能值分析方法的应用与展望

2021-06-08刘维丽程锦添杭桂兰庄凌峰

福建技术师范学院学报 2021年2期

刘维丽，程锦添，杭桂兰，庄凌峰

（福建技术师范学院 a.材料与环境工程学院；b.近海流域环境测控治理福建省高校重点实验室；c.经济与管理学院，福建福清 350300）

能值理论与分析方法是一种新的生态经济价值论和系统分析方法[1].与其它产业生态学的研究方法相比，能值理论计入了资源和环境的投入和损耗，通过以能值转换率(Emergy Transformity) 和能值／货币比 (Emergy／$)为转换介质，突破了不同介质的能量不能统一评价的难题，实现了生态与经济价值的统一评价，使经济系统和生态系统的能流、物流及货币流的相互换算及相互转化成为可能[2].文章将对能值理论的提出、能值理论与分析方法中的系统评价指标的改进，以及这些能值分析方法与其他模型方法相结合在实际案例应用进行论述，最后提出能值理论仍需改进的方面，并探讨了该理论未来的发展方向.

1 能值理论的提出

19世纪初，生物学家Alfred Lotka首次提出了热力学第四定律[3]，这标志着基于最大功率原则的能值理论已经初现.20世纪50年代，Odum意识到生态动力学的重要性，“能值”这一概念初现雏形[4].随后，他又认识到将不同类型能量同一化的必要性[5]，并基于热力学原理拓展最大功率原则的内涵.20世纪70年代，人类面临严重的能源危机，当人类逐渐意识到工业活动对生态系统的负面影响时，Odum已经认识到生态系统在全球经济体制中的重要地位，并深入研究了生态系统的能量学.基于此，他提出了一系列关于能值的重要理论和观点[6].通过不断深入研究与完善，Odum于20世纪80年代后期创立了能值理论和分析方法.其理论认为能值是指生产一种产品或服务的过程中所需要直接或间接投入的有效能，通常是以太阳能的形式来表示.地球在太阳能的作用下形成了地球的生态系统，人类在这个大的生态系统下进行经济活动，与自然系统进行物质和能量交换，形成了物质流、能量流等的交换和传送（如图1），因此形成了人类特有的产业生态系统.

图1 能值理论分析方法的能流示意图

2 能值理论的评价指标

能值理论是通过其评价指标来反映一个生态系统的动态功能，不同生态系统和复合生态系统通过能值计算，可得出一系列能值综合指标，从而综合反映该系统的结构、功能与效率[7].大体来说，系统结构指标和系统功能指标是能值理论综合指标的两大类型（见表1）.系统结构指标主要有可更新能值、不可更新能值、输入的商品和服务能值、废物能值等指标，它反映可更新与不可更新资源在产品投入产出过程中的依赖程度.可更新资源能值比和不可更新资源能值比反映系统的资源组成结构，该比值越高，说明系统可持续性越好[8].系统的功能指标包括能值货币率，能值投资率，环境负载率，可持续发展指标等，这些指标之所以能通常被看作是反映系统综合分析及社会经济发展决策参考的重要指标体系，是因为它们不仅能够反映自然环境资源的价值和人类社会经济发展，而且还能体现及环境与经济、人与自然的关系[9].

