人地系统的机理与调控.ppt

一、人地系统机理一、人地系统机理地球上凡是有人类居住的地区，以人类和人类的经济社会 活动为一方，以地球表层包括岩石圈、大气圈、水圈和生 物圈等人类赖以生存的地理环境为另一方，组成了相互联 系、相互作用的综合体，即人地系统正如吴传钧先生在 10年前所指出的，“人地系统是由地理环境和人类活动两 个子系统交错构成的复杂的开放的巨系统，内部具有一定 的结构和功能机制在这个巨系统中，人类社会和地理环 境两个子系统之间的物质循环和能量转化相结合，就形成 了发展变化的机制 ”1 1．人地系统的科学内涵．人地系统的科学内涵吴先生所提出的地理学的主要研究对象—— 人地关系的地域系统是以地球表层一定地域 为基础的人地关系系统，其核心是协调人地 关系为此，要从空间结构、时间过程、组 织序变、整体效应、协同互补等方面寻求全 球的、全国的或区域的人地关系的整体优化 、协调发展及系统调控的机理，为区域可持 续发展及区域决策提供科学依据 1 1．人地系统的科学内涵．人地系统的科学内涵1 1．人地系统的科学内涵．人地系统的科学内涵有关我国人地系统研究的重点，1991年吴先生归纳为以 下七个方面：Ø人地关系地域系统的形成过程、结构特点和发展趋向；Ø人地系统中各子系统型和作用的强度分析、潜力估算、后效 评价和风险分析；Ø人地两大系统间相互作用和物质、能量传递与转换的机理、 功能、结构和整体调控的途径与对策；Ø地域的人口承载力分析；Ø一定地域人地关系的动态仿真模型，预测地域系统的演变趋 势；Ø人地关系的地域分异规律和地域类型分析；Ø不同层次、不同尺度的各种类型地区人地关系协调发展的优 化模型。

2 2．人地系统的结构．人地系统的结构u人地系统是一个具有耗散特征的、复杂反馈 结构的多层次地域系统u人地系统的要素结构包括人口结构、经济结 构、社会结构、资源结构和生态环境结构由 于人地系统是一个开放的系统，系统内与系统 外进行着人力、物质、能量、信息的交换，在 人地系统内部的复杂反馈结构影响下，呈现出 明显的非线性和耗散结构特征2 2．人地系统的结构．人地系统的结构根据热力学中的“熵增原则”,一个封闭系统在其 自发的演变过程中，系统的熵只能增加不会减少 ，熵作为对系统无序程度的一种度量，表明封闭 系统的有序程度将越来越低，最终达到熵的最大 值和混沌状态而对于一个开放系统，若以ds表 示系统的总熵变化，dis表示系统内部的熵变化 ，des表示系统与环境相互作用产生的熵变化， 则系统的总熵变化为：（1） 2 2．人地系统的结构．人地系统的结构由于dis总是大于0的，因此，要保持系统熵 减（即ds<0）的条件是系统从环境吸收的负 熵流大于系统内部的熵增，即dis<-dis可 以用以下指标来反映系统的有序程度：设 R(t)为系统的有序度，S(t)和Smax分别表示 系统在t时刻和热力学平衡态时的熵值，则（2） 2 2．人地系统的结构．人地系统的结构从上式可见，系统有序性增强（R(t)增大） 的条件是系统熵值变小（S(t)变小）。

因此， 可将人地系统中各子系统之间的相互作用均可 看作一个不稳定的、非线性的、远离平衡状态 的耗散结构人地系统要保持持续性，就必须 保持“耗散结构”，一方面从外界输入负熵流， 即输入人流、能量流、物流和信息流，并提高 资源（包括上述“四流”的广义资源）的利用效 率，减少区内的熵增3 3．人地系统的功能．人地系统的功能人地系统的功能是由系统内部各种流的耦合叠加而成 的，主要功能有：（1）生产与需求消费功能生产功能包括人口再生产 、经济再生产、社会再生产和资源再生产，其中经济 再生产及社会再生产中的科技进步是人地系统演进的 主要驱动力消费功能如人口生存需求、经济增长需 求及社会进步需求，是人地系统演进的启动器2）保障服务功能包括生产性保障服务与生活性保 障服务前者主要为经济再生产的顺利进行提供条件 ，后者则为人口再生产提供所需的物质和精神需求， 包括居住、交通、通信、文化娱乐等保障服务功能 构成生产领域的第三产业3 3．人地系统的功能．人地系统的功能（3）承载支撑功能主要由资源环境系统提供如土地资 源、水资源、气候资源、矿产资源、生物资源等，为人口 、经济、社会子系统起着提供活动空间及各种物质流与能 量流作用。

