生态系统特征的系统科学思考

1、生态系统特征的系统科学思考摘 要：基于现代系统科学研究的成果，从系统科学的层面对生态系统的特征进行了 再探讨，提出了生态系统性质特征的新内涵和认识的新思路，特别是提出了应该从突变论、 耗散结构理论、协同学、混沌学、超循环理论和生命系统理论去综合认识生态系统的稳定性 问题，它对于人们不管是从生态学的角度研究生态系统，还是从系统科学的角度研究生态系 统都有着积极的作用和意义。关键词：生态学；生态系统特征；系统科学上个世纪80年代由于对全球生态系统研究的迅速进展，使人们对于生态系统作为生态 学的基本单位的认识更加明确，更加强调研究生态系统结构、功能及其动态的重要性和实用 性，其中，最具影响的研究是美

2、国佐治亚洲大学的E P Odums和加拿大不列颠哥伦比亚 大学的JPKimmins。从目前研究看，认为生态系统是在一定空间范围内，各生物成分（包 括人类在内）和非生物成分（环境中物理和化学因子），通过能量流动和物质循环而相互作用， 相互依存所形成的一个功能单位，具有结构特征、功能特征、动态特征、相互作用和相互联 系特征、稳定平衡特征、对外开放特征.与此同时，系统论、信息论、控制论、耗散结构理 论、协同学、超循环理论和生命系统论等系统科学理论也逐步产生和发展起来，由于系统 科学的成果是基于客观实际的系统，运用物理、化学、生命科学、数学、工程学等学科的方 法加以探索而取得的，对包括生态系统在内的各

3、种系统而言，更具有普遍性、客观性和全面 性，这些系统科学理论为我们认识生态系统提供了新思想、新观点和新方法；从系统科学 的层面对生态系统进行再探讨，尝试提出生态系统的一般特点的含义，它对于人们不管是从 生态学的角度研究生态系统，还是从系统科学的角度研究生态系统都有着积极的作用和意 义。一、认识生态系统的系统科学基础1、生态系统的系统科学理论系统科学是探索系统的存在方式和运动规律的学问，是把握系统本质的知识体系.系 统科学的范围很广泛，已经形成一个学科群体，如系统论，信息论，控制论、运筹学，博奕 论，突变论，耗散结构理论，协同学，混沌学，超循环理论，生命系统理论等等。系统科学 从数学、物理、化学

4、、生命科学、工程技术、社会科学和思维科学等角度探索不同的系统。 各种系统科学在其研究中，各自采取既相互联系，又各具特色的方式方法和手段，例如，系 统论多采用系统分析和系统综合的方法；控制论采用控制、反馈、功能模拟等方法；信息论 采用信息方法与反馈方法;耗散结构理论把物理系统或生命系统的有序结构形成的条件当做 一个新方向，采用物理数学方法探索新结构的产生与平衡中心的关系；协同学以信息论、控 制论、运筹学、突变论等为基础，采用统计学和动力学考察相结合的方法，通过类比，对各 种系统中从无序到有序的现象建立一套数学模型和处理方案；混沌理论采用物理数学方法， 主要研究系统从混沌到有序发展的机制和条件，以

5、及系统怎样从有序进入新的混沌；超循环 理论应用化学动力学和量子力学的理论和方法，说明从生物大分子到原生细胞的进化阶段 中，形成了一个超循环式的组织，它一旦建立就永存下去的选择机制，构成生命运动中由酶 的催化作用所推动的各种循环；生命系统理论强调生命系统是指一切活的具体系统，生命系 统的许多知识应该与物理科学、工程学相一致，生命系统是具有能保持甚至随着时间推移能 增强其内部低熵状态特性的多分子系统。生态系统，就其要素、结构和运行机制而言，是 符合系统科学所探索的一般系统的几乎所有要件，从理论上和现有的实践上证明来看，将系 统科学的各种理论运用于生态系统的研究，从数学、物理、化学、生命科学、工程技

6、术、社 会科学和思维科学等角度探索一般的和具体的生态系统，是可行的也是必要的。2、认识生态系统的几个原则从系统科学的角度认识生态系统，应该把握以下几个原则：整体性原则整体性原则是系统科学方法的首要原则，它是基于系统要素对系统的非加和性关系.当 要素之问存在相干性和协同性的条件下，会有新质的突现。这种新质不是单个要素所具有的， 而是系统整体才具有的4。因此，在研究生态系统时，必须从整体出发，通过探索生态系统 的组成、结构、功能及运动变化的规律性，探索生态系统内外环境中和内外环境之问的关系， 来分析其部分以及部分之问的关系，再通过对部分的分析达到对整体的认识。正如爱因斯坦 所说：“如果人体的某一部

