生物圈动态的赋能：霍华德·T·奥杜姆对开放系统热力学的贡献

《Ecological Modelling》：Biosphere dynamic empower: Howard T. Odum’s contributions to open systems thermodynamics

本文系统梳理了Howard T. Odum在开放系统热力学领域的开创性贡献，包括能量质量、最大能量转换率原则及层次化组织理论，并基于其思想提出动态矩阵法计算的生物圈动态赋能（BDE）框架，以更精确评估复杂生态系统的可再生能源流动与可持续性。

　　

摘要

霍华德·T·奥杜姆（Howard T. Odum）在开放系统热力学（Open Systems Thermodynamics, OST）领域的研究彻底改变了我们对生态系统和经济体系中能量流动的理解。他通过能量质量（emergy）、最大功率原理（Maximum Power Principle）以及层次化组织结构等概念，展示了系统如何自我组织以实现能量转换的最大化。本文回顾了奥杜姆在OST方面的基础性贡献，包括能量核算（emergy accounting）、能量系统建模（energy systems modeling）和系统生态学（systems ecology），并引入了一种基于矩阵的动态方法来计算能量转换率（transformities）。该方法结合了反馈机制、内部循环和流动结构，使得单位能量质量值能够反映系统行为，并在各个组成部分之间保持可加性。由此形成的框架被称为“生物圈动态赋能”（Biosphere Dynamic Empower, BDE），它捕捉了由生物圈组织结构所决定的可再生能量的流动情况。通过将热力学原理与系统建模相结合，这种方法推动了能量分析的发展，并为评估复杂生态系统中的可持续性和能量动态提供了新的工具。

引言

开放系统热力学（OST）将经典热力学扩展到那些与外界交换能量和物质的系统——例如远离平衡状态的生态系统和经济体系。在这一领域，几乎没有谁比霍华德·T·奥杜姆的贡献更为重要；他将热力学重新定义为一种组织原理，而不仅仅是一种约束条件。

奥杜姆提出的能量质量（emergy）概念、最大能量赋能原理（Maximum EmPower Principle）、能量系统语言（energy systems language）以及层次化自我组织（hierarchical self-organization）为将生态和经济系统视为能量转换网络奠定了基础。他使用的符号图表（他称之为“能量系统语言”）使得复杂系统的可视化和模拟成为可能。通过能量质量的概念，他引入了一种通用的衡量标准，用于比较能量、物质和信息流动，这一标准基于生成这些过程所需的太阳能量。

奥杜姆不仅仅提供了一套方法，更提供了一种思维方式——他将热力学、能量质量和系统功能联系起来，并始终关注某个组成部分在维持整个系统中的作用。他的方法具有明确的自上而下的特点：要理解某个部分，他首先会研究包含并驱动该部分的整个系统。如果某个部分持续存在，奥杜姆认为它一定具有某种功能——无论是增强能量流动、稳定反馈机制，还是支持更高层次的系统组织。

在本文中，我们首先回顾了奥杜姆对OST的贡献以及他的系统生态学框架中提出的关键思想。随后，我们基于奥杜姆晚年与丹尼斯·柯林斯（Dennis Collins）合作的研究成果，开发了一种基于矩阵的动态方法来计算能量转换率。这种方法保留了奥杜姆对能量质量和反馈机制的重视，同时提高了分析的一致性和对系统行为的准确描述能力。我们将其称为“生物圈动态赋能”（BDE），它为评估复杂系统中的可再生能量提供了可扩展且可加性的方法。

经典热力学与开放系统的转变

热力学的历史发展体现了人们对复杂性、开放性和系统相互作用认识的不断加深。如表1所示，该领域从19世纪建立的经典基础逐步发展到20世纪和21世纪的综合性理论。萨迪·卡诺（Sadi Carnot）、鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius）、威廉·汤姆森（Lord Kelvin）和威拉德·吉布斯（Willard Gibbs）的早期工作奠定了经典热力学的基础，这些研究主要关注封闭或孤立系统以及理想化过程。

霍华德·T·奥杜姆对开放系统热力学的贡献

霍华德·T·奥杜姆通过将热力学原理扩展到生态学、经济学和复杂系统领域，为开放系统热力学（OST）做出了基础性贡献。他将生态系统和经济体系重新定义为能够持续接收来自外部环境的能量、物质和信息的能量处理网络。通过数十年的实证研究和概念创新，奥杜姆提供了理解这些系统运作的工具。

奥杜姆对开放系统热力学的影响总结

奥杜姆的贡献为将开放系统热力学应用于研究生态和经济体系奠定了基础，这些体系被视为依赖能量的、具有自我组织能力的网络。他提出的能量质量（emergy）、最大能量赋能原理（Maximum EmPower Principle）和层次化组织结构等概念，为测量和解释不同系统中的能量流动提供了一个统一的框架。通过量化能量质量并强调反馈和能量转换过程，奥杜姆加深了我们对这些现象的理解。

生物圈动态赋能（BDE）框架

在《环境会计》（Environmental Accounting, 1996）一书中，霍华德·T·奥杜姆提出了一种自上而下的全球性方法，用于评估驱动生物圈过程的可再生能量来源，并在《Folio #1：引言与全球预算》（Folio #1: Introduction and Global Budget, Odum, 2000）中进一步完善了这一方法。他假设生物圈处于稳态且没有内部循环过程，从而计算出了单位能量质量值（Unit Emergy Values, UEVs）。

在动态生物圈中重新定义可再生能量

在传统的能量核算方法中，地圈-生物圈能量基线（Geobiosphere Emergy Baseline, GEB）——即太阳能、潮汐能和地热能的总和——被用作衡量地球系统可再生输入的指标。这种做法在静态框架下是合理的，因为在这种情况下能量被认为只进入系统一次并推动过程进行，而不会产生内部反馈。

然而，在动态框架下，二次和三次可再生能量流（如降雨、风能、波浪能、河流能量）代表了真正循环再生的能量。

扩展奥杜姆的愿景——一种基于能量的开放系统热力学

在本文中，我们梳理了霍华德·T·奥杜姆对开放系统热力学的基础性贡献，包括他提出的能量质量、能量转换率（transformity）以及自我组织系统的层次化结构等开创性概念。通过将热力学原理应用于生态和经济过程，奥杜姆构建了一个系统框架，用以理解能量流动、反馈机制和储存如何驱动复杂系统的组织和持续运行。

CRediT作者贡献声明

马克·T·布朗（Mark T. Brown）：负责撰写、审稿与编辑工作，撰写初稿，进行形式化分析，并提出概念框架。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。