基于耗散结构理论的西北内陆河流域生态环境补偿研究

刘志仁，汪妍村

(1．长安大学 政治与行政学院，陕西西安 710064;2．西安交通大学 法学院，陕西 西安 710049)

1 耗散结构理论及其在环境保护中的应用

耗散结构理论是普里戈金教授于1969年“理论物理学和生物学”的国际会议上正式提出的。耗散结构理论是指一个远离平衡态的开放系统，通过不断地与环境交换物质和能量，在外界条件变化达到一定阈值时，就可能从原先的无序状态转变为一种在时空上或功能上有序的状态。而这种远离平衡态的有序结构就是耗散结构。典型耗散结构的形成与维持需要具备4个条件:一是系统必须是开放系统，孤立系统和封闭系统都不可能产生耗散结构;二是系统必须处于远离平衡的非线性区，在平衡区或近平衡区都不可能从一种有序走向另一种更为高级的有序;三是系统必须是远离平衡的自组织系统;四是系统有某些非线性的动力学过程，通过结构、功能、涨落之间的相互作用达到和谐有序［1］。非线性相互作用使得系统内各要素之间产生协同动作和相干效应，从而使得系统从杂乱无章变为井然有序。

环境从宏观角度来说包括自然环境和社会环境。自然环境指环绕于人类周围的自然界，是人类赖以生存和发展的物质基础。社会环境是人类在自然环境的基础上，通过长期有计划、有目的的发展，逐步创造和建立起人工环境。环境按照自身的规律发展变化，与外界之间不仅存在物质流，而且还有能量流、信息流。对于环境本身来说，有序是进化的产物。根据耗散结构理论，在非平衡状态下系统与环境之间进行的物质和能量的交换，相对于系统产生的有序，环境会产生更大的无序，而无序则意味着退化［2］。经济社会的发展正是这样一个有序的进化过程，这个过程需要不断地与环境交换大量的物质和能量，并以环境的加速退化为代价。由此总结出，环境系统是开放系统，经济社会与环境之间的各种物质能量交换导致其处于一个非平衡的非线性区，而根据熵增原理，一个对象要想在实践中获得存在与发展，必须不断地从外界引入负熵，以抵消对象体内正熵的增加，从而确保对象不断地走向更高层次的稳定有序结构。由于环境受到经济社会的影响，环境污染等问题使环境内部正熵不断增加，这就需要不断从经济社会反向引入负熵，从而使环境处于稳定有序和谐的结构。基于耗散结构理论分析发现，环境内部正熵主要来自经济社会的过度引入物质和能量等，破坏环境自身的有序稳定结构以及环境自身的自然进化规律产生了正熵，因此需要从经济社会进一步引入负熵，环境生态补偿理论正是通过经济社会不断地向环境积极地反馈能量和限制经济社会无限制的能量物质引出，以使环境向新的更高层次的有序结构发展。

2 西北内陆河生态环境的耗散结构特征分析

2．1 西北内陆河生态环境是一个开放系统

恩格斯《自然辩证法》中明确指出“整个自然界被证明是在永恒的流动和循环中运动着”。从环境与系统的角度分析，可以将系统分为封闭系统、孤立系统和开放系统。开放系统主要是指与外界存在着一定的物质、能量以及信息交换的系统。西北内陆河生态环境属于开放的系统。首先，它与外界存在着物质交换。以塔里木河流域为例，塔里木河流域总面积102万km2，灌区面积1 255 400 hm2，其中农田灌溉面积951 466．7 hm2，人工林草灌溉面积303 933．5 hm2。人类引用河水进行灌溉，输出水资源以发展社会经济，而灌溉水又会遵循自然规律渗漏为地下水或者以大气水的形式回归生态环境，汇入河流之中，形成了内陆河水资源—人类灌溉—回归水形态的物质交换模式［3］。其次，内陆河生态环境与外界有能量交换。黑河是我国西北地区较大的一条内陆河，在河流中、上游规划了8座梯级水电站。人类利用设施建设，将河流所带来的水能，转化为经济社会所需的电能，而经济社会发展到一定程度，也会根据生态环境的发展程度提供能量反馈措施，如筑坝固定河道，稳定水源，防止内陆河水被沙漠吞噬。从表面上看，能量流动是单向的，内陆河到经济社会，这是由于能量在经济社会发展中以不同的形式散失掉，经济社会与生态环境的能量交换只能以不对称的形式交换。最后，还存在着信息交换。塔里木河流域山区，分布着许多珍稀野生动物，而各水系中，也分布有多种土著鱼类种群。这是塔里木河向外界不断传递信息导致的结果。水是生命之本，河流的存在，往往是生物种群繁衍的保障，内陆河不断地改道，传递出不同的生存信息，而生物种群就根据河流信息进化生存，生物链条的完善，也使河流本身维持着有序和谐的发展模式。西北内陆河生态环境就是开放系统。

