基于耗散結構理論的資源型城市轉型發展分析：以徐州市為例

李 涵，戴文婷

(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

基于耗散結構理論的資源型城市轉型發展分析：以徐州市為例

李 涵，戴文婷

(中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116)

資源型城市依托礦產等資源開發而興起，由于資源的可耗竭性，城市可能出現“礦竭城衰”的危機，采取轉型對策推進城市發展具有重要的現實意義。本文以資源型城市徐州為例，運用耗散結構理論分析其耗散結構特征及熵流變化。結果表明，資源型城市是一個處于遠離平衡態的開放系統，具有非線性動力學過程和耗散結構功能。徐州市熵流值由2002年的0.0074上升至2005年的0.1892，無序度增大，主要因為礦產資源枯竭、產業衰退、生態環境破壞。通過產業轉型和生態修復，徐州市熵流值呈現下降趨勢，并于2010年下降至-0.1414，表現為負熵，說明城市有序度不斷提高。本研究對其他資源型城市的轉型發展具有借鑒意義。

資源型城市；轉型發展；耗散結構理論；熵流；徐州市

資源型城市是伴隨工業化和城市化進程的推進而產生，依托煤炭、石油、天然氣等不可再生自然資源而興建、開發起來的城市。由于資源的有限性和不可再生性，資源型城市的發展會隨資源的枯竭面臨產業經濟發展困境[1]。同時，生態環境惡化、社會矛盾突出等一系列問題，導致資源型城市陷入危機。對于資源型城市的研究，國內外學者已取得了豐碩的成果。20世紀30年代初，加拿大學者哈洛德· 殷尼斯(H.A.Innis)在《加拿大的原材料生產問題》中首次闡述資源產品生產對當地社區發展產生的影響[2-4]。20世紀80年代中后期，針對老工業區的資源枯竭和結構性衰退、資源采掘業和加工業的虧損，導致失業、經濟下滑、社會秩序混亂等問題，許多學者將實證研究和定性描述相結合[5]，應用經濟結構調整、可持續發展理論和市場分割理論等進行資源型城鎮的研究[6-7]，如德國魯爾區[8-10]的振興、日本九州地區[11]的振興等。我國對資源型城市的研究主要有三個方面。一是產業經濟研究[12-14]，在分析我國資源型城市發展特征和面臨困境基礎上，提出相應的產業調整對策。二是轉型研究，探討資源型城市產業轉型模式[15-18]，研究轉型策略[19-21]。三是可持續發展研究[22-24]。這些研究為進一步深入探討資源型城市轉型奠定了基礎。但研究很多集中在城市發展的宏觀層面上，有關資源型城市轉型機理的研究較少，因此理論基礎研究需要補充和深入。此外，研究方法上描述性和定性研究居多，規范和定量研究較少。本文試圖在這方面進行相關研究，希望能對資源型城市轉型的理論研究做出一定補充。在已有的研究成果中，除定性研究方法外，較適宜研究城市轉型發展的理論有耗散結構理論。

耗散結構理論是現代科學理論的重要成就之一，具有重要的方法論意義。其主要思想是：一個開放系統在位于遠離非平衡態的非線性區時，一旦系統某個參量的變化達到一定的閾值，通過“漲落”，系統可能發生突變，從原來無序或低序的混亂狀態轉變到一種時空或功能上有序或更為有序的新狀態[25]。這種理論不僅在自然科學的研究中取得了很大的成功，而且在社會經濟系統也有著廣闊的應用前景。學者們更多關注產業結構和城市發展之間的關系，分析產業系統的耗散結構及動力機制，構建產業轉型的有序演化模型，并提出相應對策[16，26-29]。這些研究成果主要是在耗散結構視角下針對資源型城市整體而言來探討產業轉型問題，但是就具體資源型城市而言，由于資源儲量、產業結構的發展狀況以及區位條件等情況的不同，運用耗散結構理論來分析產業轉型及城市發展的策略也會不同。因此，本文從耗散結構理論出發，以徐州市為例，建立城市系統的耗散結構模型，測算和分析城市系統的熵流變化，探討資源型城市的發展與轉型。

