中国城乡生态循环系统工程概论

中国城乡生态循环系统工程概论

刘至玺 1 刘雪景 2

1. 简阳同科化粪池研究所 四川成都 641499 2. 简阳市市政园林管理中心 四川成都 641499

摘要：作者尝试以我国传统“阴阳五行学”与现代系统论科学相结合的方法，对我国城乡八大生态循环资源进行系统分析，提出了生态循环系统模型，其中包含：生态循环文明、城乡生态循环、碳氧生态循环、水生态循环、植物生态循环等五个生态循环子系统模型。并重点针对我国城乡生态循环资源、城乡生态循环系统中存在的主要矛盾，提出了沙漠变绿洲草原造森林、北方乡村冬季地下集雪库、城市屋顶空气风力电力导向塔、城乡粪便归田、农作物秸秆科学还田、化肥科学施用技术普及、中式无公害农药开发利用、城乡劳动力缓冲带、城乡生态循环绿化林带及湿地、城乡食品原料优质安全等十项城乡生态循环系统工程建议。

关键词：城乡； 生态循环；系统工程

引言：在我国以突飞猛进的速度跃升全球第二大经济体的同时，发达国家工业化城市化百年间出现的环境问题，在我国短期内集中爆发，一些地方城乡生态环境恶化曾一度到了非常严重的程度。这主要体现为空气、水、土壤、人力、气温、城乡粪便、农作物秸秆等生态资源的恶化。

现代工业文明是在几千年农耕文明的基础上发展起来的，地球上的所有文明都是以人为主体，由人与自然间的创造性良性互动建立起来的。人类社会的发展与人类发现、获得、占有、利用自然资源的种类、体量、质量密切相关。人类占有、利用、消耗自然资源以扩大自身的生存及空间必然带来自然资源量的减少，这就需要靠自然生态循环来弥补。工业农耕间、城市乡村间自古以来就是一种生态循环关系，就存在着一种相辅相成紧密联系的生态循环链，并维持着一种生态循环平衡，一旦这种平衡被打破，就必然形成各种大大小小的自然灾害。对世间万事万物的认识属于哲学范畴，早在3000多年前中华民族祖先就通过对各种自然现象和大量事物的长期观察、总结归纳、建立了“阴阳五行学说”，这一学说充满了最古老朴素的唯物辩证法思想。

1.“阴阳学”与矛盾论

1.1 阴阳学说把宇宙间的万物万象，都分为阴与阳两大类。万物万象其内部都同时存在着相反的阴或阳两种属性，存在着对立的两个方面。事物或现象中对立的两个方面，具有互相依存，互相为用的联系。阴与阳的每一个侧面都以另一个侧面作为自己存在的前提，即没有阴，阳不能存在，没有阳，阴也不能存在。事物或现象的阴与阳两种不同的属性，在一定条件下向其对立面转化，即阴阳相易，阴极生阳，阳极生阴，阴变阳，阳变阴。阴阳内辩，即阴中有阳，阳中有阴，还阴中有阴，阳中有阳，以及纯阴纯阳之分。阴阳学的形象结构见阴阳转化图。（见图1）

1.2 《矛盾论》认为 “ 自然界（精神和社会两者也在内）的一切现象和过程都含有互

相矛盾、互相排斥、互相对立的趋向”，“在复杂的事物的发展过程中，有许多的矛盾存在，其中必有一种是主要的矛盾，由于它的存在和发展规定和影响着其它矛盾的存在和发展”，“矛盾的主要和非主要方面互相转化着”，“斗争的结果，新的方面由小变大，上升为支配的东西，旧的方面由大变小，变成逐步归于灭亡的东西”。从上述要点我们可以看出，阴阳学与矛盾论对自然界一切现象和过程的论述基本相似。

2.“五行学”与系统论

2.1 五行学认为世界是由木、土、火、金、水五种最基本物质构成的，自然界各种事物和现象（包括人在内）的发展变化都是由这五种不同属性的物性不断运动和相互作用的结果。

