农业清洁生产模型与实证研究.pdf

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1、中国人口资源与环境 2010年 第20卷 第11期CHINA POPULATION。RESOURCES AND I孙AriRONMENT V0120 No11 2010农业清洁生产模型与实证研究熊文强1王新杰1，2(1重庆大学资源与环境科学学院，重庆400044；2新疆伊犁师范学院，新疆奎屯833200)摘要农业清洁生产是解决农照面源污染的有效途径。是农业可持续发展的保证。基于农业清洁生产的目标。从农妲输入、生产系统、农业输出三方面、分层次构建农业清洁生产的模型。该模型可以提供对于农业清洁生产现状及其结构、功能的认识；还可对农业渍洁生产的预期行为进行预测，以便采取措施即改变输入变量的数值和条件

2、对其进行控制；且通过一些变量的阚值和评价指标作为限制条件，使农韭渍洁生产系统能符合规定的标准。论文通过对新疆绿洲天山北坡经济带农业清洁生产的案例研究，结合实施农业清洁生产的条件分析和农业资源利用及农业面源污染研究，分析设计了农业清洁生产相应的技术措施。以利将污染控制纳入农业生产的全过程中，从产前、产中以及产后减少污染物的产生。通过经济、环境和社会三方面定性和定量研究相结合。佐证了所构农业清洁生产模型的正确性、可行性和实用性。关键词农业；清洁生产；模型；新疆绿洲；实证中图分类号X38文献标识码A文章编号l舳22l鹏艄)11015407 dei：lO，9癌缸蕊10022104291011啪农业生产

3、对农业环境存在污染和破坏，在某些方面甚至超过了工业。农业污染主要是面源污染，将源于工业的清洁生产引入农业领域，是解决农业面源污染的重要方式L1,6-8J。当前学界农业清洁生产研究不多，尚仍处于概念创新阶段，实证研究刚刚起步。1 2|。本文借鉴工业领域清洁生产技术思路，并结合农业生产已有的定量关系建立农业清洁生产模型，研究从产前、产中以及产后削减农业面源污染，以利实现农业可持续发展。1农业清洁生产体系结构农业清洁生产体系由输入系统、生产系统和输出系统三部分组成。输入系统由能量输入子系统、物质输入子系统和信息输入子系统三个子系统组成。生产系统由种植业子系统、畜禽养殖业子系统、农副产品加工子系统和农

4、民生活子系统四个部分组成，它是农业清洁生产结构的主要部分。输出系统由能量输出子系统、物质输出子系统和信息输出子系统三个部分组成。体系结构见图1。2农业清洁生产模型构建我国农业生产的发展目标是高产、优质、高效，农业清洁生产是通过生产和使用对环境友好的农用化学品，综合利用节水、节肥、节药、节地、节能以及资源综合利用等农收稿日期：2009一1124作者简介：熊文强，教授，主要研究方向为环境保护与清洁生产。154能量输入卜 叫能量输出I匝D 陟Z(1)时，应改变Y；(1)(t)，以调整此变量。(2)总的畜禽的存栏数z2(t)=x1(tI)+矫3(f一1)X铲(t)要求zy(t)sz(2(t)z譬)*(

5、)，其中z譬(t)是最小存栏数，z蛾(t)是最大存栏数，x11(t一1)是畜禽消耗的种植业子系统提供的饲料量，群3(t一1)是畜禽消耗的加工业子系统提供的饲料量(kg)。当z譬l(t)sz(2(f)，将会导致养殖者对草地采用掠夺式开发或占用大量粮食而获取饲料，可通过调整Yi(2(t)或者2(t)来减少畜禽存栏数；当z(2(t)sz譬()时存栏不足，会导致种植业所提供的饲料输出减少或养殖子系统所需劳动力减少，社会效益降低，也可通过调整Yi2(t)或者X瓶2(t)来增加畜禽存栏数。25系统数学模型的构建251种植业子系统由于作物一般是一年收获一次，因此，时间t取以一年为单位的离散变量，即t=k(k

