农业生态系统能值分析方法_张耀辉
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能值分析是美国著名生态学家 Odum H. T. 在能量系统分析基础上创立的新理论和新方法 ,不仅克服了 传统能量分析中不同类别不同性质的能量难于比较和加减的问题 ,且从全新角度分析资源环境在农业生态 系统中的作用 ,为准确评价资源环境价值提供了科学依据 。本研究以海南省农业为例说明农业生态系统的 能值分析方法 。
太阳光的转化形式 ,只取其最大 1 项雨水化学能。海潮则由月亮和太阳对地球引力所引起 ,与太阳光性质不
同 ,也应计入 ,故表 1 中可更新资源只取雨水化学能和海潮能。目前农业生态系统能值分析指标主要有环境资
源能值Π总能值 、购买能值Π总能值 、可更新环境能值Π环境总能值 、净能值产出率 、能值投入率和环境承载力等 。
01165
8888
1470
1143
雨水化学能
01253
15444
3910
3181
海潮能
01115
23564
2710
2164
Ⅳ、Ⅴ项合计 -
-
6620
6146
资源环境和农业持续发展策略的依据[2] 。
2 基本方法与步骤
农业生态系统能值分析具体步骤包 括收集研究对象的有关能量流 、物质流和 货币流的资料数据并整理分类 ,输入计算 机贮存处理 ;编制能值分析表 (一般包括 编号 、原始数据 、太阳能值转换率 、太阳能 值和宏观经济价值等 6 项 ,见表 1) ,应用 计算机计算各种能值流 。以能值分析得 出的各项能值指标和分析结果与其他国 家或地区的相应系统进行比较 ,作为制定
表 1 海南省农业可更新环境资源能值投入评价( 1994) Tab. 1 Input valuation of agricultural emergy of rebirt h
environment and resource part of Hainan in 1994
序 号 Order
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
1129kgΠm3 ×3120 ×1010 m2 ×12195m2Πs ×(3193 ×10 - 3 mΠs·m) 2 ×311536 ×107 sΠɑ×663 = 1172 ×1020 sej
雨水势能能值 = 雨水势能能量 ×太阳能值转换率 = 农业用地面积 ×平均海拔高度 ×平均
(3)
降雨量 ×密度 ×重力加速度 ×太阳能值转换率 = 3120 ×1010 m2 ×300m
表 2 海南省农业能值投入2产出状况( 1994) Tab. 2 Input and output of agricultural emergy of Hainan in 1994
项 目 Items 能值投入 可 更新环境资源 (阳光 、雨水 、海潮) 不可更新环境资源 (表土层损失) 不可更新的工业辅助能 (化肥 、农药 、电力 、机械) 可 更 新 的 有 机 能 ( 人 工 、有 机 肥 ) 环境资源总投入
项 目 Items
能量ΠEJ 太阳能值转换率Πsej·J - 1 太阳能值ΠEsej 宏观经济价值Π亿美元 Energy Solar transformity Solar emjoules Emdollars
太 阳 光 1390001000
1
1390
1136
风
能
01260
663
172
0117
雨水势能
海潮能值 = 海潮能量 ×太阳能值转换率 = 大陆架面积 ×015 ×潮汐量 ×高度2 ×重力加速度 ×011 = (5)
21252 ×1011 m2 ×015 ×706OΠɑ×(112m) 2 ×1025kgΠm2 ×918mΠs2 ×011 ×23564 = 27110 ×1020 sej
为避免重复计算 ,根据能值理论 ,同一性质的能量投入只取其最大值。风能、雨水化学能和雨水势能都是
代号或表达式 Symbol or expression
R N F
R1 I= R+ N
太阳能值ΠEsej Solar emjoules
6620 228
1482
14452 6848
项 目 Items 总辅助能投入 总能值投入 能值产出 热带农产品 畜产品 渔产品 总能值产出
代号或表达式 Symbol or expression
第 12
200
卷第 4年
3 7
期 月
中国生态农业学报
Chinese Journal of Eco2Agricult ure
Vol. 12
J uly ,
No. 3 2004
农业生态系统能值分析方法
张耀辉
(海南省琼州大学 五指山市 572200)
摘 要 阐述了能值分析理论基本概念和原理及其具体分析步骤 ,能值计算方法在农业生态系统的应用 、农业生 态系统能值分析指标体系内容及其对资源环境价值评价和量化的意义 。 关键词 能值分析 指标体系 农业生态系统 资源环境价值评价与量化
