頭，養殖面積6.05×104m2，建有日處理1 000 m3奶牛糞污的沼氣工程一處，發酵工藝為CSTR，產生的沼氣用于產熱和發電以供給園區使用，沼渣用于生產有機肥，沼液作為種植業液態肥料施用，形成了農業廢棄物多層次利用的循環農業系統。本研究以“奶牛養殖—CSTR濕法單相厭氧消化沼氣工程”循環農業模式（模式Ⅰ）為研究對象，與同規模的濕法兩相耦合厭氧消化（模式Ⅱ）、干法序批式厭氧消化（模式Ⅲ）、干法連續式厭氧消化（模式Ⅳ）3種沼氣工程模式進行分析、比較和評價。

1.2 指標體系構建

對園區進行實地調研，從能值流動、資源利用、環境負載和經濟發展4個方面入手，建立了園區的循環農業系統的評價體系[17,21-23]。通過對以沼氣工程為紐帶的種養結合循環系統涉及的不同資源及環節進行劃分，將能值流量指標分為可更新環境資源（Renewable Natural Resources，）、不可更新環境資源（Non-renewable Natural Resources，）、可更新有機能（Renewable Organic Energy,1）、不可更新工業輔助能（Non-renewable Supplement Energy，）和系統總產出（Yield，）5個部分組成（圖1）[17]。其中，太陽、風、雨水屬于系統自身的環境資源，可更新有機能和不可更新工業輔助能屬于人類對系統投入的經濟購買能值。另外，在可更新有機能中，有一部分資源作為生產過程中的中間產物，是可在經進一步處理后在系統中重復利用的。

圖1　產業園區沼氣工程模式系統能流

結合園區奶牛養殖耦合沼氣工程的特點，本研究主要選用能值投入率（Emergy Input Ratio, EIR）、能值產出率（Emergy Yield Ratio, EYR）和能值自給率（Emergy Self-sufficiency Ratio, ESR）對園區資源循環利用情況進行分析，采用可更新能值比率（Renewable Emergy Ratio，RER）、環境貢獻率（Emergy Contribution Ratio, ECR）和環境負載率（Emergy Loading Ratio, ELR）度量資源利用對環境的影響，同時參考綜合指數評價方法，從中選取能值可持續指標（Emergy Sustainable Index, ESI）對該園區的循環農業發展進行綜合評價。通過上述3類資源、環境、可持續發展的指標，構建了產業園區循環農業的綜合評價指標體系（表1）。

表1 2018年產業園區循環系統能值評價體系

1.3 研究方法及數據處理

研究中濕法單相厭氧消化模式的原始數據都來自2018年對研究區的實地調研和資料收集，以園區現有沼氣工程為紐帶，以完整生產年度為期進行數據記錄，以河北省統計局、河北省氣象局等機構記錄為基準對自然資源數據進行收集（表2）。研究中涉及的原始數據計算方法參考Odum、陳阜等學者的研究[21-24]。考慮到初級自然資源的能值轉換率在不同地區變化不大，選擇Odum研究團隊的能值轉換率參數，對太陽光能、風能、雨水化學能等環境資源進行測算。化肥、農藥等經濟系統資源的貢獻，采用《中國統計年鑒》、《中國農村統計年鑒》及河北省統計局公布的2018年相關數據進行測算[25-28]。濕法兩相耦合厭氧消化、干法序批式厭氧消化、干法連續式厭氧消化3種模式的數據通過實地調研和已發表文獻中的相關工藝參數進行模擬測算后獲得[17,21-24]。

所有數據均用Excel整理和統計。

2 結果與分析

2.1 能值投入產出分析

4種不同沼氣工程模式的能值數據見表2。總能值投入量由可更新環境資源能值、不可更新環境資源能值、可更新有機能值和不可更新工業輔助能值組成，統計后的能值流分析結果見表3。

注：模式I～IV分別為濕法單相厭氧消化、濕法兩相耦合厭氧消化、干法序批式厭氧消化、干法連續式厭氧消化，下同。

Note: Mode I-IV is wet single phase anaerobic digestionbasedoncontinuous stirred tank reactor anaerobic fermentation, wet two-phase couplinganaerobic digestion, dry sequential batch anaerobic digestion and dry continuous anaerobic digestion, respectively. Same below.

