系統耦合及農業系統的意義
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科學總是遵循分析-綜合-分析無限往復的規律得到發展的。隨著世界交通、信息和科學技術取得長足進展,不同學科,不同學科的不同層次,不同生產部門,不同地域之間,出現了多重交叉。在多種交叉過程中,“耦合”的實際作用和理論意義日益引起社會的關注。系統耦合一詞最初源于物理學,后來才逐漸應用于其他學科,如農業和生物等領域。
1.1系統耦合的科學概念
2個或2個以上性質相近的生態系統具有互相親合的趨勢。當條件成熟時,它們可以結合為一個新的、高一級的結構——功能體,這就是系統耦合。任何系統,其非平衡態是絕對的,平衡態是相對的、偶存的(任繼周,1999)[1]。系統自由能的積累可使系統進入非平衡態。通常所說的“能量是系統的驅動力”,無疑也適用于系統耦合。當條件、參量適當時,系統勢能延伸,可使不同系統實現結構功能的結合,產生新的、高一層的系統。它不是原系統量的增大,而是新功能體——具有新質的較高層次的系統。它聯通了2個或2個以上的系統,發生系統耦合,由此產生的新系統稱為耦合系統。系統耦合導致系統的進化(任繼周,1999)[1]。系統耦合廣泛存在于農業系統,但較少引起人們的注意(任繼周,1999)[1]。性質相近一詞,就是具有決定系統本質的相同“序參量”的系統。
1.2系統耦合的理論和實際意義
系統耦合是世界經濟一體化的橋梁,其理論意義在于充分發揮生態系統所固有的開放性帶來的外延特性(自由能的積累),導致系統進化和生產潛力的解放(任繼周,1999)[1]。例如青藏高原的高寒草地牧業系統和農牧交錯帶的農業系統相互耦合,生產潛力得以釋放,就會產生巨大的生產效應和生態效益(馬玉壽等,1998)[2]。系統耦合的生產潛力源于其催化潛勢、位差潛勢、多穩定潛勢和管理潛勢。催化潛勢:系統耦合過程如同化學反應,正、逆向過程并存。如給以催化,就加快了反應速度,也增加了其自由能的通量密度。在農業生態系統中,不論采取耕作、灌溉、施肥、噴灑農藥等農業措施,以生產資料的形式投入能量或元素進行的正向催化,還是以及時收獲農產品,迫使農業生物處于非成熟狀態以保持旺盛生機進行的負向催化(常用,但未被人們所充分認識的催化手段),都可以促進系統的耦合過程,使其生產力提高,從而獲得更多的產品(任繼周,1999)[1]。
系統耦合的位差潛勢:“美國西部放牧帶與中西部的玉米帶(還有較干旱的高粱帶),通過易地育肥養牛業加以耦合,使生產水平提高了6倍左右”;“在中國東南部農耕區與西北部畜牧區的交會地帶,從西南到東北劃一條斜線,在這條線的兩側,曾分布著一系列‘茶馬市場’,即牧區產品與農區產品交換的市場。如云南的大理、四川的西昌、甘肅的臨夏、陜北的榆林、河北的張家口等地,都曾是‘淘金者’的樂園。這是農耕系統與畜牧系統2個生態系統之間位差勢能所致。這種位差潛勢,往往表現為市場價格之差”(任繼周,1999)[1]。王寧在寧夏的研究表明,寧夏平羅縣寶豐清真牛羊肉屠宰批發市場也是農耕區與草原牧區會聚并釋放潛能的場所,在位差潛能的作用下,通過市場這個“反應灶”,生成一個其功能(主要是社會和經濟功能)遠高于農耕區與畜牧區自身功能之和的耦合系統(王寧等,2000)[3]。多穩定潛勢:復雜系統要比簡單系統的總體功能更加穩定。這種整體的穩定,正是由于多種局部的不穩定成分的不斷變化調節形成的。耦合系統組分復雜,子系統位差潛能雖變化不定,但保持了全系統自由能總量較為恒定,故其生產水平較為穩定。
