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1、第四章 生态经济能值分析,教学课题：生态经济的能值分析是生态经济分析的一种新的重要方法，通过讲授使同学了解生态经济的这一最新进展。通过案例分析和课堂讲授，使同学掌握能值分析方法并具备初步应用能值分析方法进行生态经济评价的能力。,第一节 能值理论和分析方法的发展,生态能量学能值分析方法能值与资源和经济,一、生态能量学,1、热力学定律热力学第一定律热力学第二定律（熵增定律）热力学第三定律 热力学第三定律认为，当系统趋近于绝对温度零度时，系统等温可逆过程的熵变化趋近于零。第三定律只能应用于稳定平衡状态，因此也不能将物质看做是理想气体。绝对零度不可达到这个结论称做热力学第三定律。在统计物理学上，热力学
2、第三定律反映了微观运动的量子化。在实际意义上，第三定律并不像第一、二定律那样明白地告诫人们放弃制造第一种永动机和第二种永动机的个图。而是鼓励人们想方高法尽可能接近绝对零度。目前使用绝热去磁的方法已达到10-6K，但永远达不到0K。,2、生态能量学,生态能量学（ecology energy)又称能量生态学（energy ecology），是能值分析方法的前身。生态能量学被认为是研究生命系统与环境系统之间能量关系及其能量运动规律的科学，是生物能量学和生态学相互参透而形成的一门交叉学科，是生态学中的一个分支学科。生态能量学是研究生态系统和复合生态系统的能量流动、传递与转化规律的科学。生态能量学研究生
3、态系统的能流与其他生态流，如物质流、生物流、信息流等的数量变化和相互关系，是研究生态系统的结构功能变化规律的科学。,二、能值分析理论,1、奥多姆对生态系统能量定律的贡献原有定律：第一定律：能量守恒定律（Conservation of Energy）第二定律：熵的定律（Law of Entropy）第三定律：绝对零度时的熵为零（Definition of Entropy in 0K）,以下为H.T.Odum提出：,第四定律：Maximum EmPower Principle（最大功率原则）系统的自组织过程或结构的自我设计通常会朝向引入更多能量和更有效地使用能量的方向发展。第五定律：Emergy
4、Hierarchy 通常最大功率的结果是形成一个能量转换的层级结构。第六定律：Biogeochemical Hierarchy 物质演变的层次性总是与能量转换的层次性紧密相关，这充分体现在生物地球化学过程中。,2、能值理论的创立,奥多姆经过长期研究，综合生态、能量生态和生态经济原理于20世纪80年代后期和90年代创立了“能值”、太阳能值转化率等概念，并创立了能量理论和分析方法（见教材P77表5.3)太阳能值转化率在生态经济系统中，能流从量多而能质低的等级（如太阳能）向量少而能质高的等级（如经济产品）流动和转化。具有低能质的能量，如太阳能、风能、雨能等，经传递与转换而成为高能质和能量，维持人类的
5、生存活动,3、能值分析方法,能值分析以同一客观标准太阳能值(Solar Emjoul,sej)衡量不同类别不同能质的能量的真实价值和数量关系。应用能值的分析方法，把生态环境系统和人类社会经济系统结合起来，定量地分析系统中自然资源和人类投入对系统的贡献，通过对系统中的能量流、物质流、货币流、信息流的能值转换，为资源的合理利用、经济发展方针的制定提供了一个重要的度量标准。,三、能值与自然资源和经济,在现实社会生产和消费中，人们只注意一个系统中的货币流，即系统中的货币流出大于其流入，则该系统（或生产过程）就是有活力的，但是，人们常常忽略了其物质流或能量流。在一个生产或生态系统中，人们追求的是其最大的
