毋瑾超 王小波 夏小明

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

基于耗散結構理論的海島生態(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.國家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州310012；2.國家海島開發(fā)與管理研究中心，浙江 杭州310012）

海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)是一個復雜的耗散結構。通過以耗散結構熵值理論為指導的海島生態(tài)－環(huán)境管理系統(tǒng)評價程序和指標研究，確立了以環(huán)境指數、生物活性、景觀生態(tài)、廢棄物處置等四個主要體系共12項評價指標。同時，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，分析認為：增大負熵流是維持海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)健康的根本途徑，應采取各種措施，確保海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)負熵流的增加，將有利于其成為一種自組織的時間、空間和功能上的有序耗散結構，從而維護海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的健康發(fā)展。

海島；耗散結構；熵；生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)

海島是國土的重要組成部分，據統(tǒng)計，我國目前擁有海島7371個，島嶼總面積約7273平方公里，約占全國陸地面積的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，經濟發(fā)展?jié)摿薮螅瑫r在維護國家主權和領海完整中具有重要的戰(zhàn)略地位。

海島保護和管理，重點是對其生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的保護和管理。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）三個子系統(tǒng)，包括物理和生物學進程、能量流通、生物多樣性、基因、生態(tài)恢復力和生態(tài)冗余等，是海島自然環(huán)境與人類生產活動以及當地歷史發(fā)展過程相互作用的結果②。目前我國的海島保護法才剛剛出臺，海島生態(tài)－環(huán)境管理研究也正處于起步階段，這一領域的成果十分匱乏；借鑒其他領域一些先進的管理理念運用于海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的管理和保護，這無疑是一條較好的辦法和思路。本文將主要基于耗散結構熵值理論對海島生態(tài)－環(huán)境管理系統(tǒng)展開研究，以期為其進一步發(fā)展做出有益的探索。

一、海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)與耗散結構

耗散結構又稱之為非平衡系統(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)的過程中，發(fā)現在非平衡狀態(tài)下，如果系統(tǒng)與外界有能量或物質交換，系統(tǒng)就可以從混沌無序狀態(tài)逐漸演變?yōu)楦叨扔行虻慕Y構。由于這種新結構乃是靠不斷吸收和耗散外界的物質與能量來維持其存在的，故而便被稱為是耗散結構。該理論自問世以來，已被廣泛應用到各個領域③－⑤。耗散結構具有以下幾個特性：①開放性。耗散結構是在開放環(huán)境中和非平衡條件下生成的，系統(tǒng)和外界有物質、能量和信息的交換。②非平衡態(tài)。只有在遠離平衡的非線性，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構提供了可能性。③非線性機制。線性的正反饋可以導致系統(tǒng)失穩(wěn)，產生分叉，產生新的結構，系統(tǒng)穩(wěn)定到耗散結構上的機制是系統(tǒng)內部必須存在非線性作用。④漲落特性。在遠離平衡態(tài)，由于非線性的相互作用，隨機漲落就會由于相干效應而逐漸放大形成“巨漲落”，從而導致系統(tǒng)發(fā)生質變，轉化為新的結構和功能的狀態(tài)即耗散結構自組織狀態(tài)⑥－⑦。

從耗散結構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)具有典型的耗散結構。首先，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)，系統(tǒng)中的植物、動物、微生物不斷地與周圍環(huán)境進行著物質和能量交換，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，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)。第三，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)具有非線性的動力學過程。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反饋的機制，同時其種群與種群之間，存在著競爭、共生、互生、寄生等復雜關系，生物種群按非線性規(guī)律增長。第四，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)中自發(fā)調節(jié)種群關系和種群數量以適應環(huán)境的反饋機制，使生物種群圍繞著環(huán)境容量水平波動和振蕩，并使得海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)成為一個具有正負反饋機制的系統(tǒng)。這種正負反饋機制使海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)對環(huán)境具有一定的自組織能力，通過結構、功能漲落的調節(jié)，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)不斷地形成新的穩(wěn)定的有序結構⑧。

