趙 光, 冀麗爽, 郭 星, 陳 婷, 馬 放, 陳忠林
(1.哈爾濱工業(yè)大學 市政環(huán)境工程學院, 哈爾濱 150090; 2.遼寧工業(yè)大學 化學與環(huán)境工程學院, 遼寧 錦州 121001)
沼氣能源為核心的寒地生態(tài)農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟能流分析
趙 光1,2, 冀麗爽2, 郭 星2, 陳 婷2, 馬 放1, 陳忠林1
(1.哈爾濱工業(yè)大學 市政環(huán)境工程學院, 哈爾濱 150090; 2.遼寧工業(yè)大學 化學與環(huán)境工程學院, 遼寧 錦州 121001)
文章針對寒地典型沼氣工程代表的海林沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的“牛-沼氣-玉米”農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟模式的運行特性,應用能流理論分析方法,通過能流循環(huán)指數(shù)、能量產(chǎn)投比、光能利用率等指標,對該系統(tǒng)能量的去向、能量流入與流出進行了系統(tǒng)分析。經(jīng)計算該系統(tǒng)能流循環(huán)指數(shù)0.9709,表明海林農(nóng)場以沼氣為核心的農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展能力強,自我維持循環(huán)能力水平較高;但是,由于該模式養(yǎng)殖子系統(tǒng)的能量產(chǎn)投比較低,造成整個循環(huán)系統(tǒng)的產(chǎn)投比僅為0.0432,反映該系統(tǒng)的末端產(chǎn)品能量高附加值轉(zhuǎn)化水平低;系統(tǒng)有機能與無機能之比值為34.128,表明整個系統(tǒng)屬有機生態(tài)模式。綜合各項指標經(jīng)分析,該農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟系統(tǒng)有利于該地區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展,符合可持續(xù)發(fā)展要求,是一種適用于北方寒區(qū)推廣的典型循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。
沼氣能源; “牛-沼氣-玉米”循環(huán)系統(tǒng); 能流分析; 綜合評價
能量是驅(qū)動生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的動力源泉[1]。在地球這個最大的生態(tài)圈中,能量每時每刻都在進行著傳遞、轉(zhuǎn)化、存儲,因此能量流動是生態(tài)系統(tǒng)的基本功能之一[2]。能流分析方法經(jīng)過多年不斷探索與研究,不僅可以系統(tǒng)評價農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,而且能客觀反映系統(tǒng)各部分間深層次的邏輯關(guān)系[3-4]。
近年來,隨著農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展,產(chǎn)生經(jīng)濟與社會效益的同時也產(chǎn)生大量的生物質(zhì)廢棄物,逐漸加重了生態(tài)環(huán)境的負擔[5]。發(fā)展以利用生物質(zhì)廢棄物為發(fā)酵底物的沼氣工程,不僅可以有效削減污染環(huán)境的生物質(zhì)廢棄物,同時可產(chǎn)生清潔能源甲烷和其他可再生資源,如沼渣有機肥、沼液葉面肥等[6-7]。2009年,我國僅戶用沼氣產(chǎn)熱值折合就可達1900萬噸燃煤所產(chǎn)生的熱值,節(jié)約了150億元人民幣[8]。目前,厭氧發(fā)酵是生物質(zhì)廢棄物資源化利用的最有效方式之一,也是農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境良性發(fā)展的重要途徑,沼氣工程的產(chǎn)業(yè)化已成為應用與推廣的主要發(fā)展模式[9]。然而,在我國北方地區(qū),受低溫條件的制約,沼氣工程無法規(guī)?;l(fā)展,因此探索適合北方高寒地區(qū)推廣應用的沼氣發(fā)酵技術(shù)與模式,對于發(fā)展農(nóng)業(yè)生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟具有重要意義[10]。
