熵增原理与农业脆弱性研究

熵增原理与农业脆弱性研究 豆丁网:www.docin.com/week114 熵增原理与农业脆弱性研究 伍国勇 贵州大学，贵阳 (550025) E-mail:wgyong@126.com 摘 要:脆弱性是指关于系统应对外界力量冲击的反应状态的描述，对脆弱性及影响因素的 充分认识，可促使系统不断提高自身应对冲击的能力，从而减轻各种冲击造成的福利损失。 文章将热力学中能量和熵的理论引入农业系统，提出农业系统熵的概念，通过对农业能量的耗散和农业系统熵变的分析，以及农业系统稳定性的判断，阐释了农业脆弱性，指出农业脆 弱性是由农业系统熵增所致。通过对农业系统熵增的因素分析，指出降低脆弱性的有效途径 是发挥农业系统的自组织功能，以及从系统外部环境引入负熵流,增强系统的稳定性。 关键词:农业系统熵，农业脆弱性，农业能量 中图分类号:f270.3 1. 农业脆弱性的内涵 脆弱性最早用于灾害学领域，表示被伤害的程度。20 世纪 80 年代末 90 年代初，气候 变暖问题受到国际广泛关注，1988 年成立了政府间气候变化专门委员会(IPCC)，并于 1990、 996 和 2001 年三次出版《气候变化区域影响:脆弱性评估》，对气候变化的脆弱性进 1 行初步的论述。给出了气候变化脆弱性的定义:脆弱性是指气候变化，包括气候变率和极端 气候事件对农业系统造成的不利影响的程度，是系统内的气候变化特征、幅度和变化速率及 其敏感性和适应能力的函数,5,，该定义得到了国际学术界的普遍认可。 关于农业脆弱性，早期学者重点是从气候、干旱,2,等因素对农业生产的影响来讨论 候脆弱性(孙芳等，2005),5,;其次是从脆弱性的角度来讨论农 的，如生产脆弱性、气 业问题，如贫困问题(韩峥，2004),3,、农业生产安全(薛晓萍，2004)、生态环境问题(黄复生，2006),6,、旱灾问题(尚志海，2006)等。在本文定义为:农业脆弱性是 指农业系统面临某些风险的可能，并且由于遭遇风险而导致产值损失或系统能量下降到某一 正常水平之下的可能。导致脆弱性的冲击的种类很多，几乎包括了社会、经济、政治等各方 面。对于某一地区，最常见的有自然灾害(洪水、干旱、地震、冰雹、台风等)、环境危机 (土地沙漠化、水土流失、气候恶化等)、经济波动(通货膨胀、滞胀等)、政策改变、种 族冲突等。 2. 熵增原理简述 1864 年 Clausius 提出热力学熵的概念，指在能量释放转化过程中不能被转化做功的能 量总和，用来反映系统中无运动的微观混乱程度。后来，Shannon 将熵的概念加以推广， 认为熵不仅不必一定要与热力学过程相联系，而且也不必与微观分子运动相联系，它可以成 为系统状态(这个状态可以是热学的也可以不是热学的)不确定程度的量度。 E有效 E 系统中的能分为有效的和无效的两个部分，系统总能记作 ，有效能记作( )， EE = E+ E无效 有效无效 无效能记作 ，则: 。熵的定义及度量就由下式给出: dS = K(dE + dE) 有效 (1) K 其中 为任意正值常数，这就意味着熵与系统的无效能成比例关系。 - 1 - 豆丁网:www.docin.com/week114 一个孤立系统和其外界之间完全没有任何相互作用。对其而言，根据热力学第一定律， dE dS ? 0dS= 0 孤立 外界 有效 ，同时按照能量的降级原理， 必然是负值，所以对于孤立系统: 。 考虑到与外界的联系性，也可写成: dS+ dS? 0 外界 孤立 (2) 因此，孤立系统的熵总是趋于增加，这意味着孤立系统的状态变化过程是朝着熵增方 向进行的，也意味着孤立系统只有当其熵最大时才能达到平衡状态。所以孤立系统实现的平 dS = 0 孤立衡条件是: 。一个封闭系统不受环境影响时，其行为状态总是由非平衡态向平衡 态发展，经过一定时期后形成静止的平衡态，它不再随时间的变化而变化，也不与外界发生 联系，整个系统呈现出均匀、单一的特性。这是一种僵死、混乱、无序的状态。在现实系统 分析中，系统熵值越小，表明越有序，反之越无序。系统平衡时，熵值最大，系统最混乱无 序。 对孤立系统的熵增问题，普里高津提出了开放的热力学熵变公式: dS = dS + dS i e (3) ，根据耗散结构理论，要提高系统有序性就要控制系统熵增，一个必要的条件是， 同时 dS < 0 | dS |> dS e e i 系统向外界环境排出熵或从外界环境吸收负熵，即 ，且满足。开放系统 能与外界交换物质和能量，使其在不断地耗散能量(产生熵)的同时，又从外界更大的环境中得到能量(产生负熵)。正是这种非平衡态的热力学运动使系统不断优化。 3. 农业系统熵的引入 从热力学的观点出发，自然系统可分为两类，一类是热力学系统，另一类是非热力学 系统，热力学系统一般是由大量的子系统所组成，如气体分子系统，辐射光子系统等等;非 热力学系统是宏观的巨系统，如农业系统，生命系统，城市系统等等。对热力学系统的熵的 研究已有较系统的理论，对非热力学系统的熵(广义熵)的研究由于系统的差异性和复杂性， 尚没有确定的、统一的理论。 