论生态工业系统的自组织演化机理

昌 灏

(湖北工业大学 马克思主义学院，湖北 武汉 430068)

作为一个迅速崛起的发展中国家，中国在高速发展创造巨大的经济价值的同时也加速了资源与能源的消耗；非再生资源储量和可用量不断减少，资源环境对经济增长的制约作用越来越大，生态环境问题日益凸显。这是全球生态系统可持续发展的一个悖论，也是一种熵增困境。调整传统产业结构和转变经济发展方式，已成为当前影响和决定中国永续发展的核心问题之一。党的十九大报告中提出，建设生态文明是中华民族永续发展的千年大计，我们要坚持人与自然和谐共生的理念，加快推进绿色发展，建立健全绿色低碳循环发展的经济体系，壮大节能环保产业、清洁生产产业、清洁能源产业，形成资源全面节约和循环利用的产业结构、生产方式、生活方式，为建设美丽中国，为人民创造良好的生产、生活环境，为全球生态安全做出贡献。在这一时代背景下，力求实现经济效益、社会效益、生态效益最大化的生态工业系统模式已成为中国国民经济增长中的一个新亮点。

一、生态工业系统演化的内涵与特征

1. 生态工业系统演化的基本内涵

就生态工业系统的定义而言，由于国内外学者们的研究背景和角度的差异，对其内涵与外延的理解与认识不尽相同，尚未形成一个普遍公认的定义。如：Gertler认为，生态工业系统(industrial ecosystem)是指区域内一系列企业通过交换和利用副产品或能源实现在传统非链接模式下无法获得的收益,即原材料使用减少、能源效率的提高、废弃物的减少和有价值输出物数量和种类的增加。[1]；汤慧兰将生态工业系统界定为通过“资源—产品—再生资源”物质反复循环的流动过程,实现物质闭路循环和能量多级利用的工业系统[2]；徐大为认为工业生态系统是指在一定的区域或范围内,由制造业企业和服务业企业组成,通过企业间物质循环和能量流动的功能流相互作用、相互联系而形成的生态工业体系。[3]尽管学者们对生态工业系统的理解不尽相同，但在基本思想上还是比较一致的，即运用生态学原理调整和控制人与自然之间的物质交换方式，强调企业进行生态生产，相互关联的企业之间构建生态工业链并与外部环境一起形成生态工业系统。还有一些研究指出，生态工业系统是依据清洁生产(1)清洁生产是指将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中，以期减少对人类和环境的风险。清洁生产从本质上来说，就是对生产过程与产品采取整体预防的环境策略，减少或者消除它们对人类及环境的可能危害，同时充分满足人类需要，使社会经济效益最大化的一种生产模式。要求和循环经济理念及工业生态学原理(2)工业生态学(Industrial ecology，简称IE)又称产业生态学，是一门研究社会生产活动中自然资源从源、流到汇的全代谢过程、组织管理体制以及生产、消费、调控行为的动力学机制、控制论方法及其与生命支持系统相互关系的系统科学。是对开放系统的运作规律通过人工过程进行干预和改变，在一般的开放系统中资源和资金经过一系列的运作最终结果是变成废物垃圾，而工业生态学所研究的就是如何把开放系统变成循环的封闭系统，使废物转为新的资源并加入新一轮的系统运行过程中。而建立的一种新型工业系统，生态工业系统是循环经济在工业领域一定区域层次的具体表现。基于上述观点，本文中的生态工业系统是指在系统观念、时空观念、生态效益观念以及和谐共生观念的指引下，确保工业生产系统与外部环境共生共荣，且具有特定结构、行为机制与组织形式的经济系统, 在一定区域范围内表现为工业共生体。

鉴于以上对生态工业系统概念的界定，笔者将演化概念引入生态工业系统运行过程进行研究，运用系统科学中系统演化理论来研究生态工业系统演化规律与运行机制。生态工业系统的演化是内因与外因共同作用的结果，即内部自组织力量与外部环境因素相互作用的结果，其中自组织是内因——根本动力，而环境因素则是外部机制或称为他组织机制，是约束动力；生态工业系统的演化过程就是自组织过程和他组织过程耦合而成的周期性演化过程。

