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1、http:/ - 1 -浅议流域侵蚀产沙系统的复杂性1 原立峰1，周启刚2 1.南京邮电大学电子信息科学系,南京（210003） ； 2.重庆工商大学旅游学院,重庆(400067） E-mail： 摘摘 要：要：复杂性科学（Science of Complexity）是在现代系统科学和非线性科学、人工智能、 模糊理论的基础上发展起来的研究复杂系统问题的学科。 在概述复杂性科学的基础上， 从其 基本原理和观点出发， 对流域侵蚀产沙系统的复杂性进行了深入分析， 指出开放性和动态性、 非平衡性和时空变异性、 多尺度性、 过程不可逆及多重耦合和性和非线性动力演化是流域侵 蚀产沙系统复杂性的主要表现特征
2、， 以此为线索对复杂性科学的研究方法在流域侵蚀产沙过 程模拟中的应用进行了较为系统的归纳，并对流域侵蚀产沙模型未来的研究趋势进行了展 望。 关键词：关键词：流域；侵蚀产沙系统；复杂性；土壤侵蚀模型 1 引言引言 复杂性科学（Science of Complexity）研究兴起于20世纪80年代初，是一门崭新的边缘、交叉学科， 是系统科学发展的一个新阶段。 复杂性科学是以牛顿力学为代表的经典科学的对立体， 其理论框架包含现代系统科学、 非线性科学等所有以复杂系统为研究对象的几乎所有理论。 有学者认为： 复杂性科学是科学史上继“相对论”和“量子力学”之后的又一次科学革命，圣塔菲研究所（Santa
3、Fe Institute，SFI）的创始人George Cowan则称它为“21世纪的科学”1，2。 复杂性科学打破了线性、均衡、简单还原的传统范式，致力于研究非线性、非均衡和复杂系统带来的种种新问题。 它的出现极大地促进了科学的纵深发展， 使人类对客观事物的认识由线性上升到非线性、 由简单均衡上升到非均衡、 由简单还原论上升到复杂整体论。 因此，复杂性科学的诞生标志着人类的认识水平步入了一个崭新的阶段， 将是科学发展史上又一个新的里程碑。 流域侵蚀产沙系统是一个典型的非线性复杂系统， 系统内部的侵蚀发育及演化过程是非常复杂的现象，具有极大的不确定性和混沌特征，虽然其中存在一定的规律，但要精确
4、的预测它们的发展变化规律则是非常困难的。 侵蚀产沙系统的复杂性特征决定了对该系统的研究必须采用复杂性科学的理论和方法，才能使人们拨开重重迷雾，探索系统的本质规律。本文从复杂性科学的视角重新审视流域侵蚀产沙系统， 指出系统的五大复杂性特征， 并对复杂性科学研究方法在流域侵蚀产沙系统研究中的应用做了系统的归纳和总结， 研究认为充分利用现代科学技术， 开展流域侵蚀产沙系统研究， 对解决侵蚀过程模拟和推动土壤侵蚀学科的发展具有重要意义。 2 复杂性科学概述复杂性科学概述 2.1 复杂性与复杂系统复杂性与复杂系统 目前，关于复杂性的定义尚没有一个统一的说法。我们日常所说的 “复杂性”或“复杂”指的是混乱
5、、 杂多、 反复等意思， 而并非科学研究领域中与混沌、 分形和非线性相关联的“复杂性”。 复杂性可以狭义地定义为：复杂性是指复杂系统由于内在要素的非线性相互作用而本课题得到基金项目南京邮电大学“攀登计划”项目（NY206075）的资助。 http:/ - 2 -产生的行为无序性的外在表现。 复杂性概念在不同的学科领域， 研究对象和分析方法各不相同，存在多种不同的复杂性，例如，直观复杂性，计算复杂性，描述复杂性，算法复杂性，有效复杂性和复杂度的“复杂性”等等1。 对于复杂系统的定义目前至少有30多种，比较有代表性的一些是3： 复杂系统就是混沌系统（混沌学派） 复杂系统是具有自适应能力的演化系统（
