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1、 产业生态系统稳定性研究述评 利用上游产业（企业）的废弃物作为下游产业（企业）的生产原材料，把原本线形的生产过程“循环”起来，从而达到减少环境负担、获取经济利益双重效果的IES（Industrial Ecosystem，产业生态系统）1,2 是实施可持续发展具体而重要的实践工具， 已经在世界范围内被快速推广。以IES的重要形式EIPs（Eco-industrial Parks，生态工业园）为例：全世界现在已经有超过12 000个EIPs3，其中丹麦的卡伦堡作为产业生态学的经典案例已被学术界和工业界所熟知。我国也在1999年以来快速推进循环经济与EIPs规划建设，经国家环保总局认证挂牌的EIPs
2、已有10余个4。但是，IES作为新生事物，在一片赞扬声中，也反映出了越来越多的实际问题，其中系统不稳定现象最为突出。包括卡伦堡在内的一些EIPs在运营中已经出现了由于系统内、外部相关因素发生变动，从而影响、破坏IES稳定性的事实。针对这种情况，有必要加强对IES稳定性的研究，从而充分发挥其作为重要环境管理工具的作用。 1当前IES不稳定现象简述 区别于一般产业系统，IES内部企业之间的联结纽带有两个：一是上下游之间流动的废物（当然其同时也是原材料），它作为有形资源联结纽带；二是各企业内部的生态化链结技术，它必须针对不同的有形废物资源，进行物理、化学状态的再塑，从而使得上下游流动的物质在新的生产
3、环节进行使用价值的更新，我们可以将其视为IES内部企业之间的无形联结纽带。 同时，区别于一般产业系统，IES的运营目标也有两个：经济效益和环境效益。传统的经济学与管理学思想追求经济利益最大化，然而IES却同时注重这个经济过程的外部性，以更系统的思想把自身运营的环境效益也纳入规划、评价目标中。 由上述可见，IES这种特殊的内部结构和外部目标，造成了它比一般工业园区或产业聚集群在内部结构、技术构成和外部影响因素等方面存在更苛刻的稳定边界条件，也导致了更脆弱的系统稳定性。 案例1：Cape Charles是美国早期IES的代表。它利用风能发电，一般在用电高峰时以高价售出，补充地方电力不足部分；在非用
4、电高峰的时候，风能电被用来把黄豆变成油，成为可储备能源。黄豆炼油的渣作为家禽饲料，热能被用来养鱼，鱼塘养分可以作农业肥料。 但是由于地理位置偏僻、劳动力水平低下、经济支持减弱等原因，这个系统已逐步停止了这种循环链接，基本陷入僵局。Cape Charles的管理人员对此的总结是“尽管有上下游物料流动、能量循环的最初意向，可是随着实践的深入，却发现形成网络困难重重。”5 案例2：芬兰东部城市Joensuu试图在已有的IES中建造Sirkkala发电厂，逐步将其引导、建设成“关键种企业”6，从而把当前已有的小型、零散的生态化链接企业进行整合运营，改变当前系统竞争力薄弱现状。然而，这项工作由于不能在：
5、提升泥煤燃烧效率；消除森林钙离子等微量元素流失对森林系统健康的影响；避免对Joensuu典型北欧寒冷生态现状（结冻的河流、覆雪的土地）的改变；避免发电厂高压输电线对居民区生态景观的破坏等方面取得生态化技术的突破被迫中止7。 案例3：即使在全世界公推为典范的卡伦堡IES中，也出现了不稳定迹象。1995年，Kalundborg共生体系中的GyProc石膏厂在常规分析时发现石膏中大量含钒，这种金属可对人类造成变态反应。最终调查发现原因是Asnaesvaerket火电厂使用了一种价格十分低廉的燃料奥利木松石油。调查人员在这种石油里发现了钒，导致石膏中也发现了钒。结果是，Asnaesvaerket火电厂
6、改进其设备，以防止钒累积8。此外，丹麦富产天然气，其价格低廉的天然气甚至可以一直输送到瑞典境内。然而为了防止可能出现的竞争，卡伦堡却没有自己的天然气输气管道，那里的居民只能使用Statoil炼油厂提供的昂贵的燃气或液化气瓶9。正如Baldwin和Ridgway（2017）所说：“对卡伦堡而言，技术变化、革新、外部的新压力（比如法律的和公众压力，新能源，新材料）、合并和接管等变化都会使整个系统承受显著影响，甚至有可能使系统坍塌10。” 案例4：我国某著名生态工业园区中的核心企业高层于近年发生人事变动。由于继任领导在产业布局和发展战略上有不同认识，着手对过去已经长期运行的企业工艺流程进行BPR（业
