能值分析方法的應(yīng)用與展望

劉維麗，程錦添，杭桂蘭，莊凌峰

（ 福建技術(shù)師范學(xué)院 a.材料與環(huán)境工程學(xué)院；b.近海流域環(huán)境測控治理福建省高校重點實驗室；c.經(jīng)濟與管理學(xué)院，福建福清 350300）

能值理論與分析方法是一種新的生態(tài)經(jīng)濟價值論和系統(tǒng)分析方法[1].與其它產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的研究方法相比，能值理論計入了資源和環(huán)境的投入和損耗，通過以能值轉(zhuǎn)換率(Emergy Transformity) 和能值／貨幣比 (Emergy／$)為轉(zhuǎn)換介質(zhì)，突破了不同介質(zhì)的能量不能統(tǒng)一評價的難題，實現(xiàn)了生態(tài)與經(jīng)濟價值的統(tǒng)一評價，使經(jīng)濟系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的能流、物流及貨幣流的相互換算及相互轉(zhuǎn)化成為可能[2].文章將對能值理論的提出、能值理論與分析方法中的系統(tǒng)評價指標的改進，以及這些能值分析方法與其他模型方法相結(jié)合在實際案例應(yīng)用進行論述，最后提出能值理論仍需改進的方面，并探討了該理論未來的發(fā)展方向.

1 能值理論的提出

19世紀初，生物學(xué)家Alfred Lotka首次提出了熱力學(xué)第四定律[3]，這標志著基于最大功率原則的能值理論已經(jīng)初現(xiàn).20世紀50年代，Odum意識到生態(tài)動力學(xué)的重要性，“能值”這一概念初現(xiàn)雛形[4].隨后，他又認識到將不同類型能量同一化的必要性[5]，并基于熱力學(xué)原理拓展最大功率原則的內(nèi)涵.20世紀70年代，人類面臨嚴重的能源危機，當人類逐漸意識到工業(yè)活動對生態(tài)系統(tǒng)的負面影響時，Odum已經(jīng)認識到生態(tài)系統(tǒng)在全球經(jīng)濟體制中的重要地位，并深入研究了生態(tài)系統(tǒng)的能量學(xué).基于此，他提出了一系列關(guān)于能值的重要理論和觀點[6].通過不斷深入研究與完善，Odum于20世紀80年代后期創(chuàng)立了能值理論和分析方法.其理論認為能值是指生產(chǎn)一種產(chǎn)品或服務(wù)的過程中所需要直接或間接投入的有效能，通常是以太陽能的形式來表示.地球在太陽能的作用下形成了地球的生態(tài)系統(tǒng)，人類在這個大的生態(tài)系統(tǒng)下進行經(jīng)濟活動，與自然系統(tǒng)進行物質(zhì)和能量交換，形成了物質(zhì)流、能量流等的交換和傳送（如圖1），因此形成了人類特有的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng).

圖1 能值理論分析方法的能流示意圖

2 能值理論的評價指標

能值理論是通過其評價指標來反映一個生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)功能，不同生態(tài)系統(tǒng)和復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)通過能值計算，可得出一系列能值綜合指標，從而綜合反映該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能與效率[7].大體來說，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指標和系統(tǒng)功能指標是能值理論綜合指標的兩大類型（見表1）.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指標主要有可更新能值、不可更新能值、輸入的商品和服務(wù)能值、廢物能值等指標，它反映可更新與不可更新資源在產(chǎn)品投入產(chǎn)出過程中的依賴程度.可更新資源能值比和不可更新資源能值比反映系統(tǒng)的資源組成結(jié)構(gòu)，該比值越高，說明系統(tǒng)可持續(xù)性越好[8].系統(tǒng)的功能指標包括能值貨幣率，能值投資率，環(huán)境負載率，可持續(xù)發(fā)展指標等，這些指標之所以能通常被看作是反映系統(tǒng)綜合分析及社會經(jīng)濟發(fā)展決策參考的重要指標體系，是因為它們不僅能夠反映自然環(huán)境資源的價值和人類社會經(jīng)濟發(fā)展，而且還能體現(xiàn)及環(huán)境與經(jīng)濟、人與自然的關(guān)系[9].

