沙化土地封禁保护区与经济社会系统耦合模型分析——基于耗散结构理论-王光耀.pdf

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1、王光耀等：沙化土地封禁保护区与经济社会系统耦合模型分析 187沙化土地封禁保护区与经济社会系统耦合模型分析基于耗散结构理论王光耀1，2，韦惠兰2(1石河子大学兵团屯垦戍边研究中心，新疆石河子832000；2兰州大学经济学院，甘肃兰州730000)摘要：基于耗散结构、熵以及耦合度等理论的基础上，建立分析沙化土地封禁保护区经济社会系统与生态系统的耦合模型。得出以下结论：一是封禁保护区是典型的耗散结构，需要不断地与外界进行物质、能量和信息的交换，理想的状态是建立经济社会与生态环境互为负熵的运行机制：二是可以运用“保护区一经济社会”复合系统耦合模型，进一步监测沙化土地封禁保护区的社会经济效益。关键词：

2、耗散结构；熵理论；封禁保护区；耦合度中图分类号：X24 文献标识码：A 文章编号：1671-4407(2017)11-18704The Evolution Analysis of the Coupling between Enclosed and Forbidden Reserves inDesertification Land and the Socio-Economic System：Based on the Dissipative Structure TheoryWANG Guangya01，2 WEI Huilan2(1XPCC Stationing&Cultivation Resea

3、rch Center，Shihezi University,Shihezi Xinjiang 832000，China；2School of Economics，Lanzhou University,Lanzhou Gansu 730000，China)Abstract：Based on the theory of dissipative structure，entropy theory and coupling degree，this paper establishes the modelof coupling degree for enclosed and forbidden reserv

4、es in desertification land in terms of the socio-economic and ecologicalsystemThis paperconelusions are drawn as follows：Firstly,as a typical dissipative structureenclosed and forbidden reservesin desertification land need constant exchange with the outside wodd in terms of materialenergy and inform

5、ationThe idealstate is to establish negative entropy operating mechanism regarding to local socioeconomy and ecology；secondly,it Can furthermonitor the social and economic benefits of enclosed and forbidden reserves in desertification landas use the model of couplingdegree for enclosed and forbidden

6、 reserves in desertification land in terms ofthe socioeconomic and ecological systemKey words：dissipative structure；entropy theory；enclosed and forbidden reserves：coupling degree1引言2013年财政部和国家林业局在甘肃、新疆、内蒙古等7个省区试点沙化土地封禁保护补助工作。该生态工程建设4年来取得了一定的示范效益，国家林业局于2015年5月出台了国家沙化土地封禁保护区管理办法，该项工程正式成为沙化土地治理的主要方式之一。

7、对沙化土地的封禁保护通过采取禁牧等特殊强制性的封禁手段和方式对不宜或不具备开发治理条件的连片沙化土地进行保护，使得保护区内生态系统的人为干扰得以减少或消除，促进自然修复。拟纳入封禁保护补助的区域需要满足：第一，保护区权属明确，集中连片，尚未被己实施的补助政策覆盖；第二，该沙化土地对当地的经济社会运行和人民群众生产生活影响很大，生态环境面临着进一步恶化的威胁等条件。1969年比利时物理化学家Prigogine提出耗散结构理论，并于1977年在与他人合著的非平衡系统的自组织书中系统总结了该理论。Leifer21认为耗散结构很好地解释了在非平衡条件下，组织从一种有序结构变换到新的有序结构的过程。自该

8、理论提出之后学界不断地扩展该理论的应用范围，Segel&Jackson31把该理论应用到生态学中解释猎物与天敌之间的相互作用关系，Gemmill&SmithHl运用耗散结构理论分析了现代组织变革内在机制与逻辑，Deng等【51使用耗散结构分析中国建筑节能产业发展，杨国华和崔彬【61运用耗散结构理论分析半干旱生态区的生态建设，解释了复合生态系统如何形成稳定层级结构。陈磊等p1运用耗散结构理论分析了四川省耕地生态系统的生态安全级别与演变趋势。张明国【81从系统结构的角度分析“五基金项目：新疆生产建设兵团社会科学基金项目“清代屯垦视域下新疆民族交流与主流文化认同”(13QN06)；甘肃省林业厅委托项

