天池博格达峰自然保护区生态系统能值分析

徐柱

【摘 要】当前，随着气候变化和人为活动的加剧，生态系统的能量传递受到了巨大的影响。生态系统能值的变化可能会导致生态系统功能下降或丧失，从而出现严重的生态恶化。本文以能值理论为基础，天池博格达峰自然保护区生态系统为研究对象，对林区系统生态能流进行分析，以期揭示保护区生态系统的能流状态。

【关键词】能值分析；生态系统；林区
1 概述

人类赖以生存的生物圈可以看作是一个由许多相互作用和相互关联的组成部分组成的地球系统，包括矿物、土地、动植物资源、海洋、人类社会，人类经济系统的运行依赖于自然系统提供的能量和物质，生产和消费过程中产生的废物也依赖于自然的自净能力被吸收。人类致力于经济和工业发展，忽视了自然对人类社会的作用。这使人们认为经济发展与资源环境保护是对立的，造成这种对立的主要原因是对自然资源的评价方式不同，经济学家可以通过对自然资源的商品化来衡量自然资源的价值，生态学家可以依靠对生态系统的重要性来判断^[1]。

从生态经济学和系统生态学衍生出来的新的科学概念和度量尺度——能值^[2]，给我们提供了度量自然资源对经济发展和生态环境真实贡献的标准。商品、环境资源、科技等，都可用能值来度量其价值；各种形式与不同类别的能量经换算为同一标准的能值后，均可进行比较研究。利用能值分析理论和思维，把人类社会经济系统与生态环境系统紧密地联系和统起来，准确分析人类经济活动与自然生态系统的真实价值，有助于理解经济发展与生态环境的关系，科学地对自然资源的科学评估与合理利用，虽然该方法理论出现时间不长，但是已被许多国家经济学界和生态学界采用^[3]。

2 能值的概念和基本原理

能值不同与能量，其英文带有一个字母“m”，其由H.T.Odum创立，是一个经过长期发展出来的重要度量标准和科学概念，20世纪80年代后期才开始广泛使用。H.T.Odum将能值定义为：储存或流动的能量的数量称为能值。并一步解释能值为：能值是劳务或产品形成过程中直接或间接投人应用的一种有效能总量。生态系统是一种特殊的能量等级系统，有独特的能量传递方式，能量在食物链或食物网中转化、传递的每一过程中，根据热力学第二定律，有许多能量将会耗散流失。因此，随着能量从低等级转化为较高等级，再传递、转化为更高等级能量，在能量递减的同时，也伴随着能值能级的提高。在实际应用中，以“太阳能值”来衡量某一能量的能值，任何储存或流动的能量所包含的太阳能量，即是该能量的太阳能值。任何能量均来源于太阳能，所以可以以太阳能值为标准，衡量任何类别的能量，其单位是太阳能焦耳。

3林区生态系统能值分析

生态系统能流分析框架图

项目	能量流（J/a）	能值转换率	太阳能值（sej）	所占比重
输入能流
太阳辐射	5.151018	1	5.151018	0.93
雨雪水势能	2.891015	8.89103	2.571019	4.66
雨水雪化学能	0.971015	1.54104	1.491019	2.70
地热能	1.221015	6.06103	7.391018	1.34
小计	-	-	5.311019	9.64
滞留能流
土壤形成	1.111015	1.70104	1.891019	3.43
山地草甸	2.801015	2.61104	7.311019	13.27
活立木	5.191014	3.49104	1.811019	3.28
其他林分	1.191014	3.05104	3.631018	0.66
小计	-	-	1.141020	20.69
输出能流
土壤流失	1.711015	7.40104	1.271020	23.05
河流势能	5.301015	3.00104	1.591020	28.86
河流化学能	2.391015	4.10104	9.801019	17.79
小计	-	-	3.841020	69.69
总计	-	-	5.511020	100

输入能流是生态系统得以维持和发展的主要驱动力，包括人工能流和自然能流。这些能流不但能促进生态系统成分的新陈代谢，其中一部分还能滞留在生态系统中，使系统进一步向稳定化方向发展。但是输入能流并不完全都是有益的，其中也存在干扰能流，如破坏性的开发活动、自然输入能流的负面波动（如泥石流、大风、洪水等自然灾害）。保护区的输入能流中，自然能流主要包括太阳辐射、雨水势能、雨水化学能和地热能。从能量流的大小来看，太阳辐射的能量流最高，说明太阳辐射是保护区生主要的能量输入来源，其能量值大约为5.1510¹⁸ J/a，第二大的能量输入来源于雨水，雨水包含的雨水势能和雨雪水化学能分别为2.8910¹⁵ J/a和0.9710¹⁵ J/a，雨雪水的势能来自于水滴和雪的自身重力，化学能来自于水滴和雪中包含的化学能。最小的能量输入是地热能，地热透过熔岩和地下水的流动涌至地壳，热力被转送邻近地面的地方，最终成为输入保护区的能量来源之一，其数值大约为1.2210¹⁵ J/a。但从能值品质高低的角度来看，雨水势能的能值最高，而太阳辐射的能值最低，能值转化率仅为1。

滞留能流是指输入能流进入生态系统后，转化为生态系统组分的一部分，停留在生态系统中。滞留能流在系统中一般是通过土壤的形成和植物的生长来实现的。林区的滞留能流共有4部分组成，分别为土壤形成、山地草甸、活立木和其它林分。其中最大的储能场所为山地草甸，其储存的能值为2.8010¹⁵ J/a，相当于吸收了7.3110¹⁹ J/a的太阳能量，说明山地草甸吸收并储存的能量值最多，是由于其生长量较大且其面积占到了林区的85%以上，是面积最大的土地覆被类型。其次，土壤形成是滞留能流的第二大储能场所，其能量流约为2.8010¹⁵ J/a，相当于吸收了1.8910¹⁹ J/a的太阳能量，土壤形成的速度约为每年0.2 mm，林区每年土壤形成而储存的能量仅次于山地草甸。活立木和其他林分每年的滞留能流量比以上两类少一个数量级，分别为5.1910¹⁴ J/a和1.1910¹⁴ J/a，但换算后的太阳能值与土壤形成的相当，说明活立木和其他林分的能量品质较高。

能流的输出是生态系统得以稳定的必要条件。输出能流一般包括生态系统的组分流失（如水土流失）和物质产出（如粮食的收获）。保护区的输出能流主要为土壤流失、河流势能和河流化学能。其中河流势能的能量流最大，其主要来自于保护区内河流的重力势能，由于流出林区的河流的流量很大，故河流的重力势能是输出能值最大的一块。其次是河流的化学能，河流的化学能是河水里固体物质所具有的化学能，其能量大小仅次于河流的重力势能，而输出能总量最小的是土壤流失的能量。

4 结论

天池博格达峰自然保护区生生态系统滞留能流小于输出能流，说明生态系统存在退化的趋势。在今后林区生态环境保护中，应重视植被的保护，从而提高山地草甸、活立木等的滞留能流，同时减小土壤流失、河流化学能的输出能流（因水土流失造成）。

参考文献

[1]焦士兴,崔思静,王安周,刘洪妍,刘亚奇,尹义星,赵荣钦.基于能值理论的河南省农业生态系统评价[J].地域研究与开发,2021,40(02):135-139.

[2]陆宏芳,沈善瑞,陈洁,蓝盛芳.生态经济系统的一种整合评价方法:能值理论与分析方法[J].生态环境,2005(01):121-126.

[3]蓝盛芳,钦佩.生态系统的能值分析[J].应用生态学报,2001(01):129-131.