全 文 ：生 态 系 统 的 能 值 分 析 3
蓝盛芳 3 3 　(华南农业大学 ,广州 510642)
钦　佩　(南京大学 ,南京 210093)
【摘要】　论述了国际生态学最新发展的能值 ( Emergy)分析方法与原理 ,并与能量分析作比较研究. 任何产品或
劳务形成过程中所需投入的直接和间接的一种有效能之量称为其具有的能值 ;单位能量相当的能值称为该能
量的能值转换率. 能值和能值转换率揭示了能量的能质、等级及其真实价值 ;以能值尺度可衡量比较不同类别
的能量 ,综合分析各种生态系统的生态流 ,定量研究生态与经济效率及其关联.
关键词 　能值分析 　能量分析 　生态系统 　太阳能值 　太阳能值转换率
文章编号 　1001 - 9332 (2001) 01 - 0129 - 03 　中图分类号 　Q148 　文献标识码 　A
Emergy analysis of ecosystems. LAN Shengfang ( South China A gricultural U niversity , Guangz hou 510642) ,Q IN
Pei ( N anjing U niversity , N anjing 210093) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2001 ,12 (1) :129～131.
The concept of emergy and its use for comparing with energy were discussed in this paper. Emergy was defined as the
amount of available energy required directly and indirectly to make a product or services ,and emergy analysis was based
on the solar emergy units (solar emjoules) . Emergy provided the methodology with a common basis for measuring the
value of different kinds of energy ,and for evaluating the contributions from nature and humanity. A comparison of
emergy analysis with previous energy analysis was also performed.
Key words 　Emergy analysis , Energy analysis , Ecosystem , Solar emergy , Solar transformity.
　　3 国家自然科学基金资助项目 (30070146) .
　　3 3 通讯联系人.
　　2000 - 05 - 09 收稿 ,2000 - 07 - 21 接受.
1 　引 　　言
各种生态系统和人类社会经济系统均可视为能量系统 ,系
统各组分及其作用无不涉及能量的流动、转化与贮存 ;能量可
用于表达和了解生命与环境、人与自然的关系. 长期以来 ,人们
应用能量为共同尺度 ,对各种系统进行分析研究. 然而 ,能量分
析只在同类别的能量分析研究上取得成效. 不同类别的能量存
在质与价值的根本差异 ,不可作简单加减和比较 ;至于自然环
境资源与经济的本质关系 ,用一般能量单位更无从衡量和表
达. 20 世纪 80 年代 ,国际生态学界提出能值 ( Emergy) 新概念
理论和分析新方法 ,为生态系统和生态经济系统的定量分析研
究开拓了新途径. 本文就能值分析新方法作一论述 ,并与能量
分析加以比较研究.
2 　基本概念和原理
211 　能值和能值分析概念
能值 ( Emergy ,英文拼写带一个字母“M”) 是一个新的科学
概念和度量标准 ,由美国著名生态学家 HT Odum 创立. 他将能
值定义为 :一种流动或贮存的能量中所包含的另一种类别能量
的数量 ,称为该能量的能值[10 ,11 ] . 他又进一步解释能值为 :产
品或劳务形成过程中直接和间接投入应用的一种有效能量
(Available energy) ,就是其所具有的能值[15 ,17 ] . 能值实质就是
包含能量 ( Embodied energy) [17 ,19 ] . 任何形式的能量均源于太阳
能 ,故常以太阳能为基准来衡量各种能量的能值. 任何资源、产
品或劳务形成所需直接和间接应用的太阳能之量 ,就是其所具
有的太阳能值 ( Solar emergy) , 单位为太阳能焦耳 ( Solar
emjoules ,即 sej) . 以能值为基准 ,可以衡量和比较生态系统中不
同等级能量的真实价值与贡献.
能值分析是以能值为基准 ,把生态系统或生态经济系统中
不同种类、不可比较的能量转换成同一标准的能值来衡量和分
析 ,从中评价其在系统中的作用和地位 ;综合分析系统中各种
生态流 (能物流、货币流、人口流和信息流) ,得出一系列能值综
合指标 ( Emergy Indices) ,定量分析系统的结构功能特征与生态
经济效益. 能值分析的基本概念见表 1.
