系统科学理论

一、系统科学理论

（一）系统思想的历史发展

系统是人类在认知过程中，从关注认知对象的各个部分、各部分之间的关系中引出的一个概念，本质上说，系统是对认知对象的整体性质的强调。可以说，对整体性质的关注在人类的认识产生时就已经存在了，随着人类的进化与发展，系统思想也随之不断发展。

人类对系统的理解和认识有其产生与发展的过程，在某种意义上，古代就开始了系统核心思想的探索，到了现代，随着社会经济与科学技术的发展，人们对系统的认识有了进一步的深化。

1.古代系统思想

形成于殷周时代的我国古籍《周易》就把世界看成是一个由许多要素构成的具有某种层次性的整体，例如，六十四卦就是一个整体，每卦又自成一个整体，但每一卦的六爻之间存在着相互制约的关系并由这些关系产生整体中的层次性。而五行论则认为自然界由五种基本要素构成。道家提出的“道生一、一生二、二生三、三生万物”不仅强调了自然界的统一性，而且还强调了自然界的动态变化。宋明理学的奠基人周敦颐把阴阳五行系统与道家思想融入了儒家学说，并力求将天、地、人统一于一个整体中^[1]。

中国古代中医把人与环境看成一个密切相关的整体^[2]。《孙子兵法》从“道、天、地、将、法”五个方面论述战争、战略与战术问题；战国时期李冰父子设计和指挥修造都江堰工程等，都是中国古代系统思想渗透到人们各种实践活动之中的典型例子。

在古希腊，希勒斯、毕达哥拉斯、赫拉克利特等都试图通过寻找世界的“始基”来认识世界的整体。他们分别提出了“水”、“数”、“火”为世界万物的“始基”。而德谟克利特则提出了作为“始基”的“原子”。亚里士多德对整体与部分的关系进行了思考，提出了“整体由若干部分组成，其总和并非只是一个堆集，而其整体又有不同的部分”，这里已明白地表述了关于系统“非加和性”的特征。

2.近代系统思想

15世纪资本主义开始萌芽，伴随着文艺复兴和宗教改革运动，自然科学在欧洲兴起，按照当时科学提供的见解，天地及其间万物固定不变，一切自然现象是互不联系、各自孤立的，他们在空间中彼此无关地交织在一起。简言之，机械论、还原论占据了主导地位，尽管如此，这一时期仍有许多系统思想的火花闪现出来，例如莱布尼兹提出单子组成复合物，宇宙是一个被规范在一种完美秩序中的统一体系统。

德国古典哲学的开创者康德推测整个宇宙具有不同的层次，在对知识的理解上，他认为知识是相互联系要素的整体。而近代唯心辩证法的大师黑格尔则指出必须把真理和科学作为有机的整体加以研究，真理只有作为系统者才是现实的，他称“绝对概念”为系统，并把这种系统理解为一个“过程的集合体”，他还运用系统方法构造出完整的哲学体系。他不仅丰富和发展了系统思想，还自觉不自觉地进行着系统思维。

随着19世纪社会、哲学与科学技术的发展，许多领域呈现出由分析进入综合、由部分到整体的趋势。马克思继承了前人的系统思想，并形成了自己的系统观。首先，马克思把社会的演变作为一个有机整体来看，在他看来，社会就是一切关系同时存在而又相互依存的社会机体。其次，马克思把社会形态的发展当作一个有机体的进化过程来研究。西方学者也普遍承认，马克思率先把系统方法运用于社会历史研究，是社会科学中应用现代系统方法的始祖。

在恩格斯看来，整个世界是一个有机联系的复杂系统，“我们所面对的整个自然界形成一个体系，即各种物体相互联系的总体……这些物体是相互联系的，就是说，它们是相互作用着的，并且正是这种相互作用构成了运动。”恩格斯还在他的著作里完整地表达了关于物质世界的层次思想、物质世界的层次结构与一定的运动形式的内在联系等。在整体与部分的关系上，恩格斯指出“许多人协作，许多力量融合为一个总的力量，用马克思的话说，就造就了‘新的力量’，这种力量和它的各个分量的总和有本质的差别”。恩格斯不但从若干方面和若干问题上阐述了系统思想，而且从整个人类认识史入手，分析自然观发展的最一般规律，从而揭示系统思想兴起的必然性。

3.现代系统思想

19世纪下半叶以来，科学技术进入全面进步时期，而20世纪自然科学的迅速发展，使之开始形成一个多层次、综合的统一整体。系统思想在科学技术不断创新的今天，得到了极大的发展。

