收稿日期: 2006 - 07 - 01
论工业革命以来生态环境危机的
客观必然性及其根治途径
毕学云,张智婷,郝明亮,李吉利,李瑞平
(河北小五台山国家级自然保护区,河北蔚县075700)
摘要:在简要介绍全球生态环境危机现状的基础上,分析了工业革命以来生态环境危机产生的客观必然性,认为西
方式社会文化的主导、人口压力、对生态基本规律的认识不足、传统生存方式的缺陷、技术的滥用和自由经济制度的弊端是
主要原因,提出根治生态环境危机的根本出路在于控制人口增长、开发利用可再生能源、实施可持续生产和可持续消费。
关键词:工业革命;生态环境危机;客观必然性;根治途径
中图分类号: X171. 1 文献标识码:A 文章编号: 1002 - 3356 (2006) 05 - 0048 - 03
1 全球生态环境危机现状
18世纪中叶以蒸汽机的发明所引发的工业革命,使
人类的生产水平和物质文明水平都得到了极大提高。但
与此同时,工业革命也带来了一系列的生态和环境问题,
引发了人类史上空前的生态环境危机,对当代人类的生
存与发展构成了严重威胁。这些全球性的生态环境危机
主要表现为水(蓝色)危机、粮食(绿色)危机、人口危机、
荒漠化、物种危机、生态死亡、臭氧层危机、大气污染、极
地污染、核污染、生化污染、基因炸弹(人种危机) 、全球变
暖,等等。
联合国发布的《千年生态环境评估报告》指出,过去
50a中,由于人口急剧增长,人类过度开发和使用地球资
源,一些生态系统所遭受的破坏已经无法得到逆转。报
告说,地球自然资源每年提供价值15万亿英镑的物产,
如新鲜的水、清洁的空气和鱼等,但是人类活动破坏大约
2 /3提供上述资源的生态环境,包括湿地、森林、菜地、河
流和海岸等。目前,地球上10% ～30%的珍稀野生动物
濒临灭绝; 24个生态系统中的15个正在持续恶化。大约
60%的人类赖以生存的生态服务行业,如饮用水供应、渔
业、区域性气候调节以及自然灾害和病虫害控制等,无法
进行可持续性生产,前景每况愈下。
报告认为,全球生态环境恶化危及人类健康与长久
发展。如果目前情况继续恶化下去,生态环境就有可能
发生突然变化,将导致水资源质量发生突变,新的疾病蔓
延,沿海地球海洋生物死亡,以及地球气候出现异常变
化。
2 生态环境危机的客观必然性
今天当全球性的生态环境危机将人类推到生死存亡
关头之时,只有对造成生态环境危机的原因进行深刻的
反思,方能探寻到解决环境危机的出路。关于环境危机
的主要原因,众说纷纭,莫衷一是,真可谓仁者见仁,智者
见智。据巴里·康门勒(Barry Commoner)教授的归纳,主
要有这几种见解: ①“富裕说”,认为富裕社会的废弃物
太多,还不如虽贫穷但与环境相和谐的穷人社会。②“进
取意识说”,认为问题的原因在于人类的内在进取意识,
认为人类是地球上最残忍的物种。③“人口说”,认为环
境危机是人口太多的缘故。④“教育说”,认为人类所受
的教育使人日益变得非人,变成不懂得为什么要爱自然。
⑤“宗教说”,认为原因在于基督教的自然存在的唯一目
的是服务于人类的信条。⑥“需求说”,认为污染的原因
不在工业界而在公众过旺的物质需求。⑦“技术说”,认
为原因在于以盈利为唯一目的的、失去控制的技术发展。
⑧“利润说”,认为原因在于毁坏环境比保护环境更容易
获得利润。⑨“政客说”,认为由于制定和执行环境政策
的政府机关被亲工业界的政客所把持,使得那些机关瘫
痪无力。⑩“社会制度说”,认为原因在于资本主义的社
会制度。
上述各说虽具有一定的合理性,但都不够全面、深
刻,不能切中生态环境危机根源的要害。笔者认为,造成
生态环境危机主要有如下这些原因:
2. 1 西方式社会文化的主导
工业革命导致的环境危机、生态冲突这些问题跟西
方式的社会文化理念有密切的关联。西方文化有3个显
著特征:强调竞争与征服;漠视和谐,不仅仅漠视跟自然
的和谐,还漠视跟其它社会、其它文化的和谐;无限制地
利用物质,认为资源永远无限。工业文明开采挖掘出地
底深处的几百种矿产资源,将其转化为人类可支配使用
的财富,支撑了人口新一轮的膨胀。其主要特征是:以毁
坏自然的方式征服和利用自然;个人自由与财富消费至
上;解除宗教和伦理对人的控制等等,这些要素构成了传
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统工业文明的主流意识形态。整个二十世纪,人类消耗
了1420亿t石油、2650亿t煤、380亿t铁、7. 6亿t铝、4. 8
亿t铜。占世界人口15%的工业发达国家,消费了世界
56%的石油和60%以上的天然气、50%以上的重要矿产
资源,全球各国各民族间出现严重的不平衡。目前,全球
石油剩余可采储量仅为1400多亿吨,按目前产量,静态保
障年限仅40a;天然气的剩余可采储量为150亿立方米,
静态保障年限仅为60a。与此同时,地球环境遭到严重污
染,生态系统受到严重破坏,森林锐减、物种毁灭、气候变
暖、荒漠扩大、灾害频发,一场全面的危机摆在人类面前。
2. 2 人口压力
如前所述,人类赖以生存的生物圈是一个最大的生
态系统,它有着自己的负载阈限。而处在生物圈中食物
链最高位的人口的迅速增长,使生物圈的负载能力已达
到了极限,难以为继。英国经济学家马尔萨斯认为,如果
听其自然,人口增长会呈现几何图式(2、4、8、16⋯⋯) ,而
