劉志仁，汪妍村

(1．長安大學(xué) 政治與行政學(xué)院，陜西西安 710064;2．西安交通大學(xué) 法學(xué)院，陜西 西安 710049)

1 耗散結(jié)構(gòu)理論及其在環(huán)境保護中的應(yīng)用

耗散結(jié)構(gòu)理論是普里戈金教授于1969年“理論物理學(xué)和生物學(xué)”的國際會議上正式提出的。耗散結(jié)構(gòu)理論是指一個遠離平衡態(tài)的開放系統(tǒng)，通過不斷地與環(huán)境交換物質(zhì)和能量，在外界條件變化達到一定閾值時，就可能從原先的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N在時空上或功能上有序的狀態(tài)。而這種遠離平衡態(tài)的有序結(jié)構(gòu)就是耗散結(jié)構(gòu)。典型耗散結(jié)構(gòu)的形成與維持需要具備4個條件:一是系統(tǒng)必須是開放系統(tǒng)，孤立系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)都不可能產(chǎn)生耗散結(jié)構(gòu);二是系統(tǒng)必須處于遠離平衡的非線性區(qū)，在平衡區(qū)或近平衡區(qū)都不可能從一種有序走向另一種更為高級的有序;三是系統(tǒng)必須是遠離平衡的自組織系統(tǒng);四是系統(tǒng)有某些非線性的動力學(xué)過程，通過結(jié)構(gòu)、功能、漲落之間的相互作用達到和諧有序［1］。非線性相互作用使得系統(tǒng)內(nèi)各要素之間產(chǎn)生協(xié)同動作和相干效應(yīng)，從而使得系統(tǒng)從雜亂無章變?yōu)榫挥行颉?/p>

環(huán)境從宏觀角度來說包括自然環(huán)境和社會環(huán)境。自然環(huán)境指環(huán)繞于人類周圍的自然界，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。社會環(huán)境是人類在自然環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過長期有計劃、有目的的發(fā)展，逐步創(chuàng)造和建立起人工環(huán)境。環(huán)境按照自身的規(guī)律發(fā)展變化，與外界之間不僅存在物質(zhì)流，而且還有能量流、信息流。對于環(huán)境本身來說，有序是進化的產(chǎn)物。根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，在非平衡狀態(tài)下系統(tǒng)與環(huán)境之間進行的物質(zhì)和能量的交換，相對于系統(tǒng)產(chǎn)生的有序，環(huán)境會產(chǎn)生更大的無序，而無序則意味著退化［2］。經(jīng)濟社會的發(fā)展正是這樣一個有序的進化過程，這個過程需要不斷地與環(huán)境交換大量的物質(zhì)和能量，并以環(huán)境的加速退化為代價。由此總結(jié)出，環(huán)境系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，經(jīng)濟社會與環(huán)境之間的各種物質(zhì)能量交換導(dǎo)致其處于一個非平衡的非線性區(qū)，而根據(jù)熵增原理，一個對象要想在實踐中獲得存在與發(fā)展，必須不斷地從外界引入負熵，以抵消對象體內(nèi)正熵的增加，從而確保對象不斷地走向更高層次的穩(wěn)定有序結(jié)構(gòu)。由于環(huán)境受到經(jīng)濟社會的影響，環(huán)境污染等問題使環(huán)境內(nèi)部正熵不斷增加，這就需要不斷從經(jīng)濟社會反向引入負熵，從而使環(huán)境處于穩(wěn)定有序和諧的結(jié)構(gòu)?；诤纳⒔Y(jié)構(gòu)理論分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)境內(nèi)部正熵主要來自經(jīng)濟社會的過度引入物質(zhì)和能量等，破壞環(huán)境自身的有序穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以及環(huán)境自身的自然進化規(guī)律產(chǎn)生了正熵，因此需要從經(jīng)濟社會進一步引入負熵，環(huán)境生態(tài)補償理論正是通過經(jīng)濟社會不斷地向環(huán)境積極地反饋能量和限制經(jīng)濟社會無限制的能量物質(zhì)引出，以使環(huán)境向新的更高層次的有序結(jié)構(gòu)發(fā)展。

2 西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境的耗散結(jié)構(gòu)特征分析

2．1 西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境是一個開放系統(tǒng)

