熵增原理与农业脆弱性研究

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1、http://www.paper.edu.cn熵增原理与农业脆弱性研究伍国勇贵州大学，贵阳（550025）E-mail：wgyong@126.com摘要：脆弱性是指关于系统应对外界力量冲击的反应状态的描述，对脆弱性及影响因素的充分认识，可促使系统不断提高自身应对冲击的能力，从而减轻各种冲击造成的福利损失。文章将热力学中能量和熵的理论引入农业系统，提出农业系统熵的概念，通过对农业能量的耗散和农业系统熵变的分析，以及农业系统稳定性的判断，阐释了农业脆弱性，指出农业脆弱性是由农业系统熵增所致。通过对农业系统熵增的因素

2、分析，指出降低脆弱性的有效途径是发挥农业系统的自组织功能，以及从系统外部环境引入负熵流,增强系统的稳定性。关键词：农业系统熵，农业脆弱性，农业能量中图分类号：f270.31.农业脆弱性的内涵脆弱性最早用于灾害学领域，表示被伤害的程度。20世纪80年代末90年代初，气候变暖问题受到国际广泛关注，1988年成立了政府间气候变化专门委员会（IPCC），并于1990、1996和2001年三次出版《气候变化区域影响：脆弱性评估报告》，对气候变化的脆弱性进行初步的论述。给出了气候变化脆弱性的定义：脆弱性是指气候变化，包括气

3、候变率和极端气候事件对农业系统造成的不利影响的程度，是系统内的气候变化特征、幅度和变化速率及其敏感性和适应能力的函数［5］，该定义得到了国际学术界的普遍认可。关于农业脆弱性，早期学者重点是从气候、干旱［2］等因素对农业生产的影响来讨论的，如生产脆弱性、气候脆弱性（孙芳等，2005）［5］；其次是从脆弱性的角度来讨论农业问题，如贫困问题（韩峥，2004）［3］、农业生产安全（薛晓萍，2004）、生态环境问题（黄复生，2006）［6］、旱灾问题（尚志海，2006）等。在本文定义为：农业脆弱性是指农业系统面临某些风险

4、的可能，并且由于遭遇风险而导致产值损失或系统能量下降到某一正常水平之下的可能。导致脆弱性的冲击的种类很多，几乎包括了社会、经济、政治等各方面。对于某一地区，最常见的有自然灾害（洪水、干旱、地震、冰雹、台风等）、环境危机（土地沙漠化、水土流失、气候恶化等）、经济波动（通货膨胀、滞胀等）、政策改变、种族冲突等。2.熵增原理简述1864年Clausius提出热力学熵的概念，指在能量释放转化过程中不能被转化做功的能量总和，用来反映系统中无规则运动的微观混乱程度。后来，Shannon将熵的概念加以推广，认为熵不仅不必一定

5、要与热力学过程相联系，而且也不必与微观分子运动相联系，它可以成为系统状态（这个状态可以是热学的也可以不是热学的）不确定程度的量度。E系统中的能分为有效的和无效的两个部分，系统总能记作E，有效能记作（有效），EE=E+E无效能记作无效，则：有效无效。熵的定义及度量就由下式给出：dS=K(dE+dE)有效（1）其中K为任意正值常数，这就意味着熵与系统的无效能成比例关系。-1-http://www.paper.edu.cn一个孤立系统和其外界之间完全没有任何相互作用。对其而言，根据热力学第一定律，dS=0dEdS≥0

6、外界，同时按照能量的降级原理，有效必然是负值，所以对于孤立系统：孤立。考虑到与外界的联系性，也可写成：dS+dS≥0孤立外界（2）因此，孤立系统的熵总是趋于增加，这意味着孤立系统的状态变化过程是朝着熵增方向进行的，也意味着孤立系统只有当其熵最大时才能达到平衡状态。所以孤立系统实现的平dS=0衡条件是：孤立。一个封闭系统不受环境影响时，其行为状态总是由非平衡态向平衡态发展，经过一定时期后形成静止的平衡态，它不再随时间的变化而变化，也不与外界发生联系，整个系统呈现出均匀、单一的特性。这是一种僵死、混乱、无序的状态。

7、在现实系统分析中，系统熵值越小，表明越有序，反之越无序。系统平衡时，熵值最大，系统最混乱无序。对孤立系统的熵增问题，普里高津提出了开放的热力学熵变公式：dS=dS+dSie（3）同时，根据耗散结构理论，要提高系统有序性就要控制系统熵增，一个必要的条件是，dS<0

8、dS

9、>dS系统向外界环境排出熵或从外界环境吸收负熵，即e，且满足ei。开放系统能与外界交换物质和能量，使其在不断地耗散能量（产生熵）的同时，又从外界更大的环境中得到能量（产生负熵）。正是这种非平衡态的热力学运动使系统不断优化。3.农业系统熵的引入从热

10、力学的观点出发，自然系统可分为两类，一类是热力学系统，另一类是非热力学系统，热力学系统一般是由大量的子系统所组成，如气体分子系统，辐射光子系统等等；非热力学系统是宏观的巨系统，如农业系统，生命系统，城市系统等等。对热力学系统的熵的研究已有较系统的理论，对非热力学系统的熵（广义熵）的研究由于系统的差异性和复杂性，尚没有确定的、统一的理论。虽然农业系统和热力学系统是两种完全不同的物质运动系