基于耗散结构理论的海岛生态—环境管理系统

毋瑾超 王小波 夏小明

（1.国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州310012；2.国家海岛开发与管理研究中心，浙江 杭州310012）

基于耗散结构理论的海岛生态—环境管理系统

毋瑾超1，2王小波1，2夏小明1，2

（1.国家海洋局第二海洋研究所，浙江 杭州310012；2.国家海岛开发与管理研究中心，浙江 杭州310012）

海岛生态－环境系统是一个复杂的耗散结构。通过以耗散结构熵值理论为指导的海岛生态－环境管理系统评价程序和指标研究，确立了以环境指数、生物活性、景观生态、废弃物处置等四个主要体系共12项评价指标。同时，从理论上探讨了维持健康有序的海岛生态－环境系统的原理和途径，分析认为：增大负熵流是维持海岛生态－环境系统健康的根本途径，应采取各种措施，确保海岛生态－环境系统负熵流的增加，将有利于其成为一种自组织的时间、空间和功能上的有序耗散结构，从而维护海岛生态－环境系统的健康发展。

海岛；耗散结构；熵；生态－环境系统

海岛是国土的重要组成部分，据统计，我国目前拥有海岛7371个，岛屿总面积约7273平方公里，约占全国陆地面积的8%，按成因可分为大陆岛、海洋岛和冲积岛①。海岛不仅拥有丰富的自然资源，经济发展潜力巨大，同时在维护国家主权和领海完整中具有重要的战略地位。

海岛保护和管理，重点是对其生态－环境系统的保护和管理。海岛生态－环境系统可划分为岛陆、潮间带和周边海域（环岛浅海）三个子系统，包括物理和生物学进程、能量流通、生物多样性、基因、生态恢复力和生态冗余等，是海岛自然环境与人类生产活动以及当地历史发展过程相互作用的结果②。目前我国的海岛保护法才刚刚出台，海岛生态－环境管理研究也正处于起步阶段，这一领域的成果十分匮乏；借鉴其他领域一些先进的管理理念运用于海岛生态－环境系统的管理和保护，这无疑是一条较好的办法和思路。本文将主要基于耗散结构熵值理论对海岛生态－环境管理系统展开研究，以期为其进一步发展做出有益的探索。

一、海岛生态－环境系统与耗散结构

耗散结构又称之为非平衡系统的自组织理论，其主要是研究非平衡系统由无序到有序变化的一种理论。普利高津（I.Prigogine，1969）在研究平衡系统与非平衡系统的过程中，发现在非平衡状态下，如果系统与外界有能量或物质交换，系统就可以从混沌无序状态逐渐演变为高度有序的结构。由于这种新结构乃是靠不断吸收和耗散外界的物质与能量来维持其存在的，故而便被称为是耗散结构。该理论自问世以来，已被广泛应用到各个领域③－⑤。耗散结构具有以下几个特性：①开放性。耗散结构是在开放环境中和非平衡条件下生成的，系统和外界有物质、能量和信息的交换。②非平衡态。只有在远离平衡的非线性，系统原有状态才可能成为不稳定的，从而为建立新的有序结构提供了可能性。③非线性机制。线性的正反馈可以导致系统失稳，产生分叉，产生新的结构，系统稳定到耗散结构上的机制是系统内部必须存在非线性作用。④涨落特性。在远离平衡态，由于非线性的相互作用，随机涨落就会由于相干效应而逐渐放大形成“巨涨落”，从而导致系统发生质变，转化为新的结构和功能的状态即耗散结构自组织状态⑥－⑦。

从耗散结构形成和维持的条件中，我们可以看出海岛生态－环境系统具有典型的耗散结构。首先，海岛生态－环境系统是一个开放系统，系统中的植物、动物、微生物不断地与周围环境进行着物质和能量交换，且受环境因素的影响较大。其次，海岛生态－环境系统处于远离平衡的非线性区。海岛生态－环境系统中，生物物候形成的春生夏长，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。第三，海岛生态－环境系统具有非线性的动力学过程。海岛生态－环境系统中，生物体与环境之间具有一种正负反馈的机制，同时其种群与种群之间，存在着竞争、共生、互生、寄生等复杂关系，生物种群按非线性规律增长。第四，海岛生态－环境系统中自发调节种群关系和种群数量以适应环境的反馈机制，使生物种群围绕着环境容量水平波动和振荡，并使得海岛生态－环境系统成为一个具有正负反馈机制的系统。这种正负反馈机制使海岛生态－环境系统对环境具有一定的自组织能力，通过结构、功能涨落的调节，海岛生态－环境系统不断地形成新的稳定的有序结构⑧。

