木合塔爾?艾買提 肖鵬南 徐濤

摘要： 為評(píng)價(jià)湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)和影響因素，基于熵值法和耗散結(jié)構(gòu)理論，建立了糧食生產(chǎn)系統(tǒng)正、負(fù)熵值計(jì)算指標(biāo)體系。研究結(jié)果表明：①湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)具有開放性、遠(yuǎn)離平衡性、熵流非線性、漲落現(xiàn)象等特征，滿足耗散結(jié)構(gòu)理論條件。②2000-2016年湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)熵為0.893，外熵為-0.905，系統(tǒng)總熵-0.012，系統(tǒng)處于有序發(fā)展?fàn)顟B(tài)。③單位面積糧食產(chǎn)量是反映內(nèi)熵的主要因素，農(nóng)民人均純收入和政府糧食最低收購(gòu)價(jià)是影響外熵的主要因素。④2000-2016年湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)熵不斷增加，系統(tǒng)總熵逐漸減小，系統(tǒng)向有序態(tài)方向發(fā)展。⑤湖北省糧食生產(chǎn)能力不斷提高，2016年湖北省生產(chǎn)的糧食能養(yǎng)活大約為7×107人?？傊?，基于耗散結(jié)構(gòu)理論的糧食生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)判斷結(jié)果較為科學(xué)、符合實(shí)際，能準(zhǔn)確地反映糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展情況。

關(guān)鍵詞： 糧食生產(chǎn)系統(tǒng);耗散結(jié)構(gòu)理論;熵值法

中圖分類號(hào)： X24?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A?? 文章編號(hào)： 1000-4440（2021）04-1043-08

Based on dissipative structure theory analysis about development status of grain production system

Muhtar·AMAT1， XIAO Peng-nan2， XU Tao2

（1.College of Life and Geography Sciences， Kashi University， Kashi 844006， China;2.College of Urban & Environment Sciences， Central China Normal University， Wuhan 430079，China）

Abstract： To evaluate the development status and influencing factors of grain production system in Hubei province， calculation index system of positive and negative entropy values for grain production system was established based on entropy method and dissipative structure theory. The results showed that， firstly， the grain production system of Hubei province had the characteristics such as openness， far from equilibrium state， nonlinear entropy flow， non-linearity and fluctuation， which met the theoretical conditions of dissipative structure. Secondly， the internal entropy of the grain production system in Hubei province was 0.893， the external entropy was -0.905 and the total entropy was -0.012 in 2000-2016， the grain production system was in an orderly development state. Thirdly， the grain production per unit area was the main factor reflecting internal entropy， the farmers′ per capita net income and the governmental lowest purchasing price for grain were the main factors affecting external entropy. Fourthly， in 2000-2016， the negative entropy of grain production system in Hubei province increased continuously， the total entropy of the system decreased gradually and the system developed towards orderly state. Fifthly， the grain production capacity of Hubei province increased continuously. In 2016， grain produced in Hubei province could feed about 70 million people. In conclusion， the development status of grain production system judged by the dissipative structure theory is relatively scientific and practical， which can reflect the development of the grain production system accurately.

Key words： grain production system;dissipative structure theory;entropy method

糧食是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是生產(chǎn)活動(dòng)的產(chǎn)物之一。糧食生產(chǎn)是人類最基礎(chǔ)的生產(chǎn)活動(dòng)，糧食生產(chǎn)與自然和社會(huì)之間存在著復(fù)雜的關(guān)系。糧食與其所處的外部環(huán)境共同形成了糧食生產(chǎn)系統(tǒng)，糧食生產(chǎn)系統(tǒng)是開放，輸入-輸出層次分明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，受到人文因素和自然因素的共同影響，不斷地發(fā)生變化的社會(huì)系統(tǒng)。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)是人地系統(tǒng)的一部分，它的發(fā)展情況能反應(yīng)人口（P）、資源（R）、環(huán)境（E）和發(fā)展（D）的關(guān)系[1]和發(fā)展?fàn)顟B(tài)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口迅速膨脹，人類對(duì)糧食的需求不斷增加，加之資源枯竭、生態(tài)失衡、環(huán)境惡化等問題，人地矛盾越來(lái)越突出[2-3]。在這一大背景下，研究區(qū)域糧食生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展情況和影響因素，具有十分重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