2．2 西北内陆河生态环境处于远离平衡有序状态

普里戈金教授认为:开放系统具有3种状态:热力学平衡态、近平衡态和远离平衡态。若开放系统处于近平衡态，则其自发趋势经过摆动后仍回到平衡态。平衡结构是指平衡态下静态的稳定化有序结构［4］。西北内陆河生态环境，除去人类活动的影响，就处于一个平衡态，与外界没有物质交换，宏观体系的各部分在长时间内不发生任何变化，动物、植物以及自然系统的各个部分，在长久的发展中，没有消耗外界的物质、能量来维持存在，也不会产生质变形成新的有序结构。但在实际中，西北内陆河生态环境并不完全不受外界影响，人类生产等活动无时不在与其交换着物质、能量，有人类活动的影响，西北内陆河生态环境只能是一个非平衡结构。非平衡结构是活的结构，是动态有序结构，微观上每个子系统在不停地变化运动，这种运动构成了宏观上稳定的结构。西北内陆河生态系统包含着植物，动物、微生物和人类等子系统，各个子系统按照自然规律繁衍生息，但宏观上又相互影响，相互交换能量，维持着整个内陆河生态系统稳定向前发展。

2．3 西北内陆河生态环境是一个自组织系统

自组织系统指无需外界特定指令而能自行组织、自行创生、自行演化，能自主地从无序走向有序，形成新的有序结构的系统［5］。自组织是说明系统中所包含的各个运动变化的子过程间的相互协作、竞争，使过程演化为有序。西北内陆河生态环境包含特有的动物、植物、微生物和人类4个子系统，人类劳动耕作，不断从动物，植物系统中获取能量，以维持社会生活。“生态系统中的各级结构，生物的种类，自行协调、自我组织，形成一个具有自我调节功能的系统。生物物种和气候形成的春天生长、秋收冬眠、花开花落、四季循环正是非平衡系统中的时、空有序态。”［6］西北内陆河中下游地区，人类集约发展，依托河流水源形成了一定规模的绿洲，组成了一个具有自我调节功能的内陆河流域子系统。绿洲靠河流生存，以河流水源的多少而变化，河流也依托绿洲而保持水系的完整和稳定，人类等物种繁衍、自我更新，都依绿洲的规模发展，内陆河流域生态系统是由各个大小不一的绿洲系统组成，绿洲有序发展，调节内陆河生态系统的自然演化有序发展，形成新的有序结构系统。

