劉瑞顯　李國鋒　徐立華　承泓良

）摘要：作為系統(tǒng)論的新發(fā)展，耗散結(jié)構(gòu)理論主要研究一個系統(tǒng)從無序向有序、從低序向高序轉(zhuǎn)化的機理、條件和規(guī)律。在簡要介紹耗散結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)上，分析了棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)所具備的耗散結(jié)構(gòu)特征，討論了耗散結(jié)構(gòu)理論對實施棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新的啟示。

關(guān)鍵詞：棉花；生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)；耗散結(jié)構(gòu)

中圖分類號： S562.04文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）01-0008-03

收稿日期：2013-05-29

基金項目：江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金[編號：CX（12）3034]；江蘇省農(nóng)業(yè)三新工程專項資金[編號：SXGC（2012）S321400-1]；江蘇省農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)科技推廣項目（編號：2013KJ-37）。

作者簡介：劉瑞顯（1980—），男，山東濰坊人，博士，副研究員，主要從事棉花栽培技術(shù)及生理研究。E-mail：liuruixian2008@163.com。 技術(shù)創(chuàng)新是人類財富之源，是推動經(jīng)濟增長的根本動力。棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新的目的就是要不斷提高棉花生產(chǎn)系統(tǒng)的有序性，實現(xiàn)棉花生產(chǎn)整體功能的可持續(xù)發(fā)展，滿足市場對棉花的需求和促進棉農(nóng)的增收，而耗散結(jié)構(gòu)理論作為系統(tǒng)論的新發(fā)展，主要研究一個系統(tǒng)從無序向有序、從低序向高序轉(zhuǎn)化的機理、條件和規(guī)律。因此，探討耗散結(jié)構(gòu)理論在棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)中的應(yīng)用具有時代和現(xiàn)實意義。

1耗散結(jié)構(gòu)理論的基本原理

“耗散結(jié)構(gòu)”理論是1977年諾貝爾化學(xué)獎得主普里戈金（Prigogine）教授經(jīng)過20多年對非平衡熱力學(xué)的潛心研究而創(chuàng)立的。該理論認為，一個開放系統(tǒng)（可以是物理的、力學(xué)的、生物的、化學(xué)的系統(tǒng)）在達到遠離平衡態(tài)的非線性區(qū)時，一旦系統(tǒng)的某個參量的變化達到一定閾值，通過漲落，系統(tǒng)可能發(fā)生突變，由原來的無序的混亂狀態(tài)轉(zhuǎn)變到一種時間、空間或功能有序的新狀態(tài)，這種有序狀態(tài)需要不斷地與外界交換物質(zhì)和能量才能保持，并保持一定的穩(wěn)定性，不因外界的微小擾動而消失。普里戈金把這種在遠離平衡態(tài)的非線性區(qū)域形成的新的穩(wěn)定有序結(jié)構(gòu)稱為耗散結(jié)構(gòu)[1]。耗散結(jié)構(gòu)理論指出，系統(tǒng)從無序狀態(tài)過渡到這種耗散結(jié)構(gòu)必須具備4個條件。

1.1開放性

經(jīng)典力學(xué)把各種系統(tǒng)分為孤立系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)。所謂開放系統(tǒng)就是與外界既有物質(zhì)又有能量交換的系統(tǒng)，對于生物和社會系統(tǒng)而言，還包括信息交換。而同外界只有能量而無物質(zhì)交換的系統(tǒng)稱為封閉系統(tǒng)，同外界無物質(zhì)和能量交換的系統(tǒng)稱為孤立系統(tǒng)。按照熱力學(xué)第二定律，孤立系統(tǒng)的自發(fā)演化趨勢是熵逐漸增大、活力逐漸減少。要形成耗散結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)必須開放，因為開放系統(tǒng)能與外界進行物質(zhì)、能量和信息的交換，才能維持其生命，并且只有當系統(tǒng)從外界引入的物質(zhì)、能量和信息的“負熵流”的絕對值大于系統(tǒng)內(nèi)的熵增量時，系統(tǒng)才能向熵減方向（即有序方向）演化。

