工业生态学的研究视角，本文主要内容关键词为：生态学论文,视角论文,工业论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N031 文献标识码：A
1 什么是工业生态学
工业生态学研究工业行为和环境之间的相互关系，为人类工业社会的历史发展提供一种全新的环境管理观念。工业生态学是在对工业活动超过环境承载力的感知和理性认识的基础上产生的。托马斯·格里德尔（Thomas Graedel）认为，工业生态学是对人类行为和环境相互作用进行系统分析、并定向工业与环境系统整体协调的新概念。这门科学把生态学应用于工业，其目的是寻找工业物质材料优化循环的理论和方法〔1〕。
在工业生态学中，考察工业系统的行为是在社会经济系统的背景之下展开的，工业系统也不能脱离其所处的经济和自然环境。工业行为既能调控所处的环境，环境又能对工业行为产生影响。工业生态学指导工业实践需要多维价值尺度，其中一个重要的尺度就是物质封闭循环度。用这种观念指导工业实践使之落实在工业全过程中，即在工业活动中，从原料（通常指矿石）到加工后的材料，从产品组件到成品，从废品（尚可循环利用）到最终的废弃物，这一系列过程实现生态优化和工业物质封闭循环。
工业生态学的原理来源于生物生态学原理，其机制可以从生物生态学的类比中得到启示。传统的生物生态学被定义为：研究决定物种分布和丰富性的各种因素及其相互作用的学科。弗罗斯奇（Frosch）和加洛波罗斯（Gallopoulos），（1990 ）讨论过生物生态学和工业生态学这两个概念的类比关系。他们指出：“在生物生态系统中，一些物种靠阳光、水和矿物质生存，而另一些物种不仅要靠矿物质、空气，还要食用其它物种的躯体（包括活的和死的）来维持生命，同时排除废物。这些废物又成为另一些物种的食物。这些物种中有的是把废物转变为基础生产者可利用的矿物质，有的是在复杂的过程网络中互相消费，实现新陈代谢。类似地，在工业生态系统中，每个工业过程必须被视为与更大的工业过程相互依存、相互联系，并属于其中的组成部分。工业生态系统的概念和生物生态系统的概念，虽然存在很大差异，但是，如果工业系统类比生物系统相似的优化特征并加以模仿，必将获益非浅。”〔2〕
托马斯·格里德尔（1994）把物质循环和地球最早的生命形式联系起来，认为在生命起源的时代，生命的存在基本上不对可利用的资源构成伤害。这种简单生命形式的生态过程，可以描述为线性的，即单组分的物质流动不依靠其他生命形式的物质流动。这种模式称之为“开放型”生态过程，参见图1（A）。结果扩张或衰退，但生物生态系统的整体是长期稳定的。在生物生态系统范围内，系统内相临资源是有限的，其结果是各个生命组分是相互关联的。在这种由生命相关性造成的内部压力下，进化产生了我们所熟知的富有效率的生态运行系统。根据这个系统，相临近的范围非常大，但在生态系统的边界流入和流出的物质量（输入资源和排除废物）却十分的小。此种称之为“半开放型”生态过程，参见图1（B）。“半开放型”系统比“开放型”更富有效率，但长期发展，单向物质流动显然是不稳定的。为了改变这种状态，达到系统内最终稳定，自然界进行了长期的进化、选择、优化，从而使生物生态系统进化到几乎完全的物质循环。这里“资源”和“废物”是相对的，一个物种的废物可以是另一个物种的资源。此种称之为“封闭型”生态过程，参见图1（C），其特征是：在这个生物生态系统内部，物质是封闭循环的，只有太阳能作为永恒的输入能源。
图1 （A）“开放型”生态过程中线性的物质流动。（B ）“半开放型”生态过程中准循环的物质流动。（C ）“封闭型”生态过程中物质循环流动。
