第一章生态学的范畴-ChinaDataCenter课件.ppt

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1、第一章生态学的范畴侯瑜教授东北财经大学经济与社会发展研究院密歇根大学中国信息研究中心2015 年1 月16 日系统生态学研讨班1.本章主要内容介绍2.近期研究进展3.与自然生态系统相对应的社会生态系统（概念、方法、指标等）4.研究问题5.推荐阅读文献一、本章主要内容介绍1.1 生态学的历史及最新进展 1866年，勒特（Reiter）将两个希腊词(房屋、住所）和(学科）合并，构成“生态学”（kologie）即，ecology。1869年，德国动物学家恩斯克.海克尔(Ernst Heinrich Haeckel)初次把生态学定义为“研究动物与其有机及无机环境之间相互关系的科学”。1935年，英国的

2、Tansley 提出“生态系统”的概念。之后，美国学者Lindeman 通过研究Mondata 湖生态系统提出生态金字塔(如图)能量转换的“十分之一定律”。图1.1 生态金字塔 自此，生态学成为一门有自己的研究对象（生物住所）、任务（有机体与其栖息环境间的关系）和方法（描述-实验-物质定量）的比较完整和独立的学科。定义：生态学（ecology），是研究生物住所的科学，强调有机体与其栖息环境之间的相互关系。（见韦氏词典（第10）版）。即，研究生物与环境之间相互关系及其作用机理的科学。系统论、控制论、信息论的概念和方法的引入，促进了生态学理论的发展。60 年代形成了系统生态学。在生态学定义中又增加

3、了生态系统的观点，把生物与环境的关系归纳为物质流动及能量交换。20 世纪70 年代以来则进一步概括为物质流、能量流及信息流 最新进展：由于与人类生存与发展的紧密相关而产生了多个生态学的研究热点，如生物多样性的研究、全球气候变化的研究、受损生态系统的恢复与重建研究、可持续发展研究等。本章重点：一个表 两个关键词（）生态，指一切生物的生存状态，以及它们之间和它与环境之间环环相扣的关系。可以用“健康的”、“美的”、“和谐的”等来描述生态状况。（2）生态学，两个词根“oikos”(住所，家庭),”logos”(研究)。1.2 生物组织层次几个关键词 层次 组分（或组成）内稳态 动态平衡 总结与启示层次

4、理论为我们分析和研究其他复杂情形提供了框架，有助于我们把问题降低到较低层面来寻找其答案。层次理论中的层与层之间是相互依赖的，功能上不存在明显的界限和间断。自然界中，层次间存在“嵌套”关系，即，每一层都是由更低层次的单元群体组成的（如，种群由个体群组成）。社会系统则不存在“嵌套”关系，如政府、企业、高校或军队等人类组织层次中就不存在这种“嵌套”（如，军官不是由士兵群组成的）。可以理解为，生物系统由低到高的组织层次，不能简单地套用到其他系统。相对自然组织层次，人类组织层次有更严格和明确的划分。1.3 涌现性原理涌现性：是指组分或者子集合联合起来产生更大的功能整体，并呈现新的功能特性，而且这些特性在

5、较低层次是不存在的。如，氢气和氧气发生作用生成水，水的特性完全不同于生成它的两种气体。再如，藻类和腔肠动物演化成珊瑚。我理解其为“1+12”不可还原性：涌现性的另一种表述，我理解其为“21+1”特征由于反馈机制的作用，一些特性在更高组织层次会变得更加复杂和多样化(如藻类和腔肠动物演化成珊瑚)；另有一些特性则在从低层次到高层次时，复杂性和多样性变低；较大单元内部小单元功能波动的幅度趋于减弱(如，水的形成)；有些特性（综合特性，如出生率）是可以预测的，而有些特性（如涌现性）则是不可预测的。几个关键词 涌现性：1+12 还原性：21+1 综合性：1+1=2，反之亦然 启示整体论和还原论具有同样重要的

