林 怡 葉 菁 劉岑薇 王義祥*
(1.福建省農業科學院 農業生態研究所,福州 350003;2.福建省紅壤山地農業生態過程重點實驗室,福州 350013)
農林復合經營是生態農業的一個重要模式,果園作為一種人工種植系統,具有發展立體復合經營的獨特優勢。根據間套作種類的不同,果園復合經營主要模式有果-草、果-糧、果-菜、果-藥、果-菌等。果-菌復合經營是因地制宜,利用林下隱蔽環境種植木耳、平菇、竹蓀、靈芝等食藥用菌的一種極富特色的高效生態模式,不僅可提高資源利用率,同時兼顧生態效益。近年來在福建發展的設施葡萄-菌復合生產模式,結合食用菌產業設施化、工廠化生產特點,在果樹設施栽培系統中引入食用菌生產環節,促進其在高投入、高產出的同時保障高效益、可持續發展。設施葡萄栽培技術的發展,進一步推動了設施葡萄種植優質化、集約化、高效化經營模式,在“葡萄-食用菌”復合系統生態種植方面取得了成果。研究主要集中在食用菌套作高產栽培技術、套作食用菌對葡萄子系統和土壤子系統的效應,以及葡萄枝條循環生產食用菌等方面,對生產系統的研究也多集中在產量和經濟效益上,對系統的持續性研究多體現在土壤子系統領域,對“葡萄-食用菌”復合系統的生產效率和可持續性的研究則尚未見報道。
生態經濟是考量一個生產模式的推廣力度和接受程度的重要指標,美國生態學家Odum提出的能值分析方法以太陽能值為度量單位,通過能值轉化率,克服了不同能質之間無法比較和計算的問題,將自然生態系統、社會經濟系統、生態服務系統和人類信息服務納入評價體系對系統進行科學全面的評價。在農業領域,能值分析已廣泛應用于不同尺度農業生態系統和區域復合生態經濟系統的產出效益和可持續評價,通過對系統的能值投入、產出構成等展開探討,評價和分析環境資源與經濟資源配置狀況、發展模式、系統的環境負荷及可持續發展能力,為發展決策提供了科學依據。Cavalett等對巴西南部小農場作物、豬、魚復合生產系統開展能值分析,得出復合系統具有更高的能值產出效率和較小的環境影響;匡靜等對典型庭院循環經濟模式與傳統模式進行對比研究,得出循環模式的種植亞系統、養殖亞系統的投入產出、能量轉化效益及經濟效益等較高;鐘珍梅等和李艷春等對奶牛、沼氣、種植業循環農業系統進行能值分析,發現循環模式比單一奶牛養殖具有更好的可持續發展能力;高雪松對成都平原“稻-麥”輪作農田生態系統不同秸稈循環利用模式進行了研究,得出菌肥料還田生產模式是成都平原的秸稈循環利用最適模式;張叢光等基于能值分析對西北“五配套”果園做出評價并提出了系統優化意見。以往研究表明能值分析可通過對系統的生態效益評價,為農業生產單元設計乃至區域農業發展規劃提供參考依據。
福建省是典型的“八山一水一分田”丘陵地區,地跨中亞熱帶和南亞熱帶,氣候多樣,資源豐富,是南方重要的水果產區和食用菌生產大省。據統計,2020年福建省園林水果種植面積達3.56×10hm,產值333.29億元。以葡萄為例,全省9個地(市)均有葡萄栽培,2020年福建省葡萄設施栽培面積超過1×10hm,葡萄產業已成為福建果農的“綠色銀行”。葡萄設施栽培雖然效益良好,產業發展態勢強勁,但由于經營管理不盡合理導致種植年限較長的葡萄園土壤鹽漬化、酸化加重,土壤養分失調等問題。發展果-菌復合生產模式,不僅可提高單位面積土地生產力,而且可通過菌渣還土起到改土培肥的目的。靈芝因其適宜散射光等生物學特性和廣闊的市場前景是福建省發展林(果)下經濟的主要適生品種,也是設施葡萄園套種較為推薦的品種,在福建南平、寧德、三明等地區有較大的種植面積。然而,目前對設施葡萄-靈芝復合生態種植模式的綜合效益、可持續性仍缺乏科學評價,影響了其進一步推廣和應用。因此,本研究擬以“葡萄-靈芝”復合生態系統為研究對象,應用能值分析方法,從物質流、能量流、貨幣流3個角度開展果菌復合生產系統的物質生產、能流特征、能量利用效率研究,并依據生產效率、資源利用能力、可持續能力3方面進行能值評價,從生態經濟的角度探討果菌復合生產模式推廣實施的效益、可行性和要點,以期為果菌復合生產模式的優化和推廣應用提供科學依據。
本研究在福建省寧德市福安市下白石鎮的福安市裕興種植專業合作社基地(26°51′35″ N,119°39′36″ E)開展設施葡萄套作代料靈芝試驗,平均海拔約37 m,該地區屬亞熱帶海洋性季風氣候,年太陽輻射4.72×10J/m,年平均日照時間1 653.8 h,年平均氣溫16 ℃,年平均降水量1 668.4 mm。設施葡萄生產基地面積為2.00 hm,葡萄品種為巨峰葡萄,果樹種植密度為2 250株/hm。設施葡萄園管理措施為每年1月枝條修剪、施氮肥,3月抹芽定梢、施硼肥,4月花穗梳理,5月疏果套袋施磷肥,7—8月收獲后施肥,復合肥和有機肥年施用量分別為1.50 和15.00 t/hm。
