棉花生產技術創新系統的耗散結構分析

劉瑞顯　李國鋒　徐立華　承泓良

）摘要：作為系統論的新發展，耗散結構理論主要研究一個系統從無序向有序、從低序向高序轉化的機理、條件和規律。在簡要介紹耗散結構理論的基礎上，分析了棉花生產技術創新系統所具備的耗散結構特征，討論了耗散結構理論對實施棉花生產技術創新的啟示。

關鍵詞：棉花；生產技術創新系統；耗散結構

中圖分類號： S562.04文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）01-0008-03

收稿日期：2013-05-29

基金項目：江蘇省農業科技自主創新資金[編號：CX（12）3034]；江蘇省農業三新工程專項資金[編號：SXGC（2012）S321400-1]；江蘇省農業綜合開發科技推廣項目（編號：2013KJ-37）。

作者簡介：劉瑞顯（1980—），男，山東濰坊人，博士，副研究員，主要從事棉花栽培技術及生理研究。E-mail：liuruixian2008@163.com。 技術創新是人類財富之源，是推動經濟增長的根本動力。棉花生產技術創新的目的就是要不斷提高棉花生產系統的有序性，實現棉花生產整體功能的可持續發展，滿足市場對棉花的需求和促進棉農的增收，而耗散結構理論作為系統論的新發展，主要研究一個系統從無序向有序、從低序向高序轉化的機理、條件和規律。因此，探討耗散結構理論在棉花生產技術創新系統中的應用具有時代和現實意義。

1耗散結構理論的基本原理

“耗散結構”理論是1977年諾貝爾化學獎得主普里戈金（Prigogine）教授經過20多年對非平衡熱力學的潛心研究而創立的。該理論認為，一個開放系統（可以是物理的、力學的、生物的、化學的系統）在達到遠離平衡態的非線性區時，一旦系統的某個參量的變化達到一定閾值，通過漲落，系統可能發生突變，由原來的無序的混亂狀態轉變到一種時間、空間或功能有序的新狀態，這種有序狀態需要不斷地與外界交換物質和能量才能保持，并保持一定的穩定性，不因外界的微小擾動而消失。普里戈金把這種在遠離平衡態的非線性區域形成的新的穩定有序結構稱為耗散結構[1]。耗散結構理論指出，系統從無序狀態過渡到這種耗散結構必須具備4個條件。

1.1開放性

經典力學把各種系統分為孤立系統、封閉系統和開放系統。所謂開放系統就是與外界既有物質又有能量交換的系統，對于生物和社會系統而言，還包括信息交換。而同外界只有能量而無物質交換的系統稱為封閉系統，同外界無物質和能量交換的系統稱為孤立系統。按照熱力學第二定律，孤立系統的自發演化趨勢是熵逐漸增大、活力逐漸減少。要形成耗散結構，系統必須開放，因為開放系統能與外界進行物質、能量和信息的交換，才能維持其生命，并且只有當系統從外界引入的物質、能量和信息的“負熵流”的絕對值大于系統內的熵增量時，系統才能向熵減方向（即有序方向）演化。

1.2非平衡性

非平衡是有序之源。這里所說的非平衡是指系統遠離平衡態的狀態，平衡態和近平衡態被排除在外。因為在平衡態和近平衡態系統要素間關系可以近似地用線性關系表示，其漲落是衰減的，系統不會產生質變形成新的有序結構。正是這種非平衡才能使系統產生和具備與外界進行物質、能量和信息交換的要求和勢能，這就是非平衡是有序之源的根本含義。

1.3漲落有序

漲落是指一些微小的擾動，隨機漲落是有序的契機。經典物理學中的漲落是指平衡態系統仍可能發生離開平衡的微小偏差。漲落形成是一個隨機過程。從來源看，可以把漲落分為2類：一類是系統自身產生的，稱為內部漲落；另一類是由外部引起的，稱為外部噪聲。當系統處于遠離平衡的非線性區域時，隨機漲落可以通過非線性的相互作用和連鎖效應迅速擴大，形成宏觀整體上的“巨漲落”，從而導致系統發生突變，形成一種耗散結構。在遠離平衡的非線性區，漲落對耗散結構的形成起觸發和激化作用，是耗散結構得以形成的“觸發器”。

