夏聯(lián)海 姬亞嵐

摘要：用系統(tǒng)動力學(xué)方法構(gòu)建復(fù)式模型，并基于浙江杭州有機葡萄農(nóng)莊和常規(guī)葡萄農(nóng)莊實際調(diào)查數(shù)據(jù)進行仿真模擬，在此基礎(chǔ)上對比分析其環(huán)境效應(yīng)差異及其長期變化趨勢。結(jié)果顯示，在相同產(chǎn)出水平下有機生產(chǎn)方式和常規(guī)生產(chǎn)方式下葡萄園環(huán)境效應(yīng)存在一定的差異，且這種差異有逐漸增大的趨勢。具體而言，葡萄有機生產(chǎn)在整個模擬期內(nèi)單位產(chǎn)值能源消耗和溫室氣體排放比常規(guī)生產(chǎn)方式分別低44.6%～52.8%、31.2%～42.8%；單位產(chǎn)值環(huán)境酸化效應(yīng)負荷和環(huán)境富營養(yǎng)化負荷在前期并沒有太大的差別，而后期有機生產(chǎn)方式表現(xiàn)出較小的影響。因此，從長遠來看，葡萄有機生產(chǎn)在緩解能源消耗、溫室效應(yīng)、酸化效應(yīng)及富營養(yǎng)化等環(huán)境壓力方面具有較大的潛力。

關(guān)鍵詞：葡萄園；有機生產(chǎn)方式；常規(guī)生產(chǎn)方式；環(huán)境效應(yīng)；系統(tǒng)動力學(xué)方法

中圖分類號：S663.104；S181.6 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0379-04

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對生態(tài)環(huán)境的影響越來越受到人們的關(guān)注。隨著以大量消耗能源為特征的美國式現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的推進，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對化石能源的依賴日益增強，使得其在保持高產(chǎn)出的同時加劇了全球范圍內(nèi)的環(huán)境污染、能源危機、食品安全危機等問題，農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性問題變得日益突出，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式成為當(dāng)務(wù)之急。有機農(nóng)業(yè)因其“低能耗、低污染”的特點被認為是較具潛力的替代方式。許多學(xué)者從不同的角度利用不同的方法比較有機生產(chǎn)方式和常規(guī)生產(chǎn)方式下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的影響，結(jié)果表明，與常規(guī)農(nóng)業(yè)相比，有機農(nóng)業(yè)具有明顯的環(huán)境效益，在節(jié)約化石能源、減少溫室氣體排放、降低環(huán)境酸化風(fēng)險和富營養(yǎng)化風(fēng)險、增加土地的美學(xué)價值及保護生物多樣性等方面具有明顯的優(yōu)勢[1-5]。然而，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動表現(xiàn)出的環(huán)境效應(yīng)是地理環(huán)境條件、能源投入結(jié)構(gòu)、產(chǎn)量及市場條件等其他影響因素共同作用的結(jié)果，對不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式所引起的環(huán)境效應(yīng)差異的長期表現(xiàn)進行分析較困難。系統(tǒng)動力學(xué)（system dynamic，SD）是一種研究復(fù)雜系統(tǒng)因果反饋結(jié)構(gòu)與行為的系統(tǒng)科學(xué)方法，適合解決系統(tǒng)性、非線性、長期性及動態(tài)性的復(fù)雜問題，已被廣泛用于生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、社會學(xué)等各個領(lǐng)域[6]。而系統(tǒng)動力學(xué)在農(nóng)業(yè)中的運用多為國家層面和地區(qū)層面的研究，而基于經(jīng)營主體層面的研究并不多且主要是對循環(huán)農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)組織模式、規(guī)模化生產(chǎn)等考察上。例如，姬亞嵐等運用系統(tǒng)動力學(xué)方法比較3種不同組織模式下休閑農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益長期變化[7]；盧花等構(gòu)建比較傳統(tǒng)散戶種植模式和規(guī)模化種植模式下獼猴桃果園的生態(tài)碳匯能力[8]；甘筱青等分別構(gòu)建了生豬、蛋雞供應(yīng)鏈SD模型仿真未來10年內(nèi)2種不同養(yǎng)殖模式下的經(jīng)濟和食品安全狀況[9-10]。而系統(tǒng)動力學(xué)方法運用于不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的環(huán)境影響差異的研究還不多見。為了考察在相同的產(chǎn)出水平下有機生產(chǎn)方式和常規(guī)生產(chǎn)方式環(huán)境效應(yīng)差異及長期表現(xiàn)，本研究構(gòu)建了系統(tǒng)動力學(xué)模型，以浙江杭州地區(qū)有機種植和常規(guī)種植葡萄園農(nóng)莊為例進行仿真模擬，并在此基礎(chǔ)上探究符合當(dāng)前發(fā)展要求的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。