轉化階是農業系統內能量和元素轉化的階梯。如從可利用的光能到作物產品再到動物產品,通過系統耦合,轉化階、結構相應復雜,從而使生產震蕩衰減,這無異于農業系統中的安全閥,可避免生產水平的大幅漲落(任繼周,1999)[1]。管理潛勢:不同生態系統經過耦合,把所用以構建的低層系統綜合為高一級系統,就形成等級系統,并有了等級系統的調控特性。高一層的調控有選擇地忽略下級系統的無關細節,這種管理簡化而力度增加的事例,在生鋤管理中比比皆是。如區域化管理、行業管理、分級管理等,系統耦合的管理潛勢就在于此(任繼周,1999)[1]。不同系統經過耦合,不僅能使生產水平大增,還可導致系統與外界在物質、能量和信息方面的良性循環,同時使系統更趨于穩定,真正實現系統的持續、高產和穩定發展。農業系統作為一個自然-社會系統的功能體,人為影響有著決定意義。系統耦合可使多個農業子系統合理組合,充分發揮大農業系統的優勢。隨著交通和信息科學的發展,系統耦合的作用將日益增長。我國過去長期形成的“以糧為綱”的畸形農業系統,只有實現系統耦合,將傳統的作物系統、林業系統與草業系統有機結合,才能有效地組成持續發展的、高效的大農業系統(任繼周,1999)[1]。
2系統耦合文獻分類綜述
2.1耦合理論的發展歷程
2.1.1物理學的耦合系統耦合始源于物理學,但在地理、氣象和水體學中也有應用。李鳳全等[4]利用神經網絡和地理信息系統耦合所得的人工神經網絡模型,對吉林西部平原的地下水水質進行評價,不僅能夠反映當地水質的最適宜、較適宜、適宜、較不適宜、不適宜的狀況,而且能夠體現吉林西部水質的空間變化規律。繆強等[5]利用13個暴雨個例,經等壓面和垂直剖面上若干物理量分析,揭示了青藏高原天氣系統與背風坡淺薄天氣系統耦合相互作用的一些主要特征。其研究結果表明:大氣內部壓能場與流場非平衡強迫既是青藏高原天氣系統和背風坡淺薄天氣系統發生、發展和東移的動力機制,又是這兩類系統耦合相互作用的動力條件。劉昌明等[6]曾就中國水循環與土壤-植物-大氣水分能量傳輸生態研究的問題作過綜述,重點闡述了水循環研究的需求與水量轉化的重要機制、模式及子系統耦合的界面,包括農田生態系統、干旱、半干旱區等系統耦合的尺度問題。張志南[7]通過概述淺海生態系的水層系統與底棲系統耦合的基本原理,著重介紹了有機質沉降動力學、底棲生態系統對有機質的響應、生物沉降和側向平流、生物擾動和沉積物再懸浮研究的進展情況。
2.1.2生態系統的耦合生態系統內部自由能的積累,使系統失去平衡并趨同其他生態系統結合,自由能驅使2個或2個以上的生態系統或亞生態系統,通過會聚,超循環和耦合而聯合,從而形成具有特殊結構功能的更高一級的新系統,即耦合系統(任繼周等,1994)[8]。不同生態系統的耦合,實際上是在原有系統之上,把它所用以構建的低質系統簡化的產物,不同等級的系統耦合,產生不同等級的耦合系統,就形成等級系統。能量的流動產生1個有結構層次的網絡,輸入網絡的能流相互作用并通過做功過程轉化成較高質量的能量形式,這一高質能具有反饋放大器的作用,幫助生態系統達到最大功率,所以系統耦合必將導致生態效益的放大。李鎮清等(1995)[9]通過能網自組織原理(奧特姆,1993;韓博平,1993)[10,11],探討了草業生態系統耦合的條件和作用,認為系統內高質能與低質能的配置有3種情況:一是系統內高質能與低質能匹配良好;二是高質能相對過剩;三是低質能相對過剩。只有后2種情況有必要進行系統耦合,并能使系統的生產效益放大。
