生态 欣 制 原理 EA SER KEM FS OUTPUT aU 4+ Fk ab www.sciencep.com 责任 编辑 re ff 15 7704 $F 12 it Sk #4 15 和 + ss 7 aie 4 BAD, 计 peace oe Pees Neath ste Feinstytatats AR a ess AT [ET SLSLSLI LS LL YL EL AL EL EL BL ALVA EL YS LL YS LAYS EL YS EL YS PL LL EL LS ELSES YL EL Y $0001723 CARCADCARNCADCARMADCARCADCATCAD ox ERS ”金昌 杰 ARH 著 内 LADCADCARCADCATEADCARCADCATCATEARCATDCATNCAD ADCAD LLL YL LLY SHYLY LSS YL LL YL EL VL PL VL LL VS EL YS SLY SPLPAS LSS LLY SLL YS LLY SLL ALLL YL ELAS LL YL PL LL EL VL EL VL PLL EL AL ELAS ELL LLY SEL LL EL LPL IL EL YL EL YS LL VL LL YL EL VL ELIAS EPS EL YL LL ALLL LL LL YL LL YL LL YS EL LLL YS PL YS PLAS LIL EL YS LY SK 27651 内 容 简 - 介 本 书 是 作者 们 多 年 来 研究 生态 学 中 控制 问题 的 概括 总 结 。 主 要 内 容 包 括 生 态 控制 原理 定义 内容、 科学 基础 与 信息 资料 基础 、 现 代 控 制 理论 在 生态 控制 中 的 应 用 、 确 定型 和 随机 型 生态 控制 , 非 清 晰 生态 控制 .生态 控制 运筹 方法 .生态 智能 控制 生态 经 济 控制 与 可 持续 发 展 、. 生 态 大 系统 与 巨 系统 控制 等 。 本 书 可 供 生物 学 \ 农 学 ,地 学 以 及 与 生态 控制 关系 密切 的 控制 论 . 人 工 智 能 、 系统 科学 等 领域 科技 人 员 参 考 ,也 可 供 相 关 专 业 大 专 院 校 师 生 阅读 。 图 书 在 版 编目 (CIP) 数 据 AE AS FE fill DR SERIES Se ”一 北京 :科学 出 版 社 ， 2003 ISBN 7-03 -012522 一 3 l.4-- [.#- 型. 生态 学 QI 人 中 国 版 本 图 书馆 CIP 数据 核 字 (2003) 第 106081 号 责任 编辑 :吉海 滨 RAE ”责任 校对 :和 孙 庆 华 责任 印刷 : 任 继 革 封面 设计 : 张 祥 伟 4 Bek mR HM 北京 东 黄 城 根 北 街 16 号 邮编 :100717 http://www. sciencep. com 沈阳 新 华 印刷 厂 印 刷 科学 出 版 社 发 行 ”各 地 新 华 书 店 经 销 * 2003 年 12 月 第 一 版 开本 :16(787X1092) 2003 年 12 月 第 一 次 印刷 印张 :21 斑 印 数 :1-- 1000 字数 :524 千 字 定价 :75.00 元 (如 有 印 装 质量 问题 ,我 社 负责 调 换 ) FF Ill EA DMBOSFAERRARERA FT, ARRAPELM PEM, 资源 紧缺 ,环境 污染 ,生态 破坏 ,灾害 频繁 ,直接 威胁 一 个 地 区 、 一 个 国家 乃至 全 世界 的 生态 安全 和 可 持续 发 展 。 我 国人 口 众多 ,人 均 资源 短缺 。 近 百年 来 ,自然 资源 的 大 规模 开发 和 不 合理 利用 ,强烈 地 干扰 了 自然 生态 系统 ,造成 生态 破坏 ,生态 系统 功能 减退 ,甚至 衰 这 ,严重 影响 我 国 经 济 和 社会 的 可 持续 发 展 。 本 世纪 前 二 十 年 是 我 国 全 面 建设 小 康 社会 的 重要 时 期 ,必须 提高 资源 利用 效率 ,改善 生态 环境 ,促进 和 与 自然 和 谐 ,增强 可 持续 发 展 能 力 , 推 动 束 个 社会 直上 生产 发 展 ,生活 富裕 、 生 态 良好 的 文明 发 展 道路 ,而 其 根本 出 路 在 于 科技 进步 。 科 学 技术 是 认识 自然 \ 改 造 自然 和 协调 人 与 自然 关系 活动 的 结 晶 ,是 社会 前 进 的 巨大 推动 力 。 生 态 环境 问题 .社会 的 可 持续 发 展 比 以 往 任 何 时 候 都 更 需要 科学 技术 。 走 可 持续 发 展 道路 ,深入 研究 生态 控制 原理 是 一 项 不 可 或 缺 的 基础 工 作 。 生 态 控制 原理 主要 研究 生态 系统 的 结构 、 过 程 及 其 人 为 调控 ,使 其 朝 着 有 利于 人 类 生存 与 发 展 的 方向 演变 。 该 原理 可 用 于 农业 林业、 轨 业 、 温 地 等 产业 结构 调整 和 生态 环境 建设 。 该 书 作者 长 期 致力 于 探索 主要 生态 系统 生态 过 程 的 动力 学 机 制 及 其 调 控 ,力图 通过 人 为 调控 提高 生态 系统 生物 生产 力 、 改 善 生态 服务 功能 ,服务 于 可 持续 发 展 。 该 著作 源 于 作者 对 一 系列 生态 问题 研究 ,通过 观察 实验 、 分 析 与 综合 生态 学 中 的 控制 问题 ,利用 相关 数学 方法 加 以 归 类 、 计 算 与 分 析 , 同 时 参考 国内 外 相关 文献 ,形成 (生态 控制 原理 》 这 本 专著 。 该 书 主要 闻 述 现代 控 制 理论 在 生态 控制 中 的 应 用 、 生 态 控制 运筹 原理 、 不 同 模式 生态 优化 控制 广 法 、 生 态 智能 控制 生态 经 济 控制 和 综合 集成 的 生态 控制 。《 生 态 控制 原理 》 与 (生态 动力 学 》 系 姊妹 篇 ,拓展 了 生态 学 的 研究 领域 。 我 们 相信 ,该 书 的 出 版 必 将 推动 生态 学 的 学 科 建 设 与 发 展 ,在 认识 自然 .改善 生态 环境 和 促进 可 持续 发 展 方面 做 出 应 有 的 贡献 。 LGA 2003 #5 A il} 前 当今 , 随 着 人 口 剧 增 , 工 农业 迅猛 发 展 , 人 类 活动 强烈 地 于 扰 了 地 球 上 的 自然 生态 系 统 ,造成 生态 破坏 、 生 态 系统 功能 减退 ,甚至 误 歇 。 人 类 倘若 再 不 规范 自己 的 行为 ,协调 人 与 自然 的 关系 ,将 会 随 着 社会 经 济 的 发 展 而 走向 毁灭 。 这 不 是 危言耸听 , 而 是 有 目 共 睹 的 现实 。 呼 吁 全 人 类 全 社会 行动 起 来 ,都 来 保护 与 恢复 自然 生态 系统 。 特 别 是 生态 学 家 应 尽快 找 出 既 发 展 经 济 又 不 破坏 环境 的 可 持续 发 展 途径 ,为 人 类 社会 做 出 应 有 的 贡 献 。 走 可 持续 发 展 道路 ,深入 并 拓展 生态 学 研究 是 一 项 不 可 或 缺 的 基础 工作 。 生 态 学 研 究 ,初期 着 力 于 研究 生物 与 环境 间 相 互 关 系 , 随 着 人 类 活动 对 自然 生态 系统 破坏 加 剧 , 著 名 生态 学 家 E. P. Odum 高 瞻 远 瞩 , 于 1997 年 明确 指出 “生态 学 是 一 门 联系 生物 、 环 境 和 人 类 社会 有 关 可 持续 发 展 的 系统 科学 " ,作者 循 可 持续 发 展 的 社会 需求 与 生态 学 学 科 发 展 需求 ,撰写 了 《生态 控制 原理 》。 迄今 ,国内 外 已 出 版 的 书籍 中 ,尚未 见 到 与 本 书稿 的 框架 内 容 类 同 的 著作 ,以往 涉 及 控制 论 方面 的 专著 ,有 《控制 论 )(Norbert Wiener, 1948)《 生 物 控制 论 》( 苏 达 科 夫 ， 1969; 涂 序 彦 ,1980)《 生 物 进化 控制 论 》( 斐 新 潮 ,1999)《 人 口 控制 论 》( 宋 健 等 ,1985 )， 还 有 《大 脑 设计 》( 艾 什 比 ,1954 年 第 一 版 ，1962 年 第 二 版 )《 经 济 控制 论 》( 曼 内 斯 库 ， 1986) 和 《工程 控制 论 》( 钱 学 森 等 ,1981) 等 。20 世纪 60 年 代 的 《生物 控制 论 》 主 要 研究 生 物 系 统 内 各 部 分 相互 联系 与 制约 ,动物 和 人 体 稳定 性 ,以 及 生物 自我 调节 控制 问题 ,后 来 增加 了 脑 系统 、 生 物 大 分 子 系统 等 ,近期 增添 了 器 官 细胞 等 。《 人 口 控 制 论 》 是 经 济 学 中 人 口 学 的 分 支 ,但 是 人 口 控制 实质 也 是 人 类 种 群 控 制 问题 , 它 具 有 生态 控制 的 内 涵 。 至 于 《工程 控制 论 》? 是 痔 述 与 生态 学 无 关 的 控制 问题 ,全 书 130 万 字 仅 一 次 提 到 生物 环境 。 《生态 控制 原理 》 系 4 生态 动力 学 》 的 姊妹 篇 ,主要 阐 述 在 生态 动力 源 驱 动 下 生态 系统 运行 及 其 人 为 调控 ,提高 生物 生产 力 \ 改 善 生态 环 境 , 服 务 于 可 持续 发 展 的 基本 理论 。 与 上 述 控制 论 方面 书籍 有 联系 ,但 思路 连 然 不 同 。 以 往 用 来 表示 生态 控制 的 ecological control (Em-A ,2001) 远 未 包括 生态 控制 的 全 部 内 容 , 它 只 是 我 们 所 说 的 生态 控制 的 一 部 分 。 我 们 提 到 的 生态 控制 可 用 ecological cybernetics 表示 ,但 也 不 限于 cybernetics HAA, A 是 英语 中 没有 更 适合 的 词 ,我 们 所 说 的 生态 控制 系 指 全 部 生态 控制 问题 的 掌舵 术 。 凡 是 生态 控制 问题 均 归 于 本 书 ,除了 cybernetics 的 科学 范畴 ,还 包括 运筹 控制 、 信 息 控制 等 ， 然而 ,最 后 两 个 问题 不 能 归于 cybernetics。 《生态 动力 学 》 主 要 曾 述 生态 过 程 的 动力 学 机 制 ,而 《生态 控制 原理 》 侧 重 介绍 生态 动 力 源 驱动 生态 系统 及 其 人 为 调控 ,使 其 朝 着 有 利于 人 类 生存 与 发 展 方向 进行 的 基本 理 论 。 前 者 主要 是 认识 自然 ,而 后 者 着 重 改 造 自然 。 以 往 , 园 于 人 们 对 自然 生态 系统 的 认 识 , 在 改造 自然 中 存在 着 盲目 性 ,因此 必须 深入 研究 生态 动力 学 及 其 控制 原理 ,以 利 人 类 更 好 地 认识 自然 ,改造 自然 ,提高 生物 生产 力 ,改善 生态 环境 ,加 速 实 现 可 持续 发 展 。 本 书 选 题 由 裴 铁 表 提 出 。 全 书 共 分 十 一 章 ,前 三 章 阐 述 生 态 控 制 原理 定义 、 概 念 和 主要 内 容 , 还 有 生态 控制 原 fl 理 的 科学 基础 与 信息 资料 基础 ;第 四 章 讲述 现代 控制 理论 在 生态 控制 中 的 应 用 ;第 五 六 章 介绍 确定 型 和 随机 型 生态 控制 ;第 七 章 论 述 非 清晰 生态 控制 ;第 八 章 人 氢 述 生态 控制 的 运筹 方法 ;第 九 章 论述 生态 智能 控制 ;第 十 章 讲述 生态 经 济 控制 与 可 持续 发 展 ;第 十 一 章 介绍 生态 大 系统 与 巨 系 统 控制 。 第 一 ` 四 ` 五 .七 \ 八 九 \ 十 一 章 由 斐 铁 瑶 执笔 ; 第 二 十 章 由 金昌 杰 执 笔 ; 第 三 .六 章 由 关 德 新 执笔 ; 全 书 统 稿 由 斐 铁 王 完成 。 由 于 本 书 涉及 内 容 广 泛 , 作 者 的 知识 深度 和 广度 极为 有 限 , 故 书 中 缺点 与 错误 在 所 难免 , 诚 请 广大 读者 批评 指正 。 作者 2003 年 3 月 序 言 ie, CORTE UTC CTTE LTPP eee OC oon aac, a ees eee ( i ) 前 言 ad wile sisiais ly sipinreive.cigojulcisipinemsivine eiusie oe goo kin\euieiaue Kale cele, oielo'vs ieee Hs Melissa buldablans se epee ese (il) Ee a oy pe (1) BS EY FA FEHB PR dis ia) fa (1) 第 二 节 生态 控制 原理 的 科学 基础 概论 esvoeosieoooosoeooeoeiesoeaesooeoseoooaeoosesss (6) 第 三 节 ， 生 态 控制 原理 的 技术 依托 .资料 及 信息 pp (9) 第 四 节 生态 控制 的 时 空 尺 度 oooooosseseoeooosasoososeooeoooooossooeoiooooooooooooooiasssasn (11) 第 五 节 ， 生 态 控 制 系统 复杂 性 开放 性 与 相对 封闭 性 pp (15) BSA BLM APE FASE FTIR «+ += ee ne ee cere std tlateean Sd ode oadedonueienccrencpsenead (19) 第 七 节 发 展 方向 前景 展望 及 存在 问题 ooooooosooosooooooioiooisosooiaooeooooooon (20) BA MR OPP rrrrerrrrrerrrrerrrrere rere ree eer ee eer eee eee (23) 第 三 章 .… 生态 控制 的 科学 基础 oooee oe ee nent cenceneeccceeeneceeeneestccsececereeseceeeereneeees (24) 本 三 二 近 制 的 数学 基础 oo (24) 第 二 节 生态 控制 的 物理 学 基础 osoooooeooosooooeooeooooooeoooeooooeseoeooooeooso5osaei (33) 第 三 节 生态 控制 的 化 学 基础 ooooooooooooooosooooooooooooooooooooosdiooisoeoooeoeseooo。 (42) 第 四 节 生态 控制 的 地 学 基础 oooeooooseoeooeeooeeseeeoosiioeaeeseiieoeesaeseoeseeoosaoeooeis (52) 第 五 节 生态 控制 的 生物 学 基础 cece nen cencencnecceneccecencesceccesieesecccscsecevioccccs (58) 参考 文献 sosoeeseeseseseeeoooooooeooooieiio ens eees dens secsecesccverasncsieidsvvveseesccsceccccces (60) 第 三 章 … 生 态 控制 的 信息 资料 基础 pp (61) BE A Te BR YA SE Had BE Bah ono ence ensececesccenenenennsnnsnnensssbineds edie’ (61) 各 二 节 … 适 感 影 像 资料 的 生态 控制 信息 .oo (63) 第 三 节 源 于 GIS 的 生态 控制 信息 oooooosooooooioioeooosoooeooooooooooooooeooooioeoooe oo (68) 第 四 节 计算 机 系统 数据 库 、 网 站 中 的 生态 控制 信息 和 (70) 第 五 节 生态 控制 的 最 新 信息 源 oo (73) 参考 文献 pp (77) SSS :现代 控制 理论 在 生态 控制 中 的 应 用 .pp (79) 第 一 节 “典型 现代 生态 控制 系统 及 数学 模型 建 模 原则 coves eee ee ese e cece 9 (79) 第 二 节 ”生态 控制 系统 描述 与 分 析 的 状态 空间 方法 pp (82) 第 三 节 最 大 值 原 理 在 最 优生 态 控制 中 的 应 用 ooooaeioosesoeoodoaooaoeooosoueoi (85) 第 四 节 Bellman By AS Sa) EB AEC Ae ASHE Hl PA BD FY ooeeeeeeeeeeeeeereeneees (102) 参考 文献 ooeeeeweewoooesoeeeeeieeeaeeaoaooeeoaeweoeeee 有 ai 机 céle cute Mab abeceeuuisgers cele cee (109) toe Me pa easel. Gwe ost ere eee ete eee Tas tte eeer eee (110) 第 一 节 农作物 及 杂 草 生态 控制 模式 wa (110) 第 二 节 ”树木 生态 控制 的 最 优 策 略 pp (119) 第 三 节 .…. 温 地 管理 及 求 文生 态 控制 3 祭 证 市 思 诊 谴 启 人 2 考量 起床 (123) 第 四 节 己 与 动物 ( 含 人 ) 有 关 的 确定 性 模 造 0 (135) 第 五 节 相对 闭合 生物 环境 的 生态 控制 0 (150) BAW ”工业 废 热 与 土壤 及 近 地 面 空气 生态 动力 源 控 制 模型 eee eee. (156) 参考 文献 ve ewe ccecncuacsveveeseccccvessenenessccevesescesccescevcceseceveuseveoscsusossecsuee (158) 第 六 章 随机 型 生态 控制 1 (161) 第 一 节 试验 统计 的 生态 控制 模式 $9\0.0:0 elsie/e eld sein ceiS.eiee weve 06 0c'ue.bwcisivinelnlsieieate satay aan (161) 5 — A :动物 性 别 对 抗 与 交尾 优化 控制 模式 -pp (170) 第 三 节 最 优 饲料 理论 :统计 模式 aoleaieaeee 0.0,0.0.010.010.6.0\0\0,0\0.0.0 006 RO UNE ees (174) 第 四 节 生态 控制 随机 过 程 eee ccc ceccceeeeeecvecescccesssevecvecccscscusecceussccestsee (174) 第 五 节 马尔 可 夫 链 与 生态 产量 预测 控制 seis alvin sio'e ales Sinis Slob cine cles ces aviedubheveteeaias (176) 六 节 “ 集 对 分 析 及 新 集 对 论 在 生态 控制 中 的 应 用 pp (179) 人 参考 文献 ou on wi9't 01 ein nsin'elelis 0 lela ninjuie(e'sipie wivieicie'yie'u 0iv\e a ne.nlsln/g/ 省 入 (182) 第 七 章 ， 非 清晰 生态 控制 ， .PP (184) 第 一 节 非 清 晰 问题 及 其 控制 原理 a 0ccceccseceses dale sivescpe cle see ame tah sue ataitcs = cat ait (184) oe ee ee, ee Soe ee fe (186) 第 三 节 动 植物 生境 的 灰色 控制 weooeeeeooeosseoeeossessosesesdaoeaaaassoas5aaaaa sl 克昌 交 (191) 第 四 节 “区域 开 发 生态 经 济 控制 :灰色 局 势 决策 pp (196) 第 五 节 … Te eel eee. toa te (200) 参考 文献 coc cccweseccerecscccccescecccecsecsecscescioes bulb eldest’ vlels Sele ols sisls ails cles qalbiscsgubels (212) 第 八 章 生态 控制 的 运筹 方法 eee caceineccccccccccscevccee ste ciue cele dee cas cls asm owaaeks omaaw ater (213) 第 一 节 .. Fre SE Ne Ee Pe ML ks csssencceenesecone ses tibie site dai det dale du S06 aa ab weealugaS (213) 第 三 节 .. 生态 控 制 决 策 方法 pp (214) 第 三 节 ”生态 控制 的 Mapxon 决策 过 程 (MDP) ppp (218) S25 DAS... 生态 控制 的 Nash 博 计生 (223) e's | ee ee coe Tt bo (233) 第 九 章 生态 智能 控制 pp (234) 第 一 节 - 传统 生态 控制 与 智能 生态 控制 eee (234) Ely BE: Se A= oe Cope WOE o, el bee (234) 第 三 节 .…. 生 态 控 制 信息 模式 识别 技术 实例 needs esa bece ceases esse ede cde eondevame (242) 第 四 节 ,生态 控制 集成 型 模式 识别 -pp (256) SE FEA: AEA BARE BR. «+ vee n nwo nner nnn see SMG CREM pba Bae anh ety ohh Sah oo OS a ED EB (258) 第 六 节 “人 工 神经 元 网 络 在 农田 生态 控制 中 的 应 用 ppp (259) 第 七 节 人工 生物 环境 温度 的 智能 控制 pp (261) SE NAS EE FES ah ee BETA GE «220s 0h ne cide che Bab THN obi 0s Uy See tts ap dae dab hele oo Moma (262) 参考 文献 pe (266) 第 十 章 生态 经 济 控制 与 可 持续 发 展 RN (268) S45 能 值 利用 、 环 境 负荷 与 生态 经 济 的 可 持续 发 展 eeeeeeeeeeee (268) 第 二 节 城市 生态 环境 及 其 可 持续 发 展 的 生态 经 济 控制 eee eee eee (277) 第 三 节 水 域 附 近 生 态 经 济 最 优 控制 -se (282) 第 四 节 可 持续 农业 (SA) 问 题 的 多 重 标准 分 析 oso cnecpecvindsoesvcecadsesbocecceues (283) Vl 第 五 节 “农业 生态 -经济 -社会 可 持续 发 展 的 层次 pp (287) 第 六 节 林业 可 持续 发 展 的 树苗 基地 策略 See bean Se cient enon ¥ Hus Cinieee Wibsieene es copes (292) 第 七 节 分 布 参数 系统 在 畜牧 生态 经 济 控制 中 应 用 Sipe Gnesi ias «SER bie e Uwe vueaina’s (295) 第 作 节 “生态 -经济 工 程 随机 微分 控制 eee (298) 第 九 节 Cis 在 植被 可 持续 发 展 管理 中 应 用 Sin iivin’e prWise SiWler SSislaieie ne Side alvinbmlaltuibewine (301) 参考 文献 simi Winnie ae al S16 Siphaycinin b)aja a/id qia'e «/a\0 o[m 5) auin alule o\sin alsin ala.s\ebie, elas rw i\uinin:« ula'e were Sibiwiaisiam meine wie.e (306) 第 十 一 章 生态 大 系统 与 巨 系统 控制 iw wena oils wlth Gjahe.e/olbie aih-0,0.6) ds clei sw aide-e ie Ra nere.n wise werd a6 (308) 第 一 节 ， 大 系统 巨 系统 生态 控制 一 生态 控制 发 展 新 阶段 coerce (308) 第 二 节 ”大 系统 生态 控制 pp (309) 第 三 节 简单 巨 系统 生存 竞争 模型 OS SRE ARs witla ‘SNe Slab Gein s b\eja6 Givin ssl bww:6 6 a'\6.nie sb sialein’ (315) 第 四 节 开放 的 生态 复杂 巨 系 统 及 其 控制 Sv s'sieih si8i6/visis sisic\cvino's piniapae bison ecnewsisntess (322) 人 参考 文献 bieiiin ine a lninibieisiasa0 eisin/uraie w\nie s cisipys in nibinininidlp S'ew.n'sipiSiaainipoln's ainle univ bnje\einiasm.siuitase nisie/els sipiersinids (331) 后 记 二 让 010,0.0:01016 njaini6.p/e (8:6 6/n(e(6)6\a/a10\6\5,0'6 win\n/9\n) 5 0.05 o(n)n,5)p 6\0. 0:6 cin iujnin\eiwiniwinipinin syn eieinje jae eine (333) | P ‘Tele 加 Lets 中 7 WV ie fy ~ ‘ Ae 7 A * ’ A al \s hs ty % 7° rey ; fj ae g! - HW Of al ‘7 q ‘ : 4 5 4 ( ’ Ls 5 : 4 7 t a bd ri ’ A J J i] s , > f] : es — oF ? iy ; ' y 1 ’ i at i ° 7 2 2" aA ope mares wf sayy mat Abed 4 - rg “bie fia ee jie 有 人 ahh nies 第 一 章 绪 论 生物 依赖 环境 ,同时 也 在 改变 环境 。 这 种 关系 早 在 古代 就 为 人 们 胖 膀 胱 胱 地 感受 到 了 。 随 着 科学 技术 的 发 展 , 逐 步 形 成 并 日 至 完善 的 生态 学 (ecology)。 尽 管 关于 什么 是 生 态 学 ,不 同时 期 的 学 者 给 出 的 定义 不 尽 相 同 ,但 大 同 小 异 ,通常 概括 为 :生态 学 是 研究 生 vceaaiatapbiiasiahliat 和 学 门 应 用 歼 学 化 、 wantin 和 人 方向 进程 中 ， 态 学 cal kinetics) 应 运 而 生 。 近年 出 版 的 《生态 动力 学 》( 科 学 出 版 社 ， pipe 生态 动 力学 是 生态 学 和 动力 学 的 交叉 学 科 , 研究生 物 、 环 境 和 人 类 社会 相互 作用 及 可 持续 发 展 的 动力 学 机 制 与 途径 。 本 《生态 控制 原理 》 系 《生态 动力 学 》 的 姊妹 篇 , 它 是 以 生态 动力 学 和 控制 论 为 主要 基础 ,通过 调控 生态 动力 源 一 汇 关 系 , 旨 在 提高 生态 系统 生产 力 、 保 护 并 改善 生态 环境 的 原理 方法 与 途径 。 本 章 将 阐述 其 内 容 、 学 科 基础 、 技 术 依托 及 信息 、 时 ZS REE 复杂 性 开放 性 、 科 学 价值 及 发 展 方向 等 ,作为 绪论 ,只 能 是 一 种 概括 ,更 为 详细 内 容 , 将 在 后 面 章节 中 详 述 。 第 一 节 ”和 定义 和 内 容 概要 什么 是 生态 控制 原理 ? 它 包 括 哪 些 内 容 ? 通常 是 指 生 态 动力 源 驱动 生态 系统 运行 及 其 人 为 调控 ,使 其 朝 着 有 利于 人 类 生存 与 发 展 方向 进行 的 基本 原理 ,都 属于 生态 控制 原理 。 下 面 我 们 分 述 其 基本 定义 和 重要 内 容 。 — BREN 生态 学 在 多 年 发 展 的 历程 中 ,新 概念 、 新 定义 、 新 原理 和 新 技术 方法 不 断 涌现 ,在 20 世纪 和 本 世纪 初 ,尤其 是 这 样 。 同 许多 其 他 学 科 一 样 ,生态 学 许多 分 支 的 发 展 规律 ,一 般 也 是 从 定性 走向 定量 ,从 运用 一 般 语言 的 描述 到 运用 数学 语言 刻画 ;从 运用 初等 数学 到 运用 高 等 数学 ;从 运用 经 典 的 纯 数 学 到 运用 面向 实际 生态 问题 的 应 用 数学 ; 从 运用 古典 数学 到 运用 现代 数学 。 与 此 同时 , 它 也 运用 其 他 自然 科学 分 支 , 还 有 隶属 社会 科学 领域 的 生态 经 济 学 。 由 于 数学 以 及 其 他 基础 科学 的 不 断 发 展 , 生 态 研 究 针对 的 对 象 不 断 增 多 ,应 用 领域 不 断 拓 宽 ,许多 新 的 分 支 学 科 不 断 发 展 。 近 年 出 现 的 生态 动力 学 是 从 生态 动力 源 - 汇 关系 出 发 探讨 生态 学 中 的 动力 学 问题 的 一 门 新 兴 的 分 支 学 科 ,是 探讨 可 持续 发 展 的 动力 学 机 制 和 途径 , 当 属 服务 于 可 持续 发 展 的 自然 科学 原理 方面 的 著作 之 一 。 为 使 生态 学 能 够 向 着 有 益 于 认识 自然 和 改造 自然 的 目标 前 进 , 只 深化 其 动力 学 基础 , 尚 显 得 不 够 充分 ,因为 生态 动力 学 是 以 认识 自然 为 主旨 ,而 在 生态 学 为 改造 自然 服务 方面 , 优 化 调节 、 优 化 控制 优化 管理 ,显得 十 分 必要 ,所 以 急需 有 这 方面 的 专门 且 系统 的 理论 书 籍 。 与 此 同时 ,人 们 在 改造 自然 的 多 种 多 样 实践 中 ,调节 、 管 理 与 控制 生态 动力 源 - 汇 关 系 的 客观 动态 方式 是 很 多 的 。 这 种 调节 、 管 理 与 控制 的 实践 活动 无 论 是 自觉 的 ,还 是 非 自觉 的 ,尺度 是 不 尽 相 同 的 。 从 宏观 上 可 大 到 全 球 , 此 为 工业 化 以 来 向 大 气 中 排放 CO, 1 量 的 增加 ,影响 全 球 的 生态 环境 ;从 微观 上 ,一 座 温 室 、 一 个 鱼 塘 ,一 个 蜂 房 乃 属 于 微 环境 调节 , 均 为 生态 控制 范畴 。 无 论 是 自觉 或 不 自 党 的 控制 ,调节 、 管 理 和 控制 得 好 的 例证 很 多 ,比如 生态 县 建设 。 调 节 与 控制 得 不 好 的 例证 ,也 是 有 的 ,比如 毁 林 垦荒 。 我 们 的 目标 是 ,让 调节 与 控制 尽量 避免 盲目 ,逐步 走向 自觉 。 使 其 应 用 数学 化 、 客 观 定量 化 ,以 利 可 持续 发 展 ,减少 失误 。 我 们 写 这 本 《生态 控制 原理 》, 正 是 实现 上 述 宗旨 的 一 项 不 可 或 缺 的 基础 工作 。 提 到 控制 原理 ,人 们 往往 会 联系 到 控制 《control) 这 一 科学 术语 ,进一步 联想 到 技术 科学 工作 者 (如 自动 化 学 科 和 领域 的 基础 研究 人 员 ) 常 用 的 “控制 理论 "(control theory) , 如 果 结 合 到 生态 问题 加 以 推理 , 则 应 是 "控制 理论 在 生态 学 中 的 应 用 ”" (application of control theory to ecology) ,这 样 的 联想 和 推理 所 涉及 的 内 容 并 不 全 面 , 因 为 它 实 质 上 只 是 我 们 所 说 的 “生态 控制 原理 "(principium of ecological cybernetics) 的 一 个 组 成 部 分 ,并 且 只 能 说 是 一 个 比较 小 的 组 成 部 分 。 如 所 周知 ,控制 理论 只 是 控制 论 (cybernetics) 的 一 个 组 成 部 分 ; 退 一 步 说 ,即使 我 们 假定 生态 控制 原理 是 控制 论 在 生态 中 的 应 用 (applications of cyber- netics to ecology) ,这 也 不 能 全 面 概 括 作 者 思想 中 的 生态 控制 原理 的 原意 暨 本 意 。 为 了 解 释 这 一 问题 ,让 我 们 首先 谈 一 谈 对 控制 论 "一 词 的 初步 认识 。 控 制 论 诞生 于 1948 年 (以 Norbert Wiener 所 著 Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine (42 fil 1 :或 关于 在 动物 和 机 器 中 控制 和 通讯 的 科学 ?初版 为 标志 ) ,而 cybernetics 这 个 名 词 是 很 早 就 有 了 。 一 般 认 为 ,该 名 词 源 于 希腊 文 euBsovmrmg ,在 古 希 腊 著 名 哲学 家 柏拉图 著作 中 ,其 意义 是 “掌舵 术 “ 现 印 欧 语 系 多 种 文字 表达 大 同 小 异 , 德 文 Kybernetic， 法 文 cybernetique, 西班牙 文 cibernetica, 意大利 文 cibernetica, 人 荷兰 文 cybernetica, 波兰 文 cybernetyki; 而 日 文 片 假名 A SATA yA A), MARFA POS Ee “控制 理论 "。 对 此 , 生 态 动力 学 》 一 书 亦 曾 提 及 。 在 汉语 中 ,在 自然 科学 中 正式 起 用 控 制 论 一 词 是 1958 年 戴 汝 为 院士 译 钱学森 院士 所 著 英 文 版 的 Engineering Cybernetics (1954) 一 书 。 据 戴 汝 为 院士 介绍 ,前 苏联 学 者 将 engineering cybernetics 译 为 俄 文 版 时 ， 曾 征求 钱学森 意见 , 钱 说 是 Texnonormuekan KH6epHerHKa。 可 见 工程 控制 论 的 一 般 而 直观 的 意义 应 当 是 : 技术 科学 之 掌舵 术 ” ;就 此 可 能 有 人 推理 :生态 控制 论 (ecological cyber- netics,3KOJTIOrHdecKag KHGepHeTHKa) 是 “生态 学 的 掌舵 术 ”。 当 然 ,至 今 尚 未 见 有 生态 控制 论 "这 样 的 专著 ,或 者 说 人 们 对 生态 控制 论 这 门 学 科 的 认识 远 远 没 有 达到 统一 。 曾 庆 存 院士 曾 提出 自然 控制 论 , 似 应 是 比 生态 控制 论 有 更 为 广泛 的 内 容 。 但 是 ,我 们 可 以 认为 : 生态 控制 论 (或 者 通俗 地 说 ,是 生态 方面 的 管理 ,调节 与 控制 的 掌舵 术 ) 亦 应 属于 生态 控 制 原理 组 成 部 分 。 其 次 ,我 们 这 里 所 说 的 生态 控制 原理 或 日" 生态 掌舵 术 ” ,其 内 涵 绝 不 限于 控制 学 科 所 限定 的 控制 论 意义 ;控制 论 绝 非 是 生态 控制 原理 的 唯一 支持 学 科 。 为 ,从 本 书 以 后 章节 的 内 容 , 读 者 将 会 看 到 :所 用 数学 描述 方法 ,基本 原理 和 算法 远 不 限 -于 经 典 控制 论 、 现 代 控 制 论 和 大 系统 理论 的 框架 , 它 还 用 诸如 概率 论 、 随 机 过 程 、 泛 函 分 析 、 系 统 论 模糊 数学 混沌 理论 .运筹 学 等 多 种 数学 和 系统 科学 分 支 学 科 的 内 容 , 而 这 些 分 支 学 科 并 不 在 cybernetics 的 范围 之 内 。 当 然 生 态 控制 原理 也 包括 用 现 有 数学 方法 尚 不 能 很 好 解释 的 经 验 控制 。 这 是 因为 经 验 丰 富 也 有 益 于 生态 控制 。 这 些 有 的 可 用 人 工 智能 专家 系统 加 以 处 理 , 有 些 则 不 能 ,但 经 验 所 产生 的 优良 控制 结果 不 可 忽视 ,并 可 积极 应 用 ,在 应 用 实践 中 ,再 找 出 其 理论 依据 。“ 生 态 控制 原理 " 既 涵盖 控制 论 方法 ,也 涵盖 现 代 控 制 理 论 方法 ,但 它 又 不 局 限于 这 些 方法 。 这 是 以 生态 动力 源 - 汇 关 系 的 优化 调控 为 2 目标 。 它 实质 上 应 当 是 广义 的 生物 控制 论 的 一 个 重要 且 独 立 的 组 成 部 分 ,而 且 经 典 生物 控制 论 并 不 能 概括 生态 控制 论 的 基本 原理 。 在 控制 论 及 其 主要 分 支 学 科 发 展 历程 中 , 生 物 控制 论 ,几乎 是 与 工程 控制 论 同 时 间 被 提出 并 获 确认 的 分 支 。 在 我 国 ,1980 年 出 版 了 涂 序 彦 教授 的 《生物 控制 论 》? 这 部 专著 。 继 后 ,他 又 发 表 了 《大 系统 理论 》。 但 是 这 两 本 书 均 未 有 本 书 将 要 论述 的 “生态 控制 原理 的 内 容 。 本 书 的 主要 内 容 系 作者 们 20 多 年 来 研究 生态 学 及 其 控制 原理 并 广 征 博 引 国内 外 有 关 文 献 的 总 结 。 它 的 出 版 必 将 充实 生态 动力 学 改造 自然 的 功能 手段 的 科学 机 理 , 拓 广 数 学 新 方法 在 生态 控制 中 的 进一步 深化 应 用 ,力争 为 生态 学 的 知识 创新 上 一 个 新 台阶 做 出 微薄 贡献 。 其 终极 目标 当然 是 为 优化 人 类 生存 环境 ,实现 可 持续 发 展 。 二 内 容 概要 生态 控制 原理 ,既然 是 以 其 原理 探索 为 出 发 点 ,以 服务 于 社会 为 落脚 点 ,并 成 为 农林 环卫 等 应 用 学 科 的 基础 之 一 。 上 述 原 则 使 该 学 科 主 要 内 容 具 有 理论 基础 深厚 性 、 时 空 尺 度 广泛 性 学 科 交叉 多 元 性 、 实 际 应 用 复杂 性 的 基本 特征 。 1. 主要 科学 基础 生态 控制 的 对 象 生 物 和 环境 之 间 的 关系 ,或 者 改变 环境 使 其 更 加 有 利于 生物 生长 ， 或 者 调节 生物 关系 使 其 适应 环境 ,或 者 两 者 兼 而 有 之 。 但 无 论 哪 种 方法 一 般 都 涉及 非 生 物 的 \ 生 物 的 生态 动力 源 ,涉及 各 种 生态 动力 汇 MUSED BY. 动物、 微生物 ) 有 关 的 自然 科学 中 的 多 种 分 支 学 科 ,都 是 与 生态 控制 的 基础 分 不 开 的 。 数 学 之 所 以 被 许多 研 究 者 视 为 "科学 之 王 ” ,在 于 它 能 够 客观 地 反映 关于 量 和 空间 的 特有 规律 。 生 态 控制 , 事 实 上 早已 应 用 数学 作为 指导 。 只 是 在 科学 不 发 达 时 代 , 生 态 控制 运用 的 是 简单 的 初等 数 学 , 随 着 数学 本 身 发 展 到 高 等 数学 阶段 ,也 应 用 了 高 等 数学 ,不 过 是 在 力学 、 物 理学 天文 学 运用 之 后 的 许多 年 。 物 理学 中 许多 分 支 学 科 , 事 实 上 也 早已 用 于 生态 控制 之 中 , 这 包 括 力 学 \ 热 力学、 电学 光学、 原子 物理 学 及 其 中 的 更 细 的 分 支 学 科 。 化 学 主要 用 于 营养 生态 动力 源 的 控制 。 地 球 科学 中 的 土壤 学 、 地 钥 学 气象 学 \ 水 文学 , 虽 为 非 生 物性 质 的 ， 但 只 要 作用 于 生物 , 便 成 为 直接 的 生态 动力 源 ,于 是 它们 构成 生态 控制 的 直接 基础 学 科 。 生物 学 中 的 许多 非 生态 领域 学 科 ,构成 生态 育种 .生物 营养 .生物 防治 之 基础 ,而 这 些 均 与 生态 控制 密切 相关 。 自然 科学 中 分 支 学 科 或 直接 或 间接 地 作为 生态 控制 的 基础 ,这 种 基础 的 作用 不 是 孤 立 的 ,而 是 相互 关联 的 。 我 们 只 是 为 了 方便 ,往往 分 别 研究 ,但 也 同时 注意 不 同 层 次 的 内 在 关系 ,或 筛选 出 其 中 主要 者 。 社会 科学 中 的 经 济 学 ,也 是 生态 控制 的 基础 之 一 ,这 是 因为 ,如 《生态 动力 学 》 中 所 说 ,人 类 活动 生态 动力 源 (human activity eco— dynamic resource) 属 于 生态 动力 源 的 范畴 ， 尤其 是 生态 控制 中 的 自觉 控制 总 是 由 人 来 设计 ,人 来 建设 ,人 来 完成 。 这 必然 涉及 到 活 劳动 的 优化 控制 ,以 便 在 可 持续 发 展 中 取得 事半功倍 的 生态 控制 效果 。 2. 资料 信息 基础 由 于 生态 控制 原理 内 容 十 分 广泛 ,所 以 它 所 涉及 的 自然 科学 各 学 科 的 许多 基础 资 料 ,一 般 都 可 以 作为 它 的 资料 基础 。 利用 现代 技术 , 目前 主要 有 三 种 信息 系统 的 资料 ,可 随时 用 于 生态 控制 的 业务 和 研 究 工 作 之 中 ,它们 是 : (1) 地 理 信 息 系统 地 理 信息 系统 把 地 图 信息 、 遥 感 图 像 信 息 和 其 他 有 关 人 口 统计 土地 利用 、 自 然 资 源 、 能 源 交 通 等 信息 集成 起 来 ,通过 计算 机 统一 管理 ,可 快速 检索 各 种 形式 的 综合 信息 。 在 地 理 信息 系统 中 ,有 关 自 然 地 理 的 信息 , 绝 大 多 数 可 构成 生态 动力 源 因 子 ;在 涉及 人 文 地 理 、 经 济 地 理 的 信息 中 ,有 些 与 生态 经 济 有 关 。 地 理 信息 系统 及 其 数据 库 是 生态 控制 所 需 信息 的 重要 来 源 之 一 。 地 理 信 息 系 统 数 据 可 分 为 第 一 手数 据 和 第 二 手数 据 ,根据 存储 形式 也 可 分 为 非 电 子 数据 和 电子 数据 。 地 理 信 息 系 统 中 ,图 像 数据 库 系 统 System - W(《 石 青云 文集 》,2001) 是 结合 图 像 数 Be ,图 示 语 言 等 新 兴学 科 分 支 的 研究 成 果 , 重 点 研究 了 地 图 自动 输入 、 地 理 实 体 的 综合 言 息 查询 、 友 好 用 户 界 面 等 地 理 图 像 数 据 库 系统 软件 。 友好 用 户 界 面 对 系 统 的 关系 转化 及 其 推广 应 用 具有 重要 意义 。 (2) 卫 星 遥 感 信 息 从 遥感 影像 资料 中 提取 有 关 地 学 、 生 物 学 信息 ,弥补 地 面 调 查 与 观测 资料 的 不 足 , 特 别 是 在 人 们 无 法 实地 观测 与 调查 的 区 域 ,从 适 感 影像 中 获取 有 关 资 料 , 是 从 事 不 同 尺 度 ， 尤其 是 大 尺度 生态 学 研究 所 必需 的 。 遥感 兴起 于 20 世纪 初 ,1910 年 第 一 次 从 飞机 上 拍摄 地 面 照片 ,开创 了 近代 航空 摄影 的 先河 。 遥 感 技术 应 用 于 生态 学 始 于 20 世纪 30 年 代 ,60 FRIAS PERERA, 1972 年 第 一 颗 地 球 资源 卫星 (Landsat 1) 发 射 成 功 ,成 为 遥感 发 展 史 上 另 一 个 重要 里 程 碑 ,直到 1994 年 的 Landsat 7, 功 能 逐渐 完善 ,其 空间 分 辨 为 10 一 30m,NOAA 气象 卫星 地 面 分 辨 是 1.1km。 法 国 SPOT 系列 卫星 分 辩 率 已 达到 10m。 而 近年 发 射 的 小 卫星 KO- NOS 分 辨 为 1Im, 适 于 在 景观 生态 系统 扩 度 上 进行 壳 感 分 析 。 遥感 技术 可 应 用 于 自然 资源 动态 监测 ,诸如 ,土地 利用 状况 、 和 森林 履 被 .草地 资源 调 查 , 还 可 以 应 用 非 生 物 生 态 动 力 源 及 灾害 监测 , 像 沙 尘 暴 洪水 、 霜 害 危险 地 带 的 探测 , 积 SERA 酸雨 监测 ;还 有 农作物 种 植 面积 \ 苗 情 以 及 产量 评估 的 监测 等 。 (3) 信 息 网 络 数据 信息 网 络 这 些 年 发 展 迅速 。 在 发 达 国 家 已 有 较为 完善 的 系统 专门 用 于 生态 监测 。 如 2002 年 初 , http // cdiac. esd. ornl. gov/programs/ameri flux/scif. htnn 报道 了 Ameri Flux Network 的 现行 状况 。 该 网 反映 陆地 生态 系统 CO, 净 通 量 , SE TH CO, 交换 的 支 配 因 子 ,以 便 确 定 对 气候 变化 、 空 气 污染 和 CO, 洲 度 的 影响 的 重要 反馈 机 制 。 一 般 的 常用 信息 网 络 , 如 因特网 (Internet) 包 括 许多 可 用 于 生态 控制 信息 。Internet 和 20 世纪 信息 技术 发 展 的 必然 结果 。 其 中 含有 与 生态 动力 及 其 控制 有 关 的 大 量 信息 ,通过 Internet 达到 ”“ 集 智慧 之 大 成 ,使 生态 控制 诸多 理论 和 具体 技术 问题 得 以 解 决 。 这 当然 需要 通过 人 机 结合 作业 方 得 以 实现 。 由 于 Internet 是 一 个 特殊 的 复杂 系统 ， 用 之 应 以 正确 的 科学 方法 论 为 指导 。 如 运用 钱学森 院士 在 前 些 年 提出 的 从 定性 到 定量 的 Hall for Workshop of Meta— Synthesis Engineering 系统 ,会 取得 新 的 成 绩 。 值得 注意 的 是 网 络 科学 新 技术 给 予 生态 控制 带 来 信息 的 实用 性 ,并 非 一 般 人 可 望 不 可 及 。 在 目前 ,只 要 掌握 运用 它 的 生态 控制 原理 ,尤其 是 智能 控制 原理 (本 书 第 九 章 ) ,就 会 变 成 农户 可 用 的 技术 ,更 不 用 说 科技 工作 者 和 政府 职能 部 门 管理 者 。 在 我 国 , 据 2002 年 7 月 22 日 新 华 社 发 布 的 消息 ,网 民 数 量 已 超过 4500 万 人 , 仅 次 于 美国 和 日 本 , 排 在 世 4 AMI 界 第 三 位 。 就 拿 技术 原本 比较 落后 的 辽宁 省 法 库 县 来 说 ,到 2002 年 7 月 时 已 建成 贯通 全 县 的 信息 网 络 。 在 农村 网 络 中 ,生态 方面 信息 将 日 益 丰 富 。 3. 现代 控制 理论 的 应 用 张 钟 俊 院士 曾 指出 :现代 控制 理论 是 控制 论 的 核心 。 其 实 , 更 确切 地 说 ,现代 控制 理 论 是 控制 论 发 展 到 现代 控制 论 阶段 的 一 种 主要 理论 。 在 工矿 企业 自动 化 等 领域 ,现代 控 制 理 论 最 早 被 应 用 。 由 于 近年 来 ,生态 动力 学 问世 并 向 着 数学 化 自动化 方向 的 发 展 ,由 于 生态 学 研究 考虑 到 动力 学 的 作用 ,所 以 在 生态 控制 原理 中 ,充分 利用 现代 控制 理论 ( 主 要 是 Karman 滤波 、Bellman 的 动态 规划 和 Ioarpara 的 最 大 值 原 理 ) ,是 非常 必要 的 ,也 是 完全 可 能 的 。 当然 ,由 于 生态 控制 问题 所 涉及 到 的 许多 原则 ,与 工矿 自动 化 相 比 ,其 随机 性 和 振 功 性 非常 大 ,所 以 使 用 微分 方程 (组 ) 的 表达 不 可 能 像 对 竺 刚体、 流体 运动 那样 十 分 确切 ,或 者 形象 直观 一 点 说 ,存在 着 牵强 附会 的 成 分 ,但 探索 规律 ,在 目前 尚 不 能 算 为 时 过 早 。 比 如 在 气象 学 上 ,仿照 天 文 预报 提出 用 流体 力学 微分 方程 作 数 值 预报 的 方法 ,至 今 也 不 可 能 像 天 文学 那样 准确 ,但 如 果 不 是 在 20 世纪 80 年 代 前 提出 这 种 方法 ,也 不 会 有 今天 的 中 期 预报 的 准确 率 。 尽 管 这 样 的 120h 内 的 气象 预报 ,还 没有 办 法 同 天 文 预报 (提前 几 百 年 ) 相 比 , 但 这 是 微分 方程 在 地 球 科 学 中 的 应 用 范例 。 坚 信 ,今天 用 现代 控制 理论 对 生态 原理 的 研究 , 终 将 在 未 来 生态 学 及 其 控制 中 结 出 丰硕 的 果实 。 4. 生态 信息 的 动态 与 随机 控制 问题 由 于 生态 系统 不 但 具有 确定 性 特性 ,还 具有 随机 性 特性 ,就 其 随机 性 方面 ,应 用 机 会 数学 比 应 用 微分 方程 更 简单 便捷 。 但 是 ,生物 物理 与 生物 化 学 机 理 难以 解释 。 由 于 生态 学 中 存在 着 大 量 的 随机 问题 ,因此 ,概率 和 数理 统计 学 这 种 机 会 数学 ,大 有 用 场 ,可 用 以 解决 此 类 问题 的 数学 分 支 还 包括 稳定 性 `\ 混沌 性 \ 突 变 、 协 同 、 马 尔 可 夫 过 程 以 及 平稳 随 机 过 程 等 等 。 研 究 的 目的 旨 在 认识 和 控制 信息 动态 ,为 即时 的 生态 控制 提供 信息 科学 基 础 。 一 些 关 于 随机 过 程 的 书籍 ,可 能 有 很 好 的 参考 价值 ,如 北京 大 学 钱 敏 平等 编著 的 《应 用 随机 过 程 兴 北京 大 学 出 版 社 ,1998)。 5. 非 清 晰 生态 控制 问题 对 于 生态 系统 控制 的 认识 ,无 论 是 大 系统 还 是 小 系统 , 除 确切 性 、 随 机 性 之 外 ,还 存 在 着 模糊 性 ,也 有 灰色 系统 的 说 法 。 在 《生态 动力 学 》 一 书 中 ,作者 运用 的 "“ 非 清晰 "概念 可 用 以 作为 我 们 这 里 说 的 生态 控制 原理 的 一 个 定语 。 这 样 ,就 把 近 几 十 年 来 的 模糊 数学 及 灰色 控制 系统 和 混沌 控制 等 表达 的 非 清 晰 概念 和 数学 方法 统一 起 来 ,用 于 解决 非 清晰 生态 控制 的 原理 与 应 用 问题 。 一 些 著名 学 者 很 注意 模糊 控制 。 如 钱学森 院士 1993 年 12 月 21 日 致 于 景 元 的 信 中 说 : 用 到 模糊 控制 ,这 个 方法 的 优点 在 于 它 不 要 求知 道 受 控 系 统 的 动力 学 性 能 , 只 要 求知 道 或 测 其 瞬间 状态 。 此 方法 设计 出 的 控制 有 极 强 的 适应 能 力 。 这 是 处 理 复杂 巨 系统 的 一 个 非常 重要 的 优点 "。 这 一 论述 彻头彻尾 地 适用 于 生态 系 统 中 的 模糊 控制 。 至 于 在 生态 实践 中 用 得 如 何 , 则 要 看 非 清 晰 生态 控制 原理 (本 书 第 七 章 ) 研 究 进展 得 如 何 。 6. 运筹 原理 运筹 学 发 展 到 今天 ,已 有 相当 丰富 的 内 容 和 各 种 计算 程序 ` 软 件 。 它 的 许多 具体 分 支 何以 能 处 理 生 态 控 制 中 的 某 些 具体 原理 问题 呢 ? 这 部 分 以 具体 控制 对 象 为 背景 ,举例 说 明 一 些 运 筹 原理 的 运用 。 有 了 这 些 例 子 和 原则 运算 方法 , 当 可 在 遇 到 具体 问题 时 ,在 5 具体 分 析 的 基础 上 , 找 出 相应 方法 ,用 已 有 软件 和 数据 (包括 数量 化 结果 ) 进 行 运算 与 处 理 。 运筹 学 本 身 在 不 断 发 展 , 人 们 对 生态 控制 对 象 的 认识 在 不 断 深 化 ,计算 用 的 数学 软 件 在 不 断 优 化 ,所 以 在 运用 一 般 原 则 不 变 的 前 提 下 ,控制 技艺 也 应 不 断 提高 。 7. 机理 与 经 验 、 半 经 验 控制 对 一 些 生态 控 制 问题 ,人 们 从 机 理 和 经 验 、 半 经 验 角度 已 有 比较 正确 的 认识 。 也 就 是 说 ,有 些 机 理 明 确 的 问题 ,人 们 无 须 作 复杂 的 计算 , 即 可 控制 。 像 盆地 易 受 霜冻 是 由 于 冷 空 气 下 沉 所 致 , 据 此 可 作出 人 为 控制 。 然 而 ,有 些 生态 过 程 的 机 制 不 清楚 或 不 十 分 清 楚 , 这 就 难以 应 用 理论 计算 出 设计 方案 ,这 时 就 需要 赁 经 验 ,或 半 经 验 半 理 论 来 进行 控 制 ,诸如 大 面积 混 种 的 农田 的 灌溉 水 量 、 观 测 资料 不 足 的 草地 刘 草 高 度 `\ 温 室温 度 等 , 详 见 本 书 第 六 章 第 一 节 , 这 些 有 许多 内 容 可 以 结合 到 随机 控制 之 中 。 8. 生态 领域 智能 控制 人 工 智能 是 尽 可 能 地 用 机 器 体现 或 模拟 人 的 智能 行为 ,并 且 希 望 通过 在 这 方面 的 努 力 ,最 终 有 可 能 改善 并 超出 人 的 能 力 。 如 所 周知 ,生态 控制 是 人 类 改造 自然 的 手段 之 一 。 但 其 领域 如 此 广泛 ,以致 人 们 很 难 用 人 工 方法 ,控制 人 的 智慧 和 力量 使 其 达到 十 全 十 美 。 供需 矛盾 ,使 生态 控制 失 衔 ,也 就 是 说 ,生物 环境 失控 帮 至 生态 动力 功能 锐 减 ,在 历史 上 屡见不鲜 。 随 着 现代 科学 技术 发 展 ,生态 控制 朝 着 自动 化 方向 发 展 ,已 从 梦幻 逐渐 走向 现实 。 在 人 们 以 往 的 印象 中 ,一 提 到 自动 化 就 联想 到 机 器 、 电 力 、 工 业 企 业 自 动 化 等 , 即 首先 想到 的 是 体力 劳动 自动 化 ,但 事实 上 脑力 劳动 自动 化 尤其 重要 ,然而 常常 被 人 们 忽 视 。 这 一 部 分 主要 通过 模式 识别 (pattern recognion) 和 专家 系统 (expert system) 在 生态 控 制 中 可 能 应 用 原理 的 论述 ,指出 生态 控制 中 脑力 劳动 自动 化 原理 及 其 主要 应 用 场合 。 在 这 方面 ,我 们 在 20 世纪 80 年 代 得 益 于 我 国 著名 人 工 智能 学 者 戴 汝 为 院士 的 启发 ,为 后 来 的 生态 控制 思索 与 研究 奠定 了 基础 。 9. 经济 原理 与 可 持续 发 展 生态 经 济 控制 是 试用 经 济 控制 论 于 生态 建设 及 可 持续 发 展 的 尝试 。 这 一 部 分 可 以 说 是 从 控制 论 角 度 研 讨 生 态 经 济 的 一 点 认识 的 总 结 。 在 《生态 动力 学 》 一 书 所 涉及 的 数 学 方法 基础 上 ,进一步 从 定量 和 数学 原理 上 阐明 生态 建设 与 可 持续 发 展 的 生态 经 济 原 则 ,并 将 大 系统 理论 的 某 些 原则 引入 该 领域 之 中 。 10. 综合 集成 控制 鉴于 生态 系统 的 复杂 性 和 人 们 对 该 系统 认识 的 有 限 性 ,在 现 阶段 以 致 在 今后 相当 长 的 时 间 内 , 尚 不 能 定量 而 确切 解决 生态 控制 中 的 全 部 重大 复杂 问题 。 因 而 ,本 部 分 将 阐 述 钱 学 森 等 提出 的 综合 集成 方法 论 (meta - synthesis methodology) 在 生态 控制 中 应 用 的 一 些 问题 。 其 实 ,关于 "“ 集 智慧 之 大 成 "和 " 集 腋 成 求 "的 想法 ,我 国 古代 早已 有 之 。 但 在 没有 高 等 数学 的 年 代 , 就 只 能 是 定性 的 。 直 到 1990 年 钱学森 院士 .于 景 元 研究 员 和 戴 汝 为 院士 提出 处 理 开 放 的 复杂 巨 系统 的 方法 一 一 从 定性 到 定量 的 综合 集成 方法 。 受 戴 汝 为 院士 的 启迪 ,作者 们 在 同年 开始 将 该 法 尝试 用 于 生态 控制 ,本 书 第 十 一 章 将 予 详 述 。 第 二 节 ”生态 控制 原理 的 科学 基础 概论 钱学森 院士 曾 明确 指出 ,在 六 大 基础 学 科 一 一 数学 物理 学、 化 学 、 天 文学 .地球 科 6 学 \ 生 物 学 一 中 ,数理 化 是 基础 的 基础 ,而 数学 和 物理 学 是 最 基础 的 两 个 并 行 的 学 科 。 换言之 ,它们 应 是 除 自身 之 外 ,自然 科学 的 其 他 一 切 分 支 的 基础 , 即 自然 科学 的 一 切 分 支 都 是 在 数理 科学 之 基础 上 发 展 起 来 的 。 作 为 生态 学 一 部 分 的 生态 控制 原理 也 毫 无 例外 地 依托 数理 化 天 地 生 这 些 基 础 学 科 。 所 以 说 ,以 基础 学 科 作 为 基石 ,确定 生态 控制 原理 ， 是 生态 控制 原理 的 第 一 个 组 成 部 分 。 因 此 ,我 们 在 本 书 中 将 要 辟 为 一 章 专门 论述 生态 控 制 的 数理 化 一 地 学 一 生物 学 基础 。 首先 要 阅 述 的 是 基础 数学 在 生态 动力 控制 中 的 应 用 问题 。 许 多 著名 学 者 都 非常 重 视 数学 ,就 以 科学 技术 突飞猛进 的 20 世纪 来 说 ,包括 生态 控制 在 内 的 许多 具体 分 支 学 科 都 离 不 开 基础 数学 。 前 苏联 著名 数学 家 Baorparoa 曾 明 确 指出 :“ 一 个 国家 ,如 果 数 学 不 行 ,其 他 一 切 科 学 就 谈 不 到 了 ”。 基 础 数学 亦 可 理解 为 纯 数 学 。 一 些 研 究 者 ,在 某 个 阶 段 ,可 能 认为 应 用 数学 用 于 解决 地 学 、 生 物 学 方面 的 具体 问题 比较 直观 和 有 效 ,甚至 会 取 得 立竿见影 的 效果 ,比如 用 数理 统计 中 的 回归 分 析 作出 一 个 生态 产量 依赖 生态 动力 因子 的 方程 ,代入 观测 数据 即 可 作出 预报 。 而 数学 中 的 许多 基础 ,诸如 场 论 、 群 论 、 数 论 、 线 性 代数 ` 近 世代 数 、 突 变 论 、 拓 扑 学 、 泛 函 分 析 、 微 分 几何 等 , 虽 不 易 直 接 用 于 生态 控制 问题 ， 但 有 些 作为 人 们 直接 应 用 的 数学 分 支 的 基础 ,如 群 论 是 正 交 设计 的 基础 ,数论 是 均匀 设 计 的 基础 ;而 这 两 种 设计 常用 于 生态 控制 试验 (本 书 第 六 章 )。 但 据 此 而 忽视 关于 基础 数 学 用 于 生态 控制 的 学 习 , 以 致 放弃 这 类 研究 , 那 则 是 急功近利 ,违背 基础 学 科 用 于 某 一 具 体 学 科 以 致 发 展 具体 学 科 的 一 般 发 展 规律 的 。 从 数学 应 用 的 一 般 规律 来 说 , 纯 数学 终 会 用 于 各 门 学 科 , 只 是 有 些 应 用 得 快 些 ,有 些 应 用 的 周期 相当 长 而 已 。 从 自然 辩证 法 的 一 般 规 律 研究 ,许多 学 者 指出 纯 数 学 的 现实 意义 ,如 美国 数学 家 F. E. Broud 和 S. M. Line 指出 :“ 对 数学 思想 的 每 一 个 重大 贡献 ,都 是 基本 上 可 以 应 用 的 …… 我 们 甚至 敢于 断言 ， 每 一 个 重要 的 数学 关系 必定 在 物理 现象 .生物 现象 和 社会 现象 中 有 重要 作用 。?" 关 于 基础 数学 在 生态 控制 中 应 用 的 一 些 场合 与 实例 ,比如 微 积分 、 突 变 论 、 群 论 .数论 等 的 应 用 ,将 体现 在 本 书 有 关 章 节 的 内 容 之 中 。 关 于 应 用 数学 在 生态 控制 中 的 应 用 , 则 是 比较 直接 的 。 如 微分 方程 组 是 现代 控制 理论 的 基础 ,用 于 生态 控制 问题 将 视 为 生态 控制 方程 组 的 合理 构成 和 物质 基础 。 而 由 于 生态 控制 中 ,许多 现象 内 涵 、 因 果 关 系 等 有 着 随机 性 ,所 以 反映 事物 偶然 规律 的 概率 论 及 数理 统计 理论 在 生态 控制 原理 中 的 应 用 ,是 许多 生态 工作 者 熟悉 的 。 本 书 将 在 许多 场合 论 及 这 些 问题 。 其 实 ; 数 学 在 生态 控制 原理 乃至 整个 生态 领域 中 的 应 用 ,是 在 20 世纪 科学 技术 数学 化 进程 中 的 一 种 突出 表现 。20 世纪 科学 技术 数学 化 的 最 为 明显 的 特征 是 :原来 较 少 应 用 数学 的 遗传 学 ,心理 学 、 经 济 学 .社会 学 .生态 学 等 领域 转向 了 广泛 应 用 数学 语言 方法 和 模型 进行 定量 研究 和 系统 分 析 。 数 学 方法 的 应 用 ,已 经 使 生态 学 日 益 摆 脱 了 单纯 对 生命 与 环境 关系 进行 客观 描述 的 局 面 ,逐步 从 定性 研究 转向 定量 研究 。 这 也 符合 “社会 愈 进 步 ,应 用 数学 的 范围 也 就 会 愈 大 ,所 应 用 的 数学 也 就 愈 精密 ,应 用 数学 的 人 也 就 愈 多 ”( 华 罗 庚 《大 截 数 学 之 妙用 》,1959 年 5 月 28 日 6 人 民 日 报 》) 的 论断 。 生态 控制 原理 为 什么 要 应 用 数学 呢 ? 主要 有 如 下 三 个 方面 :其 一 ,当代 生态 控制 研 究 日 益 精细 的 抽象 化 ,为 数学 方法 在 其 中 的 应 用 创造 了 基本 条 件 。 与 许多 学 科 发 展 同 步 ,20 世纪 中 期 以 来 ,生态 学 完成 了 对 有 关 事物 及 自然 现象 乃至 可 持续 发 展 的 定性 描述 ， 开始 在 大 量 科学 素材 的 基础 上 ,借助 于 数学 进行 科学 抽象 定量 研究 和 理论 加 工 , 现 代 化 的 地 学 生物 学 实验 技术 设备 与 检测 手段 的 广泛 应 用 ,大 大 提高 了 测量 的 精确 度 ,积累 了 7 生态 控制 方面 的 大 量 数据 ,促进 了 数学 在 其 中 的 应 用 。 其 二 ,数学 本 身 的 发 展 , 为 在 生态 学 领域 应 用 数学 的 理论 和 方法 打下 了 坚实 的 基础 。 数 学 领域 中 的 每 一 突破 性 进展 ,很 快 被 包括 生态 控制 原理 在 内 的 其 他 学 科 用 于 解决 一 些 根本 性 理论 和 实际 问题 。 如 非 参数 统计 方法 的 进展 被 用 于 解决 数据 有 限 条 件 下 的 生态 灾害 分 析 与 运筹 问题 。 模 糊 数学 用 于 生态 动力 相似 分 析 。 改 进 的 eg6pmureB 多 项 式 用 于 生态 产量 预报 。 灰 色 系 统 控制 理论 用 于 生物 防治 。 属 于 微分 拓扑 领域 的 突变 论 用 于 火险 与 种 子 生 态 动力 源 的 研究 ,都 促进 了 生态 学 向 着 数学 化 方向 发 展 。 其 三 ,计算 机 的 发 展 和 广泛 应 用 ,为 生态 控制 的 数学 化 提供 了 有 力 的 技术 手段 。 回 顾 生态 工作 者 使 用 计算 工具 的 历史 ,不 难 发 现 :在 我 国 ,在 20 世纪 60 年 代 初 ,只 能 用 算盘 和 手 摇 计 算 机 进行 简单 的 统计 计算 ,在 70 年 代 初 ,也 只 能 用 计算 器 , 那 时 即使 作 一 些 回 归 分 析 ,也 要 用 相当 大 手工 计算 量 。 而 80 年 代 以 来 ,从 PC= 1500 到 Apple I ,再 到 FelixC512, 直到 现代 各 种 计算 机 器 的 应 用 ,使 生态 工作 者 使 用 数学 方法 和 运算 能 力 发 生 了 非常 大 的 变化 ,使 以 往 许 多 无 法 计算 的 复杂 的 生态 控制 问题 , 变 得 简单 易 行 ,使 在 生态 领域 中 处 理 大 量 数据 和 分 析 复 杂 关 系 成 为 可 能 。 在 《生态 动力 学 》 (科学 出 版 社 ,2001) 一 书 中 所 介绍 的 关于 Monte Carlo 方法 在 生态 研究 中 应 用 等 数学 方 法 的 实例 ,说明 计算 机 的 模拟 功能 为 解决 生态 控制 问题 提供 了 便捷 高 效 的 手段 。 因 此 可 以 说 计算 机 的 广泛 使 用 加 速 了 生态 控制 的 数学 化 趋势 的 进程 。 在 生态 控制 中 ,应 用 物理 学 各 分 支 也 很 重要 。 比 如 在 《生态 动力 学 》 一 书 中 所 说 的 重 力 生 态 动 力 源 中 的 石头 和 雪 ,在 某 种 情况 下 ,会 构成 对 果树 (苗木 或 成 林 ) 的 危害 。 在 山 区 果园 中 ,果农 把 位 于 果树 所 在 高 度 之 上 的 梯田 加 固 , 防 止 泥石流 砸 伤 果树 。 又 如 在 大 Side, RNR RA LN RS ,减轻 枝条 承 雪 的 重力 。 这 本 质 上 是 从 力学 出 发 控 制 有 威胁 性 的 生态 动力 源 (石头 \ 泥土 和 雪 ) 以 和 免 生 态 动力 汇 (果树 ) 受 害 的 措施 。 物 理学 中 热力 学 作为 生态 控制 原理 的 事例 ,比如 温室 的 透 光 薄 膜 是 把 一 级 生态 动力 源 太阳 一 一 通过 辐射 方式 透射 到 温室 中 的 热量 用 以 提高 温室 内 空气 和 上 层 土 壤 的 温度 , 而 温室 是 植物 (蔬菜 .果树 等 ) 动物 ( 猪 、 鸡 等 ) 和 食用 微生物 ( 蘑 区 等 ) 的 生存 环境 ,这 个 热 传 递 的 辐射 控制 手段 , 则 是 用 热力 学 原理 控制 生态 环境 的 一 个 例子 。 温 室 通风 或 二 氧化 碳 调 节 , 则 是 用 对 流 热 交换 原理 控制 生态 环境 的 一 种 手段 。 而 对 于 育苗 温室 ( 即 4 生 态 动力 学 ?第 十 二 章 介绍 的 棚 中 棚 ) ,在 栽 苗 用 营养 土 之 下 放 20cm BG WHEN SZRABY 温 的 例子 ,也 属于 用 热力 学 原理 调节 生态 环境 的 例子 。 利 用 电学 原理 调节 生态 环境 的 例 子 , 比 如 在 育苗 温室 安装 电灯 ,提高 棚 中 棚 气 温 。 又 如 冬季 寒冷 季节 时 ,为 防御 低温 而 在 温室 中 设置 地 热线 将 电能 转化 为 热能 ,通过 热量 控制 环境 温度 。 光 对 生物 环境 影响 的 调节 ,比如 东北 大 坡 双 行 玉 米 种 植 技术 就 是 充分 利用 太阳 光 这 个 一 级 生态 动力 源 的 例 子 , 即 提高 光 能 利用 率 的 例子 。 至 于 核 农学 中 ,利用 原子 物理 学 中 的 方法 进行 育种 , 则 是 用 核 技 术 改善 种 子 生 态 环境 的 先进 技术 。 化 学 在 生态 学 中 的 直接 作用 ,比如 施 N,P, 开 肥料 的 适宜 环境 , 则 是 改善 作物 营养 生 态 动力 源 的 措施 。 除数 理化 之 外 ,基础 学 科 中 的 其 他 学 科 对 生态 控制 原理 ,直接 或 间接 地 起 作用 。 我 们 这 里 主要 举 出 地 球 科学 方面 的 生态 动力 源 的 例子 。 在 土壤 方面 ,土壤 的 形成 \ 质 地 、 物 理化 学 性 质 等 构成 农林 牧草 各 种 作物 的 生存 基础 ,所 以 土壤 改良 一 直 受 到 重视 。 在 大 范 围 ,对 盐碱地 的 改造 ,可 改善 作物 的 重要 生态 环境 ; 与 此 同时 ,与 基因 科学 和 生态 动力 源 的 结合 ,会 使 盐碱地 区 的 农业 发 生根 本 性 变化 。 如 辽宁 盐碱地 研究 所 许 雷 培育 的 辽 盐 系 8 ae 人 —_ 列 品种 ,就 是 以 种 子 生 态 动力 源 的 本 质 优化 适应 不 利 的 土壤 化 学 生境 的 成 就 。 气 象 条 件 是 多 变 的 生态 环境 ,以 改善 和 管理 气象 生态 条 件 即 调控 气象 生态 动力 源 的 例子 不 胜 枚 举 。 建 设 西部 防护 林 防 风沙 ,改善 农田 小 气候 条 件 。 水 文 方面 ,诸如 在 森林 流域 对 河道 两 侧 坡 面 进行 非 对称 采 伐 和 森林, 使 降雨 通过 非 对 称 采 伐 的 下 垫 面 ,不 同时 到 达 河 道 , 通 过 人 为 控制 使 其 河流 洪峰 流量 降低 ,减轻 森林 流域 洪 游 灾害。 调节 生物 间 关 系 , 是 以 生物 学 为 基础 的 生态 控制 措施 ,如 作物 结构 调整 \ 间 混 套 作 ,农林 复合 系统 等 。 从 上 述 可 略 知 自然 科学 中 许多 学 科 都 是 生态 控制 的 基础 。 尽 管 除 生 物 间 关 系 外 , 许 多 要 素 诸如 温度 、 径 流 、 大 气 成 分 及 其 浓度 ,土壤 质地 等 构成 生物 环境 时 ,都 只 是 非 生物 的 生态 动力 源 ,但 它们 对 生物 的 作用 十 分 重要 。 为 发 展 生 态 控制 原理 ,跟踪 作为 生态 控 制 基础 的 其 他 学 科 ,显得 尤为 重要 。 随 着 自然 科学 基础 学 科 的 不 断 发 展 , 生 态 控制 原理 的 研究 ,也 在 不 断 深 入 。 在 应 用 基础 学 科 解 决 具体 生态 控制 问题 时 ,首先 应 注意 到 学 科 交 叉 的 性 质 , 而 不 必 把 学 科 分 得 过 细 , 比 如 在 考虑 地 学 方面 的 生态 动力 因子 时 ,一 般 不 可 避免 接触 有 关 新 的 数学 方法 和 理化 实验 技术 ,此 时 不 易 细 分 学 科 ; 其 次 ,要 敢于 应 用 ,善于 应 用 新 的 基础 学 科 成 就 ,不 必 待 发 展 完好 后 再 去 应 用 ,在 应 用 中 发 现 问题 应 及 时 纠正 ;第 三 ,在 研究 工作 尚未 达到 实用 的 条 件 下 ,不 要 随意 推广 于 生产 实际 , 而 应 先行 点 试验 和 中 试 ;第 四 ,积极 学 习 其 他 学 科 用 数学 理论 一 些 分 支 于 所 研究 学 科 的 经 验 ,促进 在 生态 控制 原理 中 应 用 水 平 的 提高 。 如 丑 纪 范 院士 时 在 1962 年 将 泛 函 分 析 用 于 气象 学 的 成 果 ,至 今 仍 值得 我 们 学 习 。 ee) 生态 控制 原理 的 技术 依托 、 资 料及 信息 生态 控制 原理 的 初步 形成 和 发 展 ,依赖 于 现代 技术 即 人 们 通常 所 说 的 高 新 技术 。 至 于 在 早年 形成 并 为 生态 研究 与 实践 普遍 应 用 的 机 械 电 力 `. 电 子 、 生 理 生化 等 在 40 多 年 以 前 已 经 通用 的 技术 当然 还 要 继 使 应 用 ,但 在 本 书 以 后 章节 不 予 具 体 论述 。 一 、 信 息 、 计 算 机 技术 与 生态 控制 信息 与 控制 是 不 可 分 离 的 。 在 信息 不 发 达 的 时 代 , 对 生态 控制 的 认识 只 能 是 直观 和 局 部 的 。 比 如 人 们 要 控制 昆虫 的 动态 ,并 且 从 感性 认识 上 已 经 知道 昆虫 迁 飞 与 气流 有 关 , 但 如 果 只 知道 当地 气流 的 状况 而 不 知 其 上 游 气流 情况 ,就 无 法 预知 当地 昆虫 如 何 迁 飞 ;5 而 如 果 不 能 及 时 掌握 气流 的 瞬时 动态 , 即 气 流 信息 ,也 就 无 法 控制 昆虫 。 在 20 世纪 30 一 40 年 代 广 泛 利用 探 空气 球 ,是 取得 高 空 风速 ` 风向 信息 的 手段 。 在 近 几 十 年 发 展 起 来 的 现代 信息 技术 是 一 种 十 分 广泛 的 高 新 技术 领域 ,主要 包括 获取 信息 的 感 测 与 识别 技 术 、`\ 传 递 信息 的 通信 与 存储 技术 处 理 和 再 生 信息 的 计算 与 智能 施用 信息 的 控制 与 显示 技术 以 及 面向 实际 系统 集成 的 信息 系统 工程 等 五 大 类 型 。 在 这 里 面 , 微 电子 技术 是 信息 技术 的 基础 ,计算 机 技术 和 通信 技术 是 信息 技术 的 支柱 , 而 计算 机 技术 和 通信 技术 的 融 合 则 构成 了 未 来 信息 技术 发 展 的 核心 和 方向 。 生 态 控 制 对 信息 技术 的 依托 ,一 方面 依赖 于 已 经 建立 起 来 的 相关 部 门 的 信息 系统 资料 ,尤其 是 即时 资料 。 由 气象 中 心 了 解 全 球 气 象 要 素 天 气 形势 信息 ,以 取得 气象 生态 动力 源 的 大 量 信息 ;由 水 文中 心 了 解 到 东北 地 区 松花 江 ` 辽河 流域 河流 流量 \ 水 位 等 信息 ;由 抗旱 防汛 指挥 部 了 解 到 各 大 中 小 水 库 蓄 水 库 容 、 农 田 王 旱 ` 洪 洲 信 息 ,以 取得 水 文生 态 动力 源 的 大 量 信息 ;由 地 理 信息 中 心 了 解 区 域 9 Ay He She 7K SC He It 海岸 滩涂 海岛、 高山、 丘陵 等 自然 条 件 下 和 人 为 开发 条 件 下 的 地 理 动 态 ,以 取得 地 理 生 态 动力 源 的 大 量 信息 ;由 林业 、 农 业 \ 水 产 、 卫 生 部 门 了 解 区 域内 森林 、 草原 农作物 、 病 虫害、 渔业 及 疾病 卫生 动态 ,以 取得 生物 生态 动力 源 的 大 量 信息 。 生 态 控制 系统 则 是 建立 在 上 述 信 息 及 其 他 有 关 信 息 基 础 上 的 综合 性 信息 系统 ,利用 生态 控制 原理 和 相应 的 软件 加 以 分 析 `、 综 合 。 为 实现 这 一 目标 ,最 好 在 政府 及 有 关 部 门 支持 下 , 实 施 一 系列 试验 计划 。 如 在 陆地 生态 系统 与 碳 循环 (Schimel，D. S. 1995) 等 多 项 研究 基础 上 ,于 近年 运行 的 美国 长 期 通 量 观测 网 计划 ,将 长 期 连续 监测 北美 主要 陆地 生物 群落 中 CO, 的 生态 系统 净 通 量 。Wofsy，S. C. 和 Hollihger, D. Y. 在 2002 年 通过 因特网 对 此 Te EIAs 二 、 生 物 技术 与 生态 控制 生物 技术 又 称 生物 工程 ,是 利用 生物 有 机 体 ( 从 微生物 到 高 等 动 植 物 ) 或 其 组 成 部 分 (包含 器 官 、 组 织 ` 细 胞 和 细胞 器 等 ) 开 发 新 产品 或 新 工艺 的 一 种 高 新 技术 体系 。 在 世界 各 国 高 度 重 视 高 新 技术 的 今天 ,现代 生物 技术 被 视 为 21 世纪 高 新 技术 集群 中 的 佼佼 者 。 那么 ,生物 技术 为 什么 能 成 为 生态 控制 的 依托 呢 ? 其 根本 的 原因 在 于 基因 与 环境 的 统一 协调 关系 上 。 就 拿 高 产品 种 的 培育 和 应 用 推广 来 说 ,都 与 生态 条 件 控制 有 关 。 如 在 《 生 态 动力 学 ?第 十 二 章 所 述 的 玉米 生态 育种 ,甘蔗 品种 杂交 ,尤其 是 品种 的 利用 , 离 不 开 生 态 控制 。 比 如 我 国 已 取得 二 系 法 杂交 水 稻 , 现 已 有 十 多 个 新 组 合 开始 大 面积 推广 , 而 推 广 地 域 的 合理 选择 ,需要 生态 控制 技术 ,才能 达到 两 高 一 优 的 目的 。 据 预测 到 2030 年 前 后 ,利用 现代 生物 技术 改造 传统 农业 和 牧 业 的 工作 将 进入 全 面 实施 阶段 。 相 信 , 届时 生态 控制 原理 大 有 用 武之 地 ,因此 生态 控制 也 必 将 生物 技术 视 为 它 的 主要 技术 依托 之 ° 三 \ 太阳能 、 新 材料 技术 与 生态 控制 太阳 能 是 一 级 生态 动力 源 。 科 学 利用 太阳 能 以 供给 植物 类 生态 动力 汇 ,是 生态 优化 控制 的 直接 目的 。 太 阳 能 的 热 利用 技术 是 将 太阳 辐射 转换 为 热能 ,然后 再 加 以 利用 的 技 术 , 可 分 为 热 的 直接 利用 和 把 热 转 换 成 其 他 形式 能 两 种 方式 。 这 些 为 生物 含 生态 实验 设 施 提供 了 适宜 的 人 工控 制 的 生态 环境 。 太 阳 灶 \ 太 阳 房 ,太阳 能 干燥 器 等 已 形成 产业 。 我 国 农村 在 长 期 生产 经 验 中 ,创造 性 利用 太阳 能 的 日 光 温 室 是 主要 利用 太阳 辐射 为 生物 创造 优良 生境 的 一 种 经 济 有 效 措施 ( 详 见 《 生 态 动 力学 》 第 十 二 章 )。 这 种 生态 控制 手段 的 成 功 与 否 ,很 大 程度 上 取决 于 塑料 薄膜 的 质量 。 在 20 世纪 80 年 代 以 前 ,所 用 薄膜 材 料 质量 不 好 ,在 日 光 温室 内 易 形 成 水 滴 , 使 大 棚 内 水 汽 较 多 ,湿度 大 ,适宜 霜 霉 病 真菌 存 子 生 长 。 而 后 来 上 市 的 无 滴 膜 ,要 比 有 滴 膜 优越 得 多 。 各 种 无 滴 膜 质量 的 提高 ,适应 了 日 光 温 室 的 大 发 展 , 证 明 这 种 温室 是 以 新 材料 合理 利用 太阳 能 的 人 工控 制 环 境 方面 的 一 种 有 力 措施 。 四 、 自 动 化 ` 机 器 智能 与 生态 控制 自动 化 技术 是 当代 发 展 迅 速 、 应 用 广泛 、 最 引 人 瞩 目的 高 新 技术 之 一 。 所 谓 自动 化 技术 ,是 各 种 自动 装置 系统 的 制造 及 其 设计 、 使 用 的 方法 、 技 能 的 总 称 。 它 可 将 人 从 直接 从 事 检 测 操作 控制、 管理 等 劳务 中 解放 出 来 ,对 于 减轻 人 的 劳动 强度 .扩展 人 的 器 官 功 10 能 、 提 高 工作 效率 、 降 低 研 究 成 本 、 提 高 控制 精度 和 速度 以 及 完成 在 各 种 极限 环境 中 人 力 不 能 胜任 的 工作 等 , 均 具 有 重要 意义 。 上 述 各 种 功能 ,对 于 生态 控制 ,大 都 直接 或 间接 有 用 。 对 于 生态 动力 源 与 汇 的 线条 识别 和 二 维 图 形 识别 ,已 经 应 用 于 农业 生态 和 地 学 方面 生态 动力 源 的 。 这 实际 上 是 利用 机 器 视觉 原理 处 理 复杂 的 生态 控制 问题 的 一 种 自动 化 手段 。 随 着 生态 控制 的 原理 和 技术 发 展 ,人 工 智能 方面 的 技术 应 用 前 景 当 可 更 加 广阔 。 五 .卫星 遥感 与 生态 控制 遥感 的 优势 在 于 能 从 不 同 尺 度 上 进行 对 地 面 观 测 。 生 态 动 力 源 研究 的 对 象 ,分 为 生 物 或 非 生 物 两 大 类 。 由 于 植物 群落 是 生态 系统 的 主要 组 成 部 分 ,所 以 生态 系统 分 类 主要 是 对 植物 的 分 类 。 自 1972 年 美国 地 球 资源 卫星 发 射 成 功 以 来 ,Landsat 系列 卫星 ,至 1999 年 已 发 射 了 Landsat7。 其 他 像 气 象 卫星 \SPOT 系列 卫星 ,在 生态 控制 中 也 都 有 重 要 作用 ,它们 有 不 同 的 地 面 分 辨 能 力 ,气象 卫星 1.1km,Landsat 6 是 30m,SPOTS 达 10m (Campell, 1996) ; 而 近年 发 射 的 小 卫星 Konos 达 lm。 由 于 卫星 监测 精度 的 提高 ,用 它 可 获取 许多 其 他 仪器 无 法 获取 的 信息 ,所 以 在 生态 控制 中 有 多 方面 应 用 。 主 要 有 :大 尺度 迁 感应 用 ,促进 了 宏观 全 球 生 态 的 发 展 ,可 把 地 球 各 圈 , 诸 如 生物 圈 、 大气 圈 水 圈 、 岩 石 圈 作 为 整体 ,进行 长 时 间 多 学 科研 究 ; 与 地 理 信 息 系 统 (GIS)、 全 球 定位 系统 (GPS) 结 合 ， 提高 了 生态 和 遥感 有 效 性 和 定量 化 水 平 ;许多 高 分 辩 率 的 商用 小 卫星 的 发 射 运行 ,使 大 尺 度 生 态 学 研究 有 了 适用 的 工具 和 更 大 的 选择 余地 ;生态 问题 有 较 强 的 地 域 性 ,诸如 我 国 现存 的 荒漠 化 ,湖泊 富 营养 化 内 陆 湖泊 干 酒 、 酸 十 危害 地 域 扩展 、 森 林 过 伐 、 草 原 退 化 、 湿地 萎缩 等 现象 ,用 卫星 遥感 分 析 研 究 其 生态 功能 变化 最 为 合适 ;农作物 遥感 估 产 监测 大 气 污 染 空间 分 布 及 影响 程度 监测 洪水 .旱灾 火灾、 土壤 侵蚀 、 赤 潮 、 战 争 所 至 生态 破 坏 等 。 这 些 动态 信息 为 人 们 控制 生态 系统 提供 不 可 或 缺 的 图 像 。 六 海洋 技术 与 生态 控制 海洋 是 十 分 复杂 的 环境 综合 体 , 它 包括 了 覆 盖 在 海底 岩石 圈 上 的 大 陆架 大陆 坡 大 洋 盆 和 海沟 四 种 地 形 区 域 以 及 平均 厚度 为 3800m 的 海水 层 ` 海 面 上 的 大 气 圈 海洋 生物 圈 等 。 这 决定 了 海洋 探测 必须 用 高 新 技术 。 所 获 资料 ,可 用 于 生态 控制 ,而 经 过 生态 控 制 方法 得 出 的 结果 有 利于 海洋 生物 资源 的 开发 ,使 海洋 农 牧 化 ,真正 实现 ` 干 质 海面 变 田 FE” ,为 人 类 提供 丰富 的 水 产 ,满足 人 类 对 食物 药物 和 工业 原料 的 需求 ,与 此 同时 还 要 不 破坏 海洋 的 生态 环境 ,促进 可 持续 发 展 。 第 四 玉生 态 控制 的 时 空 斥 度 由 于 生态 控制 涉及 机 械 、 物 理 ( 含 热力 . 电 、 光 \ 声 、 原 子 物 理 )、 化 学 \ 生 物 以 及 社会 (人 类 参与 ) 等 多 种 运动 形式 ,而 不 同 运动 形 式 的 时 间 、 空 间 尺 度 差异 较 大 。 一 时间 尺 度 1. 超 短 期 尺度 该 尺度 指 (0,12hj 区 间 内 的 时 段 。 也 就 是 指 在 很 短 时 间 内 完成 的 生态 控制 ,从 发 生 、 发 展 到 结束 ,整个 生态 控制 过 程 不 超过 12 小 时 ,我 们 称 之 为 超 短 期 或 短 时 的 生态 控制 过 11 程 ,大概 相 当 于 美国 nowcasting( 短 时 预报 ) 的 时 段 长 度 。 这 种 突变 性 质 的 过 程 ,诸如 山 月 泥石流、 雷电 \ 冰雹 洪水 \ 胞 龙卷风 、 地震、 蝗虫 暴发 等 非 生物 或 生物 的 生态 动力 源 对 生态 动力 汇 ( 人 `\ 动 物 \ 植物) 的 突然 获 击 ,这 种 袭击 往往 是 灾害 性 的 , 而 采取 人 为 措施 进行 生态 控制 , 则 有 可 能 减轻 灾害 。 如 1988 年 10 月 4 日 在 辽宁 西部 与 河北 交界 地 带 , 正 值 塑 料 大棚 下 蔬菜 生长 季节 ,突然 下 了 一 场 冰 蜀 ,有 所 准备 的 农户 ,没有 受到 损失 。 然 而 ,大 多 数 农户 没有 准备 ,使 大 棚 和 蔬菜 遭受 严重 损害 。 由 于 现代 科学 技术 发 展 ,对 某 些 突 发 灾害 可 以 进行 nowcasting, 如 用 雷达 的 RHI 和 PPI] 显示 可 观测 到 需 云 移动 方向 与 速 度 ,使 生态 预报 精度 随 着 气象 预报 精度 提高 而 提高 。 把 这 种 时 间 尺 度 列 为 一 种 控制 尺度 并 加 以 研究 ,是 必要 的 。 试 想 若 没有 短 时 预报 的 多 年 研究 ,也 就 不 会 有 今天 的 nowcast- ing, 可 见 借鉴 天 气 学 的 nowcasting, 从 现在 开始 针对 超 短 期 尺度 问题 开展 研究 ,有望 在 十 几 年 后 形成 生态 方面 的 nowcasting 及 相应 的 cybernetics 系统 。 2. 短期 尺度 这 种 尺度 的 时 间 范 围 指 (12h,2dj 区 间 内 的 时 段 。 该 时 段 的 生态 控制 是 人 们 比较 熟 悉 的 。 尤 其 是 这 样 时 段 的 预测 为 生态 控制 提供 了 较 可 靠 的 科学 依据 。 如 人 们 熟知 的 天 气 预 报 , 可 了 解 未 来 两 天 是 否 有 两 ,未 来 12 一 48h 内 是 否 有 明显 降温 ,还 有 海浪 状况 等 。 因为 目前 的 科学 发 展 水 平 , 已 使 一 些 地 学 方面 生态 动力 源 的 预报 达到 可 信 的 精确 度 ,所 以 人 们 可 以 在 基本 相信 预报 结果 的 前 提 下 ,作出 调节 、 管 理 和 控制 生态 方面 的 决策 。 进 一 步 来 说 , 近 些 年 发 展 起 来 的 生态 动力 预报 则 是 生态 控制 的 直接 依据 。 因 为 这 些 预 报 同 时 考虑 到 生态 动力 源 汇 关系 。 3. PREZ 这 种 尺度 的 时 间 范 围 指 (48h,10dj 区 间 内 的 时 段 。 该 时 间 尺 度 对 生态 建设 方面 的 生 态 控制 ,尤其 是 对 于 农林 牧 渔业 生产 中 的 生态 控制 是 重要 的 。 因 为 ,一 方面 生产 者 可 依 据 未 来 2 一 10d 的 生态 预报 来 安排 生产 ,实施 有 利于 生物 生长 发 育 , 防 御 灾 害 的 准备 工 作 ; 另 一 方面 ,这 样 的 预报 ,有 一 定 的 准确 率 。 与 中 期 扩 度 相 比 较 , 短 期 乃至 超 短 期 预报 虽然 准确 率 较 高 ,但 对 1 一 2d 内 调节 、 控 制 措施 ,时 间 段 显得 短 些 ,以 致 无 法 实施 ;而 长 期 预报 准确 率 较 差 ,难以 作出 较 准 确 的 生态 控制 。 利 用 中 期 矿 度 的 生态 控制 ,取得 经 济 和 社会 效益 的 例子 不 胜 枚 举 。 只 是 在 以 往 多 年 ,实践 者 未 有 从 原理 上 认识 到 那 是 一 种 生态 控制 罢了 。 同 其 他 学 科 形 成 的 原理 一 样 ,生态 控制 原理 也 囊 待 把 多 年 积累 的 丰富 实践 经 验 加 以 总 结 与 提炼 ,这 符合 格物 致知 的 原则 。 在 农业 上 ,大 田 作 物 的 适时 适 作 ,如 春播 之 前 ,测定 并 预报 未 来 2 一 10d 内 的 温度 丧 情 降水、 霜冻 等 ,来 调节 播种 期 ,就 是 从 时 间 上 控制 人 工 措 施 , 使 种 子 得 到 最 适宜 的 生态 环境 的 优化 控制 ,以 达到 一 次 播种 保全 苗 之 目 的 。 在 林业 上 ,为 飞播 造林 提供 待 造林 山区 的 降水 土壤 培 情 状 况 的 中 期 预报 ,可 达到 雨 前 飞播 种 籽 ,十 后 出 苗 的 最 优生 态 控制 目标 ,在 4 生态 动力 学 》 一 书 中 ,已 有 关于 这 方面 经 济 效益 的 计算 方法 。 4. P—-KARE 该 尺度 指 区 间 (10d,30dj 内 的 时 段 长 度 。 这 种 尺度 的 生态 控制 ,目前 还 不 能 只 以 生 态 动力 源 的 预报 为 主要 依据 。 因 为 关于 森林 海洋、 牧场 沙漠 等 条 件 下 的 10 一 30d 预 报 , 尤 其 是 生态 动力 预报 ,至今 仍 处 于 探索 阶段 。 所 以 这 个 时 间 斥 度 的 生态 控制 ,应 本 着 既 考 虑 预报 又 不 完全 相信 预报 的 原则 ,用 运筹 控制 、 随 机 控制 的 方法 作出 相对 优化 的 决 策 。 比 如 ,用 Maprog 决策 的 有 限 阶 段 模型 ,以 20 一 30d 为 一 个 运筹 周期 ,并 把 一 个 周期 2 分 为 几 个 阶段 ,通过 转移 概率 及 有 关 模 型 的 计算 ,作出 最 优 效果 的 生态 控制 决策 。 像 小 麦 冬 灌 决策 苗 转 防 风 措 施 决策 ` 地 膜 覆 盖 与 揭 膜 时 间 决 策 人 工控 制 环境 内 真菌 孢子 防 御 阶 段 决策 等 。 5. 长 期 尺度 该 尺度 指 区 间 (30d,1a] 内 的 时 段 长 度 。 在 对 生态 动力 源 预报 科学 水 平 不 太 了 解 情 形 下 ,一 些 应 用 者 曾 盲目 地 以 预报 为 依据 对 生态 控制 作出 不 合理 的 决策 。 这 是 他 们 对 “长 期 预报 尚 在 探索 "这 一 事实 认识 不 足 所 致 。 在 以 往 , 特 别 是 几 十 年 前 有 依赖 长 期 预报 进行 种 植 品种 的 决策 。 比 如 ,在 我 国 中 原 地 区 的 某 些 地 理 条 件 下 ,在 旱 年 种 植 谷子 , 非 旱 年 种 植 玉米 ,可 获得 好 收成 。 于 是 有 些 人 把 收成 好 坏 寄 望 在 年 度 长 期 预报 上 , 即 在 年 初 ， 如 果 预 报 当 年 为 旱 年 , 则 多 种 谷子 ,如果 预 报 为 非 旱 年 , 则 多 种 玉米 。 这 种 所 谓 的 生态 控 制 决 策 ,是 建立 在 没有 过 关 的 长 期 旱 洲 预 报 基础 上 的 主观 决策 ,即使 获得 了 好 收成 ,也 是 偶然 , 仍 不 可 采用 ;除非 将 来 长 期 预报 准确 率 达 到 中 期 预报 的 水 平 。 6. 超 长 期 预报 该 尺度 区间 下 限 为 la, 上 限 没有 明确 时 限 的 时 段 太 度 , 即 凡 la 以 上 的 生态 控制 问 题 ,都 列 为 该 太 度 。 其 实 陆地 和 海洋 生态 系统 有 许多 是 超 长 期 的 。 如 多 年 生 草 本 植物 的 生态 控制 周期 有 2a, 也 有 2a 以 上 的 。 至 于 树木 , 则 有 十 年 \ 百 年 甚至 千年 数量 级 的 生命 周期 。 超 长 期 生态 控制 ,也 涉及 到 士 壤 水 分 气候 等 方面 的 生态 动力 源 , 还 有 人 工 生态 动力 源 。 超 长 期 控制 是 建立 在 对 控制 对 象 多 年 研究 基础 上 的 措施 。 如 森林 采伐 控制 、. 退 耕 还 林 还 草 \ 休 渔 、 休 牧 等 ,都 建立 在 超 长 期 科学 优化 基础 上 。 但 也 必须 注意 ,如 有 人 依 “今后 数 百 年 气候 将 变 暖 的 预测 ,推测 在 北半球 农作物 北 界 将 北 移 。 其 实 , 这 只 是 正 探 索 阶 段 的 推测 ,不 能 作为 生产 决策 的 依据 。 农 作物 北 界 的 北 移 ,不 单单 是 气候 变 暖 的 作 用 ,也 有 品种 、 基 因 的 因素 。 以 上 所 述 各 种 时 间 斥 度 ,是 互相 联系 着 的 ,为 了 研究 和 应 用 的 需要 而 划分 。 在 运用 时 , 须 考 虑 各 种 扩 度 的 精度 ,结合 应 用 。 一 般 说 来 , 带 有 预测 性 的 控制 ,总 是 时 间 越 短 , 精 度 越 高 。 像 农业 用 的 存储 与 放水 的 决策 ,总 是 要 兼顾 防洪 兴 利 。 从 长 期 考虑 是 粗 的 , 比 如 汛期 前 一 个 月 得 到 汛期 雨 多 的 预报 ,不 可 轻易 依 此 预报 大 量 放水 ,否则 一 旦 降雨 量 少 满足 不 了 灌溉 需 水 ,而 在 汛期 当 得 知 未 来 1 一 2d 有 暴雨 时 , 则 应 着 重 考虑 立即 放水 。 因 为 1 一 2d 的 预报 ,一般 较 准确 。 至 于 更 具体 的 控制 措施 ,应 依据 生态 控制 原理 。 二 空间 范围 空间 与 时 间 有 着 千 丝 万 缕 的 关联 。 从 上 节 所 述 生 态 控制 的 时 间 尺 度 ,不 难 推 想 , 它 的 空间 范围 ,从 小 到 大 ,有 着 不 同 的 层次 范围 和 尺度 。 与 时 间 短 、 中 长 期 这 样 尺 度 不 同 的 是 ,空间 应 是 三 度 空 间或 日 三 维 空间 ,有 水 平面 上 的 ,也 有 垂直 方向 的 ,有 地 球 表面 之 上 的 ,也 有 地 球 表面 之 下 的 ,如 海水 中 的 生态 控制 范围 。 为 了 研究 和 应 用 方便 ,分 为 如 下 几 种 空间 范围 。 1. 微型 空间 范围 该 空间 范围 微小 ,如 果 按 三 度 空间 直角 坐标 考虑 ,其 垂直 高 度 (或 深度 厚度) 不 超过 2m, 如 果 以 陆地 表面 作为 X- 立 平面 向 上 考虑 ,相当 于 大 气 的 近 地 面 层 之 内 ;其 水 平 范围 不 超过 100m x 100m, 并 且 在 每 个 方向 上 长 度 不 超过 100m。 这 样 的 空间 范围 ,可 用 以 研 究 蜂 房 小 型 人 工 气候 室温 室 及 其 中 育苗 小 区 。 因 为 没有 下 限 的 限制 ,甚至 可 用 于 考虑 13 蚁 穴 这 么 小 的 生态 环境 ,对 于 水 平 尺度 , 可 用 于 研究 水 库 上 层 水 内 的 水 生生 物 的 生态 控 制 问 题 等 等 。 微 型 空间 虽 小 ,但 从 某 种 需要 出 发 ,生态 控制 的 研究 ,实验 上 早已 有 之 ,如 德国 Geiger 早年 对 近 地 面 气候 的 全 面 研究 ,构成 了 近 地 面 小 气候 生态 控制 的 物理 基础 。 2. 小 型 空间 范围 该 空间 范围 较 小 ,但 一 般 比 微型 空间 范围 大 ,甚至 大 得 多 ,其 垂直 高 度 (或 深 、 厚 度 ) 在 空间 (0m，1000m) 的 范围 内 ,如 果 以 陆地 表现 作为 X-Y 平 面向 上 考虑 ,相当 于 大 气 边 界 层 的 垂直 范围 ;其 水 平 范围 ,以 水 平面 上 的 面积 区 间 表 示 , 则 为 (100mx 100m, 10000m x10000m) ,并 且 在 每 个 长 度 方 向 上 ,长 度 不 超过 10000m。 在 垂直 方向 ,地 表面 之 上 , 它 相当 于 大 气 边 界 层 的 范围 ,所 以 人 们 熟知 的 边界 气象 学 (boundary layer meteorology) 的 多 年 研究 成 果 构 成 了 该 层 气象 生态 控制 的 大 气 物 理学 基础 ,并 且 由 于 边界 层 气象 学 的 研 究 , 与 上 层 大 气 研 究 不 同 ,往往 涉及 该 层 内 的 地 瑶 . 地 势 、 植 被 种 群 以 及 该 层 之 下 的 近 地 面 土 壤 , 边 界 层 气象 往往 结合 各 种 其 他 生态 动力 因子 ,所 以 它 对 于 该 层 范围 内 以 及 上 层 土壤 的 生态 问题 ,都 有 直接 影响 , 以致 对 该 层 整 体 生态 控 制 都 有 意义 。 该 空间 范围 的 生 态 经 济 意 义 很 重要 。 因 为 农业 、 林 业 、 牧 业 、 渔 业 等 多 项 生产 活动 都 在 该 层次 内 进行 , 即 使 更 大 范围 的 生态 ,也 一 般 离 不 开 小 范 围 的 人 类 活动 ,因此 在 其 范围 内 的 生态 控制 可 视 为 相应 经 济 控制 的 一 个 组 成 部 分 。 3. 中 尺度 空间 范 国 该 空间 范围 ,在 垂直 方向 约 10km, 一 般 限 于 从 地 面 到 对 流 层 顶 , 它 与 以 上 两 层次 有 重 欠 的 高 度 , 其 上 限 可 以 变化 ,在 地 面 之 下 仍 限于 1000m 之 内 ;在 水 平方 向 ,在 区 间 (10kmx 10km,100kmx 100km) 的 每 个 方向 上 ,长 度 不 超过 100km。 该 范围 一 般 包 括 了 人 类 活动 各 个 层次 的 生态 控制 问题 。 在 地 面 之 上 ,对 流 层 是 大 气 运 动 的 大 尺度 范围 ,各 种 有 益 于 生物 或 有 害 于 生物 的 天 气 现 象 , 如 暴 十 大风、 冰冻 、 雪 等 形成 于 该 层 , 并 且 是 大 范围 早 涛 等 灾害 的 根源 ,而 从 地 面 到 高 山 , 从 地 面 到 海拔 数 千 米 的 高 度 上 ,有 不 同 植被 、 动物 和 人 类 活动 。 该 范围 构成 了 生物 生存 的 主要 空间 。 但 在 水 平面 上 ,一 些 中 尺度 现象 的 出 现 是 有 距离 限制 的 。 比 如 说 ,由 于 地 方 性 天 气 或 地 形 、 植 被 的 作用 而 形成 的 地 方 性 雷雨 冰雹 ,在 邻近 100km 左右 的 地 方 可 能 没有 。 这 种 的 中 尺度 特征 ,会 为 相 邻 数 百 千 米 的 地 域 构成 不 同 的 中 尺度 生态 环境 ,以 致 有 中 尺度 生态 控制 范围 的 存在 。 4. 大 尺度 空间 范 国 对 于 这 类 空间 范围 ,一般 不 能 给 出 水 平面 上 的 准确 尺度 ,通常 是 以 大 陆 尺 度 加 以 区 分 的 。 比 如 亚洲 大 陆 `\ 非 洲 大 陆 等 。 而 垂直 范围 ,在 地 面 之 下 可 达 深 海 \ 大 洋 之 底 , 在 地 面 之 上 ,可 超出 对 流 层 。 这 个 范围 的 生态 控制 以 大 陆 内 或 大 洋 内 的 各 种 生态 环境 的 综合 控制 和 宏观 控制 为 目标 。 关 于 这 类 控制 ,多 年 来 曾 有 人 提出 设想 ,如 幻想 人 类 有 能 力 时 ， 可 对 北冰洋 海水 进行 控制 ,以 改变 大 范围 的 气候 ,在 现代 ,许多 想法 是 不 可 能 实现 的 。 一 般 只 能 是 通过 一 个 个 局 部 地 区 的 生态 控制 ,来 促进 大 范围 生态 环境 的 改善 ,如 在 20 世纪 40 年 代 前 苏联 设计 的 "斯大林 改造 自然 计划 ” ,我国 营造 的 三 北 防 护林 ”等 等 。 5. BREW GH 顾名思义 ,全 球 空间 范围 的 生态 控制 ,是 以 整个 地 球 为 生态 控制 对 象 的 。 近 几 十 年 来 ,全 球 生态 控制 ,实际 上 已 提 到 国际 关系 研讨 的 日 程 。 因 为 许多 国家 政府 和 人 民 群 众 ， 都 已 清楚 认识 到 ,全 人 类 共同 拥有 一 个 地 球 。 如 果 全 球 生态 环境 受 损 , 则 直接 危害 世界 各 国人 民 的 生存 ,并 贻 害 子孙 后 代 。 工 业 革 命 以 来 ,排放 到 大 气 中 的 二 氧化 碳 等 气体 增 14 加 ,造成 大 气 圈 肥沃 化 (atmospheric fertilization) ,经 过 多 年 采样 研究 ,人 们 逐渐 认识 到 这 要 严重 威胁 生命 环境 ,此 乃 全 球 公 害 , 因 为 全 世界 只 拥有 一 个 大 气 圈 ,而 地 球 上 任何 向 空 气 中 排放 的 污染 物 ,都 能 加 速 大 气 圈 肥 沃 化 ,也 就 增加 对 人 类 环境 的 危害 。 为 了 控制 这 种 现象 ,许多 国家 都 由 政府 环境 保证 限定 烟尘 排放 。 在 国际 上 ,前 几 年 签署 了 联合 国 气 候 框 架 公约 ,各 履约 国共 同 控 制 大 气 肥沃 化 ,以 优化 大 气 环境 ,减轻 CO, 等 温室 气体 对 人 类 的 危害 。 令 生态 工作 者 欣慰 的 是 ,由 于 社会 各 界 对 全 球 生 态 的 重视 ,近年 这 方面 研究 成 果 与 日 俱 增 。1994 年 创刊 International Journal of Sustainable Development and World Ecology( 可 持续 发 展 与 全 球 生 态 学 国际 杂志 ) 以 来 ,这 方面 的 许多 有 益 的 论文 , 诸 如 才 培 方式 影响 农业 可 持续 发 展 方法 论 , 可 持续 农业 多 重 标准 分 析 等 ,对 生态 控制 极 有 参考 价值 。 6. 宇宙 空间 范围 1957 年 ,前 苏联 发 射 了 世界 上 第 一 颗 人 造 地 球 卫星 Crryrargk — 1, 这 标志 着 人 类 征服 宇宙 空间 的 开始 。 多 年 来 , 随 着 航天 科学 发 展 , 已 有 数 千 晒 人 造 天 体 进 入 宇宙 空间 ,其 中 有 许多 技术 给 人 类 带 来 恩惠 。 太 空 育种 的 成 功 实施 ,是 通过 人 类 活动 生态 动力 源 ,利用 卫星 、 宇 宙 飞 船 ( 如 我 国 2002 年 春 完成 的 “神舟 三 号 "宇宙 飞船 试验 和 2003 年 "神舟 五 号 " 载 人 飞船 ) 将 有 关 生 物 材 料 送 上 太空 ,利用 太空 特有 的 生态 环境 ,培育 出 优良 作物 种 子 的 有 益 实践 。 这 就 给 生态 工作 者 提供 超出 地 球 的 宇宙 空间 的 生态 控制 范围 ,也 为 生态 工作 者 今后 研究 宇宙 空间 生态 动力 学 RES PRR ARCH”. BR KML 前 主要 由 搞 育 种 的 宇宙 生物 学 家 来 进行 。 但 预计 宇宙 生态 控制 , 随 着 航天 事业 发 展会 引 起 社会 重视 。 第 五 他 生态 控制 系统 复杂 性 开放 性 与 相对 封闭 性 本 节 ,在 复杂 巨 系统 和 钱学森 有 关 论 述 指导 下 , 试 论 生态 控制 系统 的 复杂 性 开放 性 与 相对 封闭 性 。 — SA 关于 对 生态 控制 复杂 性 研究 及 其 认识 ,都 应 建立 在 整个 科学 发 展 阶段 的 基础 之 上 。 因为 只 有 理解 现代 科学 之 复杂 , 才 有 可 能 认识 复杂 的 生态 控制 原理 。 而 背离 对 生态 动力 复杂 性 的 充分 认识 ,就 会 以 常规 的 观点 停留 在 以 往 经 验 的 位 置 上 ,以 简单 的 思维 逻辑 作 复杂 生态 控制 的 决策 ,以 致 出 现 依 长 期 预报 决策 作物 种 植 种 类 或 品种 "、 依 长 期 预报 决 策 水 库 放 水 还 是 储 水 "这 样 一 类 无 科学 依据 的 决策 。 为 避免 决策 失误 ,要 从 复杂 性 原理 上 认识 ,并 要 通 观 生态 控 制 的 合理 机 制 ,是 必须 的 。 半 个 多 世纪 ,科学 发 展 表明 ,我 们 正 处 在 科学 史上 一 个 大 转折 时 代 。 从 经 典 的 机 械 论 科学 向 新 兴 科 学 的 转变 ,或 者 按 Prigogine 的 说 法 ,是 从 简单 性 科学 向 复杂 性 科学 的 转 变 。 复 杂 性 研究 的 每 一 次 进展 ,无 不 伴 有 生态 控制 复杂 性 的 认识 。 在 这 种 认识 中 ,传统 的 方式 和 手段 已 不 能 再 满足 客观 的 需要 ,以致 人 们 被 迫 以 “整体 ”和 “系统 "概念 来 处 理 生 态 方面 的 复杂 性 问题 。 对 于 复杂 系统 ,不 能 期 盼 有 一 种 理论 可 以 达到 牛顿 力学 那样 的 简 单 性 和 精确 性 。 在 未 有 考虑 到 生态 复杂 性 之 前 ,人 们 往往 把 生态 控制 想象 得 很 简单 。 这 实质 上 是 没有 从 生态 动力 源 - 汇 关 系 上 认识 生态 控制 系统 的 后 果 。 比 如 对 农业 害虫 的 15 认识 ,在 相当 长 一 段 时 期 性 ,忽略 了 迁 飞 的 影响 , 像 在 黏 虫 的 预报 和 控制 上 ,立足 于 简单 性 思维 ,只 考虑 当地 的 虫 源 土壤 ` 气候 \ 水 文 等 条 件 ; 有 人 考虑 可 能 有 迁 飞 ,但 无 根据 。 后 来 经 过 长 时 间 试 验 研 究 ,证 实 了 迁 飞 ,掌握 了 规律 ,这 是 从 复杂 性 考虑 的 结果 。 事 实 上 , 黏 虫 运 动 的 生态 动力 源 涉 及 的 问题 是 异常 复杂 的 ,以 致 为 研究 这 种 似乎 单一 的 生态 动力 规律 及 其 控制 手段 ,动用 了 气象 学 \ 水 文学 土壤 学 栽培 学 航空 技术 航天 迁 感 等 多 方面 的 科技 人 员 共 同 攻关 。 所 用 方法 一 改 以 往 的 简单 描述 , 而 动用 多 种 现代 数学 方法 和 计算 工具 。 事 实 上 ,已 经 是 采取 综合 集成 手段 来 处 理 这 个 具体 的 复杂 生态 控制 问题 To 以 上 只 就 一 个 常见 的 生态 问题 谈 及 其 复杂 性 , 而 实际 问题 比 那 要 复杂 得 多 。 这 主要 是 许多 生态 动力 源 和 汇 本 身 就 具有 复杂 性 的 特点 ,并且 它们 之 间 还 有 着 复杂 的 联系 。 而 其 中 关系 错 综 ,往往 是 非 线 性 的 。 所 以 ,用 像 经 典 力学 或 经 典 数学 , 以 确定 性 方法 解决 具 有 随机 振荡 性 问题 的 方式 ,是 不 可 取 的 。 事 实 上 ,生态 控制 在 一 切 层次 上 都 会 遇 到 复杂 性 ,结束 现实 世界 尚 存 的 生态 控制 简单 性 这 一 传统 观念 的 基本 思路 和 首选 做 法 为 : 提 倡 把 “生态 控制 复杂 性 " 当 作 “生态 控制 复杂 性 "来 处 理 , 借助 复杂 性 科学 方法 ,建立 现代 生态 控制 体系 。 钱 学 森 曾 说 ,解决 开放 的 复杂 巨 系 统 问 题 , 就 连 现代 每 秒 几 亿 次 的 计算 机 ,以 至 每 秒 万 亿 次 的 计算 机 都 不 够 用 。 我 们 必须 动脑 筋 ,千方百计 使 计算 量 控制 到 机 器 能 力 之 内 。 在 具体 操作 上 ,以 耗 散 结构 为 基本 概念 , 耗 散 旧 的 简单 性 认识 的 质 ,补充 新 的 复杂 性 认识 的 质 。 论 证 在 远离 平衡 态 的 条 件 下 ,生态 控制 系统 由 于 出 现 耗 散 结构 而 形 成 的 “最 低 限 度 的 复杂 性 ” ,为 进化 到 处 理 真正 复杂 性 提供 依据 。 当 然 , 对 于 生态 控制 复 杂 性 的 精确 定义 ,目前 还 是 不 可 能 给 出 的 。 但 是 ,处 理 复杂 问题 的 AN( 自 动机 网 络 ) 方 法 ,对 于 包括 生态 控制 复杂 性 在 内 的 一 切 复杂 性 问题 ,有 比较 现实 的 意义 。 正 如 1993 年 钱学森 致 戴 汝 为 的 信 中 说 : 在 面 对 一 个 开放 的 复杂 巨 系统 ,若是 专家 们 还 不 熟悉 ,对 其 整体 客观 行为 毫 无 把 握 , 那 么 AN 方法 不 失 为 一 得 之 见 。 二 、 开 放 性 对 于 生态 控制 系统 的 开放 性 的 认识 ,在 20 世纪 , 随 着 科学 发 展 和 人 类 认识 客观 世界 的 各 个 专门 学 科 的 渗透 ,已 有 长 足 进展 。 生 态 控制 的 复杂 程度 ,在 很 大 程度 上 起 源 于 系 统 的 开放 性 。 试 想 ,如 果 没 有 人 类 历史 上 多 年 来 生态 系统 的 开放 ,许多 生物 物种 和 品种 只 被 认为 只 适应 于 原 产 地 的 生态 条 件 , 不 与 外 界 交流 , 像 今天 这 么 多 样 的 生物 处 于 不 同 环境 中 的 势 态 ,该 是 无 法 想象 的 。 系统 开放 的 方式 和 程度 ,系统 与 环境 相互 作用 的 方式 ,都 直接 影响 或 规定 着 系统 的 复杂 性 。Prigogine 等 强调 开放 性 是 自 组 织 产 生 和 维持 的 必要 条 件 ,对 于 简单 系统 ,可 以 用 控制 参量 的 变化 来 描述 。 而 对 复杂 系统 却 很 难 这 样 做 。 生 态 县 建设 某 一 阶段 完成 后 ， 同 该 阶段 之 前 相 比 ,差别 总 是 很 大 的 。 这 些 实际 差别 的 存在 ,来 源 于 对 开放 性 的 认识 。 生态 县 建设 得 如 何 ,一 般 表 现 出 对 生态 控制 的 开放 性 认识 的 深度 及 其 实践 ,这 实际 上 是 对 Carl Hewitt 等 1991 年 提出 的 “开放 系统 科学 "(open system science) 观 点 的 印证 。 从 开放 的 复杂 巨 系 统 概念 (1989 年 由 钱学森 提出 ) 看 ,在 目前 认识 水 平 下 ,主要 含 6 种 系统 :宇宙 系统 、 地 理 系统 、 生 物 圈 系统 、 社 会 系统 、 人 体系 统 和 大 脑 系 统 ,它们 之 间 有 着 固定 的 肉 套 关系 。 生 态 控制 系统 可 视 为 生物 圈 系 统 中 的 一 个 子 系统 。 就 以 沿海 的 一 个 生态 县 来 说 , 它 虽 然 只 是 生态 控制 系统 中 一 只 "“ 麻 省 ,但 却 五脏 俱全 ” ,联系 着 供 大 的 16 复杂 巨 系 统 的 各 个 方面 。 该 生态 县 内 具有 生物 多 样 性 的 基本 特征 ,有 海洋 生物 ,近海 滩 涂 养 虾 . 贝 等 ,在 平原 地 区 以 种 植 水 稻 ` 油 菜 为 主 , 山 区 有 和 森 林树森 ,还 有 药 用 植物 、 食 用 微生物 ,也 有 动物 …… 这 些 均 属 于 生物 圈 。 关 于 经 典 的 复杂 巨 系 统 的 内 套 关系 ,如 图 1- 1 所 示 。 图 1-1 复杂 巨 系统 的 找 套 关系 在 生物 圈 内 ,一些 生 物 可 视 为 另 一 些 生物 的 生态 动力 源 。 在 生物 圈 系 统 的 外 圈 , 并 与 生物 圈 系统 最 靠近 的 是 地 理 系统 ,确切 地 说 ,应 叫 地 学 系统 ,因为 它 不 只 含有 地 球 科 学 概念 中 的 地 理 概 念 , 而 且 含 有 地 理学 以 外 的 但 属于 地 球 科 学 范畴 的 气象 海洋 水文、 土 壤 、 地 质 等 概念 。 生 态 控制 系统 对 于 地 球 科学 系统 ,显然 是 开放 的 。 因 为 地 球 科 学 系统 中 ,要 素 虽 是 非 生物 性 质 的 ,但 它们 中 的 绝 大 多 数 要 素 均 构成 生态 控制 系统 的 直接 生态 动力 源 ,从 生态 系统 的 总 体 出 发 ,它们 均 为 二 级 生态 动力 源 ,比如 ,地 球 大 气温 度 , 这 种 气 象 类 生态 动力 源 是 植物 生长 发 育 不 可 缺少 的 ,也 是 人 和 动物 生存 的 必要 环境 条 件 , 众 所 周知 ,地 球 以 外 的 其 他 星球 ,没有 生命 ,温度 三 夜 变 幅 达 数 百 摄氏 度 。 作 为 气象 和 水 文 类 公共 的 生态 动力 源 降 水 与 蒸发 , 它 为 生物 生存 提供 必要 的 水 分 条 件 ,水 循环 也 是 生物 融 以 生存 的 热量 平衡 的 重要 条 件 。 地 狐 类 生态 动力 源 可 直接 作用 于 动 植物 和 人 体 。 岩 石 圈 中 近 地 面 的 上 层 土壤 ,是 高 等 植物 生存 的 基础 条 件 之 一 。 地 竞 活动 导致 的 地 震 等 灾害 可 突 发 性 地 破坏 人 类 生存 环境 。 并 且 不 受 地 学 系统 直接 影响 的 封闭 生态 控制 系统 是 很 少 的 ,即使 有 也 往往 是 人 类 干预 所 致 ,并 间接 地 对 地 学 系统 开放 。 宇 宙 系 统 是 隔 着 地 理 系统 向 着 生态 系统 开放 的 。 但 从 本 质 上 来 说 ,这 种 开放 性 的 意义 和 作用 ,不 亚 于 地 学 系 统 。 因 为 从 生态 动力 学 基本 原理 可 知 ( 详 见 裴 铁 表 等 著 《 生 态 动 力学 ;第 七 章 ) :属于 宇宙 系统 银河 系 中 太阳 系 的 中 心 一 一 太阳 一 一 是 地 球 生态 系统 的 一 级 生态 动力 源 , 它 通过 地 球 系统 把 光 和 热 供给 地 球 生物 ,并 与 大 气 圈 、 岩 石 圈 \ 水 圈 作 用 形成 了 各 种 不 同 的 生物 环 境 , 所 以 说 生态 控制 系统 对 于 宇宙 系统 也 是 开放 的 , 当然 如 图 所 示 ,中间 经 过 一 个 地 学 系 统 ( 相 当 于 钱学森 所 说 的 地 理 系统 ) ,这 从 一 个 侧面 说 明生 态 系统 开放 性 符合 复杂 巨 系统 这 | MERA MW, AR ,也 是 宇宙 系统 中 的 一 员 , 它 与 地 球 \ 太 阳 位 置 关 系 的 变化 规律 所 形成 的 月 相 影响 潮汐 ,而 潮汐 动态 作用 于 海洋 水 生生 物 形成 海洋 生态 动力 源 ( 见 《 生 态 动力 学 ) 第 十 六 章 ) ,这 表明 生态 控制 系统 对 于 宇宙 系统 中 的 月 球 是 开放 的 ,而 中 间 经 由 海洋 (可 视 为 地 学 系统 的 一 部 分 ) ,也 符合 钱学森 所 指出 的 复杂 巨 系 统 的 从 套 关系 。 从 生物 圈 系 统 向 里 观察 ,与 其 邻近 是 社会 系统 ,生态 控制 系统 对 社会 系统 的 开放 性 系 指 所 处 生态 环境 , 受 人 类 活动 的 影响 ,而 人 类 活动 受 社会 制约 ,那些 给 生态 系统 带 来 重 大 灾难 的 非 正 常 的 生态 控制 ,常常 后 患 无 穷 。 例 如 ,新 疆 古 代 战 争 破坏 了 绿洲 ,加 速 沙漠 化 ;日 本 侵略 我 国 东 北 期 间 , 对 东北 天 然 森 林 的 肆 无 忌 尽 地 砍伐 ;在 清朝 时 期 ,为 建造 承 德 避 哮 山 庄 ,对 原 热 河 地 区 和 森林 的 砍伐 等 等 。 在 国外 ,大 面积 盲目 明 荒 引起 黑 风 暴 等 等 。 这 些 都 是 军事 政治 和 不 合理 的 经 济 政策 所 导致 的 破坏 性 结局 ,生态 控制 正面 事例 也 很 多 。 可 见 生态 控制 对 于 社会 系统 是 直接 开放 的 ,并 符合 复杂 的 巨 系统 的 舱 套 规律 。 由 社 会 系统 再 向 内 ,是 人 体系 统 , 人 体系 统 是 设计 和 实践 生态 控制 所 必须 的 , 它 是 在 社会 系统 联系 之 下 ,对 生态 系统 开放 的 。 比 如 ,人 们 植树 造林 , 像 我 国 三 北 防护 林 建 设 ,是 使 生态 动力 朝 增 优 方向 发 展 的 生态 控制 ,而 这 种 人 类 活动 总 是 受 社 会 活动 的 驱使 ,一 般 是 有 组 织 的 人 类 活动 ,当然 这 属于 人 类 活动 生态 动力 源 。 下 一 个 层次 是 人 的 大 脑 , 它 虽然 与 生 态 控制 没有 直接 关系 ,但 有 其 间接 关系 。 因 为 大 脑 是 指挥 人 体系 统 的 中 枢 部 分 ,包括 生 态 控制 行动 在 内 的 人 类 活动 生态 动力 源 ,必然 受 大 脑 的 支配 。 大 脑 在 控制 生态 方面 的 作 用 ,一 个 重要 的 表现 是 近 些 年 形成 的 人 工 智 能 , 它 用 机 器 代替 大 脑 进行 控制 工作 ,可 以 完 成 大 脑 不 易 完 成 的 许多 控制 ,以 实现 脑力 劳动 自动 化 。 这 方面 ,我 们 在 《生态 动力 学 ;一 BPA SLR ,本 书 将 作为 一 章 全 面 论 述 生态 控制 智能 化 。 值 得 注意 的 是 ,无 论 机 器 智能 再 大 ,也 是 人 们 设计 出 来 的 ,所 以 在 生态 控制 中 处 于 核心 依然 是 大 脑 。 正 如 华罗庚 所 说 : “我 们 要 做 电子 计算 机 的 主人 ,不 做 它 的 奴隶 。 三 、 相 对 封闭 性 相对 封闭 的 生态 控制 系统 是 存在 的 ,诸如 自然 保护 区 , 像 作 者 熟悉 的 长 白山 自然 保 护 区 ,还 有 大 连 老 铁 山 自然 保护 区 以 及 蛇 岛 等 。 但 是 这 些 地 方 ,并 非 世 外 桃源 ,而 事实 上 , 仍 以 地 学 系统 和 生物 系统 作为 其 直接 生态 动力 源 , 并 且 也 脱离 不 开 宇 宙 系 统 中 太阳 这 一 基础 生态 动力 源 。 而 人 们 把 它 确定 为 自然 保护 区 这 一 行动 ,是 社会 系统 的 。 对 其 保 护 是 通过 人 体 实 现 的 ,而 人 体 行动 是 在 大 脑 系统 指令 下 进行 的 ,所 以 自然 形成 的 封闭 生 态 系统 的 控制 ,其 封闭 性 是 相对 的 ,而 开放 性 是 绝对 的 。 对 于 人 工 设计 并 建造 的 相对 封 AAS WAT URE BE Oe . 温 室 等 ,也 仿 自 然 的 封 团 系统 加 以 说 明 ,此 不 袭 述 。 四 、 生 态 复杂 巨 系 统 的 可 持续 发 展 生态 系统 复杂 性 ,给 人 类 控制 生态 环境 实现 可 持续 发 展 带 来 许多 困难 ,使 得 人 类 与 自然 相互 协调 以 求 共 同 生 存 ”( 李 星 学 等 ,2002) 这 一 理想 难以 如 愿 以 偿 。 在 可 持续 发 展 需求 下 ,人 类 生态 位 的 正 态 分 布 ( 曼 舌 ,1998) 必 须 作 相应 的 主动 控制 ,从 密生 态 位 滑 移 到 空 生态 位 , 即 人 类 获取 自然 资源 的 范围 \ 数 量 必须 相对 于 其 他 生物 种 类 生态 位 加 以 调整 ， 避免 资源 获取 中 的 过 度 竞 争 。 应 当 始 终 以 综合 集成 方法 论处 理 可 持续 发 展 中 的 生态 复 杂 性 问题 。 近 年 ,在 恢复 生态 学 方面 有 人 提倡 的 “生态 系统 的 组 装 与 集成 技术 (ERS, 等 ,1999) ,可 视 为 综合 集成 方法 论 的 一 个 侧面 。 18 第 六 节 “科学 价值 和 实用 领域 我 们 在 第 三 节 曾 经 论述 了 生态 控制 原理 的 科学 基础 ,也 就 是 赖 以 形成 的 基础 学 科 的 问题 。 反 之 ,生态 控制 原理 将 丰富 自然 科学 许多 应 用 基础 学 科 的 内 容 , 这 即 是 它 的 科学 价值 ;与 此 同时 ,生态 控制 原理 的 形成 ,将 通过 结合 实际 的 试验 .中 试 直到 推广 ,用 于 农 业 、\ 林 业 、 渔 业 、 环 境 保护 、 医 药 卫生 海洋 开发 \ 减 轻 自 然 灾 害 等 多 种 国民 经 济 领域 。 一 、 科 学 价值 生态 控制 原理 ,从 学 科 分 类 上 ,无 疑 隶 属于 生物 学 科 。 而 在 生物 学 科 的 基础 分 支 学 科 兼 控制 论 的 基础 学 科 中 ,人 们 早已 知道 有 20 世纪 50 年 代 创 建 的 生物 控制 论 。 但 生物 控制 论 仍 是 一 个 大 学 科 , 最 近 又 有 人 提出 生物 进化 控制 论 等 分 支 , 但 其 中 涉及 生物 环境 控制 内 容 甚 少 ,不 能 满足 生态 科学 发 展 的 需要 。 将 来 创建 自 成 体系 的 “生态 控制 论 "学 科 , 生 态 控制 原理 可 能 成 为 其 雏形 阶段 原理 依据 之 一 。 因 为 当今 时 代 , 与 大 约 半 个 世纪 前 初创 生物 控制 论 的 时 代 不 同 。 当 时 的 控制 论 是 经 典 的 控制 论 ,而 现在 的 控制 论 已 发 展 到 第 三 个 里 程 碑 阶 段 一 一 大 系统 控制 论 阶 段 , 并 有 钱学森 提出 的 复杂 巨 系统 理论 , 而 生 态 控制 原理 则 以 复杂 巨 系 统 理论 为 指导 。 对 于 许多 早已 形成 的 带 有 应 用 性 质 的 基础 学 科 , 如 森林 生态 学 \ 农 业 生态 学 .昆虫 生 态 学 等 ,生态 控制 原理 均 可 构成 它们 学 科 的 部 分 基础 ,丰富 各 自学 科 的 原理 和 方法 。 如 森林 生态 学 吸收 生态 控制 原理 的 数学 方法 ,可 以 定量 地 研究 生态 林 的 营造 ,可 以 预计 并 优化 设计 其 减灾 效果 图 。 在 农业 生态 学 中 ,吸收 生态 控制 原理 的 机 理 模 式 ,可 以 调节 田 间 生 态 环境 。 对 于 生物 科学 和 地 球 科 学 的 许多 边缘 学 科 ,诸如 农业 气象 学 、 和 森林 水 文学 、 和 森林 气象 学 生物 地 理学 等 ,生态 控制 原理 可 对 生态 动力 源 -汇合 理 调 控 方 向 ,提出 定量 依据 。 比 如 ,在 水 利 工程 设计 中 ,生态 工作 者 不 是 可 有 可 无 ,而 是 代表 生态 方面 的 直接 参与 者 。 又 如 农业 气象 学 中 许多 问题 ,可 因 生 态 控 制 原理 的 支持 ,理论 依据 更 加 充分 。 这 些 都 会 为 地 球 科学 的 应 用 分 支 , 提供 有 力 的 支持 ,提出 更 多 的 研究 课题 。 二 、 实 用 领域 生态 控制 原理 的 实用 领域 是 很 广泛 的 。 随 着 社会 生产 的 发 展 和 人 类 生活 水 平 的 提 高 ,其 应 用 范围 将 越 来 越 宽 ,应 用 人 数 将 越 来 越 多 ,应 用 效益 会 越 来 越 大 ,应 用 水 平 将 越 来 越 高 。 1. 在 农业 中 的 应 用 任何 农作物 都 在 一 定 的 环境 空间 里 生长 ,生态 控制 原理 正 是 运用 现代 科学 基础 为 农 业 农 作物 控制 优化 空间 的 有 效 工 具 。 从 农田 作物 的 结构 调整 、 优 化 布局 \ 厦 口 安排 到 作 物 关 键 生育 期 环境 条 件 的 调控 都 需要 适宜 于 自然 条 件 的 生态 控制 方法 ,使 农作物 充分 利 用 优良 的 气候 土壤 水 文 `. 地 瑶 及 生物 环境 。 农 田 系统 的 生态 控制 是 在 自然 条 件 下 调节 水 肥 营养, 优化 利用 种 子 的 手段 , 依 其 科学 定量 方法 ,对 营养 、 种 子 等 生态 动力 源 充分 利 用 。 在 工厂 化 农业 的 生产 条 件 下 ,生物 利用 的 是 相对 封闭 的 控制 系统 ,这 样 的 系统 从 设 计 、 建 造 到 使 用 ,整个 过 程 都 要 考虑 优化 的 问题 。 在 防御 自然 灾害 方面 ,利用 生态 控制 原 19 理 ,可 以 设计 出 生物 和 非 生 物 的 优化 预测 、 防 治 方案 , 据 此 可 以 尽量 小 的 投入 获得 尽量 大 的 防 灾 效 果 。 2. 在 林业 中 的 应 用 无 论 对 于 天 然 林 还 是 人 工 林 , 无 论 对 于 生态 林 还 是 经 济 林 , 生 态 控制 原理 均 可 从 生 态 动力 原理 出 发 ,为 造林 \ 营 林 、 和 森林 经 理 等 人 工 干 预 的 生态 动力 源 ,提供 优化 的 控制 设 计 方 案 。 比 如 利用 控制 理论 方法 算出 控制 森林 火险 的 最 优 方 案 和 策略 ,用 规划 论 控制 方 法 对 植树 \ 飞 播 造 林 活 动作 出 最 优 的 动态 规划 。 用 排队 论 方法 决策 森林 生态 建设 项 目的 先后 ,决策 是 否 分 期 分 批 。 用 库存 论 方法 决策 林木 砍伐 更 新 。 用 对 策 论 方法 确定 防 灾 以 保护 森林 的 效果 。 在 农田 海岸 提防 护林 建设 中 ,可 用 相应 的 生态 机 理 模型 涡 选 防风 、 护 田 、 护 岸 林 的 设计 方案 。 3. 在 渔业 中 的 应 用 关于 水 产 的 生态 控制 ,无 论 是 海洋 捕捞 ,还 是 在 内 河 \ 湖 泊 的 养殖 捕捞 , 均 可 以 用 生 态 的 优化 决策 代替 以 往 的 一 般 的 考察 经 济 决策 ,使 鱼苗 的 生态 控制 达到 合理 的 水 平 。 对 于 水 库 养 鱼 , 则 更 易 用 现代 生态 控制 理论 ,以 微分 方程 求解 的 方法 ,得 出 最 优 捕捞 策略 ， 既 保 障 生产 不 受 影 响 又 使 库 中 鱼 生 长 发 育 良 好 。 4. 在 湿地 改造 利用 中 的 应 用 我 国 是 个 多 湿地 的 国家 ,在 不 同 地 区 的 湿地 ,各 有 特点 。 如 何 加 强 湿 地 保护 ,拓宽 湿 地 应 用 领域 ,在 以 往 几 十 年 中 ,定量 分 析 、 综 合 方法 比较 少 ,而 有 了 生态 控制 的 各 种 方法 和 手段 , 便 可 在 机 理 模式 与 经 验 模 式 结合 的 前 提 下 ,给 出 合理 的 经 济 有 效 开 发 方案 。 比 如 用 Monte Carlo 方法 进行 模拟 从 主观 概率 出 发 模拟 出 客观 概率 的 结果 ,使 决策 者 优选 开发 方案 时 ,胸中 有 数 。 5. 在 城市 环境 建设 中 的 应 用 随 着 城市 化 水 平 的 提高 ,优化 城市 环境 ,增加 城市 绿地 面积 ,为 居民 创造 良好 和 谐 、 卫生 整洁 的 现代 化 生活 环境 ,成 为 城市 建设 的 当务之急 ,有 了 优化 的 生态 控制 原理 , 则 可 有 充分 理由 地 论证 改善 城市 的 长 远 配 套 措施 。 对 于 我 国 许多 新 建 的 开发 区 的 城市 环境 建设 ,利用 生态 控制 原理 更 可 使 城市 的 百年 大 计 建 设 确立 在 定量 控制 的 科学 基础 之 上 。 三 \ 科 学 价值 和 实用 领域 关系 生态 控制 原理 的 科学 价值 和 实用 领域 是 不 可 分 割 的 。 一 般 地 说 , 它 支 撑 和 影响 的 学 科 越 多 , 它 渗透 的 分 支 学 科 越 广 , 在 实用 中 的 领域 就 越 宽阔 , 对 社会 和 人 类 的 生存 环境 就 越 有 益 。 为 能 简明 扼要 地 加 以 概括 ,我 们 可 以 给 出 这 种 关系 的 一 幅 简 单 框 图 (图 1 一 2)。 当然 ,图 中 指出 的 只 是 主要 的 ,实际 上 要 多 得 多 ,还 有 不 少 领域 是 至 今 人 们 未 认识 到 的 。 图 中 有 箭头 的 实 线 指 学 科 ; 虚 线 指向 领域 。 第 七 节 发展 方向 .前景 展望 及 存在 问题 生态 控制 原理 须 沿 着 选 定 的 方向 健康 地 向 前 发 展 ,从 社会 需要 和 基础 应 用 看 ,其 发 展 前 景 当然 是 好 的 ,但 因 学 科 交 叉 特 点 及 社会 认识 方面 的 影响 ,该 学 科 仍 面临 许多 困难 ， OA FEA BT RITE PF SEAR 20 a Ba Ve A Ee A Tak tsk ee OH SEE He MY ES ise Oh Re TH 一 发 展 方向 生态 控制 原理 发 展 方向 的 认定 ,取决 于 应 用 基础 学 科 的 性 质 。 从 原理 的 建立 来 说 ， 具有 学 科 理 论 探 索 的 意义 , 它 有 目标 地 为 生态 控制 论 学 科 体系 的 建设 ,准备 有 意义 的 材 料 。 生 态 控制 原理 同时 也 是 生态 控制 论 的 姊妹 篇 ,以致 两 个 学 科 相 关 密切 ,应 携手 并 进 ， 并 在 发 展 过 程 中 ,相互 借鉴 ,相互 补充 。 从 实践 意义 来 说 ,生态 控制 原理 每 取得 一 项 阶段 性 成 果 , 在 人 们 改造 生态 环境 中 都 有 直接 应 用 。 当 然 ,每 项 应 用 , 既 不 可 急于 求 成 ,也 不 要 因为 某 项 成 果 暂 时 用 不 上 或 用 得 不 尽 人 意 ,就 立即 放弃 。 在 应 用 中 ,失败 时 找 出 失败 的 原因 ,再 行 改进 ;取得 一 两 次 成 果 ， 如 无 把 握 轻 易 不 可 大 规模 推广 。 从 研究 方法 来 说 ,应 注重 学 科 交 叉 , 从 定性 到 定量 ,逐渐 使 其 走向 数学 化 定量 化 。 但 是 ,对 于 绝 大 多 数 研 究 来 说 ,实现 上 述 目 标 并 非 轻而易举 。 不 断 深 入 学 习 钱 学 森 院 士 处 理 复杂 巨 系统 的 综合 集成 方法 论 , 这 对 本 学 科 发 展 极 为 有 益 。 一 些 具体 研究 方向 , 则 可 参照 生态 动力 学 科学 方法 论 ,不 断 调整 具体 方向 ,能 尽快 准确 地 把 握 住 总 方向 。 = SRB 由 于 社会 在 进步 ,尤其 是 我 国 改革 开放 以 来 ,科技 进步 ,知识 创新 ,不 断 受到 政府 和 社会 公众 的 支持 ,这 是 发 展 生 态 控制 原理 这 门 科学 的 大 环境 。 随 着 中 国 加 入 WTO, 各 项 建设 的 发 展 , 对 生态 控制 原理 提出 的 具体 问题 越 来 越 多 ; 社会 对 该 学 科 的 要 求 也 越 来 越 高 。 尤 其 是 科学 界 和 全 社会 生态 意识 增强 ,发展 农业 、 林 业 , 特 别 是 生态 建设 ,诸如 建设 城市 绿地 、 和 森林 公园 自然 保护 区 等 ,都 离 不 开 生态 控 制 原 理 。 因 为 目前 人 们 对 生态 科学 要 求 已 超出 上 个 世纪 那样 的 环境 评价 ,而 是 要 生态 科学 工 作者 提出 控制 的 手段 和 设计 建议 。 此 刻 ,如 若 仍 用 以 前 的 做 法 ,不 但 用 户 不 满意 ,就 是 政 府 机 关 也 通 不 过 ,不 但 要 有 好 的 生态 环境 ,还 要 兼顾 其 他 自然 资源 ,总 之 要 符合 可 持续 发 展 的 规律 。 从 研究 人 才 来 说 , 自 20 世纪 80 年 代 ,我 国生 态 学 处 于 大 发 展 阶段 ,20 多 年 来 有 计划 地 培养 出 来 一 批 生态 专 门人 才 , 包 括 高 级 人 才 , 现 在 可 以 说 遍布 全 国 科 研 \ 大学、 设计 及 服务 部 门 。 这 些 人 才 中 ,一般 基 础 雄厚 视野 开阔 ,对 今后 的 生态 控制 原理 的 研究 和 应 用 ,是 极为 有 用 的 。 就 拿 控 制 优化 研究 必 备 的 基础 数学 和 应 用 数学 知识 来 说 ,在 20 年 前 的 生态 工作 者 中 ,基础 够 用 的 人 大 概 不 多 ,因为 在 20 世纪 50 一 70 年 代 的 高 等 教育 中 , 生 物 学 专业 的 学 生 ,所 学 到 的 数学 知识 远 不 胜任 研究 控制 问题 。 另 一 方面 ,20 多 年 的 改革 开放 ,使 我 国 加 强 了 国际 交流 ,生态 控制 方面 的 国外 动态 ,国内 容易 掌握 ,国内 专家 的 论 文 也 容易 用 英文 在 国外 发 表 。 而 在 20 世纪 70 年 代 以 前 ,我 国生 态 学 者 在 国外 发 表 论 文 , 并 被 收入 SCI 的 ,可 以 说 是 窗 若 晨星 。 三 存在 问题 生态 控制 研究 ,是 跨 学 科 性 质 的 优化 研究 ,所 以 需要 的 知识 ` 设 备 和 资金 多 而 难以 解 决 ,以 致 提出 的 生态 控制 的 建议 ,不 易 付 诸 实践 。 从 社会 公众 和 科技 界 的 认识 来 说 ,原理 研究 ,不 像 工 农业 技术 、 医 药方 剂 等 容易 见效 ,而 原理 是 一 种 应 用 基础 。 生 态 控 制 是 作为 基础 农学 基础 林学 、 基 础 医学 的 基础 ,如 果 没 有 长 远 的 战略 眼光 ,研究 \ 中 试 到 推广 的 整 22 个 过 程 就 难于 实现 。 为 此 ,应 从 科学 意义 多 加 宣传 ,以 期 引起 政府 和 社会 公众 的 重视 与 资助 。 综观 生态 控制 原理 各 个 方面 ,读者 可 以 看 出 , 它 的 许多 具体 科学 问题 ,在 绪论 这 一 章 ,基本 上 都 涉及 到 了 。 这 本 书 则 是 通过 具体 论证 ,回答 这 些 问 题 。 随 着 人 口 增长 和 科学 技术 进步 ,人 类 活动 越 来 越 强 烈 地 干扰 环境 ,威胁 着 人 类 未 来 的 生存 与 发 展 。 为 此 提出 人 与 自然 相 协调 的 可 持续 发 展 战略 。 人 们 在 进行 各 项 生产 活 动 的 同时 ,不 但 要 进行 环境 评估 ,还 要 进一步 做 到 生态 控制 。 使 人 们 确切 地 了 解 其 活动 对 生态 环境 影响 机 理 与 程度 ,同时 ,还 能 进行 生态 控制 。 由 此 看 来 ,生态 控制 原理 不 但 是 一 门 基础 理论 学 科 , 同 时 具有 广阔 的 应 用 前 景 。 让 生态 科学 及 其 相关 科学 工作 者 ,共同 努力 ,为 人 类 创造 美好 的 未 来 而 工作 。 参考 XM 献 王文华 编 . 2001. 钱学森 实录 . 成 都 :四 川 文艺 出 版 社 . 王 寿 云 等 . 1996. 开放 的 复杂 巨 系统 . 杭州 :浙江 科学 技术 出 版 社 . 石 青云 . 2001. 石 青 云 文集 . 北京 :北京 大 学 出 版 社 . 许 国 志 主 编 . 2000. 系统 科学 . 上 海 :上海 科学 技术 出 版 社 . 李 星 学 王仁 农 . 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S #%. 1998. 可 持续 发 展 基础 一 一 资源 环境 生态 巨 系 统 结构 控制 . 北京 :华夏 出 版 社 . 徐冠华 . 1992. 中 国 三 北 防 护林 地 区 森林 及 其 他 再 生 资 源 遥 感 综合 调查 及 监测 . 中 国 遥 感 进展 ,195 一 200. 北京 :万 国学 术 出 版 社 ， 钱学森 、 于 景 元 、 戴 汝 为 . 1990. 开放 的 复杂 巨 系 统 及 其 方法 论 . 自然 杂志 ,14:1 一 11. BRE BW. 1999. 恢复 生态 学 研究 的 一 些 基本 问题 探讨 . 应 用 生态 学 报 ,10:109 一 113. HAS. 1999. 自然 灾害 非 参 数 统计 方法 . 北京 :科学 出 版 社 ， 裴 铁 王 等 . 2001. 生态 动力 学 . 北京 :科学 出 版 社 . Campbell, J. B. 1996. Introduction to Remote Sensing. New York: Guildford Press. Keeling, R. F., Piper, S. C. and Heimann, M. 1996. Global and hemispheric CO, sinks deduced from changes in atmotspheric O concentration. Nature, 381:218~332. Miranda, J. I. 2001. Multicriteria analysis applied to the sustainable agriculture problem. International Journal of Sustainable Development and World Ecology, 8:67~77. Panzieri, M. et al. 2002. A thermodynamic methodology to assess how different cultivation methods affect sustainability of agricultural system. 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Introduction of Ameriflux. http://diac. esd. ornl. gov/programs/ ameriflux/scif. htnn. v3 第 二 章 ” 生 态 控 制 的 科学 基础 数理 、 化 学 \` 地 学 以 及 生物 学 是 现代 生态 控制 的 基础 。 其 主要 原理 或 其 中 的 某 些 部 分 ,都 不 同 程度 地 支撑 着 生态 控制 的 原理 和 应 用 。 这 些 不 仅 体 现在 现代 控制 原理 的 建 立 \ 论 证 、 计 算 与 实际 应 用 等 方面 ,而 且 体 现在 科学 方法 论 ` 思 维 逻 辑 方面 的 指导 与 借鉴 作用 。 各 门 基础 学 科 虽 然 说 对 生态 控制 原理 ,都 有 一 定 的 支撑 作用 ,但 是 它们 所 起 作用 不 是 等 同 的 ,作用 的 方式 也 不 一 样 : 有 直接 作用 ,也 有 间接 作用 ;有 互 为 因果 作用 ,也 有 互 相 渗透 作用 ;有 应 用 工具 作用 ,也 有 方法 借鉴 作用 。 数 学 科学 在 生态 控制 原理 中 的 作用 是 最 重要 的 ,这 是 由 生态 控制 原理 的 学 科 特 点 以 及 多 学 科 支 持 所 决定 的 ( 详 见 图 2-1)。 本 章 将 首先 论述 数学 科学 对 生态 控制 原理 的 意义 \ 应 用 途径 和 效果 等 问题 ,然后 用 一 定 的 文字 和 公式 ,说 明 其 他 学 科 的 相应 问题 。 第 一 生态 控制 的 数学 基础 对 生态 学 \ 生 态 过 程 的 认识 ,尤其 是 定量 认识 ,诸如 生态 过 程 动力 学 方程 建立 与 求 解 、. 生 态 过 程控 制 . 生 态 建设 设计 和 最 优生 态 环境 调节 等 均 离 不 开 数 学 ,数学 是 生态 控制 原理 的 第 一 基础 学 科 。 一 、 从 科学 发 展 上 的 认识 我 们 在 本 书 中 研究 的 题目 只 是 整个 生态 学 科 中 的 一 个 具体 的 问题 ,当然 也 可 视 为 控 制 论 等 学 科 在 实用 中 的 一 个 小 小 的 侧面 。 对 于 整个 自然 科学 , 它 不 过 是 沧海 之 一 桶 。 所 以 ,要 了 解数 学 对 生态 控制 的 指导 及 基础 工具 .思维 方法 方面 的 作用 ,首先 应 了 解 并 阐明 我 们 对 数学 益 于 整个 科学 意义 的 认识 。 这 就 好 比 欲 预知 某 一 城市 的 天 气 , 须 了 解 大 范围 大 气 运 动 之 动态 一 一 天 气 形势 一 样 。 在 古 希 腊 学 者 争论 "世界 本 原 " 这 一 大 问题 时 ,不 同学 者 有 各 自 的 主张 。 其 中 研究 数 学 的 毕 达 哥 拉 斯 学 派 提出 “万 物 皆 数 " 的 命题 。 对 于 该 命题 ,哲学 界 原则 上 是 否定 的 ,万 其 指出 其 将 “ 数 "神秘 化 以 致 错误 地 解释 了 世界 本 原 。 但 绝 大 多 数 人 ,肯定 其 中 的 合理 因 素 , 即 :客观 世界 数量 关系 的 普遍 性 ,世界 上 万 事 万 物 的 统一 性 可 以 用 数学 形式 加 以 描 述 。 当 时 重视 数学 的 思想 , 乃 是 今天 人 们 认识 到 的 数学 之 广泛 适用 性 ,尤其 是 20 世纪 科 学 数学 化 思想 的 萌芽 。 据 科 学 史家 研究 ,我 国 从 秦汉 到 宋代 ,数学 都 是 很 发 达 的 (与 当时 国际 水 平 相 比 ), 在 数学 指导 思想 上 也 是 很 进步 的 。 但 是 ,在 14 世纪 到 19 世纪 ,西方 数学 发 展 了 ,我 国 则 相 对 落后 。 对 数学 的 哲学 研究 ,几乎 是 空白 。 自 辩 证 唯物 主义 的 哲学 诞生 以 来 ,对 数学 才 有 了 更 精辟 的 论述 。 恩 格 斯 说 :“ 纯 数学 的 对 象 是 现实 世界 的 空间 形式 和 数量 关系 ,所 以 是 非常 现实 的 材料 "(《 马 克 思 恩格斯 选 集 ;? 第 3 卷 第 77 页 ,人 民 出 版 社 ,1972)。 客观 世界 中 各 种 事物 千差万别 ,但 它们 无 不 具有 质 与 量 两 个 方面 的 属性 ,任何 事物 24 z a a Rx 站 2 Z| |z gz 3) &] | R aR] | 六 | [aR] | We #8 4H wpe Ze === Bd EX Se SB OE ae IE BS He ES aS -C a) N 都 是 质 与 量 的 统一 体 。 只 是 为 了 研究 问题 的 方便 ,人 们 才 侧 重 研究 事物 的 质 或 量 的 某 一 方面 , 才 有 所 谓 定 性 研究 和 定量 研究 之 分 。 对 客观 世界 物质 运动 形式 进行 质 的 研究 , 构 成 了 科学 分 类 的 基础 ,从 而 有 了 自然 科学 与 社会 科学 .思维 科学 之 分 。 在 自然 科学 内 部 又 有 了 力学 、 物 理学 化学、 天 文学 和 生物 学 之 分 。 单 纯 地 对 现实 世界 一 切 事物 的 量 的 规 定性 进行 研究 , 便 是 数学 科学 的 任务 。 数 学 抛 开 客体 的 其 他 一 切 特性 而 只 抽取 各 种 事物 的 量 ` 量 的 变化 及 量 与 量 之 间 的 关系 。 离 开 量 的 质 是 不 存在 的 ,只 有 对 不 同 质 的 事物 进 行 量 的 规定 性 的 研究 ,才能 更 准确 地 把 握 事物 的 质 , 才 能 更 精确 地 认识 事物 发 展 变 化 的 规律 性 。 不 仅 数学 家 、 哲 学 家 持 以 上 的 看 法 ,许多 其 他 方面 的 研究 者 也 都 对 此 深 有 体会 。 比如 英国 著名 物理 学 家 汤姆 逊 说 :“ 如 果 不 能 用 数学 来 表示 ,那么 你 的 认识 是 不 够 的 ,不 能 令 人 满意 的 ,可 能 只 是 初步 的 认识 ,在 你 的 思想 上 ,还 没有 上 升 到 科学 的 阶段 ,不 论 你 讲 的 是 什么 。” 数学 发 展 的 渊源 在 于 存在 于 客观 世界 的 物质 的 量 的 属性 ,在 从 感性 认识 上 升 到 理性 认识 以 致 真正 成 为 数学 理论 之 后 ,再 以 数学 理论 为 基础 ,为 工具 ,为 思维 方法 ,去 应 用 于 其 他 各 方面 各 学 科 的 研究 ,是 实现 重大 科学 发 现 、 技 术 发 明 的 根本 ,尤其 使 研究 者 能 捷 足 先 登 ,作出 具体 的 成 绩 。 科 学 技术 史上 好 多 事例 (比如 相对 论 的 创建 .遗传 密码 规律 的 发 BR .DNA 双 螺 旋 结 构 的 发 现 \ 数 值 天 气 预报 方法 的 创造 .CT 机 的 研制 成 功 等 ) 都 说 明 : 同 是 研究 一 个 科研 课题 ,有 人 能 “高 人 一 招 棋 ”, 最 先 登 上 科学 高 峰 , 原因 尽管 很 多 ,但 能 否 巧妙 地 掌握 和 运用 数学 方法 , 乃 是 一 个 关键 性 环节 。 关于 数学 在 各 个 学 科 中 的 应 用 规律 ,许多 有 成 就 的 研究 者 (不 限于 自然 辩证 法 研 自 然 科学 哲学 专家 ) 都 有 切身 体会 。 其 实 , 纯 数 学 与 应 用 数学 之 间 并 没有 一 条 不 可 逾 越 的 鸿沟 。 华 罗 庚 院士 早 在 1959 年 的 一 篇 文章 中 就 指出 了 这 一 点 。 对 于 应 用 数学 的 特点 ， 关 获 直 院 士 曾 一 语 道破 地 指出 ;“ 依 据 现实 世界 的 已 知 规律 ,运用 现代 数学 的 方法 ,说 明 现实 世界 的 新 现象 ,或 解决 工程 技术 中 的 实际 问题 "为 了 用 数学 解决 实际 问题 ,针对 客 观 实体 建立 模型 尤其 重要 ,用 数学 方法 建立 模型 也 就 是 《生态 动力 学 》 一 书 中 多 次 提 过 的 数学 模 造 (mathematical modelling)。 人 类 生存 的 自然 界 ,从 微观 的 基本 粒子 到 太阴 系 乃 至 银河 系 , 从 局 地 生物 环境 到 整个 生物 圈 , 从 微生物 个 体 到 大 型 动物 种 群 ,它们 本 身 及 其 运动 形态 可 统称 为 实体 。 科 学 的 任务 在 于 认识 实体 ,描述 实体 ,变革 实体 。 如 何 达到 这 些 目标 呢 ? 首先 要 正确 的 认识 实体 。 正 如 我 国 两 位 著名 科学 家 华罗庚 院士 和 宋 健 院士 共同 指出 的 那样 : “在 定量 研究 客观 事物 时 ,科学 工作 者 的 责任 首先 是 建立 模型 以 抽象 实 体 的 主要 特征 ,其 次 是 逐步 改进 模型 使 其 愈 来 您 准确 地 描述 实体 "。 模 型 是 一 个 广义 的 概念 ,有 形象 模型 也 有 数学 模型 。 从 科学 的 角度 来 说 ,有 数学 模型 ,也 有 物理 模型 (如 原 子 物理 学 中 的 板 田 模型 )\ 化 学 模型 .生物 模型 等 。 所 谓 数学 模型 ,就 是 对 实体 的 特征 和 变化 规律 的 一 种 定量 的 抽象 ,而且 是 对 那些 所 要 研究 的 如 可 以 归 类 于 物理 学 类 的 《力学 学 报 兴 声学 学 报 兴 光学 学 报 兴 物理 学 报 》, 可 以 归 类 于 化 学 类 的 《化 学 学 报 》, 可 以 归 类 于 天 文学 类 的 《天 文学 报 兴 天 体 物理 学 报 》, 可 以 归 类 于 地 球 科 学 类 的 《气象 学 报 兴 水 利 学 报 兴 地 理学 报 》, 可 以 归 类 于 生物 学 类 的 《动物 学 报 兴 植物 学 报 兴 生态 学 报 》, 也 都 有 很 多 数学 符号 。 但 不 同类 学 科 , 所 用 数学 基础 的 深度 广度 是 不 一 样 的 。 比 如 ,在 每 一 类 学 科 中 选 一 代表 ,可 知 ;《 物 理学 报 》 与 《天 文学 报 》 等 同 ,两 者 都 多 于 地 学 类 的 《气象 学 报 》, 而 《气象 学 报 》 多 于 生物 学 类 的 《动物 学 报 》。 在 同一 类 学 科 内 部 ,如 地 球 科学 内 部 ,( 气 象 学 报 》 多 于 《地 理学 报 》;《 生 态 学 报 》 多 于 《植物 学 报 》。 如 果 再 从 时 间 顺 序 上 看 , 随 着 时 间 的 26 推移 ,应 特定 特征 的 定量 抽象 。 然 而 ,数学 模型 本 身 不 可 能 描述 实体 的 一 切 特 征 和 运动 规律 。 它 的 作用 不 在 于 也 不 可 能 表达 实体 的 一 切 特征 ,而 在 于 表达 它 的 主要 特征 ,特别 是 表示 人 们 需要 知道 的 那些 特征 。 数 学 模型 方法 在 自然 科学 的 各 种 分 支 学 科 中 的 应 用 是 极其 广泛 的 。 由 于 数学 方法 的 意义 被 越 来 越 多 的 自然 科学 工作 者 认识 ,所 以 ,大 概 早 在 20 世纪 70 年 代 , 国 外 有 些 人 把 当时 各 门 科学 技术 更 多 更 深刻 地 使 用 数学 的 、 数 值 分 析 的 方法 研究 问题 的 趋势 ,描述 成 是 “各 门 科 学 技术 正在 经 历 着 数学 化 的 过 程 "。 如 果 翻 阅 或 浏览 一 下 代表 科学 发 展 当 代 水 平 的 综合 性 杂志 ,比如 我 国 的 4 中国 科学 》, 你 就 会 发 现 ,其 中 许多 专 业 的 论文 ,不管 是 A 辑 的 ,还 是 B 辑 的 ,都 有 一 定量 乃至 大 量 的 数学 符号 和 公式 。 如 果 济 览 一 下 非 数学 的 专业 性 的 高 级 学 术 刊 物 , 用 数学 的 深度 广度 ,也 是 发 展 的 。 这 正 符合 华 罗 庚 院士 “社会 愈 进步 ,应 用 数学 的 范围 也 就 会 您 大 ”的 论点 ((《 大 民 日 报 》,1959 年 5 月 28 日 )。 璧 如 ,《 气 象 学 报 》(1925 年 创刊 ) ,在 20 世纪 30 年 代 一 般 只 用 初等 数学 ,40 年 代 用 到 数学 分 析 等 基础 高 等 数学 ,50 年代 则 用 数理 方程 ,60 年 代 又 用 概率 统计 、 泛 函 分 析 、 数值 方法 ,80 年 代 又 用 突变 论 、 随 机 过 程 等 , 随 着 时 间 推 移 ,不 难看 出 ,气象 学 从 定性 走向 定量 研究 的 轨迹 。 在 现代 科学 中 运用 许多 数学 方法 ,是 我 们 将 要 切 人 主题 的 生态 控制 中 应 用 的 基础 ， 至 少 有 其 借鉴 作用 ,因此 ,介绍 了 作者 的 一 些 认识 。 二 、 从 生态 控制 方面 的 认识 1. 认识 过 程 在 生态 科学 从 定性 向 定量 发 展 的 历程 中 ,生态 工作 者 对 数学 方法 在 其 中 的 应 用 ,有 一 个 认识 提高 的 过 程 。 在 我 国 ,20 世纪 40 年 代 以 前 出 版 的 生态 学 著作 很 少 ,50 一 60 年 代 中 期 (1966 年 以 前 ) ,中 国 读者 可 以 见 到 的 中 文 版 生态 书籍 有 王 汶 译 、 乐 天 宇 审 校 的 前 苏联 谢 尼 阔 夫 40 年 代 所 著 的 《植物 生态 学 兴 新 农 出 版 社 ,1953) 乐 天 宇 著 《植物 生态 学 》 (中 国 林业 出 版 社 ,1958)、 何 景 编 4 植物 生态 学 》 以 及 乐天 宇 著 《植物 生态 型 学 光 科 学 出 版 社 ,1966) 等 几 本 。 通 观 这 些 书 籍 , 其 中 也 有 关于 生态 控制 方面 的 内 容 , 如 讲述 森林 在 保 护 生 态 以 发 展 农 业 中 的 重要 意义 ,可 见 当 时 许多 生态 含 生态 控 制 方面 的 研究 者 ,对 于 应 用 数学 方法 以 定量 地 处 理 问题 尚 有 很 大 距离 。 直 到 70 年 代 中 后 期 ,我国 才 有 一 批 掌 握 高 等 数学 基础 的 研究 者 ,从 不 同学 科 领 域 介 人 生态 研究 , 才 使 中 国 同行 了 解 到 大 约 自 1920 年 以 来 的 数理 生态 学 之 概 貌 。 在 这 种 发 展 形势 下 ,一 些 原 来 接触 高 等 数学 极 少 的 生 态 研 究 者 (有 些 在 20 世纪 70 年 代 末 80 年 代 初 开始 补习 微 积分 、 概 率 论 \ 高 等 代数 ) 曾 不 止 一 次 地 提出 问题 : 对 于 一 个 生态 问题 ,你 们 为 什么 一 定 用 物理 或 数学 公式 来 表达 ? 为 什么 偏 要 用 那么 多 数学 符号 方程式 或 不 等 式 呢 ? 能 不 能 用 通用 的 纯粹 汉语 一 语 道破 地 把 问题 讲 清 呢 ? 诚然 ,人 们 对 于 生态 控制 问题 的 最 初 认识 可 能 是 用 口头 语言 或 描述 性 文 字 来 表达 的 。 比 如 说 ,在 冬季 气候 赛 冷 的 地 方 要 穿 一 定 厚 度 的 棉衣 、 故 皮 衣服 以 御寒 ,这 就 是 通过 人 为 措施 来 控制 致 冷 的 生态 动力 源 (低温 寒 风 ,更 进一步 追 其 源 为 天 气 形势 ,可 能 是 寒潮 冷 锋 之 后 的 冷气 团 控制 ) ,使 其 对 人 的 身体 这 一 生态 动力 汇 的 负 生 态 动力 效应 减 小 。 这 样 描述 的 大 概 意思 早已 有 之 ,在 4 论语》 就 有 子路 所 说 “ 衣 轻 裘 "的 文字 ,可 见 至 DFE 2500 多 年 以 前 的 山东 人 就 知道 硝 皮 衣服 能 御寒 的 道理 。 类 似 的 例子 可 以 举 出 很 多 ,如 爱斯基摩 人 的 冰 屋 、 现 代 建 筑 物 、 防 洪 堤 坝 等 都 有 对 生物 环境 加 以 控制 .调节 的 功 27 能 。 流 传 或 文字 记载 多 年 的 说 法 也 可 以 谓 之 "文字 模型 ,对 于 后 来 进行 其 数学 模型 研讨 的 人 ,至 少 是 一 种 有 益 的 启发 。 事 实 上 ,许多 用 数学 模型 方法 研究 生态 控制 的 人 都 明确 地 认识 到 : 文字 模型 “是 他 们 建立 数学 模型 的 “序幕 ", 即 初步 阶段 。 在 这 一 阶段 ,将 那些 与 设计 模型 问题 有 关 的 一 切 看 法 结合 在 一 起 ,对 所 研究 的 生态 控制 问题 用 书面 文字 恰当 地 描述 出 来 ,而 尤其 应 当 对 与 系统 控制 思想 有 关 的 那些 内 容 加 以 强调 。 但 是 ,针对 同一 生态 控制 问题 分 别 进行 文字 描述 的 人 ,他 们 描述 的 结果 往往 会 彼此 不 一 致 , 而 对 于 系统 中 的 某 些 组 成 部 分 , 写 出 的 材料 可 能 大 相 径 庭 。 对 于 有 较 多 研究 者 参与 的 项 目 组 ,对 系 统 分 析 中 的 复杂 问题 ,意见 之 分 歧 可 能 很 显著 ,分 歧 不 易 说 明 。 这 样 的 文字 描述 ,对 于 生 态 控制 问题 的 解决 ,尤其 是 在 有 限时 间 内 解决 ,似乎 无 大 神 益 。 而 实现 建设 的 需要 ,又 要 求 研究 者 尽快 提出 控制 建议 ,是 一 个 矛盾 。 因 此 ,一 些 生态 研究 者 反对 “文字 模型 “这样 的 说 法 。 因 为 "文字 模型 只 意味 着 一 种 描述 ,因此 没有 必要 给 用 文字 描述 事物 的 这 样 一 种 非常 一 般 的 做 法 命 以 复杂 化 的 名 称 。 实 际 上 ,很 多 有 系统 分 析 经 验 的 研究 者 认为 : 文 字模 型 “一般 是 不 值得 强调 的 ,除非 这 些 模型 集中 在 某 些 问题 的 定义 界限、 目标 和 对 象 等 级 鉴定 的 范围 之 内 。 而 一 部 分 有 经 验 的 分 析 者 ,很 可 能 会 把 观察 到 的 现象 .事实 ,迅速 地 转化 成 为 产生 一 系列 模型 的 依据 ,并 从 初步 形成 的 经 验 模型 中 ,选择 出 最 合适 的 模型 。 2. 生态 控制 中 的 数学 模型 与 模拟 关于 数学 模型 的 意义 前 已 初步 提 及 ,并 介绍 了 华罗庚 、 宋 健 \、 关 秘 直 、 戴 汝 为 几 位 院 士 对 此 的 见解 。 一 般 说 来 ,从 广义 上 讲 ,数学 中 的 点 ` 线 \ 面 、 集 合 、 群 、 环 ` 线 性 空间 、 拓 扑 空间 等 等 都 可 以 叫做 数学 模型 。 但 是 ,应 用 者 为 了 不 把 数学 模型 与 纯 数学 等 同 起 来 , 数 学 模型 须 体 现 其 某 些 应 用 数学 特征 ,如 果 结 合 我 们 的 生态 控制 问题 及 其 一 系列 研究 对 象 ,可 以 概括 为 三 点 :第 一 , 它 从 客观 存在 的 生态 控制 原型 出 发 ,提出 须 用 什么 样 的 数学 手段 为 工具 , 列 出 数学 公式 或 绘 出 几何 图 形 ;第 二 ,运用 数学 工作 者 已 经 研究 出 来 的 数学 方法 在 数学 公式 或 结构 图 形 上 展开 推导 `、 演 算 和 分 析 , 以 获得 解析 解 或 数值 解 ; 第 三 , 它 必须 回 到 现实 的 生态 控制 原型 中 去 ,对 生态 控制 的 实际 问题 作出 判断 ， 以 达到 解决 实际 生态 问题 的 目的 。 数学 的 力量 不 仅 是 有 数 和 形 的 意义 ,而 且 在 于 它 能 够 提供 一 种 表达 思想 的 工具 , 特 别 是 处 理 极 复杂 关系 符号 逻辑 的 方法 的 能 力 , 与 此 同时 ,又 保持 了 表达 式 的 简明 性 和 节 约 性 。 毫 无 疑义 ,对 于 一 个 生态 工作 者 来 说 ， 表 达 式 的 简明 是 重要 的 。 数 学 表示 法 的 整个 基础 ,就 建立 在 作为 一 种 符号 时 辑 关系 的 简明 表达 式 上 ,而 这 类 表达 式 , 是 一 种 形式 上 的 表达 式 。 当 生态 系统 的 各 种 组 分 的 数值 发 生变 化 的 时 候 ,处 理 生 态 控制 问题 中 各 种 因子 关系 的 数学 法 则 ,使 人 们 能 够 作出 所 期 望 的 生态 控制 方案 的 结果 。 有 了 这 些 结果 ,可 以 用 模 型 给 出 的 结果 同 现实 的 生态 系统 之 间 加 以 比较 ,检验 模型 的 精确 度 。 3. 确定 型 数学 模型 在 生态 控制 系统 中 ,有 些 客观 存在 的 事物 之 间 具 有 确定 性 的 关系 。 如 果 事 物 的 变化 服从 确定 性 的 因果 关系 ,以 致 可 由 前 一 时 刻 的 运动 状态 推 知 后 一 时 刻 的 运动 状态 ,这 就 是 必然 现象 。 如 所 周知 ,经典 数 学 是 刻画 客观 世界 中 确定 性 事物 必然 现象 的 一 种 方便 而 且 可 靠 的 数学 工具 。 从 客观 事物 中 提炼 必然 现象 的 数学 模型 ,一 般 表现 为 针对 确定 性 问 题 的 各 种 数学 方程 式 : 代 数 方程 、 函 数 方程 微分 方程 .积分 方程 .差分 方程 等 。 其 中 ,万 以 微分 方程 式 最 为 普遍 。 28 ae 一 大 约 于 17 世纪 60 年 代 , 人 们 利用 经 典 的 数学 方法 ,把 天 文学 力学、 热力 学 .电磁 学 的 基本 定律 表示 为 微分 方程 式 。 这 大 概 是 微 积分 最 早 在 描述 物理 运动 形式 中 的 应 用 。 在 与 生态 控制 有 关 的 应 用 方面 , 据 现 有 资料 ,大 概 最 早 在 18 世纪 。 至 今 应 用 很 多 ,下 仅 举 古 今 几 例 。 (1) 关 于 物候 期 与 环境 之 间 关 系 的 热 总 量 模式 在 18 世纪 ,Reaumnur 设想 , 当 春 季 温 度 就 时 间 的 积分 达到 一 个 必需 值 的 时 候 , 花 就 开 了 。 从 那 以 后 ,人 们 懂得 :必须 充分 考虑 光 和 水 分 的 有 效 性 以 及 某 一 界限 温度 以 下 的 无 效 性 ,从 而 对 这 样 的 简单 规则 进行 修改 。 人 们 还 懂得 了 ,对 于 一 定 的 地 点 和 适宜 的 周 围 环境 温度 的 一 种 有 机 体 、 一 种 植物 来 说 , 当 积分 | r=[ (T-7,)de (2-1) iABI—* i FHEBE — A C( degree — day) 的 时 候 , 一 种 物候 现象 就 会 发 生 。 上 式 中 ,人 和 T,, 分 别 是 当年 温度 和 界限 温度 ( 即 起 点 温度 )。 表 示 物 候 期 PP, 与 环境 关系 的 公式 就 是 是 一 个 常数 。 细 菌 种 群 在 培养 基 耗 尽 之 前 的 增长 就 可 用 这 样 一 种 模型 来 表示 的 一 个 生物 学 的 过 程 ,其 中 增长 率 在 时 间 的 任 一 点 上 都 是 该 时 间 种 群 密度 的 一 个 比例 。 仅 通过 用 这 种 形式 表达 的 关系 ,我 们 就 可 以 用 微分 方程 所 表示 的 符号 逻辑 的 特定 种 类 的 性 质 , 指 出 也 能 用 公式 y = yoexp(rt ) (2>3) 表示 的 在 时 间 任 一 点 的 种 群 密度 。 式 中 ,> 是 在 时 间 上 时 的 种 群 密度 , y 是 在 时 间 ¢ =0 时 的 密度 ,> 是 一 个 常数 。 上 述 那 种 简单 的 指数 模型 的 用 途 颇 为 有 限 。 因 为 一 个 增长 中 的 机 体 种 群 通常 会 耗 尽 它 的 资源 ,并 因此 而 下 降 到 某 一 平稳 密度 。 具 有 上 述 性 质 的 更 和 迭 模 型 ,可 以 写成 以 下 的 微分 方程 式 : BY = ay— by? (2-4) AP, y 的 意义 同样 是 在 时 间 上 时 的 种 群 密度 ,a 和 2 都 是 常数 。 同 样 , 这 个 模型 也 可 以 用 方程 式 is alb 1+ expl — a(t t)] (225) 表示 。 式 中 ,y 是 在 时 间 上 时 的 种 群 密度 , y 是 时 间 C=O AE 和 0 都 是 常 数 。 这 个 logistic 模 型 十 分 恰当 地 表示 一 种 有 限 资 源 供 应 细菌 种 群 增 长 。 种 群 ,在 其 增长 之 初 , 按 指 数 律 增长 ,而 当 资 源 变 得 有 限时 ,其 增长 逐渐 变 缓 , 直 到 种 群 数量 达到 一 定 水 平 , 呈 渐 近 线 。 此 外 ,作为 在 模型 的 数学 表达 式 形 式 符 号 逻辑 内 的 一 种 逻辑 推理 ,通过 对 模型 原始 方程 式 的 简单 的 代数 处 理 , 可 以 预测 出 其 恒定 水 平 将 是 a/b. RMB, WHR 的 数学 名 词 ,代替 文字 来 表达 模型 ,使 我 们 能 够 立即 从 模型 预知 未 来 数据 。 29 (3) 日 光 温 室 接 受 太 阳 辐 射 量 的 表达 式 太阳 作为 一 级 生态 动力 源 ,通过 温室 的 塑料 膜 直 接 把 光 和 热能 供给 温室 中 的 生物 。 温室 内 的 相对 受 光 量 、 受 热量 ,在 时 间 和 空间 上 都 有 很 大 的 变化 。 从 空间 上 来 说 ,温室 为 三 度 空间 ,用 一 般 的 三 维 笛 卡 儿 直 角 坐 标 系 表示 。 假 定 温室 是 坐 北朝 南 的 , 令 南 北 跨 度 FA a Ah WEI z 轴 路 度 之 长 度 的 起 点 ( 即 坐 标 原 点 ) 定 于 温室 室内 的 西北 角 上 的 那 一 点 ,用 文字 0 表示 之 ( 见 图 2-2 之 a), 东 西方 向 ( 即 栋 长 方向 ) 则 为 y 轴 ,0 点 亦 即 x 轴 Aly 轴 的 交点 ( 见 图 2-2 之 b)。 在 诅 室 的 西北 角 , 自 地 面向 上 的 方向 为 过 轴 。0 点 既是 BUI a 轴 与 y 轴 的 交点 ,同时 也 是 y HS e 轴 的 交点 。 图 2-3 便 把 各 轴 结 合 起 来 。 我 们 在 这 里 ,可 以 有 充足 理由 地 把 温室 内 的 点 (z,y,z) 在 时 间 上 接受 的 太阳 辐射 量 表示 为 z,y,z,t Mee, WA I=I(x,y,25t) 图 2-2 日 光 温室 的 空间 表示 法 a 图 为 二,z 截面 b 图 为 zx,y 平面 整个 温室 接受 的 太阳 辐射 总 量 I, 是 有 限 多 的 各 点 (假定 每 一 点 表示 一 个 体积 范围 ) 热 量 的 累计 ,实际 上 是 连续 情形 。 于 是 ,我 们 有 I,= 降尘 全 I(x,y,z,t)dxdydzdt (2-6) AY,t2—-¢, HAFRRBWKE,y-y, BSATRK, 2, — 2x, 是 跨度 , z; - zi 是 从 地 面 到 棚 项 的 高 度 。 (4) 植 被 - 大 气 互 作 系统 中 叶 、 冠 层 传导 在 该 系统 中 ,为 求 标量 守恒 所 造成 的 限制 ,所 列 出 的 偏 微分 方程 是 : Oc so ey a a VE a * f. (2-7) FUP, c 是 守恒 标量 的 密度 ,大 Re Dit AS BE, U 是 速度 平均 向 量 。 为 了 进 行 模拟 ,该 方程 总 是 就 空闲 体积 R( 意 即 没有 植物 而 只 由 空气 构成 的 那 部 分 空间 , 比如 说 冠 层 中 的 空闲 空间 ) 进 行 积 分 ,这 里 所 说 空间 可 以 限于 整个 对 流 边 界 层 的 空间 。 设 尺 部 分 地 受到 陆地 -大气 交办 面 的 限制 ,这 样 , 它 的 闭合 边界 面 S= S.+ SaA ,包括 S. MS, 两 个 部 分 ,这 里 的 S, 涉及 陆地 一 大 气 交界 面 ,涉及 植被 或 土壤 ,而 Sa BRA PAE FA 散 原 理 、 守恒 方 程 可 以 就 R 进行 积分 , 即 有 如 下 的 涉及 偏 微分 和 积分 的 方程 式 : 2 { [fede = |u.cas + |[pas Me | as (2-8) Sa T HU, +f. ZUAL ES EA AR—EMA Ec 是 位 置 坐标 。 该 方程 式 右 边 的 三 30 Al2-3 日 光 温 室 各 轴 关 系 项 分 别 相应 于 平流 \ 大 气 通 量 辐 散 和 地 面 通 量 引起 的 标量 输入 。 如 果 最 后 一 项 写 为 S.F. (这 里 F.=(f.), 2M S. 上 的 面积 平均 通 量 密度 ) ,那么 方程 就 成 为 Ff 3 = | tas = Dafa (2-9) AP, S. 含有 面积 为 S; 的 几 个 部 分 ,标准 化 处 理 是 ai = S;/S。, 通 量 密度 为 foo 以 上 说 明 涉 及 植被 .大 气 和 土壤 的 多 种 不 同性 质 的 生态 动力 源 和 汇 关 系 的 确定 型 表 达 式 。 但 这 样 做 ,是 用 了 假定 条 件 的 。 应 用 时 ,往往 须 用 离散 求 和 等 。 《5) 林 带 水 分 蒸发 模型 在 森林 生态 学 研究 中 ,直到 本 世纪 40 一 60 年 代 , 应 用 数学 分 析 `、 常 微分 方程 和 偏 微 分 方程 表达 定量 规律 的 场合 , 仍 是 很 少 的 。 在 我 国 , 用 得 更 少 。70 年 代 以 来 ,由 于 原来 从 事物 理学 流体 力学 以 及 陆地 水 文学 等 学 科研 究 的 专家 介 和 人 森林 生态 学 的 研究 , 才 使 防 护林 网 、 林 带 的 研究 走向 数学 化 、 物 理化 和 新 技术 化 。 随 着 实测 数据 的 增多 ,电子 计算 机 的 应 用 ,这 类 研究 近 20 年 有 了 突飞猛进 的 发 展 , 为 三 北 防护 林 建 设 提供 了 科学 依据 。 现 仅 就 林带 附近 蒸发 规律 研究 中 运用 微分 方程 的 例子 ,简要 说 明之 。 林带 附近 的 比 湿 增 量 随 着 高 度 的 增高 而 增 大 , 即 垂直 梯度 为 正 值 , 减 小 了 无 林带 时 负 的 垂直 梯度 值 , 从 而 抑制 了 蒸发 作用 。 设 无 林带 时 水 平 的 均一 下 垫 面 莹 发 率 可 用 水 汽 通 量 方程 计算 , 则 蒸发 潜 热 Q 可 表示 如 下 Q=LE Sse TD = 式 中 , 为 蒸发 1 g 水 所 消耗 的 热量 ,与 气温 ae L =4.18 x (597 -0.62) Ha sR (2 — 10) 并 用 东北 西部 农田 防护 林 区 的 观测 结果 可 以 估价 林带 对 蒸发 的 影响 。 据 野外 观测 结果 , 热 季 白天 (07 一 18 时 ) 潜 热 通 量 可 达 627 ~ 941 J/cm’ +d, FHR Q = 1.09 J/cm’ ,min 或 1.8x10”Jjcn 9.5 极 强 碱 性 土壤 化 学 性 质 显 然 是 人 为 控制 化 学 类 生态 动力 源 的 科学 基础 。 我 国 多 年 来 ,在 这 方 面 所 做 的 工作 正 是 针对 这 个 基础 进行 的 。 一 方面 ,通过 对 土壤 本 身 酸 碱 度 的 控制 ,比如 改良 盐碱地 的 措施 ,使 土壤 生态 条 件 更 好 支持 植物 生长 (如 石 元 春 \ 辛 德 惠 两 位 院士 在 河 北 曲 周 所 做 的 工作 ) , 另 一 方面 ,培育 适应 盐碱地 环境 的 品种 (如 许 雷 研究 员 在 辽宁 大 渤 所 做 的 工作 )。 4. 生物 圈 与 生物 地 球 化 学 循环 生物 圈 , 同 前 述 三 个 圈 层 的 不 同 之 处 ,主要 在 于 它 并 非 构成 一 个 单独 的 物理 圈 层 ,而 a4 是 地 球 上 所 有 生命 有 机 体 的 总 和 , 它 的 大 部 分 集中 在 水 圈 和 岩石 圈 , 也 部 分 地 生活 在 大 生物 圈 的 代谢 作用 含 同 化 作用 (anabolism 2% biosynthesis) Al #44 /E FA (cotabolism) 。 前 者 进行 物质 合成 ,后 者 进行 物质 分 解 。 光合 作用 是 同化 作用 中 最 主要 和 最 基本 的 过 程 。Chameides 和 Perdue(1997 ) 分 别 给 出 海洋 和 陆地 生物 的 光合 作用 和 呼吸 作用 的 化 学 反应 式 。 海洋 生物 光合 作用 式 106CO, + 106HO+ 16NH, + H; PO, + 1 一 CogH2c O119 Nig P + 1060, 海洋 的 呼吸 作用 式 Cyo6 Ho63 O110 Ny P + 106CO,—>106H, 0 + 16NH,; + H; PO, 陆地 生物 圈 的 光合 作用 和 呼吸 作用 反应 式 830CO, + 600H,O0 + 9NH, + H3PO, + hy—>Cg39 Hj239 Og4o No P + 8300, 在 植物 化 学 中 ,元 素 间 的 比值 非常 重要 , 它 不 仅 反 应 植物 对 环境 的 适应 情况 ,也 能 指 示 植 物 的 生活 型 。 一 般 来 说 ,海洋 生物 的 C:N 和 C:P 值 较 小 ;陆地 生物 中 , 木 本 植物 因 含 较 多 的 木质 素 , 故 C:N 和 C:P 值 较 草 本 植物 大 。 下 面 讲 一 下 碳 、 氮 、 硫 和 磷 的 生物 地 球 化 学 循环 问题 。 《1) 碳 循环 CO, 循环 是 生物 地 球 化 学 循环 的 核心 内 容 , 是 CO 在 大 气 圈 、 生 物 圈 和 岩石 -土壤 图 中 的 积累 和 流动 过 程 。 据 方 精 云 研究 ,如 果 按 大 气 COLMEHN 36010 “ml'L ‘it, BB 么 大 气 中 的 碳 量 应 为 7530 PgC; 而 大气 中 的 CO, 浓 度 以 1.5x10“ml'L +a 的 速率 增 加 , 故 大 气 中 的 碳 量 每 年 增加 3.4 PgC。 土壤 是 个 巨大 的 有 机 碳 库 ,全 球 土壤 碳 库 大 约 有 1500 PgC, 中 国土 壤 碳 库 在 全 球 碳 库 中 占 重 要 位 置 。 因 此 ,保护 中 国土 壤 资源 不 仅 对 我 国 农业 可 持续 发 展 至 关 重 要 , WA 护 良 性 的 全 球 生物 地 球 化 学 循环 也 是 十 分 必要 的 。 而 科学 保护 土壤 资源 正 是 人 类 控制 土壤 生态 的 重要 手段 。 土壤 呼吸 是 土壤 释放 CO,; 的 过 程 ,也 是 生物 圈 向 大 气 圈 释放 CO, 的 主要 方式 之 一 。 据 研 究 ,影响 土壤 呼吸 的 主要 因素 包括 生物 作用 、 土 壤 气象 因子 、 抑 制 因子 以 及 土地 利用 方式 。 其 中 土地 利用 是 生态 控制 的 人 工 措 施 , 它 直接 关系 到 整个 土壤 呼吸 过 程 。 化 石 燃 料 燃烧 基本 上 全 是 人 类 活动 的 问题 。 煤 、 石 油 、 天 然 气 燃烧 以 及 水 泥 生 产 等 工业 活动 所 释放 的 CO, 是 大 气 中 CO 的 主要 来 源 。 按 照 生态 控制 原理 ,采取 必要 措施 , 减 > CO, 排 放量 是 人 类 保护 环境 的 当务之急 。 对 此 问题 ,本 节 后 面 将 专门 讨论 。 热带 森林 破坏 ,将 使 积累 于 林木 中 的 CO, 向 大 气 中 释放 。 因 此 保护 热带 森林 , 避免 大 规模 砍伐 和 垦荒 ,对 于 减少 大 气 中 人 工 源 CO, 是 很 重要 的 。 (2) 氮 循环 N 是 氨基酸 的 组 成 元 素 , 是 一 切 生 命 所 必需 的 成 分 。 近 年 ,已 有 较 好 的 全 球 N 素 循 环 模式 。 模 式 指出 ,大气 是 地 球 上 最 大 的 N 库 , 陆 地 、 土 壤 的 N 库 小 。 大 气 中 的 N A 定 对 生物 圈 极 为 重要 。 闪 电 国 氮 、 人 工 固氮 、 化 石 燃料 燃烧 固氮 等 是 目前 人 们 认识 到 的 在 陆地 上 的 主要 固氮 方式 。 所 固定 的 N 素 都 是 可 以 被 植物 吸收 利用 的 有 效 态 氮 ,合计 为 240 TgN'a ,从 陆地 进入 海洋 为 36 TgN'a |. 43 在 海洋 系统 中 , 除 每 年 从 陆地 接收 的 36 TgN 外 ,生物 固 N BW 15 TgN'a ,通过 璀 水 接收 30 TgN-a 。 深 海 是 个 巨大 的 无 机 N 库 , 有 570 PgN。 经 由 海洋 的 反 硝 化 作用 ， 每 年 有 110 Tg 的 N 素 以 六 的 形式 返回 大 气 。 (3) BEE 全 球 磷 循环 与 其 他 几 种 元 素 循环 的 一 个 显著 区 别 是 几乎 没有 气体 成 分 参与 磷 循 环 。 近年 ,全 球 磷 循环 模式 已 经 建立 。 据 计算 陆地 生物 体 中 的 P 库 中 , 磷 的 总 量 为 26000 TgP。 海 洋 生 物体 中 ,了 的 总 量 为 44 TgP。 表 层 海洋 和 深层 海洋 的 P 库 分 别 含 2800 TgP 和 100000 TgP。 (4) 硫 循环 地 球 大 气 中 的 S 主要 来 自 火 山 爆 发 、 沙 侍 以 及 某 些 人 类 活动 。 从 火山 进入 大 气 的 硫 约 为 10 TgS'a ,其 中 ,海洋 和 陆地 各 为 S TgS'a ,由 沙 尘 带 人 大 气 的 硫 为 8 TgS.a !。 化 石 燃料 燃烧 排放 的 S 为 90 TgS,a :。 另 外 ,陆地 生态 系统 中 ,也 自然 释放 出 一 部 分 以 HS 为 主 的 气体 ,其 总 量 不 超过 1 TgS.a ,加 上 森林 火灾 释放 的 3 TgS'a :的 硫化 合 物 ， 可 知 , 从 陆地 生物 圈 向 大 气 排放 的 S 约 为 4 TgS'a :。 从 陆地 排放 到 大 气 中 的 硫 ,大 部 分 以 于 沉降 和 雨水 吸收 的 形式 又 回 到 陆地 ,剩余 的 部 分 经 远 距 离 传输 到 达 海 洋 。 在 海洋 的 S 循环 中 ,海洋 生物 排放 的 S 约 为 16 TgS'a ,而 海洋 吸收 的 S 为 180 TgS'a '. (5) 化 学 元 素 循环 与 生态 控制 关系 掌握 地 球 化 学 元 素 的 循环 规律 及 其 相互 作用 ,对 于 人 类 设法 适应 这 种 规律 ,在 认识 这 种 规律 基础 上 ,通过 人 工 生态 动力 源 的 调节 、\ 控 制 , 使 这 些 循环 朝 着 人 类 需要 的 方向 发 展 。 方 精 云 等 从 复合 生态 系统 的 观点 ,结合 中 国 国 情 研 究 元 素 循环 规律 ,有 助 于 生态 环 境 中 化 学 元 素 的 能 动 控制 走向 系统 化 ,这 是 架 起 化 学 与 生态 控制 间 桥 梁 的 有 益 尝 试 。 如 所 周知 ,在 复合 生态 系统 中 ,人 是 最 活跃 的 积极 因素 ,也 是 最 重要 的 破坏 因素 。 因 而 该 系 统 兼 有 自然 与 社会 双重 属性 。 为 使 元 素 循环 有 益 于 可 持续 发 展 , 从 全 球 , 从 陆地 或 海洋 各 自 总 体 , 以 至 从 大 区 域 总 体 考 虑 宏观 措施 ; 另 一 方面 ,在 局 部 地 区 范围 内 ,考虑 具体 措施 ,两 者 相辅相成 。 据 研究 ， 近年 国内 实用 有 效 的 措施 为 :提高 农田 土壤 中 的 P 和 N 的 利用 率 ; 在 湿地 建设 或 天 然 湿 地 改造 过 程 中 ,注意 截留 P 和 N, 比 如 利用 《生态 动力 学 ?一 书 中 湿地 P 模式 作 指导 ;利用 农林 牧 生 态 系统 固定 CO, ,减少 向 大 气 中 的 CO, 排 放量 ;发 展 生 态 产 业 体 系 , 多 级 利用 废 物 。 二 化 学 元 素 宏 观 生 态 控 制 1. 温室 气体 控制 一 一 大 气 中 化 学 物质 全 球 控 制 控制 温室 气体 排放 是 人 类 在 认识 到 CO, 等 温室 气体 的 前 提 下 自觉 使 用 的 一 项 全 球 统一 行动 的 大 规模 的 生态 控制 措施 ,是 当今 对 大 气 化 学 元 素 作 宏 观 控制 的 有 效 手 段 , 它 起 源 于 人 类 活动 所 形成 后 果 的 深刻 教训 。 (1) KAP AS PR A ie A th th SA, FA, 5k SA SL HL Se YB 射 几 乎 无 衰减 地 通过 , 却 可 以 吸收 地 球 的 长 波 辐射 。 这 类 和 气体 有 类 似 于 温室 的 效应 ,所 以 把 它们 统称 为 "温室 气体 “。 大 气 中 能 产生 温室 效应 的 气体 已 被 发 现 的 近 30 种 ,其 中 46 CO, 甲烷、 氟 里 昂 和 氧化 亚 氮 起 重要 作用 。 据 研 究 ,大 气 中 CO, 增 加 的 主要 原因 是 森林 砍伐 和 化 石 燃 料 的 燃烧 ， 温 室 效 应 "使 地 球 表面 温度 提高 ,从 而 给 生产 和 人 类 活动 带 来 影响 ,乃至 造成 全 球 不 良 后 果 。 据 李 星 学 院士 介绍 :全 球 大 气 中 CO, 含量 ,在 1750 年 以 前 ,基本 维持 在 280 x 10° ml*L' ,1890 44-4 290 x10 °ml-L™', 1960 增 至 315X 10“ml'L ,增加 率 为 8% ,平均 每 年 增加 0.6x10“ml'L 。1958 年 以 来 的 监测 结果 表明 ,1981 年 已 超过 340 x 10° ml*L! ,相当 于 每 年 增加 1.3X10-ml.L ,到 20 世纪 末 已 升 至 360X10 ml'L ,每 年 约 增加 1.8Xx10“ml. 直 。CO, 体 积分 数 剧 增 会 导致 气候 变 暖 ,或 者 确切 地 说 是 人 类 活 动 导 致 气候 变 暖 ,许多 学 者 曾 预 测 :如 果 世 界 能 源 消 费 的 格局 不 发 生根 本 性 变化 ,到 21 世纪 中 叶 ,大 气 中 CO, 的 体积 分 数 将 会 达到 560X10 一 ml'L ,地 球 平均 温度 会 有 较 大 幅 度 的 增加 。 政 府 间 气 候 变化 专业 委员 会 (ITPCC) 于 1996 年 发 表 的 评估 报告 ,再 次 肯定 了 温室 气体 增加 将 会 导致 全 球 气候 变化 的 预测 意见 。 人 类 活动 极 大 地 改变 了 土地 利用 方式 ,特别 是 工业 革命 以 来 ,大 量 森 林 植 被 遭 到 破 坏 ,化 石 燃 料 使 用 量 迅 速 增加 ,人 为 的 温室 气体 排放 量 大 量 增加 。 (2) 控 制 计 划 与 实施 1988 年 联合 国 环境 署 (UNEP) 和 世界 气象 组 织 (WMO) 联 合 发 起 成 立 政府 间 气 候 专 业 委 员 会 。1992 年 6 月 ,154 个 国家 在 里 约 热 内 卢 举行 的 环境 与 发 展 大 会 上 签署 了 联合 国 《气候 变化 的 框架 公约 》。 这 是 原则 性 公约 , 它 对 国际 社会 应 对 气候 变化 加 强 合作 提供 了 法 律 依 据 , 从 生态 控制 角度 出 发 ,是 人 类 自觉 地 调整 自身 行动 控制 化 学 生态 动力 源 的 全 球 范围 的 重大 举措 。 该 条 约 签订 旨 在 控制 大 气 中 CO, ,CH: 和 其 他 温室 气体 的 排放 。 它 于 1994 年 3 月 生效 ,至 2001 年 有 186 个 缔约 方 ,我 国 是 1992 年 首 批 签约 国 。 自 1995 年 柏林 会 议 起 ,每 年 举行 一 次 缔约 方 大 会 ,就 公约 的 具体 实施 等 问题 进行 审 议 , 对 有 关 问 题 进行 进一步 谈判 。1997 年 12 月 ,在 日 本 京都 举行 的 第 三 次 缔约 方 大 会 期 间 ,与 会 国家 共同 审查 了 《气候 变化 框架 公约 》 执 行情 况 ,磋商 如 何 采取 措施 ,以 落实 该 公 约 , 使 发 达 国 家 在 更 有 效 地 降低 温室 气体 排放 量 的 同时 ,增加 对 发 展 中 国家 的 资金 援助 和 技术 转让 ,从 而 尽快 地 抑制 全 球 气 候 变 暖 趋势 ,这 次 会 议 达成 的 协议 即 4 京 都 议定 书 》， 是 国际 社会 为 保护 人 类 赖 以 生存 的 地 球 环 境 经 多 年 努力 而 达成 的 一 项 重要 成 果 。 从 科 学 上 讲 ,是 化 学 .气象 学 的 多 年 研究 成 果 用 于 人 类 控制 全 球 生态 环境 实践 的 尝试 。 这 一 具有 国际 法 律 效力 的 文件 规定 :39 个 工业 化 国家 在 2008 一 2012 年 间 ,将 温室 气体 排放 量 在 1990 年 的 基础 上 减少 5.2% 。 所 限制 的 温室 气体 主要 有 CO, ,CH,,N,0, ARIE. 4 化 碳 和 六 氟 化 硫 。 京 都 协议 的 制定 ,是 全 球 协作 为 改变 大 气 中 CO, 等 气体 含量 所 作 努 力 的 第 一 步 。 但 实施 该 协议 , 仍 有 许多 问题 尚 待 解 决 。 2. 酸雨 控制 如 果 说 《京都 议定 书 》 是 全 球 生 态 问题 宏观 控制 重大 战略 举措 ,那么 酸 两 控制 是 大 范 围 宏 观 控 制 的 重要 战术 举措 。 (1) 酸 雨 及 其 危害 酸雨 ,在 今天 已 成 为 科学 界 熟知 的 一 个 术语 ,一 般 说 来 ,pH 小 于 5.6 HW. SME 形式 的 大 气 降 水 统称 为 酸雨 。 酸 十 是 由 人 为 排放 到 环境 中 的 SO, 和 NOx 转 化 的 硫酸 雨 和 硝酸 雨 而 形成 的 。 47 酸雨 引起 的 污染 ,已 成 为 当今 社会 的 重大 公害 之 一 。 大 量 事实 表明 : 酸 沉降 对 陆 域 及 水 域 生态 系统 、 材 料及 露天 文物 古迹 ,对 人 体 健 康 , 对 工农 业 生 产 ,都 会 产生 不 同 程度 的 不 利 影响 。 酸雨 ,从 本 质 上 说 ,是 经 由 大 气 运 动 “ 加 工 " 作 用 的 大 气 污染 的 一 种 形式 。 酸 十 的 化 学 成 分 有 一 定 的 地 区 性 。 比 如 ,在 我 国 由 于 能 源 构成 中 煤 占 76% , 而 煤炭 的 84% 供 直接 燃 用 ,而 直接 燃 用 的 煤 中 粉 煤 量 高 达 60% 左 右 , 所 以 大 气 中 SO, 一 对 NO;, -的 比值 比美 国 高 得 多 ,这 说 明 我 国 酸雨 是 典型 的 硫酸 雨 。 每 年 排 人 大 气 的 污染 物 的 化 学 成 分 中 ,有 87% 的 SO, 和 67% 的 NOx 来 源 于 煤炭 。 酸 雨 对 森林 生态 系统 的 危害 是 长 远 的 。 比 如 ,有 局 地 特征 的 峨眉 山 酸雨 系 来 自 四 川 盆 地 的 成 都 一 带 , 这 种 酸雨 严重 危害 峨眉 山 冷 杉林 、 酸雨 不 但 使 森林 受 损 , 还 使 森林 调节 环境 的 功能 下 降 。 对 农田 生态 系统 的 危害 主要 通过 土壤 促成 的 。 我 国土 壤 的 化 学 性 质 ,区 域 分 带 明 显 ,土壤 的 pH, 阳 离子 交换 量 , 盐 基 饱 和 度 , 大 体 上 自 南 向 北 逐 渐 升 高 ,土壤 对 酸 沉降 的 忍耐 能 力 , 大 体 上 自 南 向 北 逐 渐 升 高 ,地 表 水 体 的 酸 缓冲 量 从 南 向 北 逐 渐 增 大 。 这 些 化 学 特征 ,对 于 了 解 酸 十 和 控制 酸雨 是 有 意 义 的 ,是 酸雨 生态 控制 的 主要 科学 基础 之 一 。 为 了 保护 生态 环境 , 目前 世界 上 越 来 越 多 国家 着 手 寻 求 有 效 的 科学 途径 来 规划 并 控 制 酸 性 物质 排放 量 。 早 期 ,有 经 验方 法 、 离 子平 衡 算法 、 酸 化 模型 法 和 湖泊 再 现 法 。 目 前 , 郝 吉 明 等 在 确定 酸 沉降 临界 负荷 与 临界 化 学 标准 ,研究 酸 沉降 计算 方法 和 酸化 模型 基础 上 , 作 了 全 国 性 的 地 理 区 划 ,并 制定 了 在 临界 负荷 基础 上 控制 酸 沉 降 的 方案 。 具 体 措施 诸如 :限制 高 硫 煤 的 开采 和 使 用 ;重点 治理 火电 厂 污染 ,削减 SO, 排 放 总 量 并 防止 化 工 、 治 金 . 建 材 (尤其 是 水 泥 ) 等 行业 排放 所 引起 的 SO 污染 。 (2) 控 制 区 选择 及 控制 效果 一 般 说 来 ,酸雨 控制 区 应 包括 酸雨 最 严重 的 地 区 及 其 周围 SO 排放 量 较 大 的 区 域 ,而 SO, 污 染 主要 集中 在 城市 ,污染 的 主要 原因 是 局 地 大 量 的 燃 煤 设施 排放 的 SO, ,所 以 在 确 定 二 氧化 硫 污染 控制 区 时 ,应 以 城市 为 基本 控制 单元 。 在 我 国 ,考虑 到 酸 十 和 SO, 污 染 特征 的 差异 及 实施 可 持续 发 展 战略 的 要 求 ,1988 年 1 月 国务 院 批准 “两 控 区 "总 面积 为 1.09x 10°km’ , 占 国土 总 面积 的 11.4% ,其 中 酸雨 控制 区 面积 约 为 8.0X 107km* , 占 国土 总 面积 的 8.4%; SO, 污染 控制 区 面积 约 为 2.9X10: km' , 占 国土 总 面积 的 3% 。 目 前 “两 控 区 ”酸雨 化 学 污染 的 防治 已 见 成 效 , 数 千家 不 合 要 求 的 高 硫 煤矿 已 被 关闭 ,也 关 停 了 会 造成 污染 的 小 水 泥 、 小 玻璃 和 小 钢铁 生产 线 千 余 条 。 = OWE ASHE til 从 化 学 原理 出 发 ,研究 化 学 生态 动力 源 对 生态 环境 影响 并 用 化 学 方法 进行 防治 或 优 化 控制 ,是 离 不 开化 学 基础 的 。 这 部 分 讨论 微观 生态 控制 ,一 般 是 通过 人 类 活动 采取 茶 种 措施 可 望 在 当时 (或 近期 ) 当 地 见效 的 措施 。 1. 水 污染 及 其 化 学 控制 水 体 富 营 养 化 是 水 污染 的 主要 表现 。 在 人 类 活动 影响 下 即 在 人 工 生态 动力 源 作 用 下 ,各 种 生物 所 需 的 N,P 等 营养 物质 大 量 进 入 湖泊 河口 海湾 等 流动 缓慢 的 水 体 ,引起 藻类 与 其 他 浮游 生物 迅速 繁殖 ,水 体 溶解 氧 量 下 降 ,水质 恶化 ,水 中 的 鱼 类 及 其 他 生物 大 48 量 死亡 ,这 就 是 水 体 富 营 养 化 。 富 营养 化 使 水 的 透明 度 降 低 , 以 致 阳光 难以 穿 透水 层 , 从 而 影响 水 中 植物 的 光合 作 用 ,影响 O, 的 释放 ;而 表层 水 面 植物 的 光合 作用 ,可 能 促成 溶解 氧 的 过 饱和 状态 。 表 层 溶 解 氧 的 过 饱和 ,水 中 溶解 氧 少 ,都 有 害 于 鱼 及 其 他 水 生动 物 , 甚 至 其 死亡 。 富 营养 化 水 体 中 底部 堆积 的 有 机 物质 在 厌 氧 条 件 下 分 解 所 生成 的 有 害 气体 以 及 某 些 浮游 生物 所 产生 的 生物 毒素 ,都 会 成 为 有 害 于 水 生动 物 的 生态 动力 源 。 富 营养 化 的 水 中 含有 亚 硝 酸 盐 和 硝酸 盐 \ 人 畜 长 期 饮用 其 含量 超标 的 水 ,会 中 毒 致 病 。 水 体 需 氧 物质 污染 ,一 般 以 总 有 机 碳 \ 生 化 需 氧 量 和 化 学 需 氧 量 为 指标 。 水 中 有 毒 物质 污染 ,直接 危害 人 体 健 康 , 导致 若干 种 疾病 ,也 是 地 方 性 中 毒 的 原因 ,并 有 害 于 水 生 动物 。 为 了 减轻 旋 至 避免 水 富 营养 化 等 化 学 生态 动力 源 的 负 生 态 动 力 效应 ,人 们 依托 现代 科学 技术 采取 一 系列 措施 ,包括 净化 和 废水 处 理 措 施 , 这 里 只 介绍 与 化 学 有 关 的 主要 措 施 。 化 学 净化 过 程 中 的 化 学 反应 的 产生 和 进行 ,取决 于 污水 和 水 体 的 具体 状况 。 如 在 一 定 条 件 下 ,水 体 中 难 溶性 硫化 物 可 以 氧化 为 易 溶 性 的 硫酸 盐 ; 可 溶 的 +2 PR A 物 可 以 转化 为 几乎 不 溶解 的 + 3 价 铁 \.+4 价 锰 的 氢 氧 化 物 而 沉淀 下 来 。 又 比如 水 中 的 硅 \ 铝 的 氧化 物 胶体 或 蒙 脱 石 、 高 岭 石 一 类 胶体 物质 ,能 吸附 各 种 阳离子 或 阴离子 而 与 污 染 物 凝 聚 在 一 起 并 沉淀 下 来 。 废水 的 化 学 处 理 方法 系 指 利用 化 学 反应 来 分 离 、 回 收 废水 中 的 污染 物 ,或 者 把 这 些 污染 物 转化 为 无 害 的 物质 。 主 要 的 工艺 中 有 中 和 、 混 凝 、 化 学 沉淀 、 氧 化 还 原 、 吸 附和 萃 取 等 。 2. 土壤 污染 及 其 化 学 控制 土壤 作为 生态 动力 源 的 一 个 大 的 类 别 是 污染 物 迁 移 转化 最 为 频繁 最 为 复杂 的 场所 。 大 气 和 水 是 污染 土壤 的 媒介 。 土壤 是 植物 赖 以 生存 的 基础 ,而 土壤 的 化 学 成 分 对 农作物 的 作用 更 重要 ,这 也 许 是 在 农业 科学 中 土壤 与 农业 化 学 往往 列 为 一 个 专业 的 缘由 ! 土壤 污染 物 可 直接 或 间接 地 影响 土壤 的 生态 动力 过 程 ,产生 负 效 应 导致 农作物 产量 和 质量 降低 。 我 们 可 以 毫 不 夸张 地 说 ,土壤 污染 若 不 及 时 卓有成效 的 治理 ,就 会 成 为 两 高 一 优 农业 可 持续 发 展 的 梭 。 土壤 污染 的 几 个 主要 问题 负重 金属 污染 Hg,Cd,Cr,Pb 等 重金 属 是 土壤 的 重要 污染 源 。 重 金属 污染 毒性 效 应 强 ,重金 属 难于 被 微生物 降解 ,并 且 有 可 能 在 微生物 作用 下 ,转化 为 更 有 毒 的 物质 ,如 无 机 素 经 微生物 作用 而 生成 有 机 冬 。 土 壤 中 的 重金 属 离子 可 以 被 农作物 吸收 ,经 由 食物 链 浓缩 和 干 万 倍 ,在 人 体 中 积累 以 致 中 毒 ,成 为 人 类 生存 的 潜在 的 重大 威胁 之 一 。 外 农药 污染 ”农药 是 土壤 的 一 种 重要 的 污染 源 。 农 药 包 括 杀 虫 剂 , 杀 菌 剂 、 除 草 剂 、 生长 调节 剂 等 。 农 药 对 害虫 真菌 和 杂 草 的 杀 灭 作用 ,可 为 农业 挽回 15% 的 收成 。 但 是 ， 农药 利用 率 只 有 10% ,其 余 或 直接 散落 在 土壤 和 水 体 中 ,或 通过 作物 落叶 降雨 的 作用 而 进入 土壤 中 ,有 些 农药 难于 降解 ,长 期 存 人 土壤 中 ,也 可 经 由 食物 链 进 入 人 体 。 OAKES 固体 废弃 物 通常 指 没 有 利用 价值 的 固体 或 半 固 体 物 质 。 固 体 废弃 物 含 工业 废弃 物 .农业 废弃 物 和 生活 垃圾 。 固 体 废 弃 物 对 土壤 污染 十 分 严重 , 因为 它 可 侵占 农业 ,其 中 的 有 害 气体 逐渐 挥发 到 大 气 中 去 ,污染 空气 ;其 中 所 含有 毒 重金 属 和 其 他 污染 物 ,经 雨水 淋 洗 可 污染 河流 湖泊 、 地 表 水 ` 地 下 水 和 土壤 。 在 农业 生产 中 , 由 大 49 棚 、 日 光 温 室 和 地 膜 淘汰 下 来 的 塑料 薄膜 ,散人 农田 混 人 土壤 ,阻碍 土壤 中 空气 流通 , 影 响 植 物 根 系 发 育 \. 呼 吸 ,不 利于 土壤 微生物 繁殖 ,也 影响 土壤 中 水 分 和 肥料 的 迁移 ,混在 土壤 中 的 塑料 薄膜 ,通常 要 经 200 多 年 才能 分 解 完毕 ,可 见 对 农田 生态 负面 影响 之 长 远 。 由 化 肥 污 染 化肥 的 施用 ,在 促进 农业 增产 的 同时 ,也 会 造成 土壤 ` 大 气 和 水 体 的 污 染 。 化 肥 施 用 可 造成 士 壤 板结 ,如 长 期 施 硫 镑 可 造成 土壤 中 硫酸 根 离子 富 集 ,土壤 酸性 增强 而 生成 硫酸 钙 ,使 土壤 板结 。 氮 肥 的 施用 可 导致 土壤 中 的 硝酸 盐 和 亚 硝酸 盐 大 幅度 增加 ,污染 各 种 农作物 ,特别 是 蔬菜 水 果 和 瓜 类 。 施 用 化 肥 还 污染 地 下 水 ,使 地 下 水 中 含有 过 量 的 硝酸 盐 和 亚 硝 酸 盐 ,人 和 动物 饮用 后 ,也 可 在 体内 生成 对 健康 有 危害 的 亚 硝 铵 。 可 见 化 学 污染 土壤 导致 负 生态 动 力 效应 不 可 忽视 ,要 设法 解决 。 既然 土壤 污染 从 多 方面 影响 生态 环境 ,人 们 必须 从 生态 控制 的 化 学 基础 出 发 ,采用 标本 兼治 的 措施 ,予以 有 效 的 预防 和 治理 。 预防 措施 中 的 化 学 措施 主要 是 合理 使 用 农药 。 注 意 农 药 的 量 和 质 。 首 先 要 控制 农 药 的 施用 量 。 其 次 要 淘汰 毒性 大 、 残 留 量 高 而 在 环境 中 影响 时 间 长 ,造成 危害 大 的 那些 种 类 的 农药 ;第 三 ,要 严格 控制 农药 的 使 用 范围 、 次数 和 总 用 量 。 要 保护 好 人 类 的 朋友 暨 害虫 的 天 敌 一 一 益 岛 、 益 虫 和 益 兽 。 合理 施用 化 肥 也 是 以 化 学 科学 为 基础 的 防治 土壤 污染 的 一 种 有 效 措施 ,一般 提 倡 施 用 腐熟 的 有 机 肥料 ,合理 使 用 硝酸 盐 类 和 磷酸 盐 类 肥料 ,合理 施用 氮肥 ,注意 选择 施用 盐 酸 盐 和 硫酸 盐 类 的 化 肥 , 避 兔 和 减轻 土壤 板结 与 污染 。 对 已 受 化 学 污染 的 土壤 要 加 以 治理 ,一 般 都 要 多 年 努力 ,坚持 不 懈 。 其 治理 措施 很 多 ,大 都 与 化 学 基础 有 关 。 对 于 轻 度 污染 防治 的 化 学 措施 主要 有 : 增 施 有 机 肥 , 可 以 提高 土壤 的 胶体 作用 ,增强 土壤 对 农药 和 重金 属 的 物理 化 学 吸附 和 吸附 - 催化 水 解 的 能 力 ; 有 机 质 本 身 还 是 还 原 剂 ,可 使 部 分 离子 还 原 沉淀 ,成 为 不 可 给 态 ; 有 机 质 有 利于 微生物 繁 殖 , 提 高 生物 的 去 毒 作 用 。 加 强 水 浆 管 理 对 被 重金 属 污染 的 土壤 来 说 ,是 治理 的 有 效 措 施 。 土 壤 中 发 生 的 氧化 还 原 反 应 能 控制 土壤 中 重金 属 的 迁移 转化 。 在 渡 水 情况 下 一 定 时 间 后 土壤 呈 缺 氧 状态 , 厌 氧 性 微生物 活 跃 ,分 解 有 机 物产 生 大 量 瑟 S。 土 壤 中 的 Hg， Cd,Pa,Zn 等 重金 属 离子 可 与 也 S 反应 而 生成 不 能 溶 于 水 的 硫化 物 并 沉淀 下 来 ,减少 了 植物 对 重金 属 的 吸收 量 。 此 外 ,改革 耕作 制度 ,施加 抑制 剂 等 都 是 治理 轻 度 污 染 中 与 化 学 基础 关系 密切 的 措施 。 重度 污染 的 化 学 治理 多 为 治本 措施 ,如 深 翻 改 土 , 即将 被 污染 的 表层 土壤 翻 到 30cm 以 下 那些 植物 根系 达 不 到 的 深层 ,再 多 加 施 有 机 肥料 。 这 种 方法 对 小 面积 ,尤其 有 效 。 在 日 光 温 室 生 态 研究 中 可 这 样 做 。 植 树 造 林 可 用 于 大 范围 土地 ,选用 抗 污染 性 强 树种 来 种 植树 木 ,充分 发 挥 树木 改良 土壤 作用 ,无论 对 于 用 材 林 ,还 是 薪炭 林 , 都 可 以 这 样 做 。 四 、 化 学 生态 控制 与 农业 生态 优化 化 学 生态 控制 最 直接 应 用 对 象 是 大 农业 生产 中 关系 到 化 学 的 问题 。 在 前 一 段 , 主 要 从 污染 方面 讨论 了 化 学 基础 的 问题 ,其 生态 控制 手段 可 以 说 旨 在 抗 逆 ; 而 另 一 方面 ,发 挥 化 学 基础 的 优势 ,促进 生态 农业 进步 , 走 农业 可 持续 发 展 道路 ,也 是 生态 控制 依赖 化 学 走 向 优化 的 重要 一 步 。 鉴 于 这 方面 内 容 十 分 广泛 ,这 里 只 就 土壤 化 学 和 有 关 蔡 代 农 业 中 的 化 学 基础 加 以 简 述 。 50 1. 土壤 化 学 物质 生态 功能 及 其 优化 控制 土壤 pH 对 植物 生态 有 着 直接 和 间接 的 作用 。pH 直接 影响 植物 和 代谢 ,土壤 过 酸 过 碱 都 会 引起 酶 和 蛋白质 的 钝 化 和 变性 ;土壤 酸度 通过 影响 矿质 盐分 的 溶解 度 和 微生物 的 活动 ,间接 影响 植物 对 养分 的 吸收 ;可 以 利用 寄主 生物 对 pH 的 不 同 反 应 ,以 控制 植物 病 害 。 比 如 说 ,十 字 花 科 植 物 狂 倒 病 病原 菌 (Pyvipzzzz aphanidermatum ) 病 菌 发 生 于 酸性 土 Heh ,通过 试验 营养 土 配制 ,注重 其 pH 测定 ,可 避免 狂 倒 病 的 再 次 发 生 。 土壤 pH 对 动物 也 有 较 大 影响 , 据 调查 , 半 沙 漠 的 灰 钙 土 \ 沙 土 和 盐 渍 土 ,往往 由 于 过 酸 或 过 碱 ,或 盐 度 高 ,土壤 动物 也 贫乏 。 土壤 有 机 质 来 源 于 绿色 植物 、 土 壤 动 物 、 微 生物 , 它 可 以 调节 土壤 理化 性 质 ,同时 也 是 植物 N,C 等 营养 元 素 的 来 源 。 土壤 矿质 元 素 是 植物 生命 活动 的 重要 基础 , 源 于 土壤 矿质 的 微量 元 素 也 是 动 植物 必 须 的 。 2. 其 他 化 学 控制 与 农业 生态 优化 从 化 学 基础 出 发 ,调节 生态 动力 源 , 以 利生 物 的 生长 发 育 和 产量 形成 ,在 这 里 有 两 点 值得 提倡 ,一 是 注意 学 科 交 叉 ,比如 在 4 生态 动力 学 ?一 书 中 所 介绍 的 施肥 措施 与 天 气 的 关系 ,实际 上 是 从 化 学 生态 动力 源 和 汇 的 关系 出 发 ,结合 物理 性 质 的 生态 动力 源 的 措 施 ,提高 肥效 不 限于 肥料 本 身 。 在 这 方面 ,前 苏联 和 今 俄 罗斯 有 多 项 研究 值得 借鉴 。 在 我 国 半 王 旱 半 湿润 地 区 曾 运用 了 旋转 回归 等 确定 施肥 量 、 施 肥 配 方 , 运 用 数值 天 气 预 报 产品 研究 合理 施肥 时 间 ,使 追肥 与 雨水 配合 ,提高 肥效 。 另 一 方面 ,是 现代 试验 技术 和 多 种 系统 方法 的 应 用 。 王 元 院士 和 方 开 泰 研究 员 将 均匀 设计 用 于 施肥 , 收 到 良好 的 效果 。 发 展 有 机 农业 ,对 于 化 学 生态 控制 ,可 以 说 是 百年 大 计 。 我 国 早 期 的 传统 农业 ,实际 上 是 现代 有 机 农业 的 一 个 历史 渊源 。 所 谓 有 机 农业 原 指 一 种 完全 不 用 或 基本 不 用 人 工 合成 的 化 肥 `、 农 药 、 生 长 调节 剂 和 家 畜 、 禽 \ 鱼 虾 饲料 添加 剂 的 农业 生产 体系 。 这 种 农业 实质 上 依靠 轮作 、 秸 秆 、 凑 肥 、 绿 肥 等 ,以 保持 土壤 肥力 和 耕 性 , 尽 可 能 用 生物 防治 杀 灭 病 虫 、 抑 制 杂 草 。 按 照 有 机 农业 倡导 者 的 说 法 ,土壤 是 一 个 有 生命 活动 的 系统 ,其 养分 平衡 及 性 状 改良 是 促进 农业 可 持续 发 展 的 基础 。 而 土壤 的 化 学 性 质 的 优化 正 是 离 不 开化 学 基础 的 。 国外 提倡 的 替代 农业 范畴 的 “自然 农业 ” “生物 农业 "和 "生态 农业 "与 有 机 农业 并 立 , 有 许多 措施 直接 关系 到 化 学 基础 。 比 如 自然 农业 "中 提倡 不 施 化 肥 ,不 用 除草 剂 ,不 用 化 学 农药 ,是 为 作物 长 远 着 想 ,避免 化 学 农业 负 作 用 ,而 作物 生育 所 需 化 学 生态 动力 源 在 客观 上 仍 得 到 满足 。 如 日 本 富 内 正信 按照 自然 农业 方式 实验 30a, 其 产量 与 一 般 的 农 业 接 近 , 同 时 确保 可 持续 发 展 。 农业 生态 优化 的 现代 技术 中 的 化 学 优化 控制 ,也 是 同系 统 控制 方法 相 联系 的 。 由 于 这 部 分 讲述 基础 ,不 可 能 很 具体 ,但 本 书后 面 几 章 中 的 许多 系统 方法 ,都 可 完全 用 于 农业 化 学 优化 控制 。 比 如 第 九 章 介绍 的 人 工 智能 技术 专家 系统 、 模 式 识 别 , 均 可 用 于 像 施 AE 用药 、 家 畜 饲 料 配方 之 中 。 而 像 决策 .博弈 .Monte Carlo 方法 ,用 于 化 学 方面 的 农业 调 控 比 用 于 气象 \ 水文 调控 要 容易 些 。 五 人 类 健康 .生活 环 境 与 化 学 生态 控制 现代 科学 研究 证 明 ,生命 过 程 本 身 是 大 量化 学 变化 的 结果 。 在 研究 人 以 及 生物 的 生 51 命 物 质 和 生命 活动 规律 的 领域 里 化 学 不 仅 提供 了 技术 和 方法 ,而 且 提 供 了 理论 基础 。 标 准 人 体 含 46 种 化 学 元 素 , 它 们 可 分 为 必需 元 素 、 非 必需 元 素 和 有 毒 元 素 三 大 类 。 从 有 机 化 合 物 来 说 ,有 糖 类 脂肪、 蛋白 质 \ 酶 。 近 年 ,人 类 基因 组 计划 的 进展 和 基因 工程 的 成 果 , 为 人 类 优化 控制 食品 、 防 污染 \ 防 病 和 增进 健康 水 平 打下 了 必要 的 科学 基础 。 1. 食品 污染 及 其 化 学 控制 食品 污染 指 食品 在 生产 、 加 工 、 运 输 、 储 藏 、 销 售 和 训 调 过 程 中 ,混和 人 或 产生 某 些 不 良 化 学 物质 和 致 病 微 生物 ,使 得 食品 含有 对 人 体 有 害 的 毒素 ,引起 人 体 不 良 反 应 的 过 程 。 其 中 与 化 学 有 直接 关系 的 是 食品 的 化 学 性 污染 ,污染 很 广 ,包括 农药 、 化 肥 、 重 金属 多 环 Fa KE WB ER RATE RS 为 了 优化 控制 食品 污染 \ 净 化 营养 生态 动力 源 , 人 们 在 以 往 经 验 和 研究 成 果 基 础 上 ， 明确 了 预防 方向 。 首 先 改进 传统 亮 调 方式 ,提倡 蒸 、 者 ,减少 亨 、 炒 \ 炸 、 烤 、 粳 。 这 些 措施 有 其 化 学 科学 依据 。 其 次 ,树立 科学 饮食 习惯 ,包括 饮食 清淡 、 多 食 新 鲜 蔬 菜 , 多 用 绿色 食品 和 有 机 食品 。 2. 居室 化 学 污染 及 其 控制 在 现代 人 居住 的 环境 中 ,室内 空气 污染 物 来 源 多 ,危害 大 。 据 美国 环保 局 调查 ,室内 空气 污染 的 严重 程度 是 室外 的 2 一 3 倍 , 在 某 些 情形 下 ,甚至 高 达 百 倍 。 室 内 污染 源 有 : 生存 污染 ,人 通过 呼吸 道 、 皮 肤 汗腺 排出 大 量 污 染 物 ,呼出 CD, 水汽 ,散发 出 病原 菌 ,在 人 员 聚 集 场 所 ,会 更 严重 。 厨 房 排 放出 的 化 学 元 素 , 诸 如 多 环 芳烃 、 杂 环 芳烃 、 氮 氧化 物 、 一 氧化 碳 等 。 卫 生 间 污染 的 了 S 等 会 引起 结膜 炎 疾 病 。 家 庭 装 修 材料 ,比如 板材 可 长 期 连续 释放 甲醛 ,危害 人 体 健 康 。 通风 换 气 是 排出 室内 空气 污染 物 的 最 有 效 措施 之 一 ,保持 室内 卫生 ,还 可 利用 植物 的 生化 措施 ,比如 绿色 花 关 能 吸收 CO, 吸附 肚 侍 ,吊兰 芦荟 可 吸收 甲醛 ,长 春 茧 、 铁 树 、 葡萄 可 吸收 三 氯 乙烯 等 。 第 四 节 ”生态 控制 的 地 学 基础 生态 控制 与 整个 地 球 科 学 的 关系 是 很 密切 的 ,地 球 科 学 的 整体 及 其 各 个 主要 分 支 ， 诸如 自然 地 理学 ` 地 瑶 学 气象 学 土壤 学 \ 水 文学 ` 地 质 学 ` 地 球 物 理学 地 球 化 学 海洋 学 等 作为 生态 控制 原理 的 主要 基础 学 科 , 涵盖 着 主要 类 型 的 生态 动力 因子 。 事 实 上 ,在 生态 因子 中 除 可 归 为 生物 类 型 的 生态 因子 外 ,所 有 其 他 的 自然 生态 因子 一 一 气象 类 \ 水 MA 海洋 类 、 土 壤 类 、 地 瑶 类 的 生态 因子 一 一 的 学 科 范 围 都 在 地 球 科 学 之 内 。 而 人 类 活 动 生态 动力 因子 ,大 都 与 地 球 科 学 有 关 。 为 在 本 节 说 明 地 球 科 学 在 生态 控制 中 的 作用 ， 不 必 按 地 球 科学 的 具体 学 科 一 一 论述 ,而 进行 综合 说 明 并 抓 住 因子 的 基础 \ 控 制 的 途径 、 方法 的 借鉴 资料 的 共享 四 个 问题 。 一 、 因 子 的 基础 这 一 部 分 , 主要 论述 两 个 方面 的 问题 , 即 自然 资源 与 自然 灾害 各 自 的 生态 一 地 学 的 分 析 与 综合 。 1. 生态 一 自然 资源 的 控制 任何 自然 资源 的 发 现 和 发 掘 ,其 目的 都 在 于 为 人 类 服务 ,这 包括 以 各 种 自然 资源 直 32 接 为 人 类 本 身 服 务 ,也 包括 以 资源 服务 于 动物 、 植 物 和 微生物 ,以 所 生产 的 产品 供给 人 类 ,成 为 人 类 必须 的 布 息 茂 粟 等 物质 。 自 然 资 源 的 几 个 方面 ,同时 也 是 生物 的 环境 形成 之 基础 。 (1) 水 资源 与 生态 控制 水 是 人 类 社会 赖 以 生存 和 发 展 不 可 替代 的 自然 资源 ;水 资源 具有 循环 性 或 称 可 再 生 性 ;水 资源 是 一 种 区 域 性 很 强 的 资源 ;水 资源 具有 很 强 的 时 间 性 ;水 资源 具有 社会 性 和 经 济 性 ;水 资源 可 以 重复 利用 。 以 上 对 水 资源 特征 的 认识 体现 了 生态 动力 源 涵义 中 的 资源 方面 。 与 此 同时 , 它 又 是 对 生物 起 到 流体 动力 的 作用 和 环境 保障 作用 的 ,而 这 些 作用 ,也 是 水 文生 态 动力 源 的 涵义 的 重要 构成 部 分 。 水 文生 态 动 力 的 控制 包括 作为 非 生物 控制 ， 也 包括 作为 生物 的 生态 动力 汇 的 控制 。 前 者 宜 放 在 首位 。 如 果 水 文生 态 动力 源 不 足 , 生 物 生存 就 难于 维持 ,而 在 生态 动力 源 可 保障 供给 前 提 下 ,生物 的 生存 就 是 对 水 文 条 件 充 分 利用 的 问题 了 。 从 可 行 性 来 说 ,人 类 活动 对 水 的 控制 ,有 一 定 可 行 性 , 随 技术 发 展 可 行 性 加 大 。 而 水 文生 态 动力 源 的 控制 必须 以 水 资源 为 基础 。 由 此 可 见 ,水 文学 是 生态 控制 的 一 种 重要 基础 。 (2) 气 候 资 源 与 生态 控制 把 气候 看 作 一 种 自然 资源 是 20 世纪 70 年 代 中 后 期 的 事 。 但 气候 资源 概念 一 经 提 出 ,就 得 到 科技 界 和 社会 公众 的 赞同 。 因 为 气候 与 生物 条 件 息 息 相 关 , 气 候 类 的 生态 动 力 因子 是 早已 为 人 们 重视 的 。 到 达 地 球 表面 的 太阳 辐射 是 一 级 生态 动力 源 , 是 各 种 生物 尤其 是 植物 赖 以 生存 的 直接 动力 ,为 生物 提供 光 和 热 。 人 类 经 过 一 定 的 手段 ,如 冬季 用 温室 ,将 太阳 辐射 能 转化 为 生物 生长 发 育 所 需 的 热量 和 光 , 为 对 这 一 生态 动力 过 程 进行 表达 ,1999 年 有 人 提出 霜 期 农业 气候 资源 概念 和 三 指标 表示 法 ( 见 《 霜 期 农业 气候 学 》， 1999) ,为 充分 利用 农业 气候 资源 提供 了 科学 依据 。 在 无 霜 期 暨 一 般 所 说 的 大 田 作物 生 育 期 的 农业 气候 资源 利用 的 分 析 和 区 划 , 早 已 引起 重视 ,前 苏联 早 在 50 一 60 年 前 就 很 好 地 开展 了 这 一 类 工作 ,并 且 形 成 了 农业 气候 学 理论 ,我国 开展 这 方面 的 试点 工作 大 约 在 20 世纪 60 年 代 初 ,实施 从 中 央 直到 县 级 的 全 国 性 的 全 面 的 分 析 和 区 划 是 在 20 世纪 80 年 代 。 这 项 成 果实 质 上 是 从 气候 资源 角度 出 发 的 生态 动力 源 汇 关系 的 研究 ,是 实施 气候 生态 控制 的 基础 。 除 农业 之 外 ,在 林业 、 牧 业 、 风 能 利用 等 涉及 生物 的 应 用 气候 研究 ,也 属于 气候 生态 控制 的 基础 性 工作 ,但 真正 要 达到 优化 控制 之 目的 , 尚 须 本 书后 面 章节 所 述 的 现代 控制 理论 的 应 用 。 (3) 土 壤 资源 与 生态 控制 从 生态 动力 源 的 分 类 可 知 ,土壤 是 一 种 有 相对 独立 意义 但 又 与 另外 几 种 生态 动力 源 有 联系 的 生态 动力 源 。 土 壤 通 常 是 指 位 于 陆地 表面 和 浅水 域 底部 \ 由 有 机 物质 和 无 机 物 质 构 成 的 .具有 一 定 肥 力 而 能 够 生长 植物 的 疏松 层 ,其 厚度 从 数 厘 米 到 数 米 不 等 。 土 壤 在 地 球 表面 所 构成 的 连续 覆盖 层 称 为 土壤 圈 , 它 处 于 大 气 圈 \ 水 圈 、 岩 石 圈 的 交换 地 带 ， 是 生物 有 机 体 和 非 生 物 的 生态 动力 源 之 间 的 相互 作用 面 。 土 壤 的 本 质 和 生命 力 之 所 在 是 土壤 肥力 (soil fertility) , 它 是 土壤 在 外 界 的 生态 动力 源 的 影响 下 ,协调 植物 生理 生态 要 求 的 能 力 ,衡量 这 种 能 力 强 弱 的 标准 是 土壤 中 水 \ 热 `. 气 、 肥 周期 性 动态 , 稳 、 匀 \ 足 \ 适 地 满足 植物 需求 的 程度 。 由 于 土壤 具有 上 述 的 性 质 , 它 作 为 植物 赖 以 生存 的 基本 条 件 和 资 源 这 一 事实 ,是 显而易见 的 。 事 实 上 , 除 在 无 土 栽 培 条 件 下 生长 的 植物 (在 现 阶 段 , 这 样 的 植物 在 地 球 上 毕竟 是 极 少 数 ) 之 外 , 绝 大 多 数 植物 的 生长 发 育 是 离 不 开 土壤 的 。 53 土壤 资源 的 生态 控制 或 许 是 生态 控制 的 最 早 、 最 成 熟 的 控制 ,不同 尺度 的 土壤 改良 、 施肥 等 是 人 们 最 为 熟知 的 。 但 真正 的 优化 控制 还 是 在 近年 即 在 控制 论 ` 运 筹 学 等 用 于 土 壤 改 良 作 业 之 时 ,而 其 基本 依据 则 是 土壤 形成 因子 (factors of soil formation) 函数 S 的 表 达 式 S=f(cd,o,r,p,t,m) 式 中 ,cL 表示 气候 ,o 表示 生物 ,> RAW, p RNAA,t RAN, m 表示 人 类 活动 。 当然 这 6 个 因子 是 有 联系 的 ,可 视 为 状态 因子 ,用 开放 系统 的 观点 ,表示 为 : S= f(t,P,,t,m) 式 中 ,ro 是 指 第 一 组 状态 因子 , 即 士 壤 系统 的 初始 状态 , 即 当 土 壤 开始 (假定 时 间 为 零 ) 时 土壤 特征 的 综合 情况 ,包括 母 质 ` 地貌、 矿物 质 和 某 些 有 机 物质 等 ;已 , 是 第 二 组 状态 因 子 , 即 土壤 系统 状态 不 断 变化 的 外 部 潜 势 , 它 控制 着 土壤 系统 能 量 与 物质 的 供给 、 损 失 ， 含 气候 和 生物 方面 的 ;上 是 第 三 组 即时 间 状 态 因 子 ;xm” 是 第 四 组 即 人 类 活动 状态 因子 。 土壤 生态 动力 资源 方面 的 现代 优化 的 生态 控制 ,本 质 上 是 利用 现代 控制 理论 及 其 他 系统 方法 ,优化 控制 式 中 的 各 种 状态 因子 ,使 其 朝 着 有 利于 资源 利用 ,有 利于 提高 植物 生态 产 量 和 生态 环境 保护 的 方向 发 展 。 (4) 海 洋 资源 与 生态 控制 海洋 是 许多 种 有 益 于 人 类 的 生物 赖 以 生存 的 水 资源 环境 ,有 许多 生物 可 同时 在 其 中 生存 。 它 是 地 球 上 由 人 类 开发 利用 的 最 后 领域 。 为 开发 海洋 生物 资源 , 须 研 究 海洋 生物 的 生命 体系 ,以 利于 物质 生产 和 系统 开发 ,以 海洋 资源 为 人 类 提供 新 的 产业 基础 。 在 海洋 资源 开发 中 ,要 大 量 开发 繁殖 和 育种 技术 ， 发 展 捕 渔业 等 。 为 此 , 须 充分 研究 海洋 生态 系统 及 其 控制 规律 。 这 就 涉及 无 生命 的 生态 动力 源 ,要 研究 大 洋 环 流 规 律 , 即 海洋 中 具有 相对 稳定 的 流速 和 流向 的 大 规模 海水 运动 现象 。 与 大 气 环流 相似 ,大 洋 环流 本 质 上 也 是 由 太阳 辐射 能 所 驱动 的 ,所 以 总 体 上 ,属于 二 级 生态 动力 源 。 海 水 和 大 气 同 属 流 体 , 它 们 的 运动 有 许多 相似 之 处 ,并 且 是 相互 联系 着 的 。 在 大 斥 度 海 一 气相 互 作 用 中 ,海洋 对 大 气 的 作用 主要 是 热力 的 ,而 大 气 对 海洋 的 作用 主要 是 动力 的 。 人 们 通过 观测 和 研究 发 现 , 某 些 海 区 的 热 状 况 变化 可 以 对 大 气 环 流 和 气候 产生 显著 的 影响 。 例 如 ,赤道 东 太 平 洋 海域 和 赤道 西 太平 洋 “ 暖 池 海区 就 是 这 样 。 在 上 述 海域 (区 ) 每 隔 几 年 便 会 发 生 的 El Nitto 事件 和 La Nina 事件 以 及 与 之 密切 相 关 的 南方 涛 动 (southern oscillation) 是 大 尺度 海 一 气相 互 作 用 的 突出 表现 。 海 洋 中 发 生 的 事件 对 大 气 运动 的 影响 规律 乃至 对 天 气 变 化 的 影响 ,早已 引起 人 们 的 广泛 重视 ,并 为 之 付出 极 大 的 努力 。 而 关于 海洋 对 生物 的 影响 的 认识 ,并 不 限于 对 海洋 生物 的 影响 ,而 逐 渐 发 展 到 海洋 一 大 气 一 生物 关系 的 研究 ,尤其 注意 到 海洋 大 气相 互 作 用 而 构成 的 海 一 气 生态 动力 源 对 生存 于 陆地 的 植物 类 生态 动力 汇 和 动物 类 生态 动力 汇 的 影响 。 如 关于 海 洋 表面 温度 ( 海 温 ) 对 陆地 上 农作物 生态 产量 的 一 部 分 的 影响 的 研究 以 及 海 温 对 于 陆地 上 昆虫 的 影响 的 研究 ,都 是 生态 控制 的 地 球 科 学 基础 。 尽 管 在 宏观 优化 控制 的 策略 上 ， 一 般 无 法 直接 控制 海洋 这 样 浩 翰 的 生态 动力 源 , 但 可 依 其 对 生物 的 影响 ,科学 地 调节 生 SAFI» 2. 生态 一 自然 灾害 的 控制 任何 一 种 自然 灾害 ,之 所 以 引起 人 们 的 重视 ,都 是 因为 其 有 害 于 人 的 生命 财产 ,其 中 主 要 是 生物 。 所 以 ,为 了 控制 灾害 ,人 们 不 断 地 探索 并 揭示 其 规律 ,而 相当 多 的 灾害 规律 是 用 54 地 球 科学 中 的 一 些 学 科 说 明 的 。 其 中 ,相当 多 的 灾害 ,需要 综合 研究 一 些 边 缘 学 科 的 关系 ， 才能 揭示 其 本 质 特征 。 下 面 , 举 出 一 些 以 地 学 分 支 为 基础 的 灾害 综合 控制 的 问题 。 (1) 洪 灾 与 生态 控制 洪灾 发 生 的 根源 主要 在 于 气象 与 水 文 类 生态 动力 源 的 结合 , 即 天 降 暴雨 和 下 垫 面 综 合作 用 形成 的 。 在 我 国 , 绝 大 多 数 的 河流 的 洪水 ,是 由 暴雨 引起 的 。 导 致 暴雨 的 天 气 系 统 有 两 种 :一 种 是 西风 带 天 气 系统 ,包括 锋面 ` 气 旋 \ 切 变 线 、 低 涡 \ 模 以 及 其 他 低压 系统 。 我 国 天 气 预 报 人 员 所 说 的 华北 低压 、 河 套 倒 槽 ,东北 冷 涡 等 都 属于 这 些 系统 。 所 产生 的 暴雨 ,一 般 持续 时 间 长 \ 覆 盖 面 广 、 降 水 总 量 大 ,在 大 流域 内 往往 形成 组 合 型 的 暴雨 洪水 。 二 是 热带 天 气 系统 主要 是 热带 气旋 含 台风 造成 的 暴雨 洪水 , 主要 见于 东南 沿海 和 华南 ， 北上 人 台风 时 而 北上 至 山东 沿海 乃至 东北 南部 ,此 类 暴雨 造成 洪水 往往 峰 高 量 大 。 此 外 ， 对 流 作用 形成 局 地 性 雷暴 雨 ,可 在 小 流域 上 形成 来 势 猛 、 涨 落 快 峰 高 量 小 的 洪水 。 融 冰 融雪 洪水 是 由 冰 融 水 和 积 雪 融 水 为 主要 补给 源 的 洪水 , 主要 分 布 在 我 国 东北 和 西北 高 纬度 地 区 。 冰 凌 洪 水 是 由 大 量 冰 棱 阻塞 ,形成 冰雪 或 冰 坝 ,使 上游 水 位 显著 认 高 ， 当 冰 雪 融 化 , 冰 坝 突然 破坏 时 , 河 槽 蓄 水 下 泄 而 形成 洪水 。 洪水 对 生物 的 危害 ,主要 表现 在 对 农业 的 危害 。 洪 水 常常 造成 大 面积 农田 被 沽 、 农 作物 被 毁 , 从 而 造成 作物 减产 甚至 绝收 。 防御 洪灾 除 工程 措施 外 ,还 有 非 工程 措施 ,诸如 提高 暴雨 落 区 与 过 程 预报 准确 率 ,加 强 防汛 信息 系统 ,提高 洪水 预报 准确 率 ,还 有 防洪 保险 等 。 要 卓有成效 地 防治 洪水 就 要 工程 与 非 工 程 措施 相 结合 , 根据 流域 暴雨 .下 垫 面 特征 要 设计 出 生态 一 工程 防洪 减灾 体 系 ,该 体系 包括 生态 水 文 分 区 各 分 区 生态 建设 各 分 区 工程 建设 和 生态 一 工程 防洪 减灾 体系 管理 。 生 态 水 文 分 区 是 根据 下 垫 面 地 形 、 土 壤 及 植被 等 特征 ,将 流域 分 为 调 著 区 、 行 防洪 区 、 鞋 滞洪 区 和 排 蓄 区 。 各 分 区 生态 建设 ,与 工程 措施 相 结合 ,提出 土地 利用 合理 布 局 ,保护 并 建设 森林 植被 ,提高 流域 蓄 水 和 调节 径流 、 行 洪 、 营 洪 和 排 洪 能 力 。 各 分 区 工 程 建设 包括 水 库 、 堤 坝 、 分 洪 、 著 洪 、 泄 洪 工程 ,还 有 水 土 保持 建设 等 。 生 态 一 工程 防洪 减 灾 体系 管理 应 该 由 水 利 学 家 \ 水 文学 家 、 气 象 学 家 、 生 态 学 家 \ 水 利 经 济 学 家 组 成 的 管理 委员 会 按 章 管理 。 洪水 控制 要 依据 生态 一 工程 防洪 减灾 体系 进行 ,制作 洪水 预报 时 除 考虑 降水 、 下 吾 面 土壤 、 防 洪 工程 ,还 要 考虑 森林 植被 作用 ,尤其 是 森林 流域 ,要 提高 洪水 预报 准确 率 。 (2) 旱 灾 与 生态 控制 干旱 是 比 洪水 更 具 综 合 性 特征 的 灾害 。 干 旱灾 害 形成 的 自然 因素 主要 是 区 域 气象 、 水 文 水 资源 情势 。 所 以 ,对 于 干旱 灾害 的 研究 ,以 气象 .水文 专 业 人 员 为 主 。 因 为 干旱 天 气 \ 水 文 作 为 生态 动力 源 ,只 有 对 生物 造成 损失 , 才 可 称 为 干旱 。 受 旱灾 最 重 的 生物 是 农 作物 。 牧区 的 干旱 灾害 ,也 是 经 常 发 生 的 。 干 时 对 牧区 的 危害 ,一 是 以 牧草 为 受灾 的 生态 动力 汇 , 那 就 是 干旱 (主要 属于 气象 ,水 文 类 生态 动力 源 所 致 的 生态 负 效应 ) 将 降低 作为 生态 动力 汇 的 牧草 产量 和 质量 ;二 是 以 动物 为 生态 动力 汇 的 , 即 干旱 造成 牧 畜 饮 水 困难 。 上 述 两 种 情况 都 会 严重 影响 牧 畜 的 正常 生长 发 育 。 干旱 灾害 对 人 类 赖 以 生存 的 生态 系统 和 生态 环境 的 影响 ,往往 是 多 方面 \ 潜 在 的 ,以 及 难以 逆转 的 。 干 旱 会 造成 区 域 水 资源 供水 紧张 ,使 地 表 径 流 减少 ,湖泊 萎缩 ,地 下 水 位 下 降 , 使 河流 、 湖 泊 等 陆地 水 体 的 纳 污 与 降解 能 力 下 降 , 使 地 表 水 体 污染 严重 。 还 可 使 二 39 地 沙漠 化 面积 扩大 。 减轻 干旱 的 措施 主要 是 开源 和 节 流 ,开源 即 开发 水 资源 ,比如 调 水 ,可 以 流域 内 调 水 ， 也 可 以 垮 流域 调 水 ,采用 什么 方式 要 视 调 水 区 和 受 水 区 实际 状况 酌 定 。 节 流 主 要 指 充分 并 合理 利用 水 资源 ,比如 营造 防护 林 网 、 降 低 风 速 \ 减 少 农作物 和 地 面 蒸 发 耗 水 ,合理 的 田间 作 业 , 改 善 土壤 状况 也 可 减轻 蒸发 ,还 有 在 坡 耕 地 修建 梯田 ,充分 利用 降水 资源 ,减少 水 土 流 失 , 再 有 雨水 资源 利用 ,尤其 是 在 半 和 干旱. 干旱 地 区 雨水 资源 的 储存 利用 ,近年 来 倍 受 关 注 。 农业 干旱 防御 措施 有 耕作 、 生 态 灌溉 和 工程 等 ,在 何 种 状况 下 采用 什么 技术 是 一 个 节 水 、 供 水 优化 的 数学 问题 ,可 以 通过 生态 控制 模型 建立 与 求解 ,提出 最 优 方案 。 3. 地貌 类 灾害 及 生态 控制 HARA KE th Fe KM AR HEHE AMA SRM KARR, 这 类 灾害 往往 是 由 重力 生态 动力 源 作 用 于 生物 而 产生 的 。 这 里 所 说 的 重力 包括 水 的 重 力作 用 和 土 体 岩 石 的 重力 作用 。 片 流 和 暴 流 侵蚀 造成 水 土 流失 ,这 是 地 瑶 塑 造 过 程 中 产生 的 破坏 现象 , 属 一 种 灾害 。 水 土 流失 灾害 破坏 土壤 生态 动力 资源 ,被 侵蚀 的 土地 ,首先 受到 冲刷 的 是 最 肥沃 的 表土 层 ,残留 下 来 的 是 大 片 沙砾 ,使 土壤 营养 生态 动力 源 遭 破坏 ,比如 在 北方 黄土 区 ,以 每 年 流失 表土 1 cm 计算 ,每 亩 (1 亩 =0.0667 hm’ ) 损 失 养 分 (K,P,N) 在 180 kg WE. Kt 流失 同时 可 将 大 量 泥 沙 冲 人 农田 ,破坏 耕 层 ,酸性 大 的 黄 泥水 对 作物 生长 影响 很 大 。 由 于 洲 塞 河道 ,水 库 , 加 剧 洪 洲 灾 害 , 使 生物 环境 恶化 。 地 瑶 灾 害 中 的 骨 塌 滑坡、 泥石流 、 岩 溶 、 地 面 塌陷 等 都 是 重力 作用 对 生物 造成 直接 危害 的 灾害 。 地 瑶 灾 害 对 生物 的 危害 及 其 防御 涉及 到 气象 .水文 ` 地 瑶 . 生 物 、 工 程 技术 多 方面 的 ° SF a A A 二 控制 的 途径 地 学 方面 的 资源 和 灾害 ,无论 以 哪 类 生态 动力 源 为 主 ,其 控制 途径 都 有 共同 之 处 。 这 与 这 方面 的 因子 基础 的 综合 性 有 关 。 以 地 学 为 基础 的 生态 环境 的 最 优 控制 ,原则 上 分 为 两 类 ,一 类 是 资源 的 优化 利用 ,二 是 灾害 的 防御 , 即 趋 利 避 害 , 最 大 限度 地 使 生态 资源 发 挥 增 优 的 作用 ,最 大 限度 地 减灾 。 而 两 者 又 是 联系 在 一 起 的 。 主 要 措施 有 以 下 几 个 方面 : 1. 生物 措施 (1) 植 树 造 林 造林 不 仅 要 以 提高 森林 的 覆盖 率 为 初始 目标 ,而 且 要 建立 森林 群落 的 合理 结构 , 且 布局 要 合理 ,例如 改变 单一 的 针 叶 林 ( 松 \ 杉 ) 结 构 ,形成 多 层次 的 混交 林 结 构 , 以 加 大 森 林 郁 闭 度 , 最 大 限度 地 发 挥 森 林 生 态 功能 。 (2) 育 草 种 草 草 被 起 着 快速 的 地 面 层 次 的 保护 作用 ,树木 起 着 上 层 和 长 期 的 保护 作用 ,在 许多 改 善 地 表 状 况 ( 如 为 水 土 保持 ) 的 方面 ,两 者 均 不 可 替代 ,而 相辅相成 。 2. 工程 措施 工程 措施 具有 改变 地 学 方面 生态 动力 源 的 直接 效益 ,是 加 强生 态 建设 的 百年 大 计 。 洼地 容易 产生 霜冻 ,人 为 填 平 之 , 则 可 减轻 霜 害 ,提高 生物 产量 和 品质 。 又 如 ,在 水 土 保 持 方面 ,实行 沟 头 防护 ORE BLE RARE MERA BH 56 作 措 施 ( 如 严禁 陡坡 开荒 ,对 坡地 耕 垦 要 控制 在 25 以 下 ) 等 ,都 是 以 地 学 机 理 为 依据 的 工 程 措施 。 为 进行 优化 控制 , 须 充分 利用 地 学 方面 已 有 的 研究 成 果 , 进行 控制 原理 方面 的 优化 分 析 与 综合 。 比 如 ,上 述 两 项 措施 ,什么 条 件 下 ,具体 采用 什么 样 的 措施 最 为 合理 ? 若 没 有 生态 控制 原理 作 指导 ,往往 是 主观 定性 。 比 如 ,植树 、 种 草 ,在 茶 个 具体 区 域 ,其 面积 比 例 多 大 、 怎 样 布局 为 宜 ? 林 、 草 何 时 更 新 ? 为 改善 土地 利用 ,应 加 大 生物 措施 。 这 些 问 题 , 均 需 在 地 学 基础 上 作 优 化 处 理 , 而 处 理 的 科学 方法 则 是 生态 控制 原理 。 读 者 可 详 见 第 四 章 的 一 些 方法 和 实例 。 三 \ 方 法 借鉴 从 科学 研究 的 方法 借鉴 和 移植 上 ,对 基础 学 科 的 应 用 是 相互 借鉴 的 。 比 如 说 ,对 基 础 数学 的 应 用 ,在 许多 方面 ,是 地 学 走 在 生态 学 前 面 , 所 以 生态 学 可 借助 地 学 的 经 验 教 训 , 使 学 科 由 定性 走向 定量 ,逐渐 完善 。 在 气象 学 界 ,一 提起 数值 预报 ,许多 人 都 想到 天 气 数值 预报 方法 。 用 数学 物理 计算 方法 来 研究 自然 现象 ,是 在 300 多 年 前 就 由 牛顿 提出 来 的 。 其 实质 是 将 自然 现象 所 服从 的 客观 规律 表述 为 力学 、 物 理化 学 或 生物 学 的 定律 ,这 些 定律 又 用 数学 语言 写成 数学 方 程 , 这 样 便 把 自然 现象 的 研究 归结 为 数学 问题 ,用 数学 计算 的 方法 来 求解 这 些 问题 。 其 中 表述 为 力学 物理 定律 者 相当 于 人 们 所 说 的 数学 物理 方法 。 在 天 文学 史上 ,牛顿 的 同 时 代 人 埃 德 蒙 哈雷 用 这 种 方法 经 由 计算 在 1705 年 预告 :在 1758 年 将 有 一 颗 大 替 星 再 次 出 现 ,虽然 哈雷 ( 故 于 1742 年 ) 未 能 通过 亲自 观测 验证 他 的 计算 和 预告 结果 ,但 在 1758 年 的 圣诞 节 , 业 余天 文学 家 农夫 约翰 ' 巴 里 茨 克 观 测 到 哈雷 所 预告 的 彗星 ,证 实 了 哈雷 预告 的 正确 性 ,以 后 的 几 个 世纪 的 观测 (如 1986 年 ) 也 证 实 他 所 作 的 预告 规律 的 正确 性 。 海王 星 的 发 现 (1846 年 ,约翰 ' 盖 尔 ) 是 数学 物理 方法 成 功 应 用 的 又 一 成 就 。 借 鉴 天 文学 的 应 用 途径 ,气象 学 家 早 就 想到 用 数学 物理 方法 作 天 气 预报 。 最 早 作 尝试 的 是 英国 数学 家 Richardson, ,他 于 1922 年 发 表 了 《用 数学 计算 的 方法 作 天 气 预 报 》 一 书 , 面 对 描写 天 气 运动 的 复杂 的 微分 方程 组 ,Richardson 提出 用 差分 求解 的 办 法 ,但 由 于 当时 的 方程 不 能 客 观 反 映 大 气 运 动 规律 ,计算 设备 远 不 能 满足 需要 ,所 以 不 能 应 用 。 在 经 过 数学 方法 改进 ， 加 上 有 了 计算 机 ,1950 年 实现 了 这 种 预报 ,开始 主要 是 短期 的 ,到 1979 年 成 功用 于 中 期 。 气象 学 上 的 数值 预报 可 否 用 于 生态 学 预报 呢 ? 在 2001 年 出 版 的 4 生态 动力 学 》 一 书 中 已 提出 可 用 的 想法 和 实例 。 这 就 是 说 ,生态 学 可 以 借鉴 天 文学 气象 学 的 方法 研究 数 值 预报 ,但 要 注意 主要 借鉴 气象 学 海洋 学 \ 地 震 学 的 地 球 科学 方面 的 方法 来 作 生态 动力 的 数值 预报 时 ,数学 方程 不 仅 有 明确 的 物理 概念 ,而 且 必 须 表 达 生 物 学 意义 ,至 于 生态 控 制 原理 的 许多 具体 的 组 成 部 分 ,借鉴 于 地 球 科 学 方法 也 是 一 种 发 展 的 捷径 。 生 态 工 作者 何 乐 而 不 为 之 呢 ! 这 里 只 说 明 借 鉴 之 一 例 ,本 书 中 的 许多 其 他 方法 ,也 是 借鉴 了 地 学 方 法 的 。 当 然 借 鉴 不 能 是 生 搬 硬 套 ,必须 针对 问题 作 具 体 分 析 。 在 地 球 科学 发 展 过 程 中 ,在 它 的 若干 分 支 学 科 付 诸 实际 应 用 和 实现 业务 化 的 进程 中 ,尤其 是 近 百 年 来 ,积累 了 相当 多 的 数据 、 图 形 资料 ,由 于 它们 涉及 水 文 ` 气象. 土壤、 地 貌 等 作为 非 生物 的 生态 动力 源 ,所 以 这 些 历 史 的 数据 资料 ,对 于 生态 控制 是 十 分 有 用 的 ， 57 而 生物 方面 的 尤其 是 生态 方面 的 资料 ,如 植物 、 动 物 方面 的 资料 更 不 可 缺少 。 第 二 类 可 以 共享 的 资料 是 属于 历史 时 期 以 前 的 ,如 古人 类 \ 古 生物 \ 历 史 地 理 方 面 的 资料 ,这 些 对 于 研究 地 学 、 生 态 学 都 是 有 价值 的 。 第 三 类 资料 , 即 作为 信息 的 各 种 即时 资料 ,可 以 来 自 卫星 遥感 `. 网 上 ,也 可 以 是 现代 其 他 通讯 设备 传递 的 。 我 们 将 在 本 书 第 三 章 作为 生态 控 制 信息 资料 基础 加 以 具体 说 明 。 第 五 他 生态 控制 的 生物 学 基础 生态 控制 本 身 属 于 生物 学 中 的 生态 学 领域 的 内 容 。 由 于 生态 环境 亦 含 生物 的 生物 学 环境 , 即 存在 生物 性 质 的 生态 动力 源 , 所 以 生态 控制 含 生态 学 与 生物 学 中 非 生态 科学 的 关系 。 在 生态 控制 方面 ,必然 涉及 遗传 学 \ 生 理学 以 及 微生物 学 分子 生 物 学 、 植 物 学 、 动物 学 人 体 科 学 等 非 生态 方面 的 知识 。 这 样 ,生物 学 中 的 许多 学 科 也 就 构成 了 生态 控 制 的 基础 的 一 个 重要 组 成 部 分 。 下 面 就 作者 所 接触 到 的 几 个 主要 问题 加 以 论述 。 一 遗传 与 生态 控制 遗传 学 \ 生 态 学 都 是 生物 学 的 重要 分 支 基础 学 科 。 在 相当 长 时 间 内 ,这 两 门 学 科 , 似 乎 曾 被 一 些 研究 者 认为 是 风 马 牛 不 相 及 的 。 由 于 各 学 科 各 自强 调 自 身 优 势 ,而 否定 对 方 的 成 就 ,两 类 研究 者 曾 产生 过 对 立 , 亲 过 相当 长 时 间 的 蔬 盾 。 两 者 果真 对 立 吗 ? 并 不 是 RH ,其 实 作 为 人 类 活动 的 人 工 生态 动力 源 , 只 有 在 从 理论 认识 到 实际 操作 ,很 好 掌握 基 因 与 环境 及 其 互 作 的 关系 ,才能 使 生物 的 优良 基因 在 适宜 的 生态 环境 条 件 下 ,并 通过 二 者 的 相互 作用 ,充分 发 挥 优势 ,才能 有 利于 生物 的 生长 发 育 产 量 形成 ,从 而 促进 人 类 生 存 环 境 增 优 ,促进 农林 牧 渔业 生产 的 高 产 \ 优 质 、 高 效 。 1. 生态 育种 和 引种 生态 育种 是 近年 发 展 起 来 的 一 门 新 兴 的 学 科 。 为 了 育 出 对 生态 逆境 具有 优良 抗 性 的 品种 ,从 杂交 方面 ,使 父母 本 有 优良 的 组 合 ,这 须 在 不 同 的 环境 下 作 必 要 的 处 理 。 生 态 工作 者 为 配合 育种 ,早年 作 的 花期 相遇 的 计算 ,亲本 适宜 播 期 的 预测 和 实施 , 均 要 以 亲 本 组 合 的 遗传 基因 为 基础 。 在 引种 工作 中 ,把 适当 的 品种 栽培 在 适当 的 环境 下 ,是 以 基 因为 基础 的 机 理性 生态 控制 。 如 某 高 秆 作物 抗 风 性 差 , 易 倒伏 ,这 是 其 基因 决定 的 ,引种 者 ( 非 种 子 发 明 者 ) 一 般 不 能 改变 基因 ,也 不 可 能 左右 大 范围 的 风力 、 风 向 ,但 可 以 把 适当 的 品种 安排 到 合适 位 置 ,以 增强 生态 动力 源 - 汇 的 适应 性 。 其 他 如 针对 温度 光照 、 土 壤 肥力 、 地 和 瑶 特 征 \ 对 病虫害 的 抗 性 等 ,也 是 采用 与 抗 风 类 似 的 方法 进行 的 。 事 实 上 ,已 取 得 了 许多 好 的 结果 。 2. 基因 型 与 生态 环境 互相 作用 基因 型 与 生态 环境 互相 作用 (简称 GE 互 作 ) 是 在 利用 、 推 广 农林 牧 作物 品种 时 ,使 基 因 型 在 不 同 环境 条 件 下 得 以 稳定 表达 的 基础 ,也 是 充分 发 挥 种 子 生 态 动 力 源 优势 的 一 种 技术 。Kang 等 (1989) 以 大 豆 为 供 试 材 料 ,在 美国 路 易 斯 安 纳 州 所 作 的 试验 研究 表明 :不 同 成 熟 期 的 栽培 种 在 不 同 发 育 期 受 环境 条 件 的 影响 是 不 同 的 , 受 肥力 和 栽培 习惯 的 影响 比 受 气象 因子 的 影响 大 。 3. 环境 重大 变化 对 基因 资源 的 影响 这 是 近 些 年 才 引起 生态 工作 者 重视 的 一 个 新 的 问题 。 主 要 是 气候 变化 的 影响 ,假定 58 未 来 气候 变 暖 ,各 种 基因 资源 将 受到 多 大 的 影响 ,植物 的 种 和 品种 应 当 如 何 适应 变化 了 的 环境 。 但 假定 毕竟 是 假定 ,所 以 对 于 分 析 结 果 不 能 大 惊 小 怪 ,更 不 能 对 未 来 的 气候 变 化 悲观 失望 。 正 确 的 态度 是 要 注意 未 来 气候 的 可 能 演变 ,而 通过 减少 CO, 排放 等 ,使 大 气相 对 稳定 ,遏制 气候 变 暖 速度 。 二 微生物 与 生态 控制 微生物 作为 生态 动力 源 可 以 有 生态 动力 正 效应 ,也 可 以 有 生态 动力 负 效 应 。 人 们 进 行 生 态 控制 时 , 须 充 分 了 解 微生物 作用 过 程 与 机 制 , 方 能 很 好 地 加 以 控制 ,所 以 说 微生物 学 是 生态 控制 的 基础 之 一 。 1. 土壤 微生物 的 生态 作用 土壤 中 的 生物 是 多 种 多 样 的 ,其 中 土壤 微生物 (包括 细菌 、\ 放 线 菌 、 真 菌 、 薄 类 和 原生 动物 等 ) 是 土壤 中 重要 的 分 解 者 ,在 土壤 的 形成 和 发 展 过 程 中 起 着 重要 的 作用 。 在 土壤 形成 的 初级 阶段 ,利用 光 能 的 地 衣 等 微生物 参与 了 岩石 的 风化 ,使 其 成 为 具有 生命 的 主 体 ,而 后 ,也 是 在 微生物 的 参与 下 ,形成 腐殖质 ,从 而 使 土壤 性 质 发 生变 化 。 根 据 这 些 原 理 ,可 在 土壤 改良 中 ,促进 有 益 于 作物 的 土壤 生态 环境 的 形成 ,这 就 要 以 微生物 原理 进行 优化 处 理 。 植物 病害 , 绝 大 多 数 是 致 病 微生物 促成 。 这 些微 生物 本 身 的 活动 与 生物 环境 关系 密 切 。 比 如 由 真菌 致 病 的 霜 霉 病 可 以 危害 黄瓜 、 和 白菜 等 多 种 植物 。 此 时 微生物 可 视 为 生态 动力 源 ,黄瓜 、 和 白 莱 等 为 生态 动力 汇 。 为 进行 优化 生态 控制 , 须 用 各 种 手段 掌握 二 者 之 间 的 关系 ,而 对 微生物 本 身 的 深入 了 解 ,必须 以 其 生物 学 特性 等 为 基础 学 科 之 一 部 分 。 三 \ 动 物 与 生态 控制 动物 的 生态 动力 作用 是 多 方面 的 。 野 生动 物 的 哺 食 和 消费 ,还 有 昆虫 对 植物 的 危害 等 等 。 某 些 昆虫 能 造成 人 的 疾病 。 动 物 对 土壤 生态 也 可 起 到 源 的 作用 。 土 壤 动物 是 最 重 要 的 消费 者 和 分 解 者。 存在 于 土壤 中 的 动物 有 上 千 种 ,其 中 很 多 是 节肢 动物 。 土 壤 中 寄 生性 线虫 寄生 于 许多 植物 ,包括 小 麦 、 蕃 茄 、 碗 豆 、 胡萝卜、 首 攻 、 果 树 等 植物 的 根部 。 而 植物 根部 的 寄生 反应 是 多 种 多 样 的 ,可 形成 虫 瘦 , 或 成 为 结 节 ,或 成 为 畸形 根 。 总 之 , 活 动 于 土壤 中 的 动物 对 土壤 有 多 方面 的 影响 ,此 时 土壤 视 为 生态 动力 汇 。 动 物 有 促进 成 土 作用 改善 土壤 物理 性 能 、 提 高 土壤 质量 改善 土壤 上 履 盖 层 等 多 方面 的 作用 ,为 了 解 这 些 作用 ,作为 生态 动力 源 的 土壤 动物 的 研究 是 生态 控制 优化 的 基础 之 一 。 四 、 植 物 与 生态 控制 植物 作为 源 的 生态 动力 控制 是 多 方面 的 。 可 以 作为 源 的 森林 对 其 他 生物 和 生物 环 境 的 保护 作用 ,是 人 们 比较 熟知 的 。 森 林 是 生物 圈 内 最 大 的 初级 生产 者 ,在 陆地 生态 系 统 中 具有 强大 的 生态 动力 效应 ,对 其 他 生物 系统 如 农业 生态 系统 也 具有 久远 \ 广 泛 而 深 刻 的 影响 。 其 主要 生态 功能 是 :调节 径流 、 保 持 土壤 ;调节 局 地 气候 ;防风 固沙 ,保护 农田 和 人 居 环 境 ; 净 化 空气 ,防治 污染 ;降低 噪声 ,美化 大 地 等 等 。 因 为 森林 作为 生态 动力 源 ， 功能 显著 ,所 以 在 森林 以 外 的 其 他 生物 的 生态 控制 ,首先 是 从 森林 控制 人 手 。 如 前 苏联 59 斯 大 林 改 造 自 然 计 划 ,我 国 的 三 北 防护 林 工 程 等 。 在 这 些 设 计 中 , 森林 学 是 生态 控制 的 基础 之 一 。 如 朱 廷 曜 在 《农田 防护 林 生 态 工程 学 ?一 书 中 所 述 。 草原 .草山 上 的 主要 生物 ,包括 天 然 牧 昔 和 人 工 牧 草 。 牧 草 ,特别 是 豆 科 牧草 ,有 改 良 土 壤 生 态 的 功能 。 牧 草 还 能 增加 植被 覆盖 度 ,涵养 水 分 ,固定 流沙 。 这 样 , 从 种 草 的 角 度 调 节 生 态 动力 源 ,是 实施 生态 优化 控制 的 一 个 步骤 。 五 淡水 生物 与 生态 控制 浮游 生物 ( 含 动物 植物 ) 的 主要 生态 作用 是 :浮游 植物 吸收 水 中 矿物 质 ,使 水 土 保持 一 定 的 洁净 程度 ,形成 水 域 生 态 系统 的 初级 生产 力 。 多 种 鱼 类 同时 对 水 体 环 境 发 生 作 用 。 各 种 水 生生 物 之 间 以 及 水 生生 物 与 环境 之 间 联 接 成 一 个 合理 的 具有 良性 循环 特征 的 生态 系统 。 这 个 系统 的 控制 含 源 、 汇 两 个 方面 。 由 于 水 中 生物 作为 源 ,为 使 系统 优化 ， 须 充 分 了 解 源 的 各 种 动态 特征 ,因而 水 生生 物 学 及 其 许多 分 支 必然 也 是 整个 系统 中 生物 性 质 的 基础 , 即 生态 控制 的 生物 学 基础 在 淡水 生物 方面 的 体现 。 参考 文 献 AZ ALT BHR. 1980. 数值 天 气 预 报 浅 谈 . 北京 :气象 出 版 社 . 王 明 星 . 1993. 中 国 CH, 排放 量 的 估算 . 大 气 科学 ,17:52 一 64. 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Jlennurpaz: Tuapomereouszar. 60 Soe ”生态 控制 的 信息 资料 基础 从 维 纳 的 控制 论 以 及 其 后 的 工程 控制 论 、. 生 物 控制 论 、 经 济 控制 论 和 人 口 控制 论 等 一 系列 涉及 控制 问题 的 著作 中 ,不 难 总 结 出 其 中 的 最 为 重要 上 且 基 本 的 三 个 概念 :信息 、 反 馈 和 控制 。 这 就 是 控制 论 的 三 要 素 。 信 息 既 是 三 要 素 之 一 ,说 明 在 生态 控制 中 ,没有 生 态 信息 ( 含 源 、 汇 两 方面 信息 ) ,也 就 没有 生态 控制 可 言 。 可 见 , 有 必要 用 一 定 笔墨 曾 述 生 态 控制 的 信息 基础 问题 。 在 生态 控制 中 , 除 那些 能 在 尽量 短 的 时 间 内 取得 的 各 种 信息 (information) 外 ,历史 资 料 也 是 不 可 缺少 的 。 这 是 因为 生态 控制 的 目标 是 使 未 来 生态 增 优 。 为 此 ,不 但 要 有 信 息 , 即 现时 的 情况 ,还 要 了 解 其 过 去 。 知 道 过 去 和 现在 , 才 有 可 能 准确 抓 住 其 未 来 的 规 律 。 数字 和 非 数 字 的 信息 资料 是 一 切 科 学 的 基础 ,也 有 学 者 说 数字 是 科学 的 语言 。 所 以 ,我 们 有 充足 理由 认为 信息 资料 是 生态 控制 的 基础 之 一 。 生 态 控制 ,如 果 离 开 信 息 资 料 就 会 成 为 无 源 之 水 ,无 本 之 木 。 没 有 信息 资料 , 欲 实施 合理 的 控制 ,是 不 可 能 的 。 即 使 在 没有 控制 原理 ,没有 现代 信息 的 时 代 , 朴 素 的 生态 控制 措施 , 比如 花房 育苗 等 ,也 是 根 据 信 息 来 控制 的 。 比 如 太阳 出 来 了 ,要 揭 开 掩盖 物 , 而 在 寒冷 夜晚 ,就 要 盖 上 ,以 防 失 热 太 多 。 这 是 根据 大 自然 信息 ,为 作物 创造 合适 生境 的 控制 ,试想 如 果 控 制 者 不 掌握 信息 ， 怎 能 进行 控制 ,又 怎 能 控制 得 好 。 在 现代 生态 控制 中 ,信息 资料 来 自 多 方面 。 其 中 , 由 于 涉及 生态 动力 源 的 许多 学 科 和 业务 工作 的 努力 ,给 社会 积累 了 供 各 界 公 用 的 资料 ,并 可 提供 必要 的 即时 信息 。 比 如 气象 资料 水文 资料 ,水 文 地 质 海洋 等 资料 ,是 由 各 自 系 统 按 规范 观测 并 整编 成 册 ,一 般 都 有 相应 软盘 存储 于 机 器 中 。 而 且 还 有 些 是 经 加 工 的 图 册 , 如 水 文 年 鉴 、 台 风 年 鉴 等 。 鉴于 这 些 资 料 , 生 态 工作 者 都 比较 熟悉 ,随时 可 去 有 关 部 门 调 用 。 故 本 章 不 专列 节 加 以 说 明了 。 只 主要 论述 古籍 .遥感 .网 上 等 方面 的 信息 资料 源 。 读 者 在 读 第 四 章 到 第 九 章 的 内 容 时 ,将 会 发 现 , 本 节 所 提出 的 信息 资料 源 问 题 , 是 读 其 后 各 章 不 可 少 的 第 一 他” 古典 文献 中 的 生态 控制 资料 由 于 生态 控制 在 古代 的 生产 、 生 活 实践 中 ,历来 有 之 ,所 以 与 它 有 关 的 文字 记载 必然 存在 ; 另 一 方面 ,古代 并 无 专门 的 生态 学 、 控 制 原理 方面 的 以 及 与 它们 有 关 的 各 专门 学 科 , 故 不 可 能 有 一 部 完整 的 生态 控制 专门 资料 书 。 为 此 ,我 们 必须 从 古典 文献 中 查找 , 提 炼 出 必要 的 生态 控制 科技 资料 。 有 人 可 能 要 问 :既然 科学 技术 发 展 迅速 的 今天 ,有 关 生 态 控制 的 资料 信息 如 此 之 多 ,为 什么 还 要 从 古董 中 去 查寻 呢 , 因为 生态 控制 问题 是 有 联 系 的 ,比如 作为 生态 动力 源 的 气候 变迁 及 其 对 生物 的 影响 ,要 寻求 这 方面 的 规律 ,只 有 一 二 百年 的 观测 记录 是 绝对 不 够 的 ,因为 其 变化 周期 长 达 10 一 10 a, 或 更 长 一 些 , 并 且 植 被 对 于 气候 变化 的 反应 存在 时 滞 效 应 ,其 大 小 与 植被 特性 气候 变化 幅度 及 其 他 环境 条 件 变 化 情况 有 关 。 61 又 如 生物 多 样 性 的 变化 , 自然 灾害 对 人 、 畜 、 农 作物 影响 等 ,也 有 类 似 特点 。 为 抓 住 有 关 规 律 ,必须 研究 过 去 ,才能 更 好 地 联系 现在 ,从 中 找 出 一 定 的 规律 性 。 我 国 是 有 五 千 年 文明 的 古国 ,前 人 为 我 们 留 下 的 古书 典籍 极其 丰富 ,对 我 们 的 工作 非常 有 利 。 下 面 , 简 述 一 下 可 用 于 生态 控制 研究 的 一 些 主要 资料 。 早 在 夏 商 时 代 , 人 们 在 农业 生产 实践 中 就 认识 到 植物 生长 必须 有 雨露 滋润 , 单 靠 自 然 降 水 往往 不 能 满足 农作物 的 需求 ,因此 要 灌溉 。 当 时 已 知道 ,种 子 下 地 后 遇 上 干旱 也 需 “ 负 水 浇 稼 “ 据 4 齐 民 要 术 ' 种 谷 第 三 》3 引 |《 沁 胜 之 书 》)。 用 今天 的 认识 来 解释 , 即 是 人 工 调节 水 文生 态 动力 源 ,以 满足 作物 这 一 生态 动力 汇 的 需要 的 生态 控制 措施 。 据 《4 史记， 周 本 记 》i 记 载 , 后 种 的 曾孙 公 刘 , 夏 时 是 周 族 的 首领 ,进行 灌溉 。《 诗 经 ' 大 雅 ' 公 刘 》 中 有 “RRR AAR”. (FB) PO HA) RAB PRK, CRT DRS 农时 ,说 明 在 西周 至 春秋 时 ,人 们 已 能 根据 物候 变化 调节 农时 ,适应 自然 ,实质 上 是 一 种 按 自然 规律 进行 生产 的 人 工 生态 动力 调节 的 雏形 。 从 古典 文献 可 以 查 出 :在 西周 时 期 ,人 们 对 林木 在 优化 改造 自然 生态 条 件 方面 的 作 用 ,实际 上 已 有 所 认识 。 西 周 政府 已 设 有 管理 林政 的 官员 ,提倡 植树 造林 , 保护 树木 。 《 周 礼 ` 地 官司 徒 ' 间 师 》 说 “不 树 者 无 樟 " 愉 《 周 礼 ` 地 官司 徒 ' 山 广 》 说 “ 凡 窃 木 者 有 刑罚 ”; 《管子 》 中 说 “十 年 之 计 在 于 树木 ABFA SBA ZH”. 西周 时 期 已 有 治 蝗 的 记载 。《 诗 经 ' 小 雅 '. 大 田 》 云 : 去 其 蜡 腾 ,及 其 登 贼 ,无 害 我 田 BE, FAA A tH, FET AUK.” WE AY ae FA RET BE SK RS 西汉 时 期 ,由 于 宗 于 农 本 思想 等 原因 ,农业 生产 相当 发 展 。《 汉 书 ' 艺 文 志 ) 著 录 下 了 九 种 农学 著作 ,其 中 《 泄 胜 之 书 ? 是 一 部 优秀 的 农学 著作 。 其 中 的 许多 技术 涉及 农田 生态 调节 ,如 调节 稻田 水 温 法 ,事实 上 相当 于 近代 的 农业 生态 调控 技术 。 耕作 制度 改进 ,实际 上 是 人 类 活动 调节 农业 生产 制度 ,使 之 顺应 自然 条 件 的 客观 生 态 控制 手段 。 在 我 国 ,宋代 耕作 制度 的 改进 , 主要 表现 在 一 年 两 熟 制 和 两 年 三 熟 制 的 种 ， 植 面积 日 益 扩 大 。《 宋 史 ' 食 货 志 ?说 :北宋 初 年 ,官府 劝 论 江南 \ 两 浙 、 莉 湖 、 岭 南 \ 福 建 各 NE“ Se IBA, RZ SBA, FEIN EBA” ;江北 诸 州 也 令 就 水 广 种 粳 稻 , 并 免 其 租 " 。 这 是 当时 政府 试图 改变 江北 之 民 杂 植 诸 谷 ,江南 专 种 粳稻 I EE tl BE 的 一 项 重要 措施 。 按 今天 的 看 法 , 则 是 一 项 顺 天 时 地 利 , 让 生物 适应 环境 的 调控 措施 。 宋代 实施 的 效果 证 明 ,这 项 措施 有 成 效 。 在 宋代 ,为 适应 气候 土壤 而 采取 的 引种 措施 ,富有 农田 生态 控制 的 优质 内 涵 。 据 《 续 通 鉴 长 编 ? 说 :大 中 祥 符 五 年 (公元 1012 年 ) 命 从 福建 越南 占 城 稻 ` 令 择 民 田 之 高 仰 者 昔 之 ,由 于 占 城 稻 是 早 籼稻 ,性 耐 旱 ,引种 效果 好 ,农民 经 选 育 ,创造 出 适应 当地 和 气候、 土 壤 等 生态 条 件 的 良种 。 在 明代 ,灾害 影响 生物 的 记载 ,已 有 明确 记录 ,如 明成 化 十 六 年 (1480 年 ) ,江苏 崇明 ( 今 上 海 ) 县 志 有 ” 九 月 飓风 大 作 ,海潮 为 灾 " 的 记载 。 帮 台 风 害 记载 。 清 代 的 垦荒 ,对 农业 生产 的 发 展 , 固 有 积极 作用 ,但 不 注意 造林 营 林 , 甚至 毁 林 ,造成 的 不 良 后 果 , 贻 害 至 今 。《 生 态 动力 学 ) 一 书 介绍 分 析 的 承德 建 山 庄 期 间 毁 林 的 负 生 态 动 力 效应 帮 明 显 例证 。 这 从 反面 证 实 ,生态 控制 失误 的 教训 。 清 代 ,关于 台风 影响 有 更 详细 的 记载 ,如 康 四 十 四 年 (1675 年 ) 福 建 漳州 福 志 和 诏 安 县 志 中 都 有 "“ 八 月 十 五 夜 巾 风 忽 起 , 木 尽 拔 , 层 瓦 飞 "的 记载 。 这 些 都 是 与 当时 人 们 抗灾 的 活动 有 密切 联系 的 ,对 于 了 解 没有 记录 年 代 的 灾情 ,向 前 延长 现 有 观测 序列 ,有 一 定 参 62 考 价值 。 上 述 内容 只 是 对 一 些 古 籍 中 有 关 的 内 容 简介 。 除 文献 外 , 地 方志 书 中 ,也 有 不 少 有 关 记 载 。 今 天 挖掘 这 些 资料 当然 自在 古 为 今 用 。 第 二 节 般 感 影像 资料 的 生态 控制 信息 — BARE 从 遥感 影像 资料 中 提取 有 关 地 学 、 生 物 学 信息 ,弥补 地 面 观测 和 考察 资料 之 不 足 , 作 大 范围 生态 研究 ,是 人 们 早 就 有 的 科学 设想 。 遥 感 技术 在 生态 学 中 的 应 用 始 于 20 世纪 30 年 代 。60 年 代 开 始 的 卫星 遥感 研究 ,发展 到 今天 ,已 使 生态 研究 大 大 受益 。 按 Campell 1996 年 的 定义 “遥感 是 地 面 之 上 ,根据 地 物 在 一 定 的 电磁 辐射 波段 内 的 反射 或 发 射 能 量 特征 ,对 陆 面 和 水 面 进 行 数字 成 像 分 析 的 实践 活动 "。 继 气象 卫星 之 后 ,1972 年 第 一 颗 地 球 资源 卫星 (Landsat 1) 发 射 成 功 ,成 为 遥感 发 展 史 上 另 一 个 重要 的 里 程 碑 。 继 后 连续 发 射 ,直到 1994 年 Landsat 7, 功 能 逐渐 完善 ,其 空间 分 辨 率 10 一 30m。NOAA 气象 卫星 地 面 分 辨 率 是 1.1 km。 法 国 SPOT 系列 卫星 分 辩 率 已 达 10m。 而 近年 发 射 的 小 卫 星 KONOS 分 辩 率 达 lm, 适 于 在 景观 生态 系统 尺度 上 进行 遥 感 分 析 。 和 遥 感 在 陆地 植被 监测 资源 管理 中 ,在 全 球 气候 变化 及 非 生 物性 质 的 生态 动力 源 动 态 监测 中 ,都 有 重要 应 用 ,所 以 成 为 生态 控制 中 不 可 或 缺 的 信息 源 。 卫 星 和 遥感 技术 的 优 势 是 能 从 不 同 的 尺度 上 进行 对 地 探测 。 如 生态 动力 学 所 指出 的 生态 动力 源 与 汇 分 为 生 物 的 和 非 生物 的 ,而 当今 的 卫星 遥感 技术 对 其 都 有 监测 功能 。 利 用 遥感 的 生态 学 研究 是 多 尺度 结合 ,并 以 大 尺度 为 主 。20 世纪 80 年 代 后 期 以 来 利用 卫星 遥感 做 了 许多 普查 工 作 , 这 10 多 年 所 获取 的 信息 资料 ,对 生态 控制 原理 的 研究 试用 ,有 重要 意义 。 其 特点 可 概括 为 :大 尺度 遥感 信息 的 广泛 应 用 ， es 学 发 展 , 全 球 陆 地 生态 系统 (GCTE) 等 多 项 计划 从 中 受益 ;遥感 与 其 他 系统 的 结合 ,提高 了 生态 遥感 的 有 效 性 和 定量 化 水 平 ; 在 宏观 生态 方面 ,实现 信息 共享 ， 不 但 促进 国际 合作 ， 还 加 强 了 遥感 在 区 域 和 景观 扩 度 上 的 应 用 。 因 为 生态 问题 往往 带 有 区 域 特性 ,如 我 国王 旱 和 半 干 旱 区 的 荒漠 化 ,许多 湖泊 的 富 营 养 化 ,内 陆 湖 泊 的 干 洒 ,酸雨 危害 面积 的 扩展 ,沙尘暴 的 加 剧 ,森林 过 伐 和 草场 退 化 ,湿地 萎缩 等 ,都 能 用 于 感 研究 生态 功能 变化 情况 ,这 为 生态 控制 提供 了 信息 资料 基 础 。 我 国 三 北 防护 林 遥 感 调查 即 是 典型 范例 (徐冠华 等 ,1992 )。 二 、 几 个 主要 应 用 领域 1. 自然 资源 动态 监测 概述 据 研究 ,目前 人 类 活动 生态 动力 源 ,尽管 每 个 具体 行动 对 于 全 球 生态 来 说 ,是 微 不 足 道 的 ,但 其 总 体 影响 , 似 已 达到 行星 级 的 程度 ,属于 人 类 的 纯 自 然 的 生态 环境 越 来 越 少 。 人 类 影响 的 生态 效应 主要 表现 为 生物 效应 ` 地 球 物理 效应 和 生物 地 球 化 学 效应 ,诸如 乱 砍 滤 伐 森 林 , 草 原 过 度 放牧 ;地 表 植 被 改变 后 引起 地 表 辐 射 平衡 变化 ,还 有 酸 沉 降 导 致 的 土壤 酸化 ,引起 植被 土壤 退化 等 。 不 合理 的 土地 利用 方式 也 会 造成 景观 破碎 化 和 生态 环境 质量 下 降 。 面 对 这 样 的 复杂 局 面 ,传统 的 生态 研究 方法 不 能 适应 大 范围 .连续 变化 现象 一 一 如 “ 绿 波 "和 “ 褐 波 "的 推移 ,赤潮 影 的 扩展 .人 为 生态 破坏 的 蔓延 、 资 料 评价 和 预 63 报 等 一 一 的 研究 。 而 航天 遥感 的 分 辨 率 高 重复 周期 短 的 特征 ,最 适 于 生态 系统 的 资料 分 析 和 动态 监测 ,因而 成 为 生态 控制 的 信息 资料 的 一 个 方面 的 基础 。 