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产业生态系统及其资源生态管理理论研究

来源:用户上传      作者: 施晓清

  摘要 产业资源生态管理是产业可持续发展的重要保障。也是循环经济领域的前沿热点问题。在全面分析当前国内外相关研究的基础上。运用系统论和生态学原理,阐明了产业生态系统是由企业及其消费群体与其支撑环境构成的一个具有自调节能力的自组织系统。深入剖析了产业生态系统的结构及功能特征,系统分析了产业生态系统中产业群体(生产者、消费者和分解者)及环境要素(生物、非生物、物质资源)的组成。产业生态系统具有以资源供求为关系的资源网结构,在种类和数量上具有时间和空间动态变化的特征:市场需求和政策直接影响产业群的种类和规模;分解者的功能是将废弃物收集、分类、再资源化以及无害化处理排放。指出了传统产业系统资源管理中条块分割,产业生态系统资源网不完善以及分解者功能欠缺等弊端。论述了产业资源生态管理应遵循的原则。系统阐述了产业资源流动的生态网络构架。提出了基于循环共生网络系统的资源开采、利用和废弃物排放整体生态管理的新模式,为循环经济的实现提供了一条资源可持续管理的新途径。
  关键词 产业;生态系统;生态管理;循环;共生
  中图分类号F205 文献标识码A 文章编号1002-2104(2010)06-0080-07
  
  追求社会发展和文明是人类永恒的主题。在人类文明不断发展的漫漫长河中,人类通过生产活动和生活活动与自然生态系统不断发生着物质和能量的交换。通过这种相互作用,人类社会从原始文明,历经农业文明,发展到工业文明。每一个文明阶段人类社会都在经济和社会发展中发生了质的飞跃,人类获得了前所未有的物质的享受和便利舒适的生活条件。但与此同时,自然生态系统由此受到的扰动已使之不堪重负。
  从生态学的角度来审视人类生产活动,其实质上可视为产业生态系统的发展。相比较自然生态系统的发展,同样是从自然环境中获取资源,但为什么自然生态系统能得到和谐可持续的发展?而产业生态系统却面临严重的生态环境问题?人类开始反思产业系统资源利用的模式问题。资源代谢在时间和空间尺度上的阻滞或耗竭是造成严重生态环境问题的主要原因。传统的高投入、高消耗、低效率、难循环、不协调、高污染的产业发展模式已不适应人类可持续发展的要求。如何建立新的产业资源管理模式,使资源得到合理开发、循环和利用,是人类社会发展面临的重大课题。论文在分析国内外产业生态系统资源管理研究的基础上,运用系统论以及生态学原理等,阐明了产业生态系统的内涵,深入剖析了其资源流的特征和结构,系统分析了传统产业生态系统资源管理的弊端,借鉴自然生态系统资源流动的模式,系统阐述了产业资源流动的生态网络构架,提出了基于循环共生网络系统的产业生态系统资源生态管理的新模式。
  
  1 产业资源生态管理研究基础
  
  1935年英国植物学家Tensley提出的生态系统的概念,为产业生态系统的管理和发展奠定了理论基础。他认为自然生态系统是一个由生产者、消费者和分解者组成的具有自调节功能的自组织复合有机体。这样的有机体各子系统经过长期的协同作用,通过生产者、消费者和分解者构成复杂但高效的食物网,物质和能量在这个系统能得到有效利用和流动,保障了系统健康持续的发展。1989年,通用汽车公司的科学家Frosch和Gallopoulost首次提出并分析了产业生态系统的概念,指出传统产业系统可向自然生态系统学习,并可以建立类似自然生态系统的产业生态系统。在这样的系统中,每个企业通过物质流和能量流都与相关企业相互依存、相互联系,从而构成了一个协调的复合大系统。通过资源的合理循环利用,减少工业系统的发展对生态环境的影响。他们的研究为产业资源的生态管理和发展奠定了理论基础。
  早在20世纪50、60年代针对产业发展带来的严重的生态环境问题,许多科学工作者开始思考产业系统资源生态管理的问题。早期的产业资源管理研究是从产业资源流代谢分析的角度而展开的,主要从城市代谢与污染物路径分析两方面展开。1965年Abel Wolmzn发表了第一篇有关城市代谢的文章,揭示了城市物质代谢引发的环境问题。1970年Newcombe等研究了香港城市的物质代谢,分析了城市发展的物质消耗对资源和环境的影响。1997年Ktinig重新对香港城市的代谢进行了分析,通过比较得出1997年的物质消耗比较1970年增加了149%。1972年Huntzicker等对洛杉矶地区汽车排铅的物质平衡进行了研究,分析了该地区汽车排铅主要的源、路径和汇。1985年Ayres等研究了Hudson-Raritan流域从1885~1985年100年间的重金属元素的源、路径和汇。1976年Rauhut对美国矿物清单进行了分析。1989年Ayres提出产业代谢的分析,目的是通过物质减量化和物质循环协调经济发展和资源环境保护的关系。为分析资源进入经济消费系统后的路径和特征,Baccini和Brunner在1991年提出了物质流和元素流的分析框架。20世纪90年代,德国WuppertaI研究所又提出了物质流帐户体系(MFA),它提供了定量测度经济系统运行中物质使用量的基本工具。2001年欧盟制定了一个分析国家层面物质流的方法指南。我国学者在资源流分析和管理方面也进行了积极的探讨。
  
