基于耗散結(jié)構(gòu)理論的海島生態(tài)—環(huán)境管理系統(tǒng)

毋瑾超 王小波 夏小明

（1.國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州310012；2.國(guó)家海島開(kāi)發(fā)與管理研究中心，浙江 杭州310012）

基于耗散結(jié)構(gòu)理論的海島生態(tài)—環(huán)境管理系統(tǒng)

毋瑾超1，2王小波1，2夏小明1，2

（1.國(guó)家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州310012；2.國(guó)家海島開(kāi)發(fā)與管理研究中心，浙江 杭州310012）

海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的耗散結(jié)構(gòu)。通過(guò)以耗散結(jié)構(gòu)熵值理論為指導(dǎo)的海島生態(tài)－環(huán)境管理系統(tǒng)評(píng)價(jià)程序和指標(biāo)研究，確立了以環(huán)境指數(shù)、生物活性、景觀生態(tài)、廢棄物處置等四個(gè)主要體系共12項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí)，從理論上探討了維持健康有序的海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的原理和途徑，分析認(rèn)為：增大負(fù)熵流是維持海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)健康的根本途徑，應(yīng)采取各種措施，確保海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)負(fù)熵流的增加，將有利于其成為一種自組織的時(shí)間、空間和功能上的有序耗散結(jié)構(gòu)，從而維護(hù)海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的健康發(fā)展。

海島；耗散結(jié)構(gòu)；熵；生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)

海島是國(guó)土的重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)目前擁有海島7371個(gè)，島嶼總面積約7273平方公里，約占全國(guó)陸地面積的8%，按成因可分為大陸島、海洋島和沖積島①。海島不僅擁有豐富的自然資源，經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿薮?，同時(shí)在維護(hù)國(guó)家主權(quán)和領(lǐng)海完整中具有重要的戰(zhàn)略地位。

海島保護(hù)和管理，重點(diǎn)是對(duì)其生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的保護(hù)和管理。海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)可劃分為島陸、潮間帶和周邊海域（環(huán)島淺海）三個(gè)子系統(tǒng)，包括物理和生物學(xué)進(jìn)程、能量流通、生物多樣性、基因、生態(tài)恢復(fù)力和生態(tài)冗余等，是海島自然環(huán)境與人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)以及當(dāng)?shù)貧v史發(fā)展過(guò)程相互作用的結(jié)果②。目前我國(guó)的海島保護(hù)法才剛剛出臺(tái)，海島生態(tài)－環(huán)境管理研究也正處于起步階段，這一領(lǐng)域的成果十分匱乏；借鑒其他領(lǐng)域一些先進(jìn)的管理理念運(yùn)用于海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的管理和保護(hù)，這無(wú)疑是一條較好的辦法和思路。本文將主要基于耗散結(jié)構(gòu)熵值理論對(duì)海島生態(tài)－環(huán)境管理系統(tǒng)展開(kāi)研究，以期為其進(jìn)一步發(fā)展做出有益的探索。

一、海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)與耗散結(jié)構(gòu)

耗散結(jié)構(gòu)又稱(chēng)之為非平衡系統(tǒng)的自組織理論，其主要是研究非平衡系統(tǒng)由無(wú)序到有序變化的一種理論。普利高津（I.Prigogine，1969）在研究平衡系統(tǒng)與非平衡系統(tǒng)的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在非平衡狀態(tài)下，如果系統(tǒng)與外界有能量或物質(zhì)交換，系統(tǒng)就可以從混沌無(wú)序狀態(tài)逐漸演變?yōu)楦叨扔行虻慕Y(jié)構(gòu)。由于這種新結(jié)構(gòu)乃是靠不斷吸收和耗散外界的物質(zhì)與能量來(lái)維持其存在的，故而便被稱(chēng)為是耗散結(jié)構(gòu)。該理論自問(wèn)世以來(lái)，已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域③－⑤。耗散結(jié)構(gòu)具有以下幾個(gè)特性：①開(kāi)放性。耗散結(jié)構(gòu)是在開(kāi)放環(huán)境中和非平衡條件下生成的，系統(tǒng)和外界有物質(zhì)、能量和信息的交換。②非平衡態(tài)。只有在遠(yuǎn)離平衡的非線性，系統(tǒng)原有狀態(tài)才可能成為不穩(wěn)定的，從而為建立新的有序結(jié)構(gòu)提供了可能性。③非線性機(jī)制。線性的正反饋可以導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，產(chǎn)生分叉，產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)穩(wěn)定到耗散結(jié)構(gòu)上的機(jī)制是系統(tǒng)內(nèi)部必須存在非線性作用。④漲落特性。在遠(yuǎn)離平衡態(tài)，由于非線性的相互作用，隨機(jī)漲落就會(huì)由于相干效應(yīng)而逐漸放大形成“巨漲落”，從而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生質(zhì)變，轉(zhuǎn)化為新的結(jié)構(gòu)和功能的狀態(tài)即耗散結(jié)構(gòu)自組織狀態(tài)⑥－⑦。