2．4 西北内陆河生态环境是非线性的动力学过程

达尔文生物进化论中指出:物竞天择，适者生存的自然规律。这说明生物与环境之间是非线性相互作用的关系。非线性系统具有非均匀性、非对称性和相干性［7］。组成西北内陆河生态系统的各个子系统是相互联系、相互作用的。任何一个子系统状态的变化最终会影响整个西北内陆河流域的生态系统。例如塔里木河流域的楼兰文明，黑河流域的黑水城，由于人为原因加上自然原因，富有生机的绿洲文明消失，风沙横行，植被枯死，完全改变了区域内陆河流域的生态环境。内陆河生态系统总体的特征和活动方式，是通过各个子系统相互联系、相互作用、相互制约过程中表现出来。但各子系统独立的特征和活动的总和，并不能反映系统整体的特征和活动方式。内陆河动物或植物系统的单独特征并不能完全反映内陆河生态系统整体特征，作为独立存在的系统时又有质的区别。也就是说，这些子系统作用的综合是不能用线性方程描述出来的，通常是一种非线性的耦合作用［8］。正是由于内陆河生态环境系统内部各子系统存在着非线性的相互作用，各个子系统按照生物进化规律出现涨落，不断与外界交换物质、能量、信息，引入自我发展所需的负熵流，同时影响整个生态环境系统发生波动，产生连环效应，使各个子系统之间产生协同作用，使生态系统不断更新完善，从杂乱无章变为井然有序。

3 西北内陆河生态环境补偿应用耗散结构的分析

耗散结构理论应用在环境保护中，从不同角度对生态环境进行分析研究，寻求更完善的环境保护方法。运用耗散结构理论分析西北内陆河生态环境，不仅是由于西北内陆河处于典型的生态环境中，还因为西北内陆河流域的经济社会和人类活动并没有如东南沿海地区受到的外来能量过度影响。可以较为清楚的区分环境内部正熵与外部引入负熵的范围，在衡量耗散结构稳定状态的程度时，可以更明确生态补偿在环境保护中的作用。

3．1 自然环境典型性分析

我国西北内陆河有近千条，较长的规模较大的有塔里木河、伊犁河、疏勒河、黑河和石羊河。其流域地区大多深居大陆内部，距海洋遥远，降水稀少，流域内形成了广大的荒漠、戈壁，依靠山区降水和冰雪融水为荒漠地区提供水源［9］。内流河下游深居内陆，降水量稀少，蒸发量大;大部分地区植被覆盖度低，生态环境破坏后不易恢复。环境内部正熵就来源环境的自然进化，气候等自然条件的微小变动都会影响整个西北内陆河流域的生态环境，影响流域内动物、植物等子系统的自然活动，而负熵的引入没有形成规模，环境耗散结构稳定状态就会向消极方向发展。不排除自然因素会不确定的突然强烈影响生态环境，从而改变消极的稳定状态。但是，从宏观上看，西北内陆河生态环境只是消极地向前发展，因此，引入生态补偿作为积极的负熵流，可以有效冲抵环境内部的正熵，使西北内陆河生态环境系统有序发展。生态补偿引入人类影响力，可以有效改善因环境自然进化引发的恶劣环境，修复被破坏的自然生态系统，用自然手段修复自然环境。例如在西北内陆河流域进行的退耕还林还草，修复湿地，保护濒危物种，引入新物种，补偿水源等等手段，使生态环境按照自然规律进行自我修复，增强环境承载力。

3．2 经济环境典型性分析

西北地区经济结构以工业为主，农牧业为辅，第三产业一定程度上有所发展。主要以内部经济发展为主，受地理条件限制，西北地区与外界沟通不便，严重制约了西北地区与外界的经济交流，2001年，西北地区无论是进、出口贸易总额还是外商直接投资都远远低于全国平均水平［10］。所以，西北地区经济结构单一，环境与人类社会的物质、能量交换现象清晰，基于耗散结构理论分析西北内陆河生态环境补偿具有典型性。具体来说，对西北内陆河流域生态补偿进行耗散结构分析，所考虑的外部引入负熵流就仅仅存在于西北地区内部的经济中，而外部投资就可以忽略不计。具体来说，西北内陆河流域地区主要依靠的是当地政府财政转移支付手段。运用经济手段直接作用于环境，修建防护设施，限制人类活动过度影响环境。在耗散结构中，对生态环境的稳定状态进行政府转移支付，抵消环境内部正熵流，使西北内陆河生态环境的负熵流值增大。由于资金有限，虽然不能全面解决生态环境正熵的增长所产生的环境问题，但总会促使生态环境稳定状态向积极方向发展。

