耗散结构理论视角下的河南耕地问题及对策

赵月伟　朱连奇

摘要 揭示了作为全国粮食大省和人口大省的河南省在耕地的保护与利用上的严峻性和紧迫性。为了确保粮食安全、社会稳定、生态安全和经济安全，利用耗散结构理论的新角度对河南省耕地存在的问题加以研究，进而提出合理建议。

关键词 耗散结构理论；熵；耕地问题；对策；河南省

中图分类号 F301 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2009）07-0237-02

1 耗散结构理论

耗散结构理论是物理学家普里高津提出来研究开放系统发展趋势和相应条件的理论。这个理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。根据耗散结构理论，这种远离平衡态的非线形的开放系统通过不断地与外界交换物质、能量和信息，系统中存在非线性动力过程和正负反馈机制，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落及负熵的增加，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上新的有序状态。这种非平衡条件下的、稳定的、有序的结构，依靠不断地耗散外界的物质与能量才能维持，故称耗散结构。系统可以通过自发的对称性破缺从无序进入有序的耗散结构状态[1]。

系统状态的变化是通过体系的状态函数“熵”来表达的， 用S表示。根据耗散结构理论，系统只有不断地与外界进行物质、能量交换，增加系统的负熵，使总熵减小，才能使系统逐步向新的有序方向发展。开放系统熵的改变由两部分组成：一部分是系统内本身不可逆过程所引起的熵增加，也称为熵产生；另一部分是系统与外界交换能量与物质引起的熵的变化，称为熵流开放系统的总熵变为熵产生与熵流之和，即ds＝dis＋des（1）

用熵平衡方程表示为：＝＋（2）

由公式（2）可知，ds的大小取决于dis和des的代数和。根据熵增原理，dis不会是负的，而des没有确定符号，可为正或零或负值，如果熵流为正值，即ds>0，则总熵ds增加， 系统的无序程度将增加。如果熵流为负值，即des<0，在dis不变的情况下，则总熵ds减少，系统的有序程度增加。因此，只有＜0且满足＞才能保持系统向有序化方向发展。此时＝＋＜0，利用熵平衡公式可以衡量系统的状态。负熵输入越多，系统总熵越小，有序性越强，系统状态也越好。这说明一个非平衡状态开放系统可以通过与外界进行物质和能量交换获得负熵来减少总熵，从而达到新的有序状态。因此，系统要想稳定、有序地发展，必须从外界吸收大量的负熵流。一个系统要形成耗散结构，即动态有序，必须满足：①系统必须开放；②远离平衡态；③非线性相互作用；④涨落现象。河南省的耕地系统是一个耗散结构，符合耗散结构的基本要求。耕地系统是一个大的开放系统，耕地本身就凝聚着人类的社会实践活动，离不开人类的物质与能量的投入；耕地系统也可以通过生物要素、非生物要素与其他系统进行交换，输出大量的初级产品或次级产品。耕地系统也是远离那种系统要素单一、熵值最大、结构无序的平衡态的，耕地系统通过人为干预，系统有序性较强。耕地系统由于受到投入以及气候等因素的影响，系统中内部要素与子系统之间成非线性关系，城市化进程以及农业结构调整也使耕地系统向着非线性方向发展。系统由于受到自然和社会等外界因素的干扰会产生“涨落”，连续不断地影响会使系统偏离平衡态，当涨落影响达到一定的程度时，系统就会产生“巨涨落”，从而发生跃迁，从当前的状态跃到更有序的状态，形成新的耗散结构，从而不断地推动系统向前发展。因此，耕地系统是一个耗散结构。

2 耗散结构理论对河南省耕地问题的分析

随着耗散结构理论的应用和发展，产生复杂性[2]。这个理论在耕地研究领域有指导意义。在耗散结构中，支配着其他变量的变化，主宰系统整体演化过程的参量称为序参量，它的大小决定了系统有序程度的高低。因此，系统的有序程度以及演化方向可以用序参量表达。对于河南省的耕地而言，耕地系统的功能在粮食生产、社会稳定、生态安全与经济安全。笔者在研究河南耕地系统时，将耕地的质量、耕地的数量、耕地的系统环境、耕地变化驱动力作为序参量。

2.1 土地质量

土地质量应该包括土地质地、土壤结构、有机质含量、土壤养分含量、土壤贮水供水能力、交换量（保肥供肥）等土壤理化综合指标和土壤污染、养分流失、土地沙化等指标。根据《全国第二次土壤普查暂行技术规程》的土壤养分分级标准统计，全省耕地有机质含量平均为8.9g/kg，处于Ⅴ级（6.1~10.0g/kg）水平，其中低于Ⅴ级水平上限10.0g/kg的耕地占58.3%，大于Ⅲ级20.1g/kg以上水平的耕地只有6%。全省非耕地土壤有机质含量为18.6g/kg，其含量20.1g/kg以上的面积占40.8%，远远高于耕地的土壤有机质的含量。这表明全省土地的用养失调十分严重。耕地养分中全氮平均含量0.80g/kg，处于Ⅳ级水平；速效磷（P2O5）平均含量5.9 mg/kg，处于Ⅳ级水平；速效钾（K2O）平均含量132mg/kg，处于Ⅲ级水平，其中低于临界值100mg/kg的耕地占53.9%。大多数耕地氮低磷少钾严重不足，有机质含量低。此外，全省土壤中微量元素的缺乏也十分明显。耕地中有效钼含量低于其临界值的占93.5%，有效硼含量低于其临界值的占83.9%，有效锌含量低于其临界值的占44.5%，有效铁含量低于其临界值的占24.6%，有效锰含量低于其临界值的占11.2%。全省土壤缺钼、硼面积很大，缺铁、锰面积较小。由于耕地土壤养分偏低，土壤有机质含量低且分布不平衡，致使耕地系统内熵不断增加，以至于耕地系统本身的内熵增加，总熵在增大，系统的有序性程度下降。