耗散結(jié)構(gòu)理論的創(chuàng)立人是比利時(shí)科學(xué)家普利高津。他認(rèn)為：一個(gè)遠(yuǎn)離平衡的開放體系，通過(guò)與外界交換物質(zhì)和能量，在外界條件變化達(dá)到一定閾值時(shí)，能從原來(lái)的無(wú)序狀態(tài)變?yōu)闀r(shí)間、空間或功能的有序狀態(tài)，這種非平衡條件下的、穩(wěn)定的、有序的結(jié)構(gòu)稱為耗散結(jié)構(gòu)[4]。此后湛懇華等[5]和劉瑞顯等[6]利用耗散結(jié)構(gòu)理論解決了經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)等實(shí)際問題，在現(xiàn)實(shí)生活中解決了與自然科學(xué)相關(guān)的難題，而且在社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)也發(fā)揮了較好的作用。自1978年開始，耗散結(jié)構(gòu)理論被中國(guó)學(xué)者所接受，應(yīng)用于理論研究及實(shí)際應(yīng)用，并提出新概念和新方法，豐富了耗散結(jié)構(gòu)理論的內(nèi)容。李慧明[7]通過(guò)研究得出可采取提高資源開發(fā)利用的技術(shù)水平、資源循環(huán)使用等措施增加系統(tǒng)中的負(fù)熵流的結(jié)論。申維[8]利用耗散結(jié)構(gòu)、自組織、突變理論研究水資源、土地演變、生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展等地球科學(xué)問題，認(rèn)為耗散結(jié)構(gòu)理論是研究系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展和演變情況的最好方法之一。楊國(guó)華等[9]運(yùn)用耗散結(jié)構(gòu)理論研究半干旱生態(tài)區(qū)的生態(tài)建設(shè)，并得到形成復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定層級(jí)結(jié)構(gòu)。陳磊等[10]等運(yùn)用耗散結(jié)構(gòu)理論分析了四川省耕地生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)安全級(jí)別與演變趨勢(shì)，認(rèn)為耕地系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，其特征適合用耗散結(jié)構(gòu)理論來(lái)分析和說(shuō)明。此外，谷國(guó)鋒等[11]、程結(jié)晶等[12]應(yīng)用耗散結(jié)構(gòu)理論研究系統(tǒng)形成與演化機(jī)制，闡述數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的有序發(fā)展?fàn)顟B(tài)。目前，對(duì)糧食生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展及驅(qū)動(dòng)力的分析方法主要集中在主成分分析法[13]、系統(tǒng)生態(tài)學(xué)方法[14]、趨勢(shì)面分析方法[15]、耦合協(xié)調(diào)分析法[16]和系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法[17]等，運(yùn)用耗散結(jié)構(gòu)理論分析糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的研究比較少見。

耗散結(jié)構(gòu)理論用于開放的輸入-輸出系統(tǒng)，理論內(nèi)容清晰明了，計(jì)算步驟和方法較為簡(jiǎn)便，結(jié)果能較好地反應(yīng)系統(tǒng)情況，因此，耗散結(jié)構(gòu)理論現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于社會(huì)系統(tǒng)和城市系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的發(fā)展、土地結(jié)構(gòu)及生態(tài)效應(yīng)、人與資源系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性、水資源利用和分配、糧食生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演化及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究等領(lǐng)域[18-19]。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)對(duì)國(guó)家和區(qū)域發(fā)展具有基礎(chǔ)性影響，借鑒熵值法和耗散結(jié)構(gòu)理論定量研究地域糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r具有一定的科學(xué)價(jià)值。本研究運(yùn)用耗散結(jié)構(gòu)理論，評(píng)價(jià)湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)耕地資源、處理人地關(guān)系、制定發(fā)展規(guī)劃等方面提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 熵值法

