熵理論視角下的生態安全研究

曹庭珠

(鄭州大學管理工程系，鄭州450001)

隨著經濟社會的高度發展，人類活動對生態環境的壓力不斷增大，人與自然的矛盾不斷加劇。近年來，全球性重大生態災害接踵而來:地震、海嘯、颶風、火山噴發、洪水、干旱、泥石流、水土流失、土地荒漠化、水資源惡化、濕地銳減、生物多樣性減少和污染物排放增加、原油泄漏導致的海洋生態系統破壞等等，這些由全球氣候變化及人類經濟活動引發的生態災害已對人類生存與國家安全構成嚴重威脅。生態安全問題成為人類社會共同關注的焦點。生態安全一旦遭到破壞，不僅影響經濟發展，還直接威脅人的基本生存條件。我國資源環境形勢嚴峻，生態安全問題尖銳，發達國家在一、二百年工業化過程中曾經出現過的生態環境問題我國在比較短的二、三十年時間之內已經集中暴露出來。當前我國地表水的污染嚴重，七大水系水質總體為中度污染，湖泊富營養化問題突出，部分城市空氣污染較重，農村環境問題日益突出[1]。生態危機已成為嚴重制約我國現代化進程的瓶頸，生態風險已達到危及國民生存的警戒線程度，進入了生態高風險期[2]。生態危機表面上是一種自然現象，其本質是人類經濟活動產生的過量熵增。以熵理論為指導，探究造成生態危機的深層原因，探尋化解危機、維護生態安全的途徑，對保障我國生態安全具有重要意義。

1 生態安全的內涵

在我國，生態安全亦稱為環境安全、生態環境安全。廣義的生態安全以國際應用系統分析研究所(IASA，1989)提出的定義為代表，是指在人的生活、健康、安樂、基本權利、生活保障來源、必要資源、社會秩序和人類適應環境變化能力等方面不受威脅的狀態。它能為整個生態經濟系統的安全和可持續發展提供生態保障，其中包括自然生態安全、經濟生態安全、社會生態安全。狹義的生態安全是指自然和半自然生態系統的安全，即生態系統完整性和健康的整體水平反映。

生態安全不是瞬間的結果，而是對人與自然環境復合系統在某一時期、某一階段過程狀態的描述。當一個國家或地區所處的自然生態環境狀況能夠維系其經濟社會可持續發展時，它的生態就是安全的;反之，就不安全[3]。生態安全的內涵一是避免由于生態環境退化和資源短缺對經濟發展的環境基礎構成威脅，從而維護一個國家的生態環境和自然資源對于本國經濟持續發展的環境支撐能力;二是避免由于生態環境嚴重退化和資源嚴重短缺造成環境難民并引發暴力沖突，從而防范生態環境問題對區域穩定和國家安全構成的威脅。

生態安全是國家安全的重要組成部分，是國防安全、政治安全和經濟安全的基礎。我國高度重視生態環境保護，采取了一系列重大措施政策。2000年12月，我國首次明確提出了“維護國家生態環境安全”的目標，認為保障國家生態安全是生態保護的首要任務。生態安全是社會正常運行的充分必要條件，是社會良性發展的必備前提，是社會和諧發展的根本基石。

2 熵理論視角下的生態安全分析

面對全球性生態危機，人類需要客觀地揭示造成生態危機的深層原因，并尋找化解危機的良方以實現生態安全。熱力學定律幫助我們了解自然界一切活動的運轉過程，以使我們能夠在一個和諧的自然環境中生活并與自然和諧相處[4]。

自然界人類的一切活動都離不開能量的轉移與轉化，熱力學第一定律指出，能量是守恒的、不滅的，只能從一種形式轉變到另一種形式。第二定律則進一步指出，能量只能不可逆轉地沿著一個方向轉化，即對人類來說，是從可利用的狀態到不可利用的狀態、從有效的狀態到無效的狀態轉化。熵，就是指這種不能再被有效利用、不能再被轉化作功的能量之總和。熱力學的進一步研究闡明，熵是無序的量度，熵過程就是系統的紊亂程度增加的過程。于是，熵成為宏觀系統演化的判據。

根據熱力學理論，一切有能量和物質流動的系統都是熱力學系統。人類社會環境是一個由社會經濟系統與自然生態系統組成的復合生態系統，是一個開放熱力學系統，其運行過程必然遵循熱力學定律。

對于任何一個開放熱力學系統，熵變表示為:

式中:dS是狀態函數熵;dSe是外界與系統之間物質和能量交換引起的熵變，簡稱熵流，可正可負，也可為零;dSi是系統內部不可逆過程引起的熵變，簡稱熵產生，它總是大于零的。

對于復合生態系統，熵變是指復合生態系統整體的質量狀況，通過熵變可以知道復合生態系統是處在安全狀態、危機狀態，還是臨界狀態。由熵變模型分別給出自然生態系統和社會經濟系統的熵變化公式[5]:

