秸秆还田因能够改善土地质量，促进养分循环利用，在全世界被广泛采用^{[1, 2, 3]}。然而，秸秆还田也可能 增加温室气体排放，并带来环境问题^[4]。高利伟等^[5]通过海量数据分析发现，2006年我国作物秸秆资 源数量超过7.6亿t，其中秸秆还田占24.3%，即还田量达1.85亿t；2010年农业部公布的中国作物稻秆专 项调查报告^[6]提出2009年全国农作物秸秆产出量为8.2亿t，其中秸秆直接还田1.02亿t。陈春兰等^[7]研 究表明半量稻草还田促进了水稻生产力及其稳定性的提高；然而稻草还田显著增加了周年甲烷（CH₄）排 放的总量，增加幅度为25.9%~92.8%^[8]。张斌等^[9]研究结果显示，施用生物质炭量为 40 t·hm^-2时， 可实现稻田稳产目标，并可显著降低稻田CH₄和N₂O痕量温室气体排放的综合温室效应，且在连续两年内 具有稳定的持续效应。大量研究证明，秸秆源生物质炭还田在提高土壤生产力^{[10, 11, 12, 13]}、增加作物产量的 同时^[14]，减少温室气体排放^{[9, 15, 16, 17]}，已经在农田管理中作为一种替代稻草直接还田的技术被广泛 采用。但目前对稻田生态系统秸秆源生物质炭还田的效应评价还比较少。

20世纪80年代末，美国著名生态学家Odum^[18]在系统生态、能量生态和生态经济理论的基础上提出了能 值分析理论，此分析方法以生态系统可持续发展为目标，有效地评价生态效益和经济效益^{[19, 20]}。目前 ，大部分的能值研究主要考虑能值的产投比^{[21, 22]}，对系统生产过程可能带来的环境危害关注较少。

双季稻是中国南方重要的农业生产模式，60%的秸秆直接还田或直接在田间焚烧，带来一系列的环境问题 ^{[23, 24]}。因此，目前亟待对双季稻秸秆还田模式进行生态和经济效益进行评价，找到较好的利用秸秆的 方法。本研究应用能值理论方法对南方双季稻生产系统进行生态效益评价，对不同秸秆还田模式进行对 比分析。

研究区位于湖南省长沙县金井镇的中国科学院亚热带农业生态研究所长沙农业环境观测研究站，试验田 地处113°19′52″ E，28°33′04″ N，海拔80 m，多年平均温度 17.5 ℃，多年年均降雨量为1 330 mm，降雨多集中在每年的3—8月，占年降雨量的60%以上，无霜期约为274 d，属亚热带季风气候区。试 验田土壤类型为铁聚水耕人为土（俗称麻沙泥），成土母质为花岗岩风化物。

试验采用随机区组设计，设置5个处理（表 1），每个处理3次重复。对照（CK），即施氮磷钾肥常规施肥 处理，无秸秆还田和生物质炭施用；低量秸秆还田（低秸，LS），即早、晚稻季各施用稻草3 t·hm^-2（ 以干重计）；高量秸秆还田（高秸，HS），即早、晚稻季各施用稻草6 t·hm^-2（以干重计）；低量秸秆 源生物质炭施用（低生物质炭，LC），即在试验开始时（本试验为早稻季）一次性施入秸秆源生物质炭 （购于河南三利有限公司）24 t·hm^-2，约相当于耕层土重1%；高量秸秆源生物质炭施用（高生物质炭 ，HC），即在试验开始时一次性施入秸秆源生物质炭（购于河南三利有限公司）48 t·hm^-2，约相当于 耕层土重2%。稻草在试验地翻耕前铡成10 cm长小段，均匀撒施于土表。生物质炭在早稻翻耕前一次性均 匀撒于土表，并通过翻耕与表层土体混匀。试验小区田间管理措施均采用常规管理模式，且各小区完全 一致（表 1）。

