H. T. 奥德姆与中国的能值研究

简要论述了由霍华德.汤姆.奥德姆创立的能值理论与方法在中国的传播并综述了多年以来中国的能值研究进展。能值理论与方法在中国的传播始于1990年霍华德·汤姆·奥德姆第二次访华.在此期间,即1990年8月1日至1990年8月21日他访问了台北、广州、北京和沈阳,并作了多个学术报告,如“自组织与系统生态学”和“能值分析与环境评价”等。从此以后,我国的广州、北京、南京和沈阳、佛山等多座城市的大学和科研机构先后开展了10多年的能值研究,能值理论应用于多个领域,包括国家、省、市、自然保护区等生态经济系统的能值评估、农业生态系统、城市生态系统、环境与资源、废水处理、生态工程和工业的能值评价。用中文或英文发表关于能值的学术论文60多篇,由霍华德.汤姆.奥德姆所著的3本关于能值的书被翻译为中文,能值概念、理论和方法被10多部中文书刊引用,2本关于能值的中文专著已发表。能值分析的研究工作已得到国家自然科学基金资助,其中有些课题已结题,有些课题正在进行中。能值理论与方法已被许多中国生态学家所接受,但在应用过程中仍存在许多问题。     

城市环境经济能值综合和可持续性分析

澳门资源缺乏,人口高度密集,其生命支持系统几乎完全依赖进口。近年,澳门经历了经济的繁荣和社会的发展,澳门如何能克服其自身的缺点而生存?试图应用H.T.Odum创立的能值(Emergy)分析理论和方法,从城市生态系统的理论出发,对澳门的能值流进行系统分析研究,通过一系列能值指标,评价澳门城市生态系统自然环境和社会经济可持续发展的状况,为澳门制定发展策略和产业调整提供科学指导依据。2003年澳门城市生态系统应用能值为220×1020sej(Solaremjoules,太阳能焦耳,缩写为sej),输入的购买能值有216×1020sej,出口能值为140×1020sej。旅游博彩业为澳门带来52.1亿美元的收益,折算能值收益为86.5×1020sej,而游客只消费能值32.6×1020sej的商品和服务,旅游博彩业巨大的能值净收益为53.9×1020sej,旅游博彩业的贡献冲击比率为2.65。研究还发现,以相同的货币进行商品交换,中国大陆与澳门的能值交换比率是1.8倍。澳门旅游博彩业的能值剩余和澳门与中国大陆的能值交换优势,是维持澳门生态经济系统的关键因素。最后对澳门的可持续发展状况进行了讨论。     

广州市生态可持续发展水平对比评价

基于城市自然-经济-社会复合生态系统原理,应用层次分析法、综合指数法,建立城市生态可持续发展水平测度指标体系,并将广州市与北京、上海、深圳市进行对比评价,最后得出各城市生态化水平、生态可持续发展水平及发展特点等结论。广州现状自然生态化水平、生态可持续发展水平低于深圳、略低于北京,高于上海,在国内大城市中属良好水平;经济生态指数低于深圳、略低于上海,高于北京,在国内大城市中也属良好水平;社会生态指数在四城市中最低。指标及其权重的选定考虑了各指标的层次性、代表性,也考虑到指标数据资料易统计、更客观和可比较等原则。     

城市复合生态系统中互动关系的测度与评价

基于城市复合生态系统原理和城市代谢功能,构建了城市系统互动分析指标体系。应用因子分析法、层次分析法及所建立的量化模型,对城市复合生态系统中的不同变量之间的相关性和协调性进行度量。并以中国北京、上海、广州、天津、重庆和深圳等六大城市为例,对其可持续发展进程进行横向比较。结果表明,六大城市发展度由大到小的顺序是:上海、深圳、广州、天津、北京、重庆;协调度由好到坏的排序是:重庆、上海、广州、北京、天津、深圳;循环度由好到坏的排序是:深圳、上海、天津、北京、广州、重庆;从可持续发展度看,建设和实现可持续发展城市或生态城市的先后顺序大致为:上海、深圳、广州、重庆、天津、北京。说明城市可持续发展的关键取决于社会经济活动压力源的削减、自然生态环境的保育以及城市代谢功能的增强。     

