中國(guó)不同類型溫室生態(tài)系統(tǒng)能耗現(xiàn)狀及節(jié)能潛力情景分析.pdf

1、近幾十年來(lái)，農(nóng)業(yè)已成為中國(guó)主要消耗能源產(chǎn)業(yè)之一。在當(dāng)前全球能源危機(jī)的背景下，如何減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中能源的使用以保持農(nóng)業(yè)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向設(shè)施農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，設(shè)施農(nóng)業(yè)成為農(nóng)業(yè)的重要組成部分，也是高耗能的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)之一。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)市場(chǎng)的資源利用率將不斷提高，設(shè)施結(jié)構(gòu)也將不斷改善，這些變化也必將引起設(shè)施農(nóng)業(yè)能源消耗的變化。定量分析設(shè)施農(nóng)業(yè)生命周期中的能源使用現(xiàn)狀，

2、并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其在未來(lái)不同情景下的節(jié)能潛力，是優(yōu)化設(shè)施農(nóng)業(yè)布局和能源使用的前提。溫室作物生產(chǎn)系統(tǒng)作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的主體，其運(yùn)行方案的優(yōu)化和設(shè)計(jì)過(guò)程的不斷完善對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能具有重要的指導(dǎo)作用。本研究以中國(guó)3種典型溫室（竹木土墻日光溫室、塑料大棚和塑料連棟溫室）作物生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)法，使用國(guó)際上通用的能量當(dāng)量模型，綜合考慮溫室建造和溫室作物（番茄、黃瓜）生產(chǎn)過(guò)程，結(jié)合溫室環(huán)境調(diào)控能耗預(yù)測(cè)模型，定量估算中國(guó)不同類型溫室生態(tài)系統(tǒng)能源

3、使用現(xiàn)狀，確定影響能源使用的關(guān)鍵要素。在此基礎(chǔ)上，利用情景分析法，分析提高資源利用率與改進(jìn)溫室建材后，3種溫室作物生態(tài)系統(tǒng)的節(jié)能潛力，并采用成本分析法，對(duì)不同類型溫室作物生態(tài)系統(tǒng)總生產(chǎn)成本現(xiàn)狀及其節(jié)能潛力的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了評(píng)估。主要研究結(jié)果如下:
　　1.溫室生態(tài)系統(tǒng)能耗使用現(xiàn)狀:采用生命周期評(píng)價(jià)法，利用收集到的文獻(xiàn)資料數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算3種溫室生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)單位產(chǎn)量番茄與黃瓜所需能耗并分析不同溫室生態(tài)系統(tǒng)中可再生能源與不可再生能

4、源的利用情況。結(jié)果表明:中國(guó)北方地區(qū)(320N-480N)日光溫室生產(chǎn)單位產(chǎn)量番茄與黃瓜所需能耗分別為2.80MJ·kg-1～4.17 MJ·kg-1和2.90 MJ·kg-1～4.33 MJ·kg-1，無(wú)明顯地域差異。對(duì)各區(qū)該系統(tǒng)單產(chǎn)能耗起決定作用的因素依次是溫室建造(58％～70％)、氮肥(6％～17％)、灌溉水(5％～9％)和農(nóng)藥(2％～14％)，而決定溫室建造能耗的關(guān)鍵因素是墻體的建立。全國(guó)塑料連棟溫室生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)單位產(chǎn)量番茄與

5、黃瓜所需能耗分別為11.0 MJ.kg-1～270.0 MJ·kg-1和14.0 MJ·kg-1～280.0 MJ·kg-1?？販啬芎募s占總能耗的80％～99％，是決定各地區(qū)單產(chǎn)能耗的關(guān)鍵因素，且控溫能耗與地理緯度呈正相關(guān)，因此各地區(qū)連棟溫室系統(tǒng)單產(chǎn)能耗隨地理緯度的升高呈明顯增加趨勢(shì)。中國(guó)南方地區(qū)塑料大棚生產(chǎn)單位產(chǎn)量番茄與黃瓜所需能耗分別為1.24 MJ·kg-1～2.10 MJ·kg-1和1.32 MJ·kg-1～2.42 MJ·kg

6、-1，在塑料大棚生態(tài)系統(tǒng)中起決定因素的是溫室建造(17％～31％)，其次是氮肥(7％～33％)、灌溉水（9％～20％）、農(nóng)藥(6％～16％)與人力(9％～15％)。日光溫室生態(tài)系統(tǒng)可再生能源的利用率達(dá)到了60％～70％，塑料大棚生態(tài)系統(tǒng)的可再生能源利用率達(dá)到了40％，而連棟溫室內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)可再生能源的使用比例幾乎為0％。
　　2.溫室作物生態(tài)系統(tǒng)的節(jié)能潛力:結(jié)合中國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)能耗使用現(xiàn)狀與影響能耗的關(guān)鍵要素，設(shè)定了三種情景，利用情景分

7、析法來(lái)分析3種溫室生態(tài)系統(tǒng)的節(jié)能潛力。
　　(1)情景一:提高作物生產(chǎn)資源利用率，這里只考慮提高溫室作物氮肥利用率、水分利用率和農(nóng)藥利用率。①假定在目前溫室作物產(chǎn)量水平下，降低氮肥、灌溉水與農(nóng)藥的使用量，將氮肥與水分利用率由目前國(guó)內(nèi)水平提高到國(guó)外水平，農(nóng)藥利用率提高10％。結(jié)果表明:提高作物生產(chǎn)資源利用率后，日光溫室、連棟溫室、塑料大棚生產(chǎn)單位產(chǎn)量番茄所需能耗分別降低了5.8％～11.0％、0.2％～3.7％、12.1％～20.1