位于黑龍江省的海林農(nóng)場繼傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展模式之后,提出了一種新的以沼氣為核心的循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。為了科學評價海林農(nóng)場以沼氣為核心的循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式的綜合生態(tài)效益,研究該循環(huán)農(nóng)業(yè)模式的能量流動特征,筆者主要采用Odum[11-13]提出的能流符號語言繪制出詳細的海林農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)能流分析圖,并采用能流分析方法對海林農(nóng)場的“牛-沼氣-玉米”循環(huán)系統(tǒng)各子系統(tǒng)的能量流動特征進行綜合分析及系統(tǒng)的評價,旨在探索出最佳能量調(diào)控途徑,以期為這種循環(huán)模式在北方寒地的推廣提供理論依據(jù),從而指導綠色、高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
1.1 研究區(qū)自然概況
海林農(nóng)場位于黑龍江省海林市長汀鎮(zhèn)附近,地理位置在東經(jīng)128°47′30″~129°7′30″,北緯44°15′~44°25′,該區(qū)面積32萬畝,其中耕地面積13.82萬畝,人口數(shù)量比較少,約7300人,海林農(nóng)場的氣候類型為中緯度大陸性季風氣候,無霜期平均在138 d左右,年平均降雨量543.2 mm,年平均氣溫3.4℃,年日照時數(shù)2353.5 h,歷年平均積溫2643.1℃,年總輻射量1.12×1013kJ[14-15]。
1.2 研究區(qū)沼氣工程概況
綠源沼氣發(fā)酵體系不僅是海林農(nóng)場的沼氣工程的示范體系,同時也是北方寒地最大的沼氣發(fā)酵系統(tǒng)[16]。該工程一期建設于2005年,產(chǎn)氣量可達1200~1600 m3·d-1,二期工程建設與2007年,產(chǎn)氣量1800 m3·d-1,現(xiàn)年均產(chǎn)沼氣可達100萬m3左右,極大的提高了地方經(jīng)濟與環(huán)境效益[17]。該沼氣發(fā)酵體系以奶牛養(yǎng)殖場的牛糞為主要發(fā)酵底物,或混合廢水發(fā)酵,詳細的運行模式見圖1。該模式利用沼氣發(fā)酵工藝,夏季池體一般采用中溫半連續(xù)進料方式運行,溫度較低的冬季則利用太陽能集熱器輔助增溫以保證常溫半連續(xù)發(fā)酵體系的穩(wěn)定運行,由此保證了沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氣效率及產(chǎn)氣質(zhì)量[18]。另外,規(guī)模化沼氣站的建立,極大的提高了沼氣能源的利用率,產(chǎn)生的沼氣供應地區(qū)居民生活用氣以及為牛場提供電能等,沼渣、沼液通過再培養(yǎng),作為有機肥用來肥沃土壤[19]。逐步形成物質(zhì)多級利用、廢棄物資源化處理的循環(huán)復合生態(tài)系統(tǒng),并形成以沼氣為核心的循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈,實現(xiàn)了當?shù)禺a(chǎn)業(yè)有序、健康的發(fā)展,發(fā)揮更大的綜合效益,同時具有節(jié)能、環(huán)保,能量利用率高等多個優(yōu)點[20]。該沼氣工程對寒地農(nóng)村沼氣能源的推廣、廢棄物資源化利用及推進農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展起到了示范效應[18]。
圖1 海林農(nóng)場沼氣工程工藝流程圖
2.1 數(shù)據(jù)收集
研究中用到的所有基礎數(shù)據(jù)來源于筆者所在課題組參加的國家科技支撐計劃專題項目調(diào)研。
2.2 能流的計算
折能公式:計算各物質(zhì)的能量,用統(tǒng)一單位焦耳(J)來表示,折能系數(shù)參考藍盛芳[21-24]等研究成果。
Y=KX
(1)
式中:Y為能量值;K為折能系數(shù);X為輸入和輸出的產(chǎn)品或物質(zhì)數(shù)量。
2.3 數(shù)據(jù)整理
依據(jù)各子系統(tǒng)輸入和輸出的產(chǎn)品或物質(zhì)的數(shù)量,根據(jù)藍盛芳[21~24]等研究的折能系統(tǒng),采用折能計算公式(1),計算出系統(tǒng)各項能量數(shù)值(見表1,表2)。
表1 “牛-沼氣-玉米”循環(huán)系統(tǒng)能量投入表
表2 “牛-沼氣-玉米”循環(huán)系統(tǒng)能量產(chǎn)出表
2.4 能流圖的繪制