虽然农业系统和热力学系统是两种完全不同的物质运动系统，存在不同的运动形式， 但是农业系统中却存在着与热力学系统中产生熵的相似条件。这两种看似完全不同的运动系 统实质上都是传递能量的运动系统，正因为这一点，我们试图把农业系统和热力学系统进行 模拟，把农业资源的运动和热运动结合起来，提出农业系统熵的概念。 农业体系是一个农业能量持续运动并不断转化的系统，而且人类社会的一切经济活动 都具有不可逆性，所以一切农业资源的运动都是不可逆的过程。根据热力学第二定律，这正 是系统产生熵的条件，因此，农业体系的不可逆性的运动形式必然会产生农业熵。本文将农 业资源定义为:在某一时期内可转化为实体经济价值的农业资产。将农业体系所拥有的农业 GDP 资源总和称为农业资源的总供给，把单位农业资源所能实现的 产出称为农业资源的产 出能力，把农业资源的总供给与单位农业资源产出能力之积定义为农业能量。同时将农业系 统中所贮存的农业能量的无效耗散部分称为农业熵，以这一概念表示农业系统的混乱程度。 4. 农业系统熵与农业脆弱性 本文将农业脆弱性定义为:农业系统抵御风险的能力不足而导致的自身不稳定性及易 受攻击性，其实质是农业系统内部运动状态的混乱和无序的外在表现。这个混乱和无序状态 - 2 - 豆丁网:www.docin.com/week114 是因农业资源在传递与转化农业能量的过程中出现无效农业能量耗损而致使农业系统熵增并累积所致。所以:农业脆弱性是因农业系统中的熵增而产生并存在的。 4.1 农业能量无效耗损 E= E+ E1 2 无效 )。在内部，根据不 农业资源在农业系统内运动，会产生能量耗散( 同环境，农业资源的流动像热流体一样会形成多种形态的传递方式，产生相应的农业能量耗 E1 损( )。若各种农业资源在各自的范围内严格按照自己的运行方式有序地流动，就形成 层流，此时，农业资源之间的摩擦最小，内部农业能量耗散就最少;若农业资源不按其运行范围和方式无序地流动，就形成湍流，此时，农业资源之间的摩擦最大，内部耗散的农业能 量也就最多;介于二者之间的较无序流动就是过渡形态。在外部，农业资源在流动过程中会 E2 和外界环境发生摩擦而产生无效的农业能量耗损( )。外界环境主要指农业系统的建设 (包括农产品市场化、政策法规等)。农业资源和环境间的能量耗损是不可避免的，只能通 过优化环境的方式达到降低无效农业能量的目的。 农业资源在农业系统内流动并传递农业能量的过程中，由于资源流向混乱、流动层次 无序以及与农业环境摩擦而产生的能量耗损就形成农业系统熵。农业系统熵会逐渐累积，以 致脆弱性程度越来越大，当达到一定临界值就会突然释放，产生系统崩溃的危险(当然，农 业生产具有特殊性，这只是理论推理状态)。 4.2 农业系统熵变 dS = dS + dS i e 普里高津将的开放系统热力学熵变公式定义为: ， 农业系统熵变可写成: n (+ ) n (? ) ?S = Σ?S (?X ) + Σ?S (?X ) (4) i=1 i i=1 i 或者简化为: ( + ) ( ? )?S = ?S + ?S (5) ( + ) ( ? ) ?S = ?S + ?S = 0 ?S ? 0 ?S 当系统无限大，时间无限长时，。指农业系统的 ( + )S 总熵变，等式右边第一项是正农业系统熵变的累积，第二项是负农业系统熵变的累积。是正农业系统熵，指不利于农业系统发展的要素的熵值，其要素包括农业生产状况恶化、制 ( ? )S 度保障缺失、农资市场问题、政策僵硬等;是负农业系统熵，指有利于农业系统发展的要素的熵值，其要素包括农业法规严密、农产品市场发达、市场化程度高、农业基础设施 ( + ) ( ? ) ?S ? ?S 投资多等。当 时，农业系统正熵变大于其负熵变，整体熵增，说明农业系统 ( + ) ( ? ) ?S ? ?S 混乱度增加，农业脆弱性增强;当 时，农业系统正熵变小于其负熵变，整体 ?S ? 0 熵增 ，则说明农业系统有序性增加，农业脆弱性降低,1,。 农业系统是一个运动 过程不可逆的孤立系统，其运行所需要的农业能量有限，如果不 ?S ? 0 能解决熵增问题，就可以推测出这个大农业系统最终将达到“热寂”状态。但是，只能用于孤立系统，而区域农业系统并非一个完全孤立系统，因为它作为世界农业系统的一部 ( ? )?S 分可以不断地与别国或地区交换农业能量。更重要的是，在上述农业系统熵变公式中， - 3 - 豆丁网:www.docin.com/week114 还包含从负农业系统熵要素那儿得到的有利于农业系统整体熵减的效应。 4.3 农业系统的稳定性 耗散结构理论是系统科学领域中最重要的研究成果和研究方法，农业系统是一个开放 的系统，系统熵的变化会影响系统稳定程度，进而引起脆弱性的变化，为了判定其稳定性， 首先必须定义其熵函数。 S (λ ) =f (Q, X ,Y , Z , L, T ) Q X Y Z 式中:为系统能量，吸能为正，释能为负。 为物质流，为系统信息流， 为系 L T 统经济价值投入。 