1.2非平衡性

非平衡是有序之源。這里所說的非平衡是指系統(tǒng)遠離平衡態(tài)的狀態(tài)，平衡態(tài)和近平衡態(tài)被排除在外。因為在平衡態(tài)和近平衡態(tài)系統(tǒng)要素間關(guān)系可以近似地用線性關(guān)系表示，其漲落是衰減的，系統(tǒng)不會產(chǎn)生質(zhì)變形成新的有序結(jié)構(gòu)。正是這種非平衡才能使系統(tǒng)產(chǎn)生和具備與外界進行物質(zhì)、能量和信息交換的要求和勢能，這就是非平衡是有序之源的根本含義。

1.3漲落有序

漲落是指一些微小的擾動，隨機漲落是有序的契機。經(jīng)典物理學(xué)中的漲落是指平衡態(tài)系統(tǒng)仍可能發(fā)生離開平衡的微小偏差。漲落形成是一個隨機過程。從來源看，可以把漲落分為2類：一類是系統(tǒng)自身產(chǎn)生的，稱為內(nèi)部漲落；另一類是由外部引起的，稱為外部噪聲。當系統(tǒng)處于遠離平衡的非線性區(qū)域時，隨機漲落可以通過非線性的相互作用和連鎖效應(yīng)迅速擴大，形成宏觀整體上的“巨漲落”，從而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生突變，形成一種耗散結(jié)構(gòu)。在遠離平衡的非線性區(qū)，漲落對耗散結(jié)構(gòu)的形成起觸發(fā)和激化作用，是耗散結(jié)構(gòu)得以形成的“觸發(fā)器”。

1.4非線性作用

線性是指系統(tǒng)各部分產(chǎn)生內(nèi)在聯(lián)系的那些因素之間的定量關(guān)系，它可以轉(zhuǎn)化為1個或1組線性方程，包括二元一次方程和多元線性方程等。非線性是指系統(tǒng)各部分產(chǎn)生內(nèi)在聯(lián)系的那些因素之間的定量關(guān)系，可以化為1個或1組非線性方程或方程組，包括代數(shù)方程、微分方程和差分方程等。所謂非線性作用，就是指非線性關(guān)系系統(tǒng)中要素間存在的作用方式，由于描述這種相互作用的方程至少是非線性方程或方程組，故稱這種作用為非線性作用。非線性作用在耗散結(jié)構(gòu)形成和演化過程中產(chǎn)生相互效應(yīng)和協(xié)同作用，是推動系統(tǒng)向有序發(fā)展的內(nèi)部動力，是耗散結(jié)構(gòu)形成的主要機理和必要條件。

2棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)特征

2.1棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)是一個開放系統(tǒng)

棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)。它可以由技術(shù)創(chuàng)新主體系統(tǒng)、技術(shù)創(chuàng)新對象系統(tǒng)和技術(shù)創(chuàng)新支持系統(tǒng)相互作用構(gòu)成。技術(shù)創(chuàng)新主體系統(tǒng)的核心是技術(shù)研發(fā)機構(gòu)，其他部分包括技術(shù)推廣、涉棉相關(guān)企業(yè)、棉農(nóng)和政府相關(guān)部門等。技術(shù)創(chuàng)新對象系統(tǒng)主要是指產(chǎn)品創(chuàng)新系統(tǒng)和過程創(chuàng)新系統(tǒng)。技術(shù)創(chuàng)新支持系統(tǒng)是指信息支持系統(tǒng)、相關(guān)技術(shù)支持、技術(shù)創(chuàng)新政策、法律支持系統(tǒng)、金融支持系統(tǒng)和中介支持系統(tǒng)等。

