耗散結構理論視角下的河南耕地問題及對策

趙月偉　朱連奇

摘要 揭示了作為全國糧食大省和人口大省的河南省在耕地的保護與利用上的嚴峻性和緊迫性。為了確保糧食安全、社會穩定、生態安全和經濟安全，利用耗散結構理論的新角度對河南省耕地存在的問題加以研究，進而提出合理建議。

關鍵詞 耗散結構理論；熵；耕地問題；對策；河南省

中圖分類號 F301 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2009）07-0237-02

1 耗散結構理論

耗散結構理論是物理學家普里高津提出來研究開放系統發展趨勢和相應條件的理論。這個理論是研究遠離平衡態的開放系統從無序到有序的演化規律的一種理論。根據耗散結構理論，這種遠離平衡態的非線形的開放系統通過不斷地與外界交換物質、能量和信息，系統中存在非線性動力過程和正負反饋機制，在系統內部某個參量的變化達到一定的閾值時，通過漲落及負熵的增加，系統可能發生突變即非平衡相變，由原來的混沌無序狀態轉變為一種在時間上、空間上或功能上新的有序狀態。這種非平衡條件下的、穩定的、有序的結構，依靠不斷地耗散外界的物質與能量才能維持，故稱耗散結構。系統可以通過自發的對稱性破缺從無序進入有序的耗散結構狀態[1]。

系統狀態的變化是通過體系的狀態函數“熵”來表達的， 用S表示。根據耗散結構理論，系統只有不斷地與外界進行物質、能量交換，增加系統的負熵，使總熵減小，才能使系統逐步向新的有序方向發展。開放系統熵的改變由兩部分組成：一部分是系統內本身不可逆過程所引起的熵增加，也稱為熵產生；另一部分是系統與外界交換能量與物質引起的熵的變化，稱為熵流開放系統的總熵變為熵產生與熵流之和，即ds＝dis＋des（1）

用熵平衡方程表示為：＝＋（2）

由公式（2）可知，ds的大小取決于dis和des的代數和。根據熵增原理，dis不會是負的，而des沒有確定符號，可為正或零或負值，如果熵流為正值，即ds>0，則總熵ds增加， 系統的無序程度將增加。如果熵流為負值，即des<0，在dis不變的情況下，則總熵ds減少，系統的有序程度增加。因此，只有＜0且滿足＞才能保持系統向有序化方向發展。此時＝＋＜0，利用熵平衡公式可以衡量系統的狀態。負熵輸入越多，系統總熵越小，有序性越強，系統狀態也越好。這說明一個非平衡狀態開放系統可以通過與外界進行物質和能量交換獲得負熵來減少總熵，從而達到新的有序狀態。因此，系統要想穩定、有序地發展，必須從外界吸收大量的負熵流。一個系統要形成耗散結構，即動態有序，必須滿足：①系統必須開放；②遠離平衡態；③非線性相互作用；④漲落現象。河南省的耕地系統是一個耗散結構，符合耗散結構的基本要求。耕地系統是一個大的開放系統，耕地本身就凝聚著人類的社會實踐活動，離不開人類的物質與能量的投入；耕地系統也可以通過生物要素、非生物要素與其他系統進行交換，輸出大量的初級產品或次級產品。耕地系統也是遠離那種系統要素單一、熵值最大、結構無序的平衡態的，耕地系統通過人為干預，系統有序性較強。耕地系統由于受到投入以及氣候等因素的影響，系統中內部要素與子系統之間成非線性關系，城市化進程以及農業結構調整也使耕地系統向著非線性方向發展。系統由于受到自然和社會等外界因素的干擾會產生“漲落”，連續不斷地影響會使系統偏離平衡態，當漲落影響達到一定的程度時，系統就會產生“巨漲落”，從而發生躍遷，從當前的狀態躍到更有序的狀態，形成新的耗散結構，從而不斷地推動系統向前發展。因此，耕地系統是一個耗散結構。