根據(jù)已計算的系統(tǒng)各項能量數(shù)值(見表1,表2)及國外學者Odum[11-13]提出的“能流符號”繪制出詳細的海林農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)能流圖(見圖2)。該圖不僅清晰地反映了海林農(nóng)場“牛-沼氣-玉米”循環(huán)系統(tǒng)的能量流動去向,還明確了系統(tǒng)中各子系統(tǒng)能量投入與產(chǎn)出的具體數(shù)值,為合理優(yōu)化整個循環(huán)系統(tǒng)的能量流動提供依據(jù)[25]。
2.5 能流分析方法
筆者主要采用能流循環(huán)指數(shù)、產(chǎn)投比、光能利用率3個指標對海林農(nóng)場“牛-沼氣-玉米”循環(huán)系統(tǒng)的能量流動效率進行系統(tǒng)的分析。
能流循環(huán)指數(shù)(CREF):反映農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部子元素之間相互作用和能量利用狀況,是評價系統(tǒng)抵抗不利自然因素的能力、持續(xù)發(fā)展能力的重要指標[26]。
CREF=OEI/SEI
(2)
式中:CREF為能流循環(huán)指數(shù);OEI為有機能投入量;SEI為人工輔助能的總投入量。
產(chǎn)投比(Theenergyinput-outputratio):反應系
圖2 海林農(nóng)場生態(tài)系統(tǒng)能流分析圖(×109 kJ)
統(tǒng)的生產(chǎn)效率[27]。
R=EO/EI
(3)
式中:R為系統(tǒng)產(chǎn)投比;EO為系統(tǒng)能量產(chǎn)出;EI為系統(tǒng)能量投入
光能利用率(Lightutilizationrate):反映種植業(yè)生產(chǎn)效率的重要指標之一[28]。
LUR=E1/E2
(4)
式中:LUR為光能利用率;E1為單位面積作物積累的化學潛能;E2為單位面積的有效輻射能。
依據(jù)公式1對折能系數(shù)的研究,得出海林循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的能量情況,各子系統(tǒng)能量投入主要來源于太陽能及人工輔助能,能量產(chǎn)出主要包括經(jīng)濟能與非經(jīng)濟能,本文著重研究該系統(tǒng)的人工輔助能,主要由有機能與無機能組成,具體數(shù)值見表1和表2,能量流動方向見圖2。
3.1 養(yǎng)殖子系統(tǒng)能量特征分析
該子系統(tǒng)有機能包括飼料、人工、動物幼崽等,無機能包括電力、煤炭、飼用水等;經(jīng)濟能包括牛肉及動物幼崽,非經(jīng)濟能主要為動物糞便。由表1得知,肉牛養(yǎng)殖子系統(tǒng)中,有機能總投入153771.79×109kJ·a-1,無機能總投入4067.0464×109kJ·a-1,分別占子系統(tǒng)總投能的9/10,1/10左右。其中有機能投入的90%以上來自于青貯飼料,玉米面與小麥麩及飼料各占3.18%,4.48%??梢娫诤A洲r(nóng)場肉牛養(yǎng)殖是以青貯秸稈為主,輔以玉米、小麥麩、飼料。其中,0.14%的青貯飼料及20.29%的玉米均由種植業(yè)子系統(tǒng)提供,提高了養(yǎng)殖系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。產(chǎn)出能中經(jīng)濟能值(肉牛)為1.008×1011kJ·a-1,占子系統(tǒng)總產(chǎn)能的1.47%,以商品的形式通過出售進入市場(見表2);由表2可知,非經(jīng)濟能值(牛糞)為4801.04×109kJ·a-1,占總產(chǎn)能的70.15%,其中一部分流入沼氣工程子系統(tǒng),一部分作為農(nóng)家肥投入種植業(yè)子系統(tǒng)。種植業(yè)中玉米、秸稈對養(yǎng)殖子系統(tǒng)的投入減少了肉牛養(yǎng)殖原料的能量投入,提高了經(jīng)濟收益;沼氣工程對肉牛糞便的回收再利用,有效減少了污染物的排放對環(huán)境所造成的負擔。
由表3,經(jīng)計算該子系統(tǒng)產(chǎn)投比為0.0311,說明系統(tǒng)能量未得到高效的轉(zhuǎn)化,建議加大肉牛養(yǎng)殖系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈下游產(chǎn)品的開發(fā)與高附加值產(chǎn)品的研究,提高產(chǎn)投比,進一步提升能量的轉(zhuǎn)化率。能流循環(huán)指數(shù)為0.9709,較高,說明海林農(nóng)場的循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式穩(wěn)定性強,種植業(yè)、沼氣工程與養(yǎng)殖業(yè)所構(gòu)成的循環(huán)經(jīng)濟能量結(jié)構(gòu)合理,利用效率較高。
3.2 沼氣子系統(tǒng)能量特征分析