6、SFI） 复杂系统是包含多个行为主体（Agent）具有层次结构的系统 复杂系统是包含反馈环的系统 复杂系统是任何人不能用传统理论与方法解释其行为的系统（John Watfield） 复杂系统是动态非线性系统 复杂系统的基本特征包括：非线性、动态性、开放性、非平衡性、突现性、不稳定性、混沌、分形和不可预测性等等。简单说，复杂系统就是具备以上基本特征的非线性动力学系统。 2.2 复杂性科学的基本原理和方法复杂性科学的基本原理和方法 复杂性科学的研究范围十分广泛，涉及自然科学、数理科学、生命科学、环境科学、信息科学、经济、管理等领域。目前人们对复杂性科学的概念、研究对象、研究方法等问题的认识还存在很
7、大的分歧。 根据乔治梅森大学 （George Mason University） 沃菲尔德 （Warfield）的总结，复杂性科学研究目前已经形成了系统动力学学派、适应性系统学派、混沌学派、结构基础学派和暧昧学派等几大学派，各学派都有自己相应的研究工具和研究方向4（表1）。 学派名称 代表人物 理论工具 复杂所在 主要研 究方向 系统动力学派 Forresler， Meadows， Senge等以MIT为基地的学者 常微分方程 系统中 学习型组织适应性系统学派 Cowen，Kauffman，Holland，ArthurCasti等以SFI为基地的学者 偏微分方程 系统中 经济、生物、认知等系统
8、混沌学派 一些分散的小组，如：Los Alamos非线性研究中心 非线性常微分方程 系统中 物理、经济等系统 结构基础学派 Warfield，Vickers，Piece， Polanyi，Piaget等人 西方形式逻辑，包括集合论、关系论、图论、点阵论、布尔方法、分叉代数人脑中 管理理论，特别是交互式管理 暧昧学派 一些独立研究的学者 学科交叉及 （或）后现代主义方法 不明确 社会、科学、语言等系统*引自成思危（1999b） 虽然各个学派的研究对象和研究方法各不相同， 但是其开展复杂性科学研究所遵循的基本原理却是相同的。这里总结复杂性科学的基本原理如下： 整体性原理整体性原理 过去人们从事复杂
9、系统研究采用的是系统分解的方法，其理论基础是数学上的还原论和物理上的叠加原理：整体等于部分之和。然而，复杂性科学认为，真正的复杂表 1 复杂性科学各学派学术观点及研究方法* Tab.1 Several Schools Viewpoint and Their Research Methods in Complexity Sciences http:/ - 3 -系统都是非线性系统，叠加原理可能失效。复杂性科学研究将复杂系统看作是一个整体，将整体看作是各功能子系统之间相互作用突现的结果， 系统整体的性质与各子系统的性质并不存在必然的因果关系。 动态性原理动态性原理 复杂性科学认为，复杂系统总是在不
10、断运动变化的，动态性是产生系统复杂性的主要原因之一。 复杂系统总是从一种状态变化到另一种状态， 其中稳定与平衡是运动的一种趋势，而波动、不平衡、矛盾等才是运动的常态，系统在矛盾运动中表现出十分复杂的现象。 时间与空间相统一原理时间与空间相统一原理 复杂性科学不但研究复杂系统的时间演化轨迹，而且还研究其空间运动模式，即研究复杂系统的时空运动变化规律。一般来说，相图等描述的是复杂系统的时间演化轨道， 分形等描述的是复杂系统的空间运动模式， 而这两者又通过奇怪吸引子的分维和李雅普诺夫指数等概念相关联。 宏观与微观相统一的原理宏观与微观相统一的原理 复杂性科学将系统的宏观变化看作是微观变化导致的结果，
11、即宏观变化是微观变量相互作用突现的结果。 正是因为复杂系统的这种非线性作用才使得复杂系统的研究不能采用系统分解的方法， 不能将宏观与微观割裂开来研究， 也就是要遵循宏观与微观相统一的原理。 确定性与随机性相结合的原理确定性与随机性相结合的原理 复杂系统研究不只是将复杂现象看作是系统外部随机因素作用的结果， 而更主要地将它看作是系统内部各因素相互作用的结果， 即系统的复杂性来自系统内部而不是其外部。 综上所述， 可以看出复杂性科学其实就是运用非还原论方法研究复杂系统产生复杂性的机理及其演化规律的科学。 复杂性科学一方面在哲学的高度改变着人们对地理研究的思想观念；另一方面，复杂性科学的技术方法更为
