土地生态系统演化的耗散结构论

2.3　土地生态系统演化的耗散结构论

2.3.1 耗散结构理论的主要内容

2.3.1.1 耗散结构的概念

耗散结构指在开放和远离平衡的条件下，在与外界环境交换物质和能量的过程中，通过能量的耗散、非线性动力机制及涨落作用形成并保持下来的宏观时空有序结构。耗散结构理论就是关于开放系统在远离平衡态时的演化理论，也叫非平衡自组织理论，是由比利时物理学家普里高津在20世纪60年代提出的，其主要观点是:一个远离平衡的开放系统（力学的、物理的、化学的、生物的、社会的、经济的系统），通过不断地与外界交换物质和能量，在外界条件的变化达到一定的阈值时，可能从原有的混沌无序的混乱状态，转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态^[4]。

耗散结构理论借用热力学中关于熵的概念，以总熵变公式为工具，科学地建立了孤立系统与开放系统两种不同系统的既区别又相互联系的方程。1850年，德国物理学家克劳修斯在其提出的热力学第二定律中指出:在一个孤立系统中，能量总是从温度高的物体流向温度低的物体，最后达到平衡。表述为熵增加定律就是:孤立系统内过程总是朝着熵增加的方向进行。那么根据热力学第二定律，自然界应该总是向混乱无序的方向发展，但现实却恰恰相反，自然界的物质进化和人类社会的进化都一直朝着有序化的方向发展。为此，1944年薛定谔引进了“负熵”的概念并指出:一个生命有机体在不断地增加它的熵——或者可以说是在增加正熵——并趋于接近最大值的熵的危险状态，那就是死亡。要摆脱死亡唯一的办法就是从环境里不断地汲取负熵。一个孤立的系统总是朝着均匀有序的平衡态发展，系统的熵不断增大，直至达到平衡。而一个远离平衡的开放系统则通过不断地与外界交换物质和能量，在外界条件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或功能上的有序状态，即耗散结构。因此，熵在系统科学中也就成为对系统无序程度的量度，是系统不可逆性的量度。任何一个系统的熵变化dS都由两部分组成，如图2-2所示。

图2-2　开放系统中的熵流和熵产生

dS＝d_eS＋d_iS

式中，dS是熵，是系统无序程度的度量。系统的发展和演化实际上就是熵变的过程。第一项d_eS是系统与外界交换物质和能量而引起的熵流，第二项d_iS是系统内部自发产生的熵。因此任何一个系统的d_iS总是大于或等于零的（当平衡时等于零），开放系统也不例外。而d_eS由于是系统通过与环境相互作用而交换来的熵，称为熵交换或熵流，故因不同的系统而有不同的情况，可正可负。

①孤立系统中，系统与外界没有交换，没有熵流，d_eS＝0，因此，这个系统的dS＞0，内部的熵产生使系统混乱程度不断增加，不可能形成耗散结构，只能产生组织的退化。

②在开放系统中，系统的熵流d_eS不等于0，这时存在三种情况。

第一种是热力学平衡态，内熵增加为零，或者说内熵达到最大。系统与外界交换得到的是正熵，d_eS＞0。总熵变dS＞0，加速了系统无序化的进程。

第二种是线性非平衡态，这种系统与热力学平衡只有一点点微小的差别，d_eS＜0，但d_eS≈0，∣d_eS∣＜d_iS，系统从环境中取得负熵可减缓其无序化进程，但不足以克服系统内部自发熵增的破坏和走向无序的总进程，dS＝d_iS＋d_eS＞0，从而最终趋向于热力学平衡，不可能出现任何新的结构和组织。

第三种是d_eS＜＜0，即d_eS＞d_iS，这种系统远离平衡态，也就是系统从环境中得到的是负熵，且大于内部的熵增加，结果使系统的有序性增加大于无序性的增加，总熵变dS＜0，新的机构和新的组织自发形成，系统处于有序演进中，这种远离平衡态的系统即所谓的耗散结构。

2.3.1.2 耗散结构的形成条件

耗散结构理论认为耗散结构的形成需要四个条件:

（1）系统必须是开放的。

这是耗散结构形成的首要条件，没有系统的开放性，就没有系统内外物质、能量、信息的交换，也就不可能有非线性条件和非平衡态的出现，也就不可能形成耗散结构。孤立系统与外界没有交换，内熵增加为零，或者熵达到极大，系统不会出现耗散结构，即使原来的系统存在耗散结构，一旦把它孤立起来，这种结构也要瓦解。

（2）系统必须远离平衡。

处于平衡态和近平衡态的系统，总是趋于无序的状态运动，任何改变都只会使系统暂时偏离稳定的状态，但是最终都会回到平衡态，因而也不会产生新的结构和组织。当系统远离平衡态时，一个微观的小扰动就可能通过在子系统之间发生某种特殊形式的耦合而得到非线性放大，导致系统发生整体的、宏观的巨涨落，系统所处的原始状态被破坏，进入一个新的有序结构。