6、价值既要研究整体，也要研究个体。不能只见树木，不见森林；反之亦然。1.4 超越性功能和控制过程超越性功能：生态金字塔的每个层次都有其独特的功能特性。但是，也存在这样的功能，其作用于生态金字塔的每个层次，比如，能量学，称这种功能为超越性功能。控制过程：是指，生态金字塔中，个体水平以下的层次属于定点控制，或者说，是内稳的，自平衡的；个体水平以上的层次不存在定点控制，或者说，是非内稳的，不存在绝对的平衡，只有波动平衡。关键词 超越性功能 控制过程 内稳 动态平衡1.5 生态交叉学科 生态学与非生命科学相结合的，有数学生态学、化学生态学、物理生态学、地理生态学、经济生态学、生态经济学、森林生态会计等；

7、与生命科学其他分支相结合的有生理生态学、行为生态学、遗传生态学、进化生态学,古生态学等。应用性分支学科有：农业生态学、医学生态学、工业资源生态学、环境保护生态学、环境生态学、生态保育、生态信息学、城市生态学、生态系统服务、景观生态学等。启示学科的交叉性可否通过我们的研究形成某一个学科呢？比如，金融生态学?everythingispossible!1.6 生态学模型第一步，语言描述，或称之为“语言模型”；第二步，图表构建或叫“图解模型”，如图1.5；第三步，数学公式。必要时，构建简单的数学公式。5 构成一个有效的生态模型至少要有五个因素或者组分，能源,E；状态变量，P；流动途径，F；相互作用，I

8、；反馈环，L。要素一个较好的模型应包括三个要素：空间因素；所有功能单元中最重要的亚系统；时间间隔。图1.6 Odum 能量语言符号关键词 生态模型构建三步骤 构成，要素1.7 学科还原论到跨学科整体论生态学是一门综合性的学科，而不单是生物学的一门分支学科，它融合了生物、物理和社会科学的内容。因此，生态学的目标是将自然和社会科学链接起来。图1.7 学科间关系进程关键词 跨学科或多学科融合联想或启发：可否做以下这样一些研究以金融生态系统为例 论金融生态系统的组织层次？论金融生态系统的涌现性和不可还原性？论金融生态系统的超越功能性和控制过程？金融生态系统的建模 二、近期研究进展：“三大”前沿领域全球

9、变化：描述和了解控制整个地球系统关键的、相互作用的物理、化学和生物学过程；描述和了解支持生命的独特环境；描述和了解发生在地球系统中的变化以及人类活动对它们的影响方式。生物多样性：遗传、物种和生境多样性格局的自然和人为变化；稀有和濒危物种的保护、恢复、发展；全球变化对生物多样性影响的机制和过程生态系统可持续性：以可持续发展的生态学理论研究对生态系统可持续管理；对已经受损害的生态系统的恢复重建三、与自然生态系统相对应的社会生态系统（概念、方法、指标等）（一）社会生态系统（奥斯特罗姆）4 个核心子系统资源系统（例如，特定的森林管理区）资源单位(如管理区内的树木以及其它植物、野生动物的类型等)管理系统

10、(如管理区政府或其它组织、管理区的规则和规则的制定用户(如管理区内以各种方式、出于不同目的使用资源的个人)这4 个子系统直接影响社会生态系统最终的互动结果，同时，也受此互动结果的反作用。如图。图1.8 社会生态分析框架的核心子系统（二）城市生态系统是城市居民与其环境相互作用而形成的统一整体，也是人类对自然环境的适应、加工、改造而建设起来的特殊的人工生态系统。以人为核心，对外部的强烈依赖性和密集的人流、物流、能流、信息流、资金流等。城市生态系统建模方法数理模型方法生态控制论和灵敏度模型系统动力学理论与模型多目标规划法生态足迹熵值分析法（物理学）DPSIR(压力-状态-响应）模型等等应用软件专业软

11、件，如，smartgrowthNDEX,UPLAN,UrbanSIM 等一般软件，如vensim,stella,DYNAMO,MALTAB 等（三）产业生态系统IES产业生态学家针对产业（主要是工业）活动及其对自然系统的影响，通过比拟生物新陈代谢过程和生态系统的结构与功能，特别是物质流与能量流运动规律，提出了产业生态系统（与工业园区概念相对应，又称生态工业园）这一替代模式。关于产业生态系统稳定、评价及传统产业改造研究。武春友；陆宏芳等；颜京松、王如松；袁增伟、毕军等。关于产业生态系统复杂性研究。基于产业生态系统理论衍生的一些新概念、新思想，如产业共生（industrialsymbiosis)，

