基于耗散结构的草原生态经济系统的动态分析

第25卷第1期干旱区资源与环境Vol．25No．1 2011年1月Journal of Arid Land Resources and Environment Jin．2011

文章编号：1003－7578（2011）01－011－04

基于耗散结构的草原生态经济系统的动态分析*

巩芳1，2，常青2，郝晓燕2，文宗川2

（1．内蒙古农业大学经管学院呼和浩特010018；2．内蒙古工业大学管理学院呼和浩特010051）

提要：以耗散结构理论为基础，草原生态经济系统为研究对象，用熵作为度量标准，从草原生态系统的冲击力、复合承载力和反馈力三个角度分析了草原生态经济系统可持续发展面临的危机与挑战，并提出了通过

构建完善的草原生态补偿机制增加草原生态经济系统的负熵流，通过转变牧区经济的发展方式，完善保护草

原生态经济系统的政策减少正熵的流入，从而实现草原生态经济系统的良性循环发展。

关键词：耗散结构；草原生态经济系统；熵理论

中图分类号：F062．2文献标识码：A

草原生态经济系统是一个开放的、非线性复杂系统，草原生态经济系统作为一个复杂系统既是自组织的，也是他组织的，是自组织与他组织的统一。文中着重研究它的自组织方面，通过分析草原生态经济系统的耗散结构特性来探索实现草原生态经济可持续发展的途径。

1耗散结构理论概述

耗散结构（Dissipative Structure）理论由普里高津（I．Prigogine）于1969年提出，是指"一个远离平衡的开放系统当外界条件达到某阈值时，量变引起质变，系统通过不断地与外界交换物质和能量，会自动出现一种自组织现象，系统的各子系统会形成一种互相协同的作用，从而可能从原来的无序状态变为一种时间、空间和功能的有序结构"。一个系统要处于耗散结构，即动态有序，必须满足以下几个条件：1）系统必须开放；2）远离平衡态；3）非线性相互作用；4）涨落现象［1］。上述条件是相互紧密联系的，根据这些条件可以把耗散结构概括为：在非平衡条件下产生的，依靠物质、能量、信息的不断输入和输出条件来维持其内部非线性相互作用的有序系统。一个系统达到生态产出最大、功能稳定和生态平衡状况时，就是该系统最高级的生态环境耗散结构。

2草原生态经济系统耗散结构特性分析

根据耗散结构理论，草原生态经济系统作为一个复杂系统符合耗散结构的特性。首先，草原生态系统是一个开放的大系统。草原生态系统与牧区经济系统、社会系统不断进行物质、能量和信息的交换，经济和社会系统不断向草原生态系统输入正或负熵流，正熵流输入导致草原生态恶化，如，过度放牧和无序开垦等；负熵流输入时草原生态得以恢复，如退耕还林（还草）等。第二，草原生态经济系统是远离平衡态的。草原生态系统中，生物气候形成的春生夏长，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。草原生态系统是一个具有自我调节功能的系统，同时，草原生态系统受当地人口、经济、政策等诸多因素的影响和制约，这些因素导致草原生态经济系统处于远离平衡的非线性区，在与外界发生物质、能量和信息交换时，随机的突变可能导致草原生态系统结构的变化。第三，草原生态经济系统具有非线性的特征。草原生态系统包含多个自然、经济和社会子系统，这些子系统之间相互影响、相互制约的关系不

*收稿日期：2009－11－09。

基金项目：内蒙古自治区社科项目《制度创新视角下的内蒙古草原生态环境补偿机制研究》（项目批准号：08B025）；内蒙古自治区高等学校科研项目《基于生态资本化理论的内蒙古草原生态补偿机制创新研究》（项目批准号：NJsy08062）资助。