德國(guó)物理學(xué)家克勞修斯于1850年首次提出熵的概念，將其作為熱力學(xué)過(guò)程不可逆程度的一種量度[20]。經(jīng)過(guò)許多科學(xué)家的研究和分析熵的概念得到進(jìn)一步的發(fā)展，特別是玻爾茲曼和香農(nóng)等人從統(tǒng)計(jì)學(xué)和信息論的角度豐富了該理論包含的內(nèi)容和研究方法。在熱力學(xué)中，熵（S）是一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，描述動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的、不可逆的狀態(tài)，是一個(gè)表示研究對(duì)象演化特征和發(fā)展?fàn)顟B(tài)的指標(biāo)[21]。

S=klnW（1）

式（1）中，S是系統(tǒng)熵，k是玻爾茲曼常數(shù)，W是熱力學(xué)幾率。

1948年香農(nóng)將前人的成果予以總結(jié)，強(qiáng)調(diào)了“信息量”這個(gè)概念。他把信息熵與統(tǒng)計(jì)力學(xué)熵概念相聯(lián)系，將熵的概念引入信息論中，用熵值來(lái)表征信源的特性，給出了信息熵公式：

ej=-k∑ni=1pijlnpij，其中，k>0，k=1/lnn（2）

E=∑mj=1ejwj （j=1，2，3，…，m）（3）

式中，pij是j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的特征比重，ej是第j指標(biāo)的熵值，wj是第j指標(biāo)的權(quán)重，E是系統(tǒng)熵值。

一個(gè)系統(tǒng)的熵值或系統(tǒng)中各組成要素（指標(biāo)）的熵值可利用公式（2）和公式（3）計(jì)算并根據(jù)此值進(jìn)行評(píng)價(jià)。系統(tǒng)中某項(xiàng)指標(biāo)的熵值越大，意味著指標(biāo)提供的有效信息量越小，權(quán)重也越小，反之則越大。由熵值法的原理可知，各指標(biāo)的熵值在0與1之間。通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)熵指標(biāo)體系，在數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和指標(biāo)比重計(jì)算等數(shù)據(jù)處理[22-23]之后，計(jì)算得到由n個(gè)對(duì)象和m個(gè)指標(biāo)組成的一個(gè)系統(tǒng)的熵值。

1.2 耗散結(jié)構(gòu)理論

耗散結(jié)構(gòu)理論強(qiáng)調(diào)當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)接近平衡時(shí)原有的結(jié)構(gòu)就會(huì)趨于消亡，只有當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)離平衡時(shí)才能產(chǎn)生新的有序結(jié)構(gòu)。一個(gè)遠(yuǎn)離平衡的開放系統(tǒng)與外界交換物質(zhì)、能量才能發(fā)展變化。耗散結(jié)構(gòu)定義為：在遠(yuǎn)離平衡的條件下，借助于外界的能量流和物質(zhì)流而維持的一種空間或時(shí)間的有序結(jié)構(gòu)[24-25]。一個(gè)系統(tǒng)要處于耗散結(jié)構(gòu)，必須滿足4個(gè)條件，根據(jù)這些條件，耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可以概括為：在非平衡條件下，依靠物質(zhì)、能量、信息不斷輸入和輸出來(lái)維持其內(nèi)部非線性相互作用的有序系統(tǒng)[26-27]。根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，系統(tǒng)熵值變化受外部環(huán)境的影響，而影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定的熵可分為內(nèi)熵和外熵，系統(tǒng)熵可用以下模型來(lái)表示：

