工业生态系统演化的耗散结构理论分析，本文主要内容关键词为：生态系统论文,理论论文,结构论文,工业论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：F062.2 文献标识码：A 文章编号：1672-0334（2004）06-0051-06
1 引言
20世纪70年代初，位于丹麦首都哥本哈根以东100多公里的卡伦堡（Kalundborg）市的几家重要企业（如发电厂、炼油厂、制药厂等）试图在减少费用、废料管理和更有效地使用淡水等方面寻求革新，于是它们自发地建立了紧密而又相互协作的产业关系。80年代以来，当地主管部门意识到这些企业自发地创造了一种新的组织体系，并给予了积极支持，将其称为“工业共生体”（industrial symbiosis）。于是，在卡伦堡这个仅有2万人口的工业小城市所形成的工业系统中，不同的企业按照互惠互利的原则，以贸易方式通过利用对方生产过程产生的废物或副产品紧密地联系在一起，构成了“工业共生体”。
2 工业生态系统演化的表征——工业共生体
工业共生体是指以利用企业之间彼此产生的副产品所构成的相互协作的产业群。在某种程度上，它模拟了自然生态系统，即在自然生态系统中植物和动物产生的“废物”作为其它植物和动物的食物被利用，这种类比被扩展覆盖至任何未被充分利用的资源。工业共生体最著名的例子是丹麦的卡伦堡，[1]卡伦堡工业共生体由于对生产过程中所产生的废物或副产品等物质及能源在不同的产业或企业间的合理利用与循环，为面对资源枯竭与持续发展矛盾日益激化而正在困惑的各国工业发展指明了具有实践意义的可持续发展方向。那么，工业共生体的产生是历史的必然还是偶然，为什么工业共生体会出现自组织集聚的现象，它的形成又与哪些因素有关，这些问题都有待探讨。
国内外对工业共生体的研究从20世纪90年代才刚刚起步，并且主要集中在德国、加拿大、美国、日本等少数发达国家。Lowenthal、Micah D.、Kastenberg、William E.、Rechberger H.、Graedel T.E.、Huesemann、Michael H.、Sieniutycz、Stanislaw等学者分别用熵理论对工业生态与能量系统、当代欧洲铜金属的循环、环境科学与技术的有效解决手段以及机械能的产生或消费与工业系统的热力学有限性等问题进行了探索。[2-5]自20世纪90年代末我国对工业共生体的研究才被重视起来，虽有学者提出熵与工业系统中物质与能量的运动关系，但未见用耗散结构及熵变理论对工业生态系统进行研究的报道。[6]因此，鉴于国内外对工业生态理论的研究处于起步阶段，对工业共生体所出现的自组织机理尚不清楚，故需要对其进行进一步的相关理论研究。本文从工业系统的本质出发，运用耗散结构理论来研究工业共生体自组织形式的内聚动因机理，并通过对工业共生体的熵值计算和熵流分析，建立工业生态系统演化方向判别模型，揭示工业系统向工业生态系统演化的过程，为刚刚兴起的工业生态理论研究与实践应用提供有益的基础性探索。
3 工业生态系统耗散结构特性分析
耗散结构理论指出，一个远离平衡的开放系统，通过不断地与外界交换物质和能量，在外界条件达到一定阈值时，就可能从原先无序状态转变为一种在时空或功能上的有序状态，即“耗散结构”。[7]一个系统要能够自发组织形成耗散结构，必须满足以下条件：①系统开放，只有充分开放才能使系统远离平衡状态；②系统远离平衡，处于平衡状态和近平衡状态都不会自发向有序发展；③系统内自催化的非线性相互作用，使得在平衡系统角度的破坏性因素因正反馈作用成为系统演化的建设性因素；④涨落作用，是驱动系统内原来的稳定分支演化到耗散结构分支的原初推动力。[8]