式中:dS1表示自然生態系統的熵變;deSm-12(m=-，+)分別為來自人類改善、補償環境引起的負熵流和人類社會經濟系統對其過度索取及不適當生產行為引起的熵增;deS-11是指自然系統自凈能力引起的負熵流，以及其他生物自適應機制過程中所產生的負熵流;diS1j是指自然界不同生物種群通過蒸騰、呼吸、排泄或殘骸等能量耗散引起的熵增。

式中:dS2指人類社會經濟系統的熵變;deSm-21(m=-，+)分別指自然生態系統能量供給所產生的負熵流和自然生態系統災變引起的熵增;deS-22指人類自組織引起的負熵流;diS2j指生產消耗和社會變革以及生活消費和社會消費過程中所產生的熵增。

復合生態系統的熵變由正熵和負熵兩部分組成:

生態安全狀態受到人類活動的影響，而生態安全的演變也會影響到人類活動的功效。人類社會的發展歷史實際上也是生態環境的變遷史，更是人類與環境關系不斷演化的歷史。

在人類早期階段的狩獵社會，由于人類活動范圍很小，而且主要以采摘野生果實、狩獵、捕魚為主，只是更為自覺有序地去獲取生存所需的能量，這樣產生的熵數量有限，復合生態系統的負熵很高，系統內部結構十分有序，人和自然環境處于低水平的安全、協調狀態[6]。

農業社會中，勞動能力的進一步提高，人類從自然生態系統中獲取負熵流能力大大增強，使得負熵流輸入量多于以往，人類社會便通過漲落加速向新的穩定態發展，即經濟形態進化加速。但同時自然生態系統中的大量負熵流被輸入到人類社會經濟系統，致使生態系統的局部出現了diS＞|deS|的情況，這表現為人類對自然生態系統開始有一定影響，在一些地區，比如古巴比倫，人類對原始生態進行破壞以獲取耕地，使這一地區的生態系統獲取負熵流的能力大大下降，這就使得該地區生態系統內熵增的速度加快，最終造成兩河流域氣候惡化，水土流失，土地沙化，生態環境嚴重破壞，終于造成文明毀滅。但就復合生態系統總體來說，系統的dS≤0，所以系統依然保持有序的安全、穩定狀態。

進入工業社會以后，為了維持地球上過度增長的人口和滿足人類無限膨脹的欲望，人類向自然界進行肆無忌憚地索取、掠奪，全然不顧子孫后代的長遠利益而無節制地預支自然資源，在資源、環境、生態上造成了巨大的熵增，即資源耗竭、環境污染和生態惡化。從熱力學第二定律即熵理論的角度來看，經濟活動過程就是一個物質-能量低熵狀態輸入、高熵狀態輸出的過程[7]。人類社會系統的負熵或低熵是以自然界的高熵為代價的。人類經濟活動產生的過量熵增導致自然界產生了過多的熵，以至于環境系統無法處理這些熵，就會引起一系列的環境問題和生態危機。人類為了獲得自己所需的能量而向地球大氣中排入了過量的二氧化碳，阻止了地球熱量的輻射與擴散，引起空氣中的熵增加，造成溫室效應;大面積森林的砍伐引起水土流失、土地沙化、水資源短缺、農業減產，減弱了全球的光合作用，減少了氧氣向大氣的排放;各種經濟活動排出的大量的污染物致使環境污染達到前所未有的程度，使環境中的熵增大，有序度降低，環境可用度減少，復合生態系統無序化程度不斷增加，進入高熵狀態。高熵意味著系統無序混亂程度已達到相當程度，已經威脅到系統的存在，威脅到人類的生存發展。

3 熵視角下維護生態安全的途徑

維護生態安全的實質是人類運用經濟、法律、行政等各種手段能動地對復合生態系統進行調控，使系統的總熵值降低或維持穩定，實現負熵，克服熵增，以此使生態系統保持其內部穩定而有規則的能量流動，維持其特定的結構和功能，協調自然、經濟、社會的發展。自然子系統的負熵過程是一個被動的接受過程，而社會經濟系統是一個由人類控制的系統，它的負熵過程則是一個主動過程。為了改善我國的生態安全狀況，使得環境與生態能夠有效地保障經濟發展和社會需求，必須采取有效措施，控制復合生態系統的正熵，減小熵增的速度。同時積極探索開發、利用負熵源的途徑，使足夠的負熵流源源不斷地流入復合生態系統，使系統總熵趨于減少，規避生態風險，化解生態危機，維護我國的生態安全。

3.1 構建低熵發展模式

傳統的價值觀是生態環境問題產生的根本原因。人類社會的發展應當從以犧牲自然環境系統為代價的高消耗、高污染的高熵經濟發展模式中轉變出來。熵增最小化的低熵發展模式是實現生態安全的基本路徑。低熵發展模式以保護環境與自然資源為優先目標，以較低的環境與資源代價來換取經濟的進步與發展，促進經濟發展與生態環境保護的動態良性互動，實現人與自然和諧。其實質是要求盡量減少物質的使用和廢物的排放，最充分利用負熵流，盡量減少自身系統的熵增，使得所有的物質、能量和信息都得到合理、持續的利用。要在全社會倡導低碳生活方式，推行綠色消費理念，走生產發展、生活富裕、生態良好的文明發展道路。通過循環經濟的“減量化，再利用，資源化”、低碳經濟的“低能耗，低污染，低排放”、綠色經濟的“綠色生產，綠色流通，綠色分配”、清潔生產等主要經濟技術模式來實現熵減，減少資源的消耗，減少環境污染，維持生態平衡，使同一環境容量承受更大的經濟增長。同時，加快傳統產業改造，提高能源資源利用效率。

