■張其海 金國(guó)花 謝冬明

基于能值理論的區(qū)域可持續(xù)發(fā)展理論模型的建立

■張其海 金國(guó)花 謝冬明

能值理論;四維能值理論;區(qū)域可持續(xù)發(fā)展;指標(biāo)

人類的經(jīng)濟(jì)發(fā)展依賴于地球提供的自然資源和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能[1]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和人口的急劇膨脹，在自然資源利用、環(huán)境保護(hù)等方面，人類正面臨一系列的矛盾和困境。自從20世紀(jì)70年代以來，一個(gè)又一個(gè)關(guān)于人口無限增長(zhǎng)和資源過度消耗是不可持續(xù)的報(bào)告相繼出現(xiàn)[2]。在這些報(bào)告和著作之中，可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵被著重描述，即可持續(xù)發(fā)展是一種資源利用的模式，目的是在滿足人類需要的同時(shí)也要注重保護(hù)環(huán)境，使得人類的需要不僅僅在當(dāng)前能夠滿足，在無限的未來也能夠滿足[3]。按照可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)涵，有兩個(gè)重要的因素必須考慮，一是時(shí)間因素，另外一個(gè)是人口的因素。時(shí)間因素必須滿足t→∞，即時(shí)間是無限的概念，人的因素是可持續(xù)發(fā)展的唯一決定因素，只要有人類生存在這個(gè)星球上，就要利用和消耗資源。

隨著可持續(xù)發(fā)展理念成為普遍共識(shí)，基于可持續(xù)發(fā)展研究的現(xiàn)狀和基礎(chǔ)，生態(tài)學(xué)者和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的專家相繼推出了相關(guān)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(qū)域可持續(xù)發(fā)展的計(jì)算方法，為區(qū)域資源保護(hù)規(guī)劃和政策制定提供科學(xué)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(jì)70年代首次提出，經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)30年的修正和發(fā)展，到20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)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(xué)基礎(chǔ)上的評(píng)價(jià)系統(tǒng)，采用太陽(yáng)能值作為統(tǒng)一度量標(biāo)準(zhǔn)描述環(huán)境值和經(jīng)濟(jì)值[5]。Emergy，測(cè)量自然界(nature)和人類生產(chǎn)的產(chǎn)品和服務(wù) (humans in generating products and serves)的功效 (work)，是儲(chǔ)存的能量或者已經(jīng)融入在產(chǎn)品或服務(wù)中的能量，用來核算直接或者間接輸入在產(chǎn)品或者服務(wù)中的一切能量的總量[6][7]。應(yīng)用統(tǒng)一的基準(zhǔn)可以將一切用于生產(chǎn)產(chǎn)品或者提供服務(wù)的能量進(jìn)行核算，能值與能量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)為seJ/J，即1J的一種產(chǎn)品或者服務(wù)所需要的能值[8][9]。在很多情況下，應(yīng)用能值單位是非常方便的，許多物質(zhì)能夠通過能值進(jìn)行數(shù)量計(jì)算[10][11]。

(二)能值的計(jì)算方法

在能值理論的核算過程中，首先需要設(shè)計(jì)一定的邊界條件，即界定系統(tǒng)的邊界和系統(tǒng)的內(nèi)容[12]。在能值理論體系中，有三個(gè)重要的要素，即R—可再生資源，N—不可再生資源，F(xiàn)—經(jīng)濟(jì)投入。三個(gè)要素是能值核算的基礎(chǔ)，也是能值系統(tǒng)與環(huán)境之間相互作用的基礎(chǔ)。

(三)能值理論的指標(biāo)

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

(四)能值理論的發(fā)展

能值理論的提出在可持續(xù)發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的理論界產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響[14]。不同學(xué)者根據(jù)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(tài)足跡計(jì)算方法等[15][1]。

