基于生态学原理的区域基础设施系统可持续性研究时间： 2016-07-02信息来源：邵志国 韩传峰 刘亮　作者：hjr_admin　责编：

    　【摘要】基础设施系统可持续性是区域发展问题研究的重点领域之一。界定区域基础设施系统的内涵，分析其结构层次与生态功能，解析区域基础设施系统的运行模式。从系统本质、系统目标、物质能量循环方式，以及生产者—消费者—分解者空间分布与作用等方面，明晰区域基础设施系统运行模式的特征。应用生态工程方法，提出区域基础设施系统可持续生态设计的方向、原则和机制等。研究成果可为区域基础设施规划、设计、建设、运营与维护提供理论支持，助力经济社会可持续发展。
    　【关键词】基础设施系统；生态系统；生态工程；可持续发展；生态学
    　【中图分类号】F294  【文献标识码】A
    　【文章编号】1006－3862（2015）01－0072－07
    　基金项目：国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目（91224003；91024023）
 
    　0 引言
 
　    基础设施由诸多子系统构成，包括信息通讯、电力、油气储运、银行金融、交通运输、给排水、应急服务和政府服务等8类，是维系区域经济社会发展的物质基础^[1—4]。基础设施系统可持续发展，是将经济、社会和环境要素纳入基础设施系统活动中，确保基础设施功能有效发挥，保证三要素全面发展^[5]。已有研究注重基础设施系统由“增长”向“可持续”转变中指标体系的设计与构建^[6—9]，侧重制度约束、政策创新和环境保护方面^[10]，以及微观工程技术领域^[11]，难以全面表达和描述系统中物质与能量流动的状态和趋势。Sahely^[12]认为，应将基础设施统一到更大范围的系统内，建立描述基础设施系统与经济社会环境物质能量信息交换的框架，并研究区域基础设施系统的结构、功能、效益及其动力平衡机制。
 
    　生态学主要研究特定区域内不同族群的相互作用、生物族群受环境影响等问题，涉及地球表面生命、环境和社会各系统，分四个研究领域：种群的自然调节（种群）、物种间相互依赖与制约（群落）、物质循环再生（生态系统）和生物与环境的交互作用（人与环境的关系）。生物分布在个体、种群和群落三个层次，个体组成种群，种群构成群落，群落不同生物间依赖食物链进行能量流动。作为一种方法论，生态学具有严谨的理论基础，以及自然科学与人文科学交叉的学科特点。生态学研究对象的时空尺度不断拓展，从自然生态系统向自然社会经济复合系统转变，已广泛应用于多学科领域，用以解释特定环境下系统要素间交互影响的生态问题，如商业系统、产业系统^[13]和经济系统^[14]等。
 
    　生态系统具有自我适应、自我组织的结构和功能，这正是基础设施系统可持续发展的目标。本文将生态学原理与基础设施系统可持续性研究相结合，探讨区域基础设施系统的生态系统特征，为区域基础设施系统可持续性研究提供新的思路和方法。提出区域基础设施系统可持续生态工程，保障区域基础设施在规划、设计、建设、运营与维护的全过程中，与社会环境和自然环境保持动态平衡，创新基础设施开发与管理理论，助力经济社会可持续发展。
 
    　1 区域基础设施系统的生态系统特征
 
    　生态系统是“一定时空内的生物和非生物，通过物质循环、能量流动和信息交换而相互作用、相互依存所构成的生态学功能单位”^[15]。系统内部各要素在特定环境下，相互联系、相互作用，构成寄生、共生、互生等“竞争”与“互助”的复杂关系，体现为生态系统结构和功能的多样性、自组织性和高度有序性。生态系统以自然过程为主导，没有或少有人为干预。
 