人类所需食物的增长最多是算术方式(1、2、3、4⋯⋯) ,最
后的结局当然十分悲惨。据悉,世界人口在有公元纪元
以来的第一个1000a里,只有3亿人。而在第二个1000a
里,就猛增至约60亿人。在这第二个1000a里,世界人口
有过两次大的增长。第一次发生在工业革命期间, 从
1750年到1900年的150a间,世界人口从原来的8亿增至
17亿。这期间的人口增长主要发生在西方工业化国家。
1950年以后,世界人口进入第二次高速增长期。从1950
年到1981年,世界人口从25亿猛增至50亿。31a里人口
就猛增了1倍。在此期间,人口增长主要发生在发展中
国家,发展中国家人口增长率大大高于发达国家。更有
甚者,在发展中国家,人口的增长与贫困的扩大是同步
的。
2. 3 对生态基本规律的认识不足
人类社会的发展,一时一刻也离不开地球的自然环
境。然而,人类在改造自然环境的进程中,只知道一味地
向大自然索取和掠夺,却没有认识到地球承载人类生存
的能力,取决于它能提供的生命支持系统和生物多样性。
人类发展的过程是一个不断改变“自然生态系统”的过
程,这个系统的发展既有利于人类的一面,也存在着不利
的一面,即过度耗竭自然资源和破坏自然生态系统,最终
将导致人类的不可持续发展。
人类造成的生态环境退化有三个途径: ①非生物资
源的消耗(地球上不可更新资源是有限的,是可耗竭的) 。
②向环境的排放(污染和废物排放往往超出环境的自净
能力) 。③生物量的损失(可更新资源的使用速度大于更
新速度) 。
因此,可以说,是人类活动产生的总压力超过了地球
的环境承载能力的可能性,才造成了环境危机。关于这
一点,恩格斯早在一百年前的《自然辩证法》一书中就曾
尖锐地指出:“⋯⋯我们不要过分陶醉于我们对自然界的
胜利。对于每一次这样的胜利,自然界都报复了我们。
每一次胜利,在第一步都确实取得了我们预期的结果,但
是在第二步和第三步却有了完全不同的、出乎意料的影
响,常常把第一个结果又取消了。”
由此可见,正是人类对生态基本规律的认识不足,对
生态资源肆无忌惮地无度挥霍,才导致生态环境的日益
恶化,从而给人类带来了前所未有的生态性灾难。因此,
人类只有善待自然,按照生态基本规律办事,运用使发展
更少地依赖地球有限的资源,更多地与地球承载能力达
到有机协调的方式来发展经济,才有可能躲过大自然对
人类新一轮更大范围的惩罚。
2. 4 传统生存方式的缺陷
我们知道,人类在适应环境的过程中,形成了从自然
界索取衣、食、居住等方面的物质和能量的生存方式,使
之能够世世代代地生存繁衍下去。但是,人类在和环境
进行了长期的抗争和苦斗,极大地发展了自己,增强了改
造自然的能力和水平之后,又逐步形成了以高投入、高消
耗为手段,以高速度、高发展为途径,以高消费、高享受为
目的的生存方式。这种生存方式的后果是对环境的高污
染和高破坏,是以牺牲环境来求取发展的。在今天当环
境危机成为威胁人类生存,制约经济发展和影响社会稳
定的直接因素,在震惊世界的公害事件频发不断,生态资
源遭到严重破坏的形势下,人类才对这种传统生存方式
的缺陷有了比较清醒的认识。在1989年12月22日第44
届联合国大会召开的环境与发展大会的决议(联大第44 /
228号)中就一针见血地指出:“全球环境不断恶化的主要
原因是无法长久维持的生产和消费形态,特别是工业国
家的生产和消费形态。”
当前,不论是发达国家,还是发展中国家,都遵循着
以大量消耗自然资源为特征的生存方式。高物质消费生
活方式驱动着高资源消耗的生产,而高资源消耗的生产
又导致了地球环境状况的恶化。环境危机的出现无不与
这种浪费型、破坏型的传统生存方式有着密切的关系。
人类现在每1年燃烧的矿物燃料就要自然界用100万年
的时间才能形成。
对这种传统的高消耗生产方式和高消费生活方式,
有识之士称其为“发展的失败”。具体地说,即正是传统
的生产方式、消费方式、思维方式等几乎所有方面组成了
威胁生态环境的社会惯性力量。因此,仅仅从其中一个
方面入手,或是以为更新的技术本身就会解决这样的问
题,或是寄希望于一套全新的发展战略,肯定是要失败
的。事实上,许多生物学家、生态学家、技术专家,当然还
有各方面的社会科学家都明确认识到,如果不对人类迄
今所处的生存方式,或者说对整个工业文明进行深刻反
思,人类断难改弦更张。
2. 5 技术的滥用
如所周知,科学技术的迅猛发展在给人类物质生活
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带来空前繁荣的同时,也给人类带来了前所未有的灾难。
正是科学技术的发展,才使人类具有了改造自然的能力。
它使人类能更大规模地采矿、办工业,从而向自然界索取
更多的物质和能量,并同时向环境排出日益增多的废弃
物。尤其是化学技术的发展,使人类能合成许多自然界
根本没有的化学品,在排入环境后长期在食物链中循环,
危害人体健康。
可见,由于人类滥用科学技术向大自然贪婪地索取
和掠夺,最终是搬起石头砸自己的脚。但是,科学技术是
一把双刃剑,它既有为害人类的一面,又有造福人类的另
一面。人类只有正确使用科学技术,将其运用于环境保
护方面,大力发展节能技术、生态农业技术、以及其他一
系列技术,实行封闭的工业生态循环,采取清洁生产方
式,实现废物的无害化、资源化,把对环境的负荷减少到
最低限度,才能达到人与自然的和谐,从而实现人类社会
