产业生态系统研究综述，本文主要内容关键词为：生态系统论文,产业论文，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。
随着工业化进程的不断深入，日益严重的环境污染和资源危机已对人类的生存和社会发展构成威胁。面对着工业文明破坏生态的强劲攻势，人类不得不深刻反思和重新审视现代化的生产方式、消费行为、价值观念和科学方法。产业生态学是在环境和产业的重重危机和矛盾中诞生的，它借助研究产业活动与生态环境相互关系来寻求现代人类合理的生存方式。可以大胆预言，如果没有像产业生态学这样既能够改善经济又能改善环境的应用性学科的支持，可持续发展只能是一种口号。产业生态系统作为可持续发展具体而重要的实践工具，作为产业生态学研究的重要领域，引起了广泛关注。
一、产业生态系统的内涵
目前，关于产业生态系统的概念还没有统一的说法，学者们从不同的角度探讨了产业生态系统的概念。
1.要素角度。Graedel(1998)提出产业生态系统包括资源开采者、制造者(加工者)、消费者和废物处理者四个基本要素。① Ayres(1996)认为产业生态系统可能是由初级材料加工场、深加工厂或转化厂、制造厂、各种供应商、废物加工厂、次级材料加工厂等组合而成的一个企业群，或者是由燃料加工厂或废物再循环厂组合而成的一个企业群。较为重要的是，该系统整体要有一种主要“出口产品”，而且大多数废物和服务产品能在当地利用。②
2.空间角度。Frosch(1996)认为工业代谢中的产业生态系统是由一系列在地理上相互分散和联系并不紧密的实体组成，这种系统设计方法要比面向产品的环境设计方法具有更高的效率。③
3.系统角度。Cote(1998)认为，各独立企业以及它们的集合体都是系统的一部分，他们依赖于其他企业并且必须与其他企业合作才能生存下去。从这个意义上，可以将产业生态系统作为自然系统的一部分进行研究，这样产业系统的生产和消费也就可以作为生态系统中的新陈代谢问题来对待。④
4.功能角度。Cote和Hall(1995)这样描述产业生态系统：能够维持自然和经济资源，减少生产、物质、能量等方面的成本，提高运作效率、产品质量、工人健康状况和企业公共形象，并能够及时提供由废物利用而获利的机会。⑤
综上，产业生态系统可以定义为：在一定空间中共同存在的所有产业组织与其环境之间不断进行物质、能量和信息交换而形成的统一整体。产业组织可以是任何与产业活动有关的企业、公司或团体。产业生态系统不是产业组织之间的简单组合，而是仿照自然生态过程物质循环的方式对各个组织从物质、能量和信息关联的角度进行的系统构造。
二、产业生态系统的演化
产业生态系统的发展可以分为三个阶段，⑥ 即一级产业生态系统(图1)、二级产业生态系统(图2)和三级产业生态系统(图3)。如果用生态学的词汇来解释产业系统的演变，那就是促使现行的工业系统由“年轻”的群落向“顶级群落”阶段演替。从图1、图2和图3可以看出，随着产业生态系统向“顶级群落”的演替，产业生态系统的代谢方式也逐渐向生物生态系统的代谢方式接近。不仅代谢过程中所产生的废物少了，而且通过原料和废料的循环、再生和恢复，其利用率也明显提高了。但是，要使产业生态系统完全像生物生态系统一样，在代谢过程中不输入原料和不产生废物是不可能的。一个理想的产业生态系统(图4)应该是在资源利用最大化、废料最小化的原理下实现产业生态系统的可持续发展。
三、产业生态系统的设计和调控
产业生态系统理论是在系统论、控制论、信息论等理论基础上发展起来的，这些理论是其思想之源，也为产业生态系统的设计和调控提供了方法和技术支持。
1.产业生态系统的设计。张文红(2004)认为生态工业系统是开放的复杂巨系统，它具有一切复杂巨系统的特点：开放性、复杂性、进化与涌现性、层次性和巨量性等。她从开放性的角度出发，利用综合集成研讨厅体系的思想，把智能控制技术、响应曲面方法和实验设计综合在非线性多目标决策支持系统的框架中，提出了一个新的设计生态工业系统的方法。⑦
