基于能值理论的区域可持续发展理论模型的建立

■张其海 金国花 谢冬明

基于能值理论的区域可持续发展理论模型的建立

■张其海 金国花 谢冬明

能值理论;四维能值理论;区域可持续发展;指标

人类的经济发展依赖于地球提供的自然资源和生态系统服务功能[1]。随着经济的快速增长和人口的急剧膨胀，在自然资源利用、环境保护等方面，人类正面临一系列的矛盾和困境。自从20世纪70年代以来，一个又一个关于人口无限增长和资源过度消耗是不可持续的报告相继出现[2]。在这些报告和著作之中，可持续发展的内涵被着重描述，即可持续发展是一种资源利用的模式，目的是在满足人类需要的同时也要注重保护环境，使得人类的需要不仅仅在当前能够满足，在无限的未来也能够满足[3]。按照可持续发展的内涵，有两个重要的因素必须考虑，一是时间因素，另外一个是人口的因素。时间因素必须满足t→∞，即时间是无限的概念，人的因素是可持续发展的唯一决定因素，只要有人类生存在这个星球上，就要利用和消耗资源。

随着可持续发展理念成为普遍共识，基于可持续发展研究的现状和基础，生态学者和可持续发展领域的专家相继推出了相关的理论体系和核算模型，能值理论是重要的理论体系之一。本文基于Odum的能值理论，探讨区域可持续发展的计算方法，为区域资源保护规划和政策制定提供科学参考。

一、能值理论

(一)能值理论的提出

能值理论是Odum等在20世纪70年代首次提出，经过长达30年的修正和发展，到20世纪90年代末和21世纪初期基本形成了较为完整的理论体系[4]。能值的核算单位是seJ(solar equivalent joules)，它是一套建立在科学基础上的评价系统，采用太阳能值作为统一度量标准描述环境值和经济值[5]。Emergy，测量自然界(nature)和人类生产的产品和服务 (humans in generating products and serves)的功效 (work)，是储存的能量或者已经融入在产品或服务中的能量，用来核算直接或者间接输入在产品或者服务中的一切能量的总量[6][7]。应用统一的基准可以将一切用于生产产品或者提供服务的能量进行核算，能值与能量之间的转换系数为seJ/J，即1J的一种产品或者服务所需要的能值[8][9]。在很多情况下，应用能值单位是非常方便的，许多物质能够通过能值进行数量计算[10][11]。

(二)能值的计算方法

在能值理论的核算过程中，首先需要设计一定的边界条件，即界定系统的边界和系统的内容[12]。在能值理论体系中，有三个重要的要素，即R—可再生资源，N—不可再生资源，F—经济投入。三个要素是能值核算的基础，也是能值系统与环境之间相互作用的基础。

(三)能值理论的指标

为了更好地说明和反映问题，能值理论定义了四个指标[13]，即环境承载率ELR(Environmental Loading Ratio)、能值生产率EYR(the Emergy Yield Ratio)、能值投入率EIR(the Emergy Investment Ratio)和能值可持续指数SI(the Emergy Index of Sustainablity)。四个指标的计算方法如下:

(四)能值理论的发展

能值理论的提出在可持续发展以及经济发展的理论界产生了相当大的影响[14]。不同学者根据能值理论的原理提出修正的能值核算方法，这些方法主要包括三元图能值核算方法，基于能值理论的生态足迹计算方法等[15][1]。

1.三元图能值核算方法

Giannetti等根据能值理论的原理，提出了三元图的能值核算方法，Giannetti等提出的三元图结构图如图1。三元图是一个等边三角形，包括三个要素，即R、N、F，每个要素占据三元图的一个顶点，每条边构成二元坐标系，顶点到对边的垂直线长度代表要素的比值，越靠近顶点，要素的比值就越大，最大值为1，最小值为0。

图1

在三元图能值核算方法中，能值的核算指标环境承载率ELR、能值生产率EYR、能值投入率EIR和能值可持续指数SI分别得到了简化。

三元图能值核算方法的最大贡献是提出了能值系统结构点 (simergic point)，能值系统结构点能够反映一定区域或某一系列产品内的能量流通和消耗情况。Almeida等根据这一核算方法分别用5个案例进行了分析[16]。