7、务流程重组），结果切断了原有的、与上下游企业之间的废料产品循环流动途径，使原先的一些生态工业链条发生断裂、变动。 随着IES这一新生事物的成长、成熟，将会有更多的不稳定问题暴露。因此，学术界应该对IES的稳定性问题高度重视，科学发展生态产业，避免冒进。 2IES稳定性内涵研究进展概述 生态系统稳定性 古代中国晋书中“行人安稳，布帆无恙”的说法就是当时人们对自我保持能力或稳定的一种具体的知觉说法。在西方，“stable”一词源处于拉丁文“stablis”，也只表示一种坚持的意思。对于任何系统而言，稳定性的研究和表述都是极为重要的。因为不可控或不稳定的系统要在生产实践中长期维持是很困难的11。 从
8、生态学角度来讲，稳定性指的是两方面的内容：生态系统对于干扰破坏的抵抗能力与避免能力，可以简称为“抵抗力”（Resistance）；生态系统在受到干扰破坏后迅速恢复到最初状态的能力，可以简称为“恢复力”（Resilience）12；从工程角度来讲，稳定性被描述为系统受力后能维持原有的平衡位置或原有的变形状态、抵抗干扰能力，可以用恢复平衡的速度来测定这种特性。这种观点也经常被称为工程学恢复力，并且已经成为了经济学中的一个理论13。 尽管本文的研究对象是产业生态系统，但是由于同生态系统之间存在着功能的相似性、结构的可模仿性，因此，本文对当前生态系统稳定性度量研究中的相关理论进行如下述评，以期启发IE
9、S的稳定性度量研究。 当前，对生态系统稳定性的量化研究应用较为普遍的有三种方法： 第一，从熵理论入手，研究生态系统稳定性。从低熵角度可以把生态系统的稳定性描述为：在外界因素变化干扰下，系统的内部结构及子系统的功能变化程度。在生态系统运动过程中，当熵变为零时，从外界引入熵流的大小即为系统的稳定度。从外界引入的熵流越小，系统越稳定11。 如果进行量化表达，那么对于线性系统可以用单位时间熵产生率P表示： 如果系统内存在多组分，那么P可以进一步表示为： Pl,ijx,iy,j，（i，j1，2，3，.n） 在生态系统的实际运用中，x,i、y,j表示系统内部的梯度力（比如能量梯度、密度梯度等）；l,ij通
10、常表达了惟象系数。如果在线性系统中，希望系统达到外界熵流引入量为零，那么就可以根据实际参数值，对P0方程求解，从而获得相关生态系统的稳定边界条件。 第二，还有部分学者从现实生态系统环境、资源容量出发，采用生态物种的指数增长模型改良结果Logistic阻滞增长模型，从物种数量增长速度恒定（包括为零）的角度来衡量系统稳定性14： 其中，r为固有增长率，x,m为物种最大容量。 第三，部分学者提出，鉴于在大多数情况下生态系统的多样性（diversity）越高，稳定性越好，于是提出可以直接用多样性来衡量稳定性，量化工具直接借用Shannon和Weaver（1949）的研究成果15： Hp,ilogp,i
11、，（i1，2，3.n） 其中，H表示生态系统的多样性程度，i表示系统内物种类别，p,i表示第i物种的丰富程度。 除了上述这三种方法以外，采用李亚普诺夫稳定性理论对生态系统稳定性进行研究是另外一种重要的研究方法。本文作者把这种方法进行了适应性改造，利用赫维茨代数判据法对高阶微分方程模型进行稳定性判断，并进而用于IES稳定性的定量计算。 IES稳定性的内涵研究 由于IES的出现始于20世纪末，其发展还处于摸索阶段，人们尚未对IES的稳定性进行系统研究，因此对其内涵进行界定的文献非常有限。对其概念作比较明确界定的是肖忠东（2002）博士论文：工业（产业）生态系统稳定性指一个工业（产业）生态系统内外部
12、环境出现不同程度的变动时，系统维持稳定状态的能力8。 本文参照对生态系统的概念界定，认为IES的稳定性指的是：处于平衡状态中的IES在干扰出现的情况下，保持自身当前状态的能力。 比照中生态系统稳定性的定义，这个定义很明显偏重于对“抵抗力”的研究，而一定程度上回避了对“恢复力”的研究。原因有二： 第一，从管理实践需求发展阶段上看：当前世界范围内IES（如生态工业园）建设处于刚刚兴起阶段，企业热情参与、政府大力支持、民众高度关注，使得IES快速推广中所出现的稳定性的问题大多都是系统刚刚建设完成之后“抵抗力”的问题。因此，从其发展阶段上看当前的实践需求是集中在对干扰的“抵抗”上，尚未达到平衡状态被破坏之后进行必要“恢复”的阶段。 第二，从科学研究阶段划分上来看：“恢复力”的研究涉及IES发展进化问题，对“抵抗力”的研究是对“恢复力”研究不可回避的前期基础工作。本研究就是进行系统“失稳”问题的研究，为进一步研究系统“恢复”作理论准备。 3IES稳定性影响因素研究进展述评 从当前各国IES运营中出现的不稳定问题的实际出发，研究人员从IES的各个方面着手，1 / 1
