土地生态系统演化的协同原理

2.4　土地生态系统演化的协同原理

2.4.1 协同论基本思想

协同论是关于复杂系统中各个子系统之间相互协同作用的科学，是研究和比较多元系统诸要素之间合作效应的理论。它着重探讨客体系统自身进化的真正原因，揭示出不同系统间存在的从无序到有序、从不稳定到稳定，都具有目的性的相似特征。它把研究对象从远离平衡态的开放系统推广到平衡态的封闭系统，既适用于非平衡态中形成的有序结构与功能研究，也适用于平衡态中发生的相变过程。

协同论对任何一个事物的考察都采用系统分析的观点，将它看成一个系统，而该系统总是在一定外部条件的影响下，在内部各子系统相互竞争和协同作用下，进行运动和演化。系统的状态是子系统间各种复杂运动的整体宏观表现，子系统之间存在着非线性的关联和耦合，在一定外界条件下，各子系统总有着自己的独立运动，这种独立运动通过非线性的关联和耦合使子系统间遵从一种稳定的协调一致的自组织的行为运动，在宏观整体上表明系统进入了一种有序状态。

协同论认为，找出系统演化过程中起主导作用的参数是研究系统演化首要解决的问题。哈肯根据参数在临界点附近变化的快慢认为:一个系统的稳定性总是受到两类变量的影响。一类变量在系统受到干扰而不稳定时，它总是企图使系统重新回到稳定状态，这种参量起到了一种类似阻尼的作用，并且衰减很快，对系统向有序结构转变的整个过程没有明显的影响，成为快驰豫变量（快变量）。另一类变量在系统受到干扰而不稳定时，它总是使系统离开稳定状态走向非稳定状态，出现临界无阻尼现象，它不仅不衰减，而且始终影响着演化进程，称为慢驰豫变量（慢变量）。慢变量主宰着系统演化的整个过程，决定着演化结果所出现的结构与功能，它就是表示系统有序程度的序参量。如果一个系统存在好几个慢变量，那么这些慢变量之间不仅有合作而且有竞争，其结果或者是一个慢变量起主导作用，而独自规定了系统的自组织形式，或者是几个慢变量共同规定系统的自组织形式。这样，系统从无序到有序的进化过程取决于慢变量之间的竞争结果。

协同学在阐明物质自身运动的内在规律的同时，也阐明了外因的作用。协同论把外因归结于控制参量，其大小可以直接控制系统的状态。在系统量变阶段，随着控制参量的增加，系统的状态连续地改变。然而这种控制对孤立系统是无效的，对封闭系统由于只能通过能量交换进行控制，因而控制很弱；只有对开放系统，外界通过能量流、物质流以及信息流才可能对系统施加积极而有效的控制。协同论指明内因是变化的根据，外因是变化的条件的同时，也说明了自组织的本质是什么。因为，一方面，只有当控制参量达到临界值时系统才可能发生突变（宏观性质的改变），可见控制参量的大小是系统能否质变的决定性条件；另一方面，在相交点系统产生怎样的结构与控制参量无关，在相交点控制参量处于失控阶段，系统内部异常活跃，微观涨落被放大，整个系统的宏观面貌被一举改变。

继耗散结构理论以后，协同论进一步阐明了系统进化的必要条件。耗散结构理论指出，只有系统开放，保持远离平衡，且系统各要素之间关系呈非线性，系统自组织才成为可能。协同论进一步说明，非线性要加上协同才能导致自组织。矛盾存在于一切系统之中，但这并不能保证它们一定向上发展。如果要素之间的关系不是相互竞争而是相互掣肘，不是相互协作而是相互摩擦，不是相互支持而是相互对抗，非线性也会使系统陷入一片混乱。任何组织都依赖于系统内部特定的协作关系，建立协作是为了使系统的所有部分能够对整体加以支持。从协同角度看，无论什么系统从无序向有序的演化都是大量子系统相互作用、协同一致的结果。

2.4.2 土地生态系统协同演化

2.4.2.1 土地生态系统协同演化解释

把协同论引入土地生态系统，初步归纳得到土地生态系统协同发展原理，具体可以表述为:土地生态系统是一个非平衡开放系统，其子系统之间，子系统各要素之间，以及系统与环境之间普遍存在着相互联系、相互制约、相互促进、协同发展的规律，这是土地生态系统演化宏观有序的直接原因。