6、货币流，实际上，这种最大货币流是建立在最大的自然资源的流入基础之上的，因为，要追求最大的货币流出和最小的货币流入，就必需以最大的自然资源流入为代价，这种出发点常常又会导致自然资源的过度开发，从而造成资源的可持续性下降。而能值分析则是对货币流、物质流、能量流和信息流的综合衡量，从而通过最有效的设计，使得系统达到最大的生态效益、经济效益和社会效益。,第二节 能值原理及其符号语言,能值原理能值符号及语言,一、能值原理,1、生态系统能量来源由太阳能驱动的生态系统（2 000Kcal/m2）由太阳能和潮汐、潮流能驱动的生态系统（20 000Kcal/m2）由太阳能驱动和人工植被组成的生态系统（20 00
7、0Kcal/m2）以燃料驱动为主的城市生态系統（2 000 000Kcal/m2）,2、最大功率原则,具有活力的系统，其设计组织方式必须能从外界获取可利用的能量加以有效的转化利用，并能反馈能量以获取更多的能量，以应存活之需一个系统为了能与其他系统竞争而存活和永续发展，必需从外界输入更多低能质的能量，同时，也必需自系统反馈所贮存的高能质能量，强化系统 外界环境，使系统内部与外界互利共存，不断获得能量，以产生最大功率。系统的最大功率原则被称为“自组织”（self-organization),3、能值和体现能,能量流动过程中，能量减少而能量的质量却增加了，低能值的能量通过相互作用和做功的形式转化为高
8、质量的能量形式。转化成新型的小部分能量的载体体现了这一过程中所使用的大量的低质能量，这就是体现能能值是体现能的新定义，将其定义为：一流动或贮存的能量所包含的另一种类别能量的数量，称为该能量的能值,二、能值符号及系统图的绘制,能值分析方法拥有自己的语言，即能值符号。应用能值符号可以把生态系统和各部分联结起来，从而用图解方式描述整个系统结构，研究时，在掌握生态环境和社会经济各个方面的基本要素的基础上，按如下方法和步骤进行能量系统图的绘制：确定系统范围的边界，把系统由各组分及其作用过程与系统外的有关成分及其作用，以四方框边界分开。,能量系统图的绘制（续）,确定系统的主要能量来源，这些能源一般来自系统
9、外，即绘在边界的外面、确定需列举的能源的原则，基本根据该能源占整个系统能源总量的5以上，低于此者可忽略。确定系统内的主要成分，以各种能量符号图例绘之。列出系统内的各主要组分的过程和关系（流动、贮存、互相作用、生产、消费，等等）。绘出系统图解全图。先绘四方框边界外边的能源部分，沿周边外排列，而后再绘系统内各部分的图例。边界内外各图例排列均依其所代表成分的能值转换率之高低，从低到高由左到右排列。,第三节 能值分析方法及其应用,基本概念主要能值指标和指标体系基本方法能值分析及其意义,一、基本概念,能量转换的“十分之一”定律能值：某种类别能量包含的另一种类别能量的数量，即该能量的能值。太阳能值（sej
10、）:任何资源、产品或劳务生产或操作过程中，直接或间接应用的太阳能的总量，即其所具有的能值（太阳能值），单位为太阳能焦耳（Sej）。能量转换率：即某种能量或物质相当于多少太阳能转化而来。单位是太阳能焦耳/焦耳（克）（即Sej/J,Sej/g）。太阳能值能量 太阳能换率（sej）（J）sej/J),二、主要能值指标和指标体系,1、主要能值指标能值/货币比率能值/货币价值能值投资率净能值产出率能值交换率其他能值指标（具体见教材P85表5.5）2、能值指标体系,2、能值指标体系,三、基本方法,分析手段和步骤如下：1、能量系统图绘制和能值图绘制 如前所述2、能量分析表的编制能值分析评估表有多种，但基本格
11、式一般包括六个题头，表内从左到右六个题头如下：项目编号，亦即该项目计算和来源的注释编号；项目名称，与系统内的名称对应（1与2项亦可合并）；,2、能量分析表的编制(续）,原始数据，其单位根据原始资料来源通过计算所得值而定，一般为能量（焦耳），物质（克）或货币（美元）单位；太阳能转换率，单位为太阳能焦耳/焦耳（或克、美元$），即Sej/j（或Sej/$，Sej/g）；太阳能值，其量由第三与第四项相乘而得；宏观经济价值(Macroeconomic Value)，它表示该项目的能值相当于多少当年的币值。,3、主要能值指标,如前所述的指标的计算4、决策分析通过生态模型的建立和对系统中的能流、物质流、信息