12、共生链(symbiosischain)，耦合(coupling)，闭合（closing)，产业柔性(industrialflexibly)，产业生态位(industrialecologyposition)，产业生态系统循环(industryecosystemcirculation),产业进化（industrialevolution),产业生态园等。（四）金融生态系统概念：在一定的时空尺度内，由具有适应性的银行、证券、保险种群组成的金融产业群落与由其他产业的企业、居民、政府等组成的生物环境之间，通过复杂非线性机制的有机耦合，不断进行货币资金流动、金融工具循环、金融信息传递而形成的具有一定结构特征

13、，提供一定系统功能、协同进化的复杂人工生态系统。葛敏(2011)假设：能量流-货币资金 物质流-金融工具 信息流-金融信息模型：复杂网络模型，拓朴数学方法等图1.9 金融产业生态系统图图1.10 金融产业生态系统理想进化模式图图1.11 金融产业生态系统组成图（五）学术研究生态系统（如图）(五）其他（六）政治生态系统（七）互联网政治生态系统构成要素（主要成员）：包括，互联网政治主体（网民、手机用户）、网络社群、电子政府、网络政治规范与行动以及传统媒体。（如图）图1.11 互联网政治生态系统图(八)其他如，从生态系统的角度看移动医疗；互联网产业链与产业生态系统研究。判断生态系统是否健康的两个标准

14、最大的自我实现最普遍的互利共生四、研究问题辽宁省产业生态系统研究：部门联系、功能关系及结构特征(一)文献综述1.产业生态系统的内涵界定Frosch&Gallopoubs(1989)指出，工业系统可以仿照生态系统从生产者（植物）流向消费者（动物），并由分解者（真菌、微生物）和清除者再循环的物质循环过程，在企业之间建立共生关系。Cote&Hall(1995)认为产业生态系统指区域内一系列企业通过利用副产品或能源实现在传统非链接模式下无法获得的收益，即在系统每一环节都要进行源削减，做到清洁生产。Lambent&Boons(2002)将产业生态系统定义为由企业间的设备共享、废弃物集中处理和废弃物、多余

15、能量的交换等工业共生关系构成的系统组织。(二)产业生态系统演化的特性1.产业生态系统的自我生长特征指在没有外界特定干预的情况下，一种趋向自然生态系统的产来结构、模式和功能从无到有的自我产生过程。比如，卡伦堡工业共生体的演进经历了漫长的过程，从1975 年石膏厂利用炼油厂多余丁烷气的副产品链拉开始，到1993 年发电厂将加工后的硫酸钙卖给石膏板厂作原料，卡伦堡工业共生体日趋成熟，所有共生合作项目都是企业出于自身利益考虑而自愿达成的，并非政策法规等外界作用力直接强加的。再如，奥地利Styrin 省副产品交换网络一个省域范围的涵盖农业、塑料、造纸业、能源业等多个行业的复杂工业循环网络，它的发展是由企

16、业的成本核算引发的，即废弃物交换关系的建立使废弃物供应商获得了额外的收益，节省了废弃物处置费用，而大部分废弃物接收企业也从中获得了原料成本的节约。自我生长特征是产业生态系统演进的前提条件，强调产业生态系统的演进过程要遵循价值规律和市场机制，即使规划建设的生态工业项目也要符合这个原则。2.产业生态系统的自我适应特征是从企业与外界关系的角度，对系统自组织过程的一种描述。它强调在一定的外界环境下产业系统通过自组织过程适应绿色消费的市场需求、先进技术、环保政策法规、环境恶化和资源短缺等外界环境，进而出现新的结构、状态或功能。如，在国内外饮料行业对原料的质量要求日趋严格的背景下，广西贵糖集团公司及时对自