2. 生态工业系统演化的自组织特征

生态工业系统演化的特征主要表现为复杂性特征、自组织特征以及生命性特征，在此，鉴于论题所限，重点考察自组织特征，因为这个特征集中反映了生态工业系统演化与运行过程的复杂性。

从系统科学的角度来看，在生态工业系统演化过程中出现的自我创生、自我复制、自我生长和自我适应现象，典型地体现了生态工业系统演化的自组织特征。

生态工业系统演化的自我创生是指从新旧状态对比角度对系统自组织状态的一种描述。生态工业系统演化的自组织过程类似于相变，是在一定外界条件的作用下，由于系统内子系统之间的相互作用，自发衍生出新的结构与功能并表现为一种全新的状态，即为生态工业系统的自我创生。例如，在生态工业系统自组织演化过程中，每一个全新生态工业链的出现都可以看作是节点企业之间基于价值创造环节的非线性相互作用而自发产生出全新状态、结构与功能。换言之，生态工业系统的自我创生是指系统本身具有了从前单个节点企业独立运作时所不具备的新特质。相对于以往独立运作而言，生态工业系统的自我创生主要表现为“生态工业链上节点企业之间结构的变化、伙伴关系的增强与系统整体竞争能力的提高。”[4]

自我复制作为对自组织过程所形成的状态特点的一种描述，是指“自组织演化过程中子系统之间相互作用，保证系统形成某种新的、有序的、稳定的状态。”[5]48生态工业系统自组织演化的时间结构可以看成是自我复制的典型例子，它主要是指生态工业系统在演化的时间轴上，生态工业系统整体呈现的结构和原始结构的特征基本保持一致，但生态工业系统整体的有序程度有所提高。自我复制在现实中主要表现为其项目实践的示范作用与扩散效应，能够实现自我发展与自我完善。以荷兰鹿特丹港口地区生态化改造项目为例，在该工业区生态规划项目中，首先实施的是污水集中处理、热电联产与压缩空气等投资风险相对较小的项目，随着这些项目取得预期的经济与社会效益，示范引领其他企业参与到能源和废弃物交换等项目中，进而达到整体推进鹿特丹工业区生态化改造的效果。

从整体层次视角来看，生态工业系统的自我生长是指“在没有外界特定干预的情况下，一种趋向自然生态系统的产业结构、模式和功能从无到有的自我产生过程”[5]92；主要表征为：随着时间的推移生态工业系统内部企业数目的增加以及内部企业规模的扩大。这种子系统的自我复制造成了生态工业系统的自我生长，是生态工业系统演化的前提条件。

自适应描述的则是系统与外界环境之间的相互作用过程，即从生态工业系统对外界环境刺激的应对和对外界环境响应的角度，对系统自组织特征进行分析，揭示生态工业系统不断演化的动因。以广西贵糖集团公司为例，面对激烈的外部竞争，该企业通过技术创新与设备改造提升核心竞争力，进而吸引诸多知名企业与其建立合作伙伴关系，较好地适应了市场的竞争与挑战。

二、生态工业系统自组织演化的基本条件

通过相关分析论证，“生态工业系统是一个具有耗散结构的系统，工业系统向工业生态系统演化所表现出来的耗散结构的自组织形式就是工业共生体”。[6]耗散结构理论创始人普利高津指出：“一个系统如果能够自发组织起来，形成耗散结构形式，那么这个系统必须满足四个基本条件，即开放、远离平衡态、涨落和非线性相互作用。”[7]198这四个基本条件中的每一个都是系统产生自组织演化的必要条件，缺一不可，只有当这四个条件同时具备才能引发系统的自组织行为。由此，对于生态工业系统的自组织演化而言，同样必须具备上述四个基本条件。

第一，开放的系统。开放是系统与环境的关系，也是系统的内在要求；即生态工业系统必须不断与外界进行物质、信息与能量的交换，才能维持整个系统的正常演化与运行。一方面，生态工业系统作为一个整体必须不断地从外界获取原材料、资源与能源等以维系其实际运作；另一方面，生态工业系统还必须将系统自身产生的无效物质(如工业剩余物与生产污染物等)输排到周围环境中，进而才能确保系统整体的有序化程度不断提高。

