农业生态系统分析概述

农业生态系统分析主讲：雍太文Email:[e-mail]主要内容农业生态系统分析概述农业生态系统环境辨识与问题诊断农业生态系统的模型与模型化农业生态系统的系统仿真及系统动力学方法农业生态系统的预测与决策农业生态系统的评价第一章农业生态系统分析概述第一节、系统的概念及特点第二节、系统理论概述第三节、系统分析概论一、系统的概念1.系统思想的形成及演变2.系统的定义3.系统的形态第一节系统的概念及特点1.系统思想的形成及演变•古代朴素的系统思想Syn-histanai古希腊学者：德谟克利特、亚里士多德《易经》：八卦说《内经》、《道德经》、《孙子兵法》《易经》：八卦说天、地、雷、风、水、火、山、泽天地定位，雷风相薄，水火相射，山泽通气《内经》：五行说木、火、土、金、水木生火，火生土，土生金，金生水，水生木木克土，土克水，水克火，火克金，金克木老子：《道德经》独立而不改，周行而不殆，可以为天下母天得一以清，地得一以宁，神得一以灵，谷得一以盈，万物得一以生，侯王得一以为天下正。孙武：《孙子兵法》道、天、地、法、将都江堰水利工程、北宋皇宫修复1.系统思想的形成及演变•古代朴素的系统思想都江堰水利工程示意图深淘滩，低作堰六字旨，千秋鉴分洪排沙宝瓶口引水工程1.系统思想的形成及演变•现代系统工程实践“曼哈顿工程”、“北极星导弹计划”“阿波罗计划”、“三峡工程”1.系统思想的形成及演变•系统思想的成熟与发展自然科学的发展：三大发现(能量转化、细胞和进化论)辨证唯物主义的系统观物质技术基础恩格斯（1820—1895）“由于这三大发现和自然科学的其他巨大进步，我们现在不仅能指出自然界中各个领域内的过程之间的联系，而且总的来说，也可以指出各个领域之间的关系了。普朗克（1858—1947）“科学是内在的整体，它被分解为单独的部分不是取决于事物本身，而是取决于人类认识能力的局限性。”辨证唯物主义“物质世界是由无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互的事物和过程形成的统一整体。现代科学技术的发展定量化方法（离散数学、模糊数学、运筹学等）电子计算机的出现系统思想的出现，彻底改变了人们的思维方式，使人们在改造世界的活动中，逐步地认识并揭示出客观世界的本质联系和内部规律。主要体现在两个方面：一、是使系统思想、系统方法定量化、科学化，使之成为具有坚实的数学理论基础的，能够定量地处理系统各组成部分联系关系的科学方法；二、是计算机与信息技术的应用，为系统思想、系统方法的实际运用提供了强有力的工具。正是由于上述两个特征，才使得系统思想方法从一种哲学思维逐步形成了独特的系统理论，并在此基础上形成了一门专门的科学——系统科学。2.系统的定义冯·贝塔朗菲——系统是相互作用的诸要素的综合体•系统是由两个以上的要素组成的整体。要素是构成系统的最基本的部分，没有要素就无法构成系统，单个要素也无法构成系统。•系统的诸要素之间、要素与整体之间、以及整体与环境之间存在着一定的有机联系。要素之间若没有任何联系和作用，则也不能称其为系统。•系统要素之间的联系与作用必产生一定的功能。功能是系统所发挥的作用或效能，且是各要素个体所不具备的功能，这种功能是由系统内部要素的有机联系和系统的结构所决定的。系统与要素间相互作用系统通过整体作用支配要素要素通过相互作用决定系统特性系统和要素之间概念是相对的。⑴系统通过整体作用支配和控制要素系统通过其整体作用来控制和决定各个要素在系统中的地位、排列顺序、作用的大小以及作用的范围，协调着各要素之间的数量比例关系等等。系统整体稳定，则要素也稳定；系统整体特性和功能发生变化，则要素以及要素之间的关系也会随之变化。例如，综合运输系统的整体功能，决定和支配着作为要素的水运系统、公路运输系统、铁路运输系统、航空运输系统以及管道运输系统的地位、作用和它们之间的关系，为使综合运输系统的整体效益最佳，就要求各子系统必须充分发挥各自的功能，就要对各子系统之间的关系进行控制和协调。