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1、系统耦合理论在我国草地农业系统应用的研究 万里强 侯向阳 任继周 (中国农业科学院草业综合研究与发展中心 北京 100081) 摘 要 阐述了系统耦合概念及其在草地农业系统的应用,并对其发展历程分类综述。指出今后系统耦合发展的 关键是深入研究草地农业系统3个界面所发生的系统耦合和系统相悖机理。 关键词 系统耦合 界面 系统相悖 草地农业系统 The application of system coupling in grasslandagro2system in China. WAN Li2Qiang , HOU Xiang2Yang , REN Ji2Zhou ( Grassland Res
2、earch and Development Center , Chinese Academy of Agricultural Sciences , Beijing 100081) ,CJEA,2004 , 12(1) :162164 Abstract The concept of system coupling and its application in grassland agriculture are discussed in this paper. Based on the analysis of the current status of grassland agro2system
3、coupling in China , it is concluded that the key to system cou2 pling development is to have a better understandingof the mechanismsof system coupling and contradiction existingon the three interfaces of grassland agro2system through further research. Key words System coupling , Interface , System c
4、ontradict , Grassland agro2system 1 系统耦合概念及意义 “系统耦合” 一词最初源于物理学,后来才逐渐应用于其他学科。系统耦合指两个或两个以上性质相近 的生态系统具有互相亲合趋势,当条件成熟时它们可结合为一个新的高一级的结构 功能体。任何系统 其非平衡态是绝对的,平衡态是相对的偶存的,系统自由能的积累可使系统进入非平衡态,通常所言 “能量是 系统的驱动力” 无疑也适用于系统耦合。当条件、 参量适当时系统势能延伸可使不同系统实现结构功能的结 合,产生新的高一层的系统,它不是原系统量的增大,而是新功能体 具有新质的较高层次系统,它联通两 个或两个以上系统发生系统耦
5、合,由此产生的新系统称为耦合系统。系统耦合导致系统的进化,虽广泛存在 于草地农业系统,但较少引起人们关注。系统耦合是世界经济一体化的桥梁,其意义在于充分发挥生态系统 所固有的开放性带来的外延特性(自由能积累 ) , 导致系统进化和生产潜力的解放。 2 系统耦合理论及其主要界面 2.1 系统耦合理论发展历程 物理学的耦合。 “系统耦合” 始源于物理学,但也应用于地理、 气象和水体学的研究。李凤全等1利用 神经网络和地理信息系统耦合所得人工神经网络模型,对吉林省西部平原地下水水质进行评价可反映当地 水质最适宜、 较适宜、 适宜、 较不适宜和不适宜状况,且能体现吉林省西部水质空间变化规律。张志南2阐