表 1 不同处理管理措施 Table 1 Management of different treatments

表选项

以2012年一个完整的生产年度为界限，分早稻季和晚稻季分别记录、收集生产过程中的各项投入和支出 数据，利用长沙农业环境观测研究站的小气候气象站收集并记录当天的气象数据（如太阳辐射、降水等 ）。采用静态暗箱-气相色谱法于上午9：00—11：00点间测定稻田CH₄、N₂O和CO₂排放通量^[25]（静态箱 尺寸为0.64 m×0.64 m×1 m，采集气体时箱中罩有植株，早稻品种为湘早45，密度为25穴·m^-2，晚稻 品种为T-优207，密度为20穴·m^-2）。研究中的生产资料、要素及农产品的能量折算系数主要参考闻大 中^{[26, 27, 28]}、骆世明等^{[29, 30]}的研究结果。能值计算的方法是以太阳能值转换率为基准，各项投入与产 出的太阳能值转换率主要参考Odum^[18]、蓝盛芳等^[31]的论著。

能值投入包括可更新的自然资源、不可更新的自然资源、不可更新工业辅助能和可更新有机能4部分。可 更新的自然资源包括太阳能、风能、雨水势能、雨水化学能等；不可更新的自然资源包括表土流失能； 不可更新工业辅助能包括生产中投入的农药、化肥、灌溉等；可更新有机能包括在生产中投入的人力、 种子、秸秆和生物质炭等。能值产出包括籽粒、秸秆和温室气体产出。其中太阳光能=系统土地面积×太 阳光平均辐射量；风能=高度×密度×涡流扩散系数×风速梯度×面积（式中：空气密度为1.29 kg·m^-3 ，涡流扩散系数为12.95 m²·s^-1，风速梯度为3.93×10^-3 m·s^-1）；雨水化学能=土地面积×降雨量× 吉布斯自由能G×密度（式中：吉布斯自由能G为4.94×10³ J·kg^-1，密度为1 000 kg·m^-3）；雨水势 能=系统面积×平均海拔×平均降雨量×密度×重力加速度（式中：密度为1 000 kg·m^-3，重力加速度 为9.8 m·s^-2）；净表土损失能=耕地面积×侵蚀率×流失土壤中有机质含量×有机质能（式中：侵蚀率 为250 g·m^-2·a^-1），流失土壤中有机质含量为3%，有机质能量为2.09×104 J·g^-1）；灌溉水能=灌 溉用水量×河水吉布斯自由能（式中：河水吉布斯自由能为4.77×103 J·kg^-1，密度为1 000 kg·m^-3 ）；秸秆源生物质炭折能系数按照生物质生产中秸秆转化率约40%，保留能量60%，10年循环施用1次计算 而得；温室气体的折能系数参考煤气和天然气的热值替代。根据公式可得表 2。

表 2 不同处理能量投入产出 Table 2 Energy input and output of different treatments

表选项

利用各种自然资源要素的相应能值转换率，将不同度量单位转换为统一的能值单位（sej），太阳能值= 原始数据×太阳能值转换率（表 3）。

表 3 不同处理能值投入产出 Table 3 Emergy input and output of different treatments

表选项

在能值分析表的基础上，建立能值分析指标体系（表 4）。能值自给率、工业辅助能比率、有机辅助能比 率和环境负荷率反应了农业基础水平；购买能值比率、能值投入率、净能值产出率和能值密度反应了农 业经济发展水平；系统生产优势度、系统能值可持续指数、系统稳定性指数、环境污染指数、能值反馈 率和能值产投比反应了农业可持续发展水平，其中环境污染指数主要考虑到温室气体的排放，能值反馈 率考虑到秸秆及秸秆源生物质还田。

表 4 不同处理能值分析指标体系 Table 4 Indexes of emergy analysis of different treatments

表选项

为保证各指标之间具有可比性，首先需要将其转换成标准数据。公式为：B_ij=X_ij/X_jmax。式中B_ij为标 准化数据，X_ij为原始数据，X_jmax为某个评价指标的最大值。再根据如下公式计算各处理的综合评分 ^[32]：

本研究根据模糊数学原理，赋予各指标相同的权重。最后，以综合得分的大小来进行综合评价，得分越 高，则模式越优。对农业可持续发展水平进行评价时，环境污染指数作为负值带入计算。