Ganoderma
lucidum
)品種為大紅芝,來源于福建成發農業開發有限公司。大紅芝的培養基配方:麩皮19.0%、木屑44.2%、棉籽殼30.0%、玉米粉4.8%、碳酸氫鈣1.0%、過磷酸鈣1.0%,菌棒規格為20 cm×16 cm。設施葡萄園套作靈芝在2018年5月底進行,在葡萄植株下兩側滴水線內,距離葡萄主蔓50~60 cm開溝,深×寬約20 cm×20 cm,將菌絲走滿的靈芝菌棒按頭部脫袋和全脫袋2種方式按小區橫埋覆土栽培,菌棒間距7~10 cm,覆土3~5 cm,套作密度可達2.25×10筒/hm。按常規靈芝覆土栽培方法及設施葡萄園管理方法進行管理,在7月對靈芝適當疏蕾,每個菌棒保留1個菌蕾,對雜菌和病蟲害現象及時處理,將病害靈芝移出葡萄園。待同年9月靈芝采收后將菌渣100%還田用作有機肥料(不再施用有機肥),構建設施空間高效利用、廢棄物資源化循環利用的復合生態系統。
R
和不可更新自然資源N
;2)來源于人類社會經濟系統,包括不可更新工業輔助能F
和可更新有機能F
,系統產出能值為Y
。此外,采用9個能值評價指標從系統生產效率、資源循環利用、可持續發展3個方面構建能值評價體系(表1),分析不同模式下系統的生產效率和持續發展能力。
實線表示能值流動路線;虛線表示貨幣流通路線。下同。Solid lines indicate energy flow route; dotted lines indicate currency circulation route. The same below.圖1 葡萄單作系統能值流圖Fig.1 Energy flow diagram of grape monoculture system

圖2 “葡萄-靈芝”復合系統能值流圖Fig.2 Energy flow diagram of grape-Ganoderma lucidum compound system
表1 主要能值評價指標表達公式及其內涵
Table 1 Expression and description of emery indices
項目Item能值指標Emergy index計算公式Expression指標內涵Description凈能值產出率(EYR)Net emergy yield ratioY/(FN+FR)系統產出對系統經濟發展貢獻的大小系統生產效率Productivity能值自給率(ESR)Emergy self-sufficiency ratio(R+N)/U自然資源對生產系統的支持能力能值投資率(EIR)Emergy investment ratio(FN+FR)/(N+R)生產系統的經濟發展水平產投比Output-input ratio($Y-$W)/($FN+$FR)根據當年的能值貨幣比率評價生產系統的能值產出收益率系統資源減量Reducing ofresource廢物資源利用率(EWR)Emergy waste ratioW/U生產系統對廢棄物的處理能力環境負載率(ELR)Environmental loading ratio(N+FN)/(R+FR)系統生產活動對環境影響的壓力可更新能值率(RER)Renewable emergy ratio(R+FR)/U系統的可再生性系統可持續發展Sustainabledevelopment能值反饋率(FYE)Feedback of yield emergyRO/(FN+FR)能值反饋率值越大,表明系統對外界資源的需求減小,自組織能力增強可持續性指數(ESI)Emergy sustainable indicesEYR/ELR系統的可持續性
注:為可更新自然資源能值;為不可更新自然資源能值;為不可更新工業輔助能能值;為可更新有機能能值;為能值投入總量,=+++;為系統能值產出;為系統廢棄物能值;o為系統反饋能值;為能值貨幣價值。
Note: is renewable resources emergy input; is non-renewable resources emergy input; is non-renewable industrial auxiliary emergy input; is renewable organic emergy input; is total emergy input; is emergy output; is waste emergy input; o is feedback emergy input; is emergy dollar.