具有代表性的发展之一是贝塔朗菲的系统论思想，他从20世纪20年代起就多次发表文章，强调应当把有机体看作是一个整体，一种在时空上有限的具有复杂结构的自然整体来考虑。他认为“复杂现象大于因果链的独立属性和简单总和”，他甚至给系统下了如下的定义：系统是相互作用的诸要素的复合体。贝塔朗菲还认为生命是一个开放系统，要从生物体与环境的相互作用中说明生命的本质。另外，他认为生物系统是分层次的，他于1937年就第一次提出了一般系统论的概念。

随着生产规模的日益扩大，社会组织日益复杂，一个组织内的目标、协作以及信息的联系日趋重要，于是系统思想日益深入到管理领域。至于信息论、控制论等现代科学技术的发展，更是多方面地推动了系统思想、系统科学的发展。

20世纪60年代以来，先后诞生了耗散结构、协同学、超循环理论、突变理论和混沌学等一系列关于系统的新学科、新理论，从而使人们对系统的复杂性、组织性、整体性和动态性的认识又提升到一个新的高度。如果说过去人们还主要是局限于对稳定系统的研究上，而现在已经将研究触角延伸到非平衡系统和非线性系统的自组织演化上。人们对系统演化理论，例如系统演化的动力机制、偶然因素在系统演化中的作用、系统演化的循环发展形式、系统演化的多样性、系统演化从无序到有序到混沌再从混沌到有序的全过程，等等，都有深入的研究，有些还具有统一的原理性与数量上的普适性。

现代系统思想的发展使当代人的思维方式包含了丰富的系统思想成分。从系统的角度看世界是一种方法论上的趋势。当今的各种学科都在一定程度上包含了系统思想。

（二）主要系统科学理论

现代系统理论以一般系统论、控制论、信息论、系统工程的诞生为标志，随着耗散结构理论、协同学、超循环理论、突变论、混沌学、分形学等成就被推向一个新的发展阶段，并形成了系统科学系统。通常情况下系统科学理论习惯地被分为两类，即“老三论”（系统论、控制论、信息论）和“新三论”（耗散结构理论、协同论、突变论）。

1.老三论

20世纪40年代以来，几乎同时产生了许多把对象作为系统考察的系统理论，特别是以一般系统为对象进行研究的系统论，以通信系统为对象的信息论，以及以控制系统为研究对象的控制论等的创立，对当代科学技术的发展和当代科学家的思维方式产生了重大影响。

1）系统论

一般认为，美籍奥地利理论生物学家和哲学家贝塔朗菲是系统论的创始人。早在20世纪20年代初期贝塔朗菲就对当时生物学的传统研究方法和理论不满，认为那种孤立的因果分离的机械论模式，不足以解决生物学中的理论问题和现代科学技术提出的实践问题^[3]。为此，他提出了机体论概念，强调要把有机体看作是一个整体或是系统来观察。

一般系统论的基本出发点，是把生物体作为一个有机整体来加以考察，以寻求解决整体与部分之间相互关系的模式、原则与方法。其基本思路是：①系统观点。一切有机体都是一个整体——系统，生物机体是在时间和空间上有限的，具有复杂结构的一种自然整体。从一个系统中分解出来的部分，同在整体中发挥功能的部分是截然不同的，各部分离开整体是不能存在的。系统的性质是不能用孤立部分的性质来加以解释，而是取决于复合体内部特定的关系，我们不仅要知道它的组成部分（要素），而且还必须知道它们之间的相互关系，才能确定系统的性质。系统论进而把数学引进分析研究，用一组微分方程定量地描述系统的概念，使系统的建立定义在定量的基础上，能够从各要素的行为推导出系统的行为，从要素的关系推导出系统的特性，精确地表示出系统中某些要素的某些变化对系统所产生的影响。②开放系统。一切有机体之间所有能有组织地处于活动状态并保持其活力的生命运动，是由于系统与环境不断的进行物质、能量与信息的交换，这种能与环境进行交换的系统就是开放系统。事实上，即使是一个简单的开放系统，能在一定条件下保持自身的动态稳定性，正是由于这种开放性，才能使有机体抗拒外界环境对它的瓦解性的侵犯。③等级观点。等级观点也就是层次观点，即认为各种有机体都按照严格的等级组织起来。生物系统等次分明、等级森严，犹如一座大厦，其中各层次逐级地组织起来，成为越来越高级和越来越庞大的系统。系统的等级性或层次性正是结构等级与功能等级统一的反映。