由表 3数据分析，投入到稻田生态系统的可更新资源主要有太阳能和雨水，其能值投入主要与试验区面积 及气候条件有关，不同处理投入的可更新自然资源的能值相同（图 1）。尽管晚稻比早稻生育期多了21 d ，但雨水主要分布在早稻生育期，因此，早稻生育期可更新自然资源能值比晚稻生育期多3.96×10¹⁵ sej· hm^-2·a^-1。可更新有机能包括劳力、种子和秸秆及秸秆源生物质炭。秸秆及秸秆源生物质炭还田 模式增加了有机物料的投入，可更新有机能值投入显著高于常规施肥处理，其中高量生物质炭处理最高 ，早稻和晚稻生育期均为2.89×10¹⁵ sej·hm^-2·a^-1。

R：可更新自然资源能值；N：不可更新自然资源能值；F：工业辅助能值；T：有机辅助能值 R：Renewable natural, N：Nonrenewable natural resources, F：Industrial emergy, T：Organic emergy图 1 不同处理双季稻田系统能值的投入量 Figure 1 Emergy inputs of double paddy system with different types of straw-return

图选项

不可更新自然资源主要为表土层净损失，不可更新工业辅助能主要为化肥、农药和灌溉用水的投入，不 同处理田间管理措施一致，不可更新能值投入相同，早稻和晚稻生育期不可更新工业辅助能分别为1.19 ×1017、1.24×1017 sej·hm^-2·a^-1（表 3），占系统总能值投入的96.68%和98.41%。

尽管秸秆及秸秆源生物质炭还田增加了可更新有机能能值投入，不同处理能值总投入没有显著差异，早 稻和晚稻生育期均为1.26×1017 sej·hm^-2·a^-1（表 4）。

农田生物量能值产出主要包括水稻秸秆和籽粒的产出，同时扣除了秸秆和种子的投入能值。由于不同处 理的产量和秸秆量不同，又同时考虑到了秸秆及秸秆源生物质炭还田，所以农田生物量能值产出也有较 大差异。早稻和晚稻生育期农田生物量能值产出在秸秆源生物质炭还田处理均最高，稻草直接还田处理 最低，早稻季生物量能值产出依次为：LC>HC>CK>HS>LS，晚稻季依次为：HC>LC>CK>LS>HS（图 2）。通过 表 3数据，从全年两季稻计算，LS和HS处理水稻生物量能值产出比常规施肥处理减少8.13%和10.08%，LC 和HC分别比常规施肥处理增加了11.42%和11.36%，比秸秆直接还田增加了25.08%和16.48%。

Y1：水稻产量；Y2：水稻秸秆生物量；Yg：温室气体排放量 Y1：Rice yield; Y2：Rice straw amount; Yg：Green-house gas emission图 2 不同处理双季稻田系统能值的产出量 Figure 2 Emergy outputs of double paddy system with different types of straw-return

图选项

农田温室气体能值产出主要包括CH₄、N₂O和CO₂ 3种温室气体。图 2显示温室气体排放能值主要受稻田CH₄ 和CO₂排放的影响，其中CH₄排放能值大小与生物量产出能值相反，高量秸秆还田处理最高，分别为2.44 ×10¹⁵、4.51×10¹⁵ sej·hm^-2·a^-1；早稻季高量秸秆源生物质炭还田处理最低为1.01×1014 sej·hm^-2·a^-1，晚稻季低量秸秆源生物质炭还田最低为2.52×1014 sej·hm^-2·a^-1（表 3）。早稻季 秸秆还田和生物质炭还田产生的CO₂量均高于对照处理，且高量秸秆还田处理最高，为1.31×10¹⁵ sej· hm^-2·a^-1；晚稻季CO₂排放能值总体高于早稻季，除低量生物质炭还田处理低于对照处理外，其他处理 均高于对照，且高量生物质炭还田处理最高，为2.99×10¹⁵ sej·hm^-2·a^-1。从全年双季稻期间农田温 室气体能值产出计算，LS和HS处理农田温室气体能值产出分别是常规施肥处理的1.94倍和2.92倍，LC和 HC处理与常规施肥处理差不多（分别是0.99、1.19倍），而分别比LS和HS处理减少了49.10%和59.36%。