棉花生產(chǎn)技術(shù)是一門包括生物學(xué)、植物生理學(xué)、生態(tài)學(xué)、遺傳育種學(xué)（包括現(xiàn)代生物技術(shù)）、植物保護學(xué)、農(nóng)業(yè)化學(xué)、農(nóng)業(yè)信息學(xué)、農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣學(xué)、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟學(xué)和管理科學(xué)等多種學(xué)科內(nèi)容的交叉學(xué)科，它需要借助其他學(xué)科領(lǐng)域的研究成果，吸收其理論和科研成果并為己所用。同時，棉花生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展也影響棉花科學(xué)技術(shù)的研究范圍和科研取向。棉花生產(chǎn)技術(shù)充分吸收前沿科學(xué)的方法論精華，利用眾多的現(xiàn)代科技成果，借助、吸收、整合其他領(lǐng)域的資源并對其進行再開發(fā)和利用，使棉花生產(chǎn)技術(shù)趨于系統(tǒng)化和科學(xué)化，從而形成自身的理論體系，為棉花生產(chǎn)現(xiàn)代化發(fā)展提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

棉花生產(chǎn)技術(shù)是社會發(fā)展的產(chǎn)物，它的發(fā)展必然與社會分工和社會需求之間存在交換。棉花生產(chǎn)技術(shù)從社會發(fā)展和進步中吸收營養(yǎng)，促進自身的發(fā)展，同時，棉花生產(chǎn)技術(shù)的進步又可以促進棉花生產(chǎn)的發(fā)展，滿足市場發(fā)展的需求，從而充分發(fā)揮其社會效益。

2.2棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)是遠離平衡態(tài)的系統(tǒng)

棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間、各子系統(tǒng)與其外部環(huán)境之間均進行廣泛的物質(zhì)、能量和信息交換，使系統(tǒng)的所有組成之間都不斷地發(fā)生著運動和變化，這樣就可以通過增大系統(tǒng)內(nèi)部的勢能差，將系統(tǒng)推向遠離平衡的狀態(tài)。當棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)遠離平衡態(tài)時，各個子系統(tǒng)及其構(gòu)成元素之間的相互作用和相互影響的關(guān)系是不可能用線性關(guān)系來表示的。

2.3棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)存在非線性相互作用機制

棉花生產(chǎn)技術(shù)作為一門交叉學(xué)科，可以說從它誕生之時就具有非線性的諸多特征。從空間維度看，棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)這個人與自然的復(fù)合系統(tǒng)比自然系統(tǒng)更為復(fù)雜。一方面，棉花生產(chǎn)技術(shù)的功能指向根據(jù)人的需要而預(yù)設(shè)，并在活動過程中予以評價、改造。因此，棉花生產(chǎn)技術(shù)的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系不是單向的因果關(guān)系，而是動態(tài)雙向影響的因果反饋環(huán)節(jié)。另一方面，棉花生產(chǎn)技術(shù)整體功能發(fā)揮是在各部分之間的相互作用中形成，而這種相互作用也產(chǎn)生相互制約，導(dǎo)致某些性質(zhì)被突出，或某些性質(zhì)被屏蔽。這說明從棉花生產(chǎn)技術(shù)內(nèi)部看，生產(chǎn)技術(shù)整體功能與其組成部分之間也存在以動態(tài)雙向影響為基礎(chǔ)的因果反饋環(huán)節(jié)。在上述2個因果關(guān)系反饋環(huán)節(jié)中，更多的是非線性關(guān)系，而不是可以準確考察和預(yù)見的線性關(guān)系。從時間維度看，棉花生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展過程也具有非線性特征。棉花生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展過程是一個動態(tài)演進的過程，具有多種可能性存在，這種發(fā)展過程包含著各種內(nèi)外因素帶來的無法在事先精確預(yù)見的隨機性和偶然性。棉花生產(chǎn)的推進就是在多種可能性中作出選擇，使新的狀態(tài)不斷生成，并影響下一代的發(fā)展過程。