主 要 有 以 下 几 个 具 体 方面 : (1) 全 球 植被 动态 监测 通过 卫星 遥感 分 析 ,可 以 掌握 全 球 植 被 的 动态 变化 ,对 资源 管理 政策 的 有 效 制 定 , 有 重要 意义 。 在 大 范围 内 ,辨别 植被 的 基本 类 型 。 同 时 是 区 分 森林 覆盖 与 非 森 林 覆 盖 的 可 靠 方法 之 一 。 由 于 森林 在 陆地 生态 系统 中 具有 主体 的 作用 ,所 以 对 它 的 覆盖 面积 的 迁 感 探测 结果 ,对 全 球 及 大 范围 生态 控制 有 重要 的 信息 基础 作用 。 土地 履 盖 变化 对 许多 生态 动力 因子 有 影响 。 这 些 均 能 构成 生态 控制 适用 的 信息 源 。 最 近 , 王 绍 强 等 采用 遥感 数据 来 估计 黄河 三 角 洲 地 区 土地 覆 被 变化 及 其 对 陆地 碳 循环 的 影响 。 经 计算 ,1992 年 该 地 区 碳 储量 11.43 x 10°t, 土壤 碳 库 7.62 x 10°t, 1996 年 林地 面 积 增加 146.76x 10° hm’ ,植被 碳 库 增加 7.43 x 10;t。 这 表明 :在 4a 间 , 该 地 区 仍 以 植被 的 顺 向 演 蔡 占 主 导 地 位 ,生物 量 有 所 增加 ,是 一 个 小 碳 汇 。 由 此 看 来 ,合理 地 管理 土地 ， 采取 生态 保护 措施 ,充分 发 挥 人 工 生态 动力 源 的 正面 效应 ,可 使 陆地 碳 储 量 增加 。 (2) 土 地 利用 状态 的 遥感 调查 大 范围 土地 利用 状况 的 变化 ,是 人 类 活动 生态 动力 源 的 重要 体现 。 连 续 调查 ,可 以 监测 人 们 利用 土地 的 合理 性 ,并 用 控制 论 方法 及 时 进行 分 析 ,提出 合理 控制 的 科学 依据 ， 尤其 是 对 于 破坏 生态 环境 的 人 类 活动 须 及 时 建议 终止 。 一 般 选 择 最 佳 时 相 和 物候 期 (以 秋季 为 宜 ) 的 陆地 资源 卫星 的 数字 图 像 , 经 由 计算 机 增强 处 理 ,对 土地 利用 分 类 信息 提取 最 佳 波段 组 合 光学 合成 的 1:50 77 .1:20 FAM 1:10 万 彩色 影像 为 基本 信息 源 。 选 定 1:3 万 彩 红 外 或 全 色 航 片 为 基准 信息 源 。 选 择 LAND- SAT MSS 多 时 相 数字 图 像 和 (胶片 ) 光 学 合成 影像 为 补充 信息 源 。 超 小 比例 尺 彩 红外 航 片 和 国土 卫星 影像 可 作为 参考 信息 源 。 依 据 土 地 适宜 性 与 土地 生态 动力 效应 相 一 致 的 原则 ,并 考虑 土地 评价 单元 在 遥感 影像 上 可 判读 的 原则 ,建立 评价 系统 , 即 采 用 土地 适宜 量 、 土 地 质量 宜 林 类 型 限制 因素 类 型 .土地 资源 评价 单元 为 评价 序列 的 组 合 分 类 系统 。 卫星 遥感 资料 是 区 域 对 比 及 土地 所 有 者 经 营 策略 和 行为 的 优化 控制 的 有 效 支 持 ,为 从 宏观 上 加 强 土 地 管理 提供 依据 。 (3) 林 业 资 源 遥 感 调查 用 经 过 计算 机 - 光学 处 理 的 新 一 代 卫 星 影 像 ,作为 林业 遥感 调查 的 主要 信息 源 。 在 建立 地 面 解 译 标志 的 基础 上 ,用 目 视 解 译 方法 在 比例 尺 为 1:10 万 (必要 时 工 :20 万 ) 的 卫 星 影像 上 匀 绘 图 斑 ,编制 草图 。 各 地 类 一 一 在 林业 遥感 调查 中 ,一般 可 划分 为 有 林地 、 政 林地 灌木 林地 无 林地 及 宜 林 沙 荒 等 一 一 面积 应 当 用 精密 面积 测量 仪 量 算 。 用 遥感 获取 的 资料 ,在 林业 管理 实践 中 ,可 以 作为 基本 资料 而 发 挥 重 要 作用 。 例 如 ， 20 世纪 90 年 代用 遥感 资料 对 美国 部 分 地 区 针 叶 林 及 混交 林 的 定量 分 析 显 示 , 私 有 林 砍 伐 率 大 于 国有 林 。 有 了 这 样 的 信息 ,可 以 用 行政 手段 控制 砍伐 率 ,以 维持 生态 平衡 。 (4) 草 地 资源 遥感 调查 草地 资源 遥感 调查 系 应 用 卫星 遥感 技术 查 清 天 然 草地 资源 (包括 放牧 场 、 割 草场 ) 和 人 工 草地 资源 的 类 型 面积 生产力 及 分 布 状况 。 依 此 为 生产 建设 工程 的 优化 控制 服务 。 调查 的 条 件 是 选择 好 适宜 解 译 草地 资源 特征 的 最 新 遥感 信息 资源 (以 Landsat 的 TM 影像 为 主 ) ,做 好 图 像 处 理 、 判 读 、 解 译 、 制 图 的 工作 ; 尽 可 能 按 草 地 生产 力 波 动 周 期 64 ( 指 小 周期 ) 的 规律 ,预先 选 好 相应 的 本 底 图 像 、 对 比 图 像 及 有 关 资 料 ,以 研究 草地 动态 。 在 进行 调查 时 ,对 选择 的 遥感 资料 进行 计算 机 光学 增强 处 理 , 筛选 出 适宜 于 草地 资 源 调查 的 最 佳 时 相 与 波段 组 合 图 像 。 对 于 典型 县 ( 旗 ) 按 1:10 万 的 比例 尺 编 绘 草地 类 型 图 和 草地 等 级 图 , 量 测 草地 面积 ,计算 牧草 产量 、 载 畜 量 ;重点 县 ( 旗 ) 按 1:10 万 比例 尺 编 绘 草地 类 型 图 (草地 分 类 以 草地 生态 系统 所 固有 的 特征 为 依据 , 依 植 被 特性 和 生境 因素 为 指标 ,并 考虑 于 感 图 像 的 可 判读 性 与 适用 性 ) 和 草地 等 级 图 (比如 ,三 级 分 类 图 ,分 为 草 地 类 草地 组 和 草地 型 ;其 划分 依据 主要 是 :优势 种 、 共 优势 种 牧草 生态 种 组 以 及 生境 分 异 方向 的 一 致 性 ) ,并 测量 草地 面积 。 利用 遥感 信息 ,可 以 对 草地 有 关 状 况 进行 分 析 评 估 。 如 黄 敬 峰 等 利用 天 然 草地 的 牧 草 观测 资料 牧草 产量 资料 、 气象 资料 NOAAIAVHRR 资料 ,建立 了 天 然 草地 牧草 产量 植被 指数 和 卫星 于 感 监测 模型 。 利 用 遥感 技术 宏观 性 强 、 空 间 信 息 丰 富 的 优势 ,正确 监 测 牧 草 产量 ,这 无 疑 是 草地 生态 控制 的 重要 信息 基础 。 2. 非 生 物 生态 动力 源 及 灾情 监测 如 生态 动力 学 原理 所 指出 那样 ,生态 动力 源 中 的 地 瑶 \ 水文 气象 土壤 类 的 非 生物 动力 源 对 生物 的 作用 是 很 重要 的 。 其 中 , 致 灾 生 态 动力 源 尤 其 给 人 以 深刻 的 印象 , 因为 它们 对 生物 的 危害 往往 很 大 。 只 靠 地 面 和 海洋 站 的 直接 观测 不 能 把 握 这 些 生态 动力 源 A) WS, IRATE TRAE AWE MWR BR EK RR EE +E TH TR KB 5 FS SS AB BE ET BD Bt EE , BT A a AE AS A Hl ST 2 — A (1) 沙 尘 暴 监测 郑 新 江 等 利用 NOAA 卫星 资料 进行 处 理 , 得 出 1994 年 4 月 东亚 部 分 地 区 的 植被 分 布 图 (分 辩 率 为 6km) ,并 大 加 年 平均 沙尘暴 日 数 分 布 图 (图 3-1)。 图 中 黑色 区 域 表 示 植 被 繁茂 地 区 , 格 区 为 植被 较 好 地 区 , 横 线 区 为 植被 较 差 的 区 域 ,空白 区 的 植被 反映 最 差 。 我 国 西南 到 华南 地 区 以 及 印度 半岛 斜 线 区 ,是 由 于 所 研究 的 月 份 云 覆 盖 多 日 所 致 。 从 图 3-1 可 清楚 地 分 析出 ,在 春季 ,我国 东部 地 区 以 及 南方 各 地 ,植被 状况 好 ;而 新 疆 大 部 分 地 区 青海 省 甘肃 和 宁夏 等 省 (区 ) 大 部 分 地 区 ,以 及 内 蒙古 西部 和 蒙古 国 南部 ,植被 覆 盖 状 况 最 差 (图 中 白色 区 域 ) ,裸露 的 地 表 易 因 午 后 的 太阳 直射 作用 而 增 温 ,大 风 扬 起 沙 尘 ,致使 那些 区 域 成 为 沙尘暴 多 发 区 。 年 平均 沙尘暴 日 在 10 一 50d, 以 春季 为 主 。 从 图 3 =- 工 可 以 分 析出 ,沙尘暴 日 数 在 40d 以 上 的 有 三 个 地 区 :新疆 西部 各 县 ,位 于 塔克拉玛干 大 沙漠 地 区 ;甘肃 民 勤 附近 ,位 于 巴 丹 吉 林 沙 漠 边 缘 ; 黄河 河套 以 南 地 区 ,位 于 毛乌素 沙 地 。 不 难看 出 ,气象 卫星 遥感 探测 为 我 们 提供 的 关于 沙尘暴 及 其 大 范围 植被 关系 的 资 料 ,对 于 了 解 沙尘暴 及 其 形成 背景 ,以便 人 们 采取 优化 措施 ,以 利 在 一 定 程 度 上 控制 沙 尘 暴 , 是 有 意义 的 。 因 此 说 ,遥感 为 人 类 制服 沙尘暴 的 理想 实现 ,提供 了 其 他 技术 无 法 替代 的 有 用 信息 。 它 被 作为 生态 控制 的 信息 源 当 之 无 愧 。 (2) BEB A AE 洪涝 、 干旱 这 些 影响 范围 较 大 的 自然 灾害 ,需要 多 种 遥感 手段 的 结合 才能 较 好 地 进 行 探测 。 例 如 ,1998 年 夏季 ,我 国 长 江 中 下 游 . 嫩 江 \ 松 花 江 流域 洪灾 时 日 长 ,灾情 特别 严 重 , 中 科 院 和 感 所 和 卫星 地 面 站 ,每 天 两 次 接收 NOAA 气象 卫星 数据 ,进行 跟踪 监测 并 以 机 载 雷 达 、 雷 达 卫 星 等 多 种 遥感 手段 结合 ,计算 出 洪水 淹没 农田 面积 ,为 抗洪 救灾 提供 宝 贵 信息 资料 。 65 B20" ee a5: 7 = 记 Te 1 oo, SS 图 3-1 1994 年 4 月 东亚 部 分 地 区 植被 与 年 沙尘暴 日 数 图 AF WG ARAM AS Bh 源 对 植被 影响 的 研究 ,近年 有 所 发 展 。 如 Ramsey 等 《1998) 在 研究 有 林 湿 地 管理 方面 ,对 美国 路 易 斯 安 纳 州 阿 塔 法 拉 亚 河流 域 腿 风 过 培 前 后 地 锌 物 状况 进行 制图 ,根据 植被 指数 (NDVI) 的 变化 , 估 测 出 不 同 植被 类 型 的 影响 程度 和 各 种 植被 的 抗 风 程度 。 这 为 有 林 湿 地 生态 系统 的 控制 决策 ,提供 有 益 信息 。 (3) 霜 害 危险 带 探测 霜 害 危险 带 的 探测 是 对 以 往 霜 带 小 气候 研究 成 果 的 发 展 。 以 往 的 研究 主要 是 依据 小 气候 观测 数据 , 继 后 又 增加 了 自动 遥测 气象 站 的 数据 。 数据 精细 具体 ,但 对 较 大 范围 霜 带 的 宏观 即时 监测 几乎 是 无 能 为 力 的 。 随 着 卫星 遥感 技术 发 展 ,在 20 世纪 80 年 代 后 期 ,松村 伸 二 等 发 表 了 在 日 本 的 研究 成 果 ,显示 出 遥感 技术 在 霜 害 生态 控制 方面 的 信息 基础 作用 ,是 防 霜 作业 与 管理 的 科学 依据 之 一 。 关于 霜 害 危险 带 的 探测 的 试验 ,是 以 国土 数值 信息 和 NOAA/AVHRR 资料 为 基础 的 。 松 村 等 分 析 的 区 域 :羊蹄 山 鹿 、 空 知 平原 .十 胜 平原 和 名 寄 贫 地 。 整个 研究 区 域 为 60kmx 50km, 相当 于 我 国 东部 地 区 一 个 大 县 的 面积 。 格 的 每 一 环 胞 ,重复 进行 下 去 。 66 LA NOAA/AVHRR 资料 探知 霜冻 低温 覆盖 面积 的 方法 是 :中 计算 中 心 环 胞 与 相 邻 8 个 环 胞 之 间 负 温差 值 ;@ 确 定 具 有 比 临界 温度 低 的 温度 的 环 胞 。 通过 上 述 方法 计算 ,能 比较 客观 地 给 出 霜 害 危险 带 的 遥感 探测 结果 。 (4) 积 雪 遥 感 信息 积 雪 属 于 水 文生 态 动力 源 的 一 种 , 它 有 丰富 陆地 水 资源 的 意义 ,也 有 危害 牧区 生产 致 灾 的 一 面 。 陈 乾 等 用 NOAA/AVHRR 的 工 , 工 , 焉 三 个 通道 的 资料 研究 祁连山 区 积 雪 ， 发 现 祁 连 山 区 季节 性 积 雪 的 补给 和 融化 主要 在 春季 ,纠正 了 "河西 内 陆 河 春季 径流 主要 看 秋 尽 山区 积 雪 "这 一 错误 看 法 。 计 算 表 明 : 当年 春季 融雪 径流 量 中 , 当年 春季 降雪 融雪 径流 对 上 年 秋冬 残雪 融雪 径流 比 为 82:18。 据 此 提出 增 大 春 雪 涵 蓄 及 合理 利用 雪 水 资源 的 对 策 。 可 见 积 雪 遥感 信息 在 生态 控制 中 的 意义 。 (5) 大 气 污染 源 空 间 分 布 的 监测 据 Markenitz 研究 ,酸雨 对 整个 土壤 退化 过 程 的 影响 达 38% 。 王 彦 辉 (2001) 介 绍 , 德 国 1993 年 完成 了 第 一 次 森林 土壤 监测 ,由 于 森林 土壤 理化 性 质变 化 缓慢 ,建议 监测 间隔 时 间 定 为 10 一 1S$a。 通 过 监测 主要 可 提供 下 列 信息 :中 土壤 现状 与 林 冠 状态 联系 的 土壤 性 状 变化 ;@ 有 助 于 确定 土壤 性 状 改变 和 污染 物 沉降 影 响 的 原因 ;@ 估 计 土 壤 性 状 对 森 林 的 威胁 ;四 估计 地 下 水 ,泉水 水 质 降低 的 风险 ;@ 有 利于 维持 改善 土壤 性 状 和 提供 营养 能 力 及 树木 根系 吸收 营养 的 能 力 。 3. 生物 生态 动力 源 与 汇 监测 的 适 感 信息 在 农业 生态 控制 中 ,各 种 遥感 信息 的 作用 是 多 方面 的 。 下 面 仅 就 几 个 主要 方面 加 以 说 明 。 (1) 农 业 气象 信息 监测 如 所 周知 ,鉴于 农业 气象 站 网 多 年 来 在 农业 生态 信息 方面 的 作用 ,延续 至 今 的 农业 气象 站 网 仍 有 重要 作用 。 前 苏联 和 我 国 是 站 网 密度 大 ,资料 积累 时 间 长 的 国家 ;大 约 在 20 多 年 前 , 欧 共 体 有 9 个 成 员 国 70 个 农业 气象 站 形成 其 站 网 。 但 这 些 站 网 ,相对 于 农业 气象 条 件 的 时 空 变 化 来 说 ,密度 不 够 ,信息 传递 速度 偏 低 。 而 农业 气象 遥感 则 可 补充 其 不 足 。 中 作物 苗 情 关于 作物 苗 情 ,用 气象 卫星 信息 可 以 评定 。KzrerreHro 曾 阐述 农业 气象 的 卫星 情报 释 读 问题 ,所 用 信息 取 自 多 光谱 扫描 系统 ,具有 低 分 辨 率 (<1000m) 和 平均 分 辨 率 (300 一 500m)。 结 果 表 明 : 用 上 述 信息 可 以 判断 和 评定 在 前 苏联 欧洲 南部 地 区 ,越冬 作物 发 育 早 期 (秋季 和 春季 ) 苗 状 的 可 能 性 。 在 这 一 工作 中 ,光谱 测量 的 鉴定 ,利用 了 不 同 的 标准 , 即 记录 的 近 红 外 光 和 红 光 波段 光谱 与 其 总 光谱 之 间 的 反射 信号 的 相对 差异 。 以 蔡 的 密度 状况 作为 苗 状 的 指标 。 用 于 该 项 研究 的 卫星 测量 处 理 技 术 有 :图 片 的 选择 和 数据 组 的 编 制 ;拍摄 区 域 的 规范 化 处 理 ; 图 片 的 标准 ;用 三 个 苗 状 等 级 分 类 以 确定 各 等 级 所 处 的 地 理 范围 。 包 作 物 农 事 历 作物 农事 历 ,在 以 往 主 要 用 在 地 面 的 农作物 物候 观测 的 代表 点 资料 分 析 确 定 ,是 一 种 以 点 代 面 的 方法 。 因 而 不 能 准确 地 给 出 概况 以 反映 大 面积 作物 农事 历 实 况 ,对 于 离 测 点 远 的 丘陵 山区 ,尤其 如 此 。 赖 格 英 等 (1998) 在 利用 NOAA/AVHRR 遥感 数据 提取 我 国 南方 丘陵 地 区 水 稻 种 植 面积 时 ,将 地 形 、 坡 度 、 数 字 高 度 与 遥感 数据 一 起 ,利用 模糊 监督 07 分 类 方法 进行 处 理 , 从 而 提高 了 分 类 精度 。 对 福建 福清 ,在 一 年 四 季 都 有 绿色 景观 的 前 提 下 ,利用 TM 图 像 , 周 成 虎 等 (2001) 识 别 出 水 稻 等 作物 农事 历 。 给 出 关于 种 植 时 间 的 主要 结果 :早稻 为 3 月 下 旬 到 7 月 中 旬 。 中 稳 为 4 月 中 旬 至 9 A PARDO AP aS 11 月 中 旬 ; 早 ( 甘 ) 划 为 6 月 下 旬 到 A Fa; RAT 月 下 旬 到 12 月 中 旬 ; 花 生 为 3 月 中 旬 到 8 月 上 名; 小麦 为 11 月 中 旬 到 翌年 4 ALA; KEWA 11 月 下 旬 到 翌年 1 月 上 名。 (2) 作 物种 植 面 积 监测 资料 作物 种 植 面积 遥感 监测 的 方法 很 多 。 最 近 关 于 这 方面 的 新 方法 主要 有 神经 网 络 法 ， 即 从 NOAA 图 像 反映 水 稻 分 布 信息 的 绿 度 指标 和 恒 夜 温差 值 , 以 Landsat TM 图 像 作为 准 真 值 进行 分 类 ,得 出 大 范围 双 季 稻 面 积 。 (3) 农 作物 遥感 估 产 农作物 估 产 一 直 是 于 感应 用 目标 之 一 。20 世纪 70~80 年 代 , 美 国 先后 发 起 LACIE 计划 和 AGRISTAR 计划 ,后 者 沿用 至 今 。 前 者 估 产 误差 在 10% 左 右 。 后 者 是 前 者 的 改 进 , 可 结合 作物 生长 发 育 状况 ,结合 实时 气象 资料 进行 估 产 。 我 国 在 河北 的 冬小麦 产 区 进行 宏观 监测 , 估 产 值 与 实测 值 相 关系 数 达 0.98。 三 \ 有 关 问 题 讨 论 我 们 在 上 面 讲述 遥感 信息 的 目的 ,是 因为 这 类 信息 和 历史 资料 可 以 作为 生态 控制 应 用 的 基础 。 这 些 信 息 , 从 即时 应 用 到 长 远 生 态 建 设 ,及 可 持续 发 展 方面 的 应 用 ,都 会 起 到 重要 作用 。 在 应 用 中 可 注意 不 同 分 辨 率 的 差异 。 般 感 资 料 的 地 面 分 辩 率 ,目前 从 1km 到 lm, 使 用 哪 一 种 资料 应 视 所 研究 区 域 的 大 小 和 研究 目的 而 定 。 对 卫星 数据 进行 预 处 理 是 分 析 结 果 可 人 靠 性 的 重要 保证 。 使 用 时 应 注意 数据 上 的 辐射 误差 ,地 理 上 的 定位 误差 等 。 在 进行 大 区 域 系 统 模拟 时 ,遥感 数据 只 是 许多 数据 之 一 ,因此 协调 遥感 数据 与 源 于 其 他 生态 动力 源 方面 (如 气候 土壤 地貌) 数据 之 间 的 精度 ,是 值得 注意 的 。 虽 然 人 们 可 以 用 卫星 资料 来 判别 植被 的 疏 密 度 、 木材 产 量 以 及 和 森林 类 型 ,但 这 样 所 作 的 分 类 大 都 是 以 数据 统计 结果 为 依据 的 ,而 不 是 以 生物 学 机 理 为 依据 的 。 因 此 分 析 模 拟 结果 往往 可 适 用 于 特定 的 区 域 而 不 具有 普 适 性 。 在 生态 控制 中 ,关键 是 从 生态 属性 上 解释 ,这 是 今后 运用 这 类 信息 的 方向 之 一 。 第 三 节 ，” 源 于 GIS 的 生态 控制 信息 地 理 信息 系统 (GIS) 把 地 图 信息 、 遥 感 图 像 信息 和 其 他 有 关 人 口 统计 、 土 地 利用 、 自 然 资 源 、 能 源 、 交 通 等 信息 集成 起 来 ,通过 计算 机 统一 管理 ,可 快速 检索 各 种 形式 的 综合 信息 。 在 地 理 信息 系统 中 ,在 涉及 自然 地 理 信 息 中 , 绝 大 多 数 可 以 构成 生态 动力 源 因 了 于; 在 涉及 人 文 地 理 、 经 济 地 理 的 信息 中 ,有 些 与 生态 经 济 有 关 。 所 以 说 ,近年 发 展 起 来 的 地 理 信息 系统 及 其 数据 库 是 生态 控制 所 需 信息 的 重要 来 源 之 一 。 1. 数据 来 源 概况 地 理 信 息 系 统 的 数据 源 大 体 可 分 为 原始 数据 (第 一 手数 据 ) 和 处 理 加 工 后 的 数据 (第 二 手数 据 ) ,又 可 将 数据 源 分 为 电子 数据 和 非 电子 数据 两 类 。GIS 中 的 数据 大 多 数 是 第 二 手数 据 。 如 表 3-1 所 示 。 68 表 3-1 不 同 数据 种 类 及 其 来 源 项 目 第 一 手数 据 第 二 手数 据 野外 测量 笔记 非 电 子 数 据 fi He 地 图 人 口 普 查 统计 图 表 工程 测量 全 站 仪 、 全 球 定位 系统 数据 电子 数据 (een eon . 数据 库 1B AGE 第 一 手 资料 即 定位 站 (如 气象 站 \ 水 文 站 海洋 站 ) 按 规范 记录 的 资料 和 野外 测量 考察 资料 ,用 三 角 架 罗盘 等 工具 ,测量 结果 往往 记录 在 纸 上 。 近 年 ,定位 仪 、. 光 合作 用 测定 分 析 仪 等 可 将 结果 直接 存储 在 便携 计算 机 的 硬盘 里 。 许 多 新 记录 传输 设备 的 应 用 ,可 使 第 一 手数 据 获取 大 大 简化 。 第 一 手数 据 资料 经 解 译 、 编 辑 和 处 理 后 , 变 成 第 二 手数 据 , 这 类 数据 包括 地 图 、 表 格 、 书 和 杂志 中 的 地 理 编码 数据 。 对 于 模型 简单 、 概 念 明 确 的 空间 数据 ,其 数据 标准 比较 容 易 确 定 ,如 基于 定点 观测 的 数据 有 土地 调整 数据 地 球 化 学 \ 水 文 . 气象 海洋 浮标 观测 等 ,对 许多 数据 指标 ACB AEH. WEBER KR ,建立 了 统一 的 数据 标准 。 2. 地理 图 像 数据 库 系 统 System 一 WW 石 青云 院士 等 设计 的 System—-W 结合 图 像 数据 库 、 图 示 语 言 等 新 兴学 科 分 支 的 研究 RR ,着 重 研究 了 地 图 自动 输入 地 理 实体 的 综合 信息 查询 \ 友好 的 用 户 界 面 等 内 容 所 研 制 的 地 理 图 像 数 据 库 系统 软件 。 该 系统 与 生态 控制 关系 密切 ,1992 年 作者 曾 了 解 系统 研 究 过 程 , 并 考虑 到 生态 应 用 问题 。 作 为 该 系统 长 期 用 户 的 生态 工作 者 ,了 解 其 概况 ,从 中 索取 生态 控制 信息 ,是 有 意义 的 。 该 系统 设计 时 , 石 青 云 利 用 一 种 新 型 的 线性 四 元 树 , 并 研究 出 在 其 上 直接 实现 各 种 图 像 处 理 运算 以 及 与 其 他 数据 结构 相互 转换 的 快速 算法 。 为 处 理 好 点 、 线 \ 域 组 成 的 属性 实体 ,在 System — W 中 , 库 里 的 每 幅 地 图 都 配 有 拓扑 表 和 实体 结构 对 照 表 。 对 于 线 画图 拓扑 表 由 拓扑 点 表 和 拓扑 愧 构成 ,分 别 描述 每 个 孤 立 点 和 交叉 点 以 及 每 条 弧 。 实 体 结 构 对 照 表 描述 实体 标识 与 对 应 的 点 ` 弧 。 由 于 实体 属 性 所 在 的 关系 也 有 一 项 实体 标识 ,通过 它 可 以 把 实体 的 几何 特征 与 属性 联系 起 来 。 对 系统 的 智能 化 和 推广 应 用 有 着 重要 意义 的 另 一 个 问题 是 系统 配备 友好 的 用 户 界 面 ,提供 一 种 使 用 方便 而 又 功能 齐全 的 查询 语言 。 该 系统 应 用 广泛 ,一 个 系统 实验 的 例子 是 :从 山西 陆地 卫星 太原 幅 农 业 自 然 条 件 系 列 图 中 ,集中 挑选 了 地 质 图 \ 地 瑶 图 、 森林 分 布 图 .草地 图 土壤 图 气候 图 。 经 过 合成 处 理 为 岩 性 图 ` 地 貌 图 、 土 壤 图 植被 图 气候 图 和 政 区 图 ( 称 I 级 图 )。 由 这 些 基 础 图 派生 了 开 级 分 析 图 一 一 土壤 侵蚀 图 、 土 地 类 型 图 。 第 亚 级 即 土地 资料 评价 图 , 则 利用 了 前 两 种 图 件 和 结果 ,对 土地 优 劣 性 作出 适宜 性 评价 。 最 后 综合 成 也 级 农业 自然 区 域 图 。 不 难看 出 ,从 这 样 的 实验 中 ,我 们 可 以 获得 对 生态 控制 有 用 的 必要 的 宏观 信息 。 依 此 ,不 难 用 各 69 种 优化 方法 ,解决 生态 控制 难题 。 oe Os ”计算 机 系统 、 数据库、 网 站 中 的 生态 控制 信息 众所周知 ,生态 控制 所 需要 的 信息 资料 ,有 许多 来 自 非 生态 领域 ,是 因为 许多 生态 动 力 源 并 非 来 自生 物 ,即使 生物 性 质 的 生态 动力 源 , 也 有 相当 多 的 内 容 并 非 生 态 的 。 但 既 然 能 够 作为 生态 动力 源 要素 表 达 的 载体 ,许多 专业 性 质 , 诸 如 水 文 `. 气 象 \ 海 洋 、 农 业 、 林 业 等 资料 信息 是 生态 控制 者 不 可 缺少 的 信息 源 , 随 着 生态 控制 研究 的 深入 和 实施 范围 的 拓 广 ,以 数据 为 主 的 各 专业 信息 所 起 的 作用 会 越 来 越 大 。 在 20 世纪 后 半 叶 ,尤其 是 80 年 代 以 后 ,计算 机 在 档案 系统 专业 数据 库 和 网 站 等 领 域 应 用 技术 的 提高 ,许多 信息 可 以 及 时 传送 到 包括 生态 控制 者 在 内 的 用 户 手 中 ,而 用 户 则 利用 现代 化 手段 更 为 方便 地 搜集 信息 ,整理 信息 。 迄今 ,我 国 各 专业 部 门 ,都 有 各 自 的 计算 机 系统 , 除 为 本 部 门 服 务 外 , 还 为 全 社会 服 务 。 下 面 ,我 们 只 举 出 气象 海洋 方面 近期 完成 的 例子 ,读者 可 见 这 类 信息 源 之 一 斑 , 以 便 在 用 于 生态 控制 时 ,得心应手 地 获取 。 一 \ 档 案 管理 系统 以 省 级 气象 档案 计算 机 管理 为 例 ,1998 年 由 原 辽 宁 省 气候 中 心 孙 力 威 (2002) 研 制 的 “省 级 气象 科技 档案 管理 系统 “其 结构 见 图 3 一 2) 是 一 个 完善 的 系统 。 下 面 简 要 介绍 。 图 3-2 系统 结构 1. 系统 功能 与 模块 该 系统 应 用 Microsoft Visual Basic 6.0 和 Access 7.0 编程 环境 进行 程序 设计 ,有 四 种 主要 功能 ,由 各 自 模 块 实现 。 (1) 目 录 检 索 模 块 该 模块 收集 省 气象 档案 馆 全 部 馆藏 1.5 万 卷 档案 ,建立 了 气象 观测 记录 等 7 个 子 数 据 库 。 该 模块 主要 功能 是 目录 检索 查询 ,并 兼 有 数据 录 和 人、 修改 删除 \ 刷 新 \ 数 据 备份 、 数据 恢复 数据 压缩 \. 打印、 输出 等 。 70 (2) 台 站 历史 沿革 台 站 历史 沿革 数据 库 包括 地 面 \ 高 空 、 辐 射 3 个 子 数据 库 。 其 地 面 站 数据 结构 包括 站 名 、 区 站 号 等 数 十 个 项 目 ;高 空 站 数据 库 包 括 10 多 个 项 目 ;辐射 站 数据 库 也 包括 10 多 个 项 目 。 台 站 历史 沿革 模块 具有 较 好 的 通用 性 ,不 论 是 哪个 省 分 、. 地 区 的 台 站 ,只 要 按照 要 求 录入 资料 数据 便 可 运行 。 该 数据 库 的 信息 量 庞大 ,涉及 的 项 目 记 录 年 代 完整 。 通 过 本 模块 可 快速 方便 地 查看 用 户 所 需要 的 台 站 各 个 历史 时 期 的 各 种 历史 演变 情况 。 (3) 借 阅 管 理 模块 该 模块 的 主要 功能 是 :对 馆藏 资料 的 借阅 、 归 还 情况 进行 登记 `\ 查 询 和 统计 。 并 具有 添加 、 刷 新 删除 更 新 等 功能 。 (4) 数 据 管理 模块 该 模块 的 功能 是 对 整个 系统 进行 管理 和 维护 , 它 可 改变 、 完 善 、 增 加 计算 机 对 数据 管 理 的 方式 和 功能 ,包括 系统 注册 、 设 置 使 用 权限 、 数 据 文件 维护 、 数 据 备份 \. 数 据 恢 复 等 模 Be, 2. 技术 特点 该 系统 主要 技术 特点 如 下 。 (1) 便 于 使 用 利用 先进 的 Windows 窗口 图 形 界 面 和 全 屏幕 菜单 驱动 操作 方式 ,结构 清晰 ,便于 使 FAA. (2) 模 糊 查询 由 于 生态 用 户 很 多 不 是 气象 专家 ， 所 提供 信息 往往 带 有 不 确切 性 该 系统 提供 的 模 糊 查询 ,可 解决 上 述 问题 。 (3) 多 关键 字 检 索 用 户 一 次 输入 3 个 关键 词 ,可 保证 查询 功能 的 很 好 实现 。 (4) 设 置 密码 对 一 些 该 保密 的 资料 , 作 保密 处 理 , 必要 时 用 户 只 能 赁 密码 使 用 。 3. 生态 控制 中 的 应 用 有 了 上 述 系 统 , 生 态 控 制 工 作 人 员 可 根据 需要 进行 及 时 查询 。 由 于 气象 生态 动力 因 子 占 有 的 比重 很 大 ,所 以 像 基础 生态 、 景观 生态 、 大 气 环保 \ 农业 \、 林 业 \ 水 文生 态 等 涉及 生态 控制 的 多 方面 项 目 ,都 可 有 效 地 利用 它 。 这 上 比 以 往 手 抄 资料 .外 地 查询 等 ,要 节省 时 间 ,提高 效率 ,并 使 所 得 资料 更 为 可 靠 。 二 、\ 动 态 气象 信息 网 站 动态 气象 信息 网 站 上 ,有 许多 生态 控制 工作 者 能 及 时 采用 的 生态 动力 信息 。 现 在 ， 国内 随 着 气象 信息 化 快速 发 展 ,该 种 网 站 已 建 很 多 , 这 里 介绍 杨 春燕 (2002) 设 计 的 ,利用 ASP 和 数据 库 技 术 建立 的 一 种 网 站 。 1. 主要 技术 用 可 实行 页 面 自 动 更 新 的 ASP(Active Server Pages) , 它 是 建立 动态 、 个 性 化 Web 应 用 程序 的 新 技术 ,可 利用 服务 中 的 功能 处 理 用 户 请 求 ,基于 逻辑 文件 数据库 数 据 等 提供 动态 的 个 性 化 内 容 , 并 处 理 用 户 的 个 人 数据 ,可 让 多 个 用 户 同 时 运用 Web 服务 器 程序 。 使 用 数据 库 MS - Access, SQL 等 保持 气象 数据 资料 ,在 开发 中 用 ASP 内 的 Active X 71 控件 ADO(Active X Data Object) 访 问 数据 库 ,对 数据 库 进行 更 新 操作 。 日 常 的 维护 就 是 对 数据 库 的 处 理 , 这 可 以 通过 VB 或 VC 编程 来 自动 实现 。 在 开发 前 按照 数据 分 类 ,更 新 时 间 及 次 数 规划 如 数据 库 的 结构 , 建 好 库 和 表 。 2. 用 VB 开发 数据 更 新 程序 通过 数据 库 局 域 网 ,从 气象 通讯 按 稼 规 发 出 的 信息 中 截取 最 新 天 气 预 报 和 温度 极 值 、 降 水 量 等 数据 。 对 卫星 云图 文件 可 以 通过 格式 转换 ,同时 可 用 数据 库 保 存 云图 信息 。 3. 生态 控制 中 的 应 用 动态 气象 信息 ,对 于 生态 控制 应 用 者 来 说 ,有 几 个 方便 即 优点 。 第 一 ,其 信息 功能 强 ,使 用 户 及 时 得 到 所 需 的 实况 数据 ;第 二 ,有 预报 结果 ,可 供 及 时 参考 ;第 三 ,有 非 数据 资料 ,如 云图 实际 上 也 是 一 种 图 像 ,这 对 于 我 们 将 在 第 九 章 讲述 的 生态 智能 控制 ,尤其 是 对 模式 识别 来 说 是 很 有 用 。 第 四 ,便于 与 有 关 台 站 的 信息 交换 。 与 Internet( 详 见 本 章 第 五 节 ) 结 合 运 用 。 如 今 Internet 已 经 深入 到 人 们 生活 的 各 个 领域 ,人 们 可 以 及 时 地 获取 自 己 所 需 的 信息 , Internet 开创 了 一 种 全 新 的 通信 方式 。 气 象 领域 以 它 行 业 的 高 科技 性 、 服 务 产 品 的 多 样 性 、 服 务 范 围 的 广泛 性 以 及 对 生产 生活 的 重要 性 ,使 得 其 信息 的 网 络 化 成 为 一 种 趋势 。 基 于 Internet 的 气象 信息 服务 具有 许多 传统 服务 所 不 具备 的 优势 ,开拓 了 一 种 新 的 服务 模式 ,可 以 节约 投资 、 提 高 效率 ,又 能 体现 气象 信息 业务 的 现代 化 水 平 。 这 项 工作 发 展 , 对 生态 控制 用 户 索 取 气 象 生态 动力 源 要 素 动 态 极 其 有 用 。 三 海洋 生态 数据 库 系统 海洋 生态 数据 库 系 统 是 海洋 生态 控制 的 重要 信息 基础 。Fransz 等 在 总 结 欧洲 北海 生态 建 模 研 究 时 曾 指出 ,所 有 的 生态 模型 都 需要 一 个 强大 的 数据 库 。 生 态 控制 方面 的 各 种 模型 ,当然 也 不 例外 。 所 以 ,建立 特定 海域 的 生态 系统 的 数据 库 系 统 是 对 海洋 生态 系 统 进行 数值 研究 的 基础 。 另 一 方面 ,数据 库 已 经 成 为 各 种 计算 机 应 用 系统 的 核心 部 分 ， 其 技术 发 展 迅 速 。 尤 其 是 ,最 近世 界 范围 的 信息 高 速 公 路 的 兴建 ,又 一 次 推动 了 数据 库 建设 事业 。 1. 基本 概念 把 某 一 海域 的 物理 化 学 生物 气象 .地 质 甚至 近海 的 陆 源 等 数据 资料 按照 一 定 的 数据 模型 来 组 织 和 存放 ,集合 构成 海洋 生态 数据 库 。 任 何 一 个 新 的 生态 控制 研究 项 目 都 既 要 取得 一 批 第 一 手 的 资料 和 数据 ,又 要 运用 已 积累 的 资料 和 数据 。 随 着 地 球 科学 与 生 物 科 学 中 各 个 学 科 的 相互 渗透 交叉 和 综合 研究 的 广泛 开拓 ,资料 与 数据 的 共享 , 越 来 越 显示 出 其 必要 性 和 重要 性 。 其 次 ,海洋 生态 系统 动力 学 不 同 于 海洋 科学 中 其 他 学 科 的 单 一 性 , 它 是 物理 、 化 学 \ 生 物 \ 水 文 ` 气 象 等 交叉 的 跨 学 科研 究 领域 ,其 建 模 对 数据 资料 有 更 高 的 要 求 , 其 中 ,许多 生态 控制 模型 ,从 建 模 到 实际 应 用 ,对 数据 库 有 更 大 的 依赖 性 。 2. 系统 结构 (1) 系 统 建立 首先 建立 海洋 生态 系统 的 数据 模型 ,用户 可 根据 此 模型 访问 数据 库 中 的 数据 。 其 次 ,有 组 织 地 将 数据 存放 在 储存 设备 上 。 第 三 ,规定 数据 的 访问 权限 。 第 四 ,建立 访问 的 操作 规则 。 海洋 生态 数据 库 是 统一 集中 海洋 生态 系统 的 数据 管理 机 构 ,能 反映 生态 系统 中 各 种 fz 复杂 的 数据 关系 ,并 实现 由 实际 对 象 到 信息 的 抽象 。 (2) 系 统 结构 数据 模型 在 逻辑 上 分 为 外 部 、 概 念 和 内 部 三 级 ,系统 结构 如 图 3-3 所 示 。 由 于 数据 库 用 于 多 种 目的 , 才 有 其 外 部 模型 ,所 以 这 一 部 分 是 生态 控制 用 户 最 感 兴趣 的 。 外 部 级 | 海洋 生态 数据 y 海洋 生态 数据 物理 级 图 3-3 海洋 生态 数据 库 的 系统 结构 3. 主要 特点 (1) 结 构 化 程度 高 该 种 数据 库 系统 是 按照 一 定 的 数据 模型 来 组 织 数据 并 存放 , 它 不 仅 考虑 数据 项 之 间 的 联系 ,而 且 考 虑 数据 记录 型 之 间 的 联系 。 这 种 结构 能 反映 数据 之 间 的 自然 联系 。 (2) 数 据 共享 程度 高 数据 库 中 的 数据 从 海洋 生态 系统 出 发 ,考虑 其 信息 需求 ,统一 进行 数据 的 组 织 定义 和 存储 。 所 以 ,数据 库 的 数据 可 供 研究 各 海域 生态 控制 问题 使 用 ,达到 资源 共享 。 (3) 数 据 的 独立 性 强 数据 库 系统 的 数据 结构 的 定义 和 组 织 , 系 独 立 进行 ,与 应 用 程序 的 编写 没有 必然 联 系 。 应 用 程序 的 修改 并 不 影响 数据 结构 ,而 数据 结构 的 改变 也 不 一 定 必 须 改 动 应 用 程 序 。 于 是 , 极 大 地 方便 了 编程 与 数据 管理 。 4. 海洋 数据 库 在 生态 控制 中 的 作用 与 陆地 生态 系统 不 同 的 是 ,海洋 广阔 ,海洋 中 生态 动力 过 程 原本 是 十 分 复杂 的 ,但 在 海洋 上 生活 的 人 极为 稀少 ,所 以 许多 生态 问题 ,只 有 通过 定位 测 站 和 临时 测 站 ( 含 船舶 站 ) 的 测定 ,才能 取得 其 部 分 生态 信息 。 可 以 说 ,海洋 生态 控制 对 数据 的 需求 , 似 比 陆地 更 为 迫切 。 因 此 ,现在 建立 的 海洋 信息 系统 等 对 理论 分 析 模 型 检验 、 数 值 模 拟 以 及 决策 方案 的 制定 ,有 重要 意义 。 海 洋 生 态 控制 是 充分 利用 信息 ,对 数据 进行 深加工 ,从 而 寻求 最 优 方案 的 过 程 。 我 国 海洋 工作 者 积累 的 许多 数据 ,是 海洋 生态 控制 的 宝贵 信息 资源 。 但 是 由 于 以 往生 态 控制 的 概念 与 方法 ,并 未 深入 到 海洋 工作 者 心中 ,社会 公众 甚至 不 太 了 解 。 这 些 资料 必然 有 相当 多 的 内 容 束 之 高 阅 。 今 天 ,有 了 数据 库 必 将 促进 未 来 的 海洋 生态 控制 研究 取得 长 足 的 进展 。 第 五 节 生态 控制 的 最 新 信息 源 近年 ， 上 网 "已 成 为 公众 熟知 的 事 。 所 谓 上 网 ,就 是 指 访问 Internet 网 络 。 目 前 , In- 73 ternet 的 内 容 , 极 其 丰富 ,可 以 说 是 包罗 万 象 ,其 中 有 许多 信息 ,可 直接 或 间接 地 用 于 生态 控制 之 中 ,所 以 我 们 说 Internet 网 络 系统 是 生态 控制 的 一 种 新 的 信息 源 。 — Internet 概要 及 其 与 复杂 生态 巨 系 统 关 系 Internet 的 出 现 , 是 20 世纪 信息 技术 发 展 的 必然 结果 。Internet 是 一 个 特殊 的 复杂 系统 ,从 它 的 产生 和 发 展 过 程 来 看 , Internet 网 络 本 质 上 并 不 是 一 个 具体 网 络 的 名 称 , 普 通用 户 一 般 认 为 它 是 由 数 千 万 台 计 算 机 和 上 亿 的 用 户 组 成 的 世界 范围 的 信息 资源 的 大 型 集合 体 。 在 Internet 上 ,人 不 仅 是 信息 的 享用 者 ,也 是 信息 的 提供 者 ,体现 了 该 网 络 是 人 机 结合 的 产物 这 一 本 质 特 征 。 随 着 人 们 对 生命 环境 的 重视 ,社会 公众 生态 意识 增强 ， 在 网 上 交流 的 生态 信息 ,与日俱增 ;加 之 专门 的 生态 研究 成 果 不 断 涌现 ,由 生态 专业 人 员 提供 给 Internet 的 信息 很 多 、 很 快 , 并 且 有 一 定 学 术 价值 。 如 斐 铁 表 等 著 《 生 态 动力 学 滞 | 出 版 不 久 , 即 由 作者 所 在 单位 网 站 提供 给 Internet, 以 期 用 户 及 时 了 解 。 目前 , Internet 几乎 链接 了 所 有 的 国家 和 地 区 ,整个 Internet 系统 就 是 一 个 开放 的 复 杂 巨 系统 。 在 本 书 第 十 一 章 ,读者 将 会 看 到 ,生态 控制 系统 也 是 一 个 复杂 的 巨 系统 。 那 么 ,这 样 两 个 复杂 巨子 系统 又 有 什么 关系 呢 ? 对 此 ,至 今 似 未 见 有 太 多 的 讨论 。 其 实 , 我 们 所 面 对 的 生态 控制 之 复杂 巨 系统 问题 的 处 理 , 是 离 不 开 Internet 这 个 复杂 巨 系统 的 。 试想 ,如 果 只 靠 我 们 在 本 章 前 几 节 所 论述 的 生态 控制 信息 基础 ,而 不 依赖 于 Internet, 生 态 控制 所 需 信息 ,有 相当 多 部 分 是 不 能 及 时 传播 的 。 而 又 不 可 能 像 水 文 气象 服务 那样 ， 专门 设计 一 套 信息 系统 ,以 致 生态 控制 业务 化 ,难以 实现 。 而 因为 Internet 至 今 已 几乎 综 合 了 人 类 有 史 以 来 各 个 方面 的 科学 理论 .数据 和 知识 , 融 人 了 人 类 的 经 验 、 智 慧 和 劳动 成 果 。Internet 的 形成 方法 就 是 根据 人 们 的 需求 ,大 胆 设想 ,定性 汇总 ,建立 模型 ,实验 检 验 , 发 现 问题 修正 与 补充 等 。 这 个 动态 发 展 过 程 , 正 是 一 个 从 经 验 、 半 经 验 半 理 论 逐 渐 过 渡 到 定量 结果 的 认识 和 技术 更 新 过 程 ,在 这 个 过 程 中 ,人 们 总 是 自觉 或 不 自沉 地 采用 了 从 定性 到 定量 的 综合 集成 方法 (metasynthesis method)。 而 利用 网 络 的 生态 控制 信息 研 究 ,一 般 也 是 这 样 进行 ,所 以 生态 控制 在 网 上 的 综合 集成 乃 是 整个 Internet 的 一 部 分 。 在 这 部 分 中 ,由 专业 生态 工作 者 完成 的 ,往往 是 尽量 以 定量 和 理论 形式 提供 给 用 户 的 。 综 合集 成 方法 是 1990 年 由 钱学森 院士 以 及 于 景 元 研究 员 、 戴 汝 为 院士 总 结 并 提出 的 处 理 开放 的 复杂 巨 系统 的 方法 论 。 至 1992 年 ,钱学森 院士 又 进一步 提出 “从 定性 到 定量 的 综 合集 成 研讨 厅 体 系 "(Hall for Workshop of Metasynthetic Engineering)。 其 构思 是 采取 人 机 结合 ,以 人 为 主 的 技术 路 线 ,致力 于 把 今天 世界 上 千 百 万 人 的 聪明 才智 综合 起 来 ;把 人 的 思维 、 实 践 经 验 帮 至 科学 知识 ,还 有 各 种 情报 及 有 关 信 息 集 成 起 来 ,从 而 解决 复杂 问 题 , 实 现 信息 时 代 集 智 慧 之 大 成 “。 二 、 生 态 系统 CO, 净 通 量 :Ameri Flux 网 等 简介 只 有 对 地 球 碳 循环 信息 有 比较 充分 的 了 解 ,才能 较 好 地 预测 大 气 中 CO, 浓度 。 和 森林 是 陆地 生态 系统 的 主体 , 它 对 燃烧 释放 于 大 气 中 的 CO, 有 较 强 的 吸收 作用 ,森林 的 兴衰 对 于 调控 大 气 中 CO, 浓度 具有 举足轻重 的 作用 。 据 目 前 所 知 ,大 气 中 CO, 的 累积 速率 有 年 际 和 十 年 际 (年 代 际 ) 的 时 间 斥 度 变 化 。 为 了 解 这 种 变化 过 程 与 特征 ,人 们 采用 多 种 方法 获得 有 关 信 息 。 据 http://cdiac. esd. ornl. gov/programs/ameriflux/scif. htnn 在 2002 年 初 的 报道 ,Ameri Flux 计划 是 一 个 很 好 的 观 74 测 网 ,Wofsy 和 Hollinger 在 上 述 网 址 上 报告 了 其 基本 原理 和 发 展 情况 。AmeriFlux 系 美 国 北部 和 中 部 地 区 的 CO, 通 量 测 站 网 ,通过 该 网 络 提供 信息 ,人 们 对 主要 生物 群落 中 CO, 吸收 和 净 沉 积 速率 调控 因子 ,将 有 进一步 了 解 ,以 便 依 此 阐明 与 全 球 碳 循环 有 关 的 某 些 复杂 问题 。 通 过 测定 到 达 ( 或 来 自 ) 陆 地 生态 系统 主体 的 CO, 净 通 量 , 了 解 控制 CO, 交换 的 一 些 主要 因子 一 一 土壤 过 程 、 植 被 结构 、 植 物 生 理 状 况 以 及 所 处 发 育 期 。 并 由 此 了 解 气候 变化 、 空 气 污染 和 CO, 浓度 响应 的 主要 反馈 机 制 。 其 中 有 些 观 测 站 点 还 要 测量 示 踪 气体 浓度 ,以便 鉴 别 矿质 燃料 和 生物 各 自 的 作用 ,进而 阐明 生态 系统 对 污染 和 人 类 施 氮 的 响应 。 1. AR Ameri Flux 的 概念 起 源 于 1995 年 3 月 在 意大利 La Thuile 举行 的 IGBP 国际 会 议 ， 会 议 提 出 “陆地 生态 系统 和 大 气 间 CO, 及 水 汽 通 量 的 长 期 观测 ”。 来 自 意大利 长 期 网 络 观测 资料 ,可 用 于 :中 对 由 日 射 \ 温度 和 植被 结构 年 际 变化 引起 的 CO, 通 量 的 季 变 化 , 进 行 定 量 处 理 ;@ 了 解 支配 植被 CO, 交换 的 生物 过 程 及 气候 过 程 ; 包 检 验 碳 平衡 模式 ,从 而 提高 模式 对 季 动 态 的 模拟 能 力 ; 四 对 CO, 交换 率 的 时 空 差 异 作 定量 处 理 。 用 三 维 超声 风 温 仪 、 红 外 气体 分 析 仪 对 森林 冠 层 内 及 其 上 方 CO, 水 汽 通 量 进行 观 测 。 2. 通 量 网 几 个 主要 科学 问题 通 量 网 所 提供 的 信息 ,加深 了 人 们 对 几 个 问题 的 认识 。 (1) 碳 损失 问题 人 类 活动 释放 的 CO, 量 仅 有 40% 一 60% 存 留 在 大 气 中 ,释放 的 CO, ,有 一 部 分 被 封 闭 在 陆地 生态 系统 的 土壤 和 植被 生物 群落 中 ,只 有 很 少 一 部 分 被 海洋 吸收 。 (2) 年 际 变化 问题 关于 碳 循环 年 际 变化 的 观测 资料 ,是 了 解 “ 碳 损失 “ 汇 的 一 个 重要 线索 。 用 涡 动 相关 法 所 进行 的 CO, 净 交 换 和 `NEP 长 期 测量 "的 结果 显示 :在 中 纬度 ,落叶 森林 对 CO, 的 净 吸收 ,也 存在 着 年 际 变化 。 中 纬度 落叶 森林 对 CO, 年 吸收 速率 在 增加 ,这 是 人 们 原来 未 预料 到 的 。 另 有 迹象 表明 ,森林 的 响应 与 生长 期 长 得 有 关 。 在 北方 常 绿 阔 叶林中 ,温度 变化 有 正 效应 ,人 们 认为 这 主要 是 土壤 和 泥 凑 分 解 所 造成 的 影响 。 《3) 大 陆 扩 度 、 全 球 斥 度 大 气 肥沃 化 和 空气 污染 问题 大 气 中 有 一 定量 的 氮 沉 降 , 这 是 否 在 增加 陆地 生物 圈 对 碳 的 吸收 率 ? 是 否 在 使 净 生 产 力 增加 ? 对 此 人 们 还 存在 着 争论 。 而 且 , 由 于 CO, 量 的 增加 而 产生 的 “肥沃 化 效应 ”， 也 难以 肯定 。 已 经 表明 ,臭氧 对 一 些 农作物 及 原始 森林 是 有 害 的 ,但 在 遥远 的 人 迹 罕见 的 环境 中 , 具 氧 量 长 期 而 少量 的 增加 对 植被 所 产生 的 影响 ,人 们 还 不 清楚 。 长 期 的 生态 系统 级 的 测量 ,如 果 和 适当 的 生理 、 生 态 研究 相 结合 ,会 对 碳 沉 降 和 营养 物 污染 物 及 CO, 全 球 尺 度 的 循环 之 间 的 重要 相互 影响 提供 关键 性 数据 。 例 如 ,Ameri- Flux 的 一 些 观测 站 在 测量 CO, 和 水 汽 通 量 的 同时 ,还 测量 臭氧 浓度 和 沉降 通 量 。 臭 氧 吸 收 对 光合 效率 气孔 传导 率 或 其 他 参量 的 影响 可 通过 仔细 分 析 生 态 系统 中 多 种 环境 条 件 下 获得 的 资料 而 确定 ,生态 系统 中 温度 风向、 臭氧 日照 以 及 生态 功能 季度 或 更 长 时 间 变化 所 产生 的 难以 说 清 的 影响 之 间 都 可 能 存在 着 相关 性 ,因此 , 像 AmeriFlux 连续 观测 项 目 那 样 正 研制 的 大 量 数据 集 对 这 种 类 型 的 分 析 而 言 是 十 分 必要 的 。 3. 资料 库 及 网 上 传输 现在 在 研究 的 一 个 多 站 点 资料 库 ,其 目的 是 提供 观测 网 的 科学 价值 ,用 于 作 决 策 ,这 当然 是 有 利于 宏观 生态 控制 信息 累积 与 加 工 的 有 效 措施 , 深 受 生态 工作 者 的 欢迎 。 在 每 一 区 域 中 心 ,都 建设 一 个 公用 数据 库 , 以 使 美国 的 国家 全 球 环境 变化 研究 所 (NIGEC) 在 观测 网 中 更 进一步 地 发 挥 作 用 。 设 在 Oak Ridge 的 CO, 信息 分 析 中 心 (COIAC) 等 单位 共同 管理 该 数据 库 ,对 经 过 审核 并 存档 的 数据 作 格式 化 处 理 , 并 提供 给 应 用 部 门 。 在 Ameri Flux 的 Web 网 站 上 ,公布 可 使 用 其 网 上 资料 的 单位 和 个 人 条 件 。 通 量 网 内 、 外 研究 人 员 可 利用 有 关 资 料 研究 碳 沉 积 和 其 他 有 关 的 生态 因子 。 获 取 有 关 资 料 以 便 研制 、 约 束 和 检验 所 设计 的 各 种 模型 ,是 Ameri Flux 的 主要 目标 。 这 些 对 全 球 生态 研究 有 意义 的 数据 和 成 果 , 是 生态 控制 所 需要 的 ,所 以 包括 我 国 在 内 的 世界 上 的 一 些 国家 同 Ameri Flux 建立 正式 的 合作 关系 ,是 很 必要 的 。 三 .用 Internet 技术 监测 远方 野生 动物 动态 远方 动物 尤其 是 野生 动物 的 动态 是 生态 控制 的 重要 信息 源 ,但 在 技术 不 发 达 的 时 代 , 单 靠 人 的 直接 考察 和 观察 ,所 能 获取 的 动态 ,总 是 十 分 有 限 的 。 近 年 Internet 技术 发 展 迅速 ,使 其 在 生态 学 中 的 应 用 领域 日 益 扩 充 。Yasuda 等 (2002) 提 出 了 用 Internet 监测 远方 野生 动物 的 新 系统 。 1. 系统 简介 最 基础 的 因特网 视频 流 监测 系统 ,包括 一 个 视频 照 像 机 装置 ,一 个 有 流动 软件 的 服 务 器 ,一 个 有 监测 软件 的 接收 计算 机 以 及 它们 之 间 的 网 络 ( 图 3 一 4)。 流动 服务 器 接收 计算 机 数字 个 人 计算 机 (PC) 照相 机 图 3-4 因特网 遥测 系统 草图 Yasuda 等 对 该 系统 的 视频 源 、 流 动 服务 器 ,接收 系统 、 视 频 监测 软件 作 了 比较 详细 的 说 明 。 2. 野外 试验 概况 在 日 本 ,野生 动物 遥测 试验 于 2001 年 1 月 和 2 AE Tama 森林 科学 园 (35 39 N,139- 17 忆 ) 进 行 ,接收 计算 机 设 在 林业 与 林产 研究 所 (36"00'N,140"08 下 )。PC 照相 机 连接 流 动 服务 器 。 共 设 9 个 监测 点 。 76 3. 效果 与 资料 分 析 该 试验 在 5$ 7 7X la] SEH GR : 9% ( Nyctereutes procyonoides L. ) 的 照片 701 张 ; 野 猫 (Felis chaus L. ) 的 照片 845 张 。 通 过 系统 验证 试验 得 知 : 所 取得 的 照片 数 ,一 般 是 与 动 物 在 视野 中 停留 的 时 间 成 正比 的 , 非 参 数 统 计 检 验 用 Mann - Whitney, 给 出 该 结果 (z= 0.00017) (R* =0.71, p<0.01). 视频 流动 一 监测 试验 的 资料 传输 速率 低 , 仅 为 35$ 一 70 kps(kilobits per second, F th #¥ 每 秒 ) 。 该 系统 不 须 用 高 级 设备 ,也 不 要 求 很 强 的 网 络 传输 能 力 。 这 为 在 野生 动物 遥测 方面 的 应 用 ,提供 了 便利 条 件 。 这 样 的 监测 试验 ,在 森林 自然 保护 区 等 环境 下 均 可 进行 ， 达到 既 不 破坏 自然 生态 环境 ,又 能 获取 野生 动物 真实 动态 ,并 及 时 传输 有 关 资 料 ,便于 生 态 工作 者 监控 ,采取 必要 措施 保护 动物 ,使 其 生存 于 适宜 于 它们 的 环境 之 中 。 为 进一步 了 解 各 种 野生 动物 所 在 生态 环境 的 动态 ,可 通过 试验 安装 必要 的 遥测 仪器 ,如 在 野生 环 境 中 ,设置 微 气象 自动 观测 站 ,以 测定 那里 的 温度 \ 湿度、 风 等 要 素 值 ,设置 自动 水 文 站 ， 以 测定 洪水 、 降 水 \ 蒸发、 径流 等 。 设 置 自 动土 壤 物 理 、 化 学 观测 装置 ,以 了 解 土壤 水 分 等 物理 特性 、pH 等 化 学 状况 以 及 土壤 微生物 状况 。 这 些 生 态 动 力 源 信 息 与 野生 动物 这 一 生态 动力 汇 信息 ,构成 源 - 汇 平 行 观测 系统 ,是 优化 调控 生态 环境 ,实施 有 利 自 然 保护 措 施 的 信息 基础 。 从 原理 上 来 说 ,是 容易 实现 的 ,这 对 生态 控制 走向 业务 化 具有 重要 意义 。 参 = 文献 王 绍 强 等 . 2001. 土地 覆 被 变化 对 陆地 碳 循环 的 影响 148. 王 颜 辉 著 . 2001. 酸化 森林 生态 系统 对 环境 变化 的 响应 . 北京 :华文 出 版 社 . 方 宗 义 等 . 1997. 中 国 沙尘暴 研究 . 北京 :气象 出 版 社 . 方 精 云 等 . 2002. 全 球 生 态 学 . 北京 :高 等 教育 出 版 社 . 孙 力 威 等 . 2002. 省 级 气象 档案 管理 系统 . 辽 于 气象 ,No.1:36. 杨 春燕 . 2002. 利用 ASP 和 数据 库 技术 建立 动态 气象 信息 网 站 . 辽宁 气象 ,No.1:37 一 39. 陈 RE WS. 1998. 实用 地 理 信 息 系 统一 一 成 功 地 理 信 息 的 建设 与 管理 . 北京 :北京 大 学 出 版 社 . 陈 ” 乾 、 陈 添 宇 . 1994. 气象 卫星 资料 应 用 研究 和 服务 进展 . 甘肃 气象 ,12:24 一 26. 周 成 虎 等 . 2001. 遥感 影像 地 学 理解 与 分 析 . 北京 :科学 出 版 社 ， 郑 新 江 等 . 1995. 中 国 沙尘暴 天 气 云 图 特征 . 气象 No.2:46 一 49. 徐冠华 . 1992. 中 国 三 北 防护 林地 区 森林 及 其 他 再 生 资 源 遥 感 综合 调查 及 监测 . 中 国 遥 感 进 展 ,195 一 200. 北京 :万 国学 术 出 版 社 . 黄 敬 峰 等 . 2001. 天 然 草地 牧草 产量 遥感 综合 监测 预测 模型 研究 . 遥感 学 报 ,5:69 一 74. 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Science, 271: 1576~1578. 78 第 四 章 ”现代 控制 理论 在 生态 空 制 中 的 应 用 本 章 依 作者 的 认识 ,对 现代 控制 理论 在 生态 控制 中 应 用 的 原理 和 主要 内 se 以 概括 论述 ,并 结合 一 些 关 键 的 生态 控制 例子 加 以 说 明 。 1 典型 现代 生态 控制 系统 及 数学 模型 建 模 原则 钱学森 院士 于 1954 年 发 表 的 Engizzeerizg Sybernetics 一 书 的 内 容 基 本 属于 经 典 控 制 理论 的 范围 ,是 继承 了 控制 论 以 前 伺服 机 构 ” (servo — mechanism) AY BiG BFR. servo —mechanism 在 中 文中 也 有 译 为 传动 系统 的 。 当 时 所 论 的 控制 系统 比较 简单 ,所 建立 的 微分 方程 一 般 是 可 以 通过 手 算 来 求解 的 。1960 年 前 后 ,形成 了 现代 控制 理论 。 主 要 标志 是 :Kalman 提出 了 状态 空间 方法 等 ;IIonrprraa 等 人 提出 了 极 大 值 原理 和 Bellman 的 动 态 规划 。 我 国 是 应 用 现代 控制 理论 较 早 的 国家 之 一 。 早 在 1962 年 正当 现代 控制 理论 在 国际 上 轩 露 头角 的 时 候 , 我 国 一 批 杰出 的 学 者 即 敏 锐 地 感觉 到 它 的 重要 性 。 在 钱学森 院 士 的 极力 倡导 下 ,华罗庚 院士 热情 文 持 ,在 中 国 科 学 院 数学 研究 所 ,成 立 了 由 关 筝 直 院 士 兼 主任 、 宋 健 院 士 为 副 主 任 的 控制 理论 研究 室 ,成 为 全 国 控制 理论 中 心 ,协调 国内 高 校 及 其 他 科研 单位 ,把 研究 成 果 用 于 卫星 轨道 和 火箭 制导 等 方面 。 张 珊 瀛 院士 早 在 1963 年 发 表 了 重要 论文 ,后 来 被 关 肇 直 院 士 的 专著 所 引用 。 将 Kalman, [onrpsrun 和 Bellman 等 人 的 理论 方法 用 于 生态 动力 学 的 雏形 则 是 近年 的 事 ( 人 《生态 动力 学 》, 科 学 出 版 社 ， 2001)。 下 面 让 我 们 用 生态 动力 学 基本 观点 ,从 简单 却 带 有 普遍 性 意义 的 例子 出 发 ,引出 现代 生态 控制 原理 的 基本 概念 , 继 后 论述 其 必要 性 和 可 能 性 。 +S) _ Sean RR)” ~ 图 4-1 生态 控制 系统 图 4-1 是 一 种 典型 生态 控制 系统 的 示意 图 :用 一 个 长 方形 框 表示 生态 动力 的 控制 系统 ,简称 生态 控制 系统 ,三 是 该 系统 的 模型 。 长 方 枉 有 一 个 输入 ,我 们 把 它 称 作 为 生态 动力 输入 ,一 般 指 生态 动力 源 输入 ,用 vx 表示 。x 经 过 生态 动力 系统 加 工 ,得 到 一 个 输 出 , 记 作 y,y 则 称 为 观测 输出 。 长 方 框 里 的 动力 是 十 分 复杂 的 ,一般 应 用 者 (如 森林 经 理 者 、 作 物 栽 培 者 、 牧 业 管 理 者 、 卫 生 监 测 者 等 ) 不 能 直接 看 到 ,往往 是 用 高 等 数学 公式 表 达 , 用 计算 机 等 设备 加 工 处 理 的 内 容 ,而 只 能 看 到 y。 这 就 像 现在 大 家 熟悉 的 遥控 电视 设 * ， 何 服 机 构 又 称 伺服 系统 ,是 对 机 械 运 动 进行 自动 控制 的 反馈 控制 系统 ,伺服 系统 这 个 名 称 常 和 反馈 控制 系统 互 换 使 用 ,但 严格 地 说 , 它 只 是 指 被 控 量 是 机 械 位 移 或 位 移 导 数 ( 如 速度 \ 加 速度 等 ) 的 反馈 控制 系统 。 伺 服 系统 应 达 到 的 目的 是 下 面 的 一 个 或 几 个 :自动 控制 ; 自 镇 定 ; 功 率 放 大 ;遥控 ; 轴 同 步 转动 。 79 备 一 样 ,v 就 好 比 是 遥控 器 ,可 以 根据 需要 按 遥 控 器 上 的 键 , 以 作 频 道 选择 等 。y MRR 屏 上 的 图 像 。 只 就 频道 而 言 , 调 到 不 同 的 wx, 则 可 以 收 到 不 同 电视 播映 节目 。 而 电视 机 内 部 结构 ,作为 观众 是 无 需 研 讨 的 。 比 如 说 ,根据 马尔 可 夫 决 策 规 划 (Markov Decision Programming) 原 理 调度 灌溉 用 水 ,是 从 水 文生 态 动 力 源 出 发 ,使 农作物 得 到 最 合适 的 水 分 供应 ,而 又 不 致 浪费 水 资源 ,也 不 使 水 在 汛期 泛滥 成 灾 的 优化 措施 。 具 体 管 水 阅 人 员 只 需 按 规定 开 阅 关闭 即 可 ,不 必 知 道 为 什么 要 这 样 做 。 当然 ,生态 控制 工作 者 要 研究 系统 ,他 们 的 任务 不 像 管 水 闸 的 工人 ,也 不 是 一 个 普 ; 电视 观众 ,而 是 设计 优化 调度 的 人 ,有 点 像 我 们 所 说 的 电视 机 的 研制 者 。 须 把 图 4= 1 中 YZ( 生 态 动力 系统 ) 刻 画 出 来 进行 研究 ,以 满足 生态 控制 系统 优化 设计 的 需要 。 那 么 ,从 控 制 系统 原则 出 发 ,应 当 怎 样 描述 一 个 生态 动力 系统 呢 ? 下 面 以 作为 生态 动力 汇 的 一 对 哺 乳 幼 动物 为 例 , 用 简单 的 数学 公式 加 以 说 明 。 假设 在 某 一 自然 保护 区 有 一 对 幼小 动物 ,过 了 Sa 长 成 为 一 对 成 年 动物 (下 称 大 动 物 ); 一 对 大 动物 ,每 Sa 生 一 对 小 动物 。 由 一 对 小 动物 开始 , 问 几 个 $a 以 后 ,在 假定 动物 不 死 的 前 提 下 共有 多 少 对 动物 ? 如 果 我 们 用 立 表 示 一 对 幼小 动物 ,用 D 表示 一 对 大 动物 ,那么 依据 上 述 约定 ,很 容 易 得 到 自然 保护 区 内 动物 增长 图 (图 4-2)。 了 D Y 图 4-2 自然 保护 区 内 动物 增长 由 图 4-2 可 以 看 出 ,动物 的 对 数 是 je A We 如 果 我 们 用 FP, 表示 第 ”个 5a 的 动物 对 数 ,那么 就 容易 看 出 以 下 的 普遍 规律 :每 个 Sa 的 动物 的 对 数 ,都 是 前 两 个 Sa 动物 对 数 的 和 。 用 公式 表示 为 BSP eye (4-1) 从 图 4- 2, 我 们 看 到 :第 一 个 Sa 和 第 2 个 Sa, 都 只 有 一 对 动物 , 即 F,=F,=1 于 是 ,用 式 (4-1) 就 可 以 算出 F,=F;_,+ F3;-.=F,+ F, =1+1=2 F, = Fy,-, + Fy-, = F3 + F, =2+1=3 F;=F,_, + F5-2=F,+ F;=3+2=5 依 此 类 推 , 可 以 继续 算 下 去 。 当 ” 值 很 大 , 手 算 太 麻烦 ;可 用 计算 机 ,程序 是 非常 简 单 的 。 就 以 现今 常用 的 C 语言 来 说 ,可 用 一 个 简单 的 函数 编 出 程序 在 计算 机 上 完成 , 即 80 int F (int n){ if (n<2) return(1); retun F(n-1)+F(n-2);} 可 见 , 式 (4-1) 能 够 简单 地 生长 一 个 数列 。 这 是 假定 没有 生态 控制 的 任 所 论 动物 无 限 增长 的 情形 ,所 以 不 能 称 之 为 生态 控制 系统 。 如 果 把 动物 的 例子 取 作 长 白山 自然 保护 区 中 的 一 种 老虎 ,那么 不 加 控制 (这 里 所 说 的 控制 , 含 自 然 控 制 和 人 类 活动 的 自觉 不 自觉 控制 ) 地 任 其 繁衍 下 去 ,老虎 就 会 随 着 ”的 增 大 而 变 得 越 来 越 多 。 众 所 周知 ,这 实际 上 是 不 可 能 的 。 从 生态 动力 源 系 统 来 解释 ,多 种 生态 动力 源 都 能 控制 该 动物 的 生态 系统 (或 确切 点 说 ,在 该 生态 系统 中 ,生态 动力 源 中 的 许多 因子 都 对 老虎 这 个 生态 动力 汇 起 到 控 制作 用 )。 比 如 说 ,保护 区 内 的 小 动物 可 以 被 老虎 捕获 而 充饥 ,成 为 老虎 的 营养 生态 动力 源 , 随 着 小 动物 减少 ,老虎 因 食物 不 足 而 减少 。 还 有 温 湿 风气 象 生 态 动力 源 ,山洪 暴发 可 能 毁坏 林木 等 植物 ,冲击 老虎 的 栖身 地 ,成 为 一 种 水 文生 态 动力 源 , 泥石流 滑坡 等 突 发 性 灾害 可 机 械 性 地 导致 老虎 死亡 ,成 为 重力 性 质 的 地 貌 生 态 动力 源 。 现在 假定 ,自然 保护 区 的 管理 者 对 区 内 的 某 种 动物 进行 调节 ,以 此 人 为 地 改变 生物 性 质 的 生态 动力 源 结构 (食物 链 ) ,事实 上 ,也 使 原 有 自然 保护 区 ,实际 上 成 为 有 人 工 干预 的 生态 试验 区 。 管 理 者 每 Sa 根据 区 内 该 种 动物 的 多 少 , 引 进 或 输出 wx, 对 小 动物 。 这 样 一 来 , 式 (4-1) 就 可 以 写成 ee es ree (4-2) 于 是 ,在 假定 其 他 生态 动力 源 稳 定 的 条 件 下 ,这 种 动物 的 对 数 就 可 以 由 u, 加 以 人 为 控制 了 。 如 果 我 们 把 保护 区 内 该 种 动物 的 实际 数目 看 成 是 输出 ,那么 应 得 到 一 个 生态 控 制 系统 。 因 为 这 样 ,经 由 上 述 程序 按 生态 动力 规律 来 模 造 出 的 生态 系统 ,恰好 符合 著名 意大利 数学 家 Fibonacci 数 规律 ,所 以 称 为 Fibonacci 生态 控制 系统 ,其 结构 绘 于 图 4- 3。 二 图 4-3 Fibonacci 生态 控制 系统 方程 人 4 一 2) 是 一 种 差分 方程 ,其 中 所 用 的 动物 对 数 的 时 间 间 隔 是 Sa, 即 动物 的 对 数 每 Sa 才 变 化 一 次 。 有 些 生 物 ,世代 繁衍 变化 得 很 快 ,例如 真菌 、 黏 虫 等 。 对 于 那样 一 些 生物 ,为 研究 其 生态 控制 系统 ,时 间 间 隅 应 当 取 得 非常 小 。 当 时 间 间 隔 趋 于 零 的 时 候 , 上 面 所 述 的 差分 方程 就 成 为 微分 方程 。 无 论 是 差分 方程 或 者 是 微分 方程 ,在 描述 生态 控制 系统 时 ,都 是 常用 的 方程 。 输入 一 输出 系统 是 控制 理论 研究 的 主要 对 象 , 生 态 控制 的 输入 -输出 系统 乃 是 生态 控制 理论 研究 的 主要 对 象 。 输 入 - 输出 关系 一 般 叫 做 生态 系统 的 动力 学 行为 。 所 谓 控 制 就 是 基于 可 获取 的 数据 为 确定 可 实现 的 给 定 目标 所 必须 的 输入 。 根据 具有 生物 学 意义 的 生态 动力 源 、 汇 关系 ,建立 生态 控制 模型 ,然后 依据 所 建 模 型 , 找 出 不 同 的 控制 策略 (如 森林 砍伐 与 可 持续 发 展 ` 鱼 塘 捕 捞 优 化 策略 、 增 加 农作物 产 量 的 间作 套 作 方 式 、 免 耕 留 着 高度、 工厂 化 农业 设施 中 的 温度 湿度 风 的 自动 调节 策略 等 ) ,以 实现 给 定 目标 。 这 就 是 现代 控制 理论 应 用 于 生态 动力 系统 的 控制 的 主要 方向 。 建立 生态 控制 的 数学 模型 是 非常 重要 的 。 这 种 模型 必须 有 清楚 的 生物 学 意义 , 且 能 反映 81 生态 系统 的 客观 情况 ,也 就 是 最 关键 的 模型 合理 性 问题 。 例 如 ,前 面 所 说 的 保护 区 生态 系统 ,如 果 管 理 者 每 Sa 引进 或 输出 的 是 u, 对 大 动物 而 非 幼 小 动物 ,方程 应 当 怎 样 列 ? 如 果 幼 小 动物 10a 才能 长 成 大 动物 ,方程 形式 又 是 怎样 ?” 直接 给 出 这 样 一 类 的 输入 = 输 出 模型 是 比较 困难 的 。 尤 其 是 对 生态 控制 系统 ,实际 情况 绝 非 像 上 例 那 么 简单 。 因 为 保 护 区 生态 系统 相当 复杂 ,一 种 动物 的 生育 和 生存 与 其 生物 类 生态 动力 因子 密 不 可 分 ( 例 如 ,一 种 动物 可 能 被 比 它 凶 猛 的 动物 吃 掉 ,只 靠 肉 食 生 存 的 动物 可 能 因为 缺少 食 饵 而 饿 死 , 食 植 动物 可 能 因 植 物 不 足 而 失去 其 营养 生态 动力 源 ), 也 与 非 生物 生态 动力 源 密 不 可 分 。 而 如 果 不 作为 自然 保护 区 ,野生 动物 有 可 能 遭 到 人 的 猜 杀 。 对 于 这 些 情况 ,只 用 上 述 简单 的 数学 公式 就 不 行 了 。 而 将 Fibonacci 生态 控制 用 状态 方程 表示 出 来 ,就 显得 相当 容易 了 。 下 面 叙 述 试用 该 方法 的 原理 。 第 二 节 ”生态 控制 系统 描述 与 分 析 的 状态 空间 方法 状态 \ 状 态 变量 和 状态 空间 的 概念 及 其 某 些 相应 的 方法 在 解析 力学 、 热 力学 、 统 计 物 理学 .量子 力学 等 反映 机 械 运 动 和 物理 运动 规律 的 学 科 中 早 有 运用 。 在 现代 生态 控制 理 论 中 ,引入 "状态 "概念 ,实际 上 就 是 说 ,我 们 不 再 把 生态 系统 看 作 一 个 “黑箱 ” ARS 虑 生态 控制 系统 的 输入 和 输出 ;而 是 要 考虑 该 系统 的 内 部 状态 。 在 经 典 控制 理论 中 , 研 究 的 是 简单 的 单 变量 系统 ,因此 根据 输入 与 输出 作 线 性 分 析 还 是 可 能 的 。 对 于 如 同 我 们 在 前 一 节 所 述 的 错综复杂 的 生态 控制 系统 来 说 , 按 简单 的 方法 进行 分 析 与 综合 ,就 显得 很 不 合理 了 ,而 把 状态 变量 考虑 进去 ,所 得 结论 才能 比较 客观 。 对 此 ,用 黑箱 - 灰 箱 = 自 箱 理论 是 不 难 理解 的 。 从 数学 的 角度 来 说 ,任何 控制 系统 一 般 都 是 能 用 任意 阶 的 微分 方程 加 以 描述 的 。 因 为 生态 控制 系统 是 很 复杂 的 ,所 以 描述 它 的 微分 方程 的 阶 数 就 应 当 高 ,而 阶 数 过 高 的 微 分 方程 ,为 求解 等 带 来 诸多 不 便 。 对 于 多 输入 多 输出 的 生态 控制 系统 来 说 ,由 于 各 种 源 一 汇 关 系 十 分 复杂 ,只 有 引入 状态 变量 ,才能 使 微分 方程 的 阶 数 降 低 。 如 果 运 用 数学 技 巧 , 结 合生 态 控制 系统 中 的 具体 动力 源 - 汇 问题 ,适当 地 选择 状态 变量 ,就 能 将 高 阶 微分 方程 用 微分 方程 组 表示 出 来 。 阶 数 越 高 ,微分 方程 的 个 数 就 越 多 ,可 用 矢量 和 和 矩阵 表示 。 关于 生态 控制 系统 中 的 状态 ,是 用 仿 物理 系统 中 的 一 个 重要 概念 加 以 定义 的 。 假 定 我 们 在 某 时 刻 to 启动 一 个 生态 控制 系统 ,并 在 时 间 间 隔 [ t,t, ] 内 ,作用 于 该 系统 的 输入 为 wx 那么 该 系统 的 输出 ,是 否 由 输入 u 唯一 确定 了 呢 ? 一 般 说 来 ,答案 是 否定 的 。 在 现代 控制 理论 中 ,系统 模型 建立 后 , 须 对 系统 的 性 能 进行 研究 ,这 就 需要 进行 系统 分 析 。 系 统 分 析 的 方法 已 有 很 多 , 这 里 只 介绍 生态 控制 系统 中 常用 的 状态 空间 方法 , 它 是 一 种 对 线性 动力 系统 方程 求解 的 方法 ,是 此 后 将 要 讲述 的 生态 控制 的 最 优 控制 算法 的 基础 。 为 了 求解 线性 定常 系统 ,我们 将 生态 控制 系统 的 状态 方程 写成 如 下 形式 x(t)=Ax(t)+ Bu(t) (4-3) x (to) = Xo (4-4) 这 里 x(t) de n X1 FE u(t) er X1 EM, A,B tn Xn ABA Xr 维 矩 阵 。 由 微分 方程 的 基础 理论 可 知道 ,在 初 值 被 确定 下 来 之 后 , 式 (4-4) 的 解 就 惟一 82 地 决定 下 来 ; 且 方 程 的 解 由 两 部 分 组 成 , 即 由 齐 次 方程 的 通 解 和 原 方程 的 特 解 组 成 。 为 了 求解 ,我们 必须 首先 引进 方 阵 的 指数 函数 。 方 阵 4 的 指数 函数 被 当 作 一 个 纯 量 函数 ,用 下 面 的 震级 数 定义 之 : expAZI+A+A7/2!,+++A*/R! +2 (4-5) tH Tenxn 阶 单位 阵 。 可 以 证 明 该 级 数 对 于 具有 有 限 阶 的 任意 矩阵 A 都 是 收敛 的 。 我 们 用 Ac 代 换 式 (4-S5) 中 的 4 ,可 以 得 出 下 式 : 2 k exp(At)=I+ At +57 A to tp p At te (4-6) ad aly 2 全 [exp(4t)] = 人 + Ale chpg Athen = Aexp( Ar) =exp(At)A (4-7) Fay Fe xk (4 — 3) BT x(t) — Ax(t) = Bu(t) (4-8) 如 同 对 待 纯 量 方程 一 样 ,对 于 方程 4-8) 两 边 都 乘 上 积分 因子 exp( - 4t) ,我 们 可 以 得 出 : exp( — At)x (zt) — exp( — At) Ax (t) =exp(— At) Bu(t) 此 即 号 [exp IC At Bale) 上 式 两 边 , 从 2 Ble 之 间 的 积分 是 ee Arete) (a t ah An inelede 0 所 以 ,我 们 有 x(t) = expA(t — to) 29 + expA (t — r)Bu(r)dr (4-9) 在 式 (4-9) 中 ,第 一 项 由 ze 决定 , 它 表 示 齐 次 方程 的 通 解 ,第 二 项 是 非 齐 次 方程 的 特 解 。 令 $(t, to) =P(t — to) =expA(t — to) (4-10) 则 齐 次 方程 x(z)=A4x(t) 的 解 可 以 表示 为 以 下 的 等 式 x(t)=@(t — ty) x(to) (4-11) Ask(4-11), TWA, ARENA 上 的 状态 值 , 是 由 初始 状态 x(z 如 ) 经 由 由 (z 一 to ) 作 用 之 后 得 到 的 。 因 此 ,我们 可 以 将 $(z - ) 看 成 促使 状态 转移 的 矩阵 ,因而 我 们 称 FLAIR AS Fe BEE BOR AS RIES. 由 式 (4-6) ,我 们 容易 得 出 $(0)=I1 (4-12) x(t) 在 两 个 不 同时 刻 的 解 ,可 以 表示 为 xi) 三 由 (一 io)xz(to) (4-13) 83 X(t2)=O(t2 — to) x(t) 如 果 取 初始 时 刻 为 三, 求 x( 刀 ) 的 值 , 那 么 可 以 得 出 : x(t.) =@(t2 — t,) x(t,) =O( 22 — t,)O( 4, — to) x(ty) 对 于 式 (4-14) 和 式 (4-1$) 加 以 比较 ,我们 可 以 得 到 P(t. — to) = P(t. — t, P(t, — to) 由 以 上 各 有 关公 式 ,我 们 可 以 有 充分 依据 地 看 出 状态 转移 矩阵 的 “转移 "作用 。 我 们 也 可 以 看 出 ,转移 矩阵 的 如 下 几 个 特征 : I= (to — t, )@(t — to) P(t; — to) =O( to — £1) 由 '(t)=$(-1) 利用 转移 矩阵 ,状态 方程 的 解 (4 一 9) 可 以 表示 为 x(t) = O(t- to)zo+| O(¢ - =)Bu(r)dz 对 于 线性 时 变 系统 ,我 们 也 可 以 得 出 一 组 类 似 的 公式 。 上 述 的 状态 方程 ,我们 也 可 以 用 Laplace 变换 的 方法 ,对 其 求解 。 对 于 齐 次 方程 x(t)=Ax(t), x(0)=2 YE Laplace 变换 后 ,我 们 可 以 得 出 x(s)=(sI-A)~'x(0) jx HB x (s) Ft x(t) A Laplace BH, Bp x(s)=Lix(z)] Xf Fst (4-20) 7E Laplace 变换 后 ,我 们 可 以 得 出 x(t)=L'[(sI- A)‘ x(0)] Ash (4 — 11) Ash (4-22) MWR, ALAS: $(t)=L'[(sI- A)" ] A (4-22)4h SSKRSBRBERNA-AHRE. 下 面 让 我 们 分 析 一 下 离散 时 间 状 态 方程 的 求解 方法 。 设 生 态 控制 系统 的 离散 状态 方程 式 x(k+1)=Gx(k)+ Hu(k) y(k) = Gx(k) + Du(k) WFKBEKHER kb 值 来 说 ,方程 (4-23) 的 解 可 以 用 迭代 法 直接 求 出 : x(1) = Gx(0) + Hu(0) x(2) = Gx(1) + Hu(1) = G’ x(0) + GHu(0) + Hu(1) x(3) = Gx(2) + Hu(2) = G’ x(0) + G? Hu (0) + GHu(1) + Hu(2) 其 一 般 形 式 为 Ri ‘ x(k) =G'x(0) + YG? Hu(j) (k=1,2,°**) 人 (4-14) (4-15) (4-16) (4-17) (4-18) (4-19) (4-20) (4-21) (4-22) (4-23) (4-24) (4-25) 显然 ,x(R) 可 以 分 为 两 个 部 分 ,其 一 ,与 初 态 x(0) 有 关 ; 其 二 ,与 输入 uGV)AKG=1,2, “,k-1). FAR G* 叫做 状态 转移 矩阵 , 记 为 囊 (&)。 它 是 下 列 矩 阵 方程 的 惟一 解 @(k+1)=GOH(k), O(0)=I 84 (4-26) 由 此 , 式 (4 一 25) 可 以 改写 为 x(k) = @(k)x(0) + 3 (kj - 1) Hu(j) = @(k)x(0) + 2 @(j) Hu(k-j 1) (4-27) 输出 y(&) 可 以 表示 为 : y(k) = C@(k)x(0) + CY @(k - j -1)Hu(j) + Du(e) (4-28) 以 上 讲述 的 都 是 针对 线性 生态 控制 系统 的 ,是 假定 所 论 生态 系统 可 以 在 简化 处 理 后 被 视 为 线性 系统 ,并 能 用 线性 微分 表达 。 如 所 周知 ,在 生态 控制 系统 中 ,有 些 源 - 汇 关系 是 可 以 近似 地 用 线性 微分 方程 描述 的 。 这 些 系统 的 基本 特征 , 即 输出 的 响应 特征 、 状 态 响应 特征 、 状 态 转移 特征 等 ,都 具有 线性 特征 ,满足 琶 加 原理 的 基本 要 求 。 上 面 所 说 的 生 态 控制 的 线性 系统 的 基本 限制 ,是 对 生态 控制 系统 的 一 种 理论 假设 ,也 叫 线性 假设 。 事 实 上 ,真实 的 生态 控制 系统 ,大 都 存在 着 非 线性 特征 ,严格 意义 上 的 线性 生态 控制 系统 是 不 存在 的 。 而 对 于 非 线性 微分 方程 ,大 多 数 用 近似 法 或 数值 法 近似 求解 。 对 于 随机 动态 系统 ,用 随机 微分 方程 或 随机 差分 方程 加 以 描述 ,其 状态 为 一 随机 过 程 ,求解 更 为 复杂 ， 往往 仅 能 求 得 正 态 过 程 的 分 布 函数 。 但 这 对 于 某 些 生态 控制 问题 ,是 有 意义 的 。 第 三 节 ， 最 大 值 原 理 在 最 优生 态 控制 中 的 应 用 本 节 将 研究 控制 策略 wx(z) 约 束 在 集合 U 中 时 的 生态 最 优 控制 问题 。 从 现代 控制 理 论 出 发 ,解决 上 述 问题 的 主要 工具 ,也 是 目前 最 适宜 的 数学 方法 ,万 是 IIoarprraa 最 大 值 原理 ,该 原理 是 由 前 苏联 著名 数学 家 IIoHrprra 于 1956 年 研究 出 来 的 。 下 面 , 让 我 们 先 简单 介绍 一 下 该 原理 ,再 论述 它 在 生态 控制 问题 几 个 方面 的 应 用 。 一 、 最 大 值 原理 假定 生态 控制 系统 的 数学 模型 是 : o2 = f(x,u,t) (4-29) 其 初始 状态 x(t) =2, 已 给 ,容许 的 控制 策略 u RFETESA U, ED <@U 求解 生态 控制 决策 问题 ,就 是 求 & 的 问题 ,使 目标 函数 pay AL x(t;),x/] + [*L(x,u,t)de (4-30) 取得 最 小 值 。 如 果 ALx ,ut) 的 每 个 分 量 和 工 (x,x,z) 都 是 连续 可 微 的 ,那么 最 优 控制 决策 w ”和 它 相 应 的 状态 x ”由 以 下 的 必要 条 件 所 决定 。 1. BAMA (1) 协 态 向 量 A” (2) FAD x" (2) HR EME ree di aH (4-31) dt oa 85 2. Hamilton 函数 Aix! a SL a eee ans * f(a” 5 at) 作为 u 的 函数 将 在 x = u* () 取 得 最 小 值 , 即 了 全 全 区) (4-32) Te (Ui 3. wRRH WR x(tp)=a2, 是 给 定 的 ,那么 正则 方程 的 边界 条 件 是 x(to)=a x(t,)=2, (4-33) WR t, RAE, c(t HAHN MBAEMAE 4-31) MWRAGE x(to) =x 1p) = ot (4-34) WR ¢, 也 是 自由 的 ,就 必须 增加 一 个 条 件 WIRE t, Xe BO MAA AAR 表达 如 下 : H(t, wer), we), ty) + 当 所 研究 的 问题 是 求解 x(z) ,以 使 目标 函数 取得 最 大 值 的 时 候 , 那 么 必要 条 件 式 (4 -30) 就 应 当 改写 如 下 : H(x* ,A° ,zt) 作 为 u 的 函数 在 xw ”取得 最 大 值 , 即 Fie me A 5, Ue it) > max Gx. oh’. , do (4-36) Thm Of 以 上 简 述 了 最 大 值 原理 的 内 容 。 关 于 原理 的 说 明 ,已 有 许多 数学 和 控制 理论 方面 的 论著 给 出 ,这 不 是 本 书 论述 的 范围 。 但 是 ,为 在 许多 生态 控制 问题 中 ,能 比较 合理 地 运用 该 原理 ,理解 该 原理 的 基本 思想 , 则 是 很 重要 的 。 回 顾 一 下 我 们 在 上 节 关 于 状态 变量 方 程 , 考 虑 生态 工作 者 面临 的 大 量 生态 控制 问题 ,如 大 面积 砍伐 森林 和 森林 更 新 优化 问题 ， 工业 区 CO, 排放 与 空气 质量 优化 控制 问题 ,野生 动物 引种 及 家 畜生 境 优化 问题 ,农林 作 物 病虫害 优化 防治 问题 ,诸如 此 类 问题 是 复杂 的 , 比 工 业 技术 商场 管理 等 要 复杂 得 多 ， 因此 不 能 像 处 理 纯 物 理性 质问 题 那 么 容易 求解 。 也 就 是 说 ,在 诸多 生态 控制 问题 中 , 寻 找 关 于 状态 变量 的 最 优 解 比 处 理 物理 运动 化 学 运动 问题 难得 多 (即使 物理 运动 和 化 学 运动 问题 ,求解 也 是 困难 的 )。 因 此 ,需要 一 组 新 的 变量 , 那 就 是 数学 家 所 说 的 伴随 变量 。 在 寻求 最 优 解 的 时 候 , 不 但 有 原来 的 状态 变量 所 满足 的 方程 ,还 有 伴随 变量 所 满足 的 方 程 , 即 前 面 所 说 的 协 态 变量 。 这 样 一 来 ,为 了 求 状 态 变量 的 最 优 解 ,方程 与 变量 都 增加 了 ,但 求解 的 过 程 反 而 容易 了 ,这 正 是 最 大 值 原理 绝妙 高 超 之 处 。 最 大 值 原理 适用 状态 控制 系统 的 另 一 个 优点 是 , 它 适 合 于 控制 受 限 制 的 控制 系统 ， 而 生态 控制 系统 含 若干 个 系统 , 正 是 控制 受 限 制 的 系统 。 例 如 ,我 们 用 太阳 能 作为 生态 动力 来 控制 生物 生存 环境 。 太 阳 能 的 转化 自然 有 个 范围 ,不 能 生物 需要 多 少 ,就 能 转化 多 少 ,事实 上 ,植物 对 于 太阳 能 的 利用 总 是 很 有 限 的 。 在 农业 生产 上 ,作物 的 生态 产量 也 总 是 有 限 的 。 这 样 一 类 约束 总 是 比较 简单 的 ,一 般 可 以 表示 成 一 个 区 间 ( 比 如 生态 产量 在 区 间 [ - 400kg,400kg]) ,控制 只 在 区 间 范 围 内 变化 。 BZ “DRA SPH” ,这 也 是 生态 最 优 控制 的 宗旨 。 这 里 所 谓 多 产 出 不 仅 指 一 般 的 经 济 和 生态 产量 问题 ,也 含 使 生态 动力 功能 增强 的 问题 。 比 如 ,和 森林 水 文 气象 功能 增 86 BOL x( ty pti Se (4-35) 强 , 虽 然 目 前 还 不 能 准确 算出 经 济 效益 ,但 生态 功能 增强 ,生态 环境 进一步 优化 ,多 产 出 是 必然 的 。 随 着 生态 学 发 展 ,生态 功能 的 经 济 效益 ,会 逐渐 计算 清楚 的 。 要 真正 实现 生态 最 优 控制 ,一 方面 要 针对 生态 问题 ,积累 数据 , 认 清 优化 目标 的 实 质 , 另 一 方面 ,生态 工作 者 不 断 补充 有 关 数 学 知识 ,其 目的 是 应 用 它 解 决 具体 的 生态 控制 问题 。 二 、 可 再 生 资源 持续 利用 的 优化 控制 可 再 生 资源 的 最 优 控制 ,在 生态 方面 是 很 多 的 。 和 森林 是 陆地 生态 系统 的 主体 ,要 维 持 其 生态 功能 ,就 要 考虑 其 长 远 的 可 持续 利用 ;草原 的 牧草 , 鱼 塘 : 水 库 中 的 鱼 ,也 都 是 可 再 生 资源 ,同样 都 有 可 持续 利用 策略 ,需要 我 们 去 研究 。 以 森林 为 例 ,采用 什么 方式 采 伐 ,什么 时 间 采 伐 , 才 能 既 保 障 森 林 可 持续 利用 , 又 能 提高 森林 效益 ? 下 面 用 Ioarprrr 最 大 值 原 理 说 明 求 最 优 控制 策略 的 原则 和 过 程 。 而 最 优 控制 方案 依据 对 森林 生长 规律 及 其 与 环境 的 关系 。 在 20 世纪 中 期 以 前 ,砍伐 森林 只 考虑 经 济 效益 ,忽略 了 生态 效益 ， 导致 水 土 流 失 ,生态 破坏 等 后 果 。 和 森林 是 生物 性 质 生 态 动力 源 ,但 同时 也 影响 着 非 生物 性 质 的 生态 动力 源 , 它 具有 涵养 水 源 ,调节 径流 与 气候 ,防风 固沙 \ 净 化 环境 的 生态 功能 ， 同时 还 能 为 人 类 提供 木材 燃料、 药 材 、 工 业 原 料 , 还 有 动物 资源 。 森 林 中 某 些 树木 种 的 灭绝 ,意味 着 将 会 有 10 一 30 种 依附 于 它 的 原 处 于 谐 和 生态 共生 状态 的 其 他 植物 归于 消 亡 。 森 林 在 生物 圈 的 碳 循环 、 氧 循环 和 所 循环 中 ,处 于 特殊 的 生态 自动 调控 的 地 位 。 但 是 ,过 度 采 伐 或 毁 林 ,会 给 地 球 生 态 造 成 灾难 性 后 果 。 据 联合 国 FAO 在 前 几 年 公 布 的 资料 ,每 年 有 1100 x 10 hm' 的 热带 雨林 被 砍 掉 。 又 据 美国 世界 资源 研究 所 1990 年 的 报告 ,世界 上 砍伐 速度 很 大 ,大约 为 38hm .s : 。 第 二 次 世界 大 战 后 ,地 球 森 林 资 源 减 少将 近 一 半 。 森林 砍伐 速度 ,应 予以 限制 ,当然 必要 的 更 新 以 利 可 持续 发 展 ,是 理所当然 的 。 因 此 ,必须 研究 砍伐 的 最 优化 原则 ,下面 以 Hoarprrga 最 大 值 原 理 , 作 数学 优化 解释 。 设 z(ti) 是 在 时 刻 寺 森 林 的 可 用 材积 ;x(t) 是 在 时 刻 寺 的 砍伐 速度 ; 是 单位 体积 木 材 的 价格 (万 元 .m ) , 视 其 为 常数 ;ic 是 单位 体积 的 砍伐 费用 (万 元 'm- ) ,也 视 其 为 常 数 ; F(z) 是 森林 的 增长 函数 ;g(t) 是 增长 系数 。 和 森林 的 状态 方程 可 以 写 为 G2 = g(t) flx)—ult) — 2(t9) = 20 (4-37) 其 目标 函数 (贴现 总 收益 ) 可 以 写 为 7 = | [ep(- a) ](p - c)ude Ean) BRAK AY Be DFE till (A), FE EAR AR xz(t)>0 ON uN 之 下 , 求 出 最 优 控制 策略 ,使 贴现 总 收入 了 取得 最 大 值 。 和 森林 砍伐 最 优 控制 问题 的 Hamilton 函数 是 H=[exp(- dt) ](p—-—c)utalg(t) f(x) -u] (4-39) 其 协 态 方程 是 G = -Mg() 广 (z) (4 一 40) 87 如 果 我 们 令 A = Aexp( dt) Bp A =A =exp(- dt) 那么 ,Hamilton 函数 就 是 H=exp(-6t){(p-c)ut+Alg(z)f(x)-u]} (4-41) 其 协 态 方程 为 BF [o-e(t)f(x)] (4-42) 因为 Hamilton 函数 中 略 去 因子 sexp( 一 2) 之 后 ,不 影响 以 下 的 运算 步骤 ,同时 为 了 书 写 方便 起 见 , 将 和 仍 写 为 1。 这 样 ,Hamilton 函数 可 以 改写 为 H=(p-c)utalg(t)f(z)-ul=(p-c-A)utag(t) f(z) (4-43) 而 相应 的 协 态 方程 可 以 改写 为 B= a[o- g(t) f(z] (4-44) 由 于 以 上 的 Hamilton BOT u KUL EY , PW RR HE ll Dh A i 4 paer A Oy panes 4 p-—c-A (to) AIT WH w ”= ww ,使 (t+) 减 小 ,一 直 减 少 到 时 ,把 它 切换 为 uu" =U(t)o t EMU = xs 的 轨 线 二 (ti) 与 无 (t) 相 交 的 时 间 。 这 样 ,我们 就 得 出 如 下 的 一 组 最 优 控制 策略 。 May) < z(t.) KATIE, = to X(t) WATE, 了 4 to6, 和 否则 ,该 防风 设施 就 完全 没有 生态 动力 意义 了 。 由 于 g(t) 是 的 减 函数 ,所 以 上 式 中 大 括号 内 的 函数 也 是 时 间 上 的 减 函数 。 这 样 一 来 ,上 式 左 边 的 函数 只 能 是 由 正 到 负 。 于 是 ,所 求 的 最 优 控制 策略 就 是 | U 24 0< < 时 (4-57) 0 4 t,St 点 时 ,xx ”=0, 状 态 方程 化 为 于 = 一 2 现 有 { SEar sh Ht lay park + [ (20a Bp x(t)=-22,+4/1+ 2, +96-2(t-2,)=4,/1+4¢, +96-2¢ 因此 ,我 们 有 x(tp)=4V 1+ t, +96-2t, 为 了 确定 tp, DRI TAA , Han xz(t,)=40 4,/1+t, +96-2t,=40 22,=4./1+ t, +56 tp=2/1+ t, +28 把 上 式 代 入 前 面 含 有 志 Mt, 的 关系 式 , 便 可 消去 t, FE J/1+ t, —4+2exp{ -0.05[2(1 + z,)"” +28] - z,} =0 应 用 二 元 搜寻 程序 ,可 以 求 出 志 =10.6, 再 将 其 代 人 上 列 的 t, RAR, RNS tr 三 34.8 这 样 ,所 求 得 的 最 优 策略 是 二 当 00,r >0) (4-82) 取得 最 小 值 。 在 式 (4- 82) 中 ,cz 是 害虫 给 农作物 造成 的 损失 , 它 与 害虫 的 总 数 成 正比 ， ru 是 使 用 杀 虫 剂 所 耗 去 的 费用 ,其 中 包括 购买 杀 虫 剂 和 使 用 农药 过 程 中 所 耗 工 时 等 的 费用 。 为 了 便于 表达 起 见 ,下面 假 设 = = = 忆 = 刀 =1。 这 时 ,状态 方程 简化 为 G2 = 3(1-y)-ue 4 (4-83) a = ZAM) BS >=1, 则 目标 函数 可 简化 为 = | "(ox + ude (c >0) (4-84) 具体 计算 过 程 如 下 : 先 写 出 Hamilton 函数 : 本 (4-85) 由 Tlontpsrun 最 大 值 原理 可 知 ,最 优 管理 策略 x "应当 使 这 一 Hamilton 函数 取得 最 和 4 1-4,2>0 时 (4-86) 30a Uu %1-A,2<0 bf 该 系统 的 正则 方程 组 是 笠 =z(1-y) 一 zz (4-87) oY = y(x-1) 而 相应 的 协 态 方程 组 则 是 aay or DSA. Lea -etet fe VEG Ue at ae ee (4-88) die Hays alent oo. 其 平衡 点 是 工 =1,y=1。 如 果 我 们 把 t, Ai (tp) Ar (tp ABR, M x(t) =1, (ty) = 1 出 发 , 反 时 针 方 向 求解 正则 方程 ,可 以 得 到 一 个 如 图 4- 5 ee -y PRE 平面 图 。 由 图 4-5 可 知 ,如 果 初 始 状态 (z(0),y(0)) 在 点 G, ,最 优 控制 策略 应 先 取 wu =0, 即 先 使 用 杀 虫 剂 。 直 到 系统 状态 达到 曲线 PB ,然后 切换 为 = 云 , 即 用 可 允许 的 最 高 速度 使 用 杀 虫 剂 。 这 样 , 方 可 使 害虫 给 农作物 造成 的 总 的 经 济 损失 保持 最 轻 状 态 。 如 果 初 始 状态 在 点 Cz, 则 取 x = 云 ,直到 系统 与 曲线 PA 相交 ,然后 切换 为 x=0。 再 在 系统 状态 与 曲线 PB 相交 时 ,切换 为 wx= 云 ,直到 抵达 平衡 点 已 为 止 。 97 << 表示 取 =u <— 表示 取 x=0 rr 1 B Al4-5 害虫 一 农药 生态 控制 系统 的 最 优 控制 对 于 根据 IIoarprr 最 大 值 原理 计算 得 出 的 生态 控制 过 程 , 可 以 做 出 如 下 解释 : 第 一 种 情形 说 明 , 当 害 虫 不 多 的 时 候 ,可 以 先 采 用 生物 防治 的 方法 , 即 依靠 害虫 的 天 敌 来 捕食 害虫 ,而 不 使 用 农药 ;而 当 害 虫 增 加 到 一 定 程度 时 , 即 用 允许 最 大 杀 虫 剂量 来 杀 灭 害虫 。 这 样 做 不 仅 可 以 使 总 损失 最 小 ,而 且 可 以 在 暂 不 使 用 农药 的 时 候 , 减 轻 农 药 对 农产品 的 污染 ,有 利于 提高 农产品 质量 ,有 利于 农作物 生态 环境 的 保护 。 第 二 种 情形 说 明 , 当 害 虫 已 经 发 展 到 数量 很 多 的 时 候 , 那 就 要 求 :从 防治 伊始 ,即使 用 最 大 的 杀 虫 剂量 来 杀 灭 害虫 , 直到 害虫 减少 到 一 定 程度 , 才 停 止 用 农药 。 如 果 在 停止 使 用 杀 虫 剂 后 ,害虫 再 次 增加 ,达到 与 曲线 PB 相交 的 程度 时 , 必须 再 一 次 地 使 用 允许 的 最 大 杀 虫 剂量 , 直至 平衡 状态 为 止 。 第 三 种 情形 说 明 ,如 果 初 始 状态 落 在 曲线 PB 上 ,那么 一 开始 就 须 使 用 可 人 允许 的 最 大 杀 虫 剂量 ,一 直到 平衡 状态 为 止 ,而 不 需要 切换 。 这 里 所 述 的 害虫 一 农药 一 作物 生态 系统 ,在 植物 保护 业务 中 无 疑 是 有 实用 价值 的 。 但 因 涉 及 高 等 数学 WS SRB BRA REM EE MER BEE DA RT 作 。 正 确 的 办 法 是 制 成 图 表 , 即使 农户 也 可 以 使 用 。 但 是 控制 计算 的 问题 很 复杂 ,得 出 准确 而 实用 的 结果 ,并 非 轻 而 易 举 ,控制 系统 的 最 优 性 ,更 不 可 能 一 足 而 就 ,何况 目前 尚 属于 试验 阶段 ,用户 应 该 积极 支持 并 配合 防虫 生态 控制 方案 的 设计 ,试用 中 发 现 问题 ,及 时 帮助 设计 者 改进 ,使 之 渐 至 完善 。 六 肥料 施用 的 生态 控制 策略 肥料 是 植物 的 重要 营养 生态 动力 源 。 施 肥 的 目的 ,最 直接 的 是 提高 作物 的 生态 产 量 ; 但 与 此 同时 ,必须 考虑 肥料 的 长 远 作 用 问题 ,尤其 要 考虑 施肥 对 土壤 的 影响 。 这 样 ， 从 所 施用 的 肥料 种 类 来 说 ,应 该 合理 搭配 。 现 假设 某 一 农业 生产 单位 ,所 用 肥料 分 为 两 类 : 甲 类 为 对 土壤 有 长 远 意 义 的 肥料 ( 帮 肥 ) 占 的 比例 较 大 , 化 学 肥料 占 的 比例 较 小 ,我 们 称 之 为 "生态 肥 "。 乙 类 为 化 学 肥料 占 的 比例 较 大 , 而 左 肥 比例 较 小 ,我 们 称 之 为 “速效 98 rr 一 肥 ”。 如 果 多 用 一 些 “ 生 态 肥 ” ,虽然 有 利于 长 远 地 增加 土壤 的 生态 动力 正 效应 ,但 不 利于 当年 增产 。 反 之 ,多 用 一 些 “ 速 效 肥 ", 有 利于 当年 增产 ,但 影响 长 远 性 的 土壤 生态 动力 正 效应 ,不利 长 远 增产 。 如 果 E(t) AEM AI 寺 施 用 "生态 肥 "的 量 ; 尺 (z) 表 示 在 时 刻 二 施用 速效 肥 "的 量 ; g 是 单位 "生态 肥 "的 增产 ( 指 生态 产量 ) 效 果 ; 8 表示 退出 率 ( 即 由 于 某 种 原因 ,未 能 施肥 的 比率 );8 表示 施用 “生态 肥 的 百分比 。 该 系统 的 状态 方程 可 以 写成 dE(t) _ 4 - fie iri OE(t) Elty)=Eo (4-90) GRC) (1 p)gk(t)-AR(t) R(t) = Re ini 施用 两 种 肥料 的 最 优生 态 控制 策略 问题 ,可 采用 如 下 两 种 问题 之 一 种 。 其 一 ,在 约束 条 件 phi0 时 这 一 问题 的 正则 方程 是 : a ee} | ety anmood <8 (4-96) che fA x (60) =30000 上 面 的 方程 组 中 第 二 个 方程 为 协 态 方程 , 协 态 方程 的 解 是 A(t) =A(O)exp(rt) gn A(0) > -1, ABA A(t) > -1,u* =400000 KM RATE a(t) = x(O)exp(rt) 一 | expl r(z — r)400000dr (4-97) Hat (4-97) AAS zx(60)<0, 这 个 结果 不 符合 给 定 的 终端 条 件 。 如 果 (0)< -1 ,那么 X(z) 将 由 < -1 改变 到 > -1, 此 时 的 最 优 管理 策略 是 站 pwn 4 0Xt 所 需 资源 投入 水 平 z, 则 只 须 令 边际 产量 MP = dy/dz, 求 其 解 z* ,并 证 明 在 x" 处 的 中 yjdz "<0, 则 z ”为 取得 最 高 生态 产量 的 资 110 源 投入 水 平 。 如 果 我 们 所 追求 的 是 最 大 的 生态 经 济 效益 , 那 只 要 将 利润 TR 方程 对 z 求 导 数 ， 并 令 arth) 7R) = 9 (5-1) 由 此 求 得 TTR) <9 (5-2) 条 件 下 的 z "就 是 取得 最 大 利润 的 资源 投入 水 平 。 由 以 上 公式 ,并 以 已 MP, 分 别 表 示 产品 和 资源 的 单位 价格 ,可 以 得 f8¥_ pao 。 (5-3) 于 是 我 们 有 Pydy =Pydx (5-4) 或 dy _P. is dx P (5-5) y 式 中 ,dy/dz 即 是 边际 产量 MP, P,dy 为 产值 增加 量 ,P.dz 为 成 本 增加 量 。 以 上 的 公式 (5-3),(5-4) 和 (35=5) 为 边际 平衡 原理 的 三 个 表达 方式 , 即 : 要 获得 最 大 利润 的 最 佳 资源 投入 水 平 ,应 使 边际 成 本 一 一 或 者 说 边际 资源 一 一 等 于 产品 的 单价 之 比 。 (1) 植 物 营养 生态 动力 源 的 优化 控制 现 以 玉米 地 NH, NO, 肥 施 用 效果 为 例 ,施用 NHNO, 对 玉米 生态 产量 所 起 作用 的 生产 函数 是 Y, =565+2.312X, —0.043X7 (5-6) 中 等 水 平 土地 的 相应 函数 是 Y, =395+2.298X, —0.024X3 (5-7) 现 已 知 NH,NO, 的 价格 为 0.35 元 .kg ,玉米 籽粒 的 单价 为 0.21 coke ,我们 要 求 的 是 为 取得 最 高 生态 产量 和 最 大 利润 的 NH, NO, 施用 量 。 生态 产量 最 高 的 NHINO; 投入 量 X+ 和 X; 应 当 满 足 dY, dX, =2.312—-0.086X,; =0 (5-8) 和 本 3 器 het 中 2 0.048X, =0 (5-9) 由 式 (5-8) ,我 们 有 0.086X; =2.312 X{ =26.88 kg (0.0667 hm ) 由 式 (5- 9) ,我 们 有 0.048X; =2.298 kg-(0.0667 hm’) ~' 111 X; =47.88kg: (0.0667hm’ ) ~! 注意 到 和 x. 0.086<0 和 二 2x, 0.048<0 所 以 ,由 式 (5-6) ,将 X; =26.88 代入 ,我 们 有 Yr" =565+2.312 x 26.88 — 0.043 x (26.88)? =596.078 kg'(0.0667hm2 ) -: 由 式 (5-7) ,将 XS =47.88 代入 ,我 们 有 Y; =395+2.298X; -0.024x;° = 395 + 2.298 x 47.88 — 0.024 x (47.88)° = 450.008 kg: (0.0667 hm?) ~! 由 式 (5-S$)、 5-8) 和 (5--9) 为 取得 最 大 纯利 润 时 ,NEHNO; RAB X 0 和 X34 别 满足 : x =2.312—-0.086X 7, = Px/Py =0.35/0.21 和 dY, ey EX, 72-298 0.048X na = P,/Py =0.35/0.21 于 是 ,我们 求 得 : X2 =7.50 kg'(0.0667 hm’)! f(X7,) =579.921 kg'(0.0667 ho )~! TR} =579.921 X0.21-7.5X0.35= 119.158 36° (0.0667 hm?) ~! 和 . X*, =13.15 kg. (0.0667 hm’) ~' f( X15) =421.05 kg: (0.0667 hm’) ~! TR; =421.05 X0.21-7.5X0.35=85.795 3° (0.0667 hm ) (2) 动 物 营养 生态 动力 源 的 优化 控制 斐 铁 表 等 ( 见 人 《生态 动力 学 》p66) 曾 经 指出 : “试验 结果 向 我 们 提出 如 下 问题 :应 如 何 调节 人 工 生态 动力 源 ,才能 有 益 于 仔猪 的 生长 发 育 ? 才能 取得 最 佳 营 养 效 果 ? 这 是 一 个 待 研究 的 重要 方向 。 在 有 条 件 的 时 候 …… 用 更 新 的 数学 方法 加 以 分 析 综 合 "。 根 据 上 述 建议 ,我 们 以 下 例 就 新 的 控制 方法 应 如 何 用 于 动物 问题 加 以 说 明 。 设 某 种 动物 ,在 最 适 宜生 态 环境 (以 温度 ` 湿度、 光照 . 风 等 条 件 综合 评定 ) 下 ,优质 饲料 摄 人 量 对 该 种 动物 生 态 重 量 的 函数 为 Y, =572+2.114X, —0.034X7 (5-10) 而 中 等 适宜 生态 环境 下 ,优质 饲料 摄 人 量 对 该 种 动物 生态 重量 的 函数 为 Y, =410+2.248X, —0.022X3 (5-11) 已 知 饲料 单价 为 0.29 元 'kg' ,该 种 动物 生态 体重 的 单价 为 0.24 元 'kg 。 112 下 面 的 问题 是 求 该 种 动物 的 最 高 生态 重量 和 最 大 利润 所 对 应 的 优质 饲料 投入 量 。 生态 增 重 量 最 高 所 相应 的 饲料 投入 量 XX} MX? ,并 有 dY, _ " oe ax, 77714 0.068X; =0 和 dY,_ a i ax, 72248 0.044X; =0 求解 得 X; =31.09 kg. 只 1 X} =51.09 kg: R™ 并 且 有 二 阶 导 数 fe Px, 一 0.068<0 ig ye dX, =— 0.044<0 所 以 ,在 XT 和 X; 的 投入 水 平 下 ,该 种 动物 将 形成 的 最 高 生态 重量 可 作 如 下 计算 : 将 Xf =31.09 代入 式 (5- 10) ,我 们 有 : Y,=572+2.114x31.09-0.034X31.09:=604.86 kg: A! 将 X; =51.09 RAK(5-11), RANA: Y, =410+ 2.248 x 51.09 — 0.022 x 51.09 = 467.43 kg? A! 求 最 大 纯利 润 时 ,饲料 投入 量 X2 和 Xs, 4a oy = 2.114 - 0.068%, = P,/Py, =0.29/0.24 1 和 dY, : dX, =2.248-0.044X*, = P,/Py =0.29/0.24 于 是 ,我们 求 得 Xe 94.29 f(XF,) =594.1 TR* =594.1X0.24-13.9X0.29= 138.55 A! 和 这 > 二 1 F(Xw ) 三 450.79 TR "=450.79x0.24-23.59x0.29=101.35 元 :只 -: 3. 多 元 生态 函数 的 情形 在 多 种 可 变 生 态 动力 源 因素 投入 下 ,其 生产 函数 为 Y = F(X) 这 里 入 志文， XE 113 则 取得 最 高 产量 的 必要 条 件 为 » SFA) BAR MST Ams A f(X" )=[ aX, aX, OX, ]=0 A X* 处 的 HESSE 矩阵 H(X" ) 的 各 阶 主因 子 式 恒 有 正 负 相间 , 即 有 De) Sam) . eee) ax OX,0X> OX OX, Cie) Fis ) hb osx) H(X* ) = | 0X20X, OX] OX, OX, FOG). SofK Dy... FFA") oX,9X, daX"dX, Ox? 那么 ,生物 在 各 种 生态 动力 源 因素 投入 量 X* = (XI ,X2; ,…,X” ) 7 条 件 下 ,取得 最 高 生 ASS" F(X"). 同样 ,在 多 种 可 变 投 入 条 件 下 ,要 求 其 最 大 利润 的 投入 水 平 ,应 满足 (a(R) (TR)... CTR)? _g Ox, ? OX, ae OX, RIS X* =(X! X74, X5)", BA BCE X* Aba HESSE 矩阵 负 定 , 则 X ”就 为 取 得 最 高 利润 TR "时 的 各 要 素 最 佳 投入 量 。 由 上 式 可 得 a(TR) _ i¢.9 (rae Bae te SSO gpa, Rex & a( TR) FOX re 2 Seed ae o( TR) _ {(X) _ a ay: Se em 则 有 Py 2 ae 4 ie BEA) = Ps, BY glee 或 者 简写 为 eid AF(X) = MP; = 5" 所 以 多 种 变动 的 生态 动力 源 要 素 的 最 佳 投 入 量 应 当 使 各 种 生态 动力 源 要 素 的 边际 生态 产量 等 于 各 自 要 素 的 比价 ,或 者 说 各 要 素 的 边际 生态 产量 应 当 等 于 各 要 素 单 价 与 产 品 单价 之 比 。 下 面 , 让 我 们 举 一 例 加 以 说 明 。 114 某 种 植物 施用 氮肥 (X, ) 和 磷肥 (X2 ) 的 生产 函数 是 Y = 467.38 +2.53X, —0.065X; + 0.82X, 一 0.01X2 +0.025X, X, 让 我 们 令 Af(X)=0 则 有 of) =2.53-0.130X, +0.025X, =0 of) =0.82-0.02X +0.025X, =0 2 解 以 上 方程 组 ,我 们 得 出 和 X} 二 86 即 有 xX=(X; »X2 ) = 36,86)" 并 有 如 下 的 导数 : SCX ) i! = -0.130 ?= -0.020 a(x” yee ER 0.025 geen ofr =- ~ 0.025 于 是 ,我 们 有 如 下 和 矩阵: -0.130 0.025 te )=| 0.025 = nis H(X* ) 负 定 , 说 明 在 氮肥 和 磷肥 施用 量 分 别 为 36kg'(0.0667hm )~' 和 86kg- (0.0667 hm’) :的 条 件 下 ,该 植物 将 获得 最 高 生态 产量 。 Y =F(X") = 467.38 + 2.53 X 36 —0.065 X 36° + 0.82 x 86 —0.01 X 86 + 0.025 x 36 X 86 = 548.1 kg-(0.0667hm’ ) ! 在 以 上 计算 结果 的 基础 上 ,并 假定 该 种 植物 产品 的 价格 为 0.26 元 .kg |, RAB A 价 为 0.32 元 .kg : ,磷肥 的 单价 为 0.12 元 ,kg ,下 面 , 让 我 们 求 能 取得 最 高 纯利 润 的 投 人 水 平 。 首先 建立 方程 oF =2.53-0.130X, +0.025X; = Py /Py =0.32/0.26=1.23 1 ay OX, 即 有 如 下 的 代数 方程 组 : =0.82—-0.02X,+0.025X, = Px, /Py =0.12/0.26=0.46 115 0.13X, -0.025X,=1.3 sass —0.02X,= —0.36 解 以 上 方程 组 得 X{ =17.72 kg-(0.0667 hn ) X7; =40.15 kg: (0.0667 hm’)! Y* =467.38+ 2.53 X17.72—0.065 X 17.72” + 0.82 x 40.15 —0.01 X 40.15° +0.025 x 17.72 X 40.15 = 526.39 kg: (0.0667hm’ ) TR* =526.39 X0.26 —17.72 X0.32 — 40.15 0.12 = 126.32 30° (0.0667 hm’)! 即 当 投入 17.72 kg: (0.667hm’ ) 一 氮肥 和 40.15 kg* (0.667hm?) :磷肥 的 条 件 下 ,获得 最 大 的 生态 经 济 收益 为 126.32 50° (0.0667 hm ) 一 。 从 以 上 的 原理 和 计算 实例 ,我 们 可 以 看 出 ,在 一 定 的 简化 假定 条 件 下 ,营养 生态 动力 源 要 素 的 最 优 调节 即 最 优 投 入 量 , 可 以 用 确定 性 的 微分 公式 加 以 表达 ,并 通过 求 微 商 , 进 一 步 简 化 为 简单 的 代数 方程 。 有 了 这 样 的 确定 性 的 数学 模型 ,只 要 数据 资料 允许 ,无 论 数字 多 大 ,涉及 到 的 生态 动力 源 种 类 如 何 多 ,原则 上 都 是 可 以 计算 求解 的 。 事 实 上 ,生态 产量 ,无 论 是 植物 的 、 动 物 的 或 者 是 微生物 的 ,其 形成 都 是 由 相当 多 的 生态 动力 源 要素 相 互 作 用 综合 而 促成 的 。 比 如 , 陈 锡 康 曾 将 农作物 产量 形成 估算 为 28 个 因素 。 其 中 ,应 当 有 许多 因素 是 生态 因素 。 有 了 普遍 的 公式 ,可 以 制 成 软件 ,计算 起 来 就 很 容易 。 所 以 ,这 种 生态 控制 手段 有 数学 依据 并 且 有 机 理 基础 。 今 后 进一步 改进 ,应 用 前 景 可 观 。 但 我 们 必须 看 到 ,一 些 基础 方程 的 建立 , 须 有 客观 数据 ,而 建立 得 如 何 , 是 否 客观 , 首 先 在 于 对 有 关 要 素 的 生态 意义 的 理解 ,这 就 看 针对 具体 生物 , 依 其 多 方面 特性 ,比如 针对 土壤 肥料 气象 等 条 件 的 需求 指标 。 在 此 过 程 中 ,第 二 章 所 涉及 的 基础 都 是 很 有 用 的 ， 比如 生物 的 生理 基础 、 种 质 的 生态 适应 性 等 。 于 是 ,要 做 得 客观 ,就 限于 数学 这 一 个 方面 的 基础 了 。 二 、 杂 草 Portuwlaca oleracea 工 . 叶 空 间 分 布 最 优化 下 面 ,我 们 研究 杂 草 叶 空 间 分 布 最 优化 问题 。 1. 套数 估计 在 进行 参数 估计 之 前 ,应 当 对 异 速生 长 的 假定 加 以 评价 ,其 方法 是 考察 每 个 占领 面 积 (occupied area) 上 的 叶 密度 与 按 对 数 标 义 的 植物 宽度 之 间 的 线性 关系 。 然 而 ,由 植物 周围 的 圆柱 的 直径 所 确定 的 植物 宽度 是 不 易 测量 的 ,因为 植物 的 实际 边缘 显现 出 茶 种 不 规则 的 型 式 。 因 此 ,为 评价 该 假定 的 可 靠 性 ,我 们 用 2 V100Q/x 来 估计 植物 宽度 工 , 用 100Q 估计 占领 面积 ,这 里 Q 系 所 占领 的 样 方 数 。 这 样 ,我 们 就 可 以 对 照 对 数 标 斥 的 植 物 宽 度 画 出 每 个 占领 面积 的 叶 密 度 。 绘 出 的 图 (图 略 ) 指 出 二 者 线性 关系 的 存在 。 于 是 可 通过 线性 关系 图 看 到 斜率 户 =0.819。 但 这 样 的 关系 有 可 能 失真 。 为 进行 定 量 分 析 ,我 们 应 当 作 另 一 种 估计 。 在 模式 假定 下 ,关于 叶 的 空间 分 布 ,只 有 一 种 线性 关 系 , 每 个 样 方 内 的 叶 数 的 平均 值 方 差 之 间 的 权重 关系 。 这 种 权重 关系 的 导出 步骤 如 下 :考虑 含 & 个 象限 的 一 个 足够 大 的 空间 ,每 个 ! cmX :7 116 cme。 将 叶 数 作为 连续 变量 处 理 。 为 方便 起 见 , 又 假定 ,植物 先 沿 水 平方 向 伸展 ,其 伸展 率 为 娘 ; 再 沿 垂直 方向 伸展 ,其 伸展 率 为 w。 这 里 , 九 ,w 和 叶 的 密度 是 相互 独立 的 。 令 文字 右上 方 有 一 搬 的 符号 指示 在 水 平方 向 伸展 后 所 得 的 数值 ,有 两 撤 的 符号 指示 在 垂直 方向 伸展 后 所 得 的 数值 。 令 F(z ,y) 是 空间 正 交 坐 标 (z,y>) 上 叶 的 密度 。 这 样 ,在 第 TR 限 中 叶 数 二 由 下 式 给 出 : Zi 一 [| zsy)dzady (5—12) 这 里 ,二 重 积 分 代表 在 第 i 个 象限 内 部 的 累积 。 由 方程 5- 12) 可 得 Jeeppanm = 人 [re ay Fr 8] tes = 人 [7 人- 各 | dedy + 3 (3=13) 让 我 们 用 刁 表示 数学 期 望 ,用 V 表示 方差 。 由 方程 (5- 13) ,我 们 可 以 将 = 平方 的 数学 期 望 表示 为 E(z?) = ZEA) 73 2 2 = Fe Uf tres) Pdedy|- FE] 24 [f [rey - #] azay| : (5-14) 方程 (5- 14) 右 边 的 第 一 项 和 第 二 项 是 总 方差 和 样 方 内 的 方差 。 在 水 平 伸 展 之 后 ,总 方 差 比 原来 大 LD 倍 ,因此 ,所 占领 的 面积 成 为 其 前 数值 的 产 倍 ;而 样 方 内 部 的 方差 增加 得 很 小 ,这 是 因为 沿 着 距 植物 中 心 点 的 距离 的 叶 密 度 之 平均 坡度 成 为 前 一 数值 的 1/ 倍 。 因此 ,我 们 得 到 如 下 的 渐 近 关系 : E( 27 )E(h’ )E(z) 当 水 平方 向 伸展 和 垂直 方向 伸展 都 是 完全 伸展 的 时 候 , z; 的 方差 就 成 为 a” = V(z’; )[E(v) ? +VCo)[ECz ? + Vv) Vz; ) = |E( 27) -[E(2’,) P[E(v) P + 1E(v*) - [E(v) PY E(27) (5-15) AA v Mz, 是 相互 独立 的 。 如 果 E(z;i ) 比 [E(z )】 大 得 多 ,将 方程 (5 - 14) 代 人 方程 (5 -15) ,我 们 得 到 如 下 关系 : 0 E(h’ )E(v’ )E( 27) — [E(h’) P[E(v) PLE(z;) P©E(h?)E(v’)o? (5-16) 同样 ,每 个 样 方 平均 叶 数 就 比 原 来 大 Ao. FA Mv 是 互相 独立 的 ,我 们 有 uw =E(h? uv pw) =E(h’ )E(v) zu 因此 , 按 对 数 标 斥 的 方差 相对 变化 由 下 式 给 出 : Ig(o"*) —Ig(o*) _Ig[E(h?) ] + IglE(v*) J (5-17) Ig(u") —lg(e) IglE(h?)) +Ig[E(v) ] 不 论 /5 为 何 值 ,该 等 式 都 是 不 变 的 ,因此 ,我们 有 权重 关系 Ig(o?) =Ig(a) + blg(p) 这 就 是 说 ,我 们 有 2 ‘6 o =ap 117 式 中 ,2 相当 于 等 式 (5-17)。 方 程 ($-17) 还 有 类 似 的 形式 (Yamamura,1990) _ 2Ig(h) + 21g(v) = Fath) + elo) (98 并 可 写成 如 下 形式 : _le(v) _ 2(6-1) = Bh 20 — (5-19) 将 8 AVATAR ATi FE (5 — 19) ,我 们 能 够 估计 相对 伸展 率 pp. RVBARAARAT. 据 以 上 推导 ,Yamamura(1997) 给 出 每 个 象限 叶 数 之 平均 值 与 方差 之 间 的 权重 关系 a = apt’ (5-20) 这 里 w 是 平均 值 ,c” 是 方差 。 量 c 和 都 是 常数 。 这 个 关系 式 按 对 数 标尺 用 线性 形式 表达 为 :lg(c )=Ig(a) + blguo AMES MMS ISH, p=0.797,0=h°", WF 常 定 的 叶 尺 寸 , 也 服从 LAI Ate p58 BE ZI] AY A HE A , BEL AIO EE)” J. 用 A 表示 叶 的 总 面积 (单位 :cm ) ,用 Wi 表示 叶 的 干 重 (单位 :g), 用 We 表示 根 的 王 重 (单位 :g), 用 Ws 表示 蔡 的 干 重 。P .oleracea 的 这 些 变量 之 间 的 异 速 增长 关系 可 以 绘图 说 明 。 所 得 结果 作为 模拟 的 基础 。 2. 为 求 最 优 值 的 模拟 为 确定 用 于 模拟 的 初始 叶 数 ,我 们 首先 进行 初步 模拟 ,每 次 模拟 都 是 从 一 棵 植株 开 始 的 ,该 植株 位 于 由 121(=11X11) 个 样 方 (每 个 10cm X 10cm) 组 成 的 一 个 正方 形 的 中 心 。 初 始 植株 宽度 被 令 为 10cm。 为 了 计算 水 平 伸展 ,用 步 长 =1.2”=1.156, 这 是 依 p=0.797 这 一 关系 得 到 的 。 经 过 推导 ,得 出 叶 总 数 六 与 植株 宽度 工 之 间 的 关系 式 是 : IgN = -1.320+2.797lgL (529) 并 有 lIgW,= —6.019+4.010lgL €5:+22) 为 了 用 初步 模拟 所 确定 的 初始 条 件 来 寻找 最 优 植株 宽度 ,再 进一步 作 模拟 。 草 所 在 圆柱 体 的 伸展 规律 与 初步 模拟 相似 ,只 是 步 长 较 短 。 在 每 一 步 模拟 过 程 中 ,每 个 样 方 中 的 圆柱 的 体积 都 是 用 数值 积分 计算 出 来 的 ,并 且 根 据 推 导出 来 的 有 关 方 程 ,计算 出 植株 的 总 干 重 。 叶 所 履 盖 的 总 面积 和 叶 面 积 指数 也 是 用 公式 计算 出 来 的 。 对 pp 的 各 个 数值 ， 作 重 复 模拟 。 叶 所 履 盖 的 地 面 面 积 指示 光合 作用 能 力 , 因 此 ,对 于 给 定 的 干 物质 重量 来 说 ,具有 最 大 履 盖 面积 的 植株 ,能够 解释 为 具有 最 有 效 的 植株 形式 。 这 样 , 可 以 在 二 维 直 角 坐 标 系 上 绘 出 横 坐 标 为 植株 总 重量 WTr、 纵 坐标 为 叶 覆 盖 面 积 的 曲线 。 从 图 上 可 看 出 妃 的 最 优 值 约 为 1.4。 参 数 的 实际 值 ( 姑 =0.797) 不 是 精确 的 最 优 值 ; 所 覆盖 的 面积 大 约 是 尹 =1.4 所 覆盖 面积 的 85% 。 无 论 是 实际 LAI 或 者 是 最 优 LAI 都 随 着 植株 宽度 的 增加 而 增加 。 植株 叶 的 实际 情况 的 空间 分 布 是 不 能 用 圆柱 形 作 精 确 描述 的 。 在 某 些 情形 下 , 近 植 株 中 心 点 处 , 叶 的 密度 比 边缘 部 位 稍 小 些 , 形 成 一 种 炸 面 饼 圈 形 的 分 布 。 在 另 一 些 情 形 下 , 近 植 株 边 缘 处 的 叶 密 度 略 小 于 中 心 部 位 。 而 且 , 植 株 边缘 形状 ,并 非 是 正 圆 形 ,植株 WHA LORS IE (Novoplansky et al. ,1990)。 因 此 ,应 当 考 察 对 植株 形状 的 敏感 性 。 但 考察 结果 指出 :这 种 形状 影响 不 是 很 大 的 。 伸展 较 快 的 植株 ,在 植株 常 遭 受 破坏 的 变化 着 的 环境 中 ,是 有 其 优势 的 。 因 此 ,有 必 要 研究 时 间 上 和 帮 盖 面积 G 之 间 的 关系 。 因 为 植株 生长 与 光合 作用 能 力 有 密切 关系 ,所 118 以 给 予 必要 的 假定 条 件 , 干 重 的 瞬时 增加 率 与 在 给 定时 间 叶 履 盖 面积 成 正比 oO = cg Wr) (5-23) 式 中 ,c 是 常数 ,g(Wr) 是 用 函数 表达 的 覆盖 面积 。 伸 展 达 到 给 定 总 重量 所 需 时 间 是 用 如 下 的 数值 积分 计算 的 : ve | 二 dW (5-24) 经 计算 ,的 最 优 值 一 一 给 出 在 任 一 给 定时 间 最 大 覆盖 面积 的 值 一 一 大 约 是 1.4。 参 数 最 优 随 时 间 有 微小 的 变化 。 在 早期 发 育 阶 段 , 沿 垂直 方向 伸展 较 多 的 植株 能 够 覆盖 较 大 的 面积 ,而 在 后 期 发 育 阶 段 , 沿 水 平方 向 伸展 较 多 的 植株 能 够 覆盖 较 大 的 面积 。 这 种 早 、 晚期 不 同 作 用 的 原因 大 概 是 :在 植物 生长 的 初期 , 叶 面积 指数 很 低 , 所 以 此 时 叶 面 积 指数 的 增加 而 导致 的 自身 遗 阴 作用 是 很 弱 的 。 这 样 ,如 果 一 植株 ,在 其 伸展 期 间 内 ,不 受 异 速 增长 限制 ,而 “灵活 地 "改变 训 值 ,那么 该 植株 就 会 更 有 效 地 截取 太阳 光 并 且 生 长 得 更 快 。 参数 的 这 样 一 种 最 优 变化 ,可 以 用 最 优 控制 理论 进行 计算 ,比如 用 Ioarprrr 的 最 大 值 原理 和 动态 规划 方法 ,如 Iwasa 和 Rough Garden(1984) 以 及 Iwasa 和 Cohen (1986) 指 出 的 那样 。 第 二 节 “树木 生态 控制 的 最 优 策略 树木 生育 和 树种 优选 的 最 优 控制 是 保障 树木 充分 利用 生态 动力 源 的 有 利 因子 的 最 优 策略 。 其 中 用 确定 性 数学 模拟 方法 作 推 导 和 计算 ,是 近年 发 展 起 来 的 新 方法 。 下 面 从 两 个 方面 介绍 ,最 后 用 泛 函 分 析 处 理 森 林 演 替 问 题 。 一 、\ 树 木 根 分 布 最 优 策略 :遗传 算法 模拟 在 森林 树木 的 生长 发 育 中 ,水 文生 态 动力 因素 是 十 分 重要 的 。 裴 铁 王 等 (生态 动力 学 ,2001) 在 近年 研究 了 多 项 关于 森林 水 文 功能 课题 ,诸如 ,森林 生态 系统 水 文 功 能 模拟 实验 研究 、 和 森林 水 文 过 程 及 流域 水 资源 调控 机 理 \ 西 部 典型 区 域 森 林 植 被 对 农业 生态 环 境 的 调整 机 理 、 和 森林 流域 暴雨 径流 模型 研究 、 和 森林 流域 暴雨 洪水 预警 指标 体系 研究 、 森 林 流域 坡地 壤 中 流 模拟 与 模型 和 森林 蒸 散 模型 与 模拟 研究 等 。 和 森林 作为 生物 性 质 的 生态 动力 源 发 挥 其 特有 功能 的 同时 ,也 是 一 种 生态 动力 汇 ,直接 或 间接 地 受益 或 受害 于 地 瑶 、 水 文 . 气象 .土壤 以 及 某 些 生物 ,作为 森林 中 树木 的 各 种 生态 动力 因子 ,它们 之 间 一 般 总 是 相互 联系 着 的 。 而 树木 以 根 从 土壤 中 吸收 水 分 , 妃 是 以 水 文 为 主 的 生态 动力 源 因 子 对 树木 这 种 植物 起 作用 的 最 重要 的 方面 ,也 应 是 森林 水 文 研究 中 的 一 项 重要 课题 。 但 是 ,在 以 往 关于 树 根 吸水 的 研究 ,往往 以 定性 为 主 。 这 样 要 使 一 定期 间 ( 比 如 10a) 的 水 分 被 树木 吸收 的 廓 线 , 被 正确 地 认识 是 很 难 的 。 但 是 在 计算 技术 不 发 达 的 时 代 , 由 于 许多 关系 的 非 线 性 特征 ,以 及 涉及 的 参数 太 多 ,以致 人 们 对 此 几乎 无 能 为 力 。 