7、分出了毛病，那么只有很好地了解整个复杂机体的人，才能医好 他；在更复杂的情况下，只有这样的人才能正确地理解病因” 5。系统科学方法要求从种种 联系和相互作用中认识和考察生态系统，使生态系统分析与综合、归纳和演绎、局部和整 体、个别和一般都协调一致起来.动态原则系统科学认为，虽然在科学研究中，人们经常采用理想的“孤立系统”或“闭合系统” 的抽象，但是在实际存在的系统中，无论在其内环境的各要素或子系统之间，还是在其内 环境与外环境之间，都有物质、能量和信息的交换与流通。从原则上说，实际系统都是活系 统。热力学第三定律指出：绝对零度是永远达不到的.其实在绝对零度，根据量子力学，还 有“零点能”存在，

8、构成系统的质点(要素)还处在振动中，所以系统总是动态的，永远处于 运动变化之中。因此，在研究生态系统时，应当把生态系统整体和构成要素及其结构的变化 发展的各个阶段统一加以研究，以把握其过程与趋势。次优化原则次优化原则是系统科学的一个重要原则，它指的是：构成一个系统的要素都呈现最佳状 态时，系统整体不一定呈现最佳状态；或者说，当系统整体呈现最佳状态时，构成这个系统 的要素不一定呈现最佳状态.这一原则要求在分析和解决生态系统问题时，统筹兼顾，通 力协作，多中选优，采用时间、空间、程序、主体、客体等多方面的峰值佳点，本着“多利 相衡取其重，多害相衡取其轻”的思路进行综合优化和系统筛选，运用线性规划、

9、动态规划、 决策论、博弈论等系统科学方法，达到整体优化的目的.次优化原则不仅可以指导我们从要 素和结构的关系上认识生态系统，而且可以在人工生态系统的建构一生态工程中获得应用。模型化原则从系统科学的角度分析和解决生态系统的问题，一个重要的原则就是需要把真实的系统 模型化，即把真实的系统抽象为模型，如放大或缩小了的实物模型，理论概念模型，数学模 型，符号系统模型或其他形式化的模型等。对于复杂系统，需要在系统分析的基础上，适当 采用模糊方法，经适当简化和理想化，才能建立系统模型，一旦建立好系统模型，就可以进 行模拟实验，运用电子计算机进行系统仿真，它是求得系统最优化的保证。随着生态学研究 的发展，提

10、出的理论和实践问题会越来越多，生态学所涉及的模型种类(特别是数学模型) 和范围也不断扩大，其发展趋势，一是运用现代数学方法解释生态系统；二是通过大量的实 验观察所得到的数据，建立模型。在这一发展过程中，需要生态学家和数学家的紧密结合。 围绕着生态学模型的研究和应用，有可能对生态系统的结构和功能有新的了解，对生态系统 总体的认识有新的突破，并产生新的理论。二、对生态系统基本特征的再认识1、结构特征生态系统是由生物和非生物环境两个亚成分构成。生物成分根据其功能不同分为生产 者、消费者和分解者；非生物环境主要指光、热、大气、水、土、岩石及死的有机物质等生 物赖以生存的的环境。从系统科学的整体性原理和

11、次优化原理看，构成生态系统的各个要素 的各种各样关系可以分成两个大类，一是加和关系；二是非加和关系.其中的加和关系在生 态系统中居于主要的地位，起着主要的作用，因为当要素之间存在相干性和协同性的条件下， 会有新质的突现。这种新质不是单个要素所具有的，而是生态系统整体才具有的。在生态系 统的各个要素中，起着主要的或关键性作用的是那些具有加和关系的要素及其结构，它们是 研究生态系统结构的关键内容。实验证明，生态系统生物成分的多少（或生物多样性）与生态 系统的稳定性没有必然的联系，生态系统的稳定性是冗余结构的稳定性E.生态系统稳定 性依赖于物种之间相互作用的强度3，而单个物种的加入也能够加速生态系统

12、的瓦解Mo2、功能特征能量和物质的流动产生生态系统的整体功能，整体功能的产生与生态系统的要素和结构 有着密切的关系。从系统科学的一般原理原则看，要素的种类、数量、性质和特点不同会使 得其结构不同，整体功能的分析和寻优既要从生态系统的结构分析和寻优着手，又要从生态 系统的构成要素分析和寻优着手；整体功能与生态系统结构有同功同构、同功异构和异功异 构3种情形，整体功能的分析和寻优应该从生态系统的同功同构、同功异构和异功异构3 种情形分析和寻优着手。在生态系统的能量和物质流人一定或变动较小的情况下，在自然生 态系统中，生态系统要素和结构会产生一个自适应过程，形成一个稳定或比较稳定的系统结 构，例如陆