为空间状态变量，表示不同地区， 为时间状态变量，是系统演化的 L T 不同阶断，如果在特定的地区，则 , 为常数。农业系统是经济、社会和自然“三维”复合 Ag 系统，因此系统总能量 可表示为: Ag = pE + qS + rN p + q + r = 1, p > 0, q > 0, r > 0 其中: E = ?(Qe + Xe + Ye + Ze) = ?(Qi + Xi + Yi + Zi) ? i S(Qi + Xi = ?(Qs + Xs + Ys + Zs) = ?+ Yi + Zi) ? j N = ?(Qn + Xn + Yn + Zn) = ?(Qi + Xi + Yi + Zi) ? k S N E 式中: 为经济子系统的能量变化， 为社会子系统的能量变化， 为自然子系统 Q e, s, n X Y Z 的能量变化， ， ，， 意义同上， 表示经济、社会和自然子系统。由于系统 物质(水，石油等)，能量(太阳能、风能等)，信息(科学技术等)都可转化为相应的经 济价值，同理，经济价值也会换算成能量，则: Q = y1(Z ), X = y2(Z ), Y = y3(Z ) 反之: ?1 ?1 ?1 Z = y1(Q), X = y2( y1(Q)), Y = y3( y1(Q)) 令 ?1 ?1 ?1 f 1(Q) = y2( y1(Q)), f 2(Q) = y3( y1(Q)), f 3(Q) = y1(Q) 有: X = f 1(Q), Y =f 2(Q), Z =f 3(Q) E (s) 于是，根据熵的基本性质，定义农业的熵 (S 表示熵函数)为: Ag (S ) = E(S ) + S (S ) + N (S ) = ? ?(Qe, s, n + Xe, s, n + Ye, s, n + Ze, s, n) i = (1 ~ n) t 两边对时间 求导，得: dAg (S ) / dt = dE(S ) / dt + dS (S ) / dt + dN (S ) / dt = ?(dQ / dt + dX / dt + dY / dt + dZ / dt ) = ?dQ / dt ? [ f 1' (Q) + f 2' (Q) + f 3' (Q)]dQ / dt 改写为差分形式: - 4 - 豆丁网:www.docin.com/week114 ?Ag (S ) = ?(Qn ? Q0) ? [ f 1' (Q) + f 2' (Q) + f 3' (Q)](Qn ? Q0) = ??Q ? [ f 1' (Q) + f 2' (Q) + f 3' (Q)]?Q E(S )e = ?[ f 1' (Q) + f 2' (Q) + f 3' (Q)]?Q E(S )i = ??Q, 令 ?Ag (S ) = E (S )i + E (S )e 则 Qn Q0 式子中:，分别表示生态农业系统的终态能量与初始能量，其差就为系统内部 E(S )i E (S )e ?Q 产生的熵 ，为终始时间间隔内系统与外界交换的熵流，而 则为系统终始 时间间隔内能量的增量。因此有以下结论: ?Ag (S ) > 0 (1)当 时，农业系统总熵增加。无序度加大，系统处于恶性循环过程中; ?Ag (S ) < 0 (2)当 时，农业系统总熵减少，有序度加大，系统处于良性循环过程中; ?Ag (S ) = 0 (3)当 时，农业系统在一定时间间隔内熵无变化，系统状态无变化。 通 Fc 常，农业系统内部结构的稳定程度，主要是由系统的阻尼系数 来决定的; | dAg (S ) / dt |< Fc 当时，系统结构稳定; | dAg (S ) / dt |> Fc 当时，系统结构是不稳定的，而正向新的耗散结构变化[7]。 5. 基于熵理论的农业脆弱性治理对策 通过以上分析，某农业系统的脆弱性是由其内部熵增引起的，或者说是因为正熵变大 于负熵变的结果。所以对农业脆弱性的治理就是要从引起熵变的要素着手，强化负熵变要素 的作用，弱化正熵变要素的影响。 5.1 通过改革，发挥农业系统的自组织功能 系统之所以具有自组织性,就在于系统本身能自主决策、选择、控制和运作，不受其他 因素左右。 因此，通过改革，让农业系统充分发挥自组织功能，使各农业要素处于积极主动状态， 充分流动和充分合理竞争，以发挥各自最大能量和创造性。通过农业要素整合，完善相关农 业发展，促使农业系统内农业资源的传递与能量交换严格遵循自己的运行方式流动，减 少农业资源间不必要的摩擦所产生的能量耗损，达到系统能耗最少、绩效最高，增强系统的 自我修复和自我完善功能，培育农业能量的有效释放功能，提高农业系统对环境的适应能力。 改革内容包括完善农产品市场化制度，提高农业产业化程度，加强农业基础设施建设、结构 调整和新农村建设，建立有效农业经纪人制度，健全农业发展监测系统和法律服务系统 等，最终目的是为了充分利用农业资源，降低农业系统熵率，增加农业秩序的有序化，减少 脆弱性。 5.2 建设我国开放的农业系统 根据耗散结构理论，开放是系统有序化的前提，是耗散结构得以形成、维护和发展的 首要条件。