的永续发展。
2. 6 自由经济制度的弊端
自由经济制度要求整个社会关系商品化,要求按照
等价交换的原则自由买卖、自由竞争、自由贸易、自由经
营。为了实现这一目的,其保障和鼓励,甚至放纵私人自
由地无限制地从事各种创造财富的活动。然而,这些活
动大多是以疯狂掠夺自然资源和严重污染环境为代价来
获取其高额利润的。在这种制度下,人人只图急功近利,
不顾长远后果。而正是这种对利润的贪婪导致了对大自
然的严重破坏。自由市场经济制度无内在目标和固定方
向,仅仅服从于供需力量的调节。在这种经济体制下,某
些人类的共有物(即共有资源) ,如空气、水等人类生存所
必需的物质基础,往往被少数人或集团用做换取个人或
集团利益的牺牲品。
对此,美国著名学者巴里·康门勒(Barry Commoner)
教授曾指出:在自由市场经济体制下,资金趋向于流向能
在最短时间内产生最大收益的生产项目及其所属的企
业。在这种体制下,投资实际上由公司决定。而公司作
出选择的依据是收回投资和创造利润的周期的长短。它
们当然选择周期短的。不幸的是,有利于环境的,同时从
长远看经济效率更高的项目往往需要大量的初始投资,
而且资金和利润的回收周期长,因此不可能在自由市场
经济体制下为投资者们所喜欢。因为自由市场经济体制
下的资金分配不可能自发地照顾环境质量所代表的社会
效益。这就需要政府以“有形之手”加强对自由经济活动
的干预、控制和调节,以克服自由经济“无形之手”所无法
触及的个人权利的滥用和资源浪费之流弊,防止共有物
悲剧的发生。
3 生态环境危机的根治途径
环境问题是在发展中产生的。导致生态环境退化的
根源在于不可持续的生产与消费方式。发达国家在发展
中,不顾自然生态系统的承受力,消耗了地球上大量的自
然资源和能源,向环境中排放了大量的污染物,导致环境
问题的加剧和环境问题的全球化。目前,世界上少数地
区的消费极高,但大部分人类的基本消费需求尚未得到
满足。正是工业化国家的不可持续的生产和消费模式加
剧了环境退化和世界一些地区的贫困。
作者认为,要从根本上铲除生态环境危机产生的根
源,需从控制人口增长、开发可再生能源、实施可持续生
产和可持续消费等4个方面入手。
3. 1 控制人口增长
根据世界人口学家估计,目前全球正以每年1 亿人
的速度在增长,到2030年,人口将可能达到100亿。地球
资源在开发利用的速度上目前已显得赶不上人口增长的
速度。而正是世界人口的迅速增长给生态环境,尤其对
土地、水、物种等造成巨大的压力,并造成了森林的锐减,
土壤的退化,生态的恶化,资源的浪费,物种的减少等一
系列生态环境问题。因此,为了保护地球资源和生态环
境,控制人口增长已成为人类迫在眉睫的共同任务。
3. 2 开发可再生能源
再生能源主要有水能、太阳能、风能、地热能、生物质
能等,其最大的特点是具有自我恢复能力,人们在使用过
程中,再生能源可以从自然界中源源不断地得到补充,取
之不尽,用之不竭,而且几乎是零污染,对生态环境的破
坏微乎其微。因此,大力开发利用可再生能源是缓解煤、
石油、天然气开采压力,减轻生态环境破坏的一条重要途
径。
3. 3 可持续生产
可持续生产是指满足消费者对产品需求而不危及子
孙后代对资源和能源需求的生产。实行可持续生产的主
要途径是在工业发展中推行清洁生产。清洁生产是指利
用先进的工艺、技术和管理方法,提高资源和能源利用
率,降低物耗、能耗,最大限度地减少废弃物排物量生产
经营活动。按照联合中巴黎工业与环境活动中心的定
义,清洁生产是:“将综合预防的环境策略,持续应用于生
产过程和产品中,以便减少对人类和环境的风险”。
目前,世界上普遍使用的、达到清洁生产的主要途径
是: ①调整产品结构,用无污染、少污染的产品代替毒性
大、污染重的产品。②调整原料结构,用无污染、少污染
的能源和原材料代替毒性大、污染重的能源和原材料。
③调整企业技术结构,用消耗少、效益高、无污染、少污染
的技术、工艺和设备替代消耗高、效益低、污染产生大、污
染重的技术、工艺和设备。④设计物料闭路循环,开展
“三废”综合利用,最大限度地利用能源和原材料,实现物
料最大限度的厂内循环。⑤强化企业工业生产管理,减
少跑、冒、滴、漏和物料流失。⑥对少量的、必须排放的污
染物,采用低费用、高效能的净化处理设备,进行最终的
处理、处置。⑦建立无废工业区。
(下转第54页)
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小区,开展规范的湿地和鸟类保护工作,试验性建设湿地
恢复工程。
(4)建立湿地公园。在北戴河湿地等近城市区和南
戴河、黄金海岸等旅游区的湿地,规划建设具有保护和开
发相协调的示范性特色湿地公园,同时发挥湿地的生态
效益和经济、社会效益。
(5)探讨建立并逐步健全湿地保护社区参与机制。
在参照国内外其它地区社区参与湿地保护成功经验的基
础上,探讨性建立符合秦皇岛沿海湿地保护实际的社区
参与机制,使沿海湿地的保护和湿地所在县、乡、村社区
经济利益协调发展,让群众从保护湿地中得到实惠,从而
更加积极主动参与保护行动。
参考文献
[ 1 ]国家林业局《湿地公约》履约办公室. 湿地公约履约指南
[M ]. 北京: 中国林业出版社, 2001.
[ 2 ]国家林业局,等. 中国湿地保护行动计划[M ]. 北京: 中国林
业出版社, 2000.
