王小龍，韓 玉，陳源泉，隋 鵬，高旺盛,*，吳 霞，杜傳民

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院, 北京 100193 2 石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院, 石家莊 050035 3 河北省景縣津龍公司, 衡水 053500

基于能值分析的無(wú)公害設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)效率和可持續(xù)性評(píng)價(jià)

王小龍1，韓 玉2，陳源泉1，隋 鵬1，高旺盛1,*，吳 霞1，杜傳民3

1 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院, 北京 100193 2 石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院, 石家莊 050035 3 河北省景縣津龍公司, 衡水 053500

發(fā)展無(wú)公害蔬菜是提高我國(guó)蔬菜品質(zhì)和安全性、增強(qiáng)蔬菜產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要舉措。針對(duì)蔬菜生產(chǎn)高投入、高產(chǎn)出的特點(diǎn)，采用能值分析方法對(duì)無(wú)公害設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)兩種蔬菜栽培模式進(jìn)行系統(tǒng)效率和可持續(xù)性評(píng)價(jià)，并與一般蔬菜生產(chǎn)模式進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)模式能值利用效率、可更新比例、凈能值產(chǎn)出率、食品安全性和可持續(xù)發(fā)展能力分別比一般蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)平均提高24.3%、24.9%、36.0%、98.2%和3.87倍，環(huán)境負(fù)載率平均下降64.7%，系統(tǒng)投入的能值貨幣價(jià)值平均降低20.0%。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)情景分析表明，如果進(jìn)一步綜合采用收集降雨用于棚內(nèi)蔬菜灌溉、沼氣發(fā)電供給蔬菜灌溉利用、通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化管理降低人力投入，可以使現(xiàn)有的無(wú)公害生產(chǎn)方式的能值利用效率提高3.4%—10.8%，可持續(xù)性提高1.2%—31.7%。該研究也表明，將無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)納入我國(guó)以沼氣為紐帶的循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式中，實(shí)現(xiàn)適度的產(chǎn)業(yè)結(jié)合與規(guī)?；?jīng)營(yíng)，能夠較好的提高無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)發(fā)展能力。

無(wú)公害設(shè)施蔬菜; 可持續(xù)性; 系統(tǒng)效率; 能值評(píng)價(jià)

我國(guó)設(shè)施蔬菜面積和產(chǎn)量居世界第一位[1- 3]。各地在長(zhǎng)期探索和實(shí)踐的基礎(chǔ)上，已經(jīng)形成大量設(shè)施蔬菜栽培模式[4- 6]，使我國(guó)蔬菜產(chǎn)量、種類(lèi)及其供應(yīng)季節(jié)都能夠充分滿(mǎn)足人們生活需求。但隨著人民生活水平不斷提高，特別是在近年來(lái)我國(guó)食品安全問(wèn)題高發(fā)的背景下，人們開(kāi)始更多的關(guān)注于蔬菜品質(zhì)與安全性問(wèn)題。按照國(guó)內(nèi)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，蔬菜生產(chǎn)可分為一般蔬菜、無(wú)公害蔬菜、綠色蔬菜和有機(jī)蔬菜4個(gè)等級(jí)[7]，其中，無(wú)公害蔬菜是安全蔬菜所應(yīng)該達(dá)到的最低等級(jí)，也是我國(guó)應(yīng)該主要發(fā)展的蔬菜生產(chǎn)方式。

設(shè)施蔬菜是一種高投入、高產(chǎn)出的集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。一般蔬菜的生產(chǎn)過(guò)度依賴(lài)于化肥、農(nóng)藥等石油產(chǎn)品，在加劇能源消耗的同時(shí)，也造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和農(nóng)產(chǎn)品安全隱患。相反，無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)則具有不施或少施化肥和農(nóng)藥、以有機(jī)肥投入和生物防治為主的特點(diǎn)。但是，相比于一般蔬菜生產(chǎn)方式，無(wú)公害設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)出效率和可持續(xù)性如何，則是一個(gè)需要研究的問(wèn)題，也是我國(guó)能否長(zhǎng)期堅(jiān)持并大面積對(duì)其推廣的前提。當(dāng)前對(duì)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的研究主要集中在高產(chǎn)高效栽培模式[8- 9]、病蟲(chóng)害防治[10]、水肥管理[11- 12]和溫室及土壤微環(huán)境研究[13- 14]等方面，對(duì)其系統(tǒng)可持續(xù)性分析大多集中于產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)策[15- 16]，而對(duì)其系統(tǒng)效率的定量分析則大多僅關(guān)注于栽培模式的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[17- 18]。因此，從生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)角度對(duì)無(wú)公害設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)出效率與可持續(xù)發(fā)展能力進(jìn)行定量分析是一個(gè)重要的研究課題。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)生態(tài)學(xué)家H.T. Odum提出能值理論及其方法，該方法以太陽(yáng)能值(Solar Emergy)作為統(tǒng)一度量單位，克服了不同能質(zhì)之間無(wú)法簡(jiǎn)單比較和計(jì)算的問(wèn)題，并將自然環(huán)境資源、社會(huì)經(jīng)濟(jì)資源、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)納入評(píng)價(jià)范圍，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)科學(xué)而全面的分析。當(dāng)前，能值分析在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用[19- 25]，但對(duì)于蔬菜生態(tài)系統(tǒng)，有關(guān)研究尚少。因此，本文以河北省景縣津龍公司兩種主要的無(wú)公害設(shè)施蔬菜栽培模式為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析比較了該系統(tǒng)與一般蔬菜生產(chǎn)模式的系統(tǒng)效率和可持續(xù)性，找出影響其生態(tài)表現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上模擬和討論其改進(jìn)措施，為無(wú)公害設(shè)施蔬菜生產(chǎn)模式的進(jìn)一步發(fā)展和推廣提供理論依據(jù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本文以河北省景縣津龍公司(37°58′N(xiāo), 115°99′E)無(wú)公害設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對(duì)象。該地區(qū)年太陽(yáng)輻射5.06×109J/m2，平均氣溫12.5 ℃，年平均降雨量554 mm。在該生產(chǎn)系統(tǒng)中選取了具有代表性的“茄子(SolanummelongenaL)-菠菜(SpinaciaoleraceaL)”(模式一)和“黃瓜(CucumissativusL)-茄子(SolanummelongenaL)”(模式二)兩種無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)模式進(jìn)行研究，其中，茄子和黃瓜的育苗階段不在考慮范圍。模式一中茄子于3月下旬定植，10月中旬拔秧，10月末種植菠菜，至下一年3月下旬收獲。模式二中黃瓜于4月初定植，6月末拔秧，7月初定植茄子，11月中旬拔秧，冬季休閑。蔬菜大棚面積為800 m2,采用8m寬提高型鋼架大棚，一年兩茬作物，不噴施農(nóng)藥。由于該公司同時(shí)具有規(guī)模化養(yǎng)殖業(yè)和大型沼氣工程，故蔬菜生產(chǎn)中的肥料主要由公司內(nèi)部的畜禽糞便和沼液提供。此外，本文選取了該地區(qū)普通農(nóng)戶(hù)大棚“茄子-豇豆(VignaunguiculataL)-辣椒(Capsicumannuum)”栽培模式(模式三)作為對(duì)照，與該無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的產(chǎn)出效率和可持續(xù)性進(jìn)行比較分析。

