復雜性理論對生態文明的啟發

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我們必須在深刻反思工業化沉痛教訓的基礎上，努力探索可持續發展的理論與路徑。為此，恰當的科學方法是這一探索成敗與否的關鍵。在認真聆聽了王志康教授關于“復雜性科學及其方法論意義”的專題報告后，又根據王志康教授的推薦學習了相關經典著作，深感:生態系統是典型的復雜系統，系統層次繁多，內部機制相互纏繞，各個子系統、組分之間關系錯綜復雜，各種反饋交互影響，我們要解決當前面臨的生物多樣性、可持續發展、全球氣候變暖、外來物種入侵等生態環境問題，必須面對生態系統的復雜性，把它作為復雜系統對待、管理。生態文明作為人類文明的新形式，以生態系統復雜性這一內在的特征和規律為依據，以復雜適應系統理論為指導，使經濟社會的發展并行于生態系統的良性循環，這樣才能有效地協調人類經濟社會活動的長期需求與生態環境系統供給，實現人類社會的可持續發展，延續人與自然的協同進化［2］。

生態系統是典型的復雜系統

復雜性科學研究開始的標志是1973年莫蘭《迷失的范式:人性研究》一書的出版，而有組織地推進和大量成果的取得則是1984年美國圣塔菲研究所成立以來的近三十年。由于研究者關注的領域不同，關于什么是復雜性科學依然沒有統一的說法，但大家幾乎一致認為它不再是一門具體的科學，而是具有統一方法論的科學群。復雜性科學是研究“復雜性涌現機制”的科學，包括了一般系統論、信息論、控制論、耗散結構理論、突變論、協同論、混沌機制、分形理論以及動力系統論等的科學群［3］。復雜適應系統理論的提出，基于的是對系統演化規律的思考。美國圣塔菲研究所的科學家認為“復雜適應系統”(ComplexAdaptiveSystems，CAS)是復雜問題和復雜現象的行為的自組織、自適應、聚現過程，存在于經濟、生物、物理、化學以及其他一些自然科學領域和社會科學領域。復雜系統具有以下特征:(1)開放性，即該系統與周圍的環境有物質、能量、信息的相互交換;(2)個體自主識別性，即該系統的演化過程中所呈現出來的本質性的規律能夠被自身自主、自動地識別;(3)信息適應性，即該系統能夠采用隨機信息的處理方法來對待無規律信息;(4)能動性，即系統在發展過程中具有記憶功能、學習功能和自主產生對策的能力。系統產生自組織行為的根本原因是復雜適應系統具有異質性、非線性、等級結構和流。通常情況下，系統中個體在自適應過程中形成分化，個體之間具有顯著的異質性，個體之間的相互作用不是簡單的、線性的、直線式的因果鏈，而是各種反饋交互疊加、相互影響的復雜關系。系統通過異質個體的非線性交互，自發組織而生成支配各個體之間進行能量、物質和信息流傳輸的等級結構，這一結構又同時受各組成部分的影響。從這個意義上說，自組織性是復雜適應系統最本質的特性，由自組織帶來的局部成分之間通過非線性相互作用、正負反饋作用，演變出系統的支配參量，役使系統動態運行，是系統發展的基本機制［5］。