4 耗散结构在西北内陆河环境补偿中的应用

生态补偿，狭义上是指对破坏了的自然生态环境本身的补偿。我国主要是通过政府转移支付的手段来实现，而在国际上通用的是“生态服务付费”或生态效益付费，生态服务功能是其核心和目标，付费是手段，调整的也是保护者和受益者的环境及其经济利益关系。通过前文的分析，可知西北内陆河生态环境系统是耗散结构，可以基于耗散结构理论对西北内陆河生态环境进行生态补偿。生态补偿作为引入西北内陆河环境中负熵流的重要手段，能有效促进西北内陆河生态环境由无序向有序发展。通过图1具体分析耗散结构在西北内陆河生态环境补偿中的应用。

图1 耗散结构在西北内陆河环境补偿中的应用示意图Fig．1 The application of dissipative structure in ecological compensation in the northwest inland river area

1)如果 λ 小于某一特定值 λc，即 λ ＜ λc，那么系统就处于相对稳定的状态，这种状态可以是曲线(a)上的任意一点。λ具体到西北内陆河生态系统中，代表人类活动对其生态系统的影响程度，λc则是指生态环境的最大承载力，也就是环境容量。环境容量的定义为:在确保人类生存和自然生态不致受害的前提条件下，环境所能容纳的污染物质的最大负荷量．其值通常是根据环境标准和环境自净能力以及环境背景值等参数估算出来的［11］。也就是说，当人类对环境的影响力不超过环境容量值A点时，西北内陆河生态环境就处于一个稳定的生态结构中，人与自然和谐共处。

2)当λ≥λc，系统稳定状态(a)就开始变得极不稳定，如虚线(b)所示;此时一个微小的扰动或涨落都会使系统跳跃到新的稳定状态(c)或(c')上。西北内陆河生态环境各个子系统不会保持同一状态不变，各子系统微小的变动都会影响整个生态系统，若微小变动对环境产生积极影响，则原有的稳定状态(a)就会进化成新的有序结构(c)，反之则为(c')。例如人类大规模植树造林和自然灾害的影响会产生不同后果。目前西北内陆河生态环境系统就处于A－C的相对稳定态，但如果不及时治理就会有向(e')发展的趋势，生态补偿的主要任务就是促使生态环境恢复到A－B的稳定态，并向(d')方向发展。

3)生态环境补偿作为保护西北内陆河流域的重要手段，介入耗散结构主要是在点A－B或者点A－C的过程中。其中设定的点A，B，C都是作为一特定的阈值存在，就是西北内陆河生态环境的环境容量处于饱和状态的特定状态。A－B和A－C的过程不是固定的，而是各种能量、信息、物质相互作用、相互制约的过程，也是西北内陆河环境外部引入的负熵流与其内部正熵流相互抵消的过程，生态环境补偿作为具有积极意义的负熵流将在这个过程中介入耗散结构，融合环境正熵与引入负熵之间的积极内容，抵消消极内容，促使西北内陆河生态环境系统由较低级的稳定向高级稳定系统进化。

5 结语

西北内陆河生态环境是一个耗散结构系统，是一个包含很多子系统的复杂的开放系统，各子系统相互影响、相互制约使整个生态环境系统的演化过程处于非平衡有序状态，与各子系统之间产生的非线性作用，使西北内陆河生态环境系统随各子系统的涨落产生波动，向有序状态不断发展。西北内陆河生态补偿是更新西北内陆河生态环境耗散结构的重要手段。生态补偿作为最直接的引入负熵流抵消对生态环境内部所产生的影响其有序发展的正熵流的途径，使西北内陆河生态环境由稳定态—非稳定态—更新稳定态进一步发展。面对西北内陆河生态环境系统的现实状况，政府转移支付并不能完全解决西北内陆河生态环境所产生的问题，需在现有的生态补偿制度上，进一步引进生态服务付费的补偿体制，增加资金投入力度，用经济手段限制人为破坏环境的行为，促使西北内陆河生态环境系统有序和谐发展。

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