基于CAS理論的土地系統(tǒng)脆弱性演化機制分析

朱艷婷，趙源(四川省自然資源科學(xué)研究院，四川成都610015)

復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)是一類具有代表性的復(fù)雜系統(tǒng)，是指在系統(tǒng)的演化、發(fā)展過程中主體能通過學(xué)習(xí)而對自身的行為與狀態(tài)進行調(diào)整，并且相互影響、相互適應(yīng)、相互協(xié)調(diào)的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)［1－3］。復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論(Complex Adaptive System Theory，CAS理論)則是美國霍蘭德教授長期以來基于對復(fù)雜系統(tǒng)的研究提出來的［1］，主要是對系統(tǒng)演變和發(fā)展過程的思考，“適應(yīng)性造就復(fù)雜性”是該理論的核心思想［4－5］。土地系統(tǒng)作為地球陸地表面上由相互作用、相互依存的地質(zhì)、地形、水文、生物、土壤、氣候等自然要素之間以及與人類活動之間相互作用而形成的統(tǒng)一整體［6］，是一種復(fù)雜的自然生態(tài)與社會經(jīng)濟復(fù)合巨系統(tǒng)［7］，具有典型的復(fù)雜適應(yīng)性特征。目前，CAS理論在經(jīng)濟、管理、生態(tài)等領(lǐng)域已得到比較廣泛的應(yīng)用，但在土地資源的研究上還比較缺乏，筆者將此理論引入到土地系統(tǒng)的脆弱性分析中，探討建立新的可持續(xù)性描述框架，促進環(huán)境友好型土地利用模式形成。

1 GAS理論簡介

CAS理論是基于傳統(tǒng)系統(tǒng)思想，重新搭建并形成的一個針對復(fù)雜系統(tǒng)的全新的分析理論與方法［8－9］。可以從微觀層面和宏觀層面兩方面來考慮CAS理論的內(nèi)容:在微觀方面，主要是指復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)具有適應(yīng)性、主動的個體，簡稱為主體;在宏觀方面，主要是指復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)是由多個主體組合而成的，各主體之間以及主體與環(huán)境的相互影響是推動系統(tǒng)演變的主要驅(qū)動力，表現(xiàn)出復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)發(fā)展中的分化、涌現(xiàn)等多種特征［1，10－17］。主體的適應(yīng)性主要是指它可以通過與其他主體及外界環(huán)境之間長期的相互作用，強化自身的“學(xué)習(xí)”并“積累經(jīng)驗”，從而改變主體的性能、參數(shù)等屬性，提高自我調(diào)整能力，以適應(yīng)外界環(huán)境的變化與其他主體的影響［4－5，18－26］。與一般復(fù)雜系統(tǒng)相比較，復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)有著以下幾個特點:①具有明顯的層次性，不但體現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，而且體現(xiàn)在系統(tǒng)功能上;②具有相對的獨立性，主體之間的交互作用一般只發(fā)生在同一層次上，層與層之間的直接關(guān)聯(lián)作用較少;③具有適應(yīng)性、主動性，各個主體可以通過對自身結(jié)構(gòu)與行為的調(diào)整，來實現(xiàn)與主體之間的聯(lián)系與影響，并適應(yīng)外界環(huán)境;④具有并發(fā)性，各個主體并行地對外界刺激作出反應(yīng)，進而演化;⑤引入了隨機因素，使復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論的分析更加全面詳實［1－4，10－14］。同時，霍蘭德教授還針對“適應(yīng)性主體”明確了復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)在演變與發(fā)展中的7個基本要素，包括4個特性和3個機制，其中，4個特性是指聚集特性、非線性特性、流特性、多樣性特性，3個機制是指標(biāo)識機制、內(nèi)部模型機制、積木機制［5，10，27］。

2 土地系統(tǒng)及其脆弱性

2.1 土地系統(tǒng)的復(fù)雜適應(yīng)性特征 土地系統(tǒng)具有適應(yīng)性的主體，是一個多層次、多主體組成的復(fù)雜系統(tǒng)，大致可以分為系統(tǒng)層、子系統(tǒng)層和主體層。其中主體層是直接或間接影響土地系統(tǒng)脆弱性的重要因素，由更小層次的個體組成，主體在遭遇壓力時具備自適應(yīng)性;子系統(tǒng)層可以看作是主體的聚集體，也是更高層次的主體，具備孤立主體及其總和所不具備的整體屬性，稱為整體涌現(xiàn)性，例如在遭遇壓力時，聚合體的適應(yīng)能力并非各個主體適應(yīng)能力的簡單加和;系統(tǒng)層即土地系統(tǒng)，是各個子系統(tǒng)相互影響相互適應(yīng)的整體體現(xiàn);政府可以根據(jù)土地系統(tǒng)的運行狀況管理調(diào)控主體的行為，以降低驅(qū)動因子對土地系統(tǒng)脆弱性的影響，提高土地系統(tǒng)的適應(yīng)能力。土地復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)組成見圖1。

