全效应法论生态十定理及四圈平衡律的应用 王虚怀 石林
简介:王虚怀教授是全效应法创立者，《全效应法》获国际学术评论机构颁发世界学术论文金奖。本论文是王虚怀写的《实用基础科学五大定律》其中的一大定律“生态平衡律”。曾在上世纪80、90年代中南海国务院发展中心宣讲过，被专家评论为：将是改造物质世界盛行的方法论。他以全效应法综合观研究生态平衡律，研究生态学在自然科学中的四四对应规律，通过生态四要素(气、水、土、生)、十六个因子的外在平衡，与生态圈内四流（能量流动、物质循环、时空状态、社会环境）的内在平衡结合的规律，并通过定量地系统统计分析后，模拟出生态子系统生态平衡带，用来研究生态规划、管理、调控等的最优规律所得出的定律、定理和用全效应法介决的方法论。他夫人石林的《生态的相生相克》以全效应法生态平衡律为核心的论文也曾获世界学术论文金奖。
全效应法论生态平衡律目录
一、能质生态的综合平衡
1、生态学的研究对象2、从个体生态到能质生态学
二、生态平衡基本定理
定理一：生态大系统平衡定理定理二：环境极限定理定理三：生态连锁反应定理定理四：生态不可逆定理定理五：大气最佳循环定理定理六：水质最佳循环定理定理 七：土质最佳循环事实定理定理八：生物最佳循环；定理定理九：元素能质平衡定理定理十：生态综合调控定理.三、生态平衡律模型及应用 (一)随机方程(二)耗散结构方程(三)频率公式2、生态平衡的应用
四、提出生态平衡律模型及四圈平衡律的全效应图
全效应法论生态十定理及四圈平衡律的应用 王虚怀 石林
生态平衡律是根据生态学在自然科学中的四四对应规律，通过生态四要素(气、水、土、生)、十六个因子的外在平衡，与生态圈内四流(能量流动、物质循环、社会环境、时空状态)的内在平衡结合的规律，并通过定量地系统统计分析后，模拟出生态子系统生态平衡带，用来研究生态规划、管理、调控等的最优规律。
一、能质生态的综合平衡 (1)生态学的研究对象
生态学是一门新兴的科学，新兴的科学更需要比较完整的定义进行指导，目前对生态学的定义是：生态学是研究生物与其生存环境之间相互关系的科学。这个定义既没有说明生态学的本质，也没有说明生态学的内在联系。更不能促使生态学向愈来愈高的水平发展。因而，往往认为生态学是研究工业三废、环境污染等局部子系统的问题，而忽略人类赖以生存的生态大系统的综合平衡。那么，什么是现代生态学比较完整的定义呢？生态学是研究生态内部四要素(气、水、土、生)、十六个因子在外部四维(能量流动、物质循环、社会环境，时空状态)综合作用下，无限趋近动态平衡的能质最优规律的科学。这个定义既紧紧抓住了生态的四个基本要素，而不是孤立去看局部子系统生存与环境；又抓住了生物圈的能质平衡这个核心，而不是从现象上去单纯谈生物与环境的关系。它运用当代世界上最新全效应法科学技术，从系统出发，建立生态圈能质平衡模型，将所有因素无限趋近于平衡态，以达到有目的地、有步骤地在综合动态平衡的基础上，对环境科学进行总的规划和管理，以便采取积极措施，不断提高生态系统综合效益的目的。这个定义不是单纯的、消极的、被动的头痛医头、脚痛医脚地进行污染防治，而是用能质生态规律人为定向控制生态学的螺旋上升地向愈来愈高级的水平发展。
正确理解生态学的定义，要肯定生物在环境影响下，永远处在不断产生、不断发展和不断转化之中，而不是象古希腊柏拉图和亚里士多德认为：动物的生殖能力，决定于它们的解剖和生理性质；正确理解生态学的定义，要积极掌握生态规律，而不能消极地给环境予种种限制。要克服种种对未来环境的悲观论调，满怀信心去主动控制与改造自然界。