作者简介：巩芳（1972－），女，汉族，内蒙古巴彦淖尔市人，副教授，博士，主要研究方向：产业经济，生态经济，牧区经济。

Email：gongfang110@sina．com

图1草原生态经济系统熵流图Fig．1Entropy flow in a grassland ecosystem

是线性的，而是非线性的。非线性输入输出和非线性变化发展是

草原生态系统的重要特征，是草原生态系统无限多样性、丰富性

和复杂性的根源。最后，涨落现象在草原生态经济系统中是普遍

存在的。普里高津关于"涨落导致有序"的观点，

突出强调了在非平衡系统具备了形成有序结构的客观条件后，涨落对实现这种有

序结构起着决定作用。例如，

"以草定畜"、"围封转移"等政策的实施使得草原生态系统不断恢复，

即政策的"微涨落"经过一定时期的发展导致草原生态经济系统的"巨涨落"（图1）。3基于耗散结构的草原生态经济系统冲击力、承载力及反馈力分析

草原生态经济系统是一个具有自组织特性的复杂系统，根据耗散结构的特性动态分析草原生态系统的冲击力、承载力和反馈力，以草原生态经济系统的脆性和突变特性分析该系统的冲击力，以草原生态经济系统的生态环境阈值来分析整个草原生态系统的承载力，以负熵流来分析系统的反馈力。

3．1冲击力与草原生态经济系统的脆性

草原生态经济系统的冲击力主要体现在：1）自然因素带来的冲击。气候干旱化是草原生态系统冲击

力的自然因素中最重要的因素之一。气候干旱化的原因有很多，

其中气候变暖、降水量减少、蒸发量增加是一个很重要的自然因素。内蒙古自治区气象资料表明，进入20世纪70年代以来气候变暖明显。气候

变暖的同时降水量也在减少，全区大部分地区年降水量在50－450mm 之间［2］。气候干旱，降水量减少必

然使植被破坏加快，沙尘天气增多；2）社会因素带来的冲击。除了自然因素恶劣导致草原沙漠化之外，最直接的、主要的原因是人类活动。社会因素的冲击主要包括：第一，过度放牧。近年来，牧区人口迅速增加

与可利用草地面积逐年减少导致人与畜、

草与畜、草与土地等矛盾加剧，为了增加收入，牧民就会不断地增加牲畜头数导致严重超载。随着人口的不断增加，草原的载畜量已严重超过其承载力。第二，经济增长对草原生态环境造成了严重污染。近年来，为了地方经济的发展和GDP 的迅速增长，一些地方政府开始倡

导发展工业，

走新型工业化道路，但对"新型工业化"的内涵缺乏确切理解，在一些旗县一提及"工业化"字眼儿就简单理解为"上项目、建工厂"，盲目在草原牧区引进污染严重、破坏环境的工业项目。上世纪九十年代左右新建的"六小"工业项目毁坏了大面积的草场，浪费了大量的自然资源、污染严重，给生态环境

造成了极大的破坏。违反"土地管理法"、

"农牧区合同承包条例"占据牧民承包的草场，把大面积草原变成了采矿场、采煤场，已开工的厂矿排出的工业废物污染了大面积草原和河流。

对于一个开放的草原生态经济系统，当它的一个子系统遭受一定的打击时，会使原来的有序状态破坏，进而形成一种新的无序状态，失去原来系统所具有的正常功能，我们可以通过建立脆性、系统蕴含能量和约束条件之间关系的初步数学模型来分析整个草原生态经济系统的脆性，即：

M （t ）=a E （e1，e2，…，en ，…）G （g1，g2，…，gn ，…）

式中：M （t ）为草原生态经济系统第t 段时间的脆性；a 为加权系数；E （e1，e2，

…，en ，…）为草原生态经济系统本身蕴含的能量和来自外部冲击的能量集；G （g1，g2，

…，gn ，…）为草原生态经济系统本身的约束条件和与该系统有关联的外部给予的约束条件集。能量集E 和约束条件G 之比，决定草原生态经

济系统脆性的大小，

并昭示系统是崩溃还是正常运行。当该系统受到外部打击时，其能量集E 中的元素增加，系统蕴含的能量也增加，从而导致该系统的脆性变大，系统的无序度增加，系统趋向崩溃，此时，为阻止系统崩溃，系统本身或其它系统对其进行约束，约束条件集G 中元素增加，抑制系统崩溃，使它达到另