土地生态系统的正向演化即安全发展，土地生态系统的安全不仅满足序参量的基本属性，而且其发展演化过程能指示出土地生态系统自组织进程中新结构的形成。首先，土地生态安全是宏观参量。它重点研究的是土地生态系统整体的宏观效应，而不是侧重刻划所有子系统的微观行为特征。其次，土地生态安全作为序参量是微观子系统集体运动的产物，合作效应的表征和量度。人类能动的调控使土地生态系统各子系统在发展演化过程中按一定方式存在相互联系、相互制约、相互依存的复杂关系，促使其自然过程、经济过程和社会过程紧密协同，所以说土地生态系统是各子系统之间协同效应的结果。再次，土地生态安全支配各子系统的行为，主宰系统的整体演化过程。由于土地生态安全不是单指经济发展、社会发展或是自然可持续，它追求的是经济增长、社会稳定和自然保护目标的同步实现，因此作为序参量的土地生态安全支配着人类在土地生态系统中各个层面的自然、社会和经济活动，主宰着整个土地生态系统的发展演化过程。

实际上，系统的演化过程中存在发展和协同两个不同方面。发展可以认为是系统或系统组成要素本身从小到大、从简单到复杂、从低级到高级、从无序到有序的变化过程；反之则称为退化或逆发展；介于两者之间，维持现状不变的则称为零发展。协同不同于发展，它是两个或两个以上系统或系统要素之间一种良性的相互关联，是系统之间或系统内要素之间配合得当、和谐一致、良性循环的关系。这种关系一方面是子系统之间的互补，另一方面是子系统之间的竞争，子系统间既互补又竞争使复合系统得以构成一个有机整体，并成为协同的必要前提。

系统演化是协同和发展的交集，是系统或系统内要素之间在和谐一致、配合得当、良性循环的基础上由低级到高级、由简单到复杂、由无序到有序的总体演化过程。目前土地生态系统的破坏和退化正是由于土地生态系统之间竞争有余而互补不足，不合理的人类活动和人类需求给自然子系统施加了过度的压力，导致生态系统遭到冲击和破坏，最终使土地生态系统走向无序和退化，产生一系列威胁到人类自身生存和发展的困难和矛盾。

2.4.2.2 土地生态系统协同演化的概念模型和发展轨迹

可以用状态空间表征土地生态系统协同发展轨迹（见图2-5）。假设状态空间的空间坐标I_N、I_E、I_S分别为土地生态自然子系统、经济子系统和社会子系统安全程度的衡量。

图2-5　土地生态系统演化轨迹

土地生态系统的演化具有动态性，只有在一个时间段内评估其演化规律才有意义。用O表示评价系统在特定时间尺度的起点，即t_O，S表示评价系统在特定时间尺度的终点，即t_S。由于土地生态系统正向演化的目标在于三个子系统的同步发展，故自然子系统、经济子系统、社会子系统对于整个土地生态系统的状态演化具有同等重要的作用。那么，如果土地生态系统完全沿直线OS发展，则表明该系统处于理想的协同发展且正向演化轨道，这时系统在t₁时刻的状态点为S₁。然而现实情况下土地生态系统的状态通常如点S′₁或S″₁，即偏离了理想的协同发展轨道。

这时，t₁时刻的土地生态系统发展度可以表示为:

，为使0≤I_D≤1，将I_D调整为:

。

t₁时刻的协同度可以借鉴标准差的概念，认为I_N，I_E，I_S之间的标准差越小越协调，于是t₁时刻的土地生态系统协同度可以表示为:

，其中设I_N，I_E，I_S的均值T＝。

如果在特定时间段内某一评价对象的状态点从t₁到t_S沿着圆锥体S′₁SS″的表面前进时，发展度I_D增加的同时协同度I_H也不断提高，这就是典型的协同发展演化。如果某一评价对象的状态点从t₁到t_S沿着圆锥体OS′₁S″的表面前进时，发展度I_D增加的同时，协同度IH不断减少，这时可以判断系统处于可改善的演化轨道。这时对于特定评价时段内任意t₁和t₂（t₂＞t₁），可以把土地生态系统发展演化模式所处的发展轨迹总结如表2-1所示。

表2-1　土地生态系统演化模式和发展轨迹