共生理論視角下創新農業生態經濟研究范式

朱鵬頤,黃新煥

福建師范大學 經濟學院,福州 350117

共生理論視角下創新農業生態經濟研究范式

朱鵬頤*,黃新煥

福建師范大學 經濟學院,福州 350117

共生理論認為異質共生生物在其生存過程中會表現出相互依存的關系。試圖將這一論點移植到農業生態經濟研究中,用以處理農業生產中生態效益與經濟效益之間矛盾的問題。為此,把農業生態經濟視為由生態單元與經濟單元組成的異質共生體,分析了該共生體的結構與共生模式,并采用Logistic方程與數值模擬方法,探討農業生態經濟共生體的共生機制,揭示共生單元間的演化規律與成長特征。研究表明：共生模式在農業實踐上創新應用的主要目標是將共生體從寄生共生模式向互惠共生模式轉型,并提出正向轉型的激勵策略。共生單元的選擇必須具有兼容性,共生單元間有明確的共生界面,促使物質、能量和信息的交流,以增加共生體內自由能。共生關系正向發展要遵循共生演進規律,偏利共生模式是演進到互惠共生模式的必經過程。培育互惠共生適存的共生環境對促進共生體演進至關重要。這些研究成果為農業生態經濟研究提供一個新范式,并開創一條研究新思路與方法。

農業生態經濟；共生理論；共生機制；創新研究范式

在全球環境變化,生態面臨危機中,生態與經濟的融合始終是研究的主題。經濟效益主要涉及當前和局部利益。而生態環境效益則涉及到長遠與宏觀利益。因此經濟價值標準與生態價值標準之間存在明顯沖突,協調兩者矛盾是當前研究的棘手問題。隨著經濟規模不斷擴大,生態環境退化日益嚴重。于是提出退化生態恢復問題,但一些地方過度強調生態恢復而忽視了人類的經濟需要,致使生態恢復缺乏動力。實際上生態恢復不僅是一個生態過程,也是經濟價值提升過程,只有兩者融合,生態恢復才能持續穩定。這個問題已經引起許多學者的重視,當前文獻所見研究熱點主要集中在系統耦合概念上,焦點在“系統耦合模式[1]”、“系統耦合態勢[2-3]”、“系統耦合效應[4]”方面,而“系統耦合過程模型”研究相對滯后[5]。于是在經濟與生態環境的關系上缺乏一個有說服力的融合理論。共生理論為解決這個問題提供理論基礎。共生理論出于生物學。Scott[6]提出共生是兩個或多個生物,在生理上相互依存程度達到平衡的狀態。這是生物種群生態學種間關系分析的方法論。隨后許多學者把這一方法論廣泛應用于許多領域[7-8],如工業[9]、金融業[10-11]、城市管理[12]、企業管理[13-14]和農業[15-16]等。在農業中,主要應用于經營模式、特色農業和休閑農業等方面的研究。本文另辟一個新路徑,把共生理論引入農業生態經濟研究中,把經濟單元與生態單元視為共存于農業生態經濟共生體中的兩個獨立單元的異質共生。正由于存在這種異質性,才使多個共生單元在生存過程中能夠建立更加相互依存的關系[17],并表現出更強的互補性。一個共生單元的生存發展以其它共生單元的存在為前提,同時又以它自身的存在強化著其它共生單元的生存本領。這種互補性是共生體共同進化和結構更新的基礎,為生態與經濟“雙贏”找到理論依據。遍查國內外文獻,共生理論在諸多領域上廣泛應用,唯獨未見在生態與經濟上融合上的研究報道(中國科學技術信息研究所科技查新報告,編號20141100100613)。