  当前产业资源管理的研究以物质流分析为基础结合生命周期评价与投入产出分析在各层次都展开了广泛的研究。从尺度上分为国家、区域、城市、开发区。在国家层面上研究侧重于国家经济一环境系统的物质流总量的输入输出分析,以及国家物质流帐户的研究。在区域尺度上侧重于物质的输入和输出以及基于物质流分析的区域生态环境影响分析。在城市尺度上侧重城市代谢、物质流帐户及其生态环境影响和生态调控分析。在生态园区的尺度上主要侧重产业的物质流动分析。
  从研究内容上分可分为:理论研究与应用研究。其中理论研究主要有物质流分析方法与投入一产出分析模型的研究;生命周期评价方法的研究;工业共生网络运作模式的研究。应用研究又包括建筑、半导体、水泥及啤酒等行业物质流分析。企业物质流分析,金属元素物质流分析,以及非金属元素物质流分析。
  通过分析已有研究成果可以显见,在产业资源管理中资源流分析方法的研究、资源流的物质量及其生态环境影响分析上取得了不少的成果。但对资源生态管理模式的研究还处于起步阶段。如何运用生态学原理改变传统资源流结构,通过生态重组和设计形成新的循环共生模式,建立产业生态系统资源生态管理机制,从而促进产业资源有效利用和减少废弃物的生态环境影响是当今急需研究的重要科学问题。这也是本论文的研究目的。
  
  
  2 传统产业资源管理
  
  产业资源管理是产业生态系统可持续发展的重要保障,传统的管理方式是以经济效益为主要目标的资源开发一资源使用一废弃物排放三部分分割式的管理模式。资源开发主要为经济发展提供需要的原材料,由原料管理

部门管理;资源使用主要由产品生产企业生产市场需求的产品,从而获得高额利润,由产业和消费品等方面部门管理。废弃物排放是将生产中废弃物排向自然生态系统的过程,由环境保护部门管理。因此三方面根据各自的目的进行资源的分配,分别由不同的管理部门进行管理,同时三个方面又通过资源流相互联系。由于资源开采和使用中忽视自然生态系统资源的有限性和环境容量的限制,管理目标不同导致三方面的管理难以协调,在管理中造成三方面问题:①在资源获取时因过度开采造成生态环境的退化,例如对森林资源的过度砍伐,导致森林的面积缩减,生物多样性锐减,严重的水土流失,森林的服务功能(如调节气候,净化空气等)丧失。根据统计,世界郁闭森林面积1978~2000年从25.6×108 hm2减少到21.2×10hm2。严重影响了资源的可持续利用。②资源利用时因不合理使用导致利用效率低下造成大量浪费,例如,我国的单位资源的产出水平相当于美国的1/10,日本的1/20,德国的1/6;我国每吨标准煤的产出效率为美国的28.6%,欧盟的16.8%,日本的10.3%。资源利用效率低下不仅造成资源短缺,还造成废弃物的大量产生增加对自然生态环境的胁迫。③在废弃物排放时因大量排放导致环境管理效率低下,污染物排放超出环境容量并伴有大量的有毒有害物质而导致严重的环境污染和生态破坏,并对人类健康造成危害。据统计,1980年人类活动就已使铅、砷、铬等有害金属向环境的排放超出了天然活动的排放。导致严重的生态环境问题。因此,传统的产业资源管理模式严重阻碍了城市生态系统的可持续发展。
  