13、地生态系统氮沉降可以增加其生态效应u。在人工生态系统中，我们可以通过调 整和优化生态系统的要素和结构，使生态系统的能量和物质流出最大化；而在生态系统的能 量和物质流人发生较大变化的情况下，生态系统的要素和结构也会发生变化，从而使生态系 统的能量和物质流出发生变化。例如一个立体养殖系统，就和单独的养猪系统或养鸭系统或 养鱼系统等比较，在系统的物质循环和能量循环上就发生了很大的改变。3、动态特征生态系统是不断运动变化的系统，从系统科学的一般原理原则看，这种运动变化包含着 生态系统的整体功能、要素和结构3方面，并且每一方面的运动变化都会作用和影响其它两 方面的运动变化，也就是说，我们在了解、认识生态

14、系统的发展、进化和演变规律的时候， 应该综合了解、认识生态系统的整体功能、要素和结构3方面的发展、进化和演变规律。另 外，从耗散结构理论看，在生态系统从比较简单的结构向比较复杂结构状态发展，达到相对 稳定阶段的过程中，生态系统还会有一个从平衡态到近平衡态再到远离平衡态的非线性区的 过程，在这个过程中，生态系统内某个参量的变化达到一定阀值，通过涨落，系统就可能发 生突变，由原来的无序状态变为在时间上、空间上或功能上的有序状态，形成一种动态稳定 的有序结构。这种新的有序状态必须不断地与外界进行物质、能量和信息的交流，才能维持 一定的稳定性，而且不因外界的微小扰动而破坏go4、相互作用和相互联系的特

15、征生态系统内各生物和非生物成分的关系是紧密相连、密不可分的整体。没有各生物和非 生物成分及其它们之间的相互联系和相互作用就没有生态系统，任何一个成分或任何一个结 构的变化都可能会影响其他成分或结构的变化。根据系统科学，特别是协同学，各生物和非 生物成分的关系分为加和关系和非加和关系，其中的加和关系又是主要的；而在各种加和关 系中，其相干性和协同性的程度又是有差别的，其相干性和协同性程度越大的那些生物和非 生物成分对生态系统的影响越大，把握相干性和协同性程度大的那些生物和非生物成分的 各种关系对于我们认识生态系统是至关重要的。当然，弱相互作用效应对生态系统也会产生 影响13。5、稳定平衡的特征自

16、然界生态系统的发展过程总是趋于内部保持一定的平衡关系，使系统内部各成分之间 处于相互协调的平衡状态.根据系统科学，特别是突变论、耗散结构理论、协同学、混沌学、 超循环理论和生命系统理论，我们在认识生态系统的稳定平衡时应该注意两点：（1）生态系统的有序与无序、平衡、稳定三者之间的关系。系统的有序是指系统内部诸 要素或它们之间在空间、时间或功能上有规则地联系或转化，无序则表示内部诸要素或它们 之间在空间、时间或功能上无规则的联系或转化。生态系统的平衡与有序的关系有两种情形： 一种是生态系统的有序表现为平衡有序结构，例如人工生态系统；第二种情形是生态系统在 远离平衡态的条件下，可以通过与外界的物质和

17、能量的交流，可以维持稳定的有序结构，这 是一种“活”的有序，自然界中的天然生态系统都是如此。生态系统进化的直接诱因是系统 中某个变量或行为对平均值的偏落，即涨落，例如某个环境因子的变化；当生态系统处于稳 定态时，小的涨落仅仅是小的干扰，例如当气候干旱时，森林中的动植物种类和数量一般不 会有大的变化.然而当生态系统处于远离平衡的不稳定态，即在临界点附近时，涨落起着实 质性触发器的作用，会导致新的有序结构的形成，例如森林生态系统，如果将乔木全部砍掉， 这个森林生态系统就很难恢复到原来的样子。生态系统的混沌是非平衡的混沌，即确定性系 统内部的非线性性质所引起的非周期形态，实际上，它是一种宏观无序而微

18、观有序的现象。 混沌理论已证明，在表面的有序背后埋藏着一种奇异的混沌，例如河流生态系统，而在混沌 的深处又埋藏着一种更加奇异的次序，例如杂草生态系统，当一场大火将杂草全部烧光，形 成次生裸地，第二年又恢复成一个杂草生态系统。（2）生态系统的发展过程是其内部的要素按彼此的相干性、协同性或某种默契形成特定 结构与功能的过程（也称自组织），它不是按系统内部或外部的指令完成的，而是根据事物运 动变化的规律和特定条件完成的。生态系统作为开放系统，在远离平衡的非线性区，通过负 熵和正反馈循环，经涨落或起伏，会从无序状态产生有序结构.同时，非平衡过程也可能至 少从三条道路进入混沌状态：（1）倍周期分岔进入混

