1系统耦合的时代背景

科学总是遵循分析-综合-分析无限往复的规律得到发展的。随着世界交通、信息和科学技术取得长足进展,不同学科,不同学科的不同层次,不同生产部门,不同地域之间,出现了多重交叉。在多种交叉过程中,“耦合”的实际作用和理论意义日益引起社会的关注。系统耦合一词最初源于物理学,后来才逐渐应用于其他学科,如农业和生物等领域。

1.1系统耦合的科学概念

2个或2个以上性质相近的生态系统具有互相亲合的趋势。当条件成熟时,它们可以结合为一个新的、高一级的结构——功能体,这就是系统耦合。任何系统,其非平衡态是绝对的,平衡态是相对的、偶存的(任继周,1999)[1]。系统自由能的积累可使系统进入非平衡态。通常所说的“能量是系统的驱动力”,无疑也适用于系统耦合。当条件、参量适当时,系统势能延伸,可使不同系统实现结构功能的结合,产生新的、高一层的系统。它不是原系统量的增大,而是新功能体——具有新质的较高层次的系统。它联通了2个或2个以上的系统,发生系统耦合,由此产生的新系统称为耦合系统。系统耦合导致系统的进化(任继周,1999)[1]。系统耦合广泛存在于农业系统,但较少引起人们的注意(任继周,1999)[1]。性质相近一词,就是具有决定系统本质的相同“序参量”的系统。

1.2系统耦合的理论和实际意义

系统耦合是世界经济一体化的桥梁,其理论意义在于充分发挥生态系统所固有的开放性带来的外延特性(自由能的积累),导致系统进化和生产潜力的解放(任继周,1999)[1]。例如青藏高原的高寒草地牧业系统和农牧交错带的农业系统相互耦合,生产潜力得以释放,就会产生巨大的生产效应和生态效益(马玉寿等,1998)[2]。系统耦合的生产潜力源于其催化潜势、位差潜势、多稳定潜势和管理潜势。催化潜势:系统耦合过程如同化学反应,正、逆向过程并存。如给以催化,就加快了反应速度,也增加了其自由能的通量密度。在农业生态系统中,不论采取耕作、灌溉、施肥、喷洒农药等农业措施,以生产资料的形式投入能量或元素进行的正向催化,还是以及时收获农产品,迫使农业生物处于非成熟状态以保持旺盛生机进行的负向催化(常用,但未被人们所充分认识的催化手段),都可以促进系统的耦合过程,使其生产力提高,从而获得更多的产品(任继周,1999)[1]。

系统耦合的位差潜势:“美国西部放牧带与中西部的玉米带(还有较干旱的高粱带),通过易地育肥养牛业加以耦合,使生产水平提高了6倍左右”;“在中国东南部农耕区与西北部畜牧区的交会地带,从西南到东北划一条斜线,在这条线的两侧,曾分布着一系列‘茶马市场’,即牧区产品与农区产品交换的市场。如云南的大理、四川的西昌、甘肃的临夏、陕北的榆林、河北的张家口等地,都曾是‘淘金者’的乐园。这是农耕系统与畜牧系统2个生态系统之间位差势能所致。这种位差潜势,往往表现为市场价格之差”(任继周,1999)[1]。王宁在宁夏的研究表明,宁夏平罗县宝丰清真牛羊肉屠宰批发市场也是农耕区与草原牧区会聚并释放潜能的场所,在位差潜能的作用下,通过市场这个“反应灶”,生成一个其功能(主要是社会和经济功能)远高于农耕区与畜牧区自身功能之和的耦合系统(王宁等,2000)[3]。多稳定潜势:复杂系统要比简单系统的总体功能更加稳定。这种整体的稳定,正是由于多种局部的不稳定成分的不断变化调节形成的。耦合系统组分复杂,子系统位差潜能虽变化不定,但保持了全系统自由能总量较为恒定,故其生产水平较为稳定。