(上接第50页)
3. 4 建立可持续的消费模式
《21世纪议程》提出,世界所有国家均应全力促进可
持续消费模式,发达国家应率先达成可持续消费模式,发
展中国家应在其发展过程中谋求可持续消费模式,避免
工业化国家的那种过分危害环境、无效率和浪费的消费
模式,工业化国家要提供更多的技术和其他援助。
政府和商业界对改变消费模式具有举足轻重的作
用。具体手段有:运用经济刺激,改变消费行为;调整价
格结构,使价格能够反映出环境的价值;取消对不可持续
消费模式的保护性补贴;提高消费者的环境保护的经验
和意识等等。
80年代以来,世界上出现了以环境标志(绿色标志)
制度为核心的绿色消费浪潮,对转变不可持续消费模式
产生了推动作用。环境标志(绿色标志)是某一个国家依
据环境标准,规定产品从生产到使用全过程必须符合环
境保护的要求,对符合或者达到这一要求的产品颁发证
书或标志。如果商品上印制了特定的环境标志,就表明
该商品的生产、使用及处置全过程都符合环境保护的要
求,不危害人体健康,对环境无害或少害,有利于资源再
生和回收利用。
参考文献
[ 1 ] [美]D. 米都斯,等. 增长的极限[M ]. 四川:四川人民出版社,
1984.
[ 2 ] 王进. 我们只有一个地球[M ]. 北京:中国青年出版社, 1999.
[ 3 ] 陈鸿清. 发展新思路[M]. 北京:中国国际广播出版社, 2000.
[4 ] 王样荣. 生态与环境[M ]. 东南大学出版社, 2000.
[ 5 ] [德]狄特富尔特,等. 人与自然[M ]. 三联书店, 1993.
[ 6 ] 戴星翼. 走向绿色的发展[M ]. 上海:复旦大学出版社, 1998.
(上接第51页)
吸入鼻腔才有效, 45日龄时进行第二次新城疫II系疫苗
免疫, 15日龄时翼内皮下刺种鸡痘疫苗。在免疫各种疫
苗前后3天内饲料中不加抗菌素药物。
3. 8 消毒
室内和所用设备都要定时进行消毒。
3. 8. 1 地面消毒 用1%新洁尔灭或4%来苏儿水进行
喷洒消毒,每周进行1次。
3. 8. 2 空间消毒 在育雏前20天用熏蒸法进行消毒。每
立方米空间用42ml福尔马林溶液倒入盛有21g高锰酸钾的
容器中,熏蒸后密闭24～48h,然后通风换气放出甲醛气体。
3. 8. 3 设备消毒 我们用的温度计、湿度计、饮水器、食
槽等设备,都要用新洁尔灭或生石灰粉等药品冲洗,然后
用净水洗净,在阳光下晒干,即达到消毒效果。
4 小结
通过对褐马鸡雏鸡的研究饲养,除获得了适合雏鸡生长
的基本因子的理论数据外,还得出了几点经验,总结如下:
4. 1 行为习性
雏鸡刚能站稳行走就表现出好动、好斗的习性,特别
爱啄抱窝鸡的冠和眼, 3日龄时行走奔跑速度加快,爬坡
能力增强,在野外不易抓到。雏鸡从9日龄时开始有沙
浴现象,两周后夜间飞到架上休息,每天的上午8: 00 ～
10: 00时,下午的5: 00～7: 00时,是其活动和取食最旺盛
的时候,中午11: 00～14: 00时不爱动,也不肯取食,但这
个时间饮水较多。
4. 2 健康标志
雏鸡早晨粪便的颜色、形状基本能代表其是否健壮,
如果呈圆柱状、条状、棕绿色、表面有白色的尿酸盐沉着,
说明鸡健康;如果盐成份增加,呈白色糊状或石灰浆样的
稀粪,多感染了痢疾;如果是黄白色、黄绿色并附有粘液、
血液等恶臭稀便,说明感染伤寒等急性病。
鸡群中的啄羽、啄肛、啄趾及其它异食现象和有无软
腿,能帮助判断日粮中营养是否充足和平衡,以便及时调
节各种营养元素。
4. 3 生长情况
从鸡群中选即将进入亚成体的5只鸡分别在6周龄、
7周龄、8周龄、9周龄测量其6个相关指标,通过计算、比
较得出:雏鸡在即将进入亚成体时,也就是49日龄以后,
生长速度最快。
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月22日，是第19届“世界水日”。3月22日至28日也是第24届“中国水周”。为了增强学生节水意识，教给学生一些简单易学的节水窍门，乍浦小学于3月22日组织开展了“世界水日”主题宣传教育活动。
水是一切生命赖以生存，社会经济发展不可缺少和不可替代的重要自然资源和环境要素。但是，现代社会的人口增长、工农业生产活动和城市化的急剧发展，对有限的水资源及水环境产生了巨大的冲击。在全球范围内，水质的污染、需水量的迅速增加以及部门间竞争性开发所导致的不合理利用，使水资源进一步短缺，水环境更加恶化，严重地影响了社会经济的发展，威胁着人类的福祉。
学校通过校园广播，向全校师生发起了“节水，从点滴做起”的倡议，并组织全校师生收看了CCTV－2节能半小时视频节目“节水窍门”。每年一次的世界水日都给我们提供了一个机会，用以提高公众认识，并传播养护和管理水资源。通过专题教育活动，教育学生在快乐学习、幸福生活的时候停下脚步，去思考如何去珍惜、保护我们的“生命之水”。并以此通过学生，提醒家长、朋友及周围的每一个人，节水是我们每个公民的义务，更是责任。我们在日常生活要从点滴做起，改掉生活坏习惯，利用节水小窍门，节约用水，保护水资源，保护我们的“生命之水”。这样，我们的生活才会更和谐，环境才会更优美舒适。
3月23日，是“世界气象日”。今年，世界气象日的主题是“人与气候”。
气候是万物赖以生存的关键因素，人类社会无时无刻不受到它的影响，四季的更替让人享受着春夏秋冬的神韵，不同类型的气候使地球景观异彩纷呈。但人类活动也不可避免地对气候进行着或有意识或客观的改变。世界气象组织于今年年初确认，2010年全球平均气温是自人类有气温记录以来最高的一年。2010年全球平均气温较1961年至1990年气温平均值偏高0.53℃。截至目前，全球平均气温最高的十个年份都是在1998年以后出现的。
