土地利用系统的运行原理

四、土地利用系统的运行原理

针对土地利用系统的复杂特性和土地可持续利用的要求，要实现土地资源合理配置及持续利用必须保持土地利用系统的良性运行，只有在一个运行良好的土地利用系统中才能最优配置土地资源。然而在研究一个区域土地利用系统的运行状况之前，首先要了解该系统的运行原理。根据土地利用系统的结构、功能等一系列特性。本研究主要从以下方面来探讨土地利用系统的运行原理。

（一）整体涌现性原理

何为整体涌现性？贝塔朗菲借用亚里士多德的著名命题“整体大于部分之和”来表述，已被系统科学普遍接受。令W为系统整体，由n各部分组成，令p_i为第i个部分，i＝1，2，…，n，以∑记求和运算，则亚氏命题可形式化表示为

有人更是简洁地表述为1＋1＞2。　　　　　　　（2.2）

严格地说，这并非涌现原理的科学表述，只能算是一种形象的比喻。“整体大于局部之和”是一个量化命题，式（2.2）把涌现归结为一个单纯的定量问题，但涌现首先是个定性问题，实质指整体具有部分或部分之总和所没有的性质、特征、行为、功能等，这被称为整体质或系统质，不能用大于、等于或小于等量化关系来表述。涌现性原理的正确表述是：整体具有部分及其总和所没有的新的属性或行为模式，用部分的性质或模式不能全面解释整体的性质和模式。

系统整体涌现性的产生机制主要体现在以下几个方面：

（1）非线性相互作用。系统整体涌现性的来源，归根结底在于系统组分之间、层次之间、系统与环境之间的相互作用所激发出来的系统整体效应，由于系统的耗散结构特性，系统内外之间的相互作用大多呈现出复杂的非线性作用机制。

（2）差异的整合。涌现的前提是存在多样性和差异性，特别是系统内部的种种差异。多样性和差异性不能直接转变为涌现性，须经过必要的整合或组织而形成一定的系统，才能产生涌现性。涌现性是系统的整合效应，即结构效应或组织效应。组分之间互补互惠，协同行动，相互促进，和谐共生，将产生正面的涌现效应，否则便会产生负面的涌现效应。

（3）等级层次结构。复杂系统从组分层次到整体层次的涌现需要经过多次逐级整合，逐级涌现，才能完全实现从元素质到系统质的飞跃。设经过k次整合，第一次把元素整合为若干k级子系统，第二次把k级子系统整合为若干k－1级子系统，第三次把k－1级子系统整合为若干k－2级子系统，如此逐级整合，直到把所有1级子系统整合为一个完整的总系统为止。在这一过程中，每一次整合只完成一部分质变，经过k次部分质变最后完成总的质变，获得总体系统的整体涌现性。

在这个整合的过程中，每一次整合形成一个新层次，k次整合形成的是一种具有k个高低不同层次的系统，低层次支撑高层次，高层次管束低层次。通常把k≥3的系统称之为具有等级层次结构的系统。在一个具有等级层次结构的系统中，每个层次都有自己特有的涌现特性，同下一个层次比，每个层次都有自己特有的涌现特性，但只有在最后一个层次上，才能获得对象系统的整体涌现性。

（4）环境选择。不能只从系统内部考察涌现问题，整体涌现性也是环境塑造系统的结果。充满多样性、差异性、复杂性的环境塑造出来的系统必定呈现丰富、多样、复杂的整体涌现性。所谓环境塑造系统的内容及其丰富，包括组分之间资源分配和压力分担的方式，不同组分之间、系统与环境之间如何交换物质、能量、信息等。

由上述系统整体涌现性的产生机制以及土地利用系统的特性，可以看出土地利用系统具有整体涌现性。土地利用系统的结构组成体现出明显的系统整体性，整体性原则要求各子系统的设计紧密配合，互相适应，相互关联，才能使大系统有良好的运转，处于最佳状态，使整体发挥出更大的效益，这就是土地利用系统整体涌现性的一个重要体现；从系统构成上看，整体涌现性还体现在一定地域范围内土地利用子系统同时也是下一层次地域单元土地利用子系统组成的一个整体，土地利用系统的最佳状态的获得有赖于土地利用子系统的最佳有机组合。

土地利用系统的整体涌现性反映了系统整体的结构、功能、效益等属性，反映了土地利用系统的运行状态是否良好，以及未来可能的发展趋势。它处于一种宏观层面的高度，引导和管束着其他子系统的构成、运行和发展，是系统运行方向和目标的主要表征。只有从整体上把握了土地利用系统的属性特征，才能够科学地认识及合理地规划土地利用系统的结构、功能，正确定位区域土地利用系统的发展方向。