9、目“甘肃省沙化土地封禁保护区社会经济效益监测评估”(14GSLY01)；国家社会科学基金项目“清代新疆移民与社会变迁研究”(14CZS028)；教育部人文社会科学研究新疆项目“天山北坡经济区牧民可持续生计研究”(12xJJc850006)第一作者简介：王光耀(1983一)，男，河南周E1人，博士生，讲师，研究方向为人KI、资源与环境、生态经济。Email：wgy010261yeahnet通讯作者简介：韦惠兰(1952一)，女，陕西蒲城人，教授，博导，研究方向为人口、资源与环境、生态经济。E-mail：huilanwvip163com万方数据188 生态经济第33卷第1l期(2017年11月)

10、Ecological Economy，V0133，No1 1(November 2017)大发展”，认为其很好地符合了耗散结构理论，能很好地指导生态文明建设。此外，吴颖和车林杰【9】、卢艳芹和彭福扬10】、华坚等IH、谷国锋和张秀英m1、李国柱131分别从系统协同、自然与社会系统互动、生态环境开发、区域经济演化机制等对耗散结构做了理论阐述与案例分析。对于在荒漠生态系统中实施封禁保护补助工作，理论界一直有争论，争论的焦点集中在以下几个方面：第一，沙化土地封禁保护区能否使荒漠生态系统退化趋势得到有效的改善；第二，沙化土地封禁保护区能否产生生态服务效益，促进经济社会的发展；第三，如何评价沙化土地封禁

11、保护区的实施效果，能否建立相关模型。基于以上疑问，本文试图通过耗散结构的相关理论视角，分析沙化土地封禁保护区与社会经济系统耦合模型，以期抛砖引玉，促进理论界进一步探讨。2相关理论分析21熵理论热力学第一定律是能量守恒定律，说明能量形式可以转化，并且能量在转化的过程中既不能创生，也不能消灭，即对运动的共性在量上的不灭性和在质上的可转化性做了概括，然而这并不是问题的全部，能量在传递方向上的不同形式的差异是运动的另外一个重要方面。19世纪中叶德国科学家Clausius在前人的基础上进一步研究热功转换问题，对自然界运动的转化方向性进行了更普遍的考察，于1850年提出热力学第二定律：热不能自发地从较冷的

12、物体传到较热的物体14o总结和论述了关于在有限空间和时间内一切和热运动有关的物理、化学过程的发展具有不可逆性这样一个事实。1865年，Clausius提出熵的概念，并从熵的概念出发，把热力学第二定律表述为：封闭的绝热系统的熵只能增加，或者到达极限时保持恒定(即熵增原理)14o他从数学上严格证明了“熵增原理”，完成热力学第二定律的数学表示。熵的数学表达式为ds=dQT，其中，S表示系统的熵，Q表示系统吸收或者释放的能量，r表示绝对温度。如果是孤立系统或者是绝热系统，系统与外界交换的能量Q=0，热力学可以表述为：出0。熵的概念一经提出，引起学术界的广泛关注。在此后的研究过程中，Boltzmann给

13、出了某可逆过程的各热力学的统计物理学表达式【14】：s=klnW (1)其中：k为Boltzmann常数，形为任一宏观状态所对应的微观态数。热力学第二定律的经典表述和统计物理学表述，分别从宏观上和微观上对不可逆的过程进行了阐述。熵的增加就意味着在宏观上能量从可用状态到不可用状态的增加量，在微观状态上系统微观混乱程度的增加。1948年，Shannon1副在通讯的数学理论论文中，把熵的概念引入到信息论中，提出了信息熵的概念，其数学表达式为：H=一：，只l092只 (2)其中：H表示信息熵，只表示f事件出现的概率。信息熵是信息论中用于度量信息量的一个概念。一个系统会随着信息熵的不断降低而变得越来越有