1.2 研究方法

根據(jù)Odum所設(shè)計(jì)的能量語(yǔ)言[26]，本文繪制了設(shè)施蔬菜系統(tǒng)的能流圖，從總體上反映該系統(tǒng)的能量投入產(chǎn)出過(guò)程(圖1)。根據(jù)投入系統(tǒng)的能量來(lái)源，可將其劃分為本地資源(L)和購(gòu)買(mǎi)性資源(P)。由于某些資源在形成過(guò)程中既有可更新資源的投入，又有不可更新資源的投入，而且投入資源的來(lái)源不同，可更新價(jià)值往往有所差異[22]，因此，本文參考國(guó)際相關(guān)研究進(jìn)展，在能值核算過(guò)程中引入可更新比例系數(shù)(partial renewability)，將系統(tǒng)投入資源劃分為可更新和不可更新部分，從而提高系統(tǒng)評(píng)價(jià)的科學(xué)性，其中可更新比例系數(shù)來(lái)自參考文獻(xiàn)[22,25,27]。此外，本文主要采用了7個(gè)能值評(píng)價(jià)指標(biāo)(表1)來(lái)分析不同蔬菜生產(chǎn)模式的系統(tǒng)產(chǎn)出效率和可持續(xù)發(fā)展能力及其生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)于能值方法的理論基礎(chǔ)、分析步驟及指標(biāo)的進(jìn)一步解釋可參見(jiàn)文獻(xiàn)[26,28- 29]。

圖1 設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)能流圖Fig.1 Energy flow diagram of the facilities vegetable production system

表1 能值指標(biāo)描述及其表達(dá)式Table 1 Expression and description of emergy indices

E: 系統(tǒng)產(chǎn)品的能量產(chǎn)出; EMR (Emergy-money ratio)：能值-貨幣比率；C: 化肥和農(nóng)藥能值總量; Y: 總能值投入; R: 本地可更新能值投入；N: 本地不可更新能值投入；P: 購(gòu)買(mǎi)性能值投入；PR: 購(gòu)買(mǎi)能值的可更新部分；PN: 購(gòu)買(mǎi)資源不可更新部分

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中，無(wú)公害設(shè)施蔬菜系統(tǒng)的所有原始數(shù)據(jù)都來(lái)自2012年對(duì)景縣津龍公司的實(shí)地調(diào)研。對(duì)照模式三的原始數(shù)據(jù)來(lái)自該地區(qū)附近農(nóng)戶(hù)的調(diào)研。以一個(gè)完整的生產(chǎn)年度為界限, 對(duì)兩種蔬菜生產(chǎn)模式的各種投入、產(chǎn)出數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄。自然資源數(shù)據(jù)來(lái)自“中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do. Accessed on 05/28/2012)”。研究中涉及到的建筑和機(jī)械都根據(jù)其預(yù)計(jì)使用年限折算為每年的能量投入。相關(guān)的能量折算系數(shù)參考自陳阜編著的《農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)》[30]，原始數(shù)據(jù)的計(jì)算方法來(lái)自文獻(xiàn)[26]。本文中的太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率皆來(lái)自之前的相關(guān)研究[22,31- 33]，并采用了新的能值基準(zhǔn)15.83×1024sej/a。人民幣與美元的換算采用2012年匯率6.22。

此外，需要特別指出的是，考慮到該公司無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)過(guò)程中，沼液作為其主要肥料來(lái)源，全部來(lái)自于公司內(nèi)部的大型沼氣工程，因此，為了計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，我們根據(jù)能值評(píng)價(jià)原則，首先詳細(xì)計(jì)算了該公司沼氣工程所產(chǎn)沼液的太陽(yáng)能值轉(zhuǎn)換率為1.80×107sej/J，以此來(lái)計(jì)算蔬菜生產(chǎn)所投入沼液的能值。

2 結(jié)果分析

2.1 能值投入結(jié)構(gòu)分析

如表2所示，模式一與模式二的總能值投入分別為4.97×1016sej和4.12×1016sej。其中，本地資源分別占到兩種模式總能值投入的25.08%和27.95%，購(gòu)買(mǎi)性資源分別占到74.92%和72.05%。從資源類(lèi)別上看，模式一中可更新和不可更新資源能值投入分別為2.80×1016sej和2.17×1016sej，占其總能值投入的56.38%和43.62%；模式二中可更新與不可更新資源能值投入分別為2.10×1016sej和2.02×1016sej,占其總能值投入的51.06%和48.94%。。由此可見(jiàn)，該無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)兩種模式的運(yùn)轉(zhuǎn)主要靠可更新資源驅(qū)動(dòng)，而本地資源在其中也發(fā)揮中重要作用。

表2 設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)能值分析表(666.7m2)Table 2 Emergy analysis table of the facilities vegetable production system (666.7m2)

(1) 在能值評(píng)價(jià)中，雨水和風(fēng)等自然資源被看作是太陽(yáng)輻射的副產(chǎn)品，為了避免重復(fù)計(jì)算，僅計(jì)算其數(shù)值最大的一項(xiàng); (2) 能值轉(zhuǎn)換率來(lái)源于文獻(xiàn)[22,31- 34]