1.4非線性作用

線性是指系統各部分產生內在聯系的那些因素之間的定量關系，它可以轉化為1個或1組線性方程，包括二元一次方程和多元線性方程等。非線性是指系統各部分產生內在聯系的那些因素之間的定量關系，可以化為1個或1組非線性方程或方程組，包括代數方程、微分方程和差分方程等。所謂非線性作用，就是指非線性關系系統中要素間存在的作用方式，由于描述這種相互作用的方程至少是非線性方程或方程組，故稱這種作用為非線性作用。非線性作用在耗散結構形成和演化過程中產生相互效應和協同作用，是推動系統向有序發展的內部動力，是耗散結構形成的主要機理和必要條件。

2棉花生產技術創新系統耗散結構特征

2.1棉花生產技術創新系統是一個開放系統

棉花生產技術創新系統是一個復雜的巨系統。它可以由技術創新主體系統、技術創新對象系統和技術創新支持系統相互作用構成。技術創新主體系統的核心是技術研發機構，其他部分包括技術推廣、涉棉相關企業、棉農和政府相關部門等。技術創新對象系統主要是指產品創新系統和過程創新系統。技術創新支持系統是指信息支持系統、相關技術支持、技術創新政策、法律支持系統、金融支持系統和中介支持系統等。

棉花生產技術是一門包括生物學、植物生理學、生態學、遺傳育種學（包括現代生物技術）、植物保護學、農業化學、農業信息學、農業技術推廣學、農業經濟學和管理科學等多種學科內容的交叉學科，它需要借助其他學科領域的研究成果，吸收其理論和科研成果并為己所用。同時，棉花生產技術的發展也影響棉花科學技術的研究范圍和科研取向。棉花生產技術充分吸收前沿科學的方法論精華，利用眾多的現代科技成果，借助、吸收、整合其他領域的資源并對其進行再開發和利用，使棉花生產技術趨于系統化和科學化，從而形成自身的理論體系，為棉花生產現代化發展提供理論指導和技術支撐。

棉花生產技術是社會發展的產物，它的發展必然與社會分工和社會需求之間存在交換。棉花生產技術從社會發展和進步中吸收營養，促進自身的發展，同時，棉花生產技術的進步又可以促進棉花生產的發展，滿足市場發展的需求，從而充分發揮其社會效益。

2.2棉花生產技術創新系統是遠離平衡態的系統

棉花生產技術創新系統中各子系統之間、各子系統與其外部環境之間均進行廣泛的物質、能量和信息交換，使系統的所有組成之間都不斷地發生著運動和變化，這樣就可以通過增大系統內部的勢能差，將系統推向遠離平衡的狀態。當棉花生產技術創新系統遠離平衡態時，各個子系統及其構成元素之間的相互作用和相互影響的關系是不可能用線性關系來表示的。

2.3棉花生產技術創新系統存在非線性相互作用機制

棉花生產技術作為一門交叉學科，可以說從它誕生之時就具有非線性的諸多特征。從空間維度看，棉花生產技術創新系統這個人與自然的復合系統比自然系統更為復雜。一方面，棉花生產技術的功能指向根據人的需要而預設，并在活動過程中予以評價、改造。因此，棉花生產技術的結構與功能關系不是單向的因果關系，而是動態雙向影響的因果反饋環節。另一方面，棉花生產技術整體功能發揮是在各部分之間的相互作用中形成，而這種相互作用也產生相互制約，導致某些性質被突出，或某些性質被屏蔽。這說明從棉花生產技術內部看，生產技術整體功能與其組成部分之間也存在以動態雙向影響為基礎的因果反饋環節。在上述2個因果關系反饋環節中，更多的是非線性關系，而不是可以準確考察和預見的線性關系。從時間維度看，棉花生產技術的發展過程也具有非線性特征。棉花生產技術的發展過程是一個動態演進的過程，具有多種可能性存在，這種發展過程包含著各種內外因素帶來的無法在事先精確預見的隨機性和偶然性。棉花生產的推進就是在多種可能性中作出選擇，使新的狀態不斷生成，并影響下一代的發展過程。

