第四節 生態經濟學的能量學說

生態經濟學的能量學說深受熱力學基本定律的影響。熱力學在生態領域的復興對于生態經濟學能量學說的發展有著至關重要的推動作用。“太陽底下無新事”，世間萬物無不是物質和能量轉化的結果，雖然物質不滅，能量守恒，但有用能順著時間的方向不可逆地被消耗，這些都是能量學說最樸素的表達。

生態經濟學的能量學說源遠流長。早在19世紀末，就有學者從能量還原論的角度建立起了能量世界觀。1880年，Podolinsky進行了農業系統的能量核算，初步提出基于能量的價值理論，并對勞動力的能量本質進行了闡述（Odum, 1996）。一年之后，Sacher提出了歷史文明演化的能量決定論，并通過對當時歐洲中部地區經濟體系的能量核算說明了能量對人類歷史演化進程不可泯滅的作用（Martinez-Alier, 1987）。幾乎在同一時期，英國的生物學家Geddes提出能量是生產的基礎，并建立了社會能量觀和城市能量觀，他在后來出版的兩部著作City Development: A Study of Parks, Gardens, and Culture-Institutes（1904）和Cities in Evolution（1915）中，將生態學原理和能量分析法相結合，詳細論述了城市能量流、物質流與城市演化的關系。1886年，Boltzmann在其著作中指出生命就是不斷爭取能量的過程，并提出了社會達爾文進化論（Boltzmann, 1886）。奧地利物理學家Pfaundlerk從能量的觀點考慮地球承載力的問題，并通過對人類可利用的食物中能量的計算，求出了地球的承載能力（Odum, 1996）。1909年，Ostwald出版著作闡述了科技文化進步與能量利用和轉化的關系。他指出能量除了支持生命和經濟活動之外，還創造了文化，促使了技術的革命，能量是人類進步的動力所在（Martinez-Alier, 1987）。在這之后，Soddy（1920）提出了能量財富論，主張能量是財富本源的觀點。他認為財富是以對人類有用的形式存在的物質和能量，因此財富是一個物理學概念。他對經濟系統的貨幣提出質疑，認為“貨幣不能表達真正的財富，通貨膨脹的本質就是貨幣增長而真正的財富（能量）沒有增加”。Soddy指出，經濟學混淆了財富與債務，把賬面上的債務錯當成財富。在研究債務這個會計概念時，使用純粹的數學工具是合適的，但是研究財富這個物理概念就必須使用物理學的方法。Soddy還指出，資本主義的貨幣體系是一個與財富毫不掛鉤的獨立體系，以負債為基礎，而正是負債的利率誘使資本主義的貨幣體系無節制地擴張，導致了貨幣不斷貶值（Daly, 1980）。

