基于能值理論的區域可持續發展理論模型的建立

■張其海 金國花 謝冬明

基于能值理論的區域可持續發展理論模型的建立

■張其海 金國花 謝冬明

能值理論;四維能值理論;區域可持續發展;指標

人類的經濟發展依賴于地球提供的自然資源和生態系統服務功能[1]。隨著經濟的快速增長和人口的急劇膨脹，在自然資源利用、環境保護等方面，人類正面臨一系列的矛盾和困境。自從20世紀70年代以來，一個又一個關于人口無限增長和資源過度消耗是不可持續的報告相繼出現[2]。在這些報告和著作之中，可持續發展的內涵被著重描述，即可持續發展是一種資源利用的模式，目的是在滿足人類需要的同時也要注重保護環境，使得人類的需要不僅僅在當前能夠滿足，在無限的未來也能夠滿足[3]。按照可持續發展的內涵，有兩個重要的因素必須考慮，一是時間因素，另外一個是人口的因素。時間因素必須滿足t→∞，即時間是無限的概念，人的因素是可持續發展的唯一決定因素，只要有人類生存在這個星球上，就要利用和消耗資源。

隨著可持續發展理念成為普遍共識，基于可持續發展研究的現狀和基礎，生態學者和可持續發展領域的專家相繼推出了相關的理論體系和核算模型，能值理論是重要的理論體系之一。本文基于Odum的能值理論，探討區域可持續發展的計算方法，為區域資源保護規劃和政策制定提供科學參考。

一、能值理論

(一)能值理論的提出

能值理論是Odum等在20世紀70年代首次提出，經過長達30年的修正和發展，到20世紀90年代末和21世紀初期基本形成了較為完整的理論體系[4]。能值的核算單位是seJ(solar equivalent joules)，它是一套建立在科學基礎上的評價系統，采用太陽能值作為統一度量標準描述環境值和經濟值[5]。Emergy，測量自然界(nature)和人類生產的產品和服務 (humans in generating products and serves)的功效 (work)，是儲存的能量或者已經融入在產品或服務中的能量，用來核算直接或者間接輸入在產品或者服務中的一切能量的總量[6][7]。應用統一的基準可以將一切用于生產產品或者提供服務的能量進行核算，能值與能量之間的轉換系數為seJ/J，即1J的一種產品或者服務所需要的能值[8][9]。在很多情況下，應用能值單位是非常方便的，許多物質能夠通過能值進行數量計算[10][11]。

(二)能值的計算方法

在能值理論的核算過程中，首先需要設計一定的邊界條件，即界定系統的邊界和系統的內容[12]。在能值理論體系中，有三個重要的要素，即R—可再生資源，N—不可再生資源，F—經濟投入。三個要素是能值核算的基礎，也是能值系統與環境之間相互作用的基礎。

(三)能值理論的指標

為了更好地說明和反映問題，能值理論定義了四個指標[13]，即環境承載率ELR(Environmental Loading Ratio)、能值生產率EYR(the Emergy Yield Ratio)、能值投入率EIR(the Emergy Investment Ratio)和能值可持續指數SI(the Emergy Index of Sustainablity)。四個指標的計算方法如下:

(四)能值理論的發展

能值理論的提出在可持續發展以及經濟發展的理論界產生了相當大的影響[14]。不同學者根據能值理論的原理提出修正的能值核算方法，這些方法主要包括三元圖能值核算方法，基于能值理論的生態足跡計算方法等[15][1]。

1.三元圖能值核算方法

Giannetti等根據能值理論的原理，提出了三元圖的能值核算方法，Giannetti等提出的三元圖結構圖如圖1。三元圖是一個等邊三角形，包括三個要素，即R、N、F，每個要素占據三元圖的一個頂點，每條邊構成二元坐標系，頂點到對邊的垂直線長度代表要素的比值，越靠近頂點，要素的比值就越大，最大值為1，最小值為0。

圖1

在三元圖能值核算方法中，能值的核算指標環境承載率ELR、能值生產率EYR、能值投入率EIR和能值可持續指數SI分別得到了簡化。

三元圖能值核算方法的最大貢獻是提出了能值系統結構點 (simergic point)，能值系統結構點能夠反映一定區域或某一系列產品內的能量流通和消耗情況。Almeida等根據這一核算方法分別用5個案例進行了分析[16]。