dS=diS+deS（4）

式4中dS為系統(tǒng)中總熵值的變化，diS為系統(tǒng)內(nèi)熵，deS為系統(tǒng)外熵。

內(nèi)熵是系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)展所導(dǎo)致的熵變化，也稱為熵產(chǎn)生（diS）;另一部分是系統(tǒng)與外界交換能量與物質(zhì)引起的熵變化， 稱為熵流（deS）。dS的大小取決于diS和deS的代數(shù)和。如果系統(tǒng)中總熵流為正值， 即dS>0， 則系統(tǒng)的無(wú)序程度將增加;如果系統(tǒng)中總熵流為負(fù)值， 即dS<0，則系統(tǒng)的有序程度將增加[28]。系統(tǒng)有序狀態(tài)是系統(tǒng)發(fā)展的目標(biāo)，通過(guò)采取各種措施和方法找出系統(tǒng)負(fù)熵源，進(jìn)而利用負(fù)熵系統(tǒng)，保證系統(tǒng)不斷向有序的方向發(fā)展。

2 糧食生產(chǎn)系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)特征剖析

2.1 糧食生產(chǎn)系統(tǒng)

糧食生產(chǎn)系統(tǒng)是由糧食生產(chǎn)活動(dòng)和影響糧食生產(chǎn)量的各種外部環(huán)境和因素組成的，具有滿足人類身體物質(zhì)需求的多因素、多目標(biāo)系統(tǒng)。人類的發(fā)展離不開糧食，隨著人類社會(huì)的發(fā)展，人口數(shù)量越來(lái)越多，人與糧食之間的關(guān)系越來(lái)越緊密，人依靠糧食生活，沒有糧食人類不會(huì)發(fā)展，甚至崩潰[29]。

糧食生產(chǎn)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、功能、組成要素以及組成要素之間的關(guān)系等方面符合系統(tǒng)的特征。它是由若干個(gè)要素組成，各要素之間存在相互關(guān)系，這種相互關(guān)系決定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可判斷系統(tǒng)功能。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)在耗散結(jié)構(gòu)理論下結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系以及與內(nèi)熵和外熵的交換如圖1所示。

在糧食生產(chǎn)系統(tǒng)中，人與糧食之間存在著相互依賴和相互促進(jìn)的關(guān)系。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)與外界不斷地進(jìn)行物質(zhì)和能量交換，從外界接受能量，同時(shí)也向外界釋放能量。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的信息熵為內(nèi)熵，而外界產(chǎn)生的信息熵為外熵，外熵和內(nèi)熵之間的關(guān)系是投入-產(chǎn)出關(guān)系。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)是以人為主的，以糧食生產(chǎn)為目標(biāo)的，以人類的勞動(dòng)和技術(shù)為投入量和耕地的糧食產(chǎn)量為產(chǎn)出量的耦合系統(tǒng)。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的有序發(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)穩(wěn)定、生態(tài)安全、國(guó)家綜合實(shí)力增強(qiáng)等都有不可缺少的作用。

2.2 糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)特征

2.2.1 開放性特征 糧食生產(chǎn)系統(tǒng)是開放系統(tǒng)，是人地系統(tǒng)的子系統(tǒng)。糧食系統(tǒng)在發(fā)展過(guò)程中離不開人類社會(huì)和自然界的物質(zhì)和能量投入。人類在生產(chǎn)生活過(guò)程中不斷地對(duì)周圍外部環(huán)境投入物質(zhì)、能量和信息，也不斷地從環(huán)境中得到生存必須的物質(zhì)、能量和信息。所以，糧食生產(chǎn)系統(tǒng)不斷地跟外部環(huán)境進(jìn)行聯(lián)系以保持自身健康有序的發(fā)展。

2.2.2 遠(yuǎn)離平衡態(tài)特征 根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，任何系統(tǒng)若要處于遠(yuǎn)離平衡態(tài)，必須與外界進(jìn)行能量交換。對(duì)于糧食生產(chǎn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如果糧食生產(chǎn)系統(tǒng)處于平衡態(tài)或接近平衡態(tài)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)衰落甚至滅亡，但是糧食生產(chǎn)系統(tǒng)總是不斷地接收外部能量，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)離平衡態(tài)。所以糧食生產(chǎn)系統(tǒng)不斷地產(chǎn)生正熵（內(nèi)熵），并從外界接收負(fù)熵（外熵），由此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的“新陳代謝”。