根据能值投入产出表，计算出主要的能值指标，见表 4。净能值产出率表明了生产同样的产品需要投入的 经济能值，净能值产出率越高，购买能值的应用效率越高，产品的市场竞争力越强。不同处理晚稻生育 期净能值产出率均高于早稻生育期，并且秸秆源生物质炭处理最高，稻草直接还田处理最低。早稻生育 期LC最高为3.78×10^-2，LS最低为2.60×10^-2；晚稻生育期HC最高为5.06×10^-2，HS最低为4.47×10^-2 。

温室气体排放能值占总产出能值的比率表征环境污染指数。不同处理晚稻生育期环境污染指数均高于早 稻生育期。早稻和晚稻生育期HS均最高，分别为0.55和0.56，早稻生育期CK最低为0.19；晚稻生育期LC 最低为0.28。从全年两季稻来看，秸秆源生物质炭处理（LC、HC）环境污染指数与常规施肥处理差别不 大，分别为0.98、1.12倍，而远低于秸秆直接还田处理，分别是LS、HS处理的0.57、0.52倍。

能值产投比是指农田生物量能值产出与总能值投入的比率，反应了综合资源的利用效率。不同处理晚稻 生育期能值产投比均高于早稻生育期。早稻生育期LC最高为3.78×10^-2，LS最低为2.60×10^-2；晚稻生 育期HC最高为5.06×10^-2，HS最低为4.47×10^-2。5种秸秆还田模式，能值产投比早稻季依次为： LC>HC>CK>HS>LS，晚稻季依次为：HC>LC>CK>LS>HS。

系统能值可持续指数是净能值产出率与环境负荷率的比值，反应了系统的可持续性。不同处理早稻生育 期系统能值可持续指数高于晚稻生育期。早稻生育期LC最高为2.15×10^-3，LS最低为1.48×10^-3；晚稻 生育期HC最高为1.15×10^-3，HS最低为1.02×10^-3。

根据综合评价方法计算各处理农业基础水平、农业经济发展水平和农业可持续发展水平，见表 5。农业基 础水平和农业经济发展水平各处理差别不大。农业可持续发展水平早稻和晚稻生育期HC均最高，分别为 0.72和0.70，早稻生育期LS最低为0.50，晚稻生育期CK最低为0.54，HS次之为0.57。

表 5 不同处理能值综合评价指标 Table 5 Comprehensive evaluation indexes of different treatments

表选项

在南方双季稻生产系统中，表征自然环境资源对经济活动承受力的指标——能值投入率早稻和晚稻季分 别为17.9和46.0，显著高于1998年中国农业系统的能值投入率4.93^[31]，而环境资源能值与总投入能值 比率（能值自给率）早稻和晚稻季分别为0.05和0.02，说明该系统的运转主要依赖于社会经济辅助能值 投入^[32]，这与该地区经济相对比较发达，粮农在稻米生产过程中投入较多资金购买相关生产资料有关 （不可更新能值投入占系统总能值投入的96.68%）。农田生物量产出能值与总辅助投入能值之比的净能 值产出率，是判断系统中社会经济资源利用效率高低与否的指标，在南方双季稻生产系统中，0.03~0.05 的比值说明水稻生产效率极低^[33]。能值高投入，低产出，极大地降低了南方水稻在市场上的竞争力， 大量辅助能值投入没有达到最佳利用效率，影响了经济效益发挥，需要另辟它途，提高系统净能值产出 水平。

不可更新工业辅助能值加上不可更新环境资源能值与可更新自然资源能值加可更新有机辅助能值之比的 环境负荷率是评价环境承压程度的指标，南方双季稻系统环境负荷率早稻和晚稻季分别达到17.6和44.3 ，不仅高于1998年中国农业系统的2.80，也高于发达国家如日本1994年农业系统环境负荷率（14.47） ^[31]，这说明该地区水稻生产已经对自然资源造成了巨大的环境压力，并且在农业生产系统中稻草还田 的种稻系统对环境带来的压力占据相当比例，当前及今后较长一段时间内要充分利用光、热、气等可更 新自然资源，提高利用效率。本研究新增加了环境污染指数来表征稻田温室气体能值占总能值产出的比 率，南方双季稻生产系统环境污染指数有0.19~0.56，说明稻田温室气体排放可能造成的环境问题应引起 足够的重视。