U = F + R1 T= I+ U
太阳能值ΠEsej Solar emjoules
15936 22782
Y1 Y2 Y3 Y = Y 1 + Y 2 + Y 3
13799 3770 2685
20254
第 3 期 张耀辉 :农业生态系统能值分析方法
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
94 % ,有机肥投入比例为 6 % ,人力投入占绝对优势 。诸多 因素表明海南省农业处于以传统农业为主 ,逐渐向现代农业
3 实例分析
海南省农业能值投入2产出状况见表 2 。环境资源能值和购买能值投入分别占能值利用率的 30 %和 70 %(见表 3) ,表明环境资源对海南省农业贡献很大 。可更新资源能值包括可更新的自然环境资源能值和 有机能能值 , 是海南省农业持续发展的关键因素 。在可更新有机能能值 (人力 、有机肥) 中人力投入比例为
×175818mmΠɑ×10 - 3 ×1000kgΠm3 ×918mΠs2 ×8888 = 14170 ×1020 sej
雨水化学能值 = 雨水化学能量 ×太阳能值转化率 = 农业用地面积 ×平均降雨量 ×雨水的吉布斯自由能 ×密度 ×太阳能 (4)
值转换率 = 3120 ×1010 m2 ×175818mmΠɑ×10 - 3 ×4149 ×103JΠkg ×1000kgΠm3 ×15444 = 39110 ×1020 sej
表 3 海南农业能值指标体系( 1994) Tab. 3 Index system of agricultural emergy of Hainan in 1994
转型的阶段[1] 。海南省农牧渔业产出能值依次为 137. 99 × 1020 sej 、37. 70 ×1020 sej 和 26. 85 ×1020 sej ,畜牧业和渔业能值 产出较低 ,应大力发展淡水养鱼 、深海捕捞和海水养殖业 ,积 极引进和繁育畜禽良种 ,发展饲料工业和畜牧业 。净能值产 出率为产出能值与投入能值的比值 ,其中投入的能值来自人 类经济体系 ,该值表明 1 个系统是否可持续发展 ,海南省农 业净能值产出率 > 1 ,表明该省农业可作为 1 种能值来源 ,同 时表明该系统是持续发展的 。海南省农业净能值产出率高 于日本和意大利 ,其原因是海南省农业投入的购买能值较
收稿日期 :2003207206 改回日期 :2003208216
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中 国 生 态 农 业 学 报 第 12 卷
的能流 、物流和货币流 ,而能量分析仅计算分析系统部分能流量[2] 。农业生态系统从能量分析发展到能值分 析在理论和方法上都是一个重大飞跃 。农业生态系统作为人类生存的最基本系统 ,对其结构和功能进行分 析 、对资源环境价值进行评价和量化有利于加强人们对农业资源环境的认识和保护意识 ,对我国乃至世界农 业生态系统研究都具有深远意义 。
Emergy analysis method of agro2ecosystem. ZHAN G Yao2Hui ( Qiongzhou University of Hainan Province , Wuzhishan 572200) , CJ EA ,2004 ,12 (3) :181～183 Abstract The concept and t heory of t he emergy analysis are stated in t his paper. And t he application of t he step and cal2 culating met hod of emergy analysis in agro2ecosystem , t he index system of emergy analysis in agro2ecosystem , and t he sig2 nificance of emergy analysis on t he assessment and quantification of t he value of resource and environment are also dis2 cussed. Key words Emergy analysis , Index system , Agro2ecosystem , Assessment and quantification of t he value of resource and environment
表 1 能值计算式为 :
太阳光能值 = 光辐射能量 ×太阳能值转换率 = 农业用地面积 ×太阳辐射强度 ×太阳能
(1)
转换率 = 3120 ×1010 m2 ×104 ×1104 ×106 ×411868JΠcm2 ·ɑ= 1319 ×1020 sej