⑵要素通过相互作用决定系统特性和功能一般来说，要素对系统的作用有两种可能的趋势：一、是要素的组成成分和数量具有一种协调、适应的比例关系，使得要素能够维持系统的动态平衡和稳定，并使系统走向组织化、有序化；二、是要素之间出现不协调、不适应的比例关系，这就会破坏系统的平衡和稳定，甚至使系统衰退、崩溃。例如，对我国国民经济大系统而言，如果构成该系统的工业系统、农业系统、科研系统等各个系统都能够协调发展的话，就能够使国民经济持续、稳定的发展；但由于某个系统发展缓慢，与其它子系统之间出现了不协调、不适应的比例关系，因而严重制约了国民经济的发展，影响了国民经济大系统的整体效益。⑶系统与要素的概念是相对的一个系统相对于构成它的要素而言是个系统，而相对于由它和其它事物构成的大系统而言，则是一个要素（或称子系统）；同样，一个要素相对于由它和其它要素构成的系统而言，是个要素，但相对于构成它的要素而言，则是一个系统。比如，由车辆、场站、路网组成了公路系统，但对于整个交通运输系统而言，公路系统又是整个交通运输系统的要素；再比如，相对于交通运输系统而言，水运系统是一个要素，但它同时又是由港口运输系统、水上船舶运输系统、航道系统、物流系统、信息系统构成的系统。3.系统的形态•自然系统和人造系统•自然系统是由自然物等形成的系统，自然系统一般表现为环境系统，如海洋系统、植物系统、原子核系统、大气系统等等。了解自然系统的形成及其规律，是人造系统的基础。•人造系统是为了达到人类所需要的目的而由人类设计和建造的系统，如工程技术系统、经营管理系统、科学技术系统就是三种典型的人造系统。•实际上，多数系统是自然系统与人造系统相结合的复合系统。因为许多系统是有人参加活动，由人们利用科学力量，认识、改造了的自然系统。如社会系统，看起来是一个人造系统，但是它的发生和发展是不以人们的意志为转移的，是有内在规律的。从人类发展的需要看，其趋势是越来越多的发展和创造人造系统。近年来系统工程已经越来越注重从与自然系统的关系来研究、开发、建造人造系统。实体系统和概念系统1.实体是以矿物、生物、能源、机械等实体组成的系统，如人－机系统，机械系统等。2.系统不仅有实体部分，还有赖以形成的概念部分。概念系统是由概念、原理、原则、方法、制度等观念性的非物质实体组成的系统，是以软件为主体，依附于动态系统的形式来表现，如科技体系、教育体系、法律体系、程序系统等。3.实践中，实际系统与概论系统通常结合在一起。实体系统是概念系统的基础和服务对象，而概念系统是为实体系统提供指导和服务的，两者不可分开。3.系统的形态3.系统的形态•封闭系统和开放系统MLθ221mvmgL)cos1(CBStRθzyXXYZYsincos•静态系统和动态系统静态系统固有状态参数不随时间改变动态系统把状态变量作为时间的函数•对象系统和行为系统对象系统是按具体研究对象进行区分而产生的行为系统为以完成目的行为作为组成要素•控制系统和因果系统控制系统为具有控制功能的系统因果系统是输出完全决定于输入的系统3.系统的形态二、系统的特性1、整体性niisFF1Fs为系统的整体功能；Fi为各要素的功能整体性原则的指导意义系统与要素之间不可分割二、系统的特性2、相关性nnnnQQQfdtdQQQQfdtdQQQQfdtdQ,,,,,,,,,21121222111Q1,Q2,…,Qn为1，2，…，n个要素的特征；t为时间；f1,f2,…,fn表示相应的函数关系二、系统的特性3、层次性/目的性目的8目的1目的2目的3目的4目的5目的6目的7目的9目的10目的11目的12目的13二、系统的特性4、动态性环境转换机构（系统）输入输出图：系统与环境的关系三、系统的结构1、系统结构的特性•稳定性——平衡结构、非平衡结构•层次性——自然界系统的九个层次•层次性第一层次——静态结构系统第二层次——简单动态系统第三层次——反馈控制系统第四层次——细胞系统第五层次——原生社会系统第六层次——动物系统第七层次——人类系统第八层次——人类社会系统第九层次——超越系统三、系统的结构1、系统结构的特性•开放型——结构不断变化•相对性——层次性决定了相对性三、系统的结构2、系统结构分析——从系统内部来考察其组成要素的联结关系。