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港口作为海运的起点、终点和集散中心，是支撑经济发展的重要基础设施，在中国现代化进程中发挥着巨大作用[1]。随着全球经济一体化的发展和深化，为适应世界经济和国际贸易发展潮流，中国的大、中型港口日益走向船舶的大型化、海港的深水化、泊位的专业化，使地方性的批量小、航线短、频率大的货流不能通过大、中型港口运输，在大、中型港口的周围逐渐形成了环形海运物流服务空白区，这在客观上要求地方小型港口填补这一空白。随着中国经济进入新常态，大量的物流方向由外贸转向内需，也为小型港口的发展提供了良好的历史性机遇和现实基础。因此，近几年来中国沿海地区新建许多地方性小型港口，在服务地方经济发展、招商引资和承接相关产业转移等方面起到了重要作用。随着开发活动的加剧，这些小型港口区域逐渐成为人类活动与自然环境直接冲突的典型区域，其生态经济系统的可持续发展程度和能力将对沿海地区的社会、经济和生态环境产生深远影响。虽然中国的相关法律法规要求对港口规划进行环境影响评价，但是目前的评价方法仅限于工程建设和港口运营对当地环境影响的定性评价，缺乏对整个港口生态经济系统的可持续发展能力的定量评价方法，无法客观评估社会、经济和生态环境资源的真实价值及其密切关系。因此，有必要研究和提出针对小型港口生态系统可持续性能力的评价模型和指标体系，为中国港口开发和海岸带管理提供科学参考和决策依据。
上世纪80年代以来，以能量分析、能值分析和生态足迹等为代表的生态热力学方法的出现，为区域可持续发展定量评估提供了理论支持。其中，美国著名生态学家H.T.Odum以生态热力学方法为基础提出的能值分析法，为不同尺度的区域可持续性评价提供了一系列有效而实用的指标，被广泛应用于分析全球[2]、国家[3]、地区和城市[4]等不同尺度宏观生态经济系统，也有研究表明[5]该方法可以被应用于沿海地区的人工生态系统分析。本文尝试基于能值分析构建具有实用性和可操作性的小型港口可持续发展评价体系，以2015年为基准年对山东省烟台市海阳港的生态经济系统特征和可持续性进行了评价，并依据评价结果找出该小型港口在发展过程中存在的问题，为未来港口发展和管理提供科学参考和决策依据。
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能值分析是以能值为基准，把生态系统中不同种类、不可比较的能量转换成同一标准的能值来衡量和分析，进而对各种生态流，如能物流、货币流、人口流和信息流等综合分析，通过构建能值指标评价自然生态系统、以人类为主导的生态系统以及人工生态系统中自然环境、经济效益的可持续性[6-8]。能值可以定义为：生态系统中流动或储存的能量所包含太阳能的数量，单位是太阳能焦耳(solar emergy joule，简写为sej)[9]。能值分析过程中常用能值转换率作为各能量或物质的转换单位，能值转化率是指每单位的某类能量或物质所含太阳能焦耳的数量，单位为sej/J或sej/g，可用于区分能量等级系统中不同类别能量的能质，其表达式为：A种能量(或物质)的太阳能值转换率/[sej/J(A)]=形成l J的A种能量(或物质)应用的太阳能焦耳。能值分析统一了能量流、物质流和货币流的量化指标，以能值为量纲作定量分析研究，是生态学和经济学交叉联系的纽带。
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能值分析方法因研究对象、研究类型和研究尺度的差异而有所不同。本文在参考蓝盛芳等人对能值分析方法总结[10]的基础上，结合港口生态经济系统的特点，增加了“集疏运稳定性”、“单位吞吐量能源消耗”和“能值生态承载力”3个能值评价指标，构成新的能值评价指标体系(见表 1)后，采用4个步骤进行分析：(1)资料收集与分析，收集研究对象的自然环境、社会资源以及经济活动等资料，并进行归类、整理和存储。(2)能量系统图绘制，确定所研究系统的外部边界和内部组成，分析能物流与货币流的流向，利用各种“能量语言”符号绘制能量系统图，标注出研究系统的主要能流。(3)编制能值分析表和数据计算，列出研究系统的主要输入项目，根据能值计算公式，求出各流量的原始数据，再通过与相应的太阳能值转换率相乘，将不同量纲的原始数据转换成共同的能值单位。(4)构建能值评价指标体系对系统进行分析和对比，进而进行系统发展评价和策略分析。
表 1 小型港口发展可持续性能值评价指标体系
Table 1. Emergy indexes for the sustainability evaluation of small local port
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能值分析侧重环境对港口生态经济系统的支持和影响，经济分析侧重市场对港口的影响。为综合反映港口生态系统提供环境资源的价值和港口经济系统的发展情况及二者间密切的关系，根据小型港口生态经济系统的特点，在传统的能值指标基础上，增补了“集疏运稳定性”和“单位吞吐量能源消耗”两个新型能值评价指标，建立了如表 1所示的能值评价指标体系，以便更全面、更具针对性地衡量港口的能值输入结构、生产效率、环境影响、经济可行性与可持续发展能力。