近 年 , 非 线性 数学 研究 的 发 展 和 遗传 算法 (genetic algorithms) 的 出 现 , 为 森林 水 文生 态 优化 控制 ， 提供 了 使 用 它 的 良好 契机 。 加 上 专门 的 实验 材料 ,van Wijk 等 在 这 方面 作 了 一 项 开拓 性 工作 。 这 是 用 最 优化 理论 深入 了 解 树 木 根 的 廓 线 与 水 文 关 系 的 第 一 步 成 果 。 下 面 我 们 简单 介绍 ,并 展望 其 在 森林 水 文生 态 控制 中 的 意义 。 119 1. exe ez van Wijk EAM AAR AY RUT RO RK NR. PRA 最 优 分 布 , 系 指 在 10a 期 间 能 最 多 从 土壤 中 吸收 水 分 的 根 的 分 布 。 van Wijk 根据 在 荷兰 四 个 林地 的 试验 资料 ,提出 了 SWIF 模式 (有 林 生 态 系统 中 土壤 水 分 模式 ) ,该 模式 描述 土壤 水 分 未 饱和 区 内 水 分 的 垂直 分 布 和 根 吸 收 水 分 的 规律 。 该 模式 也 涉及 饱和 区 中 土壤 蒸发 和 排水 潜 势 。 SWIF 模式 用 有 限 差分 求解 Richards 方程 Cn) = 2[ K(h)ah/dz) +1]- S(h,z) (5-25) 式 中 ,C 是 微分 持 水 量 (单位 :m ”),z 是 时 间 ( 单 位 :d),z (sm), A 是 土壤 水 头 压力 (单位 :m) , 开 ( 户 ) 是 未 饱和 水 力 传导 度 ( 单 位 :m*d ” ),S 是 按 根 吸 水 (d ，) 计 算 的 汇 项 。 MAA i 层 吸 水 S; 是 该 层 的 一 个 减 函 数 f(h;), BRAK S; = f(h;)S} (5-26) 并 有 f(h)=0 * ey, (5-27) f(ny=1- | 2" | hyh, Loa) 式 中 ,经 验 参数 a,.BBR hy (m)\ 水 分 胁迫 减 小 点 hb, (m)、\ 湿 轨迹 最 优 转换 开始 点 h; (m) 和 厌 氧 生活 点 都 是 校准 的 参数 。 自 某 一 层 的 吸收 潜 势 ,是 按 被 表达 为 土壤 廓 线 的 根 有 效 总 长 度 志 (4OR;) 的 一 层 (6 R; ) 的 根 的 有 效 长 度 的 饱和 部 分 ( 真 分 数 ) ,由 总 的 可 能 蒸腾 T (m'd …) 的 分 布 计算 出 来 的 st -TS (5-32) 式 中 ,饱和 部 分 O, = 010. ; ,而 q Hq, CRRA i EHLRKSERABAKE ES; R; 是 第 ; 层 根 的 密度 ,可 能 蒸腾 工 - 用 下 式 计 算 全 咎 人 二 有 有 一 (me 看 (5-33) AP, f. 代表 标准 特征 的 经 验 作物 因子 ; G 是 冠 层 透 光 率 ( 真 分 数 ); f, 是 截 阻 效率 ; ET” (md ) 是 由 每 日 总 辐射 和 温度 计算 得 出 的 可 能 蒸 散 ; fu 是 穿 透 降雨 率 (throughfall fraction) ,以 日 降水 量 被 输入 到 模式 中 。 2. 一 些 问 题 的 处 理 本 研究 的 目标 是 确定 SWIF 模式 中 每 一 层 中 根 密 度 的 最 优 值 。 由 于 传统 的 最 优化 方法 ,不 适应 参数 很 多 的 优化 计算 ,在 这 个 优化 中 , 须 用 遗传 算法 (Gallagher et al., 1994)。 遗 传 算法 是 处 理 大 尺度 非 线性 最 优化 问题 的 一 种 有 效 的 数学 工具 。 遗 传 算 法 是 120 由 自然 进化 过 程 引 发 的 最 优化 研究 方法 。 遗 传 算法 的 主要 思想 是 用 自然 进化 方法 的 基 础 组 分 一 一 作为 遗传 (CDNA) 数 据 结构 的 组 织 编码 重组、 突变 以 及 一 些 有 意义 特性 的 持 续 性 。 每 一 个 参数 都 被 表达 为 一 个 基因 。 代 表 一 个 参数 组 合 的 基因 形成 一 个 染色 体 。 在 该 模式 中 ,有 14 个 参数 一 个 染色 体 含 14 个 基因 ,具体 算法 类 似 于 van Wijk 和 Bouten (2000) 的 方法 。 本 计算 最 优化 长 度 选 为 200 代 , 因为 在 此 后 ,所 计算 的 水 的 吸收 量 没有 显现 出 任何 改进 的 特征 。 对 于 树木 根 的 相互 作用 , Wijk 用 两 种 不 同 的 模式 构 型 作 了 检验 , 那 就 是 单 株 的 根 的 廓 线 用 于 其 中 的 标准 模式 构 型 (SWIFE- NC) ;两 株 根 为 同样 可 用 水 分 进行 竞争 的 模式 构 型 (SWIF-C)。 对 于 根 的 廓 线 , 系 用 遗传 算法 作 参 数 化 处 理 的 。 在 一 定 条 件 下 MMAR 的 拟 合 度 ,被 定义 为 10a 模拟 期 间 的 持 水 量 。SWIF - C 的 根 廊 线 是 用 进化 博弈 (evolu- tionary game ) 作 最 优化 处 理 的 。 结 果 表 明 ,在 各 个 地 块 之 间 , 根 的 最 优 分 布 有 明显 差异 ; 两 个 模式 的 构 型 之 间 , 根 的 最 优 分 布 也 有 明显 差异 。SWIF - C 的 最 优化 结果 ,给 出 容易 用 合理 的 生物 学 策略 表示 根 的 廓 线 。 在 较 湿 的 土壤 区 ,树木 吸水 有 优越 条 件 , 这 种 特征 对 于 表达 根 的 模拟 分 布 来 说 ,是 一 个 重要 因素 。 作 为 最 优化 处 理 而 得 到 的 根 的 廊 线 , 与 实测 廊 线 , 仍 有 一 定 差异 。 对 这 种 差异 的 解释 , 尚 不 太 令 人 满意 。 但 是 ,Wijk 等 的 工作 是 用 最 优化 处 理 理论 深入 了 解 树 根 分 布 廓 线 同 水 文生 态 动 力 源 关 系 的 第 一 步 。 有 了 树 根 的 分 布 与 土壤 水 分 关系 的 最 优化 研究 成 果 , 则 可 在 10a 的 周期 内 对 于 土壤 水 分 作 必 要 的 调节 与 控制 ,以 有 利于 森林 和 各 种 林地 树木 的 生长 发 育 , 促 进 森 林 更 新 的 最 优化 。 二 混交 林 树 种 协调 的 生态 控制 模式 :Lotka - Volterra 方程 的 应 用 造林 选 种 历来 是 生态 控制 的 重要 手段 ,就 大 范围 来 说 ,生态 工作 者 往往 是 通过 生态 考察 来 了 解 欲 造林 区 的 气候 土壤、 水文 等 立地 条 件 ,看 其 适宜 种 什么 树种 的 树木 ,这 事 实 上 是 从 非 生 物性 质 的 生态 动力 源 出 发 来 决策 树种 选择 的 方法 。 并 据 此 决策 各 树种 控 制 面 积 、 控 制 区 域 等 。 如 果 某 两 种 以 致 丙种 以 上 的 数 种 树木 ,多 年 来 在 某 一 个 地 区 生长 发 育 得 很 好 ,说 明 该 地 区 对 这 些 树种 都 适宜 。 此 种 情形 下 ,种 群 数量 变化 受 生 物性 质 的 生态 因子 的 影响 , 则 大 于 受气 候 因 素 的 影响 。 吴 承 祺 等 (2001) 研 究 了 柳 杉 一 杉木 人 工 混 交 林 种 间 竞 争 关系 。 这 两 种 树种 所 组 成 的 人 工 共 优 群 落 中 ,资源 竞争 用 Lotka - Volterra 模型 表示 为 dN; oe = rN, (1- (Aj) (5-34) KP ,i,j=1,2,°° nit) RmAEKRE—BHILADAR SK, 表示 种 ; 的 环境 容纳 量 (经 吴 承 祺 等 研究 , 柳 杉 和 杉木 的 值 分 别 为 216 和 180); ~; 为 种 ; MARKS; 0, 表示 种 7 WH i 的 竞争 系数 ; Ni ,Ni 分 别 表示 种 ; 和 ) HERR. BRAS ARK D(P,P,) a, 三 三 一 一 一 一 一 一 (538) (SPiyPy)" KAP, PAP, THAW i 和 树种 7 EAL 个 林 分 中 的 相对 优势 度 。 经 计算 ,混交 树种 的 各 龄 组 的 竞争 系数 是 : 幼 龄 林 ,0.9543; 中 龄 林 ,0.7079; 近 熟 林 ,0.8685; 全 部 样 地 ， 0.7044。 N; 40 a;N; K; 121 ee Bog 依 假定 和 推定 条 件 ,将 有 关 数 字 代 人 方程 (5-34) ,得 dN; _ N, +0.7044N, tA 216 dN, _N, eet dt 180 HP LN,,N, PHAM BABB. HE ARRAP , WY te ont—/ #8 dN; _ dt 7+ = rN, (1 0 即 达到 平衡 状态 时 ,应 有 Ni +0.7044N, =216 he +0.7044N, =180 解 此 方程 得 N, =177.06(m ,hm *), N, =55.28(m?*hm™”), FF N, + N, =232.34(m° *hm *) ,计算 结果 表明 , PY A 3c kK BRK FE K; 值 ,说 明 这 一 人 工 混交 群落 ， 由 于 生态 位 于 加 ,更 能 充分 利用 当地 有 益 的 生态 动力 源 。 指 出 柳 杉 一 杉木 混交 , 可 行 性 的 理论 依据 充分 , 且 有 利于 提高 人 工 林 生 态 系统 生产 力 。 用 确定 性 方程 结合 具体 生物 种 来 选择 树种 的 过 程 , 实 际 上 是 一 个 生态 控制 最 优化 过 程 用 于 人 工 群 落 的 一 种 很 好 的 实践 。 如 果 说 ,人 们 设法 优化 控制 自然 植物 群落 是 非常 困 难 的 ,以 致 很 难 想像 有 成 功 的 可 能 ,而 对 自然 群落 的 生态 控制 , 则 用 Lotka - Volterra 方 程 ,结合 具体 对 象 , 则 是 可 行 的 。 吴 承 审 等 的 研究 ,是 一 个 典型 的 应 用 范例 ,值得 推广 。 用 于 涉及 竞争 问题 的 植物 种 的 生态 控制 ,不 限于 混交 林 , 其 实 像 农 田 作 物 套 作 、 混 作 等 也 是 可 行 的 。 当 然 ,我 们 并 不 否认 ,在 这 样 的 工作 中 ,尤其 是 对 方程 作 合理 假设 ,以 致 在 典 型 数字 的 选取 过 程 中 ,难免 存在 一 些 主 观 成 分 ,但 这 并 不 影响 方法 的 进一步 应 用 。 如 果 要 求 绝 对 准确 , 那 是 不 可 能 的 。 三 应 用 泛 函 分 析 的 森林 演 蔡 模型 泛 函 分 析 (functional analysis) 是 分 析 数 学 中 的 重要 组 成 部 分 , 当然 也 是 基础 数学 的 重要 组 成 部 分 。 在 地 球 科 学 中 应 用 , 丑 纪 范 院 士 早 在 1962 年 就 用 之 于 气象 学 。 在 生物 学 中 ,近年 来 应 用 也 渐 多 起 来 。 SEF AER FR MKF ZK GE (nonlinear forest evolution system) ,可 用 如 下 抽象 形式 方程 来 表示 = 9 nein p(0)= po OP, p(t )FEATAl ¢ RAR OPEN (2) ERA 上 林木 总 量 , 天 (zt) 为 时 刻 上 的 环境 影 响 系 数 , 并 有 K(t)>0,FCNG)) 是 环境 阻尼 函数 , 即 环境 影响 函数 ,A 是 Hilbert 空间 中 的 定义 算 子 。 这 个 非 线 性 的 森林 演 蔡 系统 能 比较 客观 地 反映 演 替 规律 ,在 j 为 一 般 连 续 可 微 的 情 形 下 ,上 述 方程 解 具 有 渐 近 稳定 性 。 林 木 的 增长 与 演 替 受 各 种 自然 生态 动力 源 的 制约 ， 也 受 人 类 活动 生态 动力 源 的 影响 ,生态 系统 是 森林 赖 以 生存 的 物质 基础 ,用 泛 函 分 析 寻 求 系统 稳定 性 的 规律 , 依 此 规律 再 用 控制 论 方法 优化 控制 生态 系统 ,是 森林 可 持续 发 展 122 的 生态 控制 的 理论 基础 。 泛 函 分 析 生 态 应 用 的 另 一 个 领域 是 考虑 非 自 治 的 具有 阶段 性 的 结构 的 种 群 扩散 和 收获 的 时 滞 生 态 模型 。 运 用 泛 函 分 析 微 分 方程 的 单调 流 理论 和 冲 算 子 理论 ,得 到 惟一 正 周期 解 的 存在 性 和 全 局 渐 近 稳定 性 的 结果 。 并 得 到 收获 冰 值 。 该 结论 说 明 , 只 要 收获 量 不 超过 其 阔 值 ,通过 扩散 ,种 群 则 可 保持 持续 生存 , 而且 会 稳定 在 一 个 周期 振 功 的 水 平 上 。 该 研究 对 合理 利用 生物 资源 ,维持 生物 多 样 性 ,有 理论 上 的 指导 意义 。 第 三 节 湿地 管理 及 水 文生 态 控制 涉及 水 文生 态 动力 管理 是 使 农田 `\ 湿 地 ` 河 流 ` 湖 泊 海洋 水 质保 持 优化 的 重要 措施 。 随 着 排污 水 平 的 提高 ,实现 水 质 优化 成 为 生态 控制 的 重要 课题 。 既 保障 各 种 污染 物 合理 排放 ,又 保障 水 质 优 化 ,是 这 方面 数学 模 造 的 初衷 。 下 面 针 对 几 个 具体 问题 分 别 说 明 。 一 \ 湿 地 生态 系统 管理 定性 模 造 为 遥远 的 湿地 系统 创造 一 个 长 期 管理 规程 ,这 是 对 研究 者 的 一 个 挑战 ,这 项 工作 需 要 具有 计划 专家 眼光 的 研究 技艺 。 eee HE a oR ,专门 试验 又 极其 困难 , 以致 迄今 难于 作 定 量 模 造 , 而 定性 数据 的 高 等 数学 模 造 方法 ,可 使 研究 者 能 够 依据 有 限 的 野外 试验 和 生态 学 的 基本 原理 ,在 一 定 程度 上 揭示 出 湿地 动态 特征 。 依 据 所 得 规律 , 则 可 了 解 管理 活动 与 生态 系统 人 工 影响 的 关系 ,为 这 类 生态 系统 的 优化 控制 ,提供 可 行 的 手段 。 定性 模式 用 其 方式 变量 之 间 的 反馈 表示 关于 某 一 单 变量 的 一 个 参数 变化 与 对 其 他 系统 变量 的 影响 之 间 的 相互 关系 。 这 种 关系 一 旦 被 分 辨 出 来 ,任何 可 能 的 间接 的 负 效 应 ,都 可 以 包括 在 整个 管理 策略 和 重要 的 监测 努力 之 中 。 下 面 简 述 其 原理 和 案例 。 1. BRA 这 里 所 用 的 圈 模 式 ( 图 5S — 1) 是 Puccia 与 Ievins 提出 的 。 该 模式 的 结构 用 图 形 表 示 。 大 圆圈 确定 模式 变量 ,表示 它们 的 实际 生物 量 或 丰 度 (比如 说 表示 营养 的 浓度 )。 所 画 出 的 两 变量 间 的 连 线 说 明 它 们 之 间 的 营养 关系 。 从 一 个 变量 (Si ) 出 发 、 终 止 于 另 一 个 变量 (S, ) 的 箭头 ,指示 后 者 从 前 者 得 到 某 种 "利益 "。 图 中 有 三 个 小 圈 ,其 中 每 个 小 圈 内 都 有 一 横 线 。 与 一 个 小 圈 相 连 的 直线 指示 相反 的 情形 :一 个 变量 (S, ) 对 另 一 个 变量 (S, ) 的 生 长 (或 丰 度 ) 产 生 负 作用 。 捕 食 者 一 食 饵 系统 的 情形 是 用 涉及 两 个 符号 的 连 线 连接 着 的 两 个 变量 描述 的 (图 S$- 1a). CS 6Q Cc) C) 人 下 图 $-1 用 于 圈 分 析 的 符号 和 两 属性 (S, AS, ) 间 的 相互 关系 在 图 $- 1la 中 ,自身 封闭 连 线 (S; 上 ) 也 表示 为 一 个 涉及 变量 自身 的 小 圆圈 。 自 身 效 应 关系 到 对 具体 属性 的 生长 或 密度 有 影响 的 依赖 于 密度 的 现象 。 此 外 ,如 果 一 种 属性 ， 由 于 受 模式 中 无 法 表述 的 某 一 其 他 要 素 的 作用 ,而 对 其 自身 生长 起 作用 的 话 , 那 么 自身 123 封闭 环 就 是 必要 的 。 和 营养 网 的 低 水 平 , 通 常 依赖 于 在 模式 中 表达 不 出 来 的 其 他 物质 , 因 此 必然 是 自身 封闭 的 。 图 5- lb 表示 另 一 种 类 型 的 相互 关系 ,这 种 关系 通常 出 现在 含有 生物 和 非 生物 变量 的 生态 模式 之 中 。 一 个 稳定 的 生态 系统 ,将 由 负 反 馈 占 主导 地 位 。 如 果 已 知 稳 定 系统 的 一 个 模式 表现 出 不 稳定 性 ,那么 为 表达 该 模式 而 选择 的 相互 关系 就 应 被 重新 评价 ,为 描述 该 系统 ,有 必 要 作 进 一 步 分 析 ,并 研制 更 好 的 模式 。 当 图 形 结构 被 最 终 确 定 下 来 的 时 候 , 则 要 通过 分 析 来 确定 :每 个 单个 变量 的 修正 对 模式 中 一 切 变 量 平衡 的 影响 。 这 项 工作 的 第 一 步 是 :确定 从 每 一 个 变量 到 修正 过 的 变量 的 反馈 路 径 。 在 两 个 变量 之 间 ,通常 有 多 个 路 径 ,修正 一 个 变量 ,对 另 一 个 变量 可 能 有 负 反馈 作用 ,也 可 能 有 正 反馈 作用 。 一 个 变量 的 变化 对 另 一 个 变量 的 平衡 值 有 影响 ,为 确 定 这 种 影响 ,我 们 必需 考虑 这 两 个 变量 之 间 的 一 切 可 能 的 路 径 ,并 同时 考虑 不 含 这 两 个 变量 的 补充 路 径 和 整个 系统 的 总 反馈 。 变 量 X;, 的 某 种 变化 所 引起 的 变量 总 的 某 一 平 衡 值 的 变化 ,这 种 变化 用 如 下 方程 计算 : ox? DI 5](P)(Fem) Oc Fe 这 里 ,变化 中 的 变量 是 dX, [de JAX, 到 总 的 每 个 可 能 路 径 是 P ,每 个 已 ,的 补足 路 径 LEO, 整个 系统 的 总 反馈 是 Pi。 由 于 从 X, 到 X 可 能 有 很 多 路 径 ,所 以 , 通 向 Fe 也 有 许多 补足 路 径 。 决 定 总 效应 的 是 每 个 路 径 效 应 的 和 。 对 于 每 个 可 能 路 径 来 说 ,dx de, P,, HF RERF X, 的 总 效应 。 对 于 有 个 变量 的 任何 一 个 转 模 式 来 说 ,一 个 参数 变化 的 通路 ,都 有 个 点 ,每 个 变 量 有 一 个 点 。 可 以 构造 一 个 预报 表 , 从 而 指出 ,每 个 变量 将 会 怎样 响应 其 自身 或 其 他 任 何 变量 的 变化 而 变化 。 2. 具体 应 用 浅 湖 和 湿地 是 十 分 复杂 的 生态 系统 ,在 这 样 的 系统 中 ,影响 一 个 单个 组 分 的 行动 可 能 有 远离 目标 参数 的 响应 ,这 直接 关系 到 其 中 的 生物 物种 。 在 对 湿地 所 作 的 大 尺度 研究 中 ,研究 者 已 经 构造 了 一 组 定性 模式 ,其 目的 是 进一步 了 解 管理 行动 及 其 对 主要 非 生物 、 生物 的 生态 系统 变量 影响 之 间 的 关系 。 关 于 “人 工 影响 湿地 的 生物 、 非 生物 特性 的 过 去 和 未 来 "这 类 问题, 已 建立 了 两 个 定性 的 模式 。 第 一 个 模式 研究 对 大 鲫鱼 禁 拉 令 的 作用 。 第 二 个 模式 研究 区 域 经 济 发 展 对 湿地 水 质 、 生 物 多 样 性 的 潜在 影响 。 两 个 模式 的 输出 结 果 表 明 ;特殊 种 群 ( 食 鱼 类 水 依 ) 和 部 分 组 分 (浅水 大 型 植物 ) 对 生态 系统 中 潜在 的 人 为 作 用 ,是 更 敏感 的 。 这 是 将 管理 ` 资 源 利用 实践 的 作用 输送 到 这 些 部 分 组 分 中 的 一 系列 反 饶 机 制 所 引发 的 结果 。 3. He 湿地 的 利用 向 来 为 生态 学 家 所 重视 , 近 10 多 年 来 ,由 于 建设 和 旅游 资源 开发 的 需 求 ,也 被 列 人 政府 的 议事 内 容 之 中 。 但 鉴于 湿地 科学 数据 很 少 ,研究 者 往往 限于 描述 ,或 用 无 高 等 数学 的 定性 分 析 , 故 无 法 提出 正确 决策 建议 。 在 我 国 ,尤其 是 这 样 。 其 实 ,从 农 业 旅游 .水 处 理 等 方面 来 说 ,人 们 都 不 只 要 求 一 般 的 关于 湿地 的 描述 性 报告 ,而 需要 正 确 决策 性 建议 ,这 就 需要 有 关于 湿地 的 坚实 的 科学 基础 研究 成 果 , 并 有 长 期 的 全 面 的 监 124 测 方法 。 关 键 参数 的 正确 选择 ,对 于 合理 的 监测 程序 的 构建 ,是 很 重要 的 。 在 这 样 的 一 种 努力 中 ,利用 收集 到 的 器 测 资 料 来 了 解 湿地 变量 之 间 的 相互 关系 ,定性 模 造 则 是 一 种 有 益 的 工具 。 在 每 一 个 湿地 中 , 非 生物 的 和 生物 的 参数 变化 性 ,还 不 能 使 湿地 管理 实践 标准 化 。 因 此 ,需要 找到 一 种 适用 的 工具 ,由 这 种 工具 能 够 导出 每 一 湿地 的 适宜 管理 程 序 。 由 于 历史 上 长 期 定量 数据 不 足 , 野 外 观测 当地 经 验 知识 ` 图 书 情 报信 息 和 比较 数 据 , 都 可 用 于 创建 定性 模式 。 而 新 模式 用 于 湿地 生态 控制 实践 ,并 在 实践 中 获得 更 多 信 息 , 以 备 进一步 改进 模式 。 二 流域 干旱 控制 :农户 生态 经 济 模 式 众所周知 ,水 是 农业 的 命脉 ,水 文生 态 动力 源 对 农业 经 济 发 展 的 作用 也 为 社会 所 公 认 。 但 直到 目前 ,关于 水 文 减灾 ,尤其 是 干旱 减轻 与 有 林 的 河流 流域 之 间 的 生态 经 济 的 关系 ,定量 模式 尚 少 。 在 环境 可 持续 发 展 的 经 济 学 研究 中 ,近年 有 人 (Pattanayak et al., 2001) 提 出 并 应 用 叫做 农户 模式 的 定量 方法 处 理 水 文 模 造 问题 ,为 流域 生态 经 济 的 优化 控制 提供 了 依据 。 下 面 概述 之 。 农户 总 是 希望 取得 最 大 效用 (utility) U ,该 效用 U 被 假定 为 农产品 X( 例 如 谷物 ) 和 输入 Y 的 一 个 连续 的 二 次 可 微 上 四 函数 。 该 函数 以 农户 特征 互 为 条 件 。 效 用 最 大 值 与 四 个 约束 条 件 有 关 。 第 一 ,输入 约束 意味 着 ”自身 “输入 供给 尺 和 “自身 "输入 消耗 了 ,不 能 超过 农户 输入 工 ,这 里 的 工 依 赖 于 农户 特征 互 。 第 二 ,农业 生产 的 连续 凸 函数 PER 里 基础 流 为 三 ) 是 一 个 固定 的 输入 ,该 输入 计量 该 农场 的 本 底 干 旱 环 境 。 例 是 对 其 他 生 产 输入 Y 或 输出 Q 的 弱 补 足 , 因 为 没有 农户 生产 , WES. EMPRESA SRA 2Z 也 考虑 生产 技术 。 第 三 ,农户 的 预算 约束 ,确保 支出 等 于 农户 输入 资金 当量 、 农 业 收益 fr 和 外 源 收 入 五 的 和 。 第 四 ,市 场 环 境 约束 ,说 明 市 场 环境 的 作用 。 市 场 约束 的 精确 性 质 确定 限制 参数 Mg FM, 的 大 小 。 方 程 (5-36) 描 述 效 用 最 大 问题 。 Max, wo 二 — g[ F(Q,V3W,Z)]+ polMgt Q+X]}+4,[M, - V+ T(H) - Y] (5-36) 最 大 值 问 题 的 一 阶 条 件 已 由 Pattanayak(2001) 给 出 并 假定 U 和 下 具有 ”确保 效用 最 大 化 二 阶 条 件 成 立 ”的 各 种 性 质 。 因为 W 是 生产 者 利益 ,基础 流 的 增加 (干旱 减轻 ) ,通过 生产 过 程 增加 了 农户 福利 2&，, 它 的 值 是 用 利润 的 增加 值 dx 来 测量 的 ,这 里 的 dr 等 于 边缘 WTP, 即 dWTP。 该 dx 是 外 源 收 入 量 d 正 。 经 推导 (Pattanayak ,2001) 得 出 du =0=~>dWTP= - 2 - -$-Fy= [J+ Fo* Quy +2, Vw ee Oe | Nera Powe (5-37) ec 当 农 户 面 对 市 场 引起 的 虚 价 格 时 , 这 种 “阴影 "边缘 利润 就 会 出 现 ( 关 于 阴影 价格 的 概念 , 详 见 Jacoby 1993 年 发 表 在 Review of Economic Study 的 第 60 卷 第 903~921 页 的 论文 )。 Pattanayak 等 (2001) 的 研究 表明 ,水 文 模 造 可 以 同 应 用 微观 经 济 理 论 .计量 经 济 学 方 结合 起 来 以 评价 一 个 复杂 的 生态 系统 :在 一 个 发 展 中 国家 的 农耕 区 内 ,森林 繁茂 的 河 125 流 流 域 所 形成 的 减轻 干旱 作用 。 干 时 减轻 作用 可 以 用 农户 边缘 利润 来 评估 。 据 推导 , 利 润 变化 是 测定 环境 作用 (实际 是 水 文生 态 动力 作用 ) 的 适宜 量 数 。 该 研究 用 确定 性 的 微分 方程 模式 作 理 论 上 的 说 明 ,又 利用 印度 尼 西 亚 东部 的 数据 作 了 统计 分 析 与 综合 。 指 出 保护 流域 生态 环境 ,对 于 农业 经 济 的 效果 。 为 人 们 优化 流域 生 态 环境 一 一 这 是 一 种 从 水 文 、 森 林 , 即 非 生物 和 生物 生态 动力 源 方面 ,优化 控制 农耕 地 生 态 动力 源 一 一 提供 科学 理论 依据 。 所 以 说 , 它 对 于 宏观 生态 控制 研究 有 一 定 学 术 价值 和 实用 意义 ,为 有 关 部 门 决策 提供 科学 依据 ,也 是 生态 学 \ 水 文学 、 森 林学 市 场 经 济 学 共同 协作 ,为 生态 经 济 控制 服务 的 一 种 新 方法 。 当 然 , 由 于 这 方面 涉及 的 因素 十 分 复杂 , 现 有 资料 和 模式 ,暂时 不 能 很 客观 地 反映 其 中 的 规律 ,误差 难免 。 有 待 今后 应 用 中 改进 。 我 国 七 大 江河 流域 ,农耕 地 面积 广阔 ,流域 内 森林 履 被 差异 悬殊 ,如 能 参照 有 关 方 法 加 以 研 究 ,会 对 水 文生 态 与 经 济 发 展 做 出 贡献 , 当然 ,小 流域 也 可 以 做 。 三 、 生 态 农场 污水 处 理 的 使 用 最 优 控制 一 般 说 来 ,生态 农场 是 含有 农业 、 牧 业 、 林 业 、 渔 业 以 及 工厂 化 大 农业 生产 项 目的 农 场 , 其 目标 是 既 保障 生产 的 经 济 效益 又 能 使 生态 良性 循环 不 致 造成 各 种 生态 动力 源 的 污 染 。 我 们 这 节 试 以 牧 业 养殖 为 主 的 农场 为 例 , 即 牧场 在 其 中 占有 主导 地 位 ,所 以 牧场 排 放 因 为 水 中 含有 污 物 \ 水 的 富 营养 化 首先 危害 水 文生 态 动 力 源 ,并 由 此 污染 土壤 生态 动 力 源 和 和 气象 生态 动力 源 ;如 被 污染 的 水 用 于 植物 和 动物 的 水 分 供给 ,会 使 污染 物 残 留 于 其 产品 之 中 , 倘 这 些 产品 作为 食品 食物 为 人 ` 畜 食用 ,后 果 严 重 。 所 以 ,科学 地 处 理 污 水 成 为 一 项 重要 的 环保 任务 ,也 是 生态 环境 优化 的 必须 措施 。 但 以 往 的 处 理 方案 ,从 宏观 上 较 少 有 客观 定量 的 方案 ,尤其 是 沿 河流 有 多 个 单位 ,总 是 各 单位 分 别 加 以 处 理 ,如 此 的 “SAMS” 的 方案 ,从 生态 、 经 济 和 社会 效果 考虑 ,是 否 合理 ? 实用 者 似乎 未 曾 多 加 分 析 评 价 ,以 致 对 污水 控制 得 是 否 为 最 优 ,未 曾 引起 实用 管理 者 的 重视 。 下 面 阐述 作者 具 体 计算 的 模型 实例 ,以 数学 方法 演示 该 优化 控制 的 思路 和 运行 的 全 过 程 。 图 5-2 沿 河 三 单位 地 理 位 置 示意 1. 具体 问题 的 提出 和 方案 初步 选择 如 图 5-2 所 示 , 在 某 经 济 技术 开发 区 , 欲 兴建 三 个 农业 生产 单位 一 农场 ,各 单位 126 在 投产 后 , 因 生 产 流 程 的 需要 ,都 必须 向 同一 条 河中 排放 经 过 处 理 的 污水 。 为 此 ,就 一 定 要 建设 污水 处 理 厂 。 三 个 单位 ,或 者 各 单独 建立 污水 厂 , 或 者 以 不 同 的 合作 方式 联合 建 污水 处 理 厂 ,用 管道 对 污水 进行 集中 处 理 。 现在 让 我 们 用 Q 表示 污水 量 (单位 :t's |), AL 表示 管道 长 度 (单位 :km)。 根据 以 往 的 经 验 评估 ,并 用 有 关 资 料 以 概率 统计 方法 写 出 关于 建 厂 的 费用 Cr MB 设 管 道 的 费用 Cs 的 如 下 两 个 经 验 公 式 : c,=727r0 = (5-38) C364 QPL (5-39) 现 已 知 该 三 个 单位 的 污水 量 分 别 是 : Q, =3 Q,=3 Q;=5 2. 几 种 方案 及 各 自 投 资 总 额 的 计算 AR I 该 种 方案 系 由 各 单位 投资 分 别 建 本 单位 的 污水 处 理 厂 ,此 时 只 投资 建 厂 费用 ,这 样 ， 单位 工 的 投资 总 额 C(1) 便 等 于 该 单位 的 建 三 费用 Cr(1) ,其 他 单位 类 同 , 于 是 ,我 们 由 式 (5-38) 经 计算 得 出 如 下 结果 : CT ES 三 全 一 2301 (CT 92 CE 人 JE 2301 投资 总 额 为 S ,有 S,=C(1) + C(2) + C(3) =6194 方案 工 该 方案 及 此 后 两 方案 是 这 三 个 单位 ,每 两 个 单位 合作 ,共有 组 合 情 况 是 :C3 = Aj/P, =(3X2)/2! =3 种 合作 方式 。 第 一 种 合作 方式 , 系 单位 1 和 单位 2 合作 ,这 时 ,单位 1 和 2 将 从 节约 资金 的 目标 出 发 ;考虑 是 联合 建 厂 并 铺设 管道 合算 还 是 各 自 独 立 建 厂 合算 ,所 以 单位 1 和 单位 2 的 优 化 投资 控制 方案 ,应当 是 _ |R@:720X (5+3)°"" +6.4X5X0.52x 20= 3564 C(L,2) = min a (1) + C(2) = 3893 mice C(3) =2301 所 以 ,投资 总 额 S,=C(1,2) + C(3) =5865 ARI 单位 2 和 单位 3 合作 。 于 是 ,我 们 有 _ |[RA:720x (34+5)° +6.4x 3° x 38 = 3662 C(2,3)= min) 4 .C(2) + C(3) = 3893 Py a C(1) =2301 所 以 ,投资 总 额 127 S; = C(2,3) + C(1) = 5963 FRI 单位 1 和 单位 3 合作 。 于 是 ,我 们 有 _ (720 (5+5)°™ +6.4x5°™ x 58 = 4653 C(1,3) =min C(1) + C(3) = 4602 = 4602 Cla) 21592 所 以 ,投资 总 额 S,= C(1,3) + C(2) = 6194 ARV 单位 1 单位 2 和 单位 3 三 家 共同 合作 。 于 是 ,我 们 有 : 720 X (54+3+5)°™ +6.4x5°™ x 20+6.4x 8° x 38 = 5601 C(1,2) + C(3) =5865 C(1,2,3) =mini C(2,3) + C(1) =5963 = 5601 C(1,3) + C(2) =6194 C(1) + C(2) + C(3) =6194 方案 比较 比较 以 上 的 5 个 方案 ( 工 一 V ) 可 知 , 应 该 选择 三 个 单位 共同 合作 即 联合 建 厂 排污 的 方案 。 3. 费用 分 担 额 的 粗 算 : 联 合 对 策 合理 性 问题 在 经 由 上 述 计 算 过 程 , 得 知 由 三 个 单位 联合 为 最 优 控制 方案 的 结果 之 后 ,下 一 步 的 问题 就 是 各 厂 各 自 应 负担 多 少 份额 的 问题 。 单位 3 的 法 人 代表 提出 :联合 建 厂 的 费用 按 三 单位 污水 量 之 比 5:3:5 分 担 ; 主 设 管 道 费 用 应 由 单位 1 和 单位 2 负担。 单位 2 的 法 人 代表 同意 上 述 分 担 方 案 ,并 提出 ,从 单位 2 到 单位 3 的 管道 费用 由 单位 1 和 单位 2 按 污水 量 之 比 $:3 分 担 ;从 单位 1 到 单位 2 的 管道 费用 ,应 由 单位 工 自行 负担 。 单 位 1 的 法 人 代表 党 得 上 述 提 议 似 乎 是 合理 的 ,但 因 事 关 重大 ,该 法 人 代表 没有 马上 表态 ,而 是 先 算 后 定 。 4. 联合 建 厂 的 费用 计算 三 个 单位 联合 建 厂 的 费用 是 :720x(5+3+5) 空 =4587; 单 位 1 到 单位 3 的 管道 费 FAdE 6.4.x (3+5)° X38=717; 单 位 1 到 单位 2 的 管道 费用 是 6.4x5" x 38=717; B 位 1 到 单位 2 的 管道 费用 是 6.4X5"? x20=297。 如 果 按 上 述 提议 的 比例 分 担 , 各 单位 应 负担 的 费用 比例 及 数额 是 : 单位 3, 建 厂 费 用 的 比例 为 5/13 ,费用 数额 D(3) =4587X 5/13 = 1764; 单位 2, 建 三 费用 的 比例 为 3/13 ,费用 数额 D(2) = 4587 x 3/13 + 720 x 3/8 = 1329; 单位 1, 建 厂 费 用 的 比例 为 /13 , 费用 数额 D(1) = 4587 x 5/13 + 720 X 5/8 + 297 = 2511. 拿 以 上 计算 的 联合 后 的 各 单位 费用 总 额 同 各 单位 独立 建 厂 的 费用 总 额 比 较 , 结 果 是 单位 1 2511>C(1)=2301 单位 2 1329< C(2)=1592 单位 3 1764) (5-53) P,P AAD (OSPR); r 为 相对 生长 率 ;& 为 承载 容量 ;+ 为 时 间 。 关于 凤 眼 蓝 的 最 高 产量 ,近年 有 人 从 理论 上 和 经 验 上 作 过 研究 。 凤 眼 蓝 生长 的 logistic 曲 线 理 论 分 析 显 示 ,最 高 产量 是 按 如 下 方式 得 到 的 :经 常 不 断 地 只 收获 它 的 正在 生长 着 的 部 分 ,并 且 保 持 闭合 水 体 中 S,/2(S,, :logistic 方程 的 饱和 值 = 方 程 ( 5-53) 中 的 有 ) 的 生 物 量 密度 。 这 里 ,剩余 生产 量 (dP/dt) 是 : 当 忆 等 于 &/2 时 生物 量 的 最 大 生产 量 。 这 样 ， 如 果 我 们 只 收获 剩余 生产 量 dP/d: ,那么 我 们 就 能 持续 得 到 叫做 最 大 可 持续 收获 量 (maximum sustainable yield, MSY) AY Y* . 数值 Y =dP/de 将 是 最 大 的 ,并 可 写成 如 下 表达 式 : y= (5-54) 式 中 , Y* ERK A ee PRAY AE DB v 值 是 按 Lorber 等 的 研究 ,由 下 式 确定 r= | (Pyne ft* fr fo* fim ~Ru)E - D} (5-88) 式 中 , W AF PAR 2 BB BE (gem?) 5 Pry ,为 潜在 的 可 能 光合 作用 率 (g'm * +d"); For 为 温度 限制 函数 ; fy 为 氮 限 制 函 数 ; fp 为 磷 限 制 函 数 ; /ie 为 植物 密度 限制 函数 ; 尺 。 为 呼吸 作用 维持 能 力 (Ru=0.01 W);E 为 转变 效率 ( 正 =0.83);D ARI WR (g-m ， 下 利用 方程 (5- 54) 和 (5- 55) ,我 们 能 够 确定 在 凤 眼 蓝 最 大 可 持续 收获 量 时 的 已 收获 的 生物 量 Y” ,并 可 以 把 它 改写 为 如 下 的 形式 : 人 有 aas 人 et Ry) E ~ D} (5-56) 在 计算 中 ,须根 据 栽 培 条 件 和 数据 来 源 确定 有 关 物 理 参数 值 以 作为 生态 动力 源 因子 。 根 据 推导 和 实际 观测 ,可 以 找 出 fy 与 WA( 水 中 无 机 氨 浓 度 ) 的 关系 式 及 户 与 We KPH 机 磷 浓 度 ) 的 关系 。 134 这 样 , 当 Wy 和 Wp 被 定 出 来 的 时 候 ,通过 收获 风 眼 蓝 ,从 水 中 除去 的 N 和 了 以 及 MSY 就 能 够 由 该 模式 计算 出 来 。 收 获 生 物 量 和 营养 物质 除去 量 , 取 决 于 水 中 营养 物质 的 浓度 和 风 眼 兰 生 长 的 面积 。 从 生长 面积 来 说 ,如 果 增 加 面积 , 则 有 利于 营养 物质 的 去 除 。 为 此 ,可 以 扩大 湿地 和 水 库 的 面积 ,比如 在 居民 建筑 物 周 围 ,在 旅馆 和 公路 附近 , 设 置 池塘 。 这 就 意味 着 在 废水 进入 水 道 之 前 ,用 生态 方法 处 理 了 它 。 第 四 节 与 动物 \ 含 人 ) 有 关 的 确定 性 模 造 关于 动物 (包括 人 ) 的 确定 性 生态 控制 模式 ,一 般 是 以 微分 方程 为 基础 的 。 这 些 模式 给 出 的 结果 可 用 于 对 动物 ( 含 人 ) 群 体 生长 发 育 、 繁 殖 和 疾病 防治 的 研究 ,所 以 说 也 是 生 物 医 学 基础 的 生态 控制 原理 的 一 个 组 成 部 分 。 一 、 确 定性 微分 方程 的 差分 近似 等 及 在 动物 ( 含 人 ) 生 态 控制 中 应 用 在 生态 学 中 ,人 们 熟知 的 一 种 模型 是 用 常 微分 方程 表示 的 logistic 模型 ; ae =rp(1- a 式 中 的 时 间 上 是 连续 变化 的 。 ees 用 中 ,有 时 接触 到 具体 问题 ,往往 用 离散 化 的 时 间 (\ 人 们 通常 用 时 段 ) 来 研究 问题 更 为 方便 。 如 果 我 们 取 时 间 间 隔 At=1, 那 么 就 可 以 根据 logistic 方程 给 出 的 确定 性 关系 , 写 出 如 下 形式 的 方程 : Pasi P= rby (1-22 | w=0,1 25%: tk bp, at Pr ™ kere ~p,) k(1+,r) = BT ae (1-2) 四 Pet = PLUt x) = p,(1+r) os 1+7r,r(1tr) Pn | ~ Pn Freda Ltr [1-2 | k+ kr = rp, k(1+r) = k(1+r)__ rP, =e EGS AED | =p,(1+r) = gett 1) Loe al (5-57) A? b=1+r 135 kR(1+ Pr DEE) cy : Mst (5-57) TUBA = es nae pT coat fe Te Pari = bp, | 1 (1it+r)k 要 | = bp, (1- Fy ] bp, = bp, —] In Bp b “Pay, = bp, Pst 这 是 一 个 一 阶 非 线 性 差分 方程 ,在 实际 应 用 过 程 中 ,在 给 出 初 值 w 后 , 便 可 用 计算 机 递 推 计算 出 yi ,yz ，… 下 面 计 算 两 个 生态 控制 方面 的 例子 。 1. 流行 病 传 播 控 制 期 的 确定 与 控制 在 流行 病 传播 期 间 , 需 在 一 定 的 时 期 内 加 以 控制 。 根 据 病 情 确 定 控 制 期 的 时 间 应 适 当 。 比 如 在 牧 业 中 ,隔离 控制 时 间 太 短 ,控制 不 力 ,会 使 疫情 再 度 复发 ,影响 牧 业 生产 效 益 ; 反 之 ,隔离 时 间 过 长 ,也 会 影响 正常 的 外 出 放牧 时 间 ,也 影响 牧 业 生产 效益 。 为 了 合 理 控 制 ,就 要 计算 控制 的 时 段 长 度 。 假设 某 个 牧场 有 500 只 羊 ,最初 发 现 只 有 一 只 患 病 ,如 果 所 有 羊 都 是 易 感 者 , 设 表示 ?天 后 染病 羊 的 只 数 , 则 500 - 表示 尚未 感染 羊 的 只 数 。 那 么 ,从 第 ”天 到 第 (> +1) 天 ,感染 的 只 数 变化 为 Ag, Foca si 由 兽医 学 研究 成 果 已 知 , 这 个 用 差分 表示 的 变化 ,不 仅 与 已 感染 的 只 数 成 正比 ,也 与 尚未 感染 的 只 数 (500 - y, ) 成 正比 。 于 是 ,可 以 得 出 离散 阻 滞 增 长 模型 , 即 方程 组 (&>0, 常 数 ) yo=1 实际 上 ,这 是 一 个 一 阶 非 线性 差分 方程 。 比 例 系 数 站 叫做 传染 率 。 由 实验 数据 ,通过 点 绘 Aw AAXtF y, (500 - 办 ) 的 图 形 , 作 直线 近似 ,该 近似 线 的 斜率 就 是 &。 如 果 已 知 太 = 0.002, 则 有 ib = y, +0.002y, (500 - y, ) yo=l 由 迭代 法 ,得 出 每 天 感染 数 , 即 Yo =1, 91 =2, 92 20 二 8 三 16,25 二 31 325 三 60， y7 = 113, yg =201, yo =321, vio = 436, y1, = 492, yy. 三 900，… FUR ATL EF eH AA KR TA SE, FETA RE, (AK ate oom 速 。 所 以 ,应 该 在 开始 一 周 内 及 时 采取 合理 的 生态 控制 策略 ,集中 力量 ,如 尽量 多 投入 药 物 等 ,以 控制 病情 蔓延 。 2. 自然 保护 区 内 捕食 者 一 食 包 恢复 生态 平衡 时 间 的 计算 在 自然 保护 区 (如 海岛 山区、 封闭 湿地 ) 内 ,生态 平衡 的 维持 时 间 , 是 人 工 生 态 动力 136 源 作 必要 控制 的 前 提 条 件 。 如 能 科学 计算 出 这 样 的 时 间 , 就 赢得 了 优化 生态 控制 的 主动 权 。 在 未 达到 生态 平衡 时 ,对 保护 区 不 施 以 人 工 生态 动力 源 ,而 在 达到 平衡 后 ,再 行 必要 调节 。 这 种 计算 , 仍 是 从 经 典 的 捕食 者 - 食 饵 的 Volterra - Lotka 模型 出 发 。 由 该 模型 Be mee) dt ere = (-c+hx)y 方程 中 ,z 表示 食 饵 ; y RHBRFA 3 a,b,c,h BAKTFONRR, 对 上 述 连 续 方 程 作 离 散 化 处 理 , 可 以 得 出 相应 的 差分 方程 。 先 将 时 间 离 散 化 为 时 段 ,每 个 时 段 相差 1 个 时 间 单 位 , 即 总 有 条 件 At, =1 RED ”个 时 段 后 , 食 饵 的 数量 为 z, ARBRE y, ,与 微分 方程 比较 ,得 出 与 微 分 方程 相对 应 的 如 下 两 个 差分 方程 Rr ae OD, J Nye Youd tae Sak esc) AP a,c RM A—ABAFEN BBG 5 6,h RMBRBAR. KEM a,b,c,h WKF 0. 假设 某 自然 保护 区 内 ,在 维持 自身 的 生态 平衡 时 ,最 初 食 饵 为 400 ,捕食 者 为 10 ,而 系数 - a=0.003 6=0.0001 c=0.09 h =0.0002 这 样 一 来 ,描述 该 系统 的 离散 模型 为 Invi =(1+a)z, - DR 区 =(L eget hay Xo = 400, yo = 10 将 系数 值 代 和 人 后 得 Yn+1 =0.91y, +0.002z,+¥, Xo = 400, yo =10 因为 初始 值 已 知 , 所 以 可 用 迭代 法 进行 计算 。 现 录 下 其 中 几 组 主要 数值 第 30 天 XL = 425, yo =8 第 60 天 Xo = 454, veo =7(min) 93176 K x 1476 = 550( max), y175 = 30(max) 第 250 K x59 = 360( min) ,yz = 30( max) 第 408 K = x4og = 400, yaog = 10 这 说 明 ,大 约 经 过 408 天 ,该 保护 区 内 捕食 者 与 食 饵 又 恢复 了 生态 平衡 。 3. 飞 蛾 的 生态 控制 一 个 植物 保护 试验 项 目 , 须 释放 飞 蛾 。 由 于 受到 气流 温度 等 多 种 生态 动力 因子 的 137 区 =1.003z, 一 0.0001Z,y， 影响 ,每 周 释放 后 存活 率 为 >=85% , 设 每 周 释放 10x 10° 只 , 试 计 算 10 周末 飞 蛾 数 。 因为 连续 10 周 释放 ,所 以 空中 存留 飞 蛾 数 是 前 一 天 的 85% ,加 上 本 次 释放 数 可 得 Sio=10x10*+10x104x0.8$+10x10:x(0.85) 十 …+10Xx104Xx(0.85)? (0.85)° fa, 4 =10x10° x ~0.85 = 51.9% an 二 、 疙 疾 的 时 空 动态 及 其 生态 控制 策略 一 一 用 数学 模 造 演示 的 机 理 模 式 从 医学 科学 史 得 知 ,关于 闪 疾 病因 的 研究 ,经历 一 两 千年 的 漫长 探索 的 历史 。 但 从 古 罗 马 医 生 最 早 的 认识 看 来 ,他 们 曾 注意 到 环境 的 作用 ,尽管 人 们 在 17 HABE SI “A 泽 地 上 空 有 害 气 体 ” 为 猎 疾病 源 的 说 法 ,尽管 这 说 法 未 能 说 出 病源 ,但 涉及 的 湿地 ,人 们 已 注意 到 了 。 直 到 19 世纪 ,人 们 才 正 确认 识 到 小 蚊虫 是 闪 疾 的 传播 者 。 现 代 传 染病 学 Cae: EREARER RRS RHE RMA, EB HEM (Anopheles) Mw 传播 。 在 我 国 最 重要 的 按 蚊 是 中 华 按 蚊 ( 见 杨 绍 基 , 传 染病 学 ,人 民 卫 生出 版 社 ,2002)。 蚊子 叮咬 人 ,使 人 患 病 ,这 是 一 种 生物 性 质 的 生态 动力 源 和 汇 的 关系 以 及 蚊子 这 样 生态 动力 媒介 作用 。 但 以 往 多 年 ,尤其 是 国内 ,对 这 种 关系 及 闪 疾 流行 与 人 群 迁 移 、 访 问 关系 的 认识 , 仍 停留 在 感性 认识 和 一 般 的 描述 性 理论 说 明 阶 段 ,这样 人 们 就 很 难 用 现代 手段 控制 该 种 疾病 的 流行 。 近 10 年 来 ,有 些 人 用 微分 方程 建立 模型 。 1. 几 种 数学 模式 (1)Ross-Mac Donald 模式 设 N 和 M 分 别 是 人 和 蚊虫 的 总 数 。 又 设 y Ay 分 别 是 蚊虫 叮咬 后 人 的 恢复 率 和 蚊 WTR, PA lly HABER REN ,1/w 是 蚊虫 生命 的 数学 期 望 。 每 个 蚊虫 对 每 个 人 的 叮咬 率 是 8。 在 这 里 ,假设 人 和 蚊虫 总 数 是 不 变 的 。 如 果 X(t) 和 Y(t) PH 在 时 间 ¢ 感染 闪 疾 的 人 数 和 蚊虫 数 ,那么 该 系统 的 动态 就 可 以 用 如 下 的 两 个 微分 方程 描 述 : ANC!) — BY(D)GON-X(D))- 7X() (5-58-1) dV CE) — ex (e)(M— Y(t) ~ p¥(t) 在 该 模式 中 ,为 确定 疾病 固定 的 条 件 ,方程 (5 - 58 - 1) 可 表达 为 dX ap Ol XY) (5-58-2) d¥ G(x Y) 138 B NM — Xu _ | BCMB+ 7) 8’ NM — Yu BCNB+ «) 对 于 疾病 成 为 固定 的 情形 来 说 ,必要 的 条 件 是 wi 呈 不 稳定 的 平衡 态 。 这 就 相当 于 说 ,在 uy AbTA PY AY FTE (5 — 58 — 1)Jacobi 阵 3aG， aG OX oY ac， ”ac， (5-58-3) ox OY ut, 有 一 个 正 实 部 分 优势 本 征 值 。 估价 方程 (5-58--2) ,我 们 得 到 本 ah = Alay i (5-58-4) 矩阵 4 的 本 征 值 是 方程 |A-AI|=0 (5-58-5) 的 根 A. MATH (5-58 -4) Bz + (y+ p)aA+ (Yu - BNM)=0 (5-58-6) 可 以 看 出 , 它 的 两 个 根 都 总 是 实数 。 其 优势 本 征 值 是 (xp) ty a NM) (5-58-7) 当 B’ NM> Yu (5-58-8) 时 ,\5- 5358-6) 是 正 值 。 这 样 ,方程 (5- 38 一 7) 就 是 疾病 成 为 稳定 的 条 件 。 2) 迁移 模式 在 该 模式 中 ,我 们 假定 在 单位 时 间 内 ,人 从 地 块 站 迁移 到 地 块 )( 并 无 返回 者 ) 的 比例 Fe ej. Wn, (t) ATTA] 上 在 ; RAGA, Min (4) = Ne。 那么 ,说 明 该 系统 动态 的 方 程 是 dele) = .nj(t)- Deyn (t) 本 X(4)) 7% (2) iy et 一 2eiX: (t) (5-59) AY = px,(r)|™- v.(¢) |= p¥.(2) AP,i,j=l1,-',a 为 简便 起 见 ,我 们 假定 ej =e(i,J=1,…,a)。 因 此 ,如 果 总 人 数 是 均匀 分 布 ,那么 每 个 地 块 就 有 N/a 人 个人。 这样 ,方程 (5$ - 59) 就 成 为 : 139 RE - x,(e)] ~ YX: (1) + e 2X; (¢) —(a-1)eX;(t) = ax,()[M— ¥,(e) |= py.(2) (5-60) 2 (3) 访 问 迁 移 模式 在 这 里 ,假定 在 时 间 Ti (时 间 单位 的 一 部 分 时 间 ), 有 一 些 人 从 地 块 ; 去 地 块 7 进行 访问 。 在 那 次 访问 之 后 ,这 些 人 又 返回 其 原来 所 在 的 地 块 。 假 定 人 是 星 均 匀 分 布 的 , 描 述 该 系统 动态 的 方程 是 = py, (t)| * - x,(z)]-9X,(2) + pr, |X - x,(2) ] Ce) (5-61) 人 ) = 有 | 和- Ex,(2)T, |[M- v.00] 人 式 中 ,7J=1, ,ao。 方程 (5- 61) 是 考虑 到 季节 性 寄主 的 一 种 订正 模式 。 为 简便 起 见 ， 假定 =T(GiJ=1, ,aa)。 这 样 方程 5- 61) RMA a ip = py, (t)[*— x, (4) |= x(t) Te. A ) 2 i ( ) +an[ 8 xo] Bac weed | ¥,(2) |-p¥i(e) a ae 对 于 每 个 模式 ,都 能 得 到 疾病 处 于 稳定 状态 的 条 件 。 首 先 ,针对 疾病 未 发 生地 方 一 般 平衡 状态 ,通过 计算 ,得 出 微分 方程 系 的 Jacobi 阵 。 该 矩阵 的 本 征 值 ,随后 得 到 。 对 于 疾病 变 为 稳定 状态 来 说 ,有 正 实 部 分 的 优势 本 征 值 是 必要 的 。 确 保本 征 值 具有 正 实 部 分 的 条 件 , 同 确保 疾病 有 正平 衡 的 条 件 是 一 样 的 。 这 同 “疾病 的 基本 再 生 率 高 于 1 7 这 个 保 障 条 件 也 是 一 致 的 。 对 于 具有 变动 性 的 异 质 环境 的 两 个 模式 来 说 ,我 们 也 就 地 块 间 联系 强度 的 不 同 值 (也 就 是 说 e 值 和 开 值 ) 作 数值 模拟 。 通 过 这 些 模拟 ,得 到 达 平 衡 状态 所 须 的 时 间 和 疾病 流行 稳定 持续 时 间 。 这 项 模拟 是 以 四 阶 Runge — Kutta 方法 求 微 分 方程 的 数值 解 。 现 可 用 的 软件 很 多 。 3. 结果 和 应 用 (1) 并 疾 成 为 稳定 状态 的 条 件 表 S$-1 示 不 同 模式 中 并 疾 稳定 发 生 的 条 件 。 140 表 5-1 在 各 种 模式 中 并 疾 成 为 稳定 状态 的 条 件 模式 et Ross ~ MacDonald( 环 境 和 连续 , 即 不 分 为 几 个 部 分 ) pPNM> yu 分 成 几 个 部 分 ,没有 关联 EM>w 分 成 几 个 部 分 ,有 迁移 ENM> », 分 成 几 个 部 分 ,有 访问 ENMO+ TY Sy 表 中 所 示 条 件 是 用 严格 的 数学 推导 得 出 的 ( 见 Torres - Sorando,1997)。 没 有 运动 性 的 环境 使 疙 疾 很 难 达到 稳定 状态 。 在 分 成 几 部 分 的 环境 条 件 下 ,迁移 型 没有 差异 。 然 而 ,在 因子 (1+ 7) 总 是 正 值 并 大 于 1 的 情形 下 ,在 分 成 几 部 分 的 环境 中 ,访问 型 容易 使 疙 疾 达到 稳定 状态 。 (2) 在 异 质 环 境 和 运动 性 条 件 下 ,对 模式 的 数值 分 析 图 $-3 和 图 5$- 4 表示 异 质 环 境 和 地 块 之 间 运 动 条 件 下 的 模式 中 , 闪 疾 达到 稳定 所 须 时 间 的 一 半 。 就 两 种 类 型 的 运动 性 (迁移 和 访问 ) 来 说 ,运动 强度 越 大 ,达到 平衡 的 时 间 就 越 长 。 这 两 个 图 也 显示 两 个 模式 的 平衡 流行 (equilibrium prevalence) 情 况 。 结 果 显 示 ,在 一 个 分 成 几 个 部 分 的 情形 下 ,在 地 块 之 间 , 人 的 迁移 率 高 且 不 返回 原 地 的 时 候 , 系 统 容 易 达 到 平衡 流行 状态 。 但 是 ,在 人 访问 其 他 地 块 并 返回 其 原 地 块 的 时 候 ,使 访问 者 受 影响 时 间 的 增加 ,会 使 该 系统 更 迅速 地 达到 较 严 重 的 流行 状态 。 (3) 在 闪 疾 控制 策略 中 的 应 用 以 上 的 研究 结果 对 公共 卫生 控制 策略 的 制定 与 实施 是 有 意义 的 。 显 而 易 见 ,环境 被 分 成 互 不 联系 的 几 个 组 成 部 分 , 必然 减 小 准 疾 达到 稳定 状态 的 机 会 。 因 此 ,将 易 受 感染 的 一 个 大 区 域 分 成 几 个 部 分 ,使 各 部 分 之 间 扳 立 存 在 ,是 减少 首 疾 稳定 发 生 状 态 的 一 种 好 的 控制 策略 。 如 果 某 一 部 分 地 块 的 人 频繁 去 其 他 地 块 ,再 返回 其 原来 居住 的 地 块 , 上 述 控制 策略 的 有 效 性 将 会 降低 。 上 述 策略 的 改进 ,实质 上 是 调整 可 能 传染 并 疾 病 的 人 和 群 这 种 生态 动力 汇 ,减少 蚊子 这 种 生态 动力 媒介 作用 于 人 体 并 通过 叮咬 将 闪 原 虫 这 种 致 病 生态 动力 源 注 人 人 体 的 措施 。 而 生态 控制 策略 , 正 是 通过 调节 生物 与 生物 之 间 关 系 实 现 的 ,当然 这 与 药物 防治 、 环 境 治理 等 措施 是 相互 促进 的 。 从 以 上 论述 可 知 ,控制 策略 的 取 得 是 对 疙 疾 传播 机 理 作 数学 模 造 的 结果 。 数 学 模 造 方法 的 有 效 性 是 以 如 下 事实 为 基础 的 : 它 允 许 人 们 对 这 些 效果 作 定 量 预测 。 在 今天 , 闪 疾 仍 有 流行 ,比如 肯尼亚 在 2002 年 6 月 爆发 准 疾 ,该 国 西部 报告 15.8 万 例 , 至 7 月 初 已 有 294 人 病死 。 所 以 , 闪 疾 流行 生态 控 制 仍 很 重要 。 三 捕食 者 - 食 饵 繁殖 最 优 决 策 :确定 型 模式 在 生物 环境 中 ,现时 的 繁殖 状况 ,会 影响 未 来 的 种 群 规模 ,但 未 来 的 种 群 规模 变化 也 可 能 影响 现行 繁殖 决策 的 最 优化 。 为 找 出 相应 控制 规律 , 作 捕 食 者 - 食 饵 动态 研究 。 1. 基本 控制 方程 与 最 优 繁殖 决策 设 X 和 Y 分 别 表示 食 饵 和 捕食 者 种 群 。 幼 态 ( 幼 年 , 即 不 成 熟 ) 的 参数 ,全 用 小 写 的 141 (a) 二 分 之 一 /月 达到 平衡 时 间 的 (b) no 平 衔 流行 /人 数 394 迁移 时 间 上 AS-3 就 迁移 模式 的 模拟 结果 参数 值 是 :8=0.0025. 月 -1,N=5000,M=10000,y=0.33. 月 -1,w=4: 月 -1。 有 两 个 地 块 。 模 拟 是 从 一 个 地 块 的 工 个 被 感染 的 人 和 10 头 被 感染 的 蚊子 开始 的 。(a) 达 到 平衡 所 需 时 间 的 二 分 之 一 ;(b) 在 平衡 条 件 下 被 感染 的 人 数 。 zy, 作 为 下 标 来 表示 。 假 定 在 一 代 之 后 , 幼 态 进 入 成 熟 (成 年 ) 种 群 ,于 是 成 熟 种 群 规律 可 被 用 作 密 度 依赖 关系 的 基础 。 从 一 次 繁殖 机 会 到 下 一 次 繁殖 机 会 的 成 活 概率 ,对 于 成 熟 者 和 未 成 熟 者 ,分 别 用 S. AS, 表示 ,繁殖 规模 用 m, 表示 。 食 人 饵 动态 服从 如 下 方程 : X(Ct+I1)=X(Ct)LS。(XCz)，Y(Ct) m,(t)) + m,(t)s,(X(t), Y(t), m,(t))] (5-638 同样 ,对 于 捕食 者 有 7 + mys, (X(t). Y(t), m,(t))] (S >63—2) 该 模式 是 Kokko 和 Ranta(1996) 模 式 的 推广 。 将 改变 繁殖 规模 (作为 备 选 ) 的 可 能 性 与 繁殖 的 完全 抑制 相 结 合 。 最 优 繁殖 规模 m, Mm, ,将 从 S 和 3 对 X,Y Sm 的 依赖 关 系 得 出 。 在 二 倍 体 的 情形 下 ,具有 重 迭 世代 的 有 性 繁殖 种 ,在 时 间 上 的 最 优 行为 个 体 , 将 142 (a) 二 分 之 一 /月 达到 平衡 时 间 的 a 0.01 0.10 (b) % < 让 2 € a 0.01 0.10 迁移 时 间 t AlS-4 用 访问 模式 的 模拟 结果 参数 值 是 :8=0.0025 .月 -1:,N=5000,M=10000,y=0.33 :月 -1,w=4' 月 -1。 有 两 个 地 块 。 模 拟 只 在 一 个 地 块 ,从 1 个 被 感染 的 人 和 10 头 被 感染 的 蚊子 开始 。(a) 达 到 平衡 所 需 时 间 的 一 半 ;(b) 平 衡 时 受 感染 的 人 数 。 使 它们 自身 繁殖 值 的 和 达到 最 大 ,而 它们 的 后 代 , 在 时 间 上 +1, 将 被 以 关系 度 六 的 系数 与 从 第 上 阶段 到 第 上 +1 阶段 成 活 概率 S; (t) DN (Kokko and Ranta,1996)。 现 假定 在 时 I) 上 产生 的 个 体 到 时 间 z+1 成 熟 , 这 种 成 熟 标志 雌雄 对 繁殖 的 下 一 次 机 会 。 这 样 一 来 ， 繁殖 值 Vi +1) 关 系 到 那些 完全 由 假定 辨识 的 成 熟 个 体 。 这 样 ,对 于 食 饵 和 捕食 者 来 说 ,将 取得 最 大 值 的 数值 分 别 是 V.=S.(X,¥,m,) +5 m,S,(X,¥,mz) (5 一 64 一 1) V, =S,(X, ¥,m,) +5 m,8, (X,Y, my) (5-64-2) 为 导出 最 优 繁殖 决策 ,必须 对 S, AS, 的 函数 形式 作出 假定 。 两 者 很 可 能 都 是 m, 的 减 函 数 :雌雄 对 的 成 活 率 随 雌雄 对 的 努力 而 减 小 ,并 且 , 每 个 后 代 的 成 活 率 随 着 同胞 数 目 而 减 小 。 对 于 成 熟 、 幼 态 食 饵 及 成 熟 、 幼 态 捕食 者 ,成 活 可 能 性 模式 可 写 为 如 下 形式 143 S,(X, Y,m,) =S,(X, Y,0)exp( — a,m,) (5-634) S,(X,Y,m,)=5,(X, Y,0)exp( - a,m,) (5-65~=2) S,(X, Y,m,)=S,(X, Y,0)exp( — a,m, ) (4-65-3) S,(X,Y,m,)=5,(X, Y,0)exp( - a,m, ) (5- 65-4) ( 即 繁殖 规模 以 相同 因子 影响 雌雄 对 和 后 代 )。 将 方程 (5- 65 -1) 和 方程 (5-65-2) 代 人 方程 ( — 64-1) 并 求 微 商 得 V ee = exp( —a,m,) x | 二 二 六 YO) +0.5[5,(X, Y.) — a.mS_(X,¥ ,0))} (5-66) Rt OV,/Om, =0 求 解 , 则 得 出 食 饵 最 优 繁殖 规模 mi 的 如 下 表达 式 : é “P72 re ae m, (X,Y)= 7 "5. (X,Y,0) (5-67-1) 对 于 捕食 者 ,与 食 饵 相似 的 捕食 者 最 优 繁殖 规模 ,mm， 的 表达 式 如 下 : (= 上 (5-67-2) rd s(X, Y,0) 这 些 结果 说 明 : 如 果 X 或 了 的 变化 造成 成 熟 者 对 幼 态 者 比率 一 一 对 于 食 饵 ,S./3。 或 对 于 捕食 者 ,S,/3, 一 一 增加 ,最 优 繁殖 规模 将 会 减 小 。 2. 可 应 用 对 象 、 现 况 及 未 来 在 上 述 动态 方程 形成 之 前 , 曾 有 过 的 关于 捕食 者 的 研究 是 Korpimaki FHT BSS ( Aegolius funereus ) ,Pietiainen 以 及 Kolunen 研究 过 的 长 尾 林 网 (Striz uralensis ) ,South- ern 研究 过 的 灰 林 网 (Striz aluco ) ,Houston 和 Francis #F3E Lt Hh) KRESS ( Bubo Virginia- nus ) ,Portenko 研究 过 的 雪 鸡 (Nyctea scandiaca ) , Hagen 研究 过 的 毛 脚 于 (Buieo lago- pus ) ,Simnmons BFF xt AY BBS ( Circus cyaneus ) ,Sulkava 研究 过 的 苍 认 (Acciziter gen- tilis) ,Korpimaki 和 Wiehn Ff 3% it BY Kk WL 20 & ( Falco tinnunculus ) 以 及 Angerbjorn 等 、 Kaikusalo 等 Tannerfeldt FE xt 89 At tM ( Alopex lagopus). WHRA DEA BAF 涉及 上 述 捕食 者 一 食 饵 动态 ,会 取得 更 进一步 认识 。 对 于 自然 保护 区 、 森 林 公园 及 野生 动物 园 ,应 用 优化 动态 方程 并 作 繁 殖 决策 ,可 使 其 中 捕食 者 一 食 饵 动态 平衡 趋 于 长 期 优化 。 在 农业 减灾 实际 应 用 方面 ,如 果 用 类 似 方 法 处 理 天 敌 与 害虫 关系 ,使 天 敌 繁 殖 走向 科学 化 ,对 于 生态 农业 发 展 ,无 疑 会 有 指导 意义 。 但 这 些 工 作 的 开展 \ 有 待 结 合 比较 具体 的 捕食 者 - 食 人 饵 研究 对 象 ,对 方程 加 以 改进 ,使 模式 更 加 完善 ,并 取得 适应 于 具体 对 象 的 解析 解 、 数 值 解 ,必要 时 与 随机 方法 结合 应 用 。 \ 有 协助 乌 情 形 下 , 巢 中 性 别 比率 的 最 优化 在 许多 合作 繁育 动物 的 情形 中 ,在 生命 史前 期 所 产后 代 , 有 助 于 生育 肉 雄 对 “随后 的 繁殖 。 这 样 的 协助 动态 通常 限于 某 一 个 性 别 的 后 代 。 性 别 联盟 理论 (Sex allocation theory) 指 出 :生育 雌雄 对 ”过量 产 出 协助 的 后 代 ,但 是 一 般 认 为 ,所 预期 的 性 别 比率 程序 的 偏 斜 度 ,取决 于 雄 峻 动物 生命 史 的 特定 情况 。 这 要 从 理论 上 加 以 检验 。Pen (2000) 提出 的 最 优化 理论 ,有 助 于 优化 控制 性 别 比率 ,针对 的 是 鸟巢 中 的 乌 ,这 首先 对 于 自然 保 144 护 区 `\ 湿 地、 森林 公园 中 ,优化 雌雄 鸟 比率 ,达到 生态 平衡 有 意义 。 其 次 ,所 论 的 确定 性 数 学 模型 方法 ,对 于 其 他 动物 的 研究 ,也 有 价值 。 简 介 如 下 : 1. 性 别 比率 均匀 性 的 调节 我 们 假定 模式 机 体 (model organism) 生 活 在 一 种 季节 性 的 环境 中 ,每 季度 繁殖 一 次 ， 没有 外 界 协助 者 介入 ,受孕 的 肉 鸟 平均 生 m TADSAS HDS ,这 里 m=scu Ml f=(1-s)c (5-68) APs 是 在 容量 为 c 的 一 个 鸟 群 中 公 幼 岛 的 比例 ;ww 和 ,分 别 表示 到 下 一 个 季度 , 公 幼 鸟 和 肉 幼 鸟 成 活 的 概率 ,我们 假定 性 别 比率 * 在 母系 控制 之 下 ,但 是 在 父系 控制 情形 下 ， 有 完全 相同 的 结果 。 BK b,, Mb, 分 别 为 测量 公 幼 鸟 和 肉 幼 鸟 的 贡献 , 即 一 个 成 肉 鸟 有 h,, 个 起 协助 作用 的 公 幼 鸟 和 7 个 起 协助 作用 的 肉 幼 鸟 ,那么 ,该 成 肉 乌 产 (1+ bj + 8jr) 大 个 瞧 幼 乌 和 (1+ 万 + bhp )m 个 公 幼 岛 。 假 定 协 助 者 数目 对 额外 生产 的 亲子 数目 ,有 附加 作用 , 设 hn Mh, 是 起 协助 作用 的 公 幼 鸟 和 肉 幼 鸟 的 平均 数 ,并 设 H=1+5,h,, + bho DE, HE MSF H, 个 公 幼 鸟 和 互 / MEWS, ,从 一 个 季度 到 下 一 个 季度 ,已 生育 肉 鸟 存活 概 率 旋 被 假定 为 与 生产 性 别 比 率 无 关 , 因 此 与 协助 者 数目 无 关 。 (1) 最 大 化 生产 准则 由 Smith 等 提出 的 ESS 性 别 比率 ( 详 见 Pen,1999) ,如 果 为 种 群 中 的 有 生育 能 力 的 大 多 数 肉 鸟 所 “采纳 ”的话 ,是 不 能 受 任何 突变 型 性 别 比率 sAs* 的 重大 干扰 的 。 换 名 话说 ,在 只 有 ESS 性 别 比率 特征 的 一 个 种 群 中 ,性 别 比率 为 * 有 突变 型 特征 的 已 生育 ( 幼 鸟 ) 的 肉 鸟 的 繁殖 值 wo(s,s” ), 当 =s 时 ,对 于 取得 最 大 值 。 如 果 w Mv, 分 别 是 雄 幼 鸟 和 雌 幼 鸟 的 平均 繁殖 值 ,那么 ,一 只 突变 型 的 已 生育 肉 鸟 的 繁殖 值 是 v(s,s")=pu(s,s”)+rH(s)f(s)u,(s,5* ) + r,H(s)m(s)v(s,s*) (5-69) AP, Mr, 分 别 表 示 已 生育 肉 鸟 对 它 所 生育 的 雄 幼 鸟 峻 幼 鸟 的 遗传 关系 。 假 定 已 生 BRS PRRs 也 与 其 同 代 性 别 比 率 无 关 。 那 么 ,从 着眼, 使 w(s,s”) 取 得 最 大 值 的 条 件 是 Onn’) eh Ces spas). me Cs yy 站 Os t ETE ACY 0 (5-70) 当 s=5$ 时 ,有 a) a ta wa GD alg A ie 从 AR, EIR AAS FARR OH, x H,, 的 最 大 值 。 (2) 演 化 稳定 性 别 比率 从 方程 45-68) 经 推导 得 出 , 当 dH/ds =0 时 ,ESS 性 别 比 率 *”=1/2, 又 经 推导 得 出 ,导数 dH/ds 有 简单 形式 ， RD ’ P= Hl 3 =] (S72) 将 ESS 条 件 (5-71) 代 入 得 出 结果 = Sees ee (5-73) 145 对 于 只 有 一 次 性 协助 的 情形 来 说 ,有 公式 | 人 和 ay ey: (5-74) 式 中 ,5 是 每 个 协助 者 相对 于 成 对 的 已 生育 雌雄 鸟 的 贡献 (相对 贡献 ); 厂 是 协助 鸟 的 平均 数 。 于 是 ,得 出 第 一 个 结论 :“ 起 协助 作用 的 性 别 " 对 “不 起 协助 作用 的 性 别 ” 的 演化 稳定 比率 , 减 去 工 所 得 的 差 值 ,等 于 两 参数 一 “每 介 协助 者 平均 数 ,每 一 协助 者 的 平均 贡献 一 一 乘积 的 2 倍 。 2. 可 选择 的 性 别 比率 调节 现在 假定 帮助 效益 是 随 某 一 连续 环境 变量 !( 比 如 地 域 质量 (Komdeur,1992)) 而 变 化 的 。 为 简化 起 见 ,我 们 假定 只 有 一 种 性 别 (比如 肉 性 幼 鸟 ) 有 起 帮助 作用 的 倾向 。 环 境 变量 ; ,按照 某 种 任意 概率 分 布 b(z) ,在 正规 化 范围 [0,1] 内 取 值 ,而 帮助 效益 随 着 增 加 。 这 样 ,“ 已 生育 雌雄 对 (parents) 的 ESS 性 别 比率 策略 是 :先生 产 不 起 协助 作用 的 性 别 ( 雄 幼 鸟 ) 直 到 点 c= r* 为止 , 当 : 变 得 大 于 r* 时 , 转 而 生产 起 协助 作用 的 性 别 ( 崔 幼 鸟 )。 在 环境 r* 中 的 只 生肉 幼 鸟 的 “已 生育 雌雄 对 ”, 有 桶 类 容量 C, (z ) , 雌 幼 鸟 以 概率 %(z) 成 长 ,这 说 明 在 生长 中 的 协助 作用 。 种 群 的 初始 性 别 比率 ( 雄 幼 鸟 / 肉 幼 8) M,(r° WF Cc" ) 给 出 的 ,这 里 [. C,, (t) p(t)dt M,(c") = *— (5-75-1) I. p(t)dt | cropDa(ad: 本 (5 Jae) |. p(e)ae 成 长 中 的 后 代 的 性 别 比率 , 即 次 性 别 比率 ,是 用 Ma(r* )/F Co” ) 给 出 的 ,这 里 |. Cu(e)ule) pe)de Make) = (5-76-1) if p(t)de [C(t 8() peau Fa eae Gl Cpa et (5— Ger 2) |. p(e)de 在 环境 上 中 ,相对 于 生 雌 性 幼 鸟 的 繁殖 值 , 生 雄性 幼 鸟 的 繁殖 值 w(t) ,等 于 雄 幼 鸟 的 相对 成 长 概率 w(z)/g8(z) 乘 以 成 长 中 的 肉 幼 鸟 对 雄 幼 鸟 的 比率 。 即 RS u(t) gt)Mz(r ) ESS 转换 点 c* 是 指 在 ce 生 雄 幼 鸟 . 生 雌 幼 鸟 , 有 相同 的 繁殖 值 。 换 句 话说 有 C,,( 2" ) Um Cr" )= CeCe" )v,( 2" ) (5-78) 并 经 证 明 (Pen et al. ,2000). WR u(t) (¢) ABBA ¢ HIN, ABA 146 (STE C,, (t) p(t)dt M,(r") < p(r") = u(r’ )Mi(r" ) fa 39) p(t)dt ARE, F.(c*)>p(r*). MADE, WR u(t) AM O(t) BE t WN, K(S-—79) PHASES 相反 ,我 们 得 到 Mi (r” )< Fi(r”)。 即 有 第 二 个 结果 。 第 二 个 结果 :如 果 “ 生 育 雌 雄 对 ”, 按照 协助 的 预期 效益 ,有 选择 地 调节 性 别 比 率 , 而 不 调节 聚 类 容量 至 协助 鸟 的 出 现 , 那 么 ,如 果 协 助 鸟 在 有 利 的 环境 条 件 下 诞生 ,性别 比 率 的 平均 值 ,就 偏向 于 无 协助 性 别 ; 如 果 协 助 鸟 在 不 利 的 环境 条 件 下 诞生 ,性 别 比率 的 平均 值 , 就 倾向 于 有 协助 性 别 。 如 果 当 协助 鸟 存在 “生育 雌雄 对 ”增加 其 聚 类 容量 ,Cr(r” )>C。(r”), 那 么 ,种 群 的 性 别 比 率 可 能 依 条 件 的 利弊 而 偏向 某 一 方向 。 例 如 ,如 果 pw(t)=%(t) = const, 那 么 ， Um (t* )=1/M,(c* ),or )=IRFRCr ), 并 且 由 方程 (5-78) ,Mi(r )Fi(r )。 于 是 有 第 三 个 结果 。 第 三 个 结果 :如 果 ”“ 生 育 雌 雄 对 ”, 按照 预期 的 协助 效益 ,有 选择 地 调节 性 别 比 率 , 并 且 "“ 生 育 肉 雄 对 "调节 聚 类 容量 至 协助 者 出 现 ,那么 ,性 别 比 率 的 平均 值 ,就 能 偏向 两 个 性 别 中 的 一 个 性 别 ,究竟 偏向 于 哪个 方向 ,这 取决 于 肉 、 雄 鸟 生命 史 的 详细 情况 。 五 .生物 量 谱 、 丰 度 对 生物 大 小 的 依赖 关系 :最 优 分 布 及 优化 控制 在 这 一 部 分 ,我们 将 在 “生态 系统 是 自 组织 系 统 ` 的 假定 条 件 下 ,论述 其 最 优 功能 、 最 优 结构 和 最 优 相 异性 等 问题 ,由 此 说 明 , 最 优化 只 在 一 定 的 目标 函数 和 确定 的 限制 性 条 件 下 , 才 有 其 意义 。 1. 谱 分 析 及 其 维 数 的 基本 变量 生物 量 ,种 群 数 和 体型 大 小 的 因 次 ,被 分 别 定 为 M, N 和 SS ,这 里 表示 大 小 的 可 以 是 长 度 , 可 以 是 体积 ,也 可 以 是 身体 的 质量 。B(4s) 和 P(s) 分 别 表示 生物 量 和 丰 度 谱 密度 的 分 布 函数 。 它 们 的 量 纲 是 M/S 和 /AS。 总 生物 量 和 种 群 数 总 计 可 以 用 公式 表示 为 TB= | 9 B(s)ds (5-80) TN= J ¢ P(s)ds (5-81) 式 中 ,TB 和 TN 分 别 用 M 和 六 表示。 经 过 正 态 化 处 理 和 推导 (Han,2001) ,有 B(s)=P(s)m (5-82) 式 中 ,m 是 身体 的 质量 。 而 多 个 体 的 平均 质量 是 m= J ¢ p(m)mdm (5-83) Eo ( m ) 是 质量 的 正 态 化 密度 。 2. 生物 量 谱 密度 , 丰 度 谱 密 度 的 模式 及 其 分 布 性 质 Han 等 建立 了 这 方面 的 四 个 模式 。 为 了 了 解 该 四 种 模式 下 的 谱 特征 , 现 定量 分 析 各 模式 的 分 布 性 质 ,所 用 方法 是 解析 这 些 连 续 谱 函数 的 导数 。 (1) 模 式 工 do(m) _ _ exp(- m/m) (5-84) dm m? 147 d8(m) +3(1-)exp( - m/m) (5-85) a: dm m 丰 度 谱 密度 的 分 布 函数 的 导数 总 是 小 于 或 等 于 零 , 丰 度 的 谱 密度 随 着 身体 大 小 的 增 加 而 减 小 ,在 盖 =0 时 ,达到 它 的 最 大 值 。 生 物 量 的 谱 密度 是 一 条 具有 单 峰 的 曲线 ,在 一 切 个 体 的 平均 质量 的 情形 下 ,生物 量 的 谱 密度 达到 最 大 。 《2) 模 式 荆 det) =p exp(—Ayeym' ni —A,c17,;)m"*] (S— 86) GBC) =, Lexp(-Aareym' [= aera] (5-87) 对 于 A, >0 来 说 , 丰 度 谱 密度 的 分 布 函数 总 是 小 于 或 等 于 零 。 生 物 量 谱 密度 的 分 布 函数 有 峰值 ,并 且 在 交 = [Ai ci ri]- 六 处 达到 其 最 大 值 。 (3) 模 式 焉 GBA po) im) 9 (5-88) do(m) _ _ m 中 died A 0 和 ?<0 作 了 讨论 。 结 果 表 明 :由 模式 工 描述 的 连续 谱 类 似 于 由 模式 开 描 述 的 连续 谱 。 当 AM; =0 时 ,由 模式 芭 导 出 的 连续 谱 相 应 于 由 模式 亚 导出 的 连续 谱 。 但 当 A, >0 时 ,模式 提供 了 另 一 种 谱 型 ,生物 量 谱 , 看 起 来 像 是 倒置 的 棱锥 ,生物 量 谱 密度 随身 体质 量 而 增加 , 丰 度 谱 密 度 分 布 是 单 峰 曲线 ; 4A, 有 绝对 值 较 大 的 负 值 时 ,生物 量 谱 类 似 于 对 数 尺度 区 间 内 的 经 验 生 物 量 谱 。 根据 所 给 出 的 确定 性 模型 ,不同 的 目标 函数 ,在 很 大 程度 上 是 有 关联 的 (Jorgensen， 1997)。 在 动态 的 生态 系统 模式 中 ,生态 限制 条 件 的 表达 是 可 以 相对 简化 的 ,是 由 环境 条 件 和 机 体 之 间 的 关系 来 确定 的 。 在 详细 的 生态 过 程 往 往 被 消去 的 一 般 模 式 中 ,生态 系统 水 平 的 生态 限制 条 件 是 更 复杂 的 。 关 于 生态 系统 的 大 小 结构 ,Han 用 丰 度 大 小 的 最 优 离 散 所 定义 的 目标 函数 最 优化 的 方法 讨论 了 生物 量 谱 密度 和 丰 度 谱 密度 的 可 能 分 布 问题 。 所 提出 的 四 种 模式 中 的 每 一 个 模式 ,都 只 能 配合 某 些 数据 ,而 不 能 配合 一 切 数 据 。 因 此 ， 需要 进一步 研究 生态 系统 组 织 的 目标 函数 和 某 些 比较 合理 的 限制 条 件 更 具有 普遍 性 的 表达 方式 。 3. 动物 生长 优化 控制 的 现实 方法 有 了 生物 量 和 丰 度 对 身体 大 小 依赖 关系 的 研究 结果 ,为 以 人 工 生态 动力 源 控 制 各 种 动物 的 合理 增长 提供 了 较 可 人 靠 的 理论 基础 。 但 要 真正 实施 动态 增长 的 优化 控制 ,还 需 建 148 立 必要 的 新 概念 ,研究 调节 体重 体型 的 优化 策略 。 (1) 基 本 定义 参照 《生态 动力 学 》 中 一 年 生 植物 (主要 是 农作物 ) 生 态 产量 的 概念 来 定义 动物 (主要 是 家 畜 、 家 禽 和 水 生动 物 , 也 包括 昆虫 的 成 虫 ) 问 题 中 的 生态 重量 生态 增 重 量 和 生态 增 重 率 、 相 对 生态 增 重 率 及 二 次 生态 增 重 率 的 概念 。 EM] 生态 重量 W. 及 相关 定义 我 们 将 动物 各 个 发 育 阶段 的 实际 重量 W, 分 为 三 个 组 成 部 分 一 基因 重量 双生 SHE W. 和 随机 噪声 重量 W,. HP W, 是 由 动物 遗传 基因 决定 的 , 即 由 种 子 生态 动力 源 所 能 左右 的 那 部 分 实际 重量 ,可 由 育种 者 提供 的 资料 进行 评价 ,生态 重量 OW, 则 是 将 动物 视 为 生态 动力 汇 \ 由 各 种 生态 动力 源 因 子 综合 作用 所 形成 的 那 部 分 重量 ,是 排 除了 随机 噪声 作用 和 遗传 基因 作用 的 重量 。 随 机 噪声 重量 OW, 是 由 非 遗传 基因 、 非 生态 动力 而 由 社会 因素 、 管 理 因素 促成 的 重量 。 EX] ASHER dW, KAW. 生态 增 重 量 dW, ESE ATE) AW. (UATE ) 2 AE AS oh Hy RE A Pe BE AS 重量 的 增值 , 比如 以 每 日 增 重 来 测量 (g'd”) ,对 于 这 种 离散 条 件 ,在 第 ”天 动物 的 重量 FEW nt 1 RE Wen MPA AW. = Weart) - Wan 即 为 增 重 量 的 一 个 差分 表达 式 。A 态 。 HIE, RHESBEM IAW. 为 负 值 ,表示 生 态 重 量 减少 , 即 重量 负增长 。 定义 焉 ”生态 增 重 率 生态 增 重 率 尺 是 生态 增 重 量 随 时 间 变 化 的 速率 。 用 数学 语言 表述 之 , 即 尽 是 生态 增 重 量 对 时 间 的 微 商 , 在 离散 情形 下 即 对 时 间 差 商 。 于 是 可 写 出 定义 式 或 定义 M 相对 生态 增 重 率 R, 在 某 一 生育 阶段 内 动物 都 有 一 个 最 理想 的 即 最 宜生 态 增 重 率 。 如 果 为 了 肉食 产量 的 目的 ,此 即 最 大 生态 增 重 率 。 我 们 把 动物 在 某 一 发 育 阶段 的 实际 生态 增 重 率 R, 对 该 阶段 最 宜生 态 增 重 率 Re 的 比率 称 为 相对 生态 增 重 率 尽 ,, 其 定义 式 可 以 写成 R 定义 V 二 次 生态 增 重 率 R, 生态 增 重 量 对 时 间 的 二 次 微 商 ,我们 称 之 为 二 次 生态 增 重 率 ,其 定义 式 可 以 写 为 de sin dt? 有 了 上 述 的 五 个 定义 及 相应 的 定义 式 ,必要 时 ,很 容易 依据 它们 相互 联系 的 机 理 , 建 立 并 表达 出 它们 的 相应 关系 。 149 (2) 生 态 增 重量 的 确定 在 现 有 研究 水 平 下 ,用 确定 性 的 数学 方法 和 称 重 方法 来 准确 地 给 出 生态 重量 、 遗 传 基因 重量 和 随机 噪声 重量 三 者 的 准确 比例 ,还 是 不 可 能 的 。 因 为 在 现 有 生物 学 和 计量 学 水 平 下 ,还 没有 办 法 称 量 ,只 能 测定 各 时 刻 的 动物 体 总 重量 。 但 是 我 们 可 以 仿照 生态 产 量 推测 方法 ,用 趋势 法 、 正 交 多 项 式 法 和 滑动 平均 法 等 求 出 生态 增 重 量 序列 。 具 体 论 述 这 一 方法 的 书籍 和 论文 很 多 (Yu Ximin, 1988; Yu Ximin, 1985; 42H, 2001), HAT 自行 参阅 。 (3) 生 态 增 重量 的 最 优 控制 决策 依据 不 同 的 目标 ,控制 生态 增 重量 及 相应 的 比率 ,是 动物 生态 控制 研究 的 根本 目的 。 为 了 提高 肉 用 家 畜 或 野生 动物 的 产 肉 量 , 则 需要 以 提高 增 重 率 为 目标 ,比如 让 肉鸡 早日 HE ,提高 生产 效率 ,但 对 于 有 些 动物 , 则 不 是 单纯 追求 肉 的 重量 ,而 要 求 体 重 与 身高 ( 体 长 ) 协 调 , 太 肥 了 尚 须 减 肥 ,这 就 要 根据 所 要 求 的 比例 关系 ,进行 饲料 食物 、 饮 水 、 环 境 等 营养 或 水 文 气象 生态 动力 源 调节 。 如 对 于 许多 象 类 种 群 来 说 ， AYHKBWHSSKLA 如 下 关系 : OW. 4g dL L 由 微 积 分 公式 可 求 得 其 函数 关系 是 W=CL’. HWAABAK, 只 要 知道 或 设法 求 得 C ,就 能 得 出 其 间 的 具体 数值 关系 。 如 何 按 正 常 的 需求 ,定量 地 控制 动物 (包括 人 ) 体 重 与 身高 关系 呢 ? 要 求 找 一 个 很 准 确 的 结论 并 且 是 普 适 的 , 那 当 然 很 困难 。 比 如 ,在 医学 和 生理 学 上 已 知 身高 和 体重 关系 。 如 果 比 例 失调 , 如 身高 1.70 m 的 人 ,体重 为 100 kg, 显然 是 过 重 了 , 即 人 们 所 说 的 “ 胖 子 "。 对 于 许多 动物 ,也 有 类 似 的 情况 。 要 使 成 型 的 动物 的 重量 和 长 度 比例 合适 , 待 其 长 成 后 再 行 控制 似乎 为 时 过 晚 ,而 基因 ,外界 干 扰 又 不 是 人 为 能 随时 左右 的 ,就 哺乳 动物 来 说 ,先天 基因 条 件 是 已 定型 的 ,所 以 优化 控制 体重 与 身长 (高 ) 比 例 , 须 从 生态 动力 要 素 考 虑 ,分 阶段 采取 措施 。 在 许多 方面 有 所 应 用 的 Mapxos 规划 决策 的 有 限 阶段 模型 ,用 于 这 类 问题 ,是 目前 最 为 合适 的 随机 数学 方法 。 从 过 去 我 们 在 不 同 场合 多 次 提 到 的 原理 和 应 用 来 说 ,该 模型 是 不 难 应 用 和 计算 的 。 由 于 实际 数据 的 缺乏 ,对 于 动物 分 阶段 的 观察 和 估 测 是 很 重要 的 ， 一 方面 测定 增 重 量 等 动态 , 另 一 方面 ,从 机 理 上 考虑 几 种 行动 措施 , 比如 身体 的 运动 、 环 境 温度 是 否 适 应 ( 冷 应 激 , 热 应 激 )\ 水 分 状况 、 食 物 供给 的 量 和 品种 (考虑 营养 比例 ,微量 元 素 含 量 等 ) 以 及 其 他 人 为 措施 。 有 了 状态 行动 和 相应 报酬 的 资料 ,就 可 以 算出 有 关 的 转移 概率 ,制作 表格 (具体 详 见 本 书 第 八 章 第 三 节 ) ,这 样 可 以 分 阶段 达到 平时 赋予 合适 条 件 ,达到 最 终 优化 控制 的 目标 。 为 使 各 种 生物 充分 利用 优越 生态 环境 ,避免 生态 逆境 , 随 着 技术 科学 的 发 展 , 人 们 设 计 多 种 相对 封闭 的 生物 环境 。 这 一 BB ae AE ll 畜 ( 禽 ) 舍 以 及 人 居 环 境 的 相应 控制 原理 。 150 一 温室 控制 的 数值 模拟 温室 主要 用 于 植物 栽培 ,也 用 作 动 物 、 微 生物 环境 。 掌 握 其 机 理 , 是 优化 调控 的 基 础 。 1. 模 造 过 程 温室 被 视 为 四 层 系统 :覆盖 物 ( 生 态 动力 传输 媒介 站 空气 (气象 生态 动力 源 之 载体 人 作物 (生态 动力 汇 ) 和 土壤 (土壤 生态 动力 源 载体 )。 假 定 每 种 系统 都 是 均匀 的 。 (1) 覆 盖 物 温度 经 由 覆盖 物 外 表面 内 表面 的 能 量 通 量 分 别 是 Gn = be (Dy a Tec) + (SoS eh Ghee Faas) (5-92) G 内 =h,(T;.- 人 市 (S, a S,) oP (r= E2) - 22 = ws。 ) (5-93) TET #E(5—-92) ¥,qy BEDS HA eA AB CWem *), A, EAB 物 到 外 界 空气 的 热量 传递 系数 (W'm * +k '), T, 是 外 界 空气 的 温度 (区 ) , T。 是 覆盖 物 外 表面 温度 (K) , S。 是 太阳 入 射 辐射 通 量 (W.m“),S。 是 温室 外 表面 太阳 人 射 辐射 (W， m“), 工 < 是 自 覆 盖 物 向 下 热 辐 射 (W'm“), 工 。 是 自 覆 盖 物 向 上 热 辐 射 (W'm“)。 在 方 72(5-93) 7 ,h, 是 自 覆盖 物 至 内 部 空气 的 热量 传递 系数 , Ti. 和 T, 分 别 是 覆盖 物 内 面积 和 内 部 空气 温度 (K), Su 是 自 覆 盖 物 向 下 的 太阳 辐射 (W'm“),S。 是 到 覆盖 物 的 太阳 辐 射 (W'm“),Le 是 自 覆 盖 物 向 下 的 热 辐 射 (W'm “), 世 ve 是 到 覆盖 物 的 向 上 热 辑 射 (W， m“),》 EK WR RR (J -ke'), 0 是 空气 密度 (kg'm “),w BABS AN oe 在 温度 TMA, 是 覆盖 物 的 空气 动力 阻抗 (Sm ” )。 经 由 覆盖 物 传导 而 传递 的 热量 是 : 导 a (5-94) AY ik, 是 覆盖 物 的 热传导 率 (W,m :'K …),8 是 覆盖 物 厚 度 (m)。 (2) 内 部 空气 温度 热平衡 (每 单位 地 面 面 积 ) 是 A. Aah OS Fish. h,(T; ae TOA. 站 h,(T, 2 T3) hk Dy 7 ce A; + h(T, D) “J Ax ~ 60A, =0 (5-95) 式 中 ,A。 是 覆盖 物 表面 积 Cm' ) , A, 是 温室 地 面 面 积 (m: ) ,Ai; 是 自 地 面 至 内 部 空气 的 热 传递 系数 (W,m ?K'), T, 是 温室 土壤 温度 (K) , 刀 , 是 自 植 物 至 空气 的 热 传 递 系数 (W. m’,K'),7, 是 植物 叶 温 (K) ,A, 是 植物 所 覆盖 的 地 面 面 积 (m?: ) , 工 ,是 叶 面 积 指数 (每 单位 地 面 面 积 上 的 叶 的 面积 ) , , 是 通风 热 传 递 系数 (W'm “.K-),Q. 是 来 自 加 热 器 的 对 流 能 量 (W) , S, 是 喷雾 速率 (kg'min )。 (3) 内 部 空气 湿度 土壤 和 空气 之 间 的 水 分 交换 对 内 部 空气 湿度 有 重要 影响 ,因此 ,每 单位 地 面 的 质量 平衡 是 2o4,Li[w —w| pA (w. -—w) p(w —w) h,(w.-w) S a sp c sc ss v e Xu 一 — A,(r, + 7) fi Ar 有 * Cy * 0A, 0 (5 96) 151 式 中 ,ws 是 温度 T, 条 件 下 的 饱和 比 湿 ,r, 是 植物 的 空气 动力 阻抗 (s*m-: ),r。 是 作物 的 气孔 阻抗 (sm ') ,w。 是 温度 T, 条 件 下 的 饱和 比 湿 ,r 是 温室 地 面 的 空气 动力 阻抗 (s， m- +) ,w。 是 外 界 空气 的 比 湿 ,c。 是 空气 的 比 热 (J'kg-*,K-1)。 (4) 植 物 温度 就 当地 的 某 些 作物 来 说 ,植物 热 容量 与 土壤 活动 层 相应 值 有 同样 数量 级 ,因此 对 于 这 样 一 些 作物 中 的 热 存储 作用 ,应 当 考 虑 。 在 这 里 ,每 单位 叶 面积 的 平衡 方程 是 2h,(T, - T,) +=2——# 2 He 4 Sat Sa Se Say ai ai Q, pA, _22e( wy ~ w) _ VvevC, OT, Ba 7, tis WAL AS wt KE L,M LL AWRY el PASH LAL RK BK 自 植物 的 向 上 热 辐 射 (W'm“)。S。 是 自 地 面向 上 的 太阳 辐射 , Ss 是 到 地 面 的 太阳 辐射 ; Q, 是 自 加 热 器 每 单位 表面 面积 辐射 的 能 量 (W.m ’), 7， 是 自 辐射 加 热 器 至 植物 的 视 因 子 , V, 是 植物 的 体积 (m ) ,ov 植物 的 密度 (kg.m ),C, 是 植物 的 比 热 (J. kg .Kit 是 时 间 (s)。 (5-97) (5) 土 壤 温度 因为 土壤 的 能 量 存储 是 重要 的 ,所 以 把 热传导 的 微分 方程 包括 于 其 中 村 下 ae — as ay (5 98) 这 里 人 是 土壤 温度 (K), 0, BLRWAT ME (mss), c 是 到 地 面 的 垂直 坐标 深度 (my)。 土壤 -空气 界面 的 边界 条 件 包 括 燕 发 过 程 的 能 量 (La-Ia)+(SarSa)+Q(I- 多 )+A(T Ta) + =-2, 3 (5-99) 2, 7, 是 自 辆 射 加 热 器 到 土壤 的 视 因子 ,&, 是 地 面 的 传导 率 。 2. 求解 与 验证 为 了 求解 上 述 的 一 系列 方程 ,首先 必须 就 每 个 时 间 步 长 计算 初始 条 件 (太阳 辐射 , 风 速 ,外 界 空 气 的 温 湿度 ) 和 系统 参数 (通风 率 ,土壤 和 植物 性 质 等 ), 可 用 和 闪 代 法 求解 。 并 将 模拟 计算 结果 同 实测 结果 作 比 较 。 3. 结果 应 用 模拟 结果 给 出 在 一 定 面积 下 温室 调控 指标 。 如 Levit 等 在 阿根廷 就 裁 培 草莓 的 温室 所 作 模 拟 试验 和 计算 结果 表明 :在 冬季 最 寒冷 的 月 份 ,一 个 月 内 , 热 功 率 为 33 KW, 加 执 器 利用 时 数 为 232h, 加 热 器 利用 日 数 为 24 d。 对 于 其 他 月 份 ,也 给 出 相应 指标 ,这 些 指 标 , 是 对 温室 进行 优化 控制 的 基本 依据 ,但 不 是 绝对 不 变 的 依据 。 温室 属于 局 地 性 的 相对 封闭 的 生物 生存 环境 。 所 以 ,在 对 温室 控制 技术 进行 推广 时 ,因地制宜 十 分 必要 。 历 史上 的 经 验 教训 也 说 明了 这 一 点 。 大 约 在 30 多 年 前 ,东北 南 部 一 些 地 区 的 园艺 技术 人 员 , 曾 南下 \ 北 上 学 习 外 地 温室 蔬菜 栽培 经 验 。 由 于 只 注意 温 152 Mo(w 一 os) T 5 室 小 气候 环境 ,只 注意 温室 的 封闭 性 ,而 未 注意 温室 所 在 地 的 大 气候 差异 (东北 南部 比 河 北 冷 , 比 黑 龙 江 暖 ), 以 致 生 搬 硬 套 外 地 ”经 验 ”, 使 所 建 温 室 耗 能 大 ,室内 温度 却 不 高 , 导 致 生产 力 低下 ,以 致 农民 认为 " 建 温 室 , 只 能 赔本 ”“。 这 样 ,使 得 本 来 合适 的 外 界 气候 资源 被 浪费 掉 。 这 正 是 没有 合理 控制 和 培育 生物 的 生态 环境 所 酿 成 的 后 果 , 也 是 生态 控制 的 一 次 失误 。 在 20 世纪 80 年 代 , 随 着 包括 温室 环境 优化 理论 与 技术 在 内 的 生态 控制 原理 研究 的 深入 ,逐渐 扭转 了 上 述 局 面 。 其 根本 经 验 在 于 :充分 认识 到 霜 期 农业 气候 资源 的 客观 存 在 性 ,而 不 是 一 提 到 自然 资源 只 限于 土地 \ 生 物 等 看 得 见 摸 得 着 的 固体 实物 ,也 不 限于 无 霜 期 的 气候 资源 了 ,尤其 充分 利用 一 级 生态 动力 源 一 一 太阳 辐射 ,显得 重要 。 在 对 待 地 域 差异 上 ,明确 了 小 气候 富 于 大 气候 之 中 ,这 一 符合 辩证 法 规律 的 客观 实在 ,以 致 在 实践 中 ,为 实现 相对 封闭 环境 的 优化 生境 时 ,必须 充分 考虑 温室 与 外 界 交换 的 性 质 ;在 对 待 时 域 差异 时 ,充分 重视 天 气 和 气候 的 差异 ,不 可 将 在 气候 一 般 年 份 得 出 的 规律 ,不 加 分 析 地 用 于 某 年 份 的 不 同 天 气 条 件 之 下 。 我 国 大 面积 的 日 光 温 室 群 的 形成 已 有 几 年 的 历史 ,现在 面临 的 是 进一步 巩固 发 展 。 为 此 ,从 生态 控制 原理 上 ,尤其 从 理论 上 考虑 改进 的 设计 方案 ,是 十 分 必要 的 。 尽 管 要 因 时 因地制宜 ,但 温室 设计 的 基本 方程 是 带 有 一 定 普 遍 性 的 ,前面 所 述 的 一 系列 方程 ,是 改 进 设 计 中 必须 考虑 的 基本 依据 。 比 如 ,在 设计 时 根据 外 界 温度 高 低 决 定 用 什么 样 的 覆盖 材料 ,如 用 无 滴 膜 ,是 用 单 层 ,还 是 用 双 层 ;根据 内 外 气温 差 和 风力 ,确定 放风 孔 的 大 小 和 位 置 方位 ;根据 土壤 温度 状况 ,确定 地 面 之 下 酿 热 物 ( 如 马 姜 层 ) 厚 度 、 确 定 是 否 用 地 热 电热 器 或 回 烟 迷 ; 根 据 室内 作物 所 须 温度 湿度 指标 确定 通风 时 间 和 通风 量 等 。 这 些 措 施 是 人 为 控制 的 ,但 要 使 控制 得 力 , 既 节省 能 源 又 益 于 作物 生产 ,就 必须 用 方程 作 模拟 计算 验证 ,在 基本 原理 不 变 条 件 下 ,对 方程 要 作 必 要 改进 ,输入 参数 。 由 于 我 国 农 村 基层 技术 单位 的 计算 设备 条 件 好 转 , 所 以 只 要 通过 培训 等 方式 培养 出 能 做 这 样 工 作 的 人 ,优化 控 制 温室 的 目标 是 容易 实现 的 。 二 \ 畜 ( 禽 ) 舍 生态 环境 的 人 工控 制 :强制 换 气 系统 冀 ( 禽 ) 环 境 是 影响 畜 ( 禽 ) 生 长 发 育 \ 反 应 的 生态 条 件 , 包 括 许多 非 生物 与 生物 的 、 自 然 的 和 人 工 的 生态 动力 因 了 于 。 其 中 热力 的 和 空气 动力 的 因子 对 畜 ( 禽 ) 产 品 的 产量 质量 有 较 大 影响 。 由 于 畜 ( 禽 ) 极 力 保持 稳定 的 体温 ,需要 尽量 平衡 的 热量 交换 ,所 以 仅 在 有 限 的 温度 范围 内 才能 生存 。 如 果 空 气 环境 不 适合 , 畜 ( 禽 ) 容 易 生 病 。 热 力 环境 包括 气 温 ` 湿 度 、 辐 射 . 风速 ;空气 环境 包括 有 害 气体 空气 中 的 微粒 \ 微 生物 和 臭 气 。 绝 热 强 制 换 气 系统 在 舍 饲 畜 ( 禽 ) 环 境 控制 中 是 有 用 的 系统 。 下 面 就 其 应 用 的 几 个 主要 问题 作 简 要 论述 。 1. 绝热 强制 换 气 原理 热 环 境 , 用 生物 实验 来 选择 其 标准 。 依 生态 动力 源 来 确定 混浊 空气 ,尤其 是 其 中 CO, 环境 。 首 先 关 于 空气 环境 , 须 注意 所 含 化 学 物质 的 污染 。 畜 ( 禽 ) 舍 中 所 产生 的 最 重 要 的 气体 有 二 氧化 碳 、 氨 气 及 亚 硫 化 氧 等 。 其 中 的 CO, 被 选 作 空气 环境 指标 ;生长 中 和 催肥 中 的 动物 ,CO, 含量 控制 在 0.3% , 乳 用 、 繁 殖 的 控制 在 0.2% 。 其 次 ,确定 最 小 换 气 率 Ve, 主 要 依据 CO, 浓度 ,其 方程 是 153 V.=4.5X 10 * Quel 100/( Cs, — 0.034) ] 4.5 X10 SES BR, Fe Be (BD) BH AAA T= EY CO, ; Qi 为 畜 ( 禽 ) 所 放出 WA (W); Cs 为 设计 的 CO, 浓度 (% )。 第 三 , 按 绝热 标准 调节 温度 换 气 率 和 最 小 换 气 率 , 当 舍 外 气温 高 于 动物 所 需 气 温 时 ,家 畜 ( 禽 ) 所 生 显 热 要 适应 内 部 温度 , 换 气 的 目的 是 从 舍 内 除去 热量 以 保持 设 定 的 温度 。 依 舍 内 外 温差 (3 一 10 K) 用 热平衡 方法 调节 温度 ， 确定 换 气 量 。 2. 太阳 热能 利用 原理 太阳 辐射 能 属于 一 级 生态 动力 源 为 生物 环境 提供 的 能 源 , 它 能 源源 不 断 地 供给 生 物 ,不 用 钱 购买 ,无 污染 。 当然 ,为 利用 这 种 能 源 ,要 支付 设备 及 其 安装 费用 。 当 太阳 能 加 热 系 统 与 绝热 、 强 制 换 气 系统 结合 应 用 时 ,能 起 到 有 效 的 温度 调节 作用 。 利 用 太阳 能 的 设备 有 :太阳 聚 热 器 、 热 水 贮存 池 、 辅 助 加 热 器 \ 水 泵 和 控制 器 。 在 任何 太阳 加 热 设 备 中 ,收集 太阳 能 的 热量 的 面积 贮存 容量 都 是 主要 的 设计 参数 。 3. 育肥 猪 舍 的 环境 控制 片山 研究 了 两 种 不 同 猪 舍 系 统 的 热力 环境 、 空 气 环境 和 生产 率 。 试 验 猪 含 没 有 绝热 和 强制 换 气 系统 ;对 照 猪 舍 系 开放 型 自然 换 气 的 。 结 果 表 明 : @@ 舍 内 温度 :在 冬季 ,试验 比 对 照 高 7 ;在 夏季 ,差异 不 大 。 @ 墙 面 辐射 温度 :冬季 ,试验 比 对 照 高 些 ;夏季 ,试验 畜 舍 中 平均 辐射 温度 和 疝 量 辐 射 温 度 比 对 照 低 些 。 @@ 换 气 率 : 试 验 条 件 下 冬季 日 均 为 0.608 mss ;夏季 11.5 ms ', OSAP ORES: EZ ,试验 条 件 下 CO, ANH, 含量 比 对 照 高 些 , 夏 季 无 显著 差异 。 这 是 由 换 气 量 不 同 引起 的 。 @@ 生 态 增 重 :7 一 8 月 日 平均 增长 比 对 照 高 0.112 kg'd 。 以 上 结果 表明 ,绝热 强制 换 气 起 到 优化 猪 伟 环境 的 作用 ,从 而 有 利 增长 。 4, 乳牛 伟 环 境 控 制 冬季 舍 内 平均 气温 保持 在 7.3 忌 , 且 分 布 均匀 , 伟 内 总 显 热 由 乳牛 产生 。 在 冬季 ， CO, #1 NH, 的 浓度 分 别 小 于 0.2% 和 4x10 ml'L ;CO, 生产 率 是 每 $00 kg 体重 4.51X10-5 m'+s 1。 在 夏季 ,CO, 和 NH, 的 浓度 分 别 小 于 0.1% 和 10x10 ml-L", CO, 水 平分 布 均匀 。 上 述 结果 表 明 : 绝 热 和 强制 换 气 系统 为 乳牛 提供 了 和 良好 的 生态 环 境 ,设计 控制 系统 应 充分 考虑 作为 生态 动力 源 的 乳牛 所 产生 的 热量 和 CO,» 5. EELS oy BEI Hl Wik ES ,观察 内 部 空气 流动 ,保持 空气 混合 良好 , 分布 均匀 , 宜 于 孵化 的 地 面 风速 为 0.1 ms 。 太 阳 增 热 装置 也 为 鸡 舍 提 供 大 量 热能 。 三 人 居 环 境 调控 当 自 然 条 件 不 能 满足 人 或 其 他 生物 的 需求 时 ,人 们 总 是 尽 可 能 为 生物 创造 其 适宜 的 生存 环境 ,这 实质 上 是 人 工 调节 自然 生态 动力 源 的 生态 控制 过 程 。 这 种 想法 ,由 来 已 久 ， 其 实 人 的 住房 的 建设 ,也 是 这 种 想法 的 实施 过 程 之 一 。 在 现代 , 随 着 人 类 生活 水 平 提高 ， 建筑 设计 者 对 环境 越 来 越 重视 。 随 着 各 种 生物 技术 的 发 展 , 人 们 为 植物 栽培 \ 动 物 生 存 154 创造 了 越 来 越 合 适 的 生存 环境 。 这 样 的 生态 环境 优化 控制 ,涉及 的 领域 是 多 方面 的 , 涉 及 的 学 科 也 是 很 多 的 。 因 而 ,从 生态 控制 角度 的 研究 工作 也 渗透 于 许多 学 科研 究 领 域 ， 本 节 专 门 论述 用 机 理 和 确定 型 模式 所 作 研 究 的 几 个 方面 ,并 统一 地 从 人 工 生 态 动力 控制 的 方法 论 上 加 以 认识 。 1. 室内 空气 质量 控制 在 室内 空调 安装 上 , 须 考 虑 当地 空气 速度 ,因为 室内 生态 环境 要 素 的 控制 , 受 外 界 自 然 生 态 动力 源 要 素 的 影响 ,居住 环境 中 空气 流动 速度 的 上 限 和 下 限 ,是 就 不 同 的 通风 标 准确 定 的 ,其 值 不 应 太 高 也 不 应 太 低 。 在 比较 寒冷 的 国家 和 地 区 ， wbiepeamiine r(UsA 单位 ) 的 空气 速率 V(t) (UA mes 为 单位 ) 较 低 。 2. Ett ii 在 热带 气候 条 件 下 ,MVAC( 机 械 通 风 与 空调 系统 ) 设 计 的 目标 是 :为 人 们 提供 较 低 的 室内 气温 和 较 高 的 平均 空气 速率 。 空 气 注 流 因子 是 必须 考虑 的 。 为 提高 该 因子 质量 ， Tm MRE T (以 百分率 为 单位 ) 的 定义 式 写 为 T,=4 (5-100) Ku 是 空气 平均 速率 ,wx 是 平均 速度 振动 ,而 7 ee V(t)de (5-101) to 和 io 二 上 分别 为 时 间 的 起 止 限 。 并 有 oe ee Pf, lve) Bi Fela (5-102) = ARE T, 维持 一 个 适当 的 值 , 即 使 在 温度 较 高 ,空气 速度 较 低 时 也 会 给 出 同样 的 舒适 度 水 平 。 在 确定 汕 流 之 舒适 度 范围 前 ,对 上 述 现象 须 作 详细 研究 。 与 各 种 不 同室 内 空间 有 关 的 野外 测量 和 热力 舒适 度 评 价 ,是 应 当做 的 。 以 设计 为 目的 的 宏观 参 数 , 必 须 用 淇 流 理论 加 以 研究 。 3. RARER 一 个 叫做 PD( 不 满意 百分率 ) 的 参数 (Hanzawa 等 ,1987; Melikov,1987) ,用 以 评价 热力 舒适 度 , 它 是 依据 u,T, 和 空气 温度 T, 计算 的 PD = (3.143 +0.3696uT, )(34—- T,)(u 一 0.05) (5-103) 在 方程 (5- 103) F,u MRF 0.05 ms RHE 0.05; PD 如 果 大 于 100% , RHE 100% 。 参数 PLC(Chou et al. ,1994), PD 取 值 依赖 于 经 验 确 定 的 临界 气温 0 FO, ,其 公式 是 =) = 0, me- T,)"*PD 6,5T,S4, (5-104) + PD T,.< 05 函数 ALT.) 的 表达 式 是 p(7,)=7 Pah (5-105) 有 了 类 似 以 上 公式 的 调节 参数 计算 方法 ,可 以 依据 不 同 的 环境 在 不 同 气候 条 件 下 ， 155 进行 合理 的 空调 控制 。 第 六 节 ”工业 废 热 汪 土壤 及 近 地 面 空气 生态 动力 源 控制 模型 大 型 发 电厂 (核电 厂 \ 热 电厂 等 ) 以 及 其 他 类 似 的 工厂 ,总 有 大 量 的 废 热 释 放 于 土壤 和 近 地 面 大 气 环境 之 中 ,造成 环境 污染 。 这 样 的 热 废 气 污染 实际 上 构成 一 种 有 关 生 物 的 有 害 的 生态 动力 源 , 对 环境 中 各 种 植物 \ 动 物 和 微生物 的 生长 发 育 \ 产 量 形 成 和 产品 质 量 必 然 起 到 负 生 态 动力 作用 ,我们 研究 这 样 的 生态 动力 源 、 汇 关系 , 找 出 改变 原 有 的 自然 形成 的 生态 动力 负 效 应 ,设计 出 生态 动力 正 效 应 的 控制 方案 ,显然 是 十 分 有 意义 的 举措 。 因为 由 工厂 释放 出 来 的 大 量 的 热量 被 用 于 农业 (主要 是 园艺 ) ,能 够 把 自然 形成 的 不 利生 态 动力 效应 通过 科学 的 生态 控制 方案 转化 为 有 利生 态 动力 效应 。 受 益 者 首先 是 园艺 作 物 这 样 的 生态 动力 汇 。 这 种 被 转化 来 的 生态 动力 源 是 经 由 物理 机 制 而 获得 的 。 事 实 上 ,在 此 转化 过 程 中 ， 万 是 通过 人 工 调 节 使 废 热 被 用 于 加 热 上 层 土壤 和 近 地 面 的 空气 , 即 同时 改变 了 土壤 类 和 气象 类 生态 动力 源 。 为 研讨 这 一 问题 ,当然 必须 根据 物理 学 的 原理 来 分 析 所 论 对 象 , 以 便 建 立 起 确定 型 的 数学 模型 。 假定 一 组 长 管 ( 管 的 半径 为 >) 被 埋 在 深度 为 d 的 土壤 中 ,其 横向 影响 距离 为 工 。 管 中 的 热 水 的 常 定 温 度 为 Tw。 控制 所 研究 的 土壤 层 中 温度 分 布 Te = Te(z,z,z) 一 一 作为 时 间 ` 空 间 的 一 个 函数 一 一 的 扩散 方程 是 Sit =K,V?T, (5-106) 为 了 求解 方程 (5 — 106) ,我 们 须 确 定 土壤 热 扩 散 率 开 。, 并 假定 各 个 管 中 的 水 温 都 是 一 样 的 。 对 于 求解 析 解 来 说 ,应 当 以 温度 不 随 土 层 深度 变化 为 前 提 条 件 ,为 求 点 相对 密度 较 大 的 网 格 上 的 二 维 数 值 解 ,确定 深度 D 不 应 太 深 , 以 便于 数值 计算 。 设 也 ,为 阻尼 深度 (damping depth) ,那么 我 们 可 以 写 出 Laat pix 3 (5-107) 式 中 ,w 表示 温度 周期 变化 的 频率 。 对 于 大 多 数 类 型 的 土壤 来 说 , Da 在 10cm 和 25cm 之 间 ,而 也 选 为 2cm( 详 见 Rakovec, 1988) 。 上 边界 条 件 一 一 土壤 表面 温度 一 一 作为 土壤 表面 能 量 平 衡 的 一 个 函数 ,加 以 计算 ， 它 显 示 出 日 变化 和 年 变化 的 周期 性 。 为 了 求解 方程 (5- 106) ,我 们 可 以 用 有 限 差分 方法 ,对 网 格 点 上 的 一 切 有 关 条 件 都 要 结合 起 来 加 以 研究 。 用 这 一 方法 ,需要 适当 地 选择 时 间 步 长 Ai, 这 里 的 At 关系 到 Ax ( 沿 水 平方 向 网 格 点 之 间 的 距离 ) 和 Az( 沿 垂直 方向 网 格 点 之 间 的 距离 ) 。 如 果 一 个 明确 的 数值 方案 被 采用 ,那么 必须 服从 稳定 性 。 1. 土壤 表面 温度 土壤 表面 温度 T.(z,i)=T.(z,0,i) 的 变化 是 近 地 面 大 气 和 zx=0 高 度 土壤 中 热 通 156 量 辐 散 的 结果 。 如 果 土 壤 表面 的 一 个 薄 层 8 的 能 量 通 量 , 不 是 处 于 平衡 状态 的 ,那么 可 以 假设 该 层 的 平均 温度 等 于 地 面 温 度 ( 即 土壤 表面 温度 )T., 于 是 我 们 有 : C8 Sta jtitintintic (5-108) 式 中 , C, 是 土壤 的 容积 热 容 量 ,) 是 到 一 个 水 平面 的 短波 辐射 通 量 密度 |, 23B(RA)— 个 水 平面 的 长 波 辐射 通 量 密度 ,加 是 沿 水 平方 向 的 显 热 通 量 密度 ,)r 是 沿 垂直 方向 潜 热 通 量 密度 ,) ,是 沿 垂直 方向 的 土壤 热 通 量 密度 。 方程 (5- 108) 等 号 右边 的 前 两 项 ,是 通过 试验 估计 出 来 的 。 显 热 通 量 密度 思 是 以 如 下 的 条 件 为 基础 进行 计算 的 ,即使 具有 微风 ,新 的 边界 也 从 加 热 区 的 边界 向 外 传播 。 据 研究 (Rakovec,1987) ,这 个 新 边界 高 度 应 取 为 疡 =10m。 在 CPE A ZL ,接近 地 面 的 大 气 不 受 土壤 加 热 作 用 的 影响 ,因而 ,对 于 该 高 度 上 的 空气 温度 和 风 的 气候 数据 ,都 是 不 需要 订正 的 。 就 那个 高 度 和 土壤 表面 之 间 的 层次 来 说 ,我 们 有 温差 T(h) - T(0) 的 数据 和 风速 x ( 产 ) 的 数据 , 即 可 用 它们 通过 容积 值 估计 Richardson 数 : 的 ) Ra=(#)| u(h)? )h —_ 因为 显 热 通 量 密度 可 以 表达 为 ja = Bye OC (5-110) 温度 dy by RFP ORSAY WRARA u* =k uh). (5-111) du( Rip) i= k( eee | (5-112) 土壤 热 通 量 密度 ORF LES SAE. APA ERRRFLRK 分 含量 之 go 2. LRAT RFE 关于 土壤 温度 的 气候 信息 不 仅 能 够 用 作 初 始 条 件 和 边界 条 件 ,而 且 也 能 用 于 确定 土 Ri ET BE 玉 。。 利 用 土壤 表面 温度 日 变 程 的 正弦 变化 规律 ,可 以 给 出 如 下 的 解析 解 T,(z,t)=T + Agexp( —2/D,)sin(wt — z/Du) (5= 119) 式 中 ,w 是 日 周期 的 频率 ,w =2n/(24h), T BEREAN PH D)MEN HEME, me 尼 深度 D, 关 系 到 开 ,( 见 方程 (5 107))。 根据 所 测定 的 在 不 同 深 度 Az 的 位 相 迟 滞 At, 可 以 得 出 按 如 下 公式 表述 的 扩散 率 K, 的 估计 值 Aw (5—114) 随 着 深度 的 增加 ,温度 的 振幅 减 小 ,这 一 土壤 温度 波动 方程 能 够 准确 表达 为 大 量 观 测 数据 所 证 实 的 事实 规律 ,也 为 估计 温度 扩散 率 提供 了 可 能 性 ,当然 也 有 一 定 的 误差 。 振 辐 A 减 小 因子 ,也 依赖 K, , Bl ee eee oe mihiy, Bi 2 K,= i, psd ry Pee Agexp| D, |-K, 157 2 tea A we SYNTH era (5-115) 二 .进一步 的 研究 与 应 用 前 景 本 例 所 论 模型 ,从 本 质 上 说 ,是 以 物理 基础 为 依据 的 气象 生态 动力 源 与 土壤 生态 动 力 源 的 综合 控制 模式 。 由 于 所 讨论 的 大 气 边 界 层 的 最 下 层 , 尤 其 是 近 地 面 层 的 物理 过 程 和 土壤 最 上 层 的 物理 过 程 ,都 是 以 相应 的 原理 为 基础 并 用 机 理 较 明确 的 确定 型 数学 模型 表达 的 ,所 以 这 样 的 研究 方向 应 予 坚持 。 进 一 步 的 研究 工作 , 须 加 深 对 生态 动力 汇 即 需 要 热量 的 生物 的 机 制 研 究 , 从 原则 上 说 , 那 是 可 以 做 到 的 。 因 为 从 生理 \ 生 化、 生态 角度 ， 可 以 考虑 现在 已 有 各 自 的 生物 物理 机 制 的 确定 型 数学 控制 模型 ,当然 这 样 的 两 方面 的 结 合 研 究 ,需要 做 更 复杂 的 试验 ,需要 先进 的 设备 ,尤其 需要 建立 更 合理 的 数学 模型 。 这 里 所 述 的 模型 ,应 用 前 景 是 广阔 的 。 尤 其 是 在 我 国 , 一 方面 农业 生产 发 展 , 需 要 更 多 的 来 自 各 方面 的 热量 , 另 一 方面 ,许多 工业 部 门 排出 的 废 热 的 量 是 很 可 观 的 。 在 工厂 化 农业 正在 发 展 的 今天 ,实施 这 种 工农 业 结 合式 的 优化 生态 控制 ,尤其 必要 。 参考 xX 献 千 知觉 、 王 定 江 . 2001. 非 线性 森林 发 展 系统 的 渐 近 性 . 应 用 泛 函 分 析 学 报 ，3:87 一 91. 方 宗 义 、 朱 福 康 、 江 吉 喜 、 钱 正安 . 1997. 中 国 沙尘暴 研究 . 北京 :气象 出 版 社 . 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Mocxesa: Bercuas Ulkona. 160 第 六 章 “随机 型 生态 控制 由 于 生态 控制 中 有 许多 随机 因素 ,有 许多 偶然 问题 ,因此 不 能 用 确定 性 模型 表达 。 在 数学 中 说 明 偶然 事件 必然 规律 的 概率 论 及 其 应 用 ,是 生态 控制 常用 的 数学 工具 。 具 有 时 间 性 的 随机 问题 叫 随机 过 程 , 也 属于 广义 的 概率 论 的 范畴 。 本 章 从 各 种 随机 试验 获取 数据 到 建立 统计 模型 来 讲述 随机 过 程 生态 控制 问题 。 在 试验 设计 中 则 重点 介绍 均匀 设 计 在 生态 控制 中 应 用 的 问题 。 最 后 一 节 讲 述 我 国 赵 克 勤 提 出 的 一 种 新 的 数学 方法 一 一 集 对 分 析 一 一 在 生态 控制 中 的 应 用 。 第 一 节 ”试验 统 计 的 生态 控制 模式 在 生态 控制 的 实践 和 原理 创建 中 ,要 寻求 受 控 对 象 和 控制 者 关系 及 一 系列 有 关 指 标 时 ,所 遇 到 的 除 确定 性 关系 之 外 , 尚 有 大 量 的 随机 型 的 问题 。 解 决 这 些 问 题 的 方法 ,前 者 主要 是 确定 性 方程 的 模型 ,有 许多 时 候 , 采 用 微分 方程 。 而 后 者 主要 是 寻找 偶然 事件 的 必然 规律 ,所 用 的 数学 原理 基础 是 概率 论 。 数 理 统 计 可 以 说 是 概率 论 的 一 种 主要 应 用 。 由 于 生态 控制 实践 中 ,经 常 遇 到 数理 统计 问题 ,所 以 这 种 数学 方法 是 广大 生态 工作 者 所 熟悉 的 。 自 Pearson 以 来 ,经 由 Fisher, Cramer, Kommoropos 直至 今日 ,数理 统计 这 门 学科 用 得 越 来 越 广 , 越 来 越 深 入 。 我 国 著名 统计 数学 家 许 宝 难 院士 (1910 一 1970) 著 有 《抽样 论 》, 抽 样 的 思想 方法 ,不 但 今天 要 用 ,以 后 也 要 用 ,在 生态 控制 中 有 重要 作用 。 因 为 对 人 们 面临 如 此 广泛 的 生态 控制 中 的 随机 问题 ,无 论 是 谁 也 不 可 能 事 必 躬 亲 , 而 只 能 找 出 典 型 的 信息 资料 加 以 研究 。 本 书 第 三 章 所 述 的 生态 控制 的 多 种 信息 源 中 的 资料 ,实际 上 都 可 用 统计 方法 加 以 分 析 `、 综 合 。 我 们 觉得 ,统计 中 常用 的 调查 ,当然 属于 有 用 的 资料 获取 手段 ,但 生态 控制 资料 的 取得 ,完全 不 限于 一 般 的 调查 ,而 主要 是 靠 试 验 得 出 的 资料 , 包 括 常规 资料 。 所 谓 常规 资料 ,在 设计 观测 之 初衷 ,原本 未 考虑 在 生态 控制 中 有 用 ,生态 控 制 者 今天 认识 到 自己 也 是 许多 水 文 、 气象 .遥感 .生物 物候 等 常规 资料 的 用 户 之 一 。 看 来 ,这 些 逾 百年 至 少 延 续 几 十 年 的 资料 ,客观 上 也 是 一 种 试验 资料 ,因为 取 之 目的 在 于 多 方面 可 用 ,而 不 限于 一 个 部 门 帮 至 一 个 具体 项 目 。 除 这 一 类 信息 资料 外 ,为 了 生态 控制 需要 ,必然 专门 设计 许多 规模 大 小 不 一 、 时 间 范 围 不 同 的 试验 。 这 样 的 试验 在 设计 时 就 要 用 科学 方法 ,最 常见 的 有 随机 试验 以 及 以 群 论 为 理论 基础 的 正 交 试 验 , 近 20 多 年 又 用 以 数论 与 数理 统计 结合 为 基础 的 均匀 试验 (uniform design) ,本 节 将 就 这 些 试验 结果 的 理 论处 理 方法 用 实例 说 明 。 鉴 于 本 书目 标 ,不 在 于 具体 讲述 统计 方法 , 故 不 可 能 对 许多 数 学 问题 进行 过 多 论述 。 一 生态 试验 生物 统计 控制 方法 经 过 生态 试验 寻求 指标 ,再 依 所 得 指标 进行 必要 的 生态 环境 控制 ,这 一 直 是 生物 统 计 的 主要 研究 方法 。 至 今 应 用 极为 广泛 。 如 所 周知 ,生物 统计 涉及 的 内 容 是 十 分 丰富 的 , 几 十 年 来 ,这 方面 书籍 也 很 多 ,如 吴 仲 贤 的 《统计 遗传 学 信 赵 仁 熔 的 《田间 试验 生物 统 161 计 》 郭 祖 超 院士 的 4 医学 生物 统计 》, 近 年 裴 铁 王 等 的 4 自然 灾害 非 参数 统计 方法 》 等 ,都 含有 生物 统计 方面 的 内 容 。 概 率 统计 在 生态 控制 中 的 应 用 ,是 生物 统计 的 一 个 组 成 部 分 , 它 与 一 般 生物 统计 的 共同 点 当然 很 多 ,比如 都 跟踪 应 用 数学 上 的 新 的 试验 分 析 方 法 ， 但 其 特点 是 :一 是 只 限于 生态 的 , 即 生物 与 环境 关系 方面 ;二 是 所 得 结论 ,在 控制 上 是 有 意义 的 ,或 现实 可 行 ,或 预计 未 来 可 行 , 比 如 知道 了 某 种 生物 的 温 湿度 指标 ,这 在 过 去 没 有 人 工 设 施工 厂 化 农业 的 时 代 , 是 不 易 行 ,但 在 有 温室 \ 农 业 工 厂 的 今天 ,就 可 行 了 ;三 是 所 作 试 验 , 设 计时 应 使 其 除 所 针对 的 环境 外 ,其 他 条 件 尽 量 相同 ,尤其 是 遗传 基因 方面 的 条 件 相 同 ,并 排除 其 他 干扰 ,即使 管理 措施 尽量 一 致 ,这 样 才 能 取得 可 以 对 照 的 试验 结 果 。 下 面 , 举 一 些 不 同方 面 的 例子 。 由 于 具体 运算 在 许多 数理 统计 书籍 中 都 有 ,一般 又 有 现成 的 软件 可 用 , 故 不 具体 讲述 数学 方面 的 原理 和 运算 技巧 ,而 主要 讲述 生态 控制 的 问题 。 1. 西方 花 葡 马 及 其 天 笋 生态 控制 的 统计 指标 Orius laevigatus 工 . (Fieber) 和 O. albidipennis L. (Reuter) ,在 地 中 海区 域 的 农 作 W) KR 1B DS 5 HE BS, ( Frankliniella occidentalis L. ) 的 控制 中 ,起 重要 作用 。Sanches 和 Lacasa(2002) 就 居于 半 翅 目 花 晴 科 的 两 种 昆虫 Fieber 和 Reuter 一 一 的 生物 参数 与 温度 的 关系 作 了 研究 和 模 造 ,以 便 在 用 于 防治 的 短程 控制 规划 中 取得 最 优化 效果 。 经 过 试验 和 统计 ,指出 这 两 种 昆虫 的 发 育 时 间 和 繁殖 参数 ,被 确定 为 20T , 25C ,30 和 3SYC 。 器 官 成 熟 前 的 发 育 时 间 ,对 于 O. laevigatus 来 说 ,在 20 人 时 ,为 34.6 d, FE 35C HT 为 12.3 d; 对 于 O. albidipennis 来 说 ,在 20 人 时 为 37.2 d, 在 3SC 时 ,为 10.2 d。 发 育 的 临界 热量 值 O. adevigatus 为 (14.2 土 0.9)i ,显著 高 于 0. laevigatus[(11.3+0.7)T J. 据 观 测 ,这 两 种 花 晴 科 昆虫 在 ,207 ,25C 和 30 记 时 ,繁殖 能 力 无 显著 差异 ;但 在 BST AY, O. albidipennis 的 繁殖 能 力 显 著 高 于 O. /aevigatus。 解 释 繁 殖 、 成 活 同 温度 关系 的 非 线 性 模型 ,是 可 用 的 。 据 估计 ,对 于 O. albidipennis # O. laevigatus 来 说 ,繁殖 温度 上 限 临 界 值 分 别 为 (40.9+0.3)DC 和 (35.5+0.1)7C 。 不 同 的 最 优 临界 值 ,至 少 可 以 部 分 地 解释 在 西班牙 南部 地 区 的 温室 和 天 然 植被 中 ,该 两 种 昆虫 种 群 动态 的 不 同 分 布 。 作 为 温度 函 数 的 相关 系数 年 际 变化 较 大 。 从 以 上 统计 规律 ,为 控制 害虫 发 生 , 在 当地 3 月 初 到 5 月 中 旬 施 放 天 敌 为 宜 。 近 年 来 ,类 似 的 试验 和 统计 分 析 ,在 国外 不 少 。 如 Cocuzza 等 (1997) 研究 过 花 晴 科 昆虫 活动 与 温度 的 关系 ,Sancher 等 (2000) 研 究 了 栽培 于 西班牙 东南 部 塑 膜 温 室内 的 藻 椒 害虫 防治 的 管理 策略 。 其 实 ,我国 的 塑料 大 棚 、 温室 等 的 面积 相当 大 ,其 中 栽培 的 蔬菜 花卉 .果树 等 种 类 繁多 。 为 合理 地 用 生态 方法 一 一 调 温 为 主 一 一 防治 虫 害 , 须 寻 求 适应 于 当地 情况 和 作物 构成 以 及 虫 源 等 多 方面 条 件 的 统计 决策 。 如 通过 管理 策略 进行 控制 是 必要 的 ,目前 也 是 可 行 的 。 2. 工业 废水 改善 热力 生态 动力 源 :直接 统计 法 热力 工厂 和 核 工业 工厂 的 废水 可 用 于 农林 作物 的 灌溉 。Baille(1980) 给 出 了 两 地 块 上 实测 的 比较 结果 ,其 中 一 个 地 块 是 以 温度 为 1SY 的 废水 灌溉 的 , 另 一 个 是 非 灌溉 的 , 作 为 比较 。 温 度 在 5 cm 到 20 cm 深 之 间 ,都 有 变化 ,并 以 20 cm 深 处 ,灌溉 增 温 比较 明显 (图 6-1)。 在 土壤 等 条 件 比 较 一 致 的 情形 下 , 增 温 效果 差 不 太 多 ,所 以 这 样 的 实验 虽然 是 在 法 国 做 的 ,但 对 其 他 地 方 , 也 有 参考 价值 。 我 们 在 比较 了 5 cm 和 10 cm 等 深度 增 温 结果 表明 ,20 cm 深 增 温 约 为 37 , 这 个 数据 实际 上 是 从 曲线 上 可 直接 读 出 ,也 是 取 各 离 散 点 增 温 效果 求 平 均值 ,比如 162 tm = aplte ttn +++ t,)=3(T) 这 里 下 标 m 指 平均 ,9,12 等 指示 当地 时 间 ,+ 为 增 温 度数 ,这 是 用 一 阶 矩 说 明 平 均 增 温 幅 度 ,还 可 用 二 阶 撼 方差 , 求 离散 程度 。 其 实 ,结合 图 可 直接 看 出 ,不必 具体 计算 。 在 结合 具体 作物 应 用 时 ,1988 一 1990 年 ,在 邻近 工厂 的 日 光 温 室内 搞 黄 瓜 育苗 ,把 育 SRAM FE ,估计 在 黄瓜 苗 生育 位 置 ,用 废水 灌溉 增 温 可 达 SC , 照 苗 期 所 需 9YC KA 差 1 ,于 是 在 20 cm 之 下 , 设 20 cm 厚 的 马 并 层 ,这 样 可 满足 育苗 所 要 求 的 温度 。 事 实 证 明 ,在 严冬 一 次 明显 降温 时 , 当地 外 界 气温 为 -28.6 时 ,苗床 温度 保持 9Y , 苗 齐 且 tt o ) 增 温度 数 上 /CC (2c me) 当地 时 间 T7h 6-1 工业 废水 灌溉 增 温 效果 3. 灌溉 方式 比较 :统计 检验 法 在 试验 并 获得 一 定数 据 时 ,只 要 作 简 单 的 统计 检验 ,就 可 以 得 出 比较 可 靠 (至 少 在 生 态 控制 中 可 实际 应 用 ) 的 结果 。 这 种 对 生态 动力 源 实 施 有 效 人 工控 制 的 手段 ,可 用 于 许 多 种 生物 的 某 一 或 某 些 方面 的 生态 控制 。 下 面 举 出 的 简 例 ,是 针对 节 水 灌溉 问题 。 这 是 水 文生 态 动 力 源 调节 的 一 种 实用 控制 。 Moutonnet 等 (1980 ) 为 比较 灌溉 方式 ,针对 玉米 作 了 试验 。 试 验 中 ,用 张力 计 和 商用 电阻 器 两 种 方案 。 