转化阶是农业系统内能量和元素转化的阶梯。如从可利用的光能到作物产品再到动物产品,通过系统耦合,转化阶、结构相应复杂,从而使生产震荡衰减,这无异于农业系统中的安全阀,可避免生产水平的大幅涨落(任继周,1999)[1]。管理潜势:不同生态系统经过耦合,把所用以构建的低层系统综合为高一级系统,就形成等级系统,并有了等级系统的调控特性。高一层的调控有选择地忽略下级系统的无关细节,这种管理简化而力度增加的事例,在生锄管理中比比皆是。如区域化管理、行业管理、分级管理等,系统耦合的管理潜势就在于此(任继周,1999)[1]。不同系统经过耦合,不仅能使生产水平大增,还可导致系统与外界在物质、能量和信息方面的良性循环,同时使系统更趋于稳定,真正实现系统的持续、高产和稳定发展。农业系统作为一个自然-社会系统的功能体,人为影响有着决定意义。系统耦合可使多个农业子系统合理组合,充分发挥大农业系统的优势。随着交通和信息科学的发展,系统耦合的作用将日益增长。我国过去长期形成的“以粮为纲”的畸形农业系统,只有实现系统耦合,将传统的作物系统、林业系统与草业系统有机结合,才能有效地组成持续发展的、高效的大农业系统(任继周,1999)[1]。

2系统耦合文献分类综述

2.1耦合理论的发展历程

2.1.1物理学的耦合系统耦合始源于物理学,但在地理、气象和水体学中也有应用。李凤全等[4]利用神经网络和地理信息系统耦合所得的人工神经网络模型,对吉林西部平原的地下水水质进行评价,不仅能够反映当地水质的最适宜、较适宜、适宜、较不适宜、不适宜的状况,而且能够体现吉林西部水质的空间变化规律。缪强等[5]利用13个暴雨个例,经等压面和垂直剖面上若干物理量分析,揭示了青藏高原天气系统与背风坡浅薄天气系统耦合相互作用的一些主要特征。其研究结果表明:大气内部压能场与流场非平衡强迫既是青藏高原天气系统和背风坡浅薄天气系统发生、发展和东移的动力机制,又是这两类系统耦合相互作用的动力条件。刘昌明等[6]曾就中国水循环与土壤-植物-大气水分能量传输生态研究的问题作过综述,重点阐述了水循环研究的需求与水量转化的重要机制、模式及子系统耦合的界面,包括农田生态系统、干旱、半干旱区等系统耦合的尺度问题。张志南[7]通过概述浅海生态系的水层系统与底栖系统耦合的基本原理,着重介绍了有机质沉降动力学、底栖生态系统对有机质的响应、生物沉降和侧向平流、生物扰动和沉积物再悬浮研究的进展情况。

2.1.2生态系统的耦合生态系统内部自由能的积累,使系统失去平衡并趋同其他生态系统结合,自由能驱使2个或2个以上的生态系统或亚生态系统,通过会聚,超循环和耦合而联合,从而形成具有特殊结构功能的更高一级的新系统,即耦合系统(任继周等,1994)[8]。不同生态系统的耦合,实际上是在原有系统之上,把它所用以构建的低质系统简化的产物,不同等级的系统耦合,产生不同等级的耦合系统,就形成等级系统。能量的流动产生1个有结构层次的网络,输入网络的能流相互作用并通过做功过程转化成较高质量的能量形式,这一高质能具有反馈放大器的作用,帮助生态系统达到最大功率,所以系统耦合必将导致生态效益的放大。李镇清等(1995)[9]通过能网自组织原理(奥特姆,1993;韩博平,1993)[10,11],探讨了草业生态系统耦合的条件和作用,认为系统内高质能与低质能的配置有3种情况:一是系统内高质能与低质能匹配良好;二是高质能相对过剩;三是低质能相对过剩。只有后2种情况有必要进行系统耦合,并能使系统的生产效益放大。

