能值方法在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應用中的常見問題及其糾正思路探討*

王小龍, 劉星星, 隋 鵬, 陳源泉**

能值方法在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應用中的常見問題及其糾正思路探討*

王小龍1, 劉星星1, 隋 鵬2, 陳源泉2**

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 廣州 510642; 2. 中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 北京 100193)

能值方法是美國生態(tài)學家H.T. Odum在20世紀80年代創(chuàng)立的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)分析方法, 近年來被廣泛應用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)分析當中。但是, 目前已發(fā)表的大量論文中對于能值評價過程中的重要細節(jié)常會出現(xiàn)不同的處理方式, 造成評價結果不確定性增加、可比較性降低, 影響了能值評價方法在農(nóng)業(yè)研究領域的深入應用和發(fā)展。因此, 本研究梳理了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值研究的基本概況, 并總結了相關研究中常見的五大問題, 包括: 全球能值基準變化所引發(fā)的能值轉(zhuǎn)換率選擇混亂問題、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)評價邊界界定的問題、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程環(huán)境資源貢獻的不合理計算問題、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)投入資源的分類問題和系統(tǒng)能值投入與產(chǎn)出不守恒問題。在此基礎上, 基于我們目前的認識提出了相關問題的解決思路: 第一, 規(guī)范能值評價中的能值轉(zhuǎn)換率(UEV)參數(shù)的選擇原則; 第二, 基于“四維時空尺度”標準界定系統(tǒng)邊界; 第三, 構建公式合理體現(xiàn)土壤、農(nóng)業(yè)用水在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值分析中的能量貢獻; 第四, 基于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值常用指標設定4組標準規(guī)范農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)投入資源的分類; 第五, 遵循能值代數(shù)規(guī)則保證能值守恒。通過以上分析, 以期引起廣大學界的討論和批評, 共同促進能值方法在全球農(nóng)業(yè)系統(tǒng)分析中的規(guī)范化應用。

能值評價; 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng); 能值轉(zhuǎn)換率; 系統(tǒng)邊界; 環(huán)境資源貢獻; 投入資源; 投入-產(chǎn)出守恒

20世紀80年代, 美國生態(tài)學家H. T. Odum基于系統(tǒng)生態(tài)學與熱力學理論提出了能值理論及其評價方法[1]。Odum將能值(emergy)定義為“產(chǎn)品或勞務形成過程中直接或間接投入應用的一種有效能(available energy)總量”[2]。該方法以太陽能值(solar emergy)作為統(tǒng)一度量單位, 通過單位能值轉(zhuǎn)換率(unit emergy value, UEV)這一重要參數(shù)將自然資源、社會經(jīng)濟資源、生態(tài)系統(tǒng)服務和人類信息服務納入系統(tǒng)評價范圍, 克服了傳統(tǒng)能量分析方法中不同能質(zhì)的能量之間無法簡單比較和計算的問題, 搭建起了生態(tài)學與經(jīng)濟學的橋梁。該方法特別適合于分析同時涉及自然環(huán)境和人類經(jīng)濟活動的生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)[3]。近年來, 能值方法被廣泛應用于農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)分析當中, 目前在種植業(yè)[4-7]、養(yǎng)殖業(yè)[8-9]、沼氣工程[10-11]、區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展[12-13]等領域已經(jīng)取得許多研究成果。但是, 能值方法被從自然生態(tài)系統(tǒng)分析引進農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)研究的過程中, 方法本身還存在一些適用性問題, 造成目前已發(fā)表的大量論文中對于能值評價過程中的重要細節(jié)常會出現(xiàn)不同的處理方式, 進而增加了能值評價結果的不確定性, 降低了指標結果之間可比性, 影響了能值評價方法在農(nóng)業(yè)研究領域的深入應用和發(fā)展, 同時也阻礙其被更多研究者所接受。因此, 本研究梳理了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值研究的基本概況, 在此基礎上總結了相關研究中常見的五大問題, 并提供了相關解決思路, 旨在為能值評價方法在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)分析中的應用提供規(guī)范化建議, 推進農(nóng)業(yè)領域能值研究的進一步發(fā)展。

1 能值方法在國內(nèi)外農(nóng)業(yè)研究中的應用概況

本研究在中國知網(wǎng)(CNKI)期刊數(shù)據(jù)庫和Web of Science(WoS)核心數(shù)據(jù)庫中分別以主題關鍵詞為“能值分析” “能值評價”和“emergy”檢索1996年至2019年發(fā)表的全部相關文章, 結果如圖1所示, 相關研究近30年間活躍度很高。從1996年Odum出版著作《Environmental Accounting: Emergy and Environmental Decision Making》[2]系統(tǒng)性地闡述能值理論及其評價方法以來, 國內(nèi)外關于能值理論和應用的研究開始逐漸增多。1996年至2002年間, 能值相關研究尚處于初步探索階段。2002年起, 相關研究在國內(nèi)外均表現(xiàn)出了“快速發(fā)展”的特點。其主要原因在于, 2002年華南農(nóng)業(yè)大學藍盛芳教授等將Odum著作翻譯并出版《生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)能值分析》[14], 在保留原著所有內(nèi)容的基礎上, 又提供了包括“農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)”在內(nèi)的研究實踐部分, 并對能值評價程序、常用參數(shù)、評價指標都做了進一步歸類整理, 這些基礎性工作有效地激發(fā)了眾多科研工作者在能值理論及其應用方面的研究熱情。