表 1 　能值分析的基本概念
Table 1 Basic concepts of emergy analysis
术语 Glossary 定义 Definitions
有效能
Available energy
具有做功能力的潜能 ,其数量在作功过程中减
少 (单位 :joules , kilocalories , BTUs 等)
能值
Emergy
产品形成所需直接和间接投入应用的一种有
效能总量 (单位 :emjoules)
太阳能值
Solar Emergy
产品形成所需直接和间接应用的太阳能总量
(单位 :太阳能焦耳 sej)
太阳能值转换率
Solar transformity
单位能量 (物质) 所含的太阳能值之量 (单位 :
sej·J - 1或 sej·g - 1)
能值功率
Empower 单位时间内的能值流量 (单位 :sej/ time)
能值/ 货币比率
Emergy/ ＄ ratio
单位货币相当的能值量 ;由一个国家年能值利
用总量除以当年 GNP 而得 (单位 :sej/ ＄)
能值2货币价值
Emdollar value
能值相当的市场货币价值 ,即以能值来衡量财
富的价值或称宏观经济价值
212 　能值转换率与能量等级
能值分析中常用能值转换率 ( Transformity) ,即单位能量
应 用 生 态 学 报 　2001 年 2 月 　第 12 卷 　第 1 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2001 ,12 (1)∶129～131
(J )或物质 (g) 所具有的能值. 实际应用的是太阳能值转换率 ,
即单位能量或物质相当于多少太阳能焦耳的能值转化而来. 如
形成 1J 木材的能量需要 34900 太阳能焦耳转化而来 ,那么木
材的能值转换率就是 34900sej·J - 1 .
能值转换率是从生态系统食物链和热力学原理引申出来
的重要概念. 它是衡量不同类别能量的能质 ( Energy quality) 的
尺度 ,与系统的能量等级密切相关. 生态系统是一种自组织
(Self2organization)的能量等级 ( Energy hierarchy) 系统[13～15 ] . 能
量在食物链中传递、转化的每一过程中 ,根据热力学第二定律
均有许多能量耗散流失. 因此 ,随着能量从低等级的太阳能转
化为较高质量的绿色植物的潜能 ,再传递、转化为更高质量、更
为密集的各级消费者的能量 ;能量数量的递减伴随着能质和能
级的增加.
自然界和人类社会的系统均具能量等级关系 ,能量传递与转
换类似食物链的特性.例如 ,在太阳能—木材—煤炭—电的能量转
换链中 ,1J 木材能相当于 34900sej ;1J 煤炭能相当于 39800sej ;1J 电
能相当于 159000sej[15] .所以 ,生态系统或生态经济系统的能流 ,从
量多而能质低的等级 (如太阳能)向量少而能质高的等级 (如电
能)流动和转化 ;能值转换率随着能量等级的提高而增加. 大量
低能质的能量 (如太阳能、风能、雨能) ,经传递、转化而成为少
量高能质、高等级的能量. 系统中较高等级者具有较大的能值
转化率 ,需要较大量低能质能量来维持 ,具有较高能质和较大
控制能力 ,在系统中扮演中心功能作用. 复杂的生命、人类劳
动、高科技等均属高能质、高转换率的能量. 某种能量的能值转
换率愈高 ,表明该能量的能质和能级愈高 ;能值转换率是衡量
能质和能级的尺度 [5 ,13 ] .
3 　能值分析基本方法
311 　基本方法步骤
能值分析的方法 ,以分析对象而言 ,有大范围国家或地区
生态经济系统的能值分析[2 ,4 ,6 ,12 ,20 ] ,资源与经济的能值分
析[7 ,17 ,22 ] ,城市或农业生态经济系统能值分析 [6 ,8 ] ,以及小范围
的具体生产系统 (如农作物、工业品生产) 能值分析等. 以分析
手段与步骤而言 ,包括能量系统模型图和能值综合图的绘制、
各种能值分析表的制定、能物流量计算与能值计算评价、能值
转换率和各种能值指标的计算分析、系统模拟等. 各项手段的
具体方法参见文献[15 ] .