五行相生：木生火，火生土，土生金，金生水，水生木。

五行相克：木克土，土克水，水克火，火克金，金克木。（详见图2）

2.2 系统论的主要思想：（1），系统是由相互联系的要素构成的，系统的各个组成部分既是独立存在的，又是相互关联的，相互依存的。（2），系统的整体性，系统的各组成部分不是可以分离的简单集聚，而是按一定规律，一定方式组成的整体。（3）系统的等级性，每一个系统都归属于一个更大的系统，而每个系统内部又存在着组成这一系统的分系统。在“五行学”里，把一个“系统”规定为由五个具有相生相克关系的“行”构成，而每一个“行”内又由五个行构成。因此“五行学”与系统论在结构论述上具有相似性。不光如此，“阴阳学”“五行学”都强调事物的阴阳五行要平衡协调，要防止“不及” 和“太过”，这与系统论密切相关的控制论对系统要通过控制达到平衡协调稳定的论述是一致的。解决生态环境问题，一是“去邪”，即减少和控制污染，二是“扶正”，即修护、巩固、建立和发展生态循环平衡。

3.系统工程的五行结构

3.1传统“五行学”的结构：一是五行循环相生形成一个圆环形；二是五行错位相克构成五角星形;三是以东西南北中方位而构成的四方形，以东方木、南方火、西方金、北方水，中央土来表示方位五行。平面结构用来描述复杂事物有一定的局限性，这种局限性体现在不能明显确定五行关系中对其它行起“规定和影响”的行，即“主要矛盾和主要的矛盾方面”。

3.2系统工程的五行结构：这是一个五点三棱四面体重心稳定结构，突出了标示系统稳定性的重心点，即主要矛盾点，把研究的问题点设为顶点。在系统工程应用上的思路是：当我们要对某一问题作系统分析时， 要找出解决问题的主要矛盾点，以及与它关系密切的三个基础支撑点，然后根据它们间的关系连线长短，评估出重心点，再根据重心点偏移需要调节、影响、控制顶点与三个基础点的连线长短 其实质是人流、物流、信息流的状态，以调整或保持系统的某种稳定或不稳定状态，以达到生克问题点，使问题点达到目标状态。

详见（图3系统工程五行结构图）

图3系统工程五行结构图

4. 生态资源系统分析

4.1空气：空气是人类和其它动物及某些微生物生命活动一刻也不能缺的资源。正常的空气含量按体积分,氮占78.08%，氧占20.95%，惰性气体（氦、氖、氩、氪、氙等）占 0.93%、二氧化碳占0.03%、还有臭氧、以及水蒸气和其它气体与杂质约占0.03%。空气成分中氧气和二氧化碳是地球上动物植物间生态循环的中间产物，即人和其它动物吸收氧气呼出二氧化碳，而植物吸收二氧化碳通过光合作用产生氧气。

对我国空气成分中氧气和二氧化碳含量影响最大的应是我国矿物质能源的使用量。2018年我国的年石油消费量为641.2万吨油当量，相当于每天消费1302万桶，是世界年消费增量的10倍。煤年消费19.07亿吨，占全球消费量37.72亿吨的50.56%。天然气年消费量2766亿立方米，占全球年消费量5629.25立方米的49.14%。

4.2水：地球表面的水覆盖了地球表面71%的面积，97%是海水，3%是淡水，淡水中又有2%以上集中在地球南北极，其余不足1%的淡水主要分布在江河、湖泊、地下、大气及生物体内。在仅有的1%淡水中25%为工业用水，70%为农业用水，只有5%可供饮用和其它用途。我国北方缺水区总面积达58万平方千米，我国500多个城市中有300多座城市缺水，每年缺水量达58亿立方米。但我国南方又是洪涝灾害的高发区。