目前, CNKI中有關農(nóng)業(yè)領域的能值研究占33.9%, WoS核心數(shù)據(jù)庫中重點關注農(nóng)業(yè)的相關研究有149篇, 占總發(fā)文量的11.4%, 而這149篇SCI文章中, 60%的文章都是中國研究單位發(fā)表的(圖1)?？梢? 我國已經(jīng)成為利用能值分析方法開展農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)評估的最主要地區(qū)。從研究區(qū)域上看, 國內(nèi)研究主要集中在國[15]、省[16]、市[17]、縣[18]等不同區(qū)域尺度的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟評價上。同時, 能值方法也被應用于土地開發(fā)整理[19]、基塘農(nóng)業(yè)[20]、東北玉米種植[21]等具體的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的可持續(xù)性評價中。近年來, 有部分研究者開始將該方法應用于有機/傳統(tǒng)養(yǎng)雞模式[22]、不同有機物料還田模式[23]、循環(huán)與非循環(huán)農(nóng)業(yè)模式[24]等小尺度農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式之間的比較。總體來看, 能值分析方法近20年間被廣泛應用于我國不同尺度的農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)研究當中。

但是, 自2012年起, 國內(nèi)外能值研究的活躍度開始走向兩個方向(圖1)。WoS核心數(shù)據(jù)庫中收錄的能值研究截至2019年10月仍然保持增長的趨勢,但CNKI數(shù)據(jù)庫收錄的相關論文發(fā)表量卻從2012年起開始出現(xiàn)逐年減少的趨勢。這一結果表明國內(nèi)能值研究領域開始出現(xiàn)一定程度的障礙或阻力。事實上,能值方法在我國農(nóng)業(yè)生態(tài)經(jīng)濟評價中被廣泛應用的重要原因之一, 在于該方法在實際使用過程中具有較強的“易操作性”和“可復制性”。換句話說, 能值評價盡管理論基礎較為抽象與復雜, 但其分析步驟相對簡單, 評價過程對研究者來說易于掌握。

圖1 國內(nèi)外能值研究論文發(fā)表量(a)和能值研究論文中農(nóng)業(yè)領域所占比例(b)

近些年, 由于我國幾乎所有省(直轄市、自治區(qū))和重要城市、典型縣域都已經(jīng)開展過相關的能值研究, 導致能值方法近些年被直接用于“簡單復制性研究”的空間減少。另一方面, 則在于經(jīng)過20年來能值評價方法的初步應用之后, 部分學者也開始對該方法多處存在的不確定性產(chǎn)生了質(zhì)疑[25-26]。其中, 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析相關研究在國內(nèi)外已發(fā)表文章中概念、標準和原則的混淆不清是讓廣大其他領域研究者質(zhì)疑, 甚至是能值研究者本身自我質(zhì)疑的主要原因之一。在近幾年的能值國際研究雙年會(Biennial Emergy Synthesis Research Conferences)上, 相關研究人員已經(jīng)多次提到應該規(guī)范化能值評價的原理、規(guī)則和參數(shù), 最大程度地避免該方法被“濫用”[27]。因此, 從農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的特殊屬性出發(fā), 對該領域能值評價中常見的若干理論問題展開分析, 為能值評價方法在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)分析中的進一步應用提供標準化建議, 是當前國內(nèi)外進一步深化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值研究的關鍵之一。

2 能值方法在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應用中的常見問題

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是一種由人類參與控制的半自然生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng), 其特點常常介于自然生態(tài)系統(tǒng)和工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)之間, 與二者既有相似性, 也有相異性。由于能值理論及其評價方法起源于對自然生態(tài)系統(tǒng)的分析, 當該方法被直接“套用”在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)時, 就會產(chǎn)生一些常見的問題。這些問題一方面源于傳統(tǒng)能值理論及其評價方法在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)分析細節(jié)上的一些局限, 另一方面源于研究者對能值評價方法中的一些細節(jié)問題的長期忽視或不理解。表1總結了這些問題發(fā)生的核心原因及其可能產(chǎn)生的影響, 并在下文中進行了具體分析。

表1 能值方法在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應用中的常見問題

2.1 問題一: 全球能值基準更新所引發(fā)能值轉(zhuǎn)換率選擇混亂

全球能值基準是在能值評價中計算所有資源與產(chǎn)品UEV的基礎。因此, 由于全球能值基準變化而帶來的能值轉(zhuǎn)換率變化是能值分析結果不確定性的首要來源。1996年, Odum[2]提出驅(qū)動地球生物圈的能量主要源于太陽輻射、潮汐能、深層地熱能3部分, 其總量為9.44×1024seJ?a–1。2000年, Odum等[28]將能值基準更新為1.58×1025seJ?a–1。美國環(huán)境保護署的Campbell博士[29]卻于同一年在國際能值雙年會的首次會議上提出略微不同的算法, 核算出全球能值基準為9.26×1024sej?a–1。2010年, Brown博士[30]采用改進后的算法, 又將全球能值基準更新為1.52×1025sej?a–1。此后, 為解決這種多重能值基準并存的現(xiàn)狀, 在2014年第8屆國際能值雙年會召開之后, Brown博士等[31]分別采用3種方法以宇宙間天體引力為出發(fā)點, 對能值基準進行重新核算, 最終3項研究結果表現(xiàn)出一致性, 約為1.20×1025sej?a–1。