（3）存在非线性作用机制。

非线性相互作用是导致系统耗散结构形成的内在根据。线性相互作用满足叠加原理，只能使系统处于稳定或者无稳定态而趋于无限或者振荡，不能产生新的结构。所谓非线性机制，从数学上讲，非线性指整体不等于部分之和，不遵从叠加原理；从物理上讲，非线性表现为从规则运动向不规则运动的转化和跃变；从对外影响来讲，非线性系统中参量的微小变化可以引起系统的定性改变。只有在非线性相互作用下，才能使系统内部诸元素以及系统与环境之间产生合作与竞争，才会有结构演变的存在，才会形成耗散结构。

（4）存在涨落现象。

状态量对其平均值的偏离称为涨落。涨落的发生是绝对的，但又是随机的，涨落存在于一切真实的系统内，其特点是随机生成，或大或小。客观存在的随机涨落是耗散结构产生的必要条件。一个耗散结构由许多子系统构成，这些子系统的运动具有很大的随机性，耗散结构的每一个存在状态都要受到这种随机现象的扰动，这种随机扰动也就是涨落。系统通过涨落去触发旧结构的失稳，探寻新结构，系统在分叉点上靠涨落实现对称破缺选择，建立新结构。这种涨落的发生，既是一种破坏系统稳定的干扰因素，又是系统自发地重新组织的契机，它对耗散结构的形成起着触发作用。所以说耗散结构的形成最终还得靠这种随机涨落来实现，涨落对产生耗散结构具有决定作用。

2.3.1.3 耗散结构的稳定性与进化性

对于耗散结构的稳定性，耗散结构理论认为，涨落对于耗散结构的形成起了一个触发的作用，系统通过涨落达到有序。在平衡态中没有涨落的发生。在接近平衡态的线性非平衡区，涨落的发生只会使系统发生暂时的偏离，而这种偏离状态会不断衰减直到消失，最后回到稳定状态。在远离平衡态的非线性区，系统处于一种动态的平衡之中，这时系统的一个微观随机的小扰动就会通过相互作用得到放大，成为一个整体的、宏观的巨涨落，使系统进入不稳定态，从而又跃迁到一个新的稳定的有序状态。而一旦远离平衡的开放系统已形成了耗散结构，它就具有了一定的抗干扰能力和稳定性，不为一般的内部微小涨落和外部弱小因素的扰动所破坏，这就是所谓耗散结构的惯性原理，或称为耗散结构的涨落回归原理。

对于耗散结构的进化性，耗散结构理论还认为，当外部和内部的突然事故（突变）危及已形成耗散结构的系统，耗散结构所具有的回归力已不足以抵制这种突变时，巨涨落会造成耗散结构的解体或崩溃，推动系统向上或向下运动，促使它走向另一个阈（临界）值，从而形成另一种新的、活的稳定有序的组织，即新耗散结构。此新耗散结构可能比原耗散结构更协调、更高级。随着时间的推移，上述过程可一再重复，但每重复一次，又会形成更高一级的新耗散结构，如此变得更丰富多彩，形成不同阶段的各种形式的耗散结构。如图2-3所示，它深刻地描述了一个复杂系统不断进化的发展图景。

图2-3　耗散结构的演化分支

2.3.2 土地生态系统演化的耗散结构

2.3.2.1 土地生态系统耗散结构解释

根据耗散结构理论，如果土地生态系统处于封闭状态，那么不可避免地会逐渐向无效、无序和混乱化的方向运行，比如耕地资源的耗竭、废弃物的增加、生态退化、人口爆炸等。但事实上，土地生态系统不能脱离外部环境而存在，它与外部区域有很大强度的物质、能量和信息交流，而这个交流过程就是熵交换过程。

首先，土地生态系统是开放系统，由于土地生态系统必须针对特定区域的自然和社会经济环境才有意义，不能脱离外部环境而存在，因此它与外部区域有很大强度的物质、能量和信息交流。其次，土地生态系统是一个非平衡系统，土地生态系统内部各子系统之间以及组成要素之间存在较大差异，具有明显的非均衡性和质的差异，因此它的运动方向具有越来越偏离平衡态的特点。再次，土地生态系统存在非线性关系，由于土地生态系统演化过程中含有自然过程，也含有社会和经济过程，再加上人类的参与，使土地生态系统各个子系统之间和内部，各个组成要素之间以及与外界环境之间在各自独立存在，发挥彼此功能的同时，又相互依存、相互制约，即存在复杂的非线性作用，而且这种非线性关系随处可见，并导致土地生态系统演化呈现出复杂的轨迹。最后，土地生态系统内外存在着大量的随机涨落及涨落放大机制和突变性，从而导致系统的实际瞬间对于系统原有的宏观平均状态的一定偏离。这种涨落存在微涨落、巨涨落、内涨落、外涨落、正向涨落和反向涨落等多种形式，且在一定条件下由于非线性机制作用可以被放大，迅速遍及整个系统而呈现出一种整体效应。

因此，土地生态系统演化过程可以被认为是土地生态系统在动态演化中不断形成耗散结构，而且这种耗散结构本身不断发展变化的过程。系统内复杂的非线性作用既可以使系统形成良性循环，推动土地生态系统向稳定有序的方向发展，也可能产生消极效应，使土地生态系统的有序性减弱，无序性增强，甚至后退到混乱无序的平衡态。

