试论森林生态系统是一类复杂适应性系统

第21卷 第3期世 界 林 业 研 究V o.l21 N o.3 2008年6月W orld Fo restry R esearch Jun 2008

试论森林生态系统是一类复杂适应性系统*

徐国祯

(中南林业科技大学,长沙410004)

摘要:介绍了复杂适应性系统理论产生的背景、概念和核心思想,进而指出其在解决当代资源与环境问题以及生物、生态、经济、社会等复杂系统及复杂性管理中的开拓性意义;从森林生态系统的特点出发,说明其是一类复杂适应性系统,指出该理论对于研究森林生态系统的复杂性与林业生态建设的重大意义。

关键词:复杂适应性系统,主体,适应性主体,森林系统,森林生态系统

中图分类号:S718.55 文献标识码:A 文章编号:1001-4241(2008)03-0006-05

On a V ie wpoint:Forest Ecosyste m is a Co mplex and Adaptive Syste m

Xu Guozhen

(Centra l South U n i ve rs it y o f F orestry and T echno logy,Changsha410004,Chi na)

Abst ract:This paper introduces the e m erg i n g backg r ound,concep,t core thought and characteristics of co m p lex and adapti v e syste m(C AS).It is po i n ted out that the CAS t h eo r y i s p i o neeri n g and si g-n ificant for so lv i n g the issues at presen t i n resources and env iron m en,t such as b i o l o g ica,l ecolog-i ca,l econo m ical and soc ial co m plex syste m and co m plex m anage m en.t S tarti n g fr o m characteristics of forest ecosyste m,t h e paper po i n ted out tha t forest ecosyste m is a co m plex and adaptive syste m and the research o f C AS theory w as critical for st u dy the co m plex ity of forest ecosyste m and fo rest eco l o g ical construction.

K ey w ords:co m plex adaptive syste m,agen,t adap ti v e agen,t forest syste m,forest ecosyste m

1 复杂适应性系统理论的提出及概念

复杂适应性系统(Co m plex Adaptive Syste m, CAS)理论是继1990年钱学森提出的开放的复杂巨系统理论后,又一个关于系统复杂性研究的新领域。它是1994年由约翰 H 霍兰等在圣菲研究所成立10周年时提出的。它的提出对于人们认识、理解、控制、管理复杂系统提供了新思维、新方法。

1.1 CA S的概念

我们知道系统的基本单元是一些元素、部件、子系统。而霍兰在C AS理论中把 系统的基本单元称为具有适应性的主体 ,他说 我们将CAS看成是由规则描述的、相互作用的主体组成的系统。 CAS无例外地皆由大量具有主动性的元素组成 [1]。主体、适应性主体、由适应性产生复杂性,这就是复杂适应性系统不同于一般系统对组成要素、元素的理解。以前一般所说的元素、单元或子系统是和系统、全局、整体相对而言,是一种被动的、局部的概念。而 主体 的概念则把个体的主动性提高到系统进化的基本动因的位置,成为考察复杂系统宏观演化的现象,从而说明了活的主体具有适应性,正是主体的适应性造就了系统的复杂性。周光召院士2002年11月在 复杂适应性系统和社会发展 一文中对复杂适应性系统的解释为: 许多复杂系统在特定的外部条件下,会通过自组织形成具有特定时空结构的有序状态。这种有序状态在环境的影响下能自组织、自学习和自适应,不断演化其形态而生存、繁衍和发展,当适应能力赶不上环境

*收稿日期:2007-07-13

作者简介:徐国祯(1932-),中南林业科技大学教授,研究方向:森林经理、林业系统工程,E-ma i:l gu ozhen1348@21cn.co m

第3期徐国祯:试论森林生态系统是一类复杂适应性系统

变化时,就会衰亡下去,我们称这种复杂系统为复杂适应性系统 [2]。从这个概念中也可以看出,生态系统、森林生态系统的发展演替也正好说明了生态系统组成的基本单元、元素、子系统中包含有主体、适应性主体、环境、适应、适应性互动以及发展演替等类概念。