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

基于耗散結構理論的海島生態(tài)－環(huán)境管理系統(tǒng)的評價流程如圖1所示，具體可分為資料準備、系統(tǒng)評價、管理改進三個階段⑨。

1.資料準備階段：集成預評價的海島生態(tài)－環(huán)境及其周邊區(qū)域相關的資料信息，并將資料進行分類整理、篩選，建立基于耗散結構理論的海島生態(tài)－環(huán)境評價指標體系。

2.系統(tǒng)評價階段：在明確具體評價區(qū)域邊界的基礎上，對評價指標相關資料進行分析，結合海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)物質流、能量流、信息流輸入輸出情況，對指標數據進行計算，分析其特點及熵變情況。

3.管理改進階段：整理歸納評價結果，并根據評價結果構建海島生態(tài)－環(huán)境管理系統(tǒng)，改進生態(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)評價流程

針對海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)特征，選擇環(huán)境指數、生物活性、景觀生態(tài)、廢棄物處置四個方面入手，集中國內外研究中出現頻率較高的指標進行分析篩選⑩－?，選擇了12個代表性較強的指標，確定其分級范圍，搭建完整的海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)評價的指標體系，見表1。

表1 海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)評價指標體系

三、熵的引入及熵流分析

熵理論最初是在熱力系統(tǒng)中，用來衡量系統(tǒng)混亂或無序程度的量度。經過近一個半世紀的發(fā)展，熵已從單純描述微觀世界的熱力學物理概念，演變?yōu)橐粋€與自然和社會相統(tǒng)一的動態(tài)開放的概念。這一理論也被推廣到幾乎所有的科學領域，包括社會學的范疇。愛丁頓從認識論和方法論上理解熵理論，將熵增定律譽為“宇宙至高無上的哲學規(guī)律”，愛因斯坦則稱之為“一切科學的根本法則”?。

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)是一個典型的耗散結構體系；第二，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)內存在著能量的差異，是一種遠離平衡態(tài)結構；第三，生物、能量、物質與信息在系統(tǒng)內部能夠自由流動。

3.2 熵數量模型的表示方法

其中i是影響相對封閉系統(tǒng)值的各種因素，如海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)結構因素如地表水綜合指數、海域水體富營養(yǎng)指數、沉積物綜合指數、貝類體內重金屬綜合指數、植被覆蓋率等，Ki為海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)在特定階段時各種因素的權重；Si為種影響因素所產生的熵值。也可描述為：

生命的活動是耗散過程，生物體本身就是一種高級的耗散結構，在耗散過程中熵不斷增大。高熵意味著混亂，熵達到最大值意味著熱平衡態(tài)，對于生命來說，熱平衡態(tài)就是死亡。所以，生物有機體要很好的生存下去，必須使自己的身體保持低熵狀態(tài)，即不斷的從外界補充進負熵，以抵償其內部由不可逆過程所產生的正熵。

海島負熵流的計算公式：

其中j為影響海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)產生負熵的各種因素，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)導入的負熵中各種影響因素的權重，Sj為各種影響因素的負熵值。

式中各符號的含義與式（2）相同，由此式可計算出在引入的負熵中各影響因素所產生的負熵值。由于負熵的增加，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)的總熵值的計算公式：

式（5）中S總為整個海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的總熵，它是由海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)內部的上，SI和從外界吸取的負熵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，海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的耗散結構才能形成。因此，海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)耗散結構形成的充分條件為0。即要使海島生態(tài)－環(huán)境系統(tǒng)的總熵值負熵值化。

耗散結構理論認為：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與能量，使“熵源”變?yōu)樨撝担医^對值應接近于系統(tǒng)本身不可逆過程引起的“熵增加”，這時系統(tǒng)“總熵”逐步減少，無序程度降低，使系統(tǒng)由無序趨向新的有序。通過對海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)內部耗散結構的分析，可以了解到復雜的海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)可以通過自我創(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，達到一種協調和突變，就能使海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)達到、有序的耗散結構狀態(tài)。

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

薛定諤在《生命是什么》這本書里有一段名言：“一個生命有機體將自身保持在高度有序（低熵）的水平上的方法實際上在于從環(huán)境中不斷獲取秩序，即從環(huán)境中得到負熵?！彼€說：“生命有機體是以負熵為生的?！?無論從物種的進化還是個體發(fā)育的角度看，與生命現象伴隨的是熵不斷的減少，負熵不斷的增加。對于海島生態(tài)環(huán)境保護系統(tǒng)，需要從以下幾個方面著手增加負熵流，以維護其健康有序發(fā)展。

