第四节 生态经济学的能量学说

生态经济学的能量学说深受热力学基本定律的影响。热力学在生态领域的复兴对于生态经济学能量学说的发展有着至关重要的推动作用。“太阳底下无新事”，世间万物无不是物质和能量转化的结果，虽然物质不灭，能量守恒，但有用能顺着时间的方向不可逆地被消耗，这些都是能量学说最朴素的表达。

生态经济学的能量学说源远流长。早在19世纪末，就有学者从能量还原论的角度建立起了能量世界观。1880年，Podolinsky进行了农业系统的能量核算，初步提出基于能量的价值理论，并对劳动力的能量本质进行了阐述（Odum, 1996）。一年之后，Sacher提出了历史文明演化的能量决定论，并通过对当时欧洲中部地区经济体系的能量核算说明了能量对人类历史演化进程不可泯灭的作用（Martinez-Alier, 1987）。几乎在同一时期，英国的生物学家Geddes提出能量是生产的基础，并建立了社会能量观和城市能量观，他在后来出版的两部著作City Development: A Study of Parks, Gardens, and Culture-Institutes（1904）和Cities in Evolution（1915）中，将生态学原理和能量分析法相结合，详细论述了城市能量流、物质流与城市演化的关系。1886年，Boltzmann在其著作中指出生命就是不断争取能量的过程，并提出了社会达尔文进化论（Boltzmann, 1886）。奥地利物理学家Pfaundlerk从能量的观点考虑地球承载力的问题，并通过对人类可利用的食物中能量的计算，求出了地球的承载能力（Odum, 1996）。1909年，Ostwald出版著作阐述了科技文化进步与能量利用和转化的关系。他指出能量除了支持生命和经济活动之外，还创造了文化，促使了技术的革命，能量是人类进步的动力所在（Martinez-Alier, 1987）。在这之后，Soddy（1920）提出了能量财富论，主张能量是财富本源的观点。他认为财富是以对人类有用的形式存在的物质和能量，因此财富是一个物理学概念。他对经济系统的货币提出质疑，认为“货币不能表达真正的财富，通货膨胀的本质就是货币增长而真正的财富（能量）没有增加”。Soddy指出，经济学混淆了财富与债务，把账面上的债务错当成财富。在研究债务这个会计概念时，使用纯粹的数学工具是合适的，但是研究财富这个物理概念就必须使用物理学的方法。Soddy还指出，资本主义的货币体系是一个与财富毫不挂钩的独立体系，以负债为基础，而正是负债的利率诱使资本主义的货币体系无节制地扩张，导致了货币不断贬值（Daly, 1980）。