1 研究方法與數據來源

1.1 研究方法

1.1.1 耗散結構理論

耗散結構理論是比利時化學家普利高津在對經典熱力學加以解釋和補充的基礎上發展起來的。遠離平衡的開放系統通過不斷與外界進行物質、能量和信息的交換，當外界條件變化達到一定閾值時，系統可從原來的混沌無序的混亂狀態，突變為一種在時間上、空間上和功能上的有序狀態，這種在遠離平衡態下所形成的新的有序結構，稱之為耗散結構[25]。

系統耗散結構的形成需要以下條件。

1)系統必須開放。熱力學第二定律告訴我們，一個孤立系統的熵一定會隨時間增大，熵達到極大值，系統達到最無序的平衡態，所以孤立系統絕不會出現耗散結構。

2)遠離平衡態。在平衡態和近平衡態，系統內部各個子系統的物質和能量分布過于均勻，沒有勢能差，干擾因素總是被系統自身的穩定性阻尼掉，系統最終趨向完全無序的分子狀態運動。而在非平衡態狀態下，耗散結構中的各個子系統之間能夠相互依存、相互聯系，形成一個有序結構。

3)非線性作用。影響系統實現從無序到有序、從簡單到復雜的終極原因是子系統之間彼此存在的復雜的耦合作用，即非線性作用。也就是說，子系統之間的相互作用存在著非線性機制，某一元素的小變化會引起另一元素的大變化，不滿足疊加原理。

4)漲落。在所有的宏觀運動中都存在與宏觀軌跡的一定偏離，這種偏差就叫做“漲落”，它是耗散結構的形成途徑。整個進化過程就是漲落與系統的宏觀結構在開放條件下，在相互對抗中的產生、成長、系統結構更迭和自身消亡的過程。

1.1.2 熵與城市

“熵”最初是根據熱力學第二定律引出的一個反映自發過程不可逆性的物質狀態參量。熵表示物質系統的無序程度。熵越大，混亂狀態越嚴重。熵定律即熱力學第二定量，是指在一個封閉的系統里，能量總是從高的地方流向低的地方，系統從有序逐漸變為無序，系統的熵最終將達到最大值[25]。耗散結構理論的基本公式dS=deS+diS，表達的就是這樣的基本思想。系統有自發地發生熵增的傾向，一個遠離平衡態的開放系統，如果通過物質和能量的交換及耗散，從環境中引入的負熵(deS)大于系統自身產生的熵增(diS)，系統整體上就可以實現熵的減少，從而可能形成新的有序結構。

自從熵理論誕生以來，眾多學者研究發現熵、信息以及有序性之間存在著密切的聯系，進而將熱力學系統中的熵概念引入并改造成為描述系統無序狀態的評價指標。隨著認識的不斷深化，“熵”的意義越來越豐富，在諸多科學領域均有重要的作用。將“熵”引入城市系統，從更宏觀范圍內把握城市的發展脈搏，對城市的未來作出更準確的預測。通過比較城市與外部環境交換量和城市本身的規模大小，理論上可以判斷城市是否還處于發展期以及城市的熵增是否正常。資源型城市在發展初期，憑借優越的資源稟賦進行開采與銷售，進而建立產業鏈，帶動城市的整體發展，城市系統處于非線性遠離平衡的狀態[16]。當它所接受的能量流、物質流總量過大(負熵)，或者城市系統產生的正熵值過大時，城市原有系統就會崩潰，或是轉化成新的城市系統[30]。資源型城市對資源的依賴程度較高，產業結構單一[31]。由于資源的可耗竭性和不可再生性，當資源枯竭、生態嚴重破壞時，城市系統內部各要素之間的矛盾凸顯，隨機擾動疊加所產生的非平衡相干效應加劇，系統內部的微漲落突變成巨漲落，城市系統結構失穩[32]。城市系統內部熵增，無序度增大，出現熱力學平衡的“熱寂”狀態；優化產業結構、進行生態修復，從外界引入負熵流，使城市系統通過自組織躍升到一個新的層次，才能使城市成功轉型，實現有序發展(圖1)。