与此同时，土地利用子系统的分层涌现特性对系统整体的涌现性起着极其重要的支撑作用。土地利用各个子系统经过逐级整合、涌现之后，获得最后土地利用系统的整体涌现性，整体涌现性是由部分涌现的内容所决定的，不同组分的土地利用子系统有不同的属性特征，虽然土地利用系统的整体涌现不会由任何单一子系统的涌现性决定，但是各子系统会相互作用、相互联系，支撑并影响整个系统的涌现性。有什么样的层次子系统就会有什么样的组分构成内容，所以土地利用系统的整体涌现结构是由各子系统的涌现所决定的，而系统整体的涌现功能又是由整体涌现结构所决定的，功能结构又将进一步影响其他相关系统的结构、功能，形成更大系统的整体涌现特性。

这里需要强调指出的是土地利用系统整体涌现的正、反影响，也就是土地利用系统正的涌现性和负的涌现性。一个结构合理、功能齐全的土地利用系统所表现出的是一种正的涌现性，简单讲就是整体大于部分之和，即“W＞”，此时土地利用系统的整体性很强，大系统对子系统具有很强的导向性，土地利用系统会朝着目标稳步、有序的方向迈进，有利于实现土地利用系统的良性运行和持续发展。反之，如果土地利用系统的内部子系统构成混乱，相互之间的整合性差，那么土地利用整体系统就不会形成合理的结构，难以发挥系统整体的功效，很可能会出现一种子系统独立发展的局面，以致出现系统发展的不均衡性和不合理性，就好比三个和尚没水吃的例子，此时土地利用系统的整体性是小于部分之和的，即，这样的土地利用系统可能会出现一时的快速发展，但是缺少整体的宏观指导和目标导向，很难实现土地利用系统的持续、稳定发展。

（二）协同作用性原理

有关协同作用的理论称之为协同论，该理论是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。哈肯认为要形成一个系统的有序结构，关键在于系统内部各子系统之间相互关联的“协同作用”，子系统相互关联引起协同，使得整个系统从无序走向有序，出现了序参量，序参量之间的合作与竞争，最后导致只有少数序参量支配系统进一步走向协同和有序。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，形不成整体的规律特性，系统便处于无序状态，而当作用于系统的外界“控制变量”达到一定的阈值时，子系统之间的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行，通过子系统之间的协同作用，使系统从无规则的混乱状态走向了宏观的有序状态，促进系统整体的有序运行。该原理主要是反映系统与要素、环境之间的关系，当系统的某一部分发生变化，就会影响其他部分的变化，以致整个系统的变化，它们之间呈现出规律性的关系。

土地利用系统是一个多层次结构与功能的复合体。土地本身就存在自然生产力，是一个具有一定结构、功能和自我调节机制的自然生态系统。随着人口总量的增长与人类经济活动范围的扩大，在促使土地利用进行自然生产力更新的同时，也进行着社会生产力的不断创新，形成具有人工技术调控功能的土地社会经济系统。人类生存的本能需要和发展的强烈欲望，通过有目的的土地利用活动把土地自然生态系统与其社会经济系统连为一体，最终形成了以土地—人口复合系统为核心的一个完整意义上的土地生产力内核系统。而内核系统本身又与外部的资源、生态、经济和社会环境之间不断地进行着物质、能量与信息的相互交换和传递。

从土地利用系统内部组分来看，土地利用系统的发展，依赖于自然、社会经济系统及其各组成要素之间的相对运动。对该系统发展过程的分析表明，以生产工具水平、劳动者素质的提高和人地观念的进步为表现形式的科学技术发展，扮演着序参量的角色。科学技术的每一次进步，都相应地促使了土地利用系统的发展。在科学技术进步越来越快的今天，这种进步也体现得越来越明显，科学技术的进步，使人类对土地利用系统中各种流的认识和改变它们的能力提高，人类可以按照自己的目的改变土地利用系统中各子系统或各组成要素的运动状态，从而促使自然、经济、社会系统之间的协调，推动土地利用系统的发展。

从土地利用系统与外部环境的相互作用来看，土地利用系统与社会、经济系统构成人地系统。它们之间的关系表现在它们的两重性方面，即任何一个系统，相对于其他两个系统都表现出相对的两种不同的属性，即自然属性和社会属性，如同人类本身同时具有自然和社会两种属性一样。土地利用系统相对于社会系统来说，是构成社会存在和发展的自然环境条件或者自然基础；而相对于经济系统来说，则表现为经济活动所不可缺少的基本生产要素——自然资源。经济系统相对于社会系统来说，通过生产关系决定社会结构；相对于土地利用系统来说，则是土地系统变化的人文驱动力表现。社会系统为经济系统提供另一个基本是生产要素——劳动力，同时又通过科学技术的应用对土地利用系统发生影响。这种双重性正是人地系统的本质特征，使人地系统成为一个整体，其中任何一个系统的发展，都离不开另外两个系统的配合和协调，当然也离不开其内部各组分要素之间的配置关系的协调。

综上可见，要使土地利用系统正常、有序运行，既要正确处理好土地利用系统与各子系统及系统要素之间的关系，也应科学协调好土地利用系统与其外部各环境系统之间的关系，充分发挥土地利用系统的协同作用。