2）信息论

信息论是一门研究信息的获取、变换、传输和处理问题的具有高度概括性的、方法性的横向科学。1948年，美国数学家申农在《贝尔系统技术杂志》发表了关于信源和信道特性的《通讯的数学理论》的两篇论文，奠定了信息论的理论基础^[4]。麦克米伦（B.McMillan）和斯列平（Slepian）对信息论有三种理解：①狭义信息论，主要研究信息的信息量，信息容道以及信息的编码问题；②一般信息论，主要也是研究通信问题，但还包括噪声理论、信号滤波和预测、调制与信息处理问题；③广义信息论，不仅包括前两种的内容，还包括与信息有关的各领域。

维纳等人一直强调指出，任何系统都是信息系统。他指出：“任何组织之所以能够保持自身的内稳定性，是由于它具有取得、使用、保持和传递信息的方法。”系统各部门之所以能组合成为相互制约、相互支持、具有一定功能的整体，关键在于有信息进行联结和控制。没有信息，任何有组织的系统都不能存在。信息论方法，就是把信息概念及其定量化方法作为分析和研究问题的基础，撇开研究对象——物质和能量的具体形式，把系统运动抽象为一个信息变化过程，从组织形式和量的方面广泛地进行类比和研究。对复杂系统的研究和管理，涉及各种不同的物理过程和学科，它们的机理不同，量纲不同，描述的科学语言也不同，按传统方法是很难进行综合的，而用信息方法则可以有效地、定量地进行综合研究，并促进科学整体化的进程。

3）控制论

控制论与信息论密切相关，控制论是研究各种系统的控制和调节的一般规律的科学，是自动控制、电子技术、无线电通信、生物学、数理逻辑、统计力学等多种学科和技术相互渗透的一门综合性学科。

控制论的基本概念是信息概念和反馈概念。控制论的创始人美国数学家、电信工程师、生理学家维纳认为，客观世界有一种普遍的联系，即信息联系，任何组织所以能够保持自身的稳定性，是由于它具有取得、使用、保持和传递信息的方法。这个信息的交换过程，可以简化为信息—输入—存贮—处理—输出—信息，在这个过程中，存在着反馈信息。所谓反馈，是指一个系统的输出信息反作用于输入信息，并影响信息再输出的方式，起着控制和调节作用。

到目前为止控制论已经经历了三个主要的发展时期：以单因素控制为研究对象的经典控制理论时期，以多因素控制为研究对象的现代控制理论时期，以及以大系统为研究重点的大系统控制理论时期，由此控制的方法也从反馈控制、最优控制发展到大系统多级递阶控制，并逐步应用于经济、社会、生态、环境和管理等领域。

控制论的一个基本特征就是在变化的过程中考察系统，这样一来就从根本上改变了研究系统的方法。控制论认为，任何事物的发展都存在着多种多样的可能性，因而具有一定的可能性空间。至于事物具体会发展成为可能性空间中的哪一种状态，则取决于外部条件。人们可以通过改变和创造条件，使事物在可能性空间内沿着确定的方向（或状态）发展。因此，控制的概念不仅与人类的选择有关，而且与事物发展变化的可能性空间有关，理想的控制结果是事物发展变化的可能性与人类选择目标的统一。

2.新三论

“新三论”是适应时代发展的客观需要而诞生的，它的出现不仅丰富和发展了“老三论”，而且标志着现代科学水平已进入高度综合化、一体化的历史新阶段。

1）耗散结构理论

耗散结构理论是比利时布鲁塞尔学派领导人普利高津（I.Prigogine）1969年在一次“理论物理与生物学”国际会议上，针对非平衡调剂物理学的发展而提出的。这一理论指出，一个远离平衡的开放系统，通过不断地与外界交换物质和能量，在外界条件的变化达到一定程度、系统某个参变量变化达到一定临界值时，通过涨落发生突变即非平衡相变，就可能从原来的混沌无序的状态，转变到一种在时间上、空间上或功能上的有序状态，这种在远离平衡的非线性区形成的新的有序结构，需要不断与外界交换物质和能量才能够维持，因此普利高津把它命名为“耗散结构”。耗散结构理论主要研究耗散结构的性质，以及它的形成、稳定和演变的规律，它也被称为非平衡系统的自组织理论。

普利高津指出，一个系统由混沌向有序转化形成耗散结构，至少需要四个条件：①系统必须是开放系统。开放系统通过与外界环境交换物质和能量，从外界引入负熵流抵消自身的增熵，使系统的总熵逐步减少，才有可能从无序走向有序。②系统必须远离平衡态。系统若是处于离平衡态不远的近平衡区，即便与外界有物质和能量交换，其自发趋势仍是回到平衡态，而不会产生新的有序结构。系统只有远离平衡态，才有可能形成新的稳定有序的结构，普利高津认为“非平衡是有序之源”。③系统内部各个要素之间存在着非线性的相互作用。通过非线性和相互作用使各个因素（子系统）之间产生协同作用和相干效应，才能使系统从无序变为有序，这种非线性的相互作用要用非线性的方程来描述。④涨落导致有序。系统处于不同状态时，涨落起着迥然不同的作用，当系统处于稳定状态时，涨落是一种导致无序的干扰，此时系统具有抗干扰能力，它迫使涨落逐渐衰减，回到系统原来的状态或轨道。

