浅谈简单循环农业中熵的流动情况
浅谈简单循环农业中熵的流动情况
摘要：本文通过介绍熵和循环农业模式的相关知识，使人们了解熵、理解循
环农业，同时清楚地看到熵与循环农业之间存在的密切联系，这样就可以把我们所学的知识应用到实际生活中，用来指导我们的生产生活。我们意识到农业要走上可持续发展的道路，就应该彻底远离传统的高熵石油农业，逐渐改变效率低下的个体农业，逐渐向生态循环农业模式以及具有一定规模的农场模式转变。
关键词：熵；循环农业；耗散结构
1. 引言
有这样一个故事流传很广，幼年时的瓦特看到炉子上水壶里的水开了，盖子被蒸汽掀动，不停地上下跳动，噗噗地响，他感到很奇怪，想了很久，竟然忘记了吃饭，由此他认识了蒸汽的力量，发明了蒸汽机。蒸汽机问世以后，1785年被用于纺织工业，1807年被运用到轮船，1825年运用于火车。当时的一些科学家惊奇的发现，蒸汽机利用能量的效率只有5%—8%，于是很自然地提出了热机效率提高的问题，促使人们对有关物质热性质、热现象的规律作深入的研究，热力学这一全新的自然学科随之诞生了。无数的科学家，工程师们在热力学的飞速发展中做出了积极的贡献，卡诺给出了至关重要的卡诺定律，原则上提高了热机的做功效率，第一次提出了可逆和不可逆热机，为后来的热力学三大定律的提出铺平了道路，尤其是为熵定律的提出提供了科学的理论依据。随着时间的推移，一些科学家提出了永动机理论，试图寻找到一种比蒸汽机更加方便有效的设备，同时也有不少的人去尝试制造这样的永动机。一次又一次的失败，不得不使他们对失败进行反思，对理论做进一步的研究，慢慢的，能量守恒定律即热力学第一定律诞生了。为克服热力学第一定律的约束，他们很快提出了第二类永动机，后来，人们发现这一不违背热力学第一定律的热机也不能实现，对此，又进行了深刻的讨论和研究，热力学第二定律应运而生。
1.1. 熵的产生
1850年，克劳修斯从能量守恒所提出的新的角度描述了卡诺循环，发现了热机所特有的问题：一定要有一个对换补偿的过程，即用接触一个低温热源的方法进行冷却的过程，这样才能使热机恢复到它初始的力学状态和热学状态。卡诺和克劳修斯所提出的问题，导致对基于守恒和补偿的理想热机的描述，然而，新的科学不仅要求描述理想化的过程，而且要描述自然本身。这样就使得人们有机会提出并接触一些新问题，例如能量损耗问题。开尔文很快就抓住了该问题的重要意义，并在1851年提出了一种说法，这一说法被称之为热力学第二定律的开尔文表述，开尔文说法揭示了自然界中的功热不等价，功转化为热的不可逆性[1]。
自然界中有多种多样的不可逆过程，如热量传递的不可逆性，有关这一不可
逆过程，克劳修斯说道：不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其他影
响，历史上称之为“热力学第二定律的克劳修斯表述”。两种表述实际上指出其
他一切不可逆过程的共同规律：在一切与热有联系的现象中，自发地实现的过程
都是不可逆的，这就是热力学第二定律的实质。
热力学第一定律就是因为找到了态函数—内能，建立了数学表达式，才成功
地解决了很多实际问题，作为类比，使人们设想采用更为普遍的数学形式把热力
学第二定律表述出来，对过程进行的方向做出数学分析，判断过程进行的方向和
限度。克劳修斯于1854年引进了一个新的概念——态函数熵，用以表述热力学
第二定律。熵用符号S 表示，微分表达式为
d dS Q
T
其中d Q 表示系统的状态经历一可逆微小变化的过程中与恒温热源交换的热量，
T 表示恒温热源的温度[2]。熵概念的诞生之所以重要，就在于可以将热力学第二
定律以定量的形式表述出来。
1.2. 熵的发展
1887年，波尔兹曼在概率论的基础上，从微观角度出发，对克劳修斯的热
力学熵理论进行了拓展，他首次提出了微观状态的概念，并且采用“熵”来量度
一个系统中分子的无序程度，并给出熵S 与无序度W 之间的关系为
S=k ㏒W
波尔兹曼关系式将宏观量S 和微观状态数W 有机的联系在一起，根据此关系式我