生態經濟學能量學說中對人類社會經濟系統的物質能量基礎分析最為系統的非Howard T. Odum的能值理論莫屬。Odum（1971）發展和完善了系統生態學的理論和方法體系，認為人類社會經濟系統是根植于自然生態系統的子系統，社會經濟系統的商品和服務是物質和能量積累和轉化的結果。特別的，Odum認為人類社會經濟系統都是太陽能的轉化結果，因此提出了一套基于太陽能的能值核算體系并且嘗試將其應用于經濟學分析。Odum意識到能量是體現熱力學第一定律的核心概念，僅僅是“量”的度量，無法反映出能量的“品質”。因此，他希望通過能值的核算方法反映出能量的品質。能值通常指太陽能值（Solar Emergy），即內涵太陽能，以太陽能為驅動地球萬物的本源。能值本身不能代表品質，它通過能值轉化率（Emergy Transformity）（定義為生成1焦耳某種能量所需的太陽能）來衡量能量品質的高低（Ulgiati et al. , 1995; Brown and Ulgiati, 1997; Ulgiati and Brown, 1998; Brown and Buranakarn, 2003）。能值方法已經被廣泛應用到不同領域和不同尺度的系統研究中。在國家尺度，Ulgiati等（1994）利用能值分析方法對意大利的資源消耗、環境負荷和國家可持續性進行了分析；Chen等（2006）基于改進的能值生態足跡方法對中國的資源、經濟和環境進行了全面的核算和分析；Lomas等（2007）對西班牙近20年的經濟系統展開了全面的環境核算；Jiang and Chen（2011）利用能值分析方法，以中國2004年的數據為基準，詳細地列舉了中國能值核算項目。在地區和城市尺度，Odum（1971）早在20世紀70年代就結合系統生態學相關方法探討了能值方法在城市生態系統中的應用，構建了城市能量系統框架，并初步建立了城市生態經濟系統評估指標體系；Huang等（Huang et al. , 1995; Huang, 1998; Huang et al. , 2001; Huang and Hsu, 2003; Huang and Chen, 2005; Huang et al. , 2007）基于能值分析方法對臺北市城市能量系統進行了大量的研究，他們的研究進一步構建了城市能值評估框架和指標體系，探討了城市能量系統的時空演變機理，并提出了城市發展的能量學假說，該系列研究成果的發表將城市能值分析方法推向了一個比較成熟的階段；Pulselli等（2008）對意大利中部城市錫耶納開展了能值核算，并提出了熱力學地理的概念；Lei等（Lei et al. , 2008; Lei and Wang, 2008）對中國澳門進行了時間序列的能值綜合分析，并對澳門市政污染以及污染的能值轉化率進行了計算（Lei and Wang, 2008）。不少學者還對其他尺度的生態系統進行了能值分析，例如：江河大壩系統（Brown and McClanahan, 1996）、農業系統（Chen et al. , 2006; Jiang et al. , 2011; Agostinho et al. , 2008）、交通部門（Federici et al. , 2008）、人工濕地系統（Zhou et al. , 2007）、自然生態水域（Chen and Chen,2007）、牧草地系統（Zhang et al. , 2007）以及建材系統（Pulselli et al. , 2008）等。

生態經濟學對能量世界觀和能量價值觀的思索和探討從來沒有停止過，基于能量的系統評估方法也在不斷改進，內涵能（Embodied Energy）概念及其相關方法體系的建立標志著能量分析方法進入一個更為嚴謹的核算技術研究階段。Costanza于1980年在Science上發表文章，基于投入產出分析方法定義了內涵能的概念，即生產一種產品或提供一種服務所直接和間接投入的所有能量。基于美國多個部門的投入產出數據，他發現部門的經濟總量和內涵能存在密切的聯系。Judson（1989）認為內涵能概念的提出對傳統經濟學思想是一個很大的沖擊，他在文章中詳細分析了基于傳統邊際效應和基于內涵能的兩種價值的區別。投入產出方法的引入，對于解決人類社會經濟系統能量核算的重復計算問題非常有效。后來該方法被廣泛應用于分析人類社會經濟系統的各種生態要素投入，形成了諸如內涵碳排放（Embodied Carbon）、虛擬水（Virtual Water）、虛擬土地（Virtual Land）等概念。這些概念與本書所討論的內容無太大關系，不在此詳述。

能值分析和能量分析、內涵能分析一樣都是基于能量的概念。由熱力學第一定律可知能量是守恒的，能量的大小不能表達品質，簡單地將不同形式和不同路徑的能耗相加常常會引致比現實更樂觀的結果，從而掩蓋了現實中資源稀缺和系統低效的事實。理論上說，任何事物都不可能“消耗”能量，也就無法“內涵”能量，當然也不能內涵太陽能，因為能量永遠在被循環使用，從來不會被消耗。Odum（1996）晚年也意識到這點，并開始強調“有用能”的概念，但是在他有生之年沒來得及對能值體系進行重構（Chen, 2006）。