  3 产业生态系统
  
  3.1 产业生态系统的内涵
  生态学认为生态系统是指在一定时间和空间范围内,由生物群落及其环境组成的一个整体,该整体具有一定的大小和结构,各成员借助能量流动、物质循环和信息传递而相互联系、相互影响、相互依存,并形成具有自组织和自调节功能的复合体。自然生态系统经过长期的进化和演替,生物群落与其环境形成了一个协调持续发展的整体。通过生产者、消费者和分解者组成的食物网,物质得到高效循环利用。因此,从整个系统来看,没有废弃物的压力,使系统能得到和谐可持续发展。
  根据生态学原理,当前产业生态系统可视为一个特殊的生态系统,是在一定时间和空间范围内,由产业群体与其支撑环境组成的一个整体,这个整体也是具有一定的大小和结构,各成员通过物质、能量及资金的流动及信息的传递相互关联构成了一个具有自组织和自调节功能的复合体。其结构由产业群体及其环境组成(见图1),其中产业群体主要有生产者、消费者、分解者。环境要素主要由生物环境、非生物环境,物质资源组成。其中生产者主要包括:资源开发企业,原料生产企业,原料生产农场;消费者主要包括:产品生产企业、供应商、销售商、单位消费体、个体消费体等;分解者主要包括:废品收购站、废品分类厂、废品加工厂,垃圾处理厂。生物要素主要包括:动物,植物,微生物;非生物要素:气候(光、温度、降水、风等),市场(参与者、价格、资金、交易场所等),管理(管理部门,政策,法规,司法等);支撑(网络信息,交通等);物质资源:能源(化石燃料,太阳能,风能,水能,生物能,潮汐能等),矿物(自然元素矿,化合物矿),其他(森林,农产品,固定资产)。
  3.2 产业生态系统的结构特征
  产业生态系统的结构具有明显的空间结构、时间结构及资源结构特征。随着时间的变化,产业群在空间和资源结构上都可能发生变化。空间结构主要有聚集和分散,有的聚集在一个产业园区中,有的分散在不同的区域,通过交通运输联系。从时间结构分析,随着时间的变化产业生态系统也作相应的调整,短期引起企业产品的变化,如随着季节的变化产品种类也发生变化等。长期引起产业群组成或性质(产业结构调整)的变化,如我国“十一五”规划中明确指出产业结构将向“高新技术、创新企业和环保节能型产业”发展。从资源结构分析,由于不同社会经济功能形成了不同的产业结构,根据国际标准产业分类(ISIC),共分17个部门和99个行业。我国有三次产业的划分:农业(种植、林业、牧业、渔业)、工业(制造、电力、供水、建筑)、其他(流通和服务)。在这些不同的产业中资源结构具有独特的资源链及资源网的特征。而且越是生态环境友好的产业其资源链越完整并且资源网络特性越突出。如广西贵糖集团模式中的甘蔗一纸浆一造纸以及制糖一发电一水泥等资源链结构,以及由各资源链构成的由制糖厂为核心企业由化肥厂、酿酒厂、发电厂、水泥厂、养鱼厂、纸浆厂、造纸厂共同组成的一个资源生态网络结构。
  
  在资源生态网结构中共生是一个重要的影响因素。共生机制是构建产业生态系统的基础,它决定了生态产业群的结构。美国耶鲁大学chertow教授通过分析资源共生机制将生态产业群分成五类:①以废物交换为基础构成的生态产业群;②在同一个企业内通过资源交换构成的生态产业群;③在一个工业园区通过资源交换构成的生态产业群;④不同园区通过资源交换构成的生态产业群;⑤通过虚拟网络构建的生态产业群。我国学者王兆华等提出了生态工业园中产业共生网络的运作模式:①以一个或多个企业为核心的依托型模式(如广西贵糖集团模式,丹麦卡伦堡生态工业园模式);②平等型模式(加拿大波恩赛德工业园);③依托型与平等型混合模式(奥地利Styria生态工业园模式);④虚拟网络模式(美国布朗斯维尔生态工业园和北卡罗莱纳州三角研究园)。
  由于产业生态系统的发展是一个动态发展的过程,例如,生态产业园的稳定性受市场、消费者、政策等因素的影响,根据热力学定律,孤立系统如果不可逆则熵是逐渐增大的,最终导致系统趋向瓦解。因此,任何一种孤立的模式都难以持续,论文认为资源生态管理需要引导产业构建对外开放的,保持系统负熵递增的发展模式,构建以网络为依托的由资源循环共生及多模式并存的产业资源循环共生网络机制。
  3.3 产业生态系统的功能及资源流
  根据生态学原理,产业生态系统的主要功能也可从生产者功能、消费者功能和分解者功能三部分功能来分析。通过物质、能量及资金流动以及信息传递,三方面功能形成有机整体。其资源流是实现这些功能的命脉(见图2)。生产者功能主要是利用自然资源生产消费者需要的各种原料,这些原料产品是围绕消费市场来生产的,在种类和数量上具有时间和空间动态变化的特征。消费者的层次主要分四层:产品生产企业,供应商、销售商、单位和个体消费者。初级消费者(产品生产企业)的功能是将原料加工成产品,提供给下一级消费层使用,起到了对原料的再加工作用和物质资源的传递作用。其中,在企业共生体中,企业与企业的消费联系主要是通过产品或副产品的利用,即上游企业的产品或副产品成为下游企业的原料。消费级主要由上下级的个数决定。另外,消费者的需求直接