表1 能值常用指標表

2.1 能值評價指標的改進與應(yīng)用

2.1.1 可持續(xù)發(fā)展指標（ESI）

可持續(xù)發(fā)展指標（ESI）是1997年美國生態(tài)學(xué)家Brown和意大利生態(tài)學(xué)家Ulgiati提出的，表達式為ESI=EYR/ELR，表示在一個生產(chǎn)過程中不可更新資源占可更新資源的比重[10].當ESI＞10時，該系統(tǒng)環(huán)境負載率超重；當1＜ESI＜10時，系統(tǒng)處于經(jīng)濟發(fā)展中；當ESI＜1時，說明該系統(tǒng)屬于發(fā)達系統(tǒng).該指標能夠反映一個系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展能力，尤其是在對于資源節(jié)約和資源保護的角度，但在現(xiàn)實應(yīng)用中存在兩點不足.第一，該指標只反映資源利用對于環(huán)境影響的反應(yīng)，忽略了在生產(chǎn)過程中廢物產(chǎn)生對環(huán)境的影響.由于EYR的產(chǎn)出不全是正向產(chǎn)品能值的產(chǎn)出，在產(chǎn)品和服務(wù)的生產(chǎn)過程中常會伴有廢物的產(chǎn)生.然而，由于當今科技、技術(shù)、環(huán)境和條件的限制，廢物不能完全“變廢為寶”，所以不能把EYR全部概括為正向的能值，同時還應(yīng)該在能值計算時考慮廢棄物的排放情況.因此，一些學(xué)者在指標使用過程中通過把廢物產(chǎn)生也考慮在內(nèi)對ESI指標進行完善.陸宏芳等在對珠江三角洲中山市1996—2000年的發(fā)展動態(tài)為例進行案例研究時考慮了系統(tǒng)能值產(chǎn)出的實際經(jīng)濟效果， 在環(huán)境影響評價中同時考慮了系統(tǒng)的消耗影響和排放影響，計算時在分母中加入了廢物可更新能值比(EWI)，把廢物的能值的利用情況很確切地表達了出來[11].賈小樂等通過對環(huán)太湖城市群中五個城市的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析，建立環(huán)太湖城市群能值指標評估體系，并以其中的廢棄物流能值說明廢棄物排放和利用水平不足仍有待提升[12].第二，在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的環(huán)境污染，包括廢水、廢氣等有毒有害物質(zhì)的排放也是對系統(tǒng)能值產(chǎn)生的負向影響，這在傳統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展指標ESI中也不能很好地體現(xiàn).對此，一些學(xué)者也通過不同的方法對ESI指標進行改進來表示生產(chǎn)過程的環(huán)境污染對可持續(xù)發(fā)展指標的影響.陸宏芳等人在對珠江三角洲瓜菜基魚塘模式的案例研究中對于環(huán)境承載率指數(shù)（ELR）有了新的研究進展，首次用污染等級的方法體現(xiàn)了污染物對于環(huán)境的污染[13]；成福偉等[14]以承德為研究區(qū)域，通過環(huán)境承載率（ELR）、廢物能值比率（EWR）和廢棄物與可更新資源能值比率（EWRR）等指標，從能值的投入和產(chǎn)出、區(qū)域環(huán)境壓力及可持續(xù)發(fā)展狀況綜合說明了承德可持續(xù)發(fā)展復(fù)合指數(shù)(EISD)呈下降趨勢.