可見, 從能值評價出現(xiàn)開始, 全球能值基準就始終發(fā)生著不斷的更新, 這就導致大量能值研究是以不同能值基準為基礎開展的, 缺少研究基礎的一致性, 使評價結果的可比性降低, 也使后續(xù)能值相關研究工作出現(xiàn)參數(shù)選擇的巨大困難。這一問題不僅在農(nóng)業(yè)領域, 在整個能值研究領域均存在。造成這一問題的核心原因在于地球物理、大氣科學等相關研究領域新的計算參數(shù)和方法的更新, 進而導致全球能值基準有可能會階段性地更新。因此, 全球能值基準不同所引發(fā)的同一產(chǎn)品能值轉(zhuǎn)換率多樣的問題在未來仍然會長期存在。

2.2 問題二: 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)評價系統(tǒng)邊界不一致

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)分析中所涉及的投入資源項目眾多, 既包括自然資源, 也包括社會經(jīng)濟資源。同時, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較強的地域性特點, 也使某一特定農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所考慮的資源投入項目和計算方法并不一定完全適用于擁有不同地域環(huán)境特點的同一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程。以地熱能為例, Castellini等[3]在對意大利養(yǎng)雞模式進行能值分析時, 將其計入了該養(yǎng)殖系統(tǒng)的總能值投入; Alfaro-Arguello等[32]分析墨西哥肉牛放牧系統(tǒng)時, 則沒有考慮地熱能的貢獻; Liu等[33]對陜西省和江蘇省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)進行能值分析時, 計算了地熱能; 而Chen 等[34]對我國小麥()、油菜(、水稻()種植系統(tǒng)的能值評價中, 則沒有考慮地熱能。再以降雨為例, Zhang等[35]在對山東省南四湖3種養(yǎng)魚模式進行分析時, 直接采用系統(tǒng)所在地降雨量進行雨水化學能能值貢獻的計算; Brandt-Williams[36]以美國佛羅里達州為代表, 完成的典型農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值評價手冊中則通過系統(tǒng)田間蒸騰量進行雨水化學能的計算?？梢? 以上種種投入項目到底算與不算, 如何計算, 是能值評價方法中有待進一步標準化的重要部分, 這些問題的產(chǎn)生, 首要原因就在于研究者對于系統(tǒng)邊界界定不清。事實上, 對任何評價方法而言, 系統(tǒng)邊界的界定始終是分析前最重要的研究標準。換句話說, 系統(tǒng)邊界的劃定幫助研究者取舍系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程中所有投入與產(chǎn)出項目。當前大量研究在原始數(shù)據(jù)計算階段的錯誤, 大都是由于系統(tǒng)邊界劃分不清所造成的。因此, 需要進一步規(guī)范化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值評價的系統(tǒng)邊界界定標準, 以避免相似案例研究基礎不一致的問題。

2.3 問題三: 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中環(huán)境資源貢獻的不合理計算

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中自然資源投入具有極強的地域性特點, 其能量貢獻需要通過有關公式進行計算。Odum[2]已經(jīng)對許多環(huán)境資源貢獻的計算公式做了詳細的整理與歸納, 但在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)評價中, 土壤和降雨對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻在相關研究中常被誤解,需要具體分析。

在傳統(tǒng)能值評價中, 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的土壤貢獻通常是通過土壤流失而導致的耕層有機質(zhì)能量損耗而體現(xiàn)的, 但是, 有些地區(qū)的土壤流失程度并不是非常嚴重, 耕層有機質(zhì)流失也往往并不是土壤能值庫對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的主要貢獻, 因為流失掉的耕層有機質(zhì)和養(yǎng)分事實上并沒有被作物所利用。而且, 土壤有機質(zhì)只是土壤庫對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)體現(xiàn)能值貢獻的一個組分, 氮、磷、鉀、腐殖質(zhì)等其他土壤組分的變化也會對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)產(chǎn)生能值貢獻, 應該被囊括進來從而表征土壤肥力的真實價值[35]。不同農(nóng)作措施對土壤能值庫的影響可以是正向的, 也可以是負向的, 例如禾豆輪作模式能幫助農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)固氮, 長期翻耕就可能加速土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分的流失。這些特點都應該在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析過程中被合理考慮。對于農(nóng)業(yè)發(fā)展宏觀評價來說, 研究者通常無法得到研究區(qū)土壤狀態(tài)的實際測量數(shù)據(jù)。因此, 基于土壤侵蝕程度對土壤在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的貢獻予以估算在一定程度上是可行的。但是, 對于微觀尺度的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值評價, 對土壤能值庫的真實貢獻予以合理計算是非常必要的。因為不同農(nóng)作措施下, 土壤庫對作物生產(chǎn)的能值貢獻會產(chǎn)生差異, 若在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析中僅僅計算土壤流失所引發(fā)的能量消耗, 將會導致土壤庫能值貢獻計算不全面。