们可以清楚地知道，熵与系统微观状态数的对数成正比。波尔兹曼对熵的统计解
释使人们对熵概念的认识又进入了一个更深层次，即熵是系统混乱度的量度。
值得一提的是，这里假定W 是无序的量度，而其倒数1/W 则可以作为有序的
一个直接量度。借助于数学，1/W 的对数恰好是W 的负对数，很容易将波尔兹曼
关系式写成
w k s e 1log -
对于这取负号的熵，习惯于称之为“负熵”，它是有序度的量度。到了1929年信
息论的创始人申农利用概率统计理论来定义具有一定概率分布的信号源的平均
不确定性的测度，信息熵表明,熵不仅不必一定要与热力学过程相联系,而且不必
与微观分子的运动相联系，在自然科学和社会科学的各个领域中,存在着大量不
同层次、不同类别的随机事件,每一种随机事件的集合都具有相应的不确定性和
无序度,所有这些不确定性或无序度都可以用信息熵这个概念来描述。熵与信息
的关系，揭示了熵含义的新层次，进一步扩大了熵的运用范围。
1944年，奥地利著名物理学家、量子力学的创始人薛定谔在《生命是什么？》一书中提出了“负熵”的概念，他指出“一个生命有机体，在不断地增加着它的熵——你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，就是说要活着，唯一的办法就是从环境里汲取负熵，我们马上就会明白负熵是十分积极的东西，有机体是赖负熵为生的”[3]。
随着熵的提出，熵增加原理也随之问世了，热力学系统从一平衡态绝热地到达另一平衡态的过程中，它的熵永不减少，若过程是可逆的，则熵不变，若过程是不可逆的，则熵增加，这就是熵增加原理。熵增加原理也可以更加直观的说成是孤立系统的熵永不减少。熵增加原理告诉我们，不可逆绝热过程总是向着熵增加的方向进行而可逆绝热过程则是沿着等熵线进行的，熵保持不变。我们知道，自然界中许许多多的实际过程必然要与热相联系，它们几乎都是不可逆的，换句话理解就是我们人类的活动过程是一个制造熵增的过程。根据熵增加原理，我们可以知道，不断增加的熵控制了自然过程的方向，这些过程最终把系统带到对应于熵值极大的状态，即热力学“平衡态”。如克劳修斯所说“宇宙越是接近于这个熵极大的极限状态，那就任何进一步的变化都不会发生了，这时宇宙就会进入死寂的永恒状态”。“热寂”之说困惑了物理学界甚至整个科学界，乃至于哲学界，引起震惊、关注，争论延续一个世纪。诚然，就目前实际展现在人们面前的宇宙图像，完全是一幅丰富多彩、生机盎然的，与“热寂”所描述的场景完全背道而驰，“热寂”说已成为一个谜团。有些科学家提出，引力能导致熵减，进一步提出了宇宙熵量是守恒的，即引力约束系统的熵量减少和热力扩散系统的熵量增加原理是互补的。不得不说，许多科学家在这些方面存在着较大的分歧，谁也无法提出对或者错误的论据。
既然宇宙体系出现这样的矛盾现象，那么对于宇宙内部会不会存在这样的体系，它像人一样，通过自己的“劳动”，自食其力？目前我们可以自豪的说，这样的体系是存在的，它就是耗散结构。普里戈金经过二十年的奋斗，建立起了耗散结构理论，该理论有一个简洁的基本公式：
dS=deS+diS
按照普里戈金的意思，它表达的是这样的一个基本思想，一个远离平衡的开放系统，通过与环境进行物质、能量和信息的交换即通过物质、能量和信息的耗散，从而就可能自发组织起来，实现从无序到有序的转变，形成具有一定组织和秩序的动态结构。这里强调的是，通过交换和耗散，只要从环境引入的负熵(deS)大于系统的自发的熵增(diS)，系统整体上就可以实现熵的减少（dS=deS+diS〈0），当系统进入非平衡态，其中的非线性相互作用得以表现出来，就可能形成新的有序结构。
随着熵的不断发展，熵所涉及的领域越来越广泛，生命熵、社会熵、经济熵、教育熵等层出不穷，它就像一座桥梁，把物理学与我们的生产活动紧密联系起来，只可惜，我们虽然找到了他们之间的联系以及熵在事物发展中所起到的作用，但是，这些都只是理论方面的一些最为肤浅的东西，想要更深层次的了解它，并把它应用到生产活动中，我们还需要作出更大的努力。