2）协同论

协同论（Synergetics）一词，是由希腊文演变而来的，是指关于协同作用的科学，哈肯在综合了统计物理、相变理论、耗散结构理论、系统论、信息论、控制论和突变论等许多现代理论科学成就后，成立了协同论。

协同论采用动力学和统计学相结合的方法来研究一个与外界环境有物质、能量和信息交换的开放系统。系统的运动和转变由动力学得出的必然性与统计学得出的随机性共同决定。系统中各个子系统的运动状态由子系统的独立运动和子系统之间关联引起的协同运动共同决定，当前者居主导地位时，不能形成整体的规律运动特性，系统便处于无序状态，而当作用于系统的外界“控制变量”达到一定阈值时，子系统之间关联能量大于子系统独立运动能量，于是子系统独立运动受到约束，不得不服从于由关联形成的协同运动，通过子系统之间的协同作用，是系统从无规则的混乱状态走向了宏观的有序状态。

哈肯的协同论不仅研究由无序到有序的演化，还研究由有序到有序、由有序到混沌的演化，协同论把达尔文主义推广到非生物界的自然系统。

3）突变论

“突变论”（Catastrophe Theory）又称为“灾变论”，是一门新兴的数学分支学科。突变论从微分拓扑学的角度，着重研究那些连续的作用如何导致不连续的突变问题，它是由法国著名数学家托姆提出的。1972年，托姆发表《结构稳定性和形态形成学》的专著，标志着突变理论正式问世。当前这一理论已引起了自然科学家和社会科学家的广泛注意，因为它真正搞清楚了“原因连续的作用有可能导致结果的突然变化”的一般机制，更深刻地揭示和丰富了传统的“质量互变规律”，并企图用统一的数学模型来把握它们。它为人们解释、预测和控制突变现象以及系统的稳定或变化提供一种数学工具。因此有学者把它的产生称之为牛顿、莱布尼兹以来数学界的一场革命。突变论应用之广泛，方法之奇特，解决问题的方法之出人意料，是一般数学理论中所罕见的。

（三）该理论对土地利用系统分析的指导意义

系统科学理论作为一种理论与方法，它要求从系统与要素之间、要素与要素之间、系统与外部环境之间的相互联系与相互作用中考察对象，注重系统的层次性、开放性、动态性及协同性，进而为认识、调控、改造系统提供最优方案。这种分析与解决问题的方法为土地利用系统的演化研究提供了有益的思路。

从系统论的观点看，土地利用系统实质上是土地自然生态子系统、土地社会子系统、土地经济子系统以人口系统为纽带和接口耦合而成的土地复合系统。它不是土地生态子系统、土地经济子系统、土地社会子系统的简单加和，而是以地块镶嵌的形式构成的高于系统个体组分的复合系统，其中任何一种因素的变化都会引起其他因素的相应变化，最终直接影响系统的整体功能；从熵理论和耗散结构理论的观点看，土地利用系统是一个开放的物质系统，它不断地与自然界进行物质、能量和熵的交换。在物质交换中，输入原料资源，得到产品排出废物；在能量交换中，输入可利用的能量排出废热。在此过程中，总是发生着熵的产生和流动，人们是以得到低熵产品为目标，却总是以同时得到高熵废物和废热为代价。在生产过程中，输入低熵能源和高熵原料，得到低熵产品和高熵废物、废热，总熵值增加，且这是一个不可逆过程。土地利用系统是自组织和他组织的结合体。他组织趋势过强，没有充分的自组织，系统就会僵化，失去活力；自组织趋势过强，没有足够有效的他组织去引导和制约自发性，必然产生巨大的盲目性，系统将陷入混乱。只有将自组织和他组织适当地结合起来，优势互补，相互激励又相互制约，依靠自组织激发活力，依靠他组织消除盲目性，土地利用系统才会健康发展；从协同论的观点来看，土地利用系统是通过各个子系统之间的协同效应来发挥巨大作用的，整体系统的协同作用要大于各子系统功能作用的加总，体现了一种协同实现最大化的系统作用机制；从控制论的观点来看，要实现土地利用系统的健康发展，必须对影响系统发展的主要因素进行协调和控制，以保证系统的良性运行。因此，运用系统科学的理论对土地利用系统分析、研究具有很强的理论指导意义。