由表1知沼氣工程子系統(tǒng)中,能量投入全部為有機能,總量為45.825×109kJ·a-1(太陽能未算入其中);能量產(chǎn)出包括經(jīng)濟能與非經(jīng)濟能,能量總值為 51.4×109kJ·a-1,沼氣和沼肥分別占系統(tǒng)產(chǎn)出能的66.54%和33.46%,產(chǎn)生的沼氣能源可供應戶用電能、取暖等,沼渣、沼液等經(jīng)過培養(yǎng)加工作為青貯飼料及有機作物種植肥料再次進入循環(huán)系統(tǒng)。
由表3可知,系統(tǒng)產(chǎn)投比為1.192,不僅說明系統(tǒng)的生產(chǎn)效率較高,而且表明海林農(nóng)場沼氣工程工藝合理、各設備運行狀態(tài)良好。沼氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,不僅可連續(xù)供應該地區(qū)居民生活用氣以及牛場的用電需求,同時有效削減了生物質(zhì)廢棄物,保護生態(tài)環(huán)境的同時更提高了能量的利用率。
3.3 種植子系統(tǒng)能量特征分析
該系統(tǒng)人工輔助能中的有機能主要包括種子、勞動力、秸稈及沼渣、沼液等,無機能部分包括化肥、農(nóng)藥、機械、柴油等。由表1,能量投入中有機能值為38.77×109kJ·a-1,無機能值為4.4118×1011kJ·a-1,分別占子系統(tǒng)總投能的8.07%,91.93%。在有機能投入中柴油能值占 33.66%,符合海林農(nóng)場的機械化種植情況,農(nóng)場不再以傳統(tǒng)的人力消耗模式而是采用大型機械進行土地的翻耕、播種、收割、脫粒等。無機能中以氮肥、農(nóng)藥投入為主,說明土壤營養(yǎng)性較差,目前海林農(nóng)場的部分土地正逐漸施用沼肥、農(nóng)家肥等。此項措施可逐步改善土壤肥力,有利于土壤的可持續(xù)性發(fā)展的同時有效提升種植業(yè)的經(jīng)濟效益。在產(chǎn)出能中經(jīng)濟能與非經(jīng)濟能分別占總產(chǎn)出能的17.21%和82.79%,非經(jīng)濟能的產(chǎn)出約為總產(chǎn)出的4/5,表明種植業(yè)仍以玉米籽粒為主要能值產(chǎn)出。
由表3可知,系統(tǒng)的產(chǎn)投比為3.902,反映出較高的能量產(chǎn)出水平及較高能量轉(zhuǎn)化率。玉米經(jīng)過再加工與青貯秸稈再次投入到養(yǎng)殖系統(tǒng),這不僅可增加養(yǎng)殖系統(tǒng)的經(jīng)濟效益,還可提高有機能的轉(zhuǎn)化率。能流循環(huán)指數(shù)僅為0.002,較低,說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差,需要其他能量的投入來維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性。光能利用率僅為0.025%,反映該地區(qū)種植的作物對光能的轉(zhuǎn)化率較低,玉米作物的高值轉(zhuǎn)化效能水平差。
表3 不同系統(tǒng)的能量指標分析
注:在計算投能時太陽輻射能未計算其中,故能量產(chǎn)投比會出現(xiàn)大于1的結(jié)果。
“牛-沼氣-玉米”是海林農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的一個子系統(tǒng),通過對子系統(tǒng)能量的有效規(guī)劃可以實現(xiàn)區(qū)域能量利用效率的最大化,系統(tǒng)有機能投入的最低化,生物質(zhì)廢棄物的可控化。蔣碧[29]等在關(guān)中平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果表明:2010~2011年小麥秸稈高留茬-玉米秸稈粉碎還田模式(WH-MC)的能流循環(huán)指數(shù)為0.76,是當時9種系統(tǒng)中投入能量最多,還田量最大的一種模式。而海林農(nóng)業(yè)“牛-沼氣-玉米”循環(huán)系統(tǒng)能流循環(huán)指數(shù)為0.9715,同比提高27.83%。并且多年實踐證明,海林農(nóng)場以沼氣為核心的“牛-沼氣-玉米”循環(huán)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展能力強,自我維持能力水平較高,并具有較強的抗災能力;在養(yǎng)殖子系統(tǒng)中有機能投入占子系統(tǒng)總投入利用的97.09%,表明有機能的投入力度非常大。在種植子系統(tǒng)中,與養(yǎng)殖子系統(tǒng)相反,無機能投入較高,有機能僅占子系統(tǒng)投入的8.07%,而有機能投入的1/3均來自于柴油能量的投入,反映出子系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)工業(yè)化水平程度較高。肥料大部分來自于沼肥及農(nóng)家肥,不僅有利于增加系統(tǒng)的經(jīng)濟產(chǎn)出,而且利于改善種植子系統(tǒng)土壤的理化性質(zhì),從而為種植子系統(tǒng)的長期可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。