能值分析的基本步骤 :
1)资料收集 :收集研究对象相关的自然环境、地理和社会
经济各种资料数据 ,整理分类及存机处理.
2)能量系统图的绘制 :应用 HT Odum 的“能量系统语言”
图例 ,绘制能量系统图 ,以组织收集的资料 ,形成包括系统主要
组分及相互关系的系统图解.
3)编制各种能值分析表 :计算系统的主要能量流、物质流
和经济流 ;根据各种资源的相应能值转换率 ,将不同度量单位
(J 、g 或 ＄)的生态流或经济流转换为能值单位 (sej) ;编制能值
分析评价表 ,评价它们在系统中的地位和贡献.
4)构建系统的能值综合结构图 :构建体现系统资源能值基
础的能值综合结构图 ,对总系统和各子系统生态流进行集结和
综合.
5)建立能值指标体系 :由能值分析表及系统能值综合结构
图 ,进一步建立和计算出一系列反映生态与经济效率的能值指
标体系 ,诸如人均能值量、能值/ 货币比率、能值投入率、净能值
产出率、能值交换率、环境承载率、能值密度等 [5 ,15 ] .
6)系统模拟 :可采用能量系统动态模拟进行模拟.
7)系统的发展评价和策略分析 :通过能值指标比较分析 ,
系统结构与功能的能值评价和模拟 ,为制定正确可行的系统管
理措施和经济发展策略提供科学依据 ,指导生态经济系统良性
循环和可持续发展.
312 　生态流的能值综合分析
如何定量、综合分析复合生态系统的能流、物流、货币流、
人口流与信息流 ,一直是难以解决的问题. 人们一直在寻找一
种可以把自然和经济统一起来进行定量分析的尺度和方法. 能
值理论和分析方法为各种生态系统的定量分析提供了共同的
度量标准 ,开拓了生态流流量综合分析研究途径.
以能值为量纲 ,可把系统的各种能量与物质转换成同一标
准能值加以分析 ;货币与能值的数量关系 ,通过能值/ 货币比率
表示和反映 ;人均能值量 ( sej/ person) 则表示人口与能值的关
系 ,并反映一个国家或地区人均拥有的能值财富 ,是说明人们
生活水准的指标 ;信息、人类劳务和文化教育 ,都可以用能值来
分析 ,评价其价值 ,Odum[13 ,15 ]做了特别的研究和论述. 总之 ,
以能值为基准 ,可对系统的各种生态流进行能值综合分析和评
价 ,并计算出一系列反映生态与经济效率的能值综合指标体
系.
4 　能量分析与能值分析
生态系统的基本功能过程体现在能量的不断流动、转化和
物质的不断循环. 生态系统的能量分析即是研究系统的能量
流 ,并对其加以分析[21 ] . 生态系统的能值分析则是以同一标准
的能值为量纲 ,综合分析系统的能物流及其他生态流. 从能量
发展到能值 ,从能量分析发展到能值分析 ,在理论和方法上都
是一个重大的飞跃.
以往能量分析把各种性质和来源根本不同的能量均以能
量单位表示后进行比较和数量研究. 然而 ,不同类型能量并不
可比较和加减. 例如 ,农业生态系统输入的石化能和生物能存
在根本差异 ;同是石化能煤炭燃烧产生的 1J 能与 1J 电能也存
在极大差异 ,不可作简单相加和比较. 以能值为共同的度量标
准 ,则可将各种原本不可相加和相比的能量 ,通过其能值相加
和相比 ,使系统分析建立在太阳能值为标准的基础上.
能量分析主要计算系统能量的产投比 ,无非是为了显示投
入能对产出能形成的效率. 然而生态经济系统能量分析通常却
不计算太阳光能、雨水能等自然资源能量投入 ,分析结果得出
的各种产投比并不反映自然的巨大作用和贡献 ,不能表示生态
效益. 而能值分析不但分析系统内各组分之间的能值流 ,而且
分析系统内外的能值交流 ;分析结果得出的综合能值指标体
系 ,既反映生态效益 ,亦体现经济效益 ,表明自然与人的作用和
031 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　12 卷
贡献.
