基于耗散結構理論的糧食生產系統發展狀態分析

木合塔爾?艾買提 肖鵬南 徐濤

摘要： 為評價湖北省糧食生產系統發展狀態和影響因素，基于熵值法和耗散結構理論，建立了糧食生產系統正、負熵值計算指標體系。研究結果表明：①湖北省糧食生產系統具有開放性、遠離平衡性、熵流非線性、漲落現象等特征，滿足耗散結構理論條件。②2000-2016年湖北省糧食生產系統內熵為0.893，外熵為-0.905，系統總熵-0.012，系統處于有序發展狀態。③單位面積糧食產量是反映內熵的主要因素，農民人均純收入和政府糧食最低收購價是影響外熵的主要因素。④2000-2016年湖北省糧食生產系統負熵不斷增加，系統總熵逐漸減小，系統向有序態方向發展。⑤湖北省糧食生產能力不斷提高，2016年湖北省生產的糧食能養活大約為7×107人。總之，基于耗散結構理論的糧食生產系統發展狀態判斷結果較為科學、符合實際，能準確地反映糧食生產系統的發展情況。

關鍵詞： 糧食生產系統;耗散結構理論;熵值法

中圖分類號： X24?? 文獻標識碼： A?? 文章編號： 1000-4440（2021）04-1043-08

Based on dissipative structure theory analysis about development status of grain production system

Muhtar·AMAT1， XIAO Peng-nan2， XU Tao2

（1.College of Life and Geography Sciences， Kashi University， Kashi 844006， China;2.College of Urban & Environment Sciences， Central China Normal University， Wuhan 430079，China）

Abstract： To evaluate the development status and influencing factors of grain production system in Hubei province， calculation index system of positive and negative entropy values for grain production system was established based on entropy method and dissipative structure theory. The results showed that， firstly， the grain production system of Hubei province had the characteristics such as openness， far from equilibrium state， nonlinear entropy flow， non-linearity and fluctuation， which met the theoretical conditions of dissipative structure. Secondly， the internal entropy of the grain production system in Hubei province was 0.893， the external entropy was -0.905 and the total entropy was -0.012 in 2000-2016， the grain production system was in an orderly development state. Thirdly， the grain production per unit area was the main factor reflecting internal entropy， the farmers′ per capita net income and the governmental lowest purchasing price for grain were the main factors affecting external entropy. Fourthly， in 2000-2016， the negative entropy of grain production system in Hubei province increased continuously， the total entropy of the system decreased gradually and the system developed towards orderly state. Fifthly， the grain production capacity of Hubei province increased continuously. In 2016， grain produced in Hubei province could feed about 70 million people. In conclusion， the development status of grain production system judged by the dissipative structure theory is relatively scientific and practical， which can reflect the development of the grain production system accurately.

Key words： grain production system;dissipative structure theory;entropy method

糧食是人類賴以生存的物質基礎，也是生產活動的產物之一。糧食生產是人類最基礎的生產活動，糧食生產與自然和社會之間存在著復雜的關系。糧食與其所處的外部環境共同形成了糧食生產系統，糧食生產系統是開放，輸入-輸出層次分明，系統結構清晰，受到人文因素和自然因素的共同影響，不斷地發生變化的社會系統。糧食生產系統是人地系統的一部分，它的發展情況能反應人口（P）、資源（R）、環境（E）和發展（D）的關系[1]和發展狀態。隨著社會經濟的發展，人口迅速膨脹，人類對糧食的需求不斷增加，加之資源枯竭、生態失衡、環境惡化等問題，人地矛盾越來越突出[2-3]。在這一大背景下，研究區域糧食生產系統發展情況和影響因素，具有十分重要的理論意義和實踐價值。