從耗散結(jié)構(gòu)形成和維持的條件中，我們可以看出海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)具有典型的耗散結(jié)構(gòu)。首先，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)，系統(tǒng)中的植物、動(dòng)物、微生物不斷地與周?chē)h(huán)境進(jìn)行著物質(zhì)和能量交換，且受環(huán)境因素的影響較大。其次，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)處于遠(yuǎn)離平衡的非線性區(qū)。海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)中，生物物候形成的春生夏長(zhǎng)，秋收冬眠，花開(kāi)花落，四季循環(huán)，正是非平衡系統(tǒng)中的時(shí)、空有序態(tài)。第三，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)具有非線性的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)中，生物體與環(huán)境之間具有一種正負(fù)反饋的機(jī)制，同時(shí)其種群與種群之間，存在著競(jìng)爭(zhēng)、共生、互生、寄生等復(fù)雜關(guān)系，生物種群按非線性規(guī)律增長(zhǎng)。第四，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)中自發(fā)調(diào)節(jié)種群關(guān)系和種群數(shù)量以適應(yīng)環(huán)境的反饋機(jī)制，使生物種群圍繞著環(huán)境容量水平波動(dòng)和振蕩，并使得海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)成為一個(gè)具有正負(fù)反饋機(jī)制的系統(tǒng)。這種正負(fù)反饋機(jī)制使海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)對(duì)環(huán)境具有一定的自組織能力，通過(guò)結(jié)構(gòu)、功能漲落的調(diào)節(jié)，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)不斷地形成新的穩(wěn)定的有序結(jié)構(gòu)⑧。

二、海島生態(tài)－環(huán)境管理系統(tǒng)的評(píng)價(jià)流程與框架體系

基于耗散結(jié)構(gòu)理論的海島生態(tài)－環(huán)境管理系統(tǒng)的評(píng)價(jià)流程如圖1所示，具體可分為資料準(zhǔn)備、系統(tǒng)評(píng)價(jià)、管理改進(jìn)三個(gè)階段⑨。

1.資料準(zhǔn)備階段：集成預(yù)評(píng)價(jià)的海島生態(tài)－環(huán)境及其周邊區(qū)域相關(guān)的資料信息，并將資料進(jìn)行分類(lèi)整理、篩選，建立基于耗散結(jié)構(gòu)理論的海島生態(tài)－環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2.系統(tǒng)評(píng)價(jià)階段：在明確具體評(píng)價(jià)區(qū)域邊界的基礎(chǔ)上，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)資料進(jìn)行分析，結(jié)合海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)物質(zhì)流、能量流、信息流輸入輸出情況，對(duì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，分析其特點(diǎn)及熵變情況。

3.管理改進(jìn)階段：整理歸納評(píng)價(jià)結(jié)果，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果構(gòu)建海島生態(tài)－環(huán)境管理系統(tǒng)，改進(jìn)生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的不足。

圖1 海島生態(tài)－環(huán)境管理系統(tǒng)評(píng)價(jià)流程

針對(duì)海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)特征，選擇環(huán)境指數(shù)、生物活性、景觀生態(tài)、廢棄物處置四個(gè)方面入手，集中國(guó)內(nèi)外研究中出現(xiàn)頻率較高的指標(biāo)進(jìn)行分析篩選⑩－?，選擇了12個(gè)代表性較強(qiáng)的指標(biāo)，確定其分級(jí)范圍，搭建完整的海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

表1 海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

三、熵的引入及熵流分析

熵理論最初是在熱力系統(tǒng)中，用來(lái)衡量系統(tǒng)混亂或無(wú)序程度的量度。經(jīng)過(guò)近一個(gè)半世紀(jì)的發(fā)展，熵已從單純描述微觀世界的熱力學(xué)物理概念，演變?yōu)橐粋€(gè)與自然和社會(huì)相統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)開(kāi)放的概念。這一理論也被推廣到幾乎所有的科學(xué)領(lǐng)域，包括社會(huì)學(xué)的范疇。愛(ài)丁頓從認(rèn)識(shí)論和方法論上理解熵理論，將熵增定律譽(yù)為“宇宙至高無(wú)上的哲學(xué)規(guī)律”，愛(ài)因斯坦則稱(chēng)之為“一切科學(xué)的根本法則”?。

3.1 海島生態(tài)－環(huán)境管理熵模型的建立

模型建立的前提條件：第一，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)典型的耗散結(jié)構(gòu)體系；第二，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)存在著能量的差異，是一種遠(yuǎn)離平衡態(tài)結(jié)構(gòu)；第三，生物、能量、物質(zhì)與信息在系統(tǒng)內(nèi)部能夠自由流動(dòng)。