海林農(nóng)場“牛-沼氣-玉米”循環(huán)系統(tǒng)的產(chǎn)投比僅為0.0432,造成整個系統(tǒng)產(chǎn)投比較低的原因是養(yǎng)殖子系統(tǒng)的產(chǎn)投比太低僅為0.0311,由于養(yǎng)殖子系統(tǒng)的能量投入比重較大,即使種植及沼氣子系統(tǒng)的產(chǎn)投比都非常高,平均值依然較低。建議未來應加大養(yǎng)殖子系統(tǒng)下游高附加值產(chǎn)品的研發(fā),將有利于拉動整個系統(tǒng)投能效益的提高。根據(jù)高雪松[30]等的研究,成都平原秸稈直接還田生產(chǎn)模式(CFS)的產(chǎn)投比為1.59,而海林農(nóng)場“牛-沼氣-玉米”循環(huán)系統(tǒng)的沼氣工程子系統(tǒng)中,能量產(chǎn)投比為1.409,二者非常接近,說明系統(tǒng)能量投入較低時,若能保證能量輸出量,轉(zhuǎn)化效率依然較高,由此表明沼氣工程子系統(tǒng)資源利用狀態(tài)良好。目前,海林農(nóng)場部分沼氣工程利用太陽能對沼氣池進行增溫,既縮減了生產(chǎn)投入,又降低了化石能源的使用,并且形成了可以復制和推廣的高寒地區(qū)大型養(yǎng)殖場工廠化沼氣工程運行的成熟技術(shù)與模式。種植業(yè)子系統(tǒng)能量產(chǎn)投比達到了3.902,是CFS模式產(chǎn)投比的2.45倍,說明種植子系統(tǒng)能量得到了充分利用。
綜上,海林農(nóng)場“牛-沼氣-玉米”循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式有利于生態(tài)環(huán)境保護及環(huán)境自我修復能力的提高,并實現(xiàn)能量的多級利用,為今后推廣以沼氣能源為核心的寒區(qū)種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)的配套模式提供了可靠的工程依據(jù)。
(1)海林農(nóng)場“牛-沼氣-玉米”循環(huán)系統(tǒng)的CREF為0.9715,是2010~2011年關(guān)中平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的1.27倍,表明該模式是一種對外界不良因素抵抗力較強,有利于生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展,并且符合循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展原則的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式。
(2)海林農(nóng)場“牛-沼氣-玉米”循環(huán)模式的產(chǎn)投比為0.0432,與成都平原農(nóng)田CFS模式相比,水平較低。但并不代表整個循環(huán)系統(tǒng)的生產(chǎn)率低,種植與沼氣子系統(tǒng)的產(chǎn)投比仍然較高,分別為1.192,3.902,這在一定程度上,仍體現(xiàn)“牛-沼氣-玉米”循環(huán)模式可再生的產(chǎn)業(yè)屬性。未來加強養(yǎng)殖業(yè)下游產(chǎn)品的能值轉(zhuǎn)化率,可實現(xiàn)整個循環(huán)系統(tǒng)的能源的高效利用。
(3)海林農(nóng)場 “牛-沼氣-玉米”循環(huán)模式是以沼氣為核心的循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式,對綜合治理因畜禽糞便造成的農(nóng)村污染,改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境,優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)方面效果顯著。對以沼氣能源為核心的寒地生態(tài)農(nóng)業(yè)具有一定的示范效應,是一種可在北方寒區(qū)大力推廣典型的循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展模式。
[1] 黃治平, 郝 利, 高尚賓, 周連第, 張克強, 王 風, 鐘春艷, 劉 剛. 西柏店村級養(yǎng)殖種植園區(qū)氮素流和能量流分析[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 2011, 30(02): 395-403.