2.产业生态系统的调控。系统动力学以反馈控制理论为基础，通过建立系统动态模型，借助计算机进行仿真试验，得出对系统发展趋势的预测。其突出特点是擅长处理具有反馈结构的非线性时变复杂系统。ReidB(2000)运用系统动力学方法对火电厂生态工业园产业子系统进行了仿真模拟，并以著名的丹麦卡伦堡生态工业园为案例进行了模拟调控。⑧ 王灵梅(2005)运用系统动力学方法分析了火电厂生态工业园的产业、人口、资源和环境生态等各子系统之间的关系，建立了火电厂生态工业园各子系统协调发展的系统动力学模型；确定人口生育指数、各产业投资比、科技因子、资源循环利用率等为调控参数，以朔州火电厂生态工业园为案例进行了模拟调控，得出了朔州火电厂生态工业园的实现可持续发展的相对最佳方案。⑨ 还有学者从大系统理论角度出发研究产业生态系统运行和控制，其基本思路是：产业生态系统是由社会、经济和环境三个子系统有机结合而成的三维复合大系统，通过子系统内部的持续性发展与子系统之间的协调性发展促使大系统整体进化。考虑到系统的复杂性，吴伟(2002)认为通过二级递阶控制和分散控制的综合可以促使各个子系统的局部优化，最终实现大系统的全局最优化。在具体运作中，可以用“螺旋式推进原则”的方法论逐步实现大系统的最优控制目标。⑩
四、产业生态系统的稳定性
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。对其概念做比较明确界定的是肖忠东(2002)，他认为：工业生态系统稳定性指一个工业生态系统内外部环境出现不同程度的变动时，系统维持稳定状态的能力。(11) 武春友(2005)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。(12) IES稳定性可能的影响因素较多，主要存在于系统的结构、技术与外部条件三方面。
1.结构维度因素。Cote(1997)提出，如果所有可能的生态位都被占满，涉及多个企业和多个部门的产业生态系统就能获得更大的弹性和稳定性；(13) 王灵梅等(2003)也提出，调节链的存在对增加系统弹性，保证系统的稳定性是很必要的；(14) 然而，有学者提出不同的观点，认为并非系统多样性增加、关联度提高就意味着稳定程度的增加。如楼园、赵红等人(2001)认为IES的稳定性起初随复杂性的增加而增加，到一定程度后，就会呈反向变化趋势；(15) Hardy(2002)从IES内部结构入手展开研究，明确提出系统关联度的提高，未必就伴随着稳定性提高和环境状况的改善。
2.技术维度因素。Rose(2003)通过四个案例研究，认为从技术影响的角度出发，“生态工程技术与传统工程技术之间的鸿沟”成为生态化技术执行的束缚因素；Bringezu(2000)认为对于一个已经建立起来的生态产业结构来说，总的危机存在于其既有技术对未来潜在进化所带来的障碍。
3.外部条件维度因素。Heeres等(2003)通过比较研究，认为荷兰的生态工业园比美国运营更稳定的原因是政府干预少。(16) Lowitt(1998)通过马萨州的案例研究，表明议事程序、编码与契约、资金来源、经济手段、信息管理和发送等会对生态工业园维持(稳定性)起到作用；Majumdar(2001)认为有七个方面的因素阻碍了IES的稳定发展与未来成功：制度、技术、经济、信息、组织、法律、认知。(17)
五、产业生态系统的分析与评价