对 所 获 数据 用 : 检验 , 按 p= 0.05, GRR ,前 者 可 节省 灌溉 用 水 30% ,但 玉米 并 不 减产 ,而 后 者 导致 减产 23% 。 由 此 ,以 采用 前 方案 为 宜 。 由 于 其 他 因素 在 试验 中 加 以 比较 严格 控制 ,这 部 分 增 减产 可 归 因 于 水 文生 态 动力 源 变化 这 一 个 单一 因 素 所 致 的 生态 产量 变化 。 4. 黄麻 生长 与 环境 关系 的 确定 与 控制 :多 元 回归 分 析 在 野外 条 件 下 ,要 对 作物 生态 动力 条 件 实施 有 效 控制 ,必须 通过 试验 得 出 有 用 的 信 息 。 这 样 的 信息 包括 适当 地 理 位 置 的 选择 、 最 优化 施肥 灌溉 需求 和 作物 保护 的 有 效 方 法 。 即 使 如 此 ,作物 的 生态 产量 的 年 际 波 动 仍 然 很 大 , 这 种 生态 产量 变化 可 归 因 于 各 种 生态 环境 因子 。 虽 然 在 野外 条 件 下 ,天气 一 般 是 不 能 控制 的 ,但 协调 的 生物 与 天 气 等 环 境 因子 关系 是 必要 的 ,也 是 可 能 的 。 Rao(1980 ) ZF Efi BE Xt BR ( Corchorus olitorius 工 . ) 的 4 个 品种 作 了 田间 试验 (随机 设 计 ) 并 同时 观测 气象 环境 。 对 试验 数据 ,用 多 元 回归 分 析 给 出 相关 系数 等 结果 , 列 于 表 6 -1M# 6-2. 163 平均 生长 率 (cm"d…) 对 气象 生态 动力 因子 、 作物 日 龄 和 累积 生长 的 相对 关系 * iisliusielsieseds JRO878 JRO7835 JRO632 JRO3690 最 高 温度 / 0.3181 ** 0.3034** 0.2808 ** 0.3105** Be (Rid BE/C 0.2701** 0.3104** 0.2915** 0.3059 ** 降水 量 /mm ~0.2150* 一 0.2120* 一 0.2480* 一 0.2652 Sem 深 土 壤 温度 (上 午 )/ 0.2411* 0.2454* 0.2511* 0.2653** Sem 深 土壤 温度 (下 午 )/C 0.0719 0.0783 0.0774 0.0670 日 照 时 数 / 一 0.0962 一 0.0939 — 0.1082 — 0.1366 蒸发 严 测 得 的 蒸发 量 /mm — 0.1482 0.1214 0.1013 0.1160 相对 湿度 /% 一 0.0869 — 0.0707 — 0.0660 — 0.0574 累计 生长 高 度 /cm -0.4156*** —-0.3996""* 二 0.4226 —0.4409"** 作物 日 龄 /d -0.6065*** -0.5803*** -—0.5736"** —015842"** n=98; * ,ro.95 =0.1988; * *, 79.9; =0.2593; * * *, 79.99; =0.3277 有 了 回归 给 出 的 关系 ,在 品种 落 区 位 置地 块 选择 、 施肥 用 药 等 管理 措施 方面 , 便 有 TERE. REA EE tl, IATA, SA EM, Hot A LID, KB 目的 。 表 6-2 就 不 同 品种 黄麻 的 多 元 回归 分 析 结 果 (以 生长 速率 作为 因 变 量 ) 偏 回归 系数 自 = 量 JRO632 JRO3690 JRO7835 JRO878 Hx es iid BE/C ~0.197 —0.152 一 0.039 一 0.049 Ba Ria E/T 0.129 0.186 0.187 0.260 日 降水 量 /mm —0.050*** -0.057** —0.034* —0.039* 4 Sem + i/T 0.314 0.196 0.154 —0.01 日 龄 /d —0.0750*** -—0.0704*** -0.0726*"* ...—0.0682°** 累计 生长 /cm 0.0177 0.0147 0.0182 0.0137 回归 常数 —0.148 0.425 一 2.725 0.805 自由 度 98 98 98 98 多 元 相关 系数 0.9737 0.9741 0.9730 0.9689 确定 性 系数 0.9480 0.9488 0.9468 0.9388 下 值 277 281 270 233 * ,<< 和 x * *5> BFA 0.05,0.01 和 0.001 的 显著 性 概率 水 平 。 5. 草本 植物 生产 量 年 际 变化 与 天 气 、 土 壤 条 件 的 调控 草原 上 草本 植物 生长 与 大 气 降水 土壤 含 氮 量 等 生态 动力 源 因子 关系 密切 。 在 目 前 ,调节 土壤 中 氮 的 含量 容易 做 到 ,在 现 阶段 和 今后 ,利用 人 工 降 水 手段 可 进行 必要 的 增 雨 作业。 为 此 ,通过 统计 模拟 找 出 定量 关系 是 十 分 必要 的 。 Seligman 等 (1992) 用 通过 检验 的 模拟 模式 ,研究 了 未 放牧 的 地 中 海 气候 区 ( 孙 安 健 ， 1986) 内 草地 生态 环境 对 草本 植物 生产 量 和 氮 素 吸收 的 影响 。 用 多 元 回归 模拟 出 来 的 结 果 , 在 表 6-3 和 6-4 中 给 出 。 164 表 6-3 对 草本 植物 生产 量 和 氮 素 吸收 有 贡献 的 因子 间 的 R? 标准 偏差 (SD) 变 差 系数 (CV) 因 Ff SS esa’ ei ene 1% 草本 植物 生产 量 (R?) 0.825 0.964 降水 量 24.1 0.0001 93.0 0.0001 氮 的 可 利用 性 (N) 40.0 0.0001 3.2 0.0001 土壤 深度 (S ) 18.4 0.0001 0.1 0.3102 氨 素 吸收 (R2) 0.906 0.964 降水 量 3.4 0.0003 83.9 0.0001 氮 的 可 利用 性 (N) 81.5 0.0001 11.5 0.0001 土壤 深度 (S ) 5.6 0.0001 1.1 0.0004 Seligman 等 的 结论 是 :在 草本 植物 生产 量 标准 偏差 SD, MAR RUE SD, 的 标准 偏 差 的 变化 中 ,降水 量 状况 、 氮 素 含 量 水 平 以 及 土壤 深度 所 起 的 作用 占 83 一 91% , 而 对 于 草 本 植物 生产 量变 差 系数 CV, 和 和 氮 素 吸收 量变 差 系数 CV, 来 说 , 变 差 系数 变化 的 95% 以 上 ,只 是 由 降水 量 、 氮 素 水 平 所 起 的 作用 。 可 计算 SD, 变化 的 分 配 , 在 三 个 因子 中 ,降水 量 24% , 氮 素 可 利用 性 40% ,土壤 深度 18% ;而 CV, 的 变化 ,主要 原因 是 降水 量 , 氮 素 可 用 性 作用 很 小 (3% ) ,而 土壤 深度 的 作用 只 有 0.1% ,可 忽略 不 计 。 表 6-4 在 地 中 海 型 气候 环境 下 ,模拟 生物 量 峰 值 、 氮 吸 收 量 的 最 低 、 最 高 值 土壤 深度 /mm 氮 的 可 用 性 300 600 1500 /kg: hm? sa a ee ee 0 60 0 60 0 60 KY EX (mm) 峰值 生物 量 (于 物质 )/t.hm- 2.a-1 132 0.00~1.30 0.00~2.24 0.00~1.65 0.00~2.65 0.00~1.67 0.00~2.83 264 0.10~1.65 0.10~3.62 0.10~3.04 0.10~4.92 0.10~3.03 0.10~6.33 394 0.42~1.84 0.45~4.45 0.42~2.76 0.45~5.93 0.42~3.00 0.45~6.01 §25 0.56~1.78 0.76~4.46 0.75~2.75 0.86~5.75 0.75~3.03 0.86~6.18 氮 的 吸收 (kg.hm-2z.a 1) 132 0~15 0 一 74 0 一 22 0~64 0 一 23 0~63 264 5~18 5~62 5~27 5~70 5~28 5 一 74 394 9 一 17 12~68 13 一 27 18 一 73 15~28 18~74 性 了 9~16 17 14~26 20~72 18~30 31~76 根据 表 中 给 出 的 有 关 数 据 ,优化 控制 的 手段 一 是 使 草本 植物 落 于 雨量 适当 的 区 域 ， 二 是 调节 不 同 土壤 深度 的 氮 素 。 这 两 者 分 别 为 水 文 和 营养 生态 动力 源 的 调控 , 依 此 使 作 为 生态 动力 汇 的 草本 植物 生育 尽量 适应 生态 环境 , 以 保障 草 量 的 高 产 稳产 ,满足 放牧 养 165 殖 需 要 ,并 保持 当地 的 生态 平衡 。 6. 黑 木 耳 栽 培 环境 待 控 因 子 的 析出 : 正 交 试 验 统计 检验 为 了 寻求 黑 木 耳 栽培 优化 条 件 一 一 待 控 因 子 ,在 辽宁 东部 山区 进行 栽培 试验 ,并 对 所 得 数据 作 统 计 检 验 , 结 果 表 明 : 在 夏季 温度 比较 低 的 时 段 效 水 比较 有 利 ,在 空气 温度 为 14.8 时 (一 般 是 在 早晨 ) 浇 水 最 为 有 利 ; 湿 度 较 大 ,有 利 ; 为 满足 生育 要 求 , 以 大 量 淡 水 为 宜 ; 生 态 动力 源 类 型 的 相对 重要 性 :比较 材 种 \ 水 分 和 温度 三 者 的 作用 ,依次 是 材 种 第 一 ,水 分 第 二 ,温度 第 三 。 这 说 明生 物 \ 水 文 `. 气 象 三 类 生态 动力 源 中 ,以 生物 性 质 的 生态 动力 源 最 为 重要 。 以 上 试验 是 针对 生态 产量 进行 的 , 即 假 定 菌 种 这 种 基因 因素 相同 且 其 他 干扰 随机 影响 无 大 差异 下 的 生态 控制 实验 。 依 试验 结果 作 优 化 选择 以 及 在 生长 期 间 人 工控 制 浇 水 量 是 完全 可 以 做 到 的 。 所 以 依 正 交 试 验 统计 结果 ,施行 必要 控制 , 正 是 生 态 微观 控制 的 重要 环节 。 7. 雪 深 与 土壤 温度 在 《 霜 期 农业 气候 学 》 一 书 中 ,已 指出 冬小麦 北 移 能 和 否 成 功 ,很 大 程度 上 取决 于 冬季 温度 这 一 生态 动力 因子 ,而 麦田 分 慕 节 处 的 地 温 , 即 土壤 温度 的 高 低 ,与 土壤 表面 覆盖 的 雪 被 厚度 关系 密切 。 为 合理 安排 冬小麦 种 植 区 (地 块 ) ,考虑 雪 的 厚度 或 采用 人 为 措施 调 节 雪 的 厚度 ,都 是 有 意义 的 。 但 因为 积 雪 和 地 温 关 系 , 受 许多 随机 因素 影响 ,很 难 给 出 一 个 确定 性 的 普遍 适用 的 微分 或 代数 方程 式 ,所 以 用 线性 回归 方法 建立 关系 是 必要 的 。 Sharratt 等 (1992) 利 用 16 个 冬季 数据 统计 出 在 无 雪 被 和 12.5 cm 厚 雪 被 条 件 下 空气 温 度 ( 图 6-2 和 图 6-3), 比 如 从 图 6-2 中 可 查 出 ,在 无 雪 被 时 ,气温 -18C 对 应 1 cm 深 土壤 温度 是 -12Y ;而 在 有 12.5 cm 厚 雪 被 时 ,气温 -18 人 时 ,1 cm 深 土 壤 温度 是 -6 。 假如 某 品 种 的 越冬 作物 要 求 在 1 cm 深 土 壤 温度 为 =10CC 时 ,才能 安全 越冬 ,那么 同样 是 -18C 的 气温 ,有 无 雪 被 明显 不 同 ,前 一 种 情况 ,可 以 越冬 ,而 后 者 不 行 。 依 此 ,可 安排 适 当 品 种 ,或 考虑 不 同 地 势 下 雪 被 情况 调节 品种 ,必要 时 ,对 于 小 范围 地 方 , 可 以 人 工 加 厚 雪 被 , 即 以 人 工 生 态 动 力 源 控制 环境 ,为 越冬 生物 这 种 生态 动力 汇 创造 有 利 环 境 。 0 土壤 温度 太 /C 空气 温度 友 /TC 图 6-2 无 雪 被 时 空气 温度 与 1 cm 土壤 温度 关系 166 土壤 温度 太 /C 室 气 温度 如 /7C 6-3 有 雪 被 时 空气 温度 与 1 cm 土壤 温度 关系 8. 草地 生态 系统 划 割 控制 :重点 考虑 典型 变量 分 析 (CVA) 应 用 这 一 段 论述 刘 割 高 度 \ 方 式 . 时 期 等 人 工 生 态 控制 手段 在 草地 生态 系统 中 的 作用 。 由 于 草地 及 其 生态 环境 的 复杂 性 决定 了 这 类 问题 的 偶然 随机 特征 ,所 以 在 现 阶段 主要 以 数理 统计 方法 作 分 析 与 综合 ,再 将 其 结果 用 于 人 工 生 态 控制 的 实践 ,以 求 草 业 发 展 并 维 持 生 态 平衡 ,服务 于 牧 业 可 持续 发 展 。 (1) 典 型 变量 分 析 (CAV) 与 刘 割 高 度 据 杨 锦 忠 (2001) 所 述 :在 草地 研究 中 ,以 往 所 用 回归 、* 检验 等 方法 属于 定性 解释 ,而 用 CVA 方 法 , 杨 锦 忠 作 了 定量 研究 。 在 控制 光 温 的 人 工 草地 上 ,针对 高 羊 茅草 丛 的 三 个 特征 一 一 牧草 产量 \ 叶 面积 和 分 葛 密 度 一 一 与 刘 割 高 度 的 关系 ,用 CVA 结果 表明 :第 一 典型 相关 极 显 著 , 且 第 一 典型 变量 能 反映 出 浊 割 高 度 间 的 98% 的 变异 ,在 3 cm 一 24 cm 的 高 度 范围 内 , 刘 草 高 度 的 作用 是 渐 近 式 的 ,任何 两 个 刘 草 高 度 间 的 群体 之 综合 差异 与 其 高 度 差 ,呈正 比 关系 ; 叶 面 积 和 分 昔 密 度 对 浊 割 高 度 间 差 异 的 解释 能 力 基本 持平 ,但 作 用 方向 相反 ,两 者 都 大 于 牧草 产量 所 起 的 作用 。 (2) 不 同 浊 割 方式 对 草地 生产 性 能 的 影响 :方差 分 析 与 复 极 差 检验 莫 本 田 等 (2001) 采 用 不 同 刘 割 高 度 和 不 同 留 荐 高度 处 理 , 对 优良 温度 组 合 “ 苇 状 羊 H+ SPERSE + 扁 穗 省 麦 + 白 三 叶 ”" 的 人 工 草地 ,进行 浊 割 利用 试验 ,经 方差 分 析 和 复 极 差 检验 (如 <0.05 或 bp<0.01) ,结果 表明 :@ 该 混 播 草地 刘 割 高 度 以 40 cm 为 宜 , 不 仅 产量 较 高 ,还 可 使 下 茬 草 较 快 生长 ,缩短 供 草 间隔 时 间 。 在 实际 生产 上 , 若 土壤 和 肥水 等 生态 动力 源 管 理 条 件 好 ,可 适当 提前 刘 割 ,以 保证 下 茬 草 具 有 良好 的 营养 物质 供应 基 础 和 较 强 的 摄取 养分 的 能 力 。@ 齐 割 留 茬 高 度 以 5S cm 为 宜 , 过 高 既 降 低 浊 割 产 量 , 又 继 续 消 耗 根部 积累 的 养分 ,影响 再 生 草 的 生长 ;过 低 易 损伤 再 生 苗 ,推迟 再 生 苗 的 出 现 和 生 长 。 久 根据 本 试验 ,草地 的 青绿 期 仍然 是 以 剂 高 40 cm 和 茬 高 S cm 最 长 。 在 实际 生产 中 ,强调 草地 青绿 期 长 短 必 须 跟 生产 性 能 和 可 利用 期 密切 联系 考虑 ,这 样 才 能 充分 发 挥 草地 的 利用 价值 。 9. 是 类 养殖 :回归 分 析 蒋 震 敏 等 ( 见 张 本 主编 ,2002) 研 究 了 几 种 因素 对 黑 斑 口 虾 蚌 幼 体 发 育 及 存活 率 的 影 167 响 。 结 果 指 出 :@ 幼 体 适 宜 盐 度 为 16.3 一 36.4, 逐 渐 淡 化 优 于 突变 ;@ 生 育 温度 范围 267 ~30T ,水 温 X 与 幼体 发 育 Y 的 关系 为 Y =1.2143X* —12.786X +55.000 R*=0.9339 OS =HRS RAK (Z;) TR ll X SAY SARK Y = 1.0476 X* —23.343X+121.43 R*=0.9595 二 均匀 设计 在 生态 控制 试验 中 的 应 用 这 一 论题 仍 是 统计 随机 原理 在 生态 控制 中 应 用 的 一 个 重要 方面 。 1. 基础 原理 统计 试验 设计 是 统计 学 的 重要 分 支 , 它 能 节省 人 力 财力 ,用 较 少 的 试验 次 数 获得 较 “ 好 的 试验 结果 ,能 将 试验 数据 从 随机 误差 的 烟幕 中 去 伪 存 真 , 抓 住 事物 的 本 质 规律 。 所 以 正如 Atkinson 等 (1992) 所 说 : 一 个 精心 设计 的 试验 是 认识 世界 的 有 效 方 法 。 方 开 泰 等 (2001) 的 近 著 对 试验 设计 作 了 简单 而 精 凡 的 论述 。 由 于 在 生态 控制 的 理论 与 实践 问 题 中 ,有 相当 多 而 复杂 的 随机 性 质问 题 , 所 以 用 有 充分 理论 依据 的 数学 方法 ,科学 安排 试 OS ,并 用 统计 方法 处 理 试验 数据 ,是 生态 控制 必 不 可 少 的 工作 。 早 年 的 生物 田间 试验 等 即 是 这 方面 工作 的 雏形 。 试验 设计 的 方法 很 多 ,至 今 方 开 泰 研究 员 和 王 元 院士 以 数论 与 统计 结合 的 思想 (Number — Theoretic methods in Statistics ,Chapman & Hall,1994) 设 计 出 来 的 均匀 设计 方法 ,已 得 到 广泛 应 用 。 其 根本 优点 是 用 有 限 次 数 试验 ,以 达到 较 好 的 效果 。 其 在 生态 控制 中 应 用 ,效果 良好 ,并 有 广阔 的 应 用 前 景 。 下 面 举例 说 明 。 2. 含有 定性 因素 生态 控制 试验 之 例 在 生态 控制 试验 中 ,定性 因素 是 常 出 现 的 ,如 在 农业 生态 中 ,品种 的 种 子 生 态 动力 源 问题 ,作物 营养 的 营养 生态 动力 源 问题 等 。 在 过 去 常用 的 以 群 论 为 理论 基础 的 正 交 设计 中 ,所 作 的 试验 是 以 方差 分 析 模 型 为 依据 的 ,那样 对 连续 型 因素 (如 作物 的 环境 温度 、 风 等 以 及 时 间 ) 作 离散 化 (分 成 若干 个 水 平 ) ,而 定性 因素 本 身 的 水 平 就 是 离散 的 ,在 试验 安 排 和 方差 分 析 时 ,两 种 不 同类 型 的 因子 并 没有 区 别 对 待 。 但 进一步 希望 用 回归 模型 来 拟 合 实验 数 据 的 时 候 , 则 连续 型 因子 比较 方便 ,而 对 于 定性 因子 ,就 必须 用 伪 变 量 方法 加 以 处 理 。 由 于 均匀 设计 的 数据 分 析 , 主要 用 回归 分 析 模 型 ,对 定性 变量 需要 作 特 别处 理 。 基 本 处 理 方法 ,在 均匀 设计 中 应 用 如 下 。 若 一 个 试验 中 有 * PAF 2z,,22.,°°,27, 4k 2,7, 为 定量 因子 (连续 变量 为 Terie 5 为 定性 变量 。 用 均匀 设计 表 安 排 试 验 做 法 是 : (1) 试 验 规模 大 小 的 确定 设 2 st, IRE TAA Gti G> CI A ES gri 1," ee 伪 变 量 x EA m= > (q-1) (6-1) 个 伪 变 量 ,将 其 记 为 zx …… 2m 0 MRM y 与 zi,…，,z, 间 可 用 线性 模型 y= B+ DB, + Ding; re (6-23 168 来 拟 合 ,该 模型 中 有 mt+k+2 RAMS Boss Bes rw | 和 oo 因此 ,试验 数 n DARAKFm+k+2. MRM LY -y 和 因素 间 可 用 二 次 模型 y= Bo + DB, vn cei Pits + Sng, Te (63) 来 拟 合 ,其 中 未 知 数 的 数目 就 更 多 ,相应 的 试验 次 数 也 必然 增加 。 由 于 ej =2z,,2;:2;,=0(i 夫 ) ) , 故 不 需要 考虑 伪 变 量 的 平方 项 和 交叉 项 。 (2) 均 匀 设 计 表 的 选择 由 前 面 讨论 可 知 , U, (和 ) 表 不 适合 于 安排 有 ”个 属性 的 定性 因子 的 试验 ,需要 的 是 U, (¢' )#.q 170 0.05)。 为 描述 的 目的 给 出 平均 值 + SD ,一 切 娟 值 都 是 双 尾 的 。 该 研究 给 出 的 主要 结果 : (1) 与 交尾 状态 有 关 的 雄性 领域 防御 一 雄 多 雌 状 态 的 雄性 , 比 一 雄一 雌 状 态 的 雄性 ,有 较 大 的 领域 ,但 在 领域 内 珊瑚 礁 的 覆盖 面积 的 百分率 是 不 一 样 的 。 前 者 运动 速率 超过 后 者 ,但 聚集 的 频率 是 不 同 的 。 (2) 与 交尾 状态 有 关 的 雄性 拟 合 率 在 研究 中 未 观察 到 群体 外 的 交尾 ,这 说 明 一 雄 多 肉 状 态 的 雄性 在 防御 两 种 状态 的 雄 性 方面 是 成 功 的。 雄性 繁殖 的 成 功 次 数 关 系 到 雄性 的 体 长 (一 雄一 雌 :r=0.52, Fa = 4.92,N=15,5<0.05; 一 雄 多 肉 :r = 0.79, F,.4 =6.84,N=6, p=0.06), —WEA HEAR 态 的 雄性 , 比 一 雄一 雌 状 态 的 雄性 ,享有 较 高 的 繁殖 成 功 次 数 ,前 者 大 约 是 后 者 的 2 倍 。 (3) 与 交尾 有 关 的 雄性 拟 合 率 对 于 三 种 类 型 的 交尾 状态 (一 雄一 此 一雄 多 肉 的 初 状 态 、 一 雄 多 肉 的 次 状态 ) 来 说 ， 肉 性 体 长 有 显著 差异 ,一 雄 多 雌 的 次 状态 小 于 一 雄 多 肉 的 初 状 态 。 三 种 类 型 的 生长 率 ， 无 显著 差异 。 存 活 率 也 无 显著 差异 。 (4) 一 雄 多 肉 交 尾 系统 中 雌性 的 群 聚 在 一 雄 多 肉 的 初 状 态 和 次 状态 下 的 雌性 ,显示 出 比 一 雄一 雌 状 态 下 的 雌性 ,更 频繁 的 对 雄性 的 求偶 意向 (Kruskal - Wallis 23%: H, = 13.5, p<0.002), REM KARZ, 处 于 一 雄 多 肉 状 态 的 雌性 的 同 种 群 聚 包括 :抵制 同 其 他 雄性 配对 的 相 邻 雌性 的 相互 作 用 ;抵制 分 享 同 一 雄性 的 其 他 雌性 的 相互 作用 。 对 于 前 一 种 聚集 来 说 ,一 雄一 肉 、 一 雄 多 WHEW) ARAS (0.18 40.10, N=9) 5 — te & HER ARAS (0.19 + 0.06, N =9; Kruskal — Wallis 检 i: H, =0.88,p=0.64) Zi RARSEH, RAM AALKK, Htkaranke (0.39+0.06,N=9) 或 者 是 次 状态 的 雌性 (0.35 寺 0.08,N=9) ,互相 群 聚 于 一 雄 多 肉 群 的 次 数 ,超过 进入 领域 肉 性 而 群 聚 的 次 数 (Wilcoxon 符号 秩 检 验 : 初 状态 T=0, p< 0.008; 次 状态 T=1,p<0.002), KH , 初 状态 肉 性 与 次 状态 肉 性 之 间 的 群 聚 相互 作用 ， 常 出 现在 领域 边缘 附近 。 然 而 ,一 雄 多 肉 的 雄性 ,通过 两 种 活动 迫使 肉 性 群 聚 : 一 是 干扰 雌性 之 间 的 相互 作用 ;二 是 将 每 条 雌性 驱赶 至 其 领域 的 角落 。 2. 交尾 系统 对 于 单 角 鳃 来 说 ,处 于 一 雄 多 雌 状 态 下 的 肉 性 ,引诱 其 雄性 的 次 数 多 于 一 雄一 雌 状 ASF AOE ,前 者 排斥 其 他 雌性 的 次 数 也 多 ,说 明 雌 一 雌 强 竞争 是 存在 的 。 浮 游 的 那些 雌性 ,在 繁殖 季节 开始 时 ,常常 接近 一 雄一 雌 状 态 下 的 雄性 ,但 是 雄性 袭击 这 些 雌 性 并 往 往 驱 赶 她们 离开 。 成 功 的 一 雄 多 雌 状 态 不 仅 减 少 了 在 领域 防御 中 雄性 的 援助 作用 ,而 且 也 减少 了 一 雄一 肉 状 态 下 雌性 的 领域 范围 。 这 样 的 雌性 群 聚 可 以 解释 "成 功 的 一 雄 多 峻 罕见 "的 原因 之 所 在 。 雌 性 群 聚 阻 止 一 雄 多 肉 的 思想 ,是 对 动物 尤其 是 对 鸟 类 的 一 雄一 肉 进 化 来 说 最 重要 的 假设 之 一 。 雌 性 群 聚 假设 可 用 于 单 角 鳃 中 占 优 势 的 一 雄一 此 状态 ， 当然 ,进一步 的 试验 研究 是 必要 的 。 对 于 一 些 峻 性 来 说 ,由 于 种 群 中 性 比率 略 偏向 于 肉 性 ,加 上 雄性 对 群 聚 的 干扰 ,最 优 化 的 交尾 系统 是 很 难 形成 的 。 研 究 表明 , 单 角 鳃 的 交尾 系统 是 性 对 抗 的 结果 ,雄性 得 益 于 一 雄 多 雌 , 而 雌性 在 一 雄一 肉 情 形 下 为 佳 。 这 样 的 对 抗 可 能 是 缺少 单亲 抚育 的 其 他 配 对 领域 的 珊瑚 礁 鱼 一 雄一 雌 状 态 得 以 维持 的 主要 理由 。 依据 以 上 试验 研究 和 统计 分 析 结 果 ,为 使 交尾 系统 达到 最 优化 ,首要 的 步骤 是 调节 171 种 群 中 雄 肉 性 别 比率 ,使 其 尽量 达到 平衡 ;其 次 ,是 设法 减少 雄性 对 肉 性 群 聚 的 干扰 。 当 然 , 上 述 两 件 事 在 自 然 状 态 下 ,是 难以 实施 的 。 但 可 以 通过 实验 室 的 试验 ,得 出 一 些 初 步 结果 。 本 节 所 研究 的 性 别 控制 策略 的 方法 ,可 以 针对 不 同 动物 进行 。 二 交尾 析 因 设计 最 优化 按 鱼 种 遗传 力 推断 ,Dupont — Nivet 利用 随机 模式 , 作 了 交尾 析 因 和 偏 析 因 设计 最 优 化 的 研究 ,以 比较 不 同 设 计 的 有 效 性 ,确定 用 于 每 种 设计 的 最 优化 次 数 。 用 遗传 力 估计 的 最 低 误 差 方法 找 出 “种 类 "容量 和 ”种 类 "数目 的 最 有 效 组 合 方式 。 1. 基本 方法 (1) 数 量 特性 模拟 数量 特征 是 就 每 个 个 体 模 拟 的 。 每 个 特性 ,都 被 认为 受 其 基因 加 性 效应 和 环境 效应 的 影响 ,并 表示 成 如 下 关系 P,=A;+A,(o2)"” (6-8) AHP. 是 第 7 个 动物 的 表 型 值 ,Ai; ZCHSA RI, A, 是 与 标准 正 态 分 布 N(0,1) 的 偏差 ,cs 是 环境 方差 。Ai; 按 下 式 计 算得 出 A= A,+ 5 Aa + €:(o3/2)!" (6-9) 这 里 ,A. 和 Au 分 别 是 第 s 条 雄性 鱼 和 第 d 条 雌性 鱼 的 繁殖 累加 值 ,se; 是 与 正 态 分 布 N (0,1) 的 随机 偏差 ,c: 是 基因 累加 方差 ,s; (c*/2) 吧 说 明和 孟 德 尔 抽 样 的 作用 。 雌雄 对 的 繁殖 值 A; 是 按 下 式 模 拟 的 4 (6-10) 式 中 ,6; 是 与 正 态 分 布 N\0,1) 的 随机 偏差 。6i ,A; Me, 是 未 经 订正 的 。 选择 c. 和 ce 值 的 原则 是 能 够 研究 遗传 力 的 三 个 水 平 :0.5,0.25 和 0.1。 《2) 遗 传 力 估计 对 于 每 一 模拟 种 群 来 说 ,用 SAS 系统 MIXED 程序 的 REML 方法 , 按 如 下 模式 进行 模拟 Py = puts, +d; + ei, (6 11) 式 中 ,Pix 是 第 ; 条 雄性 鱼 、 第 7 条 雌性 鱼 的 第 & 条 后 代 ,Aw 是 总 平均 值 , s; 是 第 ; RR 的 随机 效应 ,di 是 第 7 条 雌性 鱼 的 随机 作用 ,ex 是 随机 残 差 。 对 于 每 一 次 重复 , 刀 " 是 由 下 式 估计 的 h 二 五 af 2 . o, 7 O77 6. 式 中 ,cs 是 雄性 鱼 之 间 的 方差 ,cd 是 雌性 鱼 之 间 的 方差 ,ce 是 剩余 方差 。 两 雄性 鱼 之 间 的 遗传 力 的 估计 值 , 表 达 雄 性 鱼 遗 传 力 内 部 两 瞧 性 鱼 之 间 的 作用 ,因为 在 母性 和 优势 度 作用 下 仍 是 无 偏 的 ,这 些 不 包括 在 这 种 模拟 模式 中 ,但 可 能 同 实际 数据 一 道 出 现 。 对 于 每 一 种 设计 来 说 ,遗传 力 误 差 是 从 与 一 切 重 要 的 遗传 力 估计 值 的 标准 侦 差 估计 出 来 的 。 对 于 一 切 组 合 ,都 按 5000 次 重复 。 2. 结果 分 析 对 析 因 设计 和 部 分 析 因 设计 的 结果 ,分 别 就 高 (0.5 狼 中 (0.25) 和 低 (0.1) 遗 传 力 加 172 (6-12) 以 分 析 。 (1) 样 本 容量 和 遗传 力 精度 当 后 代 的 数目 从 300 增 至 1000 时 ,遗传 力 精度 增加 。 当 样本 容量 从 300 增 至 1000 个 动物 时 ,可 以 得 到 的 标准 偏差 : 凡 =0.5 情形 下 ,从 0.206 FI 0.118; h? =0.25 时 ,从 0.149 KB] 0.083;h? =0.1, A 0.1 FEB 0.054. 3000 或 1000 个 个 体 的 样本 之 间 标 准 偏 差 的 减少 率 ,无 论 hh” 的 值 是 多 少 ,都 是 相同 的 。 (2) 遗 传 力 水 平 、 设 计 类 别 和 遗传 力 精度 对 于 高 等 遗传 力 (0.5) 来 说 ,无 论 样本 容量 和 设计 方法 如 何 , 最 好 的 结果 都 见于 容量 最 小 的 种 类 , 即 在 每 个 完全 同胞 种 类 (fullsib family) PA 3 一 5 个 后 代 的 情形 。 在 容量 最 优 时 ,FF 设计 (全 析 因 ,s* 条 雄性 鱼 同 * 条 雌性 鱼 一 一 交尾 ,* 个 种 类 ) 是 最 坏 的 设计 。 对 300 后 代 的 样本 容量 来 说 ,FD Rit (s 条 雄性 鱼 ,每 条 同 两 条 肉 性 鱼 交尾 ,2s 个 种 类 ) 给 出 最 精确 的 估计 值 。 对 于 1000 后 代 的 样本 容量 来 说 ,FD 和 BH[ & Berg 和 Henryon(1998) 描述 的 设计 , 即 * 条 雄性 鱼 同 * 条 雌性 鱼 按 如 下 规则 的 交尾 :1 号 雄性 鱼 对 1 号 和 2 号 峻 性 鱼 ;2 号 雄性 对 2 号 和 3 号 雌性 ,……,S 号 雄性 对 1 号 和 S SH ,2s 个 种 类 j] 容 量 设计 给 出 类 似 的 结果 ,而 FF 的 精度 很 低 。 对 于 中 等 遗传 力 、 低 等 遗传 力 的 情形 ,也 作 了 类 似 设 计 与 分 析 。 3. 总 结 与 展望 经 过 试验 研究 Dupont - Nivet 总 结 道 :在 大 多 数 情 形 下 ,FD 设计 、BH 设计 不 如 FF 设计 。 除 遗传 型 后 代数 目 NO= 1000 和 遗传 力 水 平 六 =0.5 的 情形 之 外 ,FD 设计 的 精 度 总 是 高 于 BH 设计 。 对 于 FD 和 BH 设计 来 说 ,种 类 的 最 优化 容量 是 相似 的 :对 于 A= 0.5 的 情形 ,每 个 种 类 有 3 一 5 个 后 代 ; 对 于 A? =0.25 的 情形 ,每 个 种 类 有 5 一 8 个 后 代 ; 对 于 大 =0.1 的 情形 ,每 个 种 类 有 10 一 20 个 后 代 。 从 以 上 简 述 析 因 交尾 设计 的 随机 模拟 过 程 和 结果 可 知 ,这 种 设计 在 生态 控制 中 有 一 定 领先 作用 。 值 得 注意 的 主要 优点 为 : (1) 最 新 获得 信息 工具 的 应 用 近年 ,微型 卫星 (microsatellite) (在 第 三 章 第 二 节 已 略 述 ) ,能 提供 关于 海洋 鱼 群 种 的 有 关 信 息 (Krieg et al. ,1999) ,这 也 是 本 研究 能 够 进行 的 信息 物质 基础 。 (2) 遗 传 与 生态 结合 本 项 工作 系 将 动物 遗传 基因 与 生态 控制 结合 的 一 个 好 的 范例 。 这 就 将 以 往 裴 铁 王 等 (2001) 所 提出 的 种 子 生 态 动力 源 扩展 到 超出 植物 种 子 的 范围 ,而 成 为 种 群生 态 动力 的 内 容 ,表明 关于 基因 与 生态 结合 的 植物 (如 玉米 甘蔗) 育种 用 种 的 生态 动力 问题 类 推 到 动物 (如 鱼 类 ) 的 合理 交尾 。 (3) 科 学 运用 随机 方法 这 项 工作 , 虽 不 可 用 确定 性 数学 模型 加 以 表达 ,但 所 提出 的 随机 模型 ,是 根据 客观 可 能 存在 的 事实 ,加 以 排列 组 合 ,这 就 增强 了 随机 模型 的 生态 学 意义 。 综 上 所 述 ,此 试验 有 一 定 的 实用 意义 ,并 有 很 好 的 理论 价值 。 类 似 工 作 ,完全 可 以 针 对 许多 种 动物 进行 研究 ,对 于 陆 生 哺乳 纲 等 动物 ,由 于 种 群 容量 更 易 掌 握 ,所 以 该 方法 如 用 于 家 畜 繁 殖 等 ,可 能 会 更 有 效 。 就 生活 在 水 中 的 鱼 类 等 动物 来 说 , 除 动 物 本 身 , 即 鱼 和 鱼 的 关系 之 外 , 尚 存在 动物 与 植物 (如 海洋 中 ,池塘 中 的 植物 )\ 动 物 与 非 生物 的 生态 动力 源 因 子 ( 如 海洋 、 风 暴风 暴 173 潮 、 赤 潮 等 ) 有 关 。 今 后 ,如 将 各 种 生态 动力 源 因 子 对 动物 交尾 影响 考虑 在 内 ,设计 的 结 果 , 当 可 更 加 客观 ,这 也 是 动物 性 别 生 态 控制 最 优化 所 追逐 的 目标 之 一 。 随 着 信息 来 源 的 丰富 ,监测 手段 的 优化 ,新 的 优化 控制 随机 研究 ,将 是 前 景 广阔 。 第 三 节 ”最 优 饲 料理 论 :统计 模式 在 动物 营养 生态 动力 源 中 ,饲料 的 最 优化 是 生态 工作 者 历来 十 分 关心 的 问题 。 在 过 去 30 多 年 时 间 里 ,用 最 优 饲料 理论 (optimal diet theory, 缩写 ODT) 解 释 的 动物 饲料 ,就 此 需求 , 作 过 许多 研究 工作 。Sih 等 (2001) 对 以 往 的 134 项 ODT 研究 作 了 全 面 评述 。 如 所 周知 ,有 机 体 的 饲料 是 其 生态 小 生境 的 基础 之 一 ,是 营养 生态 动力 源 的 根本 所 在 。 饲 料 定量 化 早已 是 并 将 继续 是 动物 种 类 的 生存 学 研究 的 第 一 步 工 作 。 最 优 饲料 理论 是 通过 分 析 大 量 的 研究 (实验 室 . 野 外 试验 ) 资 料 , 用 统计 方法 得 出 。 历时 10 a(1986 一 1995) 的 工作 研究 对 象 包括 许多 吏 食 者 - 食 饵 , 即 : 双 翅 蝇 -无 冰 椎 动 物 , a Hs — BB HB; BS — BPA ABS ta , 食 草 动物 - 植物, 食 蚊 鱼 - 浮游 性 动物 eR = 水 果 , 昕 螨 - 浮 游 性 动物 , WS — 贻 贝 Se a — 拟 鲤 , 甲 虫 - 柳树, 锯 蜂 -柳树 , 蚁 = 种 子 ， ” 术 足 类 甲壳 动物 -青紫 菌 , 晰 蝎 -无 脊 椎 动物 ,哺乳 动物 -昆虫 , 海 狸 一 蔬菜 ,，……。 定量 研究 与 ODT 的 拟 合 程度 超过 定性 研究 (Xi1=10.4,<0.01)。 用 五 个 因素 ( 研 究 年 份 、 实 验 室 或 野外 、 试 验 或 不 试验 、 觅 食 者 类 型 、 食 饵 类 型 ) 作 的 多 元 回归 进一步 证 实 如 下 观点 :增加 了 食 人 饵 活动 性 ,对 于 与 ODT 的 平均 拟 合 程度 有 负 作 用 。 无 论 是 定性 研究 或 者 是 定量 研究 ,只 有 食 饵 的 活动 性 与 ODT 能 力 有 显著 关系 ,才能 解释 所 观察 到 的 饲料 特性 (定性 :>= — 0.301, PP =0.004; Et: td r= —0.466, p=0.04), MFERHETK 说 ,用 a =0.10 作为 包含 阔 值 的 逐步 回归 ,包括 作为 唯一 显著 因素 的 食 饵 的 活动 性 。 有 意义 的 是 ,定性 研究 的 逐步 回归 包括 三 个 因素 : 食 饵 的 活动 性 ( 户 =0.04) ,研究 年 ( 偏 ~= -0.176, 思 =0.07) 以 及 研究 是 否 包括 试验 ( 偏 vr =0.168, p =0.08). 经 过 大 量 统计 计算 ,Sih 给 出 的 主要 结论 是 :对 于 依赖 于 不 动 食 饵 的 现 食 者 来 说 ,最 优 饲料 理论 ,一 般 是 很 好 用 的 ,但 该 理论 通常 不 能 说 明 袭 击 抓 捕 动态 食 饵 的 觅 食 的 饲料 问题 。 当 研究 方案 较 密 切 地 配合 模式 决定 的 时 候 , 运用 该 理论 成 功 的 可 能 性 较 大 。 而 觅 BARE (AHEAD VY HE Dy tie It AS HE ATA), RY AT RE PEt ANT, REE 论 用 于 动态 食 饵 之 所 以 不 成 功 , 现 有 两 种 解释 :一 种 是 可 用 于 动态 食 人 饵 研究 的 严格 检验 最 优 饲 料理 论 所 需 的 关键 参数 的 信息 ,往往 是 不 足 的 ; 另 一 种 是 对 于 动物 食 饵 来 说 , 易 受 攻击 的 食 饵 的 变化 性 (遭遇 率 、 捕 获 成 功率 ) ,通常 比 捕食 者 的 变化 性 更 大 。 据 Sih 等 统计 ,有 35 项 研究 包括 ODT 定量 检验 ,有 99 项 研究 涉及 定性 研究 。 定 量 研究 ,主要 是 针对 鸟 类 或 哺乳 动物 来 做 的 ,而 定性 研究 主要 是 无 脊 椎 动物 和 冷血 券 骨 动 物 进 行 的 。 这 两 种 类 型 的 研究 ,捕食 者 的 分 布 有 显著 差异 (Xi=10.6, 训 <0.01)。 在 所 有 的 研究 中 ,半数 以 上 (59.7% ) 不 动 的 或 实质 上 不 动 的 食 饵 ,而 只 有 20% 的 研究 (其 中 定量 研究 只 有 14% ) 是 相对 动态 的 食 饵 。 第 四 节 ”生态 控制 随机 过 程 随机 过 程 是 复杂 生态 系统 的 重要 特征 之 一 。 在 《生态 动力 学 》 一 书 中 的 若干 章节 , 曾 174 不 同 程度 地 提 到 随机 过 程 , 也 曾 用 于 生态 动力 学 的 理论 和 实际 问题 中 。 这 当然 是 生态 控 制 的 基础 之 一 。 但 是 ,出 于 控制 的 目的 , 仅 有 生态 动力 学 上 的 认识 还 不 够 充分 ,于 是 撰写 此 节 ,并 在 概述 有 关 主要 概念 基础 上 , 例 述 应 用 。 如 果 一 个 生态 控制 系统 的 状态 演化 可 以 用 一 个 随时 间 上 变化 的 随机 变量 X(t) 来 描 述 , 则 称 该 系统 状态 为 一 随机 过 程 。 例 如 在 20 世纪 的 100 at A, RR ME MAAS 量 的 状态 演化 可 用 每 年 的 生态 产量 表示 (比如 说 ,1901 年 为 35 kg'hm-?: ,1902 年 为 38 kg *hm “” ,…,2000 年 为 595 kg'hm 等) , 则 该 系统 状态 构成 一 个 随机 过 程 。 初 见 数 字 ,可 感性 认识 到 ,由 于 人 为 控制 生态 条 件 的 逐年 优化 ( 防 旱 涝 灾害 、 合 理 施 肥 等 ) ,使 生态 产量 有 明显 上 升 之 趋势 。 用 比较 严格 的 数字 语言 来 说 ,如 果 对 于 每 一 个 上 ET(T 是 某 个 参数 集 ),X(z) 是 随机 变量 , 则 称 随 机 变量 族 |X(t),zE 为 随机 过 程 。 一 \ 概 率 密度 在 生态 控制 问题 中 ,经 常 遇 到 概率 密度 问题 。 如 在 1949 年 某 种 一 年 生 植物 的 生态 产量 是 20kg'a | ,1950 年 28 kg-a ,1990 4 315kg*a ',--:,2000 年 是 320 kg'a |S. OK 生态 产量 是 受 人 工 生态 动力 源 影响 的 随机 变量 X ,那么 可 以 用 Pp, Gepst, ot eA eae) (6-13) 表示 随机 变量 X FEM Alt, May, ANAL t, Mo, 的 联合 概率 密度 。 由 概率 论 基 本 原 理 和 随机 过 程 定义 可 知 P, 具有 以 下 性 质 : 忆 .之 0; 交 换 任意 两 对 (zx, ,总 ) 和 (zx »t,) BF, P, 不 变 ; 可 约 条 件 为 J Pet) S Bye byl 5225 Byte) = Phd Ga hee 3,0 LZ ys Ey) (6-14) 另外 ,还 有 归 一 化 条 件 , | Pi (zi )dz=1, 联 合 概率 密度 描述 随机 过 程 的 统计 规律 性 。 二 平稳 性 平稳 随机 过 程 可 以 定义 为 各 阶 矩 不 受 时 间 平 移 影响 的 过 程 。 在 生态 系统 、 生 态 动力 源 和 汇 中 ,可 表示 为 平稳 随机 过 程 的 因子 是 很 多 的 ,如 水 文 气象 生态 动力 源 中 ,年 降水 的 时 间 序 列 , 已 如 4 生态 动力 学 ?一 书 所 述 。 又 如 害虫 和 天 敌 在 一 个 区 域内 各 自 随时 间 的 变 化 等 。 描 述 时 间 序 列 的 有 AR PRAY. ARMA 模型 等 。 对 于 这 些 , 我 国 陈 兆 国 、 杜 金 观 、 曹 鸿 兴 \ 史 久 恩 、\ 项 静 恬 、 潘 一 民 等 多 位 研究 员 都 有 研究 。 这 些 数 学 方面 的 研究 成 果 , 在 生 态 控制 中 ,都 会 有 很 多 应 用 。 三 \MaproB 过 程 Mapkog 过 程 是 随机 过 程 中 的 一 个 重要 过 程 , 亦 称 无 后 效 的 随机 过 程 。 该 过 程 在 生 态 控制 的 实际 问题 中 很 多 。 从 微观 生态 控制 来 说 , 某 一 年 对 某 种 作物 施 化 肥 改 善 其 营养 生态 动力 状况 ,可 以 认为 一 般 是 无 后 效 的 , 当年 施肥 , 当年 受益 。 但 改良 土壤 的 无 后 效 性 ,就 不 能 以 一 年 为 周期 ,而 要 以 几 十 年 为 周期 。 又 如 我 国 大 小 兴安 岭 纬 度 较 高 山区 乔 木 生长 对 土壤 的 影响 , 则 以 百年 为 周期 , 才 具 备 马 尔 可 夫 性 。 现在 ,我 们 用 数学 公式 表示 MaprkoBg 过 程 。 考 虑 任意 n SHANA, t, P12 =9, Pa a Vee 2 1 P31 =0,p2 =F > Pa “earns 2 1 Psi —3>Ps2> 3» Po =0,pa=1 gi 3 Pu = 4 »Pr = 三 重 一 步 转移 概率 矩阵 为 177 — 1 WIN © WlY wm Oo wl wR p® = wile RF whe wily RF wily oo -—— Xt FBR ASR UL, HH BEAL AT A , Bae ear PE AK , BT ARRAS A 1, DBD P(0O)=[1 0 0 0] 二 重 二 步 转移 概率 矩阵 ,由 多 重 转移 概率 公式 Pi(2). pip (2). opi (2) p (9) [PH (2) bu'(2) pam (2) Pah, PQ), 20 HY) 以 及 关系 式 M Py = Pa Pip + Pia bay + "+ Pina) = Dia Pye 得 到 其 结果 2,28 aya Bees Kid. 3. RIT wae Vee Gite PO. 3 Tok BS TD Pee (2) 3 3 piety ete oe. fh. he 本 aoe i yt unig aave tps ls Bie aa) eae aD 所 以 后 年 的 状态 概率 矩阵 为 fu eee 9 9 eo SHH gtk P(2)=[1 0 0 ol1 2/=|4 | agin 区 3 DR Hs Jes FE AY Ae AS PY HR EY HERE 4/9 = 44.4% ;为 丰年 的 概率 是 5/9=55.6% 。 可 见 丰 娄 可 能 性 都 有 ,以 丰年 的 可 能 性 为 大 , 而 要 争取 实现 丰产 , 则 要 从 人 工 生 态 动力 源 人 手 , 比 如 增加 有 机 肥 投 入 以 满足 营养 生态 动力 源 ,加 强 水 分 保障 ,以 满足 水 文生 态 动力 的 需要 ,这样 的 优化 控制 ,可 确保 生态 产量 增加 。 178 第 六 节 ， 集 对 分 析 及 新 集 对 论 在 生态 控制 中 的 应 用 集 对 分 析 (set pair analysis) 是 我 国 浙江 诸暨 市 联系 数学 研究 所 赵 克 勤 提 出 的 处 理 不 确定 性 问题 的 新 的 系统 理论 方法 。 这 种 方法 近年 已 在 不 少 领域 试用 ,受到 了 好 评 。 如 张 学 文 研究 员 指 出 ;“ 赵 克勤 发 明 的 联系 度 公 式 ,好 拟 把 一 些 性 质 、 关 系 等 抽象 的 含义 用 一 个 公式 计算 成 一 个 值 。 小 心 .巧妙 地 利用 它 , 会 给 我 们 打开 一 个 新 的 领域 ."( 引 自 全 国 集 对 分 析 研究 会 主办 的 《 集 对 分 析 与 联系 数学 通讯 》2001 年 第 1 期 )。 在 生态 控制 的 诸多 问 题 中 ,事实 上 涉及 多 方面 的 问题 ,如 植物 的 生态 产量 控制 、 动 物体 重 增 量 的 控制 .生态 县 开发 方案 的 控制 全球 生态 系统 与 二 氧化 碳 排放 量 的 优化 控制 等 ,它们 各 自 的 性 质 千 差 万 别 ,而 它们 之 间 的 联系 却 千 丝 万 缕 。 这 些 都 已 经 为 生态 学 诸多 且 往 往 是 分 别处 理 的 专 门 研究 所 证 实 。 比 如 生态 县 建设 , 目标 是 林 茂 粮 丰 ,六 畜 兴旺 ,山川 秀美 ,并 且 保 持 全 县 生态 环境 长 期 优化 ,利于 可 持续 发 展 ,这 些 内 容 的 含义 ,用 一 个 公式 计算 出 一 个 值 , 原 有 的 经 典 数学 方法 , 似 比较 困难 。 因 此 ,我 们 建议 不 妨 用 集 对 分 析 和 后 来 张 鸣 博 士 与 王 光 远 院士 (2000) 提 出 的 新 集 对 论 , 加 以 试 研究 。 下 面 ,让 我 们 简 述 有 关 原 理 和 生态 试 运用 途径 。 一 、 集 对 分 析 基 本 原理 及 各 生态 县 生态 控制 水 平 级 别 评估 集 对 分 析 是 建立 在 联系 度 及 其 数学 表达 式 基 础 上 的 , 集 对 分 析 是 对 不 确定 性 和 确定 性 作为 一 个 系统 进行 综合 考察 的 。 由 于 生态 控制 问题 正 是 不 确定 性 和 确定 性 都 存在 的 一 种 特殊 系统 ,所 以 集 对 分 析 的 基本 原理 帮 至 将 来 提出 的 一 些 新 的 原则 ,运算 规则 ,在 生 态 控制 中 ,都 是 应 当 有 用 的 。 下 面 让 我 们 首先 简介 联系 度 及 其 数学 表达 方法 。 设 根据 问题 We A 和 集 避 组 成 的 集 对 互 展开 分 析 , 共 得 到 N 个 特性 ,其 中 有 S 个 集 对 中 的 两 个 集合 所 共有 ,这 两 个 集合 又 在 另外 的 尸 个 特性 上 相对 立 ,在 其 余 的 下 个 特性 (下 =N=-S- 忆 ) 上 关系 不 确定 , 则 在 不 计 各 个 特性 权重 的 情形 下 , 称 SINA#A 与 集 忆 在 问题 太 下 的 同一 度 , 简 记 为 a ; FIN 为 相应 的 差异 度 , 简 记 为 5; P/N 为 对 立 度 , 简 记 为 c。 由 于 同一 度 、 差 异 度 、 对 立 度 是 从 不 同 侧面 刻画 两 个 集合 的 联系 状况 的 ,所 以 总 的 联 系 状 况 人 本 ) 可 以 表示 为 下 式 : w(Ww)=S4+ Fi =athtg 式 中 ,; 为 差异 不 确定 度 的 系数 ,在 区 间 [ -1,1] 内 , 视 不 同情 况 取 值 ,; 也 可 以 仅 起 标记 作用 ;7 为 对 立 度 的 系数 ,其 值 为 =1,7 同样 也 可 以 起 标记 作用 ;ww 为 联系 度 , 当 用 其 刻画 某 一 数字 时 , 称 之 为 联系 数 。 由 以 上 的 定义 和 论述 可 知 ,联系 度 表达 式 一 式 三 量 , 同 时 体现 出 三 者 的 联系 .影响 与 FE. i 为 1 时 ,不 确定 度 转 化 为 同一 度 ;: 为 -=1 时 , 则 转化 成 对 立 度 ; 当 ; 在 区 间 ( =- 1,1) 内 取 值 时 , 则 不 确定 量 中 ,同一 与 对 立 各 占有 一 定 的 比例 。 联 系 度 w 与 不 确定 性 系 179 数 ; 是 集 对 分 析 理 论 的 基石 。 该 理论 包容 了 随机 模糊 和 灰色 等 常见 的 不 确定 性 。 在 生态 县 生态 控制 级 别 \ 指 人 工 生态 动 力 源 所 起 作用 控制 ,分 为 优 、. 良 、 差 三 级 ) 中 的 应 用 ,可 对 不 同 县 不 同 发 展 项 目 分 别 评 价 。 为 使 评价 标准 统一 起 来 ,对 一 年 生 植物 的 生 态 产 量 动物 和 多 年 生 植物 的 生态 增 量 ,都 换算 成 价值 (以 元 为 单位 ) ,以 资 比较 。 设 在 某 一 个 自然 生态 动力 源 大 体 相 近 的 区 域内 ,有 四 个 生态 县 ,它们 共同 发 展 的 生态 大 农业 项 目 中 有 6 大 项 :中 平原 种 植 ( 一 年 一 熟 ) 凶 草地 放牧 ;G 山 区 药材 ;引水 库 ( 池 塘 ) 养 鱼 ;@ 果树 育苗 与 生产 ;@@ 温 室 蔬菜 。 设 在 某 一 年 ,对 各 县 生态 控制 级 别 加 以 评 佑 。 对 每 种 生态 农业 项 目 , 都 有 级 别 指标 。 该 年 达标 , 视 为 "实际 与 标准 两 个 级 别 共有 ， 相 对 立 和 不 确定 "关系 , 按 前 述 定 义 处 理 , 对 于 4 个 县 (用 1,2,3,4 为 下 标 ) 的 生态 控制 级 别 的 集 对 分 析 联 系 度 为 = 2+ Sit $j =0.500+0.333i +0.167) (6-20) ‘oe ay ee fig = + Fi + Fj =0.167 + 0.333: + 0.500; (6-21) hak aac wala hi ; Wy = E+ Fit j= 0.333 +0.333i + 0.333; (6-22) Ad) eae AMR Sle ; y= |G t+ Eit Fj =0.000 + 0.500: + 0.500; (6-23) 联系 度 表 达 式 计算 形式 为 u,O=0.75+0.251+0.00) 的 一 系列 表达 式 , 计 有 1 国人 TO 友人 Ge 加 HaD, 44@,"*', 4® 经 指标 平均 后 ,可 得 一 ,2Z2,Z3 a. FEM TARA aE A Bh BX (6 - 20), (6-21), (6-22) #1(6-23) ,并 经 归 一 化 处 理 后 ,可 得 wa,wzyw3 和 As, 比如 1, =0.723 + 0.277: + 0.000; 该 式 表 明 :第 一 个 县 属于 “ 优 ” 级 生态 控制 水 平 的 可 能 性 为 72.3% ,属于 RRA 27.7% ,属于 “ 差 ? 级 为 零 。 这 样 ,对 4 个 生态 县 的 控制 水 平 ,可 以 作出 定量 评估 ,并 进行 比较 ,以 利于 次 年 的 进一步 决策 , 即 优化 人 工 生态 动力 源 。 从 以 上 简 例 可 以 看 出 ,其 计算 步骤 简单 ,只 是 算术 四 则 运算 。 但 如 果 针 对 生态 建设 项 目 多 , 待 比较 的 单位 很 多 , 手 算 起 来 , 量 就 大 了 。 所 以 可 用 计算 机 程序 运算 ,参考 赵 克 勤 原 著 很 容易 设计 出 不 同 语言 的 软件 ,运算 机 时 也 不 多 。 二 新 集 对 论 在 生态 控制 中 应 用 :生态 建设 项 目 评价 集 对 分 析 自 提出 以 来 ,已 有 不 少 应 用 ,但 从 理论 上 , 尚 有 许多 问题 待 进一步 加 以 探 讨 。 张 鸣 和 王 光 远 指出 ; 集 对 "中 的 两 个 集合 的 元 素数 目 不 必 要 限定 为 相等 ,这 样 可 拓 广 集 对 论 的 应 用 范围 ;两 集合 元 素 间 的 对 比 应 当 在 元 素 序 偶 中 展开 , 而 非 对 应 元 素 的 直接 比较 ,对 比方 式 应 当 采 用 "是 否 符合 某 种 关系 "来 进行 ,基于 上 述 目的 ,他 们 提出 关于 “ 集 对 ”“ 联 系 度 " 的 新 的 数学 定义 ,给 出 了 联系 度 的 运算 规则 。 这 种 新 集 对 论 , 似 有 比 赵 克勤 专著 新 论 , 有 所 进展 。 我 们 考虑 其 在 生态 建设 工程 评价 中 可 了 予 试用 ,这 是 生态 控制 180 应 用 的 一 个 方面 。 详 细 的 定义 推导 过 程 ,运算 法 则 ,这 里 不 一 一 讲述 ,必要 时 参考 原著 。 设 有 某 一 生态 建设 工程 项 目 , 有 A 和 了 3 两 个 方案 ,由 10 位 专家 组 成 的 专家 集 M 对 该 两 种 方案 进行 评定 选择 。 评 价 因素 包括 :地 瑶 改 造 措 施 ( 如 填 平 霜 穴 )、 土 壤 改良 措施 (如 改造 盐碱地 )、 小 气候 改善 措施 (如 植树 造林 )\ 水 资源 改造 措施 、 生 物 结构 调节 措施 (如 退耕 还 林 、 退 耕 还 草 )。 专 家 集 与 两 个 方案 的 因素 集 组 成 两 个 集 对 序 偶 集 H(A,M) 和 五 (也 ,M) ,问题 是 :各 位 专家 对 方案 中 因素 的 具体 状况 所 持 的 态度 如 何 ? “BRT” 符号 /表示 ,反对 用 符合 x "表示 ， 弃 权 " 用 ”一 "表示 , 则 序 偶 集 五 (A,M) 和 五 (B， M) 中 元 素 间 的 关系 ,由 专家 给 出 ,分别 见 表 6-6 和 表 6-7。 表 6-6 各 位 专家 对 方案 A Hie H(A,M) 专 家 集 0 地 A te OE AR EK TRV a Se. AE BY'TL OR TNR” 允 tk © i Pete, Mey eX Ae Se BM 方案 A 因素 集 气候 (+ BR PS PVR ws ae 一 水 资源 SM Shs a EG ee iy the ee ee -T / 生 物 Xe, a eS Oe Be BE ne is 表 6-7 各 位 专家 对 方案 BHF H(B,M) GR ER my my m3 mM Ms mM M7 ME Me MIO 地 A Oe One ap a Ee a + # a ee Se RE ae re a Ne 方案 B 因素 集 气 OR Se ee ee RE Rg 水 资源 TEA 生 物 V GRATIS fo ib PRP Se ARTY 200 KS a 由 表 6-6 和 表 6-7 可 以 看 出 :H(A,M) 和 互 ( 了 B,M) 的 基数 N= mn =50,H;,(A, M) 的 基数 =30, 瑟 (也 ,M) 为 基数 =33, 瑟 (4A,M) 的 基数 =12, 瑟 (B,M) 的 基数 =10， 砂 (A,M) 的 基数 =8, 万 (B,M) 的 基数 =7。 由 集 对 序 偶 集 ,经 过 计算 (过 程 略 ) ,得 对 两 个 方案 评价 的 同 异 反 联系 度 为 12 B cw : , u(A, M)= 2) + i+ 5 j=0.60+0.24i + 0.16; = 334 10. u(B,M)= 50° 50° +597 =0. .66+0.207 +0.14; 由 联系 度 优先 关系 可 知 ,方案 也 优 于 方案 A。 三 \ 生 态 环境 质量 评估 的 同 异 反 态势 排序 方法 同 录 , 正 \ 反 ,确定 与 不 确定 ,是 自然 界 中 的 一 种 对 立 统一 的 基本 现象 ,这 种 现象 万 其 广泛 地 存在 于 人 类 生态 环境 之 中 。 充 分 认识 生态 环境 的 质量 ,尤其 是 充分 理解 人 类 活 动 生态 动力 源 对 环境 控制 的 效果 ,对 于 有 目的 地 \ 科 学 地 控制 生态 环境 有 重要 意义 。 但 181 是 ,由 于 人 类 生态 环境 特别 复杂 ,控制 措施 又 多 种 多 样 ,以 致 全 面 评估 生态 环境 质量 成 了 难题 。 以 前 的 作法 ,一 是 就 某 一 具体 事例 的 评估 ,如 大 气 中 SO, 含量 变化 等 ,但 这 很 难 估 价 单一 要 素 的 变化 对 农 \ 林 \、 牧 、 卫 生 等 的 综合 作用 ; 另 一 种 是 主观 描述 ,比如 说 某 城市 绿 地 面积 增加 ,有 利于 生态 环境 改善 ,这 缺少 量 的 概念 和 比较 概念 ,如 果 我 们 能 想 出 办 法 ， 就 几 个 用 不 同方 法 表达 的 同一 地 区 不 同 地 块 环境 质量 进行 评估 , 则 能 满足 人 们 对 环境 质 量 分 析 之 要 求 ,为 优化 控制 服务 。 蒋 云 良 (2001) 在 教育 方面 ,用 集 对 分 析 作 过 研究 ,所 用 思路 和 方法 是 可 以 用 于 生态 质量 评估 的 。 基本 原理 是 : 同 异 反 态势 排序 是 根据 同 异 反 联 系数 at+bitcg 中 的 ac,5,c 的 大 小 关 系 而 进行 的 一 种 排序 ,其 全 排序 由 一 个 具体 表格 一 一 给 出 ( 蒋 云 良 ,2001)。 比 如 说 :如 果 a>c;bg=0, 定 为 “ 准 同 势 " ,其 意义 是 :系统 有 确定 的 同一 趋势 ;如 果 a>c,bSc,bc,a 委 8 ,为 " 微 同 势 " ,这 样 共 有 12 种 情形 。 例如 ,在 生态 环境 质量 评价 中 ,用 9 个 项 目 分 别 评价 42 个 单位 (比如 42 个 生态 村 )， 这 9 个 项 目 是 :草地 面积 ,湿地 面积 , 鱼 塘 或 水 库 , 中 药材 产地 ,高 秆 农作物 ,果树 ,蔬菜 ， 飞播 造林 成 活 状 况 , 海 涂 生 态 状况 等 。 由 专家 分 别 打分 后 , 按 约定 ,实际 分 数 为 优 (81 一 100 分 ) 者 ,属于 “ 同 ”, 中 等 (60 - 80 ay) BTR” , 差 (59 分 以 下 BFR”. RE ,对 于 每 一 个 项 目 ,都 能 确定 出 一 个 联系 数 。 比如 ,对 于 第 一 个 项 目 一 一 草地 面积 一 一 来 说 ,所 得 8 为 0.70,c 为 0.07,a 为 0.17; 其 KARE: a>c aN AEA MAY”. RH a,b,c 的 值 可 评价 其 他 项 目 ,并 从 中 分 析出 各 种 趋势 特点 。 S$ 4 MXM 献 TAR. 1999. 霜 期 农业 气候 学 . 北京 :气象 出 版 社 . 方 开 泰 、 马 长 兴 . 2001. 正 交 与 均匀 试验 设计 . 北京 :科学 出 版 社 ， 孙 安 健 . 1986. 世界 气候 . 北京 :气象 出 版 社 . 杨 锦 忠 . 2001. 刘 草 高 度 对 草丛 群体 特征 的 影响 的 研究 一 一 典型 变量 分 析 在 草地 生态 系统 研究 中 的 应 FA. 生物 数学 学 报 ,16:109 一 113. 张 ” 本 主编 . 2002. 虾 类 养殖 研究 . 北京 :海洋 出 版 社 . 张 ” 鹏 、 王 光 远 . 2000. 新 集 对 论 . 哈尔滨 建筑 大 学 学 报 ,22:1 一 5. 赵 克 勤 . 2000. 集 对 分 析 及 其 初步 应 用 . 杭州 :浙江 科学 技术 出 版 社 . 莫 本 田 等 . 2001. 不 同 刘 割 方式 对 苇 状 羊 茅 混 播 草地 生产 性 能 的 影响 . 四 川 草 业 ,1:24 一 27. 黄 克 中 等 . 1987. 随机 方法 与 模糊 数学 应 用 上海 :同济 大 学 出 版 社 . PRES. 1999. 自然 灾害 非 参 数 统计 方法 . 北京 :科学 出 版 社 . RES. 2001. 生态 动力 学 . 北京 :科学 出 版 社 . 霍 成 君 等 . 2001. 刘 割 期 和 留 荐 高度 对 温暖 草地 产 草 量 及 品质 的 影响 . 草地 学 报 ,9:257 一 264. Atkinson, A. C. et al. 1992. Optimum Experimental Designs. Oxford: Oxford Science Publications. Baille, A. , Mermier. 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Dordrecht: Kluwer Academic. 183 第 七 章 ” 非 清晰 生态 控制 从 前 面 几 章 的 论述 可 知 ,在 生态 控制 的 定量 方法 中 ,无论 是 确定 性 或 是 随机 性 的 , 均 是 使 用 清晰 的 方法 处 理 着 清晰 的 生态 控制 问题 ,并 且 总 是 在 用 清晰 的 指标 ,追求 其 清晰 的 结果 。 比 如 森林 履 被 率 、 林 草 的 比例 向 大 气 中 排放 的 CO, 量 , 以 什么 样 的 数量 为 最 佳 ? 动物 在 什么 条 件 下 能 得 到 最 佳 生态 动力 源 ? 这 些 似 为 清晰 的 结果 ,事实 上 也 是 不 够 清晰 的 。 何 况 那 些 至 今 争论 颇 多 ,本 来 就 不 清晰 的 问题 呢 ! 本 章 将 论述 生态 控制 中 若干 非 清 晰 问题 。 第 一 节 ” 非 清晰 间 题 及 其 控制 原理 清晰 和 非 清晰 是 一 个 问题 的 两 个 方面 。 这 是 在 哲学 上 已 被 公认 的 客观 真理 。 生 态 控制 中 ,例子 比比 苔 是 。 植物 动物 (包括 人 ) 和 微生物 ,都 依赖 必 不 可 少 的 生态 动力 源 才 得 以 生存 。 但 所 需 求 的 标准 ,是 否 能 满足 这 些 依 赖 生态 动 力 源 的 生物 的 要 求 , 则 不 是 一 个 清晰 的 问题 。 关 于 人 的 生态 动力 源 , 人 们 一 直 是 很 重视 的 ,只 是 过 去 很 少 从 生态 动力 源 的 角度 来 认识 这 个 问题 。 因 为 人 从 远古 时 代 到 现代 文明 ,为 了 生存 ,总 要 衣食 住 行 这 样 一 些 基 本 条 件 , 必 要 的 生存 环境 和 空间 ,否则 即使 遗传 基因 条 件 再 好 ,也 是 无 法 生存 于 自然 界 中 。“ 民 以 食 为 天 "和 "“ 安 得 广 厦 千 万 间 , 大 庇 天 下 寒 士 尽 欢颜 这样 的 名 词 名 名 ,从 生态 动力 学 上 解 析 ,就 分 别 指 “ 营 养生 态 动力 源 " 和 “人 工控 制 环境 中 的 气象 生态 动力 源 "。 因 为 人 没有 吃 的 ( 食 饵 ) ,就 会 饥饿 ,不 能 生长 发 育 ;如 果 茅 屋 为 秋风 所 破 ,没有 房 住 , 就 要 挨 冷 受 冻 , 难 以 生存 ,当然 无 欢颜 所 谈 。 在 没有 农耕 的 时 代 , 民 以 “天 为 " 食 ` ,主要 食 饵 是 狩猎 所 得 到 HED ,而 在 有 稼 有 稿 的 时 代 ,粮食 则 成 为 主要 食 饵 之 一 。 是 从 什么 时 候 开 始 , 人 们 在 食 饵 控 制 上 达到 充足 了 呢 ? 这 本 身 就 是 一 个 非 清 晰 的 问题 ,即使 到 现代 ,人 与 动物 生态 学 家 也 难以 清晰 地 说 明 动 物性 食品 与 植物 性 食品 ,以 何 种 比例 为 宜 。 再 说 , 住 的 问题 ,在 没 有 温度 测试 时 代 , 只 能 赁 感觉 说 房间 冷暖 ,但 以 什么 程度 为 宜 , 也 不 是 一 个 清晰 的 概念 。 当然 这 里 所 说 的 非 清 晰 并 非 绝对 不 清晰 。 随 着 科学 技术 发 展 , 人 类 认识 水 平 的 提高 ,在 总 体 上 会 有 清晰 科学 认识 的 ,比如 人 每 天 平均 摄取 多 少 营养 能 生存 ,室内 温度 大 体 保持 多 少 度 ,对 人 适宜 等 。 但 严格 地 说 ,处 于 边缘 上 的 认识 ,往往 是 不 清晰 的 。 如 多 种 动物 、 植物 和 微生物 ,以 及 某 些 品种 其 营养 如 何 满足 ,其 环境 如 何 调节 为 宜 , 有 许多 是 不 清晰 的 。 从 宏观 上 ,全球 生态 学 问题 中 ,不 清晰 的 问题 更 多 。 从 不 清晰 到 清晰 ,是 客观 存在 的 。 比 如 ,有 许多 自然 生态 现象 ,人 们 总 是 希望 找到 其 周期 性 的 。 但 生态 控制 方面 的 周 期 性 ,不 像 地 学 ,更 不 像 天 文学 那样 容易 找 出 ,有 许多 自然 现象 ,由 于 客观 周期 受 多 因素 制约 ,或 许 没 有 周期 性 ,或 许 有 , 但 迄今 未 被 人 们 发 现 。 在 天 体 运 行 方面 ,人 们 发 现 过 许 多 客观 存在 的 周期 ,如 我 国 早 就 认识 到 的 二 十 四 节气 ,反映 地 球 绕 太 阳 的 运动 周期 ,哈雷 彗星 等 出 现 规律 ,地 学 上 潮汐 的 周期 性 等 等 。 但 在 气象 上 ,人 们 期 望 存 在 的 天 气 周期 ,如 184 正月 十 五 下 雪 和 八 月 十 五 阴 天 的 关系 ,事实 上 并 没有 周期 关系 ,又 如 太阳 黑子 有 11 a 周 期 ,人 们 也 曾 研 究 过 气候 是 否 也 有 11 a 周期 ,但 事实 证 明 并 没有 。 周 期 的 混沌 性 是 Lorenz 在 研究 天 气 时 认识 到 的 ,现在 人 们 发 现在 物理 学 .生物 学 包括 生态 学 中 有 许多 混 沌 ,这 也 是 非 清 晰 性 的 一 种 体现 。 以 上 说 明生 态 学 中 非 清 晰 间 题 的 本 身 , 给 人 们 进行 生 态 控制 造成 的 非 清 晰 是 广泛 的 、 客 观 的 。 但 非 清 晰 又 是 相对 的 ,如 果 条 件 放宽 , 非 清 晰 的 认识 ,就 是 清晰 的 了 ,所 以 没有 绝对 的 清晰 。 清晰 性 和 非 清 晰 性 ,作为 不 同 的 两 个 范畴 ,各 有 各 的 特点 ,各 有 各 的 规律 。 敏 感 地 依 赖 于 生态 动力 源 是 生态 非 清 晰 现象 的 主要 特征 。 例 如 ,在 物候 研究 中 ,讨论 一 种 指示 植 物 (一 般 是 野生 植物 ) , 何 时 开花 ,是 下 一 步 实行 合理 调节 播种 期 ( 系 从 时 间 上 ,实际 农业 生态 控制 的 决策 ) 的 关键 。 从 原则 上 说 , 某 种 植物 何 时 始 花 , 回 答 说 在 春季 ,总 是 基本 正 确 的 ,但 那样 的 答案 , 跨 时 段 太 长 ,对 于 生态 控制 是 没有 意义 的 。 所 以 具体 用 于 生态 控 制 ,春季 "二 字 的 答案 太 笼 统 了 。 比 如 说 ,关于 桃 树 开 花 ,在 北方 某 一 区 域 , 肯 定 答 案 是 春季 , 即 此 时 的 解 是 确定 的 、 唯 一 的 , 按 气 候 四 季 标 准 , 候 均 温 10 一 20 C ,对 于 不 同 地 方 ， 都 是 以 此 作为 春季 ,而 不 是 一 定 回答 在 哪个 月 份 。 如 果 问 桃 树 盛 花 在 哪个 月 份 ? 在 中 国 大 陆 的 不 同 地 方 , 从 华南 到 东北 ,可 能 在 3 月 .4 月 或 5 月 ,此 时 的 解 有 三 种 选择 ;如 果 问 桃花 盛开 在 哪 一 个 周 ? 可 能 的 答案 是 上 述 3 个 月 中 的 12 个 周 ,此 时 的 解 域 就 有 12 个 元 素 ; 如 果 问 开花 在 哪个 日 子 , 解 域 就 有 7x12=84 个 元 素 ; 如 果 问 开花 在 哪个 小 时 , 解 域 BA 24X84=2016 个 元 素 。 而 以 桃 树 开 花 为 指标 决策 某 种 作物 最 佳 播 期 ,是 充分 利用 自然 条 件 的 生态 控制 手段 ,这 又 与 作物 种 类 有 关 。 与 作物 种 类 建立 起 关系 的 决策 , 才 是 生态 控制 的 解 域 ; 比 如 84 个 日 期 , 若 结合 三 种 作物 , 则 解 域 比 开花 扩大 为 3 倍 , 即 有 84x 3= 252 个 元 素 。 依 此 类 推 下 去 , 解 域 中 可 能 的 解 越 来 越 多 , 解 对 初始 条 件 的 依赖 性 就 越 来 越 明显 地 显现 出 来 ,这 就 是 非 清晰 现象 。 这 种 非 清 晰 现象 ,是 客观 存在 的 ,在 目前 多 用 Lorenz(1963) 提 出 的 混沌 (chaos)、Zadah(1965 ) 提 出 的 模糊 数学 (fuzzy mathematics) ) 或 邓 巨 龙 (1982) 提 出 的 灰色 系统 (grey system) 加 以 描述 。 一 \ 非 清晰 的 相对 性 前 面 所 述 的 客观 问题 之 中 ,已 暗示 出 非 清 晰 的 相对 性 。 比 如 说 ,春季 桃花 盛开 ,这 就 是 一 个 相对 概念 ,一 般 说 来 ,如 果 从 一 个 大 的 时 段 范围 来 认识 ,这 是 绝对 的 , 即 开花 肯定 是 在 春季 。 但 春季 这 个 概念 本 身 的 非 清晰 性 ,又 使 问题 成 了 非 清 晰 。 天 文 日 历 上 的 春季 《就 北半球 ) 系 指 按 日 地 关系 确定 的 3 月 1 日 至 5 月 31 日 ( 含 ), 如 果 按 这 个 春季 的 概念 处 理 , 在 我 国 南 岭 以 南 , 桃 树 可 能 在 3 月 1 日 以 前 开花 ,这 岂 不 是 冬季 开花 了 ? 而 黑龙 江北 部 可 能 在 6 月 初 开花 ,这 岂 不 是 夏天 开花 了 吗 ? 这 样 说 天 文春 季 与 开花 ,也 是 非 清晰 的 ， 而 社会 公众 的 春季 概念 ,往往 不 脱离 天 文春 季 。 和 气候 上 的 春季 , 却 是 以 温度 来 划分 的 ,这 有 时 在 有 些 地 方 与 天 文春 季 有 较 大 区 别 ,这 就 使 日 历 上 的 开花 日 期 差异 大 , 而 按 温度 却 差异 不 大 ,因为 无 论 是 在 北 疆 , 还 是 在 岭南 ,开花 日 期 是 温度 的 函数 ,从 这 个 物候 指示 上 看 ,清晰 占 主 要 地 位 , 非 清晰 是 相对 的 。 二 、\ 非 清晰 与 清晰 的 转化 转化 性 的 存在 ,与 非 清晰 的 相对 性 分 不 开 。 在 生态 控制 问题 中 ,可 以 举 出 地 域 方面 185 的 例子 。 作 物种 类 和 品种 界限 的 控制 是 大 范围 农业 生态 控制 的 富有 实际 意义 的 举措 。 生态 研究 者 对 这 种 地 域 界限 的 控制 ,应 以 有 事先 预知 能 力 为 佳 , 至 少 也 能 客观 解释 控制 界限 的 生态 原因 。 比 如 冬小麦 北 移 ,可 种 植 与 不 可 种 植 的 界线 是 非 清 晰 的 ,如 果 这 样 说 的 话 , 这 种 非 清 晰 界线 ,往往 不 是 绝对 的 。 比 如 ,在 20 世纪 初 ,在 我 国 东部 , 曾 以 京 津 为 北 界 , 这 样 在 “保定 温度 适宜 越冬 ”就 是 清晰 的 ， 锦 州 温度 不 适宜 越冬 ,也 是 清晰 的 ,但 欲 在 京 津 一 带 画 出 一 条 线 , 即 使 能 画 出 ,也 是 非 清 晰 的 ; 随 着 品种 的 改进 ,耐寒 力 增 强 , 冬 小 麦 北 界 移 至 锦州 至 大 连 一 线 ,这样 ， 京 津 一 带 的 温度 适宜 越冬 ”就 是 清晰 的 了 ,而 锦州 至 大 连 的 一 条 分 界线 的 走势 ,就 是 非 清晰 的 了 。 但 是 , 北 种 南 引 , 中 国 冬小麦 北 界 大 概 到 铁岭 一 带 , 此 时 ， 锦 州 至 大 连 一 线 的 温度 适宜 越冬 就 是 清晰 的 ,而 穿 过 铁岭 的 一 条 分 界 线 走 向 如 何 ,就 成 为 非 清 晰 的 了 。 三 、 非 清晰 方法 的 独立 性 和 不 可 代替 性 非 清 晰 数学 方法 ,与 传统 数学 理论 是 有 联系 ,但 又 有 区 别 。 在 生态 控制 研究 中 , 容易 混淆 的 是 概率 论 与 模糊 数学 (或 灰色 系统 )。 在 随机 生态 控制 那 一 章 中 ,我 们 可 以 看 到 : 概率 论 是 表示 偶然 现象 规律 的 一 门 成 熟 的 在 生物 方面 有 广泛 应 用 领域 的 数学 分 支 。 但 是 ,正如 任何 一 门 学 科 都 有 其 局 限 性 一 样 ,概率 统计 方法 在 生态 控制 中 的 应 用 ,也 有 它 的 局 限 性 。 概 率 尽 管 表示 偶然 , 随机 性 ,但 在 一 定 条 件 下 ,一 般 是 在 一 定 的 置信 水 平 下 ,都 能 得 出 一 个 比较 确切 的 结果 ,或 者 说 清晰 的 结果 。 但 在 生态 控制 问题 中 ,往往 使 研究 者 为 下 述 一 类 问题 ,感到 困惑 。 一 个 不 稳定 的 系统 ,一 个 涉及 人 为 生态 动力 源 的 系统 ,由 试 验 数据 推测 出 来 的 概率 稳定 性 规律 ,常常 遭 到 破坏 。 此 时 ,传统 概率 方法 应 用 的 合理 性 、 有 效 性 ,就 值得 怀疑 了 。 面 临 上 述 问题 ,人 们 不 得 不 寻找 概率 论 等 经 典 数 学 以 外 的 新 的 数学 方法 。 概率 论 是 研究 和 处 理 随机 性 生态 控制 现象 与 规律 的 一 种 生态 数学 方法 ;而 非 清晰 的 一 些 数学 方法 则 是 用 于 研究 和 处 理 具 有 模糊 \ 灰色 和 混沌 性 质 的 生态 控制 的 新 方法 。 随 机 性 是 因果 律 的 破 缺 而 造成 的 一 种 不 确定 性 。 非 清晰 性 是 排 中 律 的 破 缺 而 造成 的 一 种 不 确定 性 。 概 率 论 是 从 不 充分 的 因果 关系 中 去 把 握 广 义 的 因果 率 一 一 概率 规律 , 非 清 晰 的 数学 方法 是 从 中 介 过 渡 性 中 去 寻找 非 中 介 倾向 性 ,比如 模糊 数学 中 的 隶属 度 。 第 二 节 ”模糊 生态 控制 今天 人 们 对 模糊 数学 的 认识 是 越 来 越 清 楚 了 。 刘 应 明 院 士 所 说 的 “模糊 性 一 一 精确 性 的 另 一 半 ` 一 语 道 破 了 模糊 数学 的 本 质 。 其 实 ,精确 与 模糊 本 是 一 对 丈 慎 ,在 包括 生态 控制 在 内 的 许多 具体 情况 下 , 有 时 要 求 精确 ,有 时 却 要 求 模糊 。 众 所 周知 ,在 Zadah 以 前 ,传统 数学 一 味 追 逐 的 精确 又 精确 , 而 在 其 加 进 模糊 数学 的 内 容 , 将 更 加 有 利于 思维 能 力 和 科学 素质 的 培养 。 事 实 上 ,在 生态 控制 的 许多 问题 中 ,是 存在 着 模糊 性 的 ,如 果 用 精 确 的 数学 模型 处 理 之 , 则 是 不 合理 不 客观 的 。 我 们 的 想法 是 ,对 生态 控制 问题 作 具 体 分 析 ,该 用 什么 模型 就 用 什么 模型 。 本 节 只 概括 几 个 有 代表 性 的 模糊 问题 ,加 以 说 明和 例 述 。 在 智能 领域 中 的 应 用 ,将 在 第 九 章 提 及 。 186 一 \ 用 模糊 统计 对 生态 动力 源 控制 方案 的 评估 模糊 统计 是 通过 实验 来 确定 隶属 频率 的 方法 , 它 假定 试验 的 要 素 有 如 下 四 个 : (D 论 域 U; (让 论 域 中 的 一 个 固定 元 素 uo; (I 中 可 变动 的 普通 集合 A” , 它 联系 着 模糊 概念 a 与 模糊 子 集 A ,每 一 次 固定 ,是 对 U 的 一 次 划分 ; (WA S ,联系 着 对 模糊 概念 e 所 进行 的 划分 中 的 全 部 客观 因素 或 心理 因素 ,而 对 A 的 运动 方式 有 所 制约 。 S 没有 把 划分 限 死 , 因 而 A ”可 以 变动 ,也 许 覆 盖 w ,也 许 不 覆盖 uy, WM uy A’ 的 隶属 关系 不 确定 。 模 糊 统计 认为 :这 种 隶属 关系 的 统计 结果 是 uy 对 A 的 隶属 函数 值 的 近似 ,用 确定 方法 来 研究 这 种 不 确定 性 。 这 种 确定 方法 是 :每 一 次 试验 中 ,A "是 取 定 的 普通 集合 ,在 各 次 试验 中 ,A 是 变动 的 ,而 固定 , 作 ”次 试验 ,计算 出 xu WA -的 隶属 频率 ,以 它们 作为 uy 对 A 隶 属 函 数 值 的 近似 。 表 示 这 种 频率 的 公式 是 fo MoE A” 的 次 数 (7-1) 7 实践 证 明 : 随 着 ” 值 的 增 大 ,此 隶属 频率 会 稳定 于 某 个 数 。 此 数 即 可 当 作 wo WTR 糊 子 集 A 的 隶属 函数 值 。 在 实际 应 用 中 , 常 需 进 行 模糊 识别 ,从 多 种 可 能 的 隶属 函数 中 挑选 出 最 合适 者 。 最 简单 且 最 直观 的 识别 方法 是 运用 最 大 隶属 原则 。 给 定 对 象 xeCU. KC; (i=1,2,°",c), BU EN c 个 模糊 子 集 , 隶 属 函 数值 C， (7) HBA 如 果 某 个 & 满足 C, = UC:(z) (7-2) 则 判定 Ze, 下 面 让 我 们 举 出 一 个 例子 ,来 阐述 人 为 调控 生态 环境 设计 方案 的 评估 问题 。 假 定 ， 根据 所 要 研究 的 问题 我 们 请 来 的 专家 共有 20 人 。 由 这 20 名 专家 对 方案 进行 评估 ,分 为 优秀 、 良 好、 一 般 、 较 差 \ 不 能 采用 等 共 五 种 标 准 。 用 模糊 集 统计 运算 得 出 如 下 的 隶属 函数 值 : 模糊 集 隶属 函数 值 优秀 0.17 良好 0.28 一 般 0.39 较 差 0.50 不 能 采用 0.52 专家 评定 次 数 结合 对 评语 的 意见 列 于 下 表 : 187 对 评语 的 意见 恰当 较 合 适 较 不 合适 绝对 不 行 优秀 1 4 6 1 良好 2 5 3 1 一 般 4 5 2 0 较 差 9 2 0 0 不 能 采用 9 a 1 0 经 过 讨论 与 计算 ,对 "恰当 "“ 较 合适 "“ 较 不 适合 "“ 绝 对 不 行 " 四 种 印象 分 别 赋予 的 权重 依次 是 0.65,0.25,0.10 和 0.00, 视 上 表 中 的 次 数 为 专家 组 的 分 。 然 后 计算 每 一 个 评语 的 带 有 权重 的 综合 分 ,得 出 如 下 结果 :优秀 ,1X0.65+4xXx0.25+6X0.10+1X 0.00=2.25; 良 好 ,2x0.65+5x0.25+3x0.10+1x0.00=2.85; 一 般 ,4X0.65+5X 0.25+2x0.10+0x0.00=4.05; 较 差 ,9x0.65+2x0.25+0x0.10+0x0.00=6.35; A AERA 9 X0.65+20.25+1X0.10+0X0.00=6.45. 以 每 一 评语 的 总 次 数 为 分 母 ,以 上 述 综合 为 分 子 , 计 算出 来 的 结果 即 可 作为 该 项 目 对 每 一 评语 的 隶属 函数 值 。 其 结果 如 表 7- 工 所 示 。 在 此 例 的 模糊 统计 中 ,联系 着 5 个 模糊 子 集 ,每 一 子 集 相 应 于 一 评语 ,评语 全 是 模糊 念 。 每 位 专家 的 意见 联系 着 可 变动 的 普通 集合 A-”。 表 7-1 评语 隶属 函数 值 的 计算 评语 综合 分 KHL 隶属 函数 值 优秀 2295 12 0.1875 良好 2.85 11 0.2591 一 般 4.05 11 0.3682 Re 6.35 11 0.5773 不 能 采用 6.45 12 0.5375 利用 最 大 隶属 原则 ,识别 出 此 方案 的 合适 评语 是 “ 较 差 "或 “不 能 采用 ” ,所 以 对 此 控 制 方案 , 须 重 新 设计 ,必要 时 可 再 行 招标 , 遵 选 设计 单位 。 二 树种 优选 的 模糊 综合 评判 营造 生态 林 的 目的 主要 是 充分 发 挥 其 生态 功能 。 所 以 ,在 其 选 种 设计 中 尽量 选择 那 些 与 所 在 地 区 ( 含 不 同 土壤 ` A A Hk, HHS Hs OK) 自然 条 件 适 应 的 生态 效益 好 的 树 种 ,由 于 随 着 森林 遗传 育种 水 平 的 提高 ,培育 出 的 种 苗 类 别 很 多 ,而 其 对 自然 环境 适应 能 力 差异 很 大 ,自然 条 件 本 身 所 涉及 的 生态 动力 因子 也 很 多 ,致使 树种 优选 这 一 控制 手段 的 掌握 , 变 得 扑 渊 迷离 , 非 清 晰 性 显而易见 。 为 从 中 找到 比较 有 参考 价值 的 结果 ,用 确 定 、 随 机 统计 等 手段 和 方法 ,几乎 是 无 法 控制 的 。 此 时 ,用 模糊 数学 中 的 综合 评判 方法 ， 则 可 找 出 有 一 定 科 学 依据 的 结果 。 在 北方 某 地 飞播 造林 现场 服务 中 , 曾 对 不 同 树种 、 不 同 立 地 条 件 作 具体 观测 ,在 所 得 数据 基础 上 、 试 作 评判 。 下 面 举例 说 明 该 生态 控制 方法 的 原理 和 计算 公式 。 二 ““ 源 棕 树种 选择 的 模糊 综合 评判 ,采用 模糊 数学 原理 ,考虑 与 被 评判 事物 一 一 造林 树种 188 一 王 有 关 因 子 作 用 后 ,对 树种 试验 区 内 的 有 关 情 况 作 出 评估 ,最 后 根据 所 得 出 的 计算 结 果 , 给 出 优选 树种 。 设 因素 集 为 U = | xi,xa,xs,z4j ,其 中 xi 为 单位 面积 生态 材积 量 (其 意义 系 指 由 生态 动力 因子 共同 作用 形成 的 材积 量 , 它 与 实际 材积 量 的 关系 类 似 于 生 态 产 量 与 实际 产量 的 关系 ) , wu. 为 树 高 , xs 为 树木 改善 生态 环境 可 作用 半径 长 度 ,x4 为 树龄 ,评价 集 为 Y,Y={|y ,mm，,y}i。 Kar By HRMXKAWR,R:XX Y>[0,1]. 用 和 矩阵 表示 rT Sh 2 r\ R= iti a mtg ee (7-3) Timi T m2 ae 7 mn KP rj ER WBBM upg (z;,y:),75 10,1], RMR i FALTER, 种 评语 的 可 能 性 。 根据 试验 的 目的 要 求 , 求 各 指标 权重 :计算 各 因素 的 平均 值 (X ) ,标准 差 (S ), 变 异 系 数 (CV) ,再 求 其 权重 (M) ,以 模糊 关系 R 与 因素 模糊 集 A 作 综 合 评判 BB=A'R=V,V 值 最 大 者 为 最 优 树 种 , 余 类 推 。 2. 试验 与 计算 用 均匀 试验 法 ,对 造林 区 , 选 有 代表 性 的 小 区 作 试 验 , 并 跟踪 测定 反映 生态 动力 因子 的 控制 因子 ,测量 土壤 丧 情 空气 温度 .土壤 温度 土壤 质 地 、 风 力 、 降 水 等 。 把 上 述 X, S 等 评判 指标 代 人 如 下 隶属 函数 算式 : Z min Me =e me (7=4) 再 依 各 性 状 变化 程度 确定 M。 作 和 矩阵 复合 运算 得 出 综合 评判 矩阵 QO, Q=M:R 对 于 计算 结果 进行 比较 ,得 出 在 试验 区 以 樟 子 松 为 造林 用 最 优 树 种 。 在 实施 飞播 造 PUG S~10 a, 证 实 樟 子 松 为 主 林 种 效果 是 最 佳 的 。 三 、 模 糊 隶 属 函 数 一 一 生态 位 与 麦田 调控 姚 建 民 等 (中 国生 态 学 会 ,1991) 以 模糊 数学 中 的 隶属 函数 表示 麦田 生态 协调 关系 ， 从 而 为 麦田 合理 调控 提供 量化 依据 。 1. 植物 生态 位 实用 性 的 量化 方法 :原理 考虑 到 生态 位 一 词 的 解释 并 未 形成 一 个 被 生态 学 家 普遍 接受 的 确定 性 概念 ,在 该 研 究 中 只 重点 突出 生物 对 生态 动力 因子 有 不 同 要 求 这 一 特点 ,认为 某 种 植物 (个 体 或 群体 ) 的 生态 环境 为 该 种 植物 的 生存 、 生 长 .繁殖 所 提供 的 生态 位 是 指 提供 给 该 种 植物 的 或 可 性 、 训 温 性 \ 耐 旱 性 、 需 水 量 `.CO,、 补 偿 点 、 需 肥 量 耐酸 碱 能 力 \ 抗 病虫害 能 力 等 一 一 的 集 人 Ao 基于 上 述 想法 可 知 ,植物 种 类 生态 条 件 和 生态 关系 是 植物 生态 位 的 三 要 素 ,可 用 化 文 提 出 的 物 元 表达 式 加 以 描述 。 189 将 生态 位 N 记 为 N=N(P,E,, f;) (7 3) 式 中 , 忆 是 植物 名 称 , E; 是 生态 条 件 ,三 是 生态 关系 函数 。 量 化 后 的 植物 生态 位 量 值 的 大 小 ,还 应 能 合理 地 反映 植物 特征 、 特 性 与 各 种 生态 条 件 的 协调 状况 ,协调 状况 好 坏 ,应 与 生态 位 值 的 高 低 一 致 。 当 某 种 植物 的 主要 特性 有 ?个 时 , 记 为 (Ci ),, 而 现实 生态 条 件 与 之 对 应 的 量 为 (X;: )，, 并 可 进一步 将 生态 关系 的 协调 状况 ,用 模糊 数学 中 的 隶属 函数 精确 地 表示 出 来 。 设 XeE Ci 的 隶属 函数 为 廊 , 并 有 ONS, BAA, Hl. fro filo 由 于 生态 位 的 高 低 是 由 多 维 生 态 关 系 共 同 决定 的 ,所 以 用 生态 关系 隶属 函数 积 来 表 示 生 态 位 量 值 大 小 则 较为 合理 。 这 里 把 这 种 积 的 关系 确定 为 生态 位 模 S ,并 有 S=IIf (7-6) ath 0 二 0 CT 积温 .CO, 浓度 、 供 水 量 `、 供 肥 量 土壤 pH 等 。 参 考 有 关 资 料 ,给 出 在 当地 亩 产 500 kg 小 麦 的 理想 生态 条 件 的 量 值 , 测 定 了 两 个 农 户 麦 田 生态 条 件 的 实际 供应 量 , 从 而 得 出 各 生态 因子 的 隶属 函数 值 和 总 生态 位 模 的 计算 值 , 并 与 两 户 的 麦田 产量 作 了 比较 。 据 测定 , 李 汉 乡 南越 兵 一 家 的 小 麦 的 总 生态 位 模 为 0.3639 , 亩 产 小 麦 389 kg; 而 三 管 乡 王 雪 峰 一 家 的 小 麦 总 生态 位 模 为 0.3255 , 亩 产 为 186 kg, 可 见 , 生 态 位 模 值 与 产量 水 平 有 明显 的 关系 ,进一步 分 析 , 可 揭示 出 产量 限制 因子 ,利用 实现 人 为 的 合理 调控 ,进行 科 学 的 田间 管理 。 从 以 上 分 析 可 见 , 生 态 位 量化 理论 同 模糊 数学 中 的 隶属 度 结合 ,对 于 优化 田间 控制 ， 具有 一 定 意义 的 。 可 以 推广 到 不 同 的 植物 ,也 可 进一步 用 于 动物 、 微 生物 等 。 模 糊 数学 与 多 项 生态 方面 原理 、 概 念 的 结合 应 用 ,是 模糊 生态 控制 发 展 的 正确 方向 之 一 。 190 第 三 节 动 植物 生境 的 灰色 控制 依据 动 植物 与 环境 相 适 应 的 基本 原理 ,减轻 动 植物 生存 的 不 利 环 境 威胁 ,使 其 适应 生存 环境 ,为 其 创造 优良 生境 ,是 生态 控制 基本 目标 。 其 中 有 许多 问题 属于 灰色 控制 领 域 。 因 为 我 们 对 其 过 程 既 不 是 完全 清晰 ,又 不 是 完全 看 不 清 。 灰 色 系 统 理论 中 的 相应 方 法 很 多 ,这 里 结合 有 关 动 植物 ,从 三 个 方面 加 以 论述 。 一 、 红 松 受 害 主 生态 动力 源 的 灰色 控制 森林 是 陆地 生态 系统 的 主体 。 加 强 森 林 保 护 ,对 于 使 林木 免 受 或 少 受 不 利生 态 动力 源 的 危害 ,其 生态 经 济 的 意义 是 显而易见 的 。 但 危害 森林 的 生态 逆境 千 头 万 绪 , 什 么 才 是 其 中 最 主要 者 ,人 们 的 认识 一 般 还 是 属于 灰色 系统 的 。 针 对 具体 树种 利用 灰色 分 析 技 术 找 出 致 害 的 主要 因子 ,是 控制 其 害 的 前 提 。 下 面 参考 曹 鸿 兴 (1988) 的 计算 加 以 说 明 。 1. 问题 的 提出 及 资料 来 源 红 松 产 于 我 国 东北 北部 ( 含 内 蒙古 ), 是 小 兴安 岭 和 长 白山 区 最 主要 树种 之 一 。 红 松 常 受 不 利生 态 因子 危害 。 为 了 防御 和 在 一 定 程度 上 控制 这 些 灾害 , 须 从 中 找 出 主要 生态 动力 因子 ,确定 这 方面 的 主 生态 动力 源 。 在 运用 灰色 控制 系统 方法 之 前 ,数量 生态 研究 者 需要 根据 以 往 的 研究 成 果 ,初步 确定 因 于 类 别 。 多 年 实际 观测 和 分 析 指 出 , 红 松 主要 受 如 下 两 种 因素 的 影响 :中 气象 条 件 , 红 松 既 不 耐 旱 ,又 不 耐水 湿 , 而 旱 和 水 湿 主 要 是 天 空降 水 变化 的 问题 。 所 以 在 这 里 ,以 灾害 性 天 气 发 生 率 作 为 旱 涝 灾 害 的 笼统 指标 。@ 鼠 害 , 其 危害 主要 产生 于 鼠 类 的 路 食 作 用 。 所 以 ， 在 这 里 以 害 鼠 捕获 率 表示 鼠 害 状况 。 表 7-2 系 某 地 1965 一 1973 年 的 统计 资料 。 表 7- 2 ， 红 松 受害 率 及 其 影响 因子 (% ) ff} 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 FE IRE 2, (2) 30 5 5 20 5 14 23 5 3 灾害 天 气 发 生 率 x2(k) 20 12 8 10 12 7 12 10 5 林木 受害 率 x9 (k) 26 10 8 30 10 15 25 3 3 2. 计算 过 程 与 结果 分 析 由 于 参考 序列 x(k) (MARS ER) 比较 序列 zi;(&)( 害 鼠 捕获 率 ) 和 zz (&)( 灾 害 天 气 发 生 率 ) 三 者 的 数量 级 相同 , 故 无 须 做 无 量 纲 化 处 理 。 由 表 7-2 易 得 minmin| 29 (z ) — z;(k)| =|8-8| =0 (1 =1,2;k =1965,1966,--, 1973) maxmax | 29 (k ) — z;(k)| = 130-10] =20 1=1,2;k =1965,1966,:-:,1973) 取 5=0.5, 得 关联 系数 minmin| x9 (&) —x,(k)| + 5 maxmax| x(k ) — xz, (k)| $e) = 59(k) = 2,(k)1 + & maxmaxl c(h) ~ ACE at Si 于 是 ,我 们 得 出 关联 系数 序列 : €: = 10.72,0.71,0.78,0.50,0.71,0.91,0.83,0.83.,1.00} Ey = {0.62,0.48,1.00,0.33,0.48,0.55,0.44,0.48,0.83} 最 后 , 依 公式 rq =0.579 GR, REMARHCECKASGEE, BKR7-2 资料 给 出 图 7- 1 可 见 Zi(&) 与 zz(R) 曲 线 差异 甚大 ,后 者 与 红 松 受害 率 大 体 同 步 , 由 几何 直观 判断 也 可 见 ro >To20 百分比 1% 1965. 1967 1969 1971 1973 年 份 A7-1 红 松 受害 率 及 其 因素 的 时 间 曲 线 图 一 红 松 受害 率 ,-…- 灾害 性 天 气 发 生 率 ， 一 一 害 鼠 捕获 率 上 述 的 结果 ,对 于 确定 出 生物 性 的 主 生态 动力 源 是 有 明显 意义 的 。 说 明生 物性 危害 超过 非 生物 性 的 ,这 就 是 控制 红 松 受害 的 生态 措施 的 确定 佐 据 。 尤 其 是 减轻 鼠 害 措施 比 控制 旱 涝 更 为 容易 ,这 就 是 灰色 控制 的 优越 之 处 。 而 如 果 用 试验 统计 方法 再 作 大 量 试验 后 再 统计 ,不 但 要 历经 多 年 ,而 且 很 难 用 方差 分 析 得 出 合理 结果 。 二 \ 营 养生 态 动 力 源 的 控制 作物 以 及 其 他 植物 ,一 般 是 摄取 N,P,K 以 及 微量 元 素 维持 其 生长 发 育 的 。 所 以 研 究 肥效 的 生态 问题 ,是 调节 营养 生态 动力 的 基础 。 优 化 控制 施肥 时 间 ,在 《生态 动力 学 》 一 书 中 已 有 论述 ,而 施肥 所 用 元 素 组 合 与 环境 关系 ,前 苏联 有 许多 研究 。 在 我 国 首创 的 灰色 控制 理论 对 施肥 组 合 有 着 一 定 用 途 。 李 光 林 等 运用 灰色 系统 理论 分 析 其 盆栽 试验 ， 研究 了 大 中 微量 元 素 对 水 稳产 量 和 品质 的 影响 ,并 作 灰 色 关 联 评判 。 1. DPR HARE 依 灰 色 控 制 理 论 ,步骤 如 下 : 192 (1) 标 准 参 考 数据 列 与 指标 的 表示 标准 参考 数据 列 Xu 由 各 项 指标 中 的 最 优 值 组 成 , 即 Xo=1{xqj} j=1,2,°°-,6 (7-11) 式 中 ,7 代表 测定 指标 ,从 1 到 6 依次 是 :水 稻 产量 、 干 物质 重量 、 粗 和 蛋白、 淀粉 必需 的 氮 基 酸 、 氮 基 酸 。 比较 数据 列 z; (; 是 处 理 号 ,从 1 到 16) 由 各 参评 项 目的 各 项 指标 构成 , 即 | 并 23 二 16 (7-12) AP 2, RNA i 个 处 理 的 第 7 个 指标 值 。 (2) 数 据 标 准 化 处 理 该 处 理 的 目的 是 使 数据 无 量 纲 化 ,以 便 比 较 , 所 用 公式 是 1 Ly = Xo; 人 772 max Xj ymin EZ min( i) <4; < 2X9; Xo; mn 0 Zi 一 ZouinG) 或 Liz = LX max( i) AY 2, 为 各 项 指标 值 的 最 优 值 。 (3) 计 算 关 联系 数 So = 5 AG) tpi jAgtpi TAU (7-14) Ai) = | zog) ~ Zi(;) l; pas (7-15) step TTA, SREB ORM LRRD, RT 7 A, RROBBK ae 是 分 辩 系 数 。 (4) 关 联 度 计算 re=g be (7-16) 2. 最 优 控制 组 合 经 由 灰色 关联 综合 评判 , 按 关 联 度 ro 值 , 最 大 为 0.8881 对 应 处 理 代号 1, 次 最 大 为 0.8052 ,对 应 处 理 代 号 12。 现 将 每 种 组 合 施肥 量 (单位 :mg' 钵 -每 钵 土 为 7.0 kg) 列 下 。 介 站 处 理 导 下 二 一 复 ,SIFeiCcdi 该 处 理 各 元 素 量 为 :三 元 化 成 肥 6457.5 , 磷 铵 266.9, 硫 铵 679.4, 尿素 619.9, 氯 化 钾 5$76.8 ,硫酸 亚 铁 1000.0 ,硫酸 铜 46.2, 硫 酸 锌 210.0, 硅 肥 2800.0。 (2) Ab S$ 2——#Z,S, Fe, Cu, 该 处 理 上 述 各 元 素 量 , KUNA 4386.2, 300.7, 944.7, 566.9, 539.8, 1000.0, 79.8, 210.00,2800.0。 不 难看 出 ,从 各 种 方案 中 优选 出 营养 动力 源 生 态 控制 方案 ,有 益 于 生态 控制 的 定量 化 和 规范 化 。 盆 栽 结果 ,证 实 上 述 计 算 的 正确 值 。 配 方 施肥 试验 统计 方法 ,有 不 少 。 关 键 是 使 试验 有 代表 性 ,所 以 像 本 试验 如 按 均匀 设计 的 配方 试验 处 理 ( 本 书 第 六 章 第 一 193 节 ) ,结合 灰色 系统 理论 计算 ,或 许 会 得 出 更 好 结果 。 这 里 的 方法 当 可 用 于 多 种 植物 。 三 .品种 适应 性 :灰色 局 势 决策 初步 应 用 1 AWN 为 了 提高 东北 南部 秋季 主要 蔬菜 作物 一 一 大 白菜 一 一 的 单位 面积 产量 ,中 科 院 某 研 究 单位 开展 了 区 域 品种 试验 ,各 参 试 单位 在 当地 所 得 实验 结果 ,主要 用 于 当地 的 品种 安 排 , 即 试验 结果 表明 甲 品 种 在 某 试验 年 ( 令 为 第 半年 ) 产 量 高 ,那么 在 民 年 ( 即 第 zz+1 年 ) 就 大 面积 种 植 那个 品种 。 在 试验 初期 的 两 三 年 都 是 这 样 做 的 。 但 这 种 做 法 ,从 科学 上 来 看 ,显然 有 着 不 合理 的 成 分 。 主 要 缺点 是 :中 没有 充分 考虑 生态 动力 因子 的 差异 , 即 事实 上 肯定 了 第 2+1 年 和 第 7 年 生态 动力 源 因子 的 一 致 性 和 所 用 供 试 暨 供 推广 品种 的 遗传 基因 的 一 致 性 。 这 样 的 肯定 是 否 正确 呢 ? 答案 是 有 正确 的 一 面 , 也 有 不 正确 的 一 面 。 正 确 的 方面 是 :假定 种 子 纯度 无 大 差异 ,前 后 相 邻 两 年 的 遗传 基因 可 视 为 基本 一 致 , 即 品种 本 身 的 高 产 性 , 抗 逆 性 没有 什么 明显 的 变化 ;从 地 瑶 、 土 壤 和 外 界 其 他 生物 影响 来 说 ,这 些 生 态 动力 源 因 子 一 般 也 无 大 变化 ;但 是 这 两 个 方面 的 生态 动力 源 因子 可 能 有 变化 甚至 会 有 大 变化 。 其 一 ,天 和 气 方面 的 生态 动力 因子 ,尤其 是 大 白菜 生育 后 期 的 温度 ,往往 因 赛 潮 来 得 早晚 而 变化 较 大 ,还 有 水 量 ; 另 一 方面 ,作为 营养 生态 动力 源 的 化 肥 施 用 量 , 施 用 方法 ,大 面积 与 试验 区 往往 有 差异 。 所 以 ,对 试验 资料 的 应 用 ,应 考虑 一 个 很 大 的 地 理 范 围 , 不 限于 一 乡 一 村 。 这 就 是 说 ,在 现 阶 段 ,在 寒潮 天 气 尚 不 能 在 种 植 前 提前 几 个 月 预报 的 前 提 下 ,还 不 如 只 考虑 气候 条 件 , 即 多 年 平均 状况 ,因为 气候 的 变化 周期 比 天 气 要 长 得 多 ,在 品种 试验 和 推广 的 有 限 年 内 ,不 会 发 生 突变 。 并 利用 生态 产量 数据 ,其 优点 ,已 如 生态 动力 学 指出 的 那样 ,从 试验 资料 的 分 析 方 法 上 来 说 ,以 前 的 区 域 试 验 ,主要 用 方差 分 析 和 回归 分 析 。 但 都 是 只 考虑 单一 因素 的 方法 。 后 来 常用 的 模糊 综合 评判 和 灰色 综合 评估 ,也 只 能 是 对 一 个 试验 点 的 资料 作 分 析 。 但 事实 上 ,在 农业 自然 资源 相似 的 同一 个 区 域内 ,相当 多 的 生态 动力 源 因 子 是 有 联系 ,甚至 有 密切 关联 ,比如 赛 潮 黎 击 ,对 于 辽宁 的 西部 和 北部 ,总 是 同时 的 。 邓 巨 龙 提出 的 灰色 局 势 决策 ,有 利于 克服 上 述 缺 点 ,在 依据 动力 源 条 件 作 品种 决策 方面 是 合适 的 优化 控制 策略 。 2. 基本 假定 和 计算 步骤 (1) 灰 色 事 件 < MRS; 的 意义 令 灰 色 决 策 事件 为 辽宁 西部 和 北部 的 6 个 市 :al 葫芦 岛 ;a; 锦州 ;as 盘锦 ;as BM; as 阜新 ;a6 铁岭 。 这 里 =1,2,……，,T。 对 策 为 10 个 品种 \ 有 秋 杂 系列 ` 辽 白 系 列 、 锦 州 孙 家 湾 系 列 ) ,分 别称 为 甲乙 \ 丙丁 戊 己 \ 庚 .站 、 王 、 癸 ,并 用 已 依次 表示 为 下 ,到 ，…， Dioo eH jG =1,2,°°',Jo (2) 构 造 灰 色 局 势 试验 共有 TxJ=6x10=60 个 局 势 。 它们 分 别 是 (葫芦 岛 , 甲 ),( 戎 芦 岛 , 乙 ),…,( 戎 芦 岛 , 癸 );( 锦 州 , 甲 ),…5 (盘锦 ， FA) +++; (SABA, A), +5 ( St, A) CRIA, A) (铁岭 ,类 )。 显 然 , 每 个 局 劳 的 意 义 都 表示 在 某 地 大 面积 种 植 某 品 种 。 (3) 灰 色目 标 及 其 权 向 量 的 确定 根据 辽宁 省 西部 和 北部 的 生态 条 件 和 大 白菜 相应 生产 状况 ,确定 5 个 灰色 目标 及 其 194 加 权 癌 量 : (单位 面积 的 生态 产量 , 抗 寒潮 低温 的 能 力 , 抗 霜 霉 病 的 能 力 , 耐 贮 能 力 , 早 熟 性 ) = (0.60,0.15,0.07,0.07,0.11). (4) 求 白化 值 根据 由 试验 数据 得 出 的 各 目标 的 白化 值 ,按照 公式 (p) Sar 人 max Max Z ; PES A hy A EE, (7-17) Br, ? ARB p TAMER i 个 市 种 植 第 7 个 品种 的 局 势 效 果 测 度 值 , xj ”为 按 第 p TATE i 个 市 种 植 第 7 个 品种 的 试验 数据 的 白化 值 。 (5) 计 算 效 果 矩 阵 将 灰色 目标 加 权 向 量 乘 以 各 目标 局 势 效果 测度 矩阵 ,得 出 加 权 效 果 测 度 矩 阵 。 (6) 构 造 效果 矩阵 根据 Kee % (7-18) 将 各 目标 问题 综合 化 ,构造 综合 效果 测度 矩阵 RR. (7-18) PH r, RNIB iy RAP 的 综合 效果 测度 值 , 为 目标 个 数 。 所 得 的 矩阵 结果 是 by b, b; b, bs bs b, bs by bio Peete.) (3) (7), U2). (a) aR) ee) CE) 0.128 0.131 0.121 0.135 0.154 0.160 0.141 0.129 0.148 0.169) 2: (#4) 0.118 0.142 0.139 0.116 0.148 0.131 0.139 0.162 0.151 0.136) 22 ( 锦 ) 0.121 0.119 0.108 0.167 0.162 0.154 0.145 0.142 0.137 0.129) a;(#) 0.131 0.161 0.182 0.166 0.171 0.128 0.154 0.132 0.129 0.127] a,(#A) 0.141 0.139 0.118 0.165 0.158 0.141 0.139 0.129 0.118 0.167) a.(B) 0.108 0.129 0.132 0.149 0.155 0.161 0.132 0.149 0.158 0.152) 。( 铁 ) 3. RBRSRMRA RA 78h RA Hse Hl sR 和 矩阵 的 a, 行 中 的 最 大 值 是 0.169 ,对 应 的 局 势 是 (ai ,pio), 即 在 葫芦 岛 ,生态 动力 条 件 最 适宜 种 植 品 种 丑 ; 次 大 值 是 0.160 对 应 的 局 势 是 (ai, 86) 即 在 葫芦 岛 ,第 二 个 最 适宜 (次 最 适宜 ) 的 是 品种 已 。 同 理 , 最 不 适合 的 是 品种 丙 。 对 于 其 他 市 ,从 矩阵 中 全 可 直接 看 出 结果 。 4. 实践 检验 :成 绩 和 问题 由 于 灰色 系统 论 的 可 靠 性 以 及 当地 农业 技术 人 员 多 年 试验 的 科学 性 ,使 所 得 结论 ， 比较 符合 一 般 的 常年 实际 情况 。 存 在 的 问题 , 主要 是 变动 性 很 大 的 生态 动力 因子 ,如 大 自 荣 生 育 后 期 可 能 遇 到 的 寒潮 降温 天 气 ,在 种 植 之 前 无 法 准确 预测 ,所 以 特殊 的 不 可 抗 拒 生 态 因子 影响 须 剔 除 ,为 了 抗御 突如其来 的 灾害 ,在 品种 利用 这 一 治本 措施 方面 的 改 进 , 可 用 运筹 决策 ,如 用 MDP 作 决 策 ,以 达到 时 序 总 体 的 最 优 。 195 第 四 节 ”区域 开 发 生态 经 济 控制 :灰色 局 势 决策 根据 一 个 区 域 的 生态 经 济 特征 ,从 生态 环境 与 区 域 开发 优化 协调 的 目的 出 发 作出 合 理 决 策 , 是 生态 经 济 优化 控制 的 一 个 重要 方面 。 但 在 过 去 相当 长 的 时 期 内 , 主观 决策 较 多 。 这 或 者 由 于 决策 者 不 熟悉 客观 决策 的 数学 方法 ,或 者 欲 用 的 数学 方法 过 于 复杂 ,以 致 望 而 生 旦 ,没有 能 力 应 用 。 而 从 邓 巨 龙 提出 灰色 控制 系统 原理 以 来 ,使 区 域 生 态 经 济 中 的 许多 微观 难题 可 以 求解 。 王 玉 鞭 在 这 方面 所 做 的 工作 ( 见 王 松 需 等 ,1992) 是 有 意义 的 ,下 面 加 以 介绍 。 一 、 多 目标 决策 的 数学 方法 一 一 局 势 决策 1. 决策 元 决策 向 量 与 决策 矩阵 决策 是 事件 对策 效果 三 者 的 总 称 。 记事 件 为 ai ,对 策 为 己 , 其 二 元 组 合 (a; , 访 ) 称 为 局 势 , 记 之 为 Sj =(a;,6,), SBA 第 ) 个 对 策 去 对 付 第 ; 个 事件 的 局 势 。 记 局 势 及 其 效果 测量 上 的 全 体 a ae (7-19) 为 决策 元 。 WRB a,,a.,°",4a, 中 ,有 对 策 D, ,5 ,5 , 则 对 于 同一 事件 a,, WW O,, 0,b Xm 个 对 策 去 对 付 , 于 是 构成 (a; 551) 5 (ais de 9°72 (Gi 5m) Sm 个 局 势 。 这 些 局 势 相 应 的 决策 元 可 排 成 一 行 。 于 是 构成 决策 行 ay [ Mc (7-20) thy, Wy ES, 的 效果 测度 。 同样 ,对 于 同一 对 策 乌 也 可 用 ai ,aa,…，aw 去 匹配 ,其 相应 的 决策 元 可 排 成 一 列 , 便 构成 决策 列 Yau Ya: 0 | | (7-21) 将 决策 行 8 (4 =1,2,°°, 2) GRA 7, (7G =1,2,-7', m) FEW RK, BT MAREE, ic AM (6; , 4; Beta in M ,并 有 Vir Vi2 Yin ’ | Si Si Sip, ia Nis as ’ ? 4 M= | Sa" Sx Som (7-22) Yani Yn2 Yim Ss 1 Sz 5 3 196 2. 效果 测度 效果 测度 是 各 个 局 势 所 产生 的 实际 效果 进行 比较 的 量度 。 它 通常 包括 上 限 效果 测 度 , 下 限 效果 测度 和 中 心 效 果 测 度 ,如 生态 产值 收益 属于 越 多 越 好 者 ,可 采用 上 限 效果 测 度 , 越 少 越 好 者 ,如 生态 建设 投资 、 难度, 可 采用 下 限 效果 测度 ; 而 如 降水 量 温度 等 气象 水 文生 态 动力 源 因子 ,以 适量 为 宜 者 , 则 常常 采用 中 心 效 果 测 度 。 下 面 只 讨论 上 限 效 果 测度 。 上 限 效果 测度 的 计算 公式 是 y, = fe Hij SPmax , At aad Prox 这 里 pn, ARMAS, HLWSR, tmx AK Si 的 所 有 实测 效果 之 最 大 值 。 可 以 看 出 ¥;<1 3. 多 目标 决策 当局 势 有 ”个 目标 时 , 则 记 第 & 个 目标 的 效果 测度 为 v% ,其 相应 的 决策 元 为 k be 7 Ss (7-24) Wt, A PA ARR (0 ,79 ) 及 决策 矩阵 M ,这 里 (k) (k) (k) Lie tare Su Sp Sin M®”=|Sa Sz Som (T= 25) Ss Si2 Sim 这 样 , 多 目标 的 局 势 决策 综合 矩阵 MOH (x) (x) (x) Vil V12 ie GER Si Sy Sim Vo1 (2) vite (x) er Boe (x) M~=| Sa S» Som (7-26) y ae ee ye Sui Si2 Sam 和 矩阵 中 的 元 素 , 按 下 式 计 算 : N 5 PT ies yj SI (7-27) 4. 决策 准则 决策 即 挑选 效果 最 好 的 局 势 。 由 事件 选择 最 好 的 决策 ,叫做 行 决 策 , 而 由 对 策 匹 配 最 适宜 的 事件 , 称 为 列 决策 。 其 具体 方法 是 (1) 行 决策 对 于 决策 矩阵 M'>' ,在 决策 行 $, 中 , 取 效 果 测 度 最 大 的 元 197 v,, >) =max ge anal wig 2, 2 oe (2) } (7-28) WW v,/S; 为 行 决策 元 , S, 为 最 优 决 策 局 势 , 即 0” 是 对 付 事件 w; 的 最 优 对 策 。 (2) 列 决策 与 前 类 似 , 在 决策 n, 中 选择 效果 测度 最 大 的 决策 元 六 ye MAR Vy gag ee (7-29) 则 称 ( 乙 ) Vix j S 为 列 决策 元 , Si, 为 最 优 决策 局 势 , 即 a? 是 对 于 对 策 久 来 说 最 适宜 的 事件 。 于 是 ,可 以 依据 行 决策 与 列 决策 的 结果 ,建立 优 序 化 决策 矩阵 , 作 择优 决策 。 二 ,长 寿 湖 水 域 生态 经 济 控制 的 灰色 局 势 决策 王 松 震 (1991) 指 出 : "用 生态 经 济 学 的 理论 指导 探索 自然 资源 利用 的 规律 性 还 是 一 件 新 的 尝试 。 在 水 文生 态 动力 源 比较 适宜 的 区 域 ,为 得 出 较 客 观 的 生态 经 济 效果 ,是 这 种 尝试 的 一 个 较 好 的 范例 。 王 玉 蔡 等 将 水 域 划分 为 5 个 小 区 作为 事件 集 :{ 上 游 河 道 区 工 AWARE I, WY KM ,大 坝 汇 集 区 TV ,小 河 滞 水 区 V |。 取 下 列 对 策 集 : { 捕捞 2 ,放养 0 ,培育 鱼 种 ( 含 产 卵 场 建设 )53 , 库 湾 和 网 箱 养 鱼 0 ， 水 域 种 植 bs ,旅游 be | o 取 下 列 效 果 集 :{ 生 态 效 益 ,环境 质量 ,开发 潜力 ,开发 难度 |}。 对 于 各 种 对 策 的 效果 ,由 专家 (含有 经 验 公 众 ) 评 估 ,采用 6 种 定性 评估 :最 好 ,好 , 较 好 ,一 般 , 较 差 , 最 差 , 其 数量 化 依次 取 作 :0.997,0.831,0.665,0.499,0.333,0.166。 开 发 的 难度 转 为 开发 易 度 (难度 + 易 度 =1)。 这 样 可 得 出 分 数 表 ( 略 )。 利用 专家 评估 数据 ,可 以 构成 各 个 对 策 的 实际 效果 矩阵 ww , 即 有 2 二 了 三 1 2…)6 对 于 生态 效益 、 环 境 质量 \ 开 发 潜力 、 开 发 易 度 来 说 , 均 选 用 上 限 效果 测度 ,因此 关于 各 个 局 势 的 效果 测度 ov, FP RIT =i. (730) 经 计算 , 即 可 求 出 各 指标 的 效果 ,再 利用 公式 Sy,” (Z) — #=1 ij Vv 即 可 求 出 多 目标 决策 的 综合 矩阵 198 0.501 0.501 0.95 0.6255 0.584 0.208 Si S12 Sis Sis Sis Sie 0.709 0.709 0.376 0.584 0.626 0.792 Sa So So3 So Sos Sos Ma = 0.667 0.625 0.501 0.875 0.792 0.667 S31 Sx S33 S34 S35 S36 he Oe Ee ee Ue WO Sai Sa Sa Sas Sas Ss 人 ES Ss Ss Ss3 Ss Sss Ss 对 决策 矩阵 MO FAR AT), SP EER Ot a, On Ze HTN 6 个 元 素 中 , 横 线 上 的 6 个 数字 以 0.950 为 最 大 ,所 以 该 行 的 最 优 局 势 为 0.950 横 线 下 的 S3 , 余 类 推 。 于 是 有 行 最 优 局 势 含 :Sa ,Sx 5 S345 Sai ,Sa 列 最 优 局 势 含 :Su ,Ss ,Si ,Sa ,Sa， S35 S55 ， 口 26 这 样 ,最 优 局 势 为 :Sij,Sx ,Sa 5 S35 1 Sa 9 S52 ,S5 分 析 上 述 结果 , 则 见 其 有 过 于 专业 化 的 倾向 ,为 了 让 专业 化 生产 与 多 样 化 生产 有 机 地 结合 起 来 ,以 发 挥 水 文生 态 动力 源 在 湖泊 条 件 下 的 多 功能 生态 经 济 效应 之 潜 势 ,有 必 要 作 广 义 的 最 优 局 势 决策 , 即 按 行 、 列 选择 最 优 局 势 和 次 优 局 势 。 于 是 : 行 优 序 局 势 :Sis ,Se,Sx ,Sa ,So ,Sa S55 S415 994，952，954 列 优 序 局 势 :S4 ,Sa ,So Sx. S135S535S345 S54» 35，955，926，946 得 优 序 局 势 为 :Sa ,Su S21 5 Sx Sas 5 S34 5 Sas 5 Sat» Sas 5 Sas 1 S52 S53 5 Ss4 5 S55 根据 以 上 分 析 ,研究 对 长 寿 湖水 域 的 水 体 开发 ,从 生态 经 济 控制 方面 ,提出 有 依据 的 建议 : 工区 (上 游 河 道 区 ) :选择 Sa( 保 护 产 卵 场所 ,培育 鱼苗 ), Su4( 发 展 库 湾 养 鱼 ); TK (AMAR ) :选择 S( 捕 小 凶 猛 鱼 类 ,捕捞 产 卵 后 的 成 鱼 ) , Sy BEEK AL 鱼苗 ,以 利用 多 种 类 的 水 生 饲 料 生物 和 大 量 的 外 源 性 漂浮 植物 的 生长 发 育 ), Sx (发 展 旅 游 , 以 高 峰 为 基地 建设 有 特别 自然 景观 优势 的 旅游 场所 ); 亚 ( 湖 心 区 ) :选择 Sa( 发 展 库 湾 养 鱼 和 网 箱 养 鱼 ), S3s( 开 展 水 生物 种 植 , 以 利于 鱼 类 肥育 和 水 面 消 浪 ,改善 水 体 流 动 状 况 ); WK (KWL RE ) :选择 Sy, 发挥 水 面 开阔 之 优势 ,捕捞 成 鱼 ,建设 捕捞 基地 ), Sy, 《发 展 网 箱 养 鱼 ), S4 (发 展 旅游 产业 ,开展 水 上 运动 ); V 区 (小 河清 水 区 ) :选择 Ssx(〈 利 用 水 质 肥 沃 这 一 优势 ,放养 鱼苗 ), S5 (FE FE A fH SH 育 鱼 种 ), Ss (根据 水 色 深 、 透 明度 差 的 事实 ,开展 水 种 植 以 改善 水 质 , 并 为 产 过 卵 的 亲鱼 索 饵 肥育 提供 有 利 条 件 )。 199 三 、 几 点 认识 灰色 系统 中 局 势 决策 ,用 于 生态 经 济 决策 ,是 一 种 比较 有 效 的 方法 。 上 述 只 是 一 个 例子 ,但 它 的 应 用 则 是 多 方面 的 ,在 灰色 系统 创建 初期 ,有 人 已 用 于 大 型 水 利 工 程 人 民 胜 利 渠 的 局 势 决策 , 收 到 好 的 效果 。 只 就 与 水 域 有 关 的 水 库 ` 湖 泊 ,灌渠 来 说 ,作者 曾 去 过 大 小 多 个 ,如 都 江 堰 `\ 泾 惠 灌 渠 大 伙房 水 库 ` 清 河水 库 、 薛 窝 水 库 、 乌 金 塘 水 库 、 卧 龙湖 等 多 处 ,在 那些 地 方 ,近年 都 考虑 有 关 生 态 经 济 的 多 种 经 营 问题 ,这 是 近 20 多 年 ,我 国 公众 生态 意识 增强 的 表现 。 如 能 很 好 用 生态 控制 原理 定量 分 析 计算 ,效果 当 会 更 好 。 但 是 ， 调查 中 发 现 , 有 些 水 利 工 作者 对 于 生态 控制 不 太 理 解 , 仍 认为 水 库 主要 是 用 于 防洪 兴 利 ， 只 围绕 水 这 个 字 转 ,而 其 实 水 文生 态 动力 源 正 是 将 水 与 许多 生物 结合 起 来 考虑 问题 的 ， 否则 单纯 为 了 兴 利 ,破坏 了 水 域 生 态 平衡 ,后 果 不 堪 设想 ,以致 抵 毁 了 兴 利 意义 。 在 上 述 例子 中 ,也 可 看 出 ,方法 还 能 用 到 许多 其 他 方面 。 但 问题 的 关键 是 专家 意见 ， 要 有 代表 性 ,否则 ,算得 再 准 , 也 无 济 于 事 。 但 是 ,人知 召 开 专家 咨询 会 总 是 不 大 容易 ,偶尔 开 一 两 次 会 ,也 要 多 方面 准备 。 为 此 ,近年 研制 出 的 群 决策 支持 系统 ,可 以 发 挥 其 他 方式 不 易 代 替 的 作用 。 第 五 节 混沌 生态 控制 混沌 生态 控制 是 非 清晰 生态 控制 的 一 个 重要 组 成 部 分 ,并 且 是 比 模糊 控制 灰色 控 制 更 高 一 级 的 非 清 晰 控制 手段 。 所 谓 混 沌 生态 控制 就 是 把 某 些 ( 某 一 ) 生 态 动 力 系统 的 原 有 的 不 很 合乎 人 的 要 求 的 混沌 态 转 化 为 比较 合乎 人 的 要 求 ( 从 人 的 愿望 来 说 ,应 使 其 尽量 达到 最 优 ,最 为 合乎 人 的 要 求 ;但 客观 上 十 分 困难 ,要 求 过 高 , 反 难 成 功 , 故 往往 只 能 相对 最 优 ,比较 合乎 人 的 要 求 ) 的 事先 确定 的 平衡 状态 ,周期 状态 或 在 耗 散 旧 质 ,引进 新 质 的 新 的 混沌 状态 ,并 实行 稳定 控制 。 这 里 所 说 的 生态 动力 系统 可 以 是 用 微分 方程 描述 的 连续 系统 ,也 可 以 是 由 映射 描述 的 离散 系统 。 如 《生态 动力 学 ) 一 书 第 九 章 所 论述 的 ,在 生态 系统 中 ,混沌 现象 是 广泛 存在 的 ,但 在 那里 阐述 的 基本 上 是 生态 动力 方面 的 混沌 规律 的 一 般 特 征 , 旨 在 认识 生态 混沌 ,但 基本 未 语 于 如 何 驾 驭 混沌 规律 的 问题 。 从 生态 动力 角度 出 发 ,来 认识 这 一 问题 , 则 主要 是 经 由 人 工 生态 动力 源 的 作用 ,使 生态 混沌 系统 向 着 有 利 的 方向 转化 ,达到 新 的 混沌 平衡 态 。 下 面 让 我 们 简 述 几 种 主要 方案 ,再 述 有 关 应 用 。 — OGY 方案 及 生态 应 用 该 方案 系 由 下 .Ott,C.Grebogi fl J. Yorke 共同 提出 ( 见 下 .Ott,1993) ,以 三 人 各 目 姓 氏 的 第 一 个 字母 按 顺 序 组 合 而 成 。 该 方案 基于 “系统 动力 学 行为 对 初 值 敏感 性 "这 一 混 沌 的 基本 性 质 , 在 生态 动力 系统 的 控制 问题 中 ,如 果 对 源 和 (或 ) 汇 控制 不 得 当 , 会 造成 生 态 动 力 的 严重 负 效 应 ;反之 ,控制 得 当 , 即 在 适当 条 件 下 ,以 人 工 生 态 动 力 源 的 尽量 少 的 努力 ,取得 尽量 好 的 效果 ,实现 生态 混沌 的 最 优化 , 必 将 使 正 效 率 增 强 , 有 益 于 生态 效益 增强 。 该 方案 的 另 一 基础 是 混沌 吸引 子 的 几何 结构 。 生 态 混沌 吸引 域 是 一 些 不 稳定 周 期 轨道 的 无 穷 集合 , 若 选用 其 中 任 一 轨道 为 控制 目标 ,等 待 若 干 时 间 后 ,系统 的 动力 学 行 为 将 接近 所 预期 的 周期 轨道 ,调整 系统 的 某 个 可 挖 参数, 由 于 混沌 对 初 值 的 敏感 性 , 则 使 200 系统 对 于 所 施加 的 任意 小 的 扰动 ,都 会 作出 迅速 的 响应 ,使 系统 达到 并 保持 在 这 个 目标 周期 轨道 上 。 这 样 , 以 这 个 OGY 方案 为 理论 依据 ,就 可 以 用 具有 任意 小 的 参数 摄 动 特点 的 人 工 生 态 动 力 源 措 施 ,使 构成 混沌 吸引 子 的 任 一 不 稳定 周期 轨道 变 得 稳定 ,从 而 实现 对 生态 混沌 系统 的 优化 控制 。 OGY 方案 实际 上 只 适用 于 离散 系统 及 可 以 把 连续 系统 转化 为 离散 系统 的 情形 。 该 方案 的 一 个 显著 优点 是 : 它 无 需 知 道生 态 混 沌 系统 控制 的 整体 行为 ,系统 的 动力 学 映像 可 以 直接 地 从 通过 实验 测定 的 数据 构造 出 来 。 经 过 改进 和 完善 的 OGY 方案 ,也 可 用 于 高 周期 及 高 维系 统 的 生态 混沌 控制 。 由 于 生态 系统 多 是 离散 系统 ,所 以 该 方案 广泛 适用 于 生态 问题 。 | 然而 ,OGY 方案 要 求 系统 的 参数 变化 不 能 超过 一 定 的 允许 范围 ,否则 在 经 过 微 扰 之 后 ,系统 的 局 部 动态 行为 会 发 生 畸 变 , 所 以 该 方案 原来 只 能 控制 生态 混沌 系统 中 周期 较 低 的 轨道 。 在 20 世纪 90 年 代 , 有 人 提出 偶然 正 反 馈 (OPF) 技 术 ,利用 该 技术 的 优点 是 : 只 需 小 信号 微 扰 便 可 控制 生态 混沌 系统 中 较 低 的 周期 轨道 ;而 且 , 通 过 调整 限制 微 扰 的 窗口 宽度 及 反馈 信号 的 增益 ,可 以 控制 较 高 的 周期 轨道 。 普 适 性 和 高 效率 是 该 种 技术 的 突出 优点 。 但 是 ,上 述 两 种 方法 的 共同 特点 是 :它们 均 只 限于 离散 系统 的 混沌 控制 ,因此 ,在 实 际 应 用 中 受到 限制 ,只 能 稳定 满足 要 求 的 某 些 特定 的 周期 轨道 ,而 且 , 由 于 系统 受 涨 落 和 环境 噪声 的 影响 ,不 可 避免 地 含 导 致 系统 中 偶然 出 现 突变 行 为 ,使 得 所 期 望 的 周期 信和 号 消失 。 为 了 克服 上 述 缺 点 ,有 人 提出 外 力 一 反馈 控制 法 。 这 是 一 种 混沌 的 连续 控制 法 ,其 基本 思想 是 考虑 混沌 系统 中 的 周期 信号 的 连续 控制 ;外 力 - 反 馈 控 制 法 与 OGY 法 的 显 著 区 别 是 :在 OGY 法 中 ,只 能 在 系统 状态 接近 所 需 的 周期 态 (或 称 不 动 点 ) 时 ,才能 对 参 数 进行 微 扰 。 这 是 因为 OGY 法 的 要 害 是 ,在 不 动 点 附近 的 偏差 采用 了 线性 近似 处 理 , 外 力 控制 法 则 完全 不 受 此 限制 。 这 种 方法 的 关键 技术 是 ,必须 设计 一 个 特殊 的 外 部 周期 信 号 发 生 器 ,以 产生 所 需 的 各 种 正比 信号 ,原则 上 要 能 产生 无 穷 多 的 周期 信号 ,因为 混沌 中 包含 无 穷 多 的 周期 轨道 ,从 中 提取 所 有 的 周期 信号 ,就 不 那么 容易 了 。 所 以 ,此 方法 所 要 求 的 技术 很 高 ;, 即 给 运行 带 来 技术 上 的 困难 。 为 了 克服 外 力 -反馈 控制 法 中 的 技术 困 难 , 有 人 提出 延迟 反馈 控制 法 ,这 种 方法 ,是 从 系统 本 身 输出 的 信号 中 ,取出 一 部 分 ,经 过 延迟 处 理 , 再 反馈 到 系统 中 去 ,以 代替 外 部 输出 ,这样 做 ,在 技术 上 比较 容易 实现 。 长 期 以 来 ,人 们 对 生态 混沌 系统 的 行为 ,无 法 施加 人 工 生 态 动力 源 方 面 的 主动 控制 以 达到 人 们 所 预期 的 目标 , 即 作为 人 工 生态 动力 源 主体 的 行为 控制 者 ,基本 上 总 是 处 于 被 动 状 态 的 。 然 而 ,一些 混 沌 理论 研究 者 提出 的 一 些 代 表 混 沌 控制 最 新 进展 的 方法 ,为 生态 混沌 控制 提供 了 有 力 武器 。Pecora 和 Carroll 提出 了 混沌 同步 法 。Kyragas 提出 对 混 沌 奇异 吸引 子 中 非 周 期 轨道 的 一 种 稳定 控制 方法 。 这 种 方法 ,使 一 些 不 可 预测 的 混沌 变 成 可 以 跟踪 控制 的 混沌 。 上 述 几 个 研究 者 提出 的 新 方法 ,使 混沌 控制 目 貌 换 新 颜 、 变 被 动 为 主动 。 下 面 让 我 们 简要 地 了 解 一 下 Kyragas 的 方法 。 该 方法 即 非 周 期 轨道 控制 法 。 其 基本 思想 是 把 反馈 控制 法 与 下 述 的 混沌 控制 的 同步 原理 结合 起 来 ,从 而 达到 控制 非 周期 轨道 的 目的 。 图 7=-2 给 出 该 方法 的 物理 原理 示意 图 。 从 图 中 可 以 看 出 ;该 法 要 求 其 过 程 包 201 Yop(t) 图 7-2 控制 混沌 中 非 周期 轨道 原理 示意 图 括 两 个 阶段 。 在 第 一 阶段 , 先 把 未 扰动 系统 的 输出 的 非 周期 信号 Y。(z) 的 所 需 部 分 划分 出 来 并 记录 在 记忆 原件 中 , 即 把 欲 跟踪 控制 的 混沌 中 的 非 周期 轨道 真实 地 记录 下 来 ;在 第 二 阶段 ,利用 小 反馈 扰动 F(t) = KLY,,(¢) -— Y(t)], 迫 使 系统 准确 地 重复 所 记录 的 过 去 的 信和 号。 该 扰动 的 重要 特点 是 : 当 输 出 信和 号 与 所 记录 的 过 去 信号 相 易 合 时 , 即 当 Y(2) =Y。(i) 时 ,F(z)->0。 