耗散結構理論的創立人是比利時科學家普利高津。他認為：一個遠離平衡的開放體系，通過與外界交換物質和能量，在外界條件變化達到一定閾值時，能從原來的無序狀態變為時間、空間或功能的有序狀態，這種非平衡條件下的、穩定的、有序的結構稱為耗散結構[4]。此后湛懇華等[5]和劉瑞顯等[6]利用耗散結構理論解決了經濟、社會、生態等實際問題，在現實生活中解決了與自然科學相關的難題，而且在社會經濟系統也發揮了較好的作用。自1978年開始，耗散結構理論被中國學者所接受，應用于理論研究及實際應用，并提出新概念和新方法，豐富了耗散結構理論的內容。李慧明[7]通過研究得出可采取提高資源開發利用的技術水平、資源循環使用等措施增加系統中的負熵流的結論。申維[8]利用耗散結構、自組織、突變理論研究水資源、土地演變、生態系統發展等地球科學問題，認為耗散結構理論是研究系統可持續發展和演變情況的最好方法之一。楊國華等[9]運用耗散結構理論研究半干旱生態區的生態建設，并得到形成復合生態系統的穩定層級結構。陳磊等[10]等運用耗散結構理論分析了四川省耕地生態系統的生態安全級別與演變趨勢，認為耕地系統是開放系統，其特征適合用耗散結構理論來分析和說明。此外，谷國鋒等[11]、程結晶等[12]應用耗散結構理論研究系統形成與演化機制，闡述數據管理系統的有序發展狀態。目前，對糧食生產系統發展及驅動力的分析方法主要集中在主成分分析法[13]、系統生態學方法[14]、趨勢面分析方法[15]、耦合協調分析法[16]和系統動力學方法[17]等，運用耗散結構理論分析糧食生產系統的研究比較少見。

耗散結構理論用于開放的輸入-輸出系統，理論內容清晰明了，計算步驟和方法較為簡便，結果能較好地反應系統情況，因此，耗散結構理論現已被廣泛應用于社會系統和城市系統的可持續發展、經濟系統的發展、土地結構及生態效應、人與資源系統的協調性、水資源利用和分配、糧食生產系統結構的演化及農業可持續發展研究等領域[18-19]。糧食生產系統的發展狀態對國家和區域發展具有基礎性影響，借鑒熵值法和耗散結構理論定量研究地域糧食生產系統的發展狀況具有一定的科學價值。本研究運用耗散結構理論，評價湖北省糧食生產系統的發展狀態，為區域可持續發展、保護耕地資源、處理人地關系、制定發展規劃等方面提供科學依據。

1 研究方法

1.1 熵值法

德國物理學家克勞修斯于1850年首次提出熵的概念，將其作為熱力學過程不可逆程度的一種量度[20]。經過許多科學家的研究和分析熵的概念得到進一步的發展，特別是玻爾茲曼和香農等人從統計學和信息論的角度豐富了該理論包含的內容和研究方法。在熱力學中，熵（S）是一個狀態參數，描述動態的、復雜的、不可逆的狀態，是一個表示研究對象演化特征和發展狀態的指標[21]。

S=klnW（1）

式（1）中，S是系統熵，k是玻爾茲曼常數，W是熱力學幾率。

1948年香農將前人的成果予以總結，強調了“信息量”這個概念。他把信息熵與統計力學熵概念相聯系，將熵的概念引入信息論中，用熵值來表征信源的特性，給出了信息熵公式：

ej=-k∑ni=1pijlnpij，其中，k>0，k=1/lnn（2）

E=∑mj=1ejwj （j=1，2，3，…，m）（3）

式中，pij是j項指標下第i個評價對象的特征比重，ej是第j指標的熵值，wj是第j指標的權重，E是系統熵值。

一個系統的熵值或系統中各組成要素（指標）的熵值可利用公式（2）和公式（3）計算并根據此值進行評價。系統中某項指標的熵值越大，意味著指標提供的有效信息量越小，權重也越小，反之則越大。由熵值法的原理可知，各指標的熵值在0與1之間。通過構建系統熵指標體系，在數據整理、數據標準化和指標比重計算等數據處理[22-23]之后，計算得到由n個對象和m個指標組成的一個系統的熵值。

1.2 耗散結構理論

耗散結構理論強調當一個系統接近平衡時原有的結構就會趨于消亡，只有當系統遠離平衡時才能產生新的有序結構。一個遠離平衡的開放系統與外界交換物質、能量才能發展變化。耗散結構定義為：在遠離平衡的條件下，借助于外界的能量流和物質流而維持的一種空間或時間的有序結構[24-25]。一個系統要處于耗散結構，必須滿足4個條件，根據這些條件，耗散結構系統可以概括為：在非平衡條件下，依靠物質、能量、信息不斷輸入和輸出來維持其內部非線性相互作用的有序系統[26-27]。根據耗散結構理論，系統熵值變化受外部環境的影響，而影響系統結構與穩定的熵可分為內熵和外熵，系統熵可用以下模型來表示：

dS=diS+deS（4）

式4中dS為系統中總熵值的變化，diS為系統內熵，deS為系統外熵。

內熵是系統內部發展所導致的熵變化，也稱為熵產生（diS）;另一部分是系統與外界交換能量與物質引起的熵變化， 稱為熵流（deS）。dS的大小取決于diS和deS的代數和。如果系統中總熵流為正值， 即dS>0， 則系統的無序程度將增加;如果系統中總熵流為負值， 即dS<0，則系統的有序程度將增加[28]。系統有序狀態是系統發展的目標，通過采取各種措施和方法找出系統負熵源，進而利用負熵系統，保證系統不斷向有序的方向發展。