6、=l，2，)。一般来说，第i种作物的经济产量xc；(1(k)由如下模型描述：)(ci(1(k)=Yi(1(k)Pa1czi(k)，CM(k)，C(k)，cn(k)，CFi(k)，Coi(k)式中，比n是第i种作物单位面积的经济产量(髟lm2)；c五(k)是第i种作物优良品种的增产效果；CNi(k)是 155 撼觋万方数据中国人口资源与环境2010年第11期第i种作物单位面积的化肥施用量(kgt删2)；cIi(k)是第i种作物单位面积的有机肥(包括粪肥、绿肥和秸秆还田)施用量(kghm2)；Cpi(k)是第i种作物单位面积的农药施用量(kghm2)；cFi(k)是第i种作物单位面积的地膜使用量(

7、kghm2)；Coi(k)衡量的是种植业机械化水平，用第i种作物每个劳动力所能管理的土地面积来表征(Im一人)，所用劳动力少，表示机械化水平高；(k)是第i中作物采用的农艺技术水平。Pci“)是饧(k)，CNi(k)，CDi(k)，CPi(k)，Cn(k)，Coi(k)，(k)的综合效应函数，此函数在使用过程中，各因素对于产量的贡献，不同地区其函数具体形式可能不同，应按具体地区具体分析，来确定函数关系。对于长期作用、短期内不能够改变的因素可作为对基础产量贡献的因素来简化处理。第i种作物的秸秆产量Xsi(1(t)由如下模型描述：)【si1(t)=xci(1)csi式中，csi是第i种农作物的秸秆

8、比(产)率，本文采用作物地上部分秸秆产量与经济产量的比值来表示，由于收割方式的不同地区地上部分留茬高度不同，秸秆比(产)率有差异，具体计算中可通过文献或现场试验获得相应数据。252畜禽养殖业子系统各种畜禽的自然增殖和粪便排放是随着时间和畜禽年龄的变化在一年内是连续变化的，其年龄a和时间t是个连续变量，但由于研究的是区域农业清洁生产，获得的数据都以年为时间单位的离散变量，所以为研究方便，建立离散模型。k时间第i种畜禽的存栏数由如下模型描述：Xj(2(a，k)=Xu(2(a，k一1)+Yi2(k)TX陇(2(k)C讹(k)式中，xi(2(a，k一1)为上一年的畜禽存栏数；T为时间(年)；C晒(k)

9、为第i种单位畜禽的产肉量；(kg头(只)；X胁2)(k)C胁(k)表示屠宰量。k时间第i种畜禽的粪便产量由如下模型描述：)(Di2(k)=XAi(2(a，k)CDit式中，c肼第i种畜禽的粪便排泄系数(kg头a)，畜禽的粪便排泄系数是指单个动物每天排出粪便的数量，本文采用国家环保总局推荐的排泄系数；t为时间(天)253农副产g,加-r子系统对于加工子系统用如下模型描述：xc3(t)=xo3XL2(t)蚶3(t)=3(t)Xc3(t)式中，xo(3为一个劳动力所能加工的原料量(kg人)；xm(3(t)为单位原料所能加工饲料和粮食量(kgkg) 156254农民生活子系统农民生活子系统用如下模型描

10、述：x04(t)tXL(t)(t)+XL(2(t)+xL(3(t)xW4)(t)=(XL4(t)+4)CW式中，Xm(4为非劳动力人口，Cw为人均垃圾产量(kg人)。26评价指标的选择要衡量农业清洁生产水平，除了考虑有关各子系统的物质产量以外，作为农业清洁生产系统，还应考虑各系统的农业清洁生产指标。作为衡量农业清洁生产水平的指标，在运行此模型时，与物质产量一起给出相应的清洁生产指标的数值，以分析农业清洁生产水平。(1)水资源消耗系数。用来衡量农业水资源利用效率，计算公式如下：AwuaAwuc(t)Aw 2i百万广式中，Aw为农业水资源消耗系数，单位为okg；Awua为不同国家和地区每年淡水资源