而我国农业系统在某些方面已显露出自我约束的端倪，所以要通过开放从外界引 入负熵流，抵消内部熵增，使系统完成从低级有序到高级有序的转变，以求达到与外界农业 大系统相互协调相、互补充的目的。 我国加入 WTO，农业发展面临一个开放的环境，农业系统将是一个与全球农业系统“亲 - 5 - 豆丁网:www.docin.com/week114 密接触”的子系统。要利用好这个机会，使我国置身于国际农业系统之中，而不至于形成自 我封闭的孤立系统，其根本目的在于通过制度的融合，有效地从全球农业大系统中吸收负农 业系统熵流，抵制并降低我国农业子系统的熵增，从而使我国农业系统向高度有序化组织化 发展，弱化熵增引起的农业系统脆弱性。但是，如何在有效地从国外引入负农业系统熵流的 同时有效地防止正农业系统熵的输入，是一个重要的课题。这需要我们构建国家农业安全体 系，以其来过滤流入流出的农业能量与农业系统熵，吸纳负农业系统熵流，屏蔽正熵增。尽 快将我国农业系统建成一个安全高效的农业系统，做到在开放下寻求稳定，不至于受到大的 影响和冲击，在稳定中寻求发展。 参考文献 [1] 王恒君:经济能?经济熵?经济危机，数量经济技术经济研究[J]，2002 (2):72-75 [2] 扬春艳:农业旱灾脆弱性?自然灾害学报[J]，2005(12):88-93 [3] 韩峥:脆弱性与农村贫困?农业经济问题[J]，2004(10):8-12 [4] 陈传波:农户风险与脆弱性?农业经济问题[J]，2005(8):47-50 [5] 孙芳等:农业气候变化脆弱性评估研究进展[J]?中国农业气象，2005，26(3):170-173 [6] 黄复生等:西藏东南部生物多样性和生态环境脆弱性分析[J]?西南农业学报[J]，2006，19(1):35-39 [7] 江涛(长江流域经济系统的可持续发展研究[J](武汉理工大学博士论文，2004.10，第 38-40 页 The entropy increase principle and the agricultural vulnerability study Wu Guoyong Guizhou University，Guiyang (550025) Abstract The vulnerability is refers about the system should to the outside strength impact reactive state description, to vulnerable and the influence factor full understanding, may urge the system to enhance unceasingly own should to the impact ability, thus reduces the welfare loss which each kind of impact creates.The article thermodynamics in the energy and the entropy theory introduction agriculture system, proposed the agricultural system entropy concept, through the analysis which changes to the agricultural energy diffusion and the agricultural system entropy, as well as the agricultural system stable judgment, has explained the agricultural vulnerability, pointed out the agricultural vulnerability is increases the result by the agricultural system entropy.Through factor analysis which increases to the agricultural system entropy, pointed out reduces the vulnerable effective way is displays the agricultural system from the organization function, as well as introduces the negative entropy flow from the system external environment, the enhancement system stability. Keywords:Agricultural system entropy，Agricultural vulnerable，agriculture energy 作者简介:伍国勇(1979-)，贵州织金县人，硕士研究生，研究方向为农业经济管理。 - 6 -