二、海岛生态－环境管理系统的评价流程与框架体系

基于耗散结构理论的海岛生态－环境管理系统的评价流程如图1所示，具体可分为资料准备、系统评价、管理改进三个阶段⑨。

1.资料准备阶段：集成预评价的海岛生态－环境及其周边区域相关的资料信息，并将资料进行分类整理、筛选，建立基于耗散结构理论的海岛生态－环境评价指标体系。

2.系统评价阶段：在明确具体评价区域边界的基础上，对评价指标相关资料进行分析，结合海岛生态－环境系统物质流、能量流、信息流输入输出情况，对指标数据进行计算，分析其特点及熵变情况。

3.管理改进阶段：整理归纳评价结果，并根据评价结果构建海岛生态－环境管理系统，改进生态－环境系统的不足。

图1 海岛生态－环境管理系统评价流程

针对海岛生态－环境系统特征，选择环境指数、生物活性、景观生态、废弃物处置四个方面入手，集中国内外研究中出现频率较高的指标进行分析筛选⑩－⑭，选择了12个代表性较强的指标，确定其分级范围，搭建完整的海岛生态－环境系统评价的指标体系，见表1。

表1 海岛生态－环境系统评价指标体系

三、熵的引入及熵流分析

熵理论最初是在热力系统中，用来衡量系统混乱或无序程度的量度。经过近一个半世纪的发展，熵已从单纯描述微观世界的热力学物理概念，演变为一个与自然和社会相统一的动态开放的概念。这一理论也被推广到几乎所有的科学领域，包括社会学的范畴。爱丁顿从认识论和方法论上理解熵理论，将熵增定律誉为“宇宙至高无上的哲学规律”，爱因斯坦则称之为“一切科学的根本法则”⑮。

3.1 海岛生态－环境管理熵模型的建立

模型建立的前提条件：第一，海岛生态－环境系统是一个典型的耗散结构体系；第二，海岛生态－环境系统内存在着能量的差异，是一种远离平衡态结构；第三，生物、能量、物质与信息在系统内部能够自由流动。

3.2 熵数量模型的表示方法

其中i是影响相对封闭系统值的各种因素，如海岛生态－环境系统结构因素如地表水综合指数、海域水体富营养指数、沉积物综合指数、贝类体内重金属综合指数、植被覆盖率等，Ki为海岛生态－环境系统在特定阶段时各种因素的权重；Si为种影响因素所产生的熵值。也可描述为：

生命的活动是耗散过程，生物体本身就是一种高级的耗散结构，在耗散过程中熵不断增大。高熵意味着混乱，熵达到最大值意味着热平衡态，对于生命来说，热平衡态就是死亡。所以，生物有机体要很好的生存下去，必须使自己的身体保持低熵状态，即不断的从外界补充进负熵，以抵偿其内部由不可逆过程所产生的正熵。

海岛负熵流的计算公式：

其中j为影响海岛生态环境系统产生负熵的各种因素，如新的海岛生态环境体制、有利的海岛生态环境政策、海岛生态环境自组织形式、有效的管理措施等。Kj为海岛生态环境系统导入的负熵中各种影响因素的权重，Sj为各种影响因素的负熵值。

式中各符号的含义与式（2）相同，由此式可计算出在引入的负熵中各影响因素所产生的负熵值。由于负熵的增加，使海岛生态环境系统效率增加。

求出海岛生态环境－系统的总熵值的计算公式：

式（5）中S总为整个海岛生态环境系统的总熵，它是由海岛生态环境系统内部的上，SI和从外界吸取的负熵Se的加总求和取得的。从（5）式中，可以了解到，只有S总＝SI＋Se＜0时，海岛生态－环境系统的耗散结构才能形成。因此，海岛生态环境系统耗散结构形成的充分条件为0。即要使海岛生态－环境系统的总熵值负熵值化。

耗散结构理论认为：系统要想稳定、有序地发展，必须从外界不断吸收物质与能量，使“熵源”变为负值，而且绝对值应接近于系统本身不可逆过程引起的“熵增加”，这时系统“总熵”逐步减少，无序程度降低，使系统由无序趋向新的有序。通过对海岛生态环境系统内部耗散结构的分析，可以了解到复杂的海岛生态环境系统可以通过自我创新、不断与外界发生人流、能量流、物流和信息流的沟通与交换，达到一种协调和突变，就能使海岛生态环境系统达到、有序的耗散结构状态。