影响企业群的种类和规模。分解者的功能是将生产者和消费者的废弃物收集、分类、再资源化、无害化处理排放。使得整个系统的废弃物得到资源化和无害化处理,减弱系统排放对生态环境的胁迫。
  产业生态系统传统的发展是以经济利益最大化为核心的,忽视自然生态系统的支撑能力和发展。在资源管理上,资源的获取和废弃物的排放是分割的,系统没有形成废弃物质资源化的物质循环机制。通过功能分析,可得在传统产业生态系统中资源链和资源网还不完善,且分解者的功能未能良好发挥。这导致了整个系统资源流的不合理性而引发的生态环境问题。因此,传统的资源管理模式造成了严重的生态环境胁迫而阻碍了城市的可持续发展,急需管理模式上的创新。
  
  4 产业资源生态管理的内涵与原则
  
  传统产业资源的管理由于偏重于资源的经济和社会效益而忽视资源的生态效益,只注重资源的经济成本而无视资源的生态成本,片面强调过程末端的环境管理而忽视系统的生态管理,导致资源开发、生产、利用和排放等管理部门因条块分割而低效,不仅浪费了大量的资源而且还造成了严重的生态环境破坏。产业资源生态管理是解决当今产业资源管理问题的有效途径。
  产业资源生态管理的内涵就是在系统观的指导下,运用系统工程理论和生态学原理为产业生态系统资源流的生态重组和生态设计,促进生态产业循环链为基础的产业资源共生网络机制的形成提供管理方法和政策保障,实现产业资源开发的经济效益、社会效益和生态效益的协调统一。为此,产业资源生态管理需要遵循如下原则:
  (1)整体性原则:产业资源管理系统是由资源开发、资源利用、废弃物排放三方面组成的一个大系统,在管理上要以系统分析的原理和方法为指导,注重三方面的利益与自然生态环境的协调统一。
  (2)协调共生原则:产业生态系统各子系统之间和各生态要素之间相互影响、相互制约,不仅影响到系统的稳定性,而且直接关系到系统的结构和整体功能的发挥。因此,在产业资源管理中必须遵循协调共生的原则。共生是不同种类的子系统合作共存、互惠互利的现象,在产业生态系统中,指正确利用不同产业和部门之间互惠互利、合作共存的关系,合理的产业结构的调整和生产力的合理布局。其结果是所有共生者都大大节约了原材料、能量、资金和运输量,系统获得了多重效益。协调共生就是要保持各利益相关部门的有序、协调和合理组织,使系统效益最优。
  (3)反馈原则:系统发展一般都受两种机制控制,一是正反馈,它导致系统的无止境增长;另一种是负反馈,它使系统不断衰退。正负反馈作用相当时,系统维持在稳态或附近,一般来讲,系统发展的初期正反馈占优势,在晚期则负反馈占优势。在产业资源管理中需要不断增强正反馈,修正负反馈,使系统向良性的方向发展。
  (4)循环原则:物质的循环是自然生态系统的基本功能。自然生态系统在长期的生态演替中形成了高效稳定的循环体系,保障了系统的健康发展。产业资源的生态管理就是要构建资源流在整个系统中的良性循环,使产业生态系统与自然环境系统能得到协调发展。
  (5)和谐发展原则:发展是一种渐近的、有序的系统发育和功能完善的过程。系统演替的目标在于功能的完善,而非结构或组分的增长;系统和谐发展原则就是保持经济效益、社会效益和生态效益的协调统一。
  