2.2.3 非線性特征 糧食生產(chǎn)系統(tǒng)在發(fā)展過(guò)程中會(huì)受到自然、人文等多種因素的影響。人地之間的相互作用紛繁復(fù)雜，無(wú)法用簡(jiǎn)單的線性原理進(jìn)行分析。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)正是通過(guò)復(fù)雜的非線性能量交換，不斷地調(diào)整結(jié)構(gòu)，從原來(lái)的結(jié)構(gòu)逐步穩(wěn)定到新的耗散結(jié)構(gòu)。

2.2.4 漲落特征 自然、人文等多種因素的變化都會(huì)對(duì)糧食生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，這些因素的漲落變化使糧食生產(chǎn)系統(tǒng)也出現(xiàn)漲落現(xiàn)象。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)由于受到人為因素及自然因素的影響，系統(tǒng)中的內(nèi)部要素之間以及子系統(tǒng)之間都為非線性關(guān)系。農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷地調(diào)整使糧食生產(chǎn)系統(tǒng)向著非線性方向發(fā)展。因此糧食生產(chǎn)系統(tǒng)具備漲落特征，是個(gè)耗散結(jié)構(gòu)。

3 糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的熵與分析

3.1 糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的熵

根據(jù)熵理論和耗散結(jié)構(gòu)理論，要分析糧食生產(chǎn)系統(tǒng)是否形成耗散結(jié)構(gòu)，需要分析該系統(tǒng)中熵的構(gòu)成。跟其他耗散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)一樣，糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的熵由來(lái)自于系統(tǒng)內(nèi)部的正熵以及來(lái)源于外部環(huán)境的負(fù)熵構(gòu)成。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的正熵是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的不利于系統(tǒng)發(fā)展的信息量。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的內(nèi)部熵由糧食生產(chǎn)量的變化熵和人口的變化熵2個(gè)部分組成，將2個(gè)熵合二為一，更具有代表性，因此用人均糧食生產(chǎn)量代表系統(tǒng)的內(nèi)部熵。糧食生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)熵（diS）的計(jì)算公式為：

diS=糧食生產(chǎn)量（產(chǎn)出）（5）

糧食生產(chǎn)系統(tǒng)外熵主要表現(xiàn)為系統(tǒng)與環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的關(guān)系，因此它主要包括耕地資源（deS1）、科技投入水平（deS2）、區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展（deS3）、環(huán)境質(zhì)量（deS4）。因此， 糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的負(fù)熵計(jì)算公式為：

deS=deS1+deS2+deS3+deS4（6）

為了對(duì)糧食生產(chǎn)系統(tǒng)是否形成耗散結(jié)構(gòu)進(jìn)行判定，本研究建立了可從整體上代表糧食生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境的，并可用于評(píng)價(jià)的正、負(fù)熵指標(biāo)體系。構(gòu)建對(duì)系統(tǒng)正熵指標(biāo)體系的依據(jù)從整體上來(lái)說(shuō)就是系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行所涉及到的各種行為及要素。對(duì)于糧食生產(chǎn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，人是影響正熵的主要因素，提高糧食產(chǎn)量滿足人對(duì)糧食的需求為目的，保護(hù)耕地質(zhì)量的前提下增加經(jīng)濟(jì)收入是糧食系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此糧食系統(tǒng)正熵指標(biāo)包括人均糧食產(chǎn)量等5個(gè)指標(biāo);構(gòu)建負(fù)熵指標(biāo)體系的依據(jù)是系統(tǒng)運(yùn)行所面臨的各種外部環(huán)境要素，以糧食生產(chǎn)系統(tǒng)與外部環(huán)境的直接關(guān)系為依據(jù)，從經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境、技術(shù)等方面考慮，構(gòu)建由森林覆蓋率和人均GDP等12個(gè)指標(biāo)所構(gòu)成的負(fù)熵指標(biāo)體系（表1）。