本研究中,福安市裕興種植專業合作社設施葡萄園的建造成本(含勞動力),及2018年5月—2019年4月期間3種模式生產系統的各項物質、能源和人力投入的原始數據來自實地調研。調研采用半結構式訪談形式,按照設計的調研問卷進行詳細記錄和數據跟蹤。其中,水泥柱、鐵絲、保溫材料、樹苗等的年投入能量根據使用年限折算。系統產出包括葡萄子系統的果實的生物量,及靈芝子系統的子實體、培養料的生物量等則采用全收割法和全挖法測定。研究區域的可更新自然資源數據,包括太陽輻射量、降雨量、風速等,主要來自中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn);表層土壤流失率則依據朱文超等對寧德市2017年度土壤侵蝕的研究。
能值計算以一個完整的葡萄生長周期內每公頃生產系統的能值投入和產出為基準,太陽能值計算方法為:太陽能值=原始數據×太陽能值轉換率。其中,葡萄子系統中的葡萄以及靈芝子系統中的子實體、培養料的熱值采用氧彈式熱量計(PARR6300型,美國)進行測定,其余投入的相關能量折算系數則參考駱世明編著的《農業生態學》;太陽能值轉化率依據李周、王紅彥、王小龍等、馮建英等、張小栓等之前的研究,并采用了Odum在2000年評估的新的能值基線15.83×10/a。設施栽培太陽輻射的吸收率取值為0.6。人民幣與美元的換算采用2018年匯率6.617 4,能值貨幣比率則參照1.87×10sej/$。利用Excel 2019進行數據的核算以及圖表的繪制。
模式M生態系統中包括建設設施大棚時的一次性資源消耗、年葡萄生產所消耗的各種自然資源、購入的生產資料和勞動力4個模塊,模式C、模式C在的能值投入在模式M的基礎上,增加了靈芝的灌溉用水、購入生產資料(菌棒)和勞動力的投入,系統產出則是在葡萄產品的基礎上,增加了靈芝的產出。
對于模式C和模式C,由于反饋能值菌渣其投入成本均來自系統本身,也未流入市場,為了避免重復計算,未將其歸入系統能值投入和能值產出。模式C和模式C系統能值分析結果見表2。可知模式M、模式C、模式C總能值投入分別為8.64×10、1.65×10、1.61×10sej,模式C、模式C分別比模式M提高了91.02%、86.54%;就能值投入組成而言,模式C和模式C的可更新自然資源R
、不可更新工業輔助能F
總量相同,但它們間可更新有機能F
的能值投入產生差異。與模式M相比,模式C、模式C的系統內部增加的靈芝子系統所產生的菌渣是營養物質豐富的有機肥料,可以替代葡萄子系統中施用的有機肥,產生的能值分別為3.04×10、3.05×10sej,作為反饋進入葡萄子系統,因此比重有所變化。因此較之模式M,模式C、C的不可更新自然資源能值投入僅灌溉水能值提高了1.84%。各模式生產系統能值投入結構見圖3??芍耗J組的能值投入結構為R
∶N
∶F
∶F
=3.12∶1.00∶27.69∶52.22;模式C的能值投入結構為R
∶N
∶F
∶F
=3.06∶1.00∶27.19∶126.36;模式C的能值投入結構為R
∶N
∶F
∶F
=3.06∶1.00∶27.19∶122.66;模式M、模式C和模式C購買能值分別占95.10%、97.42%和97.36%。由此可見,“葡萄-靈芝”共作模式的運轉主要是靠可更新有機能的驅動,不可更新工業輔助能也在其中發揮重要作用。
圖3 三種模式的生產系統能值投入結構與所占可更新有機能(FR)的比例示意圖Fig.3 Schematic diagram of emergy input structure and proportion of renewable organic energy (FR) of production system of three modes