  5 产业资源生态管理模式
  
  5.1 产业资源生态网络
  产业生态系统资源流具有明显的网络结构特征,良好的网络结构是保障资源有效合理利用的基础。产业资源生态管理的核心是运用生态学原理,借鉴自然生态系统物质流动规律,构建支持产业资源合理高效循环利用并且企业和谐共生的生态网络管理机制。这样的生态网络主要有虚拟资源网络和现实资源网络构成(见图3)。虚拟资源网络指信息传递处理网络,是建立在互联网基础上的资源流动信息传递处理的网络。现实资源网络指现实产业资源流动网络。整个生态共生网络主要包括网络资源、网络硬件和网络软件构成。
  网络资源:产业资源生态网络中的网络资源主要由自然资源、能源、信息、产品和废弃物等构成。其中自然资源主要是指产业生产中需要的各种资源,如各种矿物和生物资源;能源主要包括产业生产中所需要的各种能源,如各种清洁能源、化石能源等;信息主要包括原材料和能源信息、产品信息、再生物质信息、废弃物信息、技术信息、生态环境信息以及相关的政策法规信息等。产品主要包括产业生产的各种产品。废弃物主要包括各生产中产生的各种废弃物。
  网络硬件:网络硬件主要包括支持网络资源流动的各种设备和设施。主要包括计算机网络硬件设备、资源交易支持硬件设备、资源贮备设备、资源运输设备等。其中,计算机网络硬件设备和资源交易支持硬件设备是支持虚拟网络的硬件设备;资源储备和资源运输设备是支持现实网络(实物资源网络)的资源流动的硬件设备。
  网络软件:网络软件指管理者、调控网络运行的管理机制、方法和系统,以及支持虚拟网络运行的计算机软件。其中,管理者及管理机制和方法是整个网络的核心决定了管理的质量和效率,虚拟网络软件起到辅助提高管理效率的作用。
  
  5.2 产业资源生态管理机制
  产业资源生态管理机制其实质就是一种保障资源良性循环及企业共生的生态网络机制。构建的目的是促进产业在传统的产业链基础上利用共生和循环设计进行产业链的生态重组,或者构建新的生态产业网,通过提高资源的使用效率、使用清洁能源和废弃物的循环利用实现产业资源的生态化管理,促进经济与环境的协调发展。
  产业资源生态管理机制主要通过促进建立基于循环共生的生态网络的管理来实现(见图4)。即对原有的三个方面的产业结构进行生态重组和生态管理,对三个方面新建设的产业进行生态设计和生态管理。如资源开发生态管理:围绕如何提高资源的开采效率,减少对资源开采区的生态环境破坏,对现有的资源开发产业进行生态重组,对新的资源开发产业要求生态设计。资源利用生态管理:围绕如何提高资源利用的效率,鼓励使用可再生资源,减少不可再生资源的使用,降低单位产品资源和能源的消耗进行管理。废弃物的生态管理:在生态管理中废弃物应视为待利用的资源,在系统中提供一个废弃物再利用的平台,使废弃物得到循环利用,减少废弃物排放量,并实现无害化排放。
  管理方法主要是通过建立在虚拟网络基础上的资源循环-企业共生系统进行管理(见图5),主要包括:资源开发共生平台、资源利用共生平台、废弃物平台、评价及生态管理平台。资源开发共生平台主要提供对资源开发利用的强度、速度和广度进行信息化生态管理服务,使资源开发符合资源可持续利用的要求;资源利用共生平台主要提供促进产业向资源循环共生模式转型的生态管理服务;废弃物循环利用交易平台主要提供废弃物资源化和无害化生态管理服务;评价及生态管理平台主要通过物质流分析、生命周期评价及投入产出分析等手段对运行中的产业群进行时时动态评价并提出相应的调整策略。通过产业资源的生态管理,企业将积极利用效率高环境友好型技术进行生产,废弃物将得到最大限度的资源化利用和达标排放,产业资源管理将建立循环共生机制。促进产业生态系统与自然生态系统的协调发展。
  
  6 结论
  
  产业资源生态管理是面向产业资源可持续利用实现循环经济的重要支撑。本论文运用生态学原理剖析了产业生态系统的结构和功能特征,通过系统分析传统产业资源流动的模式,指出当前产业资源管理的主要问题是管理部门的条块分割及产业物质资源的单向链式流动导致资源利用效率低下等问题。阐明产业资源生态管理的核心就是构建资源循环链为基础的资源循环一产业共生的生态网络机制,实现资源开发利用的经济效益、社会效益和生态环境效益的协调统一。阐明了产业资源循环共生网络由虚拟资源网络和现实资源网络构成,提出了基于资源开发循环共生管理、资源利用循环共生管理、废弃物交易管理、评价及生态管理构成的产业资源生态管理模式。为缓解当前产业资源利用与生态环境保护之间的矛盾,促进循环经济的发展提供了一种科学的资源管理方法。后续的工作将在具体的管理方法和系统的实现等方面开展深入细致的研究。
  
  (编辑:刘呈庆)


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