14、序，基于此，人们有时把信息称作为负熵。随着研究不断地深入，熵概念的内涵和外延得到拓展，熵理论也从自然科学领域拓展到社会科学领域。譬如：Schr6dinge一161在生命是什么一书中试图从熵的角度解释生命的本质。他认为生命为了维持有机体的存在应该不断地从环境中汲取负熵，生命以负熵为生。Rilkin&Howard【1”在熵：一种新的世界观一书中对熵做了哲学的阐释，对熵和层次性做了分析和概括，认为熵可以经过适当推广来作为具有多个层次的复杂系统的状态变量。22耗散结构理论耗散结构理论主要揭示了复杂系统中的自组织运动规律，在远离平衡态的非线性开放系统下，通过不断与外界交换熵流(即物质、能量和信息)，使系

15、统内部某个因素变化达到一定阂值，系统通过涨落可能发生突变，由原来的无序状态变为(空间上、时间上和功能上)有序状态，形成新的有序的宏观结构，即耗散结构。建立在经典热力学基础之上的耗散结构理论可以用熵变方程表述，其总熵变为：ds=dis+des (3)式中：dis表示耗散结构本身产生的熵变，由熵增原理可知，其值大于等于零；des表示耗散结构与外界交换物质、能量与信息引起的熵变，其值可正可负，大于零为“正熵流”，小于零为“负熵流”，等于零为“零熵”。从耗散结构理论中可以得到以下启示：第一，该理论具有强烈的方法论功能，其概念、方法和理论体系不仅适用于自然科学，也适用于社会科学；第二，耗散结构是一种动态

16、的稳定有序结构，具有开放性、非线性、不可逆性。3耗散结构理论在沙化土地封禁保护区生态系统的应用研究31封禁保护区生态系统是典型的自组织根据耗散结构形成和维系的条件，我们可以看出，沙化土地封禁保护生态系统是一个耗散结构。第一，沙化土地的封禁保护区是一个开放系统。该生态系统虽然禁止了人为或者牲畜对其的干扰和破坏，并不意味着系统处于封闭状态，事实上在不断地与外界进行着物质、能量的交换；首先，其封禁的是人类不合理的经济活动，这些不合理的经济活动包括：放牧、垦荒、采药等。即使其熵流增大的活动，也并没有禁止人为输入负熵的行为，如在封禁区周边进行播种植草等措施；其次，保护区内的植物、动物、微生物也在不断地与

17、周边环境进行着物万方数据王光耀等：沙化土地封禁保护区与经济社会系统耦合模型分析 189质和能量的交换，它的负熵源主要来自非生物环境中的太阳光、水分、温度、土壤中有机物与无机物等，通过生态系统的自组织能力，不断地为整个生态系统注入负熵。这两种负熵汇总起来在一定条件下不但能抵消系统的熵增，而且能使系统的熵值减小，荒漠化的土地便可以发生逆转。第二，封禁保护区生态系统处于远离平衡的非线性区。在封禁保护区生态系统中，有着生命力顽强又相对脆弱的生物种群、非生物子系统。相互作用组成一定的生态关系，包括种群结构、种群调节、植被格局等相互作用，在彼此的影响下，沙化土地生态系统也是一种活的有序态，所以，即使在大漠

