陆宏芳参赛稿

农业生态工程系统评价方法多角度透视陆宏芳（华南农业大学生物技术学院，广州，510642）摘要 分析讨论了近年来农业生态工程系统评价在经济学、能量学、热力学及能值角度的新进展。着重介绍分析了H.T.Odum所创立的能值分析方法，指出了能值分析方法与其它生态经济学界、能量生态学界等分析方法的区别与突破之处，分析了部分能值分析指标之的相关性，推出了新的可持续发展能值指标。关键词 农业生态工程 评价 能值Issues Analysis about Agrio-ecological Engineering System Accounting. Lu Hongfang (College of Biotechnology, South China Agricultural University, Guangzhou 510642)Abstract Some new progresses for the analysis of agrio-ecological engineering in ecological economy, energy, emergy and some other new theory area, especially the Emergy analysis theory formed by H.T.Odum, are introduced and assessed.Emergy Indices System are analysised and a new sustainable Emergy Indice is deduced.Key Words agrio-ecological engineering, accounting, emergy自20世纪60年代Odum提出生态工程概念以来的30多年，生态工程的研究取得了巨大的成就,已成为当代生态学优先发展方向之一。Odum一再强调，生态工程的根在东方文明古国，尤其是中国。我国明代以来盛行的桑基鱼塘等本身就是相当成熟的农业生态工程。农业生态工程是有效运用生态系统中各生物种群充分利用空间和资源的群落共生原理，多种成分相互作用和促进的功能原理，从而建立能合理利用自然资源、保持生态稳定和持续高效功能的农业生态系统。目前，我国开展的生态农业建设是以农业生态工程建设为主体的，也就是说生态农业是方向，农业生态工程是实现生态农业的技术手段与理论基础。农业生态工程系统是农业生态经济系统和农业技术系统复合而成的生态经济复合系统，其整体功能、结构的定量化研究是长期以来生态学界、经济学界、生态经济学界等多学科领域共同关注的焦点。尤其是在环境问题日益尖锐的今天，如何科学评价包括农业生态工程系统在内的生态经济复合系统中各种经济和非经济的生态流成为广为关注的核心性问题。本文旨在各种已有分析方法分析对比的基础上，着重阐述以Odum为首于80年代创立的新兴能值分析方法在农业生态工程系统评估上的应用，探讨农业生态工程系统的定量分析评价方法。1 货币衡量方法人是社会动物，人类社会中最本质的关系是经济关系，人类对于事物分析最根本的出发点就是经济核算，对于农业生态工程系统的评价亦然。1876年马克思提出劳动价值论，认为人类劳务是价值的唯一源泉，事物价值的有无和大小取决于其生产制造过程中所耗社会平均必要劳动时间的有无和数量，没有人类劳务的消耗，事物即使有使用价值也不具有价值。也就是说，农业生态工程系统两大投入（见图1）中只有人类社会的经济反馈投入因其所直接或间接包含的人类劳务而被认为是有价值的；环境服务的投入如阳光、雨水、风能、土壤、大气等则是无价值的“免费午餐”，无需任何反馈。环境服务投入数量与质量的不同无疑又会大大影响整个系统的经济产出投入比，即“免费午餐”享用的越多，系统产出投入比就越高，经济效益也就越好。基于此人类便开始了这种争先恐后的“免费享用”。于是资源丰富的渔场变成了“清水湾”、沃土肥田变成了瘠薄荒地、水源污染了、空气恶化了、农药残余了随着日益尖锐的世界环境危机，人们逐渐认识到环境服务的价值和传统价值观念的片面性，力求实现农业生态工程系统的全面综合评价。