2.1.3生态经济系统的耦合生态环境系统和社会经济系统共同组成的巨系统——生态经济系统,是生态环境系统和社会经济系统的耦合系统。生态经济系统的再生产过程是社会经济系统的再生产和自然生产系统的再生产相耦合的过程(姜学民等,1993)[12]。曹明宏等[13]认为,生态经济系统的耦合机制可分为生态环境系统内的自然耦合(环境自动演替)机制和社会经济系统的能动耦合机制。并且,这2种耦合机制同时贯穿于生态环境系统与社会经济系统的物质与能量交流之中。自然耦合机制遵循生态规律和其他自然规律,而能动耦合机制遵循社会和经济规律。自然耦合机制包括定向耦合机制,稳定耦合机制,以及分离式耦合机制。如果没有人为干预,生态环境系统将按照自然生态规律持续不断地演替,形成空间时间上的有序开放性的自组织稳态结构,取得系统本身固有的平衡。能动耦合机制有3种,即适应式耦合机制、塑造式耦合机制和折中式耦合机制。

适应式耦合机制是指人类使用的技术、经济手段,不足以对生态环境系统的平衡产生大的妨碍,属于人类较为原始地利用自然环境资源的情形。塑造式耦合机制,是指人们在强大的人口压力和不断增长的社会需求下,运用当代科学技术手段,改造环境与生物,提高物质产品产量的过程。由于往往没有考虑到自然生态系统自身的运行规律与要求,而只是一味地强调“人定胜天”和向大自然索取,因此带来许多生态灾难和严重危及人类社会可持续发展的后果。折中式耦合机制,是指通过控制生态环境突变几率,如采取各种经济政策和法律手段,并配合强有力的思想教育,迫使人们在社会生产实践中,促进生物之间和生物与环境之间更趋于适应,达到经济、社会和环境生态效益的有机统一,这就是所要追求的生态经济良性耦合机制(曹明宏等,2000)[13]。通过分析生态环境系统与社会经济系统耦合机制的类型,认为当前湖北农业发展的主要深层障碍在于“生态-经济”复合系统的良性耦合机制破缺,指出发展绿色农业是湖北农业持续发展的可行选择(曹明宏等,2000)[13]。

有人曾把水资源的开发利用纳入生态经济系统的运行体系,并利用生态经济学中的协调发展理论和可持续发展思想,将水资源生态系统和社会经济系统耦合成水资源生态经济系统,以用来作为水资源可持续利用的生态经济评价体系(黄奕龙等,2000)[14]。张殿发等[15]通过论述土地生态经济系统的特点和实现土地资源可持续利用的生态经济条件,将土地生态系统与土地经济系统加以耦合成为土地生态经济系统,并对其进行了深入的分析,认为土地资源可持续利用的目标是在土地开发利用过程中实现生态、经济和社会效益的协调统一。

2.1.4农业系统的耦合农业系统由多个农业子系统构成,一般包含4个生产层(任继周,1995)[16]。即,前植物生产层(pre-plantproductionlevel):它不以植物、动物生产为主要目的,而以景观本身体现其资源意义;植物生产层(plantproductionlevel):以植物的营养体、籽实、纤维、脂肪、分泌物等光合作用产物为产品,生态学中称为初级生产;动物生产层(animalproductionlevel):草食动物以植物为食物,取得能量并制造机体组织和产品,生态学中称为次级生产等;外生物生产层(ultrabiologicalproductionlevel):产品的流通与加工。农业系统在传统生态学的植物生产层和动物生产层之外,经人为地前伸和后延,各增加了1个生产层。这就是农业系统与自然生态系统的区别。这些生产层,在多数情况下,可能与子系统相统一。它们以各自的键与有关子系统互相联系,发生系统耦合,生产力就会成倍乃至几十倍的增长(任继周等,1994)[8]。任继周[17]曾对20世纪80年代初期我国牧区生产水平进行估算,只要将植物生产层与动物生产层这2个系统初步耦合,就可成10倍甚至成百倍地提高生产水平。

