人地系统的机理与调控

人地系统的机理与调控报告人：毛汉英研究员中国科学院地理科学与资源研究所一、人地系统的机理二、人地系统的调控一、人地系统的机理1．人地系统的科学内涵地球上凡是有人类居住的地区，以人类和人类的经济社会活动为一方，以地球表层包括岩石圈、大气圈、水圈和生物圈等人类赖以生存的地理环境为另一方，组成了相互联系、相互作用的综合体，即人地系统。正如吴传钧先生在10年前所指出的，“人地系统是由地理环境和人类活动两个子系统交错构成的复杂的开放的巨系统，内部具有一定的结构和功能机制。在这个巨系统中，人类社会和地理环境两个子系统之间的物质循环和能量转化相结合，就形成了发展变化的机制。”吴先生所提出的地理学的主要研究对象——人地关系的地域系统是以地球表层一定地域为基础的人地关系系统，其核心是协调人地关系。为此，要从空间结构、时间过程、组织序变、整体效应、协同互补等方面寻求全球的、全国的或区域的人地关系的整体优化、协调发展及系统调控的机理，为区域可持续发展及区域决策提供科学依据。1．人地系统的科学内涵有关我国人地系统研究的重点，1991年吴先生归纳为以下七个方面：人地关系地域系统的形成过程、结构特点和发展趋向；人地系统中各子系统型和作用的强度分析、潜力估算、后效评价和风险分析；人地两大系统间相互作用和物质、能量传递与转换的机理、功能、结构和整体调控的途径与对策；地域的人口承载力分析；一定地域人地关系的动态仿真模型，预测地域系统的演变趋势；人地关系的地域分异规律和地域类型分析；不同层次、不同尺度的各种类型地区人地关系协调发展的优化模型。2．人地系统的结构人地系统是一个具有耗散特征的、复杂反馈结构的多层次地域系统。人地系统的要素结构包括人口结构、经济结构、社会结构、资源结构和生态环境结构。由于人地系统是一个开放的系统，系统内与系统外进行着人力、物质、能量、信息的交换，在人地系统内部的复杂反馈结构影响下，呈现出明显的非线性和耗散结构特征。根据热力学中的“熵增原则”。2．人地系统的结构一个封闭系统在其自发的演变过程中，系统的熵只能增加不会减少，熵作为对系统无序程度的一种度量，表明封闭系统的有序程度将越来越低，最终达到熵的最大值和混沌状态。而对于一个开放系统，若以ds表示系统的总熵变化，dis表示系统内部的熵变化，des表示系统与环境相互作用产生的熵变化，则系统的总熵变化为：desdisds（1）2．人地系统的结构由于dis总是大于0的，因此，要保持系统熵减（即ds0）的条件是系统从环境吸收的负熵流大于系统内部的熵增，即dis-dis。可以用以下指标来反映系统的有序程度：设R(t)为系统的有序度，S(t)和Smax分别表示系统在t时刻和热力学平衡态时的熵值，则（2）max)(1)(StStR2．人地系统的结构从上式可见，系统有序性增强（R(t)增大）的条件是系统熵值变小（S(t)变小）。因此，可将人地系统中各子系统之间的相互作用均可看作一个不稳定的、非线性的、远离平衡状态的耗散结构。人地系统要保持持续性，就必须保持“耗散结构”，一方面从外界输入负熵流，即输入人流、能量流、物流和信息流，并提高资源（包括上述“四流”的广义资源）的利用效率，减少区内的熵增。3．人地系统的功能人地系统的功能是由系统内部各种流的耦合叠加而成的，主要功能有：（1）生产与需求消费功能。生产功能包括人口再生产、经济再生产、社会再生产和资源再生产，其中经济再生产及社会再生产中的科技进步是人地系统演进的主要驱动力。消费功能如人口生存需求、经济增长需求及社会进步需求，是人地系统演进的启动器。（2）保障服务功能。包括生产性保障服务与生活性保障服务。前者主要为经济再生产的顺利进行提供条件，后者则为人口再生产提供所需的物质和精神需求，包括居住、交通、通信、文化娱乐等。保障服务功能构成生产领域的第三产业。3．人地系统的功能（3）承载支撑功能。主要由资源环境系统提供。如土地资源、水资源、气候资源、矿产资源、生物资源等，为人口、经济、社会子系统起着提供活动空间及各种物质流与能量流作用。