工业系统是物质、能量和信息流动的特定分布，而且完整的工业系统有赖于由生物圈提供的资源和服务，这些是工业系统不能或缺的。工业系统面对人类可持续发展必然趋势的要求需要变革和演化，建立与自然生态系统相互协调发展的工业生态系统，这在一定区域范围内表现为工业共生体。工业生态系统是指在一定的区域或范围内，由制造业企业和服务业企业组成，通过企业间物质循环和能量流动的功能流相互作用、相互联系而形成的生态工业体系。即把工业经济活动视为一种类似于自然生态系统的循环体系，其中一个企业产生的废物（或副产品）作为下一个企业的“食物”（原料），形成企业“群落”（工业链）。工业生态系统和自然生态系统的形成、发展与崩溃都是一个动态的进化过程。[9]工业生态系统在初期所形成的自组织形式就是由产业自发聚集形成的工业共生体（或工业生态群落），从本质上工业共生体是在一定的历史条件和可持续发展背景下耗散结构形式的体现。之所以如此说，是因为工业共生体作为产业组织的有机整体，本质上是一个开放、非平衡复杂产业系统，其表现出来的特征是完全符合耗散结构的条件和特征要求的。我们通过相关分析论证，[10，11]认为工业系统符合耗散结构的特征，是一个耗散结构，工业系统向工业生态系统演化所表现出来的耗散结构的自组织形式就是工业共生体。
4 工业生态系统的熵值计算和熵流分析
工业生态系统的标志性特征在于“经济—生态整合”，而这种整合必须具备的连接纽带是工业食物链。由于工业食物以物质流为主，因而工业食物的传递与物质的基本特征有直接关系，而物质的这种基本特征取决于物质自身的有序程度——熵。[6]下面我们首先在生态系统中引入“熵”的基本概念及其应用，然后提出“工业生态熵”的概念作为工业生态系统的评价指标之一。
4.1 熵的基础概念及其在生态系统中的描述
热力学第二定律描述了一个封闭系统能量只能不可逆地沿着衰减这个方向转化，并把可逆过程中要做功物质吸收的热与温度之比值定义为“熵（Entropy）”。熵是一个状态函数，其改变量的大小仅与研究对象的起始状态和终止状态有关，而与其经历的热力学路径无关，系统的状态一旦确定，其熵值就保持不变。熵是系统无序程度的一种度量，当系统可能处于几种不同状态且每种状态出现的概率为P[，i]（i＝1，2，…，m）时，该系统的熵的数学表示为
其中，比例系数C为Boltzmann常数
作为系统评价指标之一的熵值及其计算在生态系统中是这样被描述的，生态系统是指在一定空间中由生物群落及其生存环境共同组成的动态平衡系统，其中各成员借助物质流和能量流的循环变换而形成一个高度有序的功能复合体。生态系统是开放系统，与外界有物质、能量的交换及信息传递，从而维持系统的有序状态；它是非平衡系统，是非线性的，不具有可加性，有放大的功能。生态系统靠外界环境不断提供能量与物质来维持，并在系统内部进行着某种不可逆的非平衡过程，不断地产生正熵，吸收负熵，排除高熵，这一过程靠耗散来维持，因此生态系统被认为是典型的耗散自组织系统。由于生态系统是典型的热力学开放系统，所以可以用熵值作为生态系统一项评价指标。我国一些学者对此也进行了一些理论探讨和应用研究，[12-19]任佩瑜在对我国大型企业组织结构战略性再造的研究中提出了“管理熵”的概念；[15]张吉先和陆军在对红壤丘陵区生态系统的研究中提出了“土地系统熵”的概念；[19]白永平也在其研究中对绿洲生态系统的熵和熵变进行了定义。[17]研究显示，生态系统的熵值随着系统生物量的增加而增加，随着生态系统复杂性和生态稳定性的增加而增加，是一种非自发过程；反之，则熵值减小，是一种自发过程。
