第二章 循环经济的理论基础
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NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
2.2.2 生态学
1 生态系统及其构成
生态系统定义（坦因斯利）： 在一定的时间与空间范围内，生物群落与所处的环境 所形成的相互作用统一体，生态系统＝生物群落＋环境条 件。
生态因子定义 • 环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有 着直接或间接影响的环境要素。
绿色化学与循环经济
第二章 循环经济的理论基础
杜 艳 南京工业大学环境学院
2008年10月
Nanjing University of Technology
2 循环经济的理论基础
循环经济是按照生态规律和经济规律安排生产活 动，使产业链上游的废物变成下游的原料，使资 源得到最有效的利用，使经济活动对环境的负面 影响降到最小 目前，对循环经济学的理论基础还没有形成共识， 还在不断的探索之中
水循环
意义：为生态系统中物质和能量的转换提供了基础，同时还调节 了气候， 净化了环境。另外，全球降雨格局决定了主要生态系统在地球上的分布。
凝结
植 物 蒸 腾
凝结
蒸发
水汽输送
凝结
蒸发
降 水
降 水
降 水
NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
气体循环——碳循环
燃烧 光合作用
呼吸作用
NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
2.2.1 热力学
diS>︱deS︱，系统引入的负熵流deS不足以抵 消系统内部的熵产，使得dS>0，系统无序度增 加，系统的结构和功能就要发生衰退 diS<︱deS︱，系统引入的负熵流deS大于系统 内部的熵产，使得dS<0，系统有序度增加，系 统的结构和功能进化
环境个体主义
所有有生命之物 生命中心论 具有道德地位 生态中心论 生态系统整体都 具有道德地位
环境整体主义
NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
2.1.3 伦理道德
1 环境伦理观（专栏2.1)
环境道德的原则与要求（p48） 人与自然和谐统一的整体价值观，是环境伦理观的基 础,生物和自然都享有道德地位并获得道德关怀，即把 道德的对象范围从人类扩大到生物和自然 同时，只有人类才具有实践的能动性，具有自觉的道 德意识，进行道德选择和作出道德决定，所有只有人 才是道德的主体 作为道德代理人的人类，应当珍惜和爱护生物和自然， 承认他们在一种自然状态中持续存在的价值，即人类 具有自觉维护生物和自然的责任
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2.2 自然科学基础
探讨循环经济的科学基础，不能离开自然科学和 社会科学的综合 2.2.1 热力学
1 2 3 4 热力学第一定律 热力学第二定律 耗散结构和自组织 爱因斯坦的质能关系
2.2.2 生态学
1 2 3 4 生态系统及其构成 能量传递 物质循环 生态系统的主要特点
2.2.1 热力学
3 耗散结构与自组织 比利时科学家普里高津提出耗散结构理论
耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化 规律的一种理论。 耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流 的维持下，通过自组织形成的一种新的有序结构，这个有序结构 必须靠不断由外界提供能量才能维持下去，因此称为‘耗散结 构’。
物质被使用，能量对外做功， 都是熵增过程，系统无 序度增加，如清洁水变成污水，引起生态环境系统无 序度增加，即造成环境污染问题 循环经济系统就是要原本被弃臵的处于高熵状态的物 质，重新变为低熵状态加以利用，就需要外界有能量 对系统做功（投入资金），称为负熵流
NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
2.2.1 热力学 2 热力学第二定律
熵是一个状态函数，度量体系混乱度的函数， 用S表示。 封闭系统总是自发地朝着使系统熵增加的方向 发展，也就是朝着系统混乱度增加的方向进行
具有不可逆性 系统中分子的热运动更加无序 结构高度有序 的晶体溶于水， 是自发过程， 系统的混乱度 增加
• “万物皆动”：一切事物都是运动的，并时刻都在发展 变化 • 运动是物质的根本属性，运动中，物质从一种形态变成 另外一种形态，从而形成物质流 • 我们要在转化过程中整合环境资源，理顺物质流关系， 把一种资源转移为另一种资源，改变过去那种不断把资 源变成垃圾的状况。 • 发电厂以炼油厂的废气为燃料，而其产生的煤渣又成为 生产水泥的原料，通过企业间共生关系，形成工业物质 流动的联合体 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
分解作用
化石燃料