18、的深处，也会有水草丰盛、生机盎然自勺绿洲存在【l 81。第三，封禁保护区生态系统具有非线性的动力学过程。在沙化土地严重的干旱、半干旱地区，由于生态系统组分单一，功能有限，所以自组织能力相对薄弱，采取封禁保护之后，能使有限的自组织能力充分发挥出来，能够通过结构一功能H涨落的调节，使得干旱荒漠区植被在恢复演替过程中生境和植物群落结构发生向好的变化。参考申维14x纪福兴卅研究成果，其演进的一般过程如图1所示。止一 生态退化 形成新的稳定的1生态系统，l，图1沙化土地封禁保护区生态系统演进的一般过程32“保护区一经济社会”复合系统内在协调机制321封禁保护区建设是权宜之计沙化土地封禁保护区生态系统与社

19、会经济系统两者的关系比较复杂，而在两个系统之间发生作用的关键是人的行为。沙化土地生态系统和经济社会系统都有自己运行的规律与机制，两者都可以看成是耗散结构，由于人类的活动或者人类的经济行为才使得两个系统之间发生一定的联系。在沙化土地生态系统中，人类通过自身的行为或活动，一方面向生态系统输送物质、能量和信息，另一方面，又不断地从生态系统中索取物质、能量和信息，两者的关系如图2所示。所以，人只要存在一定的生态环境中，就需要不断地与所处的环境发生复杂而广泛的联系。之所以建设沙化土地的封禁保护区，并不是想人为地阻断这种联系，而是从更长远的目标考虑，建立人地相互协调、可持续发展的社会生态运行环境。恩格斯曾

20、经说过：人类征服自然的每次胜利，都遭到大自然的报复。在现阶段人类还不能完全克，7人类行为(活动)经济社会系统(耗散结构) 一 乍态服务系统 一 一 一图2社会经济系统与生态系统的相互作用【2 0】制自身的经济行为对环境造成的伤害的情况下，况且在没有完全掌握经济社会和生态环境运行规律的情况下，采取封禁保护区建设，是要人为地阻止人类向大自然无节制地索取的行为。所以，当人类学会与自然和谐相处时，充分掌握相互的作用机制时，封禁保护区生态得到很好的恢复时，便是封禁保护区建设成为历史的时候。322经济社会与生态系统耦合模型分析协调生态系统和经济社会的关系，从根本上说就是使生态系统和经济社会走上良性互动的轨

21、道上，使得生态系统与社会环境两个系统通过各自的耦合元素产生相互作用彼此影响的耦合机制。从理论上讲，两个系统作为耗散结构，彼此所产生的熵增元素并不总是一致，这就意味着一方熵增的熵流并不总是给另一方带来熵增，譬如人类产生的粪便，对人体是无用的熵增，但是对于植物来讲却是营养和肥料，对植物就意味着“负熵”的注入。熵流的这种层次性和分类性为我们建立经济社会与生态系统互为负熵的设想打下理论基础。所以两个系统互为“负熵”的底线是一个系统或者系统要素从低到高，从简单到复杂，从低级到高级的发展过程，不以另外一个系统或者系统要素的熵增或者衰退为条件。所以，经济社会与生态系统的协调关系就是在经济社会发展的不同阶段，

22、社会经济系统与生态系统之间和谐共处的互馈关系。根据耗散结构的熵变方程，我们可以得到以下两个公式：dsf=dis+des：ds,=dis+des (4)其中：出，表示经济社会系统的熵变，山，表示生态环境系统的熵变。(Is，0表示经济社会发展的有序度降低，经济社会发展表现为不断下滑的曲线，dsiO表示生态系统演变的有序度降低，生态环境进入衰退阶段，ds，O表示生态系统演变的有序度升高，生态环境恢复发展到更好的阶段，出，=0表示生态系统暂时处于平稳阶段。每一个系统对应3种类型，两两结合产生9种类型，可以大致把这些类型分成四个趋势：耦合协调区、基本协调区、冲突区和万方数据190 生态经济第33卷第11

