一、能值理論發展及理論基礎

1、理論發展

美國、意大利、瑞典、澳大利亞、日本等國家于20世紀90年代迅速開展了能值的研究，發展中國家隨后也投入到能值理論的研究中。藍盛芳把能值理論、方法和有關研究介紹到我國，出版我國第一本能值專著《生態經濟系統能值分析》，隨后我國開始了能值理論的深入研究。

2、理論基礎

（1）農業生態系統的能量來源

能量可以貫穿整個農業生態系統的結構和功能。太陽輻射到地球表面的能量首先由農業生態系統的植物經過光合作用吸收，經過食物鏈和食物網進行能量和信息的流動、轉化和傳遞。然后，未經植物吸收的太陽能是地球表面升溫，不同地區因地理位置不同得到的太陽輻射熱量有所差異。同時，陸地和海洋的比熱不同，造成熱能在不同的介質中流動而形成鳳、洋流和海浪的活動。海洋、地表水蒸發至空中遇冷形成雨、雪等，雨水具有勢能，以地表徑流方式沖刷地表土壤有機物質，造成土壤流失。煤炭、石油、天然氣等化石燃料是生物有機質在地底經過長年累月形成。因此，太陽能是地球上一切能量形式的基礎。

（2）農業生態系統的等級理論與能量品質

農業生態系統的組成部分具有等級關系。等級低者為等級高者提供服務、支持，等級高者則具有控制等級低者的功能。在農業生態系統中等級關系如下：各種特性的生產者利用太陽能進行光合作用形成有機體，稻谷、小麥等產品可以為人類生存提供能量、食物，牧草可以繼續為草食性動物提供能量、食物，草食性動物最終為人類提供能量、食物。能量在生態系統中的每一個傳遞、轉換過程，均伴隨著能量的流失，隨著能量由低級生物向高級的消費者轉移，能量越來越少。高等級者具有控制低等級者的特性，其單位能量的能量品質較低等級者要高。

（3）農業生態系統能量流動遵循的原理

熱力學第一定律：能量由一種形式轉變為另一種形式，總量不變。熱力學第二定律：能量在由一種形式轉換為另一種形式的過程中，有些能量會形成不具有潛能的熱形式耗散。因此，隨著能量由較低等級的消費者傳至較高等級的消費者，其量越來越小；為了產生高等級的能量，必定消耗大量低等級能量。最大功率原則：具有活力的系統，其組織方式必須能夠從外界獲取能量，并進行有效轉換盒利用，通過系統反饋，獲得更多的能量，保證系統持續發展的活力與繁榮。為了符合最大功率原則，系統必須做到：

①構建儲存高品質能量的系統。

②從能量儲存系統反饋能量以增加外界能量的流入。

③使物質得到循環利用。

④建立控制功能，使系統穩定。

⑤與系統外交換不同類型的能量。

⑥對外界環境系統有益，使自身處于有利條件之中。

二、能值評價的方法與步驟

1、能值定義

生產某種類別的能量所包含或需要的另一類別能量的數量。在農業生態系統中，生產出的農產品在形成過程中直接或間接使用的各種能量的總量，即為該物品或服務的能值。能值法就是根據能值分析理論，從農業生態系統角度出發，將自然生態系統與人類經濟系統相結合，以太陽能為基本衡量單位，與能量流圖相互補，來研究分析不同時間和空間尺度下的自然和人類—農業生態系統的能量經濟行為。

2、能值分析步驟：

（1）農業生態系統相關資料收集

通過調查、測定、計算、收集研究農業生態系統的投入與產出、氣象資料等數據，進行整理分類及存儲處理。數據的獲取可參照權威的統計部門資料和實地考察。

（2）繪制農業生態系統能量系統圖

以奧德姆的能量系統語言圖例，繪制詳細的農業生態系統能量圖，組織上個步驟收集的資料，形成包括系統主要組成部分和相關關系及能流的系統能量圖解，概括研究對象各組成部分和環境的關系。