生态经济学能量学说中对人类社会经济系统的物质能量基础分析最为系统的非Howard T. Odum的能值理论莫属。Odum（1971）发展和完善了系统生态学的理论和方法体系，认为人类社会经济系统是根植于自然生态系统的子系统，社会经济系统的商品和服务是物质和能量积累和转化的结果。特别的，Odum认为人类社会经济系统都是太阳能的转化结果，因此提出了一套基于太阳能的能值核算体系并且尝试将其应用于经济学分析。Odum意识到能量是体现热力学第一定律的核心概念，仅仅是“量”的度量，无法反映出能量的“品质”。因此，他希望通过能值的核算方法反映出能量的品质。能值通常指太阳能值（Solar Emergy），即内涵太阳能，以太阳能为驱动地球万物的本源。能值本身不能代表品质，它通过能值转化率（Emergy Transformity）（定义为生成1焦耳某种能量所需的太阳能）来衡量能量品质的高低（Ulgiati et al. , 1995; Brown and Ulgiati, 1997; Ulgiati and Brown, 1998; Brown and Buranakarn, 2003）。能值方法已经被广泛应用到不同领域和不同尺度的系统研究中。在国家尺度，Ulgiati等（1994）利用能值分析方法对意大利的资源消耗、环境负荷和国家可持续性进行了分析；Chen等（2006）基于改进的能值生态足迹方法对中国的资源、经济和环境进行了全面的核算和分析；Lomas等（2007）对西班牙近20年的经济系统展开了全面的环境核算；Jiang and Chen（2011）利用能值分析方法，以中国2004年的数据为基准，详细地列举了中国能值核算项目。在地区和城市尺度，Odum（1971）早在20世纪70年代就结合系统生态学相关方法探讨了能值方法在城市生态系统中的应用，构建了城市能量系统框架，并初步建立了城市生态经济系统评估指标体系；Huang等（Huang et al. , 1995; Huang, 1998; Huang et al. , 2001; Huang and Hsu, 2003; Huang and Chen, 2005; Huang et al. , 2007）基于能值分析方法对台北市城市能量系统进行了大量的研究，他们的研究进一步构建了城市能值评估框架和指标体系，探讨了城市能量系统的时空演变机理，并提出了城市发展的能量学假说，该系列研究成果的发表将城市能值分析方法推向了一个比较成熟的阶段；Pulselli等（2008）对意大利中部城市锡耶纳开展了能值核算，并提出了热力学地理的概念；Lei等（Lei et al. , 2008; Lei and Wang, 2008）对中国澳门进行了时间序列的能值综合分析，并对澳门市政污染以及污染的能值转化率进行了计算（Lei and Wang, 2008）。不少学者还对其他尺度的生态系统进行了能值分析，例如：江河大坝系统（Brown and McClanahan, 1996）、农业系统（Chen et al. , 2006; Jiang et al. , 2011; Agostinho et al. , 2008）、交通部门（Federici et al. , 2008）、人工湿地系统（Zhou et al. , 2007）、自然生态水域（Chen and Chen,2007）、牧草地系统（Zhang et al. , 2007）以及建材系统（Pulselli et al. , 2008）等。

生态经济学对能量世界观和能量价值观的思索和探讨从来没有停止过，基于能量的系统评估方法也在不断改进，内涵能（Embodied Energy）概念及其相关方法体系的建立标志着能量分析方法进入一个更为严谨的核算技术研究阶段。Costanza于1980年在Science上发表文章，基于投入产出分析方法定义了内涵能的概念，即生产一种产品或提供一种服务所直接和间接投入的所有能量。基于美国多个部门的投入产出数据，他发现部门的经济总量和内涵能存在密切的联系。Judson（1989）认为内涵能概念的提出对传统经济学思想是一个很大的冲击，他在文章中详细分析了基于传统边际效应和基于内涵能的两种价值的区别。投入产出方法的引入，对于解决人类社会经济系统能量核算的重复计算问题非常有效。后来该方法被广泛应用于分析人类社会经济系统的各种生态要素投入，形成了诸如内涵碳排放（Embodied Carbon）、虚拟水（Virtual Water）、虚拟土地（Virtual Land）等概念。这些概念与本书所讨论的内容无太大关系，不在此详述。

能值分析和能量分析、内涵能分析一样都是基于能量的概念。由热力学第一定律可知能量是守恒的，能量的大小不能表达品质，简单地将不同形式和不同路径的能耗相加常常会引致比现实更乐观的结果，从而掩盖了现实中资源稀缺和系统低效的事实。理论上说，任何事物都不可能“消耗”能量，也就无法“内涵”能量，当然也不能内涵太阳能，因为能量永远在被循环使用，从来不会被消耗。Odum（1996）晚年也意识到这点，并开始强调“有用能”的概念，但是在他有生之年没来得及对能值体系进行重构（Chen, 2006）。

1994年，Goodstein（1994）在Nature上发表文章预言，在全球范围内能源（特别是化石燃料）日渐枯竭的情况下，热力学第二定律将成为21世纪最重要的定律。由热力学第二定律可知，能量虽然守恒，但是其品质和可用性在不可逆过程中不断降低。能够描述能量品质的可耗竭性的概念便是本书中的核心概念“”。概念由Rant于1956年提出，被定义为系统相对于参考环境在可逆过程中所具有的最大做功能力，也就是有用能（Available Energy）的概念。系统的做功能力由系统与参考环境的相关物理和化学参量的梯度（强度量的差异）决定，便是能统一描述这些差异的概念（Wall, 1977），它是体现热力学第二定律的核心概念，是能量“量”和“质”两个属性的统一，是维持系统运转并在这个过程中真正被消耗的东西。因此，才是人类经济活动的真正动力和财富（Szargut, 2003; Chen, 2005、2006; Ji and Chen, 2006）。