1.2 复杂适应性系统的核心思想

霍兰在复杂适应性系统中提出了主体、适应性主体、适应性造就复杂性这样几个十分重要的概念。它的核心思想是:大千世界如此奇妙复杂是由什么构成的,霍兰的回答是 CAS无例外地皆由大量有主动性的元素组成 ,就是主体、适应性主体。主体是在一定环境中活动的活的实体,它是怎么活动的呢?是适应性活动,适应是生物体(主体)通过 学习 或 成长 调整自己适合环境的过程。主体适应的过程就是自组织、自学习、自适应的过程。对于每一类复杂系统都是如此,例如人体系统的生命过程和生态系统在一定环境中的演化过程,都是通过各种主体的适应性活动在调整自身。值得提出的是,在C AS中任何特定适应性主体所处环境的主要部分,也都是由其他适应性主体组成的,任何主体在 适应 上所做的努力就是要去适应别的适应性主体(环境)。关于这一点,周光召院士指出了CAS适应与变化关系中的2种发展趋势: 发展 与 衰亡 。

CAS的核心思想是:(1)提出了C AS中主体的概念和适应性主体的理论,C AS理论将组成系统的要素视为具有主动性、适应性的主体,而适应性主体在适应性研究中处于基础地位;(2)自然界为什么如此复杂,复杂性产生的机制是什么?回答是 适应性造就了复杂性 ;(3)复杂性产生演化的机制又是什么?它们是由一系列描述性规则所决定的,因而有必要去探索CAS的特性和机制。

2 CAS的特性和机制

2.1 关于CAS的复杂性

在CAS中,作为适应性主体的单元,适应性是指主体能够通过与环境,或者说其他主体进行交互作用发展演化。周光召院士从系统的角度指出了CAS的5个特征:(1)具有整体性的特点而不是子系统简单叠加;(2)强调它是一种处于远离平衡状态的开放系统;(3)内部子系统之间的相互作用是非线性的;(4)它具有自组织、自学习、自适应和进化的功能,有序状态在一定的环境条件下自动形成;(5)C AS所处的有序状态通常是在某一参数达到混沌区的临界点,以突变形式形成。他在总结以上特点的基础上描述了C AS演化机制的几条基本规律:守恒原理、开放论和进化论。无疑,这些特征和基本规律对于我们研究森林生态系统进化的机制或退化的原因是有重大意义的。

霍兰从适应性主体去研究C AS的特征,指出了7个基本点:

(1)聚集:聚集的第1个含义简单讲就是 物以类聚 ,就是聚合、组合,就像生物种群、群落、生物地理群落到生态系统等,也是一个聚集的过程。 聚集 的第2个含义是 密切相关 ,强调在互动作用中 主体 在做什么,主体和作为环境的其他适应性主体之间的相互关系是什么?

(2)标识:这是一种机制,在聚集过程中总有一种机制在起作用,标识提供具有协调性和选择性的聚集体,最简单的如两性的标识 聚集 (繁殖)成为一个家庭,商业上的商标、图标的作用是为了聚集和产生联系。

(3)非线性:C AS中适应性主体的相互作用必然是非线性的、动态的、多元的。线性是将整体看成是局部的简单相加,而非线性则体现出系统非加和原则的复杂性。

(4)流:一切事物都在 流 的动态过程中,自然生态系统中有物流、能流、信息流,社会系统中还有人流、财流、价值流等。霍兰指出 流 有2个效应:一个是乘数效应,一个是循环效应,这在生态系统变化中都可以看到,例如在热带雨林中这2个效应就十分显著。

(5)多样性:事物多样性的存在源于环境的多样性,就像生态系统组成中形成不同的生态位、生态界面,就会产生一系列生态界面的适应与互动。适应性造就了多样性和复杂性, 当主体蔓延开辟了新的生态位,产生了可以被其他主体通过调整加以利用新的相互作用的机会时,多样性也就产生了 [2]。这一点从农林复合经营等生态工程中可以充分显现出来,我们常常通过在新的生态系统中增加新的组分、新的生态面,为

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提高农林业生产服务。

(6)内部模型(机制):在CAS理论中每个主体都有复杂的内部结构和内部机制,对于整个系统来说,它们共同构成系统的内部结构模型。有了内部模型,适应性主体就能将外界环境的变化转化成为内部结构的变化从而提升自己的适应能力,例如在进化论中生物适应环境变化中形成的器官变异。为了更好地理解、表达一个C AS,可以通过简化了的模型去考察一个主体的内部结构,推断出该主体的环境,那么这个主体内部结构就是一个内部模型。当然,还要通过结构推断出主体的环境。所以我们常说模型是简化了的系统,从结构、功能和过程研究内部环境(模型)和外部环境的关系,模型可以推测未来,并且通过一种适当方式把未来的事物与目前的行为联系起来,通过模型去研究进化过程。