2. 循环农业
当今世界的人类正在经历着由于资源的过度开采利用而导致的能源危机，过度追求经济发展而忽视环境污染的生态环境破坏，水土流失，全球气候变暖等一系列的问题，同时人类也在积极的想办法解决这些问题，许多人提出了可持续发展的战略目标，循环农业就是其中的一份子。它是按照生态学原理和经济学原理，运用现代科学技术成果和现代管理手段，以及传统农业的有效经验建立起来的，能获得较高的经济效益、生态效益和社会效益的现代化农业[4]。生态循环农业，简单地说，就是在良好的生态条件下所从事的“三高农业(高产量、高质量、高效益)”。循环农业能够运用物质循环再生原理和物质多层次利用技术，实现较少废弃物的生产和提高资源利用效率，它作为一种环境友好型农作方式，具有较好的社会效益、经济效益和生态效益。实践表明，循环农业与科技、经济与环保可以实现相互支持、良性互动，在生产人类所需粮食的同时，不会对周围环境造成污染，与传统的化石农业相比，具有无可替代的优势[5]。
循环农业有多种模式，各地区因地制宜，选择合适的模式进行生产活动，最常见的农业模式有如下几种：
种养直接连接: 植物饲料一动物肥料关系，例如饲料作物（玉米、大豆、苜蓿、象草、苏丹草、黑麦草、三叶草）种植与养牛、养猪、养鸡、养鱼的结合，作物秸秆喂饲动物，动物粪便肥田。
加沼气环节：猪一沼一果模式，四位一体（养猪－沼气－种菜－温室）模式。
加食用菌环节：养殖业粪便＋种植业秸秆＝培养基→培养食用菌→菌渣做农田肥料。
加蚯蚓环节：通过蚯蚓处理作物秸秆、动物粪便、污水处理厂污泥等，使废物资源化后再重新利用，例如利用蚯蚓进行秸秆堆肥、粪便堆肥、污泥堆肥等。
加鱼塘环节：著名的桑基鱼塘就是基上种桑养蚕，蚕沙下塘养鱼，塘泥回基肥桑的循环模式，今天已经演化出花基鱼塘、蔗基鱼塘、草基鱼塘、塘边养鸭、塘边养猪等循环体系[6]。
3. 熵与传统农业
1981年，美国人杰里米·里夫金和特德·霍华德出版了《熵：一种新的世界观》一书，把熵定律用于对人与环境关系的观察和预测，认为在人类居住的地表环境中，熵值的逐渐增长是一个不可逆转的自然内在现象，特别是随着人类生
产、生活方式的无节制发展，熵值的增长还可能加快，最终将引起地表环境的全面崩溃；尽管这个结局是不以人的意志为转移的，但人类可以通过自身努力尽量使这种结局向后推迟。
就在农业领域的“绿色革命”让人们觉得今后粮食供应不再是问题的时候，该书敏感地预言未来人类将遭受粮食危机，其立论基础是：现代农业是大量消耗矿物能源的“高熵农业”，缺乏可持续性。
书中举例说：在传统农业时代，一个农民以1卡能量的体力支出，可产出10卡能量。现在美国一个农民以1卡能量的体力支出，可产出6000卡能量。但若把整个过程中其它能量的加入算进去，这种表面上的高效率不过是宏伟的假象而已。仅是为生产一个270卡的玉米罐头，就需消耗2790卡能量，其中大部分能量消耗在农业机械的使用上以及化肥和杀虫剂方面。总的来看，一个现代美国农民用掉10卡，方可产出1卡能量，效率其实很低[7]。
这种生产方式密集地使用以石油等能源为动力的农业机械，和以石油等矿物为原料的化肥、农药、塑料，因此也被称为“石油农业”。目前中国农业同样在向“石油农业”或“高熵农业”转变，它的好处是可以生产出大量粮食，缺陷则是依赖和大量消耗能源、矿物，使农业成为石油消耗大户，同时对地表环境造成严重破坏。
根据前述熵定律，现代农业所建立的精密的生产秩序，是以地表环境中更大的秩序混乱为代价的。农业产量的有限增长与整个地表环境中巨大的能量耗散不成比例，并且，许多四处散逸的处于无效状态的能量对土壤与河湖水系造成了严重污染。大量使用化肥造成了土壤结构失序、退化，大量使用农药在害虫具有抗药性之后只能使用更多、更具有生物杀伤性的农药，恶性循环有增无减。农业的高能耗使得农产品成本越来越高，而原先“高能量投入必然带来高粮食产量”这个如意算盘也因为土壤秩序受到破坏而逐渐失效。就世界范围而言，由于农业越来越依赖石油等非再生资源，粮食危机将难以避免。