对产业生态系统进行分析可以发现提高和改进产业生态系统效率以及系统结构的潜在机会。目前，国内外对产业生态系统分析的方法主要有Ayres等人提出的工业代谢法和Odum提出的生命周期分析法等。工业代谢法通过分析系统结构变化、进行功能模拟和分析输入和产出流来研究工业生态系统，目的在于提高物质和能量的利用效率。生命周期评价法是对产品、生产工艺以及活动对环境的压力进行评价的客观过程，它通过对能量和物质利用以及由此造成的废物排放进行辨识和量化评分，来评估能量和物质利用以及废物排放对环境的影响，寻求改善环境影响的机会以及如何利用这种机会。(18) 然而这些分析方法更多的是对产业生态系统中的某些环节的完善和效率的提高起到了指导作用，缺少对制约产业生态系统整体协调性和持续性因素方面的深入研究，即不能对系统的结构性调整起到指导作用。近年来中国环境科学研究院课题组在工业生态系统分析方面也做了大量的探索，(19) 参照自然生态系统结构描述方法，结合产业生态系统自身的特点，将产业生态系统中的物种分为顶位种、中位种和基位种3种基本类型进行分析。在此基础上，陈亮和王如松(2005)以鲁北工业生态系统为例，采用自然生态系统网络分析方法分别从工业生态系统的链网结构、物种绝对刚度、物种对系统的影响强度及系统稳定性等4个方面进行分析。(20)
近年来，虽然生态工业理念得到快速发展，但针对生态工业评价指标的研究却比较缺乏。有学者将热力学中的火用分析与生态建模结合起来，(21) 使生态工业系统的研究从一般性描述到定量化成为可能。火用(exergy)对于工业系统的意义在于：它可以作为物质和能量数量和质量的度量，用来衡量和比较不同过程资源利用水平的高低。特别是利用火用分析可以实现对产业生态系统的评价。Koroneos(2003)等人从可再生资源的利用方面对过程对环境的影响进行了分析，通过火用分析比较了可再生资源和不可再生资源的利用效率；(22) 杨王乐(2005)分别考虑系统的资源利用效果和环境潜在影响，以火用参数为基础分别建立两个评价目标的指数和模型，通过两个方面的指标来综合分析和评价生态工业系统的资源利用和环境影响。(23) 值得注意的是，热力学火用分析方法只能反映系统的一个侧面，如需要对系统进行全面的评价，还需要考虑系统的经济、结构等多方面的特性。张大伟(2005)在此基础之上提出了以经济、环境和结构三方面来反映系统发展程度的评价体系，包括如下指标：生态生产力指数、消耗指数、环境影响指数、系统耦合度等，通过对指标的综合得到了经济发展度、环境协调度和结构耦合度3个生态工业系统发展程度的综合评价指标，并应用这些评价指标对拥有三条高度耦合产业链的鲁北生态工业系统的四个发展阶段进行了研究，结果表明，该套生态工业系统评价指标能够准确地反映系统的发展状态，指明系统的发展方向。(24)
六、结论与展望
自从产业生态系统概念提出以来，它作为一个独立的研究领域引起了广泛的关注。目前，产业生态系统的研究已经从理论框架的搭建向现实可行的开发规划体系的研究演进。研究方法已突破了系统论的范畴，生态学、经济学、管理学的相关理论的运用拓展了产业生态系统的研究领域，丰富了研究方法。但是还有一些被忽略的内容应引起注意。
1.加强工业共生研究。工业共生是产业生态系统的一个重要特征，只要有产业生态系统，就会有工业共生现象存在，工业共生分析是产业生态系统分析的一个重要方面。关于工业共生的生成机理、均衡条件和稳定条件的求解，共生单元间的作用方式，以及工业共生的动态运作机制的研究都亟待加强。尤其对于我国当前大力发展生态工业，开展生态工业园建设时期，研究企业间的共生关系具有重要的理论意义和现实意义。
2.加强产业生态系统外部条件研究。工业系统的自组织特性虽然提供了传统工业系统内各子系统有充分的能力去实现向产业生态系统的演化，但并不能保证产业生态系统能持续地、更好地适应外界环境的变化，从而实现从不平衡到平衡、从无序到有序的发展。只有在内外部条件具备的情况下，工业系统的自组织特性的存在才会使工业共生体这样的产业生态系统在不断波动和变化中永续发展，不断完善。因此，研究包括社区参与机制、公众教育机制、媒体合作机制和舆论共识机制在内的外部环境作用机制将成为产业生态系统研究的一个重要方面。
注释：
①T.E.Graedel,B.R.Allenby.Industrial Ecology[M].Englewood Cliffs,NJ Prentice Hall,1995.