从Freeman（1979）的环境提高的利益：理论与实践到Costanza等的全球生态系统服务和自然资本的价值；从支付意愿（WTP）到条件价值（CV）；从补偿价值到边际价值；从旅游消费推算到绿色税收；从Hedonic价格模型到趋避行为模型，生态经济学家们曾试图用很多方法从经济角度来达到农业生态工程系统各种生态流的统一评价。这些方法大部分建立在新古典经济学“个人支付意愿”理论基础之上。经济学家们一致认为其必然性在于，绝对的自然环境市场是不存在的。因为：不是所有资源都是私人拥有的；资源所有者难以从他们的资源利用中得到必需利益；没有单个所有者能够拥有全部资源；成本决定价值论对于系统中生态服务部分的价值评价是不适宜的，只能通过意愿评价方法。而且根据新古典经济学理论，不同商品和劳务的经济价值判断是由消费个人的主观品味和偏好决定的。其充分性在于：资源价值是以个人主观偏好为基础的，个人选择是由目前的收入分配和福利决定的；有关资源的真正价值资料是难以完整和准确提供的；狭窄的物理界限造成一种有限资源假设，其中任何一种的作用总是难以得到满足建立在“支付意愿”基础之上的新古典经济学市场价值评价方法，是一种透过市场价格对生态服务的间接部分价值评价或虚拟市场价值分析方法。诸如极差地租、旅游消费等间接支付意愿评价方法，只能实现农业生态工程系统中生态服务贡献的部分价值评价。而诸如机会价值、边际价值补偿价值等直接支付意愿评价方法，虽立于支付意愿的基石之上使其所得之研究结论易于为世人之惯性思维所认可和接受，但其研究结论在很大程度上取决于被调查意愿人知识、理念的有限性、社会风俗传统及其自身收入水平的影响，结论域值或多或少都会偏离真实价值，尤其在涉及自然子系统及其边界生态流时这种偏差更大。而且，社会费用的计算通常是根据当前的市场价格决定的，受自身时空函数动态变化特性的约束，他们本身并不能反映资源利用或环境子系统利用的总费用。环境贮存阳光环境生产土壤、水农业生产经济投入市场价格价格图1 农业生态工程生态经济复合系统能量系统概图新古典理论未能解决人类生态经济系统中内在的本质需求，用价格计算边际效用亦难以反映环境资源和劳务的再生产价值；未能清楚地区分生态子系统贡献与人类劳务、经济子系统贡献。而货币作为一般等价物未能摆脱其自身时空特性的限制。被调查者的有限理念及对系统功能的分割式评价及明显的代际外部性等因子亦降低了其研究结果的可信度。2 能量分析评价方法生态系统的本质特征是不断进行的能量流动、物质循环和信息传递。能量是生态系统赖以存在和发展的基础。生态系统的能量输入和输出，及其在系统各组分间的流动，是生态系统最基本的功能过程之一。能量是适用于任何生态系统的“通用货币”。能量生态学起源于19世纪后半叶，农业生态工程系统的能量分析始自60年代末，随着全球环境、资源问题的尖锐化，才受到广泛重视和发展。加拿大学者Smil（1981）从能流角度对中国农业生态工程系统作了较全面的分析，对剖析我国农业生态工程系统的特点开创了先例。闻大中对农业生态工程系统能流分析方法做了较全面的总结。近10多年来，国内外关于能流分析研究有大量报导。这些都以不同规模和深度对农业生态工程系统进行了定量、半定量的分析，为研究我国农业发展问题提供了重要论据。在对农业生态工程复合系统的功能研究，由尤其是在对自然子系统部分的功能研究方面做出了巨大的贡献的同时，能量分析方法亦遇到一些难题。在对投入到农业生态系统中的各种以工业能源为基础的多种产品的能量折算值难以确定之外，更突出的问题是，不同能质（等级）能量不能简单加减和比较的问题，即能质壁垒问题至今无法突破。如图2所示，4000焦耳的太阳能经过植物、畜牧、沼池、小型发电场等最终只能转化生成12焦耳电能，这12焦耳电能可以于12焦耳太阳能等量齐观的简单加和计算吗？另外，能量流评价与物质流、信息流评价的统一问题也是不容忽视的焦点难题，现在多用以系统论为基础的层次分析法，采用人为确定权重的方法解决，使客观性和可比性降低。