模式三的總能值投入為5.69×1016sej，比模式一與模式二分別高出14.49%和38.11%。其中，購(gòu)入性資源占到能值投入總量的99.99%，不可更新資源占到71.02%?？梢?jiàn)，一般蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)能值的需求要遠(yuǎn)大于無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)模式，并且表現(xiàn)出對(duì)購(gòu)買(mǎi)性資源和不可更新資源較強(qiáng)的依賴(lài)程度。

如圖2所示，在無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)所利用的本地資源中，沼液投入分別占模式一和模式二全部能值投入的20%和23%，是本地資源中最大的單項(xiàng)能值投入，說(shuō)明該系統(tǒng)較好地利用了公司內(nèi)部充足的有機(jī)肥資源，這也是該公司生產(chǎn)無(wú)公害蔬菜的主要投入特點(diǎn)之一。而作為不可更新自然資源的地下水投入分別在兩種模式總能值投入中都占5%，僅次于沼液投入。此外，糞便在該系統(tǒng)中作為每茬作物底肥投入，在兩種模式總能值投入中所占比例都小于1%。以太陽(yáng)能為主要表現(xiàn)形式的可更新自然資源投入在兩種模式中所占比例也同樣小于1%，反映出設(shè)施農(nóng)業(yè)相比于大田生產(chǎn)，更多的依靠社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)較高級(jí)的反饋能來(lái)驅(qū)動(dòng)。

在購(gòu)買(mǎi)性資源中(圖2)，人力投入分別占到模式一與模式二總能值投入的42%和34%，是該蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)中能值投入最大的部分，這充分的反映出，相比于大田作物種植，設(shè)施蔬菜生產(chǎn)有更多的農(nóng)藝工作需要由人工完成，這也是系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的主要驅(qū)動(dòng)力。大棚建設(shè)費(fèi)和棚膜維護(hù)的能值投入共占模式一能值投入的21%，模式二能值投入的25%，是最主要的不可更新資源投入，這也是設(shè)施農(nóng)業(yè)所特有的投入項(xiàng)目。電力投入分別占到兩種模式總能值投入的11%和12%，主要用于抽取地下水進(jìn)行大棚灌溉。此外，機(jī)械投入在兩種模式中皆占1%，柴油、鉀肥和種子投入所占比例均不足1%。

圖2 兩種無(wú)公害設(shè)施蔬菜系統(tǒng)資源投入結(jié)構(gòu)Fig.2 Resource input structure of the two modes of the pollution-free vegetable production systems

2.2 能值指標(biāo)分析

(1) 能值轉(zhuǎn)換率(UEV)

能值轉(zhuǎn)換率是評(píng)價(jià)系統(tǒng)某種產(chǎn)品的能值利用效率的有效手段。產(chǎn)品的能值轉(zhuǎn)換率越高，則其能值利用效率越低。采用Bastianoni和Marchettini[35]的計(jì)算方法，得到模式一與模式二的系統(tǒng)產(chǎn)出能值轉(zhuǎn)換率分別為1.76×106sej/J和2.83×106sej/J(表3)，比模式三(3.03×106sej/J)分別低41.9%和6.6%，說(shuō)明該無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的能值利用效率較高于一般蔬菜生產(chǎn)。這是因?yàn)橐话闶卟松a(chǎn)模式需要投入大量的化肥、農(nóng)藥等資源，提高了系統(tǒng)的總能值投入；同時(shí)，由于模式三中蔬菜產(chǎn)量水平低于該無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)模式，造成其能值利用效率較低。此外，相比于大田玉米(3.28×104sej/J)[36]能值轉(zhuǎn)換率，該無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的能值轉(zhuǎn)換率較高，說(shuō)明其系統(tǒng)能值利用效率較低。這主要是因?yàn)樵O(shè)施蔬菜相比于大田作物生產(chǎn)，大棚建設(shè)維護(hù)和大量水肥投入導(dǎo)致其能值投入總量增加顯著，因而降低其能值利用效率。就該設(shè)施蔬菜系統(tǒng)的兩種生產(chǎn)模式而言，模式一的能值利用效率要比模式二高38.0%，這是因?yàn)槟Ｊ揭恢星炎佑休^長(zhǎng)的生育期，保證了其產(chǎn)量。同時(shí)，引入越冬菠菜，較好的填補(bǔ)了冬季大棚種植的空白，提高了其能值利用效率。

(2) 可更新比例(ΦR)

可更新比例(ΦR)作為分析系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)力來(lái)源的一種方法，其值越高，說(shuō)明系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)和維持更多的依賴(lài)可更新資源的投入，也從一個(gè)側(cè)面反應(yīng)出系統(tǒng)具有較好的可持續(xù)發(fā)展能力。如表3所示，模式一和模式二的ΦR值分別為56.4%和51.1%，比模式三(28.9%)分別高出27.5%和22.2%?？梢?jiàn)，該無(wú)公害蔬菜系統(tǒng)更多的依賴(lài)可更新資源投入，其原因是沼液、糞便投入增加而化肥、農(nóng)藥等投入降低，提高了系統(tǒng)總能值投入中的可更新比例，這也是該公司無(wú)公害生產(chǎn)方式與一般蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的主要不同點(diǎn)。

(3) 凈能值產(chǎn)出率(EYR)

凈能值產(chǎn)出率是評(píng)價(jià)系統(tǒng)能量產(chǎn)出和本地資源開(kāi)發(fā)的一個(gè)有效指標(biāo)，其最小值為1，表示系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)完全依賴(lài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)反饋能來(lái)驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有利用任何本地資源，也不能對(duì)系統(tǒng)外部經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)做出有效貢獻(xiàn)。在本研究中，無(wú)公害蔬菜系統(tǒng)兩種生產(chǎn)模式的EYR值分別為1.33和1.39，表明其較好的利用了沼液、糞便等本地資源，通過(guò)這些農(nóng)業(yè)廢棄物的合理利用，將其轉(zhuǎn)化為有效能產(chǎn)出，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。該值比模式三的EYR值(1.00)分別高出33.0%和39.0%，可見(jiàn)，模式三中的蔬菜生產(chǎn)幾乎完全依賴(lài)于購(gòu)買(mǎi)性資源，這也是一般設(shè)施蔬菜生產(chǎn)高投入的特點(diǎn)。同時(shí)，相比于公主嶺玉米生產(chǎn)(1.54)[36]，該系統(tǒng)的EYR值略低，這是因?yàn)榇筇锷a(chǎn)能利用除太陽(yáng)能以外的降雨能量、表土層損耗能等自然資源，對(duì)本地資源的利用程度較高。