1 農業生態經濟共生機制

1.1 共生體的構成

農業生態經濟共生體是由農業生態共生單元與農業經濟共生單元構成的。農業生態共生單元是由農業生態環境和農業生物種群兩大要素構成。其中,農業生態環境包括農作物生長所依賴的氣候、土壤、水等環境要素；農業生物種群則包括種植業、林業、畜牧業和漁業等所涉及到的動物、植物和微生物種群。農業經濟共生單元主要由農業投入與農業產出兩大要素構成。其中,農業投入包括勞動力、技術、資金投入。農業產出包括各類農產品及其加工品產量及產值。農業經濟共生單元邊界以內的集合體以完成其經濟功能為目標,而農業生態共生單元邊界以內的集合體以完成其生態功能為目標。共生界面為共生單元之間的能量流、物質流、信息流和價值流提供順暢的通道,促進共生體的演進與發展。于是經濟共生單元保證了生態共生單元發展的物質基礎,而生態共生單元提供經濟共生單元發展的適宜自然條件,同時又消化和處理經濟共生單元產生的各種產物,兩者相互交織、相互作用構成共生體(圖1)。

圖1 農業生態經濟共生體結構Fig.1 Symbiont structure of agro-eco-economy

1.2 共生模式的形成

共生單元是構成共生體的基本能量生產和交換單位,共生單元之間依靠共生界面傳導能量而發生關系,兩個共生單元通過共生界面接觸之后將產生共生能量并進行分配,從而構成共生模式,這體現了單元之間共生關系的本質。共生模式的形成及演化發展的外在條件構成共生環境。共生單元、共生模式、共生環境3個要素構成共生體。

共生模式有寄生共生、偏利共生、互惠共生等模式。寄生共生表現為在共生單元之間一種單向的物質或能量轉移,有利于共生單元的一方發展而不利于另一方發展。一些地區由于掠奪式經營土地,能量單向經濟共生單元轉移,影響到生態共生單元的活力,導致共生環境受損,形成寄生共生模式。偏利共生模式表現為在共生單元之間表現能量的分配雖然集中于某一方,但另一方沒有凈損失。發展農業生態經濟,在資源承載量與環境容量許可的狀況下,經濟共生單元的發展并不對生態共生單元產生影響,這期間盡管經濟共生單元快速發展,但不損害生態共生單元,這屬于偏利經濟共生模式。而在生態環境嚴重退化地區,雖然生態共生單元有所發展,但未達到一定水準,仍然不對經濟共生單元產生影響,這屬于偏利生態共生模式?；セ莨采憩F為共生單元之間能量雙向分配,如經濟與生態兩個共生單元共同得利,新的能量源源不斷地產生,促進共生關系演化與發展,形成互惠共生模式。這是發展農業生態經濟的最佳模式。在寄生共生模式轉型到互惠共生模式的過程中往往出現過渡性的偏利共生模式。

1.3 共生關系演化規律與成長特征

掌握共生關系的演化規律與成長特征是應用共生理論研究農業生態經濟的先行條件。農業生態共生單元中輸出的能量應遵循投入產出相適應法則,其輸入量和輸出量(對應經濟共生單元的輸入量)之間存在非線性、負反饋為特征的演化關系。Logistic方程恰能描述在環境容量限制下,由正反饋力和負反饋力綜合作用而導致的非線性的logistic曲線式增長。Logistic方程已應用于工業[18]、城市管理[19]、企業管理[20]、農業管理[21-22]等方面。尚未有Logistic方程在農業生態經濟研究中創新應用。因此,本文嘗試利用Logistic方程來描述農業生態經濟共生體演化過程中共生單元內部的增長規律及共生單元間的相互作用關系,進而考察共生模式間的轉化關系,以謀取最佳模式。

1.3.1 共生關系演化規律

假設當經濟共生單元和生態共生單元單獨存在于農業生態經濟共生體時,其發展演化均遵從Logistic規律。

記x1(t)是農業經濟生態共生體中經濟共生單元的能量規模,r1是經濟共生單元能量的固有增長率,N1是環境對經濟共生單元獨自成長的最大容量。那么,對于經濟共生單元,有:

dx1/dt=r1x1(1-x1/N1)