12、地理学研究提供了有力的探索工具5。 3 小流域侵蚀产沙系统的复杂性特征小流域侵蚀产沙系统的复杂性特征 3.1 小流域系统小流域系统 世界上的任何事物之间都在某方面存在某种程度的联系。所谓“系统”，是指由若干相互联系并与环境发生关系的组成部分 （要素） 结合而成的、 具有特定结构和功能的有机整体6。为了有效的研究某个或某种事物， 而把与之密切相关的事物集中在一起作研究， 从认识论来讲，这就是“系统论”；从方法论上看，这就是“系统研究法”。 以一个小流域为例，侵蚀产沙系统是由流域内的土壤系统、水文系统、地貌系统、生态系统等子系统所构成。构成该系统的要素包括：地貌、土壤、降雨、地表径流、植被、生物等
13、。 流域边界内除侵蚀产沙系统外的一切物质构成了系统的环境。 系统内的各个要素 （土壤、降雨、地形等）彼此之间以及它们和自然地理环境之间发生广泛的物质、能量和信息交换。系统的空间结构表现为土壤层次结构、降雨的空间分布、土地利用方式等；系统的时间结构表现为因降雨年内分配不均匀导致的侵蚀产沙量的周期性变化等。 小流域侵蚀产沙系统的功能体现在：地表土壤及其母质在外营力的作用下（降雨、重力、风力等）发生破坏、剥蚀、搬运和沉积，重新塑造了地表形态7。从系统论的观点来看，土壤侵蚀产沙就是系统内各因子相互作用、相互影响导致系统总功能（侵蚀、产沙）的体现8。 3.2 小流域系统的复杂性特征小流域系统的复杂性特征
14、 钱学森院士曾多次指出， 作为地理学的基本研究对象， 地理系统是一个由多要素共同作用的、自然、社会和经济复合的、开放的复杂巨系统9。小流域系统作为低层地理系统，同http:/ - 4 -样具有开放性、非平衡性、多尺度性、过程不可逆、多重耦合性、非线性、不确定性等复杂性现象的特征。其具体表现在以下几个方面： （1）开放性和动态性）开放性和动态性 小流域侵蚀产沙系统是一个开放系统， 它们与系统外环境不断发生物质、 能量和信息方面的交换。例如，降雨带着水、动能和势能进入小流域，同土壤表层发生作用，侵蚀土壤，搬运泥沙沿河道流动，最后经出口流出流域，显示了物质和能量越过流域边界，流进流出。系统不但与外界
15、环境之间发生物质和能量交换，而且系统内部同样进行着物质和能量交换。例如，地表径流和地表土层之间不断的发生水、沙交换，从而形成不同地表侵蚀形态。小流域侵蚀产沙系统的开放性是其复杂性的基本条件。 小流域侵蚀产沙系统是一个动态系统， 系统的状态 （地貌形态） 随时间不断地发生变化。换言之，系统的状态变量是时间的函数。随着时间的推移，系统的时空结构会发生变化，达到一定程度时就会导致旧系统的瓦解和新系统的产生。 在讨论系统的形成和发展时， 必须以时间的单向性和过程的不可逆性为基础10。 （2）非平衡性和时空变异性）非平衡性和时空变异性 小流域侵蚀产沙系统的非平衡性表现为不同小流域侵蚀产沙系统之间以及相同
16、小流域的不同侵蚀产沙子系统之间， 在演化过程中由于各种动力条件及作用环境的不同， 使侵蚀产沙系统在时空上具有差异性。例如，不同地貌类型区的小流域侵蚀地貌形态是不同的；即使是同一个小流域， 由于地表形态和水、 沙供给条件等外部动力条件的不同导致坡面侵蚀子系统和沟道侵蚀子系统的时空结构也各不相同， 这种非平衡性形成了系统不断向前发展的动力条件。 侵蚀产沙系统的时空变异性是指在一定景观内， 不同时间、 不同地点的侵蚀产沙特征存在明显的差异性和多样性。侵蚀产沙的时空变异是多重尺度上的植被、土地利用、降雨、地形和土壤等多因素综合作用的结果， 但就某一具体地区而言存在重点尺度和主控因子， 土壤侵蚀的重点尺度与主控因子的时空关系因时间、空间和尺度而异11。 （3）多尺度性）多尺度性 土壤侵蚀产沙是一个多尺度地学问题。侵蚀产沙的多