2 糧食生產系統耗散結構特征剖析

2.1 糧食生產系統

糧食生產系統是由糧食生產活動和影響糧食生產量的各種外部環境和因素組成的，具有滿足人類身體物質需求的多因素、多目標系統。人類的發展離不開糧食，隨著人類社會的發展，人口數量越來越多，人與糧食之間的關系越來越緊密，人依靠糧食生活，沒有糧食人類不會發展，甚至崩潰[29]。

糧食生產系統在結構、功能、組成要素以及組成要素之間的關系等方面符合系統的特征。它是由若干個要素組成，各要素之間存在相互關系，這種相互關系決定了系統的結構，通過系統結構可判斷系統功能。糧食生產系統在耗散結構理論下結構和功能之間的關系以及與內熵和外熵的交換如圖1所示。

在糧食生產系統中，人與糧食之間存在著相互依賴和相互促進的關系。糧食生產系統與外界不斷地進行物質和能量交換，從外界接受能量，同時也向外界釋放能量。糧食生產系統自身產生的信息熵為內熵，而外界產生的信息熵為外熵，外熵和內熵之間的關系是投入-產出關系。糧食生產系統是以人為主的，以糧食生產為目標的，以人類的勞動和技術為投入量和耕地的糧食產量為產出量的耦合系統。糧食生產系統的有序發展對經濟和社會的發展，社會穩定、生態安全、國家綜合實力增強等都有不可缺少的作用。

2.2 糧食生產系統的耗散結構特征

2.2.1 開放性特征 糧食生產系統是開放系統，是人地系統的子系統。糧食系統在發展過程中離不開人類社會和自然界的物質和能量投入。人類在生產生活過程中不斷地對周圍外部環境投入物質、能量和信息，也不斷地從環境中得到生存必須的物質、能量和信息。所以，糧食生產系統不斷地跟外部環境進行聯系以保持自身健康有序的發展。

2.2.2 遠離平衡態特征 根據耗散結構理論，任何系統若要處于遠離平衡態，必須與外界進行能量交換。對于糧食生產系統來說，如果糧食生產系統處于平衡態或接近平衡態，系統會出現衰落甚至滅亡，但是糧食生產系統總是不斷地接收外部能量，實現遠離平衡態。所以糧食生產系統不斷地產生正熵（內熵），并從外界接收負熵（外熵），由此實現系統的“新陳代謝”。

2.2.3 非線性特征 糧食生產系統在發展過程中會受到自然、人文等多種因素的影響。人地之間的相互作用紛繁復雜，無法用簡單的線性原理進行分析。糧食生產系統正是通過復雜的非線性能量交換，不斷地調整結構，從原來的結構逐步穩定到新的耗散結構。

2.2.4 漲落特征 自然、人文等多種因素的變化都會對糧食生產系統產生影響，這些因素的漲落變化使糧食生產系統也出現漲落現象。糧食生產系統由于受到人為因素及自然因素的影響，系統中的內部要素之間以及子系統之間都為非線性關系。農業結構不斷地調整使糧食生產系統向著非線性方向發展。因此糧食生產系統具備漲落特征，是個耗散結構。

3 糧食生產系統的熵與分析

3.1 糧食生產系統的熵

根據熵理論和耗散結構理論，要分析糧食生產系統是否形成耗散結構，需要分析該系統中熵的構成。跟其他耗散結構系統一樣，糧食生產系統的熵由來自于系統內部的正熵以及來源于外部環境的負熵構成。糧食生產系統的正熵是系統運行過程中產生的不利于系統發展的信息量。糧食生產系統的內部熵由糧食生產量的變化熵和人口的變化熵2個部分組成，將2個熵合二為一，更具有代表性，因此用人均糧食生產量代表系統的內部熵。糧食生產系統內熵（diS）的計算公式為：

diS=糧食生產量（產出）（5）

糧食生產系統外熵主要表現為系統與環境和社會經濟發展之間的關系，因此它主要包括耕地資源（deS1）、科技投入水平（deS2）、區域經濟發展（deS3）、環境質量（deS4）。因此， 糧食生產系統的負熵計算公式為：