风能值 = 风能量 ×太阳能值转换率 = 高度 ×空气密度 ×农业用地面积 ×涡流扩散系数 ×风速梯度变化率2 = 1000m × (2)
1 基本概念与原理
能值 ( Emergy) 指任何物质 (或能量) 所包含的另 1 种能量的数量 。太阳能是最原始的能源形式 ,故实际 应用中以太阳能值为统一标准来衡量不同类别的能量 。任何资源 、商品或劳务在形成过程中均直接或间接 利用太阳能量 ,即其具有的太阳能值 。能值单位为太阳能焦耳 ( Solar emjoules ,缩写为 sej) [2] 。太阳能值转换 率 ( Solar t ransformity) 即单位能量 (或物质) 所含的太阳能量 ,单位为 sejΠJ (或 sejΠg) [2] 。它是度量某种能量 (或物质) 能质的尺度 ,能值转换率越高 ,表明该种能量 (或物质) 的能质越高 ,在能量系统中的等级阶层也越 高 。如太阳光能值转换率最低为 1 ,风能为 663 ,雨水势能为 8888 等 ,逐级递进 。人类社会 、自然界的一切物 质皆遵循能量等级原理 ,太阳能值转换率的差异从本质上揭示了不同类别的自然物和产品存在质的差别的 内在原因 。利用太阳能值及太阳能值转换率等指标衡量资源环境对经济的贡献有其客观合理性 。
为追求农产品数量增长 ,人们在农业生产活动中往往投入大量的工业辅助能 ,从而显著提高了土地产出 率 ,但大量施用化肥 、农药并消耗大量不可更新的资源带来了环境污染和资源短缺问题 。合理认识和评价环 境资源的贡献是农业持续发展中急需解决的问题 。农业生态系统给人类社会提供各种经济产品和生态产 品 ,其中经济产品包括粮食 、原料和市场等 ,生态产品包括构成自然环境的阳光 、空气 、水热等生态因子以及 由这些因子所表现出的整体生态效应 ,如净化 、吸污 、防风固沙 、涵养水土等 。生态产品 (即资源环境) 不仅具 有使用价值 ,且具有价值 ,是人类社会生存和农业持续发展的基础 。与能量分析方法相比 ,能值分析法能较 准确评价资源环境的价值 。能值分析克服了能量分析无法解决的不同类别 、不同性质的能量不可比较和加 减的难题 ,把农业系统作为复合生态经济系统来分析 ,重视研究系统的自然属性 、经济特征及其相互关系 ,是 典型的系统分析 ,而能量分析偏重于辅助能和产出能的分析 ,是系统的局部分析 ,不计算分析自然环境资源 (太阳光 、雨水 、土壤等) 的能量投入 ;能值分析得出一系列能值指标体系 ,更深刻地分析说明系统的结构和功 能特征 ,而能量分析主要计算农业能量的各种产投比 ,很难说明系统的根本特征 ;能值分析能综合评价系统
太阳光的转化形式 ,只取其最大 1 项雨水化学能。海潮则由月亮和太阳对地球引力所引起 ,与太阳光性质不
同 ,也应计入 ,故表 1 中可更新资源只取雨水化学能和海潮能。目前农业生态系统能值分析指标主要有环境资
源能值Π总能值 、购买能值Π总能值 、可更新环境能值Π环境总能值 、净能值产出率 、能值投入率和环境承载力等 。
01165
8888
1470
1143
雨水化学能
01253
15444
3910
3181
海潮能
01115
23564
2710
2164
Ⅳ、Ⅴ项合计 -
-
6620
6146
资源环境和农业持续发展策略的依据[2] 。
2 基本方法与步骤
农业生态系统能值分析具体步骤包 括收集研究对象的有关能量流 、物质流和 货币流的资料数据并整理分类 ,输入计算 机贮存处理 ;编制能值分析表 (一般包括 编号 、原始数据 、太阳能值转换率 、太阳能 值和宏观经济价值等 6 项 ,见表 1) ,应用 计算机计算各种能值流 。以能值分析得 出的各项能值指标和分析结果与其他国 家或地区的相应系统进行比较 ,作为制定
表 1 海南省农业可更新环境资源能值投入评价( 1994) Tab. 1 Input valuation of agricultural emergy of rebirt h
environment and resource part of Hainan in 1994
序 号 Order
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
1129kgΠm3 ×3120 ×1010 m2 ×12195m2Πs ×(3193 ×10 - 3 mΠs·m) 2 ×311536 ×107 sΠɑ×663 = 1172 ×1020 sej
雨水势能能值 = 雨水势能能量 ×太阳能值转换率 = 农业用地面积 ×平均海拔高度 ×平均
(3)
降雨量 ×密度 ×重力加速度 ×太阳能值转换率 = 3120 ×1010 m2 ×300m
表 2 海南省农业能值投入2产出状况( 1994) Tab. 2 Input and output of agricultural emergy of Hainan in 1994