由表3可知，模式Ⅰ中的總能值投入量為1.69×1018sej，其中可更新環境資源能值為3.87×1016sej，不可更新環境資源能值為5.24×1016sej，環境資源能值投入占總能值投入的5.39%；可更新有機能值為3.70×1017sej，不可更新工業輔助能值為1.23×1018sej，外界資源能值投入占主導地位，占總能值投入的94.62%，其中原材料和能源的投入是主要部分；能值產出量為6.55×1017sej，玉米、牛奶、沼氣、有機肥等產品能值為4.18×1017sej，占產出能值的63.77%；沼渣、沼液等再利用資源的能值為2.37×1017sej，占產出能值的36.23%。與模式Ⅰ相似，模式Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ均以外界資源投入為主。模式Ⅱ中總能值投入量為2.93×1018sej，環境資源能值投入占總能值投入的3.11%；能值產出量為2.67×1017sej，牛奶、沼氣、有機肥等產品能值為2.36×1017sej，占產出能值的88.18%；沼渣、沼液等再利用資源的能值為3.16×1016sej，占產出能值的11.82%。模式中Ⅲ總能值投入量為3.00×1018sej，環境資源能值投入占總能值投入的3.04%；能值產出量為5.39×1017sej，牛奶、沼氣、有機肥等產品能值為2.78×1017sej，占產出能值的51.67%；沼渣這一再利用資源的能值為2.60×1017sej，占產出能值的48.33%。模式Ⅳ中總能值投入量為3.15×1018sej，環境資源能值投入占總能值投入的2.89%；能值產出量為4.04×1017sej，牛奶、沼氣、有機肥等產品能值為2.69×1017sej，占產出能值的66.51%；沼渣等再利用資源的能值為1.35×1017sej，占產出能值的33.49%。

對比4種不同沼氣工程模式可以發現，相比其他3種模式，模式Ⅰ中系統總投入能值1.69×1018sej更低，而能值產出量6.55×1017sej更高，系統的能值產出量占總投入能值的38.75%，如能提高系統的能值產出量，則能促進系統的進一步發展。

表3 4種沼氣工程模式能值流比較

2.2 環境負載分析

根據能值投入產出分析，進一步計算園區內各綜合指標值，具體見表4。其中，模式Ⅰ、模式Ⅱ、模式Ⅲ和模式Ⅳ的可更新能值比均較低，分別為0.02、0.01、0.01和0.01，說明以這4種沼氣工程為紐帶的循環系統仍對不可更新能值的依賴較高，其原因主要是沼氣工程運行過程中產生的大量能值被消耗。

表4 能值評價指標計算值

環境貢獻率反映了系統中自然環境對農業經濟發展的貢獻，而環境負載率則評價了系統對周圍環境造成的壓力，如表4所示，模式Ⅰ、模式Ⅱ、模式Ⅲ和模式Ⅳ所生產的ECR值分別為0.05、0.03、0.03和0.03，ELR值分別為0.33、0.25、0.27和0.31，其來源主要是因為養殖及生產過程中大量水、電、肥的投入，是中國農業ELR平均水平（2.72）[29]的9.19%～12.13%，說明以這4種沼氣工程為紐帶的循環系統對周圍環境造成了較小的壓力。

2.3 資源利用分析

能值投入率衡量了系統的資源投入情況，能值產出率衡量了系統本身的資源利用能力對經濟系統的貢獻，EYR越高則系統的資源利用效率越高[29]。如表4所示，模式Ⅰ、模式Ⅱ、模式Ⅲ和模式Ⅳ所生產的EIR值分別為17.57、31.28、31.92和33.63，整體高于發達國家7.00的標準[30]，說明園區的資源投入程度較高，能夠吸引投資者，經濟發展有良好的走勢[2]；EYR值分別為0.41、0.09、0.19和0.13，對于4種不同沼氣工程模式，模式Ⅰ對于本地資源的依賴度最低，其次是模式Ⅱ和模式Ⅳ，同時，模式Ⅰ對資源的利用效率最高，其次是模式Ⅲ和模式Ⅳ。