deS=deS1+deS2+deS3+deS4（6）

為了對糧食生產系統是否形成耗散結構進行判定，本研究建立了可從整體上代表糧食生產系統內部環境和外部環境的，并可用于評價的正、負熵指標體系。構建對系統正熵指標體系的依據從整體上來說就是系統內部運行所涉及到的各種行為及要素。對于糧食生產系統來說，人是影響正熵的主要因素，提高糧食產量滿足人對糧食的需求為目的，保護耕地質量的前提下增加經濟收入是糧食系統的基礎，因此糧食系統正熵指標包括人均糧食產量等5個指標;構建負熵指標體系的依據是系統運行所面臨的各種外部環境要素，以糧食生產系統與外部環境的直接關系為依據，從經濟、資源、環境、技術等方面考慮，構建由森林覆蓋率和人均GDP等12個指標所構成的負熵指標體系（表1）。

表1中的17個指標中生態環境狀況指數和水質量達標率指標數據來自于湖北省環境質量公報（2001-2017年），政府糧食最低收購價數據來自于湖北省人民政府網站，耕地面積數據來自于湖北省國土資源綜合統計年報（2001-2017年），其余指標數據來自于湖北省統計年鑒（2001-2017年）、湖北省國民經濟與社會發展公報（2001-2017年）及中國農村統計年鑒、湖北農村統計年鑒等書籍及中國知網、國家統計局、湖北省統計局等網站。

3.2 湖北省糧食生產系統熵值與分析

根據熵值法模型和計算步驟[30-31]，算出湖北省糧食生產系統各指標的熵值和17年的正熵值和負熵值，計算結果如表2所示。

由表2可知，糧食生產系統內熵值為 0.893，熵值較高，糧食生產系統內部信息交換關系較強，系統內部單位面積糧食產量的熵權值較大，表明產出要素中主要的要素熵值最小（0.652），對糧食系統熵值作用較大，反映的內部信息量最多;耕地土壤有機質含量熵權值為0.085，產出指標中信息量較小。糧食系統外熵值為-0.905，絕對值高于系統內熵值，系統總熵值為-0.012（dS<0），表明糧食生產系統與外部環境的信息交換超過內部信息交換量，系統發展的外部環境對系統發展作用較大。負熵指標中糧食作物播種面積、有效灌溉面積、農業機械總動力、地區生產總值、農民人均純收入、政府糧食最低收購價、水質量達標率的熵值絕對值大于內熵值，表明這些因素對湖北省糧食生產的影響或作用較大。

3.3 湖北省糧食生產系統耗散結構態

為了解湖北省糧食生產系統年度發展情況，以人均糧食產量為基礎，確定糧食消費標準（350 kg≤溫飽水平<400 kg，小康水平≥400 kg），結合糧食生產系統的年度熵值，判斷湖北省年度（2001-2017年）糧食生產系統狀態和糧食消費水平，結果見表3。

根據熵值計算模型可以斷定，系統年度熵值取值范圍是[0，1]，按照極值法規定糧食生產系統熵值在[0，0.17）系統處于遠離平衡態，在[0.17，0.34）系統處于基本遠離平衡態，在[0.34，0.68）系統處于過渡態（如果大于0.51，靠近平衡態;小于0.51，遠離平衡態），在[0.68，0.85）系統處于基本平衡態，在[0.85，1.00]系統處于平衡態。

由表3可知，2000年湖北省糧食生產的人-糧發展水平處于溫飽狀態，小康水平標準下的超載人口約為9.976×106人，2008年超載人口約為1.429 3×106人，而且2002年和2003年超載人口已分別達到5.545×106人和8.824 5×106人，表明2000年至2008年湖北省糧食生產系統人口壓力較大。2009年，湖北省糧食生產水平已達到每人403.69 kg，糧食消費標準已達到小康水平，并且糧食產量已經滿足當年人口（5.720×107人）的需求。2009年至2015年，湖北省糧食消費標準維持在小康水平，小康負超載人口數不斷上升，在2015年達到了最高值，為9.067×106人，表明湖北省糧食生產系統人口壓力越來越小。

由圖2可知，以人均糧食生產水平為標準，湖北省糧食生產分2個階段：2000年至2008年平均糧食生產量均小于400 kg，糧食生產處于溫飽水平，是人口壓力不斷增大的階段;2009年至2016年平均糧食產量均多余400 kg，糧食生產處于小康水平。湖北省糧食生產系統負熵（外熵）值從2000年的-0.552增加到2016年的-0.718，其中最高值出現在2014年，外熵值為-0.722，系統總熵值從0.45下降到0.17，表明湖北省糧食生產系統向有序狀態發展。