(4) 環(huán)境負(fù)載率(ELR)

環(huán)境負(fù)載率是用來(lái)衡量系統(tǒng)中能量流動(dòng)過(guò)程對(duì)外部環(huán)境所造成的壓力。通常情況下，ELR值小于2表示該系統(tǒng)對(duì)周?chē)h(huán)境造成了較小的壓力[27]。在本研究中，模式一與模式二的ELR值分別為0.77和0.96，說(shuō)明該無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)所造成的環(huán)境負(fù)載較低。模式三的ELR值(2.45)分別是模式一與模式二的3.18倍和2.55倍，而公主嶺玉米生產(chǎn)(10.62)[36]所造成的環(huán)境負(fù)載率則分別是其13.8倍和11.1倍。這充分說(shuō)明，由于化肥、農(nóng)藥等物質(zhì)投入的降低，無(wú)公害產(chǎn)品的環(huán)境友好程度相比與一般蔬菜和大田糧食生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)明顯。

(5) 可持續(xù)性指標(biāo)(ESI)

可持續(xù)性指標(biāo)是反映系統(tǒng)可持續(xù)性的綜合指標(biāo)[28]。Brown和Ulgiati通過(guò)一些實(shí)例證明，ESI值在1到10之間時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的活力和發(fā)展?jié)摿Γ渲翟礁?，系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)性越好[37]。本文中，該系統(tǒng)模式一與模式二的ESI值分別為1.72和1.45，是模式三(0.41)的4.20倍和3.54倍，是公主嶺玉米生產(chǎn)(0.15)[36]的11.5倍和9.7倍。反映出該系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力較好。

(6) 基于能值的產(chǎn)品安全性指標(biāo)(PSI)

PSI值定義為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)施用化肥、農(nóng)藥的能值和經(jīng)濟(jì)的反饋能值之比的負(fù)值，負(fù)值越大則說(shuō)明產(chǎn)品的安全性越差，當(dāng)該值等于0時(shí)，說(shuō)明產(chǎn)品最安全，該值等于-1時(shí)產(chǎn)品最不安全[29]。如表3所示，該系統(tǒng)中模式一與模式二的PSI值分別為-0.05%和-0.06%，比模式三(-3.04%)分別高98.4%和98.0%?？梢?jiàn)，無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)模式的產(chǎn)品安全性要遠(yuǎn)高于一般蔬菜生產(chǎn)。

(7) 能值-貨幣價(jià)值(EmRMB)

能值-貨幣價(jià)值是系統(tǒng)產(chǎn)品所包含的能值在市場(chǎng)中的貨幣表現(xiàn)形式。本研究中，模式一和模式二的能值-貨幣價(jià)值分別達(dá)到25500元和21200元，均遠(yuǎn)高于公主嶺玉米生產(chǎn)系統(tǒng)(430元)[36]，說(shuō)明該無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)模式具有較高的宏觀經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)能力，比大田糧食作物有較高的生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但該值均低于模式三中一般蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)(29200元)，說(shuō)明一般蔬菜生產(chǎn)所投入的能值價(jià)值要高于無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)。

表3 系統(tǒng)能值評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 3 Emergy indictors of the facilities vegetable production system

a: 在同一基準(zhǔn)下比較，該值為原始值乘以1.68得到；b: “-”表示該指標(biāo)在相應(yīng)參考文獻(xiàn)中沒(méi)有涉及；c: 該ESI值為本文根據(jù)其EYR和ELR值計(jì)算得到；d: 折算成每畝數(shù)值；UEV: 能值轉(zhuǎn)換率Unit Emergy Value; ΦR: 可更新比例Renewability; EYR: 能值產(chǎn)出率Emergy Yield Ratio; ELR: 環(huán)境負(fù)載率Environmental Loading Ratio; ESI: 可持續(xù)性指數(shù)Emergy Sustainability index; PSI: 基于能值的產(chǎn)品安全性指標(biāo)Product Safety Index Based-Emergy; EmRMB: 能值-貨幣價(jià)值Emdollar Value

2.3 系統(tǒng)情景模擬與優(yōu)化

盡管該無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)兩種模式的生態(tài)表現(xiàn)都較好，但仍有改善和優(yōu)化的空間。本文根據(jù)其能值投入結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，從影響系統(tǒng)生態(tài)表現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)入手，模擬了該系統(tǒng)兩種模式在不同技術(shù)改善的情境下關(guān)鍵指標(biāo)的表現(xiàn)(表4)。如果采用“集雨技術(shù)”可使模式一與模式二的能值轉(zhuǎn)換率分別達(dá)到1.70×106sej/J和2.72×106sej/J，可持續(xù)性指數(shù)分別達(dá)到1.74和1.44。模式一與模式二的能值利用效率分別提高3.4%和3.9%，模式一可持續(xù)性提高1.2%。采用“電力替代”措施后，模式一與模式二在能值利用效率不變的情況下，可持續(xù)性指標(biāo)分別達(dá)到2.19和1.91，相比于當(dāng)前水平分別提高27.3%和31.7%。如果降低該系統(tǒng)人力投入20%，模式一與模式二的產(chǎn)品能值轉(zhuǎn)換率將分別達(dá)到1.61×106sej/J和2.63×106sej/J，能值利用效率效率分別提高8.5%和7.1%，且系統(tǒng)的可持續(xù)性仍然保持在一個(gè)較高的水平。綜合實(shí)施以上3種改進(jìn)措施，則該系統(tǒng)模式一和模式二的產(chǎn)品能值轉(zhuǎn)換率分別達(dá)到1.57×106sej/J和2.56×106sej/J，可持續(xù)性指標(biāo)分別達(dá)到1.92和1.66。相比于現(xiàn)有的能值評(píng)價(jià)結(jié)果，模式一與模式二的能值利用效率分別提高10.8%和9.5%，而系統(tǒng)發(fā)展的可持續(xù)性分別提高11.6%和14.5%?？梢?jiàn)，目前該系統(tǒng)兩種蔬菜生產(chǎn)模式的系統(tǒng)產(chǎn)出效率和可持續(xù)性都具有較大的提升空間，而這些改進(jìn)措施的采用會(huì)有效改善系統(tǒng)的生態(tài)表現(xiàn)。