从而，“低熵农业”、“低熵工业”、“低熵生活”、“低熵社会”等等已经成为人类为维系自身生存所必须做的事情，这样做也是为了给子孙后代留下足够的生存资源。
4. 能量和熵的流动情况
4.1. 熵与生物生长
生命有机体的新陈代谢是自然规律的一部分，服从热力学基本定律，生物体处在正常状态，发生一个有限的过程，也服从于熵定律dS = deS + diS。无论是简单的细菌或复杂的人，生物体生命的维持都需要与外界连续不断地进行物质和能量的交换。把生物体作为研究对象——体系，它应属于非平衡态的敞开体系,当把生物体和环境作为一个体系时，符合熵增加原理。生物体内部要连续不断地
进行各种不可逆过程,如:化学反应、扩散、血液流动等等。生物体的熵变dS = deS + diS，diS是生物体内不可逆过程引起的熵产生,其值为正；deS是生物体与外界进行物质和能量交换而引起的熵流，其值可为正、负零，我们可把deS 分成两项：deS (能量)和deS (物质)，de(能量)是生物体与环境进行热交换引起的，de S (物质) 是生物体与环境进行物质交换引起的。如果把生物体与外界隔离 ,则deS = 0，dS= diS >0，生物体熵值不断增大，生物体就会趋向混乱而死亡。由dS = deS + diS 知，必须有足够的负熵流供给生物体来抵消熵产生[8]。
4.2. 熵定律与植物体系
植物在生长过程中，要不断地从土壤中吸取营养、水份，从空气中吸取二氧化碳，接受太阳光，同时掉下枯枝腐叶，排放出氧气。按照热力学原理，植物是远离平衡态的开放体系，植物的内部不断发生各种不可逆过程，如进行着溶解、渗透、扩散、流动等不可逆变化，使dS（内）> 0。植物要正常成长，必须使熵流为负值，d S（外）< 0，以抵消内致熵的增加。植物体内发生的光合作用反应是一个减熵反应，dS < 0，这是由于太阳光是有序能量,排放出去的氧气又是熵值较大的物质。这样使熵流dS（外）< 0，使得植物体的熵值dS = dS（内）+ dS （外）≤0，植物就能正常成长。
4.3. 熵定律与动物体系
动物同植物一样是一个远离平衡态的开放体系，动物要不断地从外界摄取食物、水、氧气等, 同时向外界排放粪便、汗水、二氧化碳等,并与环境交换热。动物要正常成长，必须引入大量的负熵流才行。负熵流既有热交换引入，又有物质交换引入。这两个因素引入的负熵流是不可能绝对分开的，为了说明方便，“强行”把dS（外）分为dS1（外）与dS2（外）。dS1（外）与热交换有关，通常的动物，体温高于环境高度，动物在新陈代谢过程中，产生大量的热，要维持正常体温，就要不断向环境散热。dS2（外）与物质交换有关，动物摄取的食物主要是淀粉、糖、脂肪、蛋白质、纤维素等高聚合物，它们分子量大，排列有序，熵值比较小，这些物质在体内经过物理与化学变化，一部分被吸收，另一部分排出体外，排出是渣汁、二氧化碳等，分子小，熵值大。这样使dS2（外）< 0,所以动物摄取食物就相当于补充负熵。dS1（外）< 0，dS2（外）< 0，均为负值，dS（外）抵消了体内的熵产生，这样，动物体的熵变值dS= dS（内）+ dS（外）≤0, 维持正常状态。如果生物长时间不能从环境中引入负熵，dS（内）不断增大, 以致长时间dS > 0，就会生命垂危，甚至死亡。人与动物感到饥饿，就是体内熵值增大，需要补充负熵的一种信号。
4.4. 熵与循环农业体系
封闭体系要求体系与环境之间无物质交换, 但可有能量交换,显然农业循环模式不是一个封闭系统，因为我们要利用这个体系来为我们人类服务，为我们提
供猪肉，粮食，沼气等负熵，存在物质交换。开放体系与环境之间可以存在物质交换与能量交换，循环农业显然是这一类，那么它是耗散结构吗？既然各种生物体属于远离平衡态的耗散结构，那么当我们把这些生物体按照一定的比例组合在一起，给他们提供一个科学合理的生长环境，让它们自由的生活在这样一个环境中，这个体系应该也是一个耗散结构，满足熵定律。