为增加学生的气象意识，提高学生保护气候、低碳生活的意识，乍浦小学在3月23日组织开展世界气象日专题教育活动。学校组织学生去平湖市气象局参观，了解基本的气象科普知识；组织学生收看中央气象局庆祝我国气象卫星事业40周年的专题宣传片——“风雨历程四十年”，了解我国的气象卫生事业，了解全球气候变化情况。今年世界气象组织将世界气象日活动主题确定为“人与气候”，目的就在于借助这个契机，让人们再一次审慎思考自己与气候的关系，为减缓和适应气候变化再多作一些努力。
乍浦小学以“世界水日”、“世界气象日”为契机，开展专题教育活动，旨在提高学生的节水环保、低碳生活的意识，促进广大师生积极参与“节约用水，防灾减灾”工作，节约生活的每一滴水。同时，倡导低炭生活，节能减排，唤起学生及家长要保护环境，爱护自然，使我们生活的这个家园绿色常在，生机勃勃。
科普小论文 范文1：树干为什么是圆的 在观察大自然的过程中我偶然发现，树干的形态都近似圆的——空圆锥状。树干为什么是圆锥状的?圆锥状树干有哪些好处?为了探索这些问题，我进行了更深入的观察、分析研究。 在辅导老师的帮助下，我查阅了有关资料，了解到植物的茎有支持植物体、运输水分和其他养分的作用。树木的茎主要由维管束构成。茎的支持作用主要由木质部木纤维承担，虽然木本植物的茎会逐年加粗，但是在一定时间范围内，茎的木纤维数量是一定的，也就是树木茎的横截面面积一定。接着，我们围绕树干横截面面积一定，假设树干横截面长成不同形状，设计试验，探索树干呈圆锥状的原因和优点。 经过实验，我们发现：(1)横截面积和长度一定时，三棱柱状物体纵向支持力最大，横向承受力最小；圆柱状物体纵向支持力不如三棱柱状物体，但横向承受力最大；(2)等质量不同形状的树干，矮个圆锥体形树干承受风力最大；(3)风是一种自然现象，影响着树木横截面的形状和树木生长的高矮。近似圆锥状的树干，重心低，加上庞大根系和大地连在一起，重心降得更低，稳度更大；(4)树干横截面呈圆形，可以减少损伤，具有更强的机械强度，能经受住风的袭击。同时，受风力的影响，树干各处的弯曲程度相似，不管风力来自哪个方向，树干承受的阻力大小相似，树干不易受到破坏。 以上的实验反映了自然规律、自然界给我们启示：(1)横截面呈三角形的柱状物体，具有最大纵向支持力，其形态可用于建筑方面，例如角钢等；(2)横截面是圆形的圆状物体，具有最大的横向承受力，类似形态的建筑材料随处可见，如电视塔、电线杆等。 在我的观察、试验和分析过程中，逐渐解释、揭示了树干呈圆锥状的奥秘，增长了知识，把学到的知识联系实际加以应用，既巩固了学到的知识，又提高了学习的兴趣，还初步学会了科学观察和分析方法。 范文2：皮鞋为什么越擦越亮 每到星期天，我总要完成妈妈交给我的擦鞋任务。告诉你，这可是我一星期零花钱的来源哦!拿到沾满灰尘的皮鞋后，我先把鞋面的灰尘擦掉，然后涂上鞋油，仔仔细细地擦一擦，皮鞋就会变得又亮又好看了。可这是为什么呢 我找了同样牌子同样款式的新旧两双皮鞋进行对比观察。我先用手触摸两双皮鞋的鞋面，发现新皮鞋的表面比旧皮鞋的表面光滑得多。旧皮鞋涂上鞋油，仔细擦过后，虽然亮了许多，但仍无法与新皮鞋相比。皮鞋的亮度是否与鞋面的光滑程度有关呢? 我取来一双没擦过的旧皮鞋，在放大镜下鞋面显得凹凸不平的。然后，我再在皮鞋上圈出两块表面都比较粗造的A区和B区，A区涂上鞋油并仔细擦拭，B区不涂鞋油作空白对照。我发现A区擦拭后，表面明显变光滑了许多，而且放在阳光下也比B区有光泽。为什么两者会产生这样的差别呢? 我想到在物理课上老师曾经讲过：影剧院墙壁的表面是凹凸不平的，这样可以使声音大部分被吸收掉，让观众不受回声的干扰。同样道理，光线照到任何物体的表面都会产生反射，假如这个平面是高低不平的，光线就会向四面八方散射掉；假如这个平面是光滑的，那么我们就可以在一定的方向上看到反射光。 皮鞋的表面原来就不是绝对的光滑，如果是旧皮鞋，它的表面当然更加的不平，这样它就不能使光线在一定的方向上产生反射，所以看上去没有什么光泽。而鞋油中有一些小颗粒，擦鞋的时候这些小颗粒正好可以填入皮鞋表面的凹坑中。如果再用布擦一擦，让鞋油涂得更均匀些，就会使皮鞋的表面变得光滑、平整，反射光线的能力也加强了。 通过实验，我终于知道了皮鞋越擦越亮的秘密啦! 范文3：醋对花卉有什么影响 醋是生活中常用的调味品，花卉则能净化生态环境，并美化我们的生活。 你是否想到过，醋和花卉有什么关系呢?我们怀着好奇心，开展了这个课题的探究。据富有种花经验的人告诉我们，对盆栽花卉施些醋溶液，可改善盆花的生长，增加花朵，而且花艳叶茂。这一点我们在实验中很快就证实了。 浓度不同的醋溶液，对花卉有不同的影响吗?这是我们第二阶段的实验。我们选取长势相同的满天星、报春花、月亮花各四盆，分为四组，每组（三盆）各有三种花卉，分别编号、贴上标签。同时，我们取食用白醋配制成1％（pH值为2~3）、0．01％（pH值≈4）、0．0001％(pH值≈6)三种浓度不同的溶液，每天分别给三组盆花固定喷洒一种醋液，第四组盆花洒不含醋的清水。每五天观察记录花卉的生长情况。 这项实验的结果是：喷洒低浓度醋液(pH值≈6)对这几种花卉没有明显影响；喷洒中等浓度醋液（pH值≈4）的花卉明显长得比其他几组好，花苞多，开花期提前，而且花色较浓艳，花期也延长了；喷洒pH值2－3的高浓度醋液后，反而使花朵过早凋萎。 通过这次实验，我们可以告诉你：种花时适当喷洒一些醋液，可使花卉长得更好。不过要掌握好醋液的浓度，醋酸过浓则会伤害花卉。