(7)积木(机制):霍兰用 积木 这一非常形`象生动的比喻说明适应性主体就像选择积木一样,构成大量不同的组合。一是说明系统层次结构关系,再是说明它们之间的适应性互动关系,重要的是找到组合的规律,C AS当然不会像 积木 那样简单, 积木 主要说明了 选择 、 适应 的过程。自然界通过自身无数次 积木 的 实验 ,生成内部模型,同时也说明越到底层、越到基层部分越相似。

这7个基本点的普遍意义在于:(1)主体是主动的、不断适应的主体,这就为我们研究不同种类的C AS提供了具有普遍意义的方法途经;

(2)主体和环境的交互作用是系统演化的主要动力,而且主体可以不断通过接受反馈结果,调整自己的 反应规则 ;(3)CAS反映系统的层次结构或整合作用,并且可以通过建立模型,选择 积木 或重组这些 积木块 的不同方法,建立起一些规则用来创建易于理解的模型。

3 森林生态系统是一类复杂适应性系统

3.1 对生态系统认识的回顾

生态系统 一词最早是由英国生态学家坦斯利(Tansley)提出的,它是既包括生物有机体,又包括无机环境,共同组成的统一体。Odum认为是生命有机体和无机物相互作用并产生相互之间物质交换的一个自然区域,他还在1971年提出,在一个给定区域内的所有生物体(即群落)与其生存自然环境之间相互作用,并伴随着能量流动产生鲜明的能量结构、生物多样性和物质循环,这样的任何一个单元也可以称为生态系统。

H o lling(1996)认为: 生态系统是生物有机体集合体,在该集合体中,生物间内在的相互作用对其行为的决定性,超过外部任何事件对其影响的决定性 。这个概念中突出了 相互作用 。K A 沃科特等指出: 生态系统一般是指一个最大空间尺度上能自我维持的实体,这个实体可以从几个厘米到几千公里,只要是生物体和它的环境作用过程,在其边界范围内是自我维持的独立体,都可以看成是一个生态系统。[2] 同时,该概念强调了生态系统是一个自组织、自适应的过程。他举出了最简单的例子,如岩石上的地衣是一个独立的自我维持的生态系统。现代生态学用系统科学的基本原理和方法来研究系统的结构和组成、系统的运动和发展。它包含了这样几重意思:(1)对象。把研究对象界定为系统,生态系统是生物系统在特定时间、空间下的组合,重要的是有一定的要素和相互关系,形成不同的层次结构,产生不同功能效益。(2)过程。生态系统是在一定时空范围内的生物之间、生物同非生物环境之间,通过物流、能流、信息流的流通与循环再生过程,体现为生物体与环境适应性互动的过程。(3)环境。 我们对生物体最基本的看法是,必须从根本上认识到有机体不能与它们的环境分开,而是与它们的环境形成一个自然系统 (坦斯利)。所以一个生态系统总是处在一个更大的生态系统之中,不断运动、变化、发展与演替。

生态学研究、生态系统的研究,从自然生态发展到人类生态的研究具有特别重要的意义,体现出 以人为本 的思想。在当代重大的社会问题中,人口、资源、环境等几乎都与社会管理体制、经济运行机制以及人类赖以生存的自然环境发生着密切的关系。因而这类复杂问题就不能单一地,或者孤立、割裂地看成是一个自然生态问题、经济发展问题以及社会变革问题,而是若干系统相结合运行中的问题,称之为社会-经济-自然复合生态系统问题[3]。这里指的 复合生态系统 就是强调多个系统的交叉、重叠,关系尤为复杂,所以也是一种复杂适应性的互动关系[4]。

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总之,以上生态系统概念的发展与机制的研究,强调了以生物体为一方、环境为一方的适应性互动关系,而且更重要的是一种动态的适应性互动关系。所以有的生态学家强调把 生态系统当作研究自然界和非生物组成之间相互作用的方法更为贴切 。由于相互作用是生态系统方法关注的焦点, 生态系统 一词的使用起源于过程和功能,也就是特定环境下系统的结构、功能和过程。所以,K i m m i n s(1987)为生态系统这个概念定义了6个属性:结构、功能、复杂性、相互作用及其相互依赖、无固定的空间尺度和范围、随时间推移而变化[5]。

