根据耗散结构形成和维持的4个条件,我们不难看出,生态系统是一个开放系统。
1)生态系统是一个开放系统。生态系统中,生物成分——植物、动物、微生物和人类,不断地与周围环境进行着物质和能量交换,太阳能是生态系统的能量源泉,太阳辐射的能量由具有叶绿素的绿色植物进行光合作用,而进入生态系统,由绿色植物组成的植被,吸收太阳能,把简单的无机物质合成复杂的有机物质,以高能化学键的形成在生态系统沿食物链逐级传递。在生态系统中,存在着物质和能量的储存库、交换库或循环库,氧、二氧化碳、水、氮、磷、钾……所有的元素在生物-非生物环境中不停地循环。例如,植物光合作用所产生的氧,暂时回到大气圈中,再为生物所利用,约2000年再循环一次。生物呼吸作用释放的二氧化碳进入大气圈中,再为植物所利用,大约经过300年再循环一次。整个水圈的水分经过生物的吸收、蒸腾和排泄,大约需要20亿年再循环一次。其他元素也不断地在生态系统的生物-非生物成分中不停地进行循环。
2)生态系统处于远离平衡的非线性区。任何物质系统都具有一定的结构和功能,不同的结构具有不同的功能。在孤立系统的平衡结构中,由于不是自组织系统,没有自我新陈代谢的能力,整个系统熵值趋向最高,最后导致结构的破坏,“死亡”是系统平衡的标志。生态系统是一个处于非平衡态的自组织系统。在生态系统中,丰富的生物种群,包括人类各自占据着一个生态位,按非线性规律逻辑斯蒂增长曲线进行着增长。相互间组成一定的生态关系,互相制约,彼此影响,生态系统的有序,是一种活的有序态,充满了生机。
3)生态系统同时具有非线性的动力学过程。生态系统中生命成分和环境压力之间,具有一种正负反馈的机制,生物种群的逻辑斯蒂增长方程
生态系统作为开放系统,通过吸收太阳能作为负熵流而存在和发展。在整个生态系统中又可根据不同的对象划分出多种不同属性的子系统,如人类社会生态系统、自然生态系统、农业生态系统、工业生态系统、城市生态系统等。耗散结构理论可用来解释和解决生态系统中的诸多现象和问题。这里仅以人类社会生态系统和自然生态系统为例。
若以自然生态系统为开放系统,设人类社会生态系统(外界环境)对自然生态系统输入的熵流为deSⅠ;若以人类社会生态系统为开放系统,设自然生态系统(外界环境)对人类社会生态系统输入的熵流为deSⅡ。若deSⅠ=deSⅡ< 0,对人和自然都是最完美的,就可建立稳定的、可持续发展的生态平衡,实现人与自然的和谐、共融。但事实上,现实中的情况并非如此,他们之间的相互作用被人为地变得更加复杂。虽然气候的异常变化、泥石流、地震、台风等自然灾害的发生对人类社会造成了一定程度的伤害,使这部分熵流为正,但总的说来,自然生态系统对人类社会生态系统输入的熵流deSⅡ< 0,因为自然生态系统就像是人类的能量物资储备库,支撑着人类一切的生产消费。相反,化石燃料的使用产生了温室效应、酸雨,过垦过牧导致土地的荒漠化,沙漠化,生物资源的过度使用引起物种快速消失,工业污染,滥施农药等,都是人类输入自然的正熵流,即deSⅠ> 0,这是生态系统实现有序的最大威胁。如果任其发展,不加以控制,会加速自然生态系统的熵增,而更快速地趋于“死亡”,当死亡的系统再不能向人类社会生态系统提供负熵,甚至提供大于零的deSⅠ时,人类社会生态系统最终也只能趋于“死亡”。
从以上分析不难看出,现实中deSⅡ<0 而deSⅠ>0,那么自然生态系统还能承受多久正熵流的输入?deSⅡ<0 还能持续多久?人类加强对自然生态系统的保护,以恢复当初完美的deSⅠ=deSⅡ<0 的状态刻不容缓!