17、身产业链上的生产工艺和设备进行技术改造，降低蔗糖中的含硫成分，从而吸引可口可乐、百事可乐、娃哈哈等多家知名企业与之建立供需关系。自我适应特征是产业生态系统不断演化的动因，整个演化过程依赖于外界获取的市场信息、资金和政策支持、科技成果等。3.产业生态系统的自我复制特征体现在生态工业项目的示范作用和扩散效应。如，荷兰鹿特丹工业区生态规划项目中，污水集中处理、热电联产和压缩空气等设备共享项目是首批实施的项目，在这些投资风险相对较小的项目取得预期效益之后，带动了一批企业参与能源、废弃物交换等一系列高风险、高收益项目的积极性，进而推动整个港口地区的生态化改造。自我复制特征是产业生态系统不断演化的途径。(

18、三)国际20 世纪70 年代，丹麦“卡隆堡（Kalundborg）工业园区建立，以降低成本和达到环保法规要求为目标，开辟了一条革新性的废弃物管理利用新途径“工业共生”，即将甲厂产生的废料和副产物作为乙厂的产原料，使资源有效利用。这是产业生态系统思想的萌芽。1989 年，时任通用汽车公司研究部副总裁的RobertFrosch 和研究人员Gallopoulos 在科学美国人杂志上发表题为可持续工业发展战略文章，首次提出了产业生态系统（industrialecosystem 简称为IE）概念，文章认为：传统的产业活动模式单个的制造过程，即获取原材料、生产产品、排出废弃物的模式应该转化为一种更综合的模

19、式，即产业生态系统。在这种系统中，能源和物质的消耗是优化的，产生的废物是最少的，一个过程的排放物将作为另一个过程的原材料。1991 年美国国家科学院与贝尔实验室共同组织了首次“产业生态学”论坛，对产业生态相关概念、内容和方法以及应用前景进行了全面、系统的总结，基本形成了产业生态学的概念框架，认为：“产业生态学是对各种产业活动及其产品与环境之间相互关系的跨学科研究”。PaulHawken 在商业生态学一书中将产业生态定义为提供了一种大规模、整合的管理工具以设计产业基础结构，使其成为一系列相互关联，与全球自然生态系统密切相关的人工生态系统，并利用生态思想系统探讨了商业活动与环境问题的相互关系，指出

20、环境保护问题的关键是设计而非管理问题，创造一个可持续发展的商业模式才是唯一的真正出路。Erkman 指出，产业生态研究产业系统如何运作、规则以及其与生物圈的相互作用，并基于我们对生态系统的认知，来决定如何进行产业调整以使其与自然生态系统的运行相协调。MicahD.Lowenthal 等人的研究则认为，产业生态是指从生态学中借鉴一系列工具、原则和视角应用于产业系统分析，包括系统物质、能量和信息流动对社会和环境影响。Desrchers,Andrews 等学者提出产业共生理念，他认为由于价值规律、市场机制等经济因素的作用应将产业生态的研究视角从物理空间相对狭小的生态工业园转移到城市或者更大范围。该观

21、点得到学者和产业界的认同，并将产业生态研究的范围扩展到跨地区、跨行业。1999 年，美国学者Moor,J.F 将生物学原理运用于企业组织战略研究，在竞争的衰亡商业生态时代的领导与战略著作中提出：在产业界限日益融合的情况下，竞争来源于企业所属的商业生态系统间的对抗，单个企业应该把自己定位于一个商业生态系统的特定成员；企业间的竞争与合作演化大约经历四个阶段；要从七个纬度来管理商业生态系统，即顾客、市场、产品或服务、过程、组织、利益相关者、社会价值和政府政策等；企业战略在于从商业生态系统管理的七个纬度出发，根据系统演化各个阶段的主要任务与挑战进行抉择，以最终达到在成功商业生态系统中取得领导地位的目的

22、，即竞争优势来源于在成功的商业生态中取得的领导地位。Moor,J.F 把生物间的竞争关系引入到商业竞争中来，把基于生产制造企业间的物质、信息、能量流动关系拓展到所有工商企业关系，并强调了营利性组织与顾客、非营利性组织之间要建立一种生态化的竞争关系。Moor,J.F 研究的视角和思路更加宽广，从而使人们加深了从产业生态系统到商业生态这一概念上的转化。(四)国内刘则渊(1994)首次提出“产业生态化”，认为，产业生态化就是把作为物质生产过程主要内容的产业活动纳入到大生态系统中，把产业活动对自然资源的消耗和对环境的影响置于大生态系统物质、能源的总交换过程中，实现大生态系统的良性循环与持续发展。产业生