（4）容纳消解功能。表现为环境容量和环境承载力。通过物理、化学和生物的作用，将人类社会在物质生产、资源开发和生活中产生的各种废弃物消解，通过再释放和转变其组分，返回到资源子系统中去。（5）自组织功能。人类以计划、政策和法律法规的手段通过不同层次的决策、管理与调控，确保人地系统的和谐、协调与系统的正常演进。在调控与管理过程中，不断将各子系统的无序因素消除或将其转变为有序因素，及时地加强某种功能，以保证人地系统的稳定和持续。4．人地系统演进的动力机制人地系统演进的驱动力主要有以下三类：（1）内部扰动力。是一种无序的作用力。如当人类活动对资源环境的作用强度达到损坏环境的自然趋稳机制和自然资源的再生更新机制时产生，但它在一定的外力引导下可以转化为促进内部结构转换的动力。（2）因内外交流而引起的拉动力。是一种有序的作用力，它主要受“价值回报”规律的制约。如由于信息和市场发育而引起的内外部人流、物质流和资金流的加强，导致人地系统结构的演进。（3）外部推动力。由于体制、政策、科技信息、基础与服务设施、资金等因素的改善而对人地系统演进产生的推动力。4．人地系统演进的动力机制人地系统演进可分为两个阶段：早期趋于随机过程，后期则通过非线性的相互作用更多的趋于自组织性，并形成特定的时空结构和具有一定功能的自组织结构，表现为有序状态。因此，可以通过人地系统内部的非线性动力学机制和自组织理论，研究其演替过程与机制。根据热力学和耗散结构理论，系统的发展实际上就是一个又一个越来越高层次的有序结构的形成，而其动力就来自远离平衡状态下系统内部非线性的“涨落”效应。4．人地系统演进的动力机制人地系统的开放性是其产生有序结构的必要条件，而系统内部各子系统及各要素之间的非线性动力学效应则是其产生有序结构的基础，是物质—能量—信息有序结构的重要反映，即具有生物—社会的自组织过程。当系统外部环境或内部某些环节发生变化时，系统就能感知这种变化并在一定的阈值范围内通过自组织加以调整，从而适应这种变化。在这一自组织过程中，涉及到各种要素结构功能的调整。各要素围绕着一定的目标，通过非线性的叠加与衰减，放大了各系统的功能，从而使系统的功能远远大于各部分功能之和。4．人地系统演进的动力机制人地系统内部的非线性效应具有两个主要特征，即演变与分叉。因此对它的发展和演化可用分叉理论加以描述，通常采用非线性微分组表示（3）式中，状态变量Χ=(x1，x2….),ƒ=（ƒ1，ƒ2……）,λ为约束条件，用于表征系统受控程度及偏离平衡状态的程度。),(XftX4．人地系统演进的动力机制上述人地系统演进的非线性动力学理论，不仅可解释人地系统演化的规律，而且也可作为研究区域可持续发展动力机制的重要理论依据。因为系统演进的本质就是对某种更加有序、更加稳定状态过程的追溯。5．人地系统演进的方式人地系统演进的模式主要有以下两种：一是渐变型模式。该模式指人地系统的演进过程是逐步变化的，反映在时间过程上，依次从低级阶段向高级阶段发展，如从原始社会向农业社会、工业化社会、后工业化社会和信息社会发展。二是突变型模式。反映在时间过程上中断了原有的发展顺序，在短期内跳过了一个发展阶段而进入另一个新的发展阶段；在空间过程上，中断了原有的空间推移顺序而进入新的发展格局。5．人地系统演进的方式根据人地系统发展与演进的过程，可将其演进模式归结为以下四种：（1）指数增长模式。如在特定时段内，由于区域人口和工业总产值增长导致资源消耗量和“三废”污染量初期增长较慢、后期增长加快的增长过程。（见图3-a）。5．人地系统演进的方式（2）收敛平衡模式。该模式呈现与指数增长相反的过程（见图3-b,c），如一定阶段内粮食产出量，耕地面积减少，不可再生资源的衰减，接近承载上限的人口增长等。具体分为增、减两种趋稳过程。这两种模式均属负反馈作用的结果，受环境因子的限制，使系统状态在既定目标下演变。5．人地系统演进的方式（3）阶梯型演变模式（见图3-d）。