如图1，2所示，随着能量从左到右的不断转化升级，能流量与货币流量呈负相关，而对于不同能质能量的“一视同仁”就使得其与经济评价的和谐接轨问题难以妥善解决，从而使原本同出一源的生态学与经济学（Ehrlich and Ehrlich,1972; Odum,1983; Martinez Alier,1987）之间的隔膜加大，也使得研究成果自身在向社会推广中受阻颇大。木材20J直接太阳光植物煤2J畜牧牧雨水间接含太阳能40,000J沼池牧沼气1J电1/2JJ电厂牧图2 农业生态工程生产过程中能量等级转化示意图3 其它系统理论学派分析方法80年代初由邓聚龙教授首次提出的“灰色系统”理论；由美国学者T.L.Saaty提出的层次分析法（简称AHP）和模糊数学法；80年代创始于美国的复杂性理论；90年代的耗散结构理论（Giampietro，1992），以及复杂性理论与耗散结构理论的结合产物生物物理资本理论；90年代创立的系统热力学“埃三极”（Exergy）理论，及最新扩展的全息学说等大量新兴理论的引入，给农业生态工程复合系统的定量分析注入了新的生机与活力,拓宽了人们的研究思路。但面对具有复合性、动态性的农业生态工程，仍显单薄而不成系统，在分析运用中存在着这样那样的问题。4 能值（Emergy）分析理论方法能值与能量不同，是个一新的科学概念和度量标准，其英文拼写带一个字母“M”。是以美国著名生态学家H.T.Odum为首在系统生态、能量生态、生态经济理论基础上经长期研究创立的，经澳大利亚学者Scienceman倡议，于80年代后期正式应用Emergy一词（Odum1987；Scienceman1987）。4.1 能值(EMergy)能值定义为：某种流动或贮存的能量所包含的另一种流动或贮存的能量的数量，即该种能量的能值。因各种资源、产品或劳务在形成过程中均直接或间接地起源于太阳能，实际应用中通常以太阳能为基准，用太阳能值（Solar Emergy）来度量不同类型能量的能值。即任何资源、商品或劳务在形成过程中直接或间接应用的太阳能之量，称为其所具有的太阳能值，单位为太阳能焦耳（Solar Emjoules，缩写为sej）。用能值这一生态流本身所包含的价值对其进行客观的评价，从本质上而言是一种成本决定价值论的价值评价方法，克服了建立在新古典经济学支付意愿和人定权重基础上的众多生态经济和层次分析方法等所具有的主观性。4.2 能值转换率（Emergy transformation）能值分析方法通过能值转换率，即形成每单位某种能量或物质、信息所需的另一种能量（实际应用中常用太阳能）之量，对各生态流价值进行科学而客观的单位转换评价。图2中，电能的太阳能值转换率为8104sej/J，即1焦耳电能所含太阳能值为8104焦耳，植物产出饲料、畜牧业产出粪便、沼池产出沼气等的太阳能值转换率分别为2.0103sej/J、2104sej/J、4104sej/J。从而用“成本核算法”突破了能量分析在数量研究上长期难以攻破的能质壁垒，通过能值（通常是太阳能值）这一统一的客观标准，实现了不同能量等级上不同质能量的统一度量。4.3 能值/货币比率（Emergy/$Ratio）对于经济子系统各生态流及自然子系统与经济子系统交界处不宜用能量转换率进行转换度量的生态流，能值分析方法采用能值/货币比率，即当年该国全年能值应用总量与当年该国国民生产总值的比，推算出其能值后进行统一分析。同时，能值/货币比亦可看作是衡量真正货币流通购买力的标准和在劳力集中的经济活动中劳动力的实际能力的衡量标准。反之，在科学分析评价后的社会实践运用中，亦可通过该国当年的能值/货币比率而推得其相应的经济价值，从而解决了在分析评价和应用中的自然与经济社会的对接难题。为区别于以个人支付意愿为基础的微观市场经济价值而称之为宏观经济价值（Macroeconomic Value）或能值货币价值（Em$）。从而补充了新古典分析论关于人类偏好如何影响到商品劳务的分配的分析，提供了一种将自然环境与当代社会经济模型密切结合的新思路。自H.T.Odum 创立能值分析方法以来，各国生态学家和环境经济学家利用该理论作了大量的应用研究，能值分析理论在农业生态工程系统评价中的应用可谓方兴未艾。