全 文 ：农 业 生 态 系 统 能 量 分 析 3
陆宏芳1 　蓝盛芳2 　陈飞鹏2 　彭少麟1 3 3
(1 中国科学院华南植物研究所 ,广州 510650 ;2 华南农业大学生物技术学院 ,广州 510642)
【摘要】　农业生态系统的能量分析从能流着手进行农业生态系统的功能量化分析 ,是农业生态系统重要
的研究方法之一. 本文简要回顾讨论了农业生态系统能量分析研究的历史和进展. 着重讨论了能值分析
方法对传统能量分析方法的新发展 , 分析了农业生态系统能量分析目前存在的问题 , 并就其进一步发展
方向进行了探讨. 能值分析方法用生产某种能量或物质所直接或间接耗用的太阳能值量来衡量该能量或
物质的价值 ,不仅在概念上而且在算法上都是原有能量分析方法的新发展. 发展到能值分析阶段的农业生
态系统的能量分析方法亦存有自身的不足之处 ,如能值转换率的计算过于繁复 ,能值指标体系缺乏统一性
及系统可持续发展的能值综合评价指标缺乏等 ,这些问题的解决与能值最大功率的明晰化、能值分析与能
量及耗散分析的结合、与物质分析及景观结构分析的结合等研究等共同构成了农业生态系统能量分析的
几大发展方向.
关键词 　农业生态系统 　能量分析 　能值分析
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 01 - 0159 - 04 　中图分类号 　Q148 　文献标识码 　A
Advances in energy analysis of agro2ecosystems. LU Hongfang1 , LAN Shengfang2 , CHEN Feipeng2 , PEN G
Shaolin1 (1 South China Institute of Botany , Chinese Academy of Sciences , Guangz hou 510650 , China ;2 South
China A gricultural U niversity , Guangz hou 510642 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (1) :159～162.
The energy analysis of agro2ecosystems from the view point of energy flow is a quantitative study on the function
of agro2ecosystem , and is one of the most important aspects in agro2ecosystem study. In this paper , the history
and some current progresses of energy analysis on agro2ecosystems were reviewed briefly , and the difference and
breakthrough of emergy analysis theory with the traditional energy analysis method , some current challenges in
front of emergy analysis of agro2ecosystems , and some of the new trends were discussed. Using the direct and in2
direct cost of solar energy to evaluate any energy or material , emergy analysis is the new development of energy
analysis , not only in concept but also on calculation method. Developing to emergy analysis phase , there were
still some deficiencies on energy analysis of agro2ecosystem , such as the complicate calculation of transformation
and the vacancy of energy index for sustainable development , etc. How to solve these problems combined with
the clearing of the maximum Em2power principle , the combination among energy analysis , emergy analysis , ma2
terial analysis and landscape analysis has made up of the current and future trends of energy analysis of agro2e2
cosystem.
Key words 　Agro2ecosystems , Energy analysis , Emergy analysis.3 国家自然科学基金资助项目 (30170147 , 30070146 ,30270282) 、广
东省团队项目 (003031) 、中国科学院华南植物研究所所长基金资助
项目.3 3 通讯联系人.
2002 - 03 - 15 收稿 ,2002 - 06 - 17 接受.
1 　引 　　言
农业生态系统是生态2经济复合系统 ,其整体结构和功
能的定量化研究是多学科长期以来共同关注的热点. 尤其在
环境问题日益尖锐的今天 ,如何科学评价包括农业生态系统
中内的生态2经济系统中各种生态流已成为广泛关注的问
题.本文从能量角度在简要回顾已有分析方法的基础上 ,着
重阐述以美国著名生态学家 Odum 为首创立的能值分析方
法对传统能量分析在概念和算法上的新发展 ,探讨当前农业
生态系统能量分析中存在的问题和发展趋势.
2 　农业生态系统的能量分析
　　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 ,及其在系统内各组分间的流动 ,是
生态系统最基本的功能过程之一. 随着全球环境与资源问题
的尖锐化 ,农业生态系统能量研究受到广泛重视. 加拿大学
者 Smil[19 ]从能流角度对中国农业生态系统作了较全面的分
析 ,对剖析我国农业生态系统的特点开创了先例. 我国闻大
中[24～27 ]对农业生态系统能流分析方法做了系统总结. 近 20
多年来 ,关于能流分析研究有大量报导 [9 ,18 ,23 ,28 ,29 ] ,从不同
规模和深度对农业生态系统进行了定量、半定量的分析.