说明：碳占生物体总干重的49%，碳在无机环境和生物群落之间 是以CO2的形式进行循环。
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气体循环——氮循环 大 气 氮 进 入 生 物 有 机 体 的 途 径
生物固氮
豆科植物和其他少数高等植 物能通过根瘤的固氮菌固定大 气中的氮）每年约为54×106 吨。 人类通用工业手段，如用高 温、高压和化学催化的方法， 将大气中的氮合成氨或铵盐， 即合成氮肥，供植物利用）每 年大约30×106吨
如果没有外界能量的持续给予，这个结构就不能维持在某 一个特定的状态（远离平衡状态）或者说如果没有外界能 量的持续给予，这个结构因能量的消耗而逐渐的消失，概 括的说，耗散结构因自身消耗能量而不能维持原来状态或 者结构的一种状态或结构，所以它必须不断的同外界进行 交换能量才能维持它目前的结构或者状态。 小到生物有机体，大到种群，群落，生态系统乃至生物圈， 都是这样的耗散结构。因为它必须和外界环境有熵的交流， 所以它是开放的系统。
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“熵增加原理”
2.2.1 热力学
2 热力学第二定律
开放系统的熵增量计算公式： dS=diS+deS
• diS表示系统内部不可逆过程产生的熵增，称为熵产， diS永远 >0. • deS表示由于系统和外界环境的相互作用，如物质和能量的流 进或者流出所引起的熵增，也称为熵流， deS可正可负
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小结
热力学第一定律说明循环经济所倡导的通 过物流重复利用、和能流的优化利用是可 行的 热力学第二定律说明物质循环利用要付出 代价，即物质和能量的品位会下降 普里高津的耗散结构理论说明，必须引入 负熵流，系统才能维持有序和发展 爱因斯坦的质能关系揭示了负熵流最终源 泉的本质
生物成分 消费者
也包括某些原生动物、 蜣螂（屎克螂）秃鹫、 蚯蚓、白蚁等大型消费者 肉食动物 养 生 三级消费者 大型肉 物 食动物 细菌 腐生生物
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2.2.2 生态学
2 能量流动
Sun
呼吸
呼吸
2.1 哲学基础
2.2 自然科学基础 2.3 经济科学基础 2.4 系统科学基础
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2.1 哲学基础
哲学：人们对整个世界总的看法和根本观 点 2.1.1 认识论 2.1.2 自然辩证法 2.1.3 伦理道德
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人口激增 完全对立阶段 ———— 和谐共存阶段
改造自然、 掠夺式资源 征服自然 开发 谋求人地协 合理开发利 调 用自然资源
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2.1.2 自然辩证法
物质不灭的辩证关系
物质不会消失而永恒存在
• 物质形态千变万化，物质本身是永恒存在的，既不 能被消灭，也不能被创造 • 任何物质不能凭空制造出来 • 既然不能消灭，这就意味着废物能够反复利用，从 而可形成“资源——产品——再生资源”的循环式 流程
呼吸
呼吸
空气 水 无机盐
100 10-20 1-4
生产者
一级 消费者 二级 消费者
0.1-0.8
三级 消费者
单向流动 逐级递减（传递效率约为10%~20%）
分解者
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呼吸
2.2.2 生态学
3 物质循环
概念—— 组成生物体的各种物质和元素，在生物圈
生物因子包括同种生物 的其它个体和异种生物 的有机体。体现着生物 种内和种间相互关系
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营养结构
2.2.2 生态学
无生命物质和能量——阳光、空气、热能、水、矿物 质、 腐殖质等；
非生物成分
绿色植物
生产者
光合细菌
化能合成细菌
自养生物 是生态系统的主要成分
2.1.1 认识论
正确认识人与自然的关系，实现经济发展 与资源环境的协调，是循环经济的一个根 本性的目的
发展阶段 采猎文明 人地关系 崇拜自然 人类活动 群体采集和 狩猎 人口特点 人与自然关系 极其缓慢 蒙昧阶段（原始的和低 级的协调）
农业文明
工业文明 生态文明
崇拜自然
农耕
迅速增长 对立初步显现
废物能否成为资源，取决于投入
• 辩证唯物主义认为，任何一种物质都有着其特定的 使用价值（废物，放错地点的资源） • 任何废物都能转变为资源，这取决于技术水平和经 济投入
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2.1.2 自然辩证法
物质不灭的辩证关系
物质不会消失而永恒存在 废物能否成为资源，取决于投入 运动促进物流，生态就是循环
