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葛永林:生态复杂性研究中、能值理论的哲学意义
录入: 哲学网编辑部 发表时间: 2013-10-28 点击: 1178 次 我要收藏

生态系统是由生物群落和非生物环境组成的典型的复杂系统。生态复杂性(Ecological Complexity)是复杂性理论和生态学研究的重要内容之一,主要是运用复杂性理论和系统生态学的方法研究生态系统的稳定与演化发展过程中物质、能量与信息的转化、流动、传输,探索生态系统多样性、自组织性及稳定性等问题。近二十多年来,许多科学家从不同的侧面、不同的进路阐述了他们关于生态复杂性的观点,使生态复杂性的内容日渐丰富起来,在国际上有较大影响力的(Exergy)分析和能值(Emergy)分析理论就是如此。
1 生态学研究中的理论
相比较而言,热力学的基本定律和耗散结构理论能比较精确地描述物理化学过程,但对生态系统的刻画更多的只是定性描述。20世纪70年代末,Jrgensen首次将理论应用于生态学的定量研究[1]。
生态学的定义为:能量使生态系统从有组织的、远离平衡状态到达相对于它所处环境的热力学平衡状态(熵最大状态)时所能做的有用功。它代表了该系统目前状态与热力学平衡状态之间的距离,是预示系统演化发展的一个目标函数[2](Goal Function)。它的数学表达式为[3]:
式中,Ex代表,R、T、和分别代表气体常量、绝对温度、生态系统中某种组成因子i的集中度及?在系统处于热力学平衡状态时的集中度。当i为零时,代表所考察的因子是无机物。这个公式有这么几个特点[4]:
①与其他热力学函数的关系清楚;
②在定义中包含了一个内部项(温度)和一个外部项(负熵);
③在计算中,考虑了系统外的环境因子,使其更适用于生态系统的解释;
④温度不同,系统输送的信息不同。
根据耗散结构理论,能量耗散与系统远离平衡的状态成正比例关系,能量消耗越多,它支持自组织过程的能力越强,离平衡态越远,系统越复杂。假设系统演化是可逆的,能量逆向做功,使系统从远离平衡态回到最简单的热力学平衡态,那么通过能量做功多少的测算,就能衡量不同状态系统与热力学平衡态之间的距离。这个功的大小就是。“也可以作为一个尺度,来度量打破一个生态系统有组织状态转向热力学平衡态所需要的能量。……外力使生态系统发生改变回到热力学平衡态,所需能量越多,值就越大。”[5]换句话说,热力学平衡态是系统最简单的状态,也是为零的状态,系统离平衡态越远,值就越大,维持该状态所需的能量就越多,系统才会越复杂。由此,分别从消耗的能量和系统离热力学平衡态之间的距离两个维度量化表示了生态系统的复杂性程度。
2 生态学研究中的能值理论
能值理论和分析方法是美国生态学家奥德姆(Odum H.T.)经过长期研究,综合运用系统生态、能量生态和生态经济原理,于80年代后期创立,意在衡量生态系统产品或服务所含能量质量高低的一种新的手段,为生态系统的定量研究开辟了新途径。
所谓能值,它是一种流动或贮存的能量所包含的另一种类别能量的数量。由于太阳能是所有能量的最初来源,故常常以太阳能为基准来衡量各种能量的能值。所有的资源、劳动和产品的形成所直接或间接所需要的太阳能之量,就是其所具有的太阳能值,单位是太阳能焦耳(sej)。[6]
太阳能值转换率是能值理论中的一个重要概念,是能值分析中的一个关键参数。它被定义为:单位能量(物质)所含的太阳能值之量。其中单位能量(物质)是指所生产的一焦耳的物质产品或服务。太阳能与太阳能值转换率之间的关系如下[7]:
M=xB  (2)
式中M为太阳能值,x为太阳能值转换率,B为系统可以使用的能量。
在没有人为干预情况下,自然生态系统总是处于热力学远离平衡态,因此,对于自然界的产品和服务的太阳能值转换率是相对稳定的,奥德姆等人计算出了这些产品和服务的太阳能值转换率数值。[8]根据各种资源(物质和能量)的太阳能值转换率,可以将不同类别的物质和能量转换为统一度量的能值单位(太阳能焦耳),从而揭示出这些物质和能量包含的太阳能多少。
能值分析方法包括三个步骤,首先是绘制详细的能量系统图,确定系统边界和组成要素,明确系统内发生的诸如产品和消费之间的相互关系等;其次是构建能量评价表,对进出系统的能流、物流量的计算,能值、能值转换率的计算和评价;最后是各种能值指标的计算分析和系统模拟等。[9]