造林规划设计是林业建设的先行和基础工作，是科学造林和最优经营管理的重要组成部分。造林规划设计中方案的优化不仅要遵循适地适树的自然法则，而且要根据当地、当时社会经济条件、林业生产计划和经营目的，来选择最优的造林规划设计方案，做到在满足经济、计划、物质等方面的条件下，合理利用林地，最大限度地挖掘林地自然生产力，充分发挥人工林的生产效益，实现森林的持续经营与林业的可持续发展。这是当前造林规划设计中的一个重要研究课题，具有重大现实意义和应用价值。为此，前人从不同的技术角度，对造林规划设计的方案优化做了大量研究，取得了许多重要成果[1-4]，但它们均具有一定的局限性。因为在造林规划设计的实践中，小班造林树种的选择除了要考虑某种立地条件下某一树种的适宜程度外，还常常要考虑投资金额的限制、指令性计划的约束以及造林苗木品种和数量的限制。鉴于此，笔者曾首次给出了 0－1 规划方法确定约束条件下小班造林规划设计最优化的具体方法，并成功地解决了 10 个小班的造林规划问题[4]。但当造林小班数量大于 50 甚至更多时，0－1 规划方法求解就需搜索很长时间方有可能得到最优方案。那么，在解决某个大林场或某个县（市）整个大地域范围内的约束条件下小班造林规划设计及其最优设计问题时，就存在最优化方法上的不足。因此，有必要提出优化的方法。
造林规划设计问题本质上是一个优化问题。模拟退火法是人们从自然界固体退火过程中得到启发并从中抽象出来的一种随机优化算法，是解决优化问题的一种新途径。因此，本文在介绍模拟退火法机理的基础上，首次提出用模拟退火法优化大地域作业区在经济、计划、物质等方面的约束条件下为获得最佳经济效益的小班造林树种选择的最优方案，具有重要理论价值和现实意义，属首次报道。
1 在约束条件下造林规划设计的数学模型
在实际的造林设计工作中，当用科学方法做出设计之后，具体实施过程又常常受到各种条件的约束，迫使修改原规划设计方案。在满足这些约束条件下，为达到获得最大经济收益目标，编制整个林场或县、市作业区内造林树种选择的最佳方案，我们把它称为“在约束条件下造林规划设计问题”[4]。在约束条件下造林规划设计考虑资金、苗木品质和数量以及计划等约束条件，其具体数学模型见文献 4。
2 模拟退火法
Kirkpatrick 等[5]于 1983 年首先提出了模拟退火法，它是人们从自然界固体退火过程中得到启发并从中抽象出来的一种随机优化算法。模拟退火法用于求解优化问题的出发点是基于物理中固体物质的退火过程与一般优化问题间的相似性。在对固体物质进行退火处理时，常先将它加温使其粒子可自由运动，以后随着温度的逐渐下降，粒子逐渐形成低能态晶格。若在凝结点附近的温度下降速率足够慢，则固体物质定会形成最低能量的基态，优化问题也存在类似过程。解空间中每一点代表一个解，不同的解有不同的目标函数。该算法最为显著的特征是以一定的概率接受使目标函数值增大的移动，所以能够从局部最优解的“陷阱”中爬出来而不会简单地终止于一局部最优解上，即具有全局收敛性。并且在理论上已经证明了只要系统过程满足一定的要求（系统温度无限趋于零度且在每一温度下模拟充分），则算法将以概率 1 渐近收敛于全局最优解[6]。图 1 为典型的模拟退火法计算框图，可以看出，该算法包括以下要素：
图 1 模拟退火法计算框图
Fig.1 Calculation chart of simulated annealing
(1) 相邻状态的产生 相邻状态是指从当前状态经过一次移动（对任一优化变量进行一次扩大、缩小或对流程结构进行一次调整）所能达到的状态。这是模拟退火法中一个非常重要的概念，因为相邻状态产生的有效性直接关系到算法的有效性。一般的相邻状态产生方法是借助于一个随机数发生器，随机地选取一优化变量，然后对其进行放大或缩小。但是此法存在一些不足之处，本文采用这样一种改进的相邻状态产生方法[6]：首先，将当前状态的相邻结构集（相邻状态的集合）进行排列，然后按照这一随机排列顺序逐一执行各步移动。这样保证了当前状态的每一相邻状态均能被实现一次，也使得低温下每一状态仅被实现一次便可找到能够使目标函数值下降的移动，节省了计算时间。
(2) 初始温度 T0 温度 T 在模拟退火法中具有决定性作用（称为模拟退火法的控制参数），它直接控制着退火的走向（即系统的优化方向）。由随机移动的接受准则可知，T 很大时新状态的接受概率很高。但初始温度 T0 的选取不能过高也不能过低，过高则以后的过程会有大量的时间浪费在因初始温度过高而接受的使目标函数值上升的移动上；T0 过低又会使算法的“爬山”能力减弱而可能终止于局部最优解。一般的 T0 确定方法是使初始温度 T0 下随机移动的接受比率落在某一给定的范围内（例如：0.8≤X0≤0.9）。确定 T0 的经验法则是：选定一个大值作为 T0 的当前值，并进行若干次变换，若接受比率 x 小于预定的初始接受比率 X0（可取 X0=0.8），则将当前 T0 值加倍。以 T0 新的当前值重复上述过程，直至得到X>X0的 T0 值。
(3）每一温度 T 下随机移动的次数 每一温度下随机移动的次数取为相邻结构集尺寸的大小。
(4) 降温进程 Tk＋1=f(Tk) 选用 Aarts 和 Van Larrhoven[6]提出一种具有多项式收敛的降温进程：
Tk+1=Tk[1＋Tk1n(1＋δ)/3σ(Tk)]-1
其中σ为目标函数标准偏差，δ为给定数值，δ越小则降温越慢但模拟误差也越小，其取值不同对模拟退火算法的实验性能有显著影响。一般通过计算机调试而确定，本文经调试，δ取 0.10。
(5）随机移动接受准则 采用 Metropolis 准则[7、8]，随机移动接受概率
其中△c 为目标函数值的变化。可以得知，系统温度 T 决定着随机移动的接受概率。温度越高则算法接受使目标函数值上升移动的能力越强，具有较强的“爬山”能力；温度很低则使目标函数值上升移动的接受概率很低。
(6）终止准则 采用一个简单的终止准则：当 T=Tf 时终止计算（取 Tf=0.1）。
3 模拟退火法优化约束条件下造林规划设计实例
用福建省尤溪县林业委员会用材林速生丰产林基地中的造林小班的具体资料进行在约束条件下的小班造林树种选择方案优化。