• 要树立全球伦理观
–环境资源的所有者、生产者、消费者之间的关系 –各经济部门之间的关系 –有环境联系的区域经济之间活动的关系 –国际贸易
• 各级政府应将可持续发展作为硬道理
–构建生态伦理强调人类平等观和人与自然的平等观，主张 人与人及人与自然的生产平等、利益平等和发展平等
• 循环经济需要企业家的良知和责任感
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2.2.1 热力学
1 热力学第一定律
热力学第一定律即能量守恒定律（第一类永动机是不 可能造成的） 物质的生产和消费是人类为满足自身生存和发展需要 所进行的一系列针对物质的物理或化学的加工、转变 和利用过程，这些过程遵循质量守恒和能量守恒定律 使用过后，物质没有消失，从“有用”变成了“无 用”，随着新技术的建立，废物将重新成为原料进入 物质循环的经济系统 同样，能量在使用后也没有消失，或者转移，或者变 成其他形式的能量，最终大多以热量的形式耗散到环 境中，现有技术水平下，能量循环利用还做不到，但 可以做到梯度利用 对于任何一个循环经济系统，都必须遵循质量守恒和 能量守恒定量
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2.2.1 热力学 4 爱因斯坦的质能关系
E=mc2，物质因而可被看做是高密度的能量。 目前，循环经济系统赖以存在的负熵流的主要 来源：太阳内部的核聚变能量 历史上的太阳能负熵流：化石能源 当前的太阳能负熵流：可再生能源
2 经济伦理
经济伦理不仅涉及到国家经济政策的宏观调控，涉及 到企业在生产、销售、广告等各个环节在道德方面的 认知与自我约束，而且还关涉到个人在生活方式、物 质消费上的道德选择
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2.1.3 伦理道德
3 循环经济的伦理取向
循环经济的伦理观是环境伦理和经济理论的有 机结合
内的生物群落和无机环境之间所形成的往返循环运动。
特点
能量单向流动；物质周而复始循环 能量流动和物质循环都是借助于生物之间的取食过程而进行
生命有机体的主要物质有：碳、氢、氧、氮、磷、 硫，占原生质成分的97% 无机物质的循环主要有三种类型：水循环、气体 循环、沉淀循环
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2.1.3 伦理道德
发展循环经济需要一种新的道德观和伦理观 循环经济的伦理观是环境伦理与经济伦理的结合。 1 环境伦理的发展演化 2 经济伦理 环境伦理学探讨人类与自然环境之间的道德关系或伦理关系 3 人类中心主义 循环经济的伦理取向 只有人才有资格获得道德关怀 非人类中心主义 动物具有道 动物福利论 德地位
2.2.2 生态学
1 生态系统及其构成
生态系统定义（坦因斯利）： 在一定的时间与空间范围内，生物群落与所处的环境 所形成的相互作用统一体，生态系统＝生物群落＋环境条 件。
生态因子定义 • 环境中对生物的生长、发育、生殖、行为和分布有 着直接或间接影响的环境要素。
绿色化学与循环经济
第二章 循环经济的理论基础
杜 艳 南京工业大学环境学院
2008年10月
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2 循环经济的理论基础
循环经济是按照生态规律和经济规律安排生产活 动，使产业链上游的废物变成下游的原料，使资 源得到最有效的利用，使经济活动对环境的负面 影响降到最小 目前，对循环经济学的理论基础还没有形成共识， 还在不断的探索之中
水循环
意义：为生态系统中物质和能量的转换提供了基础，同时还调节 了气候， 净化了环境。另外，全球降雨格局决定了主要生态系统在地球上的分布。
凝结
植 物 蒸 腾
凝结
蒸发
水汽输送
凝结
蒸发
降 水
降 水
降 水
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气体循环——碳循环
燃烧 光合作用
呼吸作用
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2.2.1 热力学
diS>︱deS︱，系统引入的负熵流deS不足以抵 消系统内部的熵产，使得dS>0，系统无序度增 加，系统的结构和功能就要发生衰退 diS<︱deS︱，系统引入的负熵流deS大于系统 内部的熵产，使得dS<0，系统有序度增加，系 统的结构和功能进化
环境个体主义
所有有生命之物 生命中心论 具有道德地位 生态中心论 生态系统整体都 具有道德地位
环境整体主义
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2.1.3 伦理道德
1 环境伦理观（专栏2.1)
环境道德的原则与要求（p48） 人与自然和谐统一的整体价值观，是环境伦理观的基 础,生物和自然都享有道德地位并获得道德关怀，即把 道德的对象范围从人类扩大到生物和自然 同时，只有人类才具有实践的能动性，具有自觉的道 德意识，进行道德选择和作出道德决定，所有只有人 才是道德的主体 作为道德代理人的人类，应当珍惜和爱护生物和自然， 承认他们在一种自然状态中持续存在的价值，即人类 具有自觉维护生物和自然的责任