一个正常运行状态。如果能量的增加超过约束条件集的约束能力，该系统最终会导致崩溃［3］。

由以上讨论可以得到下面结论：

首先，当脆性熵到达某一危险的最大值时，草原生态经济系统会发生危机；脆性熵超过这个值，该系统将因外部能量的冲击而崩溃。也就是说，该系统对于外界的冲击或干扰，导致整个系统脆性的激发，这时系统本身无法正常运行，直至崩溃。如过度开垦草原超过草原的自我恢复能力就会导致草原不可逆转的沙化和退化，最终可能是草原消失。其次，当脆性熵到达某一最小值时，草原生态经济系统处于专制的有序状态；脆性熵小于这个值时，草原生态经济系统将会处于一个没有发展的状态，这样的状态最终将被淘汰。这就告诉我们对草原既要保护还要利用。

·21·干旱区资源与环境第25卷

最后，一个可持续发展的草原生态经济系统，脆性熵应适当的大，脆性熵太小，草原生态经济系统不再发展；脆性熵太大，草原生态系统最终导致崩溃。也就是说，草原生态经济系统要实现可持续发展，它的脆性熵的大小要合适，既不能停止对草地资源的开发和利用使整个系统的脆性熵维持很小值，也不能过度、无序地开发与利用，一旦出现干扰，致使整个系统的脆性熵达到极限值，那么就会导致整个系统最终崩溃，无法正常运行。

3．2承载力与草原生态经济阈

"承载力"是相对"冲击力"而言的，草原牧区经济的发展给草原生态系统带来冲击，因此就要分析草原生态经济系统对外来冲击的承受能力及承受阈。草原生态系统承载力用承载压力度指数来衡量。承载压力度是表示生态系统支持要素的支持力（CSI ）与压力要素的压力（CPI ）的相对大小，它能宏观地反映某区域的生态承压负荷量，以便准确判断某生态系统承载力高低情况。承载压力度指数可用公式表示为：

D =P /S

式中：D 为承载压力度指数；P 为草原生态系统的压力指数；S 为草原生态系统的承载指数［4］。

草原生态经济系统对外来冲击有一定的承受阈，即草原生态系统的经济阈。草原生态经济阈，也就是草原生态经济系统的阈值或阈限，主要是指草原生态经济系统总体的承载能力、吸纳能力、净化能力以

及系统资源的利用限度等，

是系统承纳及其资源使用的最高界限；如系统的适度人口规模、适宜载畜数量与系统对生态破坏的承受能力、环境污染的净化能力以及牧草资源、药用食用植物动物资源、草原地区矿

产资源利用程度的界限等。若草原生态经济系统承纳水平及其主要资源的使用强度等不超过阈限，

系统总体状态保持良好，生态经济稳态不被打破，系统自恢复、自更新、自净化等机制完善并能正常地发挥作

用；如果草原生态经济系统的承纳水平及其主要资源的使用强度等超过了阈限，

系统生态经济稳态被打破，生态经济结构失调，自恢复、自更新、自净化等机制被破坏并不能正常地发挥作用，系统结构走向无序、功能不断下降，最终走向崩溃。

3．3反馈力与草原生态经济系统的负熵流

当草原生态经济系统本身受到冲击的时候，正如作用力与反作用力一样，存在"冲击力"也就存在"反馈力"。反馈是动态平衡系统的一种固有性质，并可作为调控点，在一定时期内和一定的科学技术条件下，草原生态经济系统容量受到阈值的限制，当然这一阈值是一个区间而非一个具体数值。在这一区间内，当系统偏离稳定发展状态时，正反馈促使其返回原来的状态；而一旦超过这一区间，负反馈将加速系统

的崩溃［5］。现实的"反馈力"主要是指当社会经济发展冲击力接近、

达到或超过草原生态经济系统生态承载力时，为了保证草原生态经济系统的正常和健康发展，人类必须通过减少对草原生态的破坏、过度利用和加大对草原生态的保护以减少整个草原生态系统的发展压力并提高其复合承载力，使之大于冲击力，以保障草原生态经济系统的可持续发展