②R.U.Ayers.Creating industrial ecosystems:a viable management strategy? [J]Industry and Environment,UNEP,1996,19( 4) :7-13
③R.A.Frosch.Toward the End of Waste:Reflections on a New Ecology of Industry.[J].Daedalus,1996,125( 3) :199-212
④R.P.Cote.Industrial Ecosystems:Evolving and Maturing [J].Journal of Industrial Ecology.1998( 1) :3-6
⑤R.P.Cote,J.Hall,Industrial Parks as Ecosystems [J].Journal of Cleaner Production,1995,( 1-2) .
⑥B.R.Allenby,W.E.Cooper.Understanding Industrial Ecology from a Biological Perspective [J].Total Quality Environmental Management.Spring,NewYork,1994.
⑦张文红 陈森发：《生态工业系统——一个开放的复杂巨系统》，《系统仿真学报》2004年第4期。
⑧B.Reid,B.Bert,K.A.Janet.Using response surfaces to improve the search for satisfactory behavior in system dynamics models[J].System Dynamics Review.2000,( 16) :75-90
⑨王灵梅 张金屯 倪维斗：《火电厂生态工业园的系统动力学模拟与调控》，《系统工程理论与实践》2005年第7期。
⑩吴伟 王浣尘 陈明义：《略论生态工业系统的运行和控制》，《工业工程与管理》2002年第4期。
(11)肖忠东：《工业生态制造中物质剩余理论研究》，西安交通大学博士论文，2002。
(12)武春友 邓华 段宁：《产业生态系统稳定性研究述评》，《中国人口·资源与环境》2005年第5期。
(13)R.P.Cote,T.Smolenaars.Supporting pillars for industrial ecosystems [J].Journal of Cleaner production.1997,5( 1-2) :67-74
(14)王灵梅 张金屯：《生态学理论在生态工业发展中的应用》，《环境保护》2003年第7期。
(15)楼园 赵红：《企业生态系统模型及非生物环境因素分析》，《数量经济技术经济研究》2001年第3期。
(16)R.R.Heeres,W.J.Vermeulen,F.B.Walle.Eco-industrial Park Initiatives in the USA.and the Netherlands:First Lessons [J].Journal of Cleaner Production,2004,12:985-995.
(17)S.Majumdar.Developing an Eco-industrial Park in the Lloydminster Area[D].Ottawa,CA:Dissertation for Master of Science in Civil Engineering,University of Calgary,2001.
(18)B.W.Vigon,D.A.Tolle,B.W.Cornaby,et al.Life cycle assessment inventory guidelines and principles [M].Cincirunati:EPAPres.1993:87-93
(19)中国环境科学研究院：《中国生态工业模式和方法研究》2003年。
(20)陈亮 王如松 杨建新：《鲁北工业生态系统分析》，《环境科学学报》2005年第6期。
(21)S.N.Neilsen.Optimization of exergy in a structural dynamic model[J].Ecol Model,1995,77:111～122
(22)C.Koroneos,T.Spachos,N.Moussiopoulos.Exergy analysis of renewable energy sources [J].Renewable Energy.2003,28:295～310
(23)杨王乐 胡山鹰 陈定江 张大伟：《生态工业系统火用分析》，《中国科学》2005年第5期。
(24)张大伟 杨王乐 胡山鹰 陈定江：《生态工业系统评价》，《同过程工程学报》2005年第6期。