    　区域基础设施系统是在一定区域内，由人类设计、建设和管理的基础设施构成的有机整体^[16]，通过与外部环境的相互作用维持稳定运行。生态系统的诸多特征，如个体、种群、群落及其与环境的相互作用，以及物质和能量流动规律等，均存在于区域基础设施系统中。①区域基础设施系统中的物质能量来自自然生态系统，系统内部以物质和能量流动作为基本架构，与外界有着物质和能量的密切联系，且表现出个体、种群、群落的层次特性；②时间维度上，区域基础设施系统是进化系统。在演替和进化过程中，系统对环境的控制增强、内部稳定性加大，总体趋势是系统复杂性和有序性的增加；③资源供应上，系统组分在有限资源供应上具有竞争性。在资源供应不足等受迫情况下，系统发生自组织演化，内部组分之间由初始的线性关系发展为错综复杂的网状关系。基础设施建设运营过程需要大量物质材料组成设施实体，因物质难以被完全利用，必然产生大量废弃物；④区域基础设施系统的规划、设计、建设、运营与维护等均依赖人的管理，具有生命特征，能量按照人类的需求流动，与物质材料构成设施实体，形成复杂的人工生态系统。区域基础设施系统生态，见图1。
   
    　1.1 区域基础设施系统的生态组分
 
    　区域基础设施系统是基础设施个体、种群和群落与环境相互作用的有机整体。基础设施个体指单个基础设施，是区域基础设施系统的基本组成元素；基础设施种群指同时空存在的同类基础设施个体组成的系统，由个体通过衍生、迁移、扩散而不断聚集，进行物质、能量的交换与共享，依据具体目标实现相互协作；不同种群间也有物质能量转移，最终形成基础设施群落。基础设施个体、种群与群落时刻处于演进状态，具有相对性和历史交替性。在种群内部，存在着复杂的种群关系与演替特性，若干个体经过高效物质能量转移可进化成新种群，实现独立发展。随着时间推移和经验累积，一个种群经过长期的成长与演化，也可具备群落特征，甚至演变成新群落。
 
    　区域基础设施系统的生命角色有生产者、消费者和分解者三种，分别由不同种类的基础设施种群充当。基于以上分析，区域基础设施系统的生态系统特征，见表1。
 
   
    　1.2 区域基础设施系统的结构层次与生态功能
 
    　基于生态学与系统科学理论^[17]，从系统内部各组成部分在时空上的有机联系或相互作用方式，分析区域基础设施系统的结构层次与生态功能。区域基础设施系统结构层次，指由要素复杂交互形成的不同层次的基础设施个体、种群、群落和生态圈^[18—19]，见图2。区域基础设施系统各组分的活动与生态环境密切相关，不同层次上功能的发挥依赖并影响着区域经济、社会和生态系统。
   
    　区域基础设施系统生态功能，指系统在与外界的能量流动、物质循环中的作用，包含基本功能和动态功能。基本功能包含生产服务功能和还原功能，见图3。生产服务功能是区域基础设施的主要功能，核心是为满足经济社会可持续发展的需要。还原功能指基础设施进行生产和消费等活动的同时，将使用和改造过的物质及各种废弃物排入自然界，参与自然界的物质循环和能量交换。动态功能包含物质循环、能量转化等，存在于区域基础设施系统运行的全过程。
   
    　区域基础设施系统中蕴含的“生态”含义，就是向生态系统学习，据此建立区域基础设施系统的运行模式^[20]，见图4。宏观上看，区域基础设施系统可持续是指在一定的时空范围内，基础设施生产者、消费者和分解者与经济、社会和生态环境，通过物质、能量和信息流动而相互作用、彼此依存的持续发展的过程。
   
   　 区域基础设施系统的生产者、消费者和分解者承担不同功能，处于不同生态位。基础设施生产者利用自然资源、再利用资源和投资等，生产知识和服务等产品，供消费者使用；基础设施消费者主要指基础设施产品用户种群，能够促进公共消费与区域发展；基础设施分解者主要指从事资源回收再利用和最终处置的环保基础设施，主要对消费中产生的废弃物进行分解，完成废物治理与资源回收。基础设施生产者、消费者与分解者相互作用，促进区域的不断发展，使得区域人口增长、功能增强和服务提升。同时，通过税收、外部能源与资金的输入，推动经济、社会和生态环境可持续发展。
 