恩格斯《自然辯證法》中明確指出“整個自然界被證明是在永恒的流動和循環(huán)中運動著”。從環(huán)境與系統(tǒng)的角度分析，可以將系統(tǒng)分為封閉系統(tǒng)、孤立系統(tǒng)和開放系統(tǒng)。開放系統(tǒng)主要是指與外界存在著一定的物質(zhì)、能量以及信息交換的系統(tǒng)。西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境屬于開放的系統(tǒng)。首先，它與外界存在著物質(zhì)交換。以塔里木河流域為例，塔里木河流域總面積102萬km2，灌區(qū)面積1 255 400 hm2，其中農(nóng)田灌溉面積951 466．7 hm2，人工林草灌溉面積303 933．5 hm2。人類引用河水進行灌溉，輸出水資源以發(fā)展社會經(jīng)濟，而灌溉水又會遵循自然規(guī)律滲漏為地下水或者以大氣水的形式回歸生態(tài)環(huán)境，匯入河流之中，形成了內(nèi)陸河水資源—人類灌溉—回歸水形態(tài)的物質(zhì)交換模式［3］。其次，內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境與外界有能量交換。黑河是我國西北地區(qū)較大的一條內(nèi)陸河，在河流中、上游規(guī)劃了8座梯級水電站。人類利用設(shè)施建設(shè)，將河流所帶來的水能，轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟社會所需的電能，而經(jīng)濟社會發(fā)展到一定程度，也會根據(jù)生態(tài)環(huán)境的發(fā)展程度提供能量反饋措施，如筑壩固定河道，穩(wěn)定水源，防止內(nèi)陸河水被沙漠吞噬。從表面上看，能量流動是單向的，內(nèi)陸河到經(jīng)濟社會，這是由于能量在經(jīng)濟社會發(fā)展中以不同的形式散失掉，經(jīng)濟社會與生態(tài)環(huán)境的能量交換只能以不對稱的形式交換。最后，還存在著信息交換。塔里木河流域山區(qū)，分布著許多珍稀野生動物，而各水系中，也分布有多種土著魚類種群。這是塔里木河向外界不斷傳遞信息導(dǎo)致的結(jié)果。水是生命之本，河流的存在，往往是生物種群繁衍的保障，內(nèi)陸河不斷地改道，傳遞出不同的生存信息，而生物種群就根據(jù)河流信息進化生存，生物鏈條的完善，也使河流本身維持著有序和諧的發(fā)展模式。西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境就是開放系統(tǒng)。

2．2 西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境處于遠離平衡有序狀態(tài)

普里戈金教授認為:開放系統(tǒng)具有3種狀態(tài):熱力學(xué)平衡態(tài)、近平衡態(tài)和遠離平衡態(tài)。若開放系統(tǒng)處于近平衡態(tài)，則其自發(fā)趨勢經(jīng)過擺動后仍回到平衡態(tài)。平衡結(jié)構(gòu)是指平衡態(tài)下靜態(tài)的穩(wěn)定化有序結(jié)構(gòu)［4］。西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境，除去人類活動的影響，就處于一個平衡態(tài)，與外界沒有物質(zhì)交換，宏觀體系的各部分在長時間內(nèi)不發(fā)生任何變化，動物、植物以及自然系統(tǒng)的各個部分，在長久的發(fā)展中，沒有消耗外界的物質(zhì)、能量來維持存在，也不會產(chǎn)生質(zhì)變形成新的有序結(jié)構(gòu)。但在實際中，西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境并不完全不受外界影響，人類生產(chǎn)等活動無時不在與其交換著物質(zhì)、能量，有人類活動的影響，西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境只能是一個非平衡結(jié)構(gòu)。非平衡結(jié)構(gòu)是活的結(jié)構(gòu)，是動態(tài)有序結(jié)構(gòu)，微觀上每個子系統(tǒng)在不停地變化運動，這種運動構(gòu)成了宏觀上穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。西北內(nèi)陸河生態(tài)系統(tǒng)包含著植物，動物、微生物和人類等子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)按照自然規(guī)律繁衍生息，但宏觀上又相互影響，相互交換能量，維持著整個內(nèi)陸河生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定向前發(fā)展。

2．3 西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境是一個自組織系統(tǒng)