2.1.2 廢物能值比

廢物能值比是指在生產(chǎn)過程中排放的廢物能所占能值總產(chǎn)出的比重，其原始的指標表達式是EmW =Ew/Eu，需要指出的是在這個表達式中沒有體現(xiàn)出共生產(chǎn)品和分離物的區(qū)別，但兩者的能值轉(zhuǎn)換率不盡相同，其中共生產(chǎn)品是指在生產(chǎn)過程中理化性質(zhì)發(fā)生改變的副產(chǎn)品，而分離物是指在生產(chǎn)過程中理化性質(zhì)與投入物未發(fā)生根本改變的副產(chǎn)品.Geng 等在對大連市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)的評價中以電廠和噴圖板為例首次分別說明了共生產(chǎn)品與分離物的能值轉(zhuǎn)換率的表達式，以及兩者可以作為下一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的投入者[15]; 在工業(yè)系統(tǒng)廢物的管理中，Mu等針對工業(yè)系統(tǒng)廢物排放對環(huán)境的影響，提出了改進后的能值指標，其在案例中的結(jié)果也顯示了在生產(chǎn)過程中廢物管理與其環(huán)境影響聯(lián)系的優(yōu)越性[16]；對于廢水的排放，Zhang 等針對重慶萬州的污水處理廠廢水的排放及污泥的填埋對比了兩個方案，第一方案是將廢水和污泥直接排放和填埋;第二方案是將廢水回收重新處理再利用.結(jié)果表明第一方案的經(jīng)濟效益雖然比第二方案要好些，但是其環(huán)境壓力大；而第二方案的可持續(xù)發(fā)展能力明顯強于第一方案[17].

2.1.3 能值指標的拓展研究

一些現(xiàn)有的能值指標中不能充分反映生態(tài)經(jīng)濟的特征.例如，當今經(jīng)濟形勢下，出口及投資扮演重要角色，成為拉動經(jīng)濟的重要指標，但在能值的分析方法中與此相關(guān)的只有能值投資率，反映的是投入的經(jīng)濟反饋與本地能值的比值關(guān)系.倘若評價一個工業(yè)系統(tǒng)，此指標就不能反映出這個指標比例是當?shù)氐耐顿Y比例還是外資的比例.同時出口也是衡量一個地區(qū)或工業(yè)體系的重要經(jīng)濟指標，但現(xiàn)有的能值產(chǎn)出里只有總產(chǎn)出的能值比例，它并未反映一個地區(qū)的出口能值比例.對此，陸宏芳等在一項區(qū)域能值的分析研究中通過構(gòu)建與出口有關(guān)的能值指標，如外資能值依賴率、能值出口率和能值內(nèi)部反饋率等，并通過這些指標反映改革開放22年來順德市產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)，結(jié)果表明這些新指標可以針對該產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)特點，進行有的針對性的分析研究，同時具有多尺度整合研究的擴展彈性[18].

2.2 能值理論與其他模型方法相結(jié)合

能值理論與分析方法與其他理論和方法相結(jié)合不僅拓展了其應(yīng)用的領(lǐng)域，同時也彌補了其他模型方法的局限.

第一，基于能值分析方法的生態(tài)足跡模型是一種評估生態(tài)足跡和生態(tài)承載力的新模型.該模型先通過能值轉(zhuǎn)換率把各種不同的能量轉(zhuǎn)換成同一標準能值，通過能值密度，將各消費項目的太陽能值換算成相對應(yīng)的生物生產(chǎn)性土地面積，計算出該區(qū)域的生態(tài)足跡和生態(tài)承載力，來評價其可持續(xù)發(fā)展狀況.劉志杰等運用該方法評價了西寧市2007年的生態(tài)足跡[19]；趙志強等對2006年深圳市做了以能值理論為基礎(chǔ)的生態(tài)足跡分析[20]；以及劉淼等應(yīng)用基于能值理論的生態(tài)足跡方法對岷江上游1982到2002年的生態(tài)承載力進行了分析[21]等；馬自坤等運用能值—生態(tài)足跡模型評估隴南市從2005到2015年的生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展動態(tài)變化[22]；曹威威等以能值生態(tài)足跡模型為理論基礎(chǔ)通過比較已有模型存在的不足并利用改進模型實證分析了海南生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)所面臨的危機，說明了海南生態(tài)環(huán)境正在遭受破壞，其生態(tài)優(yōu)勢正在逐漸喪失[23]；張萌萌等在原有生態(tài)足跡模型的基礎(chǔ)上引入污染廢棄物用地指標和均衡因子最新研究成果，對江蘇省2005到2015年生態(tài)承載力進行研究，結(jié)果表明能值生態(tài)足跡遠大于能值生態(tài)承載力處于不可持續(xù)發(fā)展狀態(tài)[24].