第二，远离平衡态。远离平衡态是相对于平衡态和近平衡态而言的，是指系统内可测的物理性质极不均匀的状态。系统只有在远离平衡的条件下，才有可能向着有秩序、有组织、多功能的方向进化，这就是普利高津提出的“非平衡是有序之源”[7]203的著名论断。对于生态工业系统来说，任何一个企业都无法单独完成工业生产生态化的目标。由此，为了满足可持续发展的要求，系统内的企业必须紧密协同合作，组建生态工业链或工业共生体等，也就是说企业之间将会有大量的信息、资源、能量的流动。这样的生态工业系统是远离平衡态的系统。

第三，涨落。“通过涨落达到有序”[7]206是自组织理论的基本原理。在实际的生态工业系统自组织演化的过程中，从无序到有序、从一种有序状态到另一种有序状态的过程，系统可能达到几种不同的模式、构型或结构。在这种具体的演化过程中，生态工业系统从一种现实状态向几种可能的状态进展时，势必会在某个关节点即分岔点上，对几种不同的路径加以“选择”，正如人们驾车走到三岔路口时必须做出选择一样。有所不同的是，人们驾车会选择导向目的地的确定路径，而对具有自组织性的生态工业系统而言，它要选择哪一种路径、状态或结构则是不确定的、偶然的，事先难以预测，要取决于自组织演化过程中的某种“涨落”。这种涨落是随机发生的若干子系统之间的相关变动，也是系统演化的动因，系统有序演化正是通过涨落实现的。在某一具体生态工业系统中，由于“内部自组织因素和外部他组织因素的作用，涨落必然是普遍存在的。”[8]例如，系统参与企业掌握清洁技术水平高低，参与主体之间的协同作用如何，系统环保投资额度多少，企业研究开发的能力如何，企业人才素质的高低等，都可导致系统产生“涨落”。

第四，非线性相互作用。生态工业系统能否从无组织状态或较低级的组织状态自主地走向有组织状态或较高级的组织状态，还有一个重要条件，即生态工业系统内部是否存在非线性的相互作用。传统工业系统发生变化时，往往是逐渐进行的；而生态工业系统发生变化时，往往是有质的转化和跳跃。当受到外界影响时，比如技术创新或设备升级，传统工业系统会逐渐地做出响应；而生态工业系统作为一个非线性系统则很复杂，有时对外界刺激不予理睬，而有时则随着系统不断的开放，发生远离平衡态的涨落，并且反应激烈。作为一个整体，传统工业系统是一个线性系统，往往会连续变化，会随着时间而改变状态，而生态工业系统中的非线性相互作用则表现为各要素之间的“约束选择”或“协同放大”，这种非线性相互作用是系统整体性和复杂性的本质和来源，是系统演化有序结构的根本动因。

三、生态工业系统演化的自组织过程

生态工业系统的演化是多个参与主体发展过程的聚合与叠加，是传统工业系统生态化演变的集群发展过程。生态工业系统的自组织演化过程可分为三个阶段：传统工业系统模式中的自稳定过程、新旧模式交替时的自创生过程和新模式(生态工业系统模式)中的自重组过程。

第一阶段，自稳定过程。生态工业系统的演化是一个不可逆的过程，从根本上说，它在时间的一维坐标系上是不静止、不回头和不重复的，然而，这绝不意味着它是一种飘忽不定、不可捉摸的现象。自然不仅是“进取”的，也是“守旧”的，演化不仅要敢于“创业”，也要善于“守业”。系统的演化如何有序进行？其每一步成果如何得到巩固？系统在长时期的演化中如何保持稳定性，从而呈现增长的多样性和复杂性？这些都是与自稳定机制分不开的。

自稳定过程是在传统工业系统模式下的企业群体生态化创新活动，即低于临界以前的范围。此时，工业系统沿着传统单向的、线性的工业生产模式的轨道，在市场机制等作用下，进行演化活动，是传统工业系统生态化演化的“量”的积累，具有累积性和连续性的特点。在传统工业系统模式下，系统内企业主体之间的交互作用以及学习、搜寻和选择活动使得系统内企业的演化创新思想积累和新奇知识分享共同影响着系统演化的创新行为。传统工业系统模式形成的制度和规则规定着系统发展演化创新中诸因素(包括企业)相互作用的稳定模式，影响系统发展演化的行为参数，明确哪些行为最终能成功，降低演化的不确定性。比如，工业废弃物的末端处理不仅增加了系统自身的成本，还可能造成二次污染，仍然是不可持续的发展。因此，传统工业系统生态化演化创新过程中的微涨落在低于临界状态下产生涨落回归，增强了传统工业系统模式的稳定性。