11、开采量，单位为m3；Awuei(t)为某作物t时间用水比例15，不同地区种植结构以及种植方式的不同，作物用水比例有差异，如北方为大水漫灌而南方多依靠自然降水，为简化计算，将区域水资源用于农业的用水量与耕地面积相比，得出单位面积用水量，再与某种作物的播种面积相乘，就可大体计算出某种作物的总耗水量；)(ci“(t)为某作物t时间经济产量，单位为l【g。上述农业水资源消耗系数可以大体反映不同地区每生产l奴产量所消耗的人工开采的淡水资源量，其倒数为农业水资源利用效率系数。(2)化肥消耗系数。用来衡量化肥资源利用效率，计算公式如下： Fec=黜式中，Fec为化肥资源消耗系数，Fa崛(t)为t年化肥投入量

12、15，单位为kg。但是由于不同地区种植结构的差异，作物的种植面积有差异，具体计算方式可借鉴可水资源消耗系数，即用化肥实际用量(折纯量)，按总播种面积计算每公顷平均化肥施用量，然后乘上某作物播种面积，得到其所消耗的化肥量，最后被粮食或棉花总产量除而得出。其倒数为化肥利用效率系数。(3)秸秆的系统余量。用来衡量系统对作物所产生秸秆量的消纳水平，计算公式如下：AXs(1(t)=Xs1(t)一Yi”(t)礓一XAi(2(a，t)1lAi1】FT式中，AXs(I)(t)为秸秆在t时间的总余量；吨单位土地面积第i种作物秸秆的可直接还田的最大量；僵一个标准万方数据熊文强等：农业清洁生产模型与实证研究羊单位日

13、消耗秸秆饲料的量。TlAi第i种牲畜换算成标准羊折算系数，与国外采用标准牛不同，我国采用的是标准羊单位，其折算按照我国标准采用牲畜相应体重来换算，具体换算见中华人民共和国农业行业标准NYfr 6352002(天然草地合理载畜量的计算)。(4)畜禽粪便负荷量。4k(t)=Pv(t)Y1(t)=x留(f)彻F1(f)Itl式中，PD(t)为t时间猪粪单位量总和(kg)；V1(t)为t年耕地面积(1m产)；弛为猪粪换算系数，其换算系数依据是按照不同畜禽粪便的养分(氮)含量来计算。(5)地膜回收率。1：(t)=Z呀(t)zF(t)式中，(t)为t时间地膜回收率；z砣(t)为t时间地膜回收量(ks)；Z

14、F(t)为t时间地膜使用量(kg)。3新疆绿洲天山北坡经济带农业清洁生产案例实证新疆绿洲天山北坡经济带，包括乌鲁木齐、石河子和克拉玛依三市和昌吉州的昌吉、米泉、阜康三市和呼图壁、玛纳斯两县，塔城地区的沙湾县和乌苏市，伊犁州的奎屯市，另外还包括兵团农六师、农七师、农八师、农十二师、建工师等单位。新疆天山北坡经济带是一个科技教育事业发达，人才集中，经济水平较高的地区。农业自然条件好但水资源较匮乏，农业以大田灌溉为主，主要种植棉花、玉米和小麦，机械化程度较高，受自然条件特别是无霜期的限制，作物一年一熟，且棉花和玉米等作物的种植对地膜覆盖栽培有较强的依赖。对于畜禽养殖业来说，主要是牛、羊、猪和鸡的养殖

15、，且以集约化养殖为主要方式，是新疆重要的牛奶产业带和优质牛、羊肉产业带。发展秸秆畜牧业在天山北坡经济带有着及其广阔的前景。实证分析的数据资料来源主要是各年度新疆统计年鉴、中国农村统计年鉴、中国区域统计年鉴以及中国县域统计年鉴等，部分数据来自于相关部门的统计报表以及实地调研获得。31种植业子系统作物的单位经济产量Pc；(1)在这里考虑7个因素，其中优良品种、有机肥和农艺技术水平即Czi(k)、Cm(k)和(k)三项是对Pci“)长期作用效果，即一个新的农业品种的应用是个较长的过程，其一旦推广会在一个较长的时期内比较稳定的种植，不会在短期内被淘汰，有机肥的肥效也是一个缓慢的释放过程，栽培方式及种植