12、流、货币流等进行模拟分析，可以对一项新的生态工程/生态设计在能量、环境、经济上进行综合评价和决策,四、能值分析及其意义,1、能值分析方法可以用于估算生态效益和经济效益能值分析和经济分析的不同点在于它是以能值的数量来计算商品、服务、资源，而不是以货币2、能值方法被认为是连接生态学和经济学的桥梁理论上，能值分析为生态经济系统开辟了定量分析的新方法，提供了衡量和比较各种生态流的共同尺度和综合分析方法，丰富了生态经济学的定量研究方法,在实践上，应用能值分析可以衡量和分析自然资源与经济活动的价值以及它们之间的关系，有助于调整生态环境与经济发展的关系，对自然资源的科学评价和合理利用，经济发展方针的制定及实
13、施可持续发展战略均具有重大意义能值方法的异议 数据繁多、方法复杂,案例：绿草荡有机农场循环型农业系统的能值分析,作者：丁公辉指导教师：席运官、钦佩时间：,研究地区概况 研究地点绿草荡有机农场位于扬州市宝应县西安丰镇（东经119 o20/，北纬33 o10/），有机水稻种植面积30hm2，地势平坦，土壤，有机质1.5-2.0%，气候温和湿润，四季分明，日照充足，雨水充沛，呈北亚热带季风性湿润气候特征，适合水稻的生长。平均全年日照数2080h，常年平均气温14.4，最冷月(1月)均温2.6，最热月(7月)均温 26.4，无霜期220d，10积温为2483,年平均降雨量966mm，年均太阳辐射约46
14、5KJ/cm2。,研究方法在绿草荡有机农场选取典型的循环农业生产模式，以一个完整的生产年度为界限，对2005-2006年度有机水稻生产过程中各种投入、产出进行详细的记录，并加以计算。,农业生产流程图,05年9月下旬水稻收割前播种绿肥紫云英，10月中旬开始收割水稻，至06年4月上旬翻耕绿肥，5月中旬开始水稻播种育秧，6月中旬移栽，移栽20天后开始放鸭下田，直至8月中旬水稻孕穗期为止，10月中旬开始收割水稻。收割后水稻秸秆一部分还田，另一部分加工成饲料喂养鸭子，再把鸭粪收集添加到猪饲料中喂猪，最后收集猪粪在发酵池中进行发酵，通过三相分离的技术产生沼气、沼液和沼渣，沼气作为一种清洁能源以供农民的生产
15、、生活之用，沼液作为农药的替代品能够有效的防治水稻的虫害，而沼渣则作为一种有机肥还田用来保持土壤的肥力水平。,全年的生产过程中不使用任何化学合成的农药、化肥等农用化学品，通过施加绿肥、有机肥和秸秆还田等措施来培肥土壤，通过稻鸭共作以及使用植物源和生物农药来防治病虫草害发生。,能值分析 通过调研绿草荡有机农场05-06年度的投入和产出数据，并收集当地相关的气象数据，绘制出绿草荡有机农场的能量系统图。,1:绿肥种植,2:水稻种植,3:鸭养殖,4:猪养殖,绿草荡有机农场能值系统图解,由上图所示，不仅可以看出整个系统的能值输入与能值输出，也可以看出系统内部的能值流动。绿肥固氮产生的能值全部提供给水稻的
16、种植与生长，并没有能值产出进入市场；水稻生产稻谷作为进入市场的产出能值，水稻秸秆通过粉碎，一部分还田给下一季度绿肥生长提供能值，另一部分经过加工添加到鸭子和猪的饲料中用来养殖鸭子和猪；养鸭则通过鸭子食用稻田的杂草、捕食田间的害虫获得能值，通过排除粪便等向稻田输入能值，并且鸭棚里的鸭粪还经过加工添加到猪饲料中；最后收集猪粪在发酵池中进行发酵，通过三相分离的技术产生沼气、沼液和沼渣，沼气是清洁能源，沼液用来防治水稻虫害，沼渣用来还田增强土壤肥力。,在能值分析表中依次列出项目编号和名称、原始数据、能值转换率、太阳能值和宏观经济价值，计算：可更新自然资源能值（R）不可更新自然资源能值（N）不可更新工业