23、态化的本质目标就是在人类生存和发展的自然生态环境可再生的基础上，达到人社会自然之间的协调持续发展，进一步阐述了农业生态化、工业生态化、第三产业生态化与可持续发展关系，以及建立产业生态化试验区的思想。王如松系统地介绍了产业生态理论研究方法和热点，指出生态产业是按生态经济原理和知识经济规律组织起来基于生态系统承载能力、具有高效的经济过程及和谐的生态功能的网络型进化型产业，它通过两个或两个以上的生产体系或环节之间的系统耦合，使物质、能量能多级利用、高效产出，资源、环境能系统开发、持续利用。王如松还进一步地提出了产业生态化的组合、孵化及设计原则：横向耦合、纵向闭合、区域耦合、柔性结构、功能导向、软硬结

24、合、自我调节、增加就业、人类生态和信息网络，并提介绍了产业生态管理的5 种方法：生命周期评价(面向产品环境管理）、产品生态设计(面向绿色产品开发）、生态产业园规划(面向区域的规划)、生态产业孵化(面向生态产业开发）、生态管理(面向可持续发展)。这些成果对推动我国产业生态系统理论研究和产业生态化发展产生了深刻影响。黄志斌认为产业生态化是保证我国经济增长方式由粗放型向集约型转变，实现经济、生态、社会可持续发展的重要途径。但在我国产业生态化过程中面临不少问题，一是市场失灵导致企业外部资源社会配置达不到最优化，二是许多环境资源公共化导致价格扭曲、资源无价或低价，弱化了厂商开发高效、低耗、低污染、能实现

25、绿色消费的产品。为此，他提出了解决对策，即应用科斯定理使环境资本产权化，用财税政策谋求环境系统无害化。樊海林则从企业竞争视角研究了产业生态系统理论，他认为产业生态和企业竞争之间存在内在关系，产业生态实践会大幅度提高企业各种投入品所带来的基本附加值，而这又恰好是市场上顾客效用导向的结果，顾客效用函数中环境效用地位的凸显使企业运用生态理念提升产品环境附加值的可行性和动机日益趋强。反过来，企业所处的既定的市场结构(企业竞争)直接制约其对于产业生态实践的选择，企业在战略实施过程中是否严格遵守绿色的“路径依赖”也会对其产业生态实践的现实性产生重要影响。韩福荣、徐艳梅在企业仿生学中为我们构建了完整的企业生

26、态系统，并用数学方法和实证分析方法详细研究了企业仿生化过程。达庆利则“以人为蓝本”模拟构建了“一种类生物的企业系统模型”，更进一步地从生命科学的角度揭示了企业这一“人造生命体”的运作过程。张焱从企业发展动态角度提出了战略生态学概念，并进行了深入的战略生态透视。陆玲把研究视角放大到企业群，认为企业群落存在“群落效应”，涉及到不同产业，企业种群之间的能量金字塔从总体上显示着以第一产业为基部，以第二产业为中部，第三产业在第二产业之上，在第三产业基础上逐级形成的新产业构建着群落生态链的顶部状态。于渤等从方法论入手，为企业实现产业生态化提供了科学可行的分析工具。(五)现状产业生态系统理论体系和内容已基本

27、完善。产业生态系统理论根据整体、协调、循环、自生的生态控制原理系统设计、规划和调控人工生态系统的结构要素、工艺流程、信息反馈关系及控制机构，使系统获取较高的经济和生态效益。产业生态系统理论揭示了企业物流能流新陈代谢规律、产品生命周期过程及产业兴衰演替，是产业的资源开发及环境影响活动对生命支持系统胁迫及其响应机制的自然生态学，是人类生产、消费活动与周围自然、经济、社会环境关系的人类生态学，是物质生产单元、环节或体系之间在时间、空间、数量、结构和序理层次上的生态工艺设计和生态系统耦合的工程生态学。这些理论思想对现有产业实现生态化转型，促进生态资产与经济资产、生态基础设施与生产基础设施、生态服务功能