19、沌.即系统运动变化的周期行为是一种 有序行为，但在一定条件下，系统经过周期倍增，会逐步丧失周期行为而进入混沌。（2）茹 勒一泰肯道路通向混沌。即当系统内不同频率的振荡互相偶合时，系统就会出现新的偶合频 率的运动，混沌状态可以看成是无数多个频率偶合的振动现象，实际上，只要出现三个互不 相干的频率偶合时，系统就必然形成无数多个频率的偶合，出现混沌现象。（3）阵发混沌。 在非平衡非线性的条件下，某个或某些参数的变化达到一定的临界阀值时，生态系统就会出 现时而有序时而混沌的随机振荡，即阵发混沌14。这里以热带雨林和苔原生态系统为例来 说明。热带雨林结构复杂，物种多样性高，种间相互作用强度大，进化历史长

20、，而它的环境 条件相对比较稳定，可预测性强。苔原生态系统结构简单，物种多样性低，种间相互作用少， 进化历史短，环境条件多变而难以预测。一般来说，热带雨林抵抗干扰和保持稳定状态的能 力比苔原生态系统强。但是，热带雨林一旦受到严重破坏（如过量采伐），它要恢复到原状的 时间则非常漫长；而苔原生态系统在受到严重破坏后，恢复时间就比较短。这就是说，就抵抗力稳定性来说，热带雨林比苔原高；而就恢复力稳定性来说，苔原则 比热带雨林高。就同一类型的生态系统来说，抵抗力和恢复力也因生态系统所处的发育阶段 而有差别。一般来说，顶极群落的抵抗力强，恢复力弱；发展中的群落的恢复力强，抵抗力 弱。6、对外开放的特征所有的

21、生态系统都是一个开放系统，它必须有能量和物质的输入和输出的过程，否则， 所有的生命将难以生存下去。从系统科学的角度来看，生态系统向有序方向进化的基本条件 是，从外部获得能量和物质，即获得足够的负熵流，其绝对值大于生态系统内部的熵产生， 从而使系统的熵减少。也就是说生态系统必须是开放的和非平衡态的。没有充分的开放，生 态系统就会失去活力和自主性。所以说，非平衡是有序之源，在热平衡或近平衡态，都不会 出现有序结构。例如，生物进化和群落演替过程中包含不断打破旧的平衡，热带雨林才发展 到成熟阶段的群落，其垂直分层现象明显，结构复杂，单位面积里的物种多，各自占据着有 利的环境条件。当然，我们也应该看到，

22、在能量和物质的输入和输出的过程中，在从外部获 得能量和物质的过程中，生态系统的演化不可能单方面的越来越有序或越来越无序的，而是 有序与无序、平衡与不平衡、稳定与不稳定、进化与退化的交织和统一。三、结语生态系统的特征是生态学的基础内容和生态学研究的高度概括，对它的认识和说明，直 接关系到人们对整个生态学的认识和今后的进一步研究.对于生态系统特征的表述和说明， 一般更多的是基于生态学本身的研究而概括和总结的，这可能带来一些不足，这主要在于生 态学是一门涉及面很广的学科，它与很多其他学科存在这样或那样的联系，可以从不同的方 面、不同的角度、不同的学科对生态学的问题加以探索，这样就可能形成对生态系统的

23、性质 特点的不同看法，而这些不同看法都在一定的程度上和一定的层面上反映了生态系统得到客 观事实，这些看法对于人们最终揭示出生态系统的性质特点是十分有益的。本文中从系统科 学的角度对生态系统的性质特点的探索，是基于下面的原因和目的：一是生态系统符合系统 科学所探讨的一般系统的特征，从系统科学的角度探索生态系统的性质特征具有可行性；二 是系统科学研究在近一二十年获得了飞速发展，如何应用系统科学的最新成果去分析和揭示 生态系统的性质特征具有必要性；三是为生态系统的研究提供新的方法和思路。由于系统科 学的成果是基于客观实际的系统，运用物理、化学、生命科学、数学、工程学等学科的方法 加以探索而取得的，对包括生态系统在内的各种系统而言，更具有普遍性、客观性和全面性， 将系统科学的理论和方法应用于生态系统性质特征的研究，将会产生积极的作用和意义。当 然，生态系统是一个十分复杂的系统，对它的性质特征的全面完整的认识，还有待于生态学 的进一步研究，有待于生态学和其他相关学科的研究人员的通力协作。参考文献：Odum E P.生 态学基础I-M.孙儒泳等译.北京：人 民教育出版社