是由一组突变过程和稳定过程交替组成的演变模式。在特定时间点上，由于系统中的随机突发因子作用，致使系统发生跳跃变化，然后处于稳定过程，再待新的突变过程的出现。现实人地系统中的环境灾变过程及技术进步过程等属于此类。5．人地系统演进的方式（4）复合“S”型演化模式。为上述三种简单模式的进一步复合而成。该模式由多级“S”型曲线组成，不同层次反映了系统不同的演化阶段，阶段间则存在突变（如由于重大的科技进步等）。这种突变的周期随系统的演进越来越短。在“S”型增长过程中，可以用孕育期、持续增长期和稳定期三个阶段来描述。利用“S”型曲线可以说明环境承载力变化的过程，如果系统的发展超过环境承载力就会产生系统的崩溃，从而使系统稳定在新的平衡上。显然，新的环境承载力低于原来的环境承载力。6．当前及今后10年人地系统研究的前沿领域（1）人地系统协调发展机理研究影响人地系统发展的因素包括人为的和自然的、内部的和外部的、积累的和突发的因素。这些因素造成系统物质、能量、信息流动和交换的失调，使得人与自然系统演进在速度与方向上出现偏差，从而降低系统的持续发展能力，最终影响系统发展目标的实现。这类因素主要有：人口膨胀、自然资源过度消耗、生态环境恶化，以及突发性的自然灾害等。重点研究上述各因素相互作用的机理及人地系统演进的动力机制。6．当前及今后10年人地系统研究的前沿领域（2）人地系统发展过程的动态模拟由于人地系统的演替过程具有不可逆性、复杂性和不确定性，仅仅依靠抽象的理论思维还不足以把握其内部机理。为此，需要用实验的方法研究人地系统演替的动力学机制和评估政策效应。然而，现实的人地系统发展过程需要经历较长的时间周期，对其进行试验需要花费大量的时间、人力和物力。人地系统发展过程模拟作为一项实验性综合技术，以系统论、控制论、相似性原理和信息技术为基础，以计算机为工具，借助于系统模型对区域自然—经济—社会复合系统进行动态试验，具有经济性、超实时性、可重复性、便捷性等特点，国际上一致认为是最有效的综合集成方法之一，因而可作为研究人地系统发展过程的重要手段。6．当前及今后10年人地系统研究的前沿领域（3）人地系统协调发展的综合调控研究人地系统协调发展的综合调控研究的实质就是从整体与可持续的角度，协调区域发展过程中各种矛盾和利益分配，使人地系统处于循环再生、协调共生和持续自生，达到整体协调。由于人地系统内部各子系统要素间存在着固有的“反馈机制”，因此，可通过系统动力学模型中的“人机对话”功能，在人类本身再生产和经济社会活动与资源环境之间寻求一种理想的组合状态，以实现人地系统的和谐、高效、有序、优化发展。除此以外，还必须建立相应的调控体系，借助一系列宏观调控政策的干预和调节，实现人地系统的协调发展。6．当前及今后10年人地系统研究的前沿领域（4）人地系统协调发展的方法论及技术支持系统研究人地系统协调发展是一项复杂的系统工程，必须采用从定性到定量的综合集成方法并借助计算机技术手段，促进研究方法与手段的现代化。为此，要充分利用计算机技术、GIS技术、信息融合技术、网络技术、综合集成技术、专家系统和决策支持系统等，建立一套完善、高效、可操作性强的人地系统协调发展研究的技术支持系统。二、人地系统的调控综合调控的背景人地系统协调发展是一项涉及到自然、经济、社会三个子系统组成的复杂的系统工程，它具有复杂性、综合性、战略性以及“自然—人文”互为耦合的特点。影响人地系统协调发展的诸因素包括人为的和自然的、内部的和外部的、积累的和突发的因素。这些因素造成系统物质、能量流动和交换的不平衡与失调，如人口膨胀、自然资源过度消耗、生态环境恶化，以及突发性的自然灾害等，它们常常相互交错在一起，使得系统演进在速度与方向上出现偏差，从而降低区域的持续发展能力，最终影响区域可持续发展目标的实现。一、人地系统协调发展综合调控原理与目标(一)综合调控的原理(二)综合调控的目标一、人地系统协调发展综合调控原理与目标(一)综合调控的原理人