（4）容纳消解功能表现为环境容量和环境承载力通过 物理、化学和生物的作用，将人类社会在物质生产、资源 开发和生活中产生的各种废弃物消解，通过再释放和转变 其组分，返回到资源子系统中去5）自组织功能人类以计划、政策和法律法规 的手段通过不同层次的决策、管理与调控，确保人 地系统的和谐、协调与系统的正常演进在调控与 管理过程中，不断将各子系统的无序因素消除或将 其转变为有序因素，及时地加强某种功能，以保证 人地系统的稳定和持续3 3．人地系统的功能．人地系统的功能4 4．人地系统演进的动力机制．人地系统演进的动力机制人地系统演进的驱动力主要有以下三类： （1）内部扰动力是一种无序的作用力如当人类活动 对资源环境的作用强度达到损坏环境的自然趋稳机制和 自然资源的再生更新机制时产生，但它在一定的外力引 导下可以转化为促进内部结构转换的动力 （2）因内外交流而引起的拉动力是一种有序的作用力 ，它主要受“价值回报”规律的制约如由于信息和市场 发育而引起的内外部人流、物质流和资金流的加强，导 致人地系统结构的演进 （3）外部推动力由于体制、政策、科技信息、基础与 服务设施、资金等因素的改善而对人地系统演进产生的 推动力。

4 4．人地系统演进的动力机制．人地系统演进的动力机制人地系统演进可分为两个阶段：早期趋于随 机过程，后期则通过非线性的相互作用更多 的趋于自组织性，并形成特定的时空结构和 具有一定功能的自组织结构，表现为有序状 态因此，可以通过人地系统内部的非线性 动力学机制和自组织理论，研究其演替过程 与机制根据热力学和耗散结构理论，系统 的发展实际上就是一个又一个越来越高层次 的有序结构的形成，而其动力就来自远离平 衡状态下系统内部非线性的“涨落”效应4 4．人地系统演进的动力机制．人地系统演进的动力机制人地系统的开放性是其产生有序结构的必要条件， 而系统内部各子系统及各要素之间的非线性动力学 效应则是其产生有序结构的基础，是物质—能量— 信息有序结构的重要反映，即具有生物—社会的自 组织过程当系统外部环境或内部某些环节发生变 化时，系统就能感知这种变化并在一定的阈值范围 内通过自组织加以调整，从而适应这种变化在这 一自组织过程中，涉及到各种要素结构功能的调整 各要素围绕着一定的目标，通过非线性的叠加与 衰减，放大了各系统的功能，从而使系统的功能远 远大于各部分功能之和4 4．人地系统演进的动力机制．人地系统演进的动力机制人地系统内部的非线性效应具有两个主要特 征，即演变与分叉。

因此对它的发展和演化 可用分叉理论加以描述，通常采用非线性微 分组表示（3）式中，状态变量Χ=(x1，x2….),ƒ=（ƒ1，ƒ2 ……）,λ为约束条件，用于表征系统受控程度 及偏离平衡状态的程度4 4．人地系统演进的动力机制．人地系统演进的动力机制上述人地系统演进的非线性动力学理论，不 仅可解释人地系统演化的规律，而且也可作 为研究区域可持续发展动力机制的重要理论 依据因为系统演进的本质就是对某种更加 有序、更加稳定状态过程的追溯5 5．人地系统演进的模式．人地系统演进的模式人地系统演进的模式主要有以下两种：一是渐变型模式该模式指人地系统的演进 过程是逐步变化的，反映在时间过程上，依 次从低级阶段向高级阶段发展，如从原始社 会向农业社会、工业化社会、后工业化社会 和信息社会发展二是突变型模式反映在 时间过程上中断了原有的发展顺序，在短期 内跳过了一个发展阶段而进入另一个新的发 展阶段；在空间过程上，中断了原有的空间 推移顺序而进入新的发展格局5 5．人地系统演进的模式．人地系统演进的模式根据人地系统发展与演进的过程，可将其演进模 式归结为以下四种：（1） 指数增长模式 如在特定时段内，由于 区域人口和工业总产值 增长导致资源消耗量和 “三废”污染量初期增 长较慢、后期增长加快 的增长过程。