但作为一种新兴理论，实践中也暴露出了其有待完善的地方。其中突出的一点是系统性能值指标体系建立问题，目前常用的能值分析指标间尚缺乏系统性和统一性，且存在能值分析可持续性综合性评价指标缺乏的问题。就此试述笔者的一些浅见。RN农业生态工程FR1YeYn图3 农业生态工程系统能值投入产出图解注：R自然环境投入的可更新能源能值； N自然环境投入的不可更新能源能值； F人类经济社会反馈投入的不可更新能源能值； R1人类经济社会反馈投入的可更新能源能值； Ye系统经济产出能值； Yn系统非经济产出能值。4.4 可持续发展能值指标（SEI）4.4.1 主要现行可持续发展能值指标能值指标体系虽因具体分析系统的各性差异而稍有不同，但整体而言其最主要的几个能值指标是相同的。即，能值产出率（Emergy Yeidle Ratio,缩写为EYR）、能值投资率（Emergy Investment Ratio缩写为EIR）、能值交换率(Emergy Exchange Ratio,缩写为EER)、能值扩大率(Emergy Amplifier Ratio,缩写为EAR)、能值自给率(Emergy Self-sufficiency Ratio,缩写为ESR)、环境负载率（Environmental Loading Ratio,缩写为ELR）、可更新能源投入率（Renewable Investment Ratio,缩写为RIR）等。4.4.1.1 能值产出率（EYR）能值产出率为系统产出能值与经济反馈投入能值之比,即图3所示的(N+R+F+R1)与(F+R1)之比。与经济分析中的产出/投入比相似是系统生产效率的衡量标准。EYR越高，表明系统单位购入能值产生的产出能值越高,系统生产效率越高。EYR亦可用于衡量系统自给能力和开放程度。能值总量是守恒的,系统产出高于购入能值投入量的部分正是系统从当地自然环境无偿获取的能值部分。系统EYR越高,则其对当地自然环境的依赖性越大,通过进一步开放交流获得发展的潜力越大。4.4.1.2 能值投资率(EIR)能值投资率为系统经济反馈投入能值(F+R1)与系统自然环境投入能值(N+R)之比。前者如燃油、电力、物资、劳务等，均需花钱购买，称为“购买能值”(Purchased Emergy)；后者来自自然界无偿输送，包括土地、矿藏等不可更新资源和太阳能、风能等可更新资源。能值投资率也称为“经济环境比率”（Economy/Environment Ratio），是衡量经济发展程度和环境状况的指标。其值越大，则经济发展程度越高；其值越小，则说明经济发展程度越低，而且对环境的依赖程度越强。亦可用于确定系统经济活动竞争力，预测自然环境对系统经济活动的承受力。如果系统能值投资率高于当地平均水平，则其生产规模可能超出当地环境条件的承受能力，过大的经济投入，大量的购买能值将使系统产品竞争力降低。反之，则表明系统生产对当地环境造成之压力小，且产出产品的经济竞争能力强。4.4.1.3 能值交换率(EER)能值交换率为系统内及系统间能值交换过程中所获能值与所付能值之比。交换一方的EER大于1，则表明其通过此贸易活动取得了额外的超值收益，有利于其资本的进一步积累和经济的发展。发达国家从发展中国家购入大量物超所值的初级原料，加工后以高于发展中国家能值货币比的价格返销发展中国家就是通过高EER获得发展的极好的例证。研究应用中亦有人称能值交换率为能值受益率（Ratio of Emergy Benefit to Purchase）。4.4.1.4 能值扩大率(EAR)能值扩大率即系统增加某组分或过程而增加的产出能值与增加该组分或过程所需的投入能值增量的比，是衡量能值应用效率的指标。EAR越高,说明增加该组分或过程的效率越高,边际效应越高。如,职工健康福利的投入可提高劳动者的劳动积极性,从而提高劳动生产率,提高产量,增加产出能值。4.4.1.5 能值自给率(ESR)能值自给率是系统自然环境投入能值(N+R)与系统总投入能值(N+R+F+R1)的比。用以描述系统开放程度和经济发展程度。