此外, 在能值評價的大量研究當中, 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的水資源貢獻通常是通過計算該系統(tǒng)全部降雨的勢能和潛在化學能(為避免重復計算, 二者取最大值)來體現(xiàn)的。但是, 農(nóng)業(yè)用水對作物生長的主要能量貢獻在于為作物蒸騰過程提供所需水分。某一地區(qū)的總用水量并不是全部被作物利用, 而只有其中蒸騰部分對作物生長有能量貢獻。因此, 需要根據(jù)當?shù)貙嶋H條件, 核算不同來源農(nóng)業(yè)用水的實際蒸騰量, 以提高農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值評估結果的準確性。

2.4 問題四: 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)投入資源的分類標準不一致

在能值評價中, 投入資源的分類對評價結果的影響巨大, 因為現(xiàn)有各種能值評價指標最終是通過各類別能值流相互間的比值來體現(xiàn)的。在能值評價方法應用的早期, 投入系統(tǒng)的能量根據(jù)其來源通常被劃分為本地可更新環(huán)境資源、本地不可更新環(huán)境資源、經(jīng)濟系統(tǒng)反饋能3類。其中, 經(jīng)濟系統(tǒng)反饋能與本地不可更新環(huán)境資源在計算能值指標時皆被作為不可更新能值流。例如, Chen等[34]對我國水稻、油菜、小麥系統(tǒng)的評價、Cuadra等[37]對尼加拉瓜咖啡(L.)生產(chǎn)系統(tǒng)的分析、Lefroy等[5]對澳大利亞3種典型農(nóng)作系統(tǒng)評價等的研究就采用了上述系統(tǒng)投入資源分類標準。這種分類方式合理的前提是對研究目標進行“完全程度”的系統(tǒng)化分析。換句話說, 從系統(tǒng)生態(tài)學的角度, 研究目標是被放在其“背景大系統(tǒng)”中進行分析的, 與目標系統(tǒng)產(chǎn)生物能流動關系的所有部分都被包含于該“背景大系統(tǒng)”當中。對于自然生態(tài)系統(tǒng)而言, 幾乎完全不存在外部來源的經(jīng)濟系統(tǒng)反饋能; 而對于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)而言, 經(jīng)濟系統(tǒng)反饋能必然是來源于外部的化肥、農(nóng)藥、燃油等傳統(tǒng)意義上的不可更新資源。因此, 這種投入資源的分類在一定分析基礎上是合理的。

但是, 如果研究者的分析目標在于特定的單一農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程, 那么這種分類方法則并不一定合理。例如, 目標研究系統(tǒng)為“生豬養(yǎng)殖”系統(tǒng), 那么對于該系統(tǒng)而言, 必然存在玉米()、豆粕等外部飼料源, 由于這些飼料組分通常是完全來源于養(yǎng)殖場外部, 那么, 這是否意味著它們都屬于“不可更新能量源”呢？答案顯然是否定的。再比如, 種植業(yè)系統(tǒng)中使用的有機肥, 通常從周圍養(yǎng)殖場(戶)購買獲得, 同樣作為一種外來經(jīng)濟系統(tǒng)反饋能, 是否也意味著種植業(yè)系統(tǒng)中的有機肥也屬于“不可更新能量源”呢？答案同樣應該是否定的。由于類似問題的存在, 我國許多學者在開展農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值評價時, 基于過去對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能量分析的研究經(jīng)驗, 將系統(tǒng)投入資源分成本地可更新環(huán)境資源、本地不可更新環(huán)境資源、工業(yè)輔助能、可更新有機能4類。例如, 在Liu等[33]、李飛等[24]、馬鳳嬌等[38]、孫衛(wèi)民等[39]的研究就采用了上述的系統(tǒng)投入資源分類標準。其中, 本地不可更新環(huán)境資源和工業(yè)輔助能在計算能值指標時被視作不可更新能值流, 本地可更新環(huán)境資源和可更新有機能被視作可更新能值流。這是能值研究中一種具有“中國特色”的資源分類方法, 在其他國家相關研究中很少見到。但是, 這事實上反映出這些研究者同樣認識到傳統(tǒng)的資源分類方法, 在特定條件下的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值分析中并不一定適用。

近些年, 一些研究者建議在能值評價中引入可更新比例系數(shù)(renewability factor, RNF), 將經(jīng)濟反饋能分為可更新和不可更新部分, 從而提高系統(tǒng)評價的科學性[7,40-41]。雖然RNF值的計算是基于產(chǎn)品生產(chǎn)鏈可更新資源與不可更新資源投入比例來定量計算的, 但該方法事實上與國內(nèi)研究者“自發(fā)地”將經(jīng)濟系統(tǒng)反饋能劃分為不可更新工業(yè)輔助能和可更新有機輔助能是相似的。這種資源分類方法被認為是能值評價方法論上的一個重要進步[7]。但與此同時, 又出現(xiàn)另外一個問題: 同一種資源或產(chǎn)品, 在不同的能值評價案例中, 卻往往出現(xiàn)不同的可更新比例系數(shù)。以玉米為例, Castellini等[3]在對養(yǎng)雞模式評價時, 灌溉玉米作為飼料其RNF為0.22; 而Cavalett等[9]的研究中, 作為豬飼料成分的玉米RNF則為0.17。Vigne等[42]在對法國3種養(yǎng)牛模式進行分析時, 玉米飼料的RNF則出現(xiàn)兩個值(0.41和0.20)。Ciotola等[10]在分析農(nóng)場小型沼氣系統(tǒng)時, 將本地畜禽糞便歸入了可更新部分, 而將購買性糞便歸入不可更新部分; 而Ghaley等[43]將丹麥小麥種植過程中的糞便投入則完全歸入經(jīng)濟系統(tǒng)反饋能, 作為不可更新資源進行計算?？梢? 同一種資源或產(chǎn)品在不同案例中的分類、RNF數(shù)值都是多變的, 這種變化固然是同一種資源或產(chǎn)品在不同地區(qū)、不同生產(chǎn)條件下的必然結果, 但也是因為在這種多變的研究背景下, 資源分類原則、RNF計算原則長期以來沒有被進一步闡述清楚而造成的。在目前能值方法的應用中, 大量研究都通過參數(shù)“相互引用”的方式來進行能值計算。在缺少相關計算原則的情況下, 這種較為隨意地引用一方面造成能值研究中引用已發(fā)表研究時的障礙, 另一方面則造成評價結果的不準確性, 使研究者對于能值評價方法總體上的接受度降低。