1 葡萄園系統(tǒng)動力學(xué)模型構(gòu)建

1.1 基本思路

從系統(tǒng)動力學(xué)的角度看，系統(tǒng)的動態(tài)行為表現(xiàn)取決于內(nèi)部各變量或組織依據(jù)自身的邏輯相互聯(lián)系、相互影響[6]。葡萄經(jīng)營主體的目的是獲得一定的經(jīng)濟效益，須經(jīng)過投入環(huán)節(jié)和銷售環(huán)節(jié)來實現(xiàn)，與此同時產(chǎn)生的污染物會對環(huán)境造成一定的影響。因此，根據(jù)研究目的，模型主要分為投入、生產(chǎn)與銷售、收益、環(huán)境及指標5個模塊。這幾個模塊相互促進、相互制約分別表現(xiàn)為正向反饋和負向反饋：收益模塊分別受生產(chǎn)和銷售模塊、投入模塊的正反饋和負反饋作用；環(huán)境模塊則是這2個模塊同時正向反饋作用；而指標模塊是生產(chǎn)與銷售模塊和環(huán)境模塊負反饋和正反饋相互作用的結(jié)果。各個模塊的相互關(guān)系如圖1所示。根據(jù)這5個模塊的反饋關(guān)系構(gòu)建系統(tǒng)動力學(xué)模型，共6個狀態(tài)變量、10個速率變量和56個輔助變量（具體系統(tǒng)流程圖見圖2）。

1.2 結(jié)構(gòu)介紹

1.2.1 投入模塊

投入模塊是整個動力學(xué)模型的輸入模塊，主要變量有2個狀態(tài)變量（種植面積、固定資本）和1個輔助變量（投入成本）?？紤]到本研究的樣本在未來幾年仍有規(guī)模擴張的趨勢，因此假定種植面積的變化只有流進沒有流出，種植面積增量取決于當(dāng)前規(guī)模，同時受其潛在最大可用耕地面積的限制。固定資本由固定資本投資增量和固定資本折舊量決定，固定資本投資增量隨利潤的變化而變化。投入成本主要取決于固定資本折舊量、種植階段能源及其產(chǎn)品投入成本（肥料、農(nóng)藥、農(nóng)膜、燃油及電力等）、非能源要素投入成本（地租及勞動等）和廢棄物回收利用價值。

1.2.2 生產(chǎn)與銷售模塊 生產(chǎn)與銷售模塊以物質(zhì)流為主線貫穿農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、包裝、配送幾個環(huán)節(jié)，與物質(zhì)流相伴而生的是能耗和溫室氣體排放，主要包括總產(chǎn)量、包裝成本、配送成本、包裝能耗、配送能耗、包裝能耗溫室氣體排放和配送能耗溫室氣體排放6個主要變量。其中，最主要的總產(chǎn)量為流速變量，由技術(shù)和管理影響因子、產(chǎn)量及種植面積決定。另外，為了內(nèi)化配送平均距離不同而引起能源消耗及能耗引起的溫室氣體排放的差異，模型設(shè)定上對平均配送距離進行同一化處理。

1.2.3 收益模塊 收益模塊主要是總利潤、銷售總收入和總成本構(gòu)成。其中，總利潤為狀態(tài)變量，是銷售總收入與總成本綜合變化的結(jié)果；銷售總收益由就地銷售量、配送量以及售價決定；總成本是種植階段、包裝階段和運輸階段3個階段投入成本的總和。