生态学是我国进行现代化建设最基本的基础科学理论之一。农作物(包括林、牧、渔及其它种养业)是生态链条里一个链节，农业生产实质就是如何更有效调节能质生态系统，能质转化效率高了，农业必然就高产；工业现代化同样不能违犯能质转换的最佳规律。有人提出，假如三百年前先有能质生态学，后有工业革命，也许工业结构和现在有截然不同的新体系；按能质生态学制造的国防武器是最优的；按能质生态学规律可攻克目前许多疑难病症等，因此，能质生态平衡规律是21世纪最大的科学研究课题之一。
生态学经过一百多年发展，在研究内容上已由个体生态、环境生态全面发展到能质生态学。在研究方法上，也从过去采用分类、形态、解剖学、监测等方法，发展到今天用综合图式、数学式等科学模型的手段，使生态学的研究由记载描述阶段逐步向定量、定控、定调的研究方向发展。
在生态系统中，能量和物质的运动是最根本的运动。因此，研究生态系统的本质就是研究系统中能量流动、物质循环、社会环境和时空状态在综合信息控制下的能质转换规律、能质转换一般说是守恒的，但也不是每时每刻都是绝对守恒的。这是因为，世界上没有一种物质能将其100%的能量释放出来，也没有一种能量能100%转换到某一物质上。生态学的理论指出；能质转换最佳规律是不断趋近于平衡态，只有从运离平衡态到不断趋近于平衡态的统计平均值，才是最优的。我们研究能质生态学的目的，就是要通过能质平衡规律作为主要方法和手段，提高生态系统的整体综合效益，为子孙后代逐步建立起愈来愈高级的生态系统而共同努力。
二、生态平衡基本定理
定理一：生态大系统平衡定理
生态大系统的平衡是指在一定时间、一定的空间状态，通过人工最佳定向控制与调节，使物理效应，化学反应、生物感应、社会环境等因素变化相互稳定；能量流、物质流输出与输入不断趋近于动态平衡；使生物在物种上、数量上保持相对稳定；食物链在结构和功能上处于平衡；整个生物圈处于最佳状态之中。
在生物圈(约十一公里厚的地壳和约十五公里以下的大气层范围)内，往往是多因素能质立体交叉处于良性循环和恶性循环之间，综合作用后，有可能出现拮抗、相加或相乘等现象，故静态单因素反映不了多因素综合动态生态的现状，应从统计量的能量耗散或熵值增减平衡来综合考虑取舍。农业生产力是生态大系统相互作用所产生的结果。为了实现农业产量高，投资少，可采取缩短在农业生态系统中物质与能量的循环和转换周期的办法。如：提高能量利用率；选适合当地自然条件品种；发挥营养元素的作用；补充和调节环境的营养物质；增进生物与环境的生态效率等等。
生物系统中变量间相互联系、相互制约的关系是错综复杂的，而且常表现为非线性的。不大容易甚至有的根本不可能用现有的数学、物理、化学的理论和方法来表示。故当前仍以定性分析为主。这些综合的影响因素包括物理的(噪声与次声污染，光污染，热污染，电磁污染、辐射污染等)，化学的(色污染、味污染，化学元素污染，化合物污染等)、生物的(细菌污染、毒质污染、生物线感应污染等)、自然界的以及所触及的装置、场所等，给人工控制与调节动态平衡带来复杂性。只有用远离平衡态无限趋近平衡带的统计量规律的方法，必要时，通过协调适应系统、反馈系统的调节来不断修正其统计值。
定理二：环境极限定理
当生态环境相互之间的变幅超过上下限极限值时，生态平衡即产生失调。需要综合系统分析，找出利益和危害的临界线、极限值、经济合理的最佳点。使生产、生态、经济、社会和自然环境协调为一个综合相互适应的整体。生态学的重要规律之一是：生态系统的组成成分越多样，能量流动和物质循环的途径越复杂，其调节能力也越强；相反，成分越单调，结构越简单，其调节能力也越校调节能力是有一定的极限度，超出极限，调节不再起作用，环境就会污染，整个生态系统就要受到伤害或遭到破环。那种不顾生态系统的内在规律，仅是按人们本身眼前需要，滥用自然资源，进行不顾环境的质能转换，造成恶性生态循环。等受到自然界的报复后，再去手忙脚乱去调整生态系统，所造成后果不堪设想。据统计：目前平均每天有一种生物从地球上绝迹，许多动、植物在人类还来不及深入地研究它们的用途以前，甚至有些动、植物物种还未来得及定名以前，就已不复存在了。控制生态极限值的基本方法有两个；一个是制定比较完善的环境极限标准；另一个是经常分析预测那些较容易超过极限值的预防措施。我国卫生标准规定每月每平方公里面积的降尘量是六至八吨，现在一般工业都在三十至四十吨。