16、密度短期内也不会有太大变化。将它们归入土地基本肥力和基础技术来综合考虑，作为基础产量贡献来处理。表l、表2、表3表1天tlJ：ll：坡经济带小麦数据(i=1)1铀1。ndata of the wheat in North Tiamhanslope economic belt(i=1)表2天山北坡经济带玉米数据(i-2)Tab2n砣data of the com in North Tmmhanslope economic belt(i-2)表3天LIJ：II：坡经济带棉花数据(i-3)1曲3 111e data of the cotton in North Tianshanslope econo

17、mic belt(i=3)是对n效应的各项统计数字。通过SPSs软件对表中数据进行多重线性回归分析表明，在天山北坡经济带中，三种作物的单产增长慢于化肥、农药的增长，即边际报酬在下降。同时，玉米和棉花的单产与地膜使用量成相反方向变动，可以推断地膜覆盖作为一种种植方式，其对作物产量的贡献是比较稳定的，用量下降的原因可能是由于使用了超薄膜的结果，这会使地膜回收难度加大。这与实际调查的结果相符，即农民为降低成本而大量使用厚度在001 nlm甚至以下的地膜。机械化程度对小麦产量有一定的正影响，这与小麦种植利于机械化操作有关。对棉花和玉米的产量是负影响，棉花和玉米的放苗(将幼苗从地膜里及时抠出)与收获以及

18、田间管 157万方数据中国人口资源与环境2010年第11期理都不能完全依赖机械作业，增加人力有助于其产量的提高。在秸秆产量的计算中，棉花的秸秆比率为300，小麦的秸秆比率依据于收割高度不同而不同，该区小麦收割为机械收割，其留茬高度基本相同，秸秆比率可统一按103来计算，玉米的秸秆比率为137。天山北坡经济带20(O年秸秆产量计算结果如下：Xst(1(t)=xci(1)Csl=0486109 l【gx整1(t)=Xci1)CSi=0374x lOo ksX整1(t)=xci1)csi=2674lOo kg艺)【s=3534i09 ks可见天山北坡经济带的秸秆产量巨大，由于种植结构的原因，棉花秸秆

19、产量占2006年总产量的绝大多数，且其不能做饲料使用，应是综合利用的重点。32畜禽养殖业子系统在畜禽存栏模型中，由于Yi(2)(k)受多种因素的影响，如市场需求、饲料价格、生育率、自然死亡率等影响，每个年度的yi(2)(k)数值区别较大，目前存栏数可通过各地实际统计获得，对于单个饲养场来说可大体推断出畜禽增长速度Yi(2(k)的数值，但对于区域畜禽养殖来说，Yi(2(k)的数值很难确定，但这并不影响对此模型的运用。一般来说最佳饲养密度以及存栏数可通过Yi(2(k)和x蛐(2(k)CM；(k)来控制，即通过控制繁殖量和屠宰量，做到合理的养殖规模。对于畜禽粪便排泄量CDi的计算，采用国家环保总局推

20、荐的排泄系数见表4。2005年天山北坡经济带粪便排泄量计算结果见表5。33农副产品加工及农民生活子系统农副产品加工是农业产业链的延伸，是农业生产得到的各种原始产品增值的重要途径，是解决农村人口就业、实现产业转化、农民增收的主要手段。农民生活子系统中，模型假设“农民生活子系统能为各子系统提供充足的劳力”。故主要考虑系统所产生的生表4国家环保总局推荐的排泄系数(kg头a)Tab4 The discharge coefficient con呲nended bystateenvironmental protection administration(kgta)注：家禽粪为鸡、鸭粪的平均值。158表5天