事實上, 當前能值評價中所存在的資源分類不清問題主要來源于不同分類標準間的混淆。對于以環(huán)境資源價值核算為目標的研究來說, 資源分類實際上并不重要, 因為這和最終系統(tǒng)總能值產(chǎn)出并無關系, 而對于以系統(tǒng)可持續(xù)性評價和比較為目標的研究來說, 對資源分類標準進行規(guī)范化, 則關系著能值評價指標最后結果的可靠性, 是目前能值研究需要盡快明確的關鍵性問題。

2.5 問題五: 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)能值投入與產(chǎn)出不守恒

由于能值的定義主要基于“能量記憶(energy memory)”的邏輯, 因此, 為了避免系統(tǒng)能值評價過程中的重復計算問題, Odum[2]提出了能值評價過程中要遵循的4條基本代數(shù)規(guī)則, 這些規(guī)則被用來決定如何向系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)、能量和信息合理地分配能值。其中, 能值代數(shù)規(guī)則一指出, 對于單產(chǎn)品系統(tǒng)而言, 該系統(tǒng)所有獨立來源的能值投入總和應該被分配至系統(tǒng)的產(chǎn)出[44]。以玉米種植系統(tǒng)為例(圖2), 當系統(tǒng)產(chǎn)出1 t玉米時, 產(chǎn)品的能值等于該系統(tǒng)運轉(zhuǎn)所需全部能值投入之和。一個產(chǎn)品或系統(tǒng)的能值是該系統(tǒng)運轉(zhuǎn)或產(chǎn)品生產(chǎn)過程中“有用能(available energy)”的累積, 所以, 在物質(zhì)、能量、信息不斷聚集產(chǎn)生更高能量等級產(chǎn)品的過程中, 能值不會耗散, 這是能值分析和能量分析的明顯區(qū)別。能值代數(shù)規(guī)則一事實上相當于能值定義的另一種表述, 反映了能值概念中所提到的“能量記憶”特點。系統(tǒng)產(chǎn)出的能值“體現(xiàn)著”其生產(chǎn)過程中直接和間接的能值投入總量。

圖2 能值代數(shù)規(guī)則一在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的體現(xiàn)——以玉米種植系統(tǒng)為例

目前國內(nèi)大量研究, 在一定程度上混淆了能量分析和能值分析的不同, 將能量分析的思路帶入到能值分析中。其表現(xiàn)出的計算特點就是, 能值投入()等于各種投入的原始量與各投入UEV的乘積之和, 能值產(chǎn)出()常常等于各種產(chǎn)出的原始量與各產(chǎn)出UEV的乘積之和, 凈能值產(chǎn)出率(EYR)則等于與的比值。由于在這些研究中, 系統(tǒng)產(chǎn)出的UEV常常引用自其他已發(fā)表文獻, 因此, 計算所得系統(tǒng)的能值投入就不等于系統(tǒng)能值產(chǎn)出。對于非平衡態(tài)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)而言, 由于系統(tǒng)存量的變化, 系統(tǒng)能值投入與能值產(chǎn)出可能不相等。但是, 當一個系統(tǒng)處于平衡態(tài)時, 系統(tǒng)的投入、產(chǎn)出和存量達到穩(wěn)定狀態(tài), 此時, 系統(tǒng)的能值投入必然等于能值的產(chǎn)出, 這是能值分析的邏輯基礎, 也是能值分析代數(shù)規(guī)則一的具體體現(xiàn)。目前很多研究案例當中, 目標系統(tǒng)實際上已經(jīng)是處于平衡態(tài)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng), 例如, 從播種到完全收割的種植業(yè)系統(tǒng), 每年穩(wěn)定經(jīng)營的農(nóng)場, 存欄量和出欄量穩(wěn)定的養(yǎng)殖業(yè)系統(tǒng)等, 但在其能值計算過程中仍然沒有遵守能值計算代數(shù)規(guī)則一, 其原因在于部分研究僅僅是在模仿能值方法的分析框架, 其核心實際上仍然是能量分析的思路, 造成了系統(tǒng)能值投入與產(chǎn)出不守恒的問題。

3 能值方法在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應用問題的糾正思路

3.1 策略一: 五條原則規(guī)范能值評價中的UEV選擇

針對問題一, 本研究提供了以下原則去盡可能規(guī)范能值評價中UEV的選擇。

第一, 根據(jù)國際能值學會的建議, 能值研究應該采用2016年確定的最新能值基準(1.20×1025sej?a–1)作為研究基礎, 這是相關研究結果準確的保證。