Brown認為生態系統具有組成成分多樣性，進行能量、物質和信息交換的開放性，對環境變化做出行為或遺傳上響應的適應性，系統發展的歷史不可逆轉性和交互作用的非線性，符合復雜性特征，是復雜系統。Brown指出復雜適應系統的中心思想是適應造就復雜，復雜適應系統的一個共性就是“革新”違背守恒定律的必然結果，從而沖破系統的束縛，導致系統復雜性逐漸加深。即是說，進化革新打破了原先的有序狀態的制約，使有機體獲取到更多的能量，從而使系統更加遠離熱力學平衡態，進入更高形式的有序狀態，與外界的信息、物質、能量的交流越發頻繁，系統的多樣性和復雜性更高。Levin進一步指出，在生態系統和生物圈這樣的復雜巨系統中，高層次的子系統是由低層次的子系統或者個體相互作用、相互選擇、相互適應過程中所產生的。Levin認為，并非所有的生態子系統都是復雜適應系統，農田和林地等這樣的人類經營的系統就不是完全的復雜適應系統，因為這些生態系統的結構是人為設計的，不是通過系統自組織自發生成的，更多的是人類介入的他組織，因此，這類系統明顯缺乏自調節能力和自適應性，當有外界干擾和侵入時，應對能力和抵抗力很弱，諸如病蟲害的爆發就很容易地破壞系統的功能和結構［6］。傳統理論在進行生態系統分析時，多數基于還原論的觀點，忽略了生物的多樣化和空間的異質性，難以描述系統中各組份自主的應變性和自適應性對系統宏觀行為特征的影響，從而無法從根本上解釋生態系統的涌現行為［7］。與此不同，強調多樣性、異質性及適應性對系統宏觀行為特征的影響是復雜適應系統理論主體內容，這一理論觀點為研究非線性動態系統的結構、功能和動態演變提供了一個新途徑。Bonabeau討論了社會性昆蟲群體自組織格局的形成及其維持機理，認為螞蟻通過個體間的交流和自組織產生社群行為，體現了CAS的一個重要特征，即聚現特征。Jansen討論了如何用CAS去管理相互作用和協同進化的社會與生態系統，并用遺傳算法模擬了兩種管理情況下系統的適應行為。顯然，生態系統與復雜適應系統在概念上吻合。國內學者成思危認為地球系統和生物圈行為模式都是開放的復雜系統，系統具有聯系廣泛而緊密的異質單元，各個單元的變化都會受到其他單元的影響，并引起其他單元的變化;系統的結構具有多層次、多功能的性質，每一個層次都整體地表現為上一個層次的單元，并實現系統的某一功能;系統在演變過程中能夠不斷地通過記憶和學習來完成層次結構與功能的重構和完善;系統是開放和動態的，通過與內外環境的相互作用，不斷向更適應環境的方向發展演化。

綜合以上論述，生態復雜性是指生態系統內不同層次上的結構和功能的多樣性、自組織性、適應性和有序性。具體來說，復雜性特征有以下幾個方面:第一，生態系統中存在大量的不確定性因素、非線性因素，宏觀上表現出復雜的演化特征，相干效應、臨界效應并存，涌現、多重均衡、彈性、突變、不可逆性等復雜性突出。第二，生態系統的高度非線性、非結構化導致系統演化具有高度不確定性，如何在不確定性條件下確保生態環境可持續發展是一個核心問題，這就需要破除傳統的確定性理論模式和線性思維慣性，用復雜性理論對待生態系統出現的問題。第三，生態系統的演化是時變的、動態的，存有顯著時滯作用的，不同時空截面的系統的運行方式和運行機制都千差萬別，因此，與時俱進的、辯證的、用發展的眼光看待生態系統并應對生態環境問題是非常必要的［3］。生態復雜性已經成為我國生態文明建設面臨的最大挑戰。目前，我國不僅在生物復雜性和生態系統功能方面研究極為缺乏，而且我國管理工作者還沒有意識到生態方面的復雜程度遠遠超出了我們當前對生態系統的認識，對于生態退化的根源所在、生態系統的功能與結構的關系及其和自然界的關系、和人類活動的關系，等等，都缺乏了解，因此在實施管理時，手段未免過于簡單和武斷，意識不到生物系統的復雜性，沒有充分尊重生態系統的生存發展原則，忽視生物鏈群的交互影響，從而致使管理出現真空狀態甚至陷入誤區［7］，例如，在退耕還林過程中推行極為簡單的單一物種(或簡單幾種)種植方式，并不利于生態的恢復。同時沒有意識到結合生物復雜性的管理手段可能給經濟發展帶來的收益，例如運用符合生物復雜性的生態農業技術手段，擯棄過去簡單的頭痛醫頭、腳痛醫腳的方法(有蟲就用殺蟲劑、缺肥就施用化肥等方法)，將有效提高生產水平并減少污染。因此我國急需要積極從多個學科入手，聯手開展生態復雜性方面的研究，并將這些概念引入到國家相關部門的管理之中。