2.4棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)中存在漲落因素

開放性、遠離平衡主要是指有序結(jié)構(gòu)的外部條件，而系統(tǒng)演化要真正達到質(zhì)變，還需要其內(nèi)部條件，即漲落。所謂漲落是指系統(tǒng)中某個變量的行為與平均值發(fā)生偏離，使系統(tǒng)離開原來的狀態(tài)軌道。系統(tǒng)在演化過程中面臨多種多樣的選擇，某個元素的微小偏離有可能被反饋放大為“巨漲落”，從而導(dǎo)致系統(tǒng)從不穩(wěn)定狀態(tài)躍遷到一個新的有序狀態(tài)，即耗散結(jié)構(gòu)。因此，任何一種穩(wěn)定有序的狀態(tài)都可以看做是某種無序狀態(tài)失去穩(wěn)定而使?jié)q落放大的結(jié)果。棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)中普遍存在漲落。一方面存在內(nèi)部漲落，如轉(zhuǎn)基因抗蟲棉花品種替代常規(guī)品種在棉花生產(chǎn)上的成功應(yīng)用，節(jié)省棉花生產(chǎn)成本，保護棉田生態(tài)環(huán)境，推動植棉技術(shù)的進步，就是漲落導(dǎo)致系統(tǒng)有序的典型案例。外部漲落的因素更多，典型的是天氣的影響，尤其是國家涉棉政策的變化導(dǎo)致棉田面積的顯著波動，這也說明了外部漲落的巨大威力。

3耗散結(jié)構(gòu)理論對實施棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新的啟示

3.1開放是棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)

開放是系統(tǒng)進化的基礎(chǔ)，對于一個孤立系統(tǒng)，隨著時間的推移，系統(tǒng)的熵值必然增至極大值，即其演化結(jié)果必然是達到無序的平衡狀態(tài)。開放系統(tǒng)之所以能形成耗散結(jié)構(gòu)，主要是因為開放系統(tǒng)能夠與外界進行熵的交換?！办亍钡母拍顏碓从跓崃W(xué)，是1856年由克勞修斯創(chuàng)立的，其物理涵義是內(nèi)部分子熱運動混亂度的度量。系統(tǒng)越混亂，熵就越大；系統(tǒng)越有序，熵就越小[2]。熵的概念有著豐富的內(nèi)涵。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，熵的概念在現(xiàn)代技術(shù)中的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)由熱力學(xué)拓展到包括社會經(jīng)濟在內(nèi)的多個領(lǐng)域。將熵的概念引入到棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)，用熵來衡量棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)的有序度：熵值越大，說明棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)越雜亂無章；熵值越小，說明棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)越有序。

根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，開放系統(tǒng)的熵變dS由熵產(chǎn)生diS與熵流deS 2個部分組成。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，diS總是正的，deS在封閉系統(tǒng)中不存在，在開放系統(tǒng)中可以為正，也可以為負。根據(jù)以上分析，可以構(gòu)造一個棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)的熵變數(shù)學(xué)模型：

dS=diS+deS；

deS= deS++deS-。

式中：dS是整個系統(tǒng)的熵變，diS為系統(tǒng)內(nèi)的熵產(chǎn)生，deS為系統(tǒng)與外界交換帶來的熵流；deS+為系統(tǒng)與外界交換帶來的正熵流，deS-為系統(tǒng)與外界交換帶來的負熵流。當dS<0時，系統(tǒng)不但能維持且能夠形成新的耗散結(jié)構(gòu)，意味著系統(tǒng)運行越來越有序；當dS>0時，系統(tǒng)不能維持耗散結(jié)構(gòu)而面臨瓦解。很明顯，棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)要有序地運作，不僅要保持系統(tǒng)開放引入負熵流，而且要防止引入正熵流，減緩系統(tǒng)內(nèi)的熵產(chǎn)生，以確保引入的負熵流的絕對值大于引入的正熵流與系統(tǒng)內(nèi)的熵產(chǎn)生之和。

3.2非平衡是棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)的有序之源

根據(jù)“非平衡是有序之源”這一原理，一個內(nèi)有動力和外有活力的棉花技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)必定是一個有差異的非均勻、非平衡的系統(tǒng)。因為如果一個系統(tǒng)處于無差異的平衡態(tài)，就意味著系統(tǒng)內(nèi)部不存在勢能差。而耗散結(jié)構(gòu)理論認為，無勢能差的平衡系統(tǒng)服從勢能最小原理，必然是一個低功能系統(tǒng)[3]。棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)一旦進入這種“死”結(jié)構(gòu)的平衡態(tài)，便維持這種狀態(tài)不變，任何漲落在平衡態(tài)附近都是衰減的，因而難以促進棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)的發(fā)展和創(chuàng)新。

