复杂性理论对生态文明的启发

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我们必须在深刻反思工业化沉痛教训的基础上，努力探索可持续发展的理论与路径。为此，恰当的科学方法是这一探索成败与否的关键。在认真聆听了王志康教授关于“复杂性科学及其方法论意义”的专题报告后，又根据王志康教授的推荐学习了相关经典著作，深感:生态系统是典型的复杂系统，系统层次繁多，内部机制相互缠绕，各个子系统、组分之间关系错综复杂，各种反馈交互影响，我们要解决当前面临的生物多样性、可持续发展、全球气候变暖、外来物种入侵等生态环境问题，必须面对生态系统的复杂性，把它作为复杂系统对待、管理。生态文明作为人类文明的新形式，以生态系统复杂性这一内在的特征和规律为依据，以复杂适应系统理论为指导，使经济社会的发展并行于生态系统的良性循环，这样才能有效地协调人类经济社会活动的长期需求与生态环境系统供给，实现人类社会的可持续发展，延续人与自然的协同进化［2］。

生态系统是典型的复杂系统

复杂性科学研究开始的标志是1973年莫兰《迷失的范式:人性研究》一书的出版，而有组织地推进和大量成果的取得则是1984年美国圣塔菲研究所成立以来的近三十年。由于研究者关注的领域不同，关于什么是复杂性科学依然没有统一的说法，但大家几乎一致认为它不再是一门具体的科学，而是具有统一方法论的科学群。复杂性科学是研究“复杂性涌现机制”的科学，包括了一般系统论、信息论、控制论、耗散结构理论、突变论、协同论、混沌机制、分形理论以及动力系统论等的科学群［3］。复杂适应系统理论的提出，基于的是对系统演化规律的思考。美国圣塔菲研究所的科学家认为“复杂适应系统”(ComplexAdaptiveSystems，CAS)是复杂问题和复杂现象的行为的自组织、自适应、聚现过程，存在于经济、生物、物理、化学以及其他一些自然科学领域和社会科学领域。复杂系统具有以下特征:(1)开放性，即该系统与周围的环境有物质、能量、信息的相互交换;(2)个体自主识别性，即该系统的演化过程中所呈现出来的本质性的规律能够被自身自主、自动地识别;(3)信息适应性，即该系统能够采用随机信息的处理方法来对待无规律信息;(4)能动性，即系统在发展过程中具有记忆功能、学习功能和自主产生对策的能力。系统产生自组织行为的根本原因是复杂适应系统具有异质性、非线性、等级结构和流。通常情况下，系统中个体在自适应过程中形成分化，个体之间具有显著的异质性，个体之间的相互作用不是简单的、线性的、直线式的因果链，而是各种反馈交互叠加、相互影响的复杂关系。系统通过异质个体的非线性交互，自发组织而生成支配各个体之间进行能量、物质和信息流传输的等级结构，这一结构又同时受各组成部分的影响。从这个意义上说，自组织性是复杂适应系统最本质的特性，由自组织带来的局部成分之间通过非线性相互作用、正负反馈作用，演变出系统的支配参量，役使系统动态运行，是系统发展的基本机制［5］。

Brown认为生态系统具有组成成分多样性，进行能量、物质和信息交换的开放性，对环境变化做出行为或遗传上响应的适应性，系统发展的历史不可逆转性和交互作用的非线性，符合复杂性特征，是复杂系统。Brown指出复杂适应系统的中心思想是适应造就复杂，复杂适应系统的一个共性就是“革新”违背守恒定律的必然结果，从而冲破系统的束缚，导致系统复杂性逐渐加深。即是说，进化革新打破了原先的有序状态的制约，使有机体获取到更多的能量，从而使系统更加远离热力学平衡态，进入更高形式的有序状态，与外界的信息、物质、能量的交流越发频繁，系统的多样性和复杂性更高。Levin进一步指出，在生态系统和生物圈这样的复杂巨系统中，高层次的子系统是由低层次的子系统或者个体相互作用、相互选择、相互适应过程中所产生的。Levin认为，并非所有的生态子系统都是复杂适应系统，农田和林地等这样的人类经营的系统就不是完全的复杂适应系统，因为这些生态系统的结构是人为设计的，不是通过系统自组织自发生成的，更多的是人类介入的他组织，因此，这类系统明显缺乏自调节能力和自适应性，当有外界干扰和侵入时，应对能力和抵抗力很弱，诸如病虫害的爆发就很容易地破坏系统的功能和结构［6］。传统理论在进行生态系统分析时，多数基于还原论的观点，忽略了生物的多样化和空间的异质性，难以描述系统中各组份自主的应变性和自适应性对系统宏观行为特征的影响，从而无法从根本上解释生态系统的涌现行为［7］。与此不同，强调多样性、异质性及适应性对系统宏观行为特征的影响是复杂适应系统理论主体内容，这一理论观点为研究非线性动态系统的结构、功能和动态演变提供了一个新途径。Bonabeau讨论了社会性昆虫群体自组织格局的形成及其维持机理，认为蚂蚁通过个体间的交流和自组织产生社群行为，体现了CAS的一个重要特征，即聚现特征。Jansen讨论了如何用CAS去管理相互作用和协同进化的社会与生态系统，并用遗传算法模拟了两种管理情况下系统的适应行为。显然，生态系统与复杂适应系统在概念上吻合。国内学者成思危认为地球系统和生物圈行为模式都是开放的复杂系统，系统具有联系广泛而紧密的异质单元，各个单元的变化都会受到其他单元的影响，并引起其他单元的变化;系统的结构具有多层次、多功能的性质，每一个层次都整体地表现为上一个层次的单元，并实现系统的某一功能;系统在演变过程中能够不断地通过记忆和学习来完成层次结构与功能的重构和完善;系统是开放和动态的，通过与内外环境的相互作用，不断向更适应环境的方向发展演化。