下面我将采用循环农业模式中的四位一体（养猪－沼气－种粮食－温室）模式进行一个简单的分析。所有的猪，沼气池，粮食作物都共处于一个温室中，在这个系统中，各生物体之间存在着能量的循环流动过程。首先，粮食作物吸收土地里的无机物、矿物质、水份等物质，再利用空气中的二氧化碳，光照，在合适的条件下进行光合作用，产生了大量的氧气和富含大量蛋白质、糖类等有序的高分子粮食，同时也会产生一些粮食作物的秸秆，而该过程产生的氧气和粮食又是猪生长必不可少的，秸秆可以喂猪，也可以通过沼气池发酵为植物再度利用。猪进行呼吸作用产生了大量的二氧化碳和废弃物，其中二氧化碳会被植物所利用，废弃物也通过沼气池发酵可以为植物提供肥料。这个过程中，我们可以得到部分的粮食作物，猪肉，还有沼气，而我们所要做的就是提供这样一个场所，提供一定的管理技术，如图1所示：
图1. 循环农业模式中的四位一体（养猪－沼气－种粮食－温室）模式
Figure 1. The mode of the agriculture quaternity (pigs-biogas-grain-greenhouse) in
circulation patterns
图2给出了体系内熵的转化关系：
图2. 四位一体模式（养猪－沼气－种粮食－温室）中熵转化
Figure 2. The entropy transformation in agriculture mode of Four one
(pigs-biogas-grain-greenhouse)
我们可以知道在生产过程中，输入高熵的原材料和低熵的能源，后者用来作为机器设备的动力，也用来吸收前者的熵和生产过程中产生的熵，生产中除输出低熵的产品外，还不可避免的向环境排放高熵物质，因为生产过程中的不可逆过程（如机械磨损，原料的流失等）会产生新的熵[9]。就单个体系来说，它符合熵增加原理，但是在我们所讨论的循环农业模式体系中，把周围的环境考虑在内，它就是一个耗散结构，我们可以尽量减少废气废热中的这部分正熵的产生，比如在农业生产方面尽量减少不必要的机械设备的应用，减少农药化肥的使用，在防治病虫草害方面多采用生态学原理加以防治等，就像在《熵：一种新的世界观》一书中举例说明的一样，仅是为生产一个270卡的玉米罐头，就需消耗2790卡能量，其中大部分能量消耗在农业机械的使用上以及化肥和杀虫剂方面，所以只要我们控制好这部分的熵增，就可以使农业发展走上可持续发展的道路。由于整个体系具有一定的自动净化的能力，不可逆过程产生的少部分污染会被空气，土地等转变为可以利用的负熵，所以可以这样说，只要管理得当，所饲养的猪的数量和和粮食作物的产量在一个合理的比例上，这个体系就不会对周围的环境造成污染，按照耗散结构理论来分析，整个体系熵变可以为零，甚至有可能为负，这是一个多么完美的体系。
增加循环体系中生物物种，可以增加各物质和能量的利用率。相对于一种生物来说已经是不可利用的废弃物，而它却可以被另外一生物所利用，这样就起到废弃物的循环利用，同时也可以增大负熵的利用率，从总体上来说，物种的种类越多，循环体系越庞大，生物的自然属性越是得到体现，物质的循环利用就越有效，熵的增加过程就被减慢了，对外部的污染也会大幅度的减少。就像非洲的一块原始森林，各物种生活在同一片蓝天下，相互制约，共同生活，充分利用太阳带来的负熵，整个体系的熵变基本为零，甚至为负，所以能够使整个体系出现越来越有活力的场面。当然生态循环农业体系不可能像这一片原始森林这般完美，它的有序程度显然比较高，要维持这种高度有序状态，就需要外界源源不断的负熵流，通过上面的分析可知，系统内部可以提供其中的一部分，而另外一部分由外界提供，其中包括了阳光、水分等自然资源以及人为提供的科学的管理技术、信息资源等。在这个体系中，人类活动至关重要，正是由于有了人的存在，所以循环农业跟原始森林是截然不同的，然而我们人类也不是万能的，我们可以控制着物质的流动，却对熵的流动情况无能为力，我们在生产活动中要遵循自然规律，运用自然规律为我们人类服务[10]。
5. 建议