17、辅助能值(F)可更新有机能值(R1)系统反馈的能值(R0)系统的总投入能值(T)系统的产出能值(Y)，,上表相关说明：可更新环境资源（R）包括太阳能、风能、河流势能、雨水化学能、雨水势能和地球旋转能，根据试验所在地的年均太阳能辐射量和年均降雨量计算，但由于太阳能、风能、河流势能、雨水化学能、雨水势能和地球旋转能都具有相同来源，仅取数值最大者河流势能以免重复计算。第(6)项表土层净损失以整个有机农场每年水土流失的N为68.0kg/hm2进行估算，土壤全N为0.139%，有机质含量为2.28%,整个农场的表土层净损失估算为68.0kg/hm2*30 hm2/0.139%*2.28%*5400kca
18、l/kg*4186J/kcal=7.59E+11J。其余各项则是根据农场全年生产的记录数据，参考能值理论的相关公式进行计算。,主要能值指标(1)能值自给率(ESR)=环境的无偿能值(R+N)/总投入能值(T);(2)能值投资率(EIR)=经济的反馈能值(F+R1)/环境的无偿能值(R+N);(3)净能值产出率(EYR)=系统产出能值(Y)/经济的反馈能值(F+R1);(4)环境负载率(ELR)=系统不可更新能值总量(F+N)/可更新能值总量(R+R1+R2);(5)能值可持续指标(ESI)=净能值产出率(NEY)/环境负载率(ELR);(6)系统产出能值反馈率（FYE）=系统产出能值反馈量(R
19、2)/经济的反馈能值(F+R1);(7)能值/环境可持续指标(E/ESI)=能值自给率(ESR)*净能值产出率(EYR)/环境负载率(ELR);,第(7)条指标能值/环境可持续指标(E/ESI)为本文设立的新能值指标，定义为能值自给率(ESR)和净能值产出率(EYR)的乘积与环境负载率(ELR)的比值。能值自给率(ESR)表征系统的自组织能力，ESR越高说明系统的自组织能力越强；净能值产出率(EYR)表征系统的能值效益，EYR越高说明系统的能值效益越高；环境负载率(ELR)表征系统对环境的压力，ELR越高说明系统对环境的压力越大。能值/环境可持续指标(E/ESI)则是表征系统在能值效益、对环境
20、的压力和系统自组织能力3个方面的一个综合指标，E/ESI越高则说明系统的自组织能力越强、能值效益越高、对环境的压力越小，进而说明了系统的可持续发展能力越强。,数值I各项指标是笔者所调研的宝应县绿草荡有机农场循环型农业系统的能值分析的指标数据；数值II是上海市崇明岛跃进农场稻鸭共作模式下有机水稻生产系统的指标数据；数值III是上海市崇明岛跃进农场常规非有机水稻生产系统的指标数据。数值II与数值III由国家环保总局南京环境科学研究所席运官研究员提供。,通过把宝应县绿草荡有机农场循环型农业生产系统的能值分析的指标数据（2005年）和上海市崇明岛跃进农场常规非有机水稻生产系统的指标数据（2003年）相
21、对比，可以看出有机循环农业生产系统的能值效益、可持续发展能力和系统自组织能力明显高于常规农业生产系统，并且有机循环农业生产系统对环境的压力明显低于常规农业生产系统，具体分析比较如下：,(1)绿草荡有机农场循环型农业系统的能值自给率（ESR）为0.32，高于常规农业生产系统。说明采用循环农业模式的水稻生产系统的自我维持的能力高于常规农业生产系统,由于采用有机生产方式，不施用化学肥料，而通过种植绿肥紫云英以及水稻秸秆还田、鸭粪猪粪发酵后还田等措施来保持土壤的肥力水平，整个农场全年只是施用了少量的有机肥，使总投入能值明显降低。,(2)绿草荡有机农场循环型农业系统的能值投资率(EIR)为1.52，低于
22、常规农业生产系统。表明采用循环农业模式的水稻生产系统的经济投资率低，需要购买的能值少，因此理论上绿草荡有机农场生产的水稻的产品竞争力应高于常规农场采用非循环模式生产的水稻。,(3)绿草荡有机农场循环型农业系统的净能值产出率(EYR)为2.04，高于常规农业生产系统。说明采用循环农业模式的水稻生产系统的能值利用效率高于常规农业生产系统，能够产生更高的经济效益。,(4)绿草荡有机农场循环型农业系统的环境负载率(ELR)为0.84，明显低于常规农业生产系统。充分显示出循环农业生产系统以可再生能源投入为主的生产特征和对环境负荷小的优势，而常规农业生产系统以投入不可再生资源为主，生产过程中存在高强度的能