表4 情景描述和模擬結(jié)果Table 4 Scenarios description and simulation results

a： 按照666.7m2大棚面積對(duì)應(yīng)666.7m2降雨(2012年全年降雨量723 mm)來(lái)計(jì)算，每666.7m2蔬菜全年節(jié)省地下水約482 m3，進(jìn)而節(jié)省電力379 kWh; b： 該公司內(nèi)部的大型沼氣工程兼具產(chǎn)氣和發(fā)電功能，由于電力負(fù)載不足，沼氣產(chǎn)生的大量電力沒(méi)有得到很好的利用，導(dǎo)致能源浪費(fèi);如果采用合理的措施利用沼氣發(fā)電來(lái)提供抽取地下水所需的動(dòng)力，將節(jié)省大量能源;按照實(shí)地調(diào)研估計(jì)，該公司的沼氣工程目前的發(fā)電能力能夠滿(mǎn)足設(shè)施蔬菜的全部需電量; c: 該系統(tǒng)能值投入結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果表明，人力投入是整個(gè)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)中所占比例最大的部分，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)出效率和可持續(xù)性影響最大;但在實(shí)地調(diào)研的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，目前該設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的人力資源配置尚沒(méi)有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，在生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中存在著勞動(dòng)力積極性不高，分工重復(fù)等問(wèn)題;鑒于企業(yè)化管理的優(yōu)勢(shì)，明確勞動(dòng)力分工，實(shí)行大棚承包制，將會(huì)有效提高工人積極性，提高勞動(dòng)效率;本文按照現(xiàn)有的生產(chǎn)條件下，采用有效的人員管理方式，降低人力投入20%的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)模擬計(jì)算

3 討論

3.1 系統(tǒng)投入資源的能值轉(zhuǎn)換率

能值轉(zhuǎn)換率是能值分析理論及方法中的重要參數(shù)，在進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)時(shí)，一定要根據(jù)研究對(duì)象所在的自然社會(huì)背景，選擇合適的能值轉(zhuǎn)換率進(jìn)行計(jì)算，以減少結(jié)果誤差。特別是當(dāng)某種物質(zhì)或能量在系統(tǒng)投入中所占比例較大，對(duì)系統(tǒng)的影響較為明顯時(shí)，則更需要對(duì)能值轉(zhuǎn)換率進(jìn)行慎重選取。

在本研究中，沼液作為主要的肥料投入方式，對(duì)該設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的養(yǎng)分水平起到關(guān)鍵影響?？紤]到沼液全部來(lái)源于該公司內(nèi)部的大型沼氣工程，因此在進(jìn)行系統(tǒng)能值評(píng)價(jià)之前，先對(duì)其產(chǎn)出沼液的能值轉(zhuǎn)換率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為1.80×107sej/J. 顯然，這一結(jié)果高于文獻(xiàn)[37]中所采用的沼液或有機(jī)肥能值轉(zhuǎn)換率(4.54×106sej/J)，因?yàn)閬?lái)源于我國(guó)大型沼氣工程和國(guó)外農(nóng)村戶(hù)用型沼氣池的沼液，其系統(tǒng)投入和運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程不同，因而其能值轉(zhuǎn)換率會(huì)有一定程度的差異。所以，采用本研究中計(jì)算得到的沼液能值轉(zhuǎn)換率作為計(jì)算參數(shù)，極大的提高了該無(wú)公害設(shè)施蔬菜系統(tǒng)能值評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。這也是今后研究人員在能值分析中要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。只有選取合適的參數(shù)，才能保證評(píng)價(jià)結(jié)果的相對(duì)準(zhǔn)確性，為所研究對(duì)象提供科學(xué)合理的建議。

此外，能值轉(zhuǎn)換率也常常在能值分析中作為一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)反映系統(tǒng)產(chǎn)出的能值利用效率。但是，只有在比較具有的同樣產(chǎn)品的系統(tǒng)時(shí)，較低的能值轉(zhuǎn)換率才能被視為系統(tǒng)能值利用效率較高的指標(biāo)[25]。因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)產(chǎn)品不同時(shí)，能值轉(zhuǎn)換率的不同，往往來(lái)源于多種因素，而通過(guò)能值轉(zhuǎn)換率反映出的系統(tǒng)效率通常只能是產(chǎn)品數(shù)量上的差別。如在本文中，盡管3種模式的系統(tǒng)產(chǎn)出皆為蔬菜，利用能值轉(zhuǎn)換率指標(biāo)可以在一定程度上反應(yīng)蔬菜系統(tǒng)產(chǎn)出效率，但由于蔬菜種類(lèi)、品種和品質(zhì)不同而造成的產(chǎn)量差異，則并不是不同蔬菜生產(chǎn)模式之間本質(zhì)上的不同，不能簡(jiǎn)單的用能值轉(zhuǎn)換率指標(biāo)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)效率的評(píng)價(jià)。同時(shí)，利用能值轉(zhuǎn)換率作為效率指標(biāo)，也僅能反映出系統(tǒng)能值總投入與總產(chǎn)出的關(guān)系，而不能反映出資源類(lèi)別上的代替性選擇[25]。事實(shí)上，系統(tǒng)產(chǎn)出的高效不但表現(xiàn)在其能值轉(zhuǎn)換效率上，更表現(xiàn)在對(duì)可更新資源的利用程度上。