23、期(2017年11月) Ecological Economy，V0133，No1 1(November 20 1 7)衰退区，如图3所示。经济社会系统一图3经济社会与生态系统耦合演进类别分析可以看出衰退区和次衰退区是指经济社会环境与生态环境至少一个系统趋于衰退而另外一个趋于衰退或稳定状态；冲突区是指两个系统向着相反的方向发展，一个趋于衰退，而另外一个趋于有序发展，或者说一方的发展是建立在另一方的衰退或者无序的前提下；临界区是指两个系统处于暂时的平静状态，是协调与冲突的门槛，可能发生正向突变或者负向突变，这种状态在现实生活中很少存在。基本协调区和耦合协调区是指一方的朝向有序发展并不以另一方的无序

24、衰退为代价，或者两者相互作用，共同影响，其耦合关系朝向和谐共处方向发展。4结论(1)从耗散结构理论视角能够很好地解释沙化土地封禁保护区能够自行修复生态系统的原因，即沙化土地封禁保护补助工作具有可行性，通变r保护区一经济社会”复合系统耦合模型的相关分析，可以为我们下一步监测沙化土地封禁保护区的社会经济效益提供理论依据和方法指导。(2)封禁保护并不意味着人对沙漠就是被动的、消极的相互作用，只是禁止人类行为中那些对荒漠脆弱生态系统的消极干扰活动，转而朝向有利于荒漠生态系统恢复的方向努力，因为人的行为对荒漠生态系统有正熵和负熵之分，而人的行为在不受到外界限制和监督的情况下，容易发生公地悲剧的结果，即通

25、过过量的樵采和放牧使脆弱的生态系统进一步遭受破坏。(3)封禁保护区的建立并不是为了从中取得经济利益，而是通过建立保护区，扭转生态系统衰退趋势，维持整个经济、社会和生态系统的动态平衡，因此封禁保护区的综合收益不单单是所得和所费这样的关系，存在内部和外部收益，内部收益表现在发展的有序性，外部收益表现在对当地社区居民收入的改善，对生态灾害的缓解与频度的降低，由于保护区的投资带来的对当地经济的拉动，保护区对本学科研究的实践与论证，推动学科水平的不断提高等等，是经济、社会、生态三大效益综合体现。(4)建立封禁保护区的目的是为了生态系统更加稳定有序，与人类社会友好相处，促进社会与生态系统协同与可持续发展。

26、封禁保护区位于沙漠与绿洲中间过渡地带，土地沙漠化或区域沙漠化，如果持续恶化，将对绿洲造成直接威胁，所以，封禁保护区是所在地区的重要的生态屏障。囫参考文献：1】Prigogine IStructure，dissipation and lifecMarius MTheoretical physics and biologyAmsterdam：North HollandPublishing，19692Leifer RUnderstanding organizational transformation using adissipative structure modelJ】Human Relatio

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28、udy on dissipative structure ofChinaS building energy service industry system based on brusselatormodel叨Journal ofCleaner Production，2017，150：1 12-1226】杨国华，崔彬基于耗散结构理论的半干旱区生态建设研究J】生态经济，2011(6)：31347】陈磊，田双清，张宽，等基于耗散结构理论的四川省耕地生态安全测度分析J】水土保持研究，2017(2)：3073138】张明国从线性发展观到系统发展观“五大发展”观的“耗散论”研究视阈J】系统科学学报，201

29、7(I)：12169吴颖，车林杰耗散结构理论视角下的协同创新系统耗散结构判定研究J科技管理研究，2016(10)：186190【10卢艳芹，彭福扬基于耗散结构理论的自然与社会互动关系探析【J】生态经济。2016(2)：21 1-21411】华坚，李政霖，黄德春基于耗散结构理论的国际河流水资源合作开发系统J】资源科学，2016(2)：23924712谷国锋，张秀英区域经济系统耗散结构的形成与演化机制研究J东北师大学报(自然科学版)，2005(3)：119124【13】李国柱经济增长与环境协调发展的计量分析【M】北京：中国经济出版社，2007【141日a维耗散结构、自组织、突变理论与地球科学【M北

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