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2.2 自然科学基础
探讨循环经济的科学基础，不能离开自然科学和 社会科学的综合 2.2.1 热力学
1 2 3 4 热力学第一定律 热力学第二定律 耗散结构和自组织 爱因斯坦的质能关系
2.2.2 生态学
1 2 3 4 生态系统及其构成 能量传递 物质循环 生态系统的主要特点
2.2.1 热力学
3 耗散结构与自组织 比利时科学家普里高津提出耗散结构理论
耗散结构理论是研究远离平衡态的开放系统从无序到有序的演化 规律的一种理论。 耗散结构是指处在远离平衡态的复杂系统在外界能量流或物质流 的维持下，通过自组织形成的一种新的有序结构，这个有序结构 必须靠不断由外界提供能量才能维持下去，因此称为‘耗散结 构’。
物质被使用，能量对外做功， 都是熵增过程，系统无 序度增加，如清洁水变成污水，引起生态环境系统无 序度增加，即造成环境污染问题 循环经济系统就是要原本被弃臵的处于高熵状态的物 质，重新变为低熵状态加以利用，就需要外界有能量 对系统做功（投入资金），称为负熵流
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2.2.1 热力学 2 热力学第二定律
熵是一个状态函数，度量体系混乱度的函数， 用S表示。 封闭系统总是自发地朝着使系统熵增加的方向 发展，也就是朝着系统混乱度增加的方向进行
具有不可逆性 系统中分子的热运动更加无序 结构高度有序 的晶体溶于水， 是自发过程， 系统的混乱度 增加
• “万物皆动”：一切事物都是运动的，并时刻都在发展 变化 • 运动是物质的根本属性，运动中，物质从一种形态变成 另外一种形态，从而形成物质流 • 我们要在转化过程中整合环境资源，理顺物质流关系， 把一种资源转移为另一种资源，改变过去那种不断把资 源变成垃圾的状况。 • 发电厂以炼油厂的废气为燃料，而其产生的煤渣又成为 生产水泥的原料，通过企业间共生关系，形成工业物质 流动的联合体 NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
分解作用
化石燃料
说明：碳占生物体总干重的49%，碳在无机环境和生物群落之间 是以CO2的形式进行循环。
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气体循环——氮循环 大 气 氮 进 入 生 物 有 机 体 的 途 径
生物固氮
豆科植物和其他少数高等植 物能通过根瘤的固氮菌固定大 气中的氮）每年约为54×106 吨。 人类通用工业手段，如用高 温、高压和化学催化的方法， 将大气中的氮合成氨或铵盐， 即合成氮肥，供植物利用）每 年大约30×106吨
如果没有外界能量的持续给予，这个结构就不能维持在某 一个特定的状态（远离平衡状态）或者说如果没有外界能 量的持续给予，这个结构因能量的消耗而逐渐的消失，概 括的说，耗散结构因自身消耗能量而不能维持原来状态或 者结构的一种状态或结构，所以它必须不断的同外界进行 交换能量才能维持它目前的结构或者状态。 小到生物有机体，大到种群，群落，生态系统乃至生物圈， 都是这样的耗散结构。因为它必须和外界环境有熵的交流， 所以它是开放的系统。
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“熵增加原理”
2.2.1 热力学
2 热力学第二定律
开放系统的熵增量计算公式： dS=diS+deS
• diS表示系统内部不可逆过程产生的熵增，称为熵产， diS永远 >0. • deS表示由于系统和外界环境的相互作用，如物质和能量的流 进或者流出所引起的熵增，也称为熵流， deS可正可负
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小结
热力学第一定律说明循环经济所倡导的通 过物流重复利用、和能流的优化利用是可 行的 热力学第二定律说明物质循环利用要付出 代价，即物质和能量的品位会下降 普里高津的耗散结构理论说明，必须引入 负熵流，系统才能维持有序和发展 爱因斯坦的质能关系揭示了负熵流最终源 泉的本质
生物成分 消费者
也包括某些原生动物、 蜣螂（屎克螂）秃鹫、 蚯蚓、白蚁等大型消费者 肉食动物 养 生 三级消费者 大型肉 物 食动物 细菌 腐生生物
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2.2.2 生态学
2 能量流动
Sun
呼吸
呼吸
2.1 哲学基础
2.2 自然科学基础 2.3 经济科学基础 2.4 系统科学基础
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2.1 哲学基础
哲学：人们对整个世界总的看法和根本观 点 2.1.1 认识论 2.1.2 自然辩证法 2.1.3 伦理道德