表1 能值常用指标表

2.1 能值评价指标的改进与应用

2.1.1 可持续发展指标（ESI）

可持续发展指标（ESI）是1997年美国生态学家Brown和意大利生态学家Ulgiati提出的，表达式为ESI=EYR/ELR，表示在一个生产过程中不可更新资源占可更新资源的比重[10].当ESI＞10时，该系统环境负载率超重；当1＜ESI＜10时，系统处于经济发展中；当ESI＜1时，说明该系统属于发达系统.该指标能够反映一个系统的可持续发展能力，尤其是在对于资源节约和资源保护的角度，但在现实应用中存在两点不足.第一，该指标只反映资源利用对于环境影响的反应，忽略了在生产过程中废物产生对环境的影响.由于EYR的产出不全是正向产品能值的产出，在产品和服务的生产过程中常会伴有废物的产生.然而，由于当今科技、技术、环境和条件的限制，废物不能完全“变废为宝”，所以不能把EYR全部概括为正向的能值，同时还应该在能值计算时考虑废弃物的排放情况.因此，一些学者在指标使用过程中通过把废物产生也考虑在内对ESI指标进行完善.陆宏芳等在对珠江三角洲中山市1996—2000年的发展动态为例进行案例研究时考虑了系统能值产出的实际经济效果，在环境影响评价中同时考虑了系统的消耗影响和排放影响，计算时在分母中加入了废物可更新能值比(EWI)，把废物的能值的利用情况很确切地表达了出来[11].贾小乐等通过对环太湖城市群中五个城市的生态经济系统能值分析，建立环太湖城市群能值指标评估体系，并以其中的废弃物流能值说明废弃物排放和利用水平不足仍有待提升[12].第二，在生产过程中出现的环境污染，包括废水、废气等有毒有害物质的排放也是对系统能值产生的负向影响，这在传统的可持续发展指标ESI中也不能很好地体现.对此，一些学者也通过不同的方法对ESI指标进行改进来表示生产过程的环境污染对可持续发展指标的影响.陆宏芳等人在对珠江三角洲瓜菜基鱼塘模式的案例研究中对于环境承载率指数（ELR）有了新的研究进展，首次用污染等级的方法体现了污染物对于环境的污染[13]；成福伟等[14]以承德为研究区域，通过环境承载率（ELR）、废物能值比率（EWR）和废弃物与可更新资源能值比率（EWRR）等指标，从能值的投入和产出、区域环境压力及可持续发展状况综合说明了承德可持续发展复合指数(EISD)呈下降趋势.

2.1.2 废物能值比

废物能值比是指在生产过程中排放的废物能所占能值总产出的比重，其原始的指标表达式是EmW =Ew/Eu，需要指出的是在这个表达式中没有体现出共生产品和分离物的区别，但两者的能值转换率不尽相同，其中共生产品是指在生产过程中理化性质发生改变的副产品，而分离物是指在生产过程中理化性质与投入物未发生根本改变的副产品.Geng 等在对大连市经济技术开发区的评价中以电厂和喷图板为例首次分别说明了共生产品与分离物的能值转换率的表达式，以及两者可以作为下一个生产环节的投入者[15]; 在工业系统废物的管理中，Mu等针对工业系统废物排放对环境的影响，提出了改进后的能值指标，其在案例中的结果也显示了在生产过程中废物管理与其环境影响联系的优越性[16]；对于废水的排放，Zhang 等针对重庆万州的污水处理厂废水的排放及污泥的填埋对比了两个方案，第一方案是将废水和污泥直接排放和填埋;第二方案是将废水回收重新处理再利用.结果表明第一方案的经济效益虽然比第二方案要好些，但是其环境压力大；而第二方案的可持续发展能力明显强于第一方案[17].

2.1.3 能值指标的拓展研究

一些现有的能值指标中不能充分反映生态经济的特征.例如，当今经济形势下，出口及投资扮演重要角色，成为拉动经济的重要指标，但在能值的分析方法中与此相关的只有能值投资率，反映的是投入的经济反馈与本地能值的比值关系.倘若评价一个工业系统，此指标就不能反映出这个指标比例是当地的投资比例还是外资的比例.同时出口也是衡量一个地区或工业体系的重要经济指标，但现有的能值产出里只有总产出的能值比例，它并未反映一个地区的出口能值比例.对此，陆宏芳等在一项区域能值的分析研究中通过构建与出口有关的能值指标，如外资能值依赖率、能值出口率和能值内部反馈率等，并通过这些指标反映改革开放22年来顺德市产业生态系统的发展动态，结果表明这些新指标可以针对该产业生态系统特点，进行有的针对性的分析研究，同时具有多尺度整合研究的扩展弹性[18].

2.2 能值理论与其他模型方法相结合

能值理论与分析方法与其他理论和方法相结合不仅拓展了其应用的领域，同时也弥补了其他模型方法的局限.

第一，基于能值分析方法的生态足迹模型是一种评估生态足迹和生态承载力的新模型.该模型先通过能值转换率把各种不同的能量转换成同一标准能值，通过能值密度，将各消费项目的太阳能值换算成相对应的生物生产性土地面积，计算出该区域的生态足迹和生态承载力，来评价其可持续发展状况.刘志杰等运用该方法评价了西宁市2007年的生态足迹[19]；赵志强等对2006年深圳市做了以能值理论为基础的生态足迹分析[20]；以及刘淼等应用基于能值理论的生态足迹方法对岷江上游1982到2002年的生态承载力进行了分析[21]等；马自坤等运用能值—生态足迹模型评估陇南市从2005到2015年的生态系统可持续发展动态变化[22]；曹威威等以能值生态足迹模型为理论基础通过比较已有模型存在的不足并利用改进模型实证分析了海南生态经济系统所面临的危机，说明了海南生态环境正在遭受破坏，其生态优势正在逐渐丧失[23]；张萌萌等在原有生态足迹模型的基础上引入污染废弃物用地指标和均衡因子最新研究成果，对江苏省2005到2015年生态承载力进行研究，结果表明能值生态足迹远大于能值生态承载力处于不可持续发展状态[24].