    　2.4 区域基础设施系统运行模式的特征
 
    　区域基础设施系统具有生态特性，运行模式的特征主要体现在系统本质与目标、物质能量循环方式、组分分布与作用和竞争链等方面。区域基础设施系统运行模式的特征，见表2。
   
　　（1）系统本质与目标。区域基础设施系统能够按照环境的变化，调整自身使得其行为在已改变的环境下达到最优，其本质为复杂自适应系统，存在和演化的目标是系统效益与稳定性的提升。
 
    　（2）物质能量循环方式。传统观点认为，基础设施的规划、设计、建设、运营和维护涉及提取原料、加工产品、提供服务和产生废物，资源的逐步投入会随之产生大量废物，且输出端与输入端之间不存在反馈，系统输出对系统控制没有影响，是一种开环的运行方式^[4]，见图5。但是，区域基础设施系统中，生产者、消费者和分解者构成物质能量循环，根据结果反馈不断修正、控制输入，形成一个自我稳定系统，通过一定物质与能量输入，维持三者间一定程度的无限循环，属闭环方式。开环模式结构简单，但无法消除干扰所带来的误差，并可能产生大量废弃物。闭环方式增加了系统复杂性，具有消除偏差、抑制干扰的能力，是一个复合控制系统。
   
　　（3）组分分布与作用。区域基础设施系统中，生产者和分解者在空间上的接近和功能上的匹配，减少了物质转移的能量消耗，有利于快速调整，使得再循环和可持续变得容易。从能量循环上看，系统中分解者将绝大多数的物质还给生产者，分解者在物质循环中占据主导地位，发达的分解作用保障了物质循环过程的顺利实现。
 
　　（4）竞争链。区域基础设施系统中，基础设施间存在种内竞争和种间竞争，前者包括争夺竞争、分摊竞争等，后者包括捕食、寄生、互利共生等。不同的竞争形成的网络关系称为竞争链。
 
    　2 区域基础设施系统可持续生态工程
 
    　生态工程（Ecological Engineering）是生态系统可持续发展的重要手段^[21—22]。自然生态系统中，生物因长期进化和不断适应，建立了相互依赖和制约的食物链关系。生物间依生活习性形成了分工明确、分级利用自然资源的特点，使得自然生态系统保持相对稳定的状态，持续利用物质，具有良好的可持续发展能力。将自然生态系统中这种高经济效能的结构原理，应用于人工生态系统的实践已经展开，城乡基础设施建设中出现了多种生态工程雏形，如工业城市废物再生利用工程、区域污水多功能自净系统等。
 
    　区域基础设施系统生态工程指应用生物群落内不同物种共生、物质与能量多级利用、环境自净和物质循环再生等原理，结合系统工程的最优化方法，遵循共生、适应、进化和物质交换规律，对区域基础设施系统进行规划、设计、建设、运营、维护和治理的综合技术体系和工艺活动过程。目标是实现资源的多层次和循环利用，促进自然与人工系统的良性循环，使区域基础设施系统与经济、社会和自然环境保持动态平衡与协调发展，实现经济与环境效益的同步发展^[23]。基础设施是人类意识活动的成果，需要人工调控与自适应相耦合的方式运行。提升区域基础设施系统的可持续性，需要对系统进行生态设计，提出设计的方向、原则和机制。
 
    　2.1 区域基础设施系统生态设计的方向
 
    　一般基础设施工程是基于固定目标而进行的标准化设计，往往缺少灵活性，且对环境考虑较少。向生态系统学习的重要基础工作，是把资源的再循环程度、基础设施的生产力视作与利润或经济产值同等重要的目标，重新思考和定位区域基础设施系统的发展目标。区域基础设施系统在资源循环利用上的高效，成为实现闭环的基础。区域基础设施系统生产者—消费者—分解者闭环运行方式，见图6。一方面，在区域基础设施系统的全生命期中，通过维修、更新、改造和减量化等系列措施，高效发挥基础设施作用，减少资源的使用和废弃物的排放；另一方面，加强基础设施系统分解者及相关组织的功能和规模，以促进资源的再利用与再循环。
   