自組織系統(tǒng)指無需外界特定指令而能自行組織、自行創(chuàng)生、自行演化，能自主地從無序走向有序，形成新的有序結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)［5］。自組織是說明系統(tǒng)中所包含的各個運動變化的子過程間的相互協(xié)作、競爭，使過程演化為有序。西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境包含特有的動物、植物、微生物和人類4個子系統(tǒng)，人類勞動耕作，不斷從動物，植物系統(tǒng)中獲取能量，以維持社會生活?！吧鷳B(tài)系統(tǒng)中的各級結(jié)構(gòu)，生物的種類，自行協(xié)調(diào)、自我組織，形成一個具有自我調(diào)節(jié)功能的系統(tǒng)。生物物種和氣候形成的春天生長、秋收冬眠、花開花落、四季循環(huán)正是非平衡系統(tǒng)中的時、空有序態(tài)?！保?］西北內(nèi)陸河中下游地區(qū)，人類集約發(fā)展，依托河流水源形成了一定規(guī)模的綠洲，組成了一個具有自我調(diào)節(jié)功能的內(nèi)陸河流域子系統(tǒng)。綠洲靠河流生存，以河流水源的多少而變化，河流也依托綠洲而保持水系的完整和穩(wěn)定，人類等物種繁衍、自我更新，都依綠洲的規(guī)模發(fā)展，內(nèi)陸河流域生態(tài)系統(tǒng)是由各個大小不一的綠洲系統(tǒng)組成，綠洲有序發(fā)展，調(diào)節(jié)內(nèi)陸河生態(tài)系統(tǒng)的自然演化有序發(fā)展，形成新的有序結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

2．4 西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境是非線性的動力學(xué)過程

達爾文生物進化論中指出:物競天擇，適者生存的自然規(guī)律。這說明生物與環(huán)境之間是非線性相互作用的關(guān)系。非線性系統(tǒng)具有非均勻性、非對稱性和相干性［7］。組成西北內(nèi)陸河生態(tài)系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)是相互聯(lián)系、相互作用的。任何一個子系統(tǒng)狀態(tài)的變化最終會影響整個西北內(nèi)陸河流域的生態(tài)系統(tǒng)。例如塔里木河流域的樓蘭文明，黑河流域的黑水城，由于人為原因加上自然原因，富有生機的綠洲文明消失，風(fēng)沙橫行，植被枯死，完全改變了區(qū)域內(nèi)陸河流域的生態(tài)環(huán)境。內(nèi)陸河生態(tài)系統(tǒng)總體的特征和活動方式，是通過各個子系統(tǒng)相互聯(lián)系、相互作用、相互制約過程中表現(xiàn)出來。但各子系統(tǒng)獨立的特征和活動的總和，并不能反映系統(tǒng)整體的特征和活動方式。內(nèi)陸河動物或植物系統(tǒng)的單獨特征并不能完全反映內(nèi)陸河生態(tài)系統(tǒng)整體特征，作為獨立存在的系統(tǒng)時又有質(zhì)的區(qū)別。也就是說，這些子系統(tǒng)作用的綜合是不能用線性方程描述出來的，通常是一種非線性的耦合作用［8］。正是由于內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)存在著非線性的相互作用，各個子系統(tǒng)按照生物進化規(guī)律出現(xiàn)漲落，不斷與外界交換物質(zhì)、能量、信息，引入自我發(fā)展所需的負熵流，同時影響整個生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)發(fā)生波動，產(chǎn)生連環(huán)效應(yīng)，使各個子系統(tǒng)之間產(chǎn)生協(xié)同作用，使生態(tài)系統(tǒng)不斷更新完善，從雜亂無章變?yōu)榫挥行颉?/p>

3 西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境補償應(yīng)用耗散結(jié)構(gòu)的分析

耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用在環(huán)境保護中，從不同角度對生態(tài)環(huán)境進行分析研究，尋求更完善的環(huán)境保護方法。運用耗散結(jié)構(gòu)理論分析西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境，不僅是由于西北內(nèi)陸河處于典型的生態(tài)環(huán)境中，還因為西北內(nèi)陸河流域的經(jīng)濟社會和人類活動并沒有如東南沿海地區(qū)受到的外來能量過度影響。可以較為清楚的區(qū)分環(huán)境內(nèi)部正熵與外部引入負熵的范圍，在衡量耗散結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)的程度時，可以更明確生態(tài)補償在環(huán)境保護中的作用。