见图a） 2）收敛平衡模式该模式呈现与指数增长相 反的过程（见图b,c），如一定阶段内粮食产出 量，耕地面积减少，不可再生资源的衰减，接近 承载上限的人口增长等具体分为增、减两种趋 稳过程这两种模式均属负反馈作用的结果，受环境因子的限制，使系统状态在既定目标下演变5 5．人地系统演进的模式．人地系统演进的模式（3） 阶梯型演变模式（见图d）是由一组突变过 程和稳定过程交替组成的演变模式在特定时间点 上，由于系统中的随机突发5 5．人地系统演进的模式．人地系统演进的模式因子作用，致使系统发生跳 跃变化，然后处于稳定过程 ，再待新的突变过程的出现 现实人地系统中的环境灾 变过程及技术进步过程等属 于此类5 5．人地系统演进的模式．人地系统演进的模式（4） 复合“S”型演化模式为上述三种简单模式的进一 步复合而成该模式由多级“S”型曲线组成，不同层次反映 了系统不同的演化阶段，阶段间则存在突变（如由于重大 的科技进步等）这种突变的周期随系统的演进越来越短 在“S”型增长过程中，可以用孕育期、持续增长期和 稳定期三个阶段来描述 利用“S”型曲线可以说明环 境承载力变化的过程，如 果系统的发展超过环境承 载力就会产生系统的崩溃 ，从而使系统稳定在新的 平衡上。

显然，新的 环境承载力低于原来的环 境承载力6 6．未来．未来1010年人地系统研究的前沿领域年人地系统研究的前沿领域（1）人地系统协调发展机理研究影响人地系统发展的因素包括人为的和自然的、 内部的和外部的、积累的和突发的因素这些因 素造成系统物质、能量、信息流动和交换的失调 ，使得人与自然系统演进在速度与方向上出现偏 差，从而降低系统的持续发展能力，最终影响系 统发展目标的实现这类因素主要有：人口膨胀 、自然资源过度消耗、生态环境恶化，以及突发 性的自然灾害等重点研究上述各因素相互作用 的机理及人地系统演进的动力机制6 6．未来．未来1010年人地系统研究的前沿领域年人地系统研究的前沿领域（2）人地系统发展过程的动态模拟 由于人地系统的演替过程具有不可逆性、复杂性和不确定 性，仅仅依靠抽象的理论思维还不足以把握其内部机理 为此，需要用实验的方法研究人地系统演替的动力学机制 和评估政策效应然而，现实的人地系统发展过程需要经 历较长的时间周期，对其进行试验需要花费大量的时间、 人力和物力人地系统发展过程模拟作为一项实验性综合 技术，以系统论、控制论、相似性原理和信息技术为基础 ，以计算机为工具，借助于系统模型对区域自然—经济— 社会复合系统进行动态试验，具有经济性、超实时性、可 重复性、便捷性等特点，国际上一致认为是最有效的综合 集成方法之一，因而可作为研究人地系统发展过程的重要 手段。

3）人地系统协调发展的综合调控研究人地系统协调发展的综合调控研究的实质就是从整 体与可持续的角度，协调区域发展过程中各种矛盾 和利益分配，使人地系统处于循环再生、协调共生 和持续自生，达到整体协调由于人地系统内部各 子系统要素间存在着固有的“反馈机制”，因此，可 通过系统动力学模型中的“人机对话”功能，在人类 本身再生产和经济社会活动与资源环境之间寻求一 种理想的组合状态，以实现人地系统的和谐、高效 、有序、优化发展除此以外，还必须建立相应的 调控体系，借助一系列宏观调控政策的干预和调节 ，实现人地系统的协调发展6 6．未来．未来1010年人地系统研究的前沿领域年人地系统研究的前沿领域（4）人地系统协调发展的方法论及技术支持 系统研究人地系统协调发展是一项复杂的系统工程，必须 采用从定性到定量的综合集成方法并借助计算机。