4.3 土壤：除了空气和水，土壤是地球上最重要的生态资源之一，它为一切陆生植物提供营养源和水，是植物生长进行光合作用，进行能量交换的主要场所。按容积计：较理想的土壤中矿物质约占38—45%，有机质约占5—12%，空隙约占50%。按重量计：矿物质占固相部分的90—95%以上；有机质约占1—10%。由于多年重用轻养，长期使用化肥，我国土壤有机质含量普遍下降，华北平原土壤有机质已降到1%左右，东北三江平原则从10%—11.5%下降到3%—5%，全国1403个县，土壤有机质低于0.6%的农田占10.6%。

4.4 气温：气温是空气温度高低的标示，是气象气候受多种条件影响的结果。人和其它所有生物微生物的生存发展都需要适宜的气温，反言之，气温决定和影响着人和其它所有生物微生物的生存，气温的影响规律是：在适宜的气温范围内，温度越高人和其它所有生物微生物的生长发育越快，反之生长发育越慢。超过一定的范围，低温是灾害，高温也是灾害。由于我国地域辽阔，既有低温恶劣气候，又有高温恶劣气候。

4.5 食品原料：根据对我国食品原料的系统分析，种种客观现象告诉我们，我们不仅仅存在食品原料的污染问题，也发生了以人为核心的生态食物链的恶化和变异。食品原料污染主要来源于化肥农药残留的污染，也来源于食品原料在储运过程中使用化学防腐剂和保鲜剂。以人为核心的生态食物链的恶化和变异是人自身片面追求食品原料的量，更为了追求商业利益而干的损人利己的事。

4.6 城乡粪便：地球上人和其它所有动物在与植物间的生态循环中，除了以氧气和二氧化碳气进行气态循环外，还以粪便参与生态循环中，无论是草原上的牛马羊群，森林里的狮虎豹狼兔，天上飞的鸟类，还是江河海洋的鱼类，无不遵循这一自然规律。人类在几千年的农耕社会历史中，更是积极掌握运用这一自然规律。上世纪七十年代，城镇公厕、机关、厂矿、学校的厕所的粪坑都是围栏上锁的，为乡村集体组织订购包运的。但上世纪八十年代后，这一状况发生了根本性的改变，从此，城市粪便走上了水冲便器—下水管—化粪池—污水管—污水处理厂处理排放这一西方发达国家十九世纪末就开始的技术路线。这使得我国城市粪便彻底离开了人与农作物间的生态循环。近年来，随着农村劳动力的减少以及农村养殖场的兴起，养殖场粪便，甚至部分农家粪便也程度不同地出现了这种现象。

4.7 农作物秸秆： 2018年我国农作物秸秆产量11.35亿吨，其中利用情况：肥料化47.2%；饲料化17.99%；能源化11.79%；原料化2.47%；基料化2.23%。未利用占28.32%，总量约3.21亿吨。

农作物秸秆的营养成分：蛋白3.6-7.4%；脂肪1.3-2.2%；粗纤维34.2-41.9%；氮浸出物29.9-39.8%；灰分3.0-12.4%；钙0.21-1.49%；磷0.08-0.60%。

我国乡村曾出现过大面积焚烧秸秆的现象，近几年从环保角度禁止，已基本杜绝了这种现象。但又出现了两个新的问题：一是农作物秸秆在田间随意弃置。二是有的地方搞直接还田，这为农作物病虫害越冬创造了条件，农作物秸秆直接还田不利于当季农作物生长，主要是秸秆初期的好氧分解和酸化问题。

4.8 人力资源：人尽其才，物尽其用是社会管理的两大重要目标。人本身就是生态资源中的核心主体资源。现在的城镇人口中，还存在相当数量的闲散劳动力，这主要指50周岁至65周岁这个年龄段的人口，他(她)们为提前离岗待退或退休后还具有较强劳动能力的一个群体。而在乡村现在种地的也正是50周岁至65周岁这个年龄段的人。城乡劳动力分布出现反差矛盾，一方面城镇存在大量闲散劳动力，而乡村又劳动力短缺、弱化、老化。