第二, 對于太陽光能、風能、雨水化學能等環(huán)境資源的貢獻, 建議采用Odum研究團隊所提供的UEV參數(shù), 因為該團隊在此方面已做了大量基礎性工作, 目前已發(fā)表的相關研究中絕大部分都是基于Odum團隊的相關參數(shù)開展的, 而且初級自然資源的UEV在不同地區(qū)變化不大, 近乎一致。

第三, 對于化肥、農(nóng)藥等經(jīng)濟系統(tǒng)資源的貢獻, 建議根據(jù)最近、最新、最權威等原則進行選擇。換句話說, 如果有研究系統(tǒng)具體所投入資源特定的UEV參數(shù)則選擇該參數(shù); 如果沒有, 則采用地區(qū)性參數(shù), 如無地區(qū)性參數(shù)則采用國內(nèi)相關研究參數(shù), 最后再選擇國外相關參數(shù), 盡可能保證評價結果可以選擇目標系統(tǒng)的實際情況。

第四, 若研究所用的UEV參數(shù)來源于采用不同能值基準的參考文獻, 則應根據(jù)該參考文獻能值基準與最新能值基準的比值, 來換算所用UEV在最新能值基準下的數(shù)據(jù)。例如, 若系統(tǒng)投入的某種資源的UEV在1.58×1025sej?a–1的能值基準下為3.80×105sej?J–1, 則其在1.20×1025sej?a–1能值基準下的UEV值應該換算為2.88×105sej?J–1。只有一項研究中所用的全部UEV參數(shù)的能值基準一致, 能值計算結果及其指標結果才有意義。

第五, 如果研究目標在于估計某些系統(tǒng)的理論性潛力, 那么建議選用系統(tǒng)投入資源的最小UEV。例如, 研究目標是評價某種生產(chǎn)模式或技術的最佳可持續(xù)性指數(shù)和最佳資源利用效率。因為這個最小UEV一定程度上反映著目前條件下該產(chǎn)品生產(chǎn)過程所能達到的最高效率[26]。

3.2 策略二: “四維時空尺度”下界定系統(tǒng)邊界

針對問題二, 本研究認為系統(tǒng)邊界的設定要在“四維時空尺度”內(nèi)考慮?！岸S”面積是大多數(shù)研究對系統(tǒng)劃分的第一尺度, 如國家生態(tài)經(jīng)濟評價中的國土面積、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)評價中的種植面積、工業(yè)加工過程中的廠區(qū)占地等, 這一維度的系統(tǒng)邊界通常較易界定。

“高度、深度”作為系統(tǒng)評價中“第三維”縱向空間維度, 則常常被研究者所忽略。如Castellini等[3]在對意大利養(yǎng)雞系統(tǒng)進行分析時, 將地熱作為可更新環(huán)境資源投入的一部分納入到研究中。這事實上造成了系統(tǒng)評價中的多余計算, 因為家禽生活在地表, 地熱溫度不會對家禽飼養(yǎng)過程產(chǎn)生較大的影響, 而這一錯誤的產(chǎn)生, 就來源于養(yǎng)殖業(yè)系統(tǒng)評價時“地下邊界”界定錯誤。同樣地, 大氣冷熱不均所引發(fā)“風”的現(xiàn)象, 對于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中作物蒸騰有重要作用。但是, 現(xiàn)有研究中通常默認1 000 m高空的風速作為風能計算的數(shù)據(jù)基礎, 這事實上也夸大了風能對于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的實際貢獻。因為通常情況下, 作物高度遠遠低于海拔1 000 m, 由于地表表面阻力, 隨著高度的下降, 風速會逐漸降低。因此, 若要對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中風能的直接貢獻進行科學評價,必須根據(jù)系統(tǒng)包含對象的實際高度進行合理估算, 這就要求研究者對系統(tǒng)“上界”也進行合理界定。

“第四維”時間是幾乎所有系統(tǒng)分析必須考慮的另一個維度, 該維度限制了所研究系統(tǒng)或過程的時間范圍, 如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的1年、作物種植的1季或生產(chǎn)1件產(chǎn)品的全生命周期等。對于“線性”傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式而言, “時間邊界”通常不會界定錯誤。但是, 當系統(tǒng)涉及產(chǎn)品和投入循環(huán)再利用問題時, 時間邊界則容易被設定不清, 這需要進一步詳細地判斷與審視。因此, 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的科學評價必須建立在“四維邊界”的合理界定上予以開展, 以提高研究結果的科學性。

3.3 策略三: 構建公式合理體現(xiàn)土壤、農(nóng)業(yè)用水在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值分析中的能量貢獻

針對問題三, Wang等[45]基于農(nóng)田投入產(chǎn)出平衡的基本邏輯, 詳細分析了當有機物料被還田后土壤有機質(zhì)在農(nóng)田土壤庫中的變化情況, 并在此基礎上提出了土壤有機質(zhì)分解所提供的作物生長所需的能量投入計算公式?；谶@樣的思路, 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分對作物生長的能值貢獻也可以基于養(yǎng)分平衡的基本關系進行估算, 這也是未來農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值分析方法所需要進一步突破的關鍵點之一。