由表1中所列的各指標公式計算出各模式系統的能值指標見表3。其中,由于2.1節所述原因,復合系統中產品輸出之一靈芝的能值以sej/g換算,對系統的能值產出貢獻較小。但因靈芝屬于珍貴食用菌,其食用價值、藥用價值以及保健價值較高,其市場價格遠高于葡萄,通常為巨峰葡萄市場價格(12元/kg)的12.5倍以上,因此在系統經濟效益分析時按靈芝售價(150元/kg)計算能值產出。經計算,模式C、C能值產出皆為2.22×10sej。
表3 模式M、模式C、模式C系統能值評價指標
Table 3 Emergy indictors of Modes M, C and C
項目Item評價指標Evaluation index模式MMode M模式C1Mode C1模式C2Mode C2凈能值產出1.051.381.42系統生產效率Productivity能值自給率0.050.030.03能值投資率19.4137.8236.91產投比1.051.381.42系統資源減量Reducing of resource廢棄物資源利用率0.001.84×10-51.89×10-5環境負荷率0.520.220.22可更新能值率0.660.820.82系統可持續發展Sustainable development能值反饋率0.001.89×10-51.94×10-5可持續性指標2.036.356.32
2
.2
.1
系統生產效率指標分析1)凈能值產出率:凈能值產出率是反映系統能量產出和本地資源開發的一個有效指標,凈能值產出率越大,表明系統產出效益越高,競爭力越強。模式C、模式C的凈能值產出率分別為1.38、1.42,較葡萄單作系統的凈能值產出率(1.05)分別高出31.48%、34.72%,表明在設施葡萄生產系統中引入靈芝栽培后,雖然增加了靈芝菌棒、勞動力等可更新有機能的投入,但有效能產出增加,提高了葡萄設施建造的經濟投入反饋效應,促進了設施生產效率的提高和經濟收益的增加。
2)能值自給率:能值自給率用于評估系統單位自然資源所能產生的產品力量,能值自給率越高,表明系統內部的資源豐富,但同時反映出地區對外交流程度較差。模式M的能值自給率(0.05)較模式C(0.03)、模式C(0.03)分析高出48.67%、47.40%,表明葡萄單作模式對本地自然資源的利用程度較高,自給自足的能力較強。
3)能值投資率:能值投資率是生產系統經濟發展水平的一個重要衡量指標,能值投資率越高,表明經濟發展水平越高,但是極高時,會使得產品成本較高導致競爭力下降。模式C(37.82)、模式C(36.91)的能值投資率分別是模式M(19.41)的1.95、1.90倍,表明“葡萄-靈芝”復合生產系統發展水平更高,經濟活力更強。
4)產投比:從能值貨幣價值分析,模式C(32 870.72 $)和模式C(34 940.61 $)的凈收益是模式M(2 262.32 $)的14.53倍和15.44倍,產投比是模式M(1.05)的1.31倍和1.35倍,表明“葡萄-靈芝”復合生產模式有效促進了設施的利用率和收益。
2
.2
.2
系統資源減量化分析5)廢物資源利用率:廢物資源利用率越大,表明系統對廢棄物的處理能力越強?!捌咸?靈芝”復合生產系統的特點在于,與傳統靈芝生產方式相比,將菌棒作為肥料就地資源化利用,因此所產生的廢棄物對環境的壓力為0。由于割袋工藝的不同造成的菌棒生物量不同,模式C的廢物資源利用率較模式C低2.82%。
6)環境負載率:用于評價系統對環境影響的壓力,環境負載率越大,系統受環境變化影響越大。一般情況下,當環境負荷率≤3時,系統對環境造成的負載壓力較小。本研究中,模式M、模式C和模式C各系統的環境負荷率分別為0.52、0.22、0.22,表明葡萄單作和“葡萄-食用菌”復合系統所造成的環境壓力均不大,由于復合系統增加了菌渣循環利用,因此降低了系統的環境負載率。