3.2 熵?cái)?shù)量模型的表示方法

其中i是影響相對(duì)封閉系統(tǒng)值的各種因素，如海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)因素如地表水綜合指數(shù)、海域水體富營(yíng)養(yǎng)指數(shù)、沉積物綜合指數(shù)、貝類(lèi)體內(nèi)重金屬綜合指數(shù)、植被覆蓋率等，Ki為海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)在特定階段時(shí)各種因素的權(quán)重；Si為種影響因素所產(chǎn)生的熵值。也可描述為：

生命的活動(dòng)是耗散過(guò)程，生物體本身就是一種高級(jí)的耗散結(jié)構(gòu)，在耗散過(guò)程中熵不斷增大。高熵意味著混亂，熵達(dá)到最大值意味著熱平衡態(tài)，對(duì)于生命來(lái)說(shuō)，熱平衡態(tài)就是死亡。所以，生物有機(jī)體要很好的生存下去，必須使自己的身體保持低熵狀態(tài)，即不斷的從外界補(bǔ)充進(jìn)負(fù)熵，以抵償其內(nèi)部由不可逆過(guò)程所產(chǎn)生的正熵。

海島負(fù)熵流的計(jì)算公式：

其中j為影響海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)熵的各種因素，如新的海島生態(tài)環(huán)境體制、有利的海島生態(tài)環(huán)境政策、海島生態(tài)環(huán)境自組織形式、有效的管理措施等。Kj為海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)導(dǎo)入的負(fù)熵中各種影響因素的權(quán)重，Sj為各種影響因素的負(fù)熵值。

式中各符號(hào)的含義與式（2）相同，由此式可計(jì)算出在引入的負(fù)熵中各影響因素所產(chǎn)生的負(fù)熵值。由于負(fù)熵的增加，使海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)效率增加。

求出海島生態(tài)環(huán)境－系統(tǒng)的總熵值的計(jì)算公式：

式（5）中S總為整個(gè)海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的總熵，它是由海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部的上，SI和從外界吸取的負(fù)熵Se的加總求和取得的。從（5）式中，可以了解到，只有S總＝SI＋Se＜0時(shí)，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)才能形成。因此，海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)形成的充分條件為0。即要使海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的總熵值負(fù)熵值化。

耗散結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為：系統(tǒng)要想穩(wěn)定、有序地發(fā)展，必須從外界不斷吸收物質(zhì)與能量，使“熵源”變?yōu)樨?fù)值，而且絕對(duì)值應(yīng)接近于系統(tǒng)本身不可逆過(guò)程引起的“熵增加”，這時(shí)系統(tǒng)“總熵”逐步減少，無(wú)序程度降低，使系統(tǒng)由無(wú)序趨向新的有序。通過(guò)對(duì)海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部耗散結(jié)構(gòu)的分析，可以了解到復(fù)雜的海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)可以通過(guò)自我創(chuàng)新、不斷與外界發(fā)生人流、能量流、物流和信息流的溝通與交換，達(dá)到一種協(xié)調(diào)和突變，就能使海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)達(dá)到、有序的耗散結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

四、增加負(fù)熵流，維護(hù)海島生態(tài)——環(huán)境系統(tǒng)健康有序發(fā)展

薛定諤在《生命是什么》這本書(shū)里有一段名言：“一個(gè)生命有機(jī)體將自身保持在高度有序（低熵）的水平上的方法實(shí)際上在于從環(huán)境中不斷獲取秩序，即從環(huán)境中得到負(fù)熵。”他還說(shuō)：“生命有機(jī)體是以負(fù)熵為生的?！?無(wú)論從物種的進(jìn)化還是個(gè)體發(fā)育的角度看，與生命現(xiàn)象伴隨的是熵不斷的減少，負(fù)熵不斷的增加。對(duì)于海島生態(tài)環(huán)境保護(hù)系統(tǒng)，需要從以下幾個(gè)方面著手增加負(fù)熵流，以維護(hù)其健康有序發(fā)展。

1.嚴(yán)格執(zhí)行《中華人民共和國(guó)海島保護(hù)法》，做好海島開(kāi)發(fā)的利用與規(guī)劃，對(duì)海島及周?chē)Ｓ虻拈_(kāi)發(fā)必須根據(jù)保護(hù)和改善海洋環(huán)境、保護(hù)海島資源、維護(hù)生態(tài)平衡、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展以及“誰(shuí)開(kāi)發(fā)，誰(shuí)保護(hù)”的原則，采取嚴(yán)格的措施保護(hù)海島的地形、岸灘、植被和海島周?chē)Ｓ虻纳鷳B(tài)系統(tǒng)，從而維護(hù)海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的基本平衡。