总结上述研究，我们可以得出生态系统的熵及其熵变关系。
S＝Q/P（2）
和 △S＝S[，2]－S[，1]－S[，12]（3）
其中，S为生态系统熵值，Q为能量输出（或输入），P为经济收入（或支出），S[，1]为系统的初始熵，S[，2]为系统的终态熵，S[，12]为系统在运动过程中从外界环境所摄取的负熵流，△S为系统在运动过程中熵的变化量。假定在系统运动过程中总的熵变△S＝0，且Y＝S[，12]，则
Y＝S[，2]－S[，1]（4）
其中，Y为系统内部的熵产生，即系统的稳定度，可描述系统内部结构和功能好坏的程度。Y值越小，系统越稳定。
4.2 熵值分析与计算
虽然人类经济系统与自然生态系统具有一定的相似性，但二者还是存在着许多不同之处（如价值取向、反馈模式等），因此作为人类经济系统中有机组成部分的工业生态系统具有不同于生态系统的熵值和熵变的特性。肖忠东等人对此进行了比较研究，提出了通过改变衡量标准和确定熵的物质载体方式来用物理价值的熵取代经济价值标准作为经济系统核心的观点。[20]本文在此基础上，对循环经济发展模式下以工业代谢为特征的工业生态系统的熵值及其熵变进行了研究，提出了以工业（生态）系统对各种资源的再循环和再利用的数量指标为评价标准的“工业生态熵”的概念，并以此对工业生态系统的演化进行了尝试性探索研究。
（1）工业生态熵的概念及其意义
我们将R.Clausius提出的“熵”概念和定律引入工业生态学的研究中，提出了“工业生态熵”的概念。工业生态熵是指在一个开放而又相对独立的工业系统内，物质循环和能量流动等资源（包括剩余物质）的交换运动过程所呈现出的有效资源逐渐减少而无效资源不断增加的一种不可逆过程的系统状态函数。它是符合系统科学、生态学等相关理论的，在工业生态学中表现为工业经济系统中物质、能源和信息等资源的有效性（或有用性）递减的规律，这种规律存在的主要原因是复杂的工业生态系统中物质、能源和信息等资源的运动过程受到若干不确定而又相互影响的变量因素的内在影响和控制，所呈现出的一种符合特定数学形式的变化规律。
工业生态熵的意义在于描述工业系统与外界自然生态系统进行各种资源交换的一种状态，工业生态熵的大小表示工业系统内资源利用有效性的大小，熵值的增加过程是工业生态系统内企业与环境系统之间进行资源交换和利用从高效状态向低效状态演化的过程。
（2）工业生态熵的计算公式
在工业系统中，物质总是处于运动状态，在运动过程和最终阶段，物质以废弃物的形态返回自然环境这个大系统中。废弃物最终有两个归宿，即再循环和再利用或者耗散损失掉，这符合质量守恒定律和耗散结构思想。工业代谢理论认为，可持续性的一个好的度量是有无消耗性的使用资源，有别于资源的有用性，因此物质的再循环和再利用率是工业系统是否为一个持续稳定体系的度量指标。[21]工业系统中再循环的物质越多，耗散到环境中的就越少，本文用R[，c]表示物质的再循环和再利用率，作为工业生态系统中原料与能源流动的度量指标，表示一个工业系统能否维持持续稳定的体系状态。
设某个企业对各种资源再循环和再利用的总量为r（j），则
其中，j为某一种资源，0≤j≤m；c（j）为某企业对某一种资源的再循环量；u（j）为某企业对某一种资源的再利用量；α、β分别为某企业对某一种资源再循环系数和再利用系数，0＜α＜1，0＜β＜1。