3.2 遵循自然生態規律

實現生態安全必須遵循自然生態規律，從自然界生態系統整體運行規律的宏觀視角來全面審視人類社會的發展問題。人類在認清自己與自然的關系上已付出了巨大的代價，熵概念和熵原理的研究將促進人類的這種認識。只有按照客觀規律來認識自然、改造自然與善待自然，才會在資源、環境與人口日益尖銳的環境中找出人類社會持續發展的新路。堅持人類對自然的索取與人類對自然的回饋相互平衡，將自身的行為維持在自然生態系統的承載能力之內，并在此范圍內不斷提高經濟增長的質量和人們的生活品質。一方面，人類不能無限度地把自然物質和自然資源納入社會經濟系統，或過量地向自然界返還廢棄的物質，破壞了能量流和物質流的循環。另一方面，人類在社會經濟活動中要遵循能量流動的遞減性、單向性、不可逆性等規律和物質流動的循環性規律來組織生產，既要考慮人類生存、繁衍和發展的需要，又必須顧及生態、資源的承載力以及環境容量，以實現人與自然和諧，發展經濟與改善環境同步。

3.3 加強生態教育

意識是行為的向導，只有意識到人類自身的行為已經嚴重毀壞自然環境、威脅了人類的生存，人們才會產生減少污染、保護生態環境的訴求，并付諸于行動，以達到改善生態環境的目的。生態思想是復合生態系統最基本、最根本的負熵。加強生態教育、培養人們新型的環境價值觀，使生態文化、生態意識成為大眾文化和大眾意識。喚醒人們的生態良知，增強人們的生態憂患意識、生態參與意識和生態責任意識，使人們形成保護生態環境、愛護生態環境的自律精神。“我們可以通過對自身生活與行為方式的選擇，決定世界上有效能量的耗散速度。”[8]政府通過體制、機制創新，讓企業與公眾主動改變自身選擇與行為方式以實現生態安全與經濟現實的有機融合，構建資源節約、環境友好的生產方式和消費模式，把人類活動的熵增行為控制在最低限度。

3.4 發展生態產業

生態產業要求所有的產業都要符合生態經濟規律的要求，生態產業是實現生態安全的重要支撐。生態產業是低熵產業，通過物質和能量多層次分級利用或循環利用，提高物質和能量的轉化效率，延長物質和能量轉換形式的鏈條，提高物質和能量的再利用率，從而降低有效物質和能量向熵轉換的速率。通過科技的力量使產業從微觀到宏觀、從技術、工藝、流程到管理等，實現全方位、全過程的生態化。推廣測土配方施肥技術，引導、鼓勵農民使用有機肥、生物農藥或高效、低毒、低殘留農藥，普及病蟲害生物防治、精準施肥和緩釋、控釋化肥等先進技術，發展高產優質高效生態農業[9]。要用高新技術改造傳統產業，推進節能減排和資源綜合利用，建設節水、節能、節材型工業和生態工業區。推廣實施清潔生產、環境治理、生態環境持續利用、節能減排、新材料和新能源等綠色技術，促進生態工業持續發展。同時，要圍繞綠色消費發展森林旅游、生態文化等生態服務業。通過生態農業、生態工業和生態服務業的發展及其互動耦合降低社會經濟系統自身的熵增，減少向自然界排放的廢熵，避免環境污染，使經濟發展步入生態化、綠色化的軌道，實現生態建設產業化、產業發展生態化。

3.5 建立生態安全風險防范體系

生態安全具有范圍的整體性、地位的基礎性、影響的動態性和保障的艱巨性等特征，生態安全隱患與生態風險問題不容忽視。生態安全問題的生態、經濟和社會代價巨大，有時甚至難以恢復和逆轉，因此，要建立生態安全防范體系，加強風險評估分析，防患于未然。總熵的增加是潛移默化的，當這種增加達到一定程度時就會出現災難性的后果。人類對資源環境長期不合理的開發利用所累積的大量生態隱患已嚴重影響著人類社會的發展。要貫徹風險預防為先的原則，通過建立生態風險預警機制對社會發展過程中出現的危及生態安全的各種風險進行及時地監控，及時發現生態不安全因素的征兆，包括一切生態風險源及生態健康威脅的因素，在生態危機到達臨界點前提出預警，給相關部門提供解決問題的方案與對策，從而達到維護生態安全的目的。預防并阻止國外生態危機、生態風險的侵襲，避免發達國家的高熵轉嫁，防止對生態環境造成嚴重破壞和危害人類健康的工業項目甚至大量有毒垃圾遷移到我國。由于生態風險有時表現為突發性和超常規性的特點，需要建立一套生態危機應急機制，以應對突發性的生態環境事故和災難。

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