第一：我们在生产活动过程中，要注意环境的保护，防治污染的发生，坚决反对先污染后治理的想法。污染本来就是一种熵增，一旦存在就很难消除它，现代社会的污染治理大部分只是拿其他地方的负熵来对冲此处的正熵，虽然这里的污染消除了，但其他地方却又出现了污染，甚至出现了更大的污染物，说白了就是一个污染转移的过程，从水里转移到天空，从地上转移到地下，而且这个过程消费了我们大量的人力、物力、财力等，由于机械设备的利用，化石能源的燃烧，污染更加大了。所以说，只要不是制造污染的生产活动，就是一个减熵的过程。
第二：多种植植物可以提高太阳这个负熵的利用率。太阳光照到我们的大地上，如果不加与利用，会变成正熵，这样就加快了地球的正熵，如果种植了植物，那么地球上就会多出一份子负熵，负熵是可以被人们加以利用的，可以为我们创造财富价值。
第三：我们应该建立生态循环型的农业体系，让这个体系尽量通过自己内部各生物之间的调节来达到物质和能量的循环利用，尽量减少通过人工手段去干预生物体的生命活动，同时应该增加农业体系内部的生物物种，这样就可以充分实现废弃物之间的混合利用，一方面可以减少对体系外的污染，另一方面可以增加能量的利用率，起到熵节流的作用。
第四：农产品的获取要遵循适度的原则，过度放牧会对草地产生破坏，过度种植，土地的肥力会下降，产出也会下降，所饲养的动物的密度太大，会影响动物的生长情况，甚至会出现瘟疫、疾病等，要把握好这个适度原则，就应该弄清楚负熵这个最为本质的东西。
第五：我国的农业发展主要以个体农业为主，所种植和饲养的物种单一，受环境的影响很大，病虫草害发生率频繁，信息传播较慢，农产品市场价格波动较大，给农民带来的影响也很大，许多地方农药化肥的使用很严重，对周围环境的破坏力度很大；另一方面，中国的农业属于劳动密集型，对机械设备的依赖程度很小，许多经济落后的地方还存在非常传统的农业生产模式，根本不使用任何的农药化肥，更不用说机械设备了。而美国等发达国家主要以农场为主，实现了规模种植和养殖，化肥农药的使用也是很严重，加之机械化的操作流程，他们对化石能源的依赖程度比较高，对周围环境产生的影响更加大。把中国传统农业模式和美国农场模式有机的结合起来，就是我们所说的生态循环农业体系。
6. 结束语
农业发展与我们的粮食生产、工业发展、环境保护、新能源等诸多领域相关联，所以我们必须高度重视农业发展，熵与循环农业模式之间确实存在紧密的联系，如何将熵定律应用到农业发展中，需要我们对熵和农业生产做进一步的研究。
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On the entropy flow in simple circular agriculture Abstract: The thesis introduces the knowledge of entropy and circular agricultural model to make people understand them and the relationship between them. It enables us apply them to our real life and guide our daily life. We are also aware that the sustainable development of agriculture should completely depart from the traditional high-entropy oil agriculture, and instead gradually change the low-efficiency of the individual agriculture to the ecological agriculture and the farm mode with a certain scale.
Key words: entropy; circular agriculture; dissipative structure