2.1.3生態經濟系統的耦合生態環境系統和社會經濟系統共同組成的巨系統——生態經濟系統,是生態環境系統和社會經濟系統的耦合系統。生態經濟系統的再生產過程是社會經濟系統的再生產和自然生產系統的再生產相耦合的過程(姜學民等,1993)[12]。曹明宏等[13]認為,生態經濟系統的耦合機制可分為生態環境系統內的自然耦合(環境自動演替)機制和社會經濟系統的能動耦合機制。并且,這2種耦合機制同時貫穿于生態環境系統與社會經濟系統的物質與能量交流之中。自然耦合機制遵循生態規律和其他自然規律,而能動耦合機制遵循社會和經濟規律。自然耦合機制包括定向耦合機制,穩定耦合機制,以及分離式耦合機制。如果沒有人為干預,生態環境系統將按照自然生態規律持續不斷地演替,形成空間時間上的有序開放性的自組織穩態結構,取得系統本身固有的平衡。能動耦合機制有3種,即適應式耦合機制、塑造式耦合機制和折中式耦合機制。
適應式耦合機制是指人類使用的技術、經濟手段,不足以對生態環境系統的平衡產生大的妨礙,屬于人類較為原始地利用自然環境資源的情形。塑造式耦合機制,是指人們在強大的人口壓力和不斷增長的社會需求下,運用當代科學技術手段,改造環境與生物,提高物質產品產量的過程。由于往往沒有考慮到自然生態系統自身的運行規律與要求,而只是一味地強調“人定勝天”和向大自然索取,因此帶來許多生態災難和嚴重危及人類社會可持續發展的后果。折中式耦合機制,是指通過控制生態環境突變幾率,如采取各種經濟政策和法律手段,并配合強有力的思想教育,迫使人們在社會生產實踐中,促進生物之間和生物與環境之間更趨于適應,達到經濟、社會和環境生態效益的有機統一,這就是所要追求的生態經濟良性耦合機制(曹明宏等,2000)[13]。通過分析生態環境系統與社會經濟系統耦合機制的類型,認為當前湖北農業發展的主要深層障礙在于“生態-經濟”復合系統的良性耦合機制破缺,指出發展綠色農業是湖北農業持續發展的可行選擇(曹明宏等,2000)[13]。
有人曾把水資源的開發利用納入生態經濟系統的運行體系,并利用生態經濟學中的協調發展理論和可持續發展思想,將水資源生態系統和社會經濟系統耦合成水資源生態經濟系統,以用來作為水資源可持續利用的生態經濟評價體系(黃奕龍等,2000)[14]。張殿發等[15]通過論述土地生態經濟系統的特點和實現土地資源可持續利用的生態經濟條件,將土地生態系統與土地經濟系統加以耦合成為土地生態經濟系統,并對其進行了深入的分析,認為土地資源可持續利用的目標是在土地開發利用過程中實現生態、經濟和社會效益的協調統一。
2.1.4農業系統的耦合農業系統由多個農業子系統構成,一般包含4個生產層(任繼周,1995)[16]。即,前植物生產層(pre-plantproductionlevel):它不以植物、動物生產為主要目的,而以景觀本身體現其資源意義;植物生產層(plantproductionlevel):以植物的營養體、籽實、纖維、脂肪、分泌物等光合作用產物為產品,生態學中稱為初級生產;動物生產層(animalproductionlevel):草食動物以植物為食物,取得能量并制造機體組織和產品,生態學中稱為次級生產等;外生物生產層(ultrabiologicalproductionlevel):產品的流通與加工。農業系統在傳統生態學的植物生產層和動物生產層之外,經人為地前伸和后延,各增加了1個生產層。這就是農業系統與自然生態系統的區別。這些生產層,在多數情況下,可能與子系統相統一。它們以各自的鍵與有關子系統互相聯系,發生系統耦合,生產力就會成倍乃至幾十倍的增長(任繼周等,1994)[8]。任繼周[17]曾對20世紀80年代初期我國牧區生產水平進行估算,只要將植物生產層與動物生產層這2個系統初步耦合,就可成10倍甚至成百倍地提高生產水平。