1.2.4 環(huán)境模塊 有機生產(chǎn)方式和常規(guī)生產(chǎn)方式的綜合特征表現(xiàn)在化石能源及其產(chǎn)品利用的區(qū)別上。因此，可用化石能源消耗所表現(xiàn)的環(huán)境效應(yīng)來代替。從投入到生產(chǎn)、包裝、配送階段能源消耗產(chǎn)生多種污染物，這些污染物對環(huán)境的影響涉及到空氣、水、土壤及生物四大類[11]，每類又可細分為若干個具體表現(xiàn)形式，全部量化分析這些表現(xiàn)形式不僅難度大，而且沒有必要。因此，借鑒生命周期法（life cycle assessment，LCA）在研究農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)能耗的環(huán)境影響的評價依據(jù)，以化石能源的能源消耗及其排放的污染物所造成的溫室效應(yīng)、酸化效應(yīng)及富營養(yǎng)化4種環(huán)境負荷類型作為評價環(huán)境效應(yīng)的指標體系，總能源消耗、溫室氣體排放分別為上述3個階段中能源消耗和溫室氣體排放之和。總酸化效應(yīng)和富營養(yǎng)化由消耗的化石能源排放的對應(yīng)污染物決定。

1.2.5 指標模塊 設(shè)定指標模塊主要是便于橫向?qū)Ρ确治霾煌r(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的環(huán)境效應(yīng)及其變化，因此本模塊指標是個相對指標。在比較標準的設(shè)定上主要有4個，即面積、能耗、產(chǎn)量及產(chǎn)值[12]，在果品環(huán)境效應(yīng)比較分析中最常用的是產(chǎn)量，如用1 kg果品排放溫室氣體CO2當(dāng)量值作比較。各比較標準的優(yōu)缺點詳見Cerutti等的研究結(jié)果[13]。相比較而言，產(chǎn)值作為比較標準利于協(xié)調(diào)和優(yōu)化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益[14]。而產(chǎn)值同時包含了產(chǎn)量和質(zhì)量信息，對于環(huán)境效應(yīng)評價也更合理。因此，本模塊的主要變量為單位產(chǎn)值能耗、單位產(chǎn)值溫室效應(yīng)、單位產(chǎn)值酸化效應(yīng)和單位產(chǎn)值富營養(yǎng)化。

2 不同生產(chǎn)方式葡萄園環(huán)境效應(yīng)系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析

2.1 樣本點概況

本研究以杭州地區(qū)的山果灣生態(tài)農(nóng)莊、臨安橫街葡萄園農(nóng)莊分別作為葡萄有機生產(chǎn)和常規(guī)生產(chǎn)的樣本點，通過問卷調(diào)查和訪談了解其近3年（2012—2014年）的基本情況。

山果灣生態(tài)農(nóng)莊（以下簡稱山果灣）位于余杭區(qū)徑山鎮(zhèn)四嶺村，始建于2009年，占地35.33 hm2。依托飲用水保護源頭——四嶺水庫及雙溪漂流等生態(tài)、旅游資源，通過上海馬陸有機葡萄研究所技術(shù)支持，現(xiàn)代化的設(shè)施以及科學(xué)的管理打造真正意義上的有機農(nóng)產(chǎn)品。山果灣形成了以葡萄為主，以琵琶、猴面李、小林黃姜、桃、梨等為輔的多品種生態(tài)種植結(jié)構(gòu)。有機葡萄（未認證）種植面積6.67多hm2，在生產(chǎn)上嚴格按照我國有機生產(chǎn)體系的種植標準進行生產(chǎn)。利用有機農(nóng)家肥充分培養(yǎng)葡萄生長所需的天然益生菌，禁用化學(xué)除草劑，使用機械翻耕及人工結(jié)合除草，使用殺蟲燈、果實套袋、防蟲網(wǎng)以及施用少量低濃度殺菌劑等來減少病蟲害。通過采摘、親子活動、農(nóng)耕體驗等參與式項目提高消費者對園區(qū)有機農(nóng)產(chǎn)品的認同度，形成集科研、生產(chǎn)、示范、培訓(xùn)、休閑為一體的綜合性基地。