式中,因子(1-x1/N1)表示由于經濟共生單元成長過程中對有限資源的消耗而產生的對其本身規模增長的阻滯作用,x1/N1為經濟共生單元消耗的資源占總資源的比例。

記x2(t)是農業經濟生態共生體中生態共生單元的能量規模,r2是生態共生單元能量的固有增長率,N2分別是環境對生態共生單元獨自成長的最大容量。那么,對于生態共生單元,有:

dx2/dt=r2x2(1-x2/N2)

式中,因子(1-x2/N2)表示由于生態共生單元成長過程中對有限資源的消耗而產生的對其本身規模增長的阻滯作用,x2/N2為生態共生單元消耗的資源占總資源的比例。

當經濟共生單元與生態共生單元在同一農業生態經濟共生體時,共生關系可能有互惠共生、偏利共生和寄生共生3種模式。這3種模式將產生不同的效應。如上所述,互惠共生由于一個共生單元的存在而使另一共生單元發展得更好；偏利共生則是兩個共生單元在成長的過程中一共生單元受益而另一共生單元既無益又無害；寄生共生則其中一個單元的增長將對另一單元產生負效應。

據此關系,對于經濟共生單元x1(t),應在因子(1-x1/N1)中引入共生單元的共生系數。共生系數的大小表示共生效應大小。在共生條件下,經濟共生單元的演化動力學方程為:

dx1/dt=r1x1(1-x1/N1-b1x2/N2)

(1)

同理,可得到生態共生單元的演化動力學方程為

dx2/dt=r2x2(1-x2/N2-b2x1/N1)

(2)

式中,b1表示生態共生單元對經濟共生單元的共生系數,b2表示經濟共生單元對生態共生單元的共生系數。

根據b1和b2不同的取值組合,可以判斷農業生態經濟共生體的共生關系,如表1所示。

表1 農業生態經濟共生體的共生關系

1.3.2 共生模式成長特征

由于農業生態經濟共生體中的經濟共生單元和生態共生單元間的共生關系演化需要較長時間,實證研究等方法較難刻畫兩者共生關系的演化過程。而計算機仿真則可以較好地反映農業生態經濟共生體在特定情境下動態變化的過程,反映出共生模式的成長特征。

為了形象說明單元間共生系數對系統共生關系演化的影響,本文假設經濟共生單元與生態共生單元能量的固有增長率分別為r1=0.15,r2=0.05,環境支持它們單獨成長的最大容量N1=N2=1500,演化周期為1600。利用Matlab 2008對公式(1)和(2)進行模擬,探討在b1和b2的不同取值組合下,經濟共生單元和生態共生單元的共生關系的演化過程。在仿真實驗中,利用b1、b2的其它取值進行仿真實驗的敏感性分析,實驗結果雖然在數值上略有差異,但在趨勢和規律上和本文所分析結果一致。仿真結果如圖2—圖7所示。

由圖2可知,b1=-0.3,b2=-0.1時,經濟共生單元與生態共生單元互惠共生,各共生單元能量規模上限都朝著大于單獨成長時最大規模的方向演化,最終在不同上限達到穩定狀態。并由此得知,各共生單元規模上限的增幅與共生系數有關,共生系數的絕對值越大,規模上限增幅越大。

由圖3可知,b1=0.3,b2=0.1時,經濟共生單元與生態共生單元競爭共生,某一共生單元的成長會抑制另一共生單元的成長,兩個共生單元達到穩定狀態時,規模上限低于單獨成長時最大規模。由于b1>b2,生態共生單元成長對經濟共生單元成長的抑制作用更大,最終經濟共生單元的規模上限比生態共生單元小。

由圖4可知,當b1=1.4,b2=0.8時,經濟共生單元與生態共生單元處于惡性競爭模式,共生系數大于1的經濟共生單元被生態共生單元抑制而率先滅絕,生態共生單元則獨立成長發展,能量規模上限小于單獨成長時最大規模。

由圖5可知,當b1=0.3,b2=-0.2時,經濟共生單元與生態共生單元處于寄生共生模式,經濟共生單元的成長受到生態共生單元的抑制,而經濟共生單元則促進生態共生單元的成長。當兩個共生單元處于平衡狀態時,經濟共生單元規模上限低于單獨成長時最大規模,而生態共生單元的規模上限高于單獨成長時最大規模。

