四、能量品質
能量定義為可作功的能力。能量的轉變過程可用熱力學的第一與第二定律說明。熱力學第一定律,又稱為能量守恆定律(energy Conservation law),是指能量可以一形式轉另一形式,但不能被創造出或被消滅掉。例如,太陽光是一種能量形式;可被轉變成熱能,作功的能量,或在食物中的化學能等。但沒有太陽光的能量是被消滅了。熱力學第二定律,又稱為亂度定律(entropy law),指的是能量的轉變過程中,自然會趨向具有較大亂度的形式。例如,一熱物體中的熱能會自動的向四周較冷的環境中擴散。因為能量常會擴散為熱能(高亂度形式),沒有一種能量形式的轉變有百分之百的效率。例如,燃燒煤炭以產生蒸汽,煤炭中有部分的能量即轉變到蒸汽中,但也有一大部分的能量是轉變成熱能而散失到環境中。於生態體系中,生物能量的循流過程也是一樣;當生物能量以食物的形式,從一生物體流轉到另一物體中時,其中卻有一大部分的能量以熱能的形式散失。
較濃縮形式的能量(如石油),比較鬆散形式的能量(如陽光)有較高的作功能力,因此有較好的品質。一能量的品質,可以由要轉變到此能量形式,所須的另一種形式的能量之多寡而定。例如,在食物鏈的能量循流中,能量的量一直減少,但能量的品質可以說是相對的增加。圖2—6(a)即表示能量經由食物鏈的量與質的關係。在自然生態系的食物鏈中,由具106千卡/平方公尺的太陽,一再地遞減到100千卡/平方公尺,或更少的次級消費者(掠食者);但相對的,其能量品質卻1上升到10,000個單位。圖2—6(b)顯示流量流轉至發電之過程。過程中能量之量一再減少;但能量之品質,能作功的能力,相對地一再提升。這些質與量的相對關係整理列於表2—9。
圖2-6 能源的品質與量的關係(譯自Odum, 1983)
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圖2-9各種能量形式之品質比較表(根據Odum and Odum, 1981之報告)
能量形式 |
太陽能單位(卡) |
石化燃料單位(卡) |
太陽光
植物粗生產量
植物淨生產量
石化燃料
水之位能
電力 |
1.0
100
1000
2000
6000
8000 |
0.0005
0.05
0.5
1.0
3
4 |
(重點三十)因此,能量不能僅有量的大小,亦有品質的好壞。並不是所有每一卡能量都具有同樣的品質;因為不一形式但同量的能量,其作功的能力大不相同。
五、能量和貨幣
現代文明生活均有賴於高品質之持續供應。而高品質的能量,又需要更大能量去產生。因此,淨能量之觀念就甚是重要(如圖2一7)。淨能量所得,即等於由能量來源轉變而來的能量A,減去要維持此能量轉變流程所須之能量B。此能量B,又稱為能量處罰(energy penalty)。若要能長期有效的話,淨能量所得至少要有能量處罰(B)之兩倍;也就是產能上值(energy yield ratio),至少有2或以上。換句話說,能量問題不是在地球中還存有多少石油,而是有多少高品質能量可真正的獲得;當扣除能量處罰與轉變中之消耗,以及保護人類健康、和保育全地球維生體系的完整性後之所得。
圖2-7 淨能量的觀念。A(產出的能量)必要比B(為維持生產所須的能量)大,如此才能使能源和其轉換系統產出正的淨能量。
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貨幣可能是人類最重要的一種發明;目前貨幣已成為社會各階層決策制定時之考量基礎。或根據在——社會中貨幣與能量流動是有密切相互關連;貨幣與能量是相互對流。只是貨幣可迴圈流通使用,但能量不行。然而貨幣是可以轉換成(已有考量品質的)能量單位,因為東西和服務的價值與其需要多少能量去生產它們,有著密切的關係。但很不幸的,如圖2—8,貨幣對自然資源只考量到其進入人類生產或服務過程時;對自然生態體系蘊育其資源的過程,並不考量其價值。例如,於圖2—8中,可看出,於整個海產物生產鏈中,目前貨幣體系只考量海產物之收穫與處理的部分;而海洋蘊育這些海產物所需之能量與功能,則完全成為此貨幣體系之外部成本。雖然可能有些經濟學不高興應用此方法,但是所有經濟學者都同意:當他們處理自然資源之分配時,都含有嚴重的「市場失靈」(market failure)的現象。於近二十年來,有許多學者致力於如何將市場和無市場價值的鴻溝打通;但是至今仍無真正實際之應
197
用。人造之東西和人類的服務仍然是被給予最高的價值,然而(至少具有同等重要的)自然的東西與服務卻被忽略,或只是略加給予一些低估的價值。
圖2-8 傳統的經濟活動。海灣區蘊育魚類之功能並被付予應有的貨幣
(鈔票)價值。海灣區對人類的實際價值至少是此區生產的魚
獲量價值的十倍。實線表示能量的循流;虛線表示貨幣之流通
(參考Odum,1983)
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對維持人類生活重要的能量流動,目前的貨幣系統並沒有能包含所有的(圖2—9)。此圖中列出維持人類生活的兩種能量來源,及三種能量轉換系統。貨幣流通時,人們只是對都市工業系統所產生之科技產物,以及農業生態體系產生之東西與服務,付出貨幣。對同等重要的自然生態體系所產生的服務與東西,人們並不需要付出貨幣。
(重點三十一)如同Brown(1979)所說的,全球經濟終究是依賴於基礎生態體系,如海洋、森林、和農業。當這些資源衰退或受壓力時,世界的經濟同受傷害,各種服務或東西變得稀少,而且須要更多的代價去保護與生產;其結果將是世界性的通貨膨脹。