6、 述了浅海生态系的水层系统与底栖系统耦合基本原理,着重介绍了有机质沉降动力学、 底栖生态系统对有机 质的响应、 生物沉降和侧向平流、 生物扰动和沉积物再悬浮研究的进展。 生态系统的耦合。生态系统内部自由能的积累,使系统失去平衡并趋于同其他生态系统结合,自由能驱 使两个或两个以上生态系统或亚生态系统会聚并超循环和耦合而联合,从而形成具有特殊结构功能的更高 一级的新系统,即耦合系统。不同生态系统的耦合实质是将原有系统所用以构建的低质系统简化,不同等级 的系统耦合产生不同等级耦合系统,从而形成等级系统。能量流动产生有结构层次的网络,输入网络的能流 相互作用并通过做功过程转化成较高质量的能量形式,这一
7、高质能量具有反馈放大器的作用,帮助生态系统 达到最大功率,故系统耦合必将导致生态效益扩大。李镇清等3采用能量网络自组织原理探讨草业生态系 统耦合的条件和作用,认为该系统内高质能量与低质能量配置有3种,一是系统内高质能量与低质能量匹配 收稿日期:2002212226 改回日期:2003201230 第12卷 第1期 2 0 0 4年1月 中 国 生 态 农 业 学 报 Chinese Journal of Eco2Agriculture Vol. 12 No. 1 Jan. ,2004 良好;二是高质能量相对过剩;三是低质能量相对过剩,且后2种有必要进行系统耦合并使其效益扩大。 草地农业系统的耦
8、合。草地农业系统由多个子系统构成,一般包含4个生产层4,即前植物生产层 (Pre 2plant production level) ,它不以动植物生产为主要目的,景观本身体现其资源意义;植物生产层(Plant production level) ,以植物营养体、 籽实、 纤维、 脂肪和分泌物等光合产物为产品,生态学称之为初级生产;动物 生产层(Animal production level) ,草食动物以植物为食物获取能量并制造机体组织和产品,生态学称之为次 级生产等;外生物生产层(Ultrabiological production level) ,产品流通与加工。草地农业系统在传统生态学的
9、 植物生产层和动物生产层之外,经人为前伸和后延而各增加1个生产层,这就是草地农业系统与自然生态系 统的区别,这些生产层多数情况下可能与子系统相统一,它们以各自的键与有关子系统互相联系发生系统耦 合,生产力成倍乃至几十倍增长。 生态地理区域的耦合。农区和牧区两大经济生产系统间既存在显著差别,又相互依存、 相互制约与相互 促进,它们之间系统耦合可最大限度地提高和促进各自经济的全面健康发展,并加快产业化进程。王宁 等5以宁夏回族自治区平罗县城关家畜交易为例,研究宁夏农牧两大区域时空实现牧区育成、 农区育肥畜 牧业生产机制的可能性与发展潜力,认为宁夏灌溉农业区与四周牧区半牧区饲草资源的时间差明显,即牧
10、区 冬春饲草短缺时正值灌溉农业区大量农副产品生产、 收获和贮存期,同时牧区进入农闲有较长时间和大量劳 动力从事家畜育肥。灌溉农业区饲草资源丰富且品种齐全,各种农作物秸秆产量占全区的7313 % ,而全区 秸秆利用率 20 % ,故宁夏回族自治区实现农牧两大区域间系统耦合发展前景广阔。葛文华等(1996)对甘 肃省景泰荒漠绿洲区寺梁村研究表明,将山区、 绿洲区两大农业系统加以耦合,进行栈养商品肉羊易地育肥, 充分利用不同农业生态系统和经济类型地区间自然条件,使羊资源和饲草资源优势互补,缓解了山区、 牧区 草地超载过牧压力,提高了羊群中适龄母羊比例和繁殖率,并使山区牧民获得可观经济收益;绿洲区农副
11、产 品资源丰富和营养水平较高,提高了育肥羊产肉量,且改善市场商品羊肉胴体品质,促进活羊商品流通,有利 于形成育肥羊规模经营和专业化生产,栈养成年母羊育肥产值结构和消耗结构分别达52126 %和54102 % , 羯羊、 山羊、 羔羊育肥产值结构和消耗结构分别为11193 %和9157 % ,羔羊育肥比值为11247 ,表明其经济效 益最高,而成年母羊比值仅为01967 ,表明其经济效益最差。全年持续栈养育肥有利于均衡经济收入和市场 新鲜肉食供应,育肥羊生产的优质有机肥料是绿洲农业区商品粮基地土壤有效养分循环和耕地永续利用的 重要物质基础。 我国河西走廊荒漠2绿洲草地农业复合系统可耦合为山地2绿