2.1.5生態地理區域的耦合農區和牧區是兩大經濟生產系統。在自然生產、經濟生產過程中,兩大系統之間既存在顯著差別,也相互依存、相互制約、相互促進。它們之間的系統耦合,可最大限度地提高和促進各自經濟的全面健康發展,加快農業產業化的進程。王寧等[18]曾以寧夏平羅縣城關家畜交易為例,就寧夏農牧兩大區在時空上實現牧區育成、農區育肥的畜牧業生產機制的可能性與發展潛力做過論述,認為寧夏灌溉農業區與四周的牧區半牧區在飼草資源上的時間差明顯。即牧區冬春飼草短缺時,正值灌溉農業區大量農副產品的生產、收獲和貯存期,同時也進入農閑時,有較長時間和大量勞動力從事家畜的育肥。而且灌溉農業區飼草料資源不僅豐富,且品種齊全。
各種農作物秸稈產量占全區的73.3%,就秸稈而言,全區的利用率不足20%。因此,在寧夏實現農牧兩大區域之間的系統耦合,發展前景廣闊。葛文華等[19]在甘肅景泰荒漠綠洲區寺梁村的研究也表明,將山區、綠洲區兩個農業系統加以耦合,進行棧養商品肉羊的易地育肥,充分利用了不同農業生態系統和經濟類型地區間的自然條件,使羊的資源和飼草料資源優勢互補;緩解了山區、牧區草地超載過牧的壓力,提高了羊群中適齡母羊比例和繁殖率,并使山區牧民較早地獲得可觀的經濟收益;綠洲區豐富的農副產品資源和較好的營養水平,提高了育肥羊的產肉量,并且改善了市場商品羊肉的胴體品質;促進了活羊的商品流通,有利于形成育肥羊的規模經營和專業化生產;全年持續棧養育肥,有利于全年均衡的經濟收入和均衡的市場新鮮肉食供應;育肥羊生產的優質有機肥料,是綠洲農業區商品糧基地保持土壤有效養分循環和耕地永續利用的重要物質基礎。
我國西北河西走廊的荒漠-綠洲草地農業復合系統,可以通過系統耦合將這一復合系統耦合為山地-綠洲-荒漠3個子系統構成的耦合系統(任繼周等,1994)[8]。綠洲子系統居于系統的中心,它集中了荒漠系統95%以上的能量,隨著商品流通的增加,綠洲子系統也將通過商品流通,把大部分山地子系統的能量吸引過來,使其成為本系統的能量集中和交換的中心,它不僅表現了本身較高的生產力,還可大幅度提高周圍荒漠子系統和相鄰山地子系統的生產力。在綠洲子系統內部,含有5項組分,屬于初級生產者4項,即農田、林地、草地、鹽漬草地,屬于次級生產者1項,即畜牧。山地子系統可概括為2項組分,即草地組分和畜牧組分。其草地組分的生產水平為農田的20%,但面積大致為農田的5倍?；哪酉到y草地生產水平遠比山地子系統低,只有農田系統的1%?？偟膩砜?荒漠-綠洲草地農業系統的系統耦合,有2類模式:一是水平耦合,即在空間上把3個子系統加以耦合;一是垂直耦合,即把前植物生產層,植物生產層,動物生產層和外生物生產層加以縱向耦合。水平耦合是指荒漠-綠洲草地農業系統在系統耦合以前,各自與市場發生聯系。但當荒漠—綠洲草地農業系統中的3個子系統,耦合以后再進入市場,則發生重大改變,耦合系統能流單位的輸出量,將顯著增加,其生產水平可能提高6～60倍。
2.2草地農業系統耦合的界面理論
2.2.1界面的概念在物質世界,界面是事物本身的屬性之一,沒有界面就沒有事物。系統本身就意味著界面的存在。界面是系統之間以及系統與外界的分界和連通的中介。如植物根系與土壤之間的界面,寄生物與寄主之間的界面(Calvin,1995)[20],這都是有形的界面,還有無形的界面,如表述學科范疇的界面(Goodl,1990;Aylward,etal,1992;Baker,1992)[21～23],表述生態系統具體位置的界面(Shapiro,1991)[24],表述不同生態系統之間過渡地帶的界面(Nachtnebel,etal,1991)[25],又如城鄉之間的結合部,將其稱為城鄉界面(Drakakis,1992)[26]。傳統農耕區與畜牧區的結合部,可將其稱為農牧過渡帶,它也是一種界面。