3.2 無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)的可持續(xù)性問(wèn)題

蔬菜生產(chǎn)是勞動(dòng)密集型的精細(xì)生產(chǎn), 我國(guó)蔬菜及其制品的生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于國(guó)際水平, 在國(guó)際貿(mào)易中具有較強(qiáng)的價(jià)格和成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[7]，是我國(guó)加入WTO后最有潛力參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要農(nóng)產(chǎn)品之一[39]。近些年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外消費(fèi)者需求的變化和食品安全問(wèn)題的頻發(fā)，蔬菜質(zhì)量安全已經(jīng)成為影響我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素之一，它不僅關(guān)系著人民群眾的飲食健康，同時(shí)也直接影響著我國(guó)農(nóng)民的收入和我國(guó)農(nóng)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。因此，我國(guó)蔬菜生產(chǎn)已經(jīng)處于由單純追求數(shù)量和種類(lèi)增長(zhǎng)向追求蔬菜質(zhì)量和品質(zhì)提升轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期。

無(wú)公害蔬菜是我國(guó)大力推廣的蔬菜生產(chǎn)模式，它在滿(mǎn)足蔬菜安全的基礎(chǔ)上，減少了由于過(guò)量使用化肥、農(nóng)藥等物質(zhì)而導(dǎo)致的環(huán)境污染，同時(shí)間接降低了設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)全生命周期的能耗水平。所以，提高無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)的系統(tǒng)產(chǎn)出效率和可持續(xù)發(fā)展水平，是我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展并不斷提高競(jìng)爭(zhēng)力的重要基礎(chǔ)。

在本研究中，無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的能值利用效率、凈能值產(chǎn)出率、食品安全性和可持續(xù)發(fā)展能力分別比一般蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)平均提高24.3%、36.0%、98.2%和3.87倍，環(huán)境負(fù)載率平均下降64.7%?？梢?jiàn)，無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)模式相比于一般蔬菜的生產(chǎn)，有較高的系統(tǒng)產(chǎn)出效率和可持續(xù)發(fā)展能力，具有良好的發(fā)展前景。該無(wú)公害設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)之所以表現(xiàn)出較出明顯的優(yōu)勢(shì)，一方面，是因?yàn)橐哉右簽橹鞯姆柿侠梅绞綄?duì)蔬菜生產(chǎn)有多方面的積極影響。目前已有大量研究表明，沼液施用可穩(wěn)產(chǎn)或提高蔬菜產(chǎn)量[40]，改善蔬菜品質(zhì)[40]，顯著降低蔬菜中的硝酸鹽積累[40- 41]，降低土壤中硝態(tài)氮的濃度[40,42]，抑制多種蔬菜病原菌[42- 43]。因此，以沼液為蔬菜栽培種主要的養(yǎng)分管理方式，能夠明顯地提高系統(tǒng)的能值利用效率和食品安全性。

另一方面，由于本研究中的無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)屬于景縣津龍公司“種-養(yǎng)-沼-電”循環(huán)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈上的一環(huán)，因此該公司規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)和大型沼氣工程為無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)提供了充足的本地有機(jī)肥資源，這不但減少了該公司農(nóng)業(yè)廢棄物的排放，而且實(shí)現(xiàn)了本地資源的高效利用，增強(qiáng)了系統(tǒng)的自組織能力。由于無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)的主要特點(diǎn)在于通過(guò)大量有機(jī)肥施用和生物防治等辦法以減少化肥、農(nóng)藥投入，因此，如果能將無(wú)公害蔬菜的生產(chǎn)與養(yǎng)殖和沼氣發(fā)展相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)肥資源的自給自足，通過(guò)這種以沼氣為紐帶的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，能夠極大地降低無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)對(duì)周?chē)h(huán)境的壓力、增強(qiáng)其可持續(xù)發(fā)展能力。

3.3 生產(chǎn)無(wú)公害蔬菜的效益分析

蔬菜屬于經(jīng)濟(jì)作物，因此在關(guān)注其生態(tài)表現(xiàn)可持續(xù)性的同時(shí)，必須考慮到其經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)。本研究中，購(gòu)買(mǎi)性資源的顯著減少使無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)投入降低，通過(guò)計(jì)算可知，該無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的能值貨幣價(jià)值平均為23350元，比一般蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)(29200元)降低20.0%，可見(jiàn)其生態(tài)經(jīng)濟(jì)成本有所下降。而從系統(tǒng)產(chǎn)出來(lái)看，無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)能夠保證蔬菜品質(zhì)和安全性，其市場(chǎng)價(jià)格通常高于一般蔬菜，而消費(fèi)者也愿意為其支付高于一般蔬菜的費(fèi)用[7]。如果能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)適度規(guī)?；闷髽I(yè)運(yùn)營(yíng)優(yōu)勢(shì)，保障銷(xiāo)路，提高品牌認(rèn)知度，這將極大地提高無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)收益和競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)論

本研究基于能值分析方法對(duì)無(wú)公害設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)與一般蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行比較。其結(jié)果表明，無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)產(chǎn)出效率和可持續(xù)發(fā)展能力。通過(guò)對(duì)影響其生態(tài)表現(xiàn)的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，我們發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)兩種蔬菜生產(chǎn)模式的發(fā)展水平仍有一定程度的提升空間。

此外，該研究結(jié)果也表明，將無(wú)公害蔬菜納入我國(guó)循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展框架中，實(shí)現(xiàn)適度的產(chǎn)業(yè)結(jié)合與規(guī)模化經(jīng)營(yíng)，能夠較好的提高無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)發(fā)展能力，推動(dòng)我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品安全性和蔬菜產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的進(jìn)一步提高。而能值分析方法則能夠較為全面和系統(tǒng)的對(duì)蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，從生態(tài)經(jīng)濟(jì)的角度為我國(guó)無(wú)公害蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展和布局提供決策基礎(chǔ)。

[1] 張志斌. 我國(guó)設(shè)施蔬菜存在的問(wèn)題及發(fā)展重點(diǎn). 中國(guó)蔬菜, 2008, (5): 1- 3.

[2] 農(nóng)業(yè)部種植業(yè)管理司. 全國(guó)蔬菜重點(diǎn)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃(2009- 2015年). 長(zhǎng)江蔬菜, 2009, (13): 1- 8.

[3] 曲文濤, 范思梁, 吳存瑞. 我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展存在的問(wèn)題及對(duì)策. 農(nóng)業(yè)科技與裝備, 2010, (6): 151- 152.

