产业生态系统稳定性研究述评

1、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12000 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已有10

2、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。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

4、足部分；在非用电高峰的时候，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

5、弱现状。然而，这项工作由于不能在：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

6、了钒。结果是，Asnaesvaerket 火电厂改进其设备，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（ 2004）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

7、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（业务流程重组），结果切断了原有的、与上下游企 业之间的废料一一产品循环流动途径，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。IES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

8、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

9、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 IES 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：P =2 也冈,iy,j， （i , j =1,

10、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 通常表达了惟象系数。如果在线性系统中，希望系统达到外界嫡流引入量为零，那么就可以根据实际参数值，对P= 0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

11、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:H =-Ep,ilogp,i , （i=1, 2, 3n ）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

12、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 2.1 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

13、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。IES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，试图寻找其稳定性影响因素。理论研究进展综述R.Cote 和

14、Cohen-Rosenthal （1998）提出，可以通过吸引其他公司来填补生态位（小生境），来增加多样性，提高恢复力和稳定性16 ；然而，楼园、赵红等人（2001）根据生态学基本原理提出了不同的观点，认为IES 的稳定性随复杂性的增加而增加，然而到一定程度后，呈反向变化趋势11 ；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； 16Lowe et al. （ 1998）指出，公司利用彼此之间的副产品作为原材料，使得在一家企业倒闭时会出现供应不足或者市场风险17 ；Bringezu（ 2000

15、）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18 ；Anja-Katrin Fleig（ 2000）从规避IES 内部风险角度出发进行研究，认为企业之间依赖性带来系统复杂性，这种复杂性进一步造成：合作程度越高，彼此依赖程度越大，从而风险越大18 ；Sumita 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 19 ；G. Zilahy（2001）通过对8个高耗能企业进行的实证研究，显示影响企业群生态化运作的因素（见表1） 20 。表 1 企业群生态化运作影响因素，

16、G. ZilahyTab.1 Influencing factors for Eco-frims, G. Zilahy影响因素因子载荷 TOC o 1-5 h z 财政支持0.179高投入低产出0.214项目重视程度0.890人力资源问题0.107认知能力0.890市场条件0.360技术障碍0.540其他因素0.232总计1.000Morehouse H. M.（ 2002）提到由于不同等级的信息需要去收集、分析、综合，而且内部充满复杂性与不确定性，使得很多情况难以预测，“尽管美国有超过 40 个社区声称要建立生态工业园或网络，但由于信息系统难以满足作为决策支持工具的要求，导致进展缓慢” 21

17、 ；Catherine Hardy 和 Thomas E. Graedel （ 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22 ；Rose G. D.（ 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 23 ；Pauline Deutz et al.（ 2003）认为可以建立monthly workshops ，通过那种短期组合的工作组来适应那些 EIPs 工作内容中的临时部分，从而可以避免上、下游企业的人员变动频繁5 ；王灵梅等（2003）也提出，调节链的

18、存在对增加系统弹性，保证系统的稳定性是很必要的 6 ；王兆华博士论文（2003）指出，当前IES 尚不是一个真正意义上的“生态系统”，存在以下几方面的问题：一家企业废物未必能分离、有价值且数量充足运用完全于另一家企业；可用资源的不灵活性；原材料供应的不确定性；竞争企业间保密技术的泄露24;秦颖等（2003）以卡伦堡IES 内的下游企业必须刻意保持（修订）自身工艺技术参数，从而适应上游企业的特殊品质副产品为案例进行研究，认为 IES存在“技术迎合”风险25 ；Heeres R.R. 等（2003）通过比较研究，认为荷兰的EIPs 比美国运营更稳定的原因是政府干预少26 。研究进展评论通过上述的基

19、于产业生态学的有关IES 稳定性影响因素的研究进展综述，本文进一步结合企业联盟理论、生态学理论，作了深入的文献研究，从战略联盟稳定性和系统仿生学角度提取了更多可能的 IES 稳定性影响因素，并对这些影响因素从结构、技术、外部条件三个维度进行分类（见表2）。表 2 IES 稳定性影响因素研究进展Tab.2 The progress in the research of influencing factors of IES影响因 因素细分主要观点学术观点代表人物素纬度地理位置IES 自身所处地理位置对于招商、获得良好人力资源以及经济支持作用非常显著 Pauline Deutz et al.5成员距

20、离 系统内企业的本地化对EIPs 的稳定运营影响巨大Pauline Deutz et al.,5Lowe17核心组员 关键种企业. 对构筑企业共生体, 对生态工业园王灵梅等 6结生态链长度定构维行业多样性生态链的长短, 直接影响着IES（EIPs） 的稳王灵梅等 6, 肖忠东 8增加多样性, 可以提高恢复力和稳定性 ;中间协调交换组织的存在会极大地提高系统效率 ;Cote & Cohen-Rosenthal16度多样性越强,IES 对变化的外界环境的适应能力就越强 ;Kincaid et al.27,Pierre因也存在稳定性随复杂性的增加而增加到一定程度后 , 呈反向变化趋势的可能 Desr

21、ochers29,楼园等 28素相互依赖IES 内部企业彼此依赖程度越大, 风险越大Anja-Katrin Fleig18,Loweetal17系统关联度生态系统的稳定性很大程度上有赖于系统内部物种的相互联系程度（关联度 ）;IES 系 R. Cote4,Hardy & E.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Graedel22（ 转化、净化） “生态工程技术与传统工程技术之间的鸿沟”造成生态技术执行障碍;技技术充足某种废物或者副产品中含有一些无法再用的成分,对废物流转换、净化从而使其为成Gregory David Rose23,术 为可用原材料相关技术的缺乏是EIPs

22、实施的重要障碍Frosch20维技术革新 生态化企业技术都是高度嵌入生产过程的成熟技术;Ellen H. M. Moors et al.31,度然而 IES 系统内下游企业面对上游企业的技术参数变化存在“技术迎合”风险秦颖等 25因信息交换平台 由于信息系统难以满足作为决策支持工具的要求,使得 IES 进展缓慢 ;可以对各企业Holly Marie Morehouse21,素长期利用的物质交换中的物料输入、输出、废物流建立数据库Pauline Deutz et al.5技术机密壁垒公司对其废物持保密态度, 害怕竞争对手通过其副产品推测得到相关商业机密 Majumdar19, 王兆华 24政府支

23、持荷兰的 EIPs 比美国运营更稳定的原因是政府干预少R. R. Heeres et al.26市场变动作为特殊企业联盟,IES 的运作过程受到市场供需的极大影响 Chung-Jen Chen31外新能源新材料动的 IES 快速坍塌部公众压力处于一种相对的稳定状态条新能源新材料的出现有可能导致当前稳定闭环流James Scott Baldwin et al.9公众对环境状况和生态保护的要求可能使得IESJ. Scott Baldwin et al.9,Korhonen7件一旦某种物质被宣布成为有毒废物的话, 那么对其进行循环利用所面临的制度挑战非维法律制度常严格 ,IES 的原料供应必然发生变化 ;Baldwin J. S.