表1中的17個(gè)指標(biāo)中生態(tài)環(huán)境狀況指數(shù)和水質(zhì)量達(dá)標(biāo)率指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)自于湖北省環(huán)境質(zhì)量公報(bào)（2001-2017年），政府糧食最低收購(gòu)價(jià)數(shù)據(jù)來(lái)自于湖北省人民政府網(wǎng)站，耕地面積數(shù)據(jù)來(lái)自于湖北省國(guó)土資源綜合統(tǒng)計(jì)年報(bào)（2001-2017年），其余指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)自于湖北省統(tǒng)計(jì)年鑒（2001-2017年）、湖北省國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展公報(bào)（2001-2017年）及中國(guó)農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒、湖北農(nóng)村統(tǒng)計(jì)年鑒等書籍及中國(guó)知網(wǎng)、國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、湖北省統(tǒng)計(jì)局等網(wǎng)站。

3.2 湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)熵值與分析

根據(jù)熵值法模型和計(jì)算步驟[30-31]，算出湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)各指標(biāo)的熵值和17年的正熵值和負(fù)熵值，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由表2可知，糧食生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)熵值為 0.893，熵值較高，糧食生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部信息交換關(guān)系較強(qiáng)，系統(tǒng)內(nèi)部單位面積糧食產(chǎn)量的熵權(quán)值較大，表明產(chǎn)出要素中主要的要素熵值最?。?.652），對(duì)糧食系統(tǒng)熵值作用較大，反映的內(nèi)部信息量最多;耕地土壤有機(jī)質(zhì)含量熵權(quán)值為0.085，產(chǎn)出指標(biāo)中信息量較小。糧食系統(tǒng)外熵值為-0.905，絕對(duì)值高于系統(tǒng)內(nèi)熵值，系統(tǒng)總熵值為-0.012（dS<0），表明糧食生產(chǎn)系統(tǒng)與外部環(huán)境的信息交換超過(guò)內(nèi)部信息交換量，系統(tǒng)發(fā)展的外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)發(fā)展作用較大。負(fù)熵指標(biāo)中糧食作物播種面積、有效灌溉面積、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)民人均純收入、政府糧食最低收購(gòu)價(jià)、水質(zhì)量達(dá)標(biāo)率的熵值絕對(duì)值大于內(nèi)熵值，表明這些因素對(duì)湖北省糧食生產(chǎn)的影響或作用較大。

3.3 湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)態(tài)

為了解湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)年度發(fā)展情況，以人均糧食產(chǎn)量為基礎(chǔ)，確定糧食消費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)（350 kg≤溫飽水平<400 kg，小康水平≥400 kg），結(jié)合糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的年度熵值，判斷湖北省年度（2001-2017年）糧食生產(chǎn)系統(tǒng)狀態(tài)和糧食消費(fèi)水平，結(jié)果見表3。

根據(jù)熵值計(jì)算模型可以斷定，系統(tǒng)年度熵值取值范圍是[0，1]，按照極值法規(guī)定糧食生產(chǎn)系統(tǒng)熵值在[0，0.17）系統(tǒng)處于遠(yuǎn)離平衡態(tài)，在[0.17，0.34）系統(tǒng)處于基本遠(yuǎn)離平衡態(tài)，在[0.34，0.68）系統(tǒng)處于過(guò)渡態(tài)（如果大于0.51，靠近平衡態(tài);小于0.51，遠(yuǎn)離平衡態(tài)），在[0.68，0.85）系統(tǒng)處于基本平衡態(tài)，在[0.85，1.00]系統(tǒng)處于平衡態(tài)。