能值自給率反映了以沼氣工程為紐帶的循環系統中各組分對于該沼氣循環系統的支撐能力[13]。對于4種不同沼氣工程模式，模式Ⅰ及模式Ⅱ中系統的循環特征主要表現在沼渣有機肥和沼液再利用上，模式Ⅲ和模式Ⅳ中系統的循環特征主要表現在沼渣有機肥再利用上。如表4所示，模式Ⅰ的ESR值為0.39，模式Ⅱ、模式Ⅲ和模式Ⅳ所生產的ESR值分別為0.09、0.18和0.13，均低于模式Ⅰ，說明系統中本地環境資源的貢獻更低，外部能量需求度相較于模式Ⅰ更高。

能值可持續指標通過能值產出率和環境負載率的比值來反映系統可持續性的高低，可持續性高則表明系統在維持資源供給的同時，也可降低對環境的潛在影響，實現污染降級[31]。對于4種不同沼氣工程模式，ESI值分別為1.23、0.37、0.68和0.43，其中模式Ⅰ的ESI值均大于1，說明經濟系統具有活力和發展潛力，其可持續性最好；而模式Ⅱ、模式Ⅲ和模式Ⅳ的ESI值小于1，表示現行系統仍屬于消費型經濟系統，可持續發展性能有待提高[32]。

3 結 論

本文以中國河北省具有典型代表性的某產業園區為例，根據該園區“奶牛養殖—沼氣工程”的循環農業模式，構建了適合園區規模的循環農業模式能值評價指標體系，選擇4種常見的沼氣工程模式，以園區現行的利用全混式厭氧反應技術（Continuous Stirred Tank Reactor，CSTR）的濕法單相厭氧消化沼氣工程為參照，與濕法兩相耦合厭氧消化、干法序批式厭氧消化、干法連續式厭氧消化3種沼氣工程模式進行對比，根據能值分析方法分析了園區內循環農業模式環境安全性、資源減量率及可持續發展度。結果表明，相對于其他3種沼氣工程模式，CSTR濕法單相厭氧消化沼氣工程更適合園區發展，通過CSTR濕法單相厭氧消化處理奶牛養殖廢棄物，提升廢棄物循環利用效率后，園區能值投入率為17.57，明顯高于其他3種模式，達到了系統資源減量化目標；能值產出率為0.41，沼渣沼液等廢棄物在系統內消耗占比高于其他3種模式，降低了系統的整體投入成本，提高了系統的生產效率；環境負載率0.33；可持續發展指數1.23，系統更具活力和發展潛力。

由于現行的多數種養結合循環模式、沼氣工程生產流程存在一定的共性，本研究的數據基礎及所構建的能值評價指標體系對其他產業園區的發展評價也有借鑒意義，可用于評估同等規模的循環模式，分析改進系統中種植與養殖規模配比、沼氣工程處理能力等重要參數。但本研究也存在一定的欠缺，由于所選用的能值分析方法主要是基于系統循環過程中投入資源種類和數量進行計算及評價，當系統的投入或產出發生較大變化時，會影響量化計算結果，進而影響整體評價結果，如何對這一問題進行改進，使評價體系更具普遍適用性，是進一步研究的重要方向。

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Evaluation of circular development mode for dairy cow industrial parks based on emergy value analysis

Dong Shanshan1,2, Sui Bin2※, Zhao Lixin1,3, Meng Haibo1,2, Shen Yujun1,2, Zhou Haibin1,2, Ding Jingtao1,2, Cheng Hongsheng1,2

(1.100125,;2.100125,; 3.100125,)