分析方法最初应用于热力学和热经济学系统。随着全球能源耗竭、资源短缺和环境衰退等问题的日益严峻，分析方法引起了生态学、社会学以及经济学方面众多学者的注意。与传统能量分析方法相比，分析方法能更真实地反映由不可逆过程所导致的系统内部耗损，使社会经济系统能耗效率的计算更为科学，因此分析方法被广泛应用于各经济部分的效率分析之中，如工业（Utlu and Hepbasli, 2007a）、交通（Dincer et al. , 2004a; Ji and Chen, 2006;Saidur et al. , 2007; Koroneos and Nanaki, 2008）、商业（Utlu and Hepbasli, 2007b; Saidur et al. , 2007）以及公共事业部门（Dincer, et al. , 2004b）等。在国家尺度，Reistad（1975）最早将分析方法应用于国家社会经济系统能源消耗的核算和评估中。在这之后，Wall（1987）以瑞典为研究对象构建了社会的核算框架和方法体系，Wall的社会核算方法很快被应用到对其他国家的研究中，例如日本（Wall, 1990）、加拿大（Rosen, 1992）、意大利（Wall et al. , 1994）、土耳其（Rosen and Dincer, 1997a）、挪威（Ertesvåg and Mielnik, 2000）、英国（Hammond and Stapleton, 2001）、美国（Ayres et al. , 2003）以及中国（Chen et al. , 2006; Chen and Chen，2007a、2007b、2007c、2007d、2007e）等。Wall所构建的社会分析框架将社会经济系统视为黑箱，只关注社会经济系统边界的资源流，并不分析系统内部的资源流动网络，是一种截面分析方法。Chen和Qi（2007）将社会核算从截面层次深入系统层次，并以中国为例，将中国分为采掘、农业、加工、工业、服务业、交通和居民7个子系统（部门），对7个部门之间的流网络进行了核算，构建了社会系统核算方法框架。自然生态系统领域的方法研究和应用以Jørgensen等人多年的工作最具代表性（Jørgensen, 1988、1992a、1992b、1995、2000、2001; Jørgensen et al. , 1995、2002a、2002b、2002c; Xu, 1997; Xu et al. , 1999、2001、2002、2004）。在他们的研究中，被定义为系统内部的生物化学能和生物有机体基因所包含的信息。为了和传统的概念加以区分，Jørgensen教授在其最近的研究中将这种定义为“生态”（Susani et al. , 2006;Jørgensen, 2007a、2007b; Jørgensen and Nielsen, 2007）。

近年来，随着环境污染的不断加重，作为“资源”、“缓冲能力”和“环境影响”三位一体的角色（Chen, 2005），不仅在资源核算和评估中越来越受重视，而且作为衡量污染物环境影响的指标也引起诸多学者的关注（Rosen and Dincer, 1997b、1999、2001;Sciubba, 2001; Wall and Gong, 2001; Gong and Wall, 2001;Dincer, 2002; Daniel and Rosen, 2002; Sciubba, 2003）。Rosen和Dincer（Rosen and Dincer, 1997b、1999、2001、2003; Dincer, 2000、2002; Dincer and Rosen, 1998、2005）多次阐述了和环境影响的关系，并且指出对可持续性分析有着重要的意义。Daniel和Rosen（2002）指出废弃物由于和环境处于不平衡的状态而具有潜在的环境影响力，这种潜在影响力的大小即为废弃物中所包含的的多少，是使这些废弃物和环境达到平衡所需投入代价的函数。Ulgiati等（1995）以及Creyts和Carey（1997）都极力主张将作为统一衡量各项污染物的指标，并且提出了两种计算污染物潜在环境影响的方法：一种是直接计算污染物中的量，用以代表污染物和环境的偏离；另一种是通过计算处理这些污染物所需投入的量来间接表达污染物可能造成的环境损害。还有不少学者建立了基于的生命周期评价，并用统一衡量生命周期中总的环境影响（Ayres et al. , 1998; Cornelissen and Hirs, 1999）。Daniel和Rosen（2002）用评估了13种交通工具生命周期的总环境影响。对水体污染物进行分析并构建基于的水质评价方法是近年来一些新的努力（Chen and Ji, 2007; Huang et al. , 2007）。