對于農(nóng)業(yè)用水而言, 當無法獲取田間實際數(shù)據(jù)時, 建議通過該地區(qū)微觀試驗測定的蒸騰系數(shù)進行估算。當能值評價方法被應用于小尺度的田間試驗評價時, 建議采用農(nóng)田水量平衡公式(公式1)計算農(nóng)業(yè)用水對作物生長的直接能量貢獻:

ETaSP(1)

式中: ETa為實際蒸騰量, 即作物耗水量;為深層滲漏量;為灌溉量;為降水量;S和P分別為某一時段起始、末尾的土壤貯水量。由于在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當中, 灌溉用水()可能來源于雨水、河水、地下水等不同來源, 因此, 如果相關數(shù)據(jù)可以獲得, 不同來源的農(nóng)業(yè)用水在蒸騰量中的比率需要分開考慮, 以便對應不同水源的能值轉(zhuǎn)換率進行能值核算, 提高評價結果的準確性。

3.4 策略四: 設定4組標準規(guī)范農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)投入資源的分類

針對問題四, 本研究基于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值研究中常用指標(如凈能值產(chǎn)出率、環(huán)境負載率、能值投資率、能值自給率、能值可持續(xù)性指數(shù)等)的內(nèi)涵, 界定了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值評價時系統(tǒng)投入資源4組相互對應的分類標準:

1)本地資源與外部資源: 本地資源與外部資源的分類是根據(jù)資源所處的“位置”而言的。換句話說, 如果某種系統(tǒng)投入資源來源于研究目標的系統(tǒng)邊界之內(nèi), 應該被歸類為本地資源; 反之, 則應該被歸類為外部資源。這一分類主要是與能值評價指標中的凈能值產(chǎn)出率(EYR)相關。

2)可更新資源與不可更新資源: 系統(tǒng)投入資源是否可更新是對其“性質(zhì)”的判斷?？筛沦Y源是指能夠通過生物再生過程或其他自然的再現(xiàn)過程而使其再生速率大于其利用和消耗速率的有機的、自然性的資源;反之, 則應該被歸類為不可更新資源。因此, 研究者不能通過某一資源是來源于系統(tǒng)邊界內(nèi)還是系統(tǒng)邊界外而判斷其可更新程度, 而應該根據(jù)該項投入資源本身的性質(zhì)而進行分類。這一分類主要是與能值評價指標中的環(huán)境負載率(ELR)相關。

3)環(huán)境資源與經(jīng)濟系統(tǒng)資源: 顧名思義, 環(huán)境資源和經(jīng)濟系統(tǒng)資源分別是來源于自然環(huán)境和人類主導的社會經(jīng)濟系統(tǒng)的資源。環(huán)境資源常與本地資源相混淆。例如, 來源于農(nóng)場外用來灌溉作物的地下水不屬于本地資源, 但必然屬于環(huán)境資源。這一分類根據(jù)系統(tǒng)投入資源的“來源”而判斷, 它主要與系統(tǒng)能值投入結構的分析有關。

4)免費資源與購買性資源: 系統(tǒng)投入資源的免費與否, 是以其在市場中的“經(jīng)濟價值”為標準判斷的。該分類常常被研究者與“環(huán)境資源與經(jīng)濟系統(tǒng)資源”分類相混淆, 因為環(huán)境資源通常是可免費獲得的, 而經(jīng)濟系統(tǒng)資源通常是需要生產(chǎn)者付費獲得的。但對于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)而言, 一些常見的經(jīng)濟系統(tǒng)資源, 卻是不需要購買的。例如動物糞尿等有機肥來源于養(yǎng)殖業(yè), 屬于經(jīng)濟系統(tǒng)資源, 但卻通常屬于免費資源, 因為農(nóng)戶可以免費從其他養(yǎng)殖場獲得。這一分類與判斷系統(tǒng)能值投入結構中對購買性資源的依賴度有關。

總體而言, 資源分類的混亂是當前能值評價方法應用于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)分析時的一個常見問題。本研究基于不同判斷標準所提出的資源分類原則, 事實上也反映出一個問題: 資源分類不是固定不變的, 在不同視角下, 研究目的不一樣, 某一種投入資源可以同時屬于幾種不同的分類。但與此同時, 研究者也必須認識到, 在這種變化當中, 分類的“原則本身”是始終保持不變的, 而這種“變化中的不變性”關系著系統(tǒng)評價中常見能值指標的計算結果, 對其進行規(guī)范化, 才可使能值評價的指標結果間具有可比性。