The circular agriculture mode with the biogas project as a link is one of the critical modes to reduce waste pollution and improve resource utilization in industrial parks. This research was to construct an emergy evaluation index system suitable for the circular agriculture mode of the industrial park. A typical representative industrial park in Hebei Province was chosen as a case study. The results of four common biogas projects were compared, including anaerobic fermentation using continuous stirred tank reactor (CSTR), wet two-phase anaerobic digestion, dry sequential batch anaerobic digestion and dry steady anaerobic digestion. To compared with each other, the effect of the circular agriculture mode with the biogas project as a link was evaluated. In the industrial park, a total of 5 500 dairy cows were bred annually and the park had a breeding area of 6.05×104m2. A biogas project that could treat 1 000 m3of dairy cow manure per day was built. The CSTR anaerobic fermentation biogas project was used to produce the biogas. The biogas slurry was used as a liquid fertilizer for the planting industry, forming a circular agricultural system for multi-level utilization of agricultural waste. The results showed that, compared with the other three biogas engineering modes, the CSTR anaerobic fermentation biogas project was more suitable for the industrial park. The total emergy input of this mode was 1.69×1018sej. Among them, the emergy value of renewable environmental resources was 3.87×1016sej and the emergy value of non-renewable environmental resources was 5.24×1016sej. The emergy input of environmental resources, accounting for 5.38% of the total emergy input. The renewable organic emergy value was 3.70×1017sej and the non-renewable supplement emergy value was 1.23×1018sej. The emergy input from external resources dominates, accounting for 94.62% of the total emergy input. The input of raw materials and emergy was the central part of the external resource input. The emergy yield was 6.55×1017sej, of which the energy value of maize, milk, biogas, organic fertilizer and other products was 4.18×1017sej, accounting for 63.77% of the output emergy value. And the emergy value of reused resources such as biogas residue and biogas slurry was 2.37×1017sej, accounting for 36.23% of the output emergy value. Based on the analysis of emergy input and output, the total index values in the industrial park were further calculated and the results showed that the emergy input rate of the circular agriculture mode with the CSTR anaerobic fermentation biogas project was 17.57. It was lower than the other three modes and the goal of reducing system resources was achieved. The emergy yield ratio of the CSTR anaerobic fermentation biogas project was 0.41. The proportion of wastes such as biogas residue and biogas slurry in the system was higher than those of the other three modes, decreasing the overall input cost of the system and improving the production efficiency of the system. The environmental loading ratio of the CSTR anaerobic fermentation biogas project was 0.33. The emergy sustainable index of the CSTR anaerobic fermentation biogas project was 1.23, indicating that the system has more vitality and development potential. On the whole, the overall benefit of this model was better than the other three models, and it was the most suitable biogas project mode for the industrial park. The database and the constructed evaluation index system of emergy value is also relevant to the evaluation of other industrial parks. The results can be used to evaluate the circulation model on the same scale and to analyze important parameters such as the ratio of cultivation to breeding scale and the treatment capacity of biogas projects in the system.

circular agriculture; emergy analysis; dairy farming; industrial park; resource utilization; biogas project

董姍姍，隋斌，趙立欣，等. 基于能值分析的奶牛產業園區循環發展模式評價[J]. 農業工程學報，2020，36(17)：227-233.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.027 http://www.tcsae.org

Dong Shanshan, Sui Bin, Zhao Lixin, et al. Evaluation of circular development mode for dairy cow industrial parks based on emergy value analysis[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 227-233. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.027 http://www.tcsae.org

2020-04-28

2020-07-10

國家重點研發計劃項目（2017YFD0800800）

董姍姍，博士，主要從事農業廢棄物資源化利用理論研究及技術研發。Email：dongshanshan@aape.org.cn

隋斌，研究員，農業農村部資源循環利用技術與模式學科群暨綜合性重點實驗室主任，國家“十三五”重點研發計劃項目首席專家，主要從事農業工程管理、農業農村建設及資源循環利用研究。Email：suibin@agri.gov.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.027

S210.3

A

1002-6819(2020)-17-0227-07