由于能量不能表达和衡量人与自然、环境与经济的本质关
系 ,故难于对生态经济系统 (包括社会2经济2自然复合生态系
统)进行分析. 能值分析则可把自然生态系统与人类经济系统
统一起来进行定量分析. 此外 ,能量分析无法对系统的能物流、
货币流、人口流、信息流进行综合分析 ,能量单位也不能用于表
达生态与经济效率的关联. 而能值分析以能值为共同量纲 ,对
系统各种生态流进行综合分析 ,定量分析系统的结构功能特征
与动态变化.
人类与自然界创造的所有财富均包含着能值 ,都具有价
值. 所以 ,能值是财富实质性的一种反映 ,是客观价值的一种表
达 ;自然资源、商品、劳务和科技信息均可以能值衡量其固有的
真实价值 ,评价其贡献. 能量则不可能用于衡量自然和经济的
价值.
5 　结 　　语
Odum 在他独创性的系统生态学、生态系统能量学和生态
经济学研究中创立的能值分析理论方法 [14～16 ] ,在国际生态学
和经济学界引起强烈反响. 能值被认为是联结生态学和经济学
的桥梁 ,具有重大科学意义 [3 ,5 ] . 在理论上 ,能值分析为生态系
统和复合生态系统开辟了定量分析研究新方法 ,提供了一个衡
量和比较各种能量的共同尺度 ,找到了生态系统的各种生态流
进行综合分析的统一标准 ,发展和丰富了生态学与经济学的定
量研究方法学. 在实际意义上 ,应用能值可衡量分析整个自然
和人类社会经济系统 ,定量分析资源环境与经济活动的真实价
值以及它们之间的关系 ,有助于调整生态环境与经济发展 ,对
自然资源的科学评价与合理利用、经济发展方针的制定 ,实施
可持续发展战略 ,均具重要意义.
近 10 多年来 ,国内外能值分析研究活跃 ,已发表论文和专
著 100 多篇 (部) [15 ] ,如用于国家和地区资源环境、经济、社会
发展方面的能值分析[2 ,4 ,7 ,12 ,17 ,20 ,22 ] ;具体生态系统和经济系
统的能值分析[6 ,8 ,18 ] ;能值理论与方法研究 [1 ,3 ,5 ,9 ,13 ,15 ,19 ]等等.
诚然 ,能值理论方法问世时间不长 ,还需花大力气来使其发展
和完善. 正如闻大中[21 ]指出 ,Odum 为各种类型的生态系统的
能值分析建立了基本的理论方法框架. 将能值理论方法框架引
入到各种生态系统分析中 ,并结合各生态系统的实际 ,发展各
种系统的能值分析 ,应是今后农业生态系统和其他生态系统能
量分析工作努力的一个重要方向.
能值分析的重点和难点就是对系统的能物流、货币流、信
息流进行能值综合分析 ,建立可比较的能值指标体系. 为此 ,要
用能值转换率计算各种能物流乃至信息流的能值 ,首先要解决
能值转换率的问题. 尽管 Odum 和同仁已研究计算出自然界和
人类社会主要能量类型和物质的能值转换率 ,可满足较大范围
(如国家、地区、城市)生态系统的能值分析需要 ,但人类经济产
品的能值转换率因生产水平和效益的差异而出现差别. 从大系
统分析这种差别不是很大. 产品的能值转换率的计算 ,需对生
产该产品的系统作能值分析 ,以产品消耗应用的太阳能值总量
除以产品的能量而求得 ,这种分析计算的复杂和难度不小 ;对
信息流的能值计算评估难度更大. Odum 在能值分析专著及其
他论著中对能值转换率和信息的计算分析有特别的论述 ,但仍
需做深入研究.