人类对适合工业过程（广义上包括农业、城市基础建设）的材料和资源的利用，如果按理想模式，这种利用与上述的半开放或封闭型的整体生态模式相似。但实际上，人类对材料的使用，存在着浪费现象。例如，通常情况下人们只使用了某材料或某产品的特定功能，然后就当作废品抛弃，使之退出经济系统，而不进行回收再利用（Ayres，1989 ），就像上述的“开放型”线性生物生态模式〔3〕。 这种模式类似于18世纪工业革命的成熟期工业经济发展的生态模式——只重视人口和农产品的指数增长，不考虑资源的循环利用模式，这曾一度引起全球的繁荣。时至今日，还有许多工业过程和产品仍然保持着工业初始阶段原始模式的浪费方式。
当前，世界工业化过程在不断加速，工业规模日益扩大，经济效率空前提高，但却使大气臭氧层迅速被破坏，空气中的二氧化碳含量迅速提高，废品处理站垃圾迅速增多……诸多事实表明整个工业生态系统的废物量极大，严重地阻碍工业生态的良性循环，所以必需加以限制。而要改变这种不良的工业系统，必须改变生态观念，构建新的工业生态模式，即工业系统从线性开放型到非线性半开放型准循环或者非线性封闭型循环的运作模式进化和发展。过去的10年或20年，对于环境危机，政府如何管理，工业组织就如何响应，这是一种被动的缺乏计划的运作模式，往往花费了很大气力解决了一个问题，却同时激化了另一个问题。而工业生态学通过研究解释工业过程和物质流量的相互影响，优化工业系统的所有过程，促使制造业沿着“开放型”到“半开放型”或“封闭型”的工业生态运作模式的方向进化。工业生态学的一个中心目标就是联合并协调社会各部门的运作，最终实现人类社会的可持续发展。
工业生态学强调，工业行为要实现封闭循环，必须要部门间合作，联合并协调的部门大致上有四种类型，即无机原料和有机原料的获取部门，材料的处理部门，产品的制造部门，消费品、废品的处理部门。工业生态学要求这些部门根据循环模式，限定各个部门间的联系和运作，或者鼓励物质在整个工业生态系统中循环流动，逐渐发展成富有效率的运作模式，大幅度降低对外部支持系统的伤害，就像“半开放型”或“封闭型”那样的生态模式。
2 工业生态学研究的角度
（1）研究长期可居住性
工业生态学认为，工业活动对环境的影响不仅仅是短期的干扰，而是损害了地球的长期可居住性，这主要是由于三个因素造成的：①有毒物质的积累。诸如温室效应等。这些气候的变化引起地球环境可居住性降低，基本上是人所共知的，但对于环境的化学物质毒化也损害地球可居住性的事实却缺乏了解。环境毒化和气候变化一样都是对环境可居住性的化学损害。首先，随着化学物质的不断积累，土壤被毒化。土壤中氮的含量失去平衡，金属和化学物质也严重超载，这使得将来的土地生产力会降低到什么程度，现在却知之甚少。其次，许多长效性化学物质不断进入并积聚在食物链中，有些已经达到了毒化的程度，直接影响了人和其他物种的健康。另外，工业上使用的长效性物质，像含铅的建筑涂料和汽油等，使得下一代成了间接的受害者。如果不用长效性材料，就可避免上述的毒化结果。但这种持久和耐用性正是工业一味追求的目标。我们已经接受了氟里昂（CFCs）的再教育。从根本上说，要用工业生态学重整化工工业的发展目标及其结构关系。②资源的消耗和物理降级。物质世界的和谐性和丰富性是自然给人类的恩赐，但是随着人类对资源的疯狂开采和使用上的浪费，这种恩赐已快被消耗殆尽。这很大程度上是由于人类的工业活动，造成了能源、水源的短缺，从而降低了地球环境的可居住性。③物种的灭绝。丧失可居住性毕竟是一个生物学范畴，比起物理或化学的降级，人类面临最严峻、无可挽回的后果是物种大量灭绝。不像环境的物理化学降级影响可居住性是缓慢积累的过程，而生物生态的恶化则是一种突发的灾难。物种的灭绝削弱了生态平衡系统，这也可能影响到人类将来的娱乐和教育，甚至直接的物质利益，也就影响到环境的可居住性。