　　能流存在于生态经济系统的任何角落 ,能量分析克服了
经济分析的片面性和主观性 ,对农业生态系统的功能研究做
出了贡献 ,但同时亦遇到难题. 除了各种工业辅助能的能量
折算值难以确定外 ,最突出的问题是如何区别对待不同类
应 用 生 态 学 报 　2004 年 1 月 　第 15 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Jan. 2004 ,15 (1)∶159～162
别、不同能质量 (等级) 的能量的问题. 如图 1 所示 ,假设
40000 J 的太阳能经过植物、畜牧、沼池、小型发电厂等最终
只能转化生成 0. 5 J 电能 ,显然太阳能与电能不可等量齐观
地进行简单的加减和比较. 另外 ,能量流评价与物质流、信息
流评价的统一性问题也是不容忽视的焦点难题. 以系统论为
基础的层次分析法 ,多采用人为确定权重的方法 ,客观性和
可比性不强.
图 1 　能量等级转化示意图
Fig. 1 Sketch map of transformation among different energy classes.
1) Rain , 2 ) Sun , 3 ) Plant , 4 ) Forage , 5 ) Stockbreeding , 6 ) Dejecta , 7 )
Marsh2gas pond ,8) Marsh2gas ,9) Power plant ,10) Electricity.
3 　能值 ( Emergy)分析对传统能量分析的发展
311 　概念上的发展
　　能值是以 Odum[16 ]为首在系统生态、能量生态、生态经
济理论基础上研究创立的一个新的科学概念和度量标
准[16 ] .能值分析是传统能量分析的新发展. 某种流动或贮存
能量所包含的另一种流动或贮存能量的数量 ,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 ,故在实际应用中多以太阳能为基准 ,用太
阳能焦耳 (Solar Emjoule 缩写为 sej) 为单位来度量不同类型
能量的能值[11 ] . 能值分析通过能值转换率 ( Emergy transfor2
mity ,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 ,对各种生态流价值进行统
一的单位转换评价 ,从而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.图 1 中 ,电能的太阳能值转换率为 8 ×104 sej·J - 1 ,即 1J
电能所含太阳能值为 8 ×104 sej·J - 1 ;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. 0 ×
103 、2 ×104和 4 ×104sej·J - 1 .
　　对于经济子系统各生态流及自然子系统与经济子系统
界面不宜用能值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 ( Emergy/ ＄Ratio ,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货币实际
购买力和劳动力实际能力的标准. 反之 ,已知能值量亦可通
过能值/ 货币比率反算其所相当的能值货币价值 ,从而解决
了在分析评价和应用中自然环境与经济社会的对接难题.
312 　算法上的发展
　　能值分析方法引入我国已有近 10 年的历史 ,不少学者
已将其运用到了自己的研究实践中 [1 ,12 ,13 ,30 ] . 国内同行对能
值与能量在概念上的区别已有一定了解 ,但对能值分析与能
量分析在具体计算方法上的区别则知之不深 ,甚至在应用中
出现了根本性的错误. 本文试结合图 2 的农业生态经济系统
案例 ,就此问题透析如下 : (1) 根据热力学第二定律 ,任何能
量转化过程中都存在能量耗散现象 ,即有部分能量退化成不
可再利用的形式耗散于环境中. 在能值分析中 ,转化后的能
物流具有转化前全部能值成本量 ,而耗散能因其不可再利用
性而不具有能值 ,但在能值分析中耗散能的量是极其巨大的
(图 2) . (2) 同一生产过程产出的不同种产品具有相同的能
图 2 　农业生态2经济系统能量与能值分析比较
Fig. 2 Comparison of energy and emergy analysis on agricultural economical ecosystem.
值含量 ,都等于该生产过程中的全部能值投入量 ,因为它们
在此生产过程中均耗用了全部的能值投入. 图 2 中作物产品
加工过程中产出的粮食和残渣所消耗的能值成本相同 ,因而
具有相同的能值含量. 对于同一生产过程产出的同种产品被
分配用以不同用途时 ,其能值分流比例与其能量分流比例相
同 ,如图 2 中猪粪尿能值一半用以还田养地 ,一半用以沼气
发酵. 而能量分析中则将所有产出据其热值进行能量成本分
配. (3) 能值分析中 ,合计投入或产出能值时 ,同一来源的能
值只能计算一次. 对于相同来源的多种能值项 ,在合计时要
进行归并取其成本的全集 ,以避免重复计算的发生. 图 2 中
猪肉的产出能值为 27500sej ,沼池发电的能值为 20000sej ,粮
食产出能值为 30000sej , 归并后的系统总能值产出仍等于系
061 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
统总能值投入量 ,即 30000sej. 而能量分析中 ,总产出能量即
为各产出能量的简单加和 ,图 2 农业系统的能量产出即为 3
种不同产出能量之和 ,即 31J . 对于多组分的复杂系统 ,为方
便计算 ,可分别从各不同来源的输入出发追踪能值流路径 ,
直至目标能值流后进行加和 ,避免重复计算的发生.