系统发展中,其本身的自给能力是前提和基础,对外交流是动力。ESR越高,系统的自立更生能力越强,对内部资源开发程度越高。但内部资源开发达到一定程度后,从经济和效率出发就必然转向有效外来资源的引进。发达国家从发展中国家购入大量超值原料,提高其生产效率,进一步增强其经济实力，促进其高效发展，因而ESR亦用以评价系统经济发展程度.4.4.1.6 环境负载率（ELR）和可更新能源投入率（RIR）环境负载率即系统总的不可更新能值投入（FN）与可更新能值投入（RR1）之比。可更新能源投入率即系统可更新能值投入量（RR1）与系统能值投入总量（RNFR1）之比。两者都是衡量系统对环境压力和可持续性的指标。ELR越高，表明系统总投入中不可更新能源的比重越大，造成的环境压力越大，系统可持续性越差。RIR越高，则系统的可持续性和再生能力越强。4.4.2 可持续发展能值指标（SEI）4.4.2.1 原有基本能值指标间的相关性上述现行能值分析指标体系中部分指标如能值产出率（EYR）、能值投资率（EIR）及能值自给率（ESR）间，环境负载率（ELR）与可更新能源投入率（RIR）间均存在明显的相关关系。按照指标体系内各分指标间要相互独立的原则，应予以归并简化。现分析如下：4.4.2.1.1 能值产出率（EYR）、能值投资率（EIR）及能值自给率（ESR）据上所述能值产出率为系统总产出能值与社会经济子系统反馈投入能值之比，即：EYR=(N+R+F+R1)/(FR1)=1+(N+R)/(F+R1)能值投资率为社会经济子系统反馈投入能值与自然环境子系统投入能值之比,即EIR=(F+R1)/(N+R) EYR=1+1/EIR 能值自给率为系统自然环境投入能值与系统总投入能值的比，即：ESR(N+R)(N+R+F+R1) ESR=1-(F+R1)/(N+R+F+R1) ESR=1-1/SYR 1/ESR=1+(F+R1)/(N+R) 1/ESR=1+EIR 由上述式可知,能值产出率与能值投资率及能值自给率三者间存在着直接的相关关系,应予以归并简化,保留其一即可。4.4.2.1.2 环境负载率(ELR)与可更新能源投入率(RIR)环境负载率为系统总投入中不可更新能源投入能值总量与可更新能源投入能值总量之比，即：ELR=(F+N)/(R+R1)可更新能源投入率为系统可更新能源投入能值总量与系统能值投入总量之比,即：RIR=(R+R1)/(N+F+R+R1)由此可推出：1/RIR=1+(N+F)/(R+R1)即： 1/RIR=1+ELR可见环境负载率与可更新能源投入率间亦存在直接的负相关关系,应予以归并简化,保留其一即可。4.4.2.2 新的可持续发展能值指标(SEI)及可持续发展能值指标体系根据1992年巴西里约热内卢世界环境发展大会所下定义，可持续发展即在不危及后代人需要的前提下，寻求满足当代人需要的发展途径。此定义有两重要意思即一方面要经济发展，另一方面要可持续。经济发展要求系统能值产出收益率要高，更确切地说是要求系统经济能值产出率（EYeR）与其能值交换率（EER）的乘积要高，因为并非所有的系统产出都是经济产出，而具相同能值的产出在交换过程中受市场、文化、伦理等的响而具有不同的能值交换率，而人们在生产交换中追求的是高的收益率。可持续要求环境负载率（ELR）低。而由上述相关性分析可知系统经济能值产出率与环境负载率间并无明显的相关关系。系统EYeR高时其ELR可能高与可能低。两者合并所得复合指标可同时兼顾系统经济效益与其所带来的环境压力。由此可推出新的可持续发展能值指标(Sustainable Emergy indice,缩写为SEI)为：SEI=EyeREER/ELRSEI值越高，意味着产生单位环境压力所带来的经济效益越高,系统的可持续发展性能越好。系统产出不与外界发生交换时其能值交换率（EER）为1，此时的系统可持续能值评价实质为单位环境负载率下的经济能值产出率。在系统的优化分析引入经济学中成熟的边际效益分析法,用能值扩大率(EAR)取代于原系统分析中的的EyeR,进行单位新增能值投入所引起的系统SEI变化分析。 