（2）工业生态学研究的系统涉及到全球范围
工业生态学研究整个工业生态系统的视角，不仅要在时间上，而且还要在空间上扩展。工业行为对外部支持系统的损害，既表现在地方、区域上，又表现在全球范围的变化，譬如从土壤沙化、洪水泛滥到气候的变迁。全球变化的研究已经自然形成两种分析系统：①大到整个地球的系统；②小到普遍存在的系统。虽然研究的是小的普遍存在的系统，比如选择稻田为研究对象也能演绎出第一种系统的变化结果，特别表现在气候变化的研究上。例如工业革新产品在农业上的应用，促使农业技术的变化可能引起全球范围土地生产能力发生变化，可是由这种小的普遍存在的局部系统引起的全球系统变化却常常被忽视。由于人类是无处不在的，那么他们对环境的破坏也是随处可见的，所以一个更宽广的工业生态学全球研究框架需要建立起来，即把所有对环境的损害，无论大还是小都考虑进去。
地球上不同的区域，即便是距离很远的不同地区，他们的工业模式也很相似，所以他们对于环境的影响在细节上也差别不大。就像新的汽车、新的燃料、新的农业技术、新的税收结构一出现就会很快传遍整个世界一样。不同区域的人都在相互模仿，使得这种小且无处不在的系统的变化既有地方性特点，又有全球性特征。因此工业生态学中研究这种无处不在的局部系统的变化对全球的影响变得越来越重要。
（3）研究自然系统的控制和脆弱性
工业生态学把“人”和“非人类环境”同时考虑，并提供了一套描述二者相互作用的复合概念，其中有两个复合概念是特别重要的，即人类活动控制自然系统的概念和自然系统脆弱性的概念。
当今时代，人类的活动已经扩大到全球的范围，我们既控制着区域性的，也控制着全球性的环境系统，如湖泊、空气污染区、大气污染区、渔场、森林等。工业生态学的中心需求是要直接详细地了解哪些自然系统是敏感的，是容易控制的，以及这种特别的工业化的人类活动是如何影响那些自然系统的。工业生态学的第一个任务是认识自然的敏感程度。这方面，环境科学已经作了一些有事实依据的猜测，比如说：臭氧层的破坏，北极冰帽的融化和热带森林土壤层的流失，这些都是自然系统对人类活动很敏感的、易受伤害的部分。今天，这种猜测还是不够的，还应该通过增进对非线性自然系统的理解来加深对自然敏感程度的认识。第二个任务是认识人类活动对环境影响迅速增多的问题。这方面，历史是个导向，人口统计学也是个向导。有关能量集中和燃料使用的长期数据有助于我们考察引起世界工业迅速发展的动力机制和传播工业实践的各种模式（Grübler）〔4〕。 人口统计学家用历史的研究方法去联系人口、迁移、农业和工业活动的城市化，但人口统计最关心的还是人口的总量。解决不断增多的人口的温饱问题，需要扩大化肥和其它农用化学品的使用范围，来提高土地生产力。实际上，描述人类活动对环境影响结果的重要研究方法是首先分析每个人的活动（衣、食、住、行），然后扩展到所有人。由于人口统计学家的参与，分析年龄结构、家庭成员的多少、人口密度、国家间人口的迁移，以及其它人口统计的变量，能够做到更精确的分析人类对自然的影响，从而为工业生态学提供基础材料。