3．1 自然環(huán)境典型性分析

我國西北內(nèi)陸河有近千條，較長的規(guī)模較大的有塔里木河、伊犁河、疏勒河、黑河和石羊河。其流域地區(qū)大多深居大陸內(nèi)部，距海洋遙遠，降水稀少，流域內(nèi)形成了廣大的荒漠、戈壁，依靠山區(qū)降水和冰雪融水為荒漠地區(qū)提供水源［9］。內(nèi)流河下游深居內(nèi)陸，降水量稀少，蒸發(fā)量大;大部分地區(qū)植被覆蓋度低，生態(tài)環(huán)境破壞后不易恢復(fù)。環(huán)境內(nèi)部正熵就來源環(huán)境的自然進化，氣候等自然條件的微小變動都會影響整個西北內(nèi)陸河流域的生態(tài)環(huán)境，影響流域內(nèi)動物、植物等子系統(tǒng)的自然活動，而負熵的引入沒有形成規(guī)模，環(huán)境耗散結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)就會向消極方向發(fā)展。不排除自然因素會不確定的突然強烈影響生態(tài)環(huán)境，從而改變消極的穩(wěn)定狀態(tài)。但是，從宏觀上看，西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境只是消極地向前發(fā)展，因此，引入生態(tài)補償作為積極的負熵流，可以有效沖抵環(huán)境內(nèi)部的正熵，使西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)有序發(fā)展。生態(tài)補償引入人類影響力，可以有效改善因環(huán)境自然進化引發(fā)的惡劣環(huán)境，修復(fù)被破壞的自然生態(tài)系統(tǒng)，用自然手段修復(fù)自然環(huán)境。例如在西北內(nèi)陸河流域進行的退耕還林還草，修復(fù)濕地，保護瀕危物種，引入新物種，補償水源等等手段，使生態(tài)環(huán)境按照自然規(guī)律進行自我修復(fù)，增強環(huán)境承載力。

3．2 經(jīng)濟環(huán)境典型性分析

西北地區(qū)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)以工業(yè)為主，農(nóng)牧業(yè)為輔，第三產(chǎn)業(yè)一定程度上有所發(fā)展。主要以內(nèi)部經(jīng)濟發(fā)展為主，受地理條件限制，西北地區(qū)與外界溝通不便，嚴(yán)重制約了西北地區(qū)與外界的經(jīng)濟交流，2001年，西北地區(qū)無論是進、出口貿(mào)易總額還是外商直接投資都遠遠低于全國平均水平［10］。所以，西北地區(qū)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)單一，環(huán)境與人類社會的物質(zhì)、能量交換現(xiàn)象清晰，基于耗散結(jié)構(gòu)理論分析西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境補償具有典型性。具體來說，對西北內(nèi)陸河流域生態(tài)補償進行耗散結(jié)構(gòu)分析，所考慮的外部引入負熵流就僅僅存在于西北地區(qū)內(nèi)部的經(jīng)濟中，而外部投資就可以忽略不計。具體來說，西北內(nèi)陸河流域地區(qū)主要依靠的是當(dāng)?shù)卣斦D(zhuǎn)移支付手段。運用經(jīng)濟手段直接作用于環(huán)境，修建防護設(shè)施，限制人類活動過度影響環(huán)境。在耗散結(jié)構(gòu)中，對生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定狀態(tài)進行政府轉(zhuǎn)移支付，抵消環(huán)境內(nèi)部正熵流，使西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境的負熵流值增大。由于資金有限，雖然不能全面解決生態(tài)環(huán)境正熵的增長所產(chǎn)生的環(huán)境問題，但總會促使生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定狀態(tài)向積極方向發(fā)展。

4 耗散結(jié)構(gòu)在西北內(nèi)陸河環(huán)境補償中的應(yīng)用

生態(tài)補償，狹義上是指對破壞了的自然生態(tài)環(huán)境本身的補償。我國主要是通過政府轉(zhuǎn)移支付的手段來實現(xiàn)，而在國際上通用的是“生態(tài)服務(wù)付費”或生態(tài)效益付費，生態(tài)服務(wù)功能是其核心和目標(biāo)，付費是手段，調(diào)整的也是保護者和受益者的環(huán)境及其經(jīng)濟利益關(guān)系。通過前文的分析，可知西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)是耗散結(jié)構(gòu)，可以基于耗散結(jié)構(gòu)理論對西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境進行生態(tài)補償。生態(tài)補償作為引入西北內(nèi)陸河環(huán)境中負熵流的重要手段，能有效促進西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境由無序向有序發(fā)展。通過圖1具體分析耗散結(jié)構(gòu)在西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境補償中的應(yīng)用。

圖1 耗散結(jié)構(gòu)在西北內(nèi)陸河環(huán)境補償中的應(yīng)用示意圖Fig．1 The application of dissipative structure in ecological compensation in the northwest inland river area