圖2 互惠共生模式Fig.2 Mutualism model

圖3 競爭共生模式Fig.3 Competitive symbiosis model

圖4 惡性競爭模式Fig.4 Vicious competition model

圖5 寄生共生模式Fig.5 parasitism model

圖6 偏利共生模式Fig.6 commensalism model

圖7 獨立共存模式Fig.7 Independent coexistence model

由圖6可知,當b1=0,b2=-0.1時,經濟共生單元與生態共生單元處于偏利共生模式,經濟共生單元的成長不受生態共生單元的影響,而經濟共生單元則促進生態共生單元的成長。當兩個共生單元處于平衡狀態時,經濟共生單元規模上限等于單獨成長時最大規模,而生態單元規模上限高于單獨成長時最大規模。

由圖7可知,當b1=b2=0時,經濟共生單元與生態共生單元處于獨立共存模式,兩個共生單元互不影響。當兩個共生單元處于平衡狀態時,經濟共生單元和生態共生單元的規模上限為單獨成長時最大規模。

2 在農業領域應用的激勵策略

異質共生存在著正向(演進)與反向(退化)兩種可能性。既可以出現共生單元之間的相互吸引、相互合作、相互補充以及相互促進[23],也可能以性質相反的面目出現[24-25]。在實際操作中,要緊緊把握互惠共生是共生體演進的根本法則, 應用激勵策略,促其向互惠共生模式轉型。

2.1 選擇互惠的共生對象

農業生產不僅提供人類所需要的物質,而且同時具有調節大氣成分(吸收CO2、釋放O2)、凈化大氣(吸收大氣污染物、滯塵) 、涵養水分、保持水土和維持營養物質循環等生態服務功能。而且后者所創造的價值要高于前者的10倍以上[26]。農業這種生產功能與生態服務功能相互交織的特性,更易于建立起基于共同利益的兼容關系。農業又是“多樣性”的產業,包括種植業、林業、畜牧業、漁業、農產品加工業和涉農服務業,這又為選擇共生對象提供極有利的條件。這些特性恰是形成正向共生關系的最好基礎。而打下這個基礎的前提是選對共生對象。關于這一問題,許多學者作了探究。張小峰等提出：共生伙伴的選擇要求共生單元間關聯度不低于一個臨界值。任何單元都會以能力強、匹配性好的單元作為優選共生對象[27]。Zaccaro等[28]認為：共生單元之間的合理分工, 產生共生能量。Fortin等[29]和 Cote等[30]提出了共生網絡概念,他們認為從“資源-產品-廢品”轉變成為“資源-產品-再生資源”的模式僅僅停留在副產品交換上沒有任何穩定性保障,必須構建共生網絡的穩定性,即在各產業之間相互關聯的基礎下,當內部或外部環境發生變化時,產業鏈內部能夠保持穩定循環的狀態,使得共生網絡的發展具有韌性。正向共生關系的共生對象選擇必須是共生體內各共生單元間存在確定的共生界面,具有內在性質的兼容,能按某種方式進行物質、信息和能量的交流,促使體內自由能的不斷增加,能形成整體結構和功能遠大于各共生單元之和的共生體。為使這一說法有操作可行性,先從模擬自然界生物群體的共生現象入手, 從中選出關聯性大的共生對象。如模擬食物鏈原理的生態共生。福建省馬坪鎮雖然自然條件優越,但早期實行以水稻為主的耕作制,共生密度小,加以園地開發經營不當,導致水土流失,經濟單元和生態單元兩者共生系數異號,處于寄生共生模式。2001年模擬食物鏈原理,選擇若干個兼容共生單元共生,即在果園中種植牧草,以牧草發展畜牧業,再以動物糞便培育食用菌,再以菌渣作果樹肥料,形成多單元的匹配鏈,共生密度增加,通過各共生單元之間的能流、物流、信息流以及人類活動價值流的有序輸入輸出,相應增強共生作用,以至形成經濟單元和生態單元兩者共生系數同為負數的新共生體,其生態效益和經濟效益比傳統農業分別提高59%和41%[26],實現了互惠共生模式。由此看出,選擇共生對象的要害在于關聯度。目前一些地區實施農業多種經營方式,盡管增加共生密度,但因共生單元之間的關聯性不大,收效也不大。如福建省森林覆蓋率雖為全國之冠,但因缺乏成熟合理的林農復合經營手段,共生體內各共生單元關聯性不大,導致經濟效益仍然低下。馬坪鎮還依據生態位原理組成立體空間共生。以庭院養殖(以養蜂、養牛、栽菇為主)為紐帶,將高丘林(園)地 (以生態防護和林業開發為主)、低丘園地 (以坡地果園套種、間種牧草開發為主)、平地耕地 (以糧-經-飼種植為主)和洼地水域 (以淡水養殖)協調構建高空-高丘-低丘-平地-洼地多層次的物質與能量空間循環。這種立體空間共生體不僅地力提高,而且單位面積的收入比一般大田高6—8倍,農民人均純收入增長在8.8%以上[31-32]。此外,自然界還有生理共生(豆科植物與禾本科植物共生)、時序共生(植物自然替代)等多樣共生現象可以模擬。從自然界共生現象中提煉出適宜的共生對象,既涉及物種搭配、部門聯合、空間配置和時序安排,又涉及共生單元數量、序列、共生單元間關聯性等技術。這些都是當前技術創新的重要課題。