因 此 ,该 法 并 不 改变 所 记录 的 非 周期 信号 ,这 种 扰动 起 到 了 自控 制 的 作用 。 因 为 它 总 是 趋向 把 当时 的 信号 Y(z) 吸 引 到 所 期 望 的 非 周期 轨道 Z,(z) 上 去 ,在 适当 调节 权重 系数 K 的 条 件 下 ,可 以 实现 对 Y,( 芭 的 稳定 控制 。 当 达到 稳定 化 的 时 候 , Y(t) = Y。,(i), 于 是 , 微 扰 变 得 非常 小 。 此 法 表明 :只 要 利用 一 种 特殊 形式 的 外 部 的 小 扰动 ,就 可 以 使 混沌 系统 中 当时 的 非 周期 行为 与 记录 于 记忆 中 的 它 的 过 去 非 周期 言 号 达到 同步 ,在 任何 时 刻 都 可 以 对 系统 的 混沌 行为 实行 跟踪 控制 。 在 前 面 所 讨论 的 控制 混沌 方法 中 ,其 共同 特点 是 :利用 与 时 间 有 关 的 连续 小 微 扰 来 实现 对 混沌 的 稳定 控制 。 当 微 扰 趋 于 零 或 无 限 小 时 , 则 达到 所 需 周 期 或 非 周期 信号 的 稳 定 化 。 在 OGY 法 中 ,由 于 在 不 动 点 附近 微 扰 , 故 将 所 需 信 号 稳定 地 控制 仁 了 。 在 外 力 或 延迟 自 反 馈 控制 中 ,引入 微 扰 后 ,系统 维 数 增 加 ,以 增加 原 系统 维 数 来 获得 稳定 性 所 需 的 必要 条 件 , 即 表征 混沌 特性 的 JIrnyoe 指数 从 正 变 为 负 , 从 不 稳定 变 为 稳定 ,这 就 是 其 物 理 实质 之 所 在 。 二 ,心脏 混沌 与 施加 生态 动力 的 控制 试验 各 种 动物 和 人 的 心脏 都 是 其 身体 的 重要 器 官 , 其 健康 与 否 与 整个 身体 健康 关系 极 大 ,也 可 以 说 ,同人 的 生命 关系 密切 。 心 脏 薄 死 发 生 时 ,心脏 会 出 现 致 命 性 的 心律 失常 ， 而 在 狂 死 发 生前 ,并 无 先兆 ,是 人 们 事先 预料 不 到 的 一 种 突变 ,其 后 果 之 严重 , 则 是 夺 去 生命 。 在 某 些 情况 下 ,这 种 心 搏 属于 心动 过 缓 ( 慢 心率 ) ,但 在 大 多 数 情 形 下 ,是 心动 过 速 ( 快 心率 ) ,而 且 通 常 起 于 心室 。 虽 然 心动 过 速 开 始 时 相当 规则 ,但 随后 在 心电图 上 一 般 退化 为 低 幅 ,不 规则 的 被 动 形式 ,反映 出 心脏 内 部 出 现 了 纤维 性 颜 动 - 。 这 种 闸 动 对 生 命 威胁 很 大 。 混 沌 生物 学 的 研究 已 表明 :心脏 纤维 性 颤动 是 一 种 混沌 。 经 过 多 年 不 断 研 究 , 人 们 已 经 认识 到 :通过 人 工 生 态 动力 源 作 用 ,可 以 导致 纤维 性 颜 动 。 这 类 试验 可 找到 一 些 现 象 的 混沌 规律 ,为 创建 新 的 治疗 措施 , 提供 科学 依据 。 对 于 心脏 的 加 电 刺 激 , 有 人 拿 兔子 心脏 作为 标本 进行 过 实验 ,经 左 冠 动脉 室 间 隔 , 注 以 动脉 灌 注 液 ,通过 埋藏 在 标本 中 的 白金 电极 ,在 计算 机 控制 下 ,以 持久 电压 脉冲 刺激 心脏 。 试 验 结果 显示 电 刺 激 可 以 引起 纤维 性 颜 动 。 实验 也 证 实 : 可 以 用 实验 的 方法 诱导 心律 失常 。 仍 用 兔子 心脏 作为 标本 ,在 动脉 灌 202 注 液 中 加 G 毒 毛 旋 花 苷 和 肾上腺 素 , 它 们 起 动心 脏 活 动 ,但 不 起 动心 脏 自动 活动 ,以 此 来 诱导 心律 失常 。 自 动 活动 的 引发 是 由 Na RAM Hil, Ca” 流量 的 增加 ,从 而 导致 细胞 内 Ca 超 负 荷 。 在 标本 的 85% 发 展 成 为 一 个 高 度 不 规则 的 非 周期 性 自发 跳动 方式 之 前 ,G 毒 毛 旋 花 昔 和 肾上腺 素 诱导 自发 跳动 ,起初 具有 恒定 的 心跳 间隔 ,以 后 的 发 展 显示 出 混 沌 特性 。 在 前 述 OGY 法 被 一 些 学 者 确认 之 后 ,有 人 研制 混沌 起 博 器 "以 调节 兔子 心 搏 的 不 规则 性 。 普 通 的 起 搏 器 只 是 简单 地 使 心脏 以 预先 确定 的 心率 跳动 。 混沌 起 搏 器 ` 则 不 同 , 它 的 发 放 并 不 规则 ,但 足以 使 心脏 系统 维持 其 自然 的 周期 节律 。 这 就 是 说 ,控制 心脏 混沌 的 方法 可 以 由 一 个 灵巧 的 起 搏 器 来 完成 ,这 种 起 搏 器 能 够 完成 恢复 心脏 节律 ,使 其 IA BIIEX — “EF” 。 i HEAS BFP AN Se BT EE EE. RAEN. WENT ATK FA“ BREF Rita” HB a ,以 使 心脏 恢复 到 定 态 ,对 此 ,理论 生物 学 家 Winfree 提出 ,这 种 电击 的 长 短 和 形状 的 确定 ,完全 赁 经 验 ,而 无 理论 依据 。 而 后 来 研制 的 混沌 起 搏 器 , 则 是 以 OGY 理论 为 指导 的 , 它 不 是 强 电击 ,其 基础 的 实质 是 牵 一 发 而 动 全 身 的 混沌 系统 对 初始 条 件 的 极端 敏感 依赖 性 。 三 、 混 沌 相对 稳 态 与 生态 产量 的 最 优 混 沌 控制 策略 某 种 粮食 作物 有 多 个 优良 品种 ,比如 为 Si, S:，…S, ,在 这 些 优良 品种 中 , Si 在 初 推广 的 第 一 年 和 第 二 年 中 ,总 产量 和 生态 产量 都 很 高 ,所 以 该 品种 倍 受 工 区 和 开 区 栽培 者 的 青睐 ,尤其 工区 向 来 被 誉 为 -粮仓 ", 在 第 一 年 和 第 二 年 表现 更 好 。 但 由 于 当地 人 只 顾全 面 追 求 总 的 高 产 ,而 未 从 生态 动力 角度 ,分析 控 制 生态 产量 的 主要 生态 动力 因子 ， 所 以 凭 感性 认识 推断 ,在 第 三 年 仍 按 前 两 年 的 种 植 方案 安排 生产 并 了 予 实 施 ,结果 ,工区 的 生态 产量 照 第 一 年 和 第 二 年 有 明显 下 降 ,而 工区 的 生态 产量 和 第 一 年 与 第 二 年 基本 一 样 。 对 于 这 种 情况 ,生态 工作 者 ,从 生态 因子 混沌 态 和 振动 幅度 方面 加 以 分 析 。 用 概率 统计 分 析 方 法 对 影响 该 品种 产量 原因 逐一 排查 。 从 产量 形成 的 三 个 大 的 组 成 部 分 ( 详 见 《生态 动力 学 ;一 书 第 十 章 ) ,先行 排查 :第 一 ,关于 基因 产量 ,从 制 种 情况 和 所 用 种 子 的 种 质 , 各 年 并 不 变化 ,可 视 为 相对 稳定 , 即 第 一 、 第 二 和 第 三 年 所 用 种 子 对 总 产量 的 作用 是 基本 一 样 的 ;第 二 ,从 随机 振 蔓 产量 来 说 ,这 三 个 所 采取 的 田间 管理 措施 ,如 施肥 、 防 治 病 虫害 、 除 草 等 是 稳定 的 ,没有 混沌 态 涨 落 存在 ;第 三 ,从 生态 产量 来 说 ,我 们 可 以 依次 考虑 各 类 生态 动力 因子 的 稳定 态 和 混浊 态 。 从 地 瑶 因 子 来 说 ,该 地 区 3 a 内 , 均 为 进行 小 流域 治理 和 农田 基本 建设 活动 ,其 地 瑶 可 以 说 是 完全 没有 变化 的 ,因此 首先 排除 地 瑶 类 因子 的 生态 混沌 对 生态 产量 的 控制 作用 ;从 土壤 因子 来 说 ,3 a 内 也 是 没有 太 大 变化 的 ,因为 未 进行 土壤 改良 ,土壤 的 许多 物理 性 质 并 无 改变 ,只 是 施肥 造成 化 学 性 质 的 少量 变动 ,但 经 过 化 学 方法 的 分 析 检 测 ,其 变化 对 产量 的 影响 甚 微 ;从 水 文 类 生态 动力 因子 来 说 ,这 3 年 并 无 洪水 发 生 ,而 且 该 种 作物 是 不 灌 概 的 , 故 农业 水 文生 态 动 力 源 可 视 为 非 混沌 态 ; 从 气象 类 生态 动力 因子 来 说 ,在 该 种 作物 生育 盛 期 ,第 一 、 第 二 两 年 7 一 8 月 份 降 水 量 工 区 和 下 区 大 概 相 同 ,但 第 三 年 同时 期 内 , 工区 的 降水 量 是 开 区 的 2 倍 ,这 可 以 说 ,生育 盛 期 降水 量 的 多 寡 是 气象 类 生态 动力 因子 混沌 态 的 表现 ,该 期 降水 量 涨 落 振动 幅度 大 ,处 于 混沌 态 , 才 使 生态 产量 并 导致 总 产量 在 工区 和 开 区 ,大 相 径 庭 。 以 上 的 分 析 , 有 些 可 以 从 机 理 上 清晰 看 出 ,其 影响 该 排除 即行 排除 ,无 需 用 数学 方法 加 以 检验 , 比如 洪水 问题 ,未 203 发 生 就 是 未 发 生 , 当然 不 可 能 冲 走 工区 和 开 区 的 庄稼 。 但 有 些 , 则 需要 利用 已 有 的 有 限 数据 ,进行 检验 ,比如 用 《自然 灾害 非 参 数 统计 方法 》 一 书 中 第 279 一 288 页 的 方法 并 参照 实例 ,加 以 检验 ,以 便 使 排查 结论 更 趋 于 客观 化 。 知 道 了 混沌 的 初步 结果 , 即 可 以 对 所 获 得 的 显示 结果 ,从 机 理 上 加 以 分 析 , 原来 在 该 种 作物 生育 盛 期 内 ,如 果 遇 到 7 一 8 月 份 的 降水 量 较 大 , 则 易 发 生 对 生产 产量 乃至 总 产量 有 至 关 重 要 影响 的 一 种 病害 。 而 在 第 一 、 第 二 两 年 , 工区 降水 量 与 工区 相当 ,所 以 盛夏 雨量 对 产量 的 影响 不 显著 。 但 7 一 8 月 降水 量 振幅 大 , 显示 混沌 态 是 必然 规律 。 从 长 远 考 虑 ,我们 查阅 工区 和 开 区 各 近 50 年 的 对 应 大 样本 的 7 一 8 月 降水 量 ,结果 发 现 , [KM Kew Ss 90% ,相当 或 略 少 于 开 区 的 只 占 10% RARE EU IL KEM Ke BK ,所 以 该 品种 种 在 下 区 是 有 90% 的 把 握 高 产 ,而 种 在 II 区 有 90% 把 握 是 减产 , 故 从 气候 生态 规律 分 析 , 工区 最 好 改 用 其 他 良种 ( 抗 同 类 病害 能 力 强 的 品种 )。 至 于 第 一 、 第 二 年 工区 用 所 论 品种 未 减产 ， 那 只 是 特殊 情况 , 即 概率 为 十 分 之 一 的 情况 。 有 读者 大 概 想 到 天 气 生 态 动力 问题 , 即 按 7 一 8 月 份 降水 量 的 混沌 态 , 靠 年 度 的 天 气 预报 安排 品种 , 即 如 果 在 播种 之 前 就 预报 出 当年 FEL K7~8 月 份 降 水 量 少 ,那么 就 依 此 安排 品种 , 岂 不 更 好 。 其 实 ,这 是 不 对 的 , 究 其 本 质 是 忽略 了 天 气 生 态 动力 混沌 态 与 气候 生态 动力 混沌 态 的 差别 。 后 者 的 混沌 涨 落 幅 度 比 前 者 小 得 多 。 因 为 现在 气象 学 发 展 的 水 平 , 远 远 没 达到 提前 一 年 作出 准确 降水 趋势 预 报 的 水 平 , 所 以 一 般 不 考虑 天 气 混沌 态 来 安排 品种 。 在 某 种 情形 下 ,即使 有 必要 考虑 亦 须 参 照 ( 生 态 动力 学 》 一 书 第 233 一 235 页 的 决策 手段 ,对 生态 混沌 加 以 控制 。 从 长 远 的 观点 看 问题 ,什么 是 生态 混沌 控制 的 最 优 控制 手段 (即使 混沌 态 走向 有 序 态 ) 呢 ? 那 就 是 基于 气候 生态 动力 源 难 于 预测 ( 即 年 度 ) 的 “长 期 预报 , 尚 待 探索 `( 丑 纪 范 语 ) 这 一 事实 , 暂 不 调节 生态 动力 源 中 的 7~8 月 降水 量 (事实 上 ,在 现 阶 段 , 虽 然 自 上 个 世纪 40 年 代 中 期 以 来 ,Langmur 和 Sheafer 等 的 试验 已 说 明 人 类 能 够 影响 天 气 尤 其 是 降 雨 ,宣告 了 weather modifcation 的 可 实现 性 ,但 50 多 年 后 的 今天 , weather modification 的 影响 作用 甚 微 , 以 致 不 可 能 左右 7 一 8 月 这 两 个 多 十 月份 的 降水 总 量 , 而 气候 的 人 工 影 响 climate modification , 除 局 部 或 小 气候 还 是 不 可 能 的 ) 这 个 水 文 气 象 性 质 的 生态 动力 源 , 而 是 调节 生态 动力 汇 一 一 玉米 品种 一 一 的 落 区 。 也 就 是 说 ,对 于 工区 ,由 于 盛夏 多 而 易 染 病害 ,我 们 可 以 把 易 染 病害 品种 放 人 开 区 种 植 ,而 在 工区 改 用 抗 病 性 强 的 品种 。 这 样 一 来 ,品种 落 区 ,各 得 其 所 ,于 是 ,从 生态 控制 的 宏观 调节 上 ,达到 了 优化 控制 的 目的 。 对 于 一 个 大 范围 , 作 这 样 的 选 种 .引种 暨 落 区 调整 ,是 调节 生态 动力 汇 的 适应 ,同时 ,也 是 调节 即 优 化 控制 种 子 生 态 动力 源 , 达到 全 局 增产 的 终极 目标 。 这 也 是 生态 混沌 走向 有 序 的 一 种 综合 集成 技术 。 当 可 向 多 种 作物 、 多 种 品种 和 多 样 的 土壤 气候 地 瑶 等 生态 因子 方面 加 以 推广 。 这 样 做 的 结果 , 当 可 比 药 物 防 治 等 治标 技术 取得 好 的 成 果 。 在 东北 的 一 些 地 方 ,我 们 做 过 尝试 ,证 实 了 上 述 观 点 。 四 设施 环境 中 作物 病害 的 生态 混沌 控制 策略 设施 农业 环境 中 作物 的 病害 会 减少 受害 作物 的 生态 产量 。 但 这 种 减产 量 值 的 大 小 是 混沌 态 的 ,人 对 其 认识 也 是 混沌 的 。 这 就 给 病害 的 生态 控制 带 来 许多 不 清晰 性 。 而 利 用 混沌 控制 的 基本 原则 ,提高 对 植物 病害 减产 、 病 害 科 学 防御 问题 的 认识 水 平 ,可 以 在 实 践 中 ,提高 病害 控制 的 能 力 。 然 而 ,在 过 去 相当 长 的 时 间 内 ,人 们 对 真菌 病害 防治 的 认 204 识 ,停留 在 治标 措施 的 混沌 态 认 识 之 中 。 例 如 , 早 在 1974 年 James( JL Ann. Rev. Phy- ioba 如 ol.12,27 一 48) 提 出 的 方法 ,是 把 病害 与 减产 的 定量 关系 编 绘 成 一 目 了 然 的 图 。 利 用 这 样 的 图 ,力图 在 获得 一 定 产量 数据 的 基础 上 ,使 每 一 次 条 真 菌 药物 的 喷洒 合理 化 。 这 种 以 药物 防御 的 有 效 措 施 ,就 其 实质 仍 是 一 种 治标 措施 ,但 至 少 直到 20 世纪 80 年 代 初 仍 视 为 防治 真菌 病害 的 最 重要 措施 。 而 对 治本 措施 , 比较 早 引 起 重视 的 是 品种 的 利 用 , 即 选用 抗 病 能 力 强 的 品种 ,这 乃 是 一 种 基因 调节 措施 。 尽 管 人 们 对 于 导致 真菌 性 病 害 的 原因 及 主要 防治 策略 的 生态 控制 问题 , 早 有 认识 ,但 可 以 说 直到 10 多 年 前 ,这 种 认 识 本 身 尚 被 束缚 于 混沌 认识 状态 的 误区 。 以 致 未 能 很 好 耗 散 掉 这 种 误区 的 旧 质 。 我 国 于 20 世纪 80 年 代 , 尤 其 是 该 年 代 中 后 期 迅速 崛起 的 霜 期 农业 ,促进 了 生态 控制 从 混沌 走向 有 序 的 发 展 ,以 致 对 生态 控制 霜 霉 病 等 真菌 病害 的 生态 防治 的 认识 ,从 以 往 的 混沌 走向 比较 稳定 的 有 序 并 形成 新 条 件 下 的 新 的 认识 ,对 生态 混沌 防治 提出 新 的 要 求 。 这 种 新 形态 下 的 混沌 ,不 再 是 采用 生态 治本 防治 手段 的 重要 性 问题 ,而 是 在 充分 认识 重要 性 的 前 提 下 ,采取 什么 方式 的 问题 。 首 先 , 从 经 验 和 初步 定量 试验 认识 到 一 些 措施 ,比如 说 ,环境 设施 的 通风 技术 ,环境 湿度 的 控制 技术 。 但 这 些 技术 的 实施 ,涉及 优化 控制 的 数 学 方法 问题 ,而 在 上 世纪 80 年 代 末 以 来 ,相应 的 方法 和 软件 可 供应 用 ,于 是 统计 决策 , 运 筹 学 中 的 各 种 决策 论 方法 和 对 策 论 ,模拟 方法 ,在 这 种 对 混沌 充分 并 相对 正确 认识 的 基 tht ,经 由 中 试 直到 全 面 推广 。 这 样 处 理 的 生态 混沌 问题 ,主要 有 三 类 :一 是 改 明渠 ( 沟 ) 灌溉 为 暗 ( 管 ) 灌 溉 ,以 减少 水 分 向 大 棚 内 的 输入 ,使 相对 湿度 和 绝对 湿度 减 小 ,这 是 对 微 观 水 文生 态 动 力 源 从 混沌 化 向 清晰 的 认识 并 付 诸 实施 。 二 是 对 所 用 大 棚 膜 进行 对 比 观 测 ,看 当地 以 有 滴 膜 和 无 滴 膜 以 及 不 同 厂 家 生产 的 无 滴 膜 ,减少 湿度 的 效果 ;正如 所 预期 的 那样 ,在 从 防 霜 霉 病 降低 湿度 的 目的 来 说 ,有 滴 膜 是 不 该 用 的 , 而 无 滴 膜 ,以 用 辽东 某 厂 生产 的 为 好 ,如 该 厂 产品 脱销 , 则 用 辽西 某 厂 生产 的 无 滴 膜 ,这 是 从 湿度 混沌 控制 的 角 度 , 从 混沌 转折 到 清晰 的 生态 控制 ,主要 以 实际 试验 数据 作为 转折 的 依据 。 三 是 对 霜 霉 病 防 治 , 从 生态 方面 人 手 ,主要 是 对 温室 通风 进行 科学 调节 ,在 一 般 情 况 下 ,通风 合理 ,是 断绝 霜 霉 病 真菌 孢子 赖 以 生存 的 气象 生态 动力 源 的 有 力 措施 ,但 是 通风 过 量 却 又 影响 气 象 生 态 动力 源 一 一 温度 ,进而 影响 作物 生长 。 因 此 ,一 方面 要 通风 , 另 一 方面 要 保持 大 棚 内 温度 ,还 要 考虑 真菌 病害 的 药物 防治 措施 ,因为 在 通风 防御 未 果 时 ,就 要 用 化 学 防治 手 段 以 控制 病害 。 这 几 个 问题 交织 在 一 起 ,构成 从 认识 到 实现 ,从 自然 因素 到 人 为 行为 的 混沌 态 。 怎 样 处 理 呢 ? 这 就 须 用 运筹 优化 方法 进行 计算 ,或 者 用 仿真 优化 ,经 过 如 用 Markov Decision Prgramming 等 方法 ,依据 有 限 阶段 模型 事先 作出 的 表格 ,就 可 以 从 混沌 走向 清晰 。 这 个 过 程 是 动用 数学 工具 的 实践 ,尽量 利用 生态 防治 ,只 在 必要 时 用 化 学 防 治 , 是 处 理 生 态 混 沌 控制 的 一 种 优化 手段 ,在 许多 类 似 问 题 中 , 均 可 应 用 。 五 、 旷 化 环境 混沌 态 的 生态 控制 鸡 的 孵化 由 来 已 久 , 从 民间 的 孵化 到 现代 贱 化 已 是 从 混沌 走向 清晰 的 一 步 。 这 里 不 予 论述 ,读者 亦 可 自明 ,而 在 现代 乒 化 技术 中 ,最 佳 旷 化 的 生态 环境 的 优化 控制 系统 一 步 步 地 发 展 完善 ,万 是 从 混沌 的 原始 态 发 展 起 来 的 ,从 混沌 走向 清晰 的 必然 的 “否定 之 否 定 " 规 律 。 这 样 做 是 为 高 效率 集约 型 自动 化 孵化 技术 ,提供 了 理论 和 技术 基础 。 而 从 混 沌 态 逐 步 走 向 清晰 的 发 展 , 原 则 上 是 以 优化 调节 生态 动力 源 为 目标 的 。 但 是 ,这 种 调节 不 是 单 从 某 一 个 学 科 和 某 一 项 技术 出 发 的 局 部 调节 , 而 是 一 种 依赖 于 多 学 科 交 叉 的 控制 205 技术 。 在 近 10 年 内 ,孵化 环境 的 生态 控制 技术 吸收 并 应 用 了 现代 数学 、 物 理学 、 生 物 学 、 计算 机 科学 等 学 科 的 许多 研究 成 果 。 1. 对 钱 化 气候 生态 动力 源 的 认识 据 畜牧 生态 动力 学 的 研究 ,温度 湿度 和 风 是 鸡 孵 化 环境 气候 生态 动力 源 的 三 个 主 要 因子 。 这 个 认识 ,可 以 说 是 清晰 的 。 (1) 温 度 指 标 及 混沌 控制 鸡 胚 发 育 中 的 各 种 代谢 活动 都 是 在 一 定 温度 条 件 下 进行 的 。 在 这 个 发 育 过 程 中 ,不 仅 应 保持 一 定 的 温度 范围 ,而 且 要 保持 温度 的 相对 稳定 ,因为 鸡 胚 只 能 承受 短 时 间 的 温 度 变化 不 大 的 混沌 状态 ,对 冷 热 应 激 (stress) 都 有 不 良 反 应 。 温 度 的 混沌 态 在 钱 化 的 不 同 时 期 以 及 这 种 混沌 维持 时 间 的 长 得 ,对 孵化 率 和 健 雏 率 都 有 不 同 程度 的 影响 。 现 场 实 验 观察 和 结果 分 析 表 明 ,温度 相对 稳定 是 重要 的 ,并 给 出 许多 指标 ,但 只 有 这 些 指标 ,还 谈 不 到 对 混沌 态 的 优化 控制 ,而 在 取得 数据 和 理论 分 析 的 启发 下 ,用 现代 控制 理论 \ 决 策 、 对 策 、 模 拟 等 运筹 方法 ,对 温度 混沌 态 作 控制 , 才 是 混沌 控制 的 可 靠 手段 。 本 书 第 四 章 、 第 八 章 所 述 的 定量 方法 均 可 试用 。 (2) 温 度 指标 及 混沌 控制 鸡 胚 的 适度 范围 ,是 畜牧 学 上 基本 掌握 的 。 但 湿度 指标 的 相对 混沌 态 是 控制 的 基 础 。 事 实 上 ,适宜 温度 范围 是 一 个 相对 混沌 的 概念 。 它 因 种 鸡 年 龄 , 蛋 壳 传 导 性 和 有 蛋 的 重量 而 异 。 一 般 来 说 ,孵化 小 龄 种 鸡 的 蛋 所 需 温度 低 ;和 蛋 壳 的 传导 性 影响 鸡 胚 的 水 分 收 支 。 确 定 孵 化 温度 的 最 佳 方法 是 :在 孵化 期 间 ,跟踪 监测 蛋 重 ,湿度 维持 在 使 蛋 的 日 失重 为 0.60% ~0.65% 时 为 佳 。 这 是 一 个 混沌 的 相对 指标 ,为 达到 在 不 同 条 件 下 , 找 出 相对 稳定 态 指标 之 目的 ,可 用 均匀 设计 (uniform design) 进 行 必要 的 试验 。 总 之 ,在 确定 孵化 温度 时 ,将 温度 视 为 生态 动力 源 ,将 蛋 的 重量 、 蛋 壳 质 量 以 及 种 鸡 、 鸡 龄 等 视 为 生态 动力 IC ,运用 如 前 段 所 述 的 各 种 优化 生态 控制 技术 , 作 最 优化 计算 ,以 控制 温度 这 个 “ 源 " 为 目 标 ,针对 具体 的 “ 汇 ”, 给 出 使 混沌 走向 相对 稳定 的 方法 ,并 具体 实施 之 。 一 般 情 形 下 , 针 对 混沌 态 的 各 种 错 综 变 化 ,优化 控制 温度 ,有 益 于 孵化 率 和 健 雏 率 的 提高 。 (3) 优 化 通风 :从 混沌 到 有 序 的 优化 控制 通风 是 用 生态 方法 实施 孵化 器 与 外 界 环境 实施 空气 交换 的 得 力 措施 ,是 充分 利用 孵 化 器 之 外 的 生态 动力 源 调 节 生 态 小 生境 以 促进 胚胎 发 育 的 不 可 或 缺 的 手段 。 通 风 不 仅 会 使 钱 化 器 中 的 原 处 于 相当 程度 的 混沌 状态 的 热量 和 水 分 进行 优化 循环 ,从 混沌 走向 有 序 一 一 达到 呈 均 匀 分 布 的 目标 ,而 且 从 具有 物质 意义 的 生态 动力 源 来 说 ,通风 的 作用 是 : 能 够 带 走 环 境 中 过 量 的 有 害 气 体 , 如 CO, ,而 同时 自 外 界 输入 新 鲜 的 氧气 。 在 孵化 的 全 过 程 中 ,每 只 鸡 胚 约 需 耗 氧 8100 cm ,排出 CO, 约 4100 cm 。 鸡 胚 的 气体 交换 随 着 胚 龄 的 增 大 而 逐渐 增多 , 鸡 胚 在 其 发 育 过 程 中 ,从 第 1 天 到 第 2 天 ,氧气 吸收 量 和 CO, 排出 量 , 增 加 100 倍 。 实 践 证 明 , 当 孵 化 环境 中 氧气 浓度 为 21% 时 ,孵化 率 最 高 ,由 此 每 下 降 1% 孵化 率 降 $% ,所 以 ,在 孵化 过 程 中 ,根据 孵化 时 期 优化 控制 通风 量 ,才能 满足 鸡 胚 发 育 需要 。 而 且 , 通 风 是 与 环境 的 温度 湿度 这 些 上 述 本 来 有 混沌 性 质 的 作为 鸡 胚 生 态 动 力 源 因子 的 要 素 密切 相关 ,这 就 必须 使 整个 微观 生态 系统 处 于 更 加 混沌 状态 ,而 要 使 其 达到 指标 所 要 求 的 相对 有 序 , 则 不 能 用 一 般 的 线性 系统 的 微分 方程 加 以 处 理 。 比 较 适 宜 的 生态 混沌 控制 手段 是 利用 马 氏 决策 的 有 限 阶 段 模型 。 该 种 模型 在 温室 ,通风 的 霜 霉 病 控制 中 应 用 取得 好 效果 。 在 孵化 通风 问题 中 ,可 借鉴 应 用 。 但 是 ,由 于 其 中 复杂 的 混沌 206 态 , 故 在 应 用 中 需 多 积累 微观 数据 。 应 用 成 功 与 否 的 关键 是 确定 转移 概率 。 (4) 宏 观 环境 混沌 特征 的 考虑 众所周知 ,传统 孵化 法 受 混沌 态 的 外 界 生态 动力 源 因 子 的 影响 很 大 , 而 现代 的 一 些 机 电 孵 化 法 也 不 是 与 外 因 环境 隔绝 的 ,比如 前 段 所 述 的 通风 ,就 是 控制 外 界 环境 影响 的 一 种 措施 。 所 以 在 通风 调控 过 程 中 , 须 充分 考虑 气候 、 季 节 和 地 理 位 置 方面 的 生态 动力 源 的 变化 和 混沌 特征 ,以 便 针 对 不 同 的 宏观 环境 采用 不 同 的 控制 手段 。 我 国 幅员 辽阔 ,地势 差 异 大 ,地 狐 复 杂 多 样 ,气候 差异 显著 。 这 就 造成 了 生态 动力 源 的 混沌 性 ,以 及 对 孵化 影响 的 混沌 特征 。 为 使 混沌 走向 有 序 , 基 本 策略 是 充分 认识 源 之 影响 的 基本 变化 规律 ,从 而 给 出 宏观 控制 的 原则 性 和 策略。 首先, 考虑 湿度 ,从 地 域 来 说 ， 海滨 比 内 陆 大 ,湖畔 比 远离 湖泊 的 地 方 大 ;从 季节 来 说 ,在 同一 地 理 条 件 下 ,春天 梅雨 季 节 的 湿度 比 冬季 干燥 季节 大 。 上 述 规律 无 论 从 观测 记录 ,还 是 从 科学 原理 ,都 能 够 看 得 出 来 ,这 是 一 种 有 序 的 认识 。 我 国 南 方 夏 季 高 湿 、 高 温 ,只 有 经 常 通风 换 气 , 才 可 加 快 铸 化 器 内 空气 流动 ,使 内 部 不 适应 旷 化 的 混沌 态 的 空气 变 为 相对 有 序 , 从 而 使 蛋 内 水 分 蒸 发 正常 化 ,有 利于 散热 。 其 次 ,考虑 地 势 , 地 势 高 低 对 孵化 的 影响 主要 体现 在 供 氧 方面 ， 在 海拔 高 度 超过 1200 m 的 地 方 ,氧气 对 胚胎 的 成 活 就 显得 更 为 重要 ,所 以 ,在 高 原 上 ,可 以 通过 加 氧 或 进行 空气 压缩 的 方法 ,模拟 1200 m 海拔 高 度 的 氧气 含量 来 解决 缺 氧 问题 。 在 我 国 青海 、 新 疆 \ 西 藏 .内 蒙 以 及 其 他 海拔 高 的 地 方 , 应 重点 考虑 氧气 供给 问题 。 2. 人 工 调节 生态 动力 与 自动 控制 技术 的 生态 混沌 问题 (1) 新 孵化 法 与 生态 因子 特征 试验 对 处 于 混沌 态 的 旷 化 环境 采用 人 为 调节 措施 ,使 孵化 与 环境 关系 达到 相对 有 序 ,是 生态 措施 适应 遗传 工程 需要 的 一 种 技术 进步 。 体 外 孵 蛋 技术 的 成 功 实施 ,为 更 好 地 研究 胚胎 生长 对 环境 的 要 求 以 便 优 化 生态 工程 的 研究 开辟 了 新 的 途径 。 另 外 ,有 人 做 过 和 蛋 壳 剥离 与 不 剥离 的 对 照 试验 ,由 此 来 寻找 孵化 环境 温度 的 混沌 特征 与 蛋 壳 结构 ,成 分 之 间 的 关系 。 (2) 物 化 方法 刺激 胚胎 近 10 年 来 ,以 激光 、 射线 和 电离 子 空 气流 作为 具有 刺激 性 的 物理 性 质 的 生态 动力 源 ,以 提高 孵化 率 。 如 所 、 氛 ,激光 促 孵 扫描 机 的 应 用 ,使 钱 化 率 提 高 10% 以 上 ,用 特制 激 光 装 置 对 和 人 孵 前 种 蛋 进行 照射 ,使 鸡 胚 发 育 加 快 ,死亡 率 下 降 , 出 雏 率 育成 率 均 有 所 提 高 ;电离 子 空气 流 也 会 影响 胚胎 发 育 中 的 某 些 代 谢 因素 ,从 而 使 孵化 率 提高 。 (3) 孵 化 环境 控制 系统 孵化 设备 是 改善 和 利用 孵化 对 象 生态 小 生境 的 必要 设施 。 我 国 和 古 埃 及 是 最 早 发 BAA LF He tic hits Be FF FY BR, A ah a FT RS EE. {EE 本 质 仍 是 为 孵化 创造 相对 优化 的 环境 ,使 原本 处 于 混沌 态 的 环境 ,通过 人 工 调 节 , 变 得 相 对 有 序 。 到 现代 ,已 发 展 到 机 电 孵 化 乃至 全 自动 孵化 的 阶段 ,向 着 大 型 化 ,配套 化 的 方向 发 展 。 20 世纪 70 年 代 以 来 ,微电脑 在 农业 生物 环境 工程 控制 领域 中 得 到 越 来 越 广泛 的 应 用 ,这 自然 也 使 工程 控制 论 在 其 中 大 显 身 手 。 现 在 ,微电脑 孵化 控制 技术 , 正 从 计算 机 的 数字 直接 控制 (direct digital control) 向 监督 控制 (superisory control) 发 展 。 而 监督 控制 的 效果 在 很 大 程度 上 取决 于 孵化 环境 模型 的 优 度 ,而 新 的 控制 理论 的 发 展 ,会 使 人 们 在 混 沌 中 找 出 有 序 ,在 模糊 中 找到 光明 。 现 已 成 型 的 模糊 控制 理论 ,是 控制 论 中 的 新 的 成 果 ， 207 也 是 应 用 数学 领域 里 的 一 项 有 用 的 成 果 , 它 摆 脱 了 原 有 的 精确 数学 模型 的 约束 ,适宜 于 复杂 多 变 的 混沌 态 的 孵化 器 中 存在 的 变化 过 程 , 为 孵化 生态 环境 的 自动 控制 开辟 了 新 路 。 近 年 依 此 研制 的 采用 模糊 控制 原理 的 自动 控 温 饪 化 器 ,其 控制 精度 和 稳定 性 都 是 很 好 的 。 (4) 存 在 问题 及 未 来 发 展 方向 孵化 生态 环境 的 创建 和 优化 控制 的 发 展 ,是 提高 生产 力 的 重要 环节 。 这 种 环境 ,人 们 对 它 的 认识 ,还 有 许多 混沌 态 的 问题 存在 。 走 向 有 序 的 第 一 步 是 求 出 适宜 指标 , 这 需 要 生态 气象 .数学 .电子 \ 材 料 多 学 科 为 畜牧 养殖 专业 作 贡 献 。 我 国 传统 孵化 法 向 现代 PEGA ,正在 过 渡 。 在 此 阶段 ,用 生态 控制 原理 和 技术 ,为 现代 化 合理 的 孵化 努力 ,是 生 态 控制 研究 者 的 任务 之 一 。 六 山地 空气 冷 径流 、 逆 温 的 混沌 特征 及 应 用 在 山区 ,冷暖 空气 的 运动 规律 是 复杂 的 。 如 不 进行 专门 的 研究 ,人 们 对 其 中 规律 的 认识 总 是 限于 混沌 态 。 由 于 认识 上 的 混沌 ,尤其 是 在 未 能 发 现 混沌 中 的 有 序 特征 时 ,就 往往 只 注意 到 其 中 不 利 的 一 面 , 而 对 有 利 的 一 面 未 能 加 以 优化 管理 。 在 日 本 ,多 年 来 ,对 山区 冷 径 流 及 逆 温 规律 的 认识 ,尤其 是 利用 先进 仪器 观测 并 用 数学 物理 方法 分 析 ,综合 而 揭示 出 来 的 比较 有 序 的 认识 ,使 人 们 能 够 自觉 地 加 以 控制 ,使 原本 处 于 混沌 态 的 某 些 认识 得 以 明确 ,从 中 发 现 有 益 的 生态 动力 源 依 其 发 展 生产 ,提高 栽培 作物 的 生态 产量 和 质量 。 如 多 年 的 研究 ,认识 到 : 冷 径流 的 源 地 、 径 流域 和 滞留 域 , 径 流 的 间断 性 和 周期 性 ， 径流 的 厚度 , 风 癌 风速 \ 冷 气 湖 的 成 因 及 垂直 结构 ;坡地 逆 温 的 成 因 、 厚 度 和 强度 。 上 述 的 规律 ,一 般 均 属地 学 方面 的 生态 动力 源 自身 的 规律 。 结 合生 态 动力 汇 的 认识 , 才 是 研 究 上 述 规律 的 生态 控制 目的 。 在 日 本 ,由 于 生态 工作 者 的 努力 ,取得 了 在 农业 生产 上 应 用 方面 的 成 果 ,其 中 主要 有 以 下 几 个 方面 :中 利用 坡地 温暖 带 ,扩大 了 茶树 、 柑 橘 的 栽培 面积 。 日 本 茶树 栽培 的 北 界 已 达到 关东 北部 至 新 湾 果 一 线 ( 约 38 一 39N)。 静 岗 县 的 名 茶 产 地 一 一 安倍 川 大 井 川 和 天 童 川 的 中 上 游 地 区 一 一 差不多 都 只 分 布 在 坡地 温暖 带 内 。 日 本 柑橘 栽培 的 北 界 , 已 达到 茨城 县 的 真 壁 町 、 兵 东 县 的 春日 町 ( 约 36°N). 而 在 日 本 全 国 ,有 90% 的 柑橘 分 布 在 丘陵 山区 。 包 运用 冷 径 流 的 分 布 特征 ,改良 园地 的 立地 条 件 ,防止 径流 的 积 滞 , 这 是 控制 低温 灾害 的 一 项 治本 措施 。@ 利 用 逆 温 和 冷 径流 规律 , 制 订 可 控制 某 些 自然 灾害 的 优化 栽培 措施 。 比 如 ,控制 茶树 采摘 面 的 高 度 以 减轻 冻害 。 据 研究 ,采摘 面 较 高 的 茶树 ,冻害 较 轻 ,反之 亦 然 。 所 以 ,为 减轻 冻害 茶树 修剪 高 度 的 优化 确定 , 宜 视 坡地 逆 温 强度 和 冷 径 流 厚 度 而 定 。 七 、 农 药 残留 的 混沌 特征 及 控制 在 生态 农业 产品 中 ,无 污染 的 “绿色 "农产品 倍 受 消 费 者 青睐” 。 但 是 ,在 现代 农业 生产 中 ,作为 化 学 生态 动力 源 的 农药 用 得 较 多 ,造成 的 残留 污染 严重 。 但 由 于 生产 者 往 往 追 求 高 产 的 经 济 效果 而 对 残留 物 认 识 又 是 混沌 态 的 ,所 以 不 能 有 序 地 控制 。 其 实 , 农 药 作 为 一 种 化 学 生态 动力 源 ,喷洒 到 作物 身上 或 进入 作为 地 学 生态 动力 源 的 土壤 之 中 ， 经 过 一 段 时 间 , 由 于 各 级 生态 动力 源 的 作用 一 一 比如 ,由 于 光照 ,自然 降解 , 雨 淋 高 温 挥 发 ,微生物 分 解 ,植物 代谢 作用 一 一 使 绝 大 部 分 消失 ,但 仍 有 微量 的 农药 残留 物 。 这 些 残 留 物 不 作用 于 病 \ 虫 和 杂 草 ,但 构成 危害 人 、 畜 和 某 些 有 益生 物 的 生态 动力 源 , 即 它们 无 208 生态 正 效 应 却 有 生态 负 效 应 。 随 着 对 它们 的 认识 ,从 机 理 上 的 混沌 到 相对 有 序 , 人 们 已 - 掌握 了 控制 农药 残留 的 许多 技术 并 积累 了 丰富 的 经 验 ,今后 在 利用 本 书 第 四 章 以 及 其 他 有 关 章 节 的 生态 控制 原理 , 当 可 实现 优化 控制 的 目标 ,这 对 生态 农业 ,对 绿色 食品 的 发 展 ,无 疑 是 一 个 福音 。 在 这 一 段 ,不 必要 也 不 可 能 把 控制 论 应 用 于 该 问题 的 一 系列 方法 加 以 详 述 ,只 是 简 述 一 下 基本 办 法 ,有 了 这 些 , 再 取得 一 定 实验 资料 , 即 可 得 出 生态 控制 的 优化 策略 。 至 此 ,也 可 以 说 从 混沌 走向 相对 有 序 。 下 述 主要 手段 :中 对 人 这 用药, 主要 是 确定 关键 期 与 合理 方法 ;@ 正 确 掌握 浓度 ,用 药 量 ;@ 改 进 农药 性 能 ;由 合理 混用 农药 。 应 尤其 重视 预防 为 主 ,综合 防治 的 方针 。 高 毒 \ 高 残留 农药 ,不 得 用 于 果树 、 蔬 菜 、 中 章 药 、 烟 草 等 作物 AIA ARBAB RMA RNS. KE: ER RATS 染 较 严 重地 区 ,在 一 定时 期 内 ,不 载 种 易 吸 收 农药 的 作物 , 1 Bee Ht BY oe an BPE 物 ,以 减少 农药 的 施用 量 。 在 综合 防治 方面 ,积极 开展 农 化 防治 和 生物 防治 ,实行 农作物 的 合理 轮作 和 倒 茬 ;积极 发 展 高 效 、 低 毒 、 低 残留 的 农药 品种 ,严禁 使 用 被 淘汰 的 农药 品 种 。 在 收获 期 控制 上 ,不 允许 在 安全 间 阳 期 内 收获 和 利用 栽培 作物 。 去 污染 处 理 是 必要 的 ,对 残留 在 作物 、 果 蔬 表 面 的 农药 ,可 施行 去 污 处 理 , 如 通过 曝晒 ` 清 洗 , 去 农药 残留 污 Ro 以 上 措施 ,是 不 同行 业 多 年 研究 得 出 的 对 控制 农药 残留 办 法 的 相对 有 序 认 识 ,相对 于 过 去 的 混沌 认识 ,是 提高 了 一 大 步 。 我 们 在 这 里 之 所 以 谓 之 相对 有 序 , 是 因为 在 理论 和 实践 上 , 仍 有 许多 属于 混沌 的 非 清晰 问题 , 尚 待定 量 地 优化 处 理 , 尤 其 是 运用 生态 数学 模型 ,才能 在 现 有 混沌 条 件 下 ,使 系统 走向 有 序 的 进程 加 快 。 八 、 物 种 ,资源 竞争 中 的 振荡 与 混沌 控制 资源 竞争 与 物种 关系 的 振 功 与 混沌 关系 ,是 物种 生态 竞争 用 于 生态 控制 的 基础 。 下 面 简 介 其 新 的 模式 和 模拟 结果 指出 其 生态 控制 意义 。 1. 模式 Huisman 等 (2002) 考 虑 有 & 种 资源 的 几 个 物种 的 竞争 问题 。 BN, 是 物种 ; NFER 是 资源 7 的 有 效 性 。 物 种 和 资源 的 动态 用 如 下 的 竞争 模 sR HHA (Huisman et al. ，1999 ) : ON = N [us (Ri vs Re) — my] ale re May C7 ar 4) ORs = D(S,-R,)- Cu (Ris RAN, £29284 8 7231 22) 式 中 ,ma(R ,Re) 是 作为 资源 有 效 性 函数 的 物种 ; AEE KR 5 om, 是 物种 ; 特定 死 亡 率 ; HASH A (turnover rate); Si 是 资源 j 的 补给 浓度 (supply concentration) ; ci 是 物种 ; 中 资源 7 的 含量 。 假定 方程 (7- 31 - 1) 和 方程 (7-31-2) 中 的 比 生长 速率 服从 Monod 方程 与 von Liebig 最 小 值 定 律 联合 的 规律 : 7 本 Kt Ry) oo Ky +, Pr, 是 物种 ; 的 最 大 比 生长 速率 ,Ki 是 第 ; 个 物种 第 7 个 资源 的 半 饱 和 常数 , MIN 是 最 低 信和 号 接收 者 (minimum operator) 。 ) (7-32) 209 假定 比 生长 速率 由 有 个 Monod 项 的 乘积 决定 poh 1922? okey) = rT ete eee 对 于 给 定 资源 ) 来 说 ,物种 i 的 竞争 能 力 用 它 的 资源 需求 尺 ; 表示 ;Ri 的 定义 是 :假定 除 资源 7 以 外 的 其 他 一 切 资 源 都 处 于 充分 补给 状态 下 , 且 物 种 ; 维持 稳定 时 资源 ) 的 有 效 性 。 按 照 方程 (7- 31) 和 方程 (7-33), 有 * LK i Ri = 一 ae es (7-34) 2. 竞争 振荡 与 混沌 的 模拟 结果 及 其 意义 利用 前 述 模式 ,Huisman 等 的 模拟 结果 证 实 了 ,对 于 三 种 或 三 种 以 上 完全 的 必要 资源 来 说 ,竞争 可 能 使 物种 丰 度 产生 振荡 和 混沌 振动 。 结 果 指 出 :类 似 的 动态 也 能 在 有 相互 作用 的 必要 资源 中 找到 。 因 此 “资源 竞争 可 能 生成 非 平衡 动态 "这 一 观察 结果 ,不 以 Liebig 最 低 值 定 律 为 转移 。 而 模拟 结果 指出 ,竞争 动态 依赖 于 物种 资源 需求 和 资源 消费 特征 之 间 的 关系 。 对 于 具有 相互 作用 性 质 的 必要 资源 来 说 ,竞争 结果 如 下 :@ 如 果 对 于 物种 所 消耗 的 主要 资源 来 说 ,物种 是 弱势 竞争 者 ,就 会 生成 稳定 的 共存 状态 ;@ 如 果 对 于 物种 所 消耗 的 主要 资源 来 说 ,物种 是 中 等 水 平 竞争 者 ,就 会 生成 非 平 衡 状 态 的 动态 ;@ 如 果 对 于 物种 所 消耗 的 主要 资源 来 说 ,物种 是 强势 竞争 者 ,就 会 生成 一 种 竞争 排斥 ,其 优胜 者 取决 于 初始 条 件 。 通过 理论 上 的 建 模 和 实际 模拟 ,Huisman 等 最 近 (2002) 证 实 多 资源 条 件 下 多 物种 之 间 的 竞争 可 以 产生 物种 丰 度 的 振荡 和 混沌 ;这 些 非 平衡 动态 可 以 有 力 地 解释 生物 多 样 性 的 原因 ,利用 混沌 方面 的 理论 规律 对 已 有 多 年 的 生存 竞争 原理 作 了 修正 和 改进 。 这 无 疑 有 助 于 认识 生态 动力 源 、 汇 之 间 的 复杂 规律 ,使 人 们 在 考虑 混沌 规律 \ 处 理 生 态 控制 的 实 践 更 有 理论 依据 ,更 能 主动 .客观 地 采取 必要 行动 。 对 于 自然 界 野生 生物 来 说 ,可 以 通过 人 工 生态 动力 源 调节 ,保护 自然 生态 环境 。 对 于 应 用 方面 ,如 农林 \ 牧 业 , 可 依 其 作 竞 争 者 (生物 物种 ) 生 存 竞 争 的 控制 依据 ,比如 调整 农 \ 林 、 牧 作物 的 结构 ,调整 家 畜 ( 禽 ) 种 类 乃至 品种 结构 ,让 生态 农业 更 趋 于 合理 化 ,发 展 “两 高 一 优 ? 大 农业 ,在 人 的 生存 环境 和 卫 生 防 疫 方面 ,可 依 此 规律 调节 防疫 措施 ,减轻 流行 病 尤 其 是 人 畜 共 患 疾病 的 生态 条 件 , 减 少 发 病 率 并 控制 蔓延 。 九 .流行 病 传 播 的 混沌 态 及 涨 落 控 制 Lorentz 提出 的 混沌 一 开始 是 针对 大 气 物 理 问 题 ,但 其 应 用 远 远 超出 气象 学 和 物理 学 范围 。 在 医学 中 的 具体 应 用 ,最 早 见 于 Bruce(1990) 和 Olsen(1990) 的 论著 。 而 就 大 种 群 内 呼吸 道 传染 病 一 一 猩红热 和 流 脑 问题 的 混沌 研究 (朱伟 勇 等 ,2001) 实 质 上 是 一 个 大 种 群 内 部 生物 与 生物 关系 的 问题 ,发 病 者 实 为 生态 动力 源 ,被 传染 者 实 为 生态 动力 汇 。 用 实际 数据 找 出 流行 “ 装 值 ” ,以 控制 流行 涨 落 是 医学 生态 控制 的 一 个 有 效 方法 。 1. 分 析 过 程 (1) 是 否 具有 混沌 性 分 析 月 发 病 数 , 以 确定 是 否 混 沌 , 谱 分 析 表 明 :猩红热 有 11 一 12 个 月 循环 期 , 谱 峰 周 期 为 11.2; 而 流 脑 的 三 个 谱 峰 分 别 是 T = 11.5, T, =5.8, T; =3.9, 对 应 近似 1a,0.5a 和 10.3a 的 循环 ;再 经 由 相 空间 重 构 及 Poincare 映 象 图 分 析 , 确认 猩红热 的 流行 过 程 非 混 210 沌 ,而 流 脑 的 流行 是 混沌 的 。 (2) 数 学 模 造 @ 流 脑 和 迭代 混沌 模型 X,., =rX?exp| —0.003394( X, — 14.41096) } 式 中 ,X 是 流 脑 月 发 病 时 间 序 列 的 离散 值 ,+ EAN AY ZA, r 是 流 脑 传播 的 涨 落 度 , 服 从 正 态 分 布 ,rE[0.0241355,0.2585946 ] 。 @Feigenbaum 倍 分 又 和 ArryHoB 指数 分 析 自 ~- 和 迭代 进入 混沌 状态 ,混沌 区 域 中 最 大 周期 窗口 是 [0.086223,0.0863776]j。 根 据 流 脑 数据 迭代 模型 ,可 绘 出 以 > 为 横 坐 标 ,以 JIrryaoa 指数 的 自然 对 数 为 纵 坐 标的 图 。 @ 在 嵌入 维 数 为 8 时 , 流 脑 数据 的 关联 维 数 是 2.821。 2.， 生 态 控制 基本 方案 对 流行 病 传播 动态 过 程 ,实施 涨 落 度 > 的 控制 (主要 是 抓 防疫 ) ,使 流行 过 程 落 到 周 期 区 域 , 趋 于 稳定 态 不 动 点 ,这 对 控制 流行 病 的 传播 是 有 意义 的 。 从 以 上 分 析 的 结果 ,可 见 掌 握 流 行 病 多 年 大 量 数据 ,以 便 判 断 是 否 为 混沌 ,如 果 混 沌 应 作 进一步 分 析 ,并 根据 涨 落户 加 以 控制 ,是 混沌 理论 用 于 种 群 防疫 (包括 人 ,也 包括 家 畜 等 动物 防疫 ) 的 基本 思路 。 而 要 实行 这 样 的 动态 控制 , 则 必须 及 时 收集 必要 信息 ,并 经 由 生态 控制 中 心 传 播 到 各 具体 控制 单位 (如 我 国 的 各 级 防疫 站 、 dase ane 这 样 的 工作 ,可 纳入 整个 生态 信息 网 络 之 中 。 十 可 持续 发 展 中 的 混沌 与 复杂 性 混沌 理论 是 非 线性 动力 学 的 数学 处 理 , 它 为 了 解 自然 界 的 不 规则 性 即 漂 移 性 特征 提 供 理论 框 架 。 混 沌 系统 见于 人 类 和 动物 种 群 之 中 ,见于 像 森 林 \ 河 流 这 样 一 些 生物 与 生 物 物 理 系 统 之 中 ,见于 科学 与 工程 的 许多 领域 。 一 个 混沌 系统 被 定义 为 对 初始 条 件 显现 出 敏感 性 的 系统 。 一 个 给 定 系统 的 初始 状态 的 不 确定 性 ,不 管 它 如 何 小 ,都 可 能 扩大 某 些 预 测 上 的 错误 ,导致 未 来 动态 估计 的 不 准确 性 。 1. 社会 与 环境 混沌 系统 :原理 和 实例 在 自然 界 中 , 乱 砍 滥 伐 所 引起 的 负面 效应 ,比如 :水 土 流失 ;涵养 水 源 能 力 下 降 ;调节 径流 能 力 降低 ;干旱 加 重 ;温度 升 高 ;生物 多 样 性 减少 甚至 某 些 野生 生物 灭绝 。 2. 自 组 织 动态 的 类 型 研究 者 已 经 认识 到 ,复杂 系统 的 动态 是 不 能 通过 一 给 定 系统 各 自分 量 的 分 析 来 加 以 解释 的 。 而 动态 似乎 由 各 自分 量 的 自发 的 相互 作用 (不 可 预知 的 ) 引 起 。 这 样 的 动态 叫 做 自 组 织 ` 动 态 。 混 沌 是 远离 平衡 的 自 组 织 动态 的 一 个 本 质 特征 。 自 组 织 动 态 有 多 种 类 型 。 一 种 类 型 是 “适应 "。 “适应 "是 处 处 可 见 的 。 企 业 对 市 场 的 适应 ,人 的 大 脑 对 外 界 信 号 和 内 部 信和 号 的 适应 ,免疫 系统 对 感染 的 适应 ,以 及 人 对 变化 着 的 环境 的 适应 。 另 一 种 类 型 是 “不 适应 ” ,比如 说 复杂 系统 有 定位 其 自身 于 混沌 边缘 附 近 的 倾向 。 这 样 的 位 置 是 新 旧 矛 盾 交 叉 地 带 。 如 果 相 对 于 初始 条 件 的 误差 变 得 特别 大 ， 系统 就 必然 参 溃 。 这 种 朋 溃 可 能 是 突然 的 ,尽管 程度 有 些 差异 。 在 大 系统 中 ,参数 多 得 不 能 控制 。 许 多 发 展 项 目 对 于 初始 条 件 是 敏感 的 。 在 一 个 项 目的 计划 过 程 中 ,一 些小 的 错误 会 成 倍 地 放大 ,并 终 会 成 为 大 的 错误 。 211 参考 文 献 王 松 需 等 . 1992. 自然 资源 利用 与 生态 经 济 系统 . 北京 :中国 环境 科学 出 版 社 . 中 国生 态 学 会 . 1991. 生态 学 研究 进展 . 北京 :中 国 科 学 技术 出 版 社 . RAS. 2001. 猩红热 和 流 脑 流行 过 程 的 混沌 分 维 研 究 . 数学 的 实践 与 认识 ,31:331 一 334. 刘 思 峰 等 . 1993. 灰色 系统 学 术 论文 集 . 郑州 :河南 大 学 出 版 社 . 刘 应 明 等 . 2000. 模糊 性 一 一 精确 性 的 另 一 半 . 北京 :清华 大 学 出 版 社 . 广州 :暨南 大 学 出 版 社 . 李 光 林 等 . 2001. 大 中 微量 元 素 组 合 对 水 稳产 量 影响 的 灰色 综合 评判 . 生物 数学 学 报 ,16:468 一 472. 汪 培 庄 . 1985. 模糊 集 与 随机 集落 影 . 北京 :北京 大 学 出 版 社 . KEM. 1998. 混沌 生物 学 . 西安 :陕西 科学 技术 出 版 社 ， 曹 鸿 兴 等 . 1988. 灰色 系统 理论 浅 述 . 北京 :气象 出 版 社 . 岛 谷 均 . 1985. 长 野 县 管 平 盆地 亿 忆 他 轧 论 气 湖 O) 形 成 上 冷气 流 . 地 理 评 论 ,58: 67~79. Bruce, J. W. 1990. Fractal Physiology and Chaos in Medicine. Singapore; World Scientific Publishing House. Dent, J. B. and Blackie, M. J. 1979. Systems Simulation in Agriculture. London: Applied Science Pub- lishers Ltd. Huisman, et al. 1999. Biodiversity of plankton by species Oscillations and chaos. Natare, 402; 407~410. Huisman, et al. 2002. Oscillations and chaos generated by competition for interactively essential resources. Ecological Research , 17; 175~181. James, W. C. 1974. Assessment of plant diseases and Losses. Ann. Rev. Phytopathol. , 12; 27~48. Mauldin, J. M. 1990. Recognize problems in embryonic development. Poultry, 5; 516~521. Olsen, L. F. et al. 1990. Chaos versus noisy periodicity; alternative hypotheses for childhood epidernics. Science, 249; 499. Ott, E.1993. Chaos in Dynamical Systems. Cambridge: Cambridge University Press. 212 第 八 章 ” 生态 控制 的 运筹 方法 在 控制 论 中 不 包括 运筹 学 ,但 这 不 排除 用 运筹 学 方法 于 生态 控制 原理 与 实践 中 。 鉴 于 运筹 学 中 的 数学 方法 很 多 ,并 且 在 生态 控制 中 有 不 同 程度 的 应 用 ,所 以 本 章 不 可 能 一 一 阑 述 ,而 是 在 论述 运筹 学 于 生态 控制 的 基本 思路 、 原 则 的 基础 上 ,重点 讲 决策 ,MapKoB 过 程 和 博弈 论 中 的 Nash 博弈 在 生态 控制 中 应 用 问题 。 第 一 节 ”和 运筹 学 与 生态 控制 一 \ 对 运筹 学 的 认识 运筹 学 本 身 是 数学 的 一 个 重要 分 支 , 该 分 支 在 系统 和 管理 科学 中 的 应 用 ,构成 了 系 统 工程 的 先驱 。 说 起 运筹 学 ,社会 公众 或 许 不 十 分 理解 ,但 其 中 的 一 些 常 用 术语 ,可 能 为 人 们 所 熟知 。 比 如 说 ,线性 规划 ,社会 上 许多 人 都 会 有 所 了 解 ;在 中 国 提 到 优选 法 ,人 们 对 华罗庚 院士 为 其 推广 走 遍 大 江南 北 的 事迹 ,还 记忆 犹 新 。 运 筹 学 是 英国 英文 (opera- tional research) 或 美国 英文 (operations research ) 这 一 词组 的 汉 译 。operations research 的 本 意 是 “操作 研究 ”或 “作战 研究 ”, 因为 研究 帮 至 指挥 作战 一 般 说 来 要 有 个 指挥 的 场所 ， 在 古代 作战 时 ,指挥 官 的 指挥 所 设 在 军用 的 帐 幕 之 中 , 这 种 军用 帐 幕 叫做 帷 嵌 "。 早 在 WK KERMA SSIS PS ,决胜 千里 之 外 ”的 名 名 ,我国 现代 数学 家 从 中 引用 “运筹 ” 二 字 ,将 operations research 正确 地 译 为 “运筹 学 "。 至 今 ,已 基本 通用 ,但 也 有 些 书包 括 汉 译名 著 仍 有 将 operations research 译 为 "操作 研究 的。 迄今 ,运筹 学 已 经 发 展 成 为 一 个 包 含 许 多 分 支 学 科 的 数学 学 科 。 二 应 用 原理 关于 运筹 学 主要 分 支 及 其 在 生态 控制 中 的 应 用 原理 ,我 们 将 其 概括 为 以 下 几 点 。 1. 规划 论 与 生态 控制 规划 论 是 运筹 学 中 发 展 最 早 ,也 是 迄今 为 止 发 展 得 最 完善 的 一 个 大 的 分 支 。 主 要 包 括 线性 规划 (linear programming) . 整数 规划 (integer programming) JER HE ALK (nonlinear programming)\、 多 目标 规划 (multiobjective programming) 和 动态 规划 (dynamic program- ming)。 规 划 论 用 于 生态 控制 的 基本 思路 是 使 生态 动力 汇 与 相应 的 生态 动力 源 相 适 应 ， 比如 在 大 范围 生态 县 建设 中 ,作出 区 域 规 划 ,使 生 尽 其 长 ,地 尽 其 力 ,达到 “ 宜 农 则 农 , 宜 林 则 林 , 宜 牧 则 牧 " 的 目标 。 2. 决策 论 与 生态 控制 决策 论 也 叫 决策 分 析 (decision analysis) , 它 的 最 终 目 的 是 从 若干 个 改善 生态 条 件 的 行动 中 ,合理 地 分 析 和 决定 满足 人 们 生态 控制 要 求 的 方案 来 。 近 年 来 ,发 展 起 来 的 Mapxos 决策 规划 是 依据 Maprkoe 过 程 作 决策 的 先进 实用 方法 ,在 生态 控制 中 已 经 有 多 方 面 应 用 。 213 3. 存 贮 论 与 生态 控制 在 生态 控制 中 ,经常 遇 到 存 贮 问题 ,比如 生态 建设 投资 力度 问题 ,水 库 蓄 水 量 问题 。 这 就 需要 用 到 数学 中 的 存 贮 论 (inventory control) 加 以 解决 ,有 时 结合 Monte Carlo 方法 进行 模拟 。 4. 排队 论 与 生态 控制 排队 论 (queuing theory) 也 叫 随 机 服务 系统 ,在 种 群生 态 控制 中 用 得 较 多 ,如 港湾 鱼 类 产 卵 的 生态 问题 ,因为 卵 鱼 产 卵 需要 在 一 定 的 水 文生 态 条 件 下 进行 ,而 环境 往往 限制 卵 鱼 的 到 达 ,这 就 有 一 个 排队 问题 。 另 一 类 是 生态 服务 窗口 设置 如 何 满足 社会 需要 并 尽 可 能 避免 重复 。 5. 对 策 论 与 生态 控制 对 策 论 (game theory) 也 叫 博弈 论 , 处 理 人 与 自然 有 竞争 的 生态 控制 问题 ,在 生态 控 制 中 有 多 方面 应 用 。 本 章 将 结合 具体 生态 控制 问题 ,重点 论述 决策 分 析 与 博弈 问题 。 6. 与 生态 控制 有 关 的 一 些 其 他 运筹 方法 图 论 、 模 拟 , 质 量 控制 模型 论 \ 可行 性 研究 、 统 筹 方法 、 投 入 产 出 分 析 等 方法 ,也 与 生 态 控制 有 一 定 关 联 , 必 要 时 结合 应 用 。 第 二 节 ”生态 控制 决策 方法 本 节 在 概论 生态 控制 决策 方法 之 后 , 例 述 多 属性 决策 新 方法 在 生态 控制 中 应 用 的 原理 。 — it 决策 俗称 拍板 定案 ,是 现代 运筹 学 的 一 个 重要 分 支 。 它 在 生态 控制 中 应 用 的 比较 系 统 的 专门 论述 ,至今 并 不 多 见 ; 因为 一 谈 到 控制 二 字 , 研究 者 往往 到 控制 理论 中 去 找 答 案 ,其 实 这 是 园 于 名 词 而 陷 人 误区 。 如 果 我 们 回忆 一 下 第 一 章 中 所 说 的 cybernetics 意 即 掌舵 术 ,就 会 跳出 原 存 于 研究 者 头脑 中 的 ecological control 的 框架 ,而 自然 会 把 决策 方法 纳入 生态 控制 的 范畴 ,因为 决策 论 的 确 是 为 生态 控制 掌舵 的 一 种 不 可 忽视 的 方法 。 事 实 上 ,无 论 从 古 农 书记 载 或 者 从 生产 经 验 来 说 ,人 们 在 生态 林业 、 生 态 农业 中 ,早已 有 决策 思想 于 生态 调节 之 中 ,在 第 三 章 里 有 所 提 及 。 比 如 早 在 两 千 多 年 前 ,用 于 指导 种 田 的 三 A ie” ,用 于 长 远 减 灾 的 治本 措施 一 一 植树 造林 ;南北 朝 时 ,根据 天 气 预 报 进行 防 霜 决 策 一 一 燃 草 增 温 。 人 们 在 以 往 历 史上 形成 的 生态 决策 技术 ,大 体 经 历 了 三 种 形态 ,或 说 三 个 发 展 阶段 ， 至 今 三 者 仍 在 并 用 。 第 一 阶段 是 经 验 的 生态 决策 :和 赁 决策 者 个 人 经 验 进 行 决策 ,如 退耕 还 林 、 植 树种 草 、 建 温室 。 第 二 阶段 是 参谋 决策 :生态 决策 者 做 决策 时 ,不 但 赁 个 人 经 验 ， 而 且 咨询 身边 或 外 请 专职 研究 生态 者 为 决策 提供 科学 依据 。 这 些 被 邀请 者 一 般 是 掌握 生态 控制 实践 动态 ,了 解 国内 外 生态 控制 典型 经 验 或 有 某 方面 学 术 造 良 , 能 为 决策 人 提 供 有 益 参 谋 见 解 的 建议 者 。 我 国生 态 县 (市 ) 建 设 中 ,大 都 召开 过 多 次 专家 咨询 会 。 决 策 班子 ,在 听取 专家 建议 后 ,总 结集 体 经验 和 智慧 ,作出 有 依据 的 决策 。 第 三 阶段 是 科学 决 策 , 即 用 生态 控制 原理 和 现代 数学 模型 作出 的 决策 ,这 种 决策 不 是 只 赁 个 人 零碎 经 验 , 也 不 是 用 定性 方法 总 结 别 人 经 验 ,而 是 用 科学 计算 ,用 系统 工程 方法 处 理 , 不 懂 系 统 科 学 甚 214 至 不 会 应 用 数学 模型 者 ,是 无 法 介 人 该 阶段 决策 的 。 广 义 地 说 ,许多 数学 方法 对 该 决策 起 作用 ,狭义 地 说 ,运用 决策 技术 (主要 是 决策 论 ) 是 这 方面 的 一 种 直接 方法 。 现代 的 决策 论 产 生 于 20 世纪 40 年 代 , 在 我 国 比较 大 规模 的 应 用 , 约 始 于 20 世纪 70 年 代 末 。 决 策 在 生态 控制 中 的 应 用 是 为 了 达到 某 个 特定 的 目标 ,而 从 各 种 不 同 的 备 选 方 案 中 选取 最 优 方案 的 活动 。 就 以 防 霜 这 个 以 增 温 来 调节 控制 生物 环境 ,以 使 生物 不 受 冻 害 这 一 生态 措施 来 说 ,人 们 在 决策 中 可 用 的 方案 很 多 。 这 些 方 案 的 基本 原理 ,是 人 们 早 就 知道 的 。 早 在 20 世纪 50 年 代 中 国 科 协 所 印发 吕 炯 写 的 书 , 就 总 结 了 多 种 方法 ,直到 现在 ,也 基本 上 是 那些 , 当然 具体 技术 水 平 提高 了 很 多 。 首 先 ,用 治本 方法 还 是 用 治标 方 法 ,就 有 一 个 二 者 择 一 的 决策 ,或 标本 兼治 ,三 个 方面 选 一 的 问题 。 而 在 治本 方法 中 就 有 生物 措施 (如 防 霜 林 ) 或 工程 措施 (如 防 霜 堤 ) 的 选择 问题 。 在 治标 措施 中 ,有 枝 烟 、 灌 水 等 方案 。 在 过 去 ,人 们 似乎 尚 不 了 解决 策 论 的 时 候 , 往 往 是 赁 主观 认识 来 决策 。 现代 决策 论 告诉 我 们 ,决策 的 第 一 步 工作 目标 ,比如 防 霜 的 目标 是 使 生物 环境 增 温 、 生物 不 致 受害 ( 即 不 产生 或 少 产 生 负 人 作用) 投资 较 少 等 。 目 标 可 以 是 单 目标 ,也 可 以 是 多 目标 。 第 二 步 是 认识 各 种 可 行 方案 。 这 项 工作 在 生态 控制 问题 中 ,一 般 是 从 机 理 出 发 、 利 用 已 有 的 研究 结果 ,把 可 行 方案 摆 出 来 。 比 如 在 防 霜 问题 中 ,方案 有 : 植 防 霜 林 , 修 防 霜 堤 , 票 烟 , 灌 水 ( 含 漫灌 喷灌 )。 又 如 :在 日 光 温 室 建 设 中 ,后 墙 的 高 度 是 高 些 还 是 低 些 ; 宽度 是 60cm 还 是 80cm; 履 膜 是 一 层 还 是 两 层 ; 棚 面 方位 是 面向 东 些 ,还 是 面向 西 些 ? 这 都 是 长 远 性 的 决策 问题 。 在 日 光 温 室 运行 中 为 防御 霜 霉 病 ,是 用 调节 空气 流通 (放风 )， 改 漫灌 为 喷灌 ,还 是 用 药物 防治 ? 只 有 把 方案 列 出 , 才 有 供 选 择 的 余地 。 决策 的 第 三 步 是 从 备 选 方案 中 选 最 优 , 这 正 是 利用 决策 论 于 生态 控制 实践 的 核心 与 关键 问题 。 到 目前 为 止 ,决策 论 的 数学 方法 已 有 很 多 。 从 类 型 来 说 ,有 确定 型 的 决策 ,也 有 随机 风险 型 的 决策 。 根 据 我 们 的 经 验 , 以 后 者 为 多 。 从 已 有 十 分 丰富 的 数学 决策 方法 中 ,选择 出 最 适宜 于 我 们 面临 的 千差万别 的 生态 控制 问题 ,这 本 身 也 是 一 种 决策 ,也 可 以 说 是 一 种 技艺 ,需要 生态 工作 者 随时 跟踪 数学 方法 的 发 展 , 同 时 及 时 发 现 生 态 控 制 的 问 题 , 以 数学 上 决策 方法 之 矢 射 生态 控制 决策 所 面临 问题 之 的”。 而 所 用 数学 方法 ,以 新 的 且 较 完善 的 为 好 ,在 这 一 节 中 ,我们 不 可 能 也 没有 必要 将 作者 曾经 用 过 的 许多 决策 论 方法 面面俱到 地 加 以 论述 ,而 只 选 一 些 新 方法 ,结合 生态 控制 加 以 例 述 。 有 一 种 似乎 更 为 重要 的 马 氏 决策 过 程 涉及 随机 过 程 且 所 需 篇 幅 略 长 ,我 们 在 本 章 第 三 节 作 专 门 论 述 。 二 、 生 态 控制 多 属性 决策 徐 泽 水 (2002) 研 究 了 属性 权重 完全 未 知 、 属 性 值 为 区 间 数 目 、 对 方案 有 偏好 的 多 属 性 决策 问题 ,提出 了 一 种 基于 相 离 度 的 求解 属性 权重 公式 ,并 利用 区 间 数 比较 的 可 能 度 ， 对 决策 方法 作 排 序 具体 算法 是 : 第 一 步 , 设 多 属性 决策 问题 的 方案 集 为 X= { zi,zz，…z ,属性 集 为 U= {wi xz， …，, zw 。 给 出 方案 z; 在 属性 凡 下 的 属性 值 ci[ 这 里 ay =(ai ,az )] ,从 而 构成 决策 矩阵 A= (ai) mxni 215 第 二 步 ,将 决策 矩阵 A =(oi )，x， 转 化 为 规范 矩阵 R15) yen (有 具体 方法 略 ); 第 三 步 , 求 最 优 权重 向 量 W 和 各 方案 综合 属性 Qi CTEN),N=11L12，……7|; 第 四 步 , 算 出 各 方案 综合 属性 之 间 的 可 能 度 Pi = P(Z,>Z,), FI A AE EB th EP =(P3 xn 第 五 步 , 求 出 矩阵 P 的 排序 向 量 w@ = (0, ,wz ，…awn) ,再 按 其 大 小 次 序 , 对 方案 排 序 并 择优 。 让 我 们 举 出 生态 县 建设 中 选择 重点 发 展 乡 (镇 ) 事 例 。 某 生 态 县 欲 选 择 一 个 重点 乡 ( 镇 ) ,把 全 县 28 个 乡 (镇 ) 列 人 候选 对 象 。 在 调查 考核 之 前 ,从 生态 控制 原理 出 发 确定 了 6 项 考核 指标 (认定 其 为 所 说 的 “属性 ”) : DFR a Hi5 @ 草 地 和 牧 业 开发 状况 pa ; 加 保护 设施 暨 工 厂 化 农业 效益 3 ; 则 水 域 开发 及 水 产 经 济 p45 @ 大 气 ( 主 要 指 局 地 气候 和 小 气候 )、 地貌 .水文 .土壤 等 非 生物 生态 动力 源 保障 能 力 ws; @O 人 工 能 值 供 应 水 平 ws。 然后 ,请 各 方面 专家 共同 评议 。 经 统计 处 理 , 从 中 确定 ,JJ 个 乡 ( 镇 )(J<28) 为 候选 单 位 ,可 以 参评 (事实 上 淘汰 了 28 -了 个 单位 )。 候 选单 位 即 元 素 zi 4 =1.2，……,J)。 由 于 专 家 对 各 个 候选 单位 所 给 出 的 属性 值 不 同 , 所 以 首先 统计 各 项 指标 下 的 属性 值 。 依 属性 数 据 ,建立 决策 矩阵 4 ,再 将 A 转化 为 规范 化 矩阵 已 。 接 着 就 决策 者 偏好 ,对 结果 进行 订正 。 最 后 ,给 出 排序 向 量 @= (owl,ow? ,os ,ws,ws) ,如 果 结 果 是 wo, > ws > ws > w >w4, 则 在 这 5 个 单位 中 ,优先 选择 编号 为 1 的 单位 ,接着 的 选择 则 依次 是 编号 为 3,5,2,4 的 单位 。 由 于 有 相应 的 软件 ,生态 控制 决策 者 可 将 有 关 调 查 数据 输入 即 得 结果 ,而 无 须 一 一 计算 帮 至 把 时 间 消 耗 在 具体 步骤 上 。 不 难看 出 ,这 种 客观 决策 , 仍 有 以 专家 主观 认识 为 基本 资料 的 过 程 , 所 以 ,要 使 决策 科学 化 ,决策 者 所 请 专家 合适 与 否 是 关键 。 请 什么 样 专家 合适 呢 ? 最 好 请 以 定量 研究 为 基础 再 进行 赋 分 的 专家 ,这 样 专家 评分 依据 就 比较 充分 些 。 另 外 , 当然 尽量 请 与 被 评审 对 象 没有 直接 的 经 济 或 社会 关系 的 专家 。 三 自然 资源 与 生育 率 决策 模式 在 以 前 的 研究 中 ,多 考虑 人 口 增 加 对 自然 资源 的 影响 ,现在 也 有 人 反 过 来 研究 资源 对 人 口 出 生 率 既 人 口 增长 率 的 影响 ,Aggarvwal 等 (2001) 就 南非 的 具体 情况 建立 了 出 生 率 模式 的 理论 框架 。 Aggarwal 等 建立 的 效用 函数 (utility function) U=U(N,q,z) i=1,2,3 Bt U,>0 (8-1) AHN 是 儿童 数目 ,9 是 每 个 儿童 的 质量 , z 是 集合 消费 量 。 在 这 一 模式 中 ,儿童 质量 指 儿 童 的 健康 和 营养 状况 。 因 此 ,儿童 质量 的 较 高 水 平 也 意味 着 有 较 好 的 成 长 机 会 。 妇 女 出 于 自己 的 目的 关心 儿童 的 质量 ,哺育 条 件 较 好 的 比较 健康 的 儿童 ,预期 对 家 庭 生产 有 较 多 贡献 ,有 更 多 的 机 会 成 为 有 用 人 材 。 假 定 同胞 儿童 质量 是 不 变 的 , 它 是 母亲 投入 时 间 、 购 入 物品 xz， 和 资源 退化 或 短缺 量 数 的 一 个 函数 216 本 qi >0 q2 > 0 q3 <0 (8-2) 在 公式 (8-2) 中 ,儿童 质量 被 假定 为 s KW PR, FRM Fe PE RAB 1b Le ft BR ike BI H 作用 。 特 别 是 ,来 自发 展 中 国家 的 大 量 研究 指出 饮用 水 与 儿童 死亡 率 之 间 的 明显 相关 关 系 (Strauss et al. ,1995 ) 最 后 ,集合 消费 量 z 的 函数 是 z=2(T. ,t,,2,;,5) z,>0,2,>0,2z,>0,2,<0 (8-3) AY, T, 是 母亲 的 投入 时 间 , 万 是 儿童 的 时 间 输 入 , 2, 是 购买 物品 的 输入 , zx 可 以 被 认 为 是 由 母亲 评价 的 不 同 消费 品 的 集合 。 这 些 消 费 品 当中 的 一 种 是 熟食 、 制 作 熟 食 需 要 输 人 食品 原材料 燃料 \ 水 和 劳动 力 。 按 照 这 种 解释 ,将 作为 生产 中 的 一 个 输入 , 似 为 合 理 。 同 时 ,假定 退化 了 的 环境 导致 > 的 较 低 值 和 其 他 输入 的 较 低 产 出 (对 于 z=1,2,3 来 说 ,zs 和 <0)。 也 应 注意 到 儿童 对 这 种 集合 物品 生产 的 贡献 。 妇女 的 全 部 时 间 工分 配 于 如 下 活动 : 生 小 孩 (TN) ,在 儿童 质量 方面 的 投入 T, ,生产 z(T-) 以 及 在 劳动 市 场 中 的 工作 厂 。 并 可 算出 T=NIyVANT AIT (8-4) 假定 儿童 的 时 间 上 投入 到 集合 物品 的 生产 。 注 意 到 儿童 生产 力 取决 于 其 质量 ,于 是 按 质 量 单位 来 说 ,儿童 的 时 间 限 制 是 : t, = Nat (8-5) 全 收入 平衡 限 由 下 式 给 出 : P( Nz, + xz. + Nzy) = wT, + V (8-6) AY, PEM mN AIH, we LEB, V 是 非 劳 动 收入 。 利 用 式 (8-1) 至 (8-6) ,使 (8=-1) 最 大 的 N,T ,X MT, 的 一 阶 条 件 分 别 是 U, — U3z;(Ty + T,) + U3 22. qt — U32z3(zy + x,) =0 iB 7) U2.q, — U3z,;N + U;2z,Ntq,; =0 (8-8) U2q2 — U3z3N + U;32z2Ntq, =0 (8 一 9) U;23(w/p) — U3z, =0 (8-10) 由 方程 (8- 10) 49 z,/z3=w/p FH (8 —8)4§ qi (U2 + U32z,Nt) = U32,N FH (8 — 9) 48 q2 (U2 + U32.Nt) = U32z3N Fz, gq _U3;zN_2z_w q2 Usz3N 23) p 即 有 zi/z3=qilq.= wl p 217 这 是 一 种 标准 条 件 。 方程 (8-7) 可 改写 为 U,; + U3 22 gt = U32,( Ty + T,) + U3z3( ay + x, ) (8-11) 方程 (8- 11) 的 左边 表示 ,作为 物品 纯 消 耗 者 和 物品 生产 者 的 儿童 的 双重 函数 的 边缘 利 益 。 右 边 表 示 儿 童 的 边缘 支出 ,因为 儿童 先 消耗 累积 物品 ,包括 :母亲 的 时 间 ,市场 物品 和 为 儿童 质量 所 工作 的 投入 。 对 方程 (8-7) 至 (8-10) 可 以 求解 。 有 意义 的 是 关于 儿童 方程 的 简化 形式 : N* =N (sz 力 , 了 ) (8-12) 由 于 多 重 影响 ,资源 短缺 不 能 满足 儿童 需求 的 作用 是 复杂 的 。 许 多 有 意义 的 比较 稳 定 结果 关系 到 模式 中 的 外 源 变量 ,对 这 些 ,Aggarwal(2001) 论 述 了 估计 方法 ,利用 来 自 南 非 乡 村 的 家 庭 数 据 , 具 体 研 究 了 薪 炎 林 \ 水 资源 短缺 对 生育 率 的 影响 。 结 果 表 明 Hime HK 的 影响 是 显著 的 ,而 水 资源 短缺 的 影响 ,不够 显著 。 B= AAS RIN Mapxos Rie Ut (MDP) 本 节 在 简 述 MDP 用 于 生态 控制 原理 之 基础 上 , 举 出 平均 模型 之 例 。 一 \MDP 用 于 生态 控制 的 现实 性 与 前 景 Mapxos 决策 过 程 (Markov Decision Processes) 也 称 为 Mapxos 决策 规划 (Markov De- cision Programming) 或 Mapxos 控制 系统 (Markov Control System) (— At fal id MDP) 是 研 究 一 类 随机 序 贯 决策 问题 的 理论 。 所 谓 随机 序 贯 决策 问题 ,是 指 在 一 系列 相继 的 或 连续 的 时 刻 ( 称 之 为 决策 时 刻 ) 点 上 作出 决策 ,在 每 个 决策 时 刻 点 ,决策 者 根据 观察 到 的 状态 ， 从 可 用 的 若干 决策 中 选择 一 个 ,将 决策 付 诸 实施 后 ,系统 将 获得 与 所 处 状态 和 所 采取 措 施 有 关 的 一 项 报酬 ,并 影响 下 一 个 时 刻 点 系统 所 处 状态 。 决 策 的 目标 是 使 系统 运行 ,在 某 种 意义 上 达到 最 优 。MaproeB 决策 过 程 是 研究 MaproB 型 序 贯 决策 的 ,是 我 们 在 本 书 第 四 章 所 讲 动态 规划 与 MaproB 过 程 相 结合 的 产物 。 由 于 在 生态 控制 的 许多 优化 问题 中 ， 具有 MaprkoB 性 的 无 后 效 随机 过 程 是 很 多 的 ,如 植物 的 生态 产量 一 般 是 由 其 生长 期 内 各 生态 动力 源 因 子 共同 决定 的 ,比如 说 玉米 生育 期 需要 大 量 的 水 分 ,如 非 灌溉 的 , 则 旱 年 ， 生态 产量 总 是 负 值 , 如 干旱 这 个 水 文生 态 动力 源 只 能 左右 当年 玉米 的 生态 产量 ,而 与 次 年 或 其 前 若干 年 ,基本 无 关 , 所 以 是 具有 MaproB 性 质 的 ,这 样 一 来 ,用 Mapxos 决策 就 适 宜 , 因 为 这 种 决策 手段 不 像 我 们 在 第 四 章 所 讲 的 以 Bellman 的 “最 优化 原理 "作为 研究 的 出 发 点 ,而 是 从 一 些 简 单 的 ,易于 验证 的 条 件 ( 或 公理 ) 出 发 来 严格 证 明 最 优化 原理 。 MDP 运用 中 所 需 的 条 件 ,往往 在 生态 控制 的 许多 基础 研究 中 已 经 具备 ,这 主要 是 源 与 汇 之 间 的 若干 关系 , 像 蝗 虫 发 生 与 旱 涝 关 系 , 工 厂 化 设施 农业 中 霜 霉 病 与 湿度 关系 ,动物 舍 饲 环 境 中 ,生态 增 重 与 空气 中 气体 含 物 关 系 ,流行 病 发 生 与 寒潮 关系 ,森林 演 潜 与 环境 关 系 等 等 。 可 见 , 即 使 就 生态 控制 的 直接 应 用 , Maproa 决策 过 程 , 尚 可 在 很 多 领域 发 挥 作 用 。 进 一 步 考虑 到 大 系统 ,复杂 巨 系统 的 生态 建设 投资 决策 方案 经 济 与 生态 关系 问题 ， 它 的 应 用 领域 更 可 大 大 拓宽 ,并 以 此 服务 于 客观 生态 控制 。1997 年 度 诺 贝 尔 经 济 学 奖 得 主 Merton(1998) 将 MDP 视 为 经 济 研究 的 重要 工具 ,这 启发 我 们 在 有 条 件 时 可 参考 Mer- ton 思路 ,用 MDP 于 生态 经 济 决策 之 中 。 218 二 、 一 些 基 本 概念 .符号 与 模型 应 用 途径 1. 离散 时 间 DTMDP 的 基本 组 成 部 分 最 为 基本 的 离散 时 间 Maproe 决策 过 程 (Discrete Time Markov Decision Processes, , 简 记 为 DTMDP) 的 模型 由 以 下 的 五 重组 组 成 1S,(A(i),i€S),q,7r,V} 这 里 S 为 系统 一 切 可 能 的 状态 所 组 成 的 非 空 的 状态 集 , 亦 称 状 态 空间 ,为 简便 ,本 节 假 定 S 为 一 有 限 集 。A (;i) 是 在 状态 iE S 条 件 下 ,状态 ; 可 用 的 行动 集 , 本 节 假 定 为 非 空 有 Ro gq 是 系统 状态 的 转移 律 族 , 假 定 为 时 间 齐 次 的 Maproa 转移 律 族 。> 是 定义 在 一 上 的 报酬 函数 ,这 里 令 和 = (ia):eaEA(G),ESl,r(i,a) 表 示 在 任 一 时 刻 寺 ,系统 处 于 状态 ;选用 行动 < 时 所 获 报酬 。V 是 准则 (criteria) , 它 是 定义 在 互 XS EM AS RK 数 ,这 里 艾 是 全 体 允 许 策略 集 , S 是 状态 空间 。 当 以 上 的 S,(A(4z),iES),q,r,V 都 给 定时 , 即 认为 给 定 了 一 个 具体 的 DTMDP 模型 。 2. 策略 (policy) 类 (1) 定 义 在 空间 S 上 的 映像 ,使 得 对 于 每 个 1iE S 来 说 ,有 jz)EA(GD), 则 称 FA 决定 性 决策 规则 ,或 称 之 为 决策 国 数 。 (2) ERR BRP (fo fir, foc DH, fECF,te No 就 称 为 是 一 个 (决定 性 ) 马 氏 策 略 。 (3) 若 在 时 刻 上 选用 行动 的 规划 r, ,不 仅 是 随机 的 而 且 依赖 于 系统 在 二 以 前 的 历史 ， 则 元 = (ro, ri rz,，…) 称 为 策略 ,全 体 策 略 集 记 为 五 , 称 ; 为 策略 空间 。 (4) 设 r=(fosfisfes DEMS AMET tO MA Ff, = fo, WR AAE BR, ILE fo SOF BRE A OE, AOE a RK i IE 3. 准则 准则 有 阶段 准则 、 折 扣 准 则 和 平均 准则 。 在 生态 问题 中 ,前 两 种 准则 及 其 运用 的 数 学 模型 计算 过 程 已 分 别 在 4 生态 动力 学 洒 斐 铁 王 等 ,2001) 一 书 的 第 十 二 章 第 四 节 和 第 九 章 第 五 节 例 述 ,在 生态 控制 中 完全 可 以 参照 应 用 。 其 中 的 有 限 阶 段 模 型 主要 用 于 即时 的 分 阶段 决策 。 除 了 在 果树 防风 决策 (是 治标 措施 ,也 是 一 种 "战术 "上 的 决策 ) 之 外 ,我 们 已 经 实用 过 或 准备 应 用 的 生态 控制 领域 还 有 :中 日 光 温 室 霜 霉 病 防 御 ( 生 态 措施 如 放风 或 化 学 措施 如 喷 百 菌 清 ) 决 策 ;@ 水 库 防 洪 兴 利 决策 ;名 大 田 作物 抗旱 排 涛 决策 ;由 防 霜 冻 冷害 等 低温 灾害 的 即时 决策 。 关 于 折扣 模型 ,主要 用 于 长 远 性 生态 建设 决策 , 除 在 农 产品 鲜 贮 环境 建设 (主要 目标 是 调节 温度 ) 中 应 用 外 ,还 有 :中 塑料 大 棚 覆 膜 层 数 ( 单 层 还 是 双 层 ) 决 策 ; 凶 防护 林 结 构 ( 如 透风 结构 , HBAS) OM AM IRAD MRE; OEE 农田 中 ,高 秆 作物 行 数 (单行 或 双 行 ) 的 决策 。 这 类 决策 ,一 经 作出 ,在 一 定期 间 内 ,不 能 作 即 时 调节 ,如 塑 膜 在 冬 半年 不 能 调节 , 套 作 作物 在 当年 不 能 调节 ,防护林 在 几 年 内 不 能 调节 。 另 一 种 是 平均 模型 ,过 去 未 曾 述 及 ,将 作为 本 节 的 一 个 主要 部 分 具体 论述 。 =. MDP 平均 模型 的 应 用 有 一 个 生态 农场 (或 生态 县 、 乡 ) 生 产 大 农业 方面 的 各 种 农产品 ( 含 种 植 、 养 殖 、 林 木 、 花 乔 ` 鱼 类 等 水 产 ) ,由 于 其 生产 活动 一 一 无 论 是 露天 生产 或 设施 农业 生产 一 一 都 离 不 开 219 各 种 生态 动力 源 ( 旱 涝 、 土 地 盐 碱 化 ` 温 热 充足 ,水 土 流失 等 ) 的 变化 性 .所 以 管理 者 每 年 对 当年 的 生态 动力 源 作 回顾 ,请 专家 评估 ,以 期 找 出 翌年 防 灾 减灾 的 生态 控制 依据 ,从 而 夺 得 两 高 一 优 (高 产 、 优 质 \ 高 效 )。 尤 其 是 不 断 提高 生态 产量 ,综合 起 来 的 生态 条 件 , 大 体 分 为 两 类 ,一 是 生态 动力 条 件 好 , 即 灾 害 少 ,我 们 称 之 为 生态 良好 年 ,简称 “良好 年 ,二 是 “多 灾 年 " ,假定 “多 灾 年 "和 "良好 年 "与 人 的 活动 有 关 , 即 不 完全 取决 于 自然 ,如 降水 量 大 ,在 水 利 设施 差 的 时 候 , 形 成 涝 灾 , 在 设施 好 时 ,可 能 不 成 为 涝 灾 。 我 们 把 前 者 记 为 状 态 1, 把 后 者 记 为 状态 2。 并 且 , 如 果 为 良好 年 ,一 年 可 获 生 态 - 经 济 效 益 ( 注 意 ,这 是 按 生态 产量 算出 的 效益 ,不 含 基因 产量 和 随机 产量 创造 的 效益 ,所 以 不 能 视 为 实际 效益 ,下 同 )6000 万 元 ;如 果 为 多 灾 年 ,生态 - 经 济 效益 为 3000 万 元 。 对 于 每 个 状态 来 说 ,可 用 的 行动 有 两 种 : 一 般 防 御 ( 因 为 在 良好 年 ,也 要 有 一 定 防御 准备 ,对 于 不 同 生 物 自然 条 件 不 可 能 全 为 有 利 的 ) , 记 作 0; 强化 防御 , 记 作 c。 假 定 在 一 般 防 御 条 件 下 ,不 须 付 出 费用 ,而 在 强化 防 御 条 件 下 , 须 花 费 2000 万 元 的 防御 费 。 又 假定 :处 于 状态 1, 采 用 行动 c, 由 于 各 种 随 因素 的 干扰 ,翌年 仍 处 于 状态 1 的 概率 是 0.8, 转 为 状态 2 的 概率 是 0.2; 如 果 处 于 状态 1, 采 用 行动 ,下 一 年 仍 处 于 状态 1 的 概 率 为 0.5, 转 为 状态 2 的 概率 也 为 0.5。 在 处 于 状态 2 的 条 件 下 ,采用 行动 ,由 于 各 种 随 机 因素 的 干扰 ,下 一 年 转 为 状态 1 的 概率 为 0.4, 仍 处 于 状态 2 的 概率 为 0.6。 如 果 在 处 于 状态 2 的 条 件 下 ,采用 行动 c, 下 一 年 转 为 状态 1 的 概率 为 0.7, 仍 处 于 状态 2 的 概率 为 | Ie 现 用 Maproa 决策 过 程 的 平均 准则 (更 深 一 步 原 理 , 见 胡 奇 英 等 ,2000) ,用 策略 迭代 算法 求 最 优 策 略 。 根据 所 设 条 件 ,该 问题 有 4 个 决策 函数 , 令 其 分 别 为 (参见 表 8-1): 广 (1)=c, 户 (2)=D; fMW=c¢ 产 2)=c 关 =0 广 2)=ci 关 (-1)=b, 广 (1)=5。 首 先 注意 到 ,对 该 例 的 每 个 决策 函数 所 决定 的 随机 和 矩阵 , 即 状态 一 步 转移 抢 阵 Q(P) 均 满足 假设 A 一 一 对 任 一 给 定 的 决策 函数 fC 下, 状态 一 步 转移 矩阵 Q(P 均 仅 有 一 个 遍历 类 。 所 以 有 关 策略 迭代 法 的 全 部 定 理 和 运算 规则 都 是 可 用 的 。 #8-1 Manos 决策 过 程 计算 用 表 RA 45 转移 概率 mf RSD Ye "Wh os hk US ge) OS le i a q(li,a) q(2/i,a) | b 0.5 0.5 6 c 0.8 0.2 4 b 0.4 0.6 —o 2 eZ 0.7 0.3 =5 具体 计算 步骤 如 下 : Die 广 作 为 初始 策略 , 即 上 二 fs 四 对 于 广 作 策略 求 值 运算 , 即 解 策略 求 值 方程 r(PD+QCDUCO-UCDO-UCUDO1=O (8-13) FH 8-1, FRITA ec 4 r(FD=| 220 0.8 0.2 Q05=| 根据 董 泽 清 等 对 式 (8- 13) 的 处 理 方法 ,并 令 U(f';1)=0 则 可 得 出 如 下 形式 的 方程 组 a + BU(f';2)- v(f') =0 Phe sb Ali eae AP ,a,8,y 和 8 都 是 具体 数字 。 又 据 董 泽 清 等 的 计算 结果 ,这 里 有 35 UC 广 ;2) = wey o(f')=2 AY LOR v(f?)=2, v(f? 31) =0 ROG" :2)= =1, @ 策 略 改进 运算 z= 工 时 ,由 表 8-1 得 ti(c)=0 t1(6)=6+0.5U(f? ;2) -2=6+0.5(-10)-2= -1<¢ 所 以 ,我 们 有 t; =max{t,(5),t,(c)} =0 Ti AM=f?()=c i=2 时 tr(c)=0 t2(b)= —3+0.6U( f? 32) — U(f?;2) - vf?) = ~3-0.4x (10) -2= —1<0 所 以 ,我 们 有 : to =max{t,(b),t,(c)} =0 于 是 fy(2)=f? (2)=¢ 动 进一步 策略 改进 运算 t=1 AY, He 8-1, RTA ti(c)=0 t1(6)= max tr(i,a) + 2a (j/i,a)U( fii) swo(f)} =r(15b) + 24(7/1,6)U(f'33) - o( f!) =6+0.5U(f';2) - v(f') =6+0.5x(-)-3 因此 ,有 221 t; =max{t,(b),t,(c)}=0 于 是 $0) =H c i=2 时 tr(b)=0 和 故 有 tz =max|t,(b),t2(c)} >0 于 是 fr(2)=c 综 上 可 得 fr=f 即 广 ” 为 一 改进 策略 。 @j 广 作 策略 求 值 运算 由 表 8-1 可 得 的 同和 站 及 2 全 求解 rf yr - UC )=—UCH)— aw F=9 用 分 量 来 写 ,并 令 UC f? 31) =0, (8-14) KA eg f?32) —v( f?)=0 -5+0.3U( f?;2)- UC f?;2) - v( #7) =0 Bp one f'32) - v( f*?) =0 —5-0.7U( f?;2)- v( f7)=0 由 定理 “策略 迭代 算法 经 有 限 次 迭代 必 将 终止 。 并 终止 于 一 个 最 优 “ 策 略 “( 董 泽 清 ,1981; 胡 奇 英 ,2000) 可 知 F” 关 于 平均 准则 是 最 优 的 ,而 且 最 优 值 “=w( 广 )=2。 四 、 问 题 与 前 景 从 以 上 简单 例子 可 知 , 用 MDP 平均 模型 可 求 出 依赖 于 给 定 状态 和 转移 概率 采取 优化 措 施 。 但 是 ,在 实际 应 用 中 ,比较 准确 的 转移 概率 是 不 易 求 出 的 ,这 必然 影响 决策 的 质量 所 以 在 实际 应 用 中 , 目前 还 不 能 完全 按 决策 结果 办 事 。 MDP 平均 模型 的 算法 ,不 限于 策略 迁 代 一 种 , 尚 有 线性 规划 算法 ,偏向 最 优 策略 等 。 对 于 这 些 及 以 后 可 能 出 现 的 更 新 方法 ,在 生态 控制 中 都 是 有 用 的 ,条 件 很 复杂 时 ,就 会 使 表 8-1 那 样 的 表 变 得 很 庞大 ,但 因 已 有 计算 机 系统 分 析 人 员 设 计 好 许多 种 语言 的 程序 ,生态 控制 者 当 可 广泛 应 用 ,而 无 需 自 编 程序 运算 。 222 管 具 体操 作 起 来 ,有 许多 不 准确 之 处 ,但 随 着 生态 控制 原理 的 发 展 ,数学 上 的 算法 及 相 应 软件 的 的 完善 ,作为 一 种 运筹 方法 的 MDP 方法 在 生态 控制 领域 应 用 前 景 当 是 十 分 广阔 的 。 第 四 节 ”生态 控制 的 Nash 博 奔 博弈 论 亦 称 对 策 论 (game theory) ,这 是 运筹 学 的 一 个 重要 分 支 ,英文 字面 意义 是 “关于 游 戏 的 理论 ”, 该 理论 的 实质 是 有 利害 冲突 即 有 竞争 的 各 方 参加 的 决策 问题 ,或 简 言 之 日 有 竞争 的 决策 。 我 国 战国 时 期 “ 齐 王 与 田鼠 赛马 ”的 故事 (《 史 记 ' 孙 子 吴起 列传 》) 就 是 博弈 论 中 的 一 个 典型 例子 ,用 现代 博弈 论 观点 看 ,属于 “二 人 零 和 对 策 "。 现 代数 学 中 作为 运筹 学 分 支 之 一 的 博弈 论 的 初创 以 J. von. Neumann(1903 一 1957) 专 著 《 博 弈 论 与 经 济 行为 ?的 出 版 (1944 年 ) 为 标 志 。1950 年 ,].Nash(1928 一 ) 的 博士 论文 ,实际 上 使 博弈 论 走向 一 个 新 的 境界 ,推动 了 博弈 论 在 经 济 领 域 中 应 用 的 进展 。Nash 博士 论文 的 重要 意义 是 在 其 发 表 后 的 若干 年 才 被 认识 到 的 。 Nash 因 其 在 博弈 论 方面 的 突出 的 黄 基 性 贡献 而 获得 1994 年 诺 贝尔 经 济 学 奖 。2002 年 8 月 ， Nash 出 席 在 北京 举行 的 世界 数学 大 会 并 在 会 上 作 了 报告 ,又 应 北京 大 学 等 单位 邀请 作 专 题 报 He ,接受 多 家 新 闻 媒 体 采访 ,于 是 使 Nash 成 为 中 国 包括 生态 学 界 在 内 的 科学 界 乃至 社会 公众 关注 的 人 物 之 一 。 今日 的 博弈 论 ,发 展 迅 速 ,基础 严谨 ,内 容 丰 富 , 博 大 精深 ,因而 其 学 科 辐 射 能 力 极 强 , 许 多 科学 工作 者 对 它 兴趣 咕 然 ,但 不 熟悉 数学 模型 者 ,往往 望而却步 ,以 致 它 在 生态 控制 领域 中 的 应 用 举步维艰 。 但 我 们 相信 , 它 在 生态 -经 济 领域 中 的 应 用 ,前 景 可 观 。 在 这 一 节 , 我 们 不 准备 全 面 介 绍 博弈 论 ,而 只 从 生态 控制 角度 出 发 ,就 与 Nash 均衡 有 关 的 定理 在 生态 控制 中 的 应 用 问题 ,举例 说 明 用 于 生态 -经济 控制 的 若干 主要 方法 。 一 概述 Nash 均衡 及 其 生态 应 用 在 Nash 均衡 提出 之 前 ,数学 上 所 讲 的 博弈 均衡 (如 前 述 的 “ 齐 王 与 田鼠 赛马 ”) 都 是 严格 优 势 策略 ( 系 全 面 的 严格 的 优势 策略 “的 简称 ,这 种 策略 指 的 是 : 无 论 对 方 采取 什么 策略 ,我 方 所 采取 的 策略 总 比 采取 其 他 任何 策略 都 好 ,而 且 确 实 显 示 出 好 来 。 被 全 面 的 严格 的 优势 策略 压倒 的 那个 策略 , 才 叫 做 严格 劣势 策略 ”)。 在 博弈 双方 都 没有 全面 的 劣势 策略 "的 情形 下 ,还 要 求 作 出 选择 。 在 博弈 论 中 的 一 个 重 要 概念 一 一 Nash 均衡 , 它 指 出 一 大 类 [如 "情侣 博弈 ”(battle of sexes games) ] 策 略 优势 不 那么 明 显 的 博弈 的 结局 。 所 谓 策略 优势 不 明显 , 指 的 是 博弈 双方 都 没有 "不论 对 方 采 取 什 么 策略 ,我 方 总 是 采取 这 策略 为 好 ,而 且 是 严格 地 好 "这 样 的 严格 策略 ,其 实 , 人 们 总 是 留意 一 种 双方 “ 相 对 优势 策略 “的 组 合 。 比 如 ,在 局 部 的 陆地 生态 控制 措施 中 ,在 这 种 改造 自然 的 生态 博弈 中 ,有 人 提出 应 植树 ,有 人 提出 应 种 草 ,双方 都 去 植树 或 双方 都 去 种 草 ,是 博弈 的 两 个 Nash 均衡 。 下 面 举 例 说 明 。 1. 生态 控制 的 两 个 例子 第 一 个 例子 是 生态 县 建设 中 作物 种 植 类 的 例子 。 假 定 甲 和 乙 都 是 农业 生态 专家 ,来 到 某 一 生态 县 考察 。 根 据 该 县 各 方面 的 生态 动力 条 件 , 他 们 对 利用 这 些 条 件 种 植 作物 的 种 类 分 别 提出 建议 : 甲 偏向 种 玉米 , 乙 偏向 种 高 粱 。 这 样 , 他 们 二 人 所 面临 的 抉择 ,可 表示 为 如 下 的 博 FE 223 乙 玉米 高 梁 玉米 | META. va 在 个 这 博弈 中 ,有 两 个 用 黑体 数字 表示 的 Nash 均衡 ,一 个 是 两 人 都 赞同 种 植 玉 米 , 甲 得 3， 乙 得 2; 另 一 个 是 两 人 都 赞同 种 高 梁 , 甲 得 2, 乙 得 3。Nash 均衡 是 稳定 的 ,就 是 说 :处 于 Nash 均 衡 的 时 候 , 任 何 一 方 都 是 不 想 单 独 改 变 策略 选择 ,因为 单独 改变 不 会 给 哪 一 方 带 来 好 处 。 第 二 个 例子 是 植树 \ 种 草 的 对 策 问题 ,是 有 情侣 博弈 "性质 的 策略 格局 。 为 了 改善 大 农业 帮 至 整个 社会 的 生态 环境 ,建设 生态 县 ,通过 有 计划 的 植树 种 草 使 所 建生 态 县 拥有 可 持续 发 展 的 环境 , 相 邻 的 甲乙 两 个 生态 县 ( 旗 ) 面 临 ` 集中 资源 主要 支持 甲 县 A 专家 (这 里 说 的 专家 指 有 造 放 的 生态 一 经 济 专家 ,下 同 ) 还 是 主要 支持 乙 县 也 专家 "的 抉择 。 如 果 甲 、 乙 两 个 县 集中 资源 主要 支持 甲 县 A 专 家 , 甲 县 得 4, 乙 县 得 3; 如 果 集 中 资源 支持 乙 县 也 专家 , 甲 县 得 3, 乙 县 得 4。 如 果 分 散 资源 ,各 自 建 设 本 县 的 生态 环境 ,那么 因为 都 是 在 利用 人 工 生态 动力 资源 环境 增 优 的 工作 ,所 以 还 是 会 取得 成 功 的 ,但 是 ,达到 某 目 标的 历程 肯定 会 长 , 即 建设 是 慢 步 进行 的 。 其 实 这 就 是 数学 上 所 说 的 普通 Nash 均 衔 一 一 单独 把 策略 从 均衡 中 改变 出 去 ,不 会 得 到 好 处 ,但 没 有 好 处 ,也 不 是 一 定 有 坏处 。 如 果 乙 县 支持 也 专家 , 甲 县 支持 A 专 家 , 则 两 县 各 得 2; 如 果 颠 倒 过 来 , 乙 县 支持 A 专 家 , 甲 县 支持 也 专家 , 则 两 县 各 得 1。 所 以 甲乙 双方 博弈 的 形势 如 下 乙 县 第 一 个 例子 所 讲 的 “种 植 高 粱 玉米 "的 矩阵 中 每 个 数字 都 加 1, 即 得 上 示 关 于 甲乙 两 县 支 持 策略 的 博弈 矩阵 。 这 个 博弈 亦 有 两 个 Nash 均衡 一 一 一 个 是 集中 资源 支持 A 专家 ; 另 一 个 是 集中 资源 支持 也 专家 。 2. 混合 策略 Nash 均衡 的 计算 为 了 改善 生态 条 件 ,有 植树 \ 种 草 两 项 措施 。 这 个 博弈 的 纯 策 略 的 Nash 均衡 如 下 图 所 示 植树 9 HH 1-q 该 均衡 即 是 左上 方 一 起 已 选 植树 , 右 下 方 一 起 选 种 草 。 为 了 计算 混合 策略 Nash 均衡 , 现 假定 , 甲 选 植树 的 概率 是 娟 , 选 种 草 的 概率 是 1- ; 乙 种 植树 的 概率 是 g , 选 种 草 的 概率 是 1- qo 利用 反应 函数 计算 过 程 ,可 以 把 甲 的 期 望 得 益 Un BEEF: Up =3pq + 1p(1-¢)+0(1- p)gt+2(1- p)(1-q) =3pq+ p- pqt+2-2p-2q+2pq =4pq - p—2q+2= pl4q-1)-2q-1) 据 此 , 甲 的 最 佳 反应 函数 是 224 [0,1] mR g=1/4 0 如 果 g<1/4 同样 ,把 乙 的 期 望 得 益 Uz 整理 如 下 : Uz =2p9 +1p(1-q) + 0(1-— p) +3(1- p)(1-q) =2pq + p— pg +3-3p —3q +3pq =4 pq -2p -3q +3 =q(4p—-3)+3-2p 1 aR gq >1/4 r+ 据 此 ,其 最 佳 反应 函数 是 [0,1] mR p=3/4 0 如 果 p<3/4 现在 ,把 两 人 的 最 佳 反 应 函数 画 在 一 起 (如 图 8-1), 得 到 三 个 交点 :( 恩 ,o” )=(0,0), ( 9° )=(3/4,1/4) (p,q )= (1,1). 了 | 如 果 p>3/4 q = 3/4 0 1/4 1 q 图 8-1 两 人 最 佳 反应 函数 的 合成 EH, (p* ,da )=(0,0) 和 (2 ,9 )=(1,1) 这 两 个 Nash 均衡 就 分 别 是 两 人 一 起 选 植树 的 Nash 均衡 和 两 人 选 种 草 的 Nash 均衡 。 可 见 ,反应 图 数 交 叉 法 也 可 以 把 纯 策 略 Nash 均衡 找 出 来 ,只 是 计算 反应 函数 的 工作 量 大 。 但 是 另外 一 个 Nash 均衡 ,以 前 用 劣势 策略 消去 法 和 相对 优势 策略 圈定 法 是 做 不 出 来 的 ,这 说 明 反应 函数 法 的 价值 。 Bit (p* ,aq 7” )=(3/4,1/4) 这 个 Nash 均衡 ,看 看 它 的 含义 是 什么 。 这 个 Nash 均衡 是 说 , 既 然 甲 偏向 植树 ,他 最 好 以 3/4 即 75% 的 概率 选择 种 草 ; 既 然 乙 偏向 种 草 , 他 最 好 以 114 即 25% 的 概率 选择 种 草 。 如 果 甲 以 3/4 的 概率 选择 植树 , 乙 以 1/4 的 概率 选择 植树 ,那么 甲 的 期 望 得 益 是 Up =p" (4q" -1)-2(q" -1) =(0-2x(-3/4) =3/2 而 乙 的 期 望 得 益 是 Uz =q' (4p* —3)+3-2p" =0+3-3/2 = 3/2 两 个 期 望 得 益 都 小 于 两 人 一 起 选择 植树 (U 四 =3, Uz, =2) 的 情形 , 即 3/2<3,3/2<2; 也 都 小 于 两 人 一 起 选择 种 草 (Us =2, Uz, =3), 即 2/3<2,2/3<3。 可 见 , 纯 策 略 Nash 均衡 比 混合 策略 Nash 均衡 具有 支付 优势 ,得 益 优势 。 局 中 人 的 境况 ,处 于 纯 策略 Nash 均衡 的 时 候 , 比 处 于 混合 策略 Nash 均衡 的 时 候 好 。 225 在 这 种 纯 策 略 Nash 均衡 和 混合 策略 Nash 均衡 都 存在 情形 下 ,博弈 论 当 然 把 优先 权 给 予 纯 策略 的 Nash 均衡 。 所 以 ,就 时 和 乙 决定 选 择 植树 ,还 是 选择 种 草 的 博弈 中 ,结局 不 是 共同 选 择 植 树 ,就 是 共同 选择 种 草 。 这 两 个 Nash 均衡 都 是 绝对 的 得 益 优势 。 所 谓 绝对 优势 , 指 的 是 两 人 的 情况 都 变 好 ,而 不 仅 是 两 人 的 情况 加 起 来 变 好 。 现 在 的 纯 策 略 (无 论 是 得 3, 还 是 得 2) 都 比 混合 策略 Nash 均衡 (各 人 都 得 213) 好 ,所 以 是 绝对 优势 。 二 谈判 问题 的 Nash 定理 及 其 在 生态 控制 中 的 应 用 在 生态 方面 ,竞争 问题 是 很 多 的 ,比如 自然 资源 利用 ,减轻 自然 灾害 手段 的 选择 ,生态 科技 研究 开发 项 目的 竞争 ,研究 职务 的 竞聘 以 及 生态 建设 项 目 资金 的 合理 分 配 等 。 在 这 类 具有 竞 争 性 的 决策 中 ,决策 者 一 般 要 动态 地 思考 问题 (注意 竞争 对 手 是 动态 的 ), 不 回避 不 确定 性 ,而 是 设法 从 不 确定 性 中 找 出 确定 性 来 ,并 力戒 决策 中 的 失误 。 在 竞争 领域 ,谈判 是 经 常 的 ,有 位 名 人 曾 说 过 : 没有 不 妥协 的 谈判 。 其 实 , 所 谓 谈判 乃 是 竞争 各 方 揭示 共同 利益 取得 妥协 来 尽 可 能 维护 各 自 的 自身 利益 的 活动 ,在 生态 方面 ,尤其 是 在 生态 建设 这 样 的 涉及 经 济 问题 的 竞争 中 ,谈判 是 经 常 在 进行 着 的 。 比 如 生态 县 建设 项 目 资金 分 配 的 谈判 ,各 单位 ,各 行业 间 必 须 进行 , 像 宜 农 则 农 , 宜 林 则 林 , 宜 牧 则 牧 ` ,这 样 的 生态 学 常 说 的 话 ,实际 上 富 含 竞争 决策 之 意义 ;只 有 通过 谈判 ,才能 共同 分 配 资 金 ,使 当事者 心悦诚服 。 我 国 研究 谈判 的 人 ,鉴于 中 国 古代 伐 谋 与 伐 交 的 传统 ,重视 研究 从 《道德 经 兴 孙 子 兵 法 》 和 《和 鬼 谷子 ;等 经 典 著 作 中 吸取 营养 , 古 为 今 用 。 但 在 现代 ,利用 博弈 论 的 新 成 果 于 生态 控制 的 谈判 ， 尤其 重要 。 在 生态 控制 对 策 领 域 中 ,不同 学科 的 专家 学 者 ,不 同 领域 的 管理 者 ,对 生态 控制 措施 提出 不 同 的 意见 ,是 正常 的 事 。 为 了 确定 最 终 的 优化 方案 ,开展 讨论 ,各 和 舒 己见 ,是 必要 的 。 像 这 样 的 关于 生态 控制 的 讨论 会 ,10 多 年 来 ,举行 过 多 次 。 这 实际 上 是 持 有 不 同意 见 的 竞争 双方 的 一 种 谈判 ,这 说 明 在 生态 控制 不 同 见 解 的 竞争 中 ,谈判 是 经 常 采用 的 一 种 手段 。 所 谓 谈判 , 旋 是 处 于 竞争 状态 的 各 方 通过 揭示 共同 的 利益 ,取得 妥协 , 尽 可 能 维持 各 自 利 益 的 活动 ,就 以 土 地 利用 来 说 ,比如 ,生态 专家 倾向 生态 林 发 展 ,畜牧 专家 和 希望 多 开发 草场 ,农业 专家 希望 多 种 粮 ii ,水 产 专家 希望 多 建 鱼 塘 等 等 。 研 究 运筹 学 博弈 论 的 学 者 , 自 数学 家 J. von Neumann 以 来 提 出 “二 人 零 和 对 策 " 等 数学 模型 ,作为 定量 谈判 工具 。 其 实 , 我 国 早 在 两 千 多 年 前 ,在 (老子 兴 孙 子 ) 等 就 有 竞争 决策 思想 。 1. Nash 公理 体系 在 这 里 ,让 我 们 介绍 Nash 关于 谈判 问题 的 基本 公理 , 它 具 有 方法 论 的 价值 。 设 甲乙 两 方 ,处 在 竞争 之 中 ,其 效用 函数 分 别 记 为 x,v, 并 假定 (x,u)ES S 是 平面 上 的 有 界 凸 闭 集 ( 叫 做 可 行 集 ), 又 设 (u*,v JES 为 一 个 点 ,其 分 量 w” A 0" AANA, A. TRE REE : Wu" ,v* ) 出 发 ,在 S 内 找 出 点 (x,z) ,使 双方 都 同意 以 其 作为 所 取 的 效用 值 。 我 们 将 (zx,v) 称 为 谈判 的 解 ,并 记 作 (u,v)=9(S,u" ,v") Nash 经 多 年 研究 ,指出 p 作为 映射 ,应 满足 以 下 公理 : 公理 1 (zm) 亏 (zu ) (8-15) 226 这 一 公理 表示 谈判 使 双方 效用 值 不 低 于 谈判 前 的 水 平 ,说 明了 谈判 的 必要 性 。 公理 2 (u,v)ES (8-16) 这 一 公理 表明 ,(x,v) 是 可 行 点 。 公理 3 ”如 果 (x,z)ES, 且 (u,v)>(u,v) (8-17) 那么 ,我们 有 (u,v)=(u,v) 这 一 公理 也 叫做 Pareto 最 优 性 公理 , 它 表 明 不 会 有 其 他 点 比 (x,z) 更 优 ,也 显示 (z ,了 ) 的 惟一 性 。 公理 4 RHE TCS,(x,z)ET 开 并 有 (u,v)=9(S,u* ,v") (8-18) 那么 ,我们 有 (u,v)=0(T,u" i) 这 一 公理 说 明 :如 果 大 谈判 问题 (S,x ” ,w” ) 的 解 (x,z) 恰 巧 是 小 谈判 问题 (T,w” "AT 行 点 ,那么 (w,v) 必 须 是 小 谈判 问题 (T,x” 0" ) 的 解 。 公理 $ mR TRSHER u=ayurtb, v =a,uvtb, a>0 a >0 (8-19) 之 下 的 像 集合 ,那么 ,我 们 有 CT 十 本 ,do 双 二 b,)=(a;utb;,a,.vt+b,) 这 一 公理 表明 :效用 尺度 更 改 时 ,其 解 不 变 。 公理 6 ”如果 问 题 (S,x ” vu" ee (u,v)ES&(v,u)ES u"=v- 又 有 AS,u" 50. )=(u,v) ABZ ,我们 有 u=v (8-20) 这 一 公理 反映 了 对 称 性 要 求 。 以 上 6 条 公理 刻画 了 谈判 " 解 "p, 叫 做 Nash 公理 体系 。 2. Nash 定理 假设 对 于 谈判 问题 CS,x vu") ,存在 着 (u,v)ES (u,v) >(u",v") 又 乘积 极 大 问题 (u-u* )(v-v"* )=max s.te(u,wyJES 有 最 优 解 227 (u,v) 那么 点 (zx,z) 惟 一 存在 ,而 由 (zx” ,w” ) 到 (wx,v) 的 映射 o 满足 o(s,u",v" )=(u,v) (8-21) 便 是 惟一 满足 Nash 公理 体系 的 映射 。 该 定理 说 明了 乘积 极 大 化 的 特殊 性 ,在 生态 控制 决策 的 实践 中 ,决策 者 常用 乘积 极 大 化 来 处 理 竞争 各 方 的 矛盾 冲突 ,但 在 过 去 一 般 尚 不 知道 像 上 述 Nash 定理 那样 的 科学 依据 充分 的 那 些 深刻 道理 。 3. 用 Nash 谈判 问题 求解 生态 建设 资金 控制 分 配方 案 假设 政府 有 一 笔 生 态 建设 资金 (植树 ,种 草 等 项 目的 总 投资 计 1000 万 元 ) ,让 甲 、 乙 两 农场 共同 使 用 。 并 且 要 求 该 两 农场 一 定 要 合理 分 配 ,否则 不 予 拨 款 。 于 是 ,在 资金 使 用 上 两 场 处 于 竞争 状态 。 为 此 想 利用 Nash 关于 谈判 问题 的 定理 求解 。 已 知 甲 农场 是 个 大 农场 ,规模 大 ,效益 好 ,z 个 货币 单位 对 它 的 效用 值 是 u=cr, 0, 于 是 ,我 们 有 : u=cy 1200 — v=In~Foq9° (Oy 1000) 容易 验证 ,\vx,z) 取 值 范 围 S 是 有 界 凸 闭 集 。 根 据 Nash 谈判 定理 ,为 了 求解 , 需 解 极 大 值 问题 u uln 00 < =max 0C, (so(s; 55-1) (8-24) Ys.Gs, i=1,2,°°:,N. 利用 激励 策略 存在 的 充 要 条 件 ,可 以 很 容易 地 求 出 激励 Stackelberg 策略 。 (4) 关 于 管理 者 的 合适 策略 的 定理 当 并 且 仅 当 aty maxG, (sp(s)3s)=s so(S) 去 50 的 时 候 , 策 略 sy 是 激励 Stackelberg 策略 。 当 用 户 作为 一 个 整体 时 ,对 管理 者 来 说 Sy) 就 是 一 个 的 合适 策略 。 3. 一 个 服务 方 两 个 用 户 的 两 激励 问题 为 了 克服 Nash 平衡 解 的 不 稳定 性 ,采用 激励 Stackelberg 策略 。 下 面 举例 说 明 带 有 非 线性 函数 的 两 用 户 的 例子 。 令 A, =10,A, =15,B =10, B, =20,d, = 心 =2。 根 据 上 述 理论 及 有 关 引 论 ,优化 的 价格 范围 定 为 0.9C(1,1), 它 不 是 Pareto 优化 。 如 果 管 理 者 想 保 持 用 户 Nash S 均 衡 , 则 须 使 用 Stackelberg 策略 。 在 该 策略 下 ,用 户 余额 组 合 如 下 S;=0 Ce | S, 30 ~ @.62~ 10020. 05953 .0 12.89 Cat, ca et tas | te 可 以 看 到 , S (1,1) 24 Pareto 优化 的 Nash 均衡 。 管理 者 可 通过 非 线 性 的 激励 Stackelberg 策略 作为 价格 策略 ,由 此 人 迫使 用 户 作为 一 个 整体 共同 使 用 服务 方 的 资源 一 一 生态 服务 公司 的 控制 能 力 。 4. 自然 资源 利用 中 生态 控制 的 Nash 博弈 利用 自然 资源 服务 于 人 类 生产 活动 发 展 经 济 , 本 来 是 对 社会 大 有 益处 的 好 事 。 但 如 果 开 发 不 当 , 只 顾 眼 前 经 济 效益 而 忽略 了 长 远 的 生态 后 果 , 势 必 导 致 生态 环境 的 破坏 ,受到 自然 的 惩罚 最终 损 失 了 长 远 的 经 济 效益 ,甚至 出 现 恶性 循环 。 毁 林 开 荒 ,过 度 采 伐 , 过 度 放牧 ,过 度 捕 涛 ,总 而 言 之 ,在 利用 自然 资源 的 实践 中 ,不 注重 甚至 根本 未 考虑 生态 控制 问题 ,给 人 类 社会 造成 的 遗 患 ,古今 中 外 ,数不胜数 。 吸取 了 历史 上 的 教训 ,人 们 开始 重视 自然 资源 开发 利用 中 的 生态 控制 ,也 取得 了 一 些 成 果 。 但 是 ,在 没有 现代 生态 控制 原理 的 时 代 ,总 是 赁 经 验 作 定 性 的 控制 。 而 只 有 利用 现代 数学 方法 定量 处 理 ,才能 得 出 比较 可 信 的 结果 。 博 弈 论 即 是 用 于 这 一 问题 的 现代 数学 中 的 一 种 方 法 。 在 这 里 我 们 以 草地 放牧 博弈 为 例 加 以 说 明 。 其 实 , 最 迟 是 从 1739 EFF KE - (RR (David Hume) 等 政治 经 济 学 者 就 已 经 认识 到 公共 资源 有 倾向 于 被 过 度 利用 的 低 效率 运行 ,以致 浪 费 资源 的 倾向 。 后 来 的 许多 研究 者 更 进一步 认识 到 过 度 利用 的 生态 后 果 。 设 某 地 有 几 个 放牧 户 ,共同 拥有 一 片 可 以 自由 放牧 羊 群 的 场所 一 一 公共 草地 。 由 于 这 片 草地 的 面积 有 限 , 所 以 只 允许 不 超过 一 定数 量 的 羊 吃 饱 。 这 就 构成 了 几 个 放牧 户 之 间 关 于 养 羊 数量 的 一 个 博弈 问题 ,并 且 , 是 一 个 静态 博弈 问题 。 在 此 博弈 中 ,博弈 方 是 ”个 放牧 户 ,其 各 自 的 策略 空间 就 是 各 自 能 够 选择 的 养 羊 数目 w， (=1,2,……,72) 的 取 值 范 围 ; 当 各 放牧 户 所 养 的 羊 的 数目 分 别 为 gl ,gz ，……,q, 时 ,每 只 羊 的 产 出 应 是 羊 只 总 数 Q 的 减 函 数 ,并 有 V=V(Q)= Via Are st, In ) 假设 购买 和 照料 每 只 羊 的 成 本 ,对 每 个 放牧 户 来 说 ,都 是 不 变 常数 c BARR i FE gq, RE 的 得 益 函 数 为 u; =q,V(Q) - gic =q:V (qi + 2 + °° Gn) 一 QiC Ww n=3, BRB RA 3 个 放牧 户 ,每 只 羊 的 产 出 函数 V=100-Q=1l00-(qi+gz+gs) 而 成 本 c=4。 这 种 情况 下 ,这 3 个 放牧 户 的 得 益 函 数 就 分 别 是 zw =dqiLl00-(9q +g. +qs)] 一 49) (8-25) ur = qo100- (gq; + qo + q3) 1 —4q2 (8-26) u3 = q31100-(¢q, + q. + 93) 1-44; (8-27) 由 于 羊 的 数量 不 是 持续 可 分 的 ,因此 上 述 函 数 实际 上 不 是 连续 函数 ,但 在 这 里 可 以 近似 地 将 其 看 作 连 续 函 数 。 231 下 面 , 让 我 们 求 3 个 放牧 户 针对 其 他 放牧 户 所 采用 的 策略 ( 养 羊 数 量 ) 的 响应 函数 得 q=Ri(q2193)= 8-54-40 (8-28) 去 is 1 | g2 =R2(91593) =8- 541 — 59 (8-29) be ze 1 1 qs =R3(q1 92) =8-Za-Zz% (8-30) 三 个 响应 函数 的 交点 (ay ,qz ,9q3 ) 即 为 Nash 4. Haft ,qz ,9q3 (LATTER (8-28), (8- 29) #il(8 — 30) ,得 ‘ Fe cal & dl 二 3 (8-31) * 1 关 1 * Q =B- 74-74% (8-32) * 1 * 1 * 93 所 = pda (8-33) HSK (8 — 31) FEA SK(8 — 32) ,得 Qo = 48-5 x (48-443 -443 )- Fas dg2 =48-24+ 才 对 + 二 对 -443 343 +495 =A hm +3q3 =% (8-34) 将 式 (8-31) 代 入 式 (8-33), 则 有 gi =48- x (8-495 -Fa3)-Fa3 q3 = 48-2449; +a; -3¢3 43 tig =24 q +39s =% (8-35) FH K(8—35),q2 =96—-3q3 , 代 人 式 (8-34), 则 3x (96-33 )+q3 =%6 3X96 -3 X3q3 +g5 三 90 8q; =2X96 q3 =24 同样 代入, 得 42 =q =24 af =qz =q3 =24 代入 得 益 函 数 式 (8-25)、 式 (8-26) 和 式 (8-27), 得 w =z =uz = $76。 此 即 该 3 个 放牧 户 独 立地 同时 决定 在 公共 草地 放羊 数量 时 所 能 得 到 的 利益 。 为 对 草地 利用 效率 作出 评价 ,让 我 们 讨论 规划 利益 最 大 的 羊 只 最 优 数量 。 设 草地 上 羊 只 总 数 为 Q , 则 总 得 益 x 可 用 下 式 表达 ; u=Q(100- Q)-4Q u=%Q-Q (8 — 36) 232 使 总 得 益 u 最 大 的 羊 只 数 Q 必 使 得 益 函 数 w ”的 导数 为 零 , 即 dz -=_d (969° "J oO”) dQ* dQ’ %-2Q° =0 (8-37) 解 方程 (8-37) 得 Q* =48, HRA RIS 25 RL, u* =96X 48-48 =2304。 该 结果 比 3 个 放牧 户 各 自 独立 决定 自己 养 羊 数量 时 (3 个 放牧 户 得 益 总 和 1728) 大 得 多 。 而 此 时 的 养 羊 数 目 Q* =48, 却 比 3 户 独立 决策 的 养 羊 总 数 3x24=72 少 。 综 上 结果 可 见 ,由 3 个 放牧 户 各 自 独立 决策 ,实际 上 使 草地 处 于 过 度 放牧 状态 ,会 产生 负 的 生态 动力 效应 ,浪费 了 草地 资源 ,而 放牧 户 本 身 也 不 能 得 到 最 优 经 济 效益 。 如 每 户 限 放 48 :3=16 只 羊 , 则 既 能 保障 羊 都 能 吃 饱 ,保障 各 户 经 济 效益 最 优 ,又 能 使 草地 不 受过 度 放 牧 之 He” ,牧草 苗 壮 , 草 业 兴旺 ,生态 环境 优越 ,可 保障 持续 发 展 。 这 是 得 益 于 以 Nash 均衡 指导 生 态 控制 优化 的 一 例 ,其 他 类 似 问 题 , 也 可 有 针对 性 地 运用 之 。 以 往 缺 少 必要 的 定量 方法 ,人 们 虽然 从 主观 愿望 上 注意 防止 不 合理 利用 草地 资源 等 方面 的 问题 ,但 力不从心 ,使 人 与 自然 在 某 些 方面 的 博弈 失利 。 S$ xX 献 王 英 明 . 1998. 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Strauss, J. and Thomas, D. 1995. “Human resources: empirical modeling of household and family decisions”, in J. Behrman and T. N. Srinivasan (eds. ). Handbook of Development Economics, Vol. [I[A.. Amsterdam: Elsevier Science. Vnited Nations. 1983. Relationship Between Fertility and Education: A Comparative Analysis of World Fertility Da- ta for Developing Countries. New York: United Nations. White, D. J. 1993. A Survey of applications of Markov decision processes. J. Ope. Res. Soc., 44: 1073~1096. 第 九 章 ”生态 智能 控制 在 这 一 章 ,将 在 论述 传统 生态 控制 与 智能 生态 控制 关系 的 基础 上 ,具体 论述 生态 理 论 与 实践 中 智能 控制 的 主要 方法 。 第 一 他“ 传统 生态 控制 与 智能 生态 控制 我 们 之 所 以 单列 一 章 来 论述 生态 智能 控制 这 一 问题 ,是 从 传统 控制 与 智能 控制 关系 出 发 的 。 如 所 周知 ,传统 生态 控制 是 经 典 生 态 控制 和 现代 生态 控制 理论 的 简称 ,其 主要 特征 是 基于 生态 模型 的 控制 。 现 有 生态 模型 很 多 ,估计 直到 20 世纪 末 , 大 约 在 4000 个 以 上 (参见 4 生态 动力 学 ?第 108 页 )。 如 此 多 的 生态 模型 以 及 人 们 正在 继续 研究 着 的 模 型 ,是否 能 满足 生态 控制 研究 与 实践 的 要 求 呢 ? 我 们 在 这 里 肯定 地 回答 :不 能 。 这 是 由 于 随 着 生产 技术 发 展 和 人 们 对 控制 目标 要 求 的 提高 ,人 们 必须 面 对 的 受 控 生 态 对 象 越 来 越 复杂 ,其 复杂 性 表现 为 高 度 非 线性 ,表现 出 高 噪声 干扰 \ 动 态 突 变性 \ 混 沌 性 等 特征 。 比如 ,以 大 斥 度 生态 问 题 一 一 气候 变化 对 全 球 生态 变化 、 可 持续 发 展 的 影响 这 一 社会 各 界 普遍 关注 的 焦点 问题 ,尽管 近 20 年 来 ,发 表 的 论著 连篇 累 息 ,但 鉴于 上 述 特征 作用 ,其 复杂 性 令 人 迷惑 不 解 ; 对 于 微观 扩 度 生态 问题 ,如 人 工 设施 内 栽培 、 养 殖 生物 的 生态 控 制 ,也 少 有 能 满足 传统 生态 控制 的 模式 。 许 多 生态 复杂 性 问题 ,大 都 难以 用 精确 的 生态 数学 模型 (微分 方程 或 差分 方程 ) 加 以 描述 。 除 复杂 性 外 ,生态 问题 的 不 确定 性 往往 比 纯 物理 运动 和 工程 中 要 多 ,而 这 样 的 不 确定 性 也 难以 用 精确 数学 方法 来 描述 。 但 事实 上 ， 随 着 工农 业 生 产 的 发 展 , 人 类 征服 自然 能 力 增 强 ,以 及 人 民生 活水 平 的 提高 ,生态 控制 涉 及 的 内 容 越 来 越 多 ,对 改善 生态 环境 、 避 开 生 态 逆 境 的 技术 要 求 越 来 越 高 。 在 如 此 复杂 的 生态 控制 对 象 面前 ,把 人 工 智能 方法 引进 生态 控制 系统 ,并 尽 可 能 地 把 生态 控制 理论 分 析 和 生态 专家 的 洞察 力 与 人 工 智 能 的 灵活 框架 结合 起 来 ,对 生态 控制 原理 与 实践 , 则 有 可 能 获得 新 的 认识 与 突破 ,解决 具体 生态 控制 问题 ,为 农林 牧 渔 生产 决策 ,为 人 类 卫生 环境 增 优 的 具体 调控 措施 ,提供 必要 的 依据 。 智能 控制 近 五 六 年 来 获得 了 长 足 进展 ,在 众多 新 学 科 和 新 技术 推动 下 ,汲取 多 学 科 营养 。 相 信 ,在 生态 领域 中 应 用 ,会 取得 令 人 满意 的 效果 。 图 9- 1 是 我 们 依据 智能 控制 现状 及 生态 可 能 控制 问题 ,给 出 的 生态 控制 成 果 预 示 图 。 佑 计 , 它 对 生态 智能 控制 的 发 展 目标 及 其 具体 措施 ,会 有 积极 的 参考 意义 。 第 二 节 ”生态 信息 控制 中 的 模式 识别 技术 :通论 关于 模式 识别 (pattern recognition) 在 生态 动力 学 方面 尤其 是 在 农业 生态 动力 方面 的 应 用 ,生态 动力 学 》( 人 参见 第 十 二 章 第 十 节 ) 已 有 论述 。 其 实 , 模 式 识 别 在 生态 学 中 的 应 用 ,主要 是 在 生态 智能 控制 方面 。 控 制 及 信息 是 密 不 可 分 的 。 在 生态 控制 中 , 如 本 书 第 三 章 所 述 , 可 以 供 研究 者 利用 的 信息 以 及 历史 资料 ,是 异常 丰富 的 。 这 不 仅 包括 以 文字 234 生态 进化 控制 图 9-1 生态 智能 控制 成 果 基础 及 预示 忆 载 的 资料 ,以 数据 记录 的 仪器 观测 结果 ,而且 包 括 用 现代 的 雷达 、 飞 机、 卫星 SEAR 禹 感 技术 探测 得 到 的 数字 、 图 表 、 图 形 和 图 像 信息 。 不 仅 有 能 够 反映 全 球 生态 系统 的 安 235 观 信 息 ,也 有 用 电子 显微镜 观察 并 用 机 器 加 工 的 细胞 等 微观 信息 。 这 些 信 息 通 过 各 种 现 行 传输 手段 ,可 以 很 快 传播 于 人 全球。 生态 工作 者 希 囊 能 够 充分 利用 这 些 信 息 指 示 生 态 动 力 源 、 汇 变化 规律 , 找 出 可 供 优化 生态 控制 及 时 应 用 的 方法 ,服务 于 生态 学 研究 及 生态 建 Bo 然而 ,在 没有 利用 模式 识别 技术 之 前 ,尽管 那么 多 资料 甚至 是 经 过 几 十 年 积累 加 工 出 来 的 ,如 《历史 天 气 图 兴 水 文 资 料 图 表 汇 编 兴 中 国 动 植物 物候 观测 年 报 兴 中 国土 壤 志 《中 国 植 被 图 ;等 , 藏 于 档案 馆 、 图 书馆 ,有 的 甚至 开架 几 十 年 ,如 1965 年 出 版 的 《中 国 动 植物 物候 观测 年 报 ;第 1 号, 至今 无 人 问津 。 为 什么 会 出 现 这 种 情况 呢 ? 其 原因 有 二 :一 是 学 科 之 间 ”领域 不 犯 这 种 画 地 为 牢 的 思想 方法 作怪 ,以 致 研究 者 ,比如 搞 农 作物 栽培 的 ,对 与 自身 学 科 相 近 的 知识 不 感 兴趣 ,对 于 像 物 候 记 录 这 些 与 农时 控制 密 不 可 分 的 资 料 ,视而不见 , 听 而 不 闻 。 二 是 ,没有 把 大 量 的 与 生态 控制 密切 相关 的 资料 用 现代 技术 科 学 手段 加 以 整理 。 一 提 到 计算 机 应 用 ,往往 只 想到 存储 与 计算 ,对 于 其 智能 控制 功能 , 则 很 少 与 自身 从 事 的 农 、 医 等 生物 学 领域 之 实践 联系 起 来 。 应 感谢 数学 .语言 和 技术 科学 方面 工作 者 ,他 们 在 模式 识别 方面 取得 成 功 ,为 生态 控 制 工 作者 提供 了 有 用 技术 ,其 中 伴随 计算 机 发 展 而 兴起 的 模式 识别 技术 是 用 于 生态 信息 控制 的 适应 技术 之 一 。 随 着 生态 研究 者 对 信息 控制 的 注意 , 随 着 模式 识别 发 展 ,在 生态 控制 领域 运用 模式 识别 技术 这 一 课题 引起 生态 学 家 的 重视 ,并 大 约 于 20 世纪 70 FRA 至 80 年 代 初 ,从 原理 上 作 了 一 些 研究 ,利用 当时 有 限 的 计算 机 条 件 ,1987 年 11 月 在 美国 亚特兰大 科学 计算 和 自动 化 国际 会 议 上 和 1988 年 1 月 在 中 国 《 科 学 通报 》 和 1991 年 在 《农林 气象 学 》 国 际 杂 志 上 发 表 了 模式 识别 在 作物 气候 生态 方面 应 用 的 论文 ,是 这 方面 的 尝试 。 尽 管 这 些 方 法 在 我 国 迄 今 尚 未 大 范围 推广 应 用 ,但 随 着 生产 发 展 和 网 络 普及 ,在 生产 中 发 挥 作 用 则 指日可待 。 一 、 模 式 识 别 在 生态 控制 中 的 几 个 主要 应 用 领域 关于 生态 学 中 可 用 的 模式 识别 技巧 ,如 直接 模板 匹配 、 统 计 决 策 、 模 糊 控制 、 句 法 即 语言 结构 法 、 属 性 文法 方法 等 ,在 《 霜 期 农业 气候 学 》( 气 象 出 版 社 ,1999) 儿 生态 动力 学 》 (科学 出 版 社 ,2001) 中 已 有 介绍 ,这 里 从 识别 对 象 出 发 ,简介 几 个 应 用 领域 。 1. 