基于能值分析的厦门城市代谢可持续性评估

生态城市建设是中国城市转型发展的关键节点,对中国生态文明和新型城镇化发展具有推动作用。研究以中国典型的生态城市厦门市为例,基于城市代谢框架结合能值分析法,对厦门市代谢系统进行各项能值流的核算,构建2010-2017年厦门市能值指标评估体系,选用可持续发展指数、可持续发展能值指标、城市健康水平能值指数3项指标综合评价其生态可持续性,选取部分能值指标与珠海市、深圳市进行对比分析,以期为中国生态城市的可持续发展提供科学参考。结果表明：（1）2010-2017年,厦门市总能值呈上升趋势,2017年的总能值为2.51×10²⁴ sej,是2010年总能值的1.65倍,货币流能值显著增加,废弃物流能值下降。能值自给率由98.30%逐渐递增至99.20%,能值产出率由8.30%逐渐递增至15.20%,环境承载率小于3,属于环境低负荷状态。（2）厦门市可持续发展指标处于1-10之间,表明其生态经济系统具有活力和发展潜力,可持续发展能值指标由2010年的3.67增加至2017年的7.76,表明厦门市的可持续发展性能愈来愈好,城市健康水平能值指数由2010年的6.21上升至2017年的25.80,表明厦门市生态系统处于健康可持续发展的状态。（3）厦门市与珠海市、深圳市的能值指标对比分析表明,厦门市与珠海市均处于富有经济活力与生态可持续发展潜力阶段,且厦门市代谢系统的可持续发展水平整体优于珠海市与深圳市。（4）总体来看,厦门城市代谢系统处于可持续发展阶段,生态城市的建设有利于厦门市实现生态经济的可持续发展,研究对同类型生态城市的建设与可持续发展具有理论参考价值。     

黄土丘陵区小流域系统生态经济要素分析

以隆德县李太平小流域为例,对比分析了退化小流域系统恢复重建过程中系统的生态经济要素变化,揭示系统演变趋势.应用能值方法分析了投入产出的动态变化,评价治理的生态经济效果.结果显示：农、林、牧业用地比例由1990年的6.2：2.0：1.0变为2003年的1.9：1.4：1.0,土地利用及种植结构趋于合理,农业产值所占比重由79.6%下降为54.8%,林业、牧业、副业产值比例分别由9.6%、9.6%、1.1%上升为22.7%、15.1%、7.4%,收入多样性指数也呈增加趋势,显示了流域收入构成的多元化,有利于生态经济系统的稳定.同时,恩格尔系数减小,表明人民生活水平日益提高.基于能值的流域生态经济系统投入产出效率动态研究结果表明在调整后的土地利用格局及种植结构下,净能值产出率由1990年的2.5增长到2003年的3.41,资源利用效率逐年提高,环境负荷率在1990、1995和2003年分别为2.55、2.44和2.11,呈减小趋势,能值持续性指数从1990年的0.98增加到2003年的1.62,经济与生态环境的协调性不断提高.研究结果表明该治理模式是成功的.     

京津唐城市生态系统能值比较

运用能值(emergy)分析方法,以京津冀地区的北京、天津、唐山为研究对象,建立了复合生态系统与可持续发展的能值指标,对3个城市1991～2005年自然环境与社会经济可持续发展状况进行了比较分析.研究结果表明:1991～2005年期间,由于北京、天津的本地资源能值对经济发展的驱动力不足,城市发展对外部输入能值的依赖程度越来越高;北京、天津、唐山社会子系统的能值指标均呈上升趋势,城市居民生活水平和经济发展水平不断提高;北京经济子系统的各项指标均优于天津和唐山,但环境子系统和能值可持续指标体现出,北京的环境压力最大、可持续发展能力低于天津和唐山.在此分析基础上,对北京、天津、唐山的可持续发展提出了几点建议,为制定城市发展策略和产业调整提供科学依据.     

基于能值分析的广东省生态经济系统综合研究

运用能值理论与分析方法,从自然子系统、社会子系统、经济子系统3个侧面,系统与子系统2个层面,对广东省生态经济系统1990年以来的发展态势进行了定量分析.结果表明,广东省属于高度发展地区,系统高度依赖于反馈能值的投入,虽然污染治理卓有成效,但并未从整体上解决环境压力不断增大的矛盾,区域自身可持续发展能力低.广东省对于国际市场的信赖性日益提高,但在大量资源型产品出口和高技术产品进口的不等价交换中处于实际的亏损地位.依靠科技,提高产出品附加值,发挥落后地区自然和人力资源优势,以及发达地区的经济拉动力,是全面提高区域可持续发展能力的关键.     