1.嚴格執(zhí)行《中華人民共和國海島保護法》，做好海島開發(fā)的利用與規(guī)劃，對海島及周圍海域的開發(fā)必須根據保護和改善海洋環(huán)境、保護海島資源、維護生態(tài)平衡、促進經濟和社會可持續(xù)發(fā)展以及“誰開發(fā)，誰保護”的原則，采取嚴格的措施保護海島的地形、岸灘、植被和海島周圍海域的生態(tài)系統(tǒng)，從而維護海島生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的基本平衡。

3.積極開展海島生產生活固廢和廢水的無害化處理，保護生態(tài)環(huán)境。如果海島“三廢”不能及時有效進行無害化處理，這些廢棄物會造成海島土壤，地表水，周邊海域環(huán)境的破壞，進行造成生物的死亡甚至滅絕?！吨腥A人民共和國海島保護法》明確規(guī)定：“無居民海島利用過程中產生的固體廢物，應當按照規(guī)定進行無害化處理、處置，禁止在無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)中應對“三廢”盡量采取預防性和最小化措施，這是進行固體廢棄物處理最有效的辦法，是各發(fā)達國家優(yōu)先采用的措施?？捎行p少其對環(huán)境造成的污染和危害，同時有效增加負熵流。

4.及時開展海島生態(tài)保護與修復工作，對于已造成海島生態(tài)系統(tǒng)破壞和影響的，要及時進行修復，以恢復其完整的生態(tài)系統(tǒng)。眾所周知，海島生態(tài)－環(huán)境是一個小型的生態(tài)鏈，如果其中某些環(huán)節(jié)出現較大破壞，就會影響鏈上其他種群的發(fā)展，最后甚至導致整個海島生態(tài)鏈的消失。因此要及時消除海島破壞對生態(tài)環(huán)境的影響，保持生物多樣性及良好的生態(tài)環(huán)境，同時改善海岸帶周邊視覺景觀，美化環(huán)境，恢復和治理自然生態(tài)環(huán)境，增加負熵流。

5.以循環(huán)經濟的思想指導海島開發(fā)利用和保護，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)經濟是以“減量化、再利用、資源化”為原則，以物質閉路循環(huán)和能量梯次使用為特征，按照自然生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動方式運行的經濟模式，非常有利于海島自組織系統(tǒng)的完善。因為生態(tài)系統(tǒng)本身具有一定的自凈化能力，能分解、處理有機體排出的正熵，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)，闡述了基于耗散結構理論的熵值分析和系統(tǒng)評價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，對于海島生態(tài)－環(huán)境管理模型并未針對某個具體海島進行各評價指標的熵值量化計算和實證分析，這些內容將另行發(fā)表。

注釋

①李金克、王廣成：《海島可持續(xù)發(fā)展評價指標體系的建立與探討》，《海洋環(huán)境科學》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)安全評價指標體系與評價方法研究》，《北京師范大學學報（自然科學版）》2004年第5期。

?王耕、王利、吳偉：《區(qū)域生態(tài)安全概念及評價體系的再認識》，《生態(tài)學報》2007年第4期。

?肖佳媚、楊圣云：《PSR模型在海島生態(tài)系統(tǒng)評價中的應用》，《廈門大學學報（自然科學版）》2007年第1期。

?陳彬、俞煒煒：《海島生態(tài)綜合評價方法探討》，《臺灣海峽》2006年第4期。

?郝欣、秦書生：《復合生態(tài)系統(tǒng)的復雜性與可持續(xù)發(fā)展》，《系統(tǒng)辯證學學報》2003年第4期。

?閆文周、顧連勝：《熵權決策法在工程評價中的應用》，《西安建筑科學大學學報》2004年第1期。

?暢建霞、黃強、王義民：《基于耗散結構理論和灰色關聯熵的水資源系統(tǒng)演化方向判別模型研究》，《水利學報》2002年第11期。

責任編輯 平樂