四、增加负熵流，维护海岛生态——环境系统健康有序发展

薛定谔在《生命是什么》这本书里有一段名言：“一个生命有机体将自身保持在高度有序（低熵）的水平上的方法实际上在于从环境中不断获取秩序，即从环境中得到负熵。”他还说：“生命有机体是以负熵为生的。”⑯无论从物种的进化还是个体发育的角度看，与生命现象伴随的是熵不断的减少，负熵不断的增加。对于海岛生态环境保护系统，需要从以下几个方面着手增加负熵流，以维护其健康有序发展。

1.严格执行《中华人民共和国海岛保护法》，做好海岛开发的利用与规划，对海岛及周围海域的开发必须根据保护和改善海洋环境、保护海岛资源、维护生态平衡、促进经济和社会可持续发展以及“谁开发，谁保护”的原则，采取严格的措施保护海岛的地形、岸滩、植被和海岛周围海域的生态系统，从而维护海岛生态环境系统的基本平衡。

3.积极开展海岛生产生活固废和废水的无害化处理，保护生态环境。如果海岛“三废”不能及时有效进行无害化处理，这些废弃物会造成海岛土壤，地表水，周边海域环境的破坏，进行造成生物的死亡甚至灭绝。《中华人民共和国海岛保护法》明确规定：“无居民海岛利用过程中产生的固体废物，应当按照规定进行无害化处理、处置，禁止在无居民海岛弃置或者向其周边海域倾倒”。在海岛生态－环境系统中应对“三废”尽量采取预防性和最小化措施，这是进行固体废弃物处理最有效的办法，是各发达国家优先采用的措施。可有效减少其对环境造成的污染和危害，同时有效增加负熵流。

4.及时开展海岛生态保护与修复工作，对于已造成海岛生态系统破坏和影响的，要及时进行修复，以恢复其完整的生态系统。众所周知，海岛生态－环境是一个小型的生态链，如果其中某些环节出现较大破坏，就会影响链上其他种群的发展，最后甚至导致整个海岛生态链的消失。因此要及时消除海岛破坏对生态环境的影响，保持生物多样性及良好的生态环境，同时改善海岸带周边视觉景观，美化环境，恢复和治理自然生态环境，增加负熵流。

5.以循环经济的思想指导海岛开发利用和保护，做到海岛生态－环境系统的自组织系统健康有序发展。循环经济是以“减量化、再利用、资源化”为原则，以物质闭路循环和能量梯次使用为特征，按照自然生态系统物质循环和能量流动方式运行的经济模式，非常有利于海岛自组织系统的完善。因为生态系统本身具有一定的自净化能力，能分解、处理有机体排出的正熵，使系统的熵增减缓，保持生态系统的平衡，因此自组织的完善有利于海岛生态－环境系统的健康发展。

本文主要从理论方面介绍和分析了海岛生态－环境管理系统，阐述了基于耗散结构理论的熵值分析和系统评价而建立的条件和方法，为海岛生态－环境管理系统引入了新的思路和理念。由于篇幅所限，对于海岛生态－环境管理模型并未针对某个具体海岛进行各评价指标的熵值量化计算和实证分析，这些内容将另行发表。

注释

①李金克、王广成：《海岛可持续发展评价指标体系的建立与探讨》，《海洋环境科学》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谢花林、李波：《城市生态安全评价指标体系与评价方法研究》，《北京师范大学学报（自然科学版）》2004年第5期。

⑪王耕、王利、吴伟：《区域生态安全概念及评价体系的再认识》，《生态学报》2007年第4期。

⑫肖佳媚、杨圣云：《PSR模型在海岛生态系统评价中的应用》，《厦门大学学报（自然科学版）》2007年第1期。

⑬陈彬、俞炜炜：《海岛生态综合评价方法探讨》，《台湾海峡》2006年第4期。

⑭郝欣、秦书生：《复合生态系统的复杂性与可持续发展》，《系统辩证学学报》2003年第4期。

⑮闫文周、顾连胜：《熵权决策法在工程评价中的应用》，《西安建筑科学大学学报》2004年第1期。

⑯畅建霞、黄强、王义民：《基于耗散结构理论和灰色关联熵的水资源系统演化方向判别模型研究》，《水利学报》2002年第11期。

责任编辑 平乐