这里所涉及的“脆弱性”是指自然系统的和谐性、稳定性和丰富性特别容易被破坏的本性。过去人们在征服自然和改造自然的过程中，根本没有注意到或者忽视了这一事实。自然灾害的历史记录和为气候系统建立的有限范围的数学模型说明了这种像洪水、飓风、台风等这些急性发作事件和持续干旱、土壤中金属和盐的累积、海平面的上升等这些慢性发作事件的发生频率。脆弱性的分析就是具体分析人类已遭受的和将要遭受的灾难，去理解一个国家或地区防止遭受或者妥善的防范急性灾害和不断增多的环境变化的能力。我们对“脆弱性”理解越深刻，我们就越能有效地调解工业行为和自然环境间的矛盾。
（4）研究质量流动
工业生态学试图对工业系统相互关联的四大部门，即无机原料和有机原料的获取部门，材料的处理部门，产品的制造部门，消费品、废品的处理部门之间的物质流动进行综合分析，为达到这个目的，质量流动分析是一个强有力的工具。质量流动分析以质量守恒定理为基础，注重物质的组成，把不易磨灭的无机化学元素和长时间难以降解的有机物（如非氯化的—甲烷、氯化的—氯化联二苯等等）作为研究样品。
质量流动分析是建立在能量流动分析的成果基础之上的，但物质流动分析要比能量流动分析更复杂一些。一般情况下，能量流动不会超出使用范围，这是因为能量通常被降级为热量。可是工业系统必然涉及社会经济系统的消费环节，进而关注消费掉的工业品的流向，工业物质流动分析不得不超出材料的使用范围。因为工业品在被消费并抛入环境后，特别是难降解的化学工业品，可能在环境中形成积累导致毒化，产生副作用。例如，含汞废物被抛入湖底后，易变成甲基汞，从而被激活导致毒化；环境中的含氯废物会因为化合价的变化而产生毒性。
今后几年，工业生态学的研究人员应该扩大物质流动分析的范围并使分析结果更精确，至少达到目前能量流动分析已经取得的水平。最终，物质流动分析能够通过研究空气、水和土壤的物理化学特征和变化规律，来说明影响生物可用性（bioavailability ）和环境毒化的化学变化因素。不仅如此，物质流动分析应配合宏观分析，既不漏掉恰巧对环境变化起重要作用的“小的”物质流动，也不漏掉全球环境变化对物质流动的影响，以期获得可以信赖的分析结果。
（5）研究节能和开源的新方式
经济学和社会学已经阐明工业化商行和农场是经济参与者和人类的主要的公共基础部门，但这种看法却很少被纳入分析环境问题和制定环境政策应考虑的范围之列。环境被用来判定好与坏，过错全推给“工业”，与经济活动中的公众却没有关系，这是一种传统观念。在工业生态学里，工业不再是政策执行者，而是政策制订者。工业系统已经承认保护环境的目标已不再是与己无关，相反，应把这些目标作为产品制造过程的一部分，就像维护工人的安全和让消费者满意那样引起了重视。工业生态学认为，新型工业的参与者包括两种行业。其一，在资源管理上提供高效节能商品的服务行业，目前这种行业已经出现。过去，世界各地的电力设备公司仅关心电力的供应，而没有注意他们也应该自己安装电表时扮演消费者的角色。今天，电力设备公司与商业建筑、居民建筑的所有者之间的关系经常由一个致力于能量节约的“能量服务公司”来调解。比如，该公司提供节能灯、节能发动机等。其二，促进研制可再生能量（renewable energy）的行业。该行业的出现可以说是对保护环境和人类工业可持续发展作出的积极响应，当前其发展已经进入了一个新的阶段。选择这个新视角我们可以看到许多有关获取和转变太阳能及其它自然能源的聪明途径，都是廉价和高效的，并且充分考虑环境的好方法。例如把太阳能、风能、原子能等转变成我们常用的电能，尽量减少其中间过程，或者探索新的转变方法和途径，有效地提高能量转变效率。这个领域最具有创造性的想法是直接把风能和太阳能转变为生物燃料（biofuels），就象植物的光合作用，能量转变率最高。如果再生型的新能源被纳入世界工业能量系统，它势必会改变和控制全球能量使用的面貌。
收稿日期：2000—02—29