    　2.2 区域基础设施系统生态设计的原则
 　
    　区域基础设施系统生态工程的关键是确定设计原则。生态工程基本原理以“整体、协调、循环、再生”为核心^[24]，按照生态控制论，生态工程调控包括开拓适应、竞争共生、循环再生、连锁反馈、结构功能、多样性、主导性和最小风险等八条设计原则^[25]。基于此，区域基础设施系统生态设计的原则应包括：①竞争共生原则。基础设施种群间通过物质、能量交换进行流通，基础设施种群内部不同个体间则处于相互竞争或互补共生关系；②结构功能设计原则。通过加环（减耗环与生产环等）措施，将环与环相联系或基础设施种群横向耦合，促进资源的共享、分层多级利用；③多样性主导原则，设计不同区域基础设施系统的文字符号、知识资源、规章制度与习俗习惯等社会环境，通过规范基础设施种群内部个体的竞争行为和种群间的交换、交易行为，使其达到规则有序。
 
    　2.3 区域基础设施系统生态设计的机制
 
    　区域基础设施系统由各类工程主体、经济社会生态和人等相互联系的要素构成。人类作为系统的服务对象和调控者，其行为决定了整个系统的运行状态^[26]。人类的“偏好性”行为则是推动区域基础设施系统运行的内在动力，组织这一生态关系的制度安排一般有市场机制和政府规划两种。一方面，对于那些不具有“外部性”的基础设施活动，通过市场机制进行组织安排较有效率，且市场机制一旦作用，就会通过价格信号和竞争机制等使基础设施系统达到动态平衡，成为具有调节机能的自组织系统；另一方面，由于基础设施活动的社会公益性，可能出现“市场失灵”现象，此时不能完全依靠市场来调节生态关系，且全球化使得区域基础设施系统易受到外部冲击，需要政府通过税收优惠和资金投入等调控手段，对系统不平衡的部分加以调节。
 
　    3 结论
 
　　区域基础设施系统是复杂的人工生态系统，遵循着自然生态系统的一般演化规律。基于生态学原理的区域基础设施系统研究，强调从生态学角度认识基础设施系统的作用及其对人居环境的影响，是生态学原理在区域发展过程中的具体应用。生态学的非线性思维模式和整体性理论，为解决区域基础设施系统与社会系统、自然系统的协调问题提供了理论基础和新的思维方式。基于生态学原理的区域基础设施系统可持续性研究，用生态语言描绘和解释物质、能量和信息流动，以及由其引发的经济、社会、环境现象，是一种崭新的研究思路，可为解决中国区域基础设施规划、设计、建设、运营和维护过程中的困境，提供有效的解决方案。理论上，可拓展生态学的应用领域，促进学科交叉，丰富生态学、可持续发展科学的理论方法。方法上，运用新方法研究区域可持续发展，使复杂系统研究更为定量化和客观化。实践上，可为政府区域基础设施设计、规划、建设、运营与维护提供决策依据，助力区域可持续发展目标的实现。
 
　　目前，国内外对区域基础设施系统及其可持续生态体系的研究还不充分，尚处于摸索阶段。未来研究应依据生态学生物物理量化方法，建立度量区域基础设施系统可持续能力的指标体系，应用生态学种群竞争数学模型与种群动力学等相关理论，研究基础设施种群的合作与竞争机制及其发展变化规律等问题，为描述和定量计算区域基础设施系统特性提供度量工具。
 
