产业生态系统多尺度能值整合评价方法.doc

陆宏芳等：产业生态系统多尺度能值整合评价方法 415产业生态系统多尺度能值整合评价方法陆宏芳1，陈飞鹏3，任海1，彭少麟1, 2*1. 中国科学院华南植物园，广东 广州510650；2. 中山大学生命科学院生态与进化研究所，广东 广州510275；3. 华南农业大学生命科学学院，广东 广州510642摘要：能值分析方法为自然环境资源与人类社会、经济的统一评价提供了新的思路，但面对当今产业生态学发展的实践需求，在多尺度整合分析、动态模型构建等方面仍显薄弱，需要与经济学等其他学科相对成熟的分析方法与模型加以整合。文章以能值综合方法为核心介质，从成本分析与效果分析的整合、能值分析与区域经济分析的整合，以及能值分析表与投入-产出矩阵模型的整合三个方面进行了产业生态学的能值整合研究方法的具体构建，以促进能值理论方法与产业生态学研究需求的进一步耦合。关键词：产业生态系统；能值；多尺度；整合评价中图分类号：Q148 文献标识码：A 文章编号：1672-2175（2006）02-0411-05不可更新资源太阳能生态系统产业系统社会经济废物RR2 R3NR1Y1YFW图1 产业生态系统价值流图解Fig. 1 Value flow of industrial ecosystem能值，即产品或服务生产过程中所直接或间接消耗的能量1。能值分析可实现能量流、物质流和经济流的统一评价2，且与包括工程设计3、过程整合4-5、生命周期评价6-7、系统分析8、总成本评估9、Exergy分析10-11在内的产业生态学其他研究方法有良好的兼容性，能够为各种尺度的广义产业生态学研究方法的整合提供一个理想的平台12。但作为一个新兴的理论和方法体系，能值理论与方法在能值转换率的积累、能值计算模拟的简化、对污染排放和生态、经济效益等功能价值的评价等方面都尚待完善13。本文将分别从成本分析与效果分析的整合、能值分析与区域经济分析的整合，以及能值分析表与投入-产出矩阵模型的整合等三个方面构建产业生态学的能值整合研究方法。1 能值成本分析与效果分析的整合用Odum创立的能值概念和能量符号语言对可更新、不可更新资源、生态系统、产业系统和经济系统的能量流、物质流和货币流进行统一的量化描绘，为自然生态和产业生产过程提供统一的量化分析平台1。产业过程包括所有有关制造和废弃物处理过程。通常，产业过程的直接投入包括当地不可更新资源N (如图1所示)，当地可更新生态系统服务和产品R，社会经济系统反馈投入的可更新资源R1和不可更新资源F。产出包括销往市场的主产品Y不经过市场但有益于环保的生态系统服务价值Y1和环境排放W。从生态学的观点看，这些排放只是“放错了地方的财富”，他们亦具有潜在的使用价值，可以为某些系统或过程所用，只是由于人类认知的有限性而造成了这种“生态链的断裂”。这些排放可能需要生态系统服务消散它们，而且可能危害生态或经济系统。生态系统输出R2和R3分别表示消散这些排放所需的自然服务和这些排放造成的生态影响。能值分析计入了所有的投入能值，即R、R1、N、F，但在产出中仅计入了Y、Y1和W的总能值成本，而忽视了市场经济作用下产出和排放的环境和经济影响14-16。产业生态系统的全面评价研究，要求当前单一的能值成本价值分析与生态经济价值的效果分析相整合。能值分析方法从机理上讲是一种成本价值论的分析方法，以产业生产过程或系统运作过程中所直接或间接消耗的太阳能值为单位进行产品或系统的价值度量，以消耗能值的成本构成结构度量系统环境压力和可持续发展性能。但成本并不能反映价值的全部，产品或系统的价值不仅在于它的产生或运转消耗了其他价值成本，而更在于这些消耗的成本在产品的生产过程中或系统的运转过程中涌现了不同于原成本的新的功能，即使用价值。