南方双季稻生产系统能值投入结构分析发现，尽管可更新有机辅助能值仅占总能值投入的3%左右，秸秆 不同还田方式引起的有机辅助能值的微小差异却对能值产出产生了显著的影响（图 1~图 2）。由于秸秆或 秸秆源生物质还田增加了双季稻系统可更新有机辅助能值投入，而其他能值投入相同，可以认为能值产 出的差异主要是由秸秆还田方式的不同引起的。稻田秸秆还田造成的温室气体，特别是CH₄排放的增加， 主要是由于增加了稻田的有机物质的投入并减少土壤Eh造成的^[34]。施入生物质炭后，由于生物质炭具 有巨大的比表面积和孔隙度，增加土壤的通气性，有利于CH₄的氧化，从而降低CH₄的排放^{[35, 36, 37]}。秦晓 波等^[38]研究也证实了秸秆直接还田增加了CH₄的排放，而生物质炭的添加显著抑制了CH₄的排放。另外 ，有机物质的投入增加了土壤微生物的呼吸底物，可以显著提升土壤呼吸强度^[39]，从而增加CO₂的排放 强度，并且随着秸秆还田量的增多，土壤呼吸一般也随之加强^{[40, 41]}，与本研究结果一致。生物质炭的 添加，对土壤中原有机碳的分解起到正激发效应^[42]，促进CO₂的排放，可能是本研究中生物质炭处理 CO₂排放量高于对照处理的原因。秸秆还田降低了稻田N₂O的排放（表 2），这可能是因为秸秆还田增加土 壤的通气性，抑制了反硝化微生物活性，从而影响N₂O的产生；张翰林等^[41]研究也得到类似结果，秸秆 还田有利于减少稻季农田N₂O排放量。而生物质炭施入水稻土后，由于其自身含有NH₄⁺-N 或NO₃^--N^[35] ，可能导致了本试验中N₂O排放量的增加，并且，高量生物质炭处理N₂O排放量高于低量生物质炭处理。

应用能值理论对生态经济系统进行可持续发展状况分析，为系统的优化提供参考一直是能值理论研究的 重点和难点。1997年美国生态学家Brown和意大利生态学家Ulgiati^[43]首次提出了能值可持续发展指标 ESI（即EYR/ELR，系统的能值产出率与环境负载率之比）。考虑到可持续发展要求系统能值产出收益的 最大化，陆宏芳等^[44]提出了评价系统可持续发展能力的新指标EISD（能值产出率与能值交换率的乘积 与环境负载率之比）初步实现了能值效益与经济效益的整合。然而，任何一个评价指标都只能反映系统 某一方面的特性，因此不能用ESI或EISD这样的一个单一指标来反映系统的可持续性状况^[45]。本研究综 合考虑系统生产优势度、系统能值可持续指数、系统稳定性指数、环境污染指数、能值反馈率和能值产 投比，对系统可持续发展水平进行综合评价，其中首次引入环境污染指数（作为负效应带入计算）和能 值反馈率（秸秆还田正效应）2个指标，对评价系统的发展有一定的推进作用。本研究结果表明，高量秸 秆源生物质炭还田具有最高的可持续发展水平，可作为南方双季稻区秸秆直接还田的替代技术进行推广 。

本研究首次引入环境污染指数和能值反馈率2个新的指标来考虑系统可持续发展水平。秸秆还田增加了可 更新有机辅助能值的投入，减少了南方双季稻生产系统生物量能值产出，增加了温室气体排放能值。高 量秸秆源生物质炭还田在不减少生物量能值产出的同时，减少了温室气体排放能值，具有更好的可持续 发展水平。在南方双季稻区，秸秆源生物质炭可作为一个经济和生态效益兼顾的措施来利用秸秆资源。