基于能值分析的中国海洋生态经济可持续发展评价

海洋生态经济可持续发展的研究既是生态经济研究的重要领域,也是海洋经济研究的重点领域。运用能值分析构建中国海洋生态经济系统能值分析模型和指标体系,以中国沿海地区及其附近海域为研究区域,利用2013年的数据对中国海洋生态经济系统的可持续发展水平进行能值测度。研究表明:(1)2013年,中国沿海各省的海洋生态经济总能值为1.70×10~(24)sej,可更新资源能值占主体地位。(2)受沿海各省海洋经济发展水平不同和区域海洋资源储量影响,中国沿海地区海洋生态经济能值密度分布差异较大,能值货币比率以上海为界,南高北低,高中低3种能值产出率结构并存且以中能值产出率结构为主。(3)中国海洋生态经济系统的生态承载力以高承载力和较高承载力为主,但局部地区海洋生态承载力偏低影响区域海洋生态系统平衡。中国海洋生态经济系统环境负载率较大,环境负载率高的地区与我国海洋经济发达地区高度耦合。(4)从可持续发展指数来看,中国海洋生态经济发展的整体可持续性较好,局部地区环境负载率过大和生态承载力偏低严重制约着区域海洋生态经济的可持续发展。     

基于能值理论的中国城市新陈代谢

运用城市新陈代谢能值指标方法,分析了2000和2010年31个典型中国城市的新陈代谢系统构成及发展特征.结果表明: 研究期间,中国城市新陈代谢系统的资源消耗型、沿海外贸型特征明显.内陆城市的非可再生资源能值占城市代谢系统能值总量的比例较高.北京、上海等大都市及东部沿海城市的进出口能值比重偏大,表现出显著的代谢外向型发展特征.在此基础上,明确了城市在实现可持续发展目标过程中的新陈代谢改进方向:发展可再生资源、能源产业;改善非可再生资源、能源利用效率;优化城市进出口服务、货物和燃料结构;弹性的城市新陈代谢管理机制.     

中国超大城市土地利用状况及其生态系统服务动态演变

随着城市的快速发展,城市用地及其生态服务功能也在不断发生变化。近十几年间,中国城市发展迅速,超大规模城市的土地利用以及生态系统服务动态演变的一般特征以及差异值得关注。研究以中国1995年非农业人口超过200万的9个超大城市为研究对象(包括上海、北京、天津、重庆、南京、西安、哈尔滨、武汉和广州),对各城市不同用地类型在1995年至2008年这一阶段的利用动态度进行分析。然后以用地结构和谢高地等^[1]提出的大陆生态系统服务价值当量表为基础估算了城市土地生态系统服务价值,并且对城市土地利用结构与生态系统服务之间的关系进行了分析。最后为证明研究结果可信,对每种用地类型对单位面积生态系统服务价值系数的依赖性进行了敏感性分析。结果表明,9个超大城市用地结构变化趋势总体一致, 主要缩减地类为农田和水体,增长地类为建设用地、林地和城市绿地。单位面积生态系统服务价值量1995年总体范围为4996-8854元/hm²,排序为广州>武汉>哈尔滨>南京>西安>天津>北京>上海>重庆,2008年范围为4746-8777元/hm²,排序为广州>哈尔滨>西安>上海>重庆>北京>武汉>南京>天津,各城市均值由1995年的7189元/hm²降到2008年的6987元/hm²。人均享有生态系统服务价值量1995年总体范围为284-7983元/人,排序为哈尔滨>西安>北京>广州>武汉>南京>天津>重庆>上海,2008年范围为305-4538元/人,排序为哈尔滨>重庆>西安>广州>武汉>北京>南京>天津>上海,各城市平均值由1995年的1677元/人降到2008年的1230元/人。超大城市土地生态系统服务动态演变的一致特征是人均享有生态系统服务价值下降,主要减弱的生态系统服务为水文调节和粮食生产,增强的服务为娱乐文化和废物处理,而单位面积生态系统服务价值与生态系统服务结构9个城市之间存在差异。敏感性分析结果显示所有土地类型的敏感度指数皆小于1,证明研究结果可信。研究结果说明城市可持续发展主要面临的问题之一是建设用地无序扩张和各类生态用地的配置不均衡,可为中国迅速城市化的新兴大型城市的生态建设提供参考和指导。     

熵权模糊综合评价法在城市生态安全评价中的应用

为了拓新城市复合生态系统生态安全评价方法的研究,根据压力-状态-响应模型,构建了一个有3个要素和33项具体指标的城市生态安全水平度量的指标体系,并运用客观的熵权法赋权、模糊综合评价法以及划分的等级标准对我国5个经济发达城市的生态安全水平进行量化分析.结果表明,苏州市和北京市对“较安全”级别的隶属度最大,分别为0.376和0.286;深圳市、上海市和广州市则处于“临界安全”状态.另外,深圳市具有较大的系统压力,苏州市的系统状态和系统响应表现最优.与其它评价方法相比,该方法评价过程简易,结果定量和相对客观可信.     