定理三：生态连锁反应定理
在生态系统中，任何单因素某一过程循环发生了改变或突变，都将触发多级、多层次的链锁动态反应。其反应速度是按指数规律增长，很快使整个生态系统不稳愈来愈剧。
第四纪冰期的发生就是生态连锁反应的典型例子。是由于大气中二氧化碳在海洋与大气之间的交换方向取决于它们在大气和海洋中的相对浓度。当大气中二氧化碳浓度相对降低时，海水中的二氧化碳便向大气移动；当光合作用加强时，就有可能引起大气中二氧化碳绝对浓度的减少，并导致地表热量的不平衡。连锁反应触发冰期。污染物的富集是按指数律增加的。有机氯农药由大气通过浮生游生物，小鱼、大鱼到海鸟，据日本研究共富集八百三十三万倍。在森林系统中，植物、动物、微生物等生物因素或成分，与土壤、水分、大气、日光、湿度等非生物因素或成分，都不是各自孤立存在着，而是相互联系、相互依存、相互制约的。其中只要有一个因素或成分有了变化，其他因素或成份就会发生一系列连锁反应。连锁反应使自然界和微小变化，将引起恶性循环式的大变化。地表热量小的不平衡，将引起无可挽回的全球性大气—海洋系统的链式反应。如：北冰洋冰块发生任何变化，都将对全球产生巨大的影响。食物链是构成生态系统的基矗例如没有食物链的传递，则只有环境，而没有生物，也就不存在生态学。所以，在一系列吃和被吃的食性层次中，污染物也通过食物链的转移、循环、积累的连锁反应过程。食物链遵循金字塔式规则。金字塔底层是绿色植物，依次是食草类、食肉类、生物群，金字塔的顶端是人。因此，人是环境污染的最大受害者。自然界形成的食物链结构有的很不合理。为了产生一磅鳕鱼，需要经过食物链传送十万磅海藻。故只有在人工定向调控食物链的连锁反应，才有可能高效率生产食物来满足人类的需要。
定理四：生态不可逆定理
生态圈的演化与生物进化一样，是不可逆的。已经演变了的环境，只能最大限度地恢复，并使其无限趋近于生态最优化原型，但永远不可能再回复到原型。
历史的发展规律是不会走回头路的。人类怎样对待自然，自然也就怎样给予“报复”。在自然界中，生物与环境相互交织融合，生物需要环境维持其生存，环境也需要生物维持其稳定性，两者相互依赖，互惠互利。目前，农业技术不是利用生态自身调节系统和相克关系，而是愈来愈借助于农药和化肥来维持生态系统的稳定性，由此累进而造成的潜在危害是不可想象的。水土流失是“不可逆反应”。对一个国家来说，再没有比保护土地更为重要的事情了，黄河流的不是泥沙，而中华民族的血液，平均每年泥沙流量高达十六亿吨。对国土整治来说，已不再是微血管破裂，而是主动脉出血。
近几十年来，在燃烧过程中，已经不可逆转地消耗2%绝对数量的自由氧。同时，使空气中的二氧化碳含量增加12—15%。目前人类所消耗的氧气，相当于几千年间光合作用所增加的氧气量。假如不采取果断的环境保护措施，这种比例还可能会进一步恶化。
如果污染物累进地持续多年，沉积物愈积愈厚，再着手治理往往需要长几倍的时间。特别是当污染物被生物、化学的地质过程所改变时，超过极限值，即使化再长的时间和再大的代价也不可能完全恢复原型。在生态系统中，物质的循环绝大部分可继续不断为生态系统所利用，而能量转换过程不耗散最终以热能形式散布于整个空间，许多能量不能被人们再利用。质能变异使生态不可逆性有一定影响。
定理五：大气最佳循环定理