臨安橫街葡萄園農(nóng)莊（以下簡稱橫街）位于浙江省臨安市錦城街道橫街村，隸屬于橫街水果專業(yè)合作社。水果種植面積180余hm2，其中葡萄種植面積達133.33 hm2。橫街依傍于被稱為小九寨溝的太湖源風(fēng)景區(qū)以及著名的天目山風(fēng)景區(qū)必經(jīng)之路——205省道。橫街村有20多年的葡萄種植史，因地制宜，橫街葡萄產(chǎn)量達到22 500 kg/hm2，年產(chǎn)值3 000余萬元。每年開展以采摘、觀光、葡萄節(jié)等形式的活動使得橫街葡萄在杭州乃至整個浙江省小有名氣。依托優(yōu)厚的種植技術(shù)、區(qū)位便利的交通和優(yōu)厚的旅游資源、規(guī)范的無公害葡萄管理以及多樣化的產(chǎn)品銷售形式，橫街形成了一套成熟的產(chǎn)銷一體化的經(jīng)營方式。

2.2 模型主要參數(shù)賦值

模型中存量的初始值以及大部分輔助變量的值為2012年調(diào)查的實際值，少部分輔助變量的值直接或者間接借鑒相關(guān)文獻成果。為了內(nèi)化其他因素（如地理環(huán)境）而凸顯生產(chǎn)方式對環(huán)境影響的變化，除了樣本的選擇外，還須要體現(xiàn)在系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定上。如在技術(shù)與管理水平和廢棄物的回收利用上，有機生產(chǎn)方式比常規(guī)生產(chǎn)方式明顯要求要高。

溫室氣體排放主要來源于投入階段、包裝階段及配送階段的能源消耗。各類型能源統(tǒng)一化折算系數(shù)以及對應(yīng)的二氧化碳當(dāng)量折算標準主要參考聞大中等的相關(guān)研究結(jié)論[14-15]。酸化效應(yīng)和富營養(yǎng)化取決于肥料的投入，而其他能源消耗影響甚小，可以忽略。酸化效應(yīng)主要受肥料生產(chǎn)中排放的SOx、NOx、NH3的影響，富營養(yǎng)化主要受NOx、NH3沉降和氮素、磷素的以硝態(tài)氮（NO-3-N）、PO3-4淋失。降雨和灌溉是影響NO-3-N、PO3-4等淋失的主要因素，在溫室條件下合理地灌溉可以極大地降低營養(yǎng)的淋失率，因此假定肥料中營養(yǎng)元素的淋失率為0，而所考慮的幾種污染物的排放系數(shù)主要參考胡志遠等相關(guān)研究[16-19]。對這幾種污染物所造成的酸化效應(yīng)或者富營養(yǎng)化效應(yīng)統(tǒng)一化為SO2當(dāng)量值和PO3-4當(dāng)量值，當(dāng)量系數(shù)借鑒鄧圣南等的研究成果[20]。由此計算出化肥的當(dāng)量折算系數(shù)（SO2 0039 3 kg/kg、PO3-4 0.005 8 kg/kg）和有機肥的當(dāng)量折算系數(shù)（SO2 0005 6 kg/kg、PO3-4 0.001 kg/kg）。

2.3 模型檢驗

模型檢驗主要是通過將模擬出的部分結(jié)果與實際數(shù)據(jù)進行對比，從而檢驗?zāi)Ｐ偷姆铣潭?。本研究?012年各變量的實際值作為模型的初始值進行仿真模擬，部分實際值與仿真值比較結(jié)果見表1。由表1可知，仿真值與實際值的相對誤差均在5%以內(nèi)，吻合度較高。可以在此基礎(chǔ)上進行仿真模擬，模擬時間設(shè)定為2012—2022年。