23、值利用，对环境的压力较高。,(5)绿草荡有机农场循环型农业系统的能值可持续指标(ESI)为2.43，明显高于常规农业生产系统。说明采用循环农业模式的水稻生产系统是一种可持续发展的农业生产系统，系统的产出能值反馈量大，自组织能力高。相反常规的农业生产系统过度依赖化肥和杀虫剂、除草剂的施用，是一种高资源消耗型的生产系统，并且对于自然环境不可避免的产生破坏，是一种非可持续性的生产系统。,(6)绿草荡有机农场循环型农业系统的系统产出能值的反馈率（FYE）为0.17，高于常规农业生产系统。说明采用循环农业模式的水稻生产系统的系统产出能值反馈量大，自组织能力远高于常规农业生产系统。,(7)绿草荡有机农场循
24、环型农业系统的能值/环境可持续指标(E/ESI)为0.78，远远高于常规农业生产系统。说明采用循环农业模式的水稻生产系统是一种更具有优势的农业生产系统，在能值效益、对环境的压力、可持续发展能力和系统自组织能力方面比常规农业生产系统有着明显的综合优势。,结论1：系统产出能值的反馈率的提高有利于整个系统能值效益的提高宝应县绿草荡有机农场有机水稻生产采用绿肥与水稻轮作、水稻与养鸭、养猪种养结合的循环农业模式，是一种农业生态工程的模式，具有良好的系统内部物质循环使用和能值反馈的特性，绿肥生长和固氮产生的能值全部作为投入用于有机水稻的生产，减少了对外部投入的依赖，提高了系统的能值效益和可持续生产的能力，
25、明显优于非循环型农业生产模式。,系统内部的能值反馈有利于提高整个系统的能值效益，如果常规农业生产系统即使不能完全采用循环型的生产方式，但只要能够同样使水稻等作物的秸秆就地还田而不是焚烧掉，充分利用其有机能值，也可以减少常规系统的外界工业辅助能的投入，各项能值指标能够得到不同程度的优化，从而使系统的环境承载率降低，净能值产出率提高。因此在农业生态工程体系的设计和运行过程中，应有意识地提高系统产生能值的反馈率，从而提高系统的自组织能力和生产效率，促进系统的可持续发展。,结论2：循环型农业系统中循环链的增长有利于提高系统的综合效益和可持续性Bastinanoni 等报道意大利的一个农场由于系统内部的
26、牲畜养殖为作物种植提供有机肥,使系统的环境承载率降低,净能值产出率提高,体现出系统内部的能值反馈有利于提高整个系统的能值效益的作用。陆宏芳等对基塘农业生态工程模式的能值评估结果同样证明,由于畜牧业增益环的引入增强了系统的内部循环和反馈,提高了系统的综合效益和可持续性。,通过比较宝应县绿草荡有机农场稻鸭猪生产模式和上海市崇明岛跃进农场稻鸭共作生产模式各项能值指标，不难看出由于在系统内部的能值循环中增加了猪养殖的环节，通过猪粪发酵再运用三项分离的技术产生沼气、沼液、沼渣，沼渣为水稻种植提供了更多的有机肥，沼液作为农药的替代品能够有效的防治水稻的虫害，沼气作为一种清洁能源以供农民的生产、生活之用，稻
27、-鸭-猪生产模式的各项能值指标都略优于稻鸭共作模式，具有更高的净能值产出率和更低的环境承载率。,结论3：宝应县绿草荡有机农场稻鸭共作系统的进一步优化宝应县绿草荡有机农场的循环农业生产系统中，一年的生产周期有一半用于绿肥生产，而绿肥生产只是起到给水稻产生提供能值的作用，而不产生任何的经济产出能值，以至整个系统的经济产出能值降低。农业生产的首要任务是生产足够的并且是高质量的食品，为了能够再保证可持续发展的前提下进一步提高循环农业系统的经济产出能值，如果能够把有机生产系统中的绿肥生产用既能固氮培肥土壤又有经济能值产出的豆科作物（如适合冬季种植的豌豆、蚕豆等）来替代仅用来培肥土壤的紫云英，则可以增加系统的经济产品产出，提高系统的经济能值产出，使农业生产系统得到进一步的优化。,