大气的最佳生态循环的充分必要条件是：三相(氧、碳、氮)、四体(土质圈、水域圈、生物圈、大气圈)无限趋近于动态平衡。今日的大气圈并不是地球初期形成时的余留物。它的形成主要是地球历史时期地壳内部大量气体连续喷发，并经历一系列重新分解和组合的结果。氧只是生命出现和演化后的产物。氧气丰富了大气层，创造了新环境，新环境又为新的生命出现建立条件，大大的丰富了动植物体系。大气中氧的浓度只有今天的1%，氧除了用于分解有机质外，有相当大的部分用于氧化地表的矿物和从地壳喷发出来的还原性气体。目前大气氧是不平衡的，只要有微小浓度减少，会使致命的短波穿透到地表。正由于目前大气中的三相四体仍保持着比较脆弱和不稳定的平衡，使人类赖以生存和发展，但不能再恶化下去，要人为促使其向好的方向转化。从地壳中已经喷发的二氧化碳约为今日大气中的十万倍。其中有的结合成碳酸盐等固体；有的溶于水，增加氢离子浓度，海洋中的二氧化碳约为大气六十倍，起缓冲和调节作用。目前使用的化石燃料释放的二氧化碳，在12—18微米之间红外波长区域有强烈的吸收带，通过对地面辐射的吸收和折回而引起“温室效应”。大气污染主要是指在空气中，除了正常成分之外，又增加了新的成分，或原有成分由渐变到突变而造成的危害，大气中的污染物大致有一百种左右，对人类威胁较大的主要是烟尘、二氧化硫、碳氢化合物等。大气中的化学成分，光、热、电、磁、声的变化，会打乱生物界的正常秩序，从而降低其适应性和生殖能力。目前，危害最大的是每年有五十多亿吨碳进入大气层，主要是以燃烧煤、石油和天然气产生的二氧化碳形式，有人预计，今后五十年内，矿物燃料的燃烧消耗速度，将提高三倍 。大气的组成可分为；恒定的、可变的和不定的组分。恒定组分有：氧为20.95%，氮为78.09%，氩为0.93%，还含有微量的氖、氦、氪、氙、氡等稀有气体，从地球表面向上大约到九十公里高度，组成比例几乎没有什么变化，称匀质层。可变组分有：随季节、气象变化而产生水蒸汽含量不同，三相四体人为带来不平衡而造成的污染，社会行为变化等。不定成分有：火山爆发、森林火灾、海啸等暂时灾难所引起。要使大气处于最佳循环状态，必须人为进行调节和控制，使大气的恒定组分、可变组分和不定组分出现的不平衡不断趋近于动态相对的平衡中。
定理六：水质最佳循环定理
水质的最佳生态循环的充分必要条件是；水质中微量化学元素的变异、离子浓度、菌体分布、可溶性气体含量四个主要因素综合趋近于动态平衡。地球上任何一个生态系统都离不开水。没有水，便没有生命，也就不成其为生态系统了。为了达到水质平衡，必须保持化学元素稳定、控制离子浓度、减少水质有害菌体的分布、调节可溶性气性含量，充分利用生态自净能力，使之不断转化到趋近动态平衡。
生态系统必须保护水资源。地下水开采量不应超过补给量，以保持地下水的水位、水质；要压缩污水排放量，要清污分流，一水多用，串级使用；一切污水不得采用渗坑、渗井，以保护地下水质；充分发挥生物净化污水的作用。如；生长在睡莲的根部附近的真菌和细菌菌落可分解有机物质，能除去99.6%的污染物，睡莲本身吸收了90%的溶解在水中的无机物(包括矿物质、毒素和重金属)，睡莲完成了过滤工作后，把水抽到地里，无需再施肥，而排出的水却清澈透明。把水污染降低到极限值以下，必须将“防”、“治”、“管”三者结合起来。属于物理方法有：沉淀、过滤、离心分离、浮癣蒸发结晶、反渗透等；属于化学方法有：混凝、中和、氧化还原、电解、汽提、萃娶吹脱、吸附、电渗析等；属于生物方法有：活性污泥法、生物膜法、生物塘、污水分级灌溉等。保护水质平衡，要调节水质中氧碳平衡、分解1克分子碳水化合物需要消耗6克分子的氧气。
C6H10O5+6O2→6CO2+5H2O
若某水体中含有0.1克/升有机污染物，则全部分解这些有机物需要消耗0.012克/升氧。
定理七：土质最佳循环定理
土质的最佳生态循环的充分必要条件是；岩石圈的土壤组织结构、化合物、有机质和离子的浓度始终稳定在最佳的比例范围内。