2.2 耕地数量

由于河南省人口众多，耕地资源有限，故分析耕地资源的数量变化要从总面积和人均面积2个方面来考虑。根据统计资料、土地资源详查和变更调查数据，河南省耕地资源的面积总体呈现一直减少的趋势，大致可分为3个阶段：第1阶段为1980~1995年，耕地面积呈逐年减少趋势；第2阶段为1996~2001年，耕地面积比1995年有所增加，且每年耕地变化幅度不大；第3阶段为2002~2003年，耕地面积减少幅度较大（图1）。人均耕地的变化也显著地分为2个阶段：第1阶段是1980~1995年，人均耕地急剧减少，从1980年的1 200m²逐年减少到1995年的880m²；第2阶段为1996年至今耕地面积仍然一直处于下降状态，但减少幅度趋于平缓，保持在850m²左右的水平（见图2）[3]。

1980~1995年期间，国家基建、乡村集体和农民个人建房占地是耕地减少的主要原因，为河南省耕地系统输入了正熵流，导致耕地面积和人均耕地面积大坡度下滑，造成河南耕地系统的不稳定性。1996~2001年期间，河南省由于开发未利用地，进行工矿废弃地复垦，开展土地整理；平原地区田、水、路、林、村综合整治，丘陵山区小流域治理，煤矿塌陷地、工矿废弃地和砖瓦窑场废弃地复垦，黄河故道和黄泛区大面积沙荒地农业示范园区建设全面付诸实施，耕地系统输入了负熵流，使耕地系统的总熵减少，耕地有所增加，并且在一个相对稳定的水平。2002~2003年期间，为了保护农业生态环境，“退耕还林、退耕还草”政策的实施，特别是城镇化建设的步幅加快，占用了大量耕地，为耕地系统输入了大量的正熵，使耕地数量急剧减少，但从2003年至今，中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》将1.2亿公顷耕地保有量确定为约束性指标。1.2亿公顷是未来５年必须坚定不移守护的“红线”。为耕地系统累积了负熵流，使河南省整个耕地系统总熵减少，耕地面积减少趋于平缓。

2.3 耕地的系统环境

由于工业“三废”的大量排放，使大量有毒有害物质进入耕地，造成水体和耕地污染，在城（镇）郊区更为突出。在全省环境有所改善的情况下，2002年全省工业和城市生活废水排放量为23.85亿吨。其中，工业废水排放量11.44亿吨，生活废水排放量12.41亿吨；工业废气排放量10 644亿标准立方米，工业粉尘68.25万吨，二氧化硫93.72万吨。其中，工业废气量比1997年增加49.9%；工业固体废物4 250.92万吨，比1997年增加28.7%。截至2002年底，全省建成城市污水处理厂16座，日处理污水能力159万吨，年处理能力5.80亿吨，不到全省城市生活污水排放量的1/2。2000年对全省基本农田保护区采集土壤样品110个进行分析，土壤中重金属检出率为100%。其中，镉、砷分别超标35.8%和6.1%，尤其是城郊农田保护区耕地，重金属超标率更高。农业生态环境遭到破坏，耕地资源受到严重污染，严重影响了土地的产出和食品安全。生态环境的恶化，为耕地系统输入了正熵流，系统有序程度较低，处于不健康和不稳定的状态。

2.4 耕地变化驱动力

（1）人口驱动因素。河南人口数量从1949年的4 174万人到2003年的9 677万人，人口年增长率为2.40%。人均耕地则由1 760m²减少到820m²。人口的增长，为耕地输入了更多的正熵流，耕地系统总熵流增加，耕地系统变得更加无序，耕地会继续减少，人地矛盾更加尖锐，耕地负荷会越来越重。

（2）经济驱动因素。自改革开放以来，河南省发展较快，GDP由1990年的895亿元增长到2003年的7 048.59亿元，增长了6.9倍。国家基本建设、建房热、经济技术开发区热，产业结构调整，大量优质耕地被占用，新开垦的耕地主要为肥力较差的土壤，导致了全省土地质量下降[4]。人均居住面积和第三产业用地扩大为耕地系统输入了大量正熵流，使耕地系统越来越不稳定。

（3）政策因素驱动。自改革开放以来，国家经济建设的投资热和开发区热使这一时期的耕地明显减少，从1996年，国家实行强有力的耕地总量动态平衡政策和1.2亿公顷耕地保有量确定，为耕地系统输入了负熵流，这才遏止了耕地数量连年减少的势头。

3 结语

耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化规律的一种理论。利用熵平衡公式可以衡量系统的状态。负熵输入越多、系统总熵越小、有序性越强，系统状态也越好。这说明一个非平衡状态开放系统可以通过与外界进行物质和能量交换获得负熵来减少总熵，从而达到新的有序状态。河南省的耕地系统是一个耗散结构，符合耗散结构的基本要求。

4 参考文献

[1] 李如生.非平衡态热力学力耗散结构[M].北京：清华大学出版社，1986.

[2] 成思危.复杂性科学探索[M].北京：民主与建设出版社，1999.

[3] 河南省统计局.河南统计年鉴（1991~2004）[M].北京：中国统计出版社，1991-2004.

[4] 何艳芬，张柏，马超群.吉林省耕地动态变化及其对粮食生产的影响[J].资源科学，2004，26（4）：119-125.