一、能值理論發(fā)展及理論基礎

1、理論發(fā)展

美國、意大利、瑞典、澳大利亞、日本等國家于20世紀90年代迅速開展了能值的研究，發(fā)展中國家隨后也投入到能值理論的研究中。藍盛芳把能值理論、方法和有關研究介紹到我國，出版我國第一本能值專著《生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析》，隨后我國開始了能值理論的深入研究。

2、理論基礎

（1）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量來源

能量可以貫穿整個農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能。太陽輻射到地球表面的能量首先由農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的植物經(jīng)過光合作用吸收，經(jīng)過食物鏈和食物網(wǎng)進行能量和信息的流動、轉(zhuǎn)化和傳遞。然后，未經(jīng)植物吸收的太陽能是地球表面升溫，不同地區(qū)因地理位置不同得到的太陽輻射熱量有所差異。同時，陸地和海洋的比熱不同，造成熱能在不同的介質(zhì)中流動而形成鳳、洋流和海浪的活動。海洋、地表水蒸發(fā)至空中遇冷形成雨、雪等，雨水具有勢能，以地表徑流方式?jīng)_刷地表土壤有機物質(zhì)，造成土壤流失。煤炭、石油、天然氣等化石燃料是生物有機質(zhì)在地底經(jīng)過長年累月形成。因此，太陽能是地球上一切能量形式的基礎。

（2）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的等級理論與能量品質(zhì)

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的組成部分具有等級關系。等級低者為等級高者提供服務、支持，等級高者則具有控制等級低者的功能。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中等級關系如下：各種特性的生產(chǎn)者利用太陽能進行光合作用形成有機體，稻谷、小麥等產(chǎn)品可以為人類生存提供能量、食物，牧草可以繼續(xù)為草食性動物提供能量、食物，草食性動物最終為人類提供能量、食物。能量在生態(tài)系統(tǒng)中的每一個傳遞、轉(zhuǎn)換過程，均伴隨著能量的流失，隨著能量由低級生物向高級的消費者轉(zhuǎn)移，能量越來越少。高等級者具有控制低等級者的特性，其單位能量的能量品質(zhì)較低等級者要高。

（3）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量流動遵循的原理

熱力學第一定律：能量由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式，總量不變。熱力學第二定律：能量在由一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式的過程中，有些能量會形成不具有潛能的熱形式耗散。因此，隨著能量由較低等級的消費者傳至較高等級的消費者，其量越來越小；為了產(chǎn)生高等級的能量，必定消耗大量低等級能量。最大功率原則：具有活力的系統(tǒng)，其組織方式必須能夠從外界獲取能量，并進行有效轉(zhuǎn)換盒利用，通過系統(tǒng)反饋，獲得更多的能量，保證系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的活力與繁榮。為了符合最大功率原則，系統(tǒng)必須做到：

①構建儲存高品質(zhì)能量的系統(tǒng)。

②從能量儲存系統(tǒng)反饋能量以增加外界能量的流入。

③使物質(zhì)得到循環(huán)利用。

④建立控制功能，使系統(tǒng)穩(wěn)定。

⑤與系統(tǒng)外交換不同類型的能量。

⑥對外界環(huán)境系統(tǒng)有益，使自身處于有利條件之中。

二、能值評價的方法與步驟

1、能值定義

生產(chǎn)某種類別的能量所包含或需要的另一類別能量的數(shù)量。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，生產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品在形成過程中直接或間接使用的各種能量的總量，即為該物品或服務的能值。能值法就是根據(jù)能值分析理論，從農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)角度出發(fā)，將自然生態(tài)系統(tǒng)與人類經(jīng)濟系統(tǒng)相結合，以太陽能為基本衡量單位，與能量流圖相互補，來研究分析不同時間和空間尺度下的自然和人類—農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量經(jīng)濟行為。

2、能值分析步驟：

（1）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)相關資料收集

通過調(diào)查、測定、計算、收集研究農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的投入與產(chǎn)出、氣象資料等數(shù)據(jù)，進行整理分類及存儲處理。數(shù)據(jù)的獲取可參照權威的統(tǒng)計部門資料和實地考察。

（2）繪制農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量系統(tǒng)圖

以奧德姆的能量系統(tǒng)語言圖例，繪制詳細的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量圖，組織上個步驟收集的資料，形成包括系統(tǒng)主要組成部分和相關關系及能流的系統(tǒng)能量圖解，概括研究對象各組成部分和環(huán)境的關系。

（3）編制能值分析表

列出農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的主要能量來源和輸出項目，計算能值分析表中各類別資源能流量，以J為單位，物質(zhì)以g為單位，將各類別能量、物質(zhì)轉(zhuǎn)換成共同的能值單位，編制出云南省農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)投入與產(chǎn)出能值表。

（4）構建農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值綜合系統(tǒng)圖

為簡化第二步復雜的能量系統(tǒng)圖，可將重要的性質(zhì)類似的項目集結和綜合，構建能夠體現(xiàn)系統(tǒng)資源能值機構及其產(chǎn)出的綜合系統(tǒng)圖，以便整體分析評價。