2.1.5生态地理区域的耦合农区和牧区是两大经济生产系统。在自然生产、经济生产过程中,两大系统之间既存在显著差别,也相互依存、相互制约、相互促进。它们之间的系统耦合,可最大限度地提高和促进各自经济的全面健康发展,加快农业产业化的进程。王宁等[18]曾以宁夏平罗县城关家畜交易为例,就宁夏农牧两大区在时空上实现牧区育成、农区育肥的畜牧业生产机制的可能性与发展潜力做过论述,认为宁夏灌溉农业区与四周的牧区半牧区在饲草资源上的时间差明显。即牧区冬春饲草短缺时,正值灌溉农业区大量农副产品的生产、收获和贮存期,同时也进入农闲时,有较长时间和大量劳动力从事家畜的育肥。而且灌溉农业区饲草料资源不仅丰富,且品种齐全。

各种农作物秸秆产量占全区的73.3%,就秸秆而言,全区的利用率不足20%。因此,在宁夏实现农牧两大区域之间的系统耦合,发展前景广阔。葛文华等[19]在甘肃景泰荒漠绿洲区寺梁村的研究也表明,将山区、绿洲区两个农业系统加以耦合,进行栈养商品肉羊的易地育肥,充分利用了不同农业生态系统和经济类型地区间的自然条件,使羊的资源和饲草料资源优势互补;缓解了山区、牧区草地超载过牧的压力,提高了羊群中适龄母羊比例和繁殖率,并使山区牧民较早地获得可观的经济收益;绿洲区丰富的农副产品资源和较好的营养水平,提高了育肥羊的产肉量,并且改善了市场商品羊肉的胴体品质;促进了活羊的商品流通,有利于形成育肥羊的规模经营和专业化生产;全年持续栈养育肥,有利于全年均衡的经济收入和均衡的市场新鲜肉食供应;育肥羊生产的优质有机肥料,是绿洲农业区商品粮基地保持土壤有效养分循环和耕地永续利用的重要物质基础。

我国西北河西走廊的荒漠-绿洲草地农业复合系统,可以通过系统耦合将这一复合系统耦合为山地-绿洲-荒漠3个子系统构成的耦合系统(任继周等,1994)[8]。绿洲子系统居于系统的中心,它集中了荒漠系统95%以上的能量,随着商品流通的增加,绿洲子系统也将通过商品流通,把大部分山地子系统的能量吸引过来,使其成为本系统的能量集中和交换的中心,它不仅表现了本身较高的生产力,还可大幅度提高周围荒漠子系统和相邻山地子系统的生产力。在绿洲子系统内部,含有5项组分,属于初级生产者4项,即农田、林地、草地、盐渍草地,属于次级生产者1项,即畜牧。山地子系统可概括为2项组分,即草地组分和畜牧组分。其草地组分的生产水平为农田的20%,但面积大致为农田的5倍。荒漠子系统草地生产水平远比山地子系统低,只有农田系统的1%。总的来看,荒漠-绿洲草地农业系统的系统耦合,有2类模式:一是水平耦合,即在空间上把3个子系统加以耦合;一是垂直耦合,即把前植物生产层,植物生产层,动物生产层和外生物生产层加以纵向耦合。水平耦合是指荒漠-绿洲草地农业系统在系统耦合以前,各自与市场发生联系。但当荒漠—绿洲草地农业系统中的3个子系统,耦合以后再进入市场,则发生重大改变,耦合系统能流单位的输出量,将显著增加,其生产水平可能提高6～60倍。

2.2草地农业系统耦合的界面理论

2.2.1界面的概念在物质世界,界面是事物本身的属性之一,没有界面就没有事物。系统本身就意味着界面的存在。界面是系统之间以及系统与外界的分界和连通的中介。如植物根系与土壤之间的界面,寄生物与寄主之间的界面(Calvin,1995)[20],这都是有形的界面,还有无形的界面,如表述学科范畴的界面(Goodl,1990;Aylward,etal,1992;Baker,1992)[21～23],表述生态系统具体位置的界面(Shapiro,1991)[24],表述不同生态系统之间过渡地带的界面(Nachtnebel,etal,1991)[25],又如城乡之间的结合部,将其称为城乡界面(Drakakis,1992)[26]。传统农耕区与畜牧区的结合部,可将其称为农牧过渡带,它也是一种界面。