综合以上论述，生态复杂性是指生态系统内不同层次上的结构和功能的多样性、自组织性、适应性和有序性。具体来说，复杂性特征有以下几个方面:第一，生态系统中存在大量的不确定性因素、非线性因素，宏观上表现出复杂的演化特征，相干效应、临界效应并存，涌现、多重均衡、弹性、突变、不可逆性等复杂性突出。第二，生态系统的高度非线性、非结构化导致系统演化具有高度不确定性，如何在不确定性条件下确保生态环境可持续发展是一个核心问题，这就需要破除传统的确定性理论模式和线性思维惯性，用复杂性理论对待生态系统出现的问题。第三，生态系统的演化是时变的、动态的，存有显著时滞作用的，不同时空截面的系统的运行方式和运行机制都千差万别，因此，与时俱进的、辩证的、用发展的眼光看待生态系统并应对生态环境问题是非常必要的［3］。生态复杂性已经成为我国生态文明建设面临的最大挑战。目前，我国不仅在生物复杂性和生态系统功能方面研究极为缺乏，而且我国管理工作者还没有意识到生态方面的复杂程度远远超出了我们当前对生态系统的认识，对于生态退化的根源所在、生态系统的功能与结构的关系及其和自然界的关系、和人类活动的关系，等等，都缺乏了解，因此在实施管理时，手段未免过于简单和武断，意识不到生物系统的复杂性，没有充分尊重生态系统的生存发展原则，忽视生物链群的交互影响，从而致使管理出现真空状态甚至陷入误区［7］，例如，在退耕还林过程中推行极为简单的单一物种(或简单几种)种植方式，并不利于生态的恢复。同时没有意识到结合生物复杂性的管理手段可能给经济发展带来的收益，例如运用符合生物复杂性的生态农业技术手段，摈弃过去简单的头痛医头、脚痛医脚的方法(有虫就用杀虫剂、缺肥就施用化肥等方法)，将有效提高生产水平并减少污染。因此我国急需要积极从多个学科入手，联手开展生态复杂性方面的研究，并将这些概念引入到国家相关部门的管理之中。

生态复杂性研究思维的创新

生态系统是典型的复杂系统，复杂多样是自然生态稳定发展的基本模式。与此相适应，生态学的科学研究思维必须从简单性范式向复杂性范式转变。美国是最早有组织推进生态复杂性研究并付诸实践的国家。美国国家科学基金于2000年启动了环境生物复杂性研究计划，启用各个学科的最新科技和成果，重点研究以生态、环境为核心的生物学、地理学、社会学等学科，包含涉及生物系统内部、生物系统与其他外部环境相互作用所产生的各种复杂现象［6］。环境生物复杂性计划的研究对象包括微生物、人体、极地、火山口、森林、耕地以及城市中心的社区和工业区的环境类型。这个计划使人类获得了对包括全球气候变化和新技术开发等不同领域的新认识，这些知识将有助于人类更好地理解全球碳、氮和水循环中的物理、化学和生物作用，以及人类行为与自然环境的相互影响。这一计划在遗传学、纳米和分子水平等方面也将有助于人类来探索环境演变中的复杂过程，并加快对遗传信息和生态系统功能相关性的研究步伐，有助于建立复杂系统模型所需的新理论、新方法和新计算策略的研究与开发。在我国，改革开放三十多年来，生产力得以空前解放和发展，创造了巨大的物质财富，同时也导致严重的环境危机。此时此刻，恩格斯二百多年前对人类无限制利用自然界的行为的警示再次大声呼吁:“我们不要过分陶醉于我们人类对自然界的胜利。对于每一次这样的胜利，自然界都对我们进行报复。每一次胜利，起初确实取得了我们预期的结果，但是往后和再往后却发生完全不同的、出乎预料的影响，常常把最初的结果又消除了。”(《自然辩证法》)［7］可以作为佐证的是，我国1998年突发了百年一遇的洪水，天灾其实很大程度上可以归因于长江中上游森林植被的破坏，洪水之后，政府才又不得不投入巨资，退耕还林、退地还草，可谓得不偿失。2003年的非典事件，给全世界都带来了严重的人员伤亡和财产损失，对于SARS病毒，依旧让许多人谈虎色变。尽管自然宿主是否是野生果子狸迄今还在探究过程中，但学术界公认的是SARS病毒确实由市场或餐馆的果子狸传给人类［8］。因此，在党的“十七大”上，我国遵循人类文明发展的规律，提出了建设生态文明的正确目标。建设生态文明要求我国生态学家进一步认清生态系统是典型的复杂性系统，相应地以复杂性科学范式创新思维和研究:一是要把生态系统看成是一个复杂系统。一方面，把人类与自然藕合成一个复杂系统，加强人类与自然之间的联系、关系和相互作用的研究;另一方面，把生态系统作为一个复杂系统来对待，将思维的重心从“单个要素”聚焦到“系统整体”，关注生态系统的重要部位和关节点。二是确立起复杂性思维，包括整体思维、非线性思维和过程思维等，主要是形成以下观点:生态系统是有机的系统整体，具有整体涌现性;生态系统各组成部分间存在着复杂的因果关系，如一因多果、一果多因;生态系统与生物圈行为不可分离，包括人在内的生物与环境、生命个体与相同和不同生命群体之间不断地进行物质、能量和信息交换等。三是复杂性思维在生态文明建设中应用前景广阔。我国急需要积极从多个学科入手，联手开展生态复杂性方面的研究，并将这些概念引入到国家相关部门的管理之中。