土地系統(tǒng)具備復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的7個基本要素:①聚集。如上所述，土地系統(tǒng)是多主體的，如地質(zhì)、地形、生物、人類等，不同種類的諸多個體相組合又會產(chǎn)生聚集，如自然環(huán)境子系統(tǒng)、社會經(jīng)濟子系統(tǒng)等，由此形成更大的聚集體。②非線性。土地系統(tǒng)具有多層次結(jié)構(gòu)和眾多的主體，主體之間相互聯(lián)系彼此制約，同時，各主體能夠主動地適應(yīng)外界的刺激，從而使系統(tǒng)表現(xiàn)出較強的自我調(diào)節(jié)能力，呈現(xiàn)出非線性特征。③流。土地系統(tǒng)是一類開放性的復(fù)雜系統(tǒng)，不但通過人類活動，使自然環(huán)境子系統(tǒng)與社會經(jīng)濟子系統(tǒng)之間存在物質(zhì)和能量的交換，自然環(huán)境子系統(tǒng)各主體之間也通過大氣、水、食物鏈等介質(zhì)與方式不斷與其他子系統(tǒng)主體及外界之間進行物質(zhì)、能量和信息的交換。④多樣性。土地系統(tǒng)的各個層次上存在不同的主體，主體之間存在著差異性，也表現(xiàn)出適應(yīng)性的不同，在應(yīng)對主體及外界環(huán)境的影響時，便會呈現(xiàn)出不同的發(fā)展特征，有些個體適應(yīng)性較強，則可以適應(yīng)系統(tǒng)的變化，有些主體便慢慢衰退、消失。⑤標(biāo)識。不同類型、不同層次的主體對其接收到的信息具有不同的識別和反應(yīng)機制，如自然環(huán)境子系統(tǒng)與社會經(jīng)濟子系統(tǒng)對管理主體的調(diào)控行為就具有不同的識別和反應(yīng)機制。⑥內(nèi)部模型。土地系統(tǒng)具有多層次性，其中的自然環(huán)境、社會經(jīng)濟等子系統(tǒng)自身就是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)又包含大量不同層次、不同類型的主體，每個主體都有自己的行為規(guī)范和準(zhǔn)則，即內(nèi)部模型，這主要是主體通過學(xué)習(xí)得到的經(jīng)驗積累，在再次遇到某種問題時會做出相應(yīng)的反應(yīng)。⑦積木。在內(nèi)部規(guī)則和模式的指導(dǎo)下，土地系統(tǒng)的各個組成主體彼此作用、相互影響，形成多種組合方式。如植被主體是自然環(huán)境子系統(tǒng)的組成部分，各個種類的植被在某一區(qū)域內(nèi)組成特定的種群，不同的種群在一定區(qū)域內(nèi)以一定的機制形成群落［1，8，28］。

2.2 土地系統(tǒng)脆弱性的內(nèi)涵與表征 脆弱性這一概念起源于對自然災(zāi)害的研究，此后逐漸在水資源、氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)等多個領(lǐng)域得到應(yīng)用［29－33］。將脆弱性概念引入和應(yīng)用到土地系統(tǒng)研究中是近期才開始的［33－34］，關(guān)于土地系統(tǒng)脆弱性的概念，迄今還未有比較明確和公認(rèn)的定義，但有一些與其較為相近的提法，如土地生態(tài)環(huán)境脆弱性［35］、土地生態(tài)脆弱性［36］、人地耦合系統(tǒng)脆弱性［37］等等，從成因－結(jié)果的角度，可以認(rèn)為土地系統(tǒng)脆弱性是指一定時空條件下，土地系統(tǒng)在面臨自然擾動、人為干擾等內(nèi)部影響及外界壓力時，所具備的應(yīng)對程度及做出的可能性響應(yīng)，是自然環(huán)境條件、社會經(jīng)濟發(fā)展以及歷史發(fā)展過程相互影響和相互聯(lián)系的結(jié)果［33，38］。土地系統(tǒng)脆弱性的內(nèi)涵包括以下4個關(guān)鍵方面:①有不利因素作用于土地系統(tǒng)，使其正常功能受到影響;②土地利用/覆被變化在脆弱性變化中具有關(guān)鍵作用;③推進土地系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展是降低脆弱性無可替代的方式;④不同區(qū)域之間存在明顯的差異性［34］。具體來看，土地系統(tǒng)脆弱性的主要表現(xiàn)特征為:①敏感性強，是土地系統(tǒng)及其組成要素對擾動發(fā)生響應(yīng)的敏感程度，主要決定于土地的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，響應(yīng)越強烈，土地系統(tǒng)的變化幅度越大，敏感性越強，如降水變化所引起的干旱、洪澇災(zāi)害及滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害;②退化趨勢明顯，主要表現(xiàn)為土地系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的失調(diào)及其生態(tài)功能的降低，如土地鹽堿化面積擴大、荒漠化、石漠化、森林植被面積減少;③生態(tài)恢復(fù)力弱，土地系統(tǒng)具備自我調(diào)節(jié)與適應(yīng)能力，可以應(yīng)對一定的人類干擾和自然災(zāi)害干擾，一旦超出生態(tài)閾值，土地系統(tǒng)將難以適應(yīng)甚至發(fā)生逆向演變，如人類活動及自然擾動所導(dǎo)致的土地承載能力下降等［39］。