21、山北坡经济带各畜禽粪便排泄量(10l(g)Tab5 The amount of the livestock and poultrydischarged in Noah Tianshan slope economic belt注：畜禽粪便排泄量与畜禽粪便负荷量结合可分析农业清洁生产状况。活垃圾，生活垃圾的成分主要是厨房废弃物(废菜、煤灰、蛋壳、废弃的食品)以及废塑料、废纸、碎玻璃、碎陶瓷、废纤维、废电池及其他废弃的生活用品等，组成十分复杂，其中难分解的塑料、玻璃物品以及包装材料的数量增加明显。农村垃圾中30左右为可发酵的物质，垃圾质量的一半以上是可回收循环利用的，如：纸张、纸盒、玻璃、塑料、金属

22、等。按每人每天产生07 ks的生活垃圾15来推算，2006年天山北坡经济带农村垃圾产量为1224万t。34农业清洁生产评价指标分析341水资源消耗系数在计算天山北坡经济带的水资源消耗系数时，由于统计数据没有各作物用水量具体数字，采用区域可利用水资源量用于农业的水量，与区域耕地面积确定作物单位面积水资源量，再由各作物的播种面积得出各作物用水量。2006年天山北坡经济带粮食水资源消耗系数计算如下：Awecmt=(5733941矿117940334)1253=1257 m3ks新疆的农业水资源消耗系数为3521 m3妇粮食，全国的农业水资源消耗系数07396 m3kg粮食。可以看出天山北坡经济带的水

23、资源消耗系数低于全疆水平，但高于全国水平，水资源利用率较低。对于棉花水资源消耗系数的计算，由于品种不分类，可由单位面积用水量与作物单产直接得出，2005年天山北坡经济带棉花水资源消耗系数计算如下：Awecg花=(57339410840334)?2002=O6674 m3kg全疆平均水资源消耗系数为13608 m3ks棉。全疆绝大部分地区均在20 m3kg棉以下，而天山北坡经济带在7 m3水l【g棉以下。可见此区域的水资源利用率高于全疆，从水资源利用角度来看，在农业种植结构中棉花的种万方数据熊文强等：农业清洁生产模型与实证研究植比例应该提高。342化肥消耗系数2006年天山北坡经济带化肥资源消耗

24、系数计算结果如下：Feel宦食=004 Feeble 2 002从粮用化肥利用效率来看天山北坡经济带与全疆(005)相当，优于全国的0069的水平，但与世界的0035还有差距。从棉用化肥利用效率来看天山北坡经济带的002优于全疆的018的水平，化肥利用效率较高。343秸秆系统余量在计算过程中，各参数取值依据相关文献16。礓=4 500 kg雠；啊=18 ke,标准羊日；1lAi：当i=1(牛)，饥=6；i=3(羊)，让=07。由于猪、家禽不采食饲料化秸秆，故此处i=2(猪)，i=4(家禽)时，仉f-0。棉秆不可作为牲畜的饲料，还田量后余量加入总余量部分。首先计算2006年天山北坡经济带小麦和玉

25、米的秸秆余量，计算如下：ZkXsl2(1)=486108+374 X lOs一(636103+10271103)X 4 500一(4278 X 6+356607)10418X 365=一3215108 l【g其中：Y12(1(t)礓=748108 l【gXAI(2(a，t)仙啊T=3326x los l,g然后计算2006年天山北坡经济带棉花的秸秆余量，计算如下：X讯(1)：2674109445154 500105=6708108蝇由上计算可以看出，小麦、玉米秸秆完全可以在生产系统中内部利用，而且从做饲料的角度考虑采用过腹还田的方式，即秸秆全部可用来做饲料。棉花秸秆还田后还有结余，可以考虑通过