圖1 資源型城市熵的流動

1.2 數據來源

1.2.1 樣本選取

徐州市位于江蘇省西北部，是全國重要的煤炭產地、華北地區的電力基地。煤、鐵、鈦、石灰石、大理石等30多種礦產儲量大、品位高，其中煤炭儲量69億t，年產量2 500多萬t，為全省提供了大量煤炭，為國家做出了重大貢獻。但由于礦產資源的可耗竭性和不可再生性，礦產資源開采業的發展也使徐州市出現了“礦竭城衰”的問題[33]。

針對這種狀況，徐州近年來大力推進產業轉型。依托徐工，從小到大樹立起“中國工程之都”的標桿；借助傳統能源“煤-電”轉化，從無到有培育起產能世界第一的硅材料生產商和太陽能全產業鏈；立足中國江蘇第一的現代農業發展水平，壯大了數千億元規模的食品和農副產品加工業[34]。歷經資源枯竭型城市轉型的陣痛，徐州已成為一座資源再生型城市，探討分析其轉型發展，對其他資源型城市具有借鑒意義。

1.2.2 變量處理

選取自然、社會和經濟三方面指標，采集2001～2014年的礦產資源(萬t/礦石)、單位糧產(t/hm2)、地均GDP(萬元/km2)、就業率(%)、能源消耗(t標準煤)和產投比作為具體變量，得到表1。

表1 徐州市熵流測算變量數據

數據來源：2002～2015年《徐州統計年鑒》。

2 實證分析

2.1 徐州市耗散結構特征分析

1)徐州市城市系統是一個開放的系統，不斷地與外界進行物質、能量和信息的交換，對外部有強烈的人流、物流、能流、信息流、資金流等。徐州市資源富集且組合條件優越，煤、鐵、鈦、石灰石、大理石、石英石等30多種礦產儲量大、品位高，其中煤炭儲量69億t，年產量2 500多萬t，其產業發展主要依靠消耗城市內部的礦產資源。隨著資源被越來越多地消耗，城市系統無法靠自身調節來維持物質代謝和能量循環，對外界環境的依賴度逐漸提高，外界系統不斷向城市系統內輸入物質、能量和信息，城市系統推動生產資料、生活資料、資金、人才、技術和政策的優化組合，向外界輸出產品。

2)徐州市處于遠離平衡狀態。優越的礦產資源稟賦使徐州市依賴礦產開采和礦業產品貿易推動城市社會經濟發展，不斷加大城市系統的開放度。隨著市場競爭的加劇和資源逐漸枯竭，本地礦產資源不足以支撐產業擴張，需要從外界輸入資源，從而加大城市系統開放度，外界環境對系統的影響更加顯著，系統進入遠離平衡態。

3)徐州市城市系統是非線性的動力學過程。隨著礦產資源枯竭，徐州市出現礦業衰退、貿易額下降、經濟不景氣的現象，進而導致工人下崗失業、居民生活質量下降、區域不協調等社會問題，經濟的下滑也使得對生態環境修復的力度有所下降，引起土地利用效率和效益的下降，進而導致城市整體表現出退步的現象。顯然，自然、經濟和社會子系統相互聯系、相互制約，但它們對城市整體的綜合作用不能用線性方程簡單描述，而是一種非線性的耦合作用。

4)徐州市城市系統表現出漲落性。由于徐州市內部各子系統存在著非線性的相互作用，各個子系統表現出漲落性，不斷與外界交換物質、能量和信息，引入自我發展所需的負熵流，同時影響整個系統發生波動。在早期，徐州市資源儲備豐富，城市處于穩定發展狀態，表現出輕微波動。隨著城市內部礦產資源的匱乏和外界環境對系統內部的干擾和刺激，徐州市的經濟發展、社會秩序等變得不穩定，系統處于突變過程，一些漲落就發展為巨漲落[35]。