（5）建立能值系統(tǒng)分析指標體系

由第（3）步的能值分析表及第二步的集結性系統(tǒng)圖，可進一步建立并計算出一系列反映生態(tài)與經(jīng)濟效率的能值指標體系，以分析經(jīng)濟界面，評價農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對經(jīng)濟系統(tǒng)的貢獻和經(jīng)濟對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的作用。

（6）系統(tǒng)發(fā)展評價和策略分析

通過能值指標分析和系統(tǒng)結構功能的能值定量分析，為制定正確的系統(tǒng)管理措施和發(fā)展策略提供科學依據(jù)，指導生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)良性運行與可持續(xù)發(fā)展。

三、能值轉(zhuǎn)換率

為了順利完成能值指標的計算，需要收集相關的數(shù)據(jù)，根據(jù)氣象資料和統(tǒng)計年鑒和實踐調(diào)查可以得到指標的數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)生態(tài)資源的投入與產(chǎn)出項目可以認為是由太陽輻射能直接或間接得到的產(chǎn)品，產(chǎn)品的能值轉(zhuǎn)換率等于它包含的能值除以它的能量（質(zhì)量），即單位能量（質(zhì)量）所包含的能值。實際使用的能值單位是太陽能焦耳。不同類別的能量具有不同的能值，因而在能量系統(tǒng)中所處的不同能級，或以不同能量形態(tài)存在的能量則具有不同的能值轉(zhuǎn)換率。產(chǎn)品形成過程中用于轉(zhuǎn)化的能量越多，即消耗的能值越多，則該產(chǎn)品的能值轉(zhuǎn)換率就越高。這是因為產(chǎn)品形成所進行的每一次能量轉(zhuǎn)化過程，均有許多有效能量被消耗，結果轉(zhuǎn)化成數(shù)量少得多的另一種能量。因此，新產(chǎn)品的能值增加了，但其蘊含的能量相對于輸入應用的能量而言則降低，每單位產(chǎn)出能量的能值明顯增大，產(chǎn)品的能質(zhì)和能級提高。能值轉(zhuǎn)換率就是衡量能量等級的尺度，而且明顯地使用于一切物質(zhì)、能量或信息。宇宙中有多少能量等級，就有多少能值轉(zhuǎn)換率。奧德姆從地球作用的角度換算出自然界和人類社會主要能量類型的太陽能值轉(zhuǎn)換率。自然資源及其產(chǎn)品能值轉(zhuǎn)換率比較一致，而人類經(jīng)濟產(chǎn)品的能值轉(zhuǎn)換率則因生產(chǎn)水平和效率差異而出現(xiàn)差別。因此對于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中投入與產(chǎn)出項目的能值轉(zhuǎn)換率可以參照奧德姆和藍盛芳等的研究成果。

四、能量計算

在確定好太陽能值轉(zhuǎn)換率之后，要找到各個項目的能值總量，需要找到各個項目的原始能量和能質(zhì)的總量原始數(shù)據(jù)。參照相關資料，得出各個項目的能量計算公式。

（1）太陽能=太陽常數(shù)×日照時數(shù)×面積×（1－反射率）。

（2）風能=高度×空氣密度×渦流擴散系數(shù)×風速梯度×總面積。

（3）雨水勢能=總面積×平均海拔×平均降水量×雨水密度×重力加速度。

（4）雨水化學能=農(nóng)業(yè)用地面積×平均降雨量×雨水的吉布斯自由能×雨水密度。

（5）潮汐能=總面積×0.5×潮汐次數(shù)×潮高的平方×水密度×重力加速度。

（6）地球旋轉(zhuǎn)能（地球循環(huán)能）=區(qū)域面積×熱通量。

（7）土壤流失能=（土壤流失量－土壤生成速率）×區(qū)域面積。

（8）表層土損耗能=耕地面積×土壤侵蝕率×單位質(zhì)量土壤的有機質(zhì)含量×有機質(zhì)能量。

（9）其他一些主要原料、燃料、產(chǎn)品能值計算。公式=項目的年消費量或者年生產(chǎn)量×相應的能量折算系數(shù)。

五、結語

能值研究在我國開展已經(jīng)20多年，由農(nóng)、林、牧、副、漁子系統(tǒng)擴展到農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟和城市生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)等多個領域，并產(chǎn)出大量研究成果，對生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供了數(shù)據(jù)指標。發(fā)達國家已經(jīng)開始了大范圍的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值統(tǒng)計，中國部分省份也在開展農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值統(tǒng)計，不過西南地區(qū)開展工作較晚，研究成果較少，因此西南地區(qū)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能值統(tǒng)計成為今后的研究重點。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值統(tǒng)計工作往往缺乏方法指導，研究內(nèi)容對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值統(tǒng)計和評價具有指導意義。

作者：宋嘉 熊理然 劉云 單位：云南師范大學