8、％;單產(chǎn)黃瓜所需能耗分別降低了7.1％～13.0％、0.2％～3.5％、12.6％～18.3％。②假定氮肥、灌水、農(nóng)藥供應(yīng)充足，使用溫室黃瓜無(wú)土栽培營(yíng)養(yǎng)液氮素管理模型預(yù)測(cè)作物未來(lái)產(chǎn)量水平，本情景中只考慮連棟溫室生產(chǎn)黃瓜的生態(tài)系統(tǒng)。結(jié)果表明提高產(chǎn)量水平后，連棟溫室生產(chǎn)單位產(chǎn)量黃瓜所需能耗降低了約50％。
　　(2)情景二:改進(jìn)溫室建材，本情景中只考慮日光溫室建材改進(jìn)，將竹木土墻變?yōu)橥翂︿摷芘c磚墻鋼架日光溫室。結(jié)果表明:與竹木土墻日光

9、溫室相比，土墻鋼架可進(jìn)一步降低日光溫室生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)單位產(chǎn)量番茄與黃瓜所需能耗，降低幅度分別為6.8％～7.9％和6.5％～8.0％;而磚墻鋼架反而會(huì)增加單產(chǎn)所需能耗，增加幅度分別為10.9％～12.7％和10.5％～12.8％。
　　(3)情景三:在提高作物生產(chǎn)資源利用率的基礎(chǔ)上改進(jìn)溫室建材。結(jié)果表明:土墻鋼架日光溫室生產(chǎn)單位產(chǎn)量番茄與黃瓜所需能耗降低幅度分別為14.1％～18.1％和13.8％～18.9％;多數(shù)地區(qū)磚墻鋼架日光溫

10、室生產(chǎn)單位產(chǎn)量番茄與黃瓜所需能耗增加幅度分別為0％～6.1％和0％～7.0％,少部分地區(qū)保持不變。
　　3.溫室作物生態(tài)系統(tǒng)在未來(lái)不同情景下節(jié)能潛力的經(jīng)濟(jì)可行性:利用成本分析法，結(jié)合生產(chǎn)資料的價(jià)格數(shù)據(jù)，估算3種溫室作物生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)單位產(chǎn)量番茄與黃瓜總生產(chǎn)成本及不同情景下的成本變化情況。結(jié)果表明:在目前生產(chǎn)水平下，中國(guó)北方地區(qū)日光溫室生產(chǎn)單位產(chǎn)量番茄與黃瓜所需總生產(chǎn)成本分別為0.68yuan·kg-1～1.16yuan·kg-1和0

11、.77yuan·kg-1～1.23yuan·kg-1;中國(guó)各地區(qū)塑料連棟溫室生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)單位產(chǎn)量番茄與黃瓜所需總生產(chǎn)成本分別為0.98yuan·kg-1～5.97yuan·kg-1和0.96yuan·kg-1～5.72yuan·kg-1;中國(guó)南方地區(qū)塑料大棚生產(chǎn)單位產(chǎn)量番茄與黃瓜所需總生產(chǎn)成本分別為0.99yuan·kg-1～1.76yuan·kg-1和1.08yuan·kg-1～2.07yuan·kg-1。提高作物生產(chǎn)資源利用率，若保

12、持產(chǎn)量水平不變，減少氮肥、灌水與農(nóng)藥的施用量，不僅達(dá)到節(jié)能效果，3種溫室生態(tài)系統(tǒng)單產(chǎn)總生產(chǎn)成本均有小幅度降低，其中塑料大棚生態(tài)系統(tǒng)較為明顯;若保證氮肥、灌水與農(nóng)藥供應(yīng)充足，連棟溫室產(chǎn)量水平提高，能夠較為明顯降低單產(chǎn)成本。而改進(jìn)日光溫室建材導(dǎo)致單產(chǎn)總生產(chǎn)成本發(fā)生變化:使用土墻鋼架日光溫室總生產(chǎn)成本顯著降低，單產(chǎn)番茄與黃瓜的降低幅度分別為8.06％～10.26％和7.68％10.46％，而使用磚墻鋼架會(huì)增加總生產(chǎn)成本，增加幅度分別為2.14

13、％～8.06％和2.22％～8.45％。在提高作物生產(chǎn)資源利用率的基礎(chǔ)上，使用土墻鋼架日光溫室總生產(chǎn)成本降低幅度分別為9.34％～11.56％和9.59％～11.95％，使用磚墻鋼架日光溫室總生產(chǎn)成本增加幅度分別為0.97％～7.02％和0.29％～7.06％。
　　綜上所述，未來(lái)我國(guó)北方地區(qū)日光溫室生態(tài)系統(tǒng)采取的節(jié)能措施應(yīng)考慮改進(jìn)溫室建材與提高作物生產(chǎn)資源利用率兩方面;南方地區(qū)塑料大棚生態(tài)系統(tǒng)未來(lái)節(jié)能方式可以從提高作物生產(chǎn)資源利