这种使用价值即包括正面的新涌现的产品或系统服务功能的价值，也包括产品生产或系统运转过程中产生的负面的污染和损害价值。完整的生态经济价值分析要求兼顾成本价值与产品或系统使用价值，这就要求进行能值成本分析与产品或系统生态系统功能价值分析，以及副产品或排放物污染的物质分析的整合。本着这一观点，陆宏芳等在系统可持续能值指标（Emergy Sustainable Index, ESI）5的基础上构建提出了新的评价系统可持续发展能力的能值指标（Emergy Index for Sustainable Development, EISD）17，用能值产出率与能值交换率的乘积反映系统产出对人类社会经济的贡献，但仅仅是直接经济贡献，而非全部的功能服务价值。它并不能反映那些未经过市场的环境服务贡献，如园林对于改变生态环境的生态系统服务贡献等，而根据生态经济学领域已有的评估结果，生态系统，尤其是自然生态系统的未经过市场的环境服务贡献价值远大于其通过市场表达的直接经济贡献价值。环境经济学的成本替代、影子工程等方法计得的间接生态经济价值虽然存在主观性的问题，但无疑在以在一定程度上反映当前特定人群对于这部分使用价值的认知程度，而这种认知无疑可理解为这部分使用价值市场经济化的潜能18。因此，可以考虑将环境经济学评价结果通过能值/货币比转化为能值，以评价系统间接的生态系统服务价值（IESV, Indirect Enivronmental Service Value）。将其与系统能值产出的直接经济贡献，即系统产出的市场价值(MV, Market Value)，相加和即可得到系统的总生态经济产出价值（TYV, Total Yield Value）。MV和TYV与系统能值成本总量（U=Y=R+ R1+N+F）的比值可分别显示系统价值在当前和潜在（认知）市场经济中的体现价值与系统产出实际成本价值的关系。根据生态学食物链网的思想，生态系统中没有“废弃无用物”的概念，生态系统中任何有机或无机的物质或能量都可能为某种生物所用，都是有价值的。在生态系统的演替过程中，这种“废弃”物质或能量的短期冗余恰恰是新的生态位的创造者，为新物种的进驻准备了条件。其冗余所造成的系统整合运转效率下降的矛盾的不断升级恰是生态系统实现演替链上的质变，由一个演替阶段进入到另一个演替阶段的导火线和根本性推动力19。同样，能量冗余也是推动文明脚步的动力20。因此在系统的环境成本评价方面，不仅要考虑到环境运转所直接消耗的可更新和不可更新资源价值，而且要考虑到系统自身所不断排出的废弃和污染能值价值的冗余。W/U和W/R可分别用以显示系统废弃能值冗余和给当地带来的环境压力，系统运转过程中直接消耗的不可更新资源的能值与系统运转过程中所排放的污染、废弃能值的加和，则可以评价系统运转的环境成本。根据经济学的效益评价原理，用系统创造的总价值除以系统的总成本即可得到系统的效益值，即产出/投入比。将此原理引入产业生态系统的可持续发展效益评价即得，以包括系统生态服务价值在内的总产出价值除以包括系统污染、废弃排放物价值在内的环境成本价值的比值，以评价系统在当前的价值认知水平上的可持续发展能值效益率（Emergy Benefits Ratio, EBR）。具体计算公式如下：2 能值分析与区域经济分析的整合产业生态学能值整合方法的构建无疑需要适应产业生态学研究的需要。这就要求新构建的产业生态学能值整合方法能至少能就产业生态系统的基本特征进行有针对性的评价和分析。虽然H.T.Odum创立的能值评价指标中有一些能够满足这种有针对性的评价要求，但并不能完全满足这种需求，而区域经济学的分析评价思路恰好为部分需求提供了极好的思路。在就要求我们在对原有能值评价指标进行挑选的基础上，根据需要进行能值分析指标与区域经济学分析指标的整合21。