综上所述,生态学研究的是 实体 与 关系 以及两者间的关系,特别是从结构和功能、互动和适应、动态与变化来研究生态系统作为适应性主体和复杂性造就适应性的关系。

3.2 森林生态系统的特点

森林生态系统的特点可以概括为:开放性、复杂性、多样性、非线性(动态变化)、循环再生性、适应性。它既是一个 开放的复杂巨系统 ,当进入到人类社会,作为林业活动的对象时,就是一个与社会、经济、自然紧密结合的复合生态系统。我们试从以下4个方面来表述这类生态系统的机制:1)多元主体与多元整体的关系:森林生态系统是多主体的,主体的多元性体现在它们之间是一种适应性互动关系。最典型的如热带雨林的物种种类、个体数量极其丰富,层次结构极其复杂,它们体现出雨林中的互生、共生和再生循环的能力。森林不同于简单的食物链,由低到高终止于高层的肉食动物。热带雨林中资源不断利用、可以循环再生利用,更不用说它们对环境的巨大影响了。正是因为森林生态系统的多主体,所以人类根据它的不同特性可以发挥其不同的功能。但是多元主体又必须是多元整体,不能把生态系统变成 构成论的还原论 ,而应当是 生成论的进化论 [6]。它们之间是在适应性互动中发展,在适应性互动中进化生成的,如果不能适应环境或者环境被破坏了,生态系统就会演变、退化。如封山育林就是森林生态系统破坏后,在恢复中演替进化;又如破坏了农林间作制度的杉木人工林以及采取大面积纯林,就会造成杉木林退化。2)非平衡有序:森林生态系统中种种关系总是围绕着平衡与非平衡,平衡是相对的,非平衡是绝对的,在动态中求得平衡。所以普里高津用 耗散结构 这一理论来说明 非平衡是有序之源 。3)循环再生:森林生态系统的研究从一开始就强调了它的 流 和 循环 ,从森林永续利用到森林可持续发展,从木材生产永续到整个生态系统的永续,再到森林的可持续经营与林业的可持续发展,重要的是从自然、经济、社会等方面来研究循环再生的机制。4)组织协同:在一个由若干要素组成的系统中,各个要素必须 匹配、齐全、等衡、协同 才能发挥系统整体的作用[7]。自然界之所以有千差万别、千姿百态,靠的是互相联系、互相协调,系统与环境的适应性是系统有序性在系统外部的反映。 组织 一方面是自组织,自协调也就是自适应,另外一种是它组织再通过自组织来完成协调。如森林天然更新完全是一种自组织、自适应的进化演替过程;而现在有一种提法叫做 工程封山育林 ,就是通过人工促进更新和其他抚育活动,使它组织转化成自组织来加快完善育林工程[8]。

当然,森林生态系统演化的机制远不止这些,但是有一点值得指出:它是一个复杂适应性系统,把它作为一个适应性主体来研究适应性既造就了复杂性,也有利于生态系统的稳定、有利于发挥它多方面的功能和作用,同时也有利于揭示它是由一系列规则来描述相互作用主体组成的系统研究。显然,森林生态系统的复杂性、适应性以及复杂性产生的机制的研究还很不够,还有许多工作要做,它对我们开展对森林的科学的经营管理有着十分重大的意义。

4 研究复杂适应性系统对林业生态建设

的重大意义

(1)从 实体 与 关系 两者间的关系去构建生态系统方法。系统是由主体构成的,还是主体相互作用构成的?事实上,如果从动态的关系来看,存在的是关系,而不仅是实体。传统科学注重 实体 而复杂性科学注重 关系 。所以 生态 更多地是强调 关系 、 是与生物有关的各种关系的总和 (钱正英、沈国舫)。从研究方法角度出发,构成系统中的活体是关系中的主体、相互作用中的主体,只有在相互作用中认识

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和把握主体,离开了相互作用就没有现实的主体。应当说生态不是线性的加和原则,而是非线性的动态关系,是适应性互动关系的总和。所以简单说生态是 躯体 ,也就是 实体 是不全面的,完整地说应当从 实体 和 关系 去构建生态系统方法。