2 耗散結構理論對河南省耕地問題的分析

隨著耗散結構理論的應用和發展，產生復雜性[2]。這個理論在耕地研究領域有指導意義。在耗散結構中，支配著其他變量的變化，主宰系統整體演化過程的參量稱為序參量，它的大小決定了系統有序程度的高低。因此，系統的有序程度以及演化方向可以用序參量表達。對于河南省的耕地而言，耕地系統的功能在糧食生產、社會穩定、生態安全與經濟安全。筆者在研究河南耕地系統時，將耕地的質量、耕地的數量、耕地的系統環境、耕地變化驅動力作為序參量。

2.1 土地質量

土地質量應該包括土地質地、土壤結構、有機質含量、土壤養分含量、土壤貯水供水能力、交換量（保肥供肥）等土壤理化綜合指標和土壤污染、養分流失、土地沙化等指標。根據《全國第二次土壤普查暫行技術規程》的土壤養分分級標準統計，全省耕地有機質含量平均為8.9g/kg，處于Ⅴ級（6.1~10.0g/kg）水平，其中低于Ⅴ級水平上限10.0g/kg的耕地占58.3%，大于Ⅲ級20.1g/kg以上水平的耕地只有6%。全省非耕地土壤有機質含量為18.6g/kg，其含量20.1g/kg以上的面積占40.8%，遠遠高于耕地的土壤有機質的含量。這表明全省土地的用養失調十分嚴重。耕地養分中全氮平均含量0.80g/kg，處于Ⅳ級水平；速效磷（P2O5）平均含量5.9 mg/kg，處于Ⅳ級水平；速效鉀（K2O）平均含量132mg/kg，處于Ⅲ級水平，其中低于臨界值100mg/kg的耕地占53.9%。大多數耕地氮低磷少鉀嚴重不足，有機質含量低。此外，全省土壤中微量元素的缺乏也十分明顯。耕地中有效鉬含量低于其臨界值的占93.5%，有效硼含量低于其臨界值的占83.9%，有效鋅含量低于其臨界值的占44.5%，有效鐵含量低于其臨界值的占24.6%，有效錳含量低于其臨界值的占11.2%。全省土壤缺鉬、硼面積很大，缺鐵、錳面積較小。由于耕地土壤養分偏低，土壤有機質含量低且分布不平衡，致使耕地系統內熵不斷增加，以至于耕地系統本身的內熵增加，總熵在增大，系統的有序性程度下降。

2.2 耕地數量

由于河南省人口眾多，耕地資源有限，故分析耕地資源的數量變化要從總面積和人均面積2個方面來考慮。根據統計資料、土地資源詳查和變更調查數據，河南省耕地資源的面積總體呈現一直減少的趨勢，大致可分為3個階段：第1階段為1980~1995年，耕地面積呈逐年減少趨勢；第2階段為1996~2001年，耕地面積比1995年有所增加，且每年耕地變化幅度不大；第3階段為2002~2003年，耕地面積減少幅度較大（圖1）。人均耕地的變化也顯著地分為2個階段：第1階段是1980~1995年，人均耕地急劇減少，從1980年的1 200m²逐年減少到1995年的880m²；第2階段為1996年至今耕地面積仍然一直處于下降狀態，但減少幅度趨于平緩，保持在850m²左右的水平（見圖2）[3]。

1980~1995年期間，國家基建、鄉村集體和農民個人建房占地是耕地減少的主要原因，為河南省耕地系統輸入了正熵流，導致耕地面積和人均耕地面積大坡度下滑，造成河南耕地系統的不穩定性。1996~2001年期間，河南省由于開發未利用地，進行工礦廢棄地復墾，開展土地整理；平原地區田、水、路、林、村綜合整治，丘陵山區小流域治理，煤礦塌陷地、工礦廢棄地和磚瓦窯場廢棄地復墾，黃河故道和黃泛區大面積沙荒地農業示范園區建設全面付諸實施，耕地系統輸入了負熵流，使耕地系統的總熵減少，耕地有所增加，并且在一個相對穩定的水平。2002~2003年期間，為了保護農業生態環境，“退耕還林、退耕還草”政策的實施，特別是城鎮化建設的步幅加快，占用了大量耕地，為耕地系統輸入了大量的正熵，使耕地數量急劇減少，但從2003年至今，中華人民共和國國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》將1.2億公頃耕地保有量確定為約束性指標。1.2億公頃是未來５年必須堅定不移守護的“紅線”。為耕地系統累積了負熵流，使河南省整個耕地系統總熵減少，耕地面積減少趨于平緩。

