能值分析与地理学的综合研究

中国地理学会 自然 地 理 专 业 委 员 会 自然地理学与生态建设气 象 出版 社2 0 0 6年 7月 能值分析与地理学的综合研究 王秀红申元村 ( 中国 科 学院地 理科 学与 资葱研究 所 ， 北京 1 o 0 1 o 1 ) 地理学的研究对象是地球表层。这是一个与空间位置紧密相关的， 由各种复杂自然现象和 社会现象交织在一起的等级系统。对复杂现象进行研究的基本方法就是在分析的基础上进行简 化和综合， 因此， 地理学研究的基本方法就是综合。在超宏观尺度， 地球可被视为质点( 如计算与 其他天体之间的万有引力) ; 但局限于人类活动的时空尺度内， 由地球内外营力和人类活动造成 的区域差异可以被认为是永恒的， 因而用综合的方法比较区域差异也是永恒的科学问题。综合 是地理学 存在的依据 1 ， 实际 上也是许 多学科自 觉或 不自 觉必须应用的研究方法， 而如何综合是 地理学综合研究的难点。一门学科的存在和发展需要三种相容的驱动力， 即( 1)学科内部问题的 不断发现和解决， ( 2)较大的社会需要， ( 3)不断借鉴和移植其他学科的研究方法和成果而又能保 持自己的特色。新兴的能值分析是研究自然和人文现象综合性问题的一把尺子或钥匙。地理学 的综合研究如果借鉴和利用能值分析的方法， 可能会取得实质性的进展。 1 综合研究的困惑 地理学具有跨越自然学科和社会学科的性质， 对两大类学科起着桥梁、 交汇和贯通的作用， 在传统学科中别具一格、 独树一帜。然而， 自A . 洪堡、 R且道库恰也夫以后， 地理学的综合研究 不仅经历了一个很长的时期没有得到显著的发展， 甚至有江河日下的趋势。尤其是第二次世界 大战以后， 地理环境决定论受到严厉的批评， 人文地理脱离了自然地理， 自然地理本身又分崩离 析， 综合工作更衰落了。地理学各分支之中， 地貌学一枝独秀， 亦增加了综合的困难2。不少人 认为地理学如同哲学、 四不象、 万金油， 其常识性强而实用性差; 也有人认为研究地理问题如同大 合唱， 调子可能较高， 但也极易让人滥竿充数。总之， 地理学似乎在逐步远离具体而趋于抽象， 或 者具体到其他学科领域。另外对地理现象进行综合的必要性和如何综合均令人产生了困惑。例 如， 许多的地理科学讨论基本上都聚焦或落脚在争论造成某些地理现象的温度条件和水分状况 如何综合， 自 然因素和人文因素如何综合。根据各种传统指标而计算出的各种新指数多如牛毛， 这既是一种时尚， 也是进行综合的尝试， 但许多新的综合指数令人费解。 1 . 1 综合有无必要? 分析和综合是科学研究的基本方法。随着分析方法的不断深入和多样化 ， 所得到的关于 甚 金项 目: 国 家 自 然科 学基金 项 目 403 710 05 ) 及所 创新 项 目 ( C X I O 奋 A o 5 一 05) 资助 。 5 0 3 某些地理现象的信息种类越来越多。要想理解和消化这些信息， 简化和综合是唯一的方法。 传统的综合评价只通过目视对比分析几列数据或现象， 但这种方法已经远远不能处理几十个 甚至上百个数据。因此， 分析研究的深人更显出综合研究的重要。没有综合研究， 细致的分析 研究也将成为新的“ 盲人摸象” 而失去生命力。没有综合性地理研究， 地理学便失去其存在的 依据。研究区域差异既包含研究个别地理现象的区域差异， 更包含更为重要的研究各种复杂 地理现象综合性的区域差异。因此， 研究区域差异离不开综合研究。地理学研究的核心凝练 为一个字即“ 区” 字， 从这个简化的象形字中我们可以简单地提炼出点与面的关系， 但更为重要 的是综合数据信息与区界的关系。 1 . 2 为什么目的而综合? 地理学的生命力取决于其服务性或实用性。地理学如果脱离实际， 发展到“ 曲高和寡” 的 地步， 其传统的综合性和区域性的研究方法将只能被其他相关学科利用。