2.2 順乎共生演進規律

選擇適當對象構建共生體之后,雙方進入共生的適應、整合過程,先在結構和功能上進行調整,以實現彼此間的相互適應,繼則相互作用產生新能量,不斷演進,這是一種自組織過程,表現開放性、非線性以及漲落性等特點。作者評估2004—2010年福建省農業生態經濟發展態勢時已經發現這一現象[33]。當2004—2005年經濟發展緩慢,共生體處于偏利生態共生模式,通過激發經濟共生單元活力之后,及至2006年演進成為互惠共生模式。又因經濟共生單元能量持續增長,生態共生單元能量供應跟不上與之相匹配,2007—2009年處在偏利經濟共生模式,通過激發生態單元活力之后,2010年又演進成為高一級水平的互惠共生模式,如圖8所示。發展的總的趨勢是由偏利共生模式到互惠共生模式,再由互惠共生模式達到新的偏利共生模式,隨后又出現高一級的互惠共生模式?；セ莨采Ｊ脚c偏利共生模式貫穿于農業生態經濟發展全過程,推動農業生態經濟從低層次向高層次演化。這反映農業生態經濟互惠共生模式需要經過偏利共生模式過程,否則只能是低水平的互惠共生模式。因此可以認為偏利共生模式是農業生態經濟互惠共生模式演進的必經過程。

圖8 福建農業生態經濟發展趨勢圖 Fig.8 Development tendency of agricultural eco-economy in Fujian Province, Chinaa表示經濟效益值; b 表示生態效益值; A 表示偏利生態共生;B 表示偏利經濟共生;C 表示互惠共生

因此共生演進策略的重點是發揮偏利共生模式的過渡性演進作用,引導共生關系正向發展。傳統的生態重建偏重于自然生態一方的功能恢復,對經濟一方往往關注不夠,于是不加區別地提出“生態領先”的口號。實際上生態重建應順乎共生演進規律,按演進的不同階段,決定“生態領先”或是“經濟領先”。當經濟發展到一定程度,生態環境承受了過大壓力,甚至出現生態環境退化時要采用生態優先策略。但對于經濟欠發達地區來說,經濟效益既是目的又是手段。必須通過經濟效益的激勵手段才能實現生態-經濟共生體的形成。