福建省尤溪县位于东经 118.8°～119.6°，北纬 25.8°～26.4°。气候属中亚热带大陆性兼海洋性季风气候，年降水量 1599.6mm，年蒸发量 1323.4mm，相对湿度 83%，年平均气温 18.9℃，历年最大日降水量 131.7mm，3～6 月为多雨季节，4 个月降雨量占全年降雨量的 65%。地貌系闽中火山岩系中山地貌。用材林速生丰产林基地造林地土壤为发育在侏罗纪下流陆相盆地沉积砂岩上的红壤，平均坡度为 32°。林地植被以唐竹、芒萁为主，盖度为 63%。造林小班共 97 个，总面积为
618.20hm2，依据各小班坡位、坡向、坡度、表土层厚度等因素，应用文献 3 中的方法可以打印出各树种在基准年时累计材积和合理造林密度。由于用材林速生丰产基地造林树种主要是杉木（Cunninghamia lanceolata）和马尾松（Pinus massoniana），因此只考虑这两个树种，这些基础数据限于篇幅不列出。
假设杉木每株苗木单价 (H1) 为 0.1 元，马尾松每株苗木单价 (H2) 为 0.05 元。杉木每公顷造林投资 (b1) 为 2700 元，马尾松每公顷造林投资 (b2) 为 1800 元（包括整地、造林及抚育等费用）。各树种的总材积（包括间伐材）平均每立方米杉木价格 (C1) 计为 480 元，马尾松 (C2) 为 360 元。假设对该作业区总投资为 160 万元 (B)，对杉木苗木来说，最多可供应 180 万株 (D)，但至少必须使用 120 万株 (E)，马尾松苗木敞开供应。上级部门要求 20 年后该批造林小班必须收获杉木 4.5万m3 木材。以立地条件分析：第 5、59、97 小班极适宜种杉木；而第 10、51、96 小班极适宜种马尾松。这些条件在小班造林规划设计时都予以考虑。这样，目标函数为：
约束条件：
其中 Z 为基准年时创造价值（元）；Vij 为第 i 小班种植第 j 树种在基准年（20 年）时累计材积（按文献 3 计算）；Si 为第 i 小班面积；Cj 为第 j 树种（包括间伐和主伐收获的木材）每立方米平均计算价格；Xij 为第 i 小班种植第 j 树种的决策变量；Nij 为第 i 小班种植 j 树种的合理密度（需苗木株数）（按文献 3 计算）；n 为小班数；m 为造林树种数。
笔者根据模拟退火法的基本思想，应用 BASIC 语言编制了优化约束条件下造林规划设计的模拟退火法的计算机程序，其中 n=97，t0=100，δ=0.10，马尔可夫链的长度取为 (2n)2。程序在 AST－586 计算机上运行，收敛后，目标函数值趋于稳定，最优造林规划设计方案列于表 1。在采用模拟退火法优化约束条件下造林规划设计求解的尤溪县林业委员会 97 个小班的造林规划设计最优组合方案下，20 年累计杉木材积收获可达 4.72万m3，杉木苗木需要 1204010 株；马尾松材积收获为
3.17万m3，需要苗木 1150560 株；总投资为 1597349 元。在最优造林规划设计方案下，可望在 20 年时获得 3409.2 万元经济收益。
表1 造林规划设计表
Table 1 Tabulated culture program design
小
班
号 小班
面积
(hm2) 造林
树种 合理
密度
（株/hm2） 需要苗
木数量
（株） 20 年木
材收获
(m3) 小
班
号 小班
面积
(hm2) 造林
树种 合理
密度
（株/hm2） 需要苗
木数量
（株） 20 年木
材收获
(m3)
1 3.80 杉木 4200 15960 576.56 50 6.40 杉木 3300 21120 916.13
2 8.06 杉木 3600 29040 1316.24 51 3.53 马尾松 4800 16960 474.99
3 1.40 杉木 3600 5040 242.40 52 5.00 马尾松 4800 24000 817.20
4 5.00 杉木 4200 21000 747.60 53 11.00 杉木 3000 33000 1060.79
5 8.80 杉木 3600 31680 1478.91 54 18.40 马尾松 3600 66240 1405.94
6 4.19 杉木 3600 15120 471.64 55 2.53 杉木 4350 11020 496.89
7 3.00 杉木 3300 9900 429.35 56 2.46 马尾松 4800 11840 358.49
8 2.00 杉木 3300 6600 286.23 57 6.93 杉木 3600 24960 821.18
9 4.73 杉木 3600 17040 743.51 58 5.60 马尾松 4200 23520 654.61
10 6.46 马尾松 4800 31040 989.30 59 3.06 杉木 3900 11960 566.58
11 5.86 杉木 4200 24640 882.99 60 6.46 马尾松 4800 31040 902.68
12 9.13 杉木 3600 32880 1557.83 61 6.00 马尾松 4350 26100 703.89
13 9.39 杉木 3600 33840 1522.38 62 2.53 马尾松 4800 12160 316.20
14 5.73 杉木 3300 18920 806.51 63 7.26 马尾松 4350 31610 854.78
15 3.26 马尾松 4500 14700 398.08 64 8.33 杉木 3000 25000 917.13
16 2.33 马尾松 4200 9800 295.09 65 9.46 马尾松 3900 36920 996.98
17 8.80 马尾松 4050 35640 986.96 66 3.80 杉木 3300 12540 502.51
18 4.46 杉木 3000 13400 566.62 67 5.13 杉木 4200 21560 947.56