由表3可知，2000年湖北省糧食生產(chǎn)的人-糧發(fā)展水平處于溫飽狀態(tài)，小康水平標(biāo)準(zhǔn)下的超載人口約為9.976×106人，2008年超載人口約為1.429 3×106人，而且2002年和2003年超載人口已分別達(dá)到5.545×106人和8.824 5×106人，表明2000年至2008年湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)人口壓力較大。2009年，湖北省糧食生產(chǎn)水平已達(dá)到每人403.69 kg，糧食消費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)已達(dá)到小康水平，并且糧食產(chǎn)量已經(jīng)滿足當(dāng)年人口（5.720×107人）的需求。2009年至2015年，湖北省糧食消費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)維持在小康水平，小康負(fù)超載人口數(shù)不斷上升，在2015年達(dá)到了最高值，為9.067×106人，表明湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)人口壓力越來(lái)越小。

由圖2可知，以人均糧食生產(chǎn)水平為標(biāo)準(zhǔn)，湖北省糧食生產(chǎn)分2個(gè)階段：2000年至2008年平均糧食生產(chǎn)量均小于400 kg，糧食生產(chǎn)處于溫飽水平，是人口壓力不斷增大的階段;2009年至2016年平均糧食產(chǎn)量均多余400 kg，糧食生產(chǎn)處于小康水平。湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)負(fù)熵（外熵）值從2000年的-0.552增加到2016年的-0.718，其中最高值出現(xiàn)在2014年，外熵值為-0.722，系統(tǒng)總熵值從0.45下降到0.17，表明湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)向有序狀態(tài)發(fā)展。

根據(jù)熵值法和耗散結(jié)構(gòu)理論評(píng)價(jià)糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的結(jié)果能較好地反映糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的特征和發(fā)展?fàn)顟B(tài)。糧食生產(chǎn)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，由此產(chǎn)生的負(fù)熵大于自身發(fā)展過(guò)程產(chǎn)生的正熵，才能形成漲落現(xiàn)象，系統(tǒng)總熵逐步減少，無(wú)序程度降低，糧食生產(chǎn)系統(tǒng)向更高的有序發(fā)展。

湖北糧食生產(chǎn)系統(tǒng)中單位面積糧食產(chǎn)量是主要的系統(tǒng)產(chǎn)出指標(biāo)，反映的信息量較多。湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)熵為0.893，外熵為-0.905，總熵值為-0.012，處于有序發(fā)展階段，還未達(dá)到高效率有序運(yùn)行的狀態(tài)。研究階段內(nèi)糧食生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)不斷發(fā)生變化，系統(tǒng)逐漸遠(yuǎn)離平衡，尤其是2009年以后系統(tǒng)處于向遠(yuǎn)離平衡發(fā)展的過(guò)渡狀態(tài)。湖北省是中國(guó)糧食生產(chǎn)基地之一，本研究結(jié)果比較符合實(shí)際，較好地反映了湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，說(shuō)明用耗散結(jié)構(gòu)理論與熵值法對(duì)糧食生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)價(jià)是可行的，在評(píng)價(jià)過(guò)程中得到的各參數(shù)能夠反映出湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)生產(chǎn)能力的整體發(fā)展?fàn)顩r。

糧食生產(chǎn)系統(tǒng)滿足耗散結(jié)構(gòu)理論的條件。湖北省糧食生產(chǎn)系統(tǒng)是一個(gè)開放系統(tǒng)，處于遠(yuǎn)離平衡態(tài)，通過(guò)與外部較復(fù)雜的能量交換，系統(tǒng)出現(xiàn)漲落現(xiàn)象，系統(tǒng)不斷向完善有序態(tài)發(fā)展。湖北省糧食產(chǎn)量影響因素主要有糧食作物播種面積、有效灌溉面積、農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力、地區(qū)生產(chǎn)總值、農(nóng)民人均純收入、政府糧食最低收購(gòu)價(jià)、水質(zhì)量達(dá)標(biāo)率。為進(jìn)一步提高糧食生產(chǎn)水平，湖北省要擴(kuò)大糧食作物播種面積，增加農(nóng)業(yè)技術(shù)投入量，發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)，提升環(huán)境質(zhì)量。從2000年到2016年，糧食生產(chǎn)系統(tǒng)熵值的發(fā)展趨勢(shì)較為理想，熵值不斷減小，發(fā)展?fàn)顟B(tài)較好，而且系統(tǒng)狀態(tài)向著結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、更加有序的方向發(fā)展。