2.2 熵流測算

如前分析，徐州市作為資源型城市，其城市系統具有耗散結構特征，城市系統各要素之間存在不斷地物質、能量和信息交換。資源型城市系統是一個關系復雜的多目標、多層次、多功能的動態生態系統。可以將資源型城市系統分為三個子系統：社會生活子系統、自然生態環境子系統和經濟活動子系統[35]。因此，將資源型城市系統(y)簡化為人類活動要素(P)、自然資源要素(R)和資本要素(C)三個變量控制的系統，可表示為圖2。

圖2 資源型城市耗散結構模型

其中，自然資源要素分為礦產資源和土地資源，后者又分為單位耕地糧食產量和地均GDP，主要從礦產資源稟賦和土地利用上表達自然資源價值；社會活動要素以人為核心，用就業率和能源消耗來衡量，用來表達人在社會活動與資源利用中的參與度；資金要素用產投比來表示，用來表現土地利用集約度，由城市固定資本投入與國內生產總值比值得到，在一定程度上表現城市資本的利用效率。

城市系統熵流的測算見下式。

式中：S為系統產生的熵流總和；ω1、ω2、ω3分別為P、R、C因子的權重；(-1)n為符號函數，當要素優于初始狀態時，n取1，表示負熵流的輸入，否則取2；P0、R0、C0分別表示人類活動要素、自然資源要素、資本要素的初始值，即2001年的狀態；Pt、Rt、Ct分別為不同年份人類活動要素、自然資源要素、資本要素的取值。各要素在城市發展過程中必不可少，因此，在確定權重時，本文假定同級別要素之間權重相等。指標及權重如下表2。

表2 測算熵流的指標及權重

按照上式計算表1中不同年份下的數據，結果見表3。

表3 徐州城市系統熵流值

圖3 徐州城市系統熵流變化圖

2.3 熵流分析

由表3和圖3可知，徐州市的熵流變化可分為三個階段。

第一階段為2002～2005年，該階段徐州市熵流表現為正熵，且熵流值逐年增大。2002年熵值較小，主要是由于1999年、2000年、2001年徐州市閉礦工作陸續完成，使得城市無序度較小。2002～2005年熵值顯著增大。一方面，礦山關閉對采礦業這種資源型產業的沖擊很大，產業衰退、經濟壓力大促使城市系統熵增的產生；另一方面，采礦帶來的生態環境破壞累積效應也導致城市系統產生正熵。城市系統引進的負熵不足以抵消其內部產生的熵流，系統無序化趨勢大于有序化趨勢，資源型城市系統難免陷入無序困境。此時就需要政府提供有力的政策支持，優化產業結構，促進城市系統轉型。這樣才使城市系統從外部引進負熵流，抵消系統內部熵增。

第二階段為2006～2009年，該階段城市熵流表現為正熵，熵流逐漸減小。這是由于“十一五”規劃以來，徐州實施“依托資源起步、甩開資源發展”的新型工業化和農業現代化的轉型發展戰略。2008年，徐州重點規劃了總投資887.7億元的100個重大項目[34]。依附煤鹽化工的既有基礎，以企業集中、產能集聚、產業集群為方向，著力推進產業匯聚和優化升級。一系列舉措所產生的負熵流大量注入城市系統，使其通過自重組過程躍升到一個新的層次。但是，由于資源型城市的特殊性，城市轉型一方面要補救原有生態環境破壞，另一方面要維系城市經濟發展，使轉型發展初期注入的負熵被內部熵增迅速抵消，從而未表現出負熵流。可見，政府的政策部署對于資源型城市的發展起著重要作用，產業轉型和生態修復的同步發展是資源型城市擺脫困境、走向有序發展的根本途徑。而且，資源型城市系統熵流變化與轉型發展進程存在一定的滯后性。