SEI=EAR*EER/ELR单位新增能值投入所引起的系统SEI正向变化越大则表明其引入越有效。以新的可持续发展能值指标（SEI）为中心评价指标，以能值转换率（ETR）、能值扩大率（EAR）及值交换率(EER)、环境负载率（ELR）为内因分析辅助指标的新的可持续发展能值指标体系在具体的系统评价中可用于两个方面： 对有相同产出的不同的系统模式进行横向对比评价。SEI越高的系统模式在可持续发展的长远尺度上越具竞争优势。 用以评价现存或新兴的某种系统模式进行纵向优化评价。在能值分析的基础上不不断引进新的技术创新组分，提高能值扩大率；降低系统对不可能源的依赖程度，增加其可更新能源使用能力；提高系统与外界的能值交换率，避免无谓的交换性能值损失，提高单位环境压力所换取的经济效益，从而实现系统模式的优化。SEI仅为理论指导得出的新的可持续发展能值指标，尚缺乏实践的检验和量化。美国生态学家Brown.M.T和意大利生态学家Ulgiati.S于1998年提出的能值可持续指标ESI，定义为EYRELR，并通过实证定其量化标准为ESI1为发达国家，1ESI10为发展中国家。其ESI中忽视了系统产出并为都是经济产出，有的产出甚至是极其有害的，如污染物、废弃物的产出以及具相同能值的不同产出会因能值交换率的不同而对系统发展产生不同的影响这一事实。即EYR高并不一定EyeR就高。但基于其实证量化标准，虽有偏差，但仍暂可把SEI的量化标准粗定为：ESI1为发达国家，1ESI10为发展中国家。更精准的量化标准尚有待实践的验证确定。5 结论与讨论综观近20年以来农业生态工程系统经济、能量、数学、热力学、能值等各种不同角度分析方法在农业生态工程系统分析评价中的应用，笔者认为，系统中环境生产、自然资源的价值，利用和储存，不能用货币衡量，因为人类社会经济的货币流通并不经过自然。能量流动经过自然界和人类社会，但能量不能表达和衡量自然资源和人类经济及其关联价值。诸如全息论、生物物理资本理论及三极理论、复杂论等新兴理论在农业生态工程系统分析中的引入不容忽视，但仍显薄弱而不系统。能值可以衡量整个自然和人类社会经济系统。它既可以衡量自然资源财富，也可衡量人类经济活动；既可衡量产品生产的各种投入，也可衡量产品坐标。人类社会经济的运转时刻依赖自然资源，资源坐标包含于一切工农业产品之中。能值与资源、生产、流动和消费息息相关，与整个生态经济系统紧密相连，真正的财富包括自然与人类创造的一切可供人类利用的东西（资源、商品、科技等），而这一切均包含能值。所以能值是真正的财富，也是衡量自然和人类系统的客观标准。随着能值分析方法的不断完善，它的引入必然对农业生态工程系统评价研究起到巨大的推动作用。主要参考文献 马世骏主编. 1987a.中国的农业生态工程.北京:科学出版社. 马世骏. 1987b.加强生态建设,促进农业良性循环.中国生态农业,中国展望出版社, 2937. 孙鸿良等. 1992.农业生态工程的产生、研究进展及我们的任务-纪念敬爱的马世骏教授. 农村生态环境.(2):2330. 赵炳新等. 1994,农业经济系统分析中的灰色模型及应用,系统工程理论方法应用,3(3):6973. 朱孔来等. 1991,生态农业综合效益评价方法的研究,生态学杂志,10(6):6770. 张知彬等. 1998,生态复杂性研究-综述与展望,生态学报,18(4):433441. 孙平跃等. 1997.埃三极(Exergy)理论-生态系统研究的一种新方法,生态学杂志.16(5):3237. 曹志平. 1997.农业生态系统循环功能的综合评价():方法,农村生态环境.13(3):610,49. 闻大中. 19851986.农业生态系统能流的研究方法(一) (二) (三).农村生态环境. Barry C.F. 1994. ENVIRONMENTAL ECONOMICS. McGRAW-HILL,INC. 153154. Brown M.T., Ulgiati S. 1997. Emergy-based indices and rations to evalu