    　【参考文献】
    　[1]Horvath A, Matthews H S. Advancing sustainable development of infrastructure systems [J]. Journal of Infrastructure Systems, 2004, 10 (3): 77－78.
    　[2]President's Commission on Critical Infrastructure Protection. (1997). "Critical foundations: Protecting America's infrastructures: The report of the President's Commission on Critical Infrastructure Protection." [R]. No. 040－000－00699－1, U. S. Government Printing Office, Washington, D. C.
    　[3]Mirza S. Durability and sustainability of infrastructure-a state-of the-art report [J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2006, 33 (6): 639－649.
    　[4]戴慎志. 我国城市基础设施工程规划的发展趋势 [J]. 城市规划汇刊，2000，3：37－40.
    　[5]Loo B P, Chow S Y. Sustainable urban transportation: concepts, policies, and methodologies [J]. Journal of urban planning and development, 2006, 132 (2): 76－79.
    　[6]Ashley R, Hopkinson P. Sewer systems and performance indicators—into the 21st century [J]. Urban water, 2002, 4 (2): 123－135.
    　[7]Black J A, Paez A, Suthanaya P A. Sustainable urban transportation: performance indicators and some analytical approaches [J]. Journal of urban planning and development, 2002, 128 (4): 184－209.
    　[8]Balkema A J, Preisig H A, Otterpohl R, et al. Indicators for the sustainability assessment of wastewater treatment systems [J]. Urban water, 2002, 4 (2): 153－161.
    　[9]Mihyeon Jeon C, Amekudzi A. Addressing sustainability in transportation systems: definitions, indicators, and metrics [J]. Journal of Infrastructure Systems, 2005,11 (1): 31－50.
    　[10]Adeli H. Sustainable Infrastructure Systems and Environmentally-Conscious Design: A View for the Next Decade [J]. Journal of Computing in Civil Engineering, 2002, 16 (4): 231－233.
    　[11]Sohail M, Cavill S, Cotton A P. Sustainable operation and maintenance of urban infrastructure: Myth or reality? [J]. Journal of urban planning and development, 2005, 131(1): 39－49.
    　[12]Sahely H R, Kennedy C A, Adams B J. Developing sustainability criteria for urban infrastructure systems [J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2005, 32 (1): 72－85.
    　[13]武春友，邓华，段宁. 产业生态系统稳定性研究述评 [J]. 中国人口·资源与环境，2005，15（5）：20－25.
    　[14]韩凌，李书舒，王佳. 经济系统与生态系统的类比分析 [J]. 中国人口·资源与环境，2006，16（4）：13－16.
    　[15]蔡晓明. 生态系统生态学 [M]. 北京: 科学出版社，2000：5－32.
    　[16]蒋天颖，程聪. 企业知识转移生态学模型 [J]. 科研管理，2012，33（2）：130－138.
    　[17]许国志. 系统科学 [M]. 上海：上海科技教育出版社，2000：1－16.
    　[18]Grigg N S. Infrastructure systems: Challenges and opportunities for civil engineers [J]. Journal of Infrastructure Systems，2001，7 (4): 131－135.
    　[19]林基础，陆彦，成虎. 大型公共工程项目生态系统框架研究 [J]. 建筑经济，2006，11：29－32.
    　[20]Sahely H R, Kennedy C A, Adams B J. Developing sustainability criteria for urban infrastructure systems [J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 2005, 32 (1): 72－85.
    　[21]赵景柱，欧阳志云，吴刚. 社会—经济—自然复合生态系统可持续发展研究 [M]. 北京：中国环境科学出版社，1999：1－32.
    　[22]Shijun M. Ecological engineering: application of ecosystem principles [J]. Environmental Conservation, 1985, 12 (4): 331－335.
    　[23]Mitsch W J, Lefeuvre J C, Bouchard V. Ecological engineering applied to river and wetland restoration [J]. Ecological Engineering, 2002, 18 (5): 529－541.
    　[24]Yan J, Zhang Y. Ecological techniques and their application with some case studies in China [J]. Ecological Engineering, 1992, 1 (4): 261－285.
    　[25]Wang R, Yan J. Integrating hardware, software and mindware for sustainable ecosystem development: principles and methods of ecological engineering in China [J]. Ecological Engineering, 1998，11 (1): 277－289.
    　[26]汪敏，颜京松，吴琼，等. 生态工程研究进展 [J]. 中国人口·资源与环境，2004，14（5）：120－124.
 
    　作者简介：邵志国（1988－），男，山东泰安人，同济大学经济与管理学院博士生。主要研究方向：区域基础设施可持续发展，城市建设与应急管理。
 
    　收稿日期：2014－10－27