项 目 Items 能值投入 可 更新环境资源 (阳光 、雨水 、海潮) 不可更新环境资源 (表土层损失) 不可更新的工业辅助能 (化肥 、农药 、电力 、机械) 可 更 新 的 有 机 能 ( 人 工 、有 机 肥 ) 环境资源总投入
项 目 Items
能量ΠEJ 太阳能值转换率Πsej·J - 1 太阳能值ΠEsej 宏观经济价值Π亿美元 Energy Solar transformity Solar emjoules Emdollars
太 阳 光 1390001000
1
1390
1136
风
能
01260
663
172
0117
雨水势能
海潮能值 = 海潮能量 ×太阳能值转换率 = 大陆架面积 ×015 ×潮汐量 ×高度2 ×重力加速度 ×011 = (5)
21252 ×1011 m2 ×015 ×706OΠɑ×(112m) 2 ×1025kgΠm2 ×918mΠs2 ×011 ×23564 = 27110 ×1020 sej
为避免重复计算 ,根据能值理论 ,同一性质的能量投入只取其最大值。风能、雨水化学能和雨水势能都是
代号或表达式 Symbol or expression
R N F
R1 I= R+ N
太阳能值ΠEsej Solar emjoules
6620 228
1482
14452 6848
项 目 Items 总辅助能投入 总能值投入 能值产出 热带农产品 畜产品 渔产品 总能值产出
代号或表达式 Symbol or expression
第 12
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期 月
中国生态农业学报
Chinese Journal of Eco2Agricult ure
Vol. 12
J uly ,
No. 3 2004
农业生态系统能值分析方法
张耀辉
(海南省琼州大学 五指山市 572200)
摘 要 阐述了能值分析理论基本概念和原理及其具体分析步骤 ,能值计算方法在农业生态系统的应用 、农业生 态系统能值分析指标体系内容及其对资源环境价值评价和量化的意义 。 关键词 能值分析 指标体系 农业生态系统 资源环境价值评价与量化
U = F + R1 T= I+ U
太阳能值ΠEsej Solar emjoules
15936 22782
Y1 Y2 Y3 Y = Y 1 + Y 2 + Y 3
13799 3770 2685
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第 3 期 张耀辉 :农业生态系统能值分析方法
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94 % ,有机肥投入比例为 6 % ,人力投入占绝对优势 。诸多 因素表明海南省农业处于以传统农业为主 ,逐渐向现代农业
3 实例分析
海南省农业能值投入2产出状况见表 2 。环境资源能值和购买能值投入分别占能值利用率的 30 %和 70 %(见表 3) ,表明环境资源对海南省农业贡献很大 。可更新资源能值包括可更新的自然环境资源能值和 有机能能值 , 是海南省农业持续发展的关键因素 。在可更新有机能能值 (人力 、有机肥) 中人力投入比例为
×175818mmΠɑ×10 - 3 ×1000kgΠm3 ×918mΠs2 ×8888 = 14170 ×1020 sej
雨水化学能值 = 雨水化学能量 ×太阳能值转化率 = 农业用地面积 ×平均降雨量 ×雨水的吉布斯自由能 ×密度 ×太阳能 (4)
值转换率 = 3120 ×1010 m2 ×175818mmΠɑ×10 - 3 ×4149 ×103JΠkg ×1000kgΠm3 ×15444 = 39110 ×1020 sej
表 3 海南农业能值指标体系( 1994) Tab. 3 Index system of agricultural emergy of Hainan in 1994
转型的阶段[1] 。海南省农牧渔业产出能值依次为 137. 99 × 1020 sej 、37. 70 ×1020 sej 和 26. 85 ×1020 sej ,畜牧业和渔业能值 产出较低 ,应大力发展淡水养鱼 、深海捕捞和海水养殖业 ,积 极引进和繁育畜禽良种 ,发展饲料工业和畜牧业 。净能值产 出率为产出能值与投入能值的比值 ,其中投入的能值来自人 类经济体系 ,该值表明 1 个系统是否可持续发展 ,海南省农 业净能值产出率 > 1 ,表明该省农业可作为 1 种能值来源 ,同 时表明该系统是持续发展的 。海南省农业净能值产出率高 于日本和意大利 ,其原因是海南省农业投入的购买能值较
收稿日期 :2003207206 改回日期 :2003208216
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中 国 生 态 农 业 学 报 第 12 卷