能值分析方法以系统生态学为基础,借鉴生态系统中的食物链理论,通过图表把自然资源、商品和劳务等都用能值来计算其真实的价值,然后,对各种生态流、经济流进行能值分析、整和和定量评价,建立一系列反映系统动态、效率和生态经济特征能值综合指标体系,从而对系统的演化发展趋势、健康发展状况以及可持续发展作出预测,为生态经济系统的战略发展提供决策依据。
3 理论和能值理论的哲学意义
“生态复杂性至少可以划分为6种截然不同的类型:空间复杂性、时间复杂性、结构复杂性、过程复杂性、行为复杂性和几何复杂性”[10]。针对生态复杂性的这些方方面面,学术界有许多条研究路径,有从能量[11]、熵[12]和信息[13]方面入手的,有从物质(生物量)、生物多样性[14]和系统结构[15]之间相互关系入手的,有从生态系统演化发展[16]、自组织和人工生命入手[17]的,等等。但是,不管怎样,纵观生态学的发展历程,从能量的角度对生态复杂性开展研究始终占有重要的一席,现在已由过去单一的定性描述逐渐发展到了定性与定量相结合的方式,尤其是析和能值分析理论在定量分析生态系统演化发展状态、资源与经济活动的真实价值,以及它们之间的相互关系方面,具有十分重大的认识论和方法论意义,在生态复杂性理论研究、自然资源的科学评价和环境决策领域得到了广泛的应用。
3.1 生态复杂性与能量
任何生态系统都可视为能量系统。生态系统的生存和演化本质上不完全是力学或物质的问题,归根结底就是能量问题。生态系统是由能流构成的网络,没有能量,任何原初的系统不可能生成,也不可能演化发展。生态系统生存根基的太阳能获取、动植物的生理活动,就是能量的贮存和降解过程。生态系统内层次不同,能量蕴含也不同。可以说,生态系统的复杂化就是依托能量的自组织,进而维持远离热力学平衡状态的结果,能量关系的改变将导致生态系统本质的改变。因此,能量是衡量复杂系统特征的一个重要指标,是抛开所有具体物质组成、结构特征和连接形式不同的系统所必须具备的动力基础,在研究系统复杂性方面具有无可比拟的优势。而能量的这些特征,为哲学研究提供了形而上的本体“质料”,也为研究生态系统复杂性提供了评判的工具和手段,甚至成为了生态学家和哲学家评判系统优劣和复杂性程度的一种价值标准。熵、耗散结构、和能值等概念和理论有丰富的哲学内涵,它们架起了哲学和生态系统复杂性研究沟通的桥梁。
通过能量对生态复杂性的研究和描述,最早可以追溯到Lotka-Odum的生态系统能量生产的最大化原则,按照热力学第二定律关于任何系统都有熵增的趋势、陷入“热寂”的危险的有关理论和林德曼(Lindeman)的“十分之一定律”等,然后是薛定谔在《生命是什么》中提出的著名“负熵”说,再就是普里高津的耗散结构理论等。这些理论和概念从宏观层面,定性地对生态系统的演化发展规律和复杂性的描述,对单个系统或同类别能量系统进行比较研究时发挥了十分重要的作用,但是,对结构、组成成分和外部环境不同的生态系统,由于它们的能量活动差异很大,上述理论似乎显得有点力不从心,因为能量在质与价值方面存在根本的差异,不能进行简单的加减和比较,而和能值理论则为此打开了新的研究视野。
3.2 理论、能值理论的认识论意义
生态系统中能量主要有两种存在的状态:动能和势能。动能是正在做功的能量,是通过热和辐射在生物与其环境之间相互传递的能量。势能又称潜能,是蕴藏在有机分子内,处于静态的能量,它有着一种做功的能力及其可能性。也就是说,生态系统中能量是以能流和能贮的形式存在的,生态系统结构和功能的变化则是这些能量做功的结果。按照和能值的定义,系统做功的大小就是,所包含的能量(太阳能)的数量就是能值。它们从更深的层面把握了生态系统的能量本质。
耗散结构理论也只揭示了生态系统是一个必须对外开放、远离平衡的非线性系统,所给出的熵变公式只是对系统的有序和无序作出定性的描述。一个系统离平衡态的距离有多远,有序和无序的程度如何,对外开放的过程中必须吸收或耗散多少能量以及能量的质量如何等,均没有给出量化的答案。它只能预示系统的演化发展方向,但对目前所处的状态却无法肯定。当系统陷于崩溃或受到强力破坏时,只能说它们处于混沌之中。