要提高棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)的創(chuàng)新能力，就要打破平均主義，尊重知識，尊重人才，引入競爭和激勵機制，樹立創(chuàng)新理念，營造創(chuàng)新文化，設(shè)法加大系統(tǒng)內(nèi)部的勢能差，造成非平衡態(tài)。但是，長期以來，人們頭腦中存在一種思維定式：認為平衡就是好的象征，是井井有條的體現(xiàn)；而不平衡就是混亂，要千方百計去打破、扭轉(zhuǎn)它，以恢復(fù)平衡。實際上這種表面上的平衡恰恰使技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)陷入死氣沉沉的境地，是技術(shù)創(chuàng)新管理之大忌?？傊?，棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)必須擺脫僵化的平衡模式進入非平衡或遠離平衡態(tài)達到動態(tài)平衡，才能形成技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)。

3.3漲落是棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)質(zhì)變的觸發(fā)器

“漲落導(dǎo)致有序”強調(diào)了在非平衡棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)具備形成耗散結(jié)構(gòu)的客觀條件時，漲落對客觀有序起決定作用。例如，一條科技情報的獲取、一位創(chuàng)新人才的引進、一項技術(shù)發(fā)明的成功，都會對棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)的存續(xù)和有序發(fā)展產(chǎn)生重要影響，甚至成為棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)實現(xiàn)飛躍的重要力量。把漲落機制應(yīng)用到棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)中，要采取一些變革措施或分段創(chuàng)造小漲落，通過非線性使這些漲落由小到大，由局部到整體，發(fā)展成巨漲落，促使棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)躍遷到一種生機勃勃的有序狀態(tài)，發(fā)生結(jié)構(gòu)功能突變，促成棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)耗散結(jié)構(gòu)的形成。在這一過程中應(yīng)注意掌握和駕馭漲落的客觀規(guī)律，如在棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)處于發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)變的臨界點之前，要積極創(chuàng)造條件，促進和擴大某種漲落，有意識地使系統(tǒng)發(fā)生暫時的失穩(wěn)，為打破舊的體制和結(jié)構(gòu)、建立新的秩序創(chuàng)造條件和時機。當棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)處于關(guān)鍵的臨界點和轉(zhuǎn)折點時，要因勢利導(dǎo)，及時控制參量的變化，使棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)通過漲落向著人們所期望的分支躍進，朝著創(chuàng)新功能完善的方向發(fā)展。在實現(xiàn)這一躍進后，通過非線性作用機制的調(diào)節(jié)和自組織效應(yīng)達到穩(wěn)定有序狀態(tài)。

3.4非線性作用是棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)演化的動力

非線性的相互作用是技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)形成有序結(jié)構(gòu)的內(nèi)部原因和內(nèi)在動力。在非線性相互作用中，根據(jù)整體性原則，系統(tǒng)元素間的勢能差會逐漸放大，由于系統(tǒng)內(nèi)元素間的相互制約、相互協(xié)同、相互融合或放大的耦合關(guān)系，而最終形成一種整體上完全不同于原先各部分的組合，即嶄新的整體效應(yīng)[4]。技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)要達到高度有序，必須通過技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)內(nèi)部非線性機制的調(diào)節(jié)以獲得自生長、自創(chuàng)性、自激蕩、自完善甚至混沌運動等非平衡行為，并在非線性相互作用下產(chǎn)生相互效應(yīng)和協(xié)同動作來實現(xiàn)。因此必須強化以下2種協(xié)同：一是強化棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的協(xié)同。系統(tǒng)論認為，系統(tǒng)整體功能與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，即結(jié)構(gòu)決定功能。強化結(jié)構(gòu)協(xié)同就是要合理配置棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)諸元素，使之綜合利用，發(fā)揮整體最優(yōu)。二是強化棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)各子系統(tǒng)各種行為的協(xié)同。這需要盡量避免各子系統(tǒng)行為之間的矛盾和沖突，從整體優(yōu)化出發(fā)，消除各自為政、各行其是、互不關(guān)聯(lián)的狀況，用棉花生產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)的整體目標來整合各子系統(tǒng)的行為。

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