1.三元圖能值核算方法

Giannetti等根據(jù)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(jié)構(gòu)圖如圖1。三元圖是一個(gè)等邊三角形，包括三個(gè)要素，即R、N、F，每個(gè)要素占據(jù)三元圖的一個(gè)頂點(diǎn)，每條邊構(gòu)成二元坐標(biāo)系，頂點(diǎn)到對(duì)邊的垂直線長(zhǎng)度代表要素的比值，越靠近頂點(diǎn)，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(biāo)環(huán)境承載率ELR、能值生產(chǎn)率EYR、能值投入率EIR和能值可持續(xù)指數(shù)SI分別得到了簡(jiǎn)化。

三元圖能值核算方法的最大貢獻(xiàn)是提出了能值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)點(diǎn) (simergic point)，能值系統(tǒng)結(jié)構(gòu)點(diǎn)能夠反映一定區(qū)域或某一系列產(chǎn)品內(nèi)的能量流通和消耗情況。Almeida等根據(jù)這一核算方法分別用5個(gè)案例進(jìn)行了分析[16]。

2.基于能值理論的生態(tài)足跡核算方法

眾多學(xué)者在能值理論的基礎(chǔ)上，提出了生態(tài)足跡核算方法，主要用來評(píng)估一個(gè)區(qū)域的生態(tài)承載力大小[17][18]。

cc—指人均生態(tài)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(jù)

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

(二)邊界條件

區(qū)域是一個(gè)相對(duì)的概念，可以是整個(gè)地球，可以是一個(gè)國(guó)家，也可以是一個(gè)小流域，但是這個(gè)區(qū)域在空間上是封閉的體系，太陽(yáng)是區(qū)域內(nèi)所有能量的唯一源泉，自然界各種物質(zhì)通過接受太陽(yáng)能量，轉(zhuǎn)化或者儲(chǔ)存，最后由人將能量消耗殆盡。時(shí)間是相對(duì)的概念，可以是1年，可以是100年，也可以是一萬(wàn)年，但時(shí)間是無限的，沒有極限，時(shí)間t→∞。

(三)四維能值核算方法的要素

核算過程包括四個(gè)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(shù)量 P和時(shí)間T。

(四)核算指標(biāo)

核算指標(biāo)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(huán)境承載率ELR，能值可持續(xù)指數(shù)SI，能值總生產(chǎn)量QTP，能值輸入輸出量QF，可以取正負(fù)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(shí)間分析

假設(shè)某一區(qū)域已經(jīng)探明的不可再生能值量為QN0，已經(jīng)開發(fā)的可再生能值量為QR0，通過該地區(qū)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(shí)間t0。t0是一個(gè)臨界值，當(dāng)其他條件不變，人口增長(zhǎng)超出預(yù)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(zhǎng)。

圖2

2.可消耗能值總量分析

根據(jù)上述假設(shè)條件，區(qū)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(qū)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(gè)定值。

3.能值趨勢(shì)分析

隨著時(shí)間的推移，即時(shí)間t0→t1，假設(shè)人口總數(shù)不變，年人均消耗的各種能值量也不變，由于開發(fā)可再生能值的技術(shù)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(shí)間條件的影響。區(qū)域?qū)嶋H消耗的能值總量為QTD1=QRD0+QND1，很顯然，式中 QND1＞QND0，則 QTD1＞QTD0。根據(jù)前面的核算結(jié)果，QTD0是一個(gè)定值，實(shí)際消耗量QTD1要大于它是不存在的，因此只有幾個(gè)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(tǒng)外輸入QF(QF=QTD1-QDT0)。