2.2.2草地农业系统中的界面种类草地农业系统存在3个主要界面(任继周等,2000)[27],即草丛—地境界面(A)、草地—动物界面(B)和草畜—经营管理界面(C)。

2.2.3界面的重要特性草业生态系统的界面特性主要有以下几个方面(任继周等,2000)[27]:第一,界面的开放性。生态系统的开放性通过界面实现,它与外界进行能量、元素和信息的交换,界面是生态系统与外界联系的通道。因此,界面在分隔生态系统与外部环境的同时,也具有与外界联系的重要功能;第二,界面是不均质的(杨孔章等,1989)[29]。有的部分物质和信息流较为密集,有的则较不密集,前者是功能活跃区。这是系统耦合中与其他系统键合的最佳部位,具有重要意义;第三,界面是系统进化的阶梯,界面的开放功能使生态系统与其他生态系统发生系统耦合(任继周等,1994)[8],实现系统的外延,新的高一级的生态系统因而形成,这就发生系统进化,草业系统正是通过3个界面而次第完成其系统进化的(图1)。第四,草业系统中各个亚系统本来都是互为异质的,否则不能成为任何独具特色的亚系统。但它们之间必有同质的因素才能发生系统耦合。

2.2.4界面过程与系统耦合草业系统由以上3个主要界面键合而成。在这里界面是真正将二者连接的反应灶,通过界面将它们融合起来,键合为新的系统。牧草—初级生产的亚系统Ia,地境—土地(含土壤和地形等土地因子)和大气等非生命环境亚系统Ib,二者靠界面A的中介加以连接。所谓中介包含在草丛和地境之间发生的一切过程和结果,这个过程可以称为耦合过程。形成的高一级的生态系统——草地系统IIa,它具有新的界面和新的特性,已经不是草丛和地境的简单组合。在这一构建中,界面A发生了丰富的系统构建过程,产生了具有新内涵的高一级的系统。草地系统IIa与以它为生存条件的草食动物(以及以草食动物为食物的肉食动物)系统IIb通过界面B的中介,构成更高一级的草畜系统IIIa。草畜系统IIIa通过界面C与人类社会系统IIIb相键合,经过了人类社会活动的干预,把草畜生态系统融入社会大生产,这是一个更为复杂的过程,具有更为丰富的内涵,草业系统IV从而发生。这是草业系统的最高一级,草业系统的完整结构于此形成(任继周等,2000)[27]。

3系统耦合目前达到的水平

3.1时间、空间耦合的水平

农业系统4个生产层间的系统耦合,具有空间特性,或时间特性,或同时具有空间—时间特性。不同地区的生态系统之间生产层的耦合,属空间型的系统耦合,如我国的“茶马市场”。不同时间阶段的生产层耦合,属时间型的系统耦合。但多数的系统耦合属时间—空间型耦合。比如某一地区,进行区域规划与生产规划。按照区域部署不同生产层,并使之有机结合,这是空间型耦合。但生产规划无不具有时间属性。某一时间段完成什么任务,这一时间段与另一时间段如何更替,则属时间型耦合。通常时间型与空间型的耦合难以分割。特别在系统耦合这样的高层调控系统中,更是如此。实际生产中往往充满着二者的交叉。比如在同一地区,既进行植物生产,也进行动物生产,同时又作为景观资源加以利用,而加工,流通的某些环节也可能同时进行(任继周等,1994)[8]。