26、综合利用来消纳这部分余量，如与煤混合发电或加工制建材。344畜禽粪便负荷量在计算过程中，钕的取值依据相关文献【16，当i=l(牛)，胁m-069；i=2(猪)，协=l；i-3(羊)，胁=123；i=4(家禽)，胁=215。如前所述，2006年天山北坡经济带畜禽粪便负荷量计算结果如下：k=(40734X 069+408l+63707123+8806215)10840605=3187 X 104 kghm2发达国家规定了粪肥施用的最高限量，其猪粪当量为345 X04 kghm2，超过最高限量30容易造成氮素污染地下水和地表水。从北坡经济带的畜禽粪便负荷量来看，区域内是可以消纳其产生畜禽粪便，但实地

27、调查，由于运输和施用方式要占用一定的劳力，且农民嫌麻烦和不卫生，不愿使用。所以，可以从商品化的角度来考虑，可考虑生产商品有机粪肥，既方便使用，又有一定的经济价值。345地膜回收率目前，地膜回收量的统计数据还比较缺乏，只有部分地区做了地膜残留量的抽样调查，据2001年调查，废旧地膜残留亩平均为001l 73 l,em2(176公斤亩)，其中棉花地平均残留量0046 5 kgm2(279公斤亩)，玉米地平均残留量0019 5 kem2(117公斤亩)，小麦地平均残留量0030 2 ke,m2(181公斤亩)，其中一个连续多年连茬种植棉花样点残留量为0244 kgm2(1462公斤亩)。但生态农业经

28、济建设指标要求地膜回收率应达到90以上，借鉴与此，农业清洁生产指标体系中其回收率也应达到此要求。4结果评价基于农业清洁生产的目标，构建农业清洁生产的模型。此模型可以提供对于农业清洁生产现状及其结构、功能的认识，还可对农业清洁生产的预期行为进行预测，以便采取措施，即改变输入变量的数值和条件，对其进行控制。通过一些变量的阈值和评价指标来作为限制条件，使农业清洁生产系统能符合规定的标准。从案例实证模型运行计算结果来看，新疆天山北坡经济带的农业清洁生产水平要优于全疆水平，但部分指标劣于全国，同世界先进水平相比更具有较大差距。此结果是符合客观实际的。总结分析说明：本研究所构建的“农业清洁生产模型”具有可

29、行性和较好的实用性，针对不同地区的农业清洁生产情况，总体结构体系不变，有些指标可略作调整修订，即可适用，值得进一步研究推广。(编辑：田 红)参考文献(Ref酥mc)1吴映梅，李亚，张雷中国区域发展资源环境基础支撑能力动态评价J地域研究与开发，2006，(3)Wu Yi哼nei，LI Ya，丑laIlgLeiEvaluati0f loml Resouree，Envinm鳅Base Supportability inChimJAreal Researeh and Development，2006，(3)2Richard Sn”Unified Force otSustainable Develoml

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39、ricultural iI甲u坞，pro捌on systens and aoieul岫l outputs，this paper builds a model of罐cI删cleanerproduction at different levels based 011 cleaner pFodl埘onThis model can provide the awalene鹞of the present situation ofthe agrieultural ceaner production，and of its structure and functionIt carl predict the e

40、xpeclltlJon behavior of agri汕-acleaner procluetionin order to take m俄旧ures，which is chtmging the value of the iput variables and conditions for contr01It can atso make the a画cIdturalcleaner pro&枷on accord with the slandards of唧lation tl唧the threshold and evaluation index of some variables 118 a rest

41、rictiveconditionThis papelg takes the Xinjiang oasis as a rAl,se stuaycombines condition analysis 011 agriculture cleaner production with agnc1turalnon-point 80Ul-Ce pollution researchand designs the n蔓国s哦of agriculture cleaner pnxtuetion and the pollution control in the whole pTocess tOreduce pollu

42、tions before production，tllI伽曲pl-odl枷on arid妇productionBy doing the qualitative and quantitative research from economy，envimrallent and 80ciety，this paper verified the o啊_11既内慨，the feasibility and the practicality of the modelKey words agricultural；cleaner production；model；Xinjiang oasis；demonstration万方数据