对 波形 和 信号 的 处 理 从 第 三 章 所 述 内 容 可 以 看 出 ,许多 生态 信息 ,尤其 是 生态 动力 源 、 汇 的 时 间 序 列 ,很 多 可 以 用 波形 曲线 表示 出 来 。 这 种 波形 基本 上 是 一 维 信和 号 ,似乎 自然 适合 于 句法 方法 的 应 用 。 一 个 波形 可 由 波形 段 的 连接 来 表示 。 但 基 元 (基本 波形 段 ) 和 子 模式 的 选择 ,从 不 同 的 应 用 角度 来 看 差异 较 大 。 经 过 函数 逼近 ,用 直线 段 和 二 次 曲线 段 作 为 波形 的 基 元 。 这 种 波形 处 理 方法 用 于 诸如 一 年 生 植物 的 生态 产量 的 逐年 连续 变化 曲线 ,也 可 用 于 表示 哺乳 纲 动 物 一 生 中 生态 体重 增 量 曲线 波形 等 。 2. SiR CHAE 第 三 章 已 阐明 遥感 信息 在 生态 控制 中 的 信息 基础 作用 ,但 对 这 些 信 息 ,如 果 只 用 往 常 的 定性 解 译 方法 , 则 很 难 找 出 反映 生态 信息 的 某 些 细微 和 本 质 特 征 , 所 以 宜 用 模式 识 别 技术 给 予 分 析 \ 加 工 。 如 所 周知 ,遥感 技术 是 通过 对 相当 距离 的 物理 对 象 的 测量 结果 进行 分 析 , 从 而 确定 这 些 对 象 特性 。 遥 感 中 的 一 个 重要 课题 是 对 地 球 表面 在 不 同情 形 下 取得 的 测量 结果 进行 分 类 与 标志 。 例 如 ,借助 于 某 种 光谱 测量 ,我们 可 以 对 某 一 特征 地 236 区 种 植 的 各 种 作物 进行 分 类 ,或 者 从 光谱 的 这 些 测量 结 果 中 分 辨 出 一 个 地 区 的 一 种 或 几 种 土壤 类 型 \ 水文 类 型 和 气象 类 型 。 于 是 可 以 从 几 种 遥感 地 图 的 迭 加 上 ,初步 识别 几 种 生态 动力 源 综 合 地 或 单独 地 对 作物 这 类 生态 动力 汇 的 作用 。 由 于 土壤 气象 中 的 气候 变 化 较 小 ,所 以 它们 对 作物 的 影响 ,年 际 变化 也 小 ;但 气象 中 的 天 气 ,水 文中 的 流量 等 各 年 差异 较 大 ,甚至 有 突变 (比如 洪灾 、 台 风 ) ,所 反映 的 即时 信息 ,有 时 常 为 警报 性 信息 ,对 人 工 生态 动力 源 控制 作物 生态 ,意义 重大 。 此 时 当 易 显示 第 三 章 所 论 许多 器 测 信息 的 重要 性 。 从 长 期 看 来 ,遥感 对 作物 的 分 辨 ,对 于 及 时 了 解 全 球 生 态 ,以 致 调节 宏观 生态 、 保 护 人 类 生存 环境 ,是 重要 的 。 在 几 十 年 遥感 技术 发 展 条 件 下 ,至 目前 ,对 于 那些 有 特定 目标 的 生态 数据 信息 的 分 析 问 题 , 可 以 被 看 作 模 型 识别 的 一 般 问 题 。 各 种 模式 识别 方法 对 于 遥感 图 像 的 识别 来 说 ,原则 上 都 是 可 用 的 。 目 前 , 似 以 属性 文法 (attributed grammar ) 更 为 合适 。 区 域 分 类 的 基本 数学 方法 大 概 可 以 叙述 如 下 :假定 一 个 农业 区 ,有 某 种 大 量 确 定性 的 产物 属于 “w ” 类 , 则 人 们 自然 可 以 认为 这 一 整个 区 域 作 为 一 个 整体 是 属于 "w ”" 类 。 基 于 上 述 的 一 类 观察 ,可 以 形成 一 种 模式 分 类 方法 : 令 FFL, FE, PHBE w,, wz ,ownw 中 的 特征 向 量 的 概率 分 布 。 于 是 ,给 定 一 个 点 集 ( 即 模式 集 ){Xi,X; ，……X,| ={X} ,这 些 模式 都 取 自 同一 区 域 。 问 题 在 于 要 确定 哪个 分 布 FP, 是 与 它们 相 联系 的 。 现 设 一 个 距离 度量 d(F,,F ) 是 两 个 分 布 Fi 与 PF, 之 间 的 一 个 合适 的 分 离 型 度量 ,并 设 这 个 度量 将 被 用 来 作为 判决 规则 。 假 定 已 知 G(X) 是 {X} 的 分 布 , 我 们 要 比较 1q&(G， 天 )} 中 数 的 大 小 ,那个 使 距离 d(G,F;,) Ak) F, 将 作为 代替 G(X) 的 分 布 , 于 是 向 量 集 {X}+ 即 被 确定 为 已 知 的 类 别 之 一 。 设 已 (XI) 与 已 (X) 分 别 是 模式 类 w 与 w 的 分 布 FRE SF 之 间 的 距离 被 规定 如 下 : PRR) = | (pCa) -VZGJoJ)?dx (9-1) [RP ,d(F,,F,)# F, SF, 之 间 的 Matusita 距离 ]。 如 果 定 义 p(F 及 ) = | pla) - /pGTo,)dx (9-2) WA d’(F;, F,)=2-2p(F; ,F;) (9-3) B o(F,,F) Ranh FSF ZCAHRKBR RNTUAECREAR, ANSE d(F;, , F; )R/) , FFE o(F;,F; BK. AMAT LAGE ANF BY FR ADK HE ET PK Gl 的 相关 函数 o 取得 最 大 值 。 在 方程 49-1) 中 的 定义 ,对 于 任何 一 对 分 布 都 是 适用 的 。 现 在 ,让 我 们 转 到 特殊 的 情形 一 一 分 布 为 多 元 正 态 分 布 的 情形 。 假 定 F SF 是 N 维 正 态 分 布 , 分 别 具 有 均值 向 B M,,M; 和 协 方差 矩阵 开 ; ,K; 。 这 样 一 来 ， 站 ni $(K;" 下 e(F; ,万 )= mexp| 4 (Kj! +K;')"'(K;'M, + K;'M,) - £(MIK;'M, + MTK;'M, )] (9-4) 237 4 K;=kK,;=K , p(F, ,F,)=exp| - 4 (M, ~M,)'K"'(M, -M,)| 当 M;=M,;=M 时， [Kp KS} | 5 (K;71+K;*) 利用 基本 数学 公式 ,对 迁 感 资料 识别 ,早期 用 于 飞机 遥感 。 早 期 的 工作 可 追 潮 到 1966 年 Morosunos 的 工作 。 那 时 在 复杂 的 农业 景物 中 ,已 可 初步 识别 发 芽 MA. AF 作物 分 区 调查 ,用 遥感 探测 物候 变化 。 在 20 世纪 60 年 代 , 曾 利用 12 个 特征 量度 构成 的 12 维特 征 向 量 , 对 作物 和 地 面 植被 进行 分 类 。 当 时 即 可 用 飞机 遥感 资料 分 出 大 豆 、 玉 米 、 草原 、 残 株 、 三 叶 草 燕麦、 裸 地 等 。 在 1972 年 以 来 有 了 Landsat 资料 分 类 方法 。 3. 对 微观 生物 信息 和 微 环 境 数据 的 识别 及 其 应 用 我 们 在 第 三 章 讲述 的 用 计算 机 视觉 技术 处 理 过 的 生物 图 像 信息 ,是 经 由 模式 识别 处 理 的 一 种 有 用 信息 ,对 生态 控制 来 说 ,有 着 特殊 意义 的 基础 作用 ,但 这 样 一 些微 观 生物 信 息 本 身 尚 不 能 构成 生态 控制 的 直接 结果 。 为 使 其 在 生态 控制 中 真正 起 到 应 有 的 作用 ,还 要 对 与 其 有 关 的 一 些 生态 动力 源 要 素 ( 重 点 是 关系 重要 的 变动 性 生态 动力 源 要 素 ) 进 行 模式 识别 。 这 就 是 说 ,在 对 生物 微观 信息 进行 识别 的 同时 ,对 生物 所 在 环境 的 信息 也 进 行 识别 ,我 们 把 这 种 识别 叫做 生态 动力 源 和 汇 的 平行 模式 识别 ,也 可 叫做 并 行 模式 识别 (parallel pattern recognition) ) 。 首先 ,我 们 对 育苗 温室 内 培育 的 种 苗 的 生长 发 育 状 况 进行 并 行 识 别 。 利 用 图 像 细 线 化 处 理 技术 来 识别 黄瓜 苗 的 长 势 、. 颜 色 , 用 高 倍 显微镜 拍摄 下 不 同 微 环 境 下 的 黄瓜 苗 的 细胞 切片 照片 ,再 用 计算 机 图 像 处 理 设备 进行 识别 ,放大 增 晰 ,这 就 是 作为 我 们 所 要 识别 的 生态 动力 汇 的 微观 模式 ,利用 句法 模式 识别 和 属性 文法 方法 ,用 Chamsky 规则 (参见 《生态 动力 学 ;第 十 一 章 ) 编 成 码 ,表示 识别 对 象 与 其 平均 状况 的 差异 及 其 随时 间 的 随机 变化 规律 。 由 于 存在 许多 干扰 ,一 般 自 动 打 出 曲线 (类 似 于 医学 上 的 心电图 )。 与 此 同 时 ,利用 现在 已 有 的 各 种 有 效 的 仪器 自动 测定 作为 土壤 气象、 水文 生态 因子 类 别 的 生态 动力 要 素 ,主要 包括 土壤 质地 、 土 壤 温度 、 土 壤 水 分 状况 、 土 壤 中 N,P,K,Ca,Mg 及 各 种 微量 元 素 动态 ;种 苗 生 长 环境 中 的 空气 温度 湿度、 微风 状况 和 用 光合 作用 分 析 仪 测定 CO, 浓度 .光合 作用 效率 等 。 由 于 在 育苗 温室 内 , 除 黄 瓜 苗 外 ,一 般 没 有 其 他 生物 (假定 没有 病虫害 ) 作 为 黄瓜 苗 的 环境 ,所 以 在 生态 动力 源 中 ,可 不 包括 生物 性 质 的 生态 动力 源 在 内 。 但 为 防 病虫害 干扰 ,也 可 将 致 病 微 生物 的 识别 和 虫 卵 等 虫 源 识别 包括 在 生态 动力 源 的 内 容 之 中 ,此 时 像 真 菌 识 别 、 土 壤 中 虫 卵 识别 等 也 是 生态 动力 源 识别 ,因为 这 些 对 作 为 生态 动力 汇 的 黄瓜 来 说 ,也 是 生态 动力 源 , 与 前 述 大 多 数 生 态 动力 源 不 同 的 是 ,它们 是 生物 性 质 的 生态 动力 源 。 将 生态 动力 源 各 要 素 , 也 分 别 绘 成 曲线 。 这 样 就 形成 了 源 汇 因 FERN HAIR ,输入 计算 机 构成 波形 曲线 族 ,在 一 定 的 生物 物理 指标 条 件 下 ,用 句法 模 式 识 别 曲线 识别 方法 ( 详 见 Agricultural & Forset Meteorology 杂志 1991 年 55 卷 及 1987 年 Proceeqaizzgs of the International Conference on Scientific Computing and Automation 中 模式 识别 论文 )。 利 用 智能 计算 机 的 运行 , 即 可 很 快 找 出 关系 ,比如 识别 出 在 环境 温度 超过 黄瓜 苗 所 需 温度 临界 值 范围 达到 一 定 程度 时 , 黄瓜 徒长 纤细 、 颜 色 发 黄 , 此 时 正常 238 pF, F) = 1/2 (9-5) 的 做 法 是 根据 这 一 机 理 , 调 节 秧 苗 所 在 环境 的 温度 ,通过 通风 或 其 他 方法 使 温度 降 至 所 要 求 的 范围 ,再 继续 观察 苗 情 动态 。 这 是 从 机 理 上 可 以 解释 的 以 模式 识别 为 基础 的 生态 控制 措施 。 对 于 其 他 依 机 理 尚 不 能 解释 的 但 符合 随机 偶然 性 规律 ,如 符合 概率 规律 者 ， 也 可 作 相 应 的 生态 控制 。 其 次 ,上 述 的 识别 方法 ,完全 可 以 用 于 相应 的 非 封 闭 的 农业 生态 环境 。 对 于 非 封 闭 环境 ,变化 中 的 生态 动力 源 规律 尤其 是 它们 的 未 来 变化 规律 ,对 于 人 工 生 态 控 制 来 说 , 显 得 特别 重要 。 在 生态 动力 源 中 , 易 发 生 突变 的 泥石流 、 滑 坡 ( 属 地 瑶 类 )、 洪 水、 森林 火灾 、 温度 、. 风 、 降 水 ,其 中 除 气 象 类 外 , 均 属 偶然 的 稀有 事件 。 为 了 识别 随时 可 能 对 作为 汇 的 生物 作用 ,在 作 上 述 识别 的 同时 , 作 生物 环境 的 气象 条 件 的 识别 ,从 Rosenberg 所 论 观点 ， 在 气象 中 “小 气候 才 属 生物 环境 ”, 小 气候 是 英文 microclimate 的 汉 译 ,因为 现在 中 国 已 通 译 为 “小 气候 ” ,其 实 也 可 叫 微 气候 ,这 表明 在 生态 上 识别 的 应 是 微观 环境 条 件 中 的 微 气 候 。 但 是 由 于 涉及 生物 问题 ,尤其 是 个 体 生 物 的 微观 问题 ,大 气候 总 是 通过 微 气候 表现 出 来 。 所 以 要 想 知道 未 来 几 天 (一 般 可 取 5$d) 的 微 气象 条 件 , 当 须 考虑 未 来 $d 的 大 范围 天 气 预 报 。 这 在 中 期 天 气 预报 准确 率 很 低 的 时 代 ,是 不 必 考 虑 的 ,但 近 一 二 十 年 ,由 于 数 值 天 气 预 报 进展 快 并 已 业务 化 ,使 其 在 农田 生态 控制 中 可 以 发 挥 特 有 的 作用 。 按 目前 进 展 , 大 多 数 栽培 者 尚 不 能 直接 利用 数值 天 气 预 报 NWP 的 模式 输出 图 , 故 须 生 态 动 力 工作 者 将 120h 以 内 的 模式 输出 图 ,作为 生态 动力 源 按 一 定格 式 进 行 模式 识别 ( 罗 春 田 ， 1990) ,这 样 可 结合 其 他 不 变 与 变化 的 生态 动力 源 ( 例 如 在 未 施肥 时 ,土壤 中 N,P,K 可 认 为 Sa 不 变 ; 若 计划 未 来 Sd 内 ,比如 玉米 按 大 喇叭 口 前 期 施肥 ,为 变化 的 土壤 营养 生态 动 力 源 ) 利 用 物候 动力 法 ( 详 见 4 生态 动力 学 ?第 十 章 《 大 自然 的 语言 ?第 117 页 ) 制 作出 比 较 客 观 的 生态 预报 。 按 照 过 去 人 们 一 般 的 想法 ,有 了 生态 预报 这 样 的 科学 基础 ,特别 是 有 了 提前 3 一 5d 的 微观 生物 与 环境 两 方面 关系 的 预报 ,人 们 就 可 依 所 要 达到 的 目标 实行 促 控 措施 了 ,当然 ,这 是 很 好 的 生态 控制 措施 。 但 按 目前 科学 发 展 的 水 平 来 衡量 ,这 还 没 有 达到 理想 的 境界 。 因 为 到 这 一 步 , 尚 未 达到 最 优化 的 目标 。 而 那 种 视 预 报 为 绝对 科 学 , 按 预 报 直 接 采 取 措 施 的 做 法 ,并 不 是 客观 的 做 法 。 如 所 周知 ,任何 生态 动力 预报 都 不 可 能 完全 准确 ,如 何 运用 预报 作 决 策 , 其 科学 水 平和 技艺 高 度 , 并 不 亚 于 预报 制作 本 身 。 而 预报 者 常 说 的 “ 管 报 管用 ”的 真正 实现 ,只 有 在 预报 者 和 实用 设计 者 共同 研制 出 一 整套 的 决策 手段 后 ,才能 真正 起 到 生态 控制 最 优化 的 作用 。 现 有 的 优化 控制 方法 很 多 ,在 本 书 一 些 章节 中 有 论述 ,比如 说 运筹 学 的 决策 论 , 以 Mapxoe 决策 规划 为 例 ,可 以 把 行动 措 施 d 分 为 几 种 。 对 于 作物 生育 期 的 低温 霜冻 灾害 ,可 有 :未 来 Sd A, d =0( 不 采取 人 工 水 文生 态 动力 源 方面 的 措施 ),& =I( 少 量 灌水 ,采用 人 工 水 文生 态 动力 源 措 施 , 像 喷灌 ) dd =2( 大 量 灌水 ,比如 漫灌 ) ,dg =3( 局 部 标 烟 )。 这 些 措施 是 依据 预报 状态 来 确定 的 。 而 要 完成 整套 马尔 可 夫 决 策 (MDP) 之 有 限 阶 段 模 型 的 优化 设计 ,就 需要 在 索取 并 积累 有 关 的 大 量 资料 的 基础 上 ,科学 地 给 出 转移 概率 的 矩阵 。 一 般 说 来 ,达到 此 步 可 认为 生态 控制 比较 客观 化 了 ,但 就 动态 控制 的 现实 意义 来 说 , 仍 不 算 最 理想 。 因 为 涉及 到 人 与 未 来 生 态 动力 源 的 问题 ,实际 上 是 在 所 论 领 域 中 ,人 与 自然 的 博弈 。 这 是 因为 如 果 所 针对 的 状 态 是 不 变 的 ,是 观测 现时 客观 对 象 , 那 就 是 一 般 决 策 论 的 问题 了 。 但 预测 的 状态 是 变动 的 ,这 就 是 带 有 对 抗 性 或 带 有 竞争 性 的 决策 问题 了 。 此 时 ,应 进一步 用 博弈 论处 理 这 样 的 问题 ,数学 上 已 有 这 样 的 工具 和 方法 , 那 就 是 已 形成 一 门 数学 中 运筹 学 重要 分 支 学 科 的 博弈 论 ,近年 Nash 均衡 尤其 引 人 注 目 。 用 上 了 博弈 论 ,可谓 使 “模式 识别 一 生态 预测 239 一 决策 一 对 策 成 为 一 种 系统 控制 方法 。 4. 声音 模式 识别 在 生态 智能 控制 中 的 应 用 如 果 翻 阅 一 下 自 1965 年 至 1988 年 先后 由 科学 出 版 社 \ 测 绘 出 版 社 出 版 的 10 种 《中 国 动 植 物 物候 观测 年 报 》, 不 难看 出 其 中 植物 部 分 所 占 篇 幅 多 ,而 动物 部 分 少 。 系 列 年 报 第 二 号 正文 共 290 页 ,大 部 分 是 表格 ;其 中 ,动物 物候 只 占 4 页。 第 10 SH 280 页 ,动物 物候 只 占 10 页 。 自 敌 可 桢 以 来 ,我 国 几 代 物 候 专家 多 把 自然 物候 比 作 大 自然 的 语言 , 即 根据 植物 和 动物 的 动态 来 判断 大 自然 向 人 们 提供 的 一 种 信息 。 然 而 ,这 些 被 喻 为 语言 的 现象 ,一 般 也 只 是 无 声 的 语言 ,有 声 语 言 记 录 微 乎 其 微 。 来 自动 物 的 大 自然 的 语言 , 几 十 年 来 人 们 所 记 下 来 的 更 少 。 比 如 1965 年 全 国 记 录 的 布谷 鸟 始 鸣 日 期 的 ,只 有 15 个 地 方 。 在 过 去 几 十 年 ,受到 声音 记录 条 件 限 制 ,加 之 动物 叫 声 是 并 非 连续 的 ,比较 正确 地 记 录 动 物 的 声音 十 分 困难 。 而 植物 不 同 , 比 如 5 月 1 工 日 开花 ,5 月 2 日 去 观察 仍 能 看 到 , 它 有 一 个 持续 时 间 。1986 年 在 不 同 地 点 ,以 四 声 杜 鹏 为 对 象 作 野生 动物 物候 观测 。 在 北 京 ,地 理 所 宛 敏 渭 研究 员 记 录 下 始 见 日 期 6 月 13 日 ,并 记录 下 来 其 始 鸣 日 期 ;在 新 疆 石 WF , 徐 文 洪 教授 和 隋 云 凤 教 授 只 记录 下 来 其 始 鸣 日 期 5 月 10 日 ,而 未 记录 下 来 始 见 日 期 。 几 位 观测 者 都 是 生物 气象 专家 ,记录 显然 可 靠 , 但 难于 对 比 。 在 北京 6 月 13 日 之 前 有 可 能 杜 鹏 始 鸣 ,但 观测 者 未 听见 。 另 一 方面 ,声音 的 描述 和 标准 很 难 掌握 。 中 国 科 学 院 地 理 所 物 候 观 测 专家 刘 秀 珍 ,根据 竺 可 桢 指示 在 北京 等 地 搞 物 候 观 测 20 多 年 ,风雨 无 ., MABE: HAS “0 OS — EB (kwi — kwi — kwi — kwi — kwok)” ; ERR REE ES HE’ PAS ; ERB ARB He , RBS “ng AY nS WR A? 4S ae” 5 “TE YL YL — ir BY RR Ee AY) EE , 浆 浆 折 折 …。 这 对 生态 学 家 尤其 是 生态 控制 工作 者 是 宝贵 的 财富 。 随 着 有 关 科 学 发 展 和 高 新 技术 进步 ,为 推进 《生态 动力 学 》 一 书 中 所 提倡 的 发 展 方向 之 一 的 生态 学 高 新 技术 化 的 宏伟 目标 早日 实现 ,应 生态 控制 原理 尤其 是 其 中 生态 智能 控 制 进 展 需要 ,提倡 用 机 器 记录 和 识别 有 声 物 候 资 料 。 关 于 自然 界 声音 记录 和 一 般 的 机 器 语言 识别 容易 理解 ,下 面 , 略 加 叙述 主要 原理 。 迄今 ,已 发 展 20 多 年 的 语音 处 理 技 术 主 要 是 人 的 语音 识别 , 当然 用 于 识别 动物 声 音 , 也 是 一 个 道理 。 只 不 过 动物 发 出 的 是 无 意识 的 叫 声 ,为 叙述 方便 ,下 文 仍 以 语音 对 待 , 即 把 叫 声 比 作 一 种 有 声 的 大 自然 的 语言 。 声 音信 号 处 理 技术 主要 包括 :声音 识别 \ 声 音 合 成 声音 编码 和 发 音 者 识别 。 傅 京 孙 曾 指出 :语音 频谱 的 数学 计算 可 用 Fourier 变换 实现 。 设 z(zt) 是 语音 信号 ,ww(t) 是 窗口 ,窗口 内 的 信号 是 : S(t) =2(t)-w(t) (9-6) 用 工 表 示 采 样 周期 , 表示 采样 信号 ,并 有 S(t)=S(e) 号 d(t-nT)= 3 S(nT)8(t- nT) (9-7) 可 以 计算 出 S 的 频谱 如 下 S(KD)= 5 S(nT)exp( - jnkAT) (9-8) 这 里 @ =2x/(NT) 是 频谱 分 辩 率 , NT 是 窗口 长 度 ;方程 (9-8) 可 用 快速 Fourier 变换 (FEFT) 来 计算 。 通过 一 系列 数学 推导 和 滤波 和 迭代 等 数学 处 理 , 可 以 对 各 种 鸟 的 叫 声 进 行 识 别 ,形成 240 识别 过 程 的 鸟 语 音素 图 (图 9 一 2)。 清 滑 音 清音 音 松 一 芙 松 松 0 | 清脆 FF FM FR hm F Le Fe Ae ee ee ee a B Y 8 E n 0 ey \ v E p T 图 9-2 Saye 乌 鸣 用 希腊 字母 表示 现在 ,语言 识别 技术 已 有 了 新 的 发 展 , 它 成 为 多 维 模式 识别 和 智能 计算 机 接口 的 范 畴 。 对 动物 (主要 是 鸟 类 ) ,以 物候 研究 为 目的 的 模式 识别 ,实际 上 是 模仿 对 人 的 语音 识 别 的 技术 ,研究 出 一 种 有 听觉 功 能 的 机 器 ,这 种 机 器 能 够 接受 各 种 对 象 的 声音 ,并 分 辨 出 不 同 鸟 类 的 声音 。 事实 上 ,让 机 器 “ 听 懂 "有 声 的 大 自然 语言 ,是 作者 多 年 来 的 凤 愿 。 实 现 其 试验 阶段 的 工作 则 必须 依靠 高 新 技术 的 发 展 ,将 物候 观测 纳入 模式 识别 机 的 一 项 应 用 领域 。 为 了 实现 这 项 技术 ,物候 工作 者 乃至 研究 鸟 类 的 专家 ,必须 参与 研制 。 根 据 最 新 出 版 的 4 中 国 鸟 类 野外 手册 兴 约 翰 ' 马 静 能 等 ,2000) ,中 国 现 有 1300 以 上 的 鸟 种 ,该 书 中 对 一 些 主要 鸟 种 的 鸣叫 声 作 了 详细 注音 ,如 :普通 滩 鸟 OY SH tea — cher; 普通 楼 燕 , 尖 声 srrreeee 高 AY ; RUSK AF , 8 Fy cher — tee — too — cher — tee — too— cher — tee — too #. 语言 识别 的 数学 模型 近年 有 许多 新 进展 ,如 以 Mapxos 过 程 为 基本 原理 的 隐 式 马尔 可 夫 模型 (Hidden Markov Model，HMMD) 由 Mapxos 链 演变 而 来 。 又 如 人 工 神经 网 络 (ANN) 技 术 的 应 用 等 。 发 音 者 识别 是 最 终 证 实 鸟 属于 哪 一 种 的 技术 基础 。 发 音 者 与 目测 相互 验证 ， 使 测定 结果 更 为 准确 并 具有 可 比 性 。 如 果 把 采 录 叫 声 的 设备 放 人 自然 保护 区 、 森 林 公 园 或 其 他 监测 地 区 ,更 易 监 测 昼夜 动物 的 叫 声 ,比如 猫 头 记 是 夜 叫 ,而 物候 观测 者 不 能 日 夜 值班 观测 ,当然 特殊 情况 下 , 短 时 间 的 连续 观测 例外 。 目 前 ,发 音 者 识别 (speaker recognition) 是 通 过 对 所 接收 到 的 声音 信号 ,从 中 提取 某 些 特征 并 建立 相应 的 数学 模型 ,然后 进行 识别 。 其 主要 技术 包括 发 音 者 特征 提取 。 有 具体 方法 目前 有 :中 频谱 特征 滤波 ;@@ 针 对 特定 发 音 者 的 相同 的 比较 标准 声音 建立 数学 模型 ;:G) 利 用 人 工 神 经 网 络 ,判定 发 音 者 。 我 们 所 述 ,来 自 自 然 界 动物 声音 的 识别 ,是 以 声音 模式 识别 这 种 高 新 技术 为 依托 。 241 生态 控制 研究 者 ,当然 没有 必要 全 面 掌 握 声音 模式 识别 高 新 技术 原理 、 数 学 演绎 等 ,但 必 须 正确 理解 ,正确 应 用 ,以 求 发 展 所 从 事 的 生态 控制 原理 。 尽 管 从 我 国 经 济 技术 发 展 的 客观 条 件 看 , 短 时 间 很 难 实现 这 样 的 自动 化 目标 。 但 现在 对 其 开始 研究 ,不 算 为 时 过 晚 。 而 将 来 ,相应 的 专门 硬 软件 研制 出 来 后 , 设 在 森林 草原 湿地 等 的 仪器 从 千里 之 外 为 生 态 工作 者 传 来 布谷 鸟 报 春 \ 百 灵 乌 叫 声 \ 湿 地 箱 鸣 ,回忆 起 欧阳 修 《 醉 翁 亭 记 》 备 浩然 《 春 晓 》 和 《诗经 ' 小 雅 . 稚 鸣 》 中 的 描述 , 似 成 为 古代 典 藉 谱 曲 的 美妙 动听 的 交响 乐 ,而 这 并 非 以 让 人 们 欣赏 大 自然 艺术 为 宗旨 , 正 是 生态 控制 原理 研究 之 必须 。 第 三 他 生态 控制 信息 模式 识别 技术 实例 在 生态 控制 的 许多 实践 中 ,应 用 模式 识别 技术 的 场合 很 多 ,我 们 在 这 节 举 出 一 些 实 例 ,无 论 从 方法 、 范 围 、 控 制 应 用 来 说 ,都 有 一 定 代表 性 。 一 物候 图 识别 与 应 用 途径 我 国 物候 研究 由 来 已 久 。 自 20 世纪 初 , 随 着 有 关 学 科 发 展 ,现代 物候 学 从 创建 到 发 展 ,进程 较 快 。 我 国 现代 物候 学 的 疯 基 人 是 乞 可 桢 院士 ,他 早 在 1921 年 就 在 南京 开始 了 物候 观测 工作 , 继 后 组 织 全 国 性 的 观测 网 ,并 出 版 了 《中 国 动物 植物 物候 观测 年 报 》 等 大 量 资料 、 图 集 。20 世纪 60 EAL, BT BLE CAE AR) SR 1 号 出 版 时 曾 说 : 物候 观测 年 代 越 长 ,准确 性 越 高 ,价值 越 大 "。 至 20 世纪 80 年 代 末 ,由 科学 出 版 社 等 正式 出 版 的 物候 资 料 已 经 很 多 。 未 出 版 藏 于 档案 馆 的 更 多 。 由 中 国 气象 局 组 织 作为 农业 气象 业务 的 自然 物候 和 主要 农作物 物候 观测 ,是 全 国 范围 的 ,年 限 也 有 几 十 年 。 然而 ,直到 目前 为 止 ,物候 资料 研究 和 应 用 , 仍 非常 有 限 。 从 应 用 的 范围 来 说 ,往往 开 始 只 是 单 点 观测 单 点 应 用 , 继 后 也 只 是 考虑 相 邻 几 个 站 观测 结果 的 关系 ,加 以 应 用 。 这 就 犹如 在 气象 学 发 展 的 初级 阶段 ,只 是 利用 本 站 点 或 相 邻 几 个 站 点 资料 ,为 本 站 服务 , 作 单 站 预报 ,进行 小 范围 的 气候 分 析 ,而 不 能 从 大 范围 内 各 点 的 相互 联系 上 ,把 握 一 个 地 方 的 天 气 、 气候 与 其 他 有 关 地 方 的 联系 。 其 实 ,如 所 周知 ,即使 要 制作 东亚 某 一 城市 的 天 气 预 报 , 至 少 也 要 用 东亚 天 气 图 ,一 般 用 欧 亚 天 气 图 ,甚至 用 上 北半球 天 气 图 。 只 就 地 面 记 录 而 言 , 所 涉 及 的 资料 之 多 ,是 可 想 而 知 的 。 我 国 自 20 世纪 60 年 代 开 始 出 版 的 一 些 物候 方面 的 图 册 ,是 利用 大 范围 物候 记录 为 农事 服务 的 前 奏 。 但 由 于 信息 量 少 ,传输 渠道 有 限 ,尤其 是 缺少 现 代 高 新 技术 的 应 用 ,以 至 大 约 40 年 来 ,基本 上 没有 新 的 较 好 的 控制 途径 。 1. 图 形 准备 PLLA 1985 年 全 国 榆树 开花 始 期 为 例 ,原始 资料 引 自 4 中国 动 植物 物候 年 报 ) 第 10 号 (测绘 出 版 社 ,1989) 中 1985 年 的 数据 ,参考 了 中 国 气象 局 有 关 资 料 订正 。 由 此 ,我 们 填 图 并 绘 出 图 9-3\、 图 9-4 和 图 9-5, 作 为 识别 的 基本 图 形 。 这 里 , 先 对 三 个 图 特征 , 作 一 般 分 析 。 为 了 便于 分 析 ,我 们 将 月 、 日 换算 成 数字 代码 & ,如 表 9-1 所 示 。 表 9-1 月 .日 与 数字 代码 d 对 应 关系 日 期 2 月 工 日 3 月 工 日 4 月 1 日 ” - 6 = ELE 态 sa 4A 3048 代码 do 1 29 60 TOM We vy ae erg 89 纬度 (°N) 50 45 40 35 355, 30 40 30 30 25 20 12 130 经 度 (°E) 图 9-3 1985 年 中 国 东部 榆树 始 花期 物候 图 (平面 位 置 图 ) (1) PPI 图 图 9-3 是 中 国 东部 榆树 始 花期 的 平面 位 置 显示 (Plane Position Indication, 简 记 PPI) ,该 图 是 每 年 一 幅 , 但 不 是 一 次 绘 成 ,一 般 在 榆树 有 可 能 开花 的 2 月 初 (如 果 有 25°N 243 以 南 的 观测 点 ,应 更 早 ) 注 意 收 集 信息 ,每 获取 一 个 物候 实测 记录 ,即将 其 填 在 底 图 上 。 由 于 始 花期 一 般 是 自 南 向 北 推移 的 ,所 以 大 概 一 个 月 之 后 (大 约 在 3 月 初 ) ,30"N 以 南 的 记录 比较 齐全 。 此 时 可 依 有 限 记 录 , 草 绘 出 等 值 线 ,直到 dzo 之 90 , 绘 出 完整 的 图 并 进行 修 改 , 最 后 定稿 。 (2) RHE 图 图 9-4 是 1985 4F +P AR ab Dy eB BS (AE ) A (RHE), BUM 10S ER AA BF 105°E 的 距离 ,作为 横 坐标 ,以 测 站 海拔 高 度 作为 纵 坐 标 , 绘 成 的 range- height 图 。 绘 制 该 图 的 目的 是 显示 :从 海平 面 到 海拔 1000m 的 各 个 层次 ,榆树 始 花 期 的 迟早 与 距离 海岸 远近 的 关系 ,以 了 解 同 样 海拔 高 度 的 条 件 下 , 距 海岸 远近 对 花期 迟早 的 影响 ,并 将 其 作为 后 面 将 要 阐述 的 属性 文法 (attributed grammar) 的 一 种 属性 。 举 例 说 ,大 约 在 海拔 40~50m 的 高 度 层次 上 , 距 海岸 越 近 , 始 花 期 就 来 得 越 迟 ,表现 在 图 9-4 中 , 自 左 向 右 ( 即 自 西 向 东 , 自 内 地 向 沿海 )au 值 从 接近 40 到 60 左右 ;在 其 他 高 度 层 次 上 ,也 可 作 类 似 观 察 , 从 中 找 出 初步 认识 的 一 定 规律 性 ,这 可 从 气候 大 陆 度 给 予 解释 。 (3) RHN 图 E19 —5 ft 1985 年 中 国 东部 物候 距离 (纬度 ) 高 度 图 (RHN) , 即 从 25°N( BARK 南 没有 记录 ) 向 北 的 纬度 离开 25°N 的 距离 作为 横 坐 标 , 以 测 站 海拔 高 度 作为 纵 坐 标 绘 成 的 range — height 图 。 绘 制 该 图 的 目的 是 显示 :从 海平 面 到 海拔 1000m 的 各 个 层次 ,榆树 始 花 期 的 迟早 与 海拔 高 度 的 关系 ,以 了 解 在 同样 海拔 高 度 条 件 下 ,纬度 高 低 对 始 花 期 迟 早 的 影响 ,并 将 其 作为 后 面 将 要 并 述 的 属性 文法 的 另 一 种 属性 。 举 例 说 ,大 约 在 海拔 120m 以 下 ,纬度 越 高 , 始 花期 来 得 越 迟 ,图 中 显示 从 低 纬 到 高 纬 , d, (AA 10 左右 到 70; 在 其 他 高 度 层次 上 ,也 可 作 类 似 观 察 , 从 中 找 出 初步 认识 的 一 定 规 律 性 。 这 显然 可 从 各 纬度 温度 变化 给 予 解释 ,因为 始 花 主要 取决 于 作为 其 生态 动力 源 主 因子 的 温度 值 。 2. 识别 方法 和 步骤 :属性 文法 的 运用 根据 模式 识别 原理 ,在 学 习 钱 学 森 、 宋 健 、 傅 京 孙 \ 程 民 德 、 戴 汝 为 、 胡 启 恒 诸 院士 有 关 论 著 ,参考 边 秘 祺 、 王 炮 生 、 梁 平 德 等 多 位 专家 在 不 同 领域 应 用 模式 识别 的 经 验 , 在 我 们 以 往 于 生态 领域 运用 模式 识别 的 实际 经 历 的 基础 上 ,初步 认识 到 ,在 物候 图 模式 识别 中 运用 属性 文法 方法 作 识 别 ,是 比较 现实 的 。 主 要 优点 是 可 以 避免 或 减少 干扰 , 取得 比 较 客 观 的 有 实用 价值 的 成 果 。 下 述 其 步骤 。 (1) 模块 和 基 元 区 的 划分 依 物候 生态 控制 研究 之 需要 ,将 大 范围 物候 期 等 值 线 图 绘 于 朗 伯 托 投影 的 地 图 底 图 上 ,成 为 图 9-6\ 图 9-7 和 图 9-8。 在 该 图 中 , 按 地 理 区 域 , 将 中 国 东部 分 为 10 个 块 ,成 为 模块 的 基本 构件 。 该 地 理 区 域 包 括 9 个 外 基 元 ,在 图 中 用 阿拉 伯 数 字 1,2,…,9 共 9 个 数字 标 出 ;分 出 三 个 内 基 元 ,用 罗马 数字 工 , 工 , 焉 共 3 个 数字 标 出 , 按 其 地 理 位 置 ,我 们 分 别称 之 为 东北 地 区 、 中 原 地 区 和 东南 地 区 。 内 外 基 元 加 在 一 起 共有 12 个 模块 。 (2) 基 元 选择 和 分 隔 符 的 定义 为 了 避免 噪声 ,我 们 只 考虑 反映 二 维 场 中 模块 内 主要 特征 的 形势 。 信 息 结 构 基 元 分 隔 符 定义 如 下 : @ 斜 线 型 :在 一 个 模块 内 ,基本 形势 是 :有 一 条 (或 数 条 平行 ) 等 物候 线 呈 自 左 下 至 右 上 的 一 条 斜 线 ,与 经 纬 线 夹 角 接 近 45 (人 允许 10" 误 差 ) ,我 们 用 希腊 字母 w 表示 。 Q 下 斜 上 平 线 型 :一 条 等 物候 线 , 下 斜 与 纬 线 夹 角 20" 左 右 ,然后 与 纬 线 基 本 平行 ,我 244 1000 90 80 800 高 度 /m 70 600 400 200 105 图 9--4 中 国 东部 物候 距离 (经 度 ) 高 度 图 (RHE) 植物 名 称 :榆树 50 50 50 125 70 BE (°E) 4F {i} 1985 物候 期 : 始 花 期 90 75 78 135 245 90 1000 800 80 90 600 lei aX isd 400 50 60 70 75 es 45 86 40 80 200 69 30 20 57 10 57 a 78 49 49-43 51 6799 25 10 20 30 30 50 35 40 69 = 70 45 50 纬度 (°N) AO-S 中 国 东部 物候 距离 (纬度 ) 高 度 图 (RHN) 植物 名 称 :榆树 物 候 期 : 始 花期 年 份 :1985 们 用 希腊 字母 B 表 示 。 @ 上 斜 下 平 线 型 :一 条 等 物候 线 , 上 斜 与 纬 线 夹 角 20 "左右 ,然后 与 纬 线 基 本 平行 ,用 246 SS INNN COANCCO 经 度 〈"E) 图 9-6 模块 及 基 元 区 划分 希腊 字母 vy 表示 。 由 入 玛 低 值 型 :相当 于 气象 当中 的 所 说 的 低压 梢 或 低压 区 的 形势 ,这 里 当然 指 的 旺 等 物候 线 , 用 希腊 字母 y 表示 。 247 125 x 105 ITS | 将 25 ee yy 纬度 CN) 15 105 115 RE (°E) 图 9-7 模块 特征 表达 一 一 外 基 元 部 分 (两 图 对 照 得 出 ,图 略 ) © gf CC HARE PB ES DT BS PR IES 物候 线 , 用 希腊 字母 $ 表示 。 248 100 50 40 纬度 (°N) 30 20 110 经 度 〈"B) 图 9- 8 模块 特征 表达 一 “内 基 元 部 分 《两 图 对 照 得 出 ,图 略 ) © 平 直 线 区 : 等 物候 直线 大 概 呈 平 直线 , 即 与 纬 线 大 体 平行 ,用 希腊 文字 母 € 表示 。 @ ERP R RAY LFS, ERROR FBR Sy Bee pas WEE 表示 。 249 垂直 线 型 :模块 内 有 与 经 度 线 大 概 平行 (误差 可 在 土 10") 的 线 , 用 希腊 文字 母 cK 不 。 © WAH: ABRAM AN, AR, 呈 马 鞍 型 ,相似 于 气象 学 中 的 鞍 形 气压 场 ,这 里 当然 指 的 是 等 物候 线 ,用 希腊 文字 母 w 表示 。 @ 无 等 值 通过 或 其 他 型 :在 模块 内 ,没有 等 值 线 通 过 ,或 不 能 归 人 以 上 9 种 符号 者 ， 用 希腊 字母 X 表示 。 (3) 属性 的 引进 这 里 引进 的 属性 表示 : 按 识别 顺序 ,前 后 两 模块 之 间 的 比较 。 根 据 物 候 识 别 的 性 质 ， 主要 比较 海拔 高 度 和 距 东海 岸 距 离 。 为 在 模块 连接 方式 中 引进 属性 , 设 ca 和 ai++ 为 前 后 相 邻 的 两 个 基 元 , 则 有 CAT( a; ,4:41) =(A, s) (9-9) 式 中 ,六 是 ai; 所 在 模块 区 域 的 高 度 等 级 T(ai+t)( 指 绘图 应 用 其 观测 数据 的 测 站 的 高 度 等 级 ,以 100m 为 单位 ,<100m 为 0,[100,200) 为 1, 依 此 类 推 , 下 同 ) 减 去 a, 所 在 模 块 区 域 的 高 度 等 级 T(a; ) 所 得 的 差 值 , 即 h=T(aj+1)— T(a;) (9-10) AH, T(a;+,) A T(ai ) 是 在 考虑 测 站 海拔 高 度 前 提 下 确定 的 ,如 果 区 域内 测 站 数目 较 多 , 则 取 其 平均 。 s 是 所 在 测 站 与 海洋 边缘 (海岸 线 ) 距 离 的 差 值 ,如 果 距 离 在 0.5 个 纬 距 内 ,等 级 取 为 0,0.5 以 上 取 为 1。 即 距 海洋 远近 等 级 M(ai+i) 与 M(ai ) 之 差 值 , 即 s=M(a;+,) -— M(a;) 二 和 中 (4) 物候 模式 识别 之 属性 文法 该 文法 用 Chemsky 四 元 式 表示 , 即 G,=(Vn, Vr,P,S) (9-12) 式 中 , Vy 是 非 终 止 符 的 有 穷 集 , Vzr 是 终止 符 的 有 穷 集 , S 是 开始 符 , 己 是 生成 规则 的 有 穷 集 。P 含 两 部 分 :四 句法 规则 ;GO 包括 连接 关系 和 语义 规则 的 语义 部 分 ,下 用 CAT 表示 。 这 里 所 谓 连 接 关系 ,也 可 以 是 这 种 关系 的 集 。 下 面 ,结合 物候 识别 的 图 9-7 和 图 9- 8 具体 说 明 Chemsky 四 元 式 内 容 。 Vu ={S,N,,No,N3;Na,Ns5,No>N7,Ne, Noy} (9-13) Vr ={y,a,8,7,755,€] (9-14) P; S > XN, Ni > aN, N, 一 BINs CAT(0, -1) Ns FAs CAT(8,1) N, > 6N; CAT(4,1) 250 N; 一 vN;g CAT A371) (以 上 是 外 基 元 部 分 ) Ne > 9N; CAT(2, — 1) N, 一 SNs CAT(4,0) Ng 一 EN% CAT( —3,0) (以 上 是 内 基 元 部 分 ) 这 里 专用 属性 文法 G, 与 一 般 的 Chemsky 文法 的 区 别 在 于 :在 两 相 邻 产生 式 之 间 ,加 入 了 表示 终止 符 高 度 差 异 的 属性 和 距 海洋 远近 差异 属性 。 随 着 物候 观测 记录 年 限 增多 ,输入 到 机 器 中 待 识 别 图 形 将 越 来 越 多 。 但 由 于 分 类 和 属性 相对 于 资料 年 限 的 长 度 来 说 ,往往 是 比较 多 的 ,以 致 干扰 不 可 避免 ,在 有 限 的 年 限 内 ,很 难 找 出 绝对 相似 的 图 形 , 所 以 必须 按照 需要 与 可 能 , 找 出 比较 相似 的 图 形 , 即 放宽 条 件 , 找 出 主流 相似 的 年 份 即 可 。 3. 应 用 途径 每 年 一 幅 的 大 范围 物候 图 的 识别 结果 主要 有 以 下 几 种 用 途 。 (1) 找 物 候 的 历史 相似 年 原 有 的 物候 研究 者 ,多 和 赁 当年 观测 记录 ,用 可 回忆 的 年 份 进行 一 般 的 对 比分 析 。 有 的 虽 未 写成 文字 材料 ,但 群众 也 常 说 ,今年 榆树 始 花 期 时 ,春天 来 得 早 。 首 先 , 从 地 域 上 来 说 ,这 只 是 一 个 测 点 上 物候 期 的 对 比 , 不 能 说 明 面 上 的 情况 以 及 该 点 与 其 他 点 的 联系 ; 其 次 ,从 时 间 上 来 说 ,这 只 是 观测 者 经 历 的 近 几 年 的 对 比 。 而 大 范围 的 物候 图 恰 是 避免 了 上 述 的 两 种 缺点 ,是 同时 综合 观察 多 点 结合 的 情况 ,在 识别 时 ,把 当年 取得 的 最 新 记录 输入 机 器 , 抓 住 图 形 的 主要 特征 ,看 出 物候 的 历史 相似 年 。 试 想 : 如 果 没 有 一 定 的 模式 识 别 标 准 , 而 是 任 人 的 视觉 分 析 , 则 很 难 找 出 什么 特有 的 规律 ,如 果 物 候 图 太 多 ,识别 是 不 可 能 的 。 (2) 配合 其 他 大 范围 图 , 找 出 与 物候 相关 的 其 他 相似 年 从 历史 资料 来 说 ,可 以 绘 成 图 形 的 资料 ,是 最 为 完整 的 气候 资料 ,其 中 生物 气候 意义 最 为 明确 的 是 平均 气温 数据 。 利 用 平均 气温 中 与 物候 期 关系 密切 的 月 份 作 出 相应 的 温 度 二 维 场 图 。 在 进行 识别 时 ,可 通过 逐 图 对 照 , 找 出 相关 关系 ,如 果 找 出 物候 \ 气温 之 间 的 关系 ,还 可 以 从 原理 上 分 析 大 范围 物候 推移 的 气候 生态 动力 源 , 从 而 当 气候 变化 时 ,为 生态 环境 优化 控制 ,提供 科学 依据 。 在 生态 动力 汇 方面 ,可 对 农作物 大 范围 布局 进行 分 析 , 并 给 出 相应 的 大 范围 作物 布 局 图 ,再 通过 与 物候 图 的 对 比 , 评 价 大 范围 物候 对 作物 布局 及 最 后 收获 量 的 影响 ,是 农 作 物 对 物候 乃至 对 气候 响应 评价 从 单 点 到 小 区 域 再 到 大 范围 的 尝试 。 当 然 , 这 样 评 价 的 施 行 ,不 限于 始 花 这 一 物候 期 。 (3) 自然 物候 期 与 农时 作业 期 对 比 古往今来 ,我 国有 许多 关于 物候 和 农时 关系 的 谚语 ,往往 有 地 方 性 ,但 地 方 性 范围 大 251 小 ,不 易 确 定 。 其 实 , 如 果 所 谓 的 地 方 性 ,面积 再 扩大 了 ,也 有 可 能 成 为 越 来 越 大 范围 的 “大 地 方 性 ,对 一 个 大 区 域 可 能 有 普遍 性 。 但 对 地 方 性 和 普遍 性 的 界限 以 往 很 少 研究 。 如 今 有 了 用 模式 识别 方法 来 识别 二 维 场 的 技术 ,就 可 以 对 大 范围 作 尝 试 。 如 将 水 稻 插 秧 期 同 榆树 发 芽 期 、 始 花期 从 图 上 作对 比 ,可 看 出 演变 趋势 一 般 还 是 一 样 的 。 找 出 这 样 的 规律 ,可 探 察 出 物候 与 农时 关系 , 这 种 关系 往往 可 以 用 生态 动力 学 解释 。 而 运用 找到 的 关系 ,农业 行政 部 门 指挥 全 局 性 的 生态 控制 则 有 更 多 的 科学 依据 。 二 ,每 两 日 一 幅 的 大 范围 物候 图 的 识别 与 应 用 途径 前 面 一 段 所 述 的 每 年 一 幅 的 物候 图 只 能 在 年 内 同一 发 育 期 自 南 向 北 推移 全 过 程 完 成 之 后 才能 绘 成 。 如 前 例 所 述 关 于 榆树 始 花 , 只 有 在 5 月 上 旬 才 能 绘 成 一 幅 等 物候 期 的 二 维 平面 图 。 其 他 发 育 期 也 有 类 似 情 形 。 这 样 得 到 的 一 系列 物候 等 值 线 图 ,一 般 只 具有 农业 气候 分 析 与 评价 意义 ,而 没有 即时 为 农业 生产 和 管理 提供 必要 信息 ,为 人 工 生 态 动 力 源 的 合理 控制 提供 决策 建议 的 意义 。 在 高 新 技术 普及 有 限 , 通 信 设 备 条 件 尚 较 落 后 的 20 世纪 80 年 代 以 前 ,提出 这 种 似 有 天 气 意义 并 随时 审视 物候 进程 的 设想 ,看 来 是 为 时 过 早 ; 但 在 21 世纪 初 ,提出 并 倡导 其 早日 实施 ,合乎 时 宜 。 1. 待 识别 图 形 的 制备 方法 根据 我 国 物候 观测 的 规定 是 每 隔 1 d 观测 一 次 。 中 国 气 象 局 的 规范 也 是 如 此 。 每 两 日 一 幅 图 形 的 制作 方法 ,与 每 年 一 幅 图 形 的 绘制 方法 大 同 小 异 。 不 过 由 于 物候 出 现 得 迟早 ,在 我 国 辽 阔 土 地 上 ,差异 很 大 ,所 以 每 两 日 一 幅 物 候 图 是 不 可 一 次 绘 成 的 。 春季 一 开始 只 能 是 用 南方 几 个 点 的 实测 记录 绘 成 的 线条 图 , 待 过 一 段 时 间 ,才能 在 少数 模块 中 体现 出 待 识 别 基本 特征 。 2. 应 用 途径 (1) 物候 图 形 信息 应 用 这 种 物候 图 形 的 信息 ,对 大 面积 农业 生产 决策 有 重要 作用 ,下 面 简要 介绍 。 每 两 日 一 幅 的 图 形 , 可 以 同 前 两 日 的 图 形 作 对 照 , 从 而 得 出 物候 推移 的 动态 信息 ， 这 对 了 解 大 范围 物候 变化 规律 并 由 此 得 出 大 范围 生产 决策 结论 是 有 益 的 。 比 如 某 张 图 表现 出 “ 囊 发 芽 " 这 一 物候 期 已 自 南 向 北 推 至 41N 纬 线 上 下 ,又 从 其 前 推移 速度 看 ,大 约 为 0.3 APB: (2d) ,这样 再 查阅 数值 天 气 预报 96 h 内 无 明显 降温 过 程 , 并 且 不 采取 人 工 增 温 措施 ,外 推 结 果 是 :未 来 4 d 可 推移 0.6 纬 距 ,于 是 可 考虑 预计 在 原 纬 线 以 北 并 且 比 原 来 高 0.1~-0.6 纬 距 的 狭窄 地 理 带 内 , 束 树 会 发 芽 ; 又 依据 物候 动力 预报 ,预计 该 狭 窄 地 带 内 ,可 以 种 植 棉花 。 这 是 直接 用 于 生产 安排 决策 的 例子 。 如 地 瑶 tM KUSH 预计 随时 间 变 化 不 大 的 生态 动力 源 要 素 发 生 突 变 , 所 作 预 测 和 决策 建议 , 当然 要 相应 调 整 。 (2) 5B RAR BAA DLA 在 前 一 节 ,我 们 简 述 过 遥感 图 像 的 模式 识别 技术 。 随 着 那些 技术 的 发 展 , 对 陆地 生 物 识 别 能 力 的 增强 ,其 识别 结果 可 与 目测 记录 下 来 的 物候 资料 结合 使 用 ,以 弥补 物候 测 点 稀疏 而 引起 的 资料 不 足 。 比 如 ,在 第 三 章 ,我 们 曾 举 出 用 Landsat 卫星 资料 判定 水 稻 生 育 期 状况 的 例子 。 这 完全 可 以 同 有 限 的 站 点 稀 朴 的 水 稻 实 测 物 候 资 料 结合 使 用 , 必要 时 考虑 自然 物候 观测 数据 与 它们 的 关系 ,以 使 大 范围 的 决策 建议 更 有 客观 性 ,为 生态 控制 增加 了 一 种 新 的 工具 。 252 物候 图 与 遥感 影像 图 的 结合 应 用 ,犹如 气象 工作 中 ,卫星 云图 同一 般 天 气 图 (或 数值 预报 图 ) 结 合 应 用 。 为 了 找 出 比较 客观 的 对 应 规律 ,从 一 开始 就 向 着 尽量 定量 化 的 方向 发 展 , 以 期 这 些 有 限 但 又 不 可 或 缺 的 信息 能 为 农业 生态 的 大 面积 宏观 控制 提供 较为 可 靠 的 依据 。 三 、 同 一 时 间 不 同 物候 期 的 图 像 识别 这 种 识别 技术 , 旨 在 了 解 同一 时 间 在 不 同 地 势 ,不 同 纬度 上 ,植物 所 处 发 育 期 的 状 况 。 - 1 表示 物候 一 纬度 关系 的 图 形 识 别 在 北半球 陆地 上 ,由 于 纬度 差异 导致 温度 差异 ,以致 南 北 物候 差异 的 规律 能 够 在 生 物 物理 和 生物 化 学 的 原理 上 得 到 解释 。 为 此 ,我们 可 以 选择 一 种 在 不 同 纬度 上 都 有 的 植 物 ,将 日 期 固定 ,视察 其 发 育 期 差异 。 这 种 差异 连续 变动 的 识别 ,尤其 是 见 有 突变 , 易 采 取 必 要 措施 促 控 相应 农作物 的 田间 管理 业务 。 如 在 冷害 前 灌水 ,冬小麦 拔节 期 注意 晚霜 冻 等 等 。 图 9-9 示 4 月 18 日 垂柳 发 育 期 纬度 差异 。 果实 成 熟 期 〈 始 ) RE RRR OK) 图 9-9 4 月 18 日 某 区 域内 垂柳 南北 物候 差异 2. 表示 物候 一 高 度 ( 兼 顾 与 海岸 距离 ) 关 系 的 图 形 识别 意义 与 方法 同 物候 一 纬度 关系 ,图 9- 10 表示 某 山 区 梯度 观测 差异 。 站 3 1000 萌动 800 600 开花 高 度 / 果实 成 熟 400 200 100 200 300 400 500 600 与 海岸 距离 /km 图 9-10 5 月 16 日 某 区 域 不 同 高 度 (兼顾 与 海岸 距离 ) 物 候 差 异 \ 植 物 生 育 期 生态 动力 源 因子 状况 的 模式 识别 进行 这 种 识别 的 目的 是 ,寻求 植物 各 发 育 期 中 受 各 种 生态 动力 源 因子 影响 的 状况 ， 或 在 有 条 件 时 ,对 未 来 发 育 期 状况 进行 预 估 , 以 便 采 取 优 化 控制 措施 ,在 人 为 可 能 条 件 下 ,优化 控制 某 种 或 某 些 生态 动力 源 ,以 适应 植物 生育 需要 , 促进 获得 较 好 生态 经 济 效 fit. o 1. 基本 条 件 和 准备 工作 从 机 理 或 统计 学 上 正确 找 出 待 识别 植物 各 发 育 期 的 生态 动力 指标 ,是 识别 结果 能 否 客观 的 关键 。 最 好 的 办 法 是 从 具有 权威 性 的 经 典 名 著 查 出 指标 ,比如 金 善 宝 院士 关于 小 麦 的 著作 、 李 竞 雄 院 士 关 于 玉米 的 著作 、 任 继 周 院士 关于 牧草 的 著作 等 ,并 注意 所 查 指标 的 适应 性 和 时 效 性 等 。 指标 涉及 各 类 生态 因子 ,包括 温度 湿度、 土壤 坑 情 土壤 肥力 \ 周围 植物 状况 。 通 党 要 从 中 找 出 对 植物 影响 大 且 变 动 也 大 者 。 在 研制 识别 技术 实施 步骤 之 前 ,准备 好 一 切 必 要 的 物候 期 实测 资料 ,年份 越 多 越 好 。 并 且 , 可 以 通过 适当 的 订正 手段 ,对 某 些 资料 作 内 择 或 插 补 ,以 求 完善 。 2. 用 实例 说 明 的 识别 过 程 现 以 我 国 普遍 种 植 的 一 种 主要 农作物 玉米 为 例 , 说 明 识别 过 程 。 待 识别 的 要 素 很 多 , 现 只 以 空气 温度 为 例 。 根 据 历年 在 同一 地 区 不 同 地 点 对 生育 期 相似 的 玉米 的 观测 记 录 进 行 分 析 。 因 为 玉米 品种 分 为 早 、 中 、 晚 熟 ,不 同 品种 生育 期 差别 较 大 ,所 以 尽量 选用 同一 品种 或 相似 品种 ,或 作 必要 订正 。 254 为 了 识别 在 玉米 生育 期 内 各 发 育 期 环境 温度 与 指标 温度 之 差异 (图 9- 11 中 的 温度 BEE) ,从 气候 数据 库 和 作物 发 育 期 物候 资料 库 中 , 调 出 相应 数据 ,经 初步 加 工 得 出 像 图 9 — 11 那样 的 一 系列 的 曲线 图 像 (每 一 个 地 点 每 个 年 份 一 幅 )。 5 4 «9 2 eh HE BE AF / °C 3 HREE F lll FH cr tet 4 Se ap ee ae ae 物 候 期 图 9-11 玉米 物候 期 内 温度 距 平 示意 图 面 对 这 些 图 像 ( 图 形 ) ,如 果 用 人 的 肉眼 去 识别 分 辨 萄 含 于 其 中 的 规律 ,就 比较 困难 了 ,在 资料 年 数 较 少 且 待 识 别 观 测 点 较 少 时 ,这 样 的 识别 工作 尚 可 由 人 而 不 用 机 器 来 完 成 ;但 是 ,如 果 有 30 一 50a 的 数据 ,有 3 一 5 个 观测 点 需要 识别 时 ,人 的 肉眼 便 无 能 为 力 了 。 而 从 应 用 角度 来 说 ,我 们 总 希望 同时 识别 多 年 、 多 点 的 图 像 ,因为 资料 年 代 越 长 , 待 识 别 的 点 越 多 ,识别 的 效果 越 好 , 依 此 采用 的 生态 控制 措施 也 就 越 有 效 。 为 此 ,针对 像 玉米 这 样 的 植物 ,就 有 关 生 态 因子 ,一 一 绘 出 曲线 图 形 。 这 样 , 若 同时 识别 的 对 象 有 a 种 作物 ,8 个 生态 因子 ,c 个 观测 点 ,就 应 绘 出 abe 幅 曲 线 图 。 绘 出 图 后 一 般 即 可 用 语言 方法 进行 识 别 。 作 为 纵 坐 标的 因子 ,一 般 用 距 平 表 示 。 如 玉米 播种 期 适宜 的 温度 指标 是 8 , 而 实际 MEA TC , 则 纵 坐 标 为 -1C 。 在 粗 作 识 别 的 时 候 , 只 分 正 ` 负 和 零 三 级 ,分 别 用 P,N 和 O 表示 ,这样 与 图 9-11 中 对 应 的 温度 字 串 就 是 NPPNOOPPNP。 将 多 个 字 串 存储 于 机 器 之 中 ,具体 识别 时 ,将 待 识 别 字 串 输入 , 同 已 有 字 串 进行 对 Go 识别 的 主要 目的 是 进行 植物 物候 (作为 生态 动力 汇 ) 与 生态 动力 源 因子 之 间 关 系 的 对 比分 析 诊 断 。 所 谓 物候 分 析 诊 断 ,就 是 对 多 年 的 物候 观测 记录 和 有 关 生 态 动力 源 因子 记录 所 反映 出 来 的 生态 动力 源 和 汇 及 其 之 间 关 系 的 特征 ,用 各 种 不 同方 法 有 效 地 表达 出 来 。 句 法 模式 识别 中 曲线 特征 的 识别 ,目的 用 于 分 类 。 从 图 9-11 那样 的 曲线 图 形 中 ， 可 以 看 出 ,为 了 对 比 和 分 类 方便 ,各 个 发 育 期 的 有 关 生 态 因 子 的 要 素 都 是 以 等 距离 (或 正 ,或 负 ,或 无 差异 ) 处 理 的 ,事实 上 ,比如 温度 的 差异 ,从 生物 意义 来 说 ,并 非 都 是 等 距 离 ,有 时 甚至 大 相 径 庭 , 像 图 9- 11 中 的 P, 少 者 在 0.5 以 下 ,多 者 在 2 左右 ,我 们 之 所 255 at at 以 按 等 距离 处 理 为 P, 是 因为 无 论 是 0.5SC 或 者 2.0YC ,都 表明 在 指标 温度 之 上 ,都 不 会 给 玉米 造成 低温 生态 逆境 ,只 要 温度 不 超过 极限 ,也 都 不 会 带 来 高 温 生态 逆 境 。 识别 结果 ,如 和 欲 用 于 生态 控制 之 实践 ,一 般 要 利用 物候 曲线 演变 的 图 形 来 作 预 报 。 一 般 , 首 先 推测 未 来 发 育 期 内 某 要 素 的 范围 。 如 就 温度 而 言 , 可 利用 时 间 序 列 分 析 , 也 可 用 中 期 数值 预报 的 模式 输出 图 , 作 MOS(Model Output Statistics) 预 报 。 如 果 在 9 个 连续 的 发 育 期 中 ,前 7 个 发 育 期 识别 结果 相似 , 则 可 推测 第 8 个 发 育 期 有 可 能 相似 ,又 用 温度 预报 订正 , 依 需 求 ,采取 促 控 措 施 ,比如 在 预料 有 冷害 之 前 灌水 ,在 预料 有 霜冻 之 前 防 霜 ， 以 使 作物 发 育 期 按 人 们 推测 理想 化 时 期 内 出 现 。 这 当然 是 很 好 的 生态 控制 了 。 我 们 为 方便 ,只 举 少量 例子 。 植 物 动物 之 多 ,分 布 之 广 ,是 作者 不 可 能 全 面 了 解 的 。 所 以 ,读者 在 应 用 时 ,要 结合 自身 待 研究 的 对 象 作 识别 。 比 如 可 针对 多 年 生 的 树木 , 药 用 植物 人 参 , 当然 方法 也 完全 可 推广 于 淡水 水 生生 物 或 海洋 水 生生 物 。 模式 识别 所 用 的 软 、 硬 件 ,尤其 是 硬件 设备 , 当然 得 依靠 计算 机 专家 和 自动 化 专 家 。 但 在 初创 阶段 ,在 研制 软件 时 , 须 有 生态 工作 者 参与 ,以 便 研 制 成 功 后 成 为 专门 的 用 户 。 第 四 节 ， 生 态 控制 集成 型 模式 识别 人 与 机 器 相 结合 的 基本 思想 是 在 Wiener 创建 控制 论 的 初期 就 已 经 有 了 的 。 在 计算 机 发 展 起 来 以 后 ,形成 了 人 与 机 器 相 结合 的 智能 系统 的 概念 ,这 种 智能 系统 强调 的 是 人 脑 与 电脑 的 结合 ,是 人 类 的 心智 与 计算 机 高 性 能 的 结合 。 我 国 著名 哲学 家 能 十 力 研 究 员 认为 人 的 智慧 ,通常 叫做 心智 ,而 心智 又 可 分 为 两 部 分 ,一 部 分 叫做 性 智 ,一 部 分 叫做 “ 量 智 " 。 性 智 是 形象 思维 的 结果 ,难以 用 电脑 模拟 ; 量 智 是 通过 科学 训练 而 形成 的 智慧 ， 是 逻辑 思维 的 体现 。 人 工 智 能 研究 表明 用 电脑 模拟 逻辑 思维 可 获 成 功 ,而 用 现在 的 电脑 模拟 形象 思维 则 基本 上 是 困难 的 。 关于 智能 系统 ,钱学森 院士 早 在 1991 年 有 一 段 精辟 的 论述 ,他 指出 : 智能 系统 是 非 常 重要 的 ……。 我 们 要 研究 的 问题 不 是 智能 机 ,而 是 人 与 机 器 相 结合 的 智能 系统 。 不 能 把 人 排出 在 外 ,应 该 是 一 个 人 机 智能 系统 。 在 智能 系统 运用 于 生态 系统 的 研究 中 ,注重 人 的 作用 ,注重 形象 思维 非常 必要 。 所 以 ,在 我 们 试 研究 模式 识别 于 农业 生产 中 应 用 的 时 候 , 对 于 人 应 该 重视 ,而 不 是 单纯 地 去 找 适 当 的 机 器 设备 和 软件 。 当 然 , 热 中 于 智能 系统 有 两 部 分 人 ,一 是 人 工 智能 及 有 关 学 者 , 另 一 方面 是 有 生产 经 验 的 农业 技术 工作 者 ,还 包括 一 些 农业 生产 能 手 。 他 们 的 逻辑 和 形象 思维 ,对 于 生态 集成 型 模式 识别 系统 原理 的 处 理 和 建立 ,都 会 起 到 重要 作用 。 在 生态 农业 研究 中 ,常会 发 现 ,有 些 高 产 、 优 质 、 高 效 农业 技术 的 实施 者 ,在 实践 中 ， 取得 了 和 良好 效果 ,但 其 他 人 不 易学 会 。 人 们 对 于 这 些 经 验 的 感觉 往往 是 难于 学 习 , 狂 如 “只 可 意 会 ,不 可 言传 "”。 其 实 ,这 些 第 一 手 的 典型 经 验 ,是 从 农作物 与 生态 环境 关系 的 整 体 来 辩证 地 看 问题 的 结果 。 比 如 ,在 陕西 关中 , 植 棉 能 手 张 秋香 ,她 对 当地 自然 条 件 了 如 指 掌 。 在 多 次 生产 讨论 会 上 ,参加 讨论 会 的 除 农业 劳 模 外 ,还 有 各 学 科 的 专家 学 者 ,他 们 往往 是 站 在 自身 熟悉 专业 的 学 科 基 础 上 ,以 逻辑 思维 的 规律 ,对 待 种 棉花 这 一 问题 。 比 如 关于 对 待 棉花 适时 早 播 问 题 ,气象 专家 考虑 温度 、 降 水 等 气象 要 素 ;水 文 专家 考虑 抗旱 播种 ; 土壤 专家 考虑 的 是 土壤 质地 ;植保 专家 考虑 的 是 苗 期 病害 是 否 发 生 等 等 。 这 样 , 容 256 EE 易 以 局 部 为 主 ,采取 某 种 措施 , 带 有 强 的 专业 性 ,对 待 道 境 的 生态 控制 容易 误 和 只 治标 的 思路 。 而 对 劳模 的 经 验 ,提高 到 理性 认识 ,学 以 致 用 , 则 可 提高 农作物 产量 与 质量 。 高 产 典型 创造 的 优势 在 生态 方面 主要 从 作物 整体 状况 考虑 ,对 于 生态 逆境 进行 综合 诊治 。 其 实 ,生产 能 手 , 他 们 通过 眼 、 耳 、 鼻 、 舌 等 感官 获得 相当 多 的 信息 ,是 在 没有 计算 机 时 代 的 一 种 “ 土 法 ”模式 识别 ,把 感官 感觉 到 的 土壤 水 文生 态 信息 与 已 有 的 认识 和 大 脑 中 存储 的 生态 控制 机 器 模式 从 整体 上 加 以 比较 ,进行 搜索 与 匹配 , 找 出 并 识别 “形象 "。 而 这 种 搜 索 与 匹配 的 效率 与 情感 密切 相关 。 从 以 上 这 些 方 面 加 以 引伸 来 探讨 形象 思维 , 抓 住 了 问 题 实 质 ,避免 了 生态 道 境 或 采取 人 工 措施 ,局 部 改变 生态 条 件 , 使 之 增 优 , 获得 了 较 高 的 生态 产量 。 这 同 充分 发 挥 有 理论 知识 的 专家 作 比 较 , 并 不 矛盾 ,而 且 相 辅 相 成 。 在 《生态 动力 学 》 一 书 中 的 方法 论 部 分 ,作者 反复 强调 科技 信息 和 读书 作用 ,这 与 识别 先进 典型 的 增产 经 验 ,也 是 不 矛盾 的 。 我 们 采用 生态 逆境 诊断 来 对 形象 思维 作 类 比 ,也 许 会 对 形象 思维 在 生态 农业 逆境 控 制 乃至 在 生态 智能 控制 中 的 意义 ,有 进一步 了 解 。 从 生态 逆境 诊断 来 加 以 分 析 , 首 先是 “ 立 象 ", 以 “农作物 春季 播种 期 的 优化 控制 适时 早 播 , 何 为 适 ?为 例 , 研 究 者 通过 多 种 媒 体 ,在 看 棉田 土壤 丧 情 \ 测 定 田 地 里 10 cm 左右 深度 的 土壤 温度 是 否 达到 指标 ,预测 未 来 5d 是 否 有 寒潮 降温 天 气 形势 的 同时 感知 及 自身 经 验 体会 ( 含 感性 认识 和 已 有 的 某 些 定量 分 析 认 识 ) ,建立 子 模式 ,再 形成 与 威胁 棉 播 的 生态 逆境 模式 类 比 ,“ 立 象 " 的 过 程 是 研究 者 与 大 量 的 生态 逆境 是 否 危害 棉 苗 的 许多 生态 动力 源 与 汇 的 接触 ,是 学 习 和 诊断 的 过 程 。 棉 花 适 播 期 所 涉及 的 许多 生态 动力 问题 构成 一 个 复杂 巨 系统 , 立 “ 象 "于 是 成 了 一 个 十 分 复杂 的 认 知 过 程 , 因 为 不 仅 有 当时 调查 、 观 察 、 观 测 得 到 的 知识 ,还 有 与 以 往 若干 年 前 类 似 情况 对 照 , 作 模式 识别 过 程 ,比如 物候 识别 ,就 要 用 到 本 章 中 第 三 节 所 述 知识 ;从 地 域 上 认识 ,不 限于 本 地 ,因为 我 们 要 想 知 道 未 来 5 d 是 否 会 降温 ,有 和 否 降水 ,是 构成 棉籽 未 来 几 天 是 否 受 寒 .是 否 构成 < 旱 象 "的 基础 ,为 此 要 用 120 h 内 的 中 期 数值 预报 ,而 这 样 的 预报 涉及 的 信息 源 范围 是 北半球 ,至少 是 欧 亚 大 陆 , 从 三 度 空 间 来 说 ,是 考虑 了 自 地 面 到 对 流 层 顶 ,对 其 他 生态 因子 处 理 ,也 是 如 此 。 关 于 播种 问题 的 认识 过 程 , 是 在 多 种 分 析 基础 上 实践 与 经 验 总 结 的 过 程 , 是 多 维 的 自 下 而 上 的 综合 集成 过 程 ,不 论 用 多 少 仪器 设 备 ,研究 者 是 主宰 ,最终 通 过 研究 者 大 脑 沉 积 ,形成 表征 与 各 种 生态 逆境 相对 应 的 各 种 模 式 类 的 “ 意 ”, 达 到 立 象 意义 目的 , 见 图 9- 12。 在 此 过 程 中 采用 以 象 说 象 的 办 法 建立 一 个 描绘 整体 形象 的 比较 抽象 的 句 称 为 “ 意 "”。 研 究 者 对 作物 适 播 期 生态 逆境 的 诊断 是 靠 对 有 关 的 生态 动力 源 、 汇 的 整体 了 解 ,以 “ 意 "之 间 的 相似 性 来 加 以 判断 。 以 象 说 象 的 办 法 可 以 用 一 个 二 元 式 来 表示 一 个 模式 P 的 方式 加 以 表达 ,P 包括 象 (用 工 表示 ) 与 意 ( 用 羽 表示 ) ,表示 两 个 成 分 已 = P(T, 刁 ) ,其 中 工 称 为 模式 已 的 象 ,包括 感性 成 分 与 理性 成 分 ; 屯 称 为 模式 己 的 意 ,是 一 种 比 工 更 为 抽象 的 象 , 也 包含 感性 成 分 和 理性 成 分 。 由 于 感性 与 理性 相通 ,所 以 E 可 以 认为 是 从 工 通过 综合 集成 , 即 从 定性 到 定量 的 综合 集成 得 出 的 结果 。 钱学森 的 综合 集成 方法 论 提出 后 ,人 们 了 解 到 人 们 的 性 智 重 要 性 ,那么 在 识别 系统 中 ,怎样 才能 充分 发 挥 人 的 作用 呢 ? 对 此 , 戴 涩 为 院士 最 近 (2002) 指 出 :" 采 用 人 工 神经 网 络 方法 来 研制 识别 器 ,并 把 若干 个 识别 器 加 以 集成 。 具 体 办 法 是 用 一 个 多 层次 网 络 作 为 集成 网 络 ,并 采用 有 教师 学 习 或 称 监督 学 习 (supervised learning) ,充分 靠 人 作为 教师 的 作用 来 训练 各 个 分 类 器 ,然后 再 训练 集成 网 络 ,通过 两 次 介入 (教师 ) 的 作用 ,从 而 提高 识 257 看 、 Wr. 测 、 we Al9-12 生态 诊断 (以 棉花 播种 为 例 ) 立 象 示意 别 率 "。 戴 汝 为 院士 指出 充分 发 挥 人 的 作用 途径 ,是 一 种 正确 可 行 的 好 办 法 。 虽 然 , 在 农 田 生 态 以 及 整个 生态 控制 方面 ,目前 尚未 实现 监督 学 习 的 分 类 器 和 集成 网 络 ,但 他 所 指 出 的 方向 ,对 于 生态 控制 的 模式 识别 智能 化 水 平 的 提高 ,至 关 重 要 。 因 为 我 国 是 个 有 着 悠久 农 作 历 史 的 大 国 , 古 往 今 来 ,农业 实践 者 和 广大 技术 人 员 , 有 非常 丰富 的 实践 经 验 ， 近 一 二 十 年 ,又 有 许多 结合 这 些 经 验 的 新 技术 产生 。 上 述 举 出 的 适 播 期 是 个 例子 ,其 实 在 生产 中 ,对 生态 控制 的 需求 ,是 非常 广泛 的 。 迄 今 , 有 许多 问题 尚 竺 解决 。20 世纪 90 年 代 , 我 国 北方 曾 讨 论 过 三 才 论 在 农业 生产 中 的 作用 问题 ,虽然 三才 论 RARBG 农 书记 载 ,但 结合 现实 农业 生态 控制 问题 确 有 意义 。 随 着 大 农业 发 展 ,我 国 在 模式 识别 中 能 起 到 教师 "作用 的 人 则 会 进一步 增加 ,其 科技 水 平 会 进一步 提高 。 这 样 的 教师 ` 作 用 将 使 分 类 器 、 集 成 网 络 效率 提高 ,识别 率 提 高 。 再 加 上 仪器 设备 条 件 较 好 ,我 国 对 于 农 业 生 态 控制 集成 网 络 的 研究 和 推广 将 会 起 到 促进 农业 现代 化 发 展 的 重要 作用 。 一 个 重 要 的 事实 是 集成 网 络 可 以 从 输出 层 (类 别 ) 反 馈 到 输入 层 (类 别 ), 从 而 通过 从 输出 层 到 输 和 人 层 的 反馈 形成 一 个 非 线性 动力 系统 ,使 整个 集成 网 络 成 为 一 个 非 线性 生态 动力 系统 ， 或 称 为 集成 型 生态 控制 识别 系统 。 第 五 节 生物 图 像 信息 动物 (包括 人 ) 植物、 微生物 的 形态 特征 ,是 生态 动力 汇 控制 中 不 可 或 缺 的 信息 资 料 。 众 所 周知 ,普通 生物 学 \ 农 学 、 医 学 药物 学 方面 的 文献 中 ,有 许多 用 图 形 、 照 片 等 表 示 其 特征 的 资料 ,这 些 是 生态 控制 所 需要 的 ,但 面 对 这 些 没有 经 过 现代 自动 化 技术 加 工 处 理 的 图 ,人 们 对 其 中 的 微观 信息 特征 很 难 定 量 判明 。 比 如 家 畜 和 人 的 细胞 , 因 在 某 种 生态 动力 源 作 用 下 发 生 异 常 变 化 ,只 凭 目测 和 经 验 是 难于 判断 的 ;又 如 受害 的 农作物 ,在 干旱 作用 下 其 细胞 变化 ,人 的 肉眼 和 显微镜 几乎 很 难 判定 。 由 于 自动 化 技术 发 展 ,尤其 是 近 20 一 30 a 发 展 起 来 的 模式 识别 技术 , 则 可 借助 机 器 视觉 自动 观察 ,并 显示 给 人 们 。 《生态 动力 学 ) 一 书 ( 见 第 338 页 ) 在 讨论 生态 动力 模式 识别 方法 时 指出 :模式 识别 所 应 用 的 领域 是 多 方面 的 。…… 微观 的 , 像 对 于 受 干 旱 \ 水 灾 、 低 温 之 害 的 作物 细胞 的 识别 等 等 。 相 信 ,在 今后 不 断 应 用 中 ,会 得 出 更 多 有 意义 的 结果 。 这 里 , 仅 就 微观 识别 可 获得 生 物 信息 情况 ,加 以 简 述 。 1. 用 细 线 化 方法 评估 植物 胚芽 发 育 状况 利用 图 像 细 线 化 处 理 技术 ,计算 植株 胚芽 生长 形状 ,从 而 识别 生长 正常 和 畸形 的 胚 258 芽 。 最 终 选 取 正 常生 长 的 植株 胚芽 移植 到 生态 动力 源 条 件 适 宜 的 地 方 。 2. 黄瓜 分 选 的 图 像 处理 利用 黄瓜 的 外 形 尺 寸 可 以 对 黄瓜 进行 分 类 ,分 类 的 指标 是 黄瓜 的 长 度 和 弯曲 程度 。 3. 依据 颜色 分 析 植 物 营 养 状况 植物 的 生长 和 营养 状况 ,可 以 由 叶片 颜色 的 变化 ` 斑 纹 分 布 和 形状 表现 出 来 。 各 种 不 同 元 素 的 缺少 ,可 导致 叶片 表面 颜色 的 差异 ,因而 人 们 可 以 按 颜色 特征 作 分 析 ,进而 根 据 植 物 对 营养 元 素 的 需求 ,来 自动 地 施肥 、 施 氧 。 这 一 领域 的 研究 对 作物 栽培 的 自动 化 、 智能 化 有 深远 的 影响 。 这 些 处 理 和 识别 工作 ,都 是 在 可 见 光 下 实现 的 ,因此 ,可 以 用 彩色 摄像 机 和 图 像 采 集 片 获得 数字 图 像 , 有 人 以 茨 茹 生长 为 例 , 研 究 过 在 缺少 Ca,Mg, Fe 等 元 素 时 ,叶片 颜色 的 变化 。 4. 通过 颜色 识别 马铃薯 和 苹果 成 熟 度 颜色 是 与 农产品 质量 有 着 非常 密切 联系 的 一 种 特征 。 蔬 菜 \ 水 果 的 颜色 显示 其 新 鲜 程度 .成 熟 程度 和 缺陷 所 在 。 马 铃 薯 、 苹 果 的 人 工 检测 , 须 耗费 人 力 、 物 力 和 时 间 ,而 用 计 算 机 作 色 检 , 可 以 对 它们 进行 自动 分 类 。 5. 畜 ( 禽 ) 肉 的 纹理 检测 对 正常 和 非 正 常 的 畜 禽 肉 由 可 用 纹理 检验 方法 加 以 区 分 。 有 害 人 体 健 康 的 畜 禽 肉 ， 其 纹理 比 正 常 的 粗 。 这 样 ,通过 Fourier 功率 谱 特 征 ,就 能 清楚 地 分 辨 正常 与 否 。 6. 利用 灰 度 共生 纸 阵 描述 烟叶 机 体 结 构 在 图 像 灰 度 共生 和 矩阵 上 ,如 果 被 检测 区 域 呈 现 细 的 纹理 , 即 说 明 烟 叶 机 体 结构 紧密 ， 其 灰 度 共生 矩阵 则 远离 对 角 线 。 依 据 这 些 特 征 以 及 其 他 方面 特征 ,可 以 确定 烟叶 表面 特 征 参 数 , 加 以 区 别 。 7.， 细胞 特征 模式 识别 为 了 了 解 植物 在 干旱 低温 等 致 灾 生 态 动力 源 作 用 下 ,植物 受害 的 本 质 特 征 ,在 作物 生育 期 干旱 或 低温 等 生态 逆境 条 件 下 ,不 同 作 物 、 同 种 作物 不 同 品种 之 间 受 害 程 度 差 异 ， 从 田间 取得 玉米 高 梁 \ 水 稻 的 样 株 ,对 细胞 先 在 电子 显微镜 下 摄影 , 继 后 用 计算 机 进行 细胞 分 析 ,从 而 为 了 解 作 物 灾情 提供 必要 依据 ,也 是 为 生态 控制 服务 的 一 种 自动 化 侦察 手段 。 8. 杂 草 综合 特征 分 析 为 控制 杂 草 生长 , 须 对 杂 草 进行 自动 识别 ,并 控制 喷 药 系统 ,使 除草 自动 化 ,用 灰 度 、 颜 色 形状 、 纹 理 综合 特征 ,识别 杂 草 状况 ,以 此 作为 控制 杂 草 的 一 种 优化 生态 控制 技 Ro BTN “人工 神经 元 网 络 在 农田 生态 控制 中 的 应 用 人 工 神经 元 网 络 (ANN) 把 算法 和 结构 统一 为 一 个 系统 ,是 一 种 硬件 和 软件 的 混合 体 。 由 于 它 在 某 种 程度 上 模拟 大 脑 的 结构 ,所 以 这 种 系统 有 更 高 的 智慧 ,有 更 快 的 运算 速度 。Rumelhart 曾 从 8 个 方面 说 明神 经 元 网 络 构成 的 原理 和 特征 。ANN 的 运算 逻辑 与 AI( 人 工 智 能 ) 实 际 上 是 相同 的 。 比 如 说 ,识别 事物 时 , 均 采 用 等 价 模 型 。 以 识别 冬 小 麦 干 热风 为 例 , 当 夏 季 温 度 高 \ 湿 度 低 、 风力 大 三 要 素 重 要 时 , 便 判 定 为 干 热风 的 生态 动 力 条 件 。 下 面 , 让 我 们 讨论 利用 人 工 神经 元 作 生态 控制 决策 的 问题 。 259 依据 生态 动力 预报 作 生 态 控制 决策 ,是 在 已 知 生 态 预 报 条 件 下 , 按 某 种 机 理 ,显示 出 明确 生态 意义 下 的 措施 。 也 可 以 是 按 预 报 结果 应 采用 的 随机 措施 ,此 时 可 同 像 MDP Ff 样 的 方法 接轨 , 以 达 优 化 控制 的 目标 。 在 农田 生态 调控 中 ,可 利用 美国 Neural ware 公司 开发 设计 的 Madaline 神经 元 网 络 模型 MA AMAL. PIE (Adaline 层 ) 和 输出 层 三 层 单 元 。 当 用 于 生态 调控 时 ,其 输 人 层 有 四 组 输入 单元 的 相应 输入 数据 的 输入 格式 。 在 我 国 中 原 地 区 ,冬小麦 是 面积 最 大 的 重要 的 粮食 作物 ,在 春季 如 因 寒 潮 冷 锋 之 类 的 天 气 黎 击 ,突然 降温 ,冬小麦 易 遭 霜冻 ， 作为 寒潮 天 气 这 一 生态 动力 源 的 生态 动力 汇 ,如 处 于 拔节 这 一 物候 期 , 则 受害 严重 , 须 及 早 采 取 某 些 控制 措施 防 霜 冻 。 这 样 控 制 霜冻 的 备战 行动 ,应 以 中 期 (比如 5d) 生 态 动力 预 报 为 转移 :如 果 遭 霜冻 威胁 可 能 性 大 , 而 事前 准备 不 足 ,势必 临阵 措手不及 ,以 致使 霜冻 大 大 危害 冬小麦 ,导致 减产 ;反之 ,威胁 不 大 ,盲目 准备 防 霜 , 劳 而 无 功 浪 费 人 力 、 物 力 , 带 来 不 必要 的 损失 。 为 优化 这 种 过 程 ,从 农田 生态 动力 学 基本 原理 出 发 运用 概率 统计 等 现 代数 学 工具 , 精 选 出 4 种 生态 动力 因子 ,以 其 相应 的 可 测 数据 作为 输入 单元 。 它 们 分 别 是 :四 从 欧洲 中 期 天 气 中 心 的 模式 输出 图 和 预报 图 ,看 未 来 120h A, 主 冷 锋 是 否 能 达到 某 一 纬度 以 南 ,如 果 可 到 达 该 标准 ,编码 1, 否 则 编码 0;@ 未 来 120h 内 当地 风力 大 小 ,小 于 3 级 ,编码 1, 否则 编码 0; 包 土壤 丧 情 , 较 好 ,编码 二, 否则 编码 0; OAK 120h, SNA 的 物候 期 ,拔节 ,编码 1, 未 拔节 编码 0。 输 入 层 按 一 组 数据 ,比如 有 30 组 样本 , 则 有 4 个 输入 层 , 共 30Xx4=120 个 码 (用 1 或 0 表示 ), 输 入 机 器 ,输出 层 有 3 个 单元 ,分别 对 应 “不 予 防御 ”一 般 防 御 ” 和 -加强 防 御 3 种 控制 措施 。 中 间 层 共有 15 个 单元 ,分 3 组 ,每 组 只 有 一 个 输出 单元 有 固定 为 工 的 连接 权 。 这 样 一 个 输出 单元 实现 对 中 间 层 相应 组 单元 输出 的 大 数 表 决 。 在 这 个 网 络 中 ,各 单元 的 输入 、 输 出 模式 为 双 极 值 (-1 和 +1, 其 编码 分 别 为 0 和 1) 模式 。 网 络 的 学 习 仅 仅 发 生 输 入 层 单元 到 中 间 层 单元 的 连接 权 上 。 对 于 一 个 给 定 的 输入 模式 ,如 果 网 络 的 实际 输出 与 网 络 的 希望 输出 匹配 ,Adaline 的 输入 连接 权 就 不 发 生变 化 ; 当 实 际 输 出 与 希望 输出 之 间 有 误差 时 ,在 中 间 层 中 其 激活 值 (加 权 输 人 ) 最 接近 于 零 的 那个 Adaline 所 对 应 的 输入 连接 权 向 着 减 小 网 络 输出 误差 的 方向 变化 ， 这 就 是 LMS 算法 。 对 于 其 他 模式 ,重复 上 述 过 程 ,直到 网 络 收敛 为 止 。 用 于 网 络 学 习 数 据 ( 来 自 数 值 预报 的 模式 输出 数据 \ 风 的 地 面 观 测 数据 土壤 丧 情 实 测 数 据 以 及 冬小麦 物候 期 数据 ) 均 须 按 约定 标准 编码 后 ,才能 作为 训练 模式 集 。 由 于 Madaline 网 络 要 求 输入 模式 是 线性 可 分 的 ,可 构成 各 自 的 取 值 段 。 输 入 机 器 处 理 后 ,得 出 的 输出 结果 便 是 应 采取 的 控制 措施 。 与 此 类 似 , 对 于 农业 生产 中 常用 的 许多 其 他 农田 生态 控制 措施 ,可 用 类 似 方 法 完成 。 它们 是 : D 喷雾 防 霜 措施 的 优化 控制 :针对 的 作物 有 茶树 等 ,其 有 关 生 态 因 子 数 据 主要 是 通 过 试验 取得 的 ,包括 叶 温 变化 有 效 喷雾 强度 与 空气 温度 的 关系 、 喷 雾 一 定时 间 后 (比如 20min 后 ) 温 度 的 变化 天 气 条 件 ( 风 力 ` 风 向 \ 大 气 湿度 ) 变 化 等 。 输 出 的 结果 是 暑 雾 强 度 。 Q 小 麦 干 热风 防御 的 优化 控制 :这 也 是 大 约 以 5d 为 一 段 的 中 期 决策 ,依据 是 于 热风 指标 (温度 高 湿度 小 ,风力 大 ) 及 其 对 灌浆 期 小 麦 的 危害 。 可 依 中 期 天 气 数值 预报 图 、 地 面 气象 要 素 实 况 和 物候 预报 ,将 数据 转化 为 代码 ,作为 训练 样本 输入 ;输出 为 控制 措施 的 类 别 。 260 @ 大 田 作物 施肥 控制 方案 :主要 目标 是 抓 准 施肥 时 间 。 为 此 , 依 作物 的 生物 学 特性 ， 以 及 土壤 肥力 、 作 物 长 势 、 物 候 期 和 中 期 天 气 预 报 , 进 行 编码 输入 ;输出 则 是 施肥 的 ` 适 期 ” "不 适 期 " ”最 佳期 。 © 冷害 防御 :依据 具体 作物 特性 和 有 关 冷 害 指标 等 ,结合 天 气 条 件 , 作 出 防御 决策 。 输入 的 数据 包括 :未 来 是 否 会 出 现 足 以 引发 作物 冷害 的 低温 指标 、 作 物 处 于 何 发 育 期 以 及 作物 抗 逆 能 力 等 ,编码 输入 后 ,可 输出 应 采用 防御 措施 的 控制 结果 。 当然 ,人 工 神经 元 网 络 用 于 农田 生态 控制 , 刚 处 于 原理 研究 暨 理论 设计 阶段 , 待 处 理 的 问题 ,尤其 是 实际 应 用 , 尚 须 做 大 量 工作 。 第 七 节 人 工 生 物 环 境 温度 的 智能 控制 人 工 创建 的 生物 环境 ,比如 温室 玻璃 房 . 冀 舍 、 禽 舍 以 及 利用 空调 的 人 居 环 境 , 是 人 工控 制 的 生物 环境 。 对 于 这 种 环境 ,人 工控 制 的 目标 是 尽量 满足 生物 需求 (以 生态 控制 标准 为 准 ), 同 时 尽量 利用 天 然 的 生态 动力 源 以 节省 人 工 能 源 ,使 生态 经 济 效益 达到 一 定 标准 。 由 开关 控 制 ,比如 我 国 北方 ,日 光 温室 系 以 太阳 辐射 能 为 主要 能 源 , 按 作物 或 畜 禽 对 热量 \ 水 分 和 风 的 需求 ,通过 开口 放风 、 揭 盖 草 帘 等 人 工控 制 措施 ,也 可 视 为 以 生产 经 验 为 出 发 点 的 适 应 生态 需要 的 开关 控制 ,必然 随 控 制 论 发 展 而 发 展 到 模糊 控制 神经 网 络 控制 等 智能 控 制 。 这 些 控制 的 基本 目标 ,首先 考虑 温度 这 一 生态 要 素 的 控制 。 下 面 论 述 暖 风 器 控制 温 度 的 智能 控制 原理 。 对 于 暖 风 器 这 样 的 现代 设备 ,比如 严冬 时 用 于 现代 温室 的 暖 风 器 , 它 不 仅 要 有 御寒 的 功能 ,而 且 要 求 伴随 着 适度 的 气流 ` 温 度 的 变化 ,使 动物 (包括 人 ) 感 到 和 舒适。 让 各 种 生 物 “享用 所 须 的 生存 指标 温度 湿度 和 通风 条 件 。 传 统 的 取暖 器 可 将 室温 控制 在 一 定 的 指标 温度 范围 内 。 但 是 , 暖 空气 常常 停留 在 控制 环境 的 上 方 部 位 ,室内 上 下 温差 较 大 ,这 样 的 环境 温度 通常 不 能 很 好 满足 生长 在 其 中 的 生物 ,尤其 是 栽培 植物 的 需求 。 为 了 利用 室内 不 同 空间 部 位 的 不 同 温 热 条 件 , 有 时 不 得 不 实施 立体 栽培 的 空间 布局 手段 ,比如 将 要 求 温 度 较 高 的 蔬菜 作物 用 吊 篮 悬挂 于 上 部 ,把 要 求 温度 较 低 的 作物 栽培 于 地 面 。 这 样 做 ,虽然 能 适应 环境 条 件 ,但 是 由 于 发 育 期 防治 病虫害 等 的 差异 ,给 作物 优化 布局 带 来 许多 麻烦 ,而 且 使 揭 棚 \ 放 风 等 室温 调节 措施 更 加 复杂 化 ,以 致使 本 来 存在 的 生物 与 环境 之 间 的 协调 关系 失去 控制 ,导致 严重 的 后 果 。 为 解决 上 述 问题 ,可 采用 混沌 控制 暖 风 器 ， 采用 对 流 扇 使 风量 上 扬 ,进而 使 室内 空气 充分 流动 ,改变 室温 的 不 均匀 性 ,以 满足 生物 生 长 的 需求 。 这 种 设备 的 关键 部 分 是 混沌 仿真 器 , 它 将 混沌 理论 用 于 生物 温度 环境 调控 的 基础 设 施 。 混 沌 仿真 器 由 混沌 信号 生成 部 ` 混 沌 性 判定 提取 部 、 非 线性 系统 辨识 部 构成 。 混沌 信号 生成 部 通过 Logistic 了 映像、 间歇 性 映像 等 以 及 简单 的 数学 和 迭代 方程 产生 具 有 混沌 性 的 时 间 序 列 信和 号。 混沌 性 的 判定 提取 根据 表 9-2 所 列 的 混沌 特征 及 判定 标准 ,来 判定 所 观测 的 时 间 序列 信号 是 否 具 有 混沌 性 。 仿 真 器 是 用 谱 分 析 、 自 相关 函数 和 ArmyHoe 指数 作为 判定 各 个 特征 的 基准 ,进行 混沌 性 判定 的 。 非 线性 系统 辩 识 部 能 够 根据 对 具有 混沌 性 的 系统 和 包括 其 在 内 的 非 线性 动力 学 系 261 统 的 辨识 ,来 预测 推断 系统 的 状态 并 进行 控制 。 在 系统 辨识 中 , 由 于 采用 了 单独 的 自 增 殖 型 神经 模糊 模型 ,因此 可 以 大 大 缩短 构造 最 佳 模型 所 需要 的 时 间 。 表 9-2 混沌 性 特征 及 判定 基准 特征 A | O® 判定 指标 判定 标准 即使 初 值 稍微 改变 混沌 动力 学 系 JImrynoe JInnyaoa SHEA REE 统 解 的 轨道 就 变 得 不 同 指数 至 少 有 一 个 是 正 值 混沌 动力 学 系统 中 不 能 进行 长 期 自 相 关 函 数 随 着 延迟 时 间 增长 iN Aaa Te 没有 明确 的 周期 性 谱 分 析 特定 的 频率 域内 不 存在 峰值 下 面 让 我 们 简 述 混沌 产生 生物 所 需求 暖 风 的 机 理 。 所 谓 生物 所 需求 的 暖 风 , 实 际 上 是 依据 生物 指标 温度 的 一 种 温暖 的 人 工 气 流 , 这 种 人 工 气流 的 温度 流动 速度 的 变化 ,都 很 缓慢 , 呈现 出 一 种 ` 轻 轻 播 摆 “、 微微 波动 的 态势 (该 摇摆 、 波 动 的 状况 ,可 用 温度 、 微 风 测 定 仪器 进行 测试 )。 这 样 的 暖流 当然 视 为 一 种 混沌 现象 。 最 后 说 明 一 下 其 运行 效果 。 根 据 生物 的 温度 指标 ,人 为 地 对 温度 实施 智能 控制 ,这 种 控制 与 传统 的 控制 方法 相 比 ,使 室温 的 均匀 性 得 到 改善 ,从 而 使 生物 产品 质量 提高 , 产 量 增加 ,并 可 以 节省 能 耗 ,有 利于 发 展 高 产 、 优 质 、 高 效 大 农业 ,增强 人 居 环 境 的 舒适 度 。 我 国 设 施 农 业 规模 很 大 ,生活 于 其 中 的 生物 种 类 极 多 。 相 信 , 随 着 农村 经 济 实 力 和 科技 意识 增强 ,在 不 久 的 将 来 ,环境 智能 控制 措施 会 广泛 推广 应 用 。 第 八 节 ， 生态 控制 专家 系统 专家 系统 (expert system) 来 源 于 人 工 智 能 , 它 是 人 工 智 能 面向 实际 应 用 的 三 个 分 支 (机 器 人 专家 系统 自然 语言 理解 ) 之 一 。1969 年 ,美国 Feigenbaum 公布 了 第 一 个 专家 系统 DENDRAL, 这 被 认为 是 知识 工程 的 开始 ( 戴 汝 为 ,2002)。 专家 系统 就 是 研究 利用 针对 某 个 专门 问题 的 专家 的 知识 ,建立 人 机 系统 来 进行 求解 的 。 据 此 ,生态 控制 专家 系统 应 是 针对 生态 控制 这 一 专门 问题 的 专家 系统 。 该 系统 涉及 PEER AA Se ENS Sadak rere ame i 只 ,包括 他 们 中 每 个 人 所 掌握 的 公开 知识 和 个 人 的 经 验 性 知识 一 一 启发 式 (heulristic) 知 识 。 这 些 知识 是 广义 的 生态 专家 (下 简称 专家 ) 区 别 于 非 生 态 专家 的 标志 所 在 , 它 能 使 专家 在 必要 的 时 候 作出 猜测 作出 抉择 ,辨别 出 有 希望 的 解决 生态 控制 某 些 问题 的 最 优 途 径 ,并 能 有 效 地 处 理 错误 的 或 不 完整 的 数据 。 一 发 展 生 态 控制 专家 系统 的 必要 性 和 现实 性 从 本 书 绪论 及 前 述 有 关内 容 可 知 ,迄今 ,生态 控制 中 有 相当 多 的 问题 ,并 不 是 赁 经 验 或 靠 某 些 解析 式 即 能 很 好 解决 。 因 为 即使 研究 某 些 具体 的 控制 问题 ,也 往往 涉及 大 系统 乃至 复杂 巨 系统 。 如 无 多 方面 专家 知识 的 共同 努力 ,难以 求 出 合理 的 解 。 所 以 总 体 说 来 ,具有 广泛 的 社会 需求 。 另 一 方面 , 随 着 生态 控制 原理 发 展 , 专 家 知识 不 断 丰 富 , 大 量 资料 信息 的 存在 ,使 系统 建立 和 推广 ,有 物质 和 人 力 基础 。 具 体 论述 如 下 。 1. 有 助 于 生态 控制 知识 的 继承 如 所 周知 ,生态 控制 知识 是 长 远 积累 的 结果 , 串 待 世代 继承 , 如 间断 ,损失 不 言 而 喻 。 262 我 国 是 文明 古国 ,生态 控制 知识 自古 有 之 ,由 于 种 种 原因 , 没 得 到 应 有 的 发 展 。 直 至 20 世纪 70 年 代 末 , 随 着 生态 学 受到 重视 ,生态 控制 问题 才 逐 渐 提 到 议事 日 程 , 然 而 ,中 间 确 有 相当 长 一 段 时 间 无 人 问津 。 比 如 , 早 在 20 世纪 20 年 代 就 有 了 Lotka - Volterra 生态 方 程 , 在 我 国 至 迟 在 70 FRA 80 年 代 初 已 引起 著名 数学 家 华罗庚 、 王 元 的 重视 (华罗庚 、 王 元 ,1981) , 而 在 我 国生 态 学 界 20 多 年 前 熟悉 此 方程 者 窗 窗 无 几 ; 关 泌 直 院士 早 在 1982 年 就 提出 控制 理论 在 生态 学 中 应 用 的 问题 。 钱 学 森 、 宋 健 院 十 在 《工程 控制 论 》 下 册 也 提 到 利用 大 系统 解决 生态 环境 问题 。 但 在 生态 学 界 反应 较 迟 。 随 着 世界 各 国 对 生态 学 和 生态 环境 重视 , 近 20 年 生态 控制 研究 取得 长 足 进展 。 但 是 , 某 些 极为 有 用 的 知识 ,诸如 生态 动力 学 生态 模 造 和 生态 控制 知识 , 仅 为 少数 专家 所 掌握 。 有 些 实 践 性 强 的 知识 , 像 生态 动力 预测 和 优化 控制 决策 的 经 验 , 难 以 继承 下 来 ,对 人 类 社会 是 一 项 损失 。 然 而 , 生 态 控制 的 专家 系统 能 将 分 散 的 专家 知识 采集 、 集 成 并 存储 下 来 ,以 科学 的 形式 一 代 一 代 地 传授 下 去 ,促进 生态 控制 不 断 发 展 。 2. 形成 生态 控制 的 专家 知识 群体 生态 控制 学 科 交 叉 特点 使 形成 具有 不 同 知识 结构 的 各 学 科 专 家 的 专家 群体 的 必要 性 和 紧迫 性 ,为 我 们 充分 认识 。 而 建立 专家 系统 过 程 正 是 集中 专家 知识 ,形成 专家 知识 群体 过 程 。 在 此 过 程 中 ,不 仅 收 集 各 分 支 学 科 专 家 知识 ,还 要 对 生态 知识 群体 ,尤其 是 那 些 经 验 类 型 的 知识 群体 进行 处 理 。 使 之 系统 化 ` 条 理化 科学 化 和 形式 化 。 比 如 湿地 控 制 问题 ,由 水 文 、 鸟 类 植被 土壤 系统 生 态 等 方面 专家 构成 的 群体 知识 的 作用 , 远 远 胜 过 单纯 的 湿地 地 理 专 家 ,使 湿地 控制 研究 更 科学 可 得 事半功倍 效果 。 3. 专门 知识 共享 涉及 某 类 生态 动力 源 的 知识 ,往往 是 某 一 门类 专家 掌握 得 比较 好 ,其 他 类 专家 差 些 。 比如 ,未 来 Sd 是 否 会 有 影响 植物 的 低温 ?要 了 解 这 一 问题 须 有 中 期 数值 预报 知识 , 然 而 ,这 种 知识 只 是 气象 专家 掌握 较 好 。 一 般 生态 学 家 不 知 其 预报 原理 ,只 能 运用 预报 结 果 , 难 以 做 好 防 低温 的 生态 控制 ,以致 在 确定 保护 植物 免 受 低 温 措施 时 ,并 未 将 Sd 天 气 形势 动态 列 人 ,必然 影响 控制 效果 。 而 生态 控制 专家 系统 建成 ,可 使 水 文 气象 专家 对 生 态 动力 源 的 认识 ,为 各 学 科 专 家 共享 。 其 他 行业 专家 的 知识 ,对 生态 控制 作用 ,也 有 类 似 情况 。 4. 数学 方法 智能 化 利用 生态 控制 的 专家 系统 ,能 够 把 包括 数值 方法 在 内 的 某 些 数学 方法 集成 起 来 ,使 其 为 生态 控制 综合 发 挥 作用 ,否则 由 生态 专家 一 一 地 去 摘 计 算 、 模 拟 , 浪费 人 力 和 时 间 。 而 专家 系统 却 把 他 们 解放 出 来 ,以 更 多 的 力量 投入 生态 控制 的 分 析 、 综 合 与 决策 中 。 二 农业 专家 系统 的 生态 控制 内 涵 及 改进 方向 专家 系统 在 生态 控制 方面 的 应 用 是 一 个 主要 的 研究 方向 ,所 涉及 的 生态 动力 源 和 汇 的 范围 极其 广泛 。 在 这 里 ,只 以 发 展 比 较 早 并 应 用 普遍 的 农业 专家 系统 中 的 有 关 生 态 问 题 , 作 简 要 论述 。 众 所 周知 ,农业 科学 所 依赖 的 基础 学 科 很 多 , 像 遗传 植物 (动物 ) 生 理 、 昆虫 学 \ 植 物 ( 动 物 ) 病 理学 \ 农 业 物理 土壤 肥料 学 生物 化 学 \ 生 态 学 等 ,所 以 农业 专家 系统 必然 不 同 程度 地 涉及 上 述 学 科 。 鉴 于 本 书 的 内 容 , 我 们 只 就 其 中 涉及 生态 控制 的 内 池 , 加 以 论述 并 举例 说 明 。 专家 系统 应 用 于 农业 , 近 20 年 国内 外 发 展 迅 速 ,至 1996 年 6 月 ,国际 上 已 有 农业 专 263 家 系统 近 百 个 ,广泛 用 于 农作物 生长 温室 管理 、 牲 畜 环境 控制 、 森 林 火 灾 控 制 、 渔 业 生 产 等 方面 。 近 在 1998 年 有 用 于 葡萄 生产 的 GRAPEX, 用 于 麦田 的 NEPER 等 系统 。 我 国 的 农业 专家 系统 研究 始 于 20 世纪 80 年 代 初 ,能 范 纶 等 主持 完成 的 科研 成 果 10 多 年 来 ， 推广 于 20 多 个 省 市 。 下 面 介 绍 “ 安 徽 江 淮 地 区 棉花 生产 管理 专家 系统 ”能 范 纶 ,1999 ) 例 子 , 分 析 其 生态 控制 的 内 涵 。 该 系统 是 由 雄风 3.1 工具 开发 ,在 Windows 95 平台 上 运行 。 综 合 该 系统 ， 其 " 移 栽 期 的 选 定 " 和 “ 追 施 蕾 肥 ”, 与 生态 控制 关系 最 为 密切 。 关 于 该 例 的 优势 ,不 拟 多 述 , 只 就 生态 改进 予以 分 析 。 先 看 移 栽 期 的 选 定 问题 , 据 介 绍 “ 某 用 户 是 油菜 天 或 小 麦 预 PATER, ,建议 移 栽 期 选 在 5 月 15 一 25 日 "。 首 先 ,不 难看 出 ,该 移 栽 期 的 范围 选 得 太 宽 , 如 果 是 在 5 月 中 旬 之 前 1 个 月 ,比如 4 月 15 日 左右 粗 选 为 该 范围 , 尚 可 作为 提早 安排 移 栽 的 粗略 参考 时 间 ,但 一 般 应 在 育苗 进行 期 间 选 择 移 栽 期 ,这 种 移 栽 期 大 概 应 提前 Sid 左右 ,并 且 所 定 范 围 不 能 超过 3d。 和 否则 ,这样 的 选择 就 无 异 于 农户 一 般 的 传统 经 验 ,失去 建立 相应 专家 系统 的 意义 。 在 像 移 栽 这 种 农事 作业 的 生态 控制 来 说 ,由 于 土壤 肥力 等 生 态 动力 源 不 会 有 大 的 变化 ,水 文生 态 动 力 源 通常 能 满足 的 情况 下 ,未 来 的 温度 便 成 为 气 象 生态 动力 源 一 一 或 更 确切 地 说 是 天 气 生 态 动 力 源 一 一 中 最 重要 的 生态 动力 因子 ,也 是 确定 移 栽 期 的 关键 。 这 种 想法 的 确认 时 间 , 是 早 在 1965 年 春 召开 农学 家 、 气 象 学 家 、 劳 动 模范 座谈 会 上 ,此 后 ,30 多 年 ,无 异议 。 但 是 ,在 1979 年 以 前 ,由 于 5d 左右 的 春季 (或 初夏 ) 低 温 预报 未 过 关 ,使 播 期 确定 成 了 难题 。 在 欧洲 数值 天 气 中 心 的 中 期 数值 预报 方 法 实行 业务 化 后 ,能 以 模式 输出 图 的 形势 指示 中 期 天 气 预报 并 效果 较 好 ,可 是 具体 要 素 预报 只 靠 数 值 模式 输出 结果 不 行 ,要 结合 地 方 经 验 预报 。 依 此 想法 作 低 温 预报 ,使 之 与 移 栽 期 选择 相 结合 , 才 会 使 涉及 此 问题 的 生态 控制 专家 系统 ,不 限于 以 前 许多 农业 专家 系统 内 容 , 而 是 强化 生态 控制 在 其 中 的 作用 。 遗 憾 的 是 在 国内 外 已 有 的 近 百 个 农业 专家 系统 中 , 少 有 这 样 的 生态 控制 的 内 核 , 以 致 其 中 关于 农事 活动 的 某 些 适应 气象 条 件 的 控 制 决 策 , 只 是 依据 一 般 的 气候 规律 ,或 只 用 基础 的 多 年 平均 资料 ,使 本 来 变动 较 大 的 天 和 气 生态 动力 因子 未 能 体现 ,这 种 不 充分 考虑 天 气动 态 的 农业 专家 系统 是 不 完善 的 。 此 外 ， 迄今 国内 外 已 有 的 数 以 百 计 的 气象 专家 系统 , 少 有 考虑 服务 于 生态 控制 者 。 然 而 , 北 开 迷 等 研制 的 “倒春寒 "预报 专家 系统 认为 ,低温 阴雨 天 气 往往 是 冷暖 气 团 势 力 均衡 ,在 华 南 形成 静止 锋 并 得 以 维持 所 致 。 据 此 抓 住 冷 空气 南下 强度 路径, 判断 江南 是 否 会 有 锋 生 , 分 析 高 空 温度 锋 区 水汽 输 送 及 本 站 湿度 条 件 ,应 用 系统 软件 , 画 出 知识 树 ,建成 知识 库 ,确定 逻辑 推理 步骤 ,实践 证 明 效 果 良 好 。 将 类 似 预 报 用 于 移 栽 确定 等 农事 ,进行 优化 生态 控制 ,要 充分 考虑 生态 动力 因子 变化 。 还 有 曾 志 刚 等 研制 的 云南 寒潮 预报 专家 系 统 , 也 有 类 似 的 功能 。 在 农业 专家 系统 中 , 另 一 个 对 天 气 敏 感 的 问题 是 追肥 。 若 掌握 得 准确 ,必须 了 解 天 气 , 正 确 运 用 降水 这 类 预报 专家 系统 ,极为 重要 。 我 国 已 有 不 少 省 市 建立 了 暴雨 等 预报 专家 系统 ,这 些 系统 如 纳入 农业 专家 系统 , 即 形成 一 种 以 天 气 生 态 动力 因子 为 主 的 农业 生态 控制 专家 系统 ,对 于 其 他 行业 ,也 是 如 此 。 为 创建 生态 控制 专家 系统 的 专门 体系 , 需 付 出 极 大 努力 。 因 为 现存 的 各 种 专家 系统 只 能 供 生态 参考 。 由 于 生态 控制 原理 具有 多 学 科 交 叉 性 ,同时 信息 源 广泛 ,建立 生态 控 制 知识 库 ,初期 很 难 十 全 十 美 , 遇 到 一 些 失 误 ,在 所 难免 。 重 要 的 是 要 找 出 原因 ,不 断 改 PES MRCS. BERGA 1990 年 曾 指出 ,气象 专家 系统 的 开发 应 用 仍 处 在 初级 阶 264 段 ,存在 着 不 少 问题 。 这 是 气象 专家 对 本 行业 专家 系统 的 看 法 ,其 他 行业 ,也 有 类 似 情 况 。 生 态 控制 专家 系统 , 须 参 照 有 关 学 科 专家 系统 ,努力 工作 ,以 期 在 不 久 将 来 建立 起 较 完善 的 生态 控制 专家 系统 。 三 海洋 渔场 生态 预报 与 控制 的 专家 系统 方案 鱼 类 是 海洋 中 重要 生物 ,是 人 类 重要 的 食品 来 源 。 鱼 类 在 海洋 中 润 游 受 多 种 生态 动 力 因 子 的 影响 。 依 生态 动力 方面 的 有 关 数 据 建立 预报 模式 ,再 依 其 作 预 报 是 我 们 所 期 望 的 。 但 是 海洋 鱼 类 的 泗 游 和 中 心 渔场 的 形成 , 受 许多 因素 制约 。 就 以 某 大 河 三 角 洲 附近 的 近海 渔场 来 说 ,这 种 泗 游 和 中 心 渔场 的 形成 , 据 定 性 研究 ,主要 决 取 于 :海水 温度 (海面 温度 深层 海水 温度 ) ,可 视 为 物理 性 质 的 生态 动力 源 ; 海 水 盐 度 和 盐 度 梯度 ,可 视 为 化 学 性 质 的 生态 动力 源 ; 人 海 大 河 的 径流 量 ,是 水 文生 态 动力 源 ; 海 面 的 风向 和 风速 ,这 可 视 为 气象 生态 动力 源 。 由 于 生态 动力 源 和 作为 中 心 渔场 的 鱼 类 (生态 动力 汇 ) 各 自动 态 、 因 果 关 系 及 其 变化 十 分 复杂 , 以致 尚 无 法 比较 客观 地 建立 起 确定 性 的 微分 方程 模型 和 随机 性 的 概率 统计 模型 。 但 是 ,经 过 积累 海 况 、 渔 况 等 多 种 生态 动力 源 - 汇 方面 的 几 十 年 数 据 , 又 有 渔 政 管理 机 关 、 渔 业 公 司 的 有 关 经 验 知识 ,由 此 可 利用 专家 系统 的 某 些 方案 制作 中 心 渔场 随时 间 推 移 变化 趋势 的 预报 。 下 面 , 是 采用 范例 推理 (CBR ) 方 案 的 推理 过 程 简介 。 假定 海 况 是 以 周 为 计量 单位 加 以 研究 的 ,是 以 1 周作 为 周期 。 由 所 研究 的 那 一 周 预 报 下 一 周 中心 渔 场 位 置 。 所 采用 的 三 个 相似 性 度量 方法 是 : 中 基于 渔场 位 置 的 相似 siml = — =(@; * distance (pos (goal) — pos (source) ) )/ 立 w， 多 基于 温度 的 相似 sim2 = 一 Z(ow; * difference (temp (goal) — temp (source) ))/Sw; @ 基 于 温度 梯度 相似 sim3 = — >(w; * difference (delta (goal) — delta (source) ) )/Sw,; 其 中 o; 是 权重 。 该 温度 测试 点 与 作为 样本 的 中 心 渔场 的 距离 d, 越 近 ,权重 就 越 大 。 在 计算 时 ,如果 距 离 d, 为 零 , 权 重 就 为 1; 如 果 da; 为 海洋 区 域 直 径 一 一 最 大 距离 w ,权重 就 为 小 于 1 的 一 个 数 wo ,用 户 可 以 根据 推理 结果 进行 修正 ;其 余 情 形 ,用 插值 法 来 估计 ， 即 用 如 下 公式 rT d; (1 x: wo ) Lome 该 方案 的 范例 主要 有 近邻 法 、 归 纳 法 、 知 识 导 引 法 或 三 者 的 结合 。 在 本 系统 中 困难 之 处 在 于 海 况 (作为 生态 动力 源 ) 和 渔 况 (作为 生态 动力 汇 ) 信 息 以 及 它们 之 间 的 时 间 、 空 间 相 关 关 系 。 为 了 清晰 起 见 , 作 如 下 形式 上 处 理 。 BC, 为 时 刻 与 的 海 况 , 它 是 渔场 发 生 的 条 件 (条 件 属 性 ); C, 为 在 时 刻 ¢, 渔场 的 位 置 ,规模 和 产量 (决策 属性 ) ;时刻 ce, 实例 人 CC (9-16) (9-15) w;=1 组 成 一 个 高 维 向 量 。 而 265 Ph, Se SUR ee eee ey rel ee (9-17) 构成 一 个 时 间 连 续 的 实例 序列 , KE tc, 的 下 一 个 时 刻 ( 周 ), 妃 fet, WP n —1 PATS (il). AG, = G,，- G, 反映 渔场 变化 。 BP oly, Shes La AT Ea Wee Eee, D4 Sh,~ Get ) FADE BE RK. MRT, LP, … 则 称 大-，, 开 -是 太一 6 完全 相似 的 (其 中 8 是 0,1 间 的 阔 值 )。 BE C15) 1 Ci 5 是 条 件 序列 子 集 ,如果 一， SC, WR L~. ~, FER — 9 条件 相 似 。 设 二 -= 二 ,Tv 一 Te 表示 当时 渔场 从 当前 时 刻 长 度 为 cxur -x+Ll 的 序列 , 则 Loe pt = (I, OM et ee er = thee gal aici 表示 当前 渔场 从 时 刻 u 到 下 一 时 刻 x +1 KEW cur -x+2 的 发 展 过 程 , 其 中 | 三 = 0C £0 Gani 式 中 的 Cope s PTL RAE ATA (AIT SR WOM HP I EA BARE oP LES HH EL) A 而 G。。 ,表示 下 周 渔场 , 即 预报 对 象 。 Be 为 元 -ti 的 包含 二 ,Ls+i 全 序 子 集 ,由 此 找 出 海 况 相似 。 这 样 可 得 Go+1 = Cy22Gl, 于 是 ,根据 Gu ,可 以 得 出 Ga, + BOLLE S$ 4 文 献 FARR. 1994. 作物 气候 评价 的 几 种 客观 方法 . 北京 :气象 出 版 社 . 气象 专家 系统 技术 组 . 1990. 气象 专家 系统 文集 . 北京 :气象 出 版 社 . 史 忠 植 . 2000. 智能 组 织 与 应 用 . 北京 :科学 出 版 社 . 史 忠 植 . 2002. 知识 发 现 . 北京 :清华 大 学 出 版 社 . 华罗庚 、 王 元 . 1978. 数论 在 近似 分 析 中 的 应 用 . 北京 :科学 出 版 社 . FEA ME a/R. 1986. 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MockBa: Hayka. 267 第 十 章 “生态 经 济 控制 与 可 持续 发 展 关于 生态 、 经 济 关系 ,我 们 在 《生态 动力 学 ?一 书 中 已 有 论述 。 生 态 经 济 控制 乃 是 在 生态 与 经 济 关系 的 动态 研究 基础 上 ,为 使 生态 环境 优化 进而 保障 经 济 发 展 的 后 劲 , 所 采 RA ALS ACE ,也 是 充分 发 挥 人 工 生态 动力 源 作 用 的 优化 手段 。 生 态 与 经 济 发 展 的 优化 协调 是 实现 可 持续 发 展 的 必须 措施 。 这 方面 的 控制 原理 很 多 ,并 涉及 生态 学 的 诸多 方面 。 这 一 章 重 点 论述 的 是 能 值 分 析 、 环 境 经 济 、 微 分 方程 及 随机 控制 在 农业 、 林 业 、 牧 业 ` 湿 地 及 城市 环境 生态 经 济 控制 中 应 用 的 原理 方法 和 例子 ,侧重 于 数学 方法 的 应 用 。 第 一 他 ”能 值 利 用 、 环 境 负荷 与 生态 经 济 的 可 持续 发 展 可 持续 发 展 , 越 来 越 深 人 人 心 。2002 年 在 南非 又 一 次 举行 了 有 许多 国家 元 首 或 政府 首脑 出 席 的 环 发 大 会 。 说 明 可 持续 发 展 已 纳入 政府 和 政府 间 活 动 的 重要 议程 。 在 可 持续 发 展 的 研究 中 ,生态 控制 占有 重要 地 位 ,而 其 定量 分 析 更 是 从 原理 上 研究 可 持续 发 展 , 尤 其 是 一 个 国家 级 规模 的 可 持续 发 展 的 科学 依据 。 而 在 这 样 的 研究 中 ， 际 著名 生态 学 家 H.T.Odum(1988, 1991) 曾 指出 ,最 大 能 值 流 是 Lotka 最 大 功率 原理 (Lotka s maximum power principle) 的 新 的 表述 方式 :使 能 值 流 最 大 并 增强 生产 能 力 的 自 组 织 系统 是 可 持续 的 ,而 其 他 系统 都 为 能 较 好 地 增强 其 生产 基础 的 物质 所 取代 。 为 研究 可 持续 发 展 和 能 值 的 应 用 ,人 们 用 多 种 方法 作 经 济 与 自然 系统 的 能 值 分 析 。 其 中 国家 级 的 研究 是 Vlgiati 等 (1994) 用 热力 ,经 济 价值 指标 对 意大利 所 作 的 评估 ,并 以 这 些 指标 同 其 他 发 达 国 家 、` 发 展 中 国家 的 指标 作 了 上 比较。 一 、 科 学 基础 由 于 人 口 膨胀 ,人 类 考虑 其 经 济 决策 的 长 期 环境 后 果 , 就 显得 越 来 越 重 要 了 。 搞 经 济 的 目标 是 取得 经 济 效果 ,其 现实 决策 是 围绕 市 场 转 。 而 公共 政策 的 决策 , 必 需 以 与 全 球 动态 平衡 一 致 的 一 个 价值 系统 为 基础 。 在 这 种 分 析 中 所 用 的 新 的 公共 政策 价值 系统 (public policy value system) 即 能 值 分 析 ,承认 个 体 短期 的 利益 与 长 期 宏观 利益 之 间 的 差异 ,并 能 定量 地 确定 社会 、 环 境 宏观 尺度 上 的 价值 。 它 能 够 公平 地 评价 自然 资 源 ,野生 生命 和 产业 生产 活动 ,用 作 确 定 他 们 各 自 对 整体 利益 和 长 期 可 持续 性 的 相对 重 要 性 及 其 贡献 的 一 种 工具 。 能 值 系统 的 基础 是 系统 结构 和 最 优化 概念 ,是 基于 数学 生态 葛 基 人 Lotka(1922， 1945)、 系 统 论 创始 人 Bertalanffy(1968) 和 著名 系统 生态 学 家 Odum(1983 ) 的 工作 。 在 20 世纪 80 年 代 中 后 期 ,由 Odum 等 提出 的 太阳 能 值 转换 率 (solar transformity) 和 太阳 能 值 (solar emergy) 概 念 是 系统 分 析 方 法 学 的 基础 ,是 以 人 类 社会 和 大 自然 取得 相对 有 效 平 衡 为 目的 来 确定 资源 利用 、 环 境 影响 ` 国 家 和 国际 政策 的 一 个 量 数 。 能 值 (emergy) 的 定义 是 :启动 生产 、 社 会 公用 事业 (或 直接 地 或 间接 地 ) 所 需求 的 能 量 的 总 值 。 转 换 率 的 定义 是 :每 单位 的 生产 或 社会 公用 事业 所 需求 的 能 值 。 当 所 用 总 能 208 量 是 以 煤 (或 煤 的 当量 ,如 在 能 源 分 析 中 常用 的 那样 ) 的 形式 来 表达 的 时 候 ,我 们 可 以 说 煤 的 能 值 和 煤 的 转换 率 。 在 论 及 太阳 能 的 时 候 , 我 们 可 说 太阳 能 和 太阳 能 值 转 换 率 。 当 两 种 初始 自然 过 程 在 生产 中 起 同 种 作用 的 时 候 ,它们 的 太阳 能 值 转换 率 就 被 认为 是 一 样 的 。 用 这 一 类 比 能 评价 具有 不 同 来 源 的 初始 能 流 ( 像 太阳 能 ` 地 热能 或 潮 的 重力 能 ) 之 间 的 关系 。 这 样 ,我 们 有 必要 述 及 太阳 (当量 ) 能 值 ,并 以 太阳 能 值 焦耳 (sej ) 为 单位 计量 。 我 们 也 将 论 及 太阳 (当量 ) 能 值 转换 率 , 并 以 每 焦耳 生产 量 的 太阳 能 值 焦 耳 (sej'J ) 或 每 克 生 产量 的 太阳 能 值 焦耳 (sej'g” ) 为 单位 计量 。 为 叙述 简便 起 见 , 这 里 所 说 的 能 值 意 指 太阳 当量 能 值 ,所 说 的 转换 率 意 指 太 阳 当 量 能 值 转换 率 。 转 换 率 可 以 从 已 知 的 处 于 稳定 状态 的 自然 过 程 和 人 工 过 程 的 输入 分 析 和 输出 分 析 估 计 出 来 。 由 Odum 等 提出 并 在 能 值 分 析 中 一 直 被 使 用 的 上 述 概念 与 定义 ,是 研究 生态 经 济 可 持续 发 展 的 基础 之 一 ,是 迄今 为 止 把 能 值 联系 起 来 的 一 种 定量 的 工具 。 从 生态 动力 学 理 论 来 说 ,它们 能 把 生态 动力 源 的 能 源 概念 分 级 联系 起 来 ,是 衡量 原本 用 不 同 计量 单位 表 示 的 各 种 各 级 生态 动力 源 的 初步 标准 也 体现 了 太阳 作为 一 级 暨 基础 生态 动力 源 并 可 作 用 于 其 他 级 别 生态 动力 源 的 本 质 意义 。 所 以 ,它们 在 宏观 和 微观 可 持续 发 展 中 均 应 有 较 好 的 应 用 价值 。 二 、 国 家 级 能 值 分 析 之 例 : 意 大 利 的 主要 结果 意大利 文化 渊 远 流 长 ,城市 化 起 步 被 认为 是 公元 前 735 年 的 古 罗 马 ,进入 当代 ,全 国 城市 很 多 。Vlgiati 指出 :城市 化 的 发 展 是 靠 矿物 资源 和 其 他 能 源 支 撑 的 ,能 源 起 初 来 自 城市 周边 地 区 , 继 后 则 源 于 被 征服 的 国家 。 意大利 的 人 口 近 三 四 十 年 来 增长 缓慢 ,有 植被 的 土地 为 可 用 土地 面积 的 56% ,森林 覆盖 率 为 22.4% 。 全 国 工 业 增 长 和 农业 生产 之 工业 化 的 发 展 , 导 致 一 系列 环境 问题 。 1. 贸易 平衡 问题 如 Vlgiati 等 经 计算 后 已 经 简要 指出 的 那样 ,贸易 ( 即 意大利 与 欠 发 达 国 家 之 间 的 能 量 交 换 ) 是 不 平衡 的 ,其 主要 原因 是 : 外 意大利 进口 的 能 值 超 过 其 出 口 , 因 此 避免 了 本 土 资 源 ( 但 这 些 资源 大 都 用 于 家 庭 住宅 ) 的 持续 开采 ;对 于 意大利 经 济 有 益 的 资源 、 对 世界 经 济 的 稳定 所 起 的 作用 ,不 能 等 同 而 论 ,因为 对 其 他 国家 来 说 ,可 用 性 较 小 ,是 资源 实际 上 单 向 流动 的 一 种 显而易见 的 后 果 。 @ 由 于 意大利 的 能 值 对 美元 的 比率 低 , 所 以 能 值 从 其 他 国家 进口 时 ,对 意大利 都 是 不 利 的 。 2. 可 用 能 值 的 有 效 利 用 副产品 废物 废料 等 没有 充分 用 于 意大利 的 经 济 反馈 ,这 是 很 常见 的 事 。 资 源 利用 的 有 效 性 还 不 是 最 优 的 。 因 此 ,为 开发 同 其 他 国家 比较 属于 等 量 的 环境 资源 ,更 多 的 不 可 更 新 的 资源 是 需要 的 ,这 正如 很 高 值 的 环境 荷载 率 所 指出 的 那样 。 对 环境 的 负 作 用 是 显著 的 ;这 种 长 期 作用 的 持续 进程 ,对 于 作为 国家 发 展 条 件 的 环 境 基础 ,会 起 到 大 的 破坏 作用 。 在 意大利 北部 (那里 工业 高 度 发 展 ,人 口 密 集 ) ,大 量 能 值 利用 ,产生 许多 有 机 残留 物 和 工业 废水 废物 ,流入 海中 ,使 鱼 类 受到 污染 ,使 旅游 事业 章 受 损 失 ,同样 个 人 财产 也 受 损失 。 269 3. 对 意大利 公共 政策 的 建议 具体 生产 单位 和 生产 管理 者 ,对 生态 问题 往往 缺乏 远见 ,其 最 感 兴趣 的 是 短期 利益 快速 开发 自然 资源 而 获 利 ,而 不 是 长 远 的 环境 质量 ,所 以 对 能 值 分 析 也 不 会 感 兴趣 。 能 值 分 析 的 结果 的 主要 用 户 是 公共 政策 的 决策 者 。 他 们 在 规划 国家 可 持续 发 展 道 路 以 及 自然 资源 管理 决策 中 ,考虑 能 值 分 析 。 在 开发 环境 资源 的 时 候 ,贸易 与 农业 产业 生产 、 贮藏 资源 的 可 持续 开发 .外国 资源 引进 、 局 地 尺度 开发 竞争 ,不 可 更 新 能 值 利用 等 方面 的 能 值 平衡 的 研究 和 计算 ,都 是 有 用 的 。 外 国 能 值 的 引用 ,是 有 长 远 意 义 的 ,这 是 一 切 可 持 续 发 展 与 财富 增长 的 基础 。 三 其 他 方面 的 研究 与 应 用 情况 能 值 分 析 提 出 以 来 ,在 涉及 能 源 的 许多 领域 ,其 中 有 许多 涉及 并 主要 用 于 可 持续 发 展 和 生态 领域 。 下 面 分 地 区 介绍 一 些 例子 。 1. 欧洲 Donati 等 研究 了 意大利 农用 杀 虫 剂 的 环境 问题 。 在 瑞典 , Nilsson 等 编 了 一 部 《能 值 分 析 一 一 架设 在 人 类 经 济 学 与 自然 界 之 间 的 一 座 生物 物理 桥梁 》 的 皇家 农业 科学 院 报告 文集 ,其 中 有 Doherty 等 著 《 瑞 典 能 值 分 析 述 评 ? 一 文 。Pillet 用 能 值 方法 分 析 了 自然 资源 优势 与 公用 事业 价值 问题 。Vlgiati 等 分 析 了 意大利 农业 系统 的 能 值 问题 ,发 表 在 Bonati 等 主编 的 由 阿姆斯特丹 埃 尔 塞 维尔 公司 出 版 的 文集 4 生态 物理 化 学 趋势 》 之 中 。 2. 美洲 Doherty 研究 了 巴布亚 新 几内亚 的 能 值 分 析 和 公共 政策 问题 , 发表 在 佛罗里达 大 学 湿地 中 心 的 研究 报告 文集 中 。Odum 研究 了 “能 值 与 生物 地 球 化 学 循环 " 和 “能 值 与 公共 政策 ,并 构成 环境 工程 科学 的 文献 被 收录 。Odum 又 针对 厄瓜多尔 发 展 河 虾 问题 作 了 能 值 分 析 。 3. LH Brown 等 针对 泰国 和 湄公河 建设 问题 作 了 能 值 分 析 。 我 国 Huang 等 研究 了 台湾 能 值 分 析 与 公共 政策 和 人 台湾 生态 经 济 系统 进化 与 展望 。 能 值 分 析 的 应 用 是 很 广泛 的 。 仅 从 以 上 举 出 的 情况 来 看 ,不 仅 有 宏观 的 全 国 性 大 范 围 生 态 经 济 的 能 值 分 析 ( 如 意大利 泰国 巴布亚 新 几内亚 ), 一 个 省 的 能 值 分 析 ( 如 我 国 台湾 ) ,也 有 一 个 河流 流域 (如 湄公河 ) 的 相应 分 析 。 有 全 社会 性 的 ,也 有 针对 某 一 具体 问 题 ( 如 河 是 发 展 , 大 坝 设 计 ) 的 。 可 见 , 从 生态 动力 源 角 度 ,关系 到 生物 、 非 生物 ;从 产业 方 面 ,涉及 农业 、 工 业 和 市 场 贸易 等 多 方面 。 由 于 该 方法 和 相关 概念 ,提出 和 运用 时 间 尚 短 , 有 竺 今后 改进 ,并 加 强 理论 研究 。 像 我 国 这 样 的 地 大 物 博 \ 人 口 众 多 的 发 展 中 国家 ,情况 更 为 复杂 ,一 次 性 地 完善 全 国 能 值 分 析 ,是 不 太 容易 的 。 但 我 们 相信 ,我 国有 多 年 重视 资源 调查 利用 的 传统 并 且 生 态 等 领域 的 科技 人 才 济 济 , 只 要 引起 社会 重视 , 像 20 世纪 80 年 代 摘 全 国 性 区 划 那 样 ,组织 好 能 值 分 析 ,必然 对 优化 控制 生态 经 济 环境 ,保障 可 持续 发 展 , 做 出 应 有 贡献 。 四 、 微 观 可 持续 发 展 的 生态 经 济 一 一 能 值 指标 及 其 应 用 以 往 对 于 可 持续 发 展 的 微观 问题 ,往往 作 定性 控制 ,而 控制 的 目标 一 一 经 济 效益 、 生 态 效益 是 研究 者 所 追求 的 ,但 是 由 于 参加 决策 资 询 的 研究 者 ,经 历 . 学 识 和 考虑 问题 的 出 270 发 点 不 同 , 所 提出 的 意见 很 难 有 说 服 力 。 总 是 各 执 己见 ,僵持 不 下 。 尽 管用 Nash 均衡 等 方法 可 以 作出 某 种 综合 ,但 原始 依据 定性 成 分 较 大 ,对 可 持续 发 展 的 认识 水 平和 建议 说 服 力 有 限 ,针对 性 也 不 强 。 在 近年 ,一 些 研究 者 在 Odum 提出 的 能 值 分 析 方 法 基础 上 , 作 了 不 少 研究 ,提出 一 些 指标 。 我 们 感到 这 是 从 生态 经 济 出 发 ,对 可 持续 性 研究 的 一 个 好 的 开头 ,值得 提倡 ,应 用 并 进一步 研讨 。 下 面 就 结合 Panzieri 给 出 的 一 个 例子 加 以 说 明 。 在 我 国 , 大 约 10~20 a 前 , 曾 作 过 大 量 的 农业 资源 调查 与 区 划 研 究 工 作 ,这 些 资料 加 EWE 10 年 形成 的 大 量 资料 如 果 用 以 下 能 值 方法 作 分 析 , 对 于 优化 作物 结构 ,保障 局 地 农 业 可 持续 ,无 疑 会 有 现实 意义 。 尤 其 是 在 过 去 区 划 中 ,并 没有 十 分 注意 可 持续 发 展 问 题 ， 而 在 国际 上 近 10 年 召开 的 两 次 可 持续 发 展会 (第 二 次 于 2002 FHS bh he A 行 , 朱 包 基 总 理 代表 我 国 出 席 ) 对 于 促进 这 类 研究 应 用 将 有 价值 , 反 过 来 ,研究 成 果 将 更 好 地 为 政府 服务 。 1. 根瘤 菌 科 植 物 bracd — hyrizobium japonicum 共生 现象 ,在 大 豆 栽 培 可 持续 性 中 的 重要 性 对 于 大 豆 生 产 力 来 说 , 氮 通 常 是 限制 因子 ,brad - hyrizobium 的 活动 ,从 经 济 和 环境 观点 来 说 ,都 是 极其 重要 的 。 Panzieri 研究 的 目的 是 定量 地 指出 :化 学 物质 输入 量 的 减少 ( 即 氮肥 减少 ,能 够 减轻 农业 对 环境 的 影响 ,提高 农业 可 持续 发 展 能 力 ) ,利用 生物 技术 (比如 将 细菌 引进 土壤 之 中 ) ,以 便 创 造 人 为 胁迫 较 轻 的 环境 以 增加 作物 产量 。 能 值 分 析 (emergy analysis) 是 .Odum 提出 的 用 于 评价 不 同 生态 过 程 、 经 济 过 程 的 可 持 续 性 的 热力 学 方法 。 对 于 一 个 过 程 或 流动 来 说 ,太阳 能 当量 一 一 启动 该 过 程式 流动 所 必须 (直接 或 间接 ) 的 生物 圈 之 基础 能 量 一 一 定义 为 能 值 。 向 该 系统 的 一 切 输入 (环境 的 和 经 济 的 ) 都 是 以 太阳 能 的 单位 ( 即 太阳 能 值 焦 耳 solar emergy joule, sej ) 为 单位 来 评价 使 系统 得 以 持续 的 环境 所 做 的 功 。 能 值 分 析 ,可 以 在 研究 测量 自然 作用 和 人 为 作用 的 前 提 下 ,对 系统 作出 全 面 评价 。 用 该 方法 便于 对 不 同类 型 的 输入 加 以 比较 (Odum,1996)。 进 一 步 来 说 ,用 能 值 近似 ,可 以 把 向 同一 系统 的 一 切 不 同 的 输入 全 部 化 为 同一 公共 分 母 (太阳 能 ) ,以 资 对 不 同类 型 的 输入 进行 比较 ,这 无 疑 是 能 值 方法 的 一 大 优势 。 2. 应 用 实例 ;根瘤 菌 科 植物 共生 与 大 豆 可 持续 发 展 从 大 豆 的 生理 生化 特性 可 知 ,在 这 一 研究 中 ,作为 主要 营养 生态 动力 源 的 氮 的 需求 是 问题 的 焦点 6 能 值 分 析 的 第 一 步 工 作 是 形成 系统 的 能 值 图 解 ,以 便 清 楚 地 认识 系统 及 其 分 量 。 图 10 — 14 Penzieri 等 (2000) 根 据 Odum(1983) 给 出 的 条 件 绘 出 的 意大利 Tuscany 的 一 种 大 豆 作 物 能 值 系统 的 图 解 。 能 值 总 量 (total emergy) 是 来 自 各 独立 输入 的 一 切 贡献 的 总 和 。 它 实质 上 是 有 贡献 于 大 豆 生 产 的 一 切 生 态 动力 源 的 综合 作用 的 表示 。 从 生态 动力 源 的 分 级 可 知 , 对 于 大 豆 生产 来 说 ,不 可 缺少 的 气象 生态 动力 因子 像 降水 湿度、 风 等 二 级 生态 动力 源 ,全 都 是 太 阳 辐 射 一 一 一 级 生态 动力 源 所 支配 的 ,因为 太阳 辐射 能 是 地 球 大 气 活 动 的 最 基本 、 最 原始 的 能 量 源 泉 。 太阳 能 ,太阳 传输 ,与 从 能 值 评 价 表 计 算出 来 的 其 他 指标 、 比 率 一 起 ,被 用 于 评价 系 统 的 效率 和 环境 影响 ,从 而 为 长 期 可 持续 发 展 决策 提出 定量 依据 较 充 分 的 合理 建议 ,为 作物 栽培 帮 至 生态 农业 发 展 提供 科学 基础 ,这 正 是 生态 控制 原理 服务 于 可 持续 发 展 的 有 271 4, "25% 10°J (有 接种 体 ) 施 N 肥 与 利用 接种 体 是 二 者 择 一 的 选择 Al10-1 大 豆 能 量 系 统 图 解 (意大利 Tuscany) 效 途径 之 一 。 所 用 指标 和 比率 中 ,有 一 些 考虑 能 值 流 的 可 更 新 性 。 其 中 最 重要 的 是 环境 荷载 率 (environmental loading ratio 即 ELR) 和 能 值 产量 率 (emergy yield ratio 即 EYR) (Odum,1996)。ELR 是 来 自 买 人 的 \ 不 可 更 新 的 局 地 输 和 人 对 来 自 环 境 自由 输入 的 比率 。 它 的 值 越 小 ,说 明生 态 系统 环境 的 胁迫 和 压力 就 越 小 。