[4] 王小云. 大棚菠菜-番茄-芹菜一年三茬高效栽培模式. 西北園藝, 2010, (2): 20- 21.

[5] 張海芳, 李克華, 趙光華, 齊艷花. 大棚菠菜-馬鈴薯-番茄-西葫蘆高效栽培技術(shù). 中國(guó)蔬菜, 2010, (9): 49- 51.

[6] 陸新苗, 魏章煥, 顧中華. 大棚茄子-雜交晚稻高效栽培模式. 作物雜志, 2002, (4): 38- 39.

[7] 周潔紅. 消費(fèi)者對(duì)蔬菜安全的態(tài)度、認(rèn)知和購(gòu)買(mǎi)行為分析——基于浙江省城市和城鎮(zhèn)消費(fèi)者的調(diào)查統(tǒng)計(jì). 中國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì), 2004, (11): 44- 52.

[8] 鄭茂啟, 張萍, 汪賦菊, 劉愛(ài)華, 李群. 日光溫室蔬菜多層覆蓋與高效模式栽培技術(shù)研究. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2007, (1): 61- 62.

[9] 劉艷會(huì), 蘭焱, 齊長(zhǎng)紅, 張寶杰. 大棚菠菜—黃瓜—菜豆高效栽培模式. 蔬菜, 2012, (9): 21- 23.

[10] 陳志杰, 張淑蓮, 梁銀麗, 嚴(yán)勇敢, 徐福利, 杜社妮. 設(shè)施蔬菜病蟲(chóng)綠色防治技術(shù)初探. 西北植物學(xué)報(bào), 2003, 23(8): 1452- 1457.

[11] 吳建繁, 王運(yùn)華. 無(wú)公害蔬菜營(yíng)養(yǎng)與施肥研究進(jìn)展. 植物學(xué)通報(bào), 2000, 17(6): 492- 503.

[12] 郭文忠, 陳青云, 高麗紅, 曲梅, 徐新福. 設(shè)施蔬菜生產(chǎn)節(jié)水灌溉制度研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì). 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2005, 21(14): 24- 27.

[13] 唐詠, 梁成華, 劉志恒, 須湘成. 日光溫室蔬菜栽培對(duì)土壤微生物和酶活性的影響. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 1999, 30(1): 16- 19.

[14] 姜勇, 張玉革, 梁文舉. 溫室蔬菜栽培對(duì)土壤交換性鹽基離子組成的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2005, 19(6): 78- 81.

[15] 張志斌. 關(guān)于我國(guó)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的探討. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2000, 31(1): 15- 17.

[16] 馬蓉麗, 焦彥生, 趙美華. 山西設(shè)施蔬菜生產(chǎn)現(xiàn)狀及可持續(xù)發(fā)展對(duì)策. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué), 2004, 32(4): 41- 45.

[17] 郁樊敏. 上海郊區(qū)二種設(shè)施栽培蔬菜的經(jīng)濟(jì)效益分析. 中國(guó)蔬菜, 2004, (1): 43- 45.

[18] 姚月明, 陸長(zhǎng)嬰, 王海侯. 設(shè)施蔬菜不同種植模式的農(nóng)時(shí)利用及經(jīng)濟(jì)效益分析. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2011, 23(1): 38- 41.

[19] Cavalett O, Ortega E. Emergy, nutrients balance, and economic assessment of soybean production and industrialization in Brazil. Journal of Cleaner Production, 2009, 17(8): 762- 771.

[20] Giannetti B F, Ogura Y, Bonilla S H, Almeida C M V B. Emergy assessment of a coffee farm in Brazilian Cerrado considering in a broad form the environmental services, negative externalities and fair price. Agricultural Systems, 2011, 104(9): 679- 688.

[21] Jiang M M, Chen B, Zhou J B, Tao F R, Li Z, Yang Z F, Chen G Q. Emergy account for biomass resource exploitation by agriculture in China. Energy Policy, 2007, 35(9): 4704- 4719.

[22] 胡秋紅, 張力小, 王長(zhǎng)波. 兩種典型養(yǎng)雞模式的能值分析. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(23): 7227- 7234.

[23] 付偉, 蔣芳玲, 劉洪文, 吳震. 沛縣蔬菜生態(tài)系統(tǒng)能值分析. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2011, 19(4): 940- 946.

[24] Martin J F, Diemont S A W, Powell E, Stanton M, Levy-Tacher S. Emergy evaluation of the performance and sustainability of three agricultural systems with different scales and management. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2006, 115(1/4): 128- 140.

[25] Zhang L X, Ulgiati S, Yang Z F, Chen B. Emergy evaluation and economic analysis of three wetland fish farming systems in Nansi Lake area, China. Journal of Environmental Management, 2011, 92(3): 683- 694.

[26] Odum H T. Environmental Accounting: Emergy and Environmental Decision Making. New York: John Wiley and Sons, 1996.

[27] Cavalett O, Queiroz J F, Ortega E. Emergy assessment of integrated production systems of grains, pig and fish in small farms in the South Brazil. Ecological Modelling, 2006, 193(3/4): 205- 224.

[28] Brown M T, Ulgiati S. Emergy-based indices and ratios to evaluate sustainability: monitoring economies and technology toward environmentally sound innovation. Ecological and Engineering, 1997, 9(1/2): 51- 69.

[29] Xi Y G, Qin P. Emergy evaluation of organic rice-duck mutualism system. Ecological Engineering, 2009, 35(11): 1677- 1683.

[30] 陳阜. 農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)(第二版). 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2011.

[31] 藍(lán)盛芳, 欽佩, 陸宏芳. 生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)能值分析. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2002.

[32] Brandt-Williams S. Emergy of Florida Agriculture. Folio #4. Handbook of Emergy Evaluation. Center for Environmental Policy. Gainesville: University of Florida, USA, 2002.

[33] Hu S, Mo X G, Lin Z H, Qiu J X. Emergy assessment of a wheat-maize rotation system with different water assignments in the North China Plain. Environmental Management, 2010, 46(4): 643- 657.