2.4棉花生產技術創新系統中存在漲落因素

開放性、遠離平衡主要是指有序結構的外部條件，而系統演化要真正達到質變，還需要其內部條件，即漲落。所謂漲落是指系統中某個變量的行為與平均值發生偏離，使系統離開原來的狀態軌道。系統在演化過程中面臨多種多樣的選擇，某個元素的微小偏離有可能被反饋放大為“巨漲落”，從而導致系統從不穩定狀態躍遷到一個新的有序狀態，即耗散結構。因此，任何一種穩定有序的狀態都可以看做是某種無序狀態失去穩定而使漲落放大的結果。棉花生產技術創新系統中普遍存在漲落。一方面存在內部漲落，如轉基因抗蟲棉花品種替代常規品種在棉花生產上的成功應用，節省棉花生產成本，保護棉田生態環境，推動植棉技術的進步，就是漲落導致系統有序的典型案例。外部漲落的因素更多，典型的是天氣的影響，尤其是國家涉棉政策的變化導致棉田面積的顯著波動，這也說明了外部漲落的巨大威力。

3耗散結構理論對實施棉花生產技術創新的啟示

3.1開放是棉花生產技術創新系統生存和發展的基礎

開放是系統進化的基礎，對于一個孤立系統，隨著時間的推移，系統的熵值必然增至極大值，即其演化結果必然是達到無序的平衡狀態。開放系統之所以能形成耗散結構，主要是因為開放系統能夠與外界進行熵的交換。“熵”的概念來源于熱力學，是1856年由克勞修斯創立的，其物理涵義是內部分子熱運動混亂度的度量。系統越混亂，熵就越大；系統越有序，熵就越小[2]。熵的概念有著豐富的內涵。隨著科學技術的不斷發展，熵的概念在現代技術中的應用越來越廣泛，已經由熱力學拓展到包括社會經濟在內的多個領域。將熵的概念引入到棉花生產技術創新系統，用熵來衡量棉花生產技術創新系統的有序度：熵值越大，說明棉花生產技術創新系統越雜亂無章；熵值越小，說明棉花生產技術創新系統越有序。

根據耗散結構理論，開放系統的熵變dS由熵產生diS與熵流deS 2個部分組成。根據熱力學第二定律，diS總是正的，deS在封閉系統中不存在，在開放系統中可以為正，也可以為負。根據以上分析，可以構造一個棉花生產技術創新系統的熵變數學模型：

dS=diS+deS；

deS= deS++deS-。

式中：dS是整個系統的熵變，diS為系統內的熵產生，deS為系統與外界交換帶來的熵流；deS+為系統與外界交換帶來的正熵流，deS-為系統與外界交換帶來的負熵流。當dS<0時，系統不但能維持且能夠形成新的耗散結構，意味著系統運行越來越有序；當dS>0時，系統不能維持耗散結構而面臨瓦解。很明顯，棉花生產技術創新系統要有序地運作，不僅要保持系統開放引入負熵流，而且要防止引入正熵流，減緩系統內的熵產生，以確保引入的負熵流的絕對值大于引入的正熵流與系統內的熵產生之和。

3.2非平衡是棉花生產技術創新系統的有序之源

根據“非平衡是有序之源”這一原理，一個內有動力和外有活力的棉花技術創新系統必定是一個有差異的非均勻、非平衡的系統。因為如果一個系統處于無差異的平衡態，就意味著系統內部不存在勢能差。而耗散結構理論認為，無勢能差的平衡系統服從勢能最小原理，必然是一個低功能系統[3]。棉花生產技術創新系統一旦進入這種“死”結構的平衡態，便維持這種狀態不變，任何漲落在平衡態附近都是衰減的，因而難以促進棉花生產技術創新系統的發展和創新。