　　考虑到许多农业生态系统的产品产出并不单一 ,同一生
产过程可能有多种不同的产品产出 ,而由上述分析可知 ,在
能值分析中由于副产品与主产品源于同一生产过程 ,它们具
有共同的能值含量 ,且在合并时只取其一 ,从而给其生产效
率的评估造成些许困扰. 一些学者已开始尝试将经典的能量
分析方法引入能值分析 ,提出了联合转换率 (joint transformi2
ty)和权重均值转换率 (weighted average of the transformities)
等概念进行单一产出模式与多项产出模式间的对比度量和
评价 ,并应用于乳业与沼气联合生产模式的评价中 [2 ] ,为能
值理论的进一步发展提供了一个新的思路.
4 　农业生态系统能量分析目前存在的问题
　　能值分析理论的创立和发展解决了农业生态系统能量
分析中的一些问题 ,但仍有部分问题未能得到很好的解决 :
首先是如何准确求得能值转换率的问题. 据其定义 ,能值转
换率推算要求进行能量转化链的逆向追踪 ,一步步地转换加
和 ,过程极其繁复. 尽管 Odum 及其追随者们已对大量能值
转换率进行了估算 ,可在投入能值分析中适当引用 ,但对于
系统产出能物流的能值转换率仍需在系统内逐源求算 ,而不
可简单引用 ,否则将出现产出能值不等于投入能值的根本性
错误. 对于复杂大系统的分析而言 ,这种计算是相当困难的.
这一问题给能值分析学者的工作带来困扰的同时 ,也使得能
值转换率的累积性研究 [14 ]和能值转换率算法的简化研究 [7 ]
成为能值分析发展的一个重要方向.
　　其次是常用的能值分析评价指标体系尚缺乏统一性 ,系
统可持续发展性能的能值综合评价指标缺乏的问题. 以生产
某一产品所需的自然生态系统服务作为该产品的价值 ,并以
太阳能值为单位进行统一度量 ,使能值理论成为横跨于自然
科学与社会科学之间的桥梁 ,并从根本上决定了其将在可持
续发展度量、评价与规划中发挥重要的作用. 近年来 ,能值分
析在农业生产可持续发展中的作用日益受到人们的重视 ,而
对其综合性评价指标体系的探索是其最直观的表现. 一些学
者认为能值产出率 ( EYR) 、环境负载率 ( EL R) 及能值密度
(ED)等指标的联合评价可明晰系统的可持续发展程度[3 ] ;
另一些学者则分析了部分能值指标间的相关性 ,并提出了能
值可持续指标 ESI ( EMERGY sustainable indices) ,定义为系
统能值产出率与环境负载率之比 ,即 EYR/ EL R[5 ] . ESI 与能
值交换率 ( EER) 及能值转换率等原有能值指标体系相结合
的农业可持续发展研究取得了一定的进展 [10 ] ,但系统对环
境的影响不仅包括对资源的和能源的消耗 ,还包括系统对环
境的污染性排放 ,而这一点在原有的能值指标体系及 ESI 中
均未体现. 有学者正尝试用稀释这些污染所需的环境服务的
能值价值来填补这一空白 [22 ] .
　　另外 ,能值分析方法虽然在能量分析方法的基础上前进
一步 ,提出了能值功率最大化原则 ,但此原则的具体内涵尚
需进一步明晰化[8 ] ; 能值分析是能量与耗散分析的新发展 ,
三者在农业生产的评价与决策中的对比研究[4 ,17 ,21 ] 与结
合[15 ]运用也必将成为其未来发展的一个重要方向. 目前的
农业生态系统能值分析重心仍主要停留于功能研究 ,与物质
循环分析[6 ]和景观结构分析[20 ]的结合亦是其未来重要的发
展方向.
5 　展 　　望
　　综观近 20 年来能量角度的分析方法在农业生态系统分
析评价中的应用 ,笔者认为 ,能量流动经过自然界和人类社
会 ,是农业生态经济系统中的“通用货币”,但不能有效衡量
人类经济. 能值分析即可以衡量自然资源又可以衡量人类经
济 ,无论在概念上还是在计算方法上都是能量分析的新发
展. 发展到能值阶段的农业生态系统能量分析突破了原有的
能值壁垒等问题 ,但仍不完善 , 其能值转换率的计算过程尚
有待简化 ,能值指标体系的系统性尚待提高 ,系统可持续发
展的能值综合评价指标仍显缺乏等. 今后的农业生态系统能
量分析的发展趋势是在解决上述问题的同时 ,加强与经济分
析相结合 ,力求实现对农业生态经济复合系统的全面分析 ;
加强与数学、物理学等学科的交叉渗透 ,进一步规范完善评
价指标体系 ;引入 Hamilton 等极值定律 ,进一步明晰最大功
率原则 ;注意功能分析与结构分析的结合 ,能量分析、耗散分
析及物质分析、景观分析的结合. 随着与其它相关学科的交
叉发展 ,及其自身理论体系的不断完善 ,能值分析必然对农
业生态系统研究起到更大推动作用.
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作者简介 　陆宏芳 ,女 ,1976 年 ,博士生 ,主要从事生态系统
动态与经济生态学研究 ,发表学术论文 7 篇. E2mail : luhf @
scib. ac. cn
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