2
.2
.3
可持續性分析7)可更新能值率:是分析系統驅動力來源的方法之一,可更新能值率越大,說明系統生產過程更多地依賴于可更新資源的投入。如表3所示,模式C(0.82)、模式C(0.82)的可更新能值率分別比模式M(0.66)高出24.69%、24.03%,說明“葡萄-靈芝”復合生產系統更多地依賴可更新資源投入,原因是“葡萄-靈芝”復合生產系統在葡萄單作生產系統的基礎上增加了靈芝菌棒、勞動力等的投入,提高了系統總能值投入中的可更新比例,也從另一個側面反映了復合生產系統的可持續能力的提高。
8)能值反饋率:能值反饋率越大,表明系統對外界資源的需求減小,自組織能力增強?!捌咸?靈芝”復合系統的反饋能值來自于菌渣循環利用產生的能量全部投入到葡萄子系統生產中,減少葡萄子系統生產對外部投入的依賴,但發揮的作用有限。
9)可持續指數:可持續性指標綜合考慮了經濟系統、環境系統和生產過程的影響,反應了系統的可持續發展水平。本研究的模式C和模式C的系統可持續性分別為6.35和6.32,是模式M(2.03)的3.13倍和3.11倍,根據Ulgiati等,楊慧等對可持續性指標的研究結果,當系統的可持續指數介于1~10,表明系統具有較強活力和發展潛力,可持續發揮性能屬中等水平,同時反映出“葡萄-靈芝”復合生態系統的可持續能力較好,具有較強的活力和發展潛力。
模式C和模式C兩種靈芝菌棒開袋方式的不同,影響了后續的靈芝子實體產量、菌渣歸還量和勞動力投入。分析結果表明,模式C的靈芝產量(495.19 kg/hm)高于模式C(409.61 kg/hm),菌渣歸還量(4 766.25 kg/hm)低于模式C(4 786.50 kg/hm),勞動力投入(27 405.00 MJ/hm)高于模式C(25 893.00 MJ/hm)。模式C的凈能值產出率、能值貨幣價值凈收益、產投比、廢棄物資源利用率、能值反饋率皆略低于模式C,可持續發展指數則略高于模式C。原因在于購買能值相差不大的范圍內,模式C系統的勞動力投入高于模式C。
葡萄單作和復合共作作為人工種植系統,在各模式生產系統所利用的購買能值中,勞動力投入分別占到模式M、模式C、模式C的64.81%、43.66%、42.27%,充分反映了傳統設施生產中栽培、施肥、灌排水、病蟲害防治、疏果、采摘等農藝管理需要由人工完成,這也是各模式系統運轉的主要驅動力。相對模式M,模式C和模式C由于增加了靈芝子系統,系統復雜度較高,從而導致系統能值投入分別增加了91.02%和86.54%。但從能值投入結構來看,模式C和模式C能值投入中可更新有機能的比重增加,而不可更新工業輔助能的比重降低。3個模式購買的不可更新工業輔助能中,在當年生產管理中,能值投入大小依次為果袋(62.49%)>棚膜(28.92%)>水泥柱(4.77%)>電力(2.03%)>鐵絲(1.15%)>農藥(0.61%)>復合肥(0.02%),與馮建英等對中國五大葡萄主產區266個樣點設施葡萄園的統計大致相同,靈芝作為套作品種,未對葡萄子系統的不可更新工業輔助能投入產生影響。
構建果園復合經營模式時,必須綜合考慮系統的整體收益與可持續性。本研究中,模式M系統的能值產出為8.64×10sej,模式C、模式C系統增加了靈芝產品的能值產出,但較模式M提高不大,其原因是由于不同生物類型,葡萄產品的生物量為586.40 g/株,靈芝子實體生物量約22.77 g/袋(模式C)、18.83 g/袋(模式C),以及靈芝是套作在設施葡萄園的林下空間,參照設施葡萄種植和管理方式套作密度有限,靈芝每公頃生物量僅為葡萄生物量的3/8(模式C)和1/3(模式C);其次,目前尚未有針對靈芝能值轉換率的相關研究,故本研究參考了藍盛芳等、佟源婷、陳啟超等同類產品的能值轉化率,參照新的能值基線15.83×10sej/a,靈芝能值轉換率折算為6.37×10sej/g,不足葡萄能值轉率(6.54×10sej/g)的萬分之一。