4.環(huán)境承載率分析

5.能值可持續(xù)指數(shù)分析

三、討論與結(jié)論

四維能值核算方法綜合考慮了時(shí)間與人等要素，具有時(shí)空尺度變化特征，彌補(bǔ)了以往能值核算方法的不足。計(jì)算能值總量時(shí)，QT是時(shí)間、人口數(shù)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(gè)要素三個(gè)數(shù)值的乘積，總量就好比一個(gè)長(zhǎng)方體的容積，所有能值的量就像填充在一個(gè)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(guān)鍵點(diǎn)是要計(jì)算出核算區(qū)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(qū)域內(nèi)政府統(tǒng)計(jì)部門所公布的數(shù)據(jù)，結(jié)合Odum等學(xué)者提出的能值轉(zhuǎn)換系數(shù) (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(xiàn)有能值總量一定的情況下，要滿足人類對(duì)能值需求日益增長(zhǎng)的強(qiáng)勁趨勢(shì)，必須從兩個(gè)方面尋找突破口，一是降低人均能值消耗，另一方面是開發(fā)新的可再生能值。但是，時(shí)間是永恒的，也就是說時(shí)間是無限的，而不可再生資源是有限的，相對(duì)于時(shí)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(chǎn)品和服務(wù)必定有一個(gè)終點(diǎn)，因此人類有朝一日必須完全依賴可再生能值。根據(jù)能值理論的原始思想，太陽(yáng)是能量的唯一源泉，因此最終的能值總量也是一個(gè)定值。太陽(yáng)是永恒的話，人類一切所需的能量也將是永恒的。因此對(duì)影響人類能量消耗的約束因素只剩下一個(gè)，那就是人類自身了。

如果人口增長(zhǎng)也是永恒的，那么人類要想滿足人口增長(zhǎng)所需的能量，以及人類對(duì)物質(zhì)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(shù)，通過技術(shù)手段改進(jìn)人類對(duì)太陽(yáng)能量的利用效率，否則，人類剩下的唯一選擇就是人類有節(jié)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(diǎn)結(jié)論。

1.假設(shè)地球每年接收太陽(yáng)的能量為 QSolar-emergy，這些能量被地球生物轉(zhuǎn)化并儲(chǔ)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(huì)因?yàn)槟芰康膯栴}而受窘，即只要太陽(yáng)照到地球上，人類賴以生存的能源就可以得到保障。

2.假設(shè)地球每年接收并能夠被地球生物轉(zhuǎn)化的太陽(yáng)能量為 QSolar-emergy，根據(jù)QRP=R×P×T，由于時(shí)間和QSolar-emergy是定值，因此P的增大即人口增長(zhǎng)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(shù)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(xué)技術(shù)，提高對(duì)太陽(yáng)能值的利用效率;或者在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，適當(dāng)?shù)目刂迫丝谝?guī)模，減少人口數(shù)量。

3.從長(zhǎng)遠(yuǎn)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(fā)展經(jīng)濟(jì)的方式都是不可持續(xù)的。不可再生能源總會(huì)有一天被人類消耗殆盡，因此這種能源利用類型的國(guó)家或地區(qū)唯一的途徑就是開發(fā)新技術(shù)，提高對(duì)太陽(yáng)能的利用效率。

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解決生態(tài)環(huán)境問題必須有賴于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)生態(tài)環(huán)境問題的正確評(píng)價(jià)，是認(rèn)識(shí)生態(tài)環(huán)境問題的首要問題。20世紀(jì)末，學(xué)術(shù)界提出了許多生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)理論和方法，能值理論是重要的理論和方法之一。本文對(duì)能值理論進(jìn)行了簡(jiǎn)要的回顧與評(píng)價(jià)，在此基礎(chǔ)上，提出了用于評(píng)價(jià)區(qū)域可持續(xù)發(fā)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(shí)間等要素，完善了能值理論在反映生態(tài)環(huán)境過程中的不足，四維能值理論的指標(biāo)對(duì)于評(píng)價(jià)生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀、預(yù)測(cè)生態(tài)環(huán)境未來趨勢(shì)以及幫助決策者在制定長(zhǎng)遠(yuǎn)政策等方面都具有一定的指導(dǎo)意義。

F062.2

A

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

張其海(1956—)，男，江西省山江湖開發(fā)治理委員會(huì)辦公室，主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)環(huán)境;(江西南昌330046)金國(guó)花(1979—)，女，江西省氣象局信息中心，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)氣候;(江西南昌 330046)謝冬明(1977—)，男，江西省山江湖開發(fā)治理委員會(huì)辦公室，主要研究方向?yàn)樯鷳B(tài)經(jīng)濟(jì)。(江西南昌 330046)

【責(zé)任編輯:高 平】