[2] Tripathi R S, Sah V K. Material and energy flows in high-hill, mid-hill and valley farming systems of Garhwal Himalaya[J]. Agriculture ecosystems environment, 2001, 86(1): 75-91.
[3] 劉 偉, 鞠美庭, 楚春禮, 邵超峰, 田文鑫. 區(qū)域環(huán)境-經(jīng)濟系統(tǒng)物質(zhì)流與能流分析方法及實證研究[J]. 自然資源學報, 2011, 26 (08): 1435-1445.
[4] Herendeen R A. Energy analysis and EMERGY analysis-a comparison[J]. Ecological Modelling, 2004, 178(1): 227-237.
[5] Liao X, Li H, Zhang Y, et al. Accelerated high-solids anaerobic digestion of sewage sludge using low-temperature thermal pretreatment[J]. International Biodeterioration Biodegradation, 2016, 106: 141-149.
[6] 劉建禹, 樊美婷, 劉 科. 高寒地區(qū)沼氣發(fā)酵料液加熱增溫裝置傳熱特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2011, 27(2): 298-301.
[7] 蒲小東, 鄧良偉, 尹 勇,等. 大中型沼氣工程不同加熱方式的經(jīng)濟效益分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2010, 26(7): 281-284.
[8] 隋新. 寒區(qū)沼氣工程能耗分析與節(jié)能技術(shù)研究[D]. 哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學, 2015.
[9] Wang X, Lu X, Yang G, et al. Development process and probable future transformations of rural biogas in China[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 55: 703-712.
[10] Bouallagui H, Haouari O, Touhami Y, et al. Effect of temperature on the performance of an anaerobic tubular reactor treating fruit and vegetable waste[J]. Process Biochemistry, 2004, 39(12): 2143-2148.
[11] Odum E P, Connell C E, Davenport L B. Population Energy Flow of Three Primary Consumer Components of Old-Field Ecosystems[J]. Ecology, 1962, 43(1): 88-96.
[12] Odum H T. Ecological and general systems[M]. Univ:Press of Colorado, 1994.
[13] Yan M C, Odum H T. Eco-economic evolution, emergy evaluation and policy options for the sustainable development of Ti-bet[J]. The Journal of Chinese Geography, 2003, 10(1): 1-27.
[14] 胡中祿, 楊 勁, 張志鵬, 等. “海林農(nóng)場發(fā)展模式” 初探-對海林農(nóng)場經(jīng)濟社會跨越發(fā)展情況的調(diào)查[J]. 農(nóng)場經(jīng)濟管理, 2009(10): 18-24.
[15] 薄 宇. 生態(tài)小城鎮(zhèn)環(huán)境管理機制研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學, 2006.
[16] 鄒 陽. 海林農(nóng)場禽畜糞便資源化利用調(diào)查研究[D]. 大慶:黑龍江八一農(nóng)墾大學, 2016.
[17] 郭 玄, 佟啟玉. 發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟建設低碳農(nóng)業(yè)——黑龍江墾區(qū)海林農(nóng)場發(fā)展畜牧業(yè)循環(huán)經(jīng)濟的調(diào)研報告[J]. 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè), 2015, 01: 6-7.