在人类社会不很发达的阶段，土地生态系统的熵减过程足以抵消人类活动产生的熵增，使土地生态系统的演化维持有序状态。但是到了近现代，为了维持过度增长的人口和满足人类无限膨胀的欲望，人类只能通过掠夺土地资源来发展自身。然而土地资源毕竟是有限的，因此人与地形成了尖锐的矛盾，出现了土地生态系统发展的不协调状态，造成d_iS加快，再加上生态退化和被破坏导致d_eS日渐变小，因此土地生态系统的总熵增不断增加，也就表现为近现代不断增加的环境污染、生态破坏、资源短缺和能源危机。

当我们运用耗散结构理论来研究土地生态系统时，就会发现土地生态系统发展演化的稳定和有序所追求不过是实现负熵的过程，克服熵增的过程。目前的土地生态系统发展演化中遇到的问题也是主要由于人类活动掠夺了土地利用系统中过多的负熵流。通过以上分析，土地生态系统的负熵过程更多是一个自然过程，很难或者说很慢才会变化，而人类活动则更多的受到人类主动的改变和控制。因此，实现土地生态系统的稳定发展，克服熵增，更多的在于培养和提高人类的生态意识，遵从生态规律，控制人类行为，抛弃以往的通过掠夺自然而无限发展的观念和行为，把人类活动的熵增行为控制在最低限度，建立一种与生态承载能力相适应的、与土地资源协调共存的低熵系统。为了达到这个目的，就必须明白熵值上升的原因，才能对症下药，使土地利用系统的总熵值降低或维持稳定，甚至向更高层次的有序发展演化。

2.3.2.2 土地生态系统耗散结构的状态判定

根据土地生态系统内社会经济子系统的人类活动、土地自然子系统的承载力和弹性力所产生正负熵值的不同组合，可以评价土地生态系统的稳定性状态。

（1）假设土地生态系统负熵（d_eS）不变，社会经济子系统中人类活动压力产生的正熵d_iS越大，则系统突变的可能性越大，系统越不稳定，土地生态系统熵值（dS）就越大；反之则越小，系统越有序。

（2）假设土地生态系统的正熵d_iS一定，则人类改善自然子系统承载力和弹性力的负熵（d_eS）增大，土地生态系统熵值（dS）越小，系统越有序。反之，则系统突变的可能性越大，系统越不稳定。

图2-4　土地生态系统状态分布

根据熵值组合结果，可以对土地生态系统状态作如下划分:

（1）突变临界区A。该类土地生态系统主要呈现出负熵流，系统会产生自组织现象，可能会产生突变从而形成一种新的有序结构。

（2）状态稳定区B。该类土地生态系统既有正熵流又有负熵流，是一种非平衡状态，但负熵流整体大于系统正熵值，所以整个系统依然趋向稳定和有序。

（3）平衡临界区C。该类土地生态系统的正负熵值全部抵消，土地生态系统维持原有的状态，是一种平衡状态，但极易发生变化，且不常见。

（4）不稳定区D。该类土地生态系统既有正熵流又有负熵流，但负熵流绝对值要小于系统正熵值，系统整体趋向无序，这种生态系统也只能存在一定时期，如果不加以调控以消除熵增，增加负熵，土地生态系统最终也会趋于衰退。

（5）崩溃临界区E、G。E类型的土地生态系统是系统外界交换的熵值为零，各子系统内部熵增持续增加，最终系统走向崩溃；G类型的土地生态系统是系统内部不产生正熵，而外界扰动或者说压力产生的正熵流持续增加，系统也最终趋向崩溃。

（6）衰退区F。该区土地生态系统内部产生和外界交流的熵值均为正，系统趋向无序，并很容易导致系统衰退。

其中，B、D、F是常见的土地生态系统状态，B状态也正是人类希望达到的控制目标。如果发现土地生态系统处于E和G状态，则需要根据原因分别从加强生态投资、保护环境容量和尽量减少人类不合理开发利用土地自然子系统的行为入手，并应注重修正和改进现有土地生态保护和社会经济的发展政策，从而有针对性地扭转土地生态系统的衰退趋势。

2.3.2.3 土地生态系统耗散结构的演化方向判定

应用土地生态系统状态评价的熵理模型，对人类活动影响下土地生态系统的熵值进行评判，可以评判土地生态系统演化的大致方向。

如果连续两个时段内一个区域的土地生态系统都是朝着有序的方向在演化，而且后一个时段的系统熵值度变化绝对量是高于前一个时段系统无序度变化绝对量（ΔdSt＜ΔdS_t＋1），那么就可以认为该土地生态系统是朝着低级有序向高级有序的方向演化；同理，如果土地生态系统连续时段的熵值变化是减少的（ΔdSt＞ΔdS_t＋1），或者从负熵变转向正熵变（ΔdS_t＜0，ΔdS_t＋1＞0），那么土地生态系统就在朝着高级有序向低级有序、低级有序向无序状态发展的反方向演化。