3 土地系統(tǒng)脆弱性演化分析

從CAS理論的角度來看，土地系統(tǒng)脆弱性是土地復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)不同層次、不同類型主體間相互作用和相互影響的結(jié)果，各個主體在接收外界或其他主體的刺激時，會不斷調(diào)整自身的結(jié)構(gòu)、功能等，對其所接收的刺激做出響應(yīng)，適應(yīng)并根據(jù)刺激做出對應(yīng)的轉(zhuǎn)變，從而對其他個體或外界環(huán)境產(chǎn)生影響。一般來說，信息流是各個主體之間進行交流的主要方式，而物質(zhì)流和能量流交換則是各個主體形成共生耦合關(guān)系的關(guān)鍵［40］，各個主體之間正是通過這種“刺激－反應(yīng)”的方式，共同影響土地系統(tǒng)脆弱性的演化方向。不同主體在土地系統(tǒng)脆弱性演化過程中的地位和作用也有所不同，自然環(huán)境子系統(tǒng)主體決定土地自身的組織結(jié)構(gòu)與所處的自然環(huán)境，是土地系統(tǒng)脆弱性形成的基礎(chǔ)原因;社會經(jīng)濟子系統(tǒng)主體一般通過作用于自然環(huán)境系統(tǒng)影響土地系統(tǒng)脆弱性的演化，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，社會經(jīng)濟子系統(tǒng)主體對土地系統(tǒng)脆弱性的影響逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位;政府是所轄區(qū)域土地系統(tǒng)的管理者與調(diào)控者，一定程度上決定著該地區(qū)土地系統(tǒng)脆弱性的演化方向。圖2所標(biāo)識的正是土地復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)子系統(tǒng)主體在土地系統(tǒng)脆弱性的形成及演化過程中的主要交互作用。

3.1 自然環(huán)境子系統(tǒng)主體 自然環(huán)境子系統(tǒng)是地質(zhì)、地形、生物、水文、土壤、氣候等多個主體的聚集體，每個主體又是由不同層次、不同類型的個體組合而成，各個主體對土地系統(tǒng)脆弱性的影響方式和影響程度存在差異。自然環(huán)境子系統(tǒng)主體對土地系統(tǒng)脆弱性的影響機制見圖3。地質(zhì)、地形是導(dǎo)致土地系統(tǒng)脆弱性的基礎(chǔ)原因，一般山地、丘陵地區(qū)以及山地與盆地、盆地與高原等地貌單元的交接部位，具備斜坡高陡、河谷深切等特征，地形起伏較大，地質(zhì)特征復(fù)雜，易引發(fā)水土流失以及滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，區(qū)域土地系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差。氣候、土壤、地質(zhì)、地形影響生物類型、植被覆蓋情況，而植被又具有調(diào)節(jié)氣候、保持水土、防風(fēng)固沙的功能，不同類型的植被對土地系統(tǒng)的保護程度也有差異，如較高、較密的植株對土層的固結(jié)能力就較強，其附著的土地穩(wěn)定性則較高;良好的氣候條件有利于森林植被的生長發(fā)育，提高土地系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而不利的氣候條件則影響降水的形成，導(dǎo)致降水量時空分布不均，引發(fā)干旱、洪澇等極端天氣氣候，加劇土地系統(tǒng)的脆弱性;土壤的類型、肥力特征等方面決定其抗蝕能力，若抗蝕能力差，不但易于發(fā)生土地沙漠化、石漠化等問題，在遭遇降水時，還易產(chǎn)生滑坡、泥石流、水土流失等問題;水文條件也對地質(zhì)、地形具有影響作用，各個主體之間相互作用、相互適應(yīng)，對土地系統(tǒng)脆弱性產(chǎn)生影響。