。

图2基于熵的草原生态经济系统可持续发展分析框架图Fig．2Frame of sustainable development

in grassland ecosystems based on entropy

如图2所示，牧区经济的发展过程就

是不断从草原生态系统获得草地资源的

过程，即负熵流从草原生态系统流入牧区

经济系统，而且随着牧区经济的发展，人

口迅速膨胀、

牲畜头数迅速增加导致正熵流不断由牧区经济系统流入草原生态系

统，这两个过程导致草原生态系统的熵增，使草原生态系统出现生态危机。因此，草原生态系统不断恶化的原因就是正熵流入草原生态系统，负熵流出草原生态

系统引起草原生态系统的熵增，并超过了草原生态系统消除熵增的能力。从熵的角度考虑，增大负熵及负熵的利用率，同时减少整个草原生态系统熵的增加或减缓熵增的速度是实现草原生态系统可持续发展的两条路径。

4

草原生态经济系统可持续发展的熵变机制和对策4．1通过草原生态补偿增加负熵流

·

31·第1期巩芳等基于耗散结构的草原生态经济系统的动态分析

草原生态环境问题的根源是市场的外部不经济性，要把生态环境问题内部化，就必须建立健全环境资源配置体系，开展破坏草原的补偿交易，构建空间网络式草原生态补偿机制。通过构建以草原牧区的地方政府、企业、牧民为基础，以中央政府的草原生态转移支付为主体，以受益区域的生态补偿基金为补充的草

原生态补偿机制，

从而实现草原生态系统负熵流的增加。4．2以草定畜等政策的实施减少正熵流

减少正熵流是指通过减少牧区人口、减少牲畜头数，即减少牧区经济发展对草原生态系统的破坏，提高草原生态系统的承载力；通过禁牧舍饲和围封转移提高草原生态系统的抗冲击能力。牧区经济发展离

不开对草原生态系统的开发和利用，

只有通过对现行牧区生产和方式进行改造才能实现牧区经济的集约化发展，这就要求发展熵增最小化经济。发展熵增最小化经济，是实现牧区经济可持续发展，草原生态系统良性演化的最优选择。

总之，在牧区经济的发展过程中，草原生态系统不断提供负熵流，接受产生的生态废弃物，这必然使得草原生态系统的熵增不断增大，这是一个不可逆的过程，但可以通过转变牧区经济的发展方式，完善保护草原生态系统的政策减少正熵的流入，通过构建和完善草原生态补偿机制增加草原生态系统的负熵流，实现草原生态经济的可持续发展。

参考文献：

［1］Stephen L ，Gillett．Entropy and its misuse ，I．Energy ，free and other wise ［J ］．Ecological Economics ，2006（56）：58－70．

［2］王关区，莎娜．草原生态经济阈与草原资源的合理利用［

J ］．中西部发展论坛，2008（2）15－17．［3］唐敏，张文彬．基于耗散结构的矿业复杂系统的动态分析［

J ］．昆明理工大学学报（理工版），2008，33（1）：4－9．［4］张林波，李文华．承载力理论的起源、发展与展望［

J ］．生态学报，2009，29（2）：882－885．［5］莫琦．基于耗散结构的区域创新系统动态分析［J ］．工业技术经济，2009，28（3）：85－86．

Dynamic analysis on grassland ecosystems based on the theory of dissipative structures

GONG Fang 1，2，CHANG Qing 2，HAO Xiaoyan 2，WEN Zongchuan 2

（1．College of Economics and Management Inner Mongolia Agriculture University ，Hohhot 010018，P．R．China ；2．Management School of Inner Mon-golia University of Technology ，Hohhot 010051，P．R．China ）

Abstract ：We analyzed the crisis and challenges for the sustainable development of grassland ecosystems from the impact of grassland ecosystems and complex carrging capacity and feedback based on the theory of dissipative structures ，and studied on the grassland ecosystems using entropy as a measure of standards．We proposed that in order to increasing the negative entropy of grassland ecosystems ，a sound ecological compensation mechanism should be established ，and in order to reducing the inflow of entropy ，the economic development pattern should be changed in pastoral areas and the policy of the protection of grassland ecosystems should be improved．The virtuous circle of grassland eco －economic development is a ultimate goal．

Key words ：dissipative structures ；grassland ecosystems ；entropy theory ·41·干旱区资源与环境第25卷