要提高棉花生產技術創新系統的創新能力，就要打破平均主義，尊重知識，尊重人才，引入競爭和激勵機制，樹立創新理念，營造創新文化，設法加大系統內部的勢能差，造成非平衡態。但是，長期以來，人們頭腦中存在一種思維定式：認為平衡就是好的象征，是井井有條的體現；而不平衡就是混亂，要千方百計去打破、扭轉它，以恢復平衡。實際上這種表面上的平衡恰恰使技術創新系統陷入死氣沉沉的境地，是技術創新管理之大忌。總之，棉花生產技術創新系統必須擺脫僵化的平衡模式進入非平衡或遠離平衡態達到動態平衡，才能形成技術創新系統的耗散結構。

3.3漲落是棉花生產技術創新系統質變的觸發器

“漲落導致有序”強調了在非平衡棉花生產技術創新系統具備形成耗散結構的客觀條件時，漲落對客觀有序起決定作用。例如，一條科技情報的獲取、一位創新人才的引進、一項技術發明的成功，都會對棉花生產技術創新系統的存續和有序發展產生重要影響，甚至成為棉花生產技術創新系統實現飛躍的重要力量。把漲落機制應用到棉花生產技術創新系統中，要采取一些變革措施或分段創造小漲落，通過非線性使這些漲落由小到大，由局部到整體，發展成巨漲落，促使棉花生產技術創新系統躍遷到一種生機勃勃的有序狀態，發生結構功能突變，促成棉花生產技術創新系統耗散結構的形成。在這一過程中應注意掌握和駕馭漲落的客觀規律，如在棉花生產技術創新系統處于發生質量轉變的臨界點之前，要積極創造條件，促進和擴大某種漲落，有意識地使系統發生暫時的失穩，為打破舊的體制和結構、建立新的秩序創造條件和時機。當棉花生產技術創新系統處于關鍵的臨界點和轉折點時，要因勢利導，及時控制參量的變化，使棉花生產技術創新系統通過漲落向著人們所期望的分支躍進，朝著創新功能完善的方向發展。在實現這一躍進后，通過非線性作用機制的調節和自組織效應達到穩定有序狀態。

3.4非線性作用是棉花生產技術創新系統演化的動力

非線性的相互作用是技術創新系統形成有序結構的內部原因和內在動力。在非線性相互作用中，根據整體性原則，系統元素間的勢能差會逐漸放大，由于系統內元素間的相互制約、相互協同、相互融合或放大的耦合關系，而最終形成一種整體上完全不同于原先各部分的組合，即嶄新的整體效應[4]。技術創新系統要達到高度有序，必須通過技術創新系統內部非線性機制的調節以獲得自生長、自創性、自激蕩、自完善甚至混沌運動等非平衡行為，并在非線性相互作用下產生相互效應和協同動作來實現。因此必須強化以下2種協同：一是強化棉花生產技術創新系統結構的協同。系統論認為，系統整體功能與系統的結構密切相關，即結構決定功能。強化結構協同就是要合理配置棉花生產技術創新系統諸元素，使之綜合利用，發揮整體最優。二是強化棉花生產技術創新系統各子系統各種行為的協同。這需要盡量避免各子系統行為之間的矛盾和沖突，從整體優化出發，消除各自為政、各行其是、互不關聯的狀況，用棉花生產技術創新系統的整體目標來整合各子系統的行為。

參考文獻：

[1]伊·普里戈金，伊·斯唐熱. 從混沌到有序[M]. 曾慶宏，沈小峰，譯. 上海：上海譯文出版社，1987.

[2]湛墾華，沈小峰. 普列高津和耗散結構理論[M]. 西安：陜西科學技術出版社，1982.

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