2.基于能值理論的生態足跡核算方法

眾多學者在能值理論的基礎上，提出了生態足跡核算方法，主要用來評估一個區域的生態承載力大小[17][18]。

cc—指人均生態承載力，e—是人均可再生能值量，p1—指地球能值密度。

二、四維能值理論

(一)理論依據

能值理論的假設基礎是非常成功的，即自然界一切能量均來自太陽，但是能值理論沒有歸納出另外一個特征，即人是自然界能量消耗的唯一主體。太陽是自然界能量的始，人則是自然界能量的終。能量從太陽到人的這一過程，時間是唯一的軸線，把能量始終連貫一體。

(二)邊界條件

區域是一個相對的概念，可以是整個地球，可以是一個國家，也可以是一個小流域，但是這個區域在空間上是封閉的體系，太陽是區域內所有能量的唯一源泉，自然界各種物質通過接受太陽能量，轉化或者儲存，最后由人將能量消耗殆盡。時間是相對的概念，可以是1年，可以是100年，也可以是一萬年，但時間是無限的，沒有極限，時間t→∞。

(三)四維能值核算方法的要素

核算過程包括四個要素，即年人均消耗可再生能值量 R，年人均消耗不可再生能值量N，人口數量 P和時間T。

(四)核算指標

核算指標包括，可再生能值消耗總量QRD，不可再生能值消耗總量QND，能值消耗總量QTD，環境承載率ELR，能值可持續指數SI，能值總生產量QTP，能值輸入輸出量QF，可以取正負值。

其中可再生能值消耗總量:QRD=R×P×T

不可再生能值消耗總量:QND=N×P×T

(五)四維核算方法分析

1.能值時間分析

假設某一區域已經探明的不可再生能值量為QN0，已經開發的可再生能值量為QR0，通過該地區的人口和年人均消耗的不可再生能值量n0，就可以算出不可再生能值量所能支撐的時間t0。t0是一個臨界值，當其他條件不變，人口增長超出預期，則 t0變小，如果人口不變或者減少，年人均能值消耗量也減少，t0才可能延長。

圖2

2.可消耗能值總量分析

根據上述假設條件，區域能值可消耗的總量包括可再生能值消耗總量和不可再生能值消耗總量，區域能值消耗總量QTD則為兩者之和，即QTD=QRD+QND，在一定條件下，QTD是一個定值。

3.能值趨勢分析

隨著時間的推移，即時間t0→t1，假設人口總數不變，年人均消耗的各種能值量也不變，由于開發可再生能值的技術條件受到限制，QR0不變(即每年可再生能值供給總量不變)，由于可再生能值的可再生性，因此不受時間條件的影響。區域實際消耗的能值總量為QTD1=QRD0+QND1，很顯然，式中 QND1＞QND0，則 QTD1＞QTD0。根據前面的核算結果，QTD0是一個定值，實際消耗量QTD1要大于它是不存在的，因此只有幾個辦法，即逐漸減少年人均消耗量，或者用新的可再生能值代替，或者從系統外輸入QF(QF=QTD1-QDT0)。

4.環境承載率分析

5.能值可持續指數分析

三、討論與結論

四維能值核算方法綜合考慮了時間與人等要素，具有時空尺度變化特征，彌補了以往能值核算方法的不足。計算能值總量時，QT是時間、人口數量與年人均消耗的可再生能值和不可再生能值之和的四個要素三個數值的乘積，總量就好比一個長方體的容積，所有能值的量就像填充在一個盒式的空間里面，所以四維能值核算方法也可以稱之為“盒式”核算方法。

四維能值核算方法的關鍵點是要計算出核算區域的年人均能值消耗量，年人均能值消耗量可以參考核算區域內政府統計部門所公布的數據，結合Odum等學者提出的能值轉換系數 (transformity)，就可以算出年人均能值消耗量。

通過四維能值核算方法表明，在現有能值總量一定的情況下，要滿足人類對能值需求日益增長的強勁趨勢，必須從兩個方面尋找突破口，一是降低人均能值消耗，另一方面是開發新的可再生能值。但是，時間是永恒的，也就是說時間是無限的，而不可再生資源是有限的，相對于時間的無限和不可再生資源的有限而言，不可再生資源所能提供的產品和服務必定有一個終點，因此人類有朝一日必須完全依賴可再生能值。根據能值理論的原始思想，太陽是能量的唯一源泉，因此最終的能值總量也是一個定值。太陽是永恒的話，人類一切所需的能量也將是永恒的。因此對影響人類能量消耗的約束因素只剩下一個，那就是人類自身了。

如果人口增長也是永恒的，那么人類要想滿足人口增長所需的能量，以及人類對物質和精神生活日益提高所需能量的話，人類唯一的途徑就是提高技術，通過技術手段改進人類對太陽能量的利用效率，否則，人類剩下的唯一選擇就是人類有節制的控制自己，控制人口過度膨脹。