5.生态循环系统模型

环境科学现在主要包括环境污染学和生态循环学，前者研究环境污染与污染防治问题，后者研究生态循环维持、恢复、发展问题（环境医学、环境健康学必将发展起来）。环境污染是标，是表，生态循环是本，是元，是里。保护环境须标本兼治，固本护元。生态循环是自然界普遍存在的客观现象、自然规律，其本身构成就是一种复杂、庞大、且完整的，地球上所有生物赖以生存而不可或缺的自然系统。用“中华五行系统分析法”，即把生态循环系统分为：生态循环文明（土）；城乡生态循环（金）；碳氧生态循环（火）；水生态循环（水）；植物生态循环（木）五个子系统。其中城乡生态循环（金）是焦点，应置顶，生态循环文明（土）是起“规定和影响作用”的主要矛盾和主要的矛盾方面，是系统结构的重心。五行间按相生相克关系影响、制约、维持着自然生态平衡。

图4 生态循环系统

5.1 生态循环文明系统模型 系统由道德（土）、法规（金）、教育（水）、利益（木）循环力（火）五行构成。其中法规（金）为焦点，置顶 ，道德（土）为系统结构重心。道德（土）含：人类共生观、生物共生观、水土共生观、生态循环链条观、矿能利用回报观等子五行要素。法规（金）含：法律、技术规范、民约、民习、民愿等，教育指相关教育子系统，利益指环境生态循环利害检测评估子系统，循环力指科技、产业、生产力等生态环境维持、修复、再生能力。五行间按相生相克关系影响、制约、维持着生态循环文明系统的建立和稳定。

5.2城乡生态循环系统模型 本系统分为：工业文明（金）、城市文明（水）、农耕文明（木）、乡村文明（火）、人文文化文明（土）五个子系统。当今农耕文明衰弱，是焦点，应于置顶，人文文化文明始终处于“规定和影响着”其它文明的主导作用，是主要矛盾和主要矛盾方面，是系统的重心。

5.3 碳氧生态循环系统模型 碳氧生态循环是自然界最基本的生态循环系统，它发生在地球上人类和所有动物、好氧微生物与所有绿色植物之间，即人类和所有动物、好氧微生物在生命过程中需要吸入氧气，呼出二氧化碳气，所有绿色植物在生命过程中则需要吸入二氧化碳气，然后经过植物光合作用放出氧气。碳氧生态循环系统由大气本底、矿物能、清洁能、绿色植物、人和动物五个子系统构成，其五行属性具有复合性。

5.4水生态循环系统模型 水的生态循环系统由 “五行”构成，其中金为大气中的水汽、水为雨雪陆地水、火为气温、木为植物森林、土为海洋荒漠绿地。水为焦点置顶，木为重心点。地球表面71%是海洋，29%是陆地，地球上真正有意义的淡水应该是来源于海洋，其循环轨迹是水蒸气从海水中产生，进入大气环流，然后分布到陆地上空形成雨雪，降到陆地上，供木生所需，供人和动物饮用，进入土壤地下、湖泊，最后多余的经江河流归大海。

5.5植物生态循环系统模型 本系统由“五行”构成，其中木含树木作物秸秆、土含耕地荒漠绿地、火含肥料农药阳光气温、金含机具虫害、水含雨雪陆地水。土为重心点。

图5 植物生态循环系统

6.中国城乡生态循环系统工程

针对我国生态循环系统中存在的突出矛盾问题，我们提出中国式城乡生态循环系统工程建议如下：

6.1 沙漠变绿洲草原造森林工程 要点：扩大推广甘肃省古浪县“六老汉”三代人矢志治沙荒漠变绿洲和内蒙古自治区库布其治沙经验，组织千军万马会战沙漠草原，对草原实施草牧、林草分区组团式植树造林，分步式开发。这是一项体现“国土空气战略”的“碳氧循环系统”、陆地雨量分布及气候调节、缓解北方雾霾灾害的综合性系统工程；