第二阶段，自创生过程。自创生过程处于自稳定过程与自重组过程之间，即在高于临界状态之后到分岔为止的过程，是新旧模式交替下的传统工业系统生态化演化过程。传统工业系统失稳出现分岔以后，一种全新的生态工业系统模式出现，这是对传统工业系统模式的革命和否定，是一个量变到质变的过程，体现的是生态工业系统发展演化的间断性和阶段性。这是通过自创生过程来实现生态工业系统的自组织演化。这种间断性和阶段性导致生态工业系统发展演化过程中某一随机涨落的未来发展情况无法预测，只有通过环境选择机制的非线性放大作用才能成为巨涨落，从而完成突变性创新，产生新的工业系统发展模式——生态工业系统模式。

第三阶段，自重组过程。自重组是当外界的环境已经发生了较大的变化，系统为适应这种变化而对原本的结构和行为模式自发进行改变。自重组从本质上讲是要建立一个新系统去取代旧系统，也就是我们平常所说的“破旧立新”的过程。在生态工业系统模式下，由于突变的作用，传统工业系统生态化演化活动刚刚完成，整个生态工业系统还处于凌乱、纷杂的状态，必须进行自我结合、自我排序，从而巩固生态工业系统演化发展的成果。这就需要通过自重组过程来实现生态工业系统的自组织演化。

综上，生态工业系统的自组织演化过程，实质上是由生态工业系统的分岔而产生的多种可能性中进行选择来实现的。其中，多样性是其演化的内在根据，选择是其演化的外在条件。值得一提的是，系统会选择什么样的演化路径是难以确定的，因为其中的作用机制是通过生态工业系统内部诸要素和系统与环境的非线性相互作用所构成的自组织演化过程来实现的。

四、生态工业系统自组织演化的微观机制

在生态工业系统内企业主体之间交互作用下的学习、搜寻与选择活动，以及作为生态工业系统演化行为基础的“惯例”的存在，使得生态工业系统的演化过程具有鲜明的自组织特征。

1. 参与主体之间的交互作用

如前文所述，生态工业系统的演化具有自组织特征，生态工业系统内部各要素之间存在非线性相互作用。这表明生态工业系统的演化活动要受到参与主体的影响，生态工业系统的演化是参与主体之间相互作用的结果。参与主体之间的交互作用既包括企业主体之间工业剩余物的市场交换关系、企业共生链关系、交流关系，还包括与公众和政府之间的交流与合作关系。一项生态工业技术与工艺的推广通常要经历研究、开发、实践、推广等过程，在这一过程中的各个阶段上都会牵涉到许多企业或政府部门参与其中，为推进项目发展彼此之间进行信息交流与协作竞争。生态工业系统的演化既是参与主体相互作用的结果，也是一个社会过程。参与主体之间关系的密切程度、建立关系的数量、信息通道和投资规模等因素对于生态工业系统的重要性是显而易见的，其中生态工业系统内部参与主体之间的相互作用对其自身的演化发展起着决定性的影响。

2. 企业主体之间的学习、搜寻与选择

生态工业系统演化的进程则会因新奇事物所发挥的功效而有所不同，没有确定、唯一的路径。比如传统工业园区通过技术创新演变为高新技术园区，再通过生态化改造演变为生态工业园区的过程中，就存在着许多的不确定性和路径选择。因此，生态工业系统的自组织演化行为必然涉及企业主体之间不断的学习、搜寻与选择活动。

“学习”是生态工业系统演化的源泉。生态工业系统内企业主体或部门个体能够根据需要改变自身以便和外部环境保持协调一致的能力便是学习的能力，这种感知外部环境并做出调整的过程就是学习的过程。例如，从事生态工业技术创新的研究人员经过长期的研究，提出许多生产工艺生态化改造的方法，通过学习这些方法，企业主体或部门将其按照系统整体目标进行改造并应用于实际生产当中。生态工业系统内企业主体这种学习能力的大小，学习速度的快慢在很大程度上会影响系统演化的进程，会增加系统的复杂性，也为更高层次的持续演化奠定了基础。