第二，能值理论与地理信息系统(GIS)的结合能更好地反映区域内部能量流动效率、资源环境价值和生态安全空间差异.胡哓辉等运用结合后的方法对福建省67个县(市)样本的农业复合系统各方面进行了等级划分和空间差异表达，结果显示空间差异存在着明显的地理与地势指向性，沿海低地县(市)在农业经济发展水平和农民生活水平上有绝对优势，但优势可持续力很弱；内陆山区县(市)在农业自然环境条件与可持续发展性能上有明显的区域比较优势.并据此将福建省农业生态系统在空间上划分为闽西北山区、闽东北沿海及近海地区、中部内陆地区和闽东南沿海地区4个农业生态特征区，为区域农业生态规划与决策管理提供较为科学的依据[25-26].又如能值理论与生命周期（LCA）方法的结合不仅记入了自然资源的投入，拓展了原始LCA方法的边界同时也根据LCA方法的特点计算出了在生产过程中各个环节对于环境的影响.Ingwersen 在对于一个金矿的案例中结合了以上两种方法，发现采矿和冶金的过程是产生环境影响最大的两个环节，而不是在形成金矿石的过程中[27]；Duan 等在评价北京湿地对于环境的影响时也运用了能值理论分析方法与LCA相结合的方法，结果表明增加绿地面积，运用环境友好材料最优化建筑技术和减少消耗可以增强湿地的可持续发展能力[28].

3 能值理论的不足

尽管能值理论在近40年的发展中取得了明显的进步，但该理论及方法在实际应用中仍存在被质疑和不完善之处.

3.1 能值转换率的不准确性

能值转换率的定义为形成每单位某物质或能量所需的另一种能量的量，单位Sek/J或Sej/g.要比较不同物质的能量首先需要通过能值转换率换算成相同能量单位的太阳能.由此可见，能值转换率是计算各种能流、物流以及信息流的关键.尽管Odum已给出自然界和人类社会主要能量和物质的能值转换率，能基本满足能值分析需要，但因为生产水平及效益的不同，使得人类经济产品的能值转换率也不尽相同，如若按统一标准在应用过程中误差较大，特别是对小范围生态系统的分析研究，可信度低[29].

3.2 时空边界的界定不明确

能值转换率因不同区域的自然环境、社会环境和经济环境的不同而有所差异，在能值分析计算中不同地区要结合自身的区域特征制定合适的能值转换率[20].然而现有的研究往往直接采用前人的研究成果，即便在不同区域，仍采用相同的能值转换率，这样的做法会降低计算的准确性.

3.3 能值与货币比率的时空差异

能值/货币比率，是指单位货币相当的能值量，数量等于一个国家能值利用总量除以当年GNP（单位：Sej/$）.能值-货币价值，也称宏观经济价值，是指与能值相当的市场货币价值，是能值量与能值-货币比率的商用来衡量财务的价值.在应用时，一个国家在不同时期会有不同能值/货币比率，在描述经济—环境关系时，受到很大限制；不同国家更是有不同的能值/货币比率，增加了不同国家间研究分析和比较的复杂性.能值/货币比率是环境和经济之间的桥梁，货币增贬值、环境资源的消耗速度的变化，都增加了能值/货币比率的不稳定性，如按平均法计算，造成误差较大，缺乏准确性.此外，需在一个国家当年GNP统计完成之后，才能计算能值/货币比率数值，具有一定的滞后性，不能及时、有效、准确地反映货币—能值之间的关系.

3.4 能值分析理论中的重复计算

根据能值理论计算方法，合计投入或产出能值时，同一来源的能值只能计算1次，对于相同来源的多种能值项，在合计时要进行归类并取其成本的全集，以避免重复计算问题.但是在实际计算过程中有一定的难度，陆宏芳等认为对于多组分的复杂系统，应从不同来源的输入出发追踪能值源路径，直至目标能值流后进行加和，避免重复计算.在经济全球化的同时交通运输业发展迅速的背景下，对各种产品进行追踪的难度很高[31].