通過四維能值理論及核算方法，至少可以得出以下幾點結論。

1.假設地球每年接收太陽的能量為 QSolar-emergy，這些能量被地球生物轉化并儲存起來，人類每年消耗的能量為QHuman-emergy，只要滿足QSolar-emergy≥QHuman-emergy，人類就不會因為能量的問題而受窘，即只要太陽照到地球上，人類賴以生存的能源就可以得到保障。

2.假設地球每年接收并能夠被地球生物轉化的太陽能量為 QSolar-emergy，根據QRP=R×P×T，由于時間和QSolar-emergy是定值，因此P的增大即人口增長必然要求R減少，也就是需要降低年人均能值消耗量;如果要提高年人均能值消耗量，即R要增大，必須減少 P值，也就是需要減少人口數量。人類似乎正遭遇這一兩難的抉擇，人類要想過得更加美好，就必須不斷提高科學技術，提高對太陽能值的利用效率;或者在現有的技術條件下，適當的控制人口規模，減少人口數量。

3.從長遠來看，完全依賴不可再生能源凈輸入和不可再生能源凈輸出來發展經濟的方式都是不可持續的。不可再生能源總會有一天被人類消耗殆盡，因此這種能源利用類型的國家或地區唯一的途徑就是開發新技術，提高對太陽能的利用效率。

[1]Xie G-D，Cao S-Y，Lu C-X，et al.“Human's consumption of ecosystem services and ecological debt in China.”Journal of Natural Resources， 2010，(1).

[2]Zhao S，Li Z-Z， Liao W-L.“A modified method of ecological footprint calculation and its application.”Ecological Modelling，2005.

[3]World Commission on Environment and Development.Our common future.Oxford:Oxford University Press，1987.

[4]劉淼，胡遠滿，常禹.基于能值理論的生態足跡方法改進[J].自然資源學報，2008，(3).

[5]隋春花，張耀輝，藍盛芳.環境-經濟系統能值(Emergy)評價-介紹Odum的能值理論[J].重慶環境科學，1999，(1).

[6]Odum HT.Systems ecology:an introduction.New York:Wiley，1983.

[7]Odum HT.“Self-organization，transformity，andinformation.”Science，1988，

[8]Odum E.Ecology and our endangered life support systems.Sunderland:Sinauer Associates，Inc.，1989.

[9]Odum HT.Environment accounting:emergy and environment decision making.New York:John Wiley，1996.

[10]Ulgiati S，Brovon MT，Giampietro M，et al.Advances in energy studies.Roma:MUSIS，1998.

[11]Odum HT，Brown MT，Williams，SB.Center for Environmental Policy.Handbook of emergy evaluations folios 1-4.University of Florida，2000.

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[13]李雙成，傅小峰，鄭度.中國經濟持續發展水平的能值分析[J].自然資源學報，2001，(4).

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[15]Giannetti BF，Barrella FA，Almeida CMVB.“A combined tool for environmental scientists and decision makers:ternary diagrams and emergy accounting.”Journal of Cleaner Production，2006.

[16]Almeida CMVB，Barrella FA，Giannetti BF.“Emer getic ternary diagrams:five examples for application in environmental accounting for decision-making.”Journal of Cleaner Production，2007.

[17]王建源，陳艷春，李曼花.基于能值分析的山東省生態足跡[J].生態學雜志，2007，(9).

[18]劉欽普，林振山，馮年華.生態足跡改進模型及在江蘇省耕地利用評價中的應用[J].生態學雜志，2007，(10).

解決生態環境問題必須有賴于科學技術的進步，對生態環境問題的正確評價，是認識生態環境問題的首要問題。20世紀末，學術界提出了許多生態環境評價理論和方法，能值理論是重要的理論和方法之一。本文對能值理論進行了簡要的回顧與評價，在此基礎上，提出了用于評價區域可持續發展的四維能值理論。分析表明，四維能值理論方法綜合考慮了世界人口和時間等要素，完善了能值理論在反映生態環境過程中的不足，四維能值理論的指標對于評價生態環境現狀、預測生態環境未來趨勢以及幫助決策者在制定長遠政策等方面都具有一定的指導意義。

F062.2

A

1004-518X(2011)11-0087-04

張其海(1956—)，男，江西省山江湖開發治理委員會辦公室，主要研究方向為生態環境;(江西南昌330046)金國花(1979—)，女，江西省氣象局信息中心，主要研究方向為農業氣候;(江西南昌 330046)謝冬明(1977—)，男，江西省山江湖開發治理委員會辦公室，主要研究方向為生態經濟。(江西南昌 330046)

【責任編輯:高 平】