因此,根據太陽能值計算方法,導致靈芝對復合系統的能值產出的貢獻較小。能值轉換率是反應系統產出的能值利用效率的一個重要評價指標。本研究復合生態系統中的靈芝作為在設施葡萄生態系統內套作的物種,與常規靈芝栽培系統不具有可比性,因此無法對其能值轉化率進行分析。本研究中葡萄單作系統的凈能值產出率(1.05)高于馮建英等對中國五大葡萄主產區設施葡萄園凈能值產出率(0.02)、王坤等對嶺南設施桃凈能值產出率(0.72)的計算結果,可能由于本研究中涉及的設施葡萄基地與其他設施葡萄生產系統相比,設施為簡易避雨栽培大棚,葡萄品種為35 a生(截止2018年)巨峰葡萄,購入能值較低。經計算,模式M生產系統的產品葡萄的能值轉化率結果為6.54×10sej/g,高于張小栓等采用的葡萄能值轉化率9.91×10sej/g。已有研究認為,利用能值轉化率作為效率指標僅能反映出系統能值總投入和總產出的關系,或是反映產品數量上的差別。由于葡萄栽培的設施類型,系統投入和運轉過程不同,因此能值轉化率會有一定程度的差異。本研究中選擇設施葡萄園實施精細管理,產品產量和品質得以保障,對系統能值利用效率較高。
本研究中“葡萄-靈芝”復合系統的能值貨幣價值收益遠遠高于葡萄單作系統,產投比、環境負荷能力、系統可持續性能優于單作系統,說明所構建的“葡萄-靈芝”復合生態系統經濟活力較強,環境壓力較輕,可持續性更強。通過3個模式的生產效率和可持續性的比較,模式C系統的經濟活力和發展潛力更好,但產出效率和可持續性仍有改善和優化的空間。其一,當前果菌復合系統從外部引入靈芝菌棒,增加了購買資源的投入,占可更新有機能能值投入部分46.67%~48.07%;其二,“葡萄-靈芝”共作栽培下靈芝后期無法滿足其成熟的濕度條件,生物學轉化率低于傳統靈芝大棚栽培,但低于傳統靈芝大鵬栽培;其三,由于設施屬于簡易避雨栽培,靈芝管理過程以人工噴水措施為主,再次提高了可更新有機能中勞動力能值的投入,影響了系統能值產出率的提高。設施農業本屬于資金、技術、勞動力密集型產業,提高設施的土地產出率、勞動生產率、資源利用率、產品優質率、污染防控率是設施農業轉型發展的目標,實證研究,設施共作是提高設施農業系統“五率”的有效手段。對于果(葡萄)菌復合系統,本研究認為果(葡萄)菌復合系統可以通過降低購買資源能值消耗,提高自然資源和反饋能值2個方面優化其投入結構,一方面可以對套作食用菌品種再篩選,選擇更適宜在設施生產系統內采取地栽方式,適應散射光、耐高溫且價格較低、易于簡化管理的食用菌品種,如竹蓀等,降低購買能值的消耗,從而提高系統的能值自給率和產投比;另一方面,探索葡萄枝條代料栽培食用菌等循環農業模式,本研究監測數據顯示,葡萄枝條年修剪量達1.81 t/hm,葡萄枝條代料栽培靈芝、竹蓀等技術已有研究,若可以利用修剪葡萄枝條作為食用菌栽培基質的代料,將極大地促進系統內部循環和反饋,提高廢棄物資源利用率,從而降低環境壓力,提高系統的可持續發展能力。
F
)部分增加了靈芝菌棒、勞動力等,造成系統能值自給率有所降低,能值產出部分以產量能值轉換率進行計算,增加約1/2 736;若以產值能值轉換率進行計算,增加幅度約為157.29%,其凈能值產出率、能值投資率、能值貨幣凈收益均高于葡萄單作生態系統,表明復合模式大大提高了葡萄設施的能值利用效率,具有較強的經濟發展水平和活力。在系統資源減量化和可持續發展分析評價方面,復合生態系統的廢棄物資源利用率以及可更新能值率、能值反饋率、可持續發展指數皆高于單作生態系統,環境負荷率降低,表明復合生態系統在生產過程中能夠較好地降低對環境的壓力,并具有較強的可持續發展水平。