产业生态系统开放性21的评价实质上是针对目标系统与其外部生态、经济环境界面的互作评价，具体而言无非表现在投入的对外依赖性和产出的对外影响度两个方面。现行能值评价指标中，能值交换率（Emergy Exchange Ratio, EER）1明显针对于产业生态系统开放性的评价，可直接采用以评价系统产出能值的对外影响。在区域经济学的评价研究方面，还有外资利用率、产品外销率（国家以下系统的研究中还分出了产品的出口率）。由于这些指标所需要的数据在小至企业大到国家的各级产业系统的统计报表中往往都是可得的，而且可以通过能值转换率和能值/货币比转化为统一的能值单位，因而可以根据具体研究的需要加以引入，以实现对产业生态系统开放性更为全面的评价。本土性12评价在很大程度上则是与开放性评价是相对的评价。他以系统投入中对于本地资源和能源的依赖程度以及系统产出对本地贡献等为评价重点。能值自给率（Emergy Self-sufficiency Ratio, ESR）2明显地具有这种评价的针对性，可直接用以评价系统在投入上的本土性。在系统产出的本土性影响方面，可以根据具体的研究需要引入区域经济学的产品内销率等评价指标。闭路循环性22的评价实质上是针对目标产业系统对资源和能源的利用效率而进行的评价。现行能值分析指标中的能值产出率（Emergy Yield Ratio, EYR）及前文构建的能值效益率（Emergy Benefit Ratio, EBR）都明显满足这方面的评价需求。如果数据可得，可以考虑引入系统废弃物能值与系统总值用量的比（W/U）来加强和完善这方面的评价，并将之命名为能值废弃率（Emergy Waster Ratio, EWR）。除能值指标方面的整合外，还可以通过模拟方法的整合来加强这一方面的评价，如能值与经济学投入-产出矩阵模型的整合等。经济性23的评价在资源和能源利用效率评价的基础上，要求更多的突出系统在市场中的经济性。能值交换率和能值效益率亦明显具有此方面的评价针对性，可直接采用。在具体的广义产业生态学能值整合研究中，不仅要使用上述选取与引入性构建的能值指标，还应视研究的需要选择性地纳入能值密度、人均能值用量、环境负载率等能值指标，以进一步完善评价结果，为目标产业生态系统的进一步优化提供更系统而全面的参考和指导。3能值分析表与投入产出表的整合能值分析方法通过能值分析表将系统投入的各种能流、物流、货币流转化为能值流后，计算出上述能值评价指标，进行分析评价。从上述能值评价指标的介绍可知，现行的能值评价指标均是在系统层面进行评价，并没有对于系统内各子系统间的互作关系和程度进行评价的指标。而生态学的典型教训是，凡孤立地研究系统就会有严重歪曲的危险，因为，在生态学包括产业生态中，各系统间的联系常常是很重要和复杂的。广义产业生态学的一个重要的方面是：不是孤立地考虑产业系统，也不能孤立地将其实施应用。产业生态学的问题最终必须纳入数学模型的框架。但产业生态分析的应用难点不是在一个模型内进行数学运算，而是确定产业生态循环的各个组成部分间相互作用的复杂程度所需的洞察力和信息。因此，在许多情况下，产业生态学问题最自然的选择工具是经济学的投入产出模型（应用于整个经济时称为列昂惕夫矩阵模型）。由美国经济学家瓦西里.列昂惕夫在20世纪30年代所开发的分析理论及投入产出矩阵模型，是从生产技术的角度出发，揭示一个经济系统各部门（产品）相互联系、相互依存的数量关系的理论体系23-24。产业系统内部错综复杂的相互波及关系，要求其研究者要有一种能够从整体出发来搞清包括系统内各子系统间直接和间接波及效应在内的全部影响的分析工具。能值这一统一性度量尺度的运用，可从根本上解决原经济学投入产出分析中物流与货币价值流间，以及经济与生态系统互作在量纲上的不可比问题14。