本研究從耗散結(jié)構(gòu)理論出發(fā)，探討了糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)特征，并將其用于糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)評(píng)估之中， 為湖北省糧食生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展研究提供了一個(gè)新的視角和研究方法。耗散結(jié)構(gòu)理論較好地指出了湖北省糧食生產(chǎn)的主要影響因素，只有在耕地資源、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)技術(shù)投入等方面加大力度，提高糧食生產(chǎn)量，才能保證人糧系統(tǒng)的有序發(fā)展。研究結(jié)果對(duì)于制定糧食生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略、保護(hù)耕地資源、提高糧食產(chǎn)量等方面有一定的參考價(jià)值。

4 結(jié)論

耗散結(jié)構(gòu)理論與熵值法[32-34]相結(jié)合對(duì)糧食生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的分析結(jié)果較為科學(xué)、符合實(shí)際，能準(zhǔn)確地反映糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展情況。該方法在制定糧食生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)發(fā)展計(jì)劃、保護(hù)耕地資源、提高糧食生產(chǎn)等方面有一定的理論和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

在構(gòu)建糧食生產(chǎn)系統(tǒng)正熵指標(biāo)時(shí)可以考慮人口、人口增長(zhǎng)率、糧食總產(chǎn)量、單位面積糧食產(chǎn)量、人均糧食增長(zhǎng)率等指標(biāo)，但我們認(rèn)為這些指標(biāo)數(shù)據(jù)在總體上能夠反映人均糧食生產(chǎn)情況，人均糧食產(chǎn)量就能直接反映糧食生產(chǎn)系統(tǒng)自身發(fā)展情況。選擇負(fù)熵指標(biāo)時(shí)從經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、技術(shù)、資源4個(gè)方面選擇要素，但影響糧食生產(chǎn)的要素較多，可能還有農(nóng)戶行為、農(nóng)戶素質(zhì)和市場(chǎng)價(jià)格波動(dòng)等要素。研究中使用的有些指標(biāo)有包含關(guān)系，例如，生態(tài)環(huán)境指數(shù)包含森林覆蓋率等，或有些指標(biāo)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的影響不太明顯，如農(nóng)村用電量，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化肥使用量對(duì)糧食生產(chǎn)的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于農(nóng)藥使用量，但農(nóng)藥的合理使用一定程度上反映農(nóng)民的技術(shù)水平。不同指標(biāo)可能會(huì)對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生不確定的影響，為此正熵和負(fù)熵因素選擇要統(tǒng)籌考慮單要素指標(biāo)和綜合指標(biāo)。

對(duì)于糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的考察不局限于產(chǎn)量，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類的糧食消費(fèi)結(jié)構(gòu)在不斷地變化，糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的組成要素和要素之間的關(guān)系以及系統(tǒng)功能也在不斷地發(fā)生變化，以糧食產(chǎn)量為主要目標(biāo)的糧食生產(chǎn)系統(tǒng)難以適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)際需求，在今后研究中指標(biāo)的選擇和糧食生產(chǎn)系統(tǒng)的功能還需要進(jìn)一步的考慮。

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（責(zé)任編輯：張震林）

收稿日期：2020-09-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41271534）

作者簡(jiǎn)介：木合塔爾·艾買提（1982-），男，新疆喀什人，博士，副教授，主要從事人文地理與資源環(huán)境評(píng)價(jià)等研究。（E-mail）muhtar99@sina.com

通訊作者：肖鵬南，（E-mail）maikedang@mails.ccnu.edu.cn