生態復雜性研究思維的創新

生態系統是典型的復雜系統，復雜多樣是自然生態穩定發展的基本模式。與此相適應，生態學的科學研究思維必須從簡單性范式向復雜性范式轉變。美國是最早有組織推進生態復雜性研究并付諸實踐的國家。美國國家科學基金于2000年啟動了環境生物復雜性研究計劃，啟用各個學科的最新科技和成果，重點研究以生態、環境為核心的生物學、地理學、社會學等學科，包含涉及生物系統內部、生物系統與其他外部環境相互作用所產生的各種復雜現象［6］。環境生物復雜性計劃的研究對象包括微生物、人體、極地、火山口、森林、耕地以及城市中心的社區和工業區的環境類型。這個計劃使人類獲得了對包括全球氣候變化和新技術開發等不同領域的新認識，這些知識將有助于人類更好地理解全球碳、氮和水循環中的物理、化學和生物作用，以及人類行為與自然環境的相互影響。這一計劃在遺傳學、納米和分子水平等方面也將有助于人類來探索環境演變中的復雜過程，并加快對遺傳信息和生態系統功能相關性的研究步伐，有助于建立復雜系統模型所需的新理論、新方法和新計算策略的研究與開發。在我國，改革開放三十多年來，生產力得以空前解放和發展，創造了巨大的物質財富，同時也導致嚴重的環境危機。此時此刻，恩格斯二百多年前對人類無限制利用自然界的行為的警示再次大聲呼吁:“我們不要過分陶醉于我們人類對自然界的勝利。對于每一次這樣的勝利，自然界都對我們進行報復。每一次勝利，起初確實取得了我們預期的結果，但是往后和再往后卻發生完全不同的、出乎預料的影響，常常把最初的結果又消除了。”(《自然辯證法》)［7］可以作為佐證的是，我國1998年突發了百年一遇的洪水，天災其實很大程度上可以歸因于長江中上游森林植被的破壞，洪水之后，政府才又不得不投入巨資，退耕還林、退地還草，可謂得不償失。2003年的非典事件，給全世界都帶來了嚴重的人員傷亡和財產損失，對于SARS病毒，依舊讓許多人談虎色變。盡管自然宿主是否是野生果子貍迄今還在探究過程中，但學術界公認的是SARS病毒確實由市場或餐館的果子貍傳給人類［8］。因此，在黨的“十七大”上，我國遵循人類文明發展的規律，提出了建設生態文明的正確目標。建設生態文明要求我國生態學家進一步認清生態系統是典型的復雜性系統，相應地以復雜性科學范式創新思維和研究:一是要把生態系統看成是一個復雜系統。一方面，把人類與自然藕合成一個復雜系統，加強人類與自然之間的聯系、關系和相互作用的研究;另一方面，把生態系統作為一個復雜系統來對待，將思維的重心從“單個要素”聚焦到“系統整體”，關注生態系統的重要部位和關節點。二是確立起復雜性思維，包括整體思維、非線性思維和過程思維等，主要是形成以下觀點:生態系統是有機的系統整體，具有整體涌現性;生態系統各組成部分間存在著復雜的因果關系，如一因多果、一果多因;生態系統與生物圈行為不可分離，包括人在內的生物與環境、生命個體與相同和不同生命群體之間不斷地進行物質、能量和信息交換等。三是復雜性思維在生態文明建設中應用前景廣闊。我國急需要積極從多個學科入手，聯手開展生態復雜性方面的研究，并將這些概念引入到國家相關部門的管理之中。