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海阳港隶属于山东省烟台市，位于胶东半岛南岸，乳山口与丁字河口之间，海阳市凤城镇南海滨老龙头岩礁西侧，海阳港口东临乳山口和山东高角，西南侧紧靠青岛崂山湾，地理坐标为121°14′05.4″E，36°40′40.2″N(地理位置见图 1)。该港口拥有泊位5个，年设计吞吐量180万t，以散、杂货运输为主，兼顾集装箱喂给和支线运输，以内贸货物为主，外贸为辅，货物进港量大于出港量，是典型的地方小型港口。
图 1 研究对象地理位置
Figure 1. Location of the marinas
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本研究通过实地调研和资料收集获取所需的原始数据，海阳港的气象数据、港口建设及营运数据等来源于《海阳市统计年鉴》(2016年)、《烟台市统计年鉴》(2016年)、《烟台海阳港口总体规划》、《中国港口统计年鉴》(2016年)、《中华人民共和国港口收费规则》(内贸部分和外贸部分)，经营财务收支资料来源于实地调研。各类输入物质、能量的能值转换率主要来自H.T.Odum及国内外其他学者的文献，并换算成以统一的全球能值基准线为基础的太阳能值转换率，能值货币比率依照所搜集的资料选择相关参数。
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在分析海阳港生态经系统的主要组分及其相互关系，以及能量流、物质流和货币流的基础上，运用H.T.Odum创立的能量系统模型符号，绘制出海阳港的能值系统概图(见图 2)。
图 2 海阳港能值系统概图
Figure 2. The general energy system diagram of Haiyang port
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按照小型港口生态经济系统特征，将输入能值U划分为：可更新自然资源R1、不可更新自然资源N1、不可更新工业辅助能N2、可更新有机能R2和其他投资和服务能值F′共6类；系统的能值输出O划分为：废物排放EW和港口吞吐量Y。其中，R1与R2之和为输入系统的可更新资源R，N1与N2之和为输入系统的不可更新资源N，R1与N1构成环境资源总投入I，R2、N2和F′构成反馈能值投入F，港口输入能值总量U等于I与F之和。
本文采用15.83×1024 sej/a的全球能值基准值，将人的劳务纳入到计算过程，归入进口能值项。在梳理了海阳港基准年的能值系统结构后，根据文献中查找到的能值转换率，利用收集到的资料，编制能值投入计算表(表 2)和能值产出计算表(表 3)。
表 2 能值投入计算表
Table 2. Input emergy computation
表 3 能值产出计算表
Table 3. Emergy yield computation
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根据能值投入与能值产出计算结果(表 2和表 3)，采用表 1中的公式，计算出海阳港的10个可持续发展评价指标，结果见表 4。
表 4 能值指标计算结果
Table 4. Calculation value of the emergy indexes
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输入能值及其结构决定了生态经济系统的发展，可更新资源是系统运行的原始驱动力，大比例利用可更新资源的系统比主要利用不可更新资源的系统更易于实现可持续发展。2015年海阳港口生态经济系统的能值总投入为2.91×1021 sej，其中主要的能值投入是不可更新工业辅助能N2，占输入能值总量U的87.35%。说明海阳港口一直存在对社会经济能值投入依赖性较大，对自然资源的利用效率较低，尤其是可更新的自然资源的利用效率有待提高。
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(1) ESR表征港口所在的滨海生态环境对整个港口的支持能力。2015年海阳港的ESR为5.12%，高于意大利Ligurian西部Marina degli Aregai(面积2.68×105 m2)和Portosole(面积2.64×105 m2)两个港口的ESR值(根据文中数据计算得前者ESR值为0.72%，后者为0.39%)[5]，表明海阳港内部资源供给程度较好，但太阳能、风能、潮汐能、波浪能等自然可再生资源的利用率仍有待提高。
(2) S表征港口的集疏运稳定性。海阳港2015年的S值为0.66，仅为中国大中型港口均值[23]的51.6%，说明港口集疏运稳定性、货物费收平衡性和物流连接网络发达程度都远逊于大中型港口，符合小型港口的基本特征。
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(1) NEYR表征港口购入的各种社会经济资源对港口贸易等经济活动的支持水平。海阳港2015年的NEYR值0.31，说明海阳港能值产出的竞争力相对较小，港口营运产生的经济效益较低。