“搜寻”类似于生物进化论中的变异，搜寻过程可以看作是系统或者企业通过获取外部市场机会和社会公众需求变化信息，将其导入生态工业系统，使系统或企业多元化发展，即变异，以寻求生态工业系统模式带来的超额利润。其中，利润动机是其必要的前提。这里我们还要看到，“搜寻”与“学习”是密不可分的，以“学习”为基础，只是在获取信息方面更有针对性；而且这种“搜寻”不是一次性完成的，要经过多次反复与修正。

“选择”是将新技术、新工艺、新知识引入生态工业系统最为关键的演化创新活动。生物进化理论强调生物多样性和变异对生物进化过程有重要影响。对于生态工业系统而言，面对新的市场机会，演化创新充满着不确定性，生产要素的生态化组合具有多种可能性，企业主体会在生态工业系统发展的诸多设计方案或配置中做出选择。需要指出的是，企业主体的具体选择在很大程度上受企业偏好、政府规制、公众需求以及市场等因素的影响，其中市场具有决定性意义，只有经过市场检验的新型工业生产模式才能进入推广阶段，为企业主体所广泛接受。除此，系统外部环境与内部环境的选择对于企业主体的搜寻过程和结果是否成功也具有关键性作用。因此，企业主体的选择对于系统或系统内企业的成败兴衰是至关重要的。

3. 企业主体的“惯例”行为

企业主体总是基于一套技术体系与决策规则来进行生产与运作，这些技术、工艺和规则能够较好地适应企业内外环境；而企业组织的能力则主要体现在实现与储存一套惯例的能力方面。企业在满意原则前提下，往往会依据惯例行事，而当一套惯例出现问题时，企业就会搜寻更好的惯例。惯例相当于企业的记忆，它包含着企业的许多特点，诸如企业生产计划、生产工艺、组织结构、管理模式、企业文化等。惯例是企业在生产与运作过程中形成的，不同企业有着各自独特的惯例。生态工业系统的演化也存在典型的惯例行为。如在虚拟生态工业系统中，企业主体创造性地破坏了固定的地理界限与具体的实物交流，基于现代网络信息技术，通过信息流来连接整个产业价值链，建立开放式的虚拟企业动态联盟。虚拟企业动态联盟组建与运营的动力来自柔性化和多元化的市场需求，整个联盟区域内的产业发展形成了动态灵活的梯次结构，进而具有较强的适应性。

4. 企业主体演化的效益驱动

在微观企业自发演化阶段，企业家或者管理者通过外部获得信息后，根据自身的条件，独立地开展生态创新活动，对企业自身的生产工艺与设备进行生态化改造。微观企业的这种自发演化开始是一个，然后发展到多个，最后形成一个系统。在这个过程中，哪个企业能够率先成功，既满足经济效益，又满足社会效益、生态效益，最初是难以预料的，更多地表现为随机性和分散性。通常，在满足社会和生态效益后，企业自身的经济效益是一个决定性因素。正是基于这个考虑，演化或者被拒绝，或者被接受。若被拒绝即意味着演化失败，说明企业生态化演化系统还不完善，还要进行新一轮的发展演化。若被接受即涨落被有效放大，企业就会扩大生产。这种看似无序的演化活动却孕育着严格的有序，因此，从事生态化改造的生产性企业受到最大利润目标的推动，都为清洁生产而不懈努力。当微观企业的自发演化过程经过市场检验已成熟后，其产业化过程就进入全面扩散阶段。与此同时，由于生态化演化的企业主体获得超额利润在同行中的“示范”作用，或者政府环保机构给予的优惠政策等引起许多企业迅速对其进行“复制”。这时由于“复制”风险相对较小，自催化使涨落放大。在生态工业系统自组织因素和他组织因素的复合作用以及系统内各要素、各企业子系统的协同作用下，生态工业系统的发展演化步伐逐渐加快，新的模式开始形成。

五、结束语

生态工业系统是一种新型的工业发展模式，是传统工业系统解决环境污染、气候恶化、资源利用效率低下问题并实现绿色发展的必由之路。建设与发展生态工业系统，是促进我国传统工业系统由“高投入、高污染、低产出”的粗放式发展模式向“低碳化、绿色化、生态化”方向转型的主要途径，也是我国实现人与自然和谐发展现代化建设新格局的必由之路。