（三）耗散结构性原理

耗散结构理论，又称非平衡自组织理论。它是比利时化学家，布鲁塞尔学派领导人普利高津（I.Prigogine）于1967年创立的。其理论要点是：对于一个开放系统，当其处在远离平衡态的非线性区域时，若某个参数变化达到一定阈值时，通过涨落，系统便可从失稳过渡到与原来定态结构完全不同的新稳定态，且不因外界微小扰动而消失，这个新的有序稳定结构，就是耗散结构。它是靠与外界交换物质、能量、信息、价值等来维持和发展的，或从环境中引入负熵流来实现的，耗散结构的存在表明，非平衡是有序之源。

土地是一个开放系统，它每时每刻都与周围环境进行着物质交换和能量的传递。土地利用系统各构成要素之间存在着非线性的相互关系，在土地尚未失去生产力之前，它是远离平衡态的。根据耗散结构理论，土地利用系统是一个具有耗散结构的远离平衡态的开放系统，它呈现出典型的耗散结构特性：

（1）土地利用系统是一个开放的复杂系统，在系统内部，内外之间存在着物质、能量和信息的交流。土地利用系统中的食物链营养级呈倒金字塔结构，生态学意义上的“消费者”有机体的数量远远大于“生产者”有机体的数量，故必须从其内部或外部输入大量的粮食、副食、蔬菜等营养品和煤、石油、太阳能、电等能源以及商品，引进资金、技术和人才，土地利用系统才能维持其生存和发展。与此同时，土地利用系统通过不断地从其内部和外部输入上述物质、能量，输出各种工业产品；土地利用系统还不断地与外界大量交换着经济、科技等各方面的信息。

总之，在这个系统内部，内外之间有物质、能量和信息的交流。生产和生活消费所需要的低熵物质和能量依赖于自然生态环境的供给；同时剩余的高熵物质和能量又还给自然界，在自然循环中，通过各种物理的、化学的与生物的过程影响自然生态环境的变化。

（2）土地利用系统是一个非平衡的复杂系统。其非平衡性主要是指土地利用系统中的生态经济要素分布、需求、供给、消耗的不均匀，经济结构的非均衡，子系统之间的差异性以及输入和输出的不平衡等。首先，土地利用系统中的物质、能量、信息、资金、人才和技术等自然经济要素在各个子系统之间、各个行业之间、各地区之间和各个时间段之间的分布、需求、消耗等存在着不均衡性。其次，土地利用系统结构是一系列子系统按照一定的层次和结构耦合而成的功能整体，具有明显的非均衡性和层次性以及质的差异性，如结构上和功能上质的差异性等。再次，土地利用系统的输入和输出一般是非平衡的，春、夏、秋、冬季节里，土地利用系统输入和输出的内容及其数量都是非常不平衡的。最后，土地利用系统中的环境因子具有时间周期变化性及不同时间长度上的变化性等非平衡性等。

（3）土地利用系统中存在非线性作用机制。土地利用系统中的各个子系统之间和内部，各个自然经济要素和因子之间以及外界环境之间都存在着复杂的非线性作用机制。如土地利用系统的生态环境问题对该系统社会和经济的发展构成了负反馈形式的非线性制约作用机制，但土地利用系统的经济增长、科技进步等又为解决土地利用系统的生态环境问题提供了资金、技术和设备等物质条件，进而改善土地利用系统的生态环境和进一步促进经济发展。这是土地利用系统中自然生态系统和社会经济系统之间存在着正反馈形式的非线性正向相互作用机制，导致系统的演化呈现出复杂的轨迹。

（4）土地利用系统内外存在着大量的随机涨落以及涨落放大机制和突变性。涨落现象在自然界和经济、社会中都是常见的，它是导致耗散结构形式和演化的内在依据。由于土地利用系统的非平衡性、开放性和非线性作用机制以及大量的随机作用等，在系统内外必然产生一系列随机波动，从而导致系统的实际瞬间状态对于系统原有的宏观平均状态的一定偏离。土地利用系统中存在着微涨落、巨涨落、内涨落、外涨落、正向涨落和反向涨落等多种形式的涨落。由于土地利用系统非线性机制的作用，系统内的一个微小涨落在一定条件下可以被放大，迅速遍及整个系统而呈现出一种整体的相应效应。

综上可见，根据耗散结构理论，土地利用系统通过各相关子系统及其间不断的物质、能量与信息的转换，以及系统与外部环境之间多种流的传递，按照内在的非线性相关关系，维持其耗散结构。随着科学技术的进步，使人类对土地利用系统中各种流的认识和改变它们的能力提高，人类可以按照特定的目的改变系统中各子系统或各组成要素的不断“涨落”的运动状态，从而促使土地自然、经济和社会等各个领域子系统之间协调，推动土地利用系统的可持续发展。