(2) EPT表征港口单位吞吐量能源消耗。海阳港2015年的EPT值为3.37×1018 sej/t，远远高于全国平均水平[23]，表明港口装卸工艺能力与吞吐量之间配置不合理，能源总消耗较高，能源利用效率不高。
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(1) EWR表征港口单位输入能值总量产生的废弃物能值大小。海阳港2015年EWR为0.01%，说明港口污染物排放总量较高，急需加强循环经济建设，提升对固体废物、生产废水、生活污水等废物减量化、资源化、再利用的能力。
(2) ELR是能值分析中常用的重要指标，高于10则整个系统就属于高负荷状态[12]。海阳港的ELR值较高，达到18.52，反映了港口生产活动对来自海洋生态系统和腹地经济系统的可更新能源的压力较大，生态子系统的结构和功能有可能遭到不可逆转的破坏。
(3) EEC表征了港口目前的生态承载力，海阳港2015年的EEC值为3.13×104 /m2，远远低于山东省的平均值(1.60×109 /m2)[24]，甚至低于港口城市天津的平均值(8.40×107 /m2)[25]，反映了港口区域的生态承载远弱于其他沿海地区。
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(1) EER表征港口经济贸易过程中的利益得失情况。能值交换率越大，说明对外贸易中该生态经济系统处于有利地位，能够获得相对较多的财富。2015年海阳港口的能值交换率为3.15，高于其他类型海洋生态经济系统的EER值，如珠江三角洲滨海养殖系统的EER的平均值2.84[26]，人造湿地种植系统EER的平均值2.41[27]，滨海制盐生态经济系统EER的平均值0.59[28]等, 符合港口航运业与其他海洋行业相比收益率较高的特征。
(2) ED表征空间尺度上港口的能值平均利用强度和经济发展水平。海阳港口的能值密度ED为4.76×1014 sej/m2，比欧洲同行业港口高一个数量级[12]，表明海阳港在空间水平上的能值集约化程度相对较高，未来发展可能受港口空间范围的限制。
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美国生态学家M.T.Brown和意大利生态学家S.Ulgiati[12]于1997年提出了可持续能力指数ESI，即生态经济系统NEYR与ELR之比，为系统可持续发展的能值评价提供了有效工具。经过计算，海阳港2015年的ESI值为0.017，远小于1，表明系统长期发展潜力不足，可持续发展能力偏弱。
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经过近30 a的发展，能值分析方法应用广泛且日趋成熟，但在本研究的实际应用中也暴露了一些问题：(1)能值投入、产出计算中，各种物质流、能量流、货币流的太阳能值转换率主要采用其他地区相似的生态经济系统研究结果，由于不同地区不同系统的社会、经济和自然环境状态不同，导致太阳能值转换率有所差异，对结果的准确性有一定影响；(2)能值指标体系需要进一步的发展和完善，系统对环境的影响不仅包括资源和能源的消耗，还应当包括系统对环境的污染性排放造成的生态系统服务价值损失；(3)能值指标的临界值尚不清楚，比如对于不同系统，环境负载率分别达到多少为临界值，即超出这个值则生态系统无法承载，并会导致不可逆的恶化甚至崩溃。
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(1) 能值分析方法把环境因素对经济的贡献纳入核算范围，通过把生态经济系统的能量流、物质流、货币流和信息流转化为统一量纲，在增加了“集疏运稳定性”、“单位吞吐量能源消耗”和“能值生态承载力”3个能值评价指标之后，可以用来有效评价小型港口的生态经济系统特征和可持续性。
(2) 能值分析的结果表明：2015年，海阳港生态经济系统的能值自给率、集疏运稳定性、净能值产出率、单位吞吐量能值消耗、能值生态承载力和可持续发展能力指标均低于同行业或同地区平均水平，废弃物能值比率、环境负荷率、能值交换率和能值密度指标则处于较高水平，说明系统对可更新自然资源利用较少，来自外部购买能值比例过高，对污水、固体废物缺乏有效的综合利用，可持续发展能力偏弱。根据上述问题和原因，为增强海阳港的发展可持续能力，建议在节约能源、设备降耗、利用可再生能源、水资源循环利用、构筑物造价控制等方面采取有效措施，提升港口可持续发展能力。
基于能值分析的小型港口可持续发展评价:以海阳港为例
Sustainable development of small local port based on anemergy analysis: A case of Haiyang port