2.4 結(jié)果與分析

2.4.1 能源消耗

如圖3-a所示，山果灣2020年以前的單位產(chǎn)值能耗變化較平穩(wěn)，2020年以后明顯減少，而橫街則變化不大。從縱向看，2022年山果灣能耗比2012年約減少8.1%，而橫街則略微增加0.2%；從橫向看，山果灣單位產(chǎn)值能耗均明顯低于橫街，整個階段，山果灣比橫街低44.6%～528%。主要原因在于山果灣一方面通過環(huán)境友好型技術(shù)和使用低能耗產(chǎn)品減少化石能源投入，另一方面注重廢棄物的回收再利用，并且山果灣有機生產(chǎn)體系隨著時間變化而不斷完善，后期逐漸顯現(xiàn)出較大的經(jīng)濟回報。

2.4.2 溫室效應(yīng)

由于溫室氣體的排放與總能源消耗有明顯的正向關(guān)系，所以在走勢上比較類似。如圖3-b所示，從單個來看，模擬期末年山果灣單位產(chǎn)值溫室氣體排放量約比期初減少13.3%，而橫街則略微減少，為0.5%；從整體上看，山果灣單產(chǎn)能耗均明顯低于橫街，整個階段山果灣比橫街低31.2%～42.8%。

2.4.3 酸化效應(yīng)

如圖3-c所示，從走勢上看，山果灣2018年以前變化較平穩(wěn)，2018年以后具有明顯減少的趨勢，而橫街在整個階段變化不太明顯。自身比較而言，2022年山果灣單位產(chǎn)值溫室氣體排放量比2012年約減少17.9%，而橫街則略微減少1%。相比之下，2021年以前山果灣高于橫街，2016年最高為11.7%，2021年左右二者基本相當(dāng)，2021年以后山果灣比橫街少，2022年山果灣比橫街小9.1%。主要原因在于山果灣1 hm2有機肥用量高40%左右，有機肥施用過程中會排放大量的NH3，是導(dǎo)致環(huán)境酸化的主要污染物。而在山果灣前期經(jīng)濟效益蟄伏階段，單位產(chǎn)值酸化效應(yīng)可能表現(xiàn)較高，而經(jīng)濟回報提升到一定程度總體會走低。

2.4.4 富營養(yǎng)化

由于NH3也是引起富營養(yǎng)化的重要因素，所以在變化趨勢上與酸化效應(yīng)并沒有太大差別。如圖3-d 所示，從縱向來看，山果灣模擬期末單位產(chǎn)值溫室效應(yīng)約比2012減少18.5%，而橫街則略微減少，為1.2%。從橫向來看，2018年以前山果灣與橫街相當(dāng)，2018年以后山果灣低于橫街，到2022年，山果灣比橫街低18.5%。

3 結(jié)論

通過運用系統(tǒng)動力學(xué)方法構(gòu)建模型，比較分析有機生產(chǎn)方式和常規(guī)生產(chǎn)方式下葡萄園環(huán)境效應(yīng)長期變化。結(jié)果表明，在相同產(chǎn)出水平下，葡萄有機生產(chǎn)在短期內(nèi)可能仍存在一定的酸化風(fēng)險和富營養(yǎng)化風(fēng)險。但從長遠來看，有機生產(chǎn)方式在能源消耗、溫室效應(yīng)、酸化效應(yīng)及富營養(yǎng)化等4種環(huán)境效應(yīng)類型方面均優(yōu)于常規(guī)生產(chǎn)方式，有機生產(chǎn)方式具有一定的減少環(huán)境效應(yīng)的潛力。從目前來看，有機生產(chǎn)因其前期投入大、收益低、投資風(fēng)險高，并不具有太大的吸引力。因此，為了鼓勵和扶持農(nóng)業(yè)有機方式，政府在農(nóng)業(yè)相關(guān)政策的制定和完善中有必要適度地向有機生產(chǎn)方式傾斜，同時須要完善監(jiān)管體系，確保農(nóng)產(chǎn)品的有機生產(chǎn)規(guī)范有效。

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