(2)从 适应性主体 去研究森林生态系统的进化规律和退化原因。霍兰强调 主体 是活的、主动的作用。主体的概念则把 个体 、 实体 的主动性、适应性提高到基本动因的位置上,从而成为研究与考察宏观演化现象的出发点。例如在森林自然演替过程中、封山育林过程中研究主体的活动性、互动性、适应性,从而成为研究与考察森林生态系统宏观演化现象的出发点,这一点对研究森林生态系统进化和森林生态系统管理有很大意义,特别是把多元主体和多元整体相结合建立起适应性互动去研究林业区域规划和森林分类经营意义十分重大。不要把森林分类机械地变成还原论,而始终要牢记:部分(分类)不能离开整体的存在,整体不等于部分之和。

(3)适应性造就了复杂性。 我们将CAS看成是由规则描述的相互作用的主体组成的系统 (霍兰)。毫无疑问,正是建立在这一理论基础上,我们要研究一系列规则去描述森林生态系统的复杂、适应与演变。森林生态系统是如此千变万化,又是如此和谐协调,不论是研究 各种关系总和 或者是研究 如何达成和谐 都要从适应性造就复杂性这一基本点出发。如利用生态系统中的互生、共生、拟生、再生、竞争、互助合作等关系,它们都是以一系列特性和规则为指导的,就像霍兰指出的7个基本点、周光召的6个特性和3个基本规律。我们又如何去运用CAS的特点和规则去研究森林生态系统这个开放的复杂巨系统和复杂适应性系统呢?中国林业在生态建设方面,自古至今取得了许多辉煌的成就,如混农林业、封山育林、桑基渔塘、生态经济沟治理、庭院经济以及各类大型的生态工程。现在重要的是把它们上升到理论研究,再来指导实践。

(4)复杂系统、复杂性、复杂性管理的研究关键在于能不能针对所要研究的问题构建一个合适的科学模型。只有上升到模型构建层面上,并建立起属于系统本身特色的模型,复杂性研究才能上升到科学层次,如生态工程中的人工生态系统建模需要从以下几方面考虑:主体及其他主体;资源间的交流;生态位。这3项内容包括:1)整体与部分的位置,即生态位与生态界面;2)每个位置中有若干主体,主体有最简单的功能,就是与其他主体进行资源的交流、保存与加工;3)在主体间进行物质、能量和信息交流。

(5)由人类参与了经营管理的森林生态系统不仅是生物的自组织,同时还是社会自组织,即包括了由人来管理各色人等的社会经济活动[9]。所以,森林生态系统管理,必须体现出人在生物圈中、 以人为本 与 人和自然的和谐 。

(6)如何应用CAS理论去指导包括生态保护、恢复和重建等生态工程在内的生态建设,建立起高新技术的生态产业或生态工程。未来的产业将是生态化的生物技术产业,充分运用森林生态系统的生物多样性去发展生物工程、生命工程、生态工程可以说是大有作为。正如周光召院士所指出那样: 高新技术及其产业也是一个复杂适应性系统 ,利用遗传和变异、互生和共生、竞争与互助、循环再生、偶然和必然、选择和适应等关系,去创建生态产业和生态工程实体。

总之,学习和应用复杂适应性系统理论为的是使林业更好地为生态建设、循环经济、和谐社会发展服务,意义十分重大。

参考文献

[1]约翰 H 霍兰著.周晓牧、韩晖译.隐秩序 适应性造就

复杂性[M].上海:上海科技教育出版社,2002.

[2]周光召.复杂适应系统和社会发展[C]//中国系统工程学会

12届学术年会报告,昆明,2002.

[3]马世骏,王如松.社会-经济-自然复合生态系统[J].生态

学报,1984,4(2).

[4]徐国祯.生态是适应生态是选择[J].绿色中国,2005,(10).

[5]K A 沃科特,等.生态系统 平衡与管理的科学[M].

北京:科学出版社,2002.

[6]苗东升.有生于微:系统生成论的基本原理[J].系统科学学

报,2007,15(1).

[7]徐国祯.中国传统文化中卓越的生态系统经营思想和实践

[J].世界林业研究,2005,18(2).

[8]徐国祯.中国封山育林制度的发展[J].世界林业研究,2004,

17(1).

[9]布鲁斯 米切尔著.蔡运龙,等译.资源与环境管理[M].北

京:商务印书馆,2004.

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