(重點三十二)雖然經濟學者與生態學者對市場失靈有著不同的認知與解決之方法,但是一般都同意經濟理論若能適當的加入生態能量之理論,將有可能將經濟體系提升至生態體系(維持生命的體系),作整合的分析。
圖2-9 人類的能源支援體系。由人工和農業生態系來的能量,貨幣流通大致配合能量的循流;但是來自自然態系的能量,並無貨幣配合(參考Odum,1983)。
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第六節 生態學發展史
「生態學」的定位
1866—1891 Haeckel,Ernst:第一個使用ecology(1866)。
/Ecology as a part of physiology(生理學)
/the economy of nature(自然的經濟)
/total relationships of the animal both to its Inorganic and its organic envlrnment.
/comple Interreations referred to by Darwin as the conditions for the struggle for existence.
/字源取自eeo-nomlcs (ousehold+management)
eco-logy(the Study of household)
1893 J.S.Burdon-Sanderson:President,British Ass.for Advancement of Science.
/將Eco 成為<生物學>中三大部之一。
ecology,Physlologo and morphology.
生態學---philosphy of living nature.
1900s Clements&Cowles--plant ecology(植物生態學)
生態學=生理學。
1910s Adam(1917)&Elton(1927)→animal ecologists
生態學=new natural history(Adam,1917)
=scientific natural history(Elton,1927)
1949 Alicee et al.principles of anlmal ecology
of knowledge of ecology among scholors and philosophers
1.由於內在的多元性→廣泛distortion of內容
2. 缺乏historical studies
Kuhn(1970)a developing Scientific discipline
of several separate trunks
lacking a common initial rootstock
1961 Andrewartha生態學=生物的分佈和豐富量之研究。
1963 Odum,E.生態學=自然的結構和功能之研究。
1980 Leo Simth,R.(1986)生態學=「生物與其生活環境」
的互動關係之研究。
生態學自然的經濟學。
Odum,E.(1983)
生態學自然科學和社會科學的橋梁。
1990sStiling,P.D.(1992)生態學飲食以下五部分:
演化生態+行為生態+族群生態+群落生態+應用生態
Leo Smith,R.(1992)
生態學主要兩個根源:植物地理學和自然歷史學
Colinvau,P.(1963)
生態學=the Science of the universe(宇宙)(Hutchinson)
1、體系的繁雜和歧異之維持和來源之瞭解
2、生物一起生活的原則
3、生命如何受天擇影響
4、自然的經濟學
Odum,E.(1993)生態學=生命與維生環境之關係。
Krebs,C.J.(1994)生態學=決定「生物的分佈和豐富量」之互動的研究
Where,How many,Why
Brewer,R.(1994)生態學 =「生物與其生活環境」的互動關係之研究。
生態學發展史:The background of ecology
- b元前4th世紀:自然平衡/神意的(providential)生態學
Aristotle:田鼠的高生殖率,可產生更多田鼠,受其天敵減少數量,如:狐狸,白鼬,人的控制,大雨。
Herodotus and Plato:自然被設計成保育每一種生物。每一種生物於自然中都有其特定的位置;絕種並未發生,因若發生將破壞大自然的平衡與和諧。
2、17th-19th世紀:自然和諧
Graunt(1662)人口數學化,以出生率,死亡率,性別比年齡結構,預測倫敦人口於64年間加倍。
Leeuweenhoek(1687)計算母蒼蠅產下的卵數,估計一對蒼蠅三個月內可產生746496個蒼蠅,
Buffon(1756)Natural History族群調控/疾病,食物不足。
Malthus(1798)Essay On Population.生殖終要受食物的生產量的限制(checked)
Farr(1834):Malthus推測食物生產量以等差級數增加,這並不真實,至少在美國,食物生產量是以等比級數增加,甚至比人口更快。
3.20th世紀:「天擇」與「為生存奮鬥」,逐漸取代自然平衡與神意的(providential)生態學。
4.於1900時前,Ecology逐漸成為「科學」
根源於:自然史,人口學,生物統計學,農業和醫學(公共衛生,傳染病)之應用。
5.於1960前,Ecology尚未被認為是重要的Science.
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