沼气生态农业模式综合评价模型研究

沼气生态农业模式综合评价模型研究

0沼液生态农业模式沼气生态农业模式是根据生态原则，以能量为动力，利用沼气连接，将生物生产、社会生产和农村生活有机结合的复杂系统。包括作物种植、家禽育种、微生物发酵、农产品供应、农民日常生活和农村建设。不同单元之间的合理配置和组合可以实现高效化、高品质和低产量的目标，实现农业生产的生态和可持续发展。20世纪90年代以来,随着沼气综合利用技术的发展,沼气与生态农业生产体系的联系日益密切,深入并触及到生态农业生产的方方面面,逐渐表现和释放它的各项功能,涌现出了多种多样的沼气生态农业模式,如北方“四位一体模式”、南方“猪沼果”模式、西北“五配套”模式和沼气生态农场等。许多学者对沼气生态农业模式的效益和环境影响评价进行了广泛、系统的研究,其中效益的评价多集中于经济效益,对其生态和社会效益只是定性的描述,对模式的结构、功能和效益综合评价的研究目前尚不多见。怎样从整体和系统的角度,对沼气生态农业模式进行客观和科学的综合评价,并用以比较不同地区、不同地理环境下沼气生态农业模式的适宜性,如何通过评价找出沼气生态农业建设中存在的问题,都值得深入探讨。本文就沼气生态农业模式综合评价指标体系与评价方法做了初步的研究和尝试,旨在为沼气生态农业模式评价提供理论依据。1功能结构的大小良好的生态农业系统应具备和谐的结构、高效的物质传输和能量转换,具有较强的抵抗外界干扰的缓冲能力和较高的自我调节能力。沼气生态农业模式的结构状况决定其功能大小,进而决定所能达到的效益高低,模式所表现的效益在很大程度上反映着功能的大小和结构状态。因此沼气生态农业模式的综合评价应包括结构、功能和效益3个方面,评价指标要充分考虑这3个方面的水平和状态。沼气生态农业模式是在人工控制下由生物生产、社会生产和农村生活所组成的复杂系统,涉及作物种植业、畜禽养殖业、微生物发酵、农产品供应、农户日常生活和农村建设等方面,评价时要充分考虑其整体效应,充分考虑沼气农业生态模式与宏观经济系统以及社会系统之间的相互协调与制约的关系。2综合评价体系的建立2.1生态农业评价指标的选取原则1)综合性:沼气生态农业模式组成结构复杂,选取的评价指标须能直接而全面地反映其综合特征;2)代表性:沼气生态农业模式具多种综合功能,选取的评价指标要最能反映系统的主要性状;3)实用性:选用的指标须可测量、可比较、可操作,在较长时期和较大范围内都能使用;4)层次性:根据不同评价需要对指标分层;5)动态性:沼气生态农业模式是一个开放的系统,评价指标要考虑系统的动态状况,不但要评价现状和系统的稳定性,还要考虑系统的发展趋势、系统的缓冲能力和应变能力;6)独立性:指标之间必须相互独立不应存在包含或交叉现象。2.2沼苏全局综合评价指标体系的构建建立科学、客观、可行的评价指标体系,是沼气生态农业模式综合评价的基础。对于生态农业模式评价指标体系,一些研究者曾进行了研究。本研究依据沼气生态农业模式综合评价特点及指标选取的原则,以生态农业模式评价指标体系为基础,最终确定了由17个指标构成的沼气生态农业模式综合评价指标体系,指标体系分为3个层次(见图1):第1层(A)反映沼气生态农业模式的整体结构、功能和效益;第2层(B)从结构(B1)、功能(B2)、效益(B3)3个方面分别来衡量系统的现状水平;第3层(C)是具体的评价指标。2.3评价指标的含义和计算方法2.3.1生态经济分析沼气生态农业模式的结构状况反映了系统中自然资源的利用是否合理,与系统内部生态经济关系是否协调,从而决定着整个系统的功能和效益水平。我们选取了复合系统结构优势度和复合系统稳定系数2个指标作为结构评价指标。1系统的均衡性差复合系统结构优势度是反映各产业的配置结构是否合理的指标。结构优势度小,说明系统的结构较为均衡和协调,结构优势度高,说明系统均衡性差。复合系统结构优势度计算公式如下式中:pj——复合系统结构优势度;xij——组分i在j时刻的纯收入;xj——系统中所有组分在时刻j的总收入。