城市复合生态系统能值整合分析研究方法论Ξ陆宏芳1,蓝盛芳2,俞新华2,陈 烈3(1.中国科学院华南植物园,广州510650; 2.华南农业大学生命科学学院,广州510642;3.中山大学城市规划设计研究院,广州510275) 摘要:系统阐述了城市复合生态系统能值分析的基本概念原理与方法步骤,总结了城市可持续发展综合能值评价指标体系。
在此基础上,从能值转换率的积累和统一、多尺度研究的整合与尺度推绎、城市功能流分析与空间结构分析的整合、能值成本价值论与使用(市场)价值论的整合等方面,讨论了能值研究方法在城市生态系统研究中的应用前景和发展方向。
关键词:能值整合分析;方法;方向;城市;复合生态系统中图分类号:X171.4 文献标识码:A 文章编号:(K)04259(原1002-1264)(2005)04-0034-04Methodology of Emergy Synthesis for U rban Complex E cosystemLU H ong2fang1,LAN Sheng2fang2,Y U X in2hua1,CHE N Lie3(1.S outh China Botany G arden,Chinese Academy of Sciences,G uangzhou510650,China;2.C ollege of Life Sciences,S outh China Agricultural University,G uangzhou510642,China;3.Design Research Institute,Zhongshan University,G uangzhou510275,China)Abstract:Basic concepts,principles and programs of emergy synthesis were introduced.The indices system of emergy synthesis for the sustainable development of urban s ocial-economic-natural com plex ecosystem were reviewed. Based on that,four directions of emergy study on urban com plex ecosystem were discussed,which are the accumula2 tion and generalization of emergy trans formity,the integration of multi-scale’s emergy synthesis,the integration of foundation and spatial structure,and the integration between emergy cost value and use/market value.K ey w ords:emergy synthesis; methodology; direction; urban; com plex ecosystem 二次世界大战结束后,全球工业化和城市化进程加速发展。
我国随着经济迅速发展,城市化正以前所未有的高速度发展,城市生态研究倍显重要。
然而,新兴的城市生态学作为一门年轻的、正在发展成长中的生态学分支学科,其学科理论、方法体系尚未成熟。
在研究方法上,定性分析描述较多,定量分析和调控方法较少,急待完善充实。
在理论上,我国著名生态学家马世骏为首提出了复合生态系统理论观,认为城市是由社会-经济-自然3个子系统构成的典型复合生态系统[1]。
然而,如何定量分析这种复合生态系统,如何把3个子系统有机联系起来,如何对其能流、物流、货币流、人口流和信息流进行流量综合分析,成为亟待解决的问题,为此必须有新的方法论。
世界著名生态学家H.T.Odum为首创立了能值(Emergy)概念、理论和分析新方法,为生态系统和复合生态系统的定量分析研究开拓了新途径。
能值分析是以能值为共同基准,整合分析系统的能物流、货币流、人口流、信息流,得出一系列反映系统结构功能特征与生态经济效益的能值指标,评价系统的可持续发展性能与决策[2～4]。
近10年,国内外渐渐将能值分析理论方法框架引入城市系统分析研究[5～11],发展和丰富了城市系统定量分析方法,能值综合研究方法不断拓展和完善,同时研究中不断发现新的问题[13]。
本文总结研究实践,阐述城市复合生态系统能值分析的基本概念原理与方法步骤,探讨能值研究方法在城市生态系统研究中的应用前景和发展方向。
1 概念和原理能值(Emergy)即,某种资源、产品或人类劳务形成所需直接或间接应用的太阳能焦耳总量。
各种能量均源于太阳能,故常以太阳能为基准来衡量各种能量(物质)的能值,单位为太阳能焦耳(S olar emjoules,缩写sej)。
能值分析中常用太阳能值转换率(S olar43第18卷4期2005年8月城市环境与城市生态URBAN E NVIRONME NT&URBAN ECO LOGYV ol18,N o.4Aug. 2005Ξ基金项目:国家自然科学基金项目(30170147);广东省自然科学基金项目(04002319) 收稿日期:2005-05-08T rams formity),即单位能量或物质相当的太阳能焦耳,计算得出某种物质或能量的太阳能值。
Odum 及其合作者从地球系统及生态经济系统研究中计算出自然界和人类社会主要能量(物质)类型的太阳能值转换率[2,3],可用于大系统如国家、区域、城市系统的能值分析。
根据各种资源(物质、能量)相应的能值转换率,可将不同类别能量(J)或物质(g)转换为同一度量的能值:A能量(物质)的能值(sej)=能量(J,或物质g)×A能值转换率(sej/J或sej/g)货币流与能值的数量关系,可用能值/货币比率(sej/＄)表示和换算,它是说明一个国家或地区的实际货币购买力的指标,由国家全年能值的总用量除以当年国民生产总值(G NP)而得。
人口流与能值的关系,可用城市系统人均能值占有量(sej/人)表示,由城市全年能值总用量除以人口而得。