（3）編制能值分析表

列出農業生態系統的主要能量來源和輸出項目，計算能值分析表中各類別資源能流量，以J為單位，物質以g為單位，將各類別能量、物質轉換成共同的能值單位，編制出云南省農業生態系統投入與產出能值表。

（4）構建農業生態系統能值綜合系統圖

為簡化第二步復雜的能量系統圖，可將重要的性質類似的項目集結和綜合，構建能夠體現系統資源能值機構及其產出的綜合系統圖，以便整體分析評價。

（5）建立能值系統分析指標體系

由第（3）步的能值分析表及第二步的集結性系統圖，可進一步建立并計算出一系列反映生態與經濟效率的能值指標體系，以分析經濟界面，評價農業生態系統對經濟系統的貢獻和經濟對農業生態系統的作用。

（6）系統發展評價和策略分析

通過能值指標分析和系統結構功能的能值定量分析，為制定正確的系統管理措施和發展策略提供科學依據，指導生態經濟系統良性運行與可持續發展。

三、能值轉換率

為了順利完成能值指標的計算，需要收集相關的數據，根據氣象資料和統計年鑒和實踐調查可以得到指標的數據。農業生態資源的投入與產出項目可以認為是由太陽輻射能直接或間接得到的產品，產品的能值轉換率等于它包含的能值除以它的能量（質量），即單位能量（質量）所包含的能值。實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，因而在能量系統中所處的不同能級，或以不同能量形態存在的能量則具有不同的能值轉換率。產品形成過程中用于轉化的能量越多，即消耗的能值越多，則該產品的能值轉換率就越高。這是因為產品形成所進行的每一次能量轉化過程，均有許多有效能量被消耗，結果轉化成數量少得多的另一種能量。因此，新產品的能值增加了，但其蘊含的能量相對于輸入應用的能量而言則降低，每單位產出能量的能值明顯增大，產品的能質和能級提高。能值轉換率就是衡量能量等級的尺度，而且明顯地使用于一切物質、能量或信息。宇宙中有多少能量等級，就有多少能值轉換率。奧德姆從地球作用的角度換算出自然界和人類社會主要能量類型的太陽能值轉換率。自然資源及其產品能值轉換率比較一致，而人類經濟產品的能值轉換率則因生產水平和效率差異而出現差別。因此對于農業生態系統中投入與產出項目的能值轉換率可以參照奧德姆和藍盛芳等的研究成果。

四、能量計算

在確定好太陽能值轉換率之后，要找到各個項目的能值總量，需要找到各個項目的原始能量和能質的總量原始數據。參照相關資料，得出各個項目的能量計算公式。

（1）太陽能=太陽常數×日照時數×面積×（1－反射率）。

（2）風能=高度×空氣密度×渦流擴散系數×風速梯度×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）雨水化學能=農業用地面積×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×潮高的平方×水密度×重力加速度。

（6）地球旋轉能（地球循環能）=區域面積×熱通量。

（7）土壤流失能=（土壤流失量－土壤生成速率）×區域面積。

（8）表層土損耗能=耕地面積×土壤侵蝕率×單位質量土壤的有機質含量×有機質能量。

（9）其他一些主要原料、燃料、產品能值計算。公式=項目的年消費量或者年生產量×相應的能量折算系數。

五、結語

能值研究在我國開展已經20多年，由農、林、牧、副、漁子系統擴展到農業生態經濟和城市生態經濟系統等多個領域，并產出大量研究成果，對生態環境的可持續發展提供了數據指標。發達國家已經開始了大范圍的農業生態系統的能值統計，中國部分省份也在開展農業生態系統的能值統計，不過西南地區開展工作較晚，研究成果較少，因此西南地區的農業生態系統的能值統計成為今后的研究重點。農業生態系統能值統計工作往往缺乏方法指導，研究內容對農業生態系統能值統計和評價具有指導意義。

作者：宋嘉 熊理然 劉云 單位：云南師范大學