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摘要: 运用能值分析构建小型港口发展可持续性评价模型和指标体系，以中国山东省烟台市海阳港为研究对象，利用2015年数据分析和评价了该港口生态经济系统的特征和可持续性。研究结果表明：（1）2015年海阳港生态经济系统的能值总投入为2.91×1021 sej，不可更新工业辅助能占主体地位；（2）能值自给率、集疏运稳定性、净能值产出率、单位吞吐量能值消耗、能值生态承载力和可持续发展能力指标均低于同行业或同地区平均水平，废弃物能值比率、环境负荷率、能值交换率和能值密度指标处于较高水平；（3）存在对可更新自然资源利用少、来自外部购买能值比例过高和对污水、固体废物缺乏有效的综合利用的问题；（4）有必要在节约能源、设备降耗、利用可再生能源、水资源循环利用和构筑物造价控制5个方面采取有效措施，增强港口可持续发展能力。Abstract: The present study used emergy analysis to develop a evaluation model and index system for the eco-economic systems of small local ports.We selected Haiyang Port in Shandong Province of China as the research object and used data from 2015 to analyze and examine the features and Sustainability of the small local port's eco-economic systems.The results show that:(1) the total emergy input to the eco-economic systems of Haiyang Port is 2.91×1021 sej, and the non-renewable industrial auxiliary energy accounted for the principal portion of emergy; (2) the values of emergy self-sufficiency ratio (ESR), stability of port (S), net emergy yield ratio (NEYR), emergy of port-throughput (EPT), emergy of ecological carrying capacity (EEC) and emergy Sustainability index (ESI) are lower than the average levels of same industry or area, while the values of environmental waste ratio (EWR), environmental loading ratio (ELR), environmental exchange ratio (EER) and emergy density (ED) are at a higher level; (3) There are some problems in the eco-economic systems of Haiyang Port, such as poor exploitation and utilization of the renewable resources from the natural system, over-reliance on purchased emergy from the system's exterior, non-renewable industrial auxiliary energy, a lack of comprehensive utilization of sewage and solid wastes. (4) five development strategies should be adopted as follows:energy Saving, Equipment Saving, renewable energyutilization, reclaimed Water reusing and structures cost controlling in order to enhance the Sustainability of the port.
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Key words:
- emergy analysis /
- small local port /
- eco-economic system /
- sustainable development /
- Haiyang Port
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表 1 小型港口发展可持续性能值评价指标体系
Table 1. Emergy indexes for the sustainability evaluation of small local port
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图(2)表(4)
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