19 4.93 杉木 4200 20720 729.71 68 4.33 马尾松 4800 20800 635.25
20 3.60 马尾松 4200 15120 443.72 69 9.80 马尾松 4200 41160 1214.81
21 12.86 杉木 3000 38600 1494.98 70 11.26 马尾松 3900 43940 1217.81
22 6.26 马尾松 4200 26320 839.51 71 2.80 杉木 4200 11760 436.59
23 5.93 杉木 3000 19580 814.97 72 5.80 杉木 3900 22620 860.78
24 1.80 马尾松 4800 8640 270.97 73 7.66 杉木 3600 27600 942.54
25 7.73 马尾松 4050 31320 869.07 74 1.60 杉木 4350 6960 317.26
26 5.80 马尾松 3900 22620 612.13 75 4.93 杉木 3900 19240 806.26
27 6.06 马尾松 4500 27300 731.28 76 3.86 马尾松 4200 16240 491.61
28 10.40 杉木 3300 34320 1480.91 77 4.60 马尾松 4500 20700 595.40
29 3.93 马尾松 4200 16520 476.48 78 2.93 杉木 3600 10560 439.38
30 9.26 杉木 4200 38920 1381.38 79 8.26 杉木 3300 27280 1016.30
31 5.06 杉木 4200 21280 833.87 80 2.73 马尾松 4800 13120 423.08
32 3.13 马尾松 4800 15040 488.61 81 3.80 马尾松 4800 18240 545.32
33 11.20 杉木 3000 33600 1242.69 82 5.46 杉木 4200 22960 864.53
34 4.26 杉木 2700 11520 424.26 83 6.40 杉木 4050 25920 938.30
35 4.86 马尾松 4050 19710 599.77 84 4.86 马尾松 4500 21900 684.67
36 2.86 杉木 3000 8600 351.27 85 8.60 马尾松 4200 36120 1015.75
37 11.53 杉木 3600 41520 1582.26 86 9.53 杉木 3000 28600 1124.27
38 13.53 杉木 3000 40600 1561.27 87 2.46 杉木 4350 10730 484.40
39 12.33 杉木 3000 37000 1351.61 88 5.20 杉木 4200 21840 843.88
40 2.40 杉木 3300 7920 259.93 89 8.93 杉木 4200 37520 1314.81
41 9.80 马尾松 3600 41160 1102.21 90 7.60 杉木 3900 29640 953.84
42 4.19 杉木 3000 12600 754.49 91 11.46 马尾松 3900 44720 1038.36
43 5.40 马尾松 4200 22680 746.50 92 4.33 杉木 3900 16900 531.64
44 8.46 马尾松 3900 33020 877.06 93 7.13 马尾松 3900 27820 655.59
45 5.20 马尾松 4350 22620 659.99 94 3.20 马尾松 4800 15360 499.01
46 17.06 马尾松 3900 66560 1591.55 95 9.26 马尾松 3600 33360 801.75
47 5.06 杉木 4200 21280 818.44 96 15.80 马尾松 3600 56880 1447.36
48 7.06 杉木 3000 22800 957.14 97 3.40 杉木 3900 13260 419.99
49 7.13 杉木 3300 23540 906.18
4 讨论
在约束条件下造林规划设计方案的优化是在反映立地条件的环境因子等估测出最佳造林树种及合理造林密度的计算机辅助造林设计的基础上，应用其定量数据，用模拟退火法优化 0－1 规划求解最优设计方案，达到在大区域范围内实现在约束条件下的造林规划设计，因此，研究结果对实现合理配置林地资源具有一定的现实指导意义。
在约束条件下造林规划设计中采用模拟退火法优化求解，结果表明，模拟退火法可用来求解优化问题，但在实现过程中应注意 3 个问题：①怎样按某种概率过程产生新的搜索状态。产生新的搜索状态的范围越大、越广，则搜索的解空间越大，从而能够保证在全局中寻求最优，因此，为保证在全局中寻求最优，本研究产生新的搜索状态的概率过程采用随机生成方式；②根据当前温度及新状态与原状态的相应位置，如何确立新状态接受标准。本研究中采用 Metropolis 准则来确定新状态接受概率，即同时考虑目标函数值的变化Δc 和系统温度 T；③怎样选择初始温度 T0 及怎样更新温度、确定温度的下降过程。一般初始温度 T0 可经过计算机调试得到，本研究中经计算机调试后以 T0 取 100 为最理想；而对于温度下降过程，由于降温过程的数学模式较多，不同的研究对象可因具体情况选择不同的降温过程，本研究选择 Aarts 和 Van Larrhoven提出的一种具有多项式收敛的降温进程。以上 3 点影响模拟退火法的收敛性及收敛速度，且影响退火结束后以多大的概率使状态稳定在全局最小点。作为一种新的优化方法，其将在林业生产及科学研究中具有广阔的应用前景。