6.2北方乡村冬季地下集雪库工程 要点：利用北方冬季降雪及农闲实施，解决乡村人畜田耕用水，缓解与城市争采地下水的矛盾。是针对北方地质气候条件的一种水循环工程；

6.3 城市屋顶空气风力电力导向塔工程 要点：利用城市屋顶与近地面层的风力和空气质量差异，缓解城市近地面层空气污染。是针对城乡碳氧循环在城市分布不均所实施的一项工程；

6.4城乡粪便归田工程 要点：采取城市支农模式实施，换取食品原料安全优质。是一项恢复城乡生态循环链，恢复植物生长五行协调平衡，是“国家土壤保护战略”必要工程之一；

6.5 农作物秸秆科学还田工程 要点：采用城乡粪便农作物秸秆三合一，推广沼气有机肥工厂化生产和田间黑膜覆盖堆沤技术及农忙季节城市支农模式实施，列为国家改良土壤和粮食安全战略。是一项恢复植物生态循环链，改良土壤，增加土壤有机质含量，是“国家土壤保护战略”的必要工程；

6.6田耕化肥科学施用技术普及工程 要点：利用媒体互联网技术力量，重在宣传示范及化肥用量管制监督。解决化肥施用超量、低效问题，降低对土壤、农作物的不良影响；

6.7中式无公害农药开发利用工程 要点：组织中医药、农药生产、沼气发酵，食品安全等四合一科技力量联合攻关。为中西农药合理搭配施用奠定基础，降低农药公害；

6.8城乡劳动力缓冲带工程 要点：发展公租式乡村公寓，公寓与闲置土地配套，利用城市闲散劳力弥补乡村弱缺劳力，列入乡村振兴战略试点。以培育一个能工能农，灵活机动的劳动力群体，达到保工补农，土地不荒的目标；

6.9城乡生态循环绿化林带湿地工程 要点：列入城乡发展规划，由城乡居民合作与专业公司相结合实施。作为“城市肺”工程，国家“国土空气战略”的一个组成部分；

6.10城乡食品原料优质安全工程 要点：重在国家及地方标准规范的制定，建立普及食品原料安全检测机构，组建食品原料安全警察，这是一项涉及民生健康的基础工程。

上述10项工程总体分别属于城乡生态循环系统工程中的五个子系统，而每项工程又是一个层级的系统。

世界上用“地球生态超载日”来衡量人类消耗资源超过自然再生能力的时间指标，2018年全球的生态超载日是8月1日，中国的生态超载日是6月15日。2019年全球的生态超载日是7月29日，人类使用生态资源的速度超过地球自然生态系统的更新速度，超出75%，即人类生存需要1.75个地球。人类社会已进入到必须研究包括自身在内的生态循环科学，发展生态循环产业，提高生态循环生产力的时期了。

我们可以预言，如果按照现在世界上所发生的生态循环问题继续发展下去，世界上大规模的“生态灾难”迟早会发生，而这种灾难的突发性和危害是人类难以应对的，只能坦然接受。我们现在唯一能做的事情是遵循自然规律，停止破坏自然生态循环，并尽可能修复这种破坏，我们所做的努力是在拆除一枚“生态炸弹”的炸药，可引信并没有掌握在我们人类手里。我们只能期望尽可能地维持一个良性而非恶性循环的生态环境，尽可能延缓人类在地球上的衰亡而已。

本文观点仅供政府相关部门决策参考，对科研院校从事专业研究的专家学者，文中的相关构想及具体技术也只望起抛砖引玉的作用，不完善甚至错误的地方在所难免，希望获得尽可能的批评指正，不甚感谢。