1）要素的联结2）系统的结构矩阵1）要素的联结E1E2y12x12E1E2x21y21E1E2y12x12x21y21a)b)c)图、要素联结的类型E1E2y12x12a)E1作用于E2，E1到E2的输入x12，E1到E2的输出y12，E1到E2的联结状态C12=1,C21=0,x12=C12y12E1E2x21y21b)E2作用于E1，E2到E1的输入x21，E2到E1的输出y21，E2到E1的联结状态C21=1,C12=0,x21=C21y21E1E2y12x12x21y21c)C21=1,C12=1要素联结的三种类型：串联联结并联联结反馈联结•串联联结E1E2y12x12E4E3x1x23x34y23y34y42)系统的结构矩阵000043424143432313242321214131214321CCCECCCECCCECCCEEEEES从从从从至至至至＝串0000100001000010•并联联结E1E2E3E4E50000010000100001000001110并S•反馈联结E1E2E3E4E50000110000010000010000010反馈S四、系统的功能系统与外部环境相互作用的能力，功能说明的是系统的外部状态和外部作用。系统功能的特性：易变性相关性功能方法：功能分析：对要素的数量和质量的分析功能模拟方法：以功能相似为基础，用模型再现黑箱方法：考察系统输入、输出及其动态过程五、结构与功能的关系•同构异功•同功异构•同构同功•异构异功第二节系统理论概述系统理论包括：1、老三论（形成于上世纪四十年代）：一般系统论、控制论和信息论。2、新三论（形成于上世纪七十年代）：耗散结构理论、协同论和突变论。一、一般系统论创始人为L.Von.Bertalanffy。研究领域：管理理论、运筹学、信息论、控制论、哲学、行为科学等古代整体观•形而上学整体观15世纪下半叶～18世纪末•辨证整体观19世纪现代系统观念机体系统论一般系统论•古代整体观当时的世界整体看法三大特征：1、部分“偶然堆积”，笛卡儿，还原论。“把我所考察的每一个难题，都尽可能的分成细小的部分，直到可以而且适于加以圆满解决的程度为止。”形而上学整体观15世纪下半叶～18世纪末•古代整体观当时的世界整体看法三大特征：2、机械观点。人体是按力学性质运动的机器，心脏发条，神经油，关节齿轮。3、孤立存在的整体，否认相互间联系。“堵塞了它自己从认识个别到认识整体，到洞察普遍联系的道路”形而上学整体观15世纪下半叶～18世纪末“搜集材料”——“整理材料”三大发现，普遍联系1、自然界和人类社会都是有机联系整体2、对整体内在结构揭示元素周期表社会系统科学3、对事物与环境相互关系的认识进化论•古代整体观•辨证整体观19世纪引自恩格斯《反杜林论》:“当我们深思熟虑地考察自然界或人类历史或我们自己的精神活动时，首先呈现在我们眼前的是一幅由种种联系和相互作用无穷无尽地交织起来的画面，其中没有任何东西是不动的和不变的，而是一切都在运动、变化、生成和消逝。”“关于机体概念的斗争”（1）活力论（2）机械论观点和还原论观点（3）机体系统论观点•现代系统观念•一切生物都是具有复杂结构的自然系统，生物体各个要素不能离开生物体本身而独立存在，因而对于生命现象也不能用简单的分解和相加的方法去解释。•一切生命系统本身都处于积极的活动状态，并随时与环境发生着物质、能量交换关系。•一切生命系统都具有严格的等级组织，生物学的主要目标就在于发现生物各个层次上的组织原理一般系统论整体性原则相关性