2稳定系数及抵抗能力综合检验复合系统的稳定系数主要反映结构总体的稳定性或协调性。稳定系数愈高,其稳定性愈强,抵抗外界干预能力愈强。复合系统稳定系数计算公式如下式中:s——复合系统稳定系数。2.3.2系统的基本功能沼气生态农业模式的优劣,集中反映在功能效率上。在沼气生态农业模式中,物质循环、能量转化和信息联系构成了系统的基本功能。我们选取了光能利用率、热能利用率、能量转化率、土壤有机质平衡、氮营养元素平衡、磷、钾营养元素平衡和饲料转化率7个指标作为功能评价指标。3合作用所产生的纤维素光能利用率一般是指单位土地面积上,农作物通过光合作用所产生的有机物中所含的能量,与这块土地所接受的太阳能的比。光能利用率计算公式如下式中:17771.7——每形成1g干物质所需的热量,J。4热利用率热能利用率一般是指一定时间内,农作物生育期间所需要的积温与当地积温的比。热能利用率计算公式如下5能量转化率能量转化率指产出与投入能量的比。能量转化率计算公式如下6土壤有机物质平衡土壤有机质平衡指土壤投入有机质的腐殖化程度与有机质矿化比率的平衡。式中A——土壤有机质平衡。7氮养分平衡氮营养元素平衡:投入和产出过程中,氮营养元素的平衡关系,此指标趋于1时,反映营养元素处于平衡。式中:BN——氮营养元素平衡。85磷和钾的养分平衡磷、钾等营养元素平衡:投入和产出过程中,磷、钾等营养元素的平衡关系,此指标趋于1时,反映营养元素处于平衡。9沼气生态农业模式功能分类饲料转化率指消耗一定量的饲料与获得畜禽产品、水产品的数量比率。指标数值越大,饲料转化率越高。按照沼气生态农业模式功能的表现形式,其效益分为经济效益、生态效益和社会效益。我们选取了净现值、效益成本比、内部收益率、增加土壤有机质及氮磷营养元素效力、减少土壤农药残留效力、减排CO2效力、保护森林面积效力和劳动就业率8个指标作为效益评价指标。1动态评价指标净现值是指按照某个设定的贴现率,将项目计算期内各年净现金流量折现到建设初期的现值之和。是考察项目在计算期内赢利能力的动态评价指标。其表达式为式中:NPV——净现值;bn——第n年的收益;cn——第n年的成本;N——寿命期;i——贴现率,下同。2效率成本比效益成本比是指投资项目在寿命期内,收益的现值和成本费用的现值和之比,其表达式为式中B/C——效益成本比。3内部收入内部收入内部收益率是使计算期内各年净现金流量现值之和为零时的贴现率。式中IRR——内部收益率。4土壤有机质。据年限制,土壤养分及土壤养分等沼气池发酵产生的沼渣不仅含有丰富的有机质,还含有丰富的氮、磷、钾等土壤营养元素。长期施用沼液、沼渣等有机肥,能有效提高土壤有机质及全氮、全磷含量。在评价时用节约化肥开支来表示增加土壤有机质及氮磷营养元素效力。5减少农药残留,减少农药残留沼气发酵产物沼渣和沼液中含有的营养成分能增强作物抗病虫害的能力,有效抑制和防治病虫害,减少农药的使用量,从而减少农药的土壤残留量。在评价时用节约农药开支来表示减少土壤农药残留效力。6不同燃料燃烧后所排放的计算在沼气生态农业模式中减少的CO2排放量主要是指沼气替代秸秆、薪柴等污染严重的能源所减少的排放量,其中,各种燃料燃烧后所排放的计算公式如下式中:CBG、CW、CS——分别是燃烧沼气、薪材、秸秆的CO2排放量,t;BG——沼气的消耗量,104m3;W、S——分别是薪柴、秸秆的消耗量,t。因此,减排CO2效力可以等效于未建池家庭比建池家庭所多消耗的秸秆、薪柴所产生二氧化碳的量。7增加森林覆盖面积用沼气替代薪柴,可减少薪柴砍伐量,保护原有林地和新造林地,增加森林覆盖面积。因此,保护森林面积效力,可以等同于因使用沼气池而减少薪柴的使用量。8就业税劳动力就业率指闲散劳动力的安排和就业程度。2.4指标赋权的种类目前多属性决策中指标权重的确定方法有客观赋权法、主观赋权法和均权法。主观赋权法是根据决策者主观信息进行赋权的一类方法,如专家调查法、二项系数法、环比评分法、层次分析等等;而客观赋权法是无决策者任何信息,各个指标根据一定的规则进行自动赋权的一类方法,如主成分分析法、熵技术法、均方差法、多目标规划法等等。