3.5 策略五: 遵循能值代數(shù)規(guī)則保證能值守恒

針對問題五, 當一個系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時, 其能值投入()等于各種投入的原始量與各投入UEV的乘積之和, 能值產(chǎn)出()則等于能值投入(), 凈能值產(chǎn)出率(EYR)等于能值投入()與經(jīng)濟系統(tǒng)反饋能()的比值。因為, 能值分析中的凈能值產(chǎn)出率指標, 事實上反映的是系統(tǒng)在獲得一定量的經(jīng)濟系統(tǒng)反饋能投入時, 對系統(tǒng)本地資源(如光、水、土等)的開發(fā)利用程度[2]。只有指標計算的邏輯基礎一致, 指標結果間才具有可比性。解決這一問題的關鍵, 就在于深入理解能值計算中的代數(shù)規(guī)則, 以保證計算過程能值守恒。關于系統(tǒng)能值流計算規(guī)則, 目前已有大量系統(tǒng)而深入的介紹與研究[2,44,46-48], 需要研究者在開展農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能值分析過程中深入理解和應用。但是, 值得進一步說明的是, 對于平衡態(tài)系統(tǒng)而言, 引用其他系統(tǒng)UEV計算目標系統(tǒng)能值產(chǎn)出導致目標系統(tǒng)能值投入與產(chǎn)出不相等的原因在于, 目標系統(tǒng)產(chǎn)品的UEV與引用源系統(tǒng)的UEV由于生產(chǎn)過程差異而不相等, 而這種差異可用來度量系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。例如, Lu等[49]就基于這一差異, 設計了能值生產(chǎn)力比率(EPR)和本地支撐率(LSR)指數(shù), 分析了廣東順德的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率?？梢? 能值守恒是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能值評價過程中需要關注的重點, 但根據(jù)研究目標的不同, 也需要深入理解系統(tǒng)投入、產(chǎn)出和存量三者之間的關系, 選擇適合的綜合評價指標, 在保證系統(tǒng)能值流計算合理的基礎上, 有意義地反映目標系統(tǒng)的生態(tài)經(jīng)濟特點。

4 結語

能值評價方法作為眾多生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)分析方法之一, 出現(xiàn)時間較晚, 但無論在國內(nèi)或國外學術界, 其應用都相當廣泛。一方面, 這是因為能值評價在環(huán)境資源核算、區(qū)域(產(chǎn)業(yè))發(fā)展狀態(tài)評價、系統(tǒng)生態(tài)效率分析等研究領域具有鮮明的特點; 另一方面, 則因為該方法在一定程度上表現(xiàn)出了較強的“易操作性”和“可復制性”。但是, 經(jīng)過近些年能值評價方法的初步應用之后, 部分學者開始對該方法多處存在的不確定性產(chǎn)生了質(zhì)疑。但與此同時, 大部分研究者也認為能值理論所包含的整套思想體系及其分析生態(tài)系統(tǒng)的角度確實是科學的、有價值的。本研究根據(jù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的特點, 對部分相關理論問題進行了初步梳理和闡述, 并對其有關細節(jié)做了一定程度的規(guī)范化。一方面, 希望通過此項工作推進能值評價方法的標準化工作, 使該方法在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)分析中有更好的適用性; 另一方面, 則是希望拋磚引玉, 引起廣大學界的討論和批評, 共同促進能值方法在全球農(nóng)業(yè)系統(tǒng)分析中得到規(guī)范化應用。

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Current problems and proposed solutions of emergy evaluation in agricultural systems*

WANG Xiaolong1, LIU Xingxing1, SUI Peng2, CHEN Yuanquan2**

(1. College of Agriculture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2. College of Agronomy and Biotechnology, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

Emergy evaluation (EME) is an extensively used method for the assessment of ecological economic systems which has been applied in a diverse array of fields, with more recent application in agricultural systems. However, despite an increasing number of studies using the EME approach to assess agricultural systems, some of the evaluation principles of EME have been misunderstood by researchers applying the method resulting in unreliable assessments. Therefore, this study aimed to investigate issues identified from prior research using EME in the assessment of agricultural systems. Five common problems were identified: 1) disordered selection of unit emergy values (UEV) caused by updated global emergy baselines, 2) incomplete definition of system boundary, 3) arbitrary calculation of emergy contribution derived from environmental resources, 4) inoperable classification of system inputs, and 5) non-conservation between input and output emergy in agricultural systems. Concurrently, we proposed related solutions for resolving the identified problems which included: standardizing the selection principle of UEV in the EME; defining system boundary based on a standard of ‘four-dimensional space-time scale’; constructing formulas to reasonably reflect energy contributions from soil and water for agricultural production in the EME; setting four standards to order the classification of input resources of agricultural systems; and applying the emergy accounting algebras to ensure the emergy conservation in research. We hope that our research will initiate further discussions on approaches to EME assessment in agricultural practices thus promoting a more standardized application of the emergy method in future studies.

Emergy evaluation; Agricultural ecosystem; Unit emergy value; System boundary; Environmental energy contribution; Input resources; Emergey conservation between input and output

F062.2

10.13930/j.cnki.cjea.190776

王小龍, 劉星星, 隋鵬, 陳源泉. 能值方法在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應用中的常見問題及其糾正思路探討[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2020, 28(4):503-512

WANG X L, LIU X X, SUI P, CHEN Y Q. Current problems and proposed solutions of emergy evaluation in agricultural systems[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(4):503-512

* 國家自然科學基金項目(31800465)和國家重點研發(fā)計劃(2016YFD0300210)資助

陳源泉, 主要研究方向為循環(huán)農(nóng)業(yè)與可持續(xù)農(nóng)作制度。E-mail: chenyq@cau.edu.cn

王小龍, 主要研究方向為綠色農(nóng)作制度。E-mail: wangxiaolong@scau.edu.cn

2019-11-05

2020-02-03

* This study was founded by the National Natural Science Foundation of China (31800465) and the National Key Research and Development Program of China (2016YFD0300210).

, E-mail: chenyq@cau.edu.cn

Nov. 5, 2019;

Feb. 3, 2020