土壤是岩石与植物相互作用下的产物，土壤的组织结构和氢离子浓度对于营养循环关系极大。氮是最主要的限制因子，为了补充土壤中氮的消耗，特别需要研究从氮经氨基酸到蛋白质的巡回路线。世界上由于水土流失，沙漠化、盐碱化、涝灾化等原因，全世界每年约有33200平方公里的土地变成不毛之地。
为了保持土质的最佳比例，应该用土质与养土质相结合，把最适宜的种养业放到最适宜的土质上，保护土质是保护自然资源的重要前提。森林、草原、动植物等，其开发量应与更新量、增殖量相适应，以保障土质的持续地稳定地利用。要从生态角度保持生物遗传的多样性，使用量和储存量应严格控制适当比例。
土地是自然的综合体。人和自然环境关系主要是和土地的关系。土地一旦参与人类的生产活动，就成了一种生产资料，是人类生产、生活不可缺少的物质基矗它有自然和社会双重属性。土地的产生和存在是不以人的意志为转移的，既不能整体移动，面积相对来说也不能增加。因此，要利用好土地，就必须了解它的自然特性及其发展规律。只要按最佳比例，合理使用土地，其潜力是很大的。
农药是对土地污染的重要因素。当农药在田间喷撒时，约只有10%左右到达目标作物，大约40%落入土中，其余部分进入大气，因此，发展生物防治是调节土质最佳比例的重要措施。
定理八：生物最佳循环定理
生物的最佳生态循环的充分必要条件是；取决于物种数量、食物链传递速度、能量代谢快慢、物质蓄积周期的最佳比例。比例配合得当，则生物的发生和发展速度大大加快；反之则慢。地球上所有的生物及其生活领域的总和，称为生物圈。生物圈不仅为人类提供生存环境、食物、资源，而且还影响人类的疾病防治、健康长寿、人口控制等。生物污染，就是某些生物或生物物质在错误的时间、错误的地点，以错误的数量比例出现在环境里而造成的。在人体的代谢产物中，有四百多种化学物质。从呼吸道排出的化学物质有一百四十九种；汗水有一百五十一种；大便中有一百九十六种；尿中有二百二十九种，这些物质分有利和有害两个方面。即使是健康的人，打一个喷嚏也要向空气中排出一两万个微生物。此外，人体还受环境中的热污染、电磁波污染、噪声污染等多级立体污染。微生物污染是环境中对人体的重要污染源。微生物繁殖极快，有的半小时就能 五世同堂，如果不是自然界的限制，用不了几天的时间，就可以繁殖地球那么大的体积。微生物能将铅转化为甲基铅，将砷转化为三甲基砷等。转化的结果对人体具有多级、立体、累进的危害。各种生命形式的营养必需符合最佳的比例。太阳能由能够进行光合作用的植物吸收以后，被传送给其他各种有机体，在生物圈内经历漫长而复杂的途径。最后，它全部都要辐射回空间。否则地球的温度就要升高。植物把吸收来的太阳能用于推动一连串复杂的化学反应，以便把两个氢原子从水分子中转移到二氧化碳分子中去，通过反应得到由碳、氢、氧三元素组成的碳水化合物。呼吸就是氧和碳水化合物的再结合，而呼吸则是大多数有机体取得能量的主要机制。
定理九：元素能质平衡定理
生态系统中化学元素的动态平衡，取决于大气、水质、土质、生物四者之间化学元素处于最佳比例。生态系统物质循环中，化学元素的定向转移或杂乱无章的变化作用大不一样。各种化学元素的旅行途径是多种多样的。物质的养分有的通过陆地，有的通过空气，都存在一个化学元素的最佳比例，就象农作物要夺高产必须控制氮、磷、钾最佳比例一样。
人体血液中的六十多种化学元素的含量和岩石中这些元素含量的分布规律是一致的，故化学元素是把人和环境联系起来的基本因素，人体总是从内部调整自己的适应性来与不断变化的地壳物质保持平衡关系。地球境污染使某些化学元素突然增加和出现了环境中本来没有合成的化学物质，破坏了人与环境的对立统一关系，因而引起机体生病甚至死亡。
目前，在环境中发现的化学物质已越过五十万种以上，许多化学物质通过急性或慢性作用，对动植物和人类产生危害。各种生命元素在生态系统中，沿着不同的途径，从无机到有机，又从有机到无机进行着各自的循环，在能量和物质相互不断地传递、转化之中。