12、洲2荒漠3个子系统构成的耦合系统,绿洲 子系统居于系统中心,它集中荒漠系统95 %以上能量,随商品流通的增加,绿洲子系统将通过商品流通吸纳 大部分山地子系统能量而使其成为该系统能量集中和交换的中心,不仅表现出较高的生产力,还大幅度提高 周围荒漠子系统和相邻山地子系统生产力。绿洲子系统内部含5项组分,即农田、 林地、 草地和盐渍草地属 初级生产者,畜牧属次级生产者,山地子系统可概括为草地和畜牧组分,其草地组分生产力水平为农田的 20 % ,而面积约为农田的5倍。荒漠子系统草地生产力水平远低于山地子系统,仅为农田系统的1 %。荒漠2 绿洲草地农业系统耦合模式一是水平耦合,即在空间将3个子系统加以耦
13、合;二是垂直耦合,即将前植物生 产层、 植物生产层、 动物生产层和外生物生产层加以纵向耦合。水平耦合指荒漠2绿洲草地农业系统在系统 耦合前各自与市场发生联系,但当荒漠2绿洲草地农业系统3个子系统耦合后再进入市场则发生重大改变, 耦合系统能流单位输出量将显著增加,其生产力水平可能提高660倍。 2.2 草地农业系统耦合界面理论 图1 草地农业系统主要界面 Fig. 1 Interfaces within pratacultural system 系统本身意味着界面的存在,界面是系统之间以及系统与外界的分界和连通的中介,如植物根系与土壤 之间界面、 寄生物与寄主之间界面都是有形界面,而表述学科范畴
14、的界面或表述不同生态系统之间过渡地带 的界面等为无形界面。笔者将传统农耕区 与畜牧区结合部称为农牧过渡带,它也是 一种界面。草地农业系统有3个主要界 面6,即草丛2地境界面(A)、 草地2动物界面 (B)和草畜2经营管理界面 (C) , 这3个界面 将草业4个生产层连缀成完整的草业系统 (见图 1) 。草地农业系统由以上3个主要界 面键合而成(见图1) ,而界面是真正将两者 361第1期 万里强等:系统耦合理论在我国草地农业系统应用的研究 连接的反应灶,通过界面将它们融合并键合为新的系统。牧草2初级生产的亚系统 a ,地境2土地(含土壤和 地形等土地因子)和大气等非生命环境亚系统 b ,两者靠
15、界面A的中介加以连接,所谓中介包含在草丛和 地境之间发生的一切过程和结果,这个过程可称为耦合过程,由此形成的高一级生态系统 草地系统 a 具有新界面和新特性,已非草丛和地境的简单组合。此构建中界面A发生丰富的系统构建过程,产生具有 新内涵的高一级系统,草地系统 a与以它为生存条件的草食动物(以及以草食动物为食物的肉食动物)系 统 b通过界面B的中介,构成更高一级的草畜系统 a ,草畜系统 a通过界面C与人类社会系统 b相键 合,经过人类社会活动的干预把草畜生态系统融入社会大生产,这是一个更为复杂的过程,具有更为丰富的 内涵,由此产生最高一级 草地农业系统 6 。 3 系统耦合水平现状及发展趋势
16、 时间与空间耦合水平。草地农业系统4个生产层间系统耦合具有空间特性或时间特性或空间2时间特 性,不同地区生态系统之间生产层的耦合属空间型系统耦合,不同时间阶段生产层耦合属时间型系统耦合, 但多数系统耦合属时间2空间型耦合。如某地区进行区域规划与生产规划,按照区域部署不同生产层并使之 有机结合即空间型耦合,但生产规划无不具有时间属性,某一时间段完成何任务,且与另一时间段如何更替 则属时间型耦合。通常时间型与空间型耦合难以分割,特别是在系统耦合高层调控系统中更是如此。实际 生产中往往两者交叉,如在同一地区既进行植物生产,也进行动物生产,同时又作为景观资源加以利用,而加 工、 流通的某些环节可能同时进行。 种间耦合水平。草地生态系统作为有机整体其耦合系统包含植物、 动物的种和种群,即为种间耦合,在此 起关键作用的是生态场和生态位。结构良好的天然群落或不同品种合理混播草地可创造良好的生态场,以提 高牧草产量,改善牧草品质,抑制病虫害,保持草地肥力,延长草地寿命。胡玉