第二，能值理論與地理信息系統(tǒng)(GIS)的結(jié)合能更好地反映區(qū)域內(nèi)部能量流動效率、資源環(huán)境價值和生態(tài)安全空間差異.胡嘵輝等運用結(jié)合后的方法對福建省67個縣(市)樣本的農(nóng)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)各方面進行了等級劃分和空間差異表達，結(jié)果顯示空間差異存在著明顯的地理與地勢指向性，沿海低地縣(市)在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展水平和農(nóng)民生活水平上有絕對優(yōu)勢，但優(yōu)勢可持續(xù)力很弱；內(nèi)陸山區(qū)縣(市)在農(nóng)業(yè)自然環(huán)境條件與可持續(xù)發(fā)展性能上有明顯的區(qū)域比較優(yōu)勢.并據(jù)此將福建省農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)在空間上劃分為閩西北山區(qū)、閩東北沿海及近海地區(qū)、中部內(nèi)陸地區(qū)和閩東南沿海地區(qū)4個農(nóng)業(yè)生態(tài)特征區(qū)，為區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)規(guī)劃與決策管理提供較為科學(xué)的依據(jù)[25-26].又如能值理論與生命周期（LCA）方法的結(jié)合不僅記入了自然資源的投入，拓展了原始LCA方法的邊界同時也根據(jù)LCA方法的特點計算出了在生產(chǎn)過程中各個環(huán)節(jié)對于環(huán)境的影響.Ingwersen 在對于一個金礦的案例中結(jié)合了以上兩種方法，發(fā)現(xiàn)采礦和冶金的過程是產(chǎn)生環(huán)境影響最大的兩個環(huán)節(jié)，而不是在形成金礦石的過程中[27]；Duan 等在評價北京濕地對于環(huán)境的影響時也運用了能值理論分析方法與LCA相結(jié)合的方法，結(jié)果表明增加綠地面積，運用環(huán)境友好材料最優(yōu)化建筑技術(shù)和減少消耗可以增強濕地的可持續(xù)發(fā)展能力[28].

3 能值理論的不足

盡管能值理論在近40年的發(fā)展中取得了明顯的進步，但該理論及方法在實際應(yīng)用中仍存在被質(zhì)疑和不完善之處.

3.1 能值轉(zhuǎn)換率的不準確性

能值轉(zhuǎn)換率的定義為形成每單位某物質(zhì)或能量所需的另一種能量的量，單位Sek/J或Sej/g.要比較不同物質(zhì)的能量首先需要通過能值轉(zhuǎn)換率換算成相同能量單位的太陽能.由此可見，能值轉(zhuǎn)換率是計算各種能流、物流以及信息流的關(guān)鍵.盡管Odum已給出自然界和人類社會主要能量和物質(zhì)的能值轉(zhuǎn)換率，能基本滿足能值分析需要，但因為生產(chǎn)水平及效益的不同，使得人類經(jīng)濟產(chǎn)品的能值轉(zhuǎn)換率也不盡相同，如若按統(tǒng)一標準在應(yīng)用過程中誤差較大，特別是對小范圍生態(tài)系統(tǒng)的分析研究，可信度低[29].