1)如果 λ 小于某一特定值 λc，即 λ ＜ λc，那么系統(tǒng)就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，這種狀態(tài)可以是曲線(a)上的任意一點。λ具體到西北內(nèi)陸河生態(tài)系統(tǒng)中，代表人類活動對其生態(tài)系統(tǒng)的影響程度，λc則是指生態(tài)環(huán)境的最大承載力，也就是環(huán)境容量。環(huán)境容量的定義為:在確保人類生存和自然生態(tài)不致受害的前提條件下，環(huán)境所能容納的污染物質(zhì)的最大負荷量．其值通常是根據(jù)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境自凈能力以及環(huán)境背景值等參數(shù)估算出來的［11］。也就是說，當(dāng)人類對環(huán)境的影響力不超過環(huán)境容量值A(chǔ)點時，西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境就處于一個穩(wěn)定的生態(tài)結(jié)構(gòu)中，人與自然和諧共處。

2)當(dāng)λ≥λc，系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)(a)就開始變得極不穩(wěn)定，如虛線(b)所示;此時一個微小的擾動或漲落都會使系統(tǒng)跳躍到新的穩(wěn)定狀態(tài)(c)或(c')上。西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境各個子系統(tǒng)不會保持同一狀態(tài)不變，各子系統(tǒng)微小的變動都會影響整個生態(tài)系統(tǒng)，若微小變動對環(huán)境產(chǎn)生積極影響，則原有的穩(wěn)定狀態(tài)(a)就會進化成新的有序結(jié)構(gòu)(c)，反之則為(c')。例如人類大規(guī)模植樹造林和自然災(zāi)害的影響會產(chǎn)生不同后果。目前西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)就處于A－C的相對穩(wěn)定態(tài)，但如果不及時治理就會有向(e')發(fā)展的趨勢，生態(tài)補償?shù)闹饕蝿?wù)就是促使生態(tài)環(huán)境恢復(fù)到A－B的穩(wěn)定態(tài)，并向(d')方向發(fā)展。

3)生態(tài)環(huán)境補償作為保護西北內(nèi)陸河流域的重要手段，介入耗散結(jié)構(gòu)主要是在點A－B或者點A－C的過程中。其中設(shè)定的點A，B，C都是作為一特定的閾值存在，就是西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境的環(huán)境容量處于飽和狀態(tài)的特定狀態(tài)。A－B和A－C的過程不是固定的，而是各種能量、信息、物質(zhì)相互作用、相互制約的過程，也是西北內(nèi)陸河環(huán)境外部引入的負熵流與其內(nèi)部正熵流相互抵消的過程，生態(tài)環(huán)境補償作為具有積極意義的負熵流將在這個過程中介入耗散結(jié)構(gòu)，融合環(huán)境正熵與引入負熵之間的積極內(nèi)容，抵消消極內(nèi)容，促使西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)由較低級的穩(wěn)定向高級穩(wěn)定系統(tǒng)進化。

5 結(jié)語

西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境是一個耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，是一個包含很多子系統(tǒng)的復(fù)雜的開放系統(tǒng)，各子系統(tǒng)相互影響、相互制約使整個生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的演化過程處于非平衡有序狀態(tài)，與各子系統(tǒng)之間產(chǎn)生的非線性作用，使西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)隨各子系統(tǒng)的漲落產(chǎn)生波動，向有序狀態(tài)不斷發(fā)展。西北內(nèi)陸河生態(tài)補償是更新西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境耗散結(jié)構(gòu)的重要手段。生態(tài)補償作為最直接的引入負熵流抵消對生態(tài)環(huán)境內(nèi)部所產(chǎn)生的影響其有序發(fā)展的正熵流的途徑，使西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境由穩(wěn)定態(tài)—非穩(wěn)定態(tài)—更新穩(wěn)定態(tài)進一步發(fā)展。面對西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的現(xiàn)實狀況，政府轉(zhuǎn)移支付并不能完全解決西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境所產(chǎn)生的問題，需在現(xiàn)有的生態(tài)補償制度上，進一步引進生態(tài)服務(wù)付費的補償體制，增加資金投入力度，用經(jīng)濟手段限制人為破壞環(huán)境的行為，促使西北內(nèi)陸河生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)有序和諧發(fā)展。

［1］ 宋毅，何國祥．耗散結(jié)構(gòu)論［M］．北京:中國展望出版社，1986．

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