EYR 是 输出 能 值 除 以 输入 来 自 外 界 反 馈 系 统 的 那些 能 值 所 得 的 商 。 它 是 一 个 系统 利用 局 地 资源 (通过 外 界 投资 ) 能 力 的 一 个 量 数 ; 它 的 值 越 大 ,这 种 能 力 就 越 强 。 ELR fl EYR 都 是 无 量 纲 指标 ,而 导出 的 另 一 个 比率 旨 在 评价 环境 胁迫 , 那 就 是 能 值 密度 (empower density) , 它 是 支持 系统 所 必 不 可 少 的 能 值 总 量 除 以 地 面 面 积 所 得 的 商 。 该 值 越 小 ,对 环境 的 压力 越 大 。 用 于 系统 评价 的 另 一 指标 是 近年 提出 的 可 持续 指标 SI(Vlgiati er olL. ，1998) , 它 是 EYR 除 以 ELR 所 得 的 商 。 该 指标 同时 说 明 系 统 的 生产 能 力 和 它 对 环境 影响 。 对 于 同一 输出 过 程 来 说 ,SI 越 大 ,经济 一 生态 一 致 性 越 好 。 结果 表明 (图 10-1): 根 瘤 菌 接种 体 与 大 豆 作 物 之 间 共 生 现 象 是 用 方向 相反 的 两 个 箭头 表示 的 , 即 从 接种 体 到 大 豆 , 从 大 豆 到 接种 体 。 接 种 体 的 评价 采用 如 下 方法 :能 值 对 钱 的 比率 乘 以 价格 。 由 于 产品 销售 , 自 外 界 到 系统 的 钱 流 , 用 虚线 绘 出 。 对 于 能 值 总 值 ,太阳 能 转换 率 以 及 大 豆 两 种 栽培 方式 的 其 他 可 持续 发 展 指标 ,是 可 以 相互 比较 的 。 结 果 指 出 : 按 ELR, 无 接种 体 大 豆 为 1.22, 有 接种 体 大 豆 为 0.93 ,说 明 后 者 对 生态 环境 压力 大 ; 按 EYR ,前 者 为 1.98, 后 者 为 2.32, 说 明 后 者 利用 局 地 资源 能 力 强 ; 按 SI, 前 者 为 1.62, 后 者 为 2.49, 说 明 后 者 经 济 -生态 一 致 性 好 。 根 据 以 上 三 个 指标 ,可 考虑 选择 栽培 方式 的 利弊 ,如 果 就 此 选择 “共生 ”, 则 对 资源 利用 能 力 强 , 经 济 - 生态 一 致 性 好 ,这 是 有利 ”的 方面 ,但 对 环境 RAK CEM’ MAH. SHAME, AER: OH ELR: 共 生 大 豆 0.93, 玉米 5.63, 向 日 著 27.88, 谷子 3.02 ,饲料 作物 1.45 ,说 明 向 日 葵 对 生态 环境 压力 最 小 ;@ 按 272 EYR: 以 上 各 作物 依次 为 2.32,1.19,1.04,1.33,1.76, 说 明 共 生 大 豆 对 局 地 资源 利用 的 能 力 最 强 ;@ 按 SI: 依 次 为 2.49,0.21,0.04,0.44,1.21, 说 明 共 生 大 豆 经 济 -生态 一 致 性 最 好 。 从 中 可 见 ,栽培 作物 种 类 方式 的 利弊 。 比 如 ,从 全 局 认识 ,共生 大 豆 , 利 的 方面 多 ， 但 存在 对 环境 压力 大 之 弊 ,如 果 要 采用 这 种 可 持续 发 展 措施 ,必须 注意 ,以 改善 人 工 生态 动力 源 方法 ,尽量 人 为 地 减轻 环境 压力 ,才能 实现 可 持续 发 展 。 当 然 , 如 果 几 个 指标 都 一 致 , 那 就 更 好 了 。 但 是 ,由 于 计算 的 定量 方法 毕竟 是 由 人 来 设计 的 ,所 以 ,不 能 说 一 切 指 标 都 利于 某 种 作物 之 某 种 栽培 方式 ,就 抱 着 乐观 态度 而 掉以轻心 , 那 反而 不 利于 可 持续 发 展 。 真 正 的 可 行 方案 ,必须 考虑 综合 集成 。 当 然 , 在 其 中 ,可 持续 指标 值 会 起 到 其 他 方 法 不 能 代替 的 关键 作用 。 五 .栽培 方式 与 农业 可 持续 发 展 为 了 评价 复杂 系统 (比如 农作物 栽培 系统 ) 的 环境 可 持续 性 ,必须 采用 一 种 系统 的 方 法 ,这 种 方法 考虑 启动 系统 过 程 的 一 切 质 量 流 和 能 量 流 ,而 这 些 质量 流 、 能 量 流 是 相互 交 错 的 ,振动 的 ,并 且 是 相互 影响 的 。 用 Odum 提出 的 方法 论 ,Panzieri 等 (2002) 用 不 同 的 栽培 方法 (传统 的 ,生物 学 的 和 综合 性 的 ) ,对 三 种 樱桃 作 比较 ,以 便 了 解 农业 系统 应 当 如 何 发 展 才能 使 环境 的 效果 达到 最 佳 。 结 果 表 明 : 用 大 量 的 非 自 然 输入 的 传统 方法 显示 出 不 可 持续 性 ,而 自然 和 收益 输入 的 方法 是 最 佳 的 。 浮 现 方法 是 评价 可 持续 性 的 一 种 有 利 的 方法 论 。 从 樱桃 作物 研究 所 取得 的 指标 方法 ,可 以 外 推 到 其 他 类 型 的 栽培 中 去 。 让 我 们 论述 栽培 方式 与 农业 系统 的 可 持续 发 展 。 从 生态 动力 经 济 学 的 观点 来 看 ,为 了 发 展 农业 生产 ,人 们 一 方面 必须 用 优化 的 生态 控制 手段 充分 发 挥 生态 动力 源 的 正面 效应 ,促进 现实 的 农业 生产 力 的 发 展 ,使 农业 产品 高 产 、 优 质 \ 高 效 , 满足 社 会 现实 需求 ; 另 一 方面 ,也 要 保持 农业 的 储备 ,有 利于 农业 的 长 期 可 持续 发 展 。 为 此 , 需 用 适当 的 分 析 方 法 来 处 理 这 样 的 问题 。Odum 提出 的 能 值 分 析 (emergy analysis) 一 一 一 种 热力 一 生态 方法 论 一 一 是 估价 过 程 有 效 性 评价 长 期 可 持续 性 的 有 力 工 具 。 对 农业 可 持续 发 展 有 重要 影响 的 因素 很 多 。 不 同 载 培 方法 对 农业 系统 可 持续 性 影响 ,是 引 人 注 目的 。 1. WH 《1) 能 值 分 析 与 可 持续 发 展 传统 的 能 量 和 经 济 分 析 ,往往 只 考虑 能 够 依据 能 量 或 资金 加 以 估计 的 那些 输入 ( 见 《生态 动力 学 ;一 书 第 113 页 图 )。 而 且 市 场 价格 并 非 总 是 与 资源 对 经 济 作出 的 贡献 成 正 比 的 \Odum,1996) ,而 能 值 分 析 ,通过 计算 环境 在 驱动 某 一 过 程 中 所 起 的 作用 ,将 环境 向 系统 的 支出 系统 化 了 。 能 值 评价 系统 ,在 与 太阳 能 当量 相同 的 基础 上 , 既 测量 在 生产 活动 \ 服 务 过 程 中 自然 界 所 起 的 作用 ,也 测量 人 在 其 中 的 作用 ,这 就 为 寻求 人 类 活动 \ 自 然 作 用 的 可 持续 策略 与 模式 提供 了 一 种 定量 的 方法 。 这 种 热力 学 方法 用 途 是 广泛 的 ,大 量 的 系统 ( 像 生态 系统 、 生产 过 程 等 ) 可 以 用 这 种 方法 进行 分 析 , 以 评价 作为 一 级 生态 动力 源 的 地 球 能 量 基 础 的 输入 和 输出 。 这 样 的 方法 论 可 用 于 农业 系统 。 在 农业 系统 中 ,环境 输入 (比如 土壤 肥力 ， 气候 条 件 ) 显 然 是 一 些 限 制 因 子 , 所 以 这 样 的 应 用 ,对 于 表达 这 种 技术 ,对 于 求 得 未 来 可 持续 发 展 的 大 量 指标 来 说 似乎 是 特别 适宜 的 。 〈2) 能 值 分析 和 可 持续 指标 273 能 值 分 析 的 基础 是 :向 通用 单位 即 太 阳 能 一 一 一 切 生 物 过 程 的 初始 能 源 , 即 生态 动 力学 中 所 说 的 基础 生态 动力 源 一 一 的 所 有 过 程 输入 是 守恒 的 。 对 于 给 定 的 过 程 流动 来 说 ,( 太 阳 的 ) 能 值 的 定义 是 :直接 或 间接 驱动 该 过 程 或 流动 所 必须 的 太阳 能 ,能 值 的 计量 单位 是 太阳 能 值 焦 耳 (solar emergy joules) 即 sej。 能 值 构成 一 种 记忆 ,记忆 为 维持 某 一 过 程 ,为 取得 某 种 产品 , 自 环 境 而 获得 的 功 ( 以 太阳 能 为 基础 )。( 太 阳 能 ) 转 化 能 力 (trans- formity) 是 间接 生产 能 量 的 能 值 , 其 表达 单位 是 seaj'J' 。 它 是 某 一 过 程 或 某 种 产品 质量 的 量 数 。 它 的 数值 越 大 ,产生 那 种 产品 所 需要 的 太阳 能 量 就 越 多 , 它 在 宇宙 总 量 中 所 占 据 的 位 置 就 越 高 。 但 是 ,转化 能 力也 是 过 程 有 效 性 (效率 ) 的 一 个 指标 。 对 于 等 价 过 程 (有 相同 的 输出 ) 来 说 ,转化 能 力 越 低 ,产生 那个 输出 的 过 程 就 越 有 效 。 为 了 更 好 地 认识 所 研究 的 系统 ,估计 生产 环境 的 影响 及 其 可 持续 性 , 另 有 几 个 关系 到 能 值 的 指标 是 有 用 的 。 这 些 指 标 中 的 每 一 个 指标 都 聚焦 于 可 持续 性 的 某 一 方面 ,它们 提供 了 具有 竞争 作用 的 信息 。 能 值 收获 率 (emergy yield ratio) 是 用 经 济 上 接收 的 过 程 的 那些 输入 的 能 值 , 除 能 值 产 量 所 得 的 商 。 这 一 指标 总 是 大 于 1 的 , 它 的 数值 越 大 ,投入 的 每 单位 能 值 所 得 到 的 回收 也 就 越 大 。 对 于 等 价 过 程 来 说 ,这 个 比率 是 竞争 性 的 一 个 量 数 。 环境 荷载 率 (environmental loading ratio) 是 用 可 更 新 的 环境 能 值 输入 除 不 可 更 新 的 环境 输入 而 得 到 的 商 。 在 不 可 更 新 的 输入 中 ,无 论 是 经 济 上 的 输入 或 者 是 固有 的 输入 (由 无 损失 的 环境 给 出 ) 都 加 以 考虑 。 环 境 和 荷载 率 越 高 ,经 济 系统 对 当地 自然 环境 的 压力 就 越 大 ,这 意味 着 利用 能 值 的 较 高 技术 和 (或 ) 较 高 的 环境 胁迫 。 能 值 密度 (emergy density) 是 用 系统 面积 除 为 获得 一 定 产量 所 须 的 总 能 值 所 得 的 商 。 它 是 一 个 系统 或 一 个 过 程 内 部 能 值 的 空间 浓度 的 一 个 量 数 ， 是 环境 胁迫 的 一 个 指标 。 它 的 值 越 高 ,被 用 于 单位 面积 的 输入 能 值 就 越 大 ,对 环境 的 压力 就 越 大 。 2. 实 铭 分析 图 10 -1 是 参考 Odum 所 著 《 系 统 生 态 学 》 一 书 中 提出 能 量 符号 表达 的 关于 大 豆 而 作出 的 能 量 系统 图 解 。 关 于 另外 两 种 作物 也 有 类 似 图 解 。 对 于 采用 不 同 栽培 方式 的 作物 进行 比较 。 采 用 第 一 种 栽培 方式 即 按 传统 栽培 方式 进行 管理 , 称 之 为 第 一 种 作物 。 系 用 化 学 合成 物 作为 肥料 对 土壤 施肥 ,并 用 化 学 农药 防 治虫 害 。 另 一 种 作物 的 管理 全 用 天 然 物资 (施肥 全 用 有 机 的 帮 肥 ,用 生物 物质 作为 杀 虫 剂 ,或 生物 防治 )。 第 三 种 作物 采用 化 学 与 生物 合成 物 综合 利用 的 方式 。 我 们 将 分 别称 上 述 方式 为 传统 方式 生物 方式 和 综合 方式 。 St Pree Oe 根据 前 述 原理 和 实例 资料 进行 具体 计算 时 ,系统 具体 栽培 方式 的 输入 ,有 所 不 同 。 对 于 传统 方式 ,输入 为 :日 光 \ 雨量 ` 风土 地 循环 ,表土 损失 ,氮肥 ,磷肥 ,钾肥 、 杀 虫 剂 、 柴 油 和 润滑 剂 、 人 工农 机 ;对 于 生物 方式 ,输入 为 :日 光 , 雨 量 `. 风 、 土 地 循环 表土 损失 有 机 左 肥 、 杀 虫 剂 、. 柴 油 和 润滑 剂 , 人工、 农机 ;对 于 综合 方式 ,输入 为 :日 光 \ 雨量 ` 风 、 土 地 循环 ,表土 损失 ,有 机 左 肥 `、 氮 肥 、 磷 肥 、 钾 肥 \ 杀 虫 剂 、. 抗 孢子 剂 (anticrytogamics 八 柴油 和 润滑 剂 、 人 工农 业 \ 灌溉 水 。 由 此 及 相应 数据 可 见 ,三 种 栽培 方式 所 用 肥料 、 化 学 药剂 、 有 机 磋 肥 、 燃 料 、 农 机 以 及 人 工 , 是 不 同 的 。 生 物 系 统 , 用 农机 较 少 ,因而 消耗 燃料 较 少 ， 能 值 输入 大 约 是 传统 方式 的 1/13 和 1/15 , 比 综合 方式 的 相应 值 小 得 多 。 从 能 值 项 来 说 ， 按 传统 方式 ,化 学 肥料 (氮肥 、 磷 肥 和 钾肥 ) 的 总 输入 ,与 按 生 物 方 式 以 有 机 左 肥 作为 肥料 274 的 输入 , 量 值 是 相当 的 。 这 就 意味 着 :在 传统 方式 中 所 用 的 不 可 更 新 的 ,有 潜在 毒性 的 输 入 ( 像 化 学 肥料 ,这样 的 一 些 输入 ) ,可 以 被 另外 种 类 的 能 值 源 一 一 其 特点 是 ,部 分 可 更 新 ,从 生物 意义 来 说 ,总 体 上 是 可 降解 的 一 一 所 代替。 采用 综合 方法 , 自 化 学 肥料 ` 有 机 肥料 的 能 值 总 输入 是 较 低 的 ;但 是 ,自杀 虫 剂 的 能 值 总 收入 ,是 比 用 其 他 方法 高 的 ; 抗 钨 子 处 理 也 是 需要 的 。 按 能 值 , 综 合 方法 投入 的 人 力 比 生物 方法 的 3 倍 多 , 比 传统 方法 的 2 倍 多 。 为 启动 这 些 过 程 所 需 的 总 能 值 , 以 生物 情形 为 最 小 ,这 表明 :该 系统 对 环境 的 压力 是 十 分 低 的 。 如 果 分 析 包括 畜牧 生产 在 内 的 一 个 较 大 的 系统 ,比如 一 个 农场 ,那么 有 机 厌 肥 就 成 为 一 种 反馈 , 而 不 应 用 把 它 看 作 一 种 外 界 输入 。 一 般 说 来 ,使 系统 能 值 损失 ( 支 出 ) 减 小 的 那些 反馈 ,改进 了 系统 的 可 持续 性 。 为 了 评价 三 种 栽培 方法 的 可 持续 性 ,也 必须 考虑 所 形成 的 生产 过 程 。 就 作物 产量 来 说 ,用 生物 栽培 方式 的 最 差 , 而 用 综合 栽培 方式 的 最 好 。 传 统 的 系统 ,似乎 较 低 , 特别 是 在 考虑 一 切 非 自 然 输 入 的 情形 下 。 对 传输 能 力作 比较 ,从 能 值 的 观点 来 看 ,最 有 效 的 系统 是 综合 系统 。 能 值 收 获 率 显 物 系 统 来 说 是 低 得 多 的 ,这 是 发 展 这 种 栽培 方式 的 又 一 原因 。 即 使 生物 方式 ,平衡 地 应 用 了 可 更 新 和 不 可 更 新 的 输入 ,显示 出 它 所 受 环 境 影响 最 小 , 它 的 最 低 生 产 力 也 使 它 的 经 济 竞争 能 力 较 差 。 从 有 效 性 的 观点 来 看 ,综合 系统 的 结果 是 最 好 的 ,如 果 我 们 考虑 到 它 的 环境 影响 也 是 有 限 的 ,那么 综合 系统 就 是 最 佳 的 。 此 外 ,在 这 种 情形 下 ,人 力 是 对 系 统 的 主要 输入 ,这 在 经 济 上 是 合算 的 。 这 样 , 综 合 方法 似乎 是 生物 方法 之 后 的 一 种 好 的 模式 ,考虑 到 “传统 方式 有 高 值 的 环境 压力 并 且 有 较 低 生产 力 ” 这 一 事实 ,尤其 是 这 样 。 总 之 ,评价 复杂 系统 可 持续 性 的 一 种 热力 学 方法 论 , 在 这 里 已 被 用 于 估计 :选择 性 农 业 实践 对 生产 有 效 性 和 环境 完整 性 的 影响 。 对 于 环境 和 经 济 数值 的 能 值 估价 为 合理 地 确定 未 来 应 遵循 的 发 展 方向 一 一 在 生物 圈 限 制 的 条 件 下 ,发 展 生 产 力 一 一 提供 重要 的 结 果 。 该 研究 显示 :对 于 长 期 的 可 持续 性 来 说 ,目前 尚 广泛 应 用 的 传统 栽培 方式 ,应 当 加 以 修正 。 实 际 上 ,传统 方式 对 生产 的 影响 太 大 了 ,以 臻 最 终 促 成 使 生产 不 可 持续 的 地 步 。 研究 指出 :应 加 强生 物 输入 的 引进 ,减少 化 学 及 其 他 非 天 然 合 成 物 的 应 用 ,以 使 农业 资源 被 充分 利用 ,保障 产品 的 数量 、 质 量 ,取得 大 的 经 济 效益 ,并 且 使 环境 有 益 于 可 持续 发 展 。 六 、 能 值 与 湿地 开发 的 生态 控制 关于 湿地 生态 系统 的 意义 《生态 动力 学 》 一 书 的 第 十 五 章 指出 : 利用 保护 湿地 生态 系统 对 繁 薪 经 济 ,改善 生态 环境 ,保护 自然 具有 重要 意义 。 为 达到 上 述 目 的 ,优化 湿地 生 态 建设 ,合理 控制 面积 比例 ,是 生态 控制 的 一 项 重要 措施 。 比 如 , 某 湿 地 、 拟 建 水 禽 湖 和 鱼 塘 ,面积 比例 为 多 少 最 为 合适 呢 ? 在 未 运用 能 值 分 析 方法 之 前 ,或 由 主观 分 析 , 定 性 地 确定 比例 ,或 对 水 禽 及 鱼 类 专家 意见 二 一 商 作 五 ,或 用 Delphi 调查 进行 决策 综合 。 上 述 曾 用 的 方法 ,不 能 说 不 对 ,但 那 只 是 比较 主观 的 定性 认识 的 产物 。 在 当今 ,有 了 能 值 分 析 手 段 , 当 可 用 于 该 问题 之 中 。 下 面 是 蓝 盛 芳 等 (2002) 书 中 给 出 的 人 工 湿 地 建设 水 禽 湖 与 鱼 塘 比 例 的 能 值 分 析 综 合 过 程 ,这 样 的 计算 也 可 用 于 生态 建设 的 许多 其 他 方面 。 关于 盐城 目 然 保 护 区 的 有 关 能 值 指标 ,已 经 由 分 析 得 出 ,如 表 10 -1 所 示 。 275 表 10-1 盐城 自然 保护 区 水 禽 湖 和 鱼 塘 能 值 指标 能 值 项 目 表达 式 水 禽 湖 fi 8 =6oB 可 更 新 资源 能 值 流 入 Enr 1.88X 10" sej'a-1 7.74 10'®sej-a~! 不 可 更 新 资源 能 值 消耗 En 8.80 X 10!” sej'a-1 3.6510" sej'a-1 经 济 反 馈 投入 下 mwF 9.33X107 sej'a 1 1.24X1018 sej'a-1 经 济 收入 Eat 8.61X 10" sejra 1.48 x 10'8 sej"a 1 非 交 换 能 值 产 出 下 mwEY 5.49X1018 sej'a -1 0 总 能 值 产 出 Eny 6.35 X 10% sej'a-1 1.48 x 10'8 sej'a 1 能 值 产 出 比率 Tyr = Egy! Oak 6.81 1.19 净 经 济 效益 E,ne =Emt— Emr —0.72X10" sej2a 2.40 x 10" sej'a 1 系统 储存 能 值 变 化 Pie 三 一 EN 4.61 X 10" sej-a! -3.65X1017 sej'a-1 净 经 济 收益 Ennr — 3.00 10" sej-(athm?)~! 2.4x105 sej- (a. hm?) ~! 系统 基础 能 值 变化 En BEC 1.92 x 10!® sej:(a*hm?) ~! — 3.65 10'5 sej:(a*hm?)~! 假设 应 建 zx KAA y 鱼 塘 ( 单 位 :hm ) ,其 比率 为 则 有 (a+ y)Enne =1.92 X10" x -3.65 X10" y (10-1) op aie —3.0010%2+2.4x10%y (10-2) 用 上 代替 zj/y, 即 式 (10 -1) 和 式 (10-2) 两 边 都 除 以 >, 则 得 : (1+ t)E,pee = 1.92 x 10 —3.65 x 10” (10-3) At —3.0010%4+2.4x10" (10-4) 由 式 (10-3) 计 算出 上 ,代入 式 (10-4) 得 : 0.118E, nee + Ene = 1-97 X10" (10-5) 在 线性 约束 下 ,aec >0 Al E,npe >0 条件 下 , 绘 出 关系 图 (图 10-2). HAH (10-1) 和 方程 (10 -2) 得 8.00> 上 >0.19 并 且 , 有 : Ot =0.19 BT, (Exec + Ene )mex = 2-13 X 10° 7+ (a. hm’) @t=8.00 Bt, (Ennee + Ene’ )max = 1-80 10° 元 '(a.hm ) ~ Qe=0.31. ft, GE cc +.B, re lee = 3» 80%10 Ju2 (a.bm’) 7 综 上 ,上 =0.31 时 ,生态 经 济 效益 为 最 大 , 故 水 禽 湖 对 鱼 塘 面 积 比例 为 0.31。 该 种 关 系 示 于 图 10 -1。 276 2.5 2.0 1.5 1.0 Ene 1 0* sej 。 (a ， hm’)" 0.5 0 5 10 15 20 Enpoc [105 se} (avhm2)-1] | AB10-2 Enpec 5 Ennrw KARA 第 二 节 ”城市 生态 环境 及 其 可 持续 发 展 的 生态 经 济 控制 本 节 在 概述 城市 生态 及 其 控制 意义 基础 上 ,讲述 决策 主要 手段 ,重点 在 于 森林 绿地 建设 的 优化 控制 问题 。 一 \ 问 题 的 提出 和 意义 在 中 外 历史 上 ,城市 的 形成 和 发 展 ,历史 悠久 。 从 地 理学 、 社 会 学 等 学 科 出 发 来 研究 城市 的 成 果 ,也 都 有 相当 长 的 时 间 。 而 从 生态 学 出 发 来 研究 城市 ,至 早 也 只 是 在 现代 工 业 发 展 起 来 之 后 ,这 当然 主要 是 由 于 工业 发 展 及 生活 需要 使 城市 大 气 、 土 壤 等 生态 动力 源 朝 着 不 利于 人 这 一 生态 动力 汇 的 方向 转化 。 研 究 者 及 城市 居民 受到 变 得 越 来 越 差 的 城市 环境 之 负面 影响 直至 深 受 其 害 , 才 猛 醒 过 来 ,把 城市 环境 恶化 当 作 一 个 问题 。 这 实 KE ,标志 着 城市 居民 生态 意识 的 迅速 提高 。 但 是 ,直到 1978 年 之 前 ,由 于 种 种 原因 ,我 国 广大 城市 居民 甚至 涉及 生物 学 的 农学 、 医 学 工作 者 ,大 多 数 不 知道 生态 这 一 名 词 是 什 么 意义 ,甚至 把 它 同 生理 生化 混为一谈 ,因为 直到 上 世纪 60 年 代 末 ,我 国 农 科 、 医 科大 学 尚未 开 生态 课 。 虽 然 如 此 ,城市 生态 环境 ,在 多 年 以 前 ,并 不 因为 公众 对 其 认识 不 深 而 停止 其 演化 。 与 此 相应 ,改善 和 促进 城市 生态 优化 的 活动 ,也 在 持续 着 , 即 人 们 为 控制 城 市 环境 的 恶化 ,在 设计 并 实施 某 些 工程 ,如 建设 公园 绿地 等 。 只 是 那 时 没有 从 生态 和 可 持续 发 展 的 高 度 来 认识 。 客 观 经 济 条 件 的 限制 也 不 允许 生态 建设 规模 过 快 发 展 。 以 致 当时 只 用 感性 认识 的 定性 设计 ,不 用 运筹 学 控制 论 等 ,也 能 完成 当时 条 件 下 的 研究 与 实 际 工作 。 1978 年 以 来 的 20 多 年 ,我 国人 民 科 学 意识 不 断 提 高 ,城市 民众 生态 意识 普遍 增强 ， 遂 和 布 望 生态 研究 单位 不 要 只 偏向 大 森林 海洋 ` 湿 地 等 广阔 领域 ,而 要 投入 一 定 力量 研究 人 口 聚 集 的 城市 生态 环境 。 社 会 的 这 一 要 求 \ 政 府 的 重视 ,尤其 是 可 持续 发 展 的 概念 提 出 以 来 ,城市 生态 控制 的 研究 发 展 很 快 。 从 定性 到 定量 ,多 种 方法 得 到 应 用 ,在 有 些 城 市 ,并 已 形成 系统 © 二 \ 城 市 生态 环境 调控 及 决策 支持 系统 我 们 在 这 里 简介 杨 士 弘 (2001) 等 专著 中 关于 这 方面 的 主要 内 容 , 其 中 含 杨 邦 杰 (1992) 等 的 研究 成 果 。 277 1. 基本 原理 城市 生态 系统 调控 的 基本 原理 主要 包括 :生态 工艺 原理 内 含 循环 原则 、 技 巧 原 理 和 共生 原则 、 生 态 协 调 原理 内 含 相克 相生 原则 、 最 适 功 能 原则 和 最 小 风险 原则 。 2. 调控 目标 手段 和 方法 系统 的 调控 目标 :经 济 高 效 ,社会 和 谐 , 环 境 优美 ,综合 协调 。 调控 的 主要 手段 和 方法 :生态 工艺 设计 与 改造 ,生态 关系 规划 与 协调 ,生态 意识 的 普 及 与 提高 。 为 了 体现 上 述 几 个 方面 ,使 城市 生态 调控 顺利 进行 ,以 利 城市 的 可 持续 发 展 , 杨 邦 杰 等 设计 的 城市 生态 控制 决策 支持 系统 功能 完善 `. 运 行 良 好 ,在 技术 和 实用 方面 取得 了 较 好 效果 。 该 系统 是 以 计算 机 技术 为 基础 ,应 用 城市 生态 动力 学 的 原理 与 控制 论 方法 , 结 合 系统 科学 管理 科学 中 的 有 关 学 科 成 果 的 人 一 机 交互 系统 ,可 为 城市 生态 之 优化 管理 服务 。 该 系统 是 一 个 完善 的 决策 支持 系统 , 含 先 进 的 功能 结构 和 规律 结构 。 图 10 - 3 是 杨 邦 杰 给 出 的 软件 结构 图 , 转 引 自 杨 士 弘 (2001) 的 书 。 图 10-3 城市 生态 决策 支持 系统 软件 结构 3. 人 一 机 交互 试验 模拟 城市 生态 调控 的 决策 支持 系统 有 模拟 功能 , 它 能 利用 模拟 模型 把 复杂 的 城市 生态 环 境 系统 转换 为 简单 可 视 的 定性 定量 关 系 ,研究 系统 反馈 机 制 , 找 出 影响 系统 的 关键 反馈 回路 与 因素 。 通 过 改变 模型 输入 与 参数 ,观察 模型 输出 响应 ,可 以 预知 城市 的 动态 ,为 城 市 可 持续 发 展 提供 必要 的 对 策 建 议 。 近年 来 ,研制 出 来 并 旨 在 优化 管理 城市 的 系统 软件 ,在 国内 已 有 几 本 。 因 为 那些 是 针对 城市 整体 面向 社会 各 个 方面 的 ,而 城市 生态 往往 被 列 于 其 中 的 环境 部 分 ,这 一 部 分 ， 对 于 城市 生态 控制 是 颇 有 意义 的 。 而 生态 工作 者 在 这 方面 能 起 到 的 作用 ;一 方面 ,从 总 体 的 暨 综合 的 系统 中 ,随时 吸收 有 益 的 “营养 ,作为 取 之 不 尽 的 城市 生态 控制 方面 的 资 料 信 息 源 ; 另 一 方面 ,生态 工作 者 不 断 地 将 利用 各 种 生态 控制 原理 (比如 本 书 有 关 章 节 论 述 的 智能 生态 控制 等 ) 得 出 的 阶段 性 成 果 ,源源 不 断 地 输入 城市 管理 综合 系统 ,为 其 随时 补充 “营养 ”。 这 实际 上 也 是 一 个 系统 及 其 子 系统 关系 的 体现 之 一 。 如 此 长 期 坚持 下 去 ， 必然 形成 合理 的 优化 机 制 ,两 者 相得益彰 。 这 就 好 比 是 :在 地 球 科学 中 ,气象 学 的 研究 必 须 利 用 综合 自然 地 理学 的 原理 ,而 气象 学 的 新 成 果 ,尤其 是 其 中 气候 学 成 果 , 反 过 来 不 断 为 综合 自然 地 理学 输入 “营养 ”。 278 三 城市 植被 系统 管理 据 杨 小 波 等 (2002 ) ,在 城市 植被 的 分 类 体系 中 ,城市 植被 是 由 三 类 植被 构成 的 :GD 自 然 植 被 ;@ 半 自然 植被 ;@ 人 工 植被 。 和 森林 在 前 两 种 植被 中 占有 重要 地 位 ,而 人 工 林 在 人 工 植被 中 占有 重要 地 位 。 一 般 认 为 ,城市 林业 是 现代 化 林业 的 一 个 分 支 ;而 城市 的 森林 则 是 成 片 森林 为 主体 、 乔 ` 灌 、 草 相 结合 的 森林 ,这样 说 来 ,城市 森林 ,已 并 不 限于 树木 ,也 含有 草 的 概念 。 城 市 森林 同人 们 所 说 广大 林 区 的 林业 的 另 一 不 同 是 , 它 同城 市 建设 的 适应 性 关系 ,有 相当 多 的 时 候 , 是 通过 人 为 调节 ,使 其 与 城市 自然 .社会 功能 相 适 应 。 城 市 林业 的 功能 是 多 方面 的 ,有 些 是 比较 直接 的 ; 它 能 够 支持 城市 的 可 持续 发 展 ,改善 城市 的 生态 环境 ,丰富 城市 的 商品 供应 ,提高 城市 及 近郊 居民 的 文化 福利 水 平 。 在 城市 森林 的 建设 当中 ,加 强 其 生 态 系统 和 城市 景观 系统 的 经 营 、 管 理 是 很 重要 的 事 。 这 一 方面 要 保障 林业 及 草坪 等 在 内 的 绿地 建设 优化 ,有 益 于 生态 环境 本 身 的 可 持续 发 展 ,又 要 使 经 济 投入 不 致 太 多 。 这 就 须 用 现代 方法 设计 优化 方案 并 采用 合理 的 经 济 运筹 手段 。 下 面 先 讲述 赵 道 胜 (1995 ) 根 据 福 里 斯 特 (1986) 的 系统 原理 \ 对 绿地 面积 的 预测 结果 ,关于 城市 造林 经 济 问题 ,将 专 立 一 款 说 明 。 赵 道 胜 针对 城市 森林 功能 确定 系统 目标 ,将 城市 森林 系统 视 为 复杂 的 社会 经 济 系统 ,考虑 到 该 系统 的 复杂 性 和 可 用 资料 的 有 限 性 \ 局 限 性 ,采用 福 里 斯 特 早年 提出 但 用 于 许多 领域 的 系统 动力 学 (system dynamics, 也 有 人 译作 "系统 动态 学 ”) 方 法 ,建立 了 模 式 。 甲 乙 两 三 个 城市 仿真 结果 ,给 出 各 种 绿地 的 预期 结果 。 表 10 - 2 是 我 们 摘录 列 出 的 。 这 是 在 1994 年 完成 的 对 2000 年 的 预测 结果 ,是 提前 6a 的 。 也 就 是 说 ,提前 量 是 比 较 大 的 。 这 样 便于 决策 者 早 有 思想 和 物质 上 的 准备 。 表 10-2 2000 年 三 城市 主要 绿地 一 览 表 绿地 覆盖 率 人 均 公 共 绿 地 专用 绿地 面积 比例 防护 绿地 面积 比例 1% Im? .A7! 1% 1% FA 47.4 27.90 28.21 13.63 城市 代号 乙 36.2 8.75 44.54 14.54 A 30.2 2.56 31.32 46.87 由 于 绿地 的 科学 比例 需要 多 方面 条 件 , 才 能 很 好 确定 ,所 以 像 人 们 对 于 一 切 带 有 规 划 预 测 性 质 的 研究 成 果 的 态度 一 样 ,不 能 要 求 得 特别 高 ,因为 预测 问题 面前 ,成 败 总 是 兵 家 常事 。 正 确 的 态度 是 , 随 着 新 方法 的 运用 ,新 信息 的 不 断 输入 ,预测 结果 ,可 预期 ,是 越 来 越 好 ,但 也 不 排除 新 的 方法 会 失败 以 致 不 如 只 用 老 方 法 好 的 可 能 性 。 试 想 : 只 是 一 个 大 和 气 物 理 运动 问题 ,人 们 对 其 规律 研究 这 么 多 年 , 依 其 作 天 气 预报 还 常 有 误 ,那么 像 城 市 这 么 复杂 的 系统 ,怎么 会 一 研究 就 会 得 出 准确 预报 呢 ! 相反 , 随 着 生态 动力 和 控制 原理 总 体 学 科 的 发 展 , 城 市 绿化 预 决 策 乃 至 优化 控制 之 实践 ,今后 的 效果 会 更 好 。 \ 以 生物 措施 控制 城市 环境 的 生态 -经 济 分 析 森林 在 城市 环境 中 的 作用 是 人 们 所 熟知 的 。 但 是 ,人 工 造林 须 投 资 。 如 何 衡量 造林 这 一 改善 城市 环境 的 生态 控制 主要 手段 ? 从 生态 经 济 出 发 加 以 研究 ,是 很 必要 的 。 这 方 面 工 作 一 个 很 好 范例 ,是 Popoola 等 (2002) 的 研究 ;为 恢复 阿 巴 丹 ( 尼 日 利 亚 一 城市 ) 城 市 279 环境 实施 造林 ,对 比 项 支付 意愿 度 (willingness to pay, 简 记 WTP) 如 何 ? Popoola 在 收集 大 量 数据 资料 的 基础 上 , 作 了 统计 分 析 和 模 造 ,给 出 决策 建议 。 1. 分 析 与 建 模 用 学 生 氏 z 检验 ,方差 分 析 (ANOVA) 以 及 相关 回归 分 析 。 常规 的 最 小 二 乘法 (OLS) 的 简单 回归 方程 模式 ,被 用 于 寻找 引出 的 WTP 值 ( 因 变 量 ) 与 社会 -经 济 因子 ( 自 变 量 ) 之 间 的 关系 。 所 确定 模式 的 一 般 形 式 是 : Wa=f( Xa. Xx) (10-6) sth, WwW, 是 对 城市 环境 恢复 的 各 个 人 WIP, Xu 是 个 人 收入 ,年 龄 , 受 正规 教育 水 平 , 住 所 面积 ,在 所 研究 地 区 内 的 居住 时 间 ,环境 意识 ,性 别 , 婚 姻 状 况 , 居 住地 与 森林 保 护 地 的 距离 工作 情 况 、 原 居住 地 及 原来 对 森林 保护 地 的 认识 水 平 ;X=1,2,…,12, 系 所 考虑 参数 的 数字 代码 。 待 选 用 以 便 从 中 择优 的 基本 形式 有 如 下 三 种 : 中线 性 Wy= 50+ bX, +X, ++ byXpt Ey Gs el @ 半 对 数 W,=I|nb, + 6, InX, + b,1InX, + +++ + byInX,, +InE, (10-8) @ 双 对 数 InW,=Inb, + b,InX, + b,InX, + +--+ by InX,, + InE, (10-9) KP by) 是 常数 ,5 ,pb ，…p52 是 回归 系数 ,下 是 余 项 即 误差 项 。 2. 主要 结果 及 控制 应 用 Popoola 等 利用 统计 分 析 给 出 的 结果 及 用 途 如 下 : (1)WTP 值 分 布 调查 表明 ,77.3% 的 响应 者 愿意 为 城市 植树 造林 投资 , 越 接近 林地 的 单位 ,积极 性 越 高 , 愿 投资 金额 越 多 。 决 策 者 和 森林 管理 者 ,可 以 用 这 些 统计 结果 作为 附加 输入 资料 以 评价 公众 对 "通过 人 工 造林 规则 以 加 强 环境 保护 "的 支持 程度 , 即 评价 他 们 对 阿 巴 丹 城市 森林 保护 措施 的 支持 程度 。 (2) 因 变量 282 个 ( 占 77% ) 响 应 者 愿 为 此 计划 每 月 付款 0.5 一 5 美元 。 (3) 社 会 一 经 济 各 自 变量 内 部 WTP 值 的 比较 二 元 自 变量 被 分 离 出 来 ,并 用 描述 统计 量 ,* 检验 作 比 较 , 各 变量 被 确定 如 下 ; “PAH 示 男 性 响应 者 表示 肯定 ,已 婚 " 指 示 已 婚 响应 者 表示 肯定 ， 当 地 "指示 阿 巴 丹 当地 人 表 示 肯 定 ， 和 雇员" 指示 受 雇 用 的 响应 者 表示 肯定 ， 和 先知" 指示 对 城市 中 心 区 内 森林 保护 之 存在 已 有 先 验 知识 的 响应 者 表示 肯定 。 检 验 表 明 : 表 示 " 肯 定 " 与 “否定 "平均 WIP 无 显 著 差异 ( 户 >0.05)。 对 非 二 元 自 变量 所 作 方 案 分 析 的 结果 表明 :在 4 个 教育 程度 级 别 (小 学 .中 学 大 学 和 研究 生 ) 内 部 ,在 6 个 年 龄 段 (15 一 24 岁 .25 一 34 岁 、35 一 44 岁 、45 一 54 2 .55~64 岁 以 及 65 岁 以 上 ) 内 部 以 及 在 3 个 月 收入 水 平 ( 低 :10 一 100 美元 ;中 :100.01 一 200 美元 ;高 :超过 200 美元 ) 内 部 ,差异 是 不 显著 的 。 (4) 自 变量 之 间 的 相关 每 两 个 自 变 量 之 间 的 显著 相关 关系 ,存在 于 以 下 几 种 情形 :年龄 和 雇用 关系 之 间 ,年 280 龄 和 婚姻 状况 之 间 ,年 龄 和 所 研究 地 区 内 居住 时 间 之 间 ,年 龄 和 原 有 森林 保护 知识 之 间 ， 年 龄 和 住宅 大 小 之 间 , 收 入 和 工作 性 质 之 间 ,婚姻 状况 和 工作 性 质 之 间 , 受 教育 程度 和 环 境 意识 之 间 , 原 住 城市 和 居住 时 间 之 间 , 以 及 森林 和 居住 时 间 之 间 。 所 有 这 些 关系 ,都 已 求 出 相关 系数 ,它们 大 都 与 预期 推测 是 一 致 的 。 ($) 回 归 分 析 按 p<0.05 标准 检验 ,三 种 回归 方程 的 函数 形式 都 是 显著 的 。 这 意味 着 :在 每 一 回 归 方 程 中 受 检验 的 社会 经 济 自 变量 至 少 有 一 个 已 经 影响 了 因 变 量 WTP。 然而 ,双重 对 数 函数 是 回归 模式 中 被 选中 的 最 佳 方程 , 它 有 最 高 的 可 决 系数 (R = 0.27) ,最 小 的 标准 误差 (0.6884) 和 最 大 的 下 值 (5.758)。 (6) 完 全 模式 完全 回归 模式 将 引出 的 WTP 平均 值 的 对 数 处 理 为 因 变量 ,将 一 切 社会 -经济 变 量 的 对 数 处 理 为 自 变 量 。 虽 然 在 解释 WTP 响应 的 方面 ,有 几 个 因 变 量 是 不 显著 的 ,但 是 全 回归 模式 的 下 值 是 5.758, 这 说 明 因 变 量 与 各 个 自 变量 之 间 有 显著 关系 (上 <0.01)。 学 ER + 检验 指出 :只 有 两 个 社会 经 济 变量 影响 WTP 值 。 这 样 ,雇用 状态 和 居住 地 与 森林 保护 地 距离 ,都 是 很 显著 的 (<0.01) ,这 对 于 阿 巴 丹 市 区 以 环境 恢复 为 目的 的 植树 造林 计划 的 WTP 有 正面 影响 。 决 定性 系数 值 尺 " 为 0.27, 这 说 明 : 社 会 经 济 自 变 量 只 有 27% 贡献 于 因 变 量 的 变化 。 (7) 自 变量 对 WTP 的 影响 程度 尽管 经 济 收 入 作为 社会 经 济 变量 , 显示 其 不 显著 性 ,但 可 以 有 把 握 地 预期 : 它 对 WTP 会 有 显著 影响 。 然 而 ,其 不 显著 的 原因 是 :被 抽样 的 群体 中 的 许多 人 是 低 收 入 者 。 因此 ,他们 所 关心 的 是 眼前 生活 需要 ,而 不 是 长 远 的 生态 环境 的 改善 。 3. 对 城市 植树 造林 社会 经 济 控制 的 一 些 认 识 作为 陆地 生态 系统 的 主体 的 森林 ,在 大 范围 环境 中 的 作用 ,最 重要 的 当然 是 体现 在 一 个 国家 或 一 个 大 的 地 理 区 域 的 森林 覆盖 率 上 ,以 致 人 们 对 于 生长 在 山区 、 农 村 和 海滨 等 辽阔 地 域 上 的 树木 ,尤其 是 对 大 片 森林 , 是 非常 重视 的 。 但 是 , 随 着 社会 经 济 的 发 展 ， 整个 地 球 上 许多 国家 的 城市 化 水 平 大 大 提高 ,并 有 继续 发 展 的 趋势 ,发 展 中 国家 这 种 进 展 步伐 尤其 迅速 。 生 活 在 城市 里 的 人 所 接触 到 的 绿地 首先 是 城市 周围 及 住宅 附近 的 树 木 . 草 坪 等 。 把 城市 周边 林地 (有 些 作者 亦 称 之 为 城市 森林 ) 视 为 城市 优质 环境 的 保护 者 ,是 很 合适 的 ,森林 作为 城市 及 其 居民 的 “忠诚 卫士 "可 以 说 是 名 符 其 实 。 早 在 二 十 多 年 前 ,国内 就 有 关于 树木 与 环境 保护 关系 之 类 的 书 , 从 机 理 上 讲述 了 树木 对 环境 主要 是 城市 环境 的 保护 功能 。 类 似 的 文字 材料 起 到 了 宣传 森林 在 改善 城市 环境 中 的 作用 ,提倡 城市 绿化 一 一 植树 造林 , 发 展 草坪 等 ,以 促进 政府 有 关 部 门 及 社会 企业 和 个 人 ,为 此 投 资 ,因为 在 城市 及 其 周边 植树 种 草 ,发 展 绿地 ,总 是 要 投资 的 。 如 何 投资 ,由 谁 来 投资 , 投 资 多 少 ( 比 如 应 占 国民 经 济 收入 或 市 财政 预算 中 的 多 大 比例 ) ,这 都 存在 着 一 个 优化 控制 问题 。 但 如 果 缺 少 定量 的 抽样 调查 和 计算 分 析 资 料 , 作 出 的 控制 决策 就 只 能 是 定性 的 ， 带 有 较 大 的 主观 性 , 以致 在 某 一 时 期 发 展 了 城市 绿地 ,过 不 长 时 间 又 毁 掉 ,势必 造成 浪 Bt ,对 绿化 也 有 负面 影响 (因为 有 时 投资 后 ,效果 不 佳 ) 乃 至 影响 投资 者 再 投资 的 积极 性 。 为 解决 这 类 问题 ,开展 像 阿 巴 丹 市 那样 的 研究 , 则 是 有 意义 的 , 那 是 城市 森林 的 优化 经 济 模式 建立 的 必要 基础 。 我 国 近 二 十 年 来 ,城市 化 发 展 很 快 ,是 世界 上 大 城市 较 多 的 国家 之 一 ,东部 人 口 密度 大 ,城市 距离 较 近 ,为 使 城市 功能 增强 保障 城市 环境 的 "长治久安 ”， 281 以 利 可 持续 发 展 , 加 强 定量 的 城市 森林 经 济 控制 方法 的 研究 ,尤其 显得 必要 。 当 然 , 所 用 方法 和 调研 对 象 分 类 ,可 以 进一步 优化 。 必 要 时 可 以 作 一 定 的 试验 设计 , 比如 用 本 书 第 六 章 第 二 节 的 均匀 设计 ,并 把 结果 用 于 城市 生态 可 持续 发 展 的 研究 。 A=W 水 域 附 近 生 态 经 济 最 优 控制 本 节 论 述 湖泊 流域 城市 可 持续 发 展 的 生态 经 济 最 优 控制 问题 。 简 介 其 投入 产 出 方 法 。 投 入 产 出 模型 是 利 昂 节 夫 首 创 并 于 1973 年 获 诺 贝 尔 经 济 学 奖 的 重要 经 济 数学 模 型 ,在 国民 经 济 中 有 多 次 应 用 。 我 国 自 乌 家 培 `. 张 守 一 的 工作 以 来 ,也 有 较 长 时 间 应 用 历 史 。 近 来 , 李 林 红 从 生态 经 济 角度 ,以 滇池 流域 资料 为 基础 ,建立 一 个 最 优 控制 模型 , 求 出 该 流域 经 济 、 生 态 最 优 控制 模型 。 鉴 于 该 模型 对 于 湖泊 流域 城市 可 持续 发 展 研究 有 较 好 的 参考 价值 ,这 里 作 简 要 介绍 。 一 、 环 境 经 济 投入 产 出 表 该 种 投入 产 出 表 , 如 表 10 aes #%10-3 昆明 市 环境 经 济 投入 产 出 表 最 终 产 品 投入 产品 部 门 ” 环 保 部 门 资本 形成 市 外 调和 ”总 产 出 SSS eee 产品 资源 环保 产品 部 门 Xp Zp | ne © i D, Jp Q, 环境 资源 Xe 之 Iy2 I, Ty2 D, in Q. 废 D Xw Zu Dy | Qu 新 创造 价值 No N, 以 传统 的 投入 产 出 表 为 准将 产品 部 门 加 以 划分 ,如 农业 ,其 他 非 金属 矿 采 选 业 , 纺织 业 , 建 筑 业 ,商业 ,金融 保险 业 等 几 类 ;污染 物 划分 为 总 磷 , 总 氮 、COD 等 着 类 ;环境 资源 划分 为 水 森林、 矿 、 耕 地 等 p ZB. Xj =i] es oi ape Ke ae Zp =(Z5 Jaxm Z.=1Z5 | pxm Loe = ZF |x Ty = (05 daxn Tyo = (TF Ipxn T =LI5 Jax» Pd eel Toot = (TG. lax Py Reg Pris D, =[di Jax: D, = [di |px: Di Leiden loys Q,=La? Jax: Q.=LdiIpx1 Q. =a nx: al, = xi/qf ay xgl@ ay = ay! qf 75 Qj 15 Qj 593 其 中 ， A, =[ 罗 ],x, 为 中 间 产 品 间 的 直接 消耗 系数 ; 282 Ag =[a3] 心 为 中 间 产 品 对 环境 资源 的 直接 消耗 系数 ， A we = Lae) an 为 中 间 产 品 的 废物 排放 系数 ， Cy =[c], 为 环保 部 门 对 中 间 产 品 的 治理 消耗 系数 ， C. =[cs ] 几 为 环保 部 门 对 资源 的 治理 消耗 系数 ， Cu =[c] 为 环保 部 门 治理 排放 系数 ， © ATE] 污染 物 的 治理 份额 。 让 | = (Tj'/r7Aq;’ ], E, = Liga; I, BE x Lia ee Lae rg; ] ,分 别 为 产品 与 资源 投资 系数 矩阵 。 二 、 模 型 的 建立 及 结果 根据 投入 产 出 表 , 先 导出 差分 方程 ,再 构造 二 次 型 函数 ,最 后 用 黄 学 良 (1997) 所 述 的 最 优 控制 模型 ,得 出 本 问题 的 最 优 控制 解 。 结 果 指 出 ,在 十 五 期 间 , 为 了 把 污染 物 的 排 放 限 制 在 合理 的 范围 内 ,必须 降低 第 一 二、 三 产业 的 发 展 速度 ,特别 是 降低 第 二 产业 的 发 展 速度 。 而 这 样 的 措施 ,与 人 们 发 展 经 济 的 目标 相 违 背 , 说 明 滇池 流域 的 经 济 发 展 与 生态 环境 的 保护 之 间 的 矛盾 是 非常 突出 的 , 似 已 达到 不 可 调和 的 地 步 。 要 使 生态 环境 与 国民 经 济 很 好 地 协调 发 展 , 即 污染 物 排放 量 的 增长 率 保持 在 10% 以 下 ,国民 经 济 发 展 的 速度 保持 在 10% 左 右 ,污染 物 的 治理 份额 应 当 提 高 到 535% 一 70% ;适度 加 大 环保 投资 是 有 益 的 ,这 一 方面 可 以 拉动 第 二 产业 的 发 展 ; 另 一 方面 可 以 提高 污染 治理 份额 ;从 三 个 产 业 结 构 来 看 ,优先 发 展 第 三 产业 ,对 可 持续 发 展 是 有 利 的 。 第 四 节 ”可 持续 农业 (SA) 问 题 的 多 重 标准 分 析 为 满足 至 少 三 维 ( 域 ) 可 持续 农业 (SA) 发 展 的 要 求 , 必须 考虑 社会 .生态 和 经 济 这 三 个 方面 。 下 面 的 内 容 说 明 多 重 标准 分 析 ( 一 种 多 维 方法 ) 是 研究 农业 可 持续 性 的 一 种 有 用 的 运筹 方法 论 。 该 方法 论 用 于 可 持续 研究 ,至 少 有 如 下 6 种 理由 。 中 它 是 同时 考虑 各 因素 不 同 影响 并 对 复杂 问题 进行 分 析 的 一 种 工具 。 急 它 允许 人 们 处 理 混合 的 (定量 的 和 定性 的 ) 信 息 , 给 出 用 于 经 济 - 生态 模 造 的 因 次 差异 问题 。 @ 它 对 于 目标 的 数目 和 性 质 没 有 任何 限制 ,只 是 要 求 指出 那些 目标 的 相对 重要 性 ( 即 优先 性 )。 曲 它 可 处 理 现代 计划 问题 和 各 种 不 同形 式 信 息 的 决策 者 们 所 提出 问题 的 矛盾 性 。 名 它 允 许 从 常规 决策 到 瞬间 、 过 程 决策 的 转换 。 @o 对 于 面临 简单 和 受 迫 " 解 所 不 能 解决 的 现代 公共 决策 的 要 求 , 它 可 以 满足 。 = Fie 这 项 工作 是 以 大 量 资料 为 基础 ,用 数学 方法 进行 研究 的 。 1. 多 元 分 析 为 了 进行 分 类 ,一 种 多 元 统计 方法 一 一 聚 类 分 析 一 一 被 运用 。 聚 类 分 析 是 把 个 体 即 283 对 象 分 成 组 (以 便 使 同类 对 象 中 的 各 个 对 象 聚 在 一 起 , 而 不 同类 的 对 象 被 分 开 ) 的 方法 。 XH , 聚 类 分 析 的 初始 目的 就 是 依据 对 象 具 有 的 类 别 把 它们 分 成 组 。 这 样 ,所 得 的 对 象 聚 类 结果 将 展示 内 部 的 (一 种 聚 类 结果 之 内 的 ) 高 度 的 同 质 性 和 外 部 的 (两 种 聚 类 结果 之 间 的 ) 高 度 的 均匀 性 。 在 聚 类 的 时 候 ,一 个 重要 的 过 程 是 关于 对 象 相 似 性 量 数 的 决策 。 在 进行 聚 类 时 ,有 两 种 不 同 的 距离 计算 方法 必须 考虑 :(i) 外 聚 类 (infracluster) 计 算 ,对 组 内 每 两 个 对 象 间 的 最 小 距离 “负责 ”;( 站 内 聚 类 (intercluster) 计 算 ,对 每 两 聚 类 之 间 的 最 大 距离 负责”。 欧 氏 距离 (Euclidean distance) 是 最 普遍 的 距离 量 数 (Wilks,1995)。 欧 氏 平 方 距 离 (squared Eu- clidean distance) 被 用 作 外 聚 类 量 数 。 用 于 确定 聚 类 一 聚 类 (内 聚 类 ) 的 标准 是 Ward 的 最 小 方差 法 。 最 常用 的 聚 类 算法 可 分 成 两 个 一 般 的 类 别 : 分 层 的 ;不 分 层 的 。 分 层 方法 包 括 构造 一 个 类 似 于 树 结构 的 层 。 其 表达 方法 叫做 "树木 图 "(dendrogram) 或 树 图 。 2. 离散 多 标准 方法 设计 多 标准 模 造 方法 的 目的 是 :对 于 在 “假定 定量 或 定性 数值 的 标准 下 ,估价 离散 备 选 " 这 一 问题 ,按照 它们 的 属性 ,寻找 优先 备 选 解 。 这 些 方法 用 多 重 标 准 和 优先 权 来 研究 备 选 。 这 里 所 说 的 备 选 可 以 是 选择 计划 或 策略 ,管理 带 或 管理 区 ,可 能 居住 区 ,城市 更 新 邻 域 等 ,支配 任何 多 标准 分 析 的 都 有 三 项 基本 原则 :(i) 评 价 矩 阵 的 构建 ;( 让 优化 权 殉 阵 的 确定 ;( 作 通过 算法 研究 得 出 估计 和 矩阵 。 评价 矩阵 反映 由 一 组 标准 ( 即 标准 集 ) 所 决定 的 备 选 的 特征 。 标 准 内 部 的 矛盾 预期 在 评价 矩阵 中 ,这 使 该 矩阵 的 直接 内 捅 不 够 客观 。 为 解决 标准 之 间 的 这 一 矛盾 , 须 作 第 二 步 的 工作 , 即 定义 优先 权 和 矩阵 。 该 矩阵 控制 各 标准 的 决策 者 们 (DMS) 面 临 不 同 看 法 时 由 他 们 所 确定 的 各 标准 的 重要 性 (优先 权 或 权重 )。 在 多 标准 分 析 中 的 最 后 一 步 是 用 一 种 探索 方法 来 确定 评价 矩阵。 这 样 的 矩阵 含 备 选中 选择 机 会 的 一 种 分 类 。 在 这 项 工作 中 所 用 的 探索 算法 是 简单 加 法 权重 (SAW ) 模 式 4(Howard,1991)。 从 形 式 上 来 说 ,权重 W; 是 从 线性 利用 函数 导出 的 。 以 其 基本 矩阵 形式 出 现 的 SAW 技术 是 U=E:w' (10-10) 第 ; 次 备 选 的 成 就 被 计算 为 : U; = 2rvjej fs" er sy yes ee (10-11) 这 里 U, 是 第 ; tS REE”. HERG F ,假定 eg Mu, 的 较 高 值 代表 FEU ADR EU, > LU ,判断 ; 比 ; 好 。 zi 是 第 7 个 标准 的 DMs 权重 即 相 对 重要 性 。 eij 是 第 ; 个 备 选 和 第 7 个 标准 的 数值 属性 。 决策 规则 是 : 伴 有 最 高 痕 ( 加 权 了 的 属性 水 平 之 和 ) 的 备 选 被 认为 是 最 优 的 : Ua = mar, (10-12) Fi #2 (10 — 11) ADT (10 — 12) 可 被 重 写 为 maximize 2; ( wje;; ) 外 (10—13) 伴 有 最 高 痕 即 估计 的 备 选 是 就 每 一 个 备 选 按 以 下 步骤 计算 的 :以 一 切 标准 的 加 权 痕 的 求 和 所 伴随 的 适应 权重 , 乘 以 每 个 值 。 最 后 ,SAW 被 作为 一 种 很 有 效 的 方法 ,用 于 多 标准 AY IT 在 本 研究 中 , 备 选 是 经 由 聚 类 分 析 的 分 类 过 程 中 发 现 的 农耕 系统 (farming system) . 284 3. 可 持续 性 的 指标 农耕 系统 的 可 持续 性 指标 分 三 组 ,每 组 为 10 个 。 (1) 经 济 指标 所 用 的 10 个 经 济 指标 是 : 〇 灌溉 条 件 ,@ 毛 收入 ,@ 用 于 农耕 的 土地 面积 ,@@ 企 业 类 别 ,@ 银 行 贷款 ,@ 官 方 补助 金 ,O 长 期 雇员 ,@) 季 节 性 雇员 ,@ 机 械 的 应 用 ,@ 财 产 使 用 时 间 。 (2) 社 会 指标 所 用 生活 质量 的 6 个 指标 是 :@ 生 活 标准 ,@ 社 会 化 程度 ,@ 人 在 生产 单位 中 的 关 系 ,@ 基 础 教育 ,@ 农 业 教育 ,@O 现 代 医 疗 ;所 用 生态 意识 指标 是 :A 对 外 界 生态 因 子 的 了 解 程度 ,B 支配 生产 的 规律 ,C 自然 环境 的 保护 ;所 用 技术 指标 是 :为 解决 环境 问题 所 用 技 术 的 力度 。 (3) 生 态 指标 生态 指标 关系 到 水 、 土 壤 和 能 源 利 用 (农业 输入 ), 人 的 健康 , 虽然 不 直接 受 农 业 生 态 问题 的 影响 ,但 是 有 间接 的 影响 ,比如 遭受 烈性 杀 虫 剂 危 害 。 第 三 种 标准 关系 到 水 土 保 持 和 生产 力 中 起 重要 作用 的 农 作 实践 。 这 样 ,10 个 生态 指标 是 :@ 杀 虫 剂 的 使 用 ,@ 化 学 肥料 的 施用 ,@ 土 壤 中 的 致 病 物 ,@ 水 中 的 化 学 含 物 ,@ 有 机 碎 肥 的 施用 ,@) 休 闲 ,@ 作 物 轮作 ,@) 免 耕 ,@ 植 物 病害 ,@ 健 康 问题 。 二 、 实 用 结果 1. 聚 类 的 解释 按照 作物 栽培 的 茬 数 ,经 分 辨 ,农耕 系统 被 聚 为 4 HAE: O—-EEW, PEBSER 种 收 一 着 ;@ 两 茬 作物 , 纯 玉 米 -大 豆 系统 ;GO 三 茬 作物 ,混合 玉米 - 大 豆 系统 ;人 四 超过 三 茬 作物 ,多 茬 。 表 10 -4 示 每 种 聚 类 的 个 例 数 。 按 百分率 领先 的 第 二 种 方式 (51% ) 一 一 强化 的 玉 米 -- 大 豆 系 统一 一 在 该 地 区 占 优势 。 栽 培 玉米 和 大 豆 的 农场 管理 者 ,在 该 地 区 ,实际 上 是 占 大 多 数 的 。 实 践 多 重 栽培 或 灌溉 的 农场 管理 者 是 第 二 大 的 聚 类 群体 , 占 22% 。 我 们 有 理由 视 其 为 以 家 庭 为 基础 的 栽培 的 单 茬 栽培 代表 该 地 区 的 第 三 大 的 农场 系统 , 占 15% 。 表 10-4 事 类 结果 的 频数 分 布 聚 类 结果 频数 % 1. MH 17 15 2. 纯 玉 米 一 大 豆 58 51 3. 混合 玉米 -大 豆 14 12 4. 多 重 栽 培 25 22 总 计 | 114 100 KE (14) 2. FMS Siz: FM RKABREEY A 评价 矩阵 由 备 选 和 标准 组 成 ,农耕 系统 4 个 聚 类 结果 表示 备 选 ,可 持续 的 30 个 指标 表示 标准 。 起 决策 者 作用 的 三 位 专家 (一 位 农业 经 济 学 家 ,一 位 农业 社会 学 家 ,一 位 生态 285 学 家 ) 给 优先 权 打 分 。 3. 可 持续 农业 的 决策 问题 30 个 指标 被 结合 成 6 个 主要 目标 : 中 农场 :农场 方面 有 10 个 指标 :灌溉 量 , 毛 收 入 ,栽培 面积 ,企业 ,银行 担保 ,沟渠 ,全 日 制 劳动 力 ,临时 工 \ 机 械 的 使 用 ,设备 使 用 时 间 。 外 生活 质量 ,生活 标准 ,社会 化 程度 ,与 社区 关系 。 G) 教 育 :教育 ,继续 教育 ,现代 化 医疗 。 由 卫生 的 一 般 问 题 : 人 的 卫生 问题 ,水 的 化 学 污染 ,植物 病害 ,土壤 病害 。 @ 农 业 管理 实践 : 杀 虫 剂 的 使 用 ,化 学 肥料 的 施用 ,有 机 肥料 的 施用 ,休闲 ,轮作 , 免 耕 。 @O 人 们 关心 的 主要 环境 问题 :对 外 界 因 子 的 了 解 ,技术 的 应 用 ,生产 规律 ,自然 保护 。 这 些 目标 在 文献 中 也 叫 人 射 角 。 结 合 过 程 将 30 个 标准 聚 类 成 6 个 较 小 的 目标 ,每 一 目标 中 ,标准 的 数目 是 不 同 的 。 这 一 过 程 简化 了 每 一 步 中 估计 和 矩阵 的 计算 。 首 先 ,对 于 每 一 个 人 射 角 ,一 切 备 选 ,都 被 评价 。 对 于 每 一 个 备 选 ,所 得 的 估计 痕 , 都 被 浓缩 在 一 个 具有 不 同人 射 角 ( 作 为 标准 ) 的 新 估计 和 矩阵 之 中 。 其 次 ,使 所 引出 的 这 个 矩阵 服从 一 个 新 的 评价 ,产生 涉及 三 维 可 持续 性 的 一 个 次 估计 矩阵。 第 三 对 每 个 农耕 系统 一 个 新 的 评 价 是 用 生成 最 终 完 整 估计 痕 的 这 一 估计 矩阵 来 进行 的 。 该 过 程 的 一 个 重要 方面 是 标准 痕 (ey ) ALB RE (w, ) 的 标准 化 。 整个 过 程 可 以 在 Miranda 的 文章 中 找到 (Miranda， 1999), 10-5 综合 估计 和 矩阵 出 发 点 农耕 系统 1 农耕 系统 2 农耕 系统 3 农耕 系统 4 经 济 0.6956 0.7189 0.6232 0.7571 生态 0.8054 0.7708 0.6774 0.7081 社会 0.8012 0.8643 0.7264 0.7626 4. 可 持续 性 一 般 评 价 指标 之 例 据 Miranda(2001) 在 巴西 用 方程 (10-13) 的 试验 计算 ,总 体 可 持续 指数 (OSI) 如 下 : 农耕 系统 1 ,=0.6956xX0.3333+0.8054x0.3333+0.8012x0.3333=0.7673 农耕 系统 2。 =0.7189 X 0.3333 + 0.7708 x 0.3333 + 0.8643 x 0.3333 =0.7846 RB AGE 3.3 =0.6232 X 0.3333 + 0.6774 X 0.3333 + 0.7264 x 0.3333 =0.6756 农耕 系统 4 =0.7571 X 0.3333 + 0.7081 X 0.3333 + 0.7626 X 0.3333 =0.7426 由 以 上 的 计算 结果 ,发现 可 持续 指标 从 大 到 小 的 排序 结果 : 农耕 系统 2(0.7846) > 农耕 系统 1(0.7673) > 农耕 系统 4(0.7426) > 农耕 系统 3 (0.6756). 农耕 系统 2 一 一 纯 玉 米 -大 豆 系 统一 一 是 最 优 的 可 持续 农业 系统 。 单 一 栽培 即 家 庭 农场 系统 是 可 持续 次 最 优 系统 。 多 项 栽培 系统 即 灌溉 系统 是 第 三 位 的 ,而 混合 的 玉米 一 大 豆 系统 是 排 在 最 后 的 系统 。 引 起 人 们 注意 的 是 :被 人 们 作为 绿色 革命 榜样 的 那个 系统 一 一 玉米 -大 豆 系统 一 一 标记 为 最 好 的 可 持续 性 。 以 小 本 运营 的 家 庭 农 场 系统 ,占据 了 第 二 的 位 置 , 这 一 结果 指出 ; 由 加 强 农业 系统 标准 作出 的 假定 ,可 能 是 值得 怀疑 的 。 286 不 难看 出 ,在 上 述 例子 的 计算 中 ,权重 起 着 重要 的 作用 。 在 确定 权重 时 ,不 同 的 专家 给 出 的 结果 可 能 不 同 。 一 般 来 说 ,从 生态 观点 出 发 的 生态 工作 者 ,往往 希望 看 得 远 一 些 ， 使 可 持续 保持 更 长 时 间 。 在 实际 运用 时 ,可 以 考虑 ,对 权重 作 一 定 改变 ,再 看 不 同 权 重 的 结果 ,再 观察 结果 排序 是 否 有 变化 。 比 如 在 我 国 现实 条 件 下 , 既 保 持 可 持续 发 展 , 又 要 注 重 经 济 效益 、 社 会 效果 的 权重 可 适当 小 些 , 生 态 效果 的 权重 适当 大 些 , 而 不 必 ” 三 一 三 余 一 ”地 处 理 。 依 表 10- 5, 以 上 的 相应 计算 ,可 改写 为 农耕 系统 1, =0.6956 x 0.3333 + 0.8054 x 0.3666 + 0.8012 x 0.3000+0.77 RP AZ 2; =0.7189 x 0.3333 + 0.7708 X 0.3666 + 0.8643 x 0.3000+0.78 RPA 3.4 =0.6232 X 0.3333 + 0.6774 X 0.3666 + 0.7264 x 0.30000 .67 RP AG 4, =0.7571 X 0.3333 + 0.7081 X 0.3666 + 0.7626 x 0.3000+0.74 结果 表明 :农耕 系统 2。 > 农耕 系统 1 RAAB 4.5 > 农耕 系统 3.5.0 在 我 国 ,关于 耕作 制度 研究 和 实际 改革 的 材料 是 很 多 的 。 早 在 1979 年 PER GEL BE 发 表 了 《对 苏 南 地 区 耕作 制度 的 看 法 和 建议 》( 见 人 民 日 报 ,1979.1.13) 一 文 ,后 于 1987 年 刘 吕 浩 、 韩 湘 玲 出 版 了 《中 国 耕 作 制 度 区 划 》 一 书 ( 北 京 农业 大 学 出 版 社 ) ,而 耕作 制度 区 划 ,在 20 世纪 80 年 代 , 全 国 各 省 都 已 作出 。 这 些 资料 ,如 果 能 用 前 述 方法 处 理 , 则 对 于 定量 地 实践 各 个 层次 的 农业 可 持续 发 展 ,将 有 重要 意义 。 同 时 ,这 项 工作 的 计算 也 不 算 难 。 PHY ”农业 生态 -经 阐 一 社会 可 持续 发 展 的 层次 从 本 书 第 二 章 的 图 2- 1 可 以 清楚 地 看 出 ,我 们 对 生态 控制 的 理解 涉及 到 生物 、 环 境 和 社会 三 个 圈 层 的 相互 作用 ,而 不 是 生物 和 环境 两 个 圈 层 的 关系 问题 。 社 会 性 当然 离 不 开 人 对 自然 的 作用 ,主要 是 人 工 生 态 力 源 的 作用 。 如 果 说 一 些 学 者 讨论 过 的 未 来 大 范围 改造 生态 条 件 的 设想 ,比如 改变 现 有 的 地 球 上 的 海洋 大 陆 布 局 等 ( 见 Brouer，1980， Weather Modification : Prospects and Problems ) 为 时 太 远 ,而 对 于 局 部 地 区 的 生态 -经济 =- 社会 可 持续 发 展 研究 , 则 是 现实 可 行 的 。 在 这 方面 ,许多 不 同学 科 的 专家 进行 过 多 方 探索 和 研究 ,如 中 腾 康 俊 在 4 人 文 地 理学 人 门 兴 中 文 版 ,1998 ,气象 出 版 社 ) 一 书 中 对 日 本 所 作 的 研究 ,由 于 涉及 方面 很 多 ,以往 的 类 似 研 究 多 以 定性 分 析 为 主 。 但 这 不 能 满足 可 持续 发 展 规划 的 客观 需要 。 为 探索 定性 与 定量 结合 的 方案 ,我 们 经 过 调查 与 多 年 思考 ， 可 试用 层次 分 析 (AHP) 这 种 数学 方法 加 以 处 理 。 鉴于 我 国 是 发 展 中 大 国 , 在 生态 县 建设 中 ,农业 在 国民 经 济 发 展 中 占 主 导 地 位 的 县 为 多 ,所 以 本 节 只 论述 涉及 农业 生态 控制 的 开发 展 次 问题 。 其 他 行业 , 当 可 借鉴 。 一 、 层 次 关系 的 建立 某 生态 县 为 实现 农业 生态 -经 济 -社会 可 持续 发 展 ,拟定 的 总 体 目标 层次 A 是 :在 确保 粮食 棉花 油料 作物 高 产 稳定 的 前 提 下 ,发 展 园艺 (蔬菜 果树 、 花 卉 ) 的 现代 化 , 工 三 化 农业 ,增强 出 口 创汇 能 力 ,增加 农民 经 济 收入 ;与 此 同时 ,保持 土壤 ,大气 \ 水 质地 狐 等 生态 动力 源 不 受 破坏 ,力争 生态 环境 增 优 ,把 全 县 建成 以 农业 为 支持 产业 ALL RS 发 展 ,地力 储备 雄厚 的 山川 秀美 的 现代 化 生态 县 。 287 围绕 这 一 总 体 目 标 , 有 一 个 中 间 约 柬 层 C ,该 层次 分 为 如 下 三 个 子 层 次 : Ci 层 一 一 巩固 和 发 展 粮食 棉花 油料 的 原 有 生产 基地 ,兼顾 原 有 的 相关 作物 , 搞 好 水 土 保 持 ,增加 农家 肥 用 量 。 C 层 一 一 发 展现 代 化 的 工厂 化 农业 ,在 原 有 日 光 温 室 的 基础 上 ,优化 建设 现代 化 温室 群 ,形成 其 中 的 优良 生态 环境 , 以 利 其 栽培 的 蔬菜 、 果 树 、 花 卉 等 园艺 作物 高 产 、 优 质 、 高 效 ,成 为 农业 增收 出 口 创 汇 的 主要 产品 。 C3 层 一 一 ”积极 采用 有 效 的 治本 与 治标 相 结合 的 减灾 增产 措施 ,从 长 远 的 可 持续 发 展 的 战略 观点 出 发 ,努力 改善 生态 环境 ,减轻 旱 适 灾害 对 全 县 农业 的 威胁 ,增强 农业 生产 储备 。 这 里 的 第 三 个 层次 ,从 本 书 的 观点 看 来 , 正 是 生态 控制 的 措施 层 , 也 就 是 生态 控制 原 理 在 生态 县 建设 中 应 用 的 一 个 层次 。 这 些 措施 的 初步 设想 ,来 源 于 当地 群众 干部 以 及 相关 科技 专家 的 共同 智慧 ,用 Delphi 调查 和 专家 系统 分 析 综 合 , 共 可 分 为 14 种 措施 ,我 们 用 P,, Po. ,Pi 分别 表示 之 。 现 简 述 如 下 : Be 兴修 水 利 工程 ,完善 全 县 农田 灌溉 系统 ,增加 水 库 库容 ,从 工程 措施 上 提高 减灾 能 力 ; P, 一 一 完善 工厂 化 农业 措施 ; P;,— 在 山区 实行 飞播 造林 作业 ,减少 荒山 面积 ,提高 全 县 森林 覆盖 率 ; P, 一 一 更 新 并 扩建 农田 防护 林 网 ,强化 其 保护 农田 的 生态 功能 ; P; 一 一 发 展 牧 业 ,增加 有 机 肥 在 施肥 量 中 所 占 比 例 ; P, 一 一 发 展 果树 生产 ,以 提高 经 济 效益 和 生态 效益 ; P) 一 一 科学 建设 草场 ; Ps 一 一 建设 农业 残留 物 和 污染 物 处 理 基地 ; P, 一 一 ”发展 水 产 养殖 ; Pi 一 一 开展 小 流域 治理 ,增强 水 土 保 持 功 能 ; Pu 一 一 采用 防 低温 工程 措施 ; Pu 一 一 对 小 麦 类 作物 ,实行 免 耕 留 茬 ; Pi 一 一 人 工 降雨 、 消 雹 措 施 ; Pu 一 一 大 面积 农田 土壤 改良 。 二 数学 模型 概要 在 本 研究 中 ,目标 是 用 层次 分 析 法 衡量 各 个 生态 控制 层次 的 权重 , 以 作为 生态 县 发 展 的 控制 决策 的 一 种 依据 。 设 在 生态 控制 中 ,共有 n 个 项 目 ,它们 的 权重 分 别 为 W,, W,,°°,W,,°', W, FAA WwW, =1 (10-14) i] _ 为 了 进行 比较 ,我们 给 出 表 10 - 6. 288 表 10-6 2 个 控制 项 目的 两 两 相互 比较 Ti T， ae W, i W, WwW, W,/ W, W,/ W, i W,/ W; “ne W,/ W, W2 W2/ Wi W./ W2 “. W,/ W; + W,/ W,, W; Wi! Wi W;/ W2 pee W;/ W; =e W;/ W, ytd w,/ W, w,/ W> Be W,| W; a W,/ W, 我 们 并 令 表 10-6 中 的 W,/ W, = Gyo 根据 这 ”个 项 目的 相对 权重 关系 i n 7 n WDA A ,其 中 的 元 素 为 ai 。 即 我 们 有 W,/W, W,/W, eae W/W; wag W/W, W,/W, W,/W, a W,/W; at W,/W,, (ee 3 : 。 。 = W/W, W,/W, bi W,/W; W,/W,, Ww,,/W, W,,/W, - W,,| W; W,,/W,, = (a5) axn (10-15) 并 有 a; 1,8, = 1/a;, » ai = ax/ ax 5 过 里 Pe | =1,2,……,7, 凡 符合 以 上 条 件 的 ,就 被 认为 具有 完全 一 致 性 的 条 件 。 现 有 公式 (六 (10-16) 这 里 4 是 矩阵 4 的 特征 根 , 每 个 项 目的 权重 是 4 对 于 特征 向 量 的 各 个 分 量 。 生态 县 农业 生态 - 经济 -社会 控制 是 复杂 大 系统 ( 详 见 本 书 第 十 一 章 ) 的 全 局 性 问 题 ,而 不 是 某 一 个 项 目 承 担 单位 的 局 部 问题 ,既然 是 全 局 性 的 生态 控制 就 应 在 综合 集成 方法 论 的 指导 下 ,全 面 考 虑 ,综合 决策 。 就 生态 控制 这 一 人 工 生 态 动 力 源 的 实践 活动 投 和 人 的 人 力 、 物 力 和 资金 来 说 ,无 论 是 具体 措施 实施 的 时 间 次 序 , 或 者 是 开发 的 深度 广度 ， 都 应 当 很 好 地 统一 起 来 。 为 此 ,我 们 选用 层次 分 析 法 ,因为 层次 分 析 法 是 一 种 定量 确定 生态 一 经 济 控制 层次 和 项 目 权重 的 适宜 方法 。 在 运用 这 种 方法 时 , 先 设 法 求 出 判断 矩 阵 。 然 后 ,在 判断 矩阵 具有 完全 一 致 性 的 前 提 下 ,通过 求解 特征 值 Ay = Am W (10-17) 便 可 以 求 出 正规 化 特征 向 量 (假定 各 控制 项 目的 总 权重 为 1) ,该 特征 向 量 便 指 示 出 ”个 控制 项 目的 各 自 权 重 。 289 三 、 构 造 判断 矩阵 判断 矩阵 是 生态 经 济 控制 项 目 层次 分 析 的 出 发 点 和 关键 步骤 。 某 一 层次 判断 矩阵 中 的 元 素 表 示 :针对 其 上 一 个 层次 的 某 一 元 素 ALMA ,该 层次 中 的 各 有 关 元 素 相对 重要 性 的 状况 。 所 构造 判断 矩阵 如 表 10 -7。 表 10-7 判断 矩阵 构造 用 表 A, B, B, B; B B, by by bi; Da B, bx, bx bo; b2 B; b 1 bin by bin B b 1 Da y b 在 表 10-7, 6; = B,/B,, CRAMFE—-TEK A, Ki, BIB HAWBBEN FW, b; 1,3,5,7,9 五 个 等 级 ,其 中 6, =1 #A 了 ;与 也 同等 重要 |; 6, =3 A BB BEA; 6; =5 AN BKB BE; b, =7 RA BUBB BESS; 6; =9 表示 BAM FB RABE, 概括 起 来 ,我 们 可 以 这 样 说 :2 的 值 越 大 ,说 明 B; 对 殖 ; 的 相对 重要 性 越 大 。 判断 矩阵 中 的 元 素 显 然 应 满足 (10 — 18) (i,7=1,2,°"°,n) 构造 判断 矩阵 的 关键 是 考察 其 是 否 具有 一 致 性 。 如 果 满 足 如 下 条 件 bi = by by (10-19) (i,7,k=1,2,3,°"",n) 则 为 完全 一 致 。 这 种 一 致 性 将 在 下 面 检验 。 \ 层 次 排序 检验 分 为 单 排序 和 总 排序 检验 ,具体 如 下 。 1. 层次 单 排序 层次 单 排序 的 目的 是 根据 判断 矩阵 来 计算 对 于 上 一 个 层次 的 某 元 素来 说 ,确定 本 层 次 中 与 其 有 关 的 元 素 的 重要 性 次 序 的 数值 。 层 次 单 排序 可 以 归结 为 计算 判断 矩阵 的 特 征 根 和 特征 向 量 问题 , 即 对 判断 矩阵 如 BW=A.,,. W (10-20) iF A PE AB OA BARGER W XT DE A ae AY TE A PE 290 W 的 分 量 , 好 ; 即 是 相应 元 素 单 排序 的 数值 。 为 了 检验 判断 矩阵 的 一 致 性 ,需要 计算 其 一 致 性 指标 CT(consistency index) ,这 个 指 标的 计算 公式 是 CT= -ae (10-21) 24 1) FB RE SEE BLT, CI =00 Am — 72 的 值 越 大 , 则 CT RRB K , ULAR A — 性 越 差 。 为 判断 矩阵 是 否 具 有 满意 的 一 致 性 , 需 将 CT 与 平均 随机 一 致 性 指标 RI 作 比 较 。 对 于 一 阶 和 二 阶 判断 矩阵 ,总 是 具有 一 致 性 的 。 当 阶 次 为 3 到 10 的 时 候 , 用 判断 矩 阵 随 机 一 次 性 比例 -人 RI CR (10 - 22) 加 以 判断 ,必须 使 CR<0.1。 2. EKER 利用 同一 层次 中 层次 单 排序 的 一 切 计算 结果 ,就 可 以 计算 某 一 层次 中 所 有 元 素 相对 于 上 一 层次 的 重要 性 ,这 就 是 层次 总 排序 。 假定 上 一 层次 所 有 元 素 4 ,4;,…,4。 的 总 排序 已 经 完成 ,得 到 的 数值 分 别 为 ai ， az ,…,an 与 ai 对 应 的 本 层次 元 素 单 排序 结果 为 6,,65,°°,0,. ERE BSA THKNK 件 下 6; =0, 可 得 出 层次 总 排序 表 和 归 一 化 正规 向 量 。 并 进行 一 致 性 检验 。 五 ,特征 根 与 特征 向 量 的 计算 计算 按 如 下 几 步 进行 : 第 一 步 ,计算 判断 矩阵 中 每 一 行 的 ”个 元 素 的 乘积 , 即 M, = II bi; ps M, = II by; 第 二 步 , 求 MN n WAAR, BD B= REMC W,, Wes, W,)” ,其 中 W.=W/2W, =W,/(W,+ W, +--+ W,) (i=1,2,-"-,n) Sil (W,,W,,: W,) ,该 向 量 的 转 置 向 量 即 为 所 求 的 特征 向 量 。 BOA ,计算 和 ,其 算式 为 zat = mate (10-23) 这 里 , (BW), AEB SAB W BRAGA BBW 的 第 ; 个 元 素 。 六 总体 开发 层次 的 最 优 方案 我 们 用 已 经 构造 出 来 的 各 个 判断 矩阵 ,对 各 个 层次 的 比较 和 计算 结果 ,可 以 得 出 Amex Cl,RI #ICR. ARH. 围绕 生态 - 经济 -社会 全 面 可 持续 发 展 这 一 总 体 目 标 ,该 生态 县 约束 层次 中 ,以 C， 层 最 为 主要 , 即 应 巩固 和 发 展 粮 食 、 棉 花 、 油 料 和 生产 基地 ,兼顾 原 有 的 相关 作物 , 摘 好 水 土 保持 ,增加 农家 肥 用 量 。 为 实现 上 述 总 体 目 标 ,最 终 开发 展 次 的 优先 地 位 应 是 PB. >P, >P,>P. 说 明 该 生态 县 为 实现 可 持续 发 展 在 14 个 可 能 层次 中 ,应 注意 按 以 上 4 个 层次 进行 ， 其 中 最 主要 的 优先 层次 是 :更 新 并 扩建 农田 防护 林 , 以 强化 其 保护 农田 的 生态 功能 。 上 述 的 AHP 方法 可 用 于 任何 生态 县 (乡村 ) 的 层次 研究 。 相 信 , 各 个 具体 用 户 ,在 结合 当地 实际 应 用 研究 中 ,会 取得 更 为 合理 的 结果 。 第 六 节 林业 可 持续 发 展 的 树 盏 基地 策略 减轻 自然 灾害 是 实现 农业 可 持续 发 展 的 长 期 策略 。 造 林 是 减轻 农业 自然 灾害 的 一 种 重要 措施 。 农 田 防护 林 的 营造 和 更 新 直接 关系 到 农业 的 可 持续 发 展 。 为 了 满足 造林 需要 ,有 必要 用 数学 方法 确定 种 苗 繁 育 基地 的 用 地 面积 。 假 定单 位 面积 种 苗 基 地 的 生产 量 是 稳定 的 。 一 方面 ,如 果 种 苗 基地 面积 过 大 , 即 其 产 出 量 超出 造林 需求 ,那么 过 剩 的 种 苗 只 能 扔 掉 ( 假 定 所 生产 的 种 苗 对 外 销售 不 出 去 ) ,必然 带 来 经 济 损失 。 另 一 方面 ,如 果 种 苗 面 积 不 足 , 即 满足 不 了 造林 需求 ,那么 由 于 保护 农业 的 树木 不 足 或 因 防护 林 自 然 损 毁 却 不 能 及 时 更 新 ,其 抗灾 功能 减退 ,必然 影响 农业 的 可 持续 发 展 。 这 就 是 因 种 苗 不 足 影响 造林 ,从 而 带 来 大 面积 农田 的 经 济 损失 。 为 了 确定 满足 农业 可 持续 发 展 需要 的 树木 树苗 基地 的 土地 投入 策略 ,我 们 将 按 如 下 步骤 作 数学 模 造 : 设 c, 是 森林 生态 功能 减弱 带 来 的 经 济 损失 [单位 :元 '(0.0667hm' ) +a! ], cE 用 种 苗 地 的 支出 [单位 :元 '(0.0667hm ) 'a ], cs 是 种 苗 生 产 成 本 [单位 :元 ， 292 (0.0667hm )-….a ],z 是 种 苗 用 地 面积 (单位 :0.0667hm ) 。 令 上 =0( 单 位 :a) 是 森林 生态 功能 减退 导致 农田 生态 功能 减退 的 开始 时 间 , 了 (zt) 是 生态 功能 已 经 减退 的 农田 的 面积 , 妨 是 种 苗 用 于 造林 的 开始 时 间 , 妃 是 森林 生态 功能 发 挥 作用 而 使 农田 生态 功能 增强 的 开始 时 间 。 因为 农田 生态 功能 减退 所 致 经 济 损失 是 c; 再 ( 妃 ) ,而 种 苗 繁 育 支 出 应 是 cxz(z 一 ii )+ cs3z ,所 以 该 模式 的 目标 函数 即 总 支出 是 c(z)=c,B(t.)+ co.2(t, —t,) +32 (10 — 24) 为 求解 c(z) 的 极 值 问题 ,必须 确定 Bt) MIBK t.,t,,2 ZN KA. 讨论 B(i) 不 如 讨论 dB/dz 方便 ,后 者 表示 农田 生态 功能 减退 的 速率 。 显 然 ,在 0 委 : <7, ht ,dB/de 随 着 上 的 增加 而 增加 ,在 tye, ,dB/de 随 着 上 增加 而 减 小 ,并 且 有 对 于 dB/de 的 具体 形式 ,可 以 作出 如 下 的 假定 : (i) 生态 功能 的 减退 , 系 从 某 一 中 心 开始 ,以 均匀 的 速率 向 外 作 环 形 传播 FE Ot 去 与 时 ,传播 半径 >(z)cct ,因为 B(t)ecc 盖 (t), 所 以 dBldtcct, 记 作 Boe (0 (T,y) 的 一 个 单位 值 。 则 目标 函数 是 : ax = | | Fdyde + P(e)x(e,n)de + [ S(y)2(T,y)dy} 10-38) m u(t,yJEQ (10-38) # 2 是 允许 控制 的 集合 。 二 在 牧场 生态 控制 中 的 应 用 让 我 们 用 上 表示 时 间 ,y 表示 牲畜 (比如 说 牛 ) 的 年 龄 ,z(t,y) 表 示 在 时 间 上 牧场 中 年 龄 为 y 的 牲畜 的 头 数 。 设 /表示 牲畜 成 熟 期 的 年 龄 ,成熟 期 系 指 可 屠宰 的 时 期 。 这 样 ,[0, 万 ] 是 牲畜 的 一 切 可 能 年 龄 的 集合 。 设 x(t,y) 表 示 在 时 间 上 购 进 年 龄 为 y 的 牲畜 的 速率 。 这 里 ,我 们 约定 u 的 负 值 表示 卖 出 。 为 了 研究 过 程 的 动态 特征 ,我们 写 出 如 下 方程 a(tt+At,y)=z(t,y—Ay)+u(t, y)At (10 — 39) 从 方程 (10- 39) 的 两 边 减 去 z(z,y), 再 除 以 At, 并 取 Ar 0 时 的 极限 , 便 得 状态 方程 az ax ae By dit (10-40) 关于 z 的 边界 条 件 ,由 方程 (10-35) 一 (10-37) 给 出 。 这 里 zu(vw) 表 示 各 种 不 同年 龄 牲 畜 的 初始 分 布 ,vw(z) 表 示 由 外 部 各 因素 确定 的 繁殖 率 。 为 了 研究 牧场 管理 者 的 目标 函数 ,这 里 用 T 表示 终端 时 间 。 用 P(i,y) 表 示 在 时 刻 t 年 龄 为 y 的 牲畜 的 购 进 或 销售 价格 。 用 已 (六 ) = Qt) 表 示 在 时 刻 圭 的 屠宰 价值 ,并 设 P(i,y)=S(y) 表 示 在 时 间 :+, 年 龄 为 y 的 牲畜 的 残 值 ,函数 Q_ 和 S 表示 牧场 的 收入 。 为 了 求 出 利润 函数 ,必须 从 收入 中 减 去 牧场 的 经 营 成 本 。 设 C(y) 表 示 :每 单位 时 间 ,对 年 龄 为 y 的 牲畜 的 喂养 ( 含 饲 料 ) 的 成 本 。 用 云 (z,y) 表 示 在 时 刻 寺 年 龄 为 > 的 牲畜 购 进 的 “目标 值 " 对 于 此 目标 值 的 任何 偏差 都 要 付出 代价 ,并 由 glu(t,y)-a(t,y)) 给 出 偏差 的 罚 成 本 ,这 里 g 是 常数 。 因 此 ,利润 极 大 值 目 标 函 数 为 J= 下 —[q(u = u)* + C(y)x + Puldydt +f Q(t)x(t hyde + [ S(y)2(T,y)dy (10-41) 以 此 式 与 式 (10 -38) 作 比较 ,可 以 得 出 F=-—[q(u-a)’+C(y)z] 现 假定 2 = E! ,这 意味 着 控制 变量 是 不 受 约束 的 。 为 求解 此 问题 , 先 构成 如 下 的 Hamilton 函数 H= ~[q(u-a)+C(y)x+ Pulta(~ St +u) (10-42) 式 中 的 伴随 函数 A 满足 OA _ _ OA 4 Sigs ay * CCy) (10 — 43) 296 并 满足 域 边 界 卫 , 部 分 ( 见 图 10 -4) 规 定 的 ) 的 边界 条 件 。 为 使 Hamilton 函数 为 极 大 ,将 五 对 x 进行 微 商 ,并 令 其 等 于 零 ,得 : uw" (ty) #ze[A(t.y) - P(t) (10-44) 为 了 计算 u* ,必须 解 出 (zy)。 经 证 明 , 式 (10-43) 的 通 解 形式 是 : A(t,y)=— [3C(x)dr+g(t-y) (10 —- 45) 这 里 g 是 任意 单 变 量 函 数 ,& REKAlLy ALPHRRM. THAWARAEHE go Ak. 为 了 叙述 对 人 (以 后 对 工 ) 的 显 式 解 ,把 图 10- 5 中 的 域 卫 划分 为 三 个 区 域 Di ,D, 和 Di;( 见 图 10-6)。 从 (0,0) 至 ( 产 , 疡 ) 的 与 底 边 呈 45 MWR, MF D, MD, Ziel. Mt Hh 0 (T-h, 0) 下 t 图 10-6 DH=*+ KRHA H(T—h,0)2(T, A) 4S 线 ;位 于 D, BD; Zi. Alt,D,,D, MD; 是 闭 集 。 这 些 45 线 对 解 是 很 重要 的 ,其 原因 在 于 :任意 函数 的 确定 都 与 (zt- y) 有 关 。 利 用 分 布 参数 的 极 大 值 原 理 得 到 在 Di UD, 域 上 的 X(t,y) ,并 通过 推导 ,得 到 A(t,h)=—- JiC(r)dr+ g(t-h) =Q(z) Auk , WAA kR=h Alg(t-y)=Q(t-yth). 对 于 域 D: ,我 们 有 : A(T, y)=— jy CCr)dr+g(T-y)=S(Cy) 当 上 = 工时 ,要 使 积分 成 为 零 ,必须 有 k=T-tty 和 g(t-y)=S(T-tty) 值得 注意 的 是 : A(T ,h)=P(T,h) = Q(T) = Sh) 于 是 ,我 们 可 以 写 出 A 的 如 下 完整 解 ; Wire J 'C(r)dr WF(t,y)€D,UD, A(t, y)= (T-t+y) 下 用 类 似 的 方法 可 得 到 z 的 解 。 将 式 (10 -44) 代 和 人 式 (10 — 40) ,并 利用 式 (10 -35) 至 式 (10-37) 的 边界 条 件 ,得 到 z 的 完整 解 ; 这 汪汪 区 Jou"(r,y-tt+r)dr 对 于 (如 y)EDD， v(t-—y)+ ia (一 y+rr)dr MF(t,y)€D,UD, 在 域 D, 上 ,可 以 把 式 (10-47) 的 解 解释 为 "起 始 策略 ”, 它 完全 由 初始 分 布 来 表征 。 也 可 以 把 在 域 D; 上 的 解 , 即 式 (10 — 46) 的 解 解 释 为 终端 策略 ”, 因 为 在 这 个 区 域内 牲畜 297 (10 — 46) (10 - 47) 没有 成 熟 ,但 在 到 达 终 端 时 间 工 的 时 候 , 所 饲养 的 牲畜 全 都 要 卖 出 。 式 (10 - 46) 中 的 第 一 表达 式 和 式 (10- 47) 中 的 第 二 表达 式 , 都 处 于 域 D, 内 ,可 把 它们 解释 为 解 的 “中 间 策 略 “ 部 分 。 第 八 节 ”生态 -经 济 工程 随机 微分 控制 生态 经 济 工程 优化 控制 是 生态 建设 中 的 一 个 重要 而 复杂 的 控制 问题 。 历 史上 生态 建设 大 小 项 目的 成 败 ,无 不 与 之 有 关 。 尤 其 是 像 开 荒 引 起 黑 风 暴 \ 水 工 建设 未 注意 生态 控制 而 引起 的 重大 失误 ,使 人 们 宁可 花 大 力气 研究 这 样 的 问题 。 但 在 历史 上 ,由 于 缺少 用 数学 解决 问题 的 优化 控制 手段 ,进行 生态 优化 控制 只 能 是 定性 的 , 主观 的 ,这 样 下 去 ， 难免 重 蹈 失误 a) A AI A BFE OE A HE tll FF Be TA) 一 \ 问 题 的 提出 实施 生态 -经济 工 程 总 是 要 投资 的 。 投 资 按 其 应 用 项 目的 特点 可 以 分 为 两 种 :一 种 是 只 计生 态 效益 ,不 考虑 相当 一 段 时 间 ( 可 以 是 几 十 年 ) 内 的 经 济 收益 ,这 种 投资 是 不 担 风险 的 ,比如 大 面积 农田 防护 林 工 程 ; 草 原 改造 工程 ;森林 公园 或 城市 园林 内 草坪 建设 等 ,当然 从 生态 经 济 原理 可 知 ,长 远 生态 效 益 也 是 可 用 经 济 表示 的 。 并 且 可 以 用 《生态 动 力学 ;} 第 十 一 章 所 介绍 的 方法 计算 出 来 。 另 一 种 是 既 考 虑 生态 效益 又 考虑 经 济 效益 ,如 盐碱地 改良 工程 ,防风 网 建设 工程 , 防 霜 堤 建设 或 填 平 霜 穴 的 改良 地 势 工 程 等 ,这 些 是 有 风险 的 ,比如 填 平 霜 穴 工程 旨 在 改良 柑橘 生态 环境 ,防止 霜 打 渤 地 ”, 但 投资 建设 后 也 可 能 在 经 济 上 不 合算 ,长 期 收 不 回 成 本 。 也 可 能 因为 品种 的 改良 ,柑橘 耐 低温 能 力 提高 了 ， 即使 填 平 霜 穴 , 因 霜 减产 幅度 也 不 会 太 大 ;也 可 能 市 场 行 情 有 变化 , 以致 不 能 按 施 工 前 预 期 的 那样 ,及 时 收回 成 本 。 后 一 种 情形 即 用 于 生态 控制 的 带 有 随机 性 的 生态 -经 济 工程 。 假设 生态 -经济 建 设 的 投资 者 ,同时 考虑 无 风险 投资 和 风险 投资 ,欲求 每 个 时 刻 的 投资 比例 。 这 个 问题 的 客观 决策 ,不 是 用 简单 的 统计 方法 能 够 完成 的 。 据 随机 过 程 的 原 理 , 须 用 随机 微分 方程 求解 这 类 生态 -经 济 的 随机 控制 问题 的 求解 方法 。 二 模拟 设计 原理 设 有 生态 - 经 济 建 设 资金 z 万 元 ,在 不 考虑 追加 或 挪 为 他 用 的 条 件 下 , 问 有 每 个 时 Al 志 连 续 时 间 ) 以 什么 比例 投资 于 无 风险 和 有 风险 这 两 类 生态 一 经 济 建 设 项 目 ,可 使 这 些 投资 在 时 刻 T 的 时 候 , 获 得 的 生态 经 济 效益 最 大 ? 在 时 刻 上 =0 时 的 资金 2 ,把 它 用 于 两 种 生态 建设 项 目 。 设 在 任意 上 工时 ,分 别 以 u, 与 1—u, HHP (O(>0), 有 风险 投资 的 利率 为 5( >) 并 具有 随机 波动 风险 ,假定 这 种 随机 波动 风险 可 用 Brown 运动 来 表达 。 这 样 ,可 以 采用 如 下 的 随机 微分 方程 模型 来 描述 时 刻 ¢ AAR ASI OE: 298 dé, =u,€,(bds + odB,)+(1-u,)&rds (s>0) oe (OSu,<1) Ayr, b,o MEERA BM, b>, {B,:t20} Brown 运动 。 我 们 的 目标 是 : 控制"x, ,使 它 达 某 个 固定 的 平均 生态 财富 , 即 OE, 的 数学 期 望 E6r = max( 或 者 较 一 般 地 说 ,对 某 一 目标 函数 P(z) ,能 够 使 Ep( é;) =max). 注意 到 o 可 以 被 理解 为 一 种 生态 建设 的 “风险 随机 波动 率 " , 当 也 , 取 绝 对 值 很 大 的 负 值 时 ,投资 者 就 会 有 大 的 损失 ,这 里 就 是 一 个 随机 过 程 , 如 果 & 首次 达到 零 的 随机 时 间 为 ro ,那么 投资 过 程 到 ro 必须 终止 ,因为 此 时 ,投资 者 资金 所 致 生态 财富 业已 耗 尽 。 所 以 目标 应 改 为 选取 v, ,使 了 SrAu 三 maxo 对 于 x, ,除了 取 值 在 [0,1] 内 的 限制 条 件 以 外 , 它 应 当 依赖 于 随机 过 程 1& :+ 之 0 而 AR RMF EF 的 过 去 的 值 而 不 依赖 于 的 将 来 的 值 。 这 一 类 问题 与 隐 Mapxos 模型 的 随机 决策 基本 类 似 , 所 不 同 的 只 是 :这 里 研究 的 有 属于 连续 时 间 连 续 状态 的 情形 。 这 时 则 有 一 个 由 随机 微分 方程 决定 的 随机 系统 ,其 中 包 含 一 个 可 控制 的 因素 w。 三 .最 佳 方案 确定 过 程 和 结果 假定 (10 - 48) g(x)=2"(07，, 我 们 可 以 看 出 :要 使 式 (10-49) 有 解 , 就 必须 要 求 oV ar 20 F E50 (10 — 49) PAN — SAA UF RIA HK eso" 2? o° OV (r+ (b= nyu" )z 3 =0 由 ”的 表达 式 , 我 们 可 以 推出 式 (10 - 49) 等 价 于 十 二 Ot Ox 20 V (10-50) Vie, a=22¥ (ew) =0 这 是 一 个 非 线性 方程 的 终 边 值 问题 。 现 试探 该 方程 有 形式 为 Vit,z)=hA(t) x’ 的 解 的 可 能 性 。 将 上 述 试探 解 形式 代 人 式 (10 - 50) , 便 得 出 B=a,h(t)=exp| (rd- pS \C, A Ph Op = t)| (0 上 ,只 要 bin nie 如 果 用 资金 的 b= FF ao (1-a) 部 分 投资 有 风险 的 生态 建设 工程 ,而 以 其 余部 分 投入 无 风险 的 生态 建设 工程 ,那么 在 用 Br {Ei Pe o(x)=2"(0” 维 控制 向 量 , 更 是 zxyr 控制 转移 矩阵 ,xz 和 z 是 两 个 高 斯 随机 向 量 , 其 他 符号 为 状态 参数 估计 的 基本 符号 ( 详 见 Singh et al. ,1983) 控制 问题 是 :使 在 式 (11-1) 和 式 (11-2) 的 约束 下 ,使 如 下 平均 目标 函数 为 最 小 Iy=EXC Ul x(4) Wo + lw G-D We-v] (11-3) A ,A(i) A B(i-1)#IA nXn Mr Xr MIE KEE, 式 (11-3) 目 标 函 数 的 期 望 值 , 意味 着 对 系统 总 体 性 能 的 评价 。 选 择 目 标 函 数 的 原 则 是 :只 有 那些 能 被 控制 的 状态 ,同时 也 只 有 那些 对 状态 产生 影响 的 控制 ,才能 出 现在 Jy 之 中 , 据 此 ,&(0) 是 出 现在 目标 函数 之 中 的 ,因为 它 对 状态 Wil) ele). eee 产生 影响 ,而 x(0) 及 u(N) ABA HIN Are PAW AA ASE FE el Ys A uN -1) XT x(N) 产生 作用 之 后 ,控制 问题 即 告 结束 。 必须 强调 指出 的 是 :所 求 的 解 应 当 是 生态 控制 的 可 用 信息 ,不 能 用 未 来 的 生态 信息 ， 也 不 能 用 借助 某 种 方法 估计 出 来 的 生态 信息 。 对 于 任何 给 定 的 &=0,1,…,N-=-1, 对 系 统 状态 可 用 的 &=0,1,…,N=-1, 对 系统 状态 可 用 的 信息 是 观测 值 序 列 z(1),z(2)，…,z (&) 和 初始 状态 的 平均 值 x(0)。 这 样 ,我 们 所 求 的 生态 控制 规律 ,应 有 如 下 形式 v& (RE)=F[z(1),z(2)，…,z(R),x(O)] 这 个 问题 可 以 有 确定 性 解 。 下 面 概述 求解 的 主要 过 程 。 使 目标 函数 Iv= ELUM x(é) Wa + G1) Wank (11-4) 为 最 小 ,约束 条 件 为 x(kt+1)=D(k+1,k)x(k)+ W(R+1,k)u(k) (14 = % 这 个 问题 的 解 符合 如 下 的 线性 控制 规 委 u(k)=S(k) x(k) (11-6) 式 中 ,xm 反馈 矩阵 S(e) AT a F 3 A) 2A a He 3 RO w(k+1)=M(k+1)+A(R+1) (11% 312 S(k)=-[W(k+1,k)W(k+1)W(k+1,k) + B(k)] 'W(k+1,k)W(k+1)@(k+1,k) (11-8) M(k)=@"(k+1,k)W(R+1)W(R+1,k)S(k) (11-9) 式 中 ， &R=N-l,N-2,…,;0 W(N)=A(N) 同时 ,xzr 和 矩阵 [W(k+1,k)W(R+1)W(R+1,2)+B(k)] 必须 是 正定 的 ,水 &。 如 果 要 解 出 原来 的 随机 控制 问题 ,可 以 应 用 动态 规划 ,得 如 下 的 最 优 控制 u(k)=S(k)2x(k/k) (11-10) sth ,k=0,1,-,N-1. 式 (11-10) 中 ,SGCR) 可 用 方程 (11-7) 方程 (11-8) 和 方程 (11-9) 的 算法 来 确定 ， 而 x(& 儿 ) 可 用 滤波 方程 x(k/k)=x(k/k -1) + k(k)[2(k) — (ke) x(R/k -1)] (11-11) 计算 得 出 。 式 中 x(k/k -1)=@(k,k-1)x(R-1/k-1)+ W(R,k—-1)u(k-1) (11-12) 式 中 的 z(NIN) 是 并 不 要 求 算出 ,因为 最 后 一 个 控制 是 在 上 = N -1 时 起 作用 的 。 另外 ,%(0/0) = x(0) 意 味 着 如 果 x(0) 是 零 均 值 , 则 w(0) = S(0)x(0/0) 是 零 。 图 11 - 2 表示 该 种 控制 器 即 应 用 动态 规划 的 随机 控制 器 的 结构 。 最 优 滤 波 器 + 2 (k/k 20-=bO— z(k) 一 u(k) 2(k/k-1) Cente LL Yi, HES ee FA 11-2 应 用 动态 规划 的 随机 控制 器 综 上 所 述 ,随机 线性 调节 器 的 最 优 控制 器 是 由 最 优 线性 滤波 器 与 确定 性 线性 调节 器 的 最 优 反 馈 增 益 矩 阵 串 连 而 成 。 滤 波 增益 和 控制 增益 可 以 分 别 加 以 计算 。 上 述 原 则 即 著名 的 线性 随机 控制 的 分 离 定 理 , 是 经 过 严格 证 明 ( 见 Joseph, P. & Tou, J.1961. On linear control, Trans. AIEE, part [I #1 Gunckel, T. & Fraklin, G. 1963.A general solution for linear sampled data. Control J. Basis Eng. ) 并 被 控制 论 专家 承认 , A 到 现在 仍然 在 应 用 。 313 下 面 举 出 一 例 ,是 属于 水 文 和 化 学 生态 动力 源 方面 的 。 涉 及 河流 动态 和 其 中 第 一 段 和 第 二 段 的 生化 耗 氧 量 浓度 、 含 氧 量 浓度 ,因为 氧 是 化 学 性 质 的 生态 动力 源 ,影响 水 中 生 物 和 用 水 生物 的 生物 化 学 过 程 ,所 以 该 例 具有 生态 动力 控制 意义 。 两 段 河流 的 动态 特征 可 以 用 如 下 两 个 方程 来 描述 : x(k+1)=Ax(k)+ Bu(k)+C+t E(k) y(k+1)=Dx(k+1)+ n(k+1) 式 中 ,上 ,1 是 不 相关 零 均 值 高 斯 随机 向 量 , zi ,zs 分 别 是 该 河流 的 第 一 河 段 和 第 二 河 段 的 生化 耗 氧 量 (BOD) 浓 度 (单位 :mg'L ),z ,zs 分 别 为 第 一 河 段 和 第 二 河 段 的 含 氧 量 (DO) 浓 度 (单位 :mg'L )。 控 制作 用 的 表达 式 为 时 (三 本 wea m(k) 式 中 ,rr Ar, 分 别 是 在 第 一 河 段 和 第 二 河 段 中 由 污水 排出 的 BOD 最 大 百分率 。 假设 在 一 条 河流 中 ,4 ,了 B,C MD 的 矩阵 表达 式 分 别 为 人 EU 0.00 0.00 =10.25° 6.27 0.00 0.00 | 三 下 0.18 0.00 ANS “0327 0.551 6.00 0F00*—7OIS5 . 00 0.00 0.00 . 00 0.00 0.00 2.00 0.0 4.50 6.15 2.00 236 0.00 1.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1.00 因为 BOD 观测 比较 困难 ,所 以 只 对 DO 进行 观测 。 所 选择 的 目标 函数 为 J=E{S Wl x(e) 4, + CeCe) x9, + Uh aCe) Won) 式 中 ,下 角 标 1, 是 四 阶 单位 矩阵 , 是 二 阶 单位 矩阵 ,期 望 值 六 由 下 列 给 出 5 o-| 7 实际 上 ,上述 问 题 可 以 解释 为 :在 平均 情形 下 ,我 们 要 求 BOD 和 DO 分 别 保 持 在 大 约 为 Smg'L 和 7mg'L 的 水 平 下 ,而 同时 使 污水 处 理 的 工作 量 最 小 。 模拟 结果 : 314 这 一 系统 在 数字 计算 机 上 作 模 拟 试验 ,&=159; 控 制 器 的 增益 矩阵 是 一 个 常数 矩阵 ， 即 u=Gx+d ix | 0.0074 -0.0011 0.0006 ean -0.0126 -0.0015 0.0042 -0.0004 Rabat 0.00668 | 将 这 个 增益 用 于 滤波 递 阶 结构 之 中 , 对 滤波 器 进行 模拟 试验 。 结 果 表 明 :z 和 x, 的 估计 较 好 ,而 2, 和 zs 的 估计 较 差 。 这 里 没有 观测 BOD HAR. WFR BOD 的 观测 值 可 以 得 到 ,控制 效果 会 更 好 一 些 。 有 了 这 种 离散 随机 控制 器 的 模拟 试验 方法 ,可 以 用 于 许多 其 他 生态 随机 控制 问题 。 在 目前 ,生态 控制 方面 的 数据 和 可 以 作 数 量化 处 理 的 资料 是 很 多 的 ,使 污水 大气 中 的 污 染 物 处 理 取得 最 优 控制 的 结果 。 例 如 :在 封闭 的 舍 饲 空间 内 ,使 某 些 气体 的 含量 保持 在 一 定 的 标准 ,而 投入 的 治理 费用 最 小 ;在 工厂 化 农业 的 植物 生活 环境 中 ,使 茶 种 致 病 微 生 物 含量 达到 低 限 标准 ,而 投入 的 药剂 (如 百 菌 清 ) 量 最 小 ;使 土壤 中 的 无 机 肥料 保持 在 一 定 限 制 水 平 下 ,而 对 作物 生态 产量 影响 最 小 ;在 草原 休 牧 中 ,使 草场 营养 保持 在 一 定 水 平 , 而 实行 轮 牧 的 大 范围 总 体 经 济 损失 最 小 。 总 之 ,对 于 大 系统 随机 优化 问题 ,运用 离散 随机 控制 器 可 以 使 许多 已 有 资料 (如 土壤 普查 \ 大气 监 测 ` 河 水 水 质 ) 充 分 发 挥 作 用 ,达到 大 系统 优化 的 目标 。 第 三 节 WEP BARRE ARH 生存 竞争 是 人 们 熟悉 的 ,把 它 归 人 简单 巨 系 统 中 ,还 是 近年 的 事 。 当 然 ,至今 简 单 的 巨 系 统 仍 是 理论 模型 阶段 , 距 人 们 具体 实施 生态 控制 实践 , 尚 有 相当 距离 。 但 借助 作为 生态 控制 基础 的 理论 物理 学 (如 本 书 第 二 章 指出 ) 的 原理 加 以 分 析 ,为 研究 生存 竞争 的 生 态 控制 而 形成 的 数学 基础 的 概念 和 原理 , 则 是 现实 的 事 。 一 、 生 态 控制 中 的 简单 巨 系统 He Fe SF (2002) ETA FEHR A SES, ER SW ERS AAP ABA Kwik MEL. KEM, RM EKHBATERFR SBE HAM, REELED FA IEA 1. 定义 及 其 主要 性 质 对 于 一 个 由 N 个 子 系统 组 成 的 简单 巨 系 统 , 考 察 系 统 具 有 可 加 性 的 某 性 质 F, 其 测 ”得 总 量 为 样本 空间 X ,每 个 子 系统 的 测量 值 即 事件 为 X, , 它 对 总 量 贡 献 为 概率 户 =X/ X WARK ER F HRA S=H= —- «dX p;|gp; stp, H APRA =H( p77, p;) k CHARM, XPM 1,S 以 bit(1 个 独立 的 二 进 制 码 所 负载 的 信息 量 被 定义 为 一 个 信息 单位 , 称 为 bit) 为 单位 ,; 取 值 遍及 整个 系统 。 315 首先 应 指出 ,上 述 定 义 是 有 一 定 适 应 范围 的 。 一 般 来 说 , 灶 只 能 衡量 那些 满足 叠加 原理 的 简单 巨 系 统 。 在 生态 控制 的 一 些 具体 问题 中 , 比如 农田 生态 中 各 种 作物 与 肥料 、 土壤 气候 及 太阳 辐射 变动 等 关系 ,往往 具有 至 加 性 ,又 如 森林 自然 保护 区 或 湿地 保护 区 内 部 , 动 植物 之 间 的 捕食 - 食 饵 系统 , 均 可 视 为 有 二 加 性 质 的 ,这 样 简 就 可 以 衡量 其 中 的 局 部 与 整体 的 关系 。 对 于 一 个 简单 巨 系 统 来 说 ,可 以 存在 多 种 性 质 ,对 于 每 一 种 性 质 ,都 可 以 讨论 其 箭 值 , 讨 论 针 对 某 一 性 质 的 系统 整体 与 局 部 之 间 的 关系 。 正如 Nobert Wiener 指出 的 那样 ,一 个 系统 中 的 信息 量 是 其 组 织 化 程度 的 量 数 ; 一 个 ARN NM BAARARAAR LEE BA, 2. @RESHH RAE: READ 如 果 状 态 1 SOA N 种 , 当 每 种 状态 出 现 的 概率 相等 时 ,信息 量 的 关系 ,经 推导 可 得 出 H(X) = Hyex = log,2 (11.— 13) 即 当 每 种 状态 出 现 的 概率 相等 时 ,信息 量 取 极 大 值 。 这 里 让 我 们 举 出 两 个 例子 予以 说 明 。 第 一 考虑 到 未 来 气候 变化 趋势 ,在 作为 简单 巨 系 统 的 大 范围 作物 种 类 安排 竞争 的 问 题 中 ,有 人 提出 在 21 世纪 冬小麦 在 北半球 未 来 应 当 北 移 从 而 代替 在 20 世纪 末 种 植 玉米 的 大 片 土地 ; 另 有 人 持 相 反 意 见 , 认 为 应 扩大 玉米 而 压缩 冬小麦 ,原因 是 尽管 气候 有 可 能 ie ,但 严冬 季节 最 低温 度 不 会 有 大 幅度 的 提高 ,所 以 冬小麦 北 移 ,难以 越冬 ,因而 不 易 增加 总 生产 产值 。 从 历史 和 现状 看 ,两 种 意见 各 有 理由 ,作物 种 类 竞争 实质 上 处 于 相持 阶段 ,可 以 近似 地 认为 两 种 意见 “势均力敌 ” ,它们 各 自 取 胜 的 概率 相等 。 故 N=2, 代 人 式 (11-13) 我 们 可 以 得 出 : FCXY= TH. Slow, 2=1 bit 这 样 一 来 ,实际 决策 者 对 上 述 两 种 意见 , 均 不 能 采纳 ,对 于 冬小麦 ,玉米 的 布局 ,在 现 阶段 是 不 能 盲目 调整 的 ,否则 会 导致 简单 巨 系统 生态 平衡 的 破坏 ,会 大 大 降低 生态 产量 。 事实 上 ,如 果 盲 目 听信 一 种 意见 , 即 作出 “压缩 玉米 ,发 展 小 麦 " 的 决策 ,那么 仅 从 种 子 生 态 动力 源 这 一 方面 ,就 会 损失 很 大 ;因为 培育 和 繁育 过 多 的 冬小麦 种 子 , 会 压 种 子 库 底 ， 造成 浪费 ,而 不 注重 玉米 种 子 繁育 ,会 造成 供不应求 ,尤其 是 在 培育 ,发 明 玉 米 新 品种 过 程 中 ,会 按 宏 观 决策 而 中 断 ,一旦 中 断 , 则 难于 恢复 ,因为 育种 周期 之 长 ,众所周知 。 当 然 , 如 果 概 率 不 等 , 那 就 是 另外 一 回 事 了 。 如 所 周知 AR RIC? MXR LEAAEEN ER, AA EERK , HRRK, RS 亦 然 。 人 们 在 生态 控制 (或 者 说 在 以 往事 实 上 做 了 生态 控制 的 决策 的 实践 ,当时 并 未 提 到 这 个 术语 ,或 者 说 ,未 从 理论 上 提 到 该 高 度 ) 的 认识 与 实践 中 ,经 常 遇 到 从 不 稳定 状态 向 稳定 状态 过 渡 的 事 , 正 是 这 种 过 渡 ,使 得 一 些 客观 的 生态 控制 规律 , 先 被 少数 人 发 现 后 , 才 逐 渐 为 多 数 人 所 承认 。 从 发 现 到 承认 ,尤其 为 多 数 人 承认 ,要 经 历 一 个 过 程 ,甚至 是 漫长 的 过 程 。 关 于 简单 生态 巨 系统 ,我 们 可 以 从 东北 人 主食 品种 变迁 谈 起 。 如 将 20 世纪 东北 人 群 视 为 捕食 者 ,其 主要 食 饵 是 粮食 。 众 所 周知 ,大约 在 20 世纪 50 年 代 后 期 ， 东北 人 的 主食 仍 是 高 粱 米 ,大田 生产 的 粮食 作物 以 高 粱 为 主 。 竺 可 祯 院士 和 张 宝 枕 研究 员 在 20 世纪 50 年 代 中 期 对 东北 作物 种 类 作 过 考察 。 在 这 以 前 ,大 多 数 人 (包括 当地 农 业 专 家 ) 认 为 东北 发 展 水 稻 的 主要 障碍 是 温度 低 , 而 这 是 人 为 无 法 控制 的 ,所 以 主要 食 饵 316 仍然 是 高 梁 米 。 几 千年 留 在 人 们 (包括 专家 ) 头 脑 中 的 印象 似乎 天 经 地 义 。 当 竺 可 祯 等 从 地 理气 象 与 农作物 关系 加 以 考察 后 , 令 人 惊喜 的 是 东北 的 温度 并 不 阻碍 水 稻 发 展 。 依 此 提出 东北 气候 适宜 发 展 水 稻 的 建议 。 这 事实 上 是 简单 巨 系 统 中 生态 控制 方面 的 重大 发 现 , 一 提出 时 ,多 数 人 是 不 理解 ,不 认可 的 ,只 有 像 杨 守 仁 教授 等 著名 水 稻 专 家 才 予 以 易 力 支持 ,并 在 人 民 日 报 发 表 文 章 。 开 始 时 ,大 约 有 10% 的 人 承认 ,有 90% 不 承认 ,这 时 “RAE YE”), EDR). SE BRAY A], A A IUGR, ABI 50% ,此 时 "不 确定 性 ” K BK, AAW AEHKRK., BARSRKEF A MRAM, ANU 明显 提高 到 一 个 新 高 度 , 比 如 90% 承认 ,10% 不 承认 , 即 以 9 对 1 的 票数 ,肯定 了 这 一 发 BL it, ERNIE “AEE, DT. FRA ESX—-RM. KPBM 小 到 大 ,再 从 大 到 小 的 往复 过 程 , 正 是 人 们 从 不 正确 认识 转 为 正确 认识 的 过 程 。 今 天 ,我 们 可 以 看 到 ,作为 东北 人 主要 食 饵 的 不 再 是 高 梁 米 ,而 是 大 米 了 。 像 这 样 的 例子 ,在 生态 方面 的 简单 巨 系统 中 还 会 举 出 一 些 。 3. 用 简单 巨 系统 对 生态 控制 系统 的 描述 一 般 说 来 ,由 于 简单 巨 系 统 炳 是 从 统计 物理 中 Boltzmann 4 (5 A EE BE 念 上 发 展 起 来 的 一 个 基本 概念 ,因此 它 与 上 述 的 入 一样 ,也 可 以 描述 系统 的 状态 ,是 函 数 。 一 个 状态 对 应 一 个 函数 值 , 而 不 管 这 个 状态 是 从 哪里 演化 来 的 。 其 次 , 它 的 灶 函 数 零点 也 已 经 被 指定 , 即 当 系统 该 性 质数 值 仅 由 其 中 一 个 确定 的 子 系统 提 供 , 其 余子 系统 MRERNRRASH ABUMAH RH MEAS. Xf BIH. Boltzmann i. REM BE AE MAR EE. 生态 控制 系统 巨 系 统 旨 在 合理 调节 生态 环境 ,为 人 类 合理 利用 自然 ,改造 自然 ,进行 ite She” ,使 生态 环境 从 低 质量 向 着 高 质量 方向 演化 ,历史 上 曾经 有 过 大 范围 改造 自 然 计 划 , 现 继续 运行 的 防护 林 工 程 计 划 等 ,目标 也 都 是 通过 生态 控制 ,使 大 面积 环境 质量 增 优 ,向 好 的 方向 演化 ,但 也 有 失误 之 时 ,付出 努力 ,效果 不 佳 ,甚至 走向 反面 。 所 以 生态 控制 系统 , 比 起 地 球 系统 ,更 重视 研究 系统 演化 ,只 有 对 演化 规律 掌握 得 好 , 才 不 致 偏离 正确 方向 。 生 态 控 制 的 简单 巨 系 统 的 科 ,同样 可 以 描述 系统 以 该 物理 量 作 为 标志 的 演化 方向 。 生 态 控制 系统 认为 ,系统 总 要 与 外 界 进 行 物质 能 量 、 信 息 的 交换 ,因此 不 着 重 讨 论 孤 立 系统 的 演化 规律 。 在 生态 控制 的 简单 巨 系 统 与 外 界 交流 过 程 的 演化 中 ,其 业 值 可 预期 总 是 增加 的 ,这 说 明 该 系统 向 着 各 子 系 统 ,向 该 系统 均匀 贡献 的 方向 发 展 ; 类 值 减 少 ,系统 则 向 着 某 一 单个 个 体 对 系统 该 性 质 主要 作 贡 献 的 方向 演化 。 可 以 用 科 值 的 增加 或 减少 来 表示 系统 演化 的 发 展 方向 一 一 是 朝 着 各 子 系统 均衡 ,还 是 朝 着 子 系统 差别 加 大 的 方向 发 展 。 二 、 生 态 竞争 的 Lotka-Volterra 模型 Lotka— Volterra 模型 是 生态 工作 者 熟悉 的 数学 模型 ,在 简单 巨 系 统 控制 中 ,有 普遍 意义 ,描述 了 物 竞 天 择 , 适 者 生存 "这 一 基本 哲理 。 现 阅 述 用 平均 值 方法 (Puccia,C.J. et al. ,1985) 阑 述 不 同形 式 的 捕食 者 - 食 饵 模型 , 找 出 变量 之 间 、 变 量 与 含 时 参量 之 间 的 关 系 。 按 数 学 理论 ,定义 变量 X 的 平均 值 为 X, 涨 落 为 Var(X) ,两 变量 X AY 的 关联 为 Cov(X,Y)。 变量 Xi) 在 上 =0 到 z=t 期 间 内 的 平均 值 (数学 期 望 ) 记 为 瓦 [X], 其 定义 为 317 (11-14) E[x] = a X(r)dr 当 所 论 的 时 间 无 限 长 ， AAR PR lim E, [X] 存 在 时 ， AE X 的 平均 值 ， 记 海 E[X)]R xX. Lotka 一 Volterra 模型 的 演化 方程 是 ox = ax - bXY eX = bxXY-c¥ 系统 外 界 的 生态 动力 因素 控制 ,X RECA (11-15) 将 食 饵 的 增长 率 cX 改 成 TI(z), 这 表示 由 规律 增长 ;同时 认为 食 饵 受 生 态 环境 影响 , 目 身 存在 某 一 确定 的 死亡 率 C ;捕食 者 的 演化 机 制 不 变 。 这 样 ,演化 方程 为 : SF =1-(pY-O)x (11-164) (11-16-2) dt fart Q) 式 中 , 工 是 时 间 函 数 ,T= T(z). (11-17) 用 平均 值 方 法 得 ay hI A E| = S*|=Px Q=0RX=3 同样 E[ 2 ]=0= Y(PX - Q) + PCov(X, Y) (11-18) (11-19) 两 式 比 较 有 Cov (X, Y) =0 这 表明 该 模型 中 ,虽然 X 和 Y 分 别 代 表 食 饵 与 捕食 者 ,但 是 两 者 之 间 并 无 关联 , 即 该 模型 中 ,虽然 一 物种 数量 的 变化 并 不 影响 另 一 物种 数量 的 变化 ,各 自 以 自身 的 规律 趋 近 于 各 自 的 定 态 dX 解 。 由 式 (11-16-=- 了 切 ) 还 可 得 出 E|= |= 0=I-(PY+C)X - PCy (X,Y) 将 式 (11-19) 代 和 人 上 式 , 则 有 志 =P7+C (11-20) All FAK (11-17) y= 4c mM Yap at (11 +29) 容易 看 出 ,此 系统 X,Y 变量 的 平均 值 与 工 为 常数 时 的 定 态 解 一 样 ,在 工 随时 间 变 化 时 需 将 T(t) 用 其 平均 值 工 代 蔡 即 可 。 这 与 IT 为 常数 时 方程 定 态 解 X” , Y "稳定 这 一 条 件 有 关 。 进而 ,由 式 (11 一 16 一 1) (11-22) 318 依据 函数 性 质 分 析 [ 在 某 一 闭 区 间 内 , 当 函 数 为 单调 增 函 数 , 且 广 (z)<0, 太 xz)<0 时 , 则 及 (z)>(z)], 可 得 将 式 (11 -22) 同 式 (11 -21) 作 比较 ,可 知 , 仅 在 Cov | 1, |<0, 上 式 才能 成 立 ,即食 但 数 BX 与 其 增长 率 了 呈正 相关 (因为 了 与 1/X 应 是 负 相关 的 )。 下 面 考虑 了 与 了 之 间 的 关系 ,用 (PX- Q) 乘 式 (11-16-2) 可 得 (PX-Q) 宁 =Y(PX-Q) 考察 上 式 右 端 , Y 取 非 负 值 ,(PX - Q) 不 可 能 有 负 值 , 故 取 平 均值 为 正 。 于 是 ， ave dY dY i E| (PX - Q)S* |=PE| x S]- QE| 5 |>0 (11-23) 利用 变量 导数 平均 值 为 零 这 一 条 件 , 有 dY |x 54 |>0 (11-24) 再 考虑 到 XY 积 函 数 演化 的 有 界 性 , 则 有 dX [x *]0 Ni, =N,(e,-%unN; — ¥12N2) — ua No =N2(-€2+ ¥2N1) — un (11-30) N, (to) = Ny >0 Noting) =e eo 式 中 ,Ni AN, 分 别 是 食 饵 和 捕食 者 的 数目 ;si ,si, yi ,yz 和 7y2: 都 是 正 值 常 数 ; w, >0 (=1,2) 是 控制 变量 。 由 系统 (11-- 29) 和 系统 (11- 30) , 赵 立 纯 等 给 出 如 下 结果 : ODR+ 是 系统 (11-29) 和 系统 (11- 30) 的 不 变 集 。 @ 在 系统 (11- 30) 中 ,对 于 任意 小 的 数 o >0 和 2 来 说 ,存在 如 下 控制 ae (CNi = M, a | 20 , -%Nr)| (11-31) ur =A Nar i LN, (oa Y 12 i 1 20 FFE EA MBA (t),No) E€ Rio X IntRi 的 闭环 系统 (11- 29) 的 每 一 个 解 HI ky, Fl Ry (3X B Ry >maxl 711,712} ,21 > Yo, ARBTEA RK A; QmMROKNA MW ,那么 系统 (11 -29) 就 是 永 续 存 在 的 。 由 在 系统 (11- 30) 中 对 于 预先 指定 的 任意 值 $S >0 和 相应 域 2s 来 说 ,都 存在 如 下 控 制 : uit = CN; + N,N, )max 0,min| 1, 2 = h, N,max}j0,min be | - 写 (11-32) © se oe Me lz Y12 i 26 于 是 ,系统 (11- 30) 的 每 一 个 解 ,都 能 够 进入 域 Qs FFA A, AA, (KB hy >e,, hy. > 2i) 而 维持 于 该 域 中 。 OMROMAL MIL ,那么 ,系统 (11 - 30) 就 是 永 续 存 在 的 。 这 种 控制 的 特征 可 概括 为 : 它 可 以 使 闭环 系统 成 为 永 续 存 在 的 系统 ;因为 wu, EAS 无 需 受 控 时 ,在 某 些 区 域 有 可 能 为 零 , 所 以 它 能 减少 资源 和 人 力 的 浪费 ;这 种 控制 是 连续 的 , 它 对 所 论 系 统 是 不 能 造成 扰动 的 。 其 实 , 关 于 Volterra 方程 的 一 些 表 现形 式 的 求解 问题 ,数学 家 早 有 研究 和 讨论 。 早 在 1978 年 ,华罗庚 院士 和 王 元 院士 在 其 专著 《数论 在 近似 分 析 中 的 应 用 》 中 就 从 数论 的 原理 上 作 了 论证 。 一 系列 关于 对 于 生态 系统 中 只 涉及 生物 和 生物 关系 的 Lotka 一 Volterra 模型 ,都 有 一 定 贡献 。 在 现今 , 随 着 生态 动力 学 向 着 模式 化 ,应 用 数学 化 方向 的 迈进 ， lee nani 将 是 很 紧迫 的 事 。 在 此 简单 巨 系统 及 其 大 量 的 子 系 统 ( 如 林 区 温 地 海洋 渔场 草原 等 ) 的 控制 中 不 断 探索 ,会 使 综合 集成 中 定量 的 机 理 模 型 方法 所 占 比 重 加 大 , 这 无 疑 是 定量 与 定性 结合 并 由 定性 向 定量 发 展 的 一 个 有 益 的 320 方面 。 四 、 闭 环 生态 巨 系统 及 其 控制 闭环 生态 巨 系 统 是 生态 巨 系 统 的 一 种 形式 ,对 它 的 规律 加 以 研究 ,将 有 助 于 生态 经 济 发 展 的 优化 控制 。 1. 基本 概念 受 磊 (1998) 在 研究 资源 环境 生态 系统 时 ,指出 开 环 使 用 的 整 端 :资源 环境 生态 巨 系 统 本 来 具有 闭环 的 体系 结构 ,但 限于 人 类 的 认识 水 平 , 曾 将 其 视 为 一 个 可 以 不 考虑 后 果 ， 只 注重 索取 的 开 环 结构 。 因 为 正如 我 们 前 面 所 述 , 开 放 性 是 永 续 存 在 的 ,不 考虑 封闭 ( 相 对 闭环 ) 问 题 ,就 会 使 系统 输出 没有 目标 控制 ,如 此 经 过 实际 反馈 到 输入 端 时 ,都 具有 正 反馈 (恶性 循环 ) 的 反馈 信息 ,刺激 人 类 开 环 使 用 输入 资源 ,从 而 引发 一 系列 问题 。 据 此 ， 曼 磊 认为 ;恢复 良性 循环 的 闭环 结构 ,是 可 持续 发 展 的 重要 任务 ”。 基于 上 述 理由 , 受 磊 经 研究 给 出 闭环 系统 图 11 -3。 R a 中 生物 群落 4， - Z, 图 11-3 资源 环境 生态 闭环 巨 系统 示意 图 2. 对 闭环 巨 系 统 的 初步 认识 从 生态 动力 源 的 属性 出 发 ,对 闭合 生态 系统 可 以 从 资源 性 质 、 环 境 性 质 加 以 分 析 。 从 资源 性 质 来 说 ,生态 系统 中 除 人 工 生态 动力 源 外 ,都 具有 可 持续 利用 特性 , 像 作 为 一 般 生态 动力 源 的 太阳 辐射 对 生态 巨 系 统 的 启动 作用 ,是 永恒 存在 的 。 在 技术 不 发 达 的 古 代 , 利 用 得 不 充分 ,在 现代 的 应 用 也 是 逐步 提高 的 ,比如 对 于 霜 期 应 用 ,在 20 世纪 上 半 叶 只 是 用 于 玻璃 房 栽培 花卉 及 价值 比较 高 的 蔬菜 等 ,而 后 来 由 于 塑料 膜 广 泛 用 于 温室 ,大 棚 , 使 其 资源 作用 大 大 发 挥 。 把 生态 控制 与 整个 生物 系统 密切 结合 ,会 形成 有 机 的 闭环 统一 体 。 从 生态 动力 源 的 环境 作用 来 说 ,在 有 生物 存在 的 相对 闭环 系统 中 ,生物 的 生存 均 享受 KB ASA BB AEA AY AR HY id 水 文 、 土 壤 等 必要 的 环境 条 件 ,环境 条 件 为 生 活 于 闭环 巨 系 统 中 的 生物 提供 保障 作用 。 从 环境 角度 认识 ,必须 明确 作为 生态 动力 汇 的 生物 所 需求 的 环境 指标 , 随 着 科学 发 展 ,这 些 指 标 被 定量 化 ,有 些 已 为 公众 所 知 。 比 如 人 居 封 闭 微 环 境 中 的 温度 湿度。 植物 生存 环境 的 pH, 从 大 范围 讲 , 某 些 生物 之 所 以 生活 在 地 球 陆 地 或 海洋 的 某 一 区 域 ,也 是 生态 巨 系统 中 的 宏观 环境 的 适应 。 比 如 ,甘蔗 、 香 莱 、 橡 胶 树 生存 于 热带 ,企鹅 .北极 能 生存 于 寒带 ,在 自然 条 件 下 , 离 不 开 生 态 环境 的 闭环 范围 ,人 为 调节 或 者 说 人 工 为 之 创造 某 种 环境 是 另 一 回 事 了 。 闭环 巨 系 统 的 生态 控制 ,实质 上 是 人 工 生 态 动力 源 调节 资源 、 环 境 属性 ,根据 生态 动 力 汇 的 需求 进行 必要 与 可 能 控制 。 物 种 及 品种 的 迁移 ,是 早 就 存在 的 闭环 巨 系统 的 控 制 。 比 如 ,许多 农作物 ,在 许多 年 前 ,都 是 生存 于 很 有 限 的 环境 之 中 ,这 样 的 系统 是 远 小 于 起 码 是 小 于 巨 系 统 的 生态 系统 ,比如 说 , 马 铃 草原 产 于 南美 洲 ,这 个 原 产地 相对 于 该 作 324 物 来 说 ,也 构成 一 个 相对 闭环 的 生态 系统 ,但 这 个 系统 ,只 就 地 理 范围 来 说 太 小 了 ,只 是 一 个 闭环 简单 系统 。 随 着 人 们 生态 控制 实践 广泛 和 理论 认识 的 加 深 , 发 现 只 就 这 单一 的 作物 来 说 ,这 个 闭环 的 地 理 范围 不 断 加 大 ,成 为 一 个 大 系统 乃 圣 巨 系统 ,至 今世 界 上 许多 地 方 种 植 , 即 闭环 的 范围 很 大 了 ,再 说 它 的 复杂 性 ,因为 马 铃 暮 的 生态 问题 是 相当 多 的 ， 比如 ,退化 问题 , 晚 疫病 问题 ,就 有 遗传 .生态 植保 \ 病 理 等 多 方面 专家 研究 ,所 以 这 成 了 一 个 复杂 的 系统 ,为 优化 控制 , 尚 须 进一步 综合 研究 。 3. 简单 闭环 巨 系统 及 其 子 系统 的 生态 控制 这 里 简 述 简单 巨 系统 ,对 于 复杂 巨 系统 将 在 下 节 论述 。 对 于 简单 闭环 巨 系统 ,可 从 两 个 方面 加 以 研究 ,一 方面 是 主要 考虑 某 一 生物 条 件 ,而 对 地 域 范围 不 作 限制 ,强调 专业 性 ; 另 一 方面 ,专注 研究 一 个 地 域 ,注重 其 中 的 几 个 主要 方面 的 问题 。 前 一 种 情形 ,以 生 态 动力 汇 某 种 生物 为 对 象 , 近 于 专业 的 生态 控制 ,如 以 森林 为 对 象 的 森林 生态 系统 ,闭环 的 植物 主要 是 森林 ,地 理 范围 很 大 ,甚至 可 以 为 全 球 陆地 。 又 如 海洋 .湿地 、 鸟 类 昆虫 等 各 自 的 生态 系统 等 。 后 一 种 情形 ,是 以 地 域 为 研究 对 象 ,如 某 一 个 地 理 范围 ,而 对 其 中 各 种 生态 动力 源 、 汇 综合 考虑 。 闭环 巨 系统 的 控制 一 般 是 通过 其 子 系统 实现 的 ,用 系统 工程 方法 模拟 。 例 如 ,以 草 原 收场 为 例 , 将 一 个 牧场 分 为 三 个 分 室 即 绿色 植物 、 肉 食 动物 和 居民 。 分 别 用 zi (2), nt) za(z) 表 示 其 相应 的 态 ( 即 每 个 分 室 的 能 量 )。 再 对 每 个 分 室 分 别 进行 生态 学 研 完 , 查 明 其 输入 项 输出 项 及 其 所 处 的 态 。 用 2 表示 态 , 用 x 表示 输入 ,用 y 表示 输出 ， 用 mm 表示 环境 ,用 ue, 表示 能 量 从 ; 流向 &。 将 各 分 室 能 流 图 综合 起 来 ,可 以 列 出 关于 状 态 的 局 部 过 渡 方 和 Bri E) 生态 控制 原理 eG 金昌 杰 关 德 新 落 站 外 OUTPUT. gi yes mp4 Fk Om a ISBN 7-03-012522-3 ISBN 7—03—012522—3 xe ff: 75.00 FE