第三階段為2010～2014年，該階段城市熵流呈現出負熵，且熵的絕對值逐漸增大。這與上一階段的產業轉型和生態修復密切相關。2007年，徐州市首創山地綠化招投標機制，使造林成活率提高到90%[34]。2008年，徐州市委、市政府提出“基本農田整理、采煤塌陷區復墾、生態環境修復、濕地景觀開發”，打造全國采煤塌陷治理的標桿項目[34]。在該階段，徐州市繼續做好生態文明建設。2010年，徐州市委、市政府再次啟動“進軍荒山行動”，在石縫里種出森林城市[36]。至2014年，“二次進軍荒山”計劃全面完成，新增造林15.8萬畝，林木覆蓋率達到32%，同時節能減排和生態市創建進展良好，入圍國家節能減排財政政策綜合示范城市[37]。同時，徐州市結合自身優勢，做大做強主導產業的龍頭企業，至2011年，已打造出裝備制造、能源、食品及農副產品加工和商貿物流旅游四大千億元主導產業。2013年產業結構不斷優化，新增2家省級文化產業示范基地和2家省級生態旅游示范區[38]。這些行為使新城市系統較原系統具有更強的抗干擾能力、吞并融合能力和自我新陳代謝能力，在2010年以后表現為負熵，且負熵值不斷變大，城市系統朝著有序方向發展。可見，結合自身優勢的轉型發展和生態修復需要持續進行，才能使負熵流抵消城市系統內部熵增后持續增大，引導城市系統最終形成一個新的穩定的有序狀態。

3 結論

本文以資源型城市徐州為例，運用耗散結構理論分析其耗散結構特征及熵流變化。

1)資源型城市系統具有耗散結構特征。資源型城市是一個以人為中心的自然、經濟與社會復合的、開放的人工生態系統，不斷地與其他系統或外界進行物質、能量和信息的交換。資源的逐漸減少使得城市需要從外界輸入資源，打破了原有的平衡態，城市系統處于遠離平衡狀態。城市各個子系統獨立的特征和活動的綜合并不能反映系統整體的特征和活動方式，城市系統具有非線性的動力學過程。資源型城市系統表現出漲落性。

2)從熵流值來看，2002～2005年，由于資源枯竭、產業衰退加上生態環境的破壞，徐州市熵流逐年上升，由2002年的0.0074上升至2005年的0.1892，城市無序度不斷增加；2006～2009年，徐州市產業轉型和生態修復同步發展，促使城市熵流值呈現下降趨勢，由2006年的0.1496降至2009年的0.1248，但由于資源城市的特殊性，城市系統熵流變化與轉型發展進程存在滯后，仍表現為正熵流；2010～2013年，徐州市繼續做好生態修復工作，并結合自身優勢轉型發展，熵流值下降為負值，且熵絕對值呈增大趨勢，說明城市向著有序方向發展。

徐州市作為資源型城市，其通過產業轉型和生態修復降低城市熵流值，促進城市有序、持續發展，對其他資源型城市的轉型發展具有借鑒意義。

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Analysis of transformation development of resource-based city based on dissipative structure theory：a case study of Xuzhou city

LI Han，DAI Wenting

(School of Environment Science and Spatial Informatics, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221116, China)

Resource-based cities rise along with mining development. Because of the exhaustibility of mine resources, it is inevitable for resource-based cities to fall into decay when resources are used up. Taking measures to urban transformation has an important practical significance for the development of resource-based cities. The paper, taking resource-based city, Xuzhou city, as an example, analyzed its characteristics of dissipative structure theory and entropy flow. The results show that the resource-based city is an open system far from equilibrium, with nonlinear dynamic process and dissipative structure function. The entropy flow value of Xuzhou increased from 0.0074 in 2002 to 0.1892 in 2005, and disorder degree increased. This is mainly due to the depletion of mineral resources, industry recession and the destruction of ecological environment. By industrial transformation and ecological restoration, the entropy flow value of Xuzhou showed a downward trend, and decreased to -0.1414 in 2010, performing negative entropy, which indicates that the order degree of Xuzhou city has been continuously improved. This study has reference significance for the transformation and development of other resource-based cities.

resource-based city; transformation development; dissipative structure theory; entropy; Xuzhou city

2016-06-10

李涵(1994-)，女，江蘇徐州人，本科生,主要研究方向為礦山生態評估,E-mail:910920713@qq.com。

F299.27;F424.1

A

1004-4051(2017)02-0027-06