2.2.2草地農業系統中的界面種類草地農業系統存在3個主要界面(任繼周等,2000)[27],即草叢—地境界面(A)、草地—動物界面(B)和草畜—經營管理界面(C)。
2.2.3界面的重要特性草業生態系統的界面特性主要有以下幾個方面(任繼周等,2000)[27]:第一,界面的開放性。生態系統的開放性通過界面實現,它與外界進行能量、元素和信息的交換,界面是生態系統與外界聯系的通道。因此,界面在分隔生態系統與外部環境的同時,也具有與外界聯系的重要功能;第二,界面是不均質的(楊孔章等,1989)[29]。有的部分物質和信息流較為密集,有的則較不密集,前者是功能活躍區。這是系統耦合中與其他系統鍵合的最佳部位,具有重要意義;第三,界面是系統進化的階梯,界面的開放功能使生態系統與其他生態系統發生系統耦合(任繼周等,1994)[8],實現系統的外延,新的高一級的生態系統因而形成,這就發生系統進化,草業系統正是通過3個界面而次第完成其系統進化的(圖1)。第四,草業系統中各個亞系統本來都是互為異質的,否則不能成為任何獨具特色的亞系統。但它們之間必有同質的因素才能發生系統耦合。
2.2.4界面過程與系統耦合草業系統由以上3個主要界面鍵合而成。在這里界面是真正將二者連接的反應灶,通過界面將它們融合起來,鍵合為新的系統。牧草—初級生產的亞系統Ia,地境—土地(含土壤和地形等土地因子)和大氣等非生命環境亞系統Ib,二者靠界面A的中介加以連接。所謂中介包含在草叢和地境之間發生的一切過程和結果,這個過程可以稱為耦合過程。形成的高一級的生態系統——草地系統IIa,它具有新的界面和新的特性,已經不是草叢和地境的簡單組合。在這一構建中,界面A發生了豐富的系統構建過程,產生了具有新內涵的高一級的系統。草地系統IIa與以它為生存條件的草食動物(以及以草食動物為食物的肉食動物)系統IIb通過界面B的中介,構成更高一級的草畜系統IIIa。草畜系統IIIa通過界面C與人類社會系統IIIb相鍵合,經過了人類社會活動的干預,把草畜生態系統融入社會大生產,這是一個更為復雜的過程,具有更為豐富的內涵,草業系統IV從而發生。這是草業系統的最高一級,草業系統的完整結構于此形成(任繼周等,2000)[27]。
3系統耦合目前達到的水平
3.1時間、空間耦合的水平
農業系統4個生產層間的系統耦合,具有空間特性,或時間特性,或同時具有空間—時間特性。不同地區的生態系統之間生產層的耦合,屬空間型的系統耦合,如我國的“茶馬市場”。不同時間階段的生產層耦合,屬時間型的系統耦合。但多數的系統耦合屬時間—空間型耦合。比如某一地區,進行區域規劃與生產規劃。按照區域部署不同生產層,并使之有機結合,這是空間型耦合。但生產規劃無不具有時間屬性。某一時間段完成什么任務,這一時間段與另一時間段如何更替,則屬時間型耦合。通常時間型與空間型的耦合難以分割。特別在系統耦合這樣的高層調控系統中,更是如此。實際生產中往往充滿著二者的交叉。比如在同一地區,既進行植物生產,也進行動物生產,同時又作為景觀資源加以利用,而加工,流通的某些環節也可能同時進行(任繼周等,1994)[8]。
3.2種間耦合的水平