这样,能值可把各种形式的能物流、经济流转换为同一标准的能值加以比较研究、综合分析,得出一系列反映生态、社会、经济特征和发展状况的能值综合评价指标,定量分析评价系统的结构功能动态变化,与可持续发展性能。
为进一步了解各种能物流在整个系统中的相对贡献,可将它们的能值再换算成相当的经济价值(能值-货币价值Emdollar value,即Em＄),由能值除以能值/货币比率(sej/＄)求得:Em＄=sej÷sej/＄城市复合生态系统的能值分析,是以能值为基准,整合自然、社会、经济子系统,通过能物流、货币流、人口流和信息流的能值流量综合分析,研究它们的数量动态和相互关系,建立城市能值综合指标体系和动态模型,定量分析城市系统结构功能特征和生态经济效率,为城市可持续发展提供科学依据和决策建议。
2 步骤与方法H.T.Odum为各种生态系统和生态经济系统的能值分析建立了基本的理论、方法框架[2,3],将它们引入不同的生态系统分析中,还要做大量的研究。
近年我们将能值分析基本框架引入城市系统分析研究,开展城市复合生态系统能值分析,实践和方法学的研究。
城市的能值分析首先从资料收集和能量系统图绘制开始,然后编制一系列能值分析表,进行各种生态-经济流的能量、能值及其价值(能值-货币价值Em＄)的大量计算,继而建立能值整合指标体系,计算各种指标;建立能值动态模型模拟,进而对系统现状及其可持续发展性能与调控进行综合分析,提供决策建议。
结合研究实践,现将城市复合生态系统能值整合分析步骤与方法简述如下。
2.1 资料收集收集城市自然环境、地理、社会、经济各方面资料,整理分类,存机处理。
资料包括城市地理图、气象资料、经济生产、贸易往来、社会文化、统计年鉴等,凡自然、社会、经济的所有资料均为调研收集之列,所获资料可按能物流、货币流、人口流分门别类。
其中能(物)流分为可更新资源与不可更新资源(产品),前者如接收的太阳能、风能、雨水能等,后者如燃油、煤炭、矿产、工业品等。
同时,可分为输入与输出两大类能物流、资金流、劳务。
2.2 能量系统图的绘制运用H.T.Odum的“能量语言”符号图例,绘制城市能量系统图,以组织上一步骤收集的资料,概观城市系统主要组分和相互关系及系统内外能物流、货币流流向。
能量符号图例和系统图绘制法则参见专著《生态经济系统能值分析》等[2,3]。
系统图上常标出主要能物流的能值量,以及主要货币流量,这些数据来自下述的能值分析表。
2.3 能值分析表的编制和数据计算能值分析表可根据研究实际而编制多种。
基本的能值分析表通常包括资源(产品)项目、流(贮)量、能值转换率、太阳能值、能值-货币价值5栏。
2.3.1 列出主要资源类别项目包括本土可更新与不可更新环境资源,输入的燃料、电力、生产资料、商品物资、资金、劳务,输出的商品物资等。
其中小于系统总能值流量5%的项目可不列入[2,3]。
2.3.2 计算各项目的能物流量根据收集的资料,运用能量计算公式计算各种资源类别的能量[2,3]。
有的物流的能值转换率单位为sej/g,则该项目直接以物流量(g)表示,即可转换为能值;有的货物商品以货币流(US＄)体现,则可通过能值/＄比率转换成能值量。
2.3.3 计算各项目的太阳能值(表1第4栏目)太阳能值(sej)=能量(J)×能值转换率(sej/J),或物质(g)×能值转换率(sej/g),或(＄)53陆宏芳,等 城市复合生态系统能值整合分析研究方法论 ×能值/货币比率(sej/＄)用于大尺度系统(如城市)能值分析所需的各种类别能物流的太阳能值转换率,可从相关著作中查获[2,3];国家不同年份的能值/货币比率亦可查找,或者自行计算。
表1 社会-经济-自然复合城市生态系统能值指标体系能值指标计算表达式代表意义能值流量能值=能物流量×能值转换率1可更新资源能值(R)系统环境资源财富基础2不可更新资源能值(N)3输入能值(I)输入资源、商品财富4能值总量(U)R+N+I拥有的总“财富”5输出能值(O)输出资源、商品财富能值来源指标资源利用结构1能值自给率(R+N)/U评价自然环境支持能力2购入能值比率I/U对外界资源的依赖程度3可更新资源能值比率R/U判断自然环境的潜力4输入能值与自有能值比I/(R+N)评价产业竞争力社会亚系统评价指标1人均能值量U/P生活水平与质量的标志2能值密度U/(area)评价能值集约度和强度3人口承载量(R+I)/(U/P)目前环境资源可容人口量4人均燃料能值(fuel)/P对石化能源依赖程度5人均电力能值(electricity)/P反映城市发达程度经济亚系统评价指标1能值/货币比率(sej/＄)国家U/G NP经济现代化程度2能值交换率I/O评价对外交流的得失利益3能值-货币价值能值量/(sej/＄)能值相当的货币量4电力能值比(electricity)/U反映工业化水平自然亚系统评价指标1环境负载率(I+N)/R自然对经济活动的容受力2可更新能值比R/U自然环境利用潜力3废弃物与可更新能值比W/R废弃物对环境的压力4废弃物与总能值比W/U废弃物利用价值5人口承受力R/(U/P)自然环境的人口承受能力系统可持续发展能值综合评价指标1能值产出率(EY R)U/I反馈投入效益率2能值可持续指标(EIS)EY R/E LR理论可持续能力3能值可持续发展指标(EIS D)EY R3EER/(E LR+E WI)实际可持续发展能力 3注:R为本地可更新资源能值;N为不可更新资源能值;I为输入能值;O为输出能值;U为能值总量;W为废弃物能值;P为人口量;G NP 为国民生产总值2.3.4 计算各项目能值相当的经济价值(能值-货币价值emdollar value,表1第5项)将能值量转换为当年的货币量,以进一步了解各项能物流在整体系统中的相对贡献,表示其相应的经济价值(以前曾称为“总体经济价值”,或“宏观经济价值”):能值-货币价值(＄)=能值(sej)÷能值/货币比(sej/＄)2.4 集结性能值综合图为简化3.2步骤绘制的复杂的能量系统图,根据能值计算分析结果,可将性质类似的项目集结,构建表示系统基本能值结构、输入与输出的综合简图,以便进行系统分析评价。