基于復雜性視角對推進我國生態文明建設的意見

生態系統是一種典型的復雜性系統，表現出主動適應性、多層次性、開放性、非線性等特征。從復雜性視角，生態文明是人類與生態系統和諧互動，或者說自組織、強藕合的過程和結果，它與復雜性理論的結合有利于對生態文明的特征及規律做出更為完整和系統性的抽象，對于改進和規范人類行為，實現人類與自然的和諧協調發展無疑具有重要價值，在實踐上也有助于我們在更廣闊的空間對各種資源進行合理、有效地配置，使生態環境建設和管理從無序到有序、從不平衡到平衡，最終達成國家的生態安全和人類的可持續發展。

強化生態文明理念生態文明強調的是人類與自然的和諧協調。我們知道，生態系統的各個要素和子系統都由活動著的人群或者人群活動的積淀組成的。生態系統無所不在地帶有人的印記，“人”是整個生態文明建設的核心，而人類是有意識、有思想的，可根據環境的變化和自身的意愿進行建設和管理策略的調整。對于給定的生態環境及環境的不確定變化，人類為了生存必須不斷努力提高自身的適應性，以利用有利的資源和機會，避免有害的影響因素。因此，建設生態文明，作為行為主體的人類必須從意識上尊重自然，深化與自然和諧相處、合理利用自然的文明思想，進一步認識生物環境對人類持續發展的幫助和制約，認識生物系統的復雜性，認識生態問題的嚴重性、長期性和解決問題的艱巨性，從而在全人類范圍重視生態環境的管理、保護［9］。

加快建立生態建設與保護的綜合治理機制生態系統作為典型的復雜性系統，具有突出的層次性和開放性，且由于存在大量的非線性因素，導致其在結構、功能、行為和演化等方面都很復雜。理論上的不清晰導致實踐上的欠缺，治理上存在著多部門分割、上下缺乏聯動的現實。按照復雜科學范式的特征和要求，治理復雜性生態系統，必須盡快建立統一、高效、有序和協調的治理體系和運行機制。政府的治理能力不僅要體現在政府對生態系統單方面的控制操作，而且要致力于構建適應各層次、不同功能的“網絡結構”，還必須具有強勁的調控功能。Bak等人用著名的“沙堆模型”生動解釋了生態系統具有強大的“蝴蝶效應”，即輸入的細微差異可能很快成為輸出的巨大差別。這種現象被稱為對初始條件的敏感依賴性。作為復雜適應系統，生態系統內部各個主體之間存在非線性關系，非線性相互擾動會對非線性產生關聯放大效果，若某一個變化環節或因素得不到合理引導或控制，就可能會產生“蝴蝶效應”，就會導致整個生態環境新的危機產生或者新的系統特征涌現，尤其是在生態環境問題已經非常突出的當下，某一特定區域或某方面的環境生態問題都可能釀成全球性或災難性的后果，對政府調控管理能力形成考驗和壓力。

完善與生態文明建設要求相適應的政策體系政策體系是政府調控生態文明建設與發展過程的最重要手段，由一系列具體政策組成。基于生態文明的復雜性特征，要求這一政策體系必須具有更大時間尺度的超前性、更寬范圍或更廣領域的綜合性、目標更一致的協調性。國家應從新的思路、新的角度、更大的范圍、更長遠的總體利益考慮政策的取向、政策的重點和政策的強度，特別要對政策的可能效果作出預先評價并在執行過程中不斷加以調整，保證政策體系的連續性和長期有效性。

全力提高生態科技創新能力使現實復雜性化為未來的可持續性，需要生態研究、生態保育和生態建設領域的技術創新。人類文明發展的歷史和現實表明，科學技術對于生態環境治理和保護具有至關重要的決定作用。科技進步是生態文明建設的支撐和推動作用，也是解決生態環境問題的根本途徑。從某種程度上說，科學技術是生態文明建設的基石。因此，我國急需通過加快生態科技創新，建立完備的科學技術支撐體系。

作者：鄭賢操單位：中國科學院城市環境研究所