根據熵值法和耗散結構理論評價糧食生產系統的結果能較好地反映糧食生產系統的特征和發展狀態。糧食生產系統要想穩定、有序地發展， 必須從外界不斷吸收物質與能量，由此產生的負熵大于自身發展過程產生的正熵，才能形成漲落現象，系統總熵逐步減少，無序程度降低，糧食生產系統向更高的有序發展。

湖北糧食生產系統中單位面積糧食產量是主要的系統產出指標，反映的信息量較多。湖北省糧食生產系統內熵為0.893，外熵為-0.905，總熵值為-0.012，處于有序發展階段，還未達到高效率有序運行的狀態。研究階段內糧食生產系統發展狀態不斷發生變化，系統逐漸遠離平衡，尤其是2009年以后系統處于向遠離平衡發展的過渡狀態。湖北省是中國糧食生產基地之一，本研究結果比較符合實際，較好地反映了湖北省糧食生產系統發展狀態，說明用耗散結構理論與熵值法對糧食生產系統發展狀態評價是可行的，在評價過程中得到的各參數能夠反映出湖北省糧食生產系統生產能力的整體發展狀況。

糧食生產系統滿足耗散結構理論的條件。湖北省糧食生產系統是一個開放系統，處于遠離平衡態，通過與外部較復雜的能量交換，系統出現漲落現象，系統不斷向完善有序態發展。湖北省糧食產量影響因素主要有糧食作物播種面積、有效灌溉面積、農業機械總動力、地區生產總值、農民人均純收入、政府糧食最低收購價、水質量達標率。為進一步提高糧食生產水平，湖北省要擴大糧食作物播種面積，增加農業技術投入量，發展區域經濟，提升環境質量。從2000年到2016年，糧食生產系統熵值的發展趨勢較為理想，熵值不斷減小，發展狀態較好，而且系統狀態向著結構穩定、更加有序的方向發展。

本研究從耗散結構理論出發，探討了糧食生產系統的耗散結構特征，并將其用于糧食生產系統的發展狀態評估之中， 為湖北省糧食生產的可持續發展研究提供了一個新的視角和研究方法。耗散結構理論較好地指出了湖北省糧食生產的主要影響因素，只有在耕地資源、環境保護、經濟發展、農業技術投入等方面加大力度，提高糧食生產量，才能保證人糧系統的有序發展。研究結果對于制定糧食生產系統協調發展戰略、保護耕地資源、提高糧食產量等方面有一定的參考價值。

4 結論

耗散結構理論與熵值法[32-34]相結合對糧食生產系統發展狀態的分析結果較為科學、符合實際，能準確地反映糧食生產系統的發展情況。該方法在制定糧食生產系統協調發展計劃、保護耕地資源、提高糧食生產等方面有一定的理論和實踐應用價值。

在構建糧食生產系統正熵指標時可以考慮人口、人口增長率、糧食總產量、單位面積糧食產量、人均糧食增長率等指標，但我們認為這些指標數據在總體上能夠反映人均糧食生產情況，人均糧食產量就能直接反映糧食生產系統自身發展情況。選擇負熵指標時從經濟、環境、技術、資源4個方面選擇要素，但影響糧食生產的要素較多，可能還有農戶行為、農戶素質和市場價格波動等要素。研究中使用的有些指標有包含關系，例如，生態環境指數包含森林覆蓋率等，或有些指標對農業生產系統的影響不太明顯，如農村用電量，在農業生產中化肥使用量對糧食生產的貢獻率遠遠大于農藥使用量，但農藥的合理使用一定程度上反映農民的技術水平。不同指標可能會對研究結果產生不確定的影響，為此正熵和負熵因素選擇要統籌考慮單要素指標和綜合指標。

對于糧食生產系統的考察不局限于產量，隨著社會經濟的發展，人類的糧食消費結構在不斷地變化，糧食生產系統的組成要素和要素之間的關系以及系統功能也在不斷地發生變化，以糧食產量為主要目標的糧食生產系統難以適應社會經濟發展的實際需求，在今后研究中指標的選擇和糧食生產系統的功能還需要進一步的考慮。

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（責任編輯：張震林）

收稿日期：2020-09-18

基金項目：國家自然科學基金項目（41271534）

作者簡介：木合塔爾·艾買提（1982-），男，新疆喀什人，博士，副教授，主要從事人文地理與資源環境評價等研究。（E-mail）muhtar99@sina.com

通訊作者：肖鵬南，（E-mail）maikedang@mails.ccnu.edu.cn