早在 1 9 8 6 年， 黄秉 维院 士就 指 出， 现在 许 多综 合性 工作 可 以说 基本 上是 comp rehensi ve ( 混 合 的) 和 mu l t i d i s c i p l i n a r y ( 多学科的) ， 而不是i n t e g r a t iv e ( 综合的) 和i n t e r d is c ip l i n a r y ( 跨学科交叉的) 。 在谈到陆地系统科学时， 他反复强调综合的重要性， 明确指出多学科研究不是综合研究， 只有 跨学科研究， 融会贯通， 才能算是综合研究。各学科工作分别进行， 一般只能得出一堆混合物， 不是化合物z。 可见 综合是有目 的的“ 化 合” ， 没有目 的的各种信息或数据的机械叠加性混合， 只能使“ 综合” 结果没有实际意义， 甚至荒唐可笑。比如， 在对各种数据缺乏层次分析、 因果分 析、 相关分析等必要处理的前提下进行的聚类综合评价， 往往产生许多令人费解的结果。 1 . 3 如何综合? 如何综合既是一个理论问题， 又是一个技术问题。自觉或不自觉地回避如何综合， 理论性 极强但可操作性和可重复性几乎为零的综合， 往往使人对地理学的综合产生迷茫。特别是各 种自然和人文要素之间复杂的层次关系、 因果网络关系、 相关关系、 空间相互作用本来就难于 梳理， 又没有公认的约定俗成， 这样便造成了许多不同的综合方法， 各种方法均有一定的道理， 但又都不尽完善， 其实这也是地理学综合研究的悲剧所在。大家似乎都是“ 智公” 在不断谈论 如何“ 移山” 。不能明了综合的研究方法和技术路线， 其实也就不能明确为什么目的而综合和 综合的必要性何在。如何进行综合不仅困扰着地理学， 其实也困扰着一切处理 自然因素和人 文因素的其他学科。在这种历史背景下， 能值分析应运而生。能值分析方法尽管也受到许多 的异议， 但它所坚持的方向是无可非议的， 必将对地理学的综合研究产生积极影响。 2 能值分析与综合研究 2 . 1 能值分析应运而生 无论是自然环境系统， 人类经济系统， 还是人地系统， 其存在和变化均依赖于能量驱动， 因 而探索能流的规律就可以统领各种自然要素和人文要素， 探索和协调人地关系。人类探求衡 量资源和经济财富价值的方法或寻求 自然和人文因素综合的途径已经有很长的历史。传统的 经济学的劳动价值论或市场价值论， 只表现了人对财富的影响， 而没有重视自 然地理要素对财 5 0 4 富的影响; 传统的能量分析方法， 把所有的可利用的能量等同看待， 不能体现能级和能质的差 异。局限于一般的能量单位难以解决不同类型、 不同性质的能量相互加减和比较的问题， 1 9 8 0 年代后期， 美国著名生态学家 H. T. o d u m( 奥德姆) 在能量系统分析的基础上， 创立了能值分 析理论， 引起国际系统生态学界和生态经济学界的强烈反响。能值分析既反映了奥德姆本人 的智慧， 也是历史的必然( 表 1 ) 。能值分析( energy anal ysi s ) 是以能量为核心的系统分析方 法， 克服了能量分析方法的缺陷， 从自然进化和系统演化的角度指出真正财富的共同基础， 即 能值。奥德姆( 19 8 7)将能值定义为: 一流动或储存的能量所包含另一类别能量的数量。能值 理论认为， 以能值为基准， 可以衡量和比较不同类别、 不同等级的能量的真实价值; 换言之， 可 以把不同种类、 不可比较的能量转换成可以进行比较的同一标准能值。从生态系统食物 链与热力学原理引申出的又一新概念， 即能值转换率(transf ormit y ) ， 可以用来表征能量等级 系统中不同类别能量的能质( 即erg yq uah t y ) . 亦即可以作为衡量能量等级的尺度。能值理论 还强调， 自然界和人类社会的能量系统除遵循热力学第一定律和第二定律外， 还受“ 最大功率 原则” ( m aximu mpow erPri nc 咧e)支配， 即具有活 力的系统， 其设计和 组织方式必须能很快地 获得能量并反馈能量， 以获取更多的能量， 得以进行有效率地转换利用。经过自然进化和系统 演化， 具有低能质的能量转化为较高能质的能量， 维持人类的生存和生产活动。