3.積極開(kāi)展海島生產(chǎn)生活固廢和廢水的無(wú)害化處理，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。如果海島“三廢”不能及時(shí)有效進(jìn)行無(wú)害化處理，這些廢棄物會(huì)造成海島土壤，地表水，周邊海域環(huán)境的破壞，進(jìn)行造成生物的死亡甚至滅絕?！吨腥A人民共和國(guó)海島保護(hù)法》明確規(guī)定：“無(wú)居民海島利用過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢物，應(yīng)當(dāng)按照規(guī)定進(jìn)行無(wú)害化處理、處置，禁止在無(wú)居民海島棄置或者向其周邊海域傾倒”。在海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)中應(yīng)對(duì)“三廢”盡量采取預(yù)防性和最小化措施，這是進(jìn)行固體廢棄物處理最有效的辦法，是各發(fā)達(dá)國(guó)家優(yōu)先采用的措施?？捎行p少其對(duì)環(huán)境造成的污染和危害，同時(shí)有效增加負(fù)熵流。

4.及時(shí)開(kāi)展海島生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工作，對(duì)于已造成海島生態(tài)系統(tǒng)破壞和影響的，要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，以恢復(fù)其完整的生態(tài)系統(tǒng)。眾所周知，海島生態(tài)－環(huán)境是一個(gè)小型的生態(tài)鏈，如果其中某些環(huán)節(jié)出現(xiàn)較大破壞，就會(huì)影響鏈上其他種群的發(fā)展，最后甚至導(dǎo)致整個(gè)海島生態(tài)鏈的消失。因此要及時(shí)消除海島破壞對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，保持生物多樣性及良好的生態(tài)環(huán)境，同時(shí)改善海岸帶周邊視覺(jué)景觀，美化環(huán)境，恢復(fù)和治理自然生態(tài)環(huán)境，增加負(fù)熵流。

5.以循環(huán)經(jīng)濟(jì)的思想指導(dǎo)海島開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)，做到海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的自組織系統(tǒng)健康有序發(fā)展。循環(huán)經(jīng)濟(jì)是以“減量化、再利用、資源化”為原則，以物質(zhì)閉路循環(huán)和能量梯次使用為特征，按照自然生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)方式運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)模式，非常有利于海島自組織系統(tǒng)的完善。因?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)本身具有一定的自?xún)艋芰?，能分解、處理有機(jī)體排出的正熵，使系統(tǒng)的熵增減緩，保持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，因此自組織的完善有利于海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的健康發(fā)展。

本文主要從理論方面介紹和分析了海島生態(tài)－環(huán)境管理系統(tǒng)，闡述了基于耗散結(jié)構(gòu)理論的熵值分析和系統(tǒng)評(píng)價(jià)而建立的條件和方法，為海島生態(tài)－環(huán)境管理系統(tǒng)引入了新的思路和理念。由于篇幅所限，對(duì)于海島生態(tài)－環(huán)境管理模型并未針對(duì)某個(gè)具體海島進(jìn)行各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值量化計(jì)算和實(shí)證分析，這些內(nèi)容將另行發(fā)表。

注釋

①李金克、王廣成：《海島可持續(xù)發(fā)展評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立與探討》，《海洋環(huán)境科學(xué)》2004年第1期。

②Shear H.“The development and use of indicators to assess the state of ecosystem health in the Great Lakes.”E－cosystem Health2（1996）.

③DavidG.Angeler，Miguel Alvarez－Cobelas.Island biogeography and landscape structure：Integrating ecological concepts in a landscape perspective of anthropogenic impacts in temporary wetlands.“Environmental Pollution38（2005）.

④D.B.Lindenmayer，G.Luck.“Synthesis∶Thresholds in conservation and management.”Biological Conservation24（2005）.

⑤Glatts R.C，Uhlman A.H，Smith K.L，et al.“Long time－series monitoring of the ecosystem at Deception Island，Antarctica：description of instrumentation.”Deep－Sea Research（Ⅱ）50（2003）.

⑥MacArthur，R.H.and E.O.Wilson.The Theory of Island Biogeography.Princeton，New Jersey：Princeton University Press，1967.

⑦Ramjeawon T，Beedassy R.“Evaluation of the EIA system on the Island of Mauritius and development of an environmental monitoring plan framework.”Environmental Impact Assessment Review24（2004）.

⑧Smith K，Baldwin R.“Ecosystem studies at Deception Island，Antarctica：an overview.”Deep－Sea Research（Ⅱ）50（2003）.

⑨ William J.McConnell，Sean P.Sweeney，Bradley Mulley.“Physical and social access to land∶Spatic－tomporal patterms of agricultural expansion in Madagascar.”Agriculture Ecosystems and Environment101（2004）.

⑩謝花林、李波：《城市生態(tài)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法研究》，《北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》2004年第5期。

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責(zé)任編輯 平樂(lè)