1994年，Goodstein（1994）在Nature上發表文章預言，在全球范圍內能源（特別是化石燃料）日漸枯竭的情況下，熱力學第二定律將成為21世紀最重要的定律。由熱力學第二定律可知，能量雖然守恒，但是其品質和可用性在不可逆過程中不斷降低。能夠描述能量品質的可耗竭性的概念便是本書中的核心概念“”。概念由Rant于1956年提出，被定義為系統相對于參考環境在可逆過程中所具有的最大做功能力，也就是有用能（Available Energy）的概念。系統的做功能力由系統與參考環境的相關物理和化學參量的梯度（強度量的差異）決定，便是能統一描述這些差異的概念（Wall, 1977），它是體現熱力學第二定律的核心概念，是能量“量”和“質”兩個屬性的統一，是維持系統運轉并在這個過程中真正被消耗的東西。因此，才是人類經濟活動的真正動力和財富（Szargut, 2003; Chen, 2005、2006; Ji and Chen, 2006）。

分析方法最初應用于熱力學和熱經濟學系統。隨著全球能源耗竭、資源短缺和環境衰退等問題的日益嚴峻，分析方法引起了生態學、社會學以及經濟學方面眾多學者的注意。與傳統能量分析方法相比，分析方法能更真實地反映由不可逆過程所導致的系統內部耗損，使社會經濟系統能耗效率的計算更為科學，因此分析方法被廣泛應用于各經濟部分的效率分析之中，如工業（Utlu and Hepbasli, 2007a）、交通（Dincer et al. , 2004a; Ji and Chen, 2006;Saidur et al. , 2007; Koroneos and Nanaki, 2008）、商業（Utlu and Hepbasli, 2007b; Saidur et al. , 2007）以及公共事業部門（Dincer, et al. , 2004b）等。在國家尺度，Reistad（1975）最早將分析方法應用于國家社會經濟系統能源消耗的核算和評估中。在這之后，Wall（1987）以瑞典為研究對象構建了社會的核算框架和方法體系，Wall的社會核算方法很快被應用到對其他國家的研究中，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（Ertesv?g and Mielnik, 2000）、英國（Hammond and Stapleton, 2001）、美國（Ayres et al. , 2003）以及中國（Chen et al. , 2006; Chen and Chen，2007a、2007b、2007c、2007d、2007e）等。Wall所構建的社會分析框架將社會經濟系統視為黑箱，只關注社會經濟系統邊界的資源流，并不分析系統內部的資源流動網絡，是一種截面分析方法。Chen和Qi（2007）將社會核算從截面層次深入系統層次，并以中國為例，將中國分為采掘、農業、加工、工業、服務業、交通和居民7個子系統（部門），對7個部門之間的流網絡進行了核算，構建了社會系統核算方法框架。自然生態系統領域的方法研究和應用以J?rgensen等人多年的工作最具代表性（J?rgensen, 1988、1992a、1992b、1995、2000、2001; J?rgensen et al. , 1995、2002a、2002b、2002c; Xu, 1997; Xu et al. , 1999、2001、2002、2004）。在他們的研究中，被定義為系統內部的生物化學能和生物有機體基因所包含的信息。為了和傳統的概念加以區分，J?rgensen教授在其最近的研究中將這種定義為“生態”（Susani et al. , 2006;J?rgensen, 2007a、2007b; J?rgensen and Nielsen, 2007）。

近年來，隨著環境污染的不斷加重，作為“資源”、“緩沖能力”和“環境影響”三位一體的角色（Chen, 2005），不僅在資源核算和評估中越來越受重視，而且作為衡量污染物環境影響的指標也引起諸多學者的關注（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）多次闡述了和環境影響的關系，并且指出對可持續性分析有著重要的意義。Daniel和Rosen（2002）指出廢棄物由于和環境處于不平衡的狀態而具有潛在的環境影響力，這種潛在影響力的大小即為廢棄物中所包含的的多少，是使這些廢棄物和環境達到平衡所需投入代價的函數。Ulgiati等（1995）以及Creyts和Carey（1997）都極力主張將作為統一衡量各項污染物的指標，并且提出了兩種計算污染物潛在環境影響的方法：一種是直接計算污染物中的量，用以代表污染物和環境的偏離；另一種是通過計算處理這些污染物所需投入的量來間接表達污染物可能造成的環境損害。還有不少學者建立了基于的生命周期評價，并用統一衡量生命周期中總的環境影響（Ayres et al. , 1998; Cornelissen and Hirs, 1999）。Daniel和Rosen（2002）用評估了13種交通工具生命周期的總環境影響。對水體污染物進行分析并構建基于的水質評價方法是近年來一些新的努力（Chen and Ji, 2007; Huang et al. , 2007）。