S（t）为第t时段的工业生态熵，它是一个状态函数，只要系统状态一定，相应熵值也就确定。工业共生系统是一个耗散结构，系统与外界物质、能量交换不为零，总熵值有增有减。当工业共生体中各企业对资源的再循环和再利用率R[，i]（j）趋于相等且单个企业R（j）较大时，工业系统的工业生态熵接近最大，即工业生态系统达到对物质、能源等资料的合理有效利用，工业生态系统趋于与自然生态系统的和谐统一。由熵与系统的有序度的联系可知，工业生态系统的演变方向可良性演化，也可恶性演化，这取决于系统发展和演化的熵变机制。这些研究对于探索熵、熵变及自组织耗散结构理论在工业生态系统演化中的实践应用提供了理论依据。
5 工业生态系统的熵流分析与熵流模型
工业生态系统实际上是一个由工业经济系统、社会系统和自然生态系统构成的相互作用的有机整体，其本质是人类通过工业生产活动与自然生态系统发生物质、能量、信息交流。由于这种交流表现为无限循环的输入、输出功能，才保持了工业系统的“生命过程”，并不断由无序向有序的进化发展。那么，在工业系统的管理上，我们应如何利用耗散结构理论来分析工业系统的熵流变化，使工业系统总熵值减小，系统趋向更有序的方向发展。
5.1 工业生态系统的熵流分析与判别
一个系统在演化过程中是否建立起某种结构、形成某种模式、创造某种形态应有确切的判别根据，我们可根据上述所定义的工业生态熵及其计算公式，利用工业生态熵理论和熵变关系作为检验和判断工业生态系统演变规律的理论和方法。为此，我们通过（7）式来建立工业共生系统演化方向的判别模型
△S＝S（t＋1）－S（t）（7）
其中，S（t＋1）为工业生态系统第t时段的末态熵；S（t）为第t时段的初态熵；△S为t时段系统与外界物能交换引起的熵变。△S值可大于、等于或小于零，根据熵变值△S的大小变化，可判断工业生态系统演变的方向和内部稳定的程度。
（1）当△S＞0时，表示系统总熵增加，无序度加大，系统结构失稳，处于不稳定状态的恶性循环过程中。这在工业生态系统中表现为工业系统内各企业的生产过程只与系统内的自然生态大系统进行物质能量交换，系统内各企业没有或很少有物质和能量的交换，这时要通过某种措施加以调控。
（2）当△S＜0时，即系统趋向于熵产生最小的状态，表明系统总熵减小，有序度增强，系统处于良性循环状态和过程之中，这时系统功能最佳，资源利用、生态环境和社会经济可协调发展。这在工业生态系统中表现为向理想的工业生态系统模式转化，即在工业系统内物质得到循环利用和能量得到梯级使用。
（3）当△S＝0时，表明一定时间间隔内熵值无变化，系统状态与开始一样。这在工业生态系统中是一种理想的工业生态系统模式，即在工业系统内物质得到充分的循环利用和能量得到无限次的梯级使用。由于△S＝dS，我们可以依据熵变理论对工业共生体的内聚动因进行熵流分析。
工业生态系统是一个开放的有序系统，它的熵变分为两个部分，即
dS＝d[，i]S＋d[，e]S
（8）
其中，dS为系统熵的改变量。在本研究中，dS表示工业生态系统内企业与环境系统之间进行资源交换和循环利用的工业生态熵的变化量。d[，e]S为系统通过与环境相互作用而交换时所产生熵变，称为系统的熵交换或熵流，可正可负。在本研究中，d[，e]S为工业生态系统内企业与环境系统之间进行资源交换过程中工业生态熵的变化量。d[，i]S为工业生态系统内企业自身进行资源转化利用的工业生态熵的变化量，系统内部混乱性所产生的熵变，称为熵产生，热力学确定熵产生为非负量，即d[，i]S≥0。
