土地生态系统演化的突变视角

2.5　土地生态系统演化的突变视角

2.5.1 突变论主要内容

2.5.1.1 基于突变论的系统演化方式

突变论（Catastrophe Theory）是由法国数学家勒内·托姆于1972年在《结构稳定性和形态发生学》一书中最早提出的一种拓扑数学理论，后经E·C济曼和吉尔莫雷等人加以发展，形成了一门新的数学分支。现已成为运用拓扑学、奇点、微分方程定性理论和稳定性数学理论，来研究自然界各种形态、结构和社会经济活动的非连续突变现象的一种数学理论和方法。

突变论考察的是一个系统从一种稳定态到另一种稳定状态的跃迁过程，它以结构稳定性理论为基础，涉及量变和质变现象的研究，并着重对事物质变的方式进行科学研究，成功揭示了量变和质变的某些重要规律。突变论研究首先重新界定“突变”。突变论指出，自然界和人类社会的质变现象是通过飞跃和渐变两种方式实现的。它认为如果质变过程经历的中间过渡态是不稳定结构，是飞跃方式；如果质变过程经历的中间过渡态是稳定结构，则是渐进方式。即以中间过渡态是否稳定来作为飞跃和渐变判别标准，而不是以中间过渡态是否存在或变换速度快慢来判别。于是可以将事物发展归结为两种演化方式，即连续性渐进和飞跃性突变。

图2-6 基于突变论的系统演化方式示意图

2.5.1.2 基本突变类型

托姆对于突变论研究发现的一个普遍情况是:系统的特性可以用一有限集x，y，z...来描述，并由另一有限集变量a，b，c...来控制，用能量函数E来描述系统的稳定情况，E随a，b，c...与x，y，z...变化。对给定的a，b，c...，系统取相应的稳定值x，y，z...的平衡值。按照托姆的计算，从突变类型上讲，涉及两个状态变量四个控制变量以内，并且在作平滑可逆变化的情况下，系统的突变有七种基本类型。其突变类型及其对应的能量函数分别由表2-2所示。这也就表明，对于存在突变现象的系统只要确立了它的状态变量和控制变量数目，就可以选择对应的七个初等突变函数中的一个作为系统的演化模型，进而求解系统的演化特点。

表2-2　突变类型及其能量函数表

表2-2中，标有（±）符号的三种突变以对偶形式出现，即能量函数可以为正，也可以为负，这两种不同的情况代表着稳定平衡和不稳定平衡这两种不同的物理效果。这样，七种数学系统就对应于十种物理系统:三种对偶与四种自对偶系统。

2.5.1.3 飞跃与渐变的控制

突变论不仅指明系统质变可以通过飞跃和渐变两种方式实现以及基本突变类型，而且还指出实现飞跃和渐变方式的控制条件。按照突变论可以粗略概括一个结论:在两个质态相互转化过程中，一般为维持不同质态存在的因素，即维持旧质态的稳定性因素和建立新质态的稳定性因素有关。当新质态稳定性因素增强时，旧质态稳定性因素没有明显减弱，质变不易发生，一旦发生就会以飞跃方式完成；当新质态稳定性因素增强时，旧质态稳定性因素明显减弱，质变很容易发生，并以渐变方式完成。实际经验说明，如果引起质变发生因素和防止质变发生因素的力量很强，并势均力敌，双方形成激烈的对抗，事物的质变可能不发生，如果发生必然用飞跃方式实现。当双方力量较弱，对抗比较缓和，而且引起质变发生因素的力量略强于防止质变发生因素的力量，事物的质变会以渐变方式来实现。特别当系统处于稳定状态的变量区域以及不稳定的变量区域，如果变量在某些特定位置或者临界点，那么系统状态也将随之发生变化。突变的发生与控制变量变化的方向有关，控制变量从一个方向变化和控制变量从另外一个方向变化发生的突变的状态是不相同的，有滞后现象；在分岔曲线附近，控制参量变化路径的微小不同能够引起系统产生完全不相同的性态。如果希望突变在临界点附近，只要适当改变控制条件，用很小的努力就会获得巨大成果，如果希望避免突变，可以运用调整某些控制因子方法来调控系统的发展方向。