2.基于能值理论的生态足迹核算方法

众多学者在能值理论的基础上，提出了生态足迹核算方法，主要用来评估一个区域的生态承载力大小[17][18]。

cc—指人均生态承载力，e—是人均可再生能值量，p1—指地球能值密度。

二、四维能值理论

(一)理论依据

能值理论的假设基础是非常成功的，即自然界一切能量均来自太阳，但是能值理论没有归纳出另外一个特征，即人是自然界能量消耗的唯一主体。太阳是自然界能量的始，人则是自然界能量的终。能量从太阳到人的这一过程，时间是唯一的轴线，把能量始终连贯一体。

(二)边界条件

区域是一个相对的概念，可以是整个地球，可以是一个国家，也可以是一个小流域，但是这个区域在空间上是封闭的体系，太阳是区域内所有能量的唯一源泉，自然界各种物质通过接受太阳能量，转化或者储存，最后由人将能量消耗殆尽。时间是相对的概念，可以是1年，可以是100年，也可以是一万年，但时间是无限的，没有极限，时间t→∞。

(三)四维能值核算方法的要素

核算过程包括四个要素，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，人口数量 P和时间T。

(四)核算指标

核算指标包括，可再生能值消耗总量QRD，不可再生能值消耗总量QND，能值消耗总量QTD，环境承载率ELR，能值可持续指数SI，能值总生产量QTP，能值输入输出量QF，可以取正负值。

其中可再生能值消耗总量:QRD=R×P×T

不可再生能值消耗总量:QND=N×P×T

(五)四维核算方法分析

1.能值时间分析

假设某一区域已经探明的不可再生能值量为QN0，已经开发的可再生能值量为QR0，通过该地区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撑的时间t0。t0是一个临界值，当其他条件不变，人口增长超出预期，则 t0变小，如果人口不变或者减少，年人均能值消耗量也减少，t0才可能延长。

图2

2.可消耗能值总量分析

根据上述假设条件，区域能值可消耗的总量包括可再生能值消耗总量和不可再生能值消耗总量，区域能值消耗总量QTD则为两者之和，即QTD=QRD+QND，在一定条件下，QTD是一个定值。

3.能值趋势分析

随着时间的推移，即时间t0→t1，假设人口总数不变，年人均消耗的各种能值量也不变，由于开发可再生能值的技术条件受到限制，QR0不变(即每年可再生能值供给总量不变)，由于可再生能值的可再生性，因此不受时间条件的影响。区域实际消耗的能值总量为QTD1=QRD0+QND1，很显然，式中 QND1＞QND0，则 QTD1＞QTD0。根据前面的核算结果，QTD0是一个定值，实际消耗量QTD1要大于它是不存在的，因此只有几个办法，即逐渐减少年人均消耗量，或者用新的可再生能值代替，或者从系统外输入QF(QF=QTD1-QDT0)。

4.环境承载率分析

5.能值可持续指数分析

三、讨论与结论

四维能值核算方法综合考虑了时间与人等要素，具有时空尺度变化特征，弥补了以往能值核算方法的不足。计算能值总量时，QT是时间、人口数量与年人均消耗的可再生能值和不可再生能值之和的四个要素三个数值的乘积，总量就好比一个长方体的容积，所有能值的量就像填充在一个盒式的空间里面，所以四维能值核算方法也可以称之为“盒式”核算方法。

四维能值核算方法的关键点是要计算出核算区域的年人均能值消耗量，年人均能值消耗量可以参考核算区域内政府统计部门所公布的数据，结合Odum等学者提出的能值转换系数 (transformity)，就可以算出年人均能值消耗量。