此外， 奥德姆 设计的能量系统语言( energy syste m la nguag e)， 便于理解应 用， 有益于其能值理论 的传 播 a 一 4 。 表 1 生态经济度.方法的历史回顾阁 年代著者理 论方法 内涵 1 7 5 0 一 1 8 4 0” P h y s io c r a ts ，资源经 济学定量 研究 1 8 4 0) .J o u e乙J .Ma y e r能量定义为热的等价物( 第一定律) 1850R ， C 纽 usiu ，能量衰减( 第二定律) ; 经济学资源能量的评价 1 8 6 7K . Ma r x劳动价值论 188 O5 .Podali n sky农业的能量预算; 能量价值理论，人类劳务的能量返还 188lE . 黝 cher能量决 价值论区域经济 的能 量预算 1 8 8 5P . C d d 。 。生 产的 能量/ 原材 料需求 。 社 会能. 学 1886L . Bo h zm an达尔文 主义 的能量竞 争原则 ， 嫡 和状态 1 9 0 2L . P f a l n d ler能饭负 载力 19O gw.山t w al d新能且技术带动下的文明进步; 文明裁础， 智力能量 1 9 2 1E soddy利息的增长。 非实际金融资本; 资本贬值; 能量与通货膨胀的关系 1 9 2 2A 切tka最大能最法则( 拟第四定律) ; 生物物理化学动力学; 种群生态学 拍朋一 1 9 96H 工 O d u 爪能值价 值论 ， 能值 定量分 析法 1 9 9 7R .C osta n 二生态系统服务与白然资本的价值( 货币) 估算 能值分析的方法， 若以分析对象而言， 有国家或地区生态一经济系统能值分析， 亚系统能 值分析方法( 如农业、 林业系统) 和具体生产系统( 如农作物、 工业品生产) 能值分析方法等。若 以分析手段和步骤而言， 能值分析包括能量系统图和能值综合图的绘制 ， 能值分析表格制定， 能值 转换率和各种能值指标的计算， 系统 模拟预测等3。能值分析方法的 应用， 将体现自 然因 素和人文因素对人地系统的综合影响， 使得人地系统中各种能量流、 物质流和价值流以同一标 准进行比较和估算。能值分析的理论和方法为生态和经济综合效益的研究提供了重要工具， 同时为地理学的综合研究提供了必要的启示。 2 . 2 能值分析的评介 从地理学角度看， 能值分析方法的优势在于: ( 1)人地系统中的自然资源、 商品、 劳务、 货 5 05 币、 信息等都可以用能值衡量其真实价值， 能值方法使不同类别的能量可以转换为同一客观标 准， 从而可以进行定量的比较。( 2)能值分析方法把生态系统与人类社会经济系统统一起来， 有助于调整生态环境与经济发展的关系， 为人类认识复杂生态地理现象提供了一个重要的度 量标准。能值分析方法的局限性在于: (1) 产品的能值转换率计算， 需对生产该产品的系统作 能值分析， 用系统消耗的太阳能值总量除以产品的能量而求得， 这种分析非常复杂， 并且难度 很大。( 2)能值转换率是指每单位某种能量( 或物质) 由多少太阳能焦耳转化而来。但是一些 物质与太阳能关系很弱， 甚至没有关系， 如地球中的矿物质元素、 地热、 信息等。这些物质很难 用太阳能焦耳来度量。( 3 ) 能值反映的是物质产生过程中所消耗的太阳能， 不能反映人类对生 态系统所提供的服务的需求性， 即支付意愿， 也不能反映生态系统服务的稀缺性。( 4)对区域 差异性和限制因素的关注不足闭。很显然， 过多的雨水能、 风能和( 或) 土壤有机质等均可成为 植物生长发育的限制因素， 甚至灾害。然而， 通过利用比较地理学和能值分析相结合的方法， 便可以很好体现地理学的综合性、 区域性和应用性等优势; 具体而言， 能值分析可以将原来认 为是“ 免费” 的自然地理要素加人到人地系统“ 投人一 产出” 的分析中， 使自然因素和人文因素有 机地联 系起来。 3 结语 地理学的综合研究不仅是学科发展的需要， 更是社会发展的需求。应用能值分析进行综 合研究是必要的、 可行的， 所存在问题可利用传统的地理学研究方法得到解决。能值分析方法 的应用 可能使地