参考文献
1 　Brown MT and Herendeen RA. 1996. Embodied energy analysis and e2
mergy analysis :a comparative view. Ecol Econ ,19 :219～325
2 　Brown MT and McClanahan T. 1996. Emergy analysis perspectives of
Thailand and Mekong River dam proposals. Ecol Modeli ng ,91 :105～
130
3 　Hall CAS ed. 1995. Maximum Power —The Idea and Applications of
Odum HT. Niwot :Univ. of Colrado Press. 205～331
4 　Huang Sh2L (黄书礼) ,Odum HT. 1991. Ecology and economy : Emer2
gy synthesis and public policy in Taiwan. J Envi ro M anage ,32 (4) 313
～334
5 　Lan Sh2F(蓝盛芳) . 1992. Emergy analysis of ecological2economic sys2
tems. In :Liu J2G(刘建国) ed. Advances in Modern Ecology. Beijing :
China Science &Technology Press. 266～286 (in Chinese)
6 　Lan Sh2F (蓝盛芳) ,Odum HT. 1994a. EMERGY evaluation of the
environment and economy of Hong Kong. J Envi ro Sci ,6 (4) :432～
439
7 　Lan Sh2F(蓝盛芳) ,Odum HT. 1994b. Emergy synthesis of the envi2
ronmental resource basis and economy of China. Ecol Sci (生态科学) ,
13 (1) :63～74 (in Chinese)
8 　Lan Sh2F(蓝盛芳) ,Odum HT. 1998. Energy flow and emergy analy2
sis of the agroecosystems of China. Ecol Sci (生态科学) ,17 (1) :32～
39 (in Chinese)
9 　Odum HT. 1984. Embodied energy ,foreign trade and welfare of na2
tions. In :Jasson AM ed. Integration of Economy and Ecology :an Out2
look for the Eighties. Stockholm :Asko Laboratory ,Univ of Stokholm.
185～199
10 　Odum HT. 1986. Emergy in ecosystems. In : Poluin N ed. Ecosystem
Theory and Application. Now York :John Wiley & Sons. 337～369
11 　Odum HT. 1987a. Living with complexity. In : Crafoord Prize in the
Biosciences ,Crafood Lecture ,1987. Stockholm : Royal Swedish Acade2
my of Sciences. 19～87
12 　Odum HT. 1987b. Ecology and Economy : Emergy Analysis and Public
Policy in Texas. Policy Research Project Report . Austin : Univ of
Texas.
13 Odum HT. 1988. Self2organization , Transfomity ,and Information. Science ,
242 :1132～1139
14 　Odum HT. 1994. Ecological and General Systems. Niwot : Univ Col2
orado Press. revision of Odum HT ,1983. Systems Ecology. New York :
John Wiley & Sons.
15 　Odum HT. 1996. Environment Accounting : EMERGY and Environ2
mental Decision Making. New York :John Wiley & Sons.
16 　Odum HT and Odum EC. 1981. Energy Basis for Man and Nature ,
2nd ed. New York :Mc Graw2Hill.
17 　Odum HT ,Odum EC ,Browm M. 1998. Environment and Society in
Florida. Boca Racon :Lewis Publishers.
18 　Qin P(钦 佩) et al . 1997. Estimation of the ecological2economic bene2
fits of the two S parti na alterrif lora plantation in North Jiangsu ,Chi2
na. Ecol Engin ,8 :5～18
19 　Scienceman DM. 1987. Energy and emergy. In : Pillet G and Murota T
eds. Environment Economics. Geneva :Reland Leimgruber. 257～275
20 Ulgiati S ,Odum HT ,Bastianoni S. 1994. Emergy use ,environmental
loading and sustainability : an emergy analysis of Italy. Ecol Modell ,
73 :215～268
21 　Wen D2Zh (闻大中) . 1993. Energy analysis of the agroecosystems. In :
Energy Ecology —Theory , Method and Practices. Changchun : Jilin
Sciences and Technology Press. 209～215 (in Chinese)
22 　Zhang Y2H(张耀辉) ,Lan Sh2F(蓝盛芳) et al . 1998. Emergy analy2
sis of resources environment and economy development in Hainan. Res
A gric Moder (农业现代化研究) ,19 (Monog. ) :24～31 (in Chinese)
作者简介 　蓝盛芳 ,男 ,1943 年生 ,教授 ,主要从事生态能量、生
态经济、环境生态研究 ,发表论文 60 多篇 ,译著和合作专著 6
部. Tel :020285280193 ,E2mail :lansf @scau. edu. cn
1311 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　蓝盛芳等 :生态系统的能值分析