通过四维能值核算方法表明，在现有能值总量一定的情况下，要满足人类对能值需求日益增长的强劲趋势，必须从两个方面寻找突破口，一是降低人均能值消耗，另一方面是开发新的可再生能值。但是，时间是永恒的，也就是说时间是无限的，而不可再生资源是有限的，相对于时间的无限和不可再生资源的有限而言，不可再生资源所能提供的产品和服务必定有一个终点，因此人类有朝一日必须完全依赖可再生能值。根据能值理论的原始思想，太阳是能量的唯一源泉，因此最终的能值总量也是一个定值。太阳是永恒的话，人类一切所需的能量也将是永恒的。因此对影响人类能量消耗的约束因素只剩下一个，那就是人类自身了。

如果人口增长也是永恒的，那么人类要想满足人口增长所需的能量，以及人类对物质和精神生活日益提高所需能量的话，人类唯一的途径就是提高技术，通过技术手段改进人类对太阳能量的利用效率，否则，人类剩下的唯一选择就是人类有节制的控制自己，控制人口过度膨胀。

通过四维能值理论及核算方法，至少可以得出以下几点结论。

1.假设地球每年接收太阳的能量为 QSolar-emergy，这些能量被地球生物转化并储存起来，人类每年消耗的能量为QHuman-emergy，只要满足QSolar-emergy≥QHuman-emergy，人类就不会因为能量的问题而受窘，即只要太阳照到地球上，人类赖以生存的能源就可以得到保障。

2.假设地球每年接收并能够被地球生物转化的太阳能量为 QSolar-emergy，根据QRP=R×P×T，由于时间和QSolar-emergy是定值，因此P的增大即人口增长必然要求R减少，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，必须减少 P值，也就是需要减少人口数量。人类似乎正遭遇这一两难的抉择，人类要想过得更加美好，就必须不断提高科学技术，提高对太阳能值的利用效率;或者在现有的技术条件下，适当的控制人口规模，减少人口数量。

3.从长远来看，完全依赖不可再生能源净输入和不可再生能源净输出来发展经济的方式都是不可持续的。不可再生能源总会有一天被人类消耗殆尽，因此这种能源利用类型的国家或地区唯一的途径就是开发新技术，提高对太阳能的利用效率。

[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]刘淼，胡远满，常禹.基于能值理论的生态足迹方法改进[J].自然资源学报，2008，(3).

[5]隋春花，张耀辉，蓝盛芳.环境-经济系统能值(Emergy)评价-介绍Odum的能值理论[J].重庆环境科学，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.

[12]Lu H-F，Shen S-R，Chen J，et al.“A synthesis evaluation method of economical-ecosystem:Emergy theory and analysis method.”Ecology and Environment，2005，(1).

[13]李双成，傅小峰，郑度.中国经济持续发展水平的能值分析[J].自然资源学报，2001，(4).

[14]李海涛，廖迎春，严茂超.江西生态经济系统的能值分析[J].江西农业大学学报(自然科学版)，2003，(1).

[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，陈艳春，李曼花.基于能值分析的山东省生态足迹[J].生态学杂志，2007，(9).

[18]刘钦普，林振山，冯年华.生态足迹改进模型及在江苏省耕地利用评价中的应用[J].生态学杂志，2007，(10).

解决生态环境问题必须有赖于科学技术的进步，对生态环境问题的正确评价，是认识生态环境问题的首要问题。20世纪末，学术界提出了许多生态环境评价理论和方法，能值理论是重要的理论和方法之一。本文对能值理论进行了简要的回顾与评价，在此基础上，提出了用于评价区域可持续发展的四维能值理论。分析表明，四维能值理论方法综合考虑了世界人口和时间等要素，完善了能值理论在反映生态环境过程中的不足，四维能值理论的指标对于评价生态环境现状、预测生态环境未来趋势以及帮助决策者在制定长远政策等方面都具有一定的指导意义。

F062.2

A

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

张其海(1956—)，男，江西省山江湖开发治理委员会办公室，主要研究方向为生态环境;(江西南昌330046)金国花(1979—)，女，江西省气象局信息中心，主要研究方向为农业气候;(江西南昌 330046)谢冬明(1977—)，男，江西省山江湖开发治理委员会办公室，主要研究方向为生态经济。(江西南昌 330046)

【责任编辑:高 平】