积累概念由Szargut（1978、1986）提出。他认为人类活动能够进行并得以维系的前提是那些物理属性和化学成分跟环境形成梯度的自然资源。积累是基于地矿尺度的一个概念，对一项产品或服务而言，其生产或形成过程涉及很多环节，积累指的是所有这些环节中消耗的化石燃料的总和。后来，他将不可更新自然资源的消耗作为生态成本的度量（Szargut et al. , 2002）。这种考虑整个生产过程中自然物理投入的方式对于评估形成一种产品或服务的总体代价具有非常重要的现实意义。同时，还可以通过比较不同方法生产同一产品所需要累积消耗的化石燃料的量来优化工业过程设计，如确定新的生产方法是否较优，或将某一废物加以利用是否合算等。许多学者已经将积累方法应用到新型燃料产业链的分析中（Graboski, 2002; Yang et al. , 2007）。然而积累的概念以地矿尺度为基准，主要着眼于驱动工业文明的化石燃料和矿石等不可更新资源，具有一定的局限性。

扩展概念由Sciubba（2003）提出。扩展，顾名思义，即对原有概念的扩展。Sciubba希望通过将人类劳动和货币折算成，与资源一同纳入社会经济核算体系，构建更为全面的社会核算体系。该概念被提出后，Sciubba等人在很多领域做了推广，如热力系统效率分析（Sciubba, 2001）、电厂的改进（Corrado et al. , 2006; Tijani, 2007）、废弃物循环（Sciubba, 2003）、城市复杂系统分析（Sciubba et al. , 2008）以及国家社会经济核算（Ertesvåg, 2005; Ptasinski et al. , 2006）等。然而，扩展将人类劳动和货币折算成的方式具有严重的重复计算问题，这个缺陷使得扩展概念难以被其他学者接受。

在系统生态层面，物质流、能量流和信息流的相互转化作用呈现出各种多尺度特征。Szargut的积累理论和Odum的太阳能值理论分别立足于地球地矿资源尺度和太阳系尺度。基于现代热力学，通过辐射场与连续介质场耦合不可逆过程的分析，Chen（2005、2006）提出了系统生态学的多尺度值理论。值理论表明，地球生态系统赖以生存的动力并非通常所认为的太阳能，而是宇宙，即地球作为辐射热机的做功能力，其高温热源为太阳辐射，低温热源为宇宙微波背景辐射。地球上一切生物物理现象和行为都是以宇宙的消耗为支撑的，如大气的运动、水文的循环、生物圈的物质代谢等。宇宙才是真正稀缺的资源，Chen（2005）已经通过对地球热力系统的科学计算确证了宇宙相对于人类经济规模的稀缺性。作为能值理论和积累方法的统筹和提升，值理论在一定程度上克服了这些理论的局限性。首先，以不断消耗的宇宙而不是太阳能作为地球生态系统的动力根源，更成功地解释了人类作用引发的全球生态危机；其次，利用值转化率将自然资源（包括可更新和不可更新的资源）的贡献和社会经济产品和服务的贡献统一衡量，改进了仅仅考虑地矿尺度的积累方法，能更全面地从不同的层次探讨全球经济对自然生态系统的依存性以及人类活动所必然受到的热力学限制。值理论已逐渐被应用于不同尺度的宏观经济系统的研究中。