3.2 時空邊界的界定不明確

能值轉(zhuǎn)換率因不同區(qū)域的自然環(huán)境、社會環(huán)境和經(jīng)濟環(huán)境的不同而有所差異，在能值分析計算中不同地區(qū)要結(jié)合自身的區(qū)域特征制定合適的能值轉(zhuǎn)換率[20].然而現(xiàn)有的研究往往直接采用前人的研究成果，即便在不同區(qū)域，仍采用相同的能值轉(zhuǎn)換率，這樣的做法會降低計算的準確性.

3.3 能值與貨幣比率的時空差異

能值/貨幣比率，是指單位貨幣相當?shù)哪苤盗?，?shù)量等于一個國家能值利用總量除以當年GNP（單位：Sej/$）.能值-貨幣價值，也稱宏觀經(jīng)濟價值，是指與能值相當?shù)氖袌鲐泿艃r值，是能值量與能值-貨幣比率的商用來衡量財務(wù)的價值.在應(yīng)用時，一個國家在不同時期會有不同能值/貨幣比率，在描述經(jīng)濟—環(huán)境關(guān)系時，受到很大限制；不同國家更是有不同的能值/貨幣比率，增加了不同國家間研究分析和比較的復(fù)雜性.能值/貨幣比率是環(huán)境和經(jīng)濟之間的橋梁，貨幣增貶值、環(huán)境資源的消耗速度的變化，都增加了能值/貨幣比率的不穩(wěn)定性，如按平均法計算，造成誤差較大，缺乏準確性.此外，需在一個國家當年GNP統(tǒng)計完成之后，才能計算能值/貨幣比率數(shù)值，具有一定的滯后性，不能及時、有效、準確地反映貨幣—能值之間的關(guān)系.

3.4 能值分析理論中的重復(fù)計算

根據(jù)能值理論計算方法，合計投入或產(chǎn)出能值時，同一來源的能值只能計算1次，對于相同來源的多種能值項，在合計時要進行歸類并取其成本的全集，以避免重復(fù)計算問題.但是在實際計算過程中有一定的難度，陸宏芳等認為對于多組分的復(fù)雜系統(tǒng)，應(yīng)從不同來源的輸入出發(fā)追蹤能值源路徑，直至目標能值流后進行加和，避免重復(fù)計算.在經(jīng)濟全球化的同時交通運輸業(yè)發(fā)展迅速的背景下，對各種產(chǎn)品進行追蹤的難度很高[31].

4 前景與展望

4.1 指標進一步的優(yōu)化與改進

上述研究表明現(xiàn)有的指標已經(jīng)不能滿足當今經(jīng)濟生態(tài)領(lǐng)域的發(fā)展需要，需要根據(jù)當今的需要進一步發(fā)展和改進一些功能指標，例如在用能值研究與地理有關(guān)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)時，可以增加一些可以反映經(jīng)濟地理學(xué)的指標，這樣能與當今的經(jīng)濟學(xué)和生態(tài)學(xué)更好的結(jié)合.

4.2 加深與其他模型的整合

雖然能值理論作為基礎(chǔ)的反映能質(zhì)的理論，可以成為其他模型和方法的基礎(chǔ)理論，與其他研究方法和模型相結(jié)合的潛力巨大.但在現(xiàn)有的方法研究中，能值分析方法與其他模型相結(jié)合的研究也處于摸索階段，還需要進一步的開發(fā)和完善.

4.3 計算方法的進一步完善

改進完善能值計算方法和技術(shù).一方面，在已有的大區(qū)域大系統(tǒng)能值轉(zhuǎn)化率基礎(chǔ)上，細化對小區(qū)域、微系統(tǒng)甚至是個體的能值轉(zhuǎn)化率，進一步完善能值轉(zhuǎn)化率的核心計算系統(tǒng)，使計算更加科學(xué)準確；另一方面，是進一步促進熱動力學(xué)原理、度量等理論與能值理論的整合，探索系統(tǒng)能值演化效率的本質(zhì)以及真實量化途徑.