基于复杂性视角对推进我国生态文明建设的意见

生态系统是一种典型的复杂性系统，表现出主动适应性、多层次性、开放性、非线性等特征。从复杂性视角，生态文明是人类与生态系统和谐互动，或者说自组织、强藕合的过程和结果，它与复杂性理论的结合有利于对生态文明的特征及规律做出更为完整和系统性的抽象，对于改进和规范人类行为，实现人类与自然的和谐协调发展无疑具有重要价值，在实践上也有助于我们在更广阔的空间对各种资源进行合理、有效地配置，使生态环境建设和管理从无序到有序、从不平衡到平衡，最终达成国家的生态安全和人类的可持续发展。

强化生态文明理念生态文明强调的是人类与自然的和谐协调。我们知道，生态系统的各个要素和子系统都由活动着的人群或者人群活动的积淀组成的。生态系统无所不在地带有人的印记，“人”是整个生态文明建设的核心，而人类是有意识、有思想的，可根据环境的变化和自身的意愿进行建设和管理策略的调整。对于给定的生态环境及环境的不确定变化，人类为了生存必须不断努力提高自身的适应性，以利用有利的资源和机会，避免有害的影响因素。因此，建设生态文明，作为行为主体的人类必须从意识上尊重自然，深化与自然和谐相处、合理利用自然的文明思想，进一步认识生物环境对人类持续发展的帮助和制约，认识生物系统的复杂性，认识生态问题的严重性、长期性和解决问题的艰巨性，从而在全人类范围重视生态环境的管理、保护［9］。

加快建立生态建设与保护的综合治理机制生态系统作为典型的复杂性系统，具有突出的层次性和开放性，且由于存在大量的非线性因素，导致其在结构、功能、行为和演化等方面都很复杂。理论上的不清晰导致实践上的欠缺，治理上存在着多部门分割、上下缺乏联动的现实。按照复杂科学范式的特征和要求，治理复杂性生态系统，必须尽快建立统一、高效、有序和协调的治理体系和运行机制。政府的治理能力不仅要体现在政府对生态系统单方面的控制操作，而且要致力于构建适应各层次、不同功能的“网络结构”，还必须具有强劲的调控功能。Bak等人用著名的“沙堆模型”生动解释了生态系统具有强大的“蝴蝶效应”，即输入的细微差异可能很快成为输出的巨大差别。这种现象被称为对初始条件的敏感依赖性。作为复杂适应系统，生态系统内部各个主体之间存在非线性关系，非线性相互扰动会对非线性产生关联放大效果，若某一个变化环节或因素得不到合理引导或控制，就可能会产生“蝴蝶效应”，就会导致整个生态环境新的危机产生或者新的系统特征涌现，尤其是在生态环境问题已经非常突出的当下，某一特定区域或某方面的环境生态问题都可能酿成全球性或灾难性的后果，对政府调控管理能力形成考验和压力。

完善与生态文明建设要求相适应的政策体系政策体系是政府调控生态文明建设与发展过程的最重要手段，由一系列具体政策组成。基于生态文明的复杂性特征，要求这一政策体系必须具有更大时间尺度的超前性、更宽范围或更广领域的综合性、目标更一致的协调性。国家应从新的思路、新的角度、更大的范围、更长远的总体利益考虑政策的取向、政策的重点和政策的强度，特别要对政策的可能效果作出预先评价并在执行过程中不断加以调整，保证政策体系的连续性和长期有效性。

全力提高生态科技创新能力使现实复杂性化为未来的可持续性，需要生态研究、生态保育和生态建设领域的技术创新。人类文明发展的历史和现实表明，科学技术对于生态环境治理和保护具有至关重要的决定作用。科技进步是生态文明建设的支撑和推动作用，也是解决生态环境问题的根本途径。从某种程度上说，科学技术是生态文明建设的基石。因此，我国急需通过加快生态科技创新，建立完备的科学技术支撑体系。

作者：郑贤操单位：中国科学院城市环境研究所