在给指标赋权时,若每个指标缺乏跨年度的纵向数据和跨区域的横向数据,评价中则难以根据各指标数据的变异程度采用客观赋权法为指标赋权,若同时评价中采用的指标也较多,则采用主观赋权法也存在较大困难,此时选择均权法更能体现公正性和客观性。本文在均权法的基础上结合层次分析法的思想采用多层均权法给指标赋权,即给属于A的指标赋以同等权重,属于B1的指标赋以同等权重,属于B2的指标赋以同等权重,属于B3的指标赋以同等权重。各指标权重见图1。3综合评价沼气生态农业模式的模型3.1正指标和逆指标的区别对待原始数据的大小及量纲差异悬殊,无法直接研究分析,需要统一数据格式。数据转换的方法有多种,但此类研究以相对化处理方法为优。采用相对化处理方法在比较时要将“正指标”和“逆指标”区别对待,正指标是指实际值越大,在评价中起的作用也越大的指标,要用公式(6)来进行处理。式中:Xj——转换后量化数据;xj——原始数据;xmax——第j指标原始数据最大值,下同。“逆指标”是指实际值越大,在评价中起的作用却越小的指标,要用公式(7)来进行处理。式中xmin——第j指标原始数据最小值。3.2综合评价模型在确定评价指标权重的基础上,构建沼气生态农业模式综合结构评价、综合功能评价、综合效益评价及综合评价模型:式中,Xj——第j个指标的标准化值;Wj——单排序权重;Wl——组合权重。3.3评价指数优度根据上述分析结果,参照各种综合指数分组方法,设计了一个沼气生态模式评价指数优劣度阈值。评价指数在≥0.8的区域上为优;评价指数在>0.6~<0.8之间的区域上为良;评价指数在≤0.6的区域上为差。4沼田风电场生态农业模式为了验证本研究提出的沼气生态农业模式综合评价模型的有效性和适应性,利用陕西省宝鸡市2个典型沼气生态农业模式,陇县“沼气池—厕所—畜舍—菜(果、粮)”庭院生态农业模式Ⅰ和千阳县“桑—蚕—双孢蘑菇—畜舍—沼气池”生态农业模式Ⅱ的研究数据对其进行了验证。陇县“沼气池—厕所—畜舍—菜(果、粮)”庭院生态农业模式包括3个子系统,分别为种植业子系统(冬小麦套作玉米、蔬菜、果树)、养殖业子系统(猪、牛)和沼气子系统。在同一块土地上,实现产气积肥同步,种植养殖并举,是一个生物种群较多,能流、物流较快循环的能源生态系统工程。千阳县“桑—蚕—双孢蘑菇—畜舍—沼气池”生态农业模式包括4个子系统,分别为种植业子系统(桑树、双孢蘑菇)、养殖业子系统(猪、牛、蚕)、加工业子系统(蚕沙保健枕)和沼气子系统。是一个生物种群较多,食物链结构健康,能流、物流、价值流较快循环的能源生态系统工程。2个典型沼气生态农业模式的具体结构、功能和效益见参考文献。表1为2个沼气生态农业模式17个评价指标的标准值,运用上述的评价方法进行评价,评价结果见表2。从表2可以看出:模式Ⅱ的综合结构评价指数、综合效益评价指数和综合评价指数均比模式Ⅰ高,模式Ⅱ的综合功能评价指数比模式Ⅰ略低,表明模式Ⅱ的结构、功能和效益整体状况优于模式Ⅰ,模式Ⅱ的结构较模式Ⅰ更合理,稳定性更强,效益更高,功能略低。评价结果与实际情况基本吻合,说明本研究提出的评价指标体系和评价方法是适用和有效的。5确定指标权重1)本研究采取层次均权法确定指标权重一方面避免了主观赋权法的主观性,另一方面使操作者容易掌握,若指标有所变化,操作者可自行计算指标的权重,具有很大的灵活性。同时采用层次均权法确定指标权重,和每层所包含指标的个数关系很大,即每层所选指标越多则每个指标的权重越小,每层指标越少则指标的权重越大。所以在用层次均权法来确定指标权重时,所选指标要能全面反映整体状况同时还要避免指标之间的交叉重复。2)本研究不仅建立了综合评价指数,用来评价不同沼气生态农业模式整体结构、功能和效益,而且分别建立了综合结构评价指数,综合功能评价指数,综合效益评价指数,若不同沼气生态农业模式的综合评价指数相同时,决策者可以根据综合结构评价指数,综合功能评价指数,综合效益评价指数的不同进行模式选