过去,对生态系统能流的分析更多的是单纯的能量分析,即把各种性质和来源根本不同的能量均以能量单位(焦耳)表示后进行比较和数量研究,并加以分析。但是,“在实际的生态系统的能量转化、传递过程中,系统最后的能量产出比能量输入要低得多,但能量质量(能质)却高得多”[18]。对于相同类型的能流系统,系统的复杂程度可以直接用能量来比较,但对不同类型和质量的能流系统,直接用能量来测定系统的复杂性程度是不够的,因为不同营养级水平上单位能量所含的能质(Energy Quality)是不同的,即不同来源、不同形式的能量性质是不同的,具有等级差异,它们作功的能力是不一样的,不能进行直接的比较和数量的加减。能量分析只单纯地计算系统能量的产出投入比,既没有对系统内的能流、物流、货币流、人口流、信息流等进行综合分析,也没有计算太阳光能、雨水能等自然资源能量的投入,无法清晰地表达和衡量人与自然、环境与经济的本质关系;此外,进行能量分析的能量单位是焦耳,而不是能值的太阳能焦耳,生态效率与经济效率的比较失去了共同的基础,因此,能量分析对复杂的生态系统,尤其是生态经济系统进行分析很困难,而我们社会所涉及的多数问题就是处在这样的复杂的生态经济系统中。
如前所述,可以用来衡量系统离热力学平衡态的距离,或者说生态系统被组织的复杂性程度。不但如此,还是度量系统能量质量高低及效率的尺度。按照定义,消耗生态系统能量所做的功就是。能量性质不同,使系统远离平衡态所消耗的能量多小就不同,做功效率就不同,那么能量的质量就不同。因此,维持系统现有结构和功能所消耗的能量的质量也可以用它所含的来度量,例如,一焦耳的太阳能或化石能所含的就比一焦耳的热能所含的要高;一焦耳的脊椎动物能所含的就比一焦耳的植物或微生物能的要高[19]。此外,可以用来衡量生物在系统层面生存和进化发展的水平[20]、系统所蕴涵信息量的高低[21]、生态系统功能和健康状态的指示因子[22]、从时间维度上来检验衡量自然选择压力下系统振荡、最适合物种、资源获取及生存环境条件的情况等[23]。可以说,从不同的角度,建构了认识生态系统复杂性的新模式。
能值分析对生态复杂性的度量主要体现在:一是通过对系统各种生态流进行综合考察,定量分析系统的结构功能特征与动态变化,反映出不同系统的生态行为的差别;二是通过太阳能值转换率计算出系统物质流、能量流中所包含的太阳能数值,衡量系统所提供产品和服务的质量,进而对比与评价不同尺度生态系统发展的可持续性。
3.3 分析、能值分析的方法论意义
是研究生态系统自组织过程的目标函数,主要用来量化研究生态系统的功能,描述自组织状态,预测系统演化发展趋势,但其本质上仍是能量概念。它是系统能量流所做的功,或者说所有的能量和物质都包含了,代表了一个系统过程相对于环境的热力学潜能,既依赖系统目前所处的状态,又与系统周围环境密切相关。所以,在目标函数中,温度、熵以及系统组成因子的集中度就成为了因变量,比较全面客观地、量化反映了生态系统复杂性的各个方面。此外,它抓住了系统能量耗散的本质——做功。通过做功的定义,建立了与其它热力学函数的相互关系,为量化生态系统复杂性开辟了新的研究视野。“从两个层面加深了相关物理现象的理解:理论层面,可以用公式准确、完备地表达能量转化过程中能量的数量和质量;实践层面,为有关热动力学的组分和系统设计方法提供了坚实的基础,使之更完全和准确。”[24]
“生态系统能值分析方法论的概念和理论基础是热力学定律与一般系统原理。”[25]能值概念体现了生态系统的历史,包含了时间以及所有的与系统目前状态有关的不同过程。[26]它能把自然生态系统与人类经济系统统一起来进行定量分析,对生态系统的能流和物流进行分析比较,测算能量的效率和贡献,就是因为有一个共同的基础:进行能流和物流活动所需要的太阳能是相同的。这是能值分析方法论的理论基石。以能值为量纲,把系统的各种物质和能量换算成统一标准——太阳能焦耳进行分析,从而可以把自然生态系统与人类经济系统统一起来,分析比较人类经济活动的能量流效率。能值是财富实质性的一种反映,是客观价值的一种表达。自然资源、商品、劳务和科技信息均可以用能值衡量其固有的真实价值,评价其贡献。能值分析为量化评价生态系统产品及服务提供了一个能量学的基础,不但分析系统内各组分之间的能值流,而且分析系统内外的能值交流,分析结果得出的综合能值指标体系,既反映生态效益,也体现经济效益,表明了自然与人的作用和贡献。[27]
从能量发展到、能值,从能量分析发展到分析、能值分析,在理论和方法上都是一个重大的飞跃。
【参考文献】
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[27] 蓝盛芳,钦佩.生态系统的能值分析[J].应用生态学报.2001(2):129-131.
(原载《系统科学学报》2008年1期。)

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