[18] 趙 光. 兩段式厭氧工藝產(chǎn)甲烷發(fā)酵特性及微生物生態(tài)調(diào)控機制研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2013.
[19] 遠 方, 平 明. 海林農(nóng)場打造中國北歐第一村[J]. 中外企業(yè)家, 2010, Z1: 40-45.
[20] 陸 學, 陳興鵬. 循環(huán)經(jīng)濟理論研究綜述[J]. 中國人口·資源與環(huán)境, 2014, 24(05): 204-208.
[21] 藍盛芳, 霍華德, 歐 登,等. Energy flow and emergy analysis of the agroecosystems of China[J]. 生態(tài)科學, 1998, 17 (01): 34-41.
[22] 駱世明. 農(nóng)業(yè)生態(tài)學[M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社, 2001.
[23] 譚程程. 黑龍江省生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析與情景預測[D]. 哈爾濱:東北林業(yè)大學, 2012.
[24] 熊林金. 寧鄉(xiāng)縣農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析與模式構(gòu)建[D]. 長沙:湖南農(nóng)業(yè)大學, 2013.
[25] 李秀萍, 韓劍萍, 楊德剛. 基于農(nóng)戶的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流分析[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2008, 16 (06): 1535-1540.
[26] 稅 偉, 李碧軍, 白劍平. 基于能流的生態(tài)農(nóng)戶分析與設計方法研究—以川北丘陵區(qū)-肉狗養(yǎng)殖戶為例[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2012, 20(07): 945-955.
[27] 吳發(fā)啟, 朱 麗, 王紅紅. 陜西省西坡村農(nóng)果復合生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能量流特征[J]. 應用生態(tài)學報, 2014, 25(01): 195-200.
[28] 孫 路, 田國成, 吳發(fā)啟. 關(guān)中農(nóng)戶型“豬-沼-糧”循環(huán)農(nóng)業(yè)的能流及效益分析[J]. 中國農(nóng)學通報, 2015, 31(08): 139-144.
[29] 蔣 碧, 李 明, 吳喜慧, 佟小剛, 吳發(fā)啟. 關(guān)中平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)不同秸稈還田模式的能值分析[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2012, 30(06): 178-185.
[30] 高雪松, 鄧良基, 張世熔. 基于能值方法的成都平原農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)秸稈循環(huán)利用模式研究[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報, 2014, 22 (06): 729-736.
The Energy-flow Analysis of Agricultural Circular Economy with the Biogas as the Core in Cold Region /
ZHAO Guang1,2, JI Li-shuang2, GUO Xing2, SUN Ting2, MA Fang1, CHEN Zhong-lin1/
(1.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; 2.School of Chemical and Environmental Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)
Taking the Hailin biogas project as an example, the energy flow direction, and the energy input and output of “cattle-biogas-corn” agricultural circular system were analyzed based on energy flow theory, energy circulation index, energy input-output ratio, and the solar energy utilization rate. The results showed that the “cattle-biogas-corn” mode was beneficial to the development of ecological agriculture and conformed to the requirements of sustainable development. According to the calculation, the circulation index of energy flow was 0.9709, which showed a high sustainable development ability and self-maintaining ability. Yet, energy input-output ratio of the entire circulation system was only 0.0432 because of the energy input-output ratio of the breeding subsystem was very low, showing that the system’ terminal product was at the low level for high value energy transfer. The organic energy and inorganic energy ratio of the system was 34.128, showing that the whole system was in an organic ecological pattern.
biogas energy; “cattle-biogas -corn” circular agricultural system; energy flow; comprehensive evaluation
2016-09-04
2016-10-20
項目來源: 中國博士后科學基金(2014M561361); 遼寧省博士科研啟動基金項目(201501124); 黑龍江墾區(qū)“十三五”規(guī)劃項目(5021609)
趙 光(1980-),男,副教授,主要研究方向為廢棄物資源化利用,E-mail:zhaoguang@lnut.edu.cn 通信作者: 馬 放,E-mail: mafang@hit.edu.cn
S216.4
B
1000-1166(2017)01-0093-07