積累概念由Szargut（1978、1986）提出。他認為人類活動能夠進行并得以維系的前提是那些物理屬性和化學成分跟環境形成梯度的自然資源。積累是基于地礦尺度的一個概念，對一項產品或服務而言，其生產或形成過程涉及很多環節，積累指的是所有這些環節中消耗的化石燃料的總和。后來，他將不可更新自然資源的消耗作為生態成本的度量（Szargut et al. , 2002）。這種考慮整個生產過程中自然物理投入的方式對于評估形成一種產品或服務的總體代價具有非常重要的現實意義。同時，還可以通過比較不同方法生產同一產品所需要累積消耗的化石燃料的量來優化工業過程設計，如確定新的生產方法是否較優，或將某一廢物加以利用是否合算等。許多學者已經將積累方法應用到新型燃料產業鏈的分析中（Graboski, 2002; Yang et al. , 2007）。然而積累的概念以地礦尺度為基準，主要著眼于驅動工業文明的化石燃料和礦石等不可更新資源，具有一定的局限性。

擴展概念由Sciubba（2003）提出。擴展，顧名思義，即對原有概念的擴展。Sciubba希望通過將人類勞動和貨幣折算成，與資源一同納入社會經濟核算體系，構建更為全面的社會核算體系。該概念被提出后，Sciubba等人在很多領域做了推廣，如熱力系統效率分析（Sciubba, 2001）、電廠的改進（Corrado et al. , 2006; Tijani, 2007）、廢棄物循環（Sciubba, 2003）、城市復雜系統分析（Sciubba et al. , 2008）以及國家社會經濟核算（Ertesv?g, 2005; Ptasinski et al. , 2006）等。然而，擴展將人類勞動和貨幣折算成的方式具有嚴重的重復計算問題，這個缺陷使得擴展概念難以被其他學者接受。

在系統生態層面，物質流、能量流和信息流的相互轉化作用呈現出各種多尺度特征。Szargut的積累理論和Odum的太陽能值理論分別立足于地球地礦資源尺度和太陽系尺度。基于現代熱力學，通過輻射場與連續介質場耦合不可逆過程的分析，Chen（2005、2006）提出了系統生態學的多尺度值理論。值理論表明，地球生態系統賴以生存的動力并非通常所認為的太陽能，而是宇宙，即地球作為輻射熱機的做功能力，其高溫熱源為太陽輻射，低溫熱源為宇宙微波背景輻射。地球上一切生物物理現象和行為都是以宇宙的消耗為支撐的，如大氣的運動、水文的循環、生物圈的物質代謝等。宇宙才是真正稀缺的資源，Chen（2005）已經通過對地球熱力系統的科學計算確證了宇宙相對于人類經濟規模的稀缺性。作為能值理論和積累方法的統籌和提升，值理論在一定程度上克服了這些理論的局限性。首先，以不斷消耗的宇宙而不是太陽能作為地球生態系統的動力根源，更成功地解釋了人類作用引發的全球生態危機；其次，利用值轉化率將自然資源（包括可更新和不可更新的資源）的貢獻和社會經濟產品和服務的貢獻統一衡量，改進了僅僅考慮地礦尺度的積累方法，能更全面地從不同的層次探討全球經濟對自然生態系統的依存性以及人類活動所必然受到的熱力學限制。值理論已逐漸被應用于不同尺度的宏觀經濟系統的研究中。