草地生態系統作為一個有機整體,其耦合系統中包含植物、動物的種和種群,即為種間耦合。在此起關鍵作用的是生態場和生態位。對于草地植物學組成來說,結構良好的天然群落,或不同品種的合理混播草地,可以創造良好的生態場,以提高牧草產量,改善牧草品質,抑制病蟲害,保持草地肥力,延長草地壽命。蔣文蘭(1981-1999)在云貴高原[28],郭孝(1998)在鄭州北郊對不同組合播種條件下的生物學性狀、經濟性狀及生產性狀進行了研究,并對不同組合播種的相同點及差異性進行了分析,研究表明,牧草混播比單播可獲得較高產量、較好牧草質量及較強的防除雜草能力。胡玉昆等[32]在新疆石河子紫泥泉種羊場的研究表明,高冰草與豆科牧草混播,產草量比高冰草單播提高10%～27%,增產效果顯著。
高冰草與春小麥適量混播,對小麥影響小,又可多收一茬草,故這種生產方式對緩解四季草場不平衡、減輕草場負擔有一定的意義。楊星偉等[33]在寧夏石嘴山市草地,比較了4種優良牧草以不同組合比例改良河灘地草地的效果。結果表明:混播可提高河灘地草地的產量,改善草層品質,其中以紫花苜蓿(Medicagosativa)、白香草木樨(Melilotusalbus)和假葦拂子茅(Calamagrostispseudophragmites)組合為最佳。另外,作物間合理的間作套種也是種間耦合的表現。李衛民等[34]在河北省廊坊市、河間縣、天津市武清縣等地進行了連續數年的棉薯間套作栽培實驗,結果表明,棉花和馬鈴薯間套作不僅能提高土地利用率、充分利用光、熱資源,而且套作時2種作物的病蟲害互相抑制,因此總體上起到了優勢互補的作用。紫良植等[35]在甘肅景泰川灌區的研究示范結果也表明,當地農作物間作套種的增產性、經濟效益均比農作物單作種植產量高,經濟效益好。其中小麥玉米間套田平均生產糧食9477kg/hm2,秸稈11190kg/hm2,較單作田增3088.5kg/hm2和3189kg/hm2,增產48.29%和49.4%。間套田產值6144元,純收入4653元,分別比單作田增加了2460.8元和2160.3元,分別增長了66.8%和87.67%。對于動物生產系統來說,不同的草食動物,以其特有的食性和生態適應性,在生態系統中,各有其特定的生態位和生態場的要求。動物種群不同,生態位各異。把有關動物生態位適當組合,利用生態位的重疊和分異,使各種動物互相協調、補充,充分利用草地植物,就可以生產更多的動物產品(任繼周等,1995)[30]。
4系統耦合今后的發展趨勢
2個或2個以上的系統,在進行系統耦合時,往往伴隨著系統相悖。在草地農業系統中系統相悖反映于3個界面,界面A在地境與草叢之間的系統相悖反映在水、熱、養分供求之間的不協調,許多農業措施就是針對這類系統相悖因子的;界面B,在草叢與草食動物之間的系統相悖主要反映在3個方面:系統的時間相悖,空間相悖和種間相悖。其中時間相悖居于主導地位。這是由于植物生產系統與動物生產系統二者的節律相差懸殊所致。筆者認為時間相悖是最根本的相悖,但三者之間互相影響,相激相蕩,從而加重了相悖群的不利后果(任繼周,1995)[29,30];界面C,草畜系統與社會經濟之間的系統相悖主要反映在供求之間,價值與價格之間的背離。
系統相悖既是系統耦合的障礙,也是有待克服、解放系統耦合生產潛力的關鍵。系統相悖導致系統耦合的不完善運行,但任何形式的系統相悖,都有可能同時孕育著生產潛勢和機遇,故今后應以3個界面的發生學行為為切入點,對系統耦合及系統相悖的機理深入研究,不僅有利于系統耦合效應在生產實踐中的充分發揮,也將對草業科學的發展產生重大影響。概括地說,界面的研究,將是今后草地農業系統研究的關鍵領域。其中既含有系統相悖的負因素,也含有系統耦合的正因素。應因勢利導,利用和把握好系統耦合的大趨勢,就能使我國農業快速步入高效節能環保的可持續發展道路,早日實現我國農業的現代化,迎接全球農業的一體化。