Ecosystem, environmental quality and ecotechnology in the Taipei metropolitan region

The “self-design” capability of a natural environment is ignored in currently practiced environmental technology and urban planning professionals. Therefore, we propose an ecological engineering approach to conduct scenarios for environmental management in the metropolitan region of Taipei. Ecological energetic analysis is applied to assess the ecological economic status and the role and contribution of solid waste and water resources in the Taipei metropolitan region. The benefit of an ecological engineering approach to the environmental quality and sustainable development of the metropolitan region is evaluated using emergy synthesis. The results indicate that Taipei metropolitan region operates its activity mainly on the imported fuels and goods and services, which account for 90% of total emergy used. The treatment of waste as resources and the use of the self-design capability of the natural environment according to the ecological engineering approach can generate positive contribution and aid the environmental quality and productive potential of the ecological economic system. It is concluded that ecological sustainability should be used as a reference of environmental quality for urban development policy.     

Monitoring the sustainability and equity of socioeconomic development: A comparison of emergy indices using Macao, Italy and Sweden as examples

The concept of sustainability involves factors related to society, economy, and ecology. The modern context of sustainability also includes a requirement for equitable consumption of materials and energy to sustain the quality of life while still protecting the environment. To evaluate the environmental sustainability of socioeconomic activities, emergy (embodied energy) is an important tool because it can measure real wealth by accounting for both natural and socioeconomic flows using a common set of units. However, different emergy indices provide different insights, and not all are equally suitable for every situation. Using traditional emergy-based indices, an integrated environmental sustainability index (ESI), and two measures of emergy storage, we analyzed emergy flows and related indices for three typical human-influenced ecosystems: those of Macao, Italy, and Sweden. The performance of each ecosystem was compared using several emergy-based indices to assess their levels of sustainable development and demonstrate how different indices provide different insights. Based on the principle that equitability is an essential component of sustainability, we suggest that a positive and low net emergy ratio is desirable, since this means that the system does not capture excessive amounts of resources from external systems and thereby damage its external life-support systems.     

Emergy analysis of regional water ecological–economic system

The theoretical framework and methodology of a water ecological–economic system (WEES) assessment based on emergy synthesis are proposed in this paper. Through calculating ecological and economic inputs and outputs within and outside the complex system, this paper discusses the system's economic situation, water resources development and system sustainability based on a series of emergy indicators. Besides traditional indices, following the principle of system assessment, four new indices, water emergy ratio (WER), water emergy utilization ratio (WEUR), water emergy self-support ratio (WESR), and water emergy density (WED) are formulated to assess the state of water resources development quantitatively. Taking the Zhengzhou water ecological–economic system as a study area, through the comparison of the systematic indicators of Zhengzhou with those of the selected Chinese cities, the general status of the Zhengzhou water ecological–economic system in China is identified. The results also show that most indicators of Beijing are located at middle levels among the selected Chinese cities. In particular, the sustainability, expressed by the indicators emergy-based sustainability index (ESI) and water resources population carrying capacity (WPC) were 1.34 and 1.94 million, respectively, in Zhengzhou in 2005, which indicates that the Zhengzhou WEES is in heavy pressure of water resources and is located at low levels of sustainability.     

基于能值分析的我国小水电生态影响研究

如何系统定量地评价小水电开发过程所引起的景观变化、河流局部断流等生态影响,是平息争议、进行合理规划与开发小水电前提之一。运用能值分析方法,以贵州省赤水市观音岩水电站为例,将小水电建设、运行的资源投入,以及河道中水流的时空改变所导致生态服务功能的损失纳入核算体系,对其生态影响进行综合定量评估。从2010年的实际结果来看,由于河流断流,导致水坝下游生态系统服务功能的能值损失为2.77×1018sej,占到了系统建设运行总投入的44.84%,其中重点保护鱼种在影响河段的生境破坏是最大的能值损失。若不考虑下游生态系统服务功能损失,系统的环境负载率为1.92,可持续性指标为1.22;而考虑下游生态影响之后,系统环境负载率增大至4.26,可持续性指标减小为0.34。研究表明,小水电的开发必须遵循适度开发、规划优先,保障河流最基本的生态需水底线,是协调小水电开发和河流健康矛盾、追求小水电持续发展的刚性要求。