的能流 、物流和货币流 ,而能量分析仅计算分析系统部分能流量[2] 。农业生态系统从能量分析发展到能值分 析在理论和方法上都是一个重大飞跃 。农业生态系统作为人类生存的最基本系统 ,对其结构和功能进行分 析 、对资源环境价值进行评价和量化有利于加强人们对农业资源环境的认识和保护意识 ,对我国乃至世界农 业生态系统研究都具有深远意义 。
Emergy analysis method of agro2ecosystem. ZHAN G Yao2Hui ( Qiongzhou University of Hainan Province , Wuzhishan 572200) , CJ EA ,2004 ,12 (3) :181～183 Abstract The concept and t heory of t he emergy analysis are stated in t his paper. And t he application of t he step and cal2 culating met hod of emergy analysis in agro2ecosystem , t he index system of emergy analysis in agro2ecosystem , and t he sig2 nificance of emergy analysis on t he assessment and quantification of t he value of resource and environment are also dis2 cussed. Key words Emergy analysis , Index system , Agro2ecosystem , Assessment and quantification of t he value of resource and environment
表 1 能值计算式为 :
太阳光能值 = 光辐射能量 ×太阳能值转换率 = 农业用地面积 ×太阳辐射强度 ×太阳能
(1)
转换率 = 3120 ×1010 m2 ×104 ×1104 ×106 ×411868JΠcm2 ·ɑ= 1319 ×1020 sej
风能值 = 风能量 ×太阳能值转换率 = 高度 ×空气密度 ×农业用地面积 ×涡流扩散系数 ×风速梯度变化率2 = 1000m × (2)
1 基本概念与原理
能值 ( Emergy) 指任何物质 (或能量) 所包含的另 1 种能量的数量 。太阳能是最原始的能源形式 ,故实际 应用中以太阳能值为统一标准来衡量不同类别的能量 。任何资源 、商品或劳务在形成过程中均直接或间接 利用太阳能量 ,即其具有的太阳能值 。能值单位为太阳能焦耳 ( Solar emjoules ,缩写为 sej) [2] 。太阳能值转换 率 ( Solar t ransformity) 即单位能量 (或物质) 所含的太阳能量 ,单位为 sejΠJ (或 sejΠg) [2] 。它是度量某种能量 (或物质) 能质的尺度 ,能值转换率越高 ,表明该种能量 (或物质) 的能质越高 ,在能量系统中的等级阶层也越 高 。如太阳光能值转换率最低为 1 ,风能为 663 ,雨水势能为 8888 等 ,逐级递进 。人类社会 、自然界的一切物 质皆遵循能量等级原理 ,太阳能值转换率的差异从本质上揭示了不同类别的自然物和产品存在质的差别的 内在原因 。利用太阳能值及太阳能值转换率等指标衡量资源环境对经济的贡献有其客观合理性 。
为追求农产品数量增长 ,人们在农业生产活动中往往投入大量的工业辅助能 ,从而显著提高了土地产出 率 ,但大量施用化肥 、农药并消耗大量不可更新的资源带来了环境污染和资源短缺问题 。合理认识和评价环 境资源的贡献是农业持续发展中急需解决的问题 。农业生态系统给人类社会提供各种经济产品和生态产 品 ,其中经济产品包括粮食 、原料和市场等 ,生态产品包括构成自然环境的阳光 、空气 、水热等生态因子以及 由这些因子所表现出的整体生态效应 ,如净化 、吸污 、防风固沙 、涵养水土等 。生态产品 (即资源环境) 不仅具 有使用价值 ,且具有价值 ,是人类社会生存和农业持续发展的基础 。与能量分析方法相比 ,能值分析法能较 准确评价资源环境的价值 。能值分析克服了能量分析无法解决的不同类别 、不同性质的能量不可比较和加 减的难题 ,把农业系统作为复合生态经济系统来分析 ,重视研究系统的自然属性 、经济特征及其相互关系 ,是 典型的系统分析 ,而能量分析偏重于辅助能和产出能的分析 ,是系统的局部分析 ,不计算分析自然环境资源 (太阳光 、雨水 、土壤等) 的能量投入 ;能值分析得出一系列能值指标体系 ,更深刻地分析说明系统的结构和功 能特征 ,而能量分析主要计算农业能量的各种产投比 ,很难说明系统的根本特征 ;能值分析能综合评价系统