3.2种间耦合的水平

草地生态系统作为一个有机整体,其耦合系统中包含植物、动物的种和种群,即为种间耦合。在此起关键作用的是生态场和生态位。对于草地植物学组成来说,结构良好的天然群落,或不同品种的合理混播草地,可以创造良好的生态场,以提高牧草产量,改善牧草品质,抑制病虫害,保持草地肥力,延长草地寿命。蒋文兰(1981-1999)在云贵高原[28],郭孝(1998)在郑州北郊对不同组合播种条件下的生物学性状、经济性状及生产性状进行了研究,并对不同组合播种的相同点及差异性进行了分析,研究表明,牧草混播比单播可获得较高产量、较好牧草质量及较强的防除杂草能力。胡玉昆等[32]在新疆石河子紫泥泉种羊场的研究表明,高冰草与豆科牧草混播,产草量比高冰草单播提高10%～27%,增产效果显著。

高冰草与春小麦适量混播,对小麦影响小,又可多收一茬草,故这种生产方式对缓解四季草场不平衡、减轻草场负担有一定的意义。杨星伟等[33]在宁夏石嘴山市草地,比较了4种优良牧草以不同组合比例改良河滩地草地的效果。结果表明:混播可提高河滩地草地的产量,改善草层品质,其中以紫花苜蓿(Medicagosativa)、白香草木樨(Melilotusalbus)和假苇拂子茅(Calamagrostispseudophragmites)组合为最佳。另外,作物间合理的间作套种也是种间耦合的表现。李卫民等[34]在河北省廊坊市、河间县、天津市武清县等地进行了连续数年的棉薯间套作栽培实验,结果表明,棉花和马铃薯间套作不仅能提高土地利用率、充分利用光、热资源,而且套作时2种作物的病虫害互相抑制,因此总体上起到了优势互补的作用。紫良植等[35]在甘肃景泰川灌区的研究示范结果也表明,当地农作物间作套种的增产性、经济效益均比农作物单作种植产量高,经济效益好。其中小麦玉米间套田平均生产粮食9477kg/hm2,秸秆11190kg/hm2,较单作田增3088.5kg/hm2和3189kg/hm2,增产48.29%和49.4%。间套田产值6144元,纯收入4653元,分别比单作田增加了2460.8元和2160.3元,分别增长了66.8%和87.67%。对于动物生产系统来说,不同的草食动物,以其特有的食性和生态适应性,在生态系统中,各有其特定的生态位和生态场的要求。动物种群不同,生态位各异。把有关动物生态位适当组合,利用生态位的重叠和分异,使各种动物互相协调、补充,充分利用草地植物,就可以生产更多的动物产品(任继周等,1995)[30]。

4系统耦合今后的发展趋势

2个或2个以上的系统,在进行系统耦合时,往往伴随着系统相悖。在草地农业系统中系统相悖反映于3个界面,界面A在地境与草丛之间的系统相悖反映在水、热、养分供求之间的不协调,许多农业措施就是针对这类系统相悖因子的;界面B,在草丛与草食动物之间的系统相悖主要反映在3个方面:系统的时间相悖,空间相悖和种间相悖。其中时间相悖居于主导地位。这是由于植物生产系统与动物生产系统二者的节律相差悬殊所致。笔者认为时间相悖是最根本的相悖,但三者之间互相影响,相激相荡,从而加重了相悖群的不利后果(任继周,1995)[29,30];界面C,草畜系统与社会经济之间的系统相悖主要反映在供求之间,价值与价格之间的背离。

系统相悖既是系统耦合的障碍,也是有待克服、解放系统耦合生产潜力的关键。系统相悖导致系统耦合的不完善运行,但任何形式的系统相悖,都有可能同时孕育着生产潜势和机遇,故今后应以3个界面的发生学行为为切入点,对系统耦合及系统相悖的机理深入研究,不仅有利于系统耦合效应在生产实践中的充分发挥,也将对草业科学的发展产生重大影响。概括地说,界面的研究,将是今后草地农业系统研究的关键领域。其中既含有系统相悖的负因素,也含有系统耦合的正因素。应因势利导,利用和把握好系统耦合的大趋势,就能使我国农业快速步入高效节能环保的可持续发展道路,早日实现我国农业的现代化,迎接全球农业的一体化。