控制化学元素的综合平衡，必须掌握化学元素在污染途径中的多种综合性能(包括自然性、扩散性、毒性、活性、持久性、积累性和生物可分解性等)。通过分析和预测，采取多种综合措施，尽最大可能把各种化学元素控制在最佳比例范围内。
定理十：生态综合调控定理
生态系统越复杂，任何单一种群爆发的可能性就越小；相反，成分单调结构简单的生态系统，内部调节的能力就较校人为控制调节的因素越多，就能使调节范围增大。
利用生态系统主要从两方面着手：一方面是自然资源的利用。人类只顾开发利用自然资源，甚至肆意掠夺自然资源，不注意保护和再生增殖，那么资源就会越来越少，引起整个环境恶化，社会再生产也不能继续进行下去；另一方面是环境容量的利用。自然环境对污染物质具有一定的净化能力，当污染物排放超过自净能力时，生态系统机能就会失调。工农业生产比例失调有的只要几年、十几年就可以调整过来，而生态系统一旦失调，就需要几十年，甚至几百年才能调整过来，有的甚至很难恢复。
在一定的时间和相对稳定的条件下，生态系统各部分的结构与功能处于相互适应与协调的动态平衡中。不按最佳比例安排生态系统，有些问题表面上看起来是好的，但是最后结果是坏的。推广一个好品种，由于受气象条件和其他因素影响，没有发挥其品种特性，不按生态规律办事，就好象用一把大斧头修理电视机一样。生态系统不会自然而然向最优方向发展。而是要通过人工的控制和调节，不断使生态系统向最优化发展。
三、生态平衡律模型及应用
(1)生态平衡律模型
生态平衡律模型
生态平衡律是研究生态系统理论的一条基本定律。它的模型是由生态四要素(大气、水质、土质、生物)及其十六个因子，分别又在四个主要因素控调下的四四制外环形圈，与内环形圈四流(能量流动、物质循环、社会环境、时空状态)在生态平衡带之间相互作用，形成内外互联的图式(如下图)、分析表和数学式三部分组成。
图式适用于一般能质生态子系统作定性分析。例如；对某一地区水污染的生态平衡分析时，先要确定图式中的参数，然后再在图式中找关系。
其次在分析表(如下表)中使实际值(红线表示)通过人工控制与调节生态系统，使其无限地向生态平衡带趋近的方法。有时因为情况复杂，可通过各种途径进行多次趋近。
有的生态系统要求较精确地进行定量分析时，则可通过下面数学式进行计算：
(一)随机方程；利用高斯分布均值为零时的表达式： P(x)=e－
式中，σ为标准差；x为随机变量，令r为任意正数，则x(t)落在±r6内的概率为：
P(x)=e－dx 此方程适用于计算生态系统统计平均值。
(二)耗散结构方程：全球生态模型，可以当作耗散结构来研究，使平方差J在规划期间T内取极小值。
J=∫[Ni(t)－Ndi(t)]2dt
此方程适用于计算非连续生态系统最优值。
(三)频率公式：生态系统时间频率是： P=e×p()
式中P为能质生态系统的总生产力，应该在正常数限制下，把Σrqiqr减至最校此方程适用于计算生态系统时间扰动修正值。
具体运用模型时，也按图式、分析表、数学式顺序进行，也可相互间交错进行，以达到求出目标所要求的近似值为止。
(2)生态平衡律的应用
生态平衡律主要用来分析和研究生态规划、环境管理、环境调控等简便易行的工具。它可用来研究环境设计(包括建筑区域、城市总体规划等)。环境卫生学(包括生物医学、公共卫生、化工卫生、职业健康与安全等)。环境保护和管理(包括森林区划、农业土地利用、水资源保护、野生动物生态学、公园和户外地规划、矿产和能源开发等)，社会和人类环境(包括人类和社会生态学、社会组织和服务等)。目前，我们已在城市总体规划、湖污染治理、森林区综合利用等方面应用此模型已初见成效。
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