一、能值理論發(fā)展及理論基礎(chǔ)

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(jì)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(lán)盛芳把能值理論、方法和有關(guān)研究介紹到我國，出版我國第一本能值專著《生態(tài)經(jīng)濟(jì)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(chǔ)

（1）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能量來源

能量可以貫穿整個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jìn)行能量和信息的流動(dòng)、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(shí)，陸地和海洋的比熱不同，造成熱能在不同的介質(zhì)中流動(dòng)而形成鳳、洋流和海浪的活動(dòng)。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(jī)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(jī)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(chǔ)。

（2）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的等級(jí)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(jí)關(guān)系。等級(jí)低者為等級(jí)高者提供服務(wù)、支持，等級(jí)高者則具有控制等級(jí)低者的功能。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中等級(jí)關(guān)系如下：各種特性的生產(chǎn)者利用太陽能進(jìn)行光合作用形成有機(jī)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(dòng)物提供能量、食物，草食性動(dòng)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(gè)傳遞、轉(zhuǎn)換過程，均伴隨著能量的流失，隨著能量由低級(jí)生物向高級(jí)的消費(fèi)者轉(zhuǎn)移，能量越來越少。高等級(jí)者具有控制低等級(jí)者的特性，其單位能量的能量品質(zhì)較低等級(jí)者要高。

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

熱力學(xué)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(xué)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(huì)形成不具有潛能的熱形式耗散。因此，隨著能量由較低等級(jí)的消費(fèi)者傳至較高等級(jí)的消費(fèi)者，其量越來越小；為了產(chǎn)生高等級(jí)的能量，必定消耗大量低等級(jí)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(jìn)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(gòu)建儲(chǔ)存高品質(zhì)能量的系統(tǒng)。

②從能量儲(chǔ)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(píng)價(jià)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(wù)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(jì)系統(tǒng)相結(jié)合，以太陽能為基本衡量單位，與能量流圖相互補(bǔ)，來研究分析不同時(shí)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(jì)行為。

2、能值分析步驟：

（1）農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)相關(guān)資料收集

通過調(diào)查、測定、計(jì)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(jìn)行整理分類及存儲(chǔ)處理。數(shù)據(jù)的獲取可參照權(quán)威的統(tǒng)計(jì)部門資料和實(shí)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(xì)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量圖，組織上個(gè)步驟收集的資料，形成包括系統(tǒng)主要組成部分和相關(guān)關(guān)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(guān)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(xiàng)目，計(jì)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(gòu)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(fù)雜的能量系統(tǒng)圖，可將重要的性質(zhì)類似的項(xiàng)目集結(jié)和綜合，構(gòu)建能夠體現(xiàn)系統(tǒng)資源能值機(jī)構(gòu)及其產(chǎn)出的綜合系統(tǒng)圖，以便整體分析評(píng)價(jià)。

（5）建立能值系統(tǒng)分析指標(biāo)體系

由第（3）步的能值分析表及第二步的集結(jié)性系統(tǒng)圖，可進(jìn)一步建立并計(jì)算出一系列反映生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效率的能值指標(biāo)體系，以分析經(jīng)濟(jì)界面，評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)和經(jīng)濟(jì)對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的作用。

（6）系統(tǒng)發(fā)展評(píng)價(jià)和策略分析

通過能值指標(biāo)分析和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(xué)依據(jù)，指導(dǎo)生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)良性運(yùn)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(biāo)的計(jì)算，需要收集相關(guān)的數(shù)據(jù)，根據(jù)氣象資料和統(tǒng)計(jì)年鑒和實(shí)踐調(diào)查可以得到指標(biāo)的數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)生態(tài)資源的投入與產(chǎn)出項(xiàng)目可以認(rèn)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(shí)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(jí)，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?yàn)楫a(chǎn)品形成所進(jìn)行的每一次能量轉(zhuǎn)化過程，均有許多有效能量被消耗，結(jié)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(yùn)含的能量相對于輸入應(yīng)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(jí)提高。能值轉(zhuǎn)換率就是衡量能量等級(jí)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(jí)，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(huì)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(jì)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(xiàng)目的能值轉(zhuǎn)換率可以參照奧德姆和藍(lán)盛芳等的研究成果。

四、能量計(jì)算

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

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

（2）風(fēng)能=高度×空氣密度×渦流擴(kuò)散系數(shù)×風(fēng)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(xué)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(jī)質(zhì)含量×有機(jī)質(zhì)能量。

（9）其他一些主要原料、燃料、產(chǎn)品能值計(jì)算。公式=項(xiàng)目的年消費(fèi)量或者年生產(chǎn)量×相應(yīng)的能量折算系數(shù)。

五、結(jié)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(kuò)展到農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)和城市生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)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(biāo)。發(fā)達(dá)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(jì)，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(jì)，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(jì)成為今后的研究重點(diǎn)。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值統(tǒng)計(jì)工作往往缺乏方法指導(dǎo)，研究內(nèi)容對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值統(tǒng)計(jì)和評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義。

作者：宋嘉 熊理然 劉云 單位：云南師范大學(xué)