2.5.2 土地生态系统的突变

突变论的成果使人们有可能对突变现象进行预测和控制，从而引导系统向人们所希望的方向发展。自从突变论问世以来，其应用领域不仅局限在数学、力学和物理学等自然科学领域中，而且还推广到生物学、医学和社会科学等领域中。但是土地生态系统演化到底是渐进还是突变，拟或是两者的统一，还没有人做过探讨。从突变论角度分析土地生态系统演化过程对于土地生态系统安全预警的分类指导和分块研究是具有重要意义的。土地生态系统在某一段时间内发生的巨变现象可以造成土地生态系统的巨大破坏甚至崩溃，这种变化可以被称为突变现象。土地生态系统是自然、经济和社会三方面组成的复杂系统，因此土地生态系统的突变除了自然角度的突变，还有经济角度的突变和社会角度的突变。土地生态系统经济角度的突变包括金融风暴、经济危机等，土地生态系统社会角度的突变包括社会动荡、战争等。土地生态系统自然角度的突变则主要是自然灾害，这里讲自然灾害的突变更注重其对土地生态系统功能健康的破坏程度。其中土地生态系统自然角度的突变是土地生态系统最主要、最基本的突变，其发生原因包括自然成因，比如地震、台风、洪涝灾害、泥石流、沙尘暴等；还包括人为因素，如不合理的土地利用造成大量耕地非农占用、水土流失严重、土壤盐碱化等，人类对水质的污染造成水体富营养化，人类对森林资源的严重破坏如盲目毁林开荒造成森林覆盖率急剧下降，CO₂的大量排放造成全球气温上升及“三废”排放等。而且许多灾害的形成往往不是单一自然生态成因或人为因素作用的结果，而是两者同时叠加作用，因此加剧了自然灾害发生的程度，如1998年长江流域的特大洪水、2007年太湖流域蓝藻危机等。

图2-7　土地生态安全系统突变发展过程

由上分析，土地生态系统突变的动力机制实际上包括众多因素。但为了方便讨论将其归为三类，一是自然方面对土地生态系统演化的限制因子，二是经济方面对土地生态系统发展的动力因素，三是组织、制度和科学技术等社会方面对土地生态演化的保障因素。其中，人类可以通过社会经济活动对土地生态系统的自然、经济和社会方面因素进行调控。这三方面因素通过系统中的网络和反馈机制连接，形成相互影响、相互制约的土地生态系统演化动力机制。

如果土地生态系统在自然子系统面临各种压力而保持系统不退化的弹性力容许范围内，或者说虽然系统压力超过了自然子系统的弹性力容许上限，但只要土地资源开发利用足够合理，政策法规足够完善，技术足够先进，对于土地生态系统运行的控制力量大于自然子系统弹性力限制时，土地生态系统仍可安全运行。

如果人类控制能力下降引起或者由于人类不合理行为和自然灾害造成土地自然子系统的弹性力变小，特别是人类不能控制对经济利益盲目的追求而忽视土地生态系统的社会和生态效益，不能保障土地生态系统结构的稳定性与功能的正常发挥时，系统可能发生突变，土地生态系统将处于不安全状态并下滑到一个较低层次稳定下来。此时，人们可以利用经济手段、政策措施和科技手段对系统进行调控，调整其内部结构、改善环境条件，增强土地自然子系统缓解各种压力与扰动的能力以及保持土地生态系统不退化或崩溃的能力。

因此，只要通过调控激发土地生态系统发展演化的动力机制，减少限制因素影响，增强人类对于土地生态系统运行的控制能力，增加土地自然子系统的弹性力，就可以使土地生态系统持续、稳定、有序地发展。

【注释】

[1]吴次芳，陈美球.工地生态系统的复杂性研究［J］.应用生态学报，2002，13（6）:753-756.

[2]同上。

[3]马建华，管华.系统科学及其在地理学中的应用［M］.北京:科学出版社，2002:1-4.

[4]伍进.现代系统科学方法论及应用——优化方法与探索复杂性［M］.成都:电子科技大学出版社，2005:183-184.