2.3 耕地的系統環境

由于工業“三廢”的大量排放，使大量有毒有害物質進入耕地，造成水體和耕地污染，在城（鎮）郊區更為突出。在全省環境有所改善的情況下，2002年全省工業和城市生活廢水排放量為23.85億噸。其中，工業廢水排放量11.44億噸，生活廢水排放量12.41億噸；工業廢氣排放量10 644億標準立方米，工業粉塵68.25萬噸，二氧化硫93.72萬噸。其中，工業廢氣量比1997年增加49.9%；工業固體廢物4 250.92萬噸，比1997年增加28.7%。截至2002年底，全省建成城市污水處理廠16座，日處理污水能力159萬噸，年處理能力5.80億噸，不到全省城市生活污水排放量的1/2。2000年對全省基本農田保護區采集土壤樣品110個進行分析，土壤中重金屬檢出率為100%。其中，鎘、砷分別超標35.8%和6.1%，尤其是城郊農田保護區耕地，重金屬超標率更高。農業生態環境遭到破壞，耕地資源受到嚴重污染，嚴重影響了土地的產出和食品安全。生態環境的惡化，為耕地系統輸入了正熵流，系統有序程度較低，處于不健康和不穩定的狀態。

2.4 耕地變化驅動力

（1）人口驅動因素。河南人口數量從1949年的4 174萬人到2003年的9 677萬人，人口年增長率為2.40%。人均耕地則由1 760m²減少到820m²。人口的增長，為耕地輸入了更多的正熵流，耕地系統總熵流增加，耕地系統變得更加無序，耕地會繼續減少，人地矛盾更加尖銳，耕地負荷會越來越重。

（2）經濟驅動因素。自改革開放以來，河南省發展較快，GDP由1990年的895億元增長到2003年的7 048.59億元，增長了6.9倍。國家基本建設、建房熱、經濟技術開發區熱，產業結構調整，大量優質耕地被占用，新開墾的耕地主要為肥力較差的土壤，導致了全省土地質量下降[4]。人均居住面積和第三產業用地擴大為耕地系統輸入了大量正熵流，使耕地系統越來越不穩定。

（3）政策因素驅動。自改革開放以來，國家經濟建設的投資熱和開發區熱使這一時期的耕地明顯減少，從1996年，國家實行強有力的耕地總量動態平衡政策和1.2億公頃耕地保有量確定，為耕地系統輸入了負熵流，這才遏止了耕地數量連年減少的勢頭。

3 結語

耗散結構理論是研究遠離平衡態的開放系統從無序到有序的演化規律的一種理論。利用熵平衡公式可以衡量系統的狀態。負熵輸入越多、系統總熵越小、有序性越強，系統狀態也越好。這說明一個非平衡狀態開放系統可以通過與外界進行物質和能量交換獲得負熵來減少總熵，從而達到新的有序狀態。河南省的耕地系統是一個耗散結構，符合耗散結構的基本要求。

4 參考文獻

[1] 李如生.非平衡態熱力學力耗散結構[M].北京：清華大學出版社，1986.

[2] 成思危.復雜性科學探索[M].北京：民主與建設出版社，1999.

[3] 河南省統計局.河南統計年鑒（1991~2004）[M].北京：中國統計出版社，1991-2004.

[4] 何艷芬，張柏，馬超群.吉林省耕地動態變化及其對糧食生產的影響[J].資源科學，2004，26（4）：119-125.