28、与社会服务功能的平衡与协调发展具有重大指导意义目前，产业生态化实证与应用研究较多集中在：工业生态园、产业集群、某一企业或某一有限区域的微观范围。大尺度范围内如何实现产业生态化，特别是一些跨地区、跨行业、跨部门的产业生态化研究较少。以辽宁省为例，基于产业生态系统理论，研究省域尺度下产业间的部门联系、功能关系及结构特征，具有重要意义。五、推荐阅读文献1 郁亚娟等.城市生态系统的动力学演化模型研究进展.生态学报,2007,27(6),2603-26132 赵帅等.城市生态系统健康评价新模型及应用.环境科学学报,2013(4)3 姚亮等.城市生态系统灵敏度模型评述.生态学报,2014,34(1):23

29、324 葛敏.金融产业生态系统及其和谐性研究.南京大学出版社,2011 年5G.Y.Liu,etal.Ecologicalnetworkdeterminationofsectorallinkages,utilityrelationsand structuralcharacteristicsonurbanecologicaleconomicsystem.EcologicalModelling,222(2011)282528346 史达.互联网政治生态系统构成及其互动机制研究.政治学研究2010(3)7 万斌等.论和谐政治生态系统与政治宽容调节机制的构建.浙江社会科学,2012(7)8Picket

30、tSTA,CadenassoML,GroveJM,etal.Urbanecologicalsystems:linkingterrestrialecological,physical,andsocioeconomiccomponentsofmetropolitanareasJ.Annualreviewofecologyandsystematics,2001:127-1579PickettSTA,CadenassoML,GroveJM,etal.Urbanecologicalsystems:ScientificfoundationsandadecadeofprogressJ.JournalofEn

31、vironmentalManagement,2011,92(3):331-362.10 郭莉等.基于哈肯模型的产业生态系统演化机制研究.中国软科学,2005(11)11JoshuaCousins.Theboundariesofurbanmetabolism.ProgressinHumanGeography,201511 王寿兵等.产业生态学.北京:化学工业出版社,200612 杨文举等.发展生态工业探析.生态经济,2002(2)13FroschRAallopoulosNE.Strategiesformanufacturing.Sci.Am,1989,261(3):9410214S.Erkman

32、,IndustrialEco1ogy:AnHistoricalView,J.C1eanerProd,V01.5No.1-2,1997.15MicahD.Lowenthal,WilliamE.Kastenberg,IndustrialEcologyandEnergySystems:AFirstStep.ResourcesConversationandRecycling24,1998.16 郭莉,苏敬勤.产业生态化发展的路径选择:生态工业园和区域副产品交换.科学学与科学技术管理,2004(8):P73.17 詹姆斯 弗 穆尔.竞争的衰亡商业生态系统时代的领导与挑战.北京:北京出版社,1999.18

33、 刘则渊,代锦.产业生态化与我国经济的可持续发展道路.自然辩证法研究,1994(12):P40-42.19 王如松.产业生态学和生态产业转型.世界科技研究与发展,2000(5):P24.20 黄志斌等.产业生态化的经济学分析与对策探讨.华东经济管理,2000(3):P7-8.21 樊海林等.产业生态:一个企业竞争的视角.中国工业经济,2004(3):P34-35.22 韩福荣,徐艳梅.企业仿生学.北京:企业管理出版社，2002.23 达庆利.一种类生物的企业系统模型.管理工程学报,2002(1):P34.24GraedelT.E.IndustrialEcology.北京:清华大学出版社,2004.练习题1.名词解释 生态生态学生物组织层次涌现性不可还原性超越性功能控制过程2.简述 简述构建生态学模型的3 个步骤 一个好的生态模型应该有哪5 个组成和3 个要素3.案例应用 请在掌握本章内容的基础上，结合自己的研究领域或兴趣，尝试构建一个生态学模型。要求尽可能体现生态学模型构建的3 个步骤,5 个组成，3 个要素。建议领域：金融生态系统；旅游生态系统；区域生态系统；汽车行业生态系统；语言生态系统；宗教生态系统；互联网产业生态系统；等等