从而使林业、园林绿化、废弃物处理等产业所产出的不经过市场的间接生态服务价值与农业、工业、第三产业等以经济利润为直接经营目的的产业生产得以统一评价。同时，经典经济学投入产出分析通过投入产出表进行系统内各子系统间直接消耗系数、间接消耗系数、完全消耗系数等的计算和分析，以实现对系统内各子系统间互作关系和互作程度的透析研究。将能值引入能值投入产出表，运用投入产出表成熟的矩阵运算方法，可大大减少能值流运算的工作量，并使系统内子系统间互作关系和互作程度的评价更加规范化。对于以时间为轴进行的系统动态能值评估，如果能够结合以内各子系统间互作关系和互作程度的能值投入产出表分析，可以更明晰地揭示系统演变的内部机理和规律。具体而言，以能值为统一量纲，可将经济学投入产出表改造为表1（下页）所示的广义产业生态学能值投入产出表。由于系统外产业的范围往往过于广泛和复杂，且非目标之研究对象，其自投数据具有不可获得性，因此不能构建包括其在内的n+1阶能值投入产出方阵，但这两列的投入产出数据乃可直接用于研究目标系统。4 广义产业生态学能值整合研究步骤广义产业生态学能值整合研究研究方法是以能值理论、方法为核心的广义产业生态学整合研究方法，故其研究步骤亦以能值分析步骤1为基础，结合上述方法学整合内容。简述如下：（1）遵循经典的能值分析步骤，依次进行资料收集、能量系统图的绘制、解值分析表的构建和运算、能值综合系统图的绘制；（2）将废弃排放能值和当代生态经济学的功能评价价值等能值项目，通过能值/货币比等纳入广义产业生态学能值整合方法的评价指标体系，进行系统层面的能值整合评价；（3）将能值流数据引入经典经济学成熟的投入产出表中，进行系统内各子系统间能值直接消耗系数、能值完全消耗系数等的求算。分析探求各子系统间互作关系和互作强度的动态变化与系统可持续发展性能变化间的相互关系和互作规律。5结论与讨论表1广义产业生态学能值投入产出Tab 1 Emergy input-output table for broad industrial ecology投入产出部门1部门2部门n输出总产出部门1X11X 12X 1nY1X1部门2X21X 12X 2nY2X2I部门nXn1X n2X nnYnXn外部环境Z1Z2Zn利润N1N2Nn总产出X1X2Xn以能值评估为核心介质，从能值成本分析与效果分析的整合、能值指标与区域经济学评价指标的整合，以及能值分析表与投入-产出矩阵模型的整合等三个方面进行方法学整合，可以弥补传统能值分析方法中对于系统产出效果分析、评价指标体系和内部子系统间相互作用的评价等方面的不足，同时兼顾到系统从自然环境资源消耗到经济、环境和废弃产出影响的各个方面；有专门的指标对于产业生态系统的可持续发展状态和开放性、闭路循环性、本土性和经济性四大基本特征进行有针对性的评价分析；可通过产业系统内子系统间相互作用的系统量化评估，揭示产业系统层面现象的内在机理。在为广义产业生态学研究提供有力的方法论支撑的同时，丰富能值评价指标体系、进一步完善了能值研究的计算和模拟方法。能值整合研究方法对与其他生态学和经济这的研究方法有着较好的兼容性。在能值分析与物流分析的整合25、能值分析与土地利用格局分析的整合26-27、能值分析与exergy分析的整合28-29、能值分析与生态足迹和产品生命周期评价的整合30-31等等，都有相关学者展开探讨。本文仅从产业链产后端、多尺度整合研究与运算方法的模式化等方面进行能值分析与环境经济学、区域经济学和经济学方法的整合探讨，以期满足多尺度产业生态学研究的需要，供相关研究人员参考。研究者可以根据具体的研究目的和研究对象各自的特点，尝试进行其他的指标与方法综合的综合研究，以更好地满足特定研究的需要。参考文献：1 ODUM H T. 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