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人口激增 完全对立阶段 ———— 和谐共存阶段
改造自然、 掠夺式资源 征服自然 开发 谋求人地协 合理开发利 调 用自然资源
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2.1.2 自然辩证法
物质不灭的辩证关系
物质不会消失而永恒存在
• 物质形态千变万化，物质本身是永恒存在的，既不 能被消灭，也不能被创造 • 任何物质不能凭空制造出来 • 既然不能消灭，这就意味着废物能够反复利用，从 而可形成“资源——产品——再生资源”的循环式 流程
呼吸
呼吸
空气 水 无机盐
100 10-20 1-4
生产者
一级 消费者 二级 消费者
0.1-0.8
三级 消费者
单向流动 逐级递减（传递效率约为10%~20%）
分解者
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呼吸
2.2.2 生态学
3 物质循环
概念—— 组成生物体的各种物质和元素，在生物圈
生物因子包括同种生物 的其它个体和异种生物 的有机体。体现着生物 种内和种间相互关系
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营养结构
2.2.2 生态学
无生命物质和能量——阳光、空气、热能、水、矿物 质、 腐殖质等；
非生物成分
绿色植物
生产者
光合细菌
化能合成细菌
自养生物 是生态系统的主要成分
2.1.1 认识论
正确认识人与自然的关系，实现经济发展 与资源环境的协调，是循环经济的一个根 本性的目的
发展阶段 采猎文明 人地关系 崇拜自然 人类活动 群体采集和 狩猎 人口特点 人与自然关系 极其缓慢 蒙昧阶段（原始的和低 级的协调）
农业文明
工业文明 生态文明
崇拜自然
农耕
迅速增长 对立初步显现
废物能否成为资源，取决于投入
• 辩证唯物主义认为，任何一种物质都有着其特定的 使用价值（废物，放错地点的资源） • 任何废物都能转变为资源，这取决于技术水平和经 济投入
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2.1.2 自然辩证法
物质不灭的辩证关系
物质不会消失而永恒存在 废物能否成为资源，取决于投入 运动促进物流，生态就是循环
• 要树立全球伦理观
–环境资源的所有者、生产者、消费者之间的关系 –各经济部门之间的关系 –有环境联系的区域经济之间活动的关系 –国际贸易
• 各级政府应将可持续发展作为硬道理
–构建生态伦理强调人类平等观和人与自然的平等观，主张 人与人及人与自然的生产平等、利益平等和发展平等
• 循环经济需要企业家的良知和责任感
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2.2.1 热力学
1 热力学第一定律
热力学第一定律即能量守恒定律（第一类永动机是不 可能造成的） 物质的生产和消费是人类为满足自身生存和发展需要 所进行的一系列针对物质的物理或化学的加工、转变 和利用过程，这些过程遵循质量守恒和能量守恒定律 使用过后，物质没有消失，从“有用”变成了“无 用”，随着新技术的建立，废物将重新成为原料进入 物质循环的经济系统 同样，能量在使用后也没有消失，或者转移，或者变 成其他形式的能量，最终大多以热量的形式耗散到环 境中，现有技术水平下，能量循环利用还做不到，但 可以做到梯度利用 对于任何一个循环经济系统，都必须遵循质量守恒和 能量守恒定量
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2.2.1 热力学 4 爱因斯坦的质能关系
E=mc2，物质因而可被看做是高密度的能量。 目前，循环经济系统赖以存在的负熵流的主要 来源：太阳内部的核聚变能量 历史上的太阳能负熵流：化石能源 当前的太阳能负熵流：可再生能源
2 经济伦理
经济伦理不仅涉及到国家经济政策的宏观调控，涉及 到企业在生产、销售、广告等各个环节在道德方面的 认知与自我约束，而且还关涉到个人在生活方式、物 质消费上的道德选择
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2.1.3 伦理道德
3 循环经济的伦理取向
循环经济的伦理观是环境伦理和经济理论的有 机结合
内的生物群落和无机环境之间所形成的往返循环运动。
特点
能量单向流动；物质周而复始循环 能量流动和物质循环都是借助于生物之间的取食过程而进行
生命有机体的主要物质有：碳、氢、氧、氮、磷、 硫，占原生质成分的97% 无机物质的循环主要有三种类型：水循环、气体 循环、沉淀循环
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2.1.3 伦理道德
发展循环经济需要一种新的道德观和伦理观 循环经济的伦理观是环境伦理与经济伦理的结合。 1 环境伦理的发展演化 2 经济伦理 环境伦理学探讨人类与自然环境之间的道德关系或伦理关系 3 人类中心主义 循环经济的伦理取向 只有人才有资格获得道德关怀 非人类中心主义 动物具有道 动物福利论 德地位