对熵值变化的研究表明，对于开放有序的系统要使其熵变dS＜0，必须满足d[，e]S＜0且｜d[，e]S｜＞｜d[，i]S｜的条件，即从环境中得到的负熵大于系统内部的熵增加，系统出现减熵的过程。那么，我们从工业生态学的视角来分析工业共生体的熵流构成要素，其主要受到以下要素的制约影响：①工业系统结构；②资源流动模式；③外部环境状态；④科技发展水平；⑤社会环境意识；⑥政府政策制度等。工业系统出现的退化现象表现为与自然生态系统矛盾的日益激化，是工业系统中正熵产生并起作用的结果。随着正熵的增加，工业系统内部混乱度大大增加，矛盾越来越突出，当总熵增加到最大值时，系统趋于消亡。而对于一个典型的耗散结构，它将会不断与外界环境进行资源交换，获取负熵来抵消正熵的不断增加，维持工业系统的稳定与有序。
图1 工业生态熵边际值的变化曲线
图2 工业共生体的自组织演化
5.2 工业生态系统的熵流模型
如果考虑工业生态系统与自然生态系统的熵流运动，从工业生态学的视角出发，我们可建立工业生态系统进行工业代谢的数学简化模型
d[，e]S/dt＝－（S/τ）（9）
其中，τ为工业生态系统进行工业代谢输出熵所用的时间。
这个模型的意义在于，它揭示了工业生态系统向自然生态系统输出的不可逆的熵越多，自然生态系统进行相应反应过程所需时间就越长。
同时，我们假定在一定时间内工业生态系统所产生的熵为一定值，即
d[，i]S/dt＝C（10）
其中，C为大于零的常数。则工业生态熵的边际值为
dS/dt＝（d[，i]S/dt）＋（d[，e]S/dt）＝C－（S/τ）（11）
通过（8）式和图1，我们可以认识工业系统与自然生态系统之间的关系，即传统工业系统在建立之初通过与外界生态系统进行物质交换达到d[，e]S的动态平衡，并使得工业系统逐步发展，工业系统通过熵流不断从自然生态系统获取负熵，并使工业系统的总熵值未达到临界熵S[，m]，即自然生态系统能满足工业系统发展对物质流所产生熵的总要求；但是，工业系统为了满足人类的无穷欲望开始对自然资源进行大量消耗，并向自然生态系统大量排放废弃物，这时在现有的有限资源的条件下，工业系统与外界进行物质交换所产生的熵越来越大，自然生态系统难以满足工业系统对物质流产生的总要求，于是表现为传统工业系统熵值增加，无序度加大，工业生态熵减小，环境恶化。这是工业系统通过自组织过程（也可能有他组织）进行组织突变，分岔（bifurcation）到更高一级的工业系统——工业生态系统，如图2所示。
6 结论
工业系统结构的演化并不完全是依靠外界特定方式实现的，而是系统存在的自组织特性通过协调作用达到有序状态。自组织过程是具有一定功能的非线性的多体系统在离开平衡态时从无序变成规则或不规则的有序的过程。丹麦卡伦堡工业共生体自发地形成的自组织现象，对于工业系统的生态演化起到了示范作用。本文对循环经济发展模式下以工业代谢为特征的工业生态系统的熵值及其熵变进行了研究，提出了以工业（生态）系统对各种资源的再循环和再利用的数量指标为评价标准的“工业生态熵”的概念，并以此对工业生态系统的演替变化进行了尝试性探索研究。通过采用熵判据对工业共生系统进行了自组织耗散结构的熵值分析，建立了熵流模型，揭示了工业共生体自组织内聚的动因，为工业系统向工业生态系统发展进行了有益的探索。实践表明，工业系统的自组织特性虽然提供了传统工业系统内各子系统有充分的能力去实现向工业生态系统的演化，但并不能保证工业生态系统能持续地、更好地适应外界环境的变化，从而实现从不平衡到平衡、从无序到有序的发展。只有在内外部条件具备的情况下，工业系统的自组织特性的存在才会使工业共生体这样的工业生态系统在不断波动和变化中永续发展，不断完善，否则工业生态系统就会发生退化乃至消亡。
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