3.2 社會經(jīng)濟子系統(tǒng)主體 社會經(jīng)濟子系統(tǒng)是人類、產(chǎn)業(yè)等主體組合而成的聚集體，其一般通過與自然環(huán)境子系統(tǒng)各主體之間的不斷影響、協(xié)調(diào)與適應(yīng)，間接地作用于土地的穩(wěn)定性，帶來土地系統(tǒng)脆弱性的變化。土地對人口的承載能力是有限的，一個地區(qū)的自然環(huán)境決定了該區(qū)域的人口規(guī)模及產(chǎn)業(yè)選擇情況，在人口數(shù)量不斷增加、經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的背景下，人地矛盾將愈加尖銳，社會經(jīng)濟發(fā)展需求也日益增多，為緩解需求壓力，毀林開荒、圍湖造田、陡坡墾殖、亂砍濫伐等不合理的土地利用方式隨之產(chǎn)生，雖然人類日益增加的需求得到一定程度的緩解，但破壞了整個土地生態(tài)系統(tǒng)的平衡。同時，在一些環(huán)境意識較弱的地區(qū)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展所帶來的生態(tài)破壞、土壤污染等作用于各種自然環(huán)境子系統(tǒng)的組成主體，再通過各種主體間的相互影響，最終導(dǎo)致土地系統(tǒng)脆弱程度的變化。社會經(jīng)濟子系統(tǒng)主體對土地系統(tǒng)脆弱性的影響機制見圖4。

3.3 政府主體 政府作為一個地區(qū)土地系統(tǒng)的管理者和調(diào)控者，是由不同層級不同部門組合而成的聚合體，如從層級來看，有中央、省、地(市、州)、縣(區(qū))、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))等不同行政等級，從部門來看有國土局、農(nóng)業(yè)局、環(huán)保局、林業(yè)局、規(guī)劃局等，不同層級、不同部門均有不同的管理范圍和管理職能。作為主觀能動性較強的管理調(diào)控主體，政府在調(diào)控土地系統(tǒng)的脆弱性方面，將決定土地系統(tǒng)脆弱性的演化方向，所做出的行為一般通過作用于社會經(jīng)濟子系統(tǒng)的人類、產(chǎn)業(yè)等主體，間接影響自然環(huán)境子系統(tǒng)，進而影響土地系統(tǒng)的脆弱程度。政府主體對土地系統(tǒng)脆弱性的影響機制見圖5。

3.4 演化方向 從對土地復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部各層次主體對土地系統(tǒng)脆弱性的影響機制來看，土地系統(tǒng)脆弱性是在自然環(huán)境子系統(tǒng)、社會經(jīng)濟子系統(tǒng)及宏觀調(diào)控系統(tǒng)的不同層次、不同主體之間的相互影響相互適應(yīng)中產(chǎn)生與演化的，而其演化方向主要取決于政府的調(diào)控及人類行為等因素，在土地系統(tǒng)脆弱程度較高或有所增強的前提下，一方面政府通過識別主要影響因素，加強管理，如控制人口數(shù)量、調(diào)整產(chǎn)業(yè)布局與規(guī)模、加強生態(tài)恢復(fù)及污染防治等方式，影響人類行為、調(diào)整產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局以及改善自然環(huán)境狀況，降低子系統(tǒng)對土地系統(tǒng)脆弱程度的影響;另一方面，在政府尚未認(rèn)識到土地可持續(xù)發(fā)展的重要性的前提下，為滿足社會經(jīng)濟發(fā)展需求，放任生態(tài)破壞、土壤污染以及不合理的利用土地等行為的發(fā)生，將導(dǎo)致土地系統(tǒng)脆弱程度進一步增強。在自然環(huán)境子系統(tǒng)、社會經(jīng)濟子系統(tǒng)及政府主體之間的交互作用與彼此調(diào)整下，土地系統(tǒng)脆弱性呈現(xiàn)出相對穩(wěn)定性與絕對動態(tài)性并存的動態(tài)演化特征。

4 結(jié)語

土地系統(tǒng)作為一個典型的開放性的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)，其脆弱性的產(chǎn)生與演化也具有明顯的復(fù)雜性特征。該研究基于CAS理論對土地系統(tǒng)脆弱性的演化機制進行了分析，認(rèn)為，在土地系統(tǒng)脆弱性的產(chǎn)生及演變過程中，自然環(huán)境子系統(tǒng)是其產(chǎn)生的基礎(chǔ)原因，社會經(jīng)濟子系統(tǒng)在其發(fā)展演變中起到主導(dǎo)作用，而政府的宏觀調(diào)控則決定著土地系統(tǒng)脆弱性的演變方向。在土地系統(tǒng)脆弱性加劇的背景下，政府通過調(diào)控人類行為、調(diào)整產(chǎn)業(yè)空間布局與發(fā)展規(guī)模、加強生態(tài)環(huán)境保護與污染防治等方式，能夠改善土地系統(tǒng)的脆弱程度，使土地系統(tǒng)脆弱性朝良性方向發(fā)展，從而促進土地資源的可持續(xù)利用。

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