[34] Wang X L, Chen Y Q, Sui P, Gao W S, Qin F, Wu X, Xiong J. Efficiency and sustainability analysis of biogas and electricity production from a large-scale biogas project in China: an emergy evaluation based on LCA. Journal of Cleaner Production, 2013, DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2013.09.001.

[35] Bastianoni S, Marchettini N. The problem of co-production in environmental accounting by emergy analysis. Ecological Modelling, 2000, 129(2/3): 187- 193.

[36] 張大瑜, 凌鳳樓, 張立馥, 楊世琦, 劉興土, 高旺盛. 東北平原糧食主產(chǎn)區(qū)公主嶺市種植業(yè)系統(tǒng)的能值分析. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2005, 21(6): 12- 17.

[37] Ulgiati S, Brown M T. Monitoring patterns of sustainability in natural and man-made ecosystems. Ecological Modelling, 1998, 108(1/3): 23- 36.

[38] 李渝, 蔣太明, 陶宇航. 豬-沼-糧、菜(果)循環(huán)農(nóng)業(yè)模式能值分析. 貴州農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 39(1): 148- 151.

[39] 劉光德，王正銀. 我國(guó)無(wú)公害蔬菜發(fā)展現(xiàn)狀及其對(duì)策. 長(zhǎng)江蔬菜, 2002, (6): 4- 7.

[40] 劉文科, 楊其長(zhǎng), 王順清. 沼液在蔬菜上的應(yīng)用及其土壤質(zhì)量效應(yīng). 中國(guó)沼氣, 2009, 27(1): 43- 46, 48- 48.

[41] 齊英, 陳慧民, 劉慧. 沼肥對(duì)減少蔬菜硝酸鹽積累的量化研究. 可再生能源, 2003, (5): 16- 17.

[42] 尚斌, 陳永杏, 陶秀萍, 董紅敏, 黃宏坤. 豬場(chǎng)沼液對(duì)蔬菜病原菌的抑制作用. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(9): 2509- 2515.

[43] 尚斌, 陶秀萍, 陳永杏, 董紅敏, 黃宏坤. 牛場(chǎng)沼液對(duì)幾種蔬菜病原菌抑制作用的研究. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 30(4): 753- 760.

Efficiency and sustainability evaluation of a pollution-free vegetable production system based on emergy analysis

WANG Xiaolong1, HAN Yu2, CHEN Yuanquan1, SUI Peng1, GAO Wangsheng1,*, WU Xia1, DU Chuanming3

1CollegeofAgronomyandBiotechnology,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100193,China2ShijiazhuangInformationEngineeringVocationalCollege,Shijiazhuang050035,China3HebeiJingCountyJinlongCompany,Hengshui053500,China

Substantial development is needed in the production of pollution-free vegetables to ensure the quality, safety, and competitiveness of vegetables in China. In contrast to customary vegetable production, pollution-free production uses organic fertilizers and biological pesticides instead of chemical fertilizers and chemical pesticides. This mode of production improves the safety of the vegetables and reduces environmental pollution, and the government is encouraging its use throughout China. Nevertheless, there is still considerable scope for research into efficient and sustainable vegetable production. Emergy evaluation is an effective tool in analyzing the efficiency and sustainability of an ecological system, which addresses the weakness of traditional energy analysis and expresses different forms of energy using a common physical basis, namely, solar emergy. It also has the advantage of taking into consideration aspects such as natural resources, labor, and ecosystem services that are generally left uncalculated by other evaluation methods. This paper evaluated the efficiency and sustainability of a pollution-free vegetable production system based on emergy analysis, and results were compared with those of a customary vegetable production system. At the same time, the renewability factor of each input item was introduced in this study to improve analysis of the types of energy input. The emergy input structure and energy-based indices such as emergy efficiency (UEV), renewability (ΦR), net emergy yield ratio (EYR), environmental loading rate (ELR), product safety index based-emergy (PSI), emergy sustainability index (ESI), and emergy-based monetary value (EmRMB) were analyzed to estimate the efficiency and sustainability of the pollution-free vegetable system, and to determine the key points affecting the ecological performance of the system. The results showed that the total energy input of the two modes of the pollution-free vegetables production system were 4.97×1016sej/year and 4.12×1016sej/year, respectively. Compared with the customary vegetable production system, the UEV, EYR, ΦR, EPSI, and ESI values of the pollution-free vegetable production system rose on average by 24.3%, 24.9%, 36.0%, 98.2%, and 387.0%, respectively; and on average the ELR value declined by 64.7% and the EmRMB by 20.0%. At the same time, we found that that labor input and irrigation were the core factors that affected the efficiency and sustainability of the system. The scenario analysis revealed that the emergy efficiency and sustainability of the current pollution-free vegetable production system could be improved by 3.4%—10.8% and by 1.2%—31.7%, respectively, by creating an efficient system capable of adjusting to changes such as collection of rainfall to irrigate vegetables in a greenhouse, usage of electricity from a biogas project to irrigate, and reducing the labor input by applying standardized management. From an economic point of view, the reduction in purchased inputs and the higher price of pollution-free vegetables can be beneficial to the farmer. Moreover, the study demonstrates that the introduction of pollution-free vegetable production into recycling agriculture and the usage of biogas slurry as the main fertilizer have positive economic and ecological effects. Consequently, there is a considerable prospect for the development of pollution-free vegetables in China. The results also indicated that emergy evaluation is an effective method to analyze the vegetable ecological system and could provide a useful tool in the development of pollution-free vegetable production in China.

pollution-free vegetables production; sustainability; efficiency; emergy evaluation

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD14B03)

2013- 06- 04;

日期:2014- 05- 08

10.5846/stxb201306041318

*通訊作者Corresponding author.E-mail: wshgao@sohu.com

王小龍，韓玉，陳源泉，隋鵬，高旺盛，吳霞，杜傳民.基于能值分析的無(wú)公害設(shè)施蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)效率和可持續(xù)性評(píng)價(jià).生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(7):2136- 2145.

Wang X L, Han Y, Chen Y Q, Sui P, Gao W S, Wu X, Du C M.Efficiency and sustainability evaluation of a pollution-free vegetable production system based on emergy analysis.Acta Ecologica Sinica,2015,35(7):2136- 2145.