2.3 培育互惠共生適存的共生環境

產生共生能量是互惠共生的最基本的要求,而共生界面對共生能量的形成和提升有著直接的制約作用[34]。如果通過共生界面介質,不僅能縮小共生單元之間的共生時間與成本,而且能擴展共生的維度和密度,其共生效果比界面直接交流更好。這說明共生體的演進固然要順乎其自身的規律,但也可以采用相應的共生介質接觸機制與之相匹配, 促進共生體演進與發展。人類可以通過培育共生環境,善于應用共生界面介質,有效構建暢通、連續和穩定的界面,以提高共生單元間能量雙向交流的動力,保障互惠共生界面功能有效發揮?？萍?、體制和政策等都是理想的共生界面介質,當前適應各種不同區域要求的最佳共生模式有待研究,因此要把科學技術作為共生界面介質,促成更多、更有效的共生體,適應各地需求。規模經營形成“大農業”格局,在共生單元之間適應、整合以及產生新能量方面均顯示許多優勢。因此農業經營體制也是農業生態經濟共生體的共生界面介質。其他如生態補償、農業市場以及各種農業布局都可能成為共生界面介質,影響共生體正向相變。但必須有一個前提,即順乎共生體的演變規律,也就是說共生環境要與共生體的演變相適應,即培育互惠共生適存的共生環境。

3 結語

在全球環境變化,生態面臨危機中,生態與經濟的融合始終是研究的主題。當前研究只停留在系統耦合層面上,缺乏一個有說服力的融合理論。而生物異質共生會表現更強的互補性為生態與經濟的融合提供很好理論依據,而且自然界有許多生物互惠共生現象可供模擬,為應用打開了廣闊的門徑。更由于農業是對自然資源和環境依賴最大的產業部門, 而且表現生產功能與生態服務功能相互交織的特性,將這個理論用于農業尤為適合。據此,本文論述共生理論在農業生態經濟研究中應用的新穎性與優越性,探究其共生機制,揭示偏利共生模式是形成互惠共生模式的必經過程。強調把握住互惠共生是共生體演化的總方向這一原則,采取相應的共生激勵策略,贏得經濟效益與生態效益的統一。

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Innovativeresearchparadigmofagriculturaleco-economyfromtheperspectiveofsymbiosistheory

ZHU Pengyi*, HUANG Xinhuan

SchoolofEconomics,FujianNormalUniversity,Fuzhou350117,China

Symbiosis theory reveals that creatures with heterogeneous symbiosis are interdependent with each other during the survival period. The present study attempts to place this theory into the eco-economy research field to solve the contradiction problems between ecological benefit and economic benefit in agriculture. For this purpose, the agricultural eco-economy was regarded as a heterogeneous symbiont consisting of an ecological unit and an economic unit. The structure and symbiotic patterns of the eco-economy symbiont were analyzed. The symbiotic mechanism of the eco-economy symbiont was explored with the Logistic equation and numerical simulation. The evolution rules and formative characteristics of the symbiont were revealed. The research showed that the main goal of innovative applications of symbiosis models in agricultural practices is the regulation of the symbiont to transform from the parasitism model to the mutualism model, and the excitation strategy of the positive transition was proposed. The choice of symbiotic units must be of a compatible nature and there must be a clear symbiotic interface between symbiotic units, prompting the exchange of matter, energy and information for enhancing the number of free energy within the symbiont. The positive development of a symbiotic relationship follows the rules of symbiotic evolution,the commensalism model is an inevitable process of the evolution to reach the mutualism model. Fostering the symbiotic environment for mutualism is very important for the evolution of the symbiont. The research results provide a new paradigm and opens up new thoughts and methods for research of the agricultural eco-economy.

agricultural eco-economy; symbiosis theory; symbiotic mechanisms; innovative research paradigm

福建省科學技術項目“海峽西岸經濟區農業生態經濟現狀評價與發展策略研究”(2010R0046)

2016- 08- 06; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 06- 01

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hjzhu6@163.com

10.5846/stxb201608061620

朱鵬頤,黃新煥.共生理論視角下創新農業生態經濟研究范式.生態學報,2017,37(20):6945- 6952.

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