復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)(CAS)理論在我國環(huán)境領(lǐng)域研究中的應(yīng)用

劉亞非，馬德彭，劉新罡

(1.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100089；2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境工程評估中心，北京 100012)

自工業(yè)革命以來，人類在社會和經(jīng)濟等各方面取得了空前的成就。同時，工業(yè)、交通和生活等方面產(chǎn)生了大量的廢棄物，對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞。環(huán)境系統(tǒng)是復(fù)雜的大系統(tǒng)，受到大氣和水土等組成因素的影響，也受到人類政治、經(jīng)濟和日?；顒拥确矫娴挠绊憽－h(huán)境科學(xué)是一門交叉學(xué)科，涵蓋生態(tài)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等多個自然科學(xué)領(lǐng)域，涉及經(jīng)濟學(xué)、社會學(xué)及政治學(xué)等社會科學(xué)領(lǐng)域，還受到技術(shù)創(chuàng)新水平等因素的限制[1]。認清復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)的特點，了解相關(guān)的研究方法，有利于實現(xiàn)合理的環(huán)境規(guī)劃，減少人類活動對環(huán)境系統(tǒng)的破壞，實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展。本文將討論環(huán)境問題和復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論(Complex Adaptive System，CAS)的基本內(nèi)容和特點，介紹CAS理論在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用情況。

1 環(huán)境系統(tǒng)與環(huán)境問題

對于人類來說，環(huán)境可以被理解為影響人類及其他生物生存發(fā)展的自然條件和社會條件。環(huán)境的主體和客體構(gòu)成環(huán)境系統(tǒng)，包含不同時間尺度、空間尺度和組織方式的多個要素[2-3]。

環(huán)境問題的產(chǎn)生是人類與自然相互作用的結(jié)果。自然界和人類活動會對環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生擾動、影響和破壞，同時系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的物質(zhì)和能量流動、各要素之間的非線性作用與反饋，會破壞復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和狀態(tài)發(fā)生改變，環(huán)境要素功能喪失，從而導(dǎo)致其發(fā)生波動乃至趨勢性的變化。在此過程中產(chǎn)生的矛盾反過來也會對人類正常生產(chǎn)和生活產(chǎn)生不利影響，即為環(huán)境問題。環(huán)境系統(tǒng)與外部存在廣泛的物質(zhì)、能量及信息的流動與交換表現(xiàn)出開放性，環(huán)境系統(tǒng)各要素內(nèi)部及要素之間存在雙向或多向的聯(lián)系，由此產(chǎn)生非線性作用、響應(yīng)與反饋。因此環(huán)境也可以被稱為復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)。系統(tǒng)的開放性使其遠離平衡態(tài)，其非線性直接導(dǎo)致其不確定性，這也是環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜性的本質(zhì)所在。

我國面臨的主要環(huán)境問題包括城鎮(zhèn)化加快，城市規(guī)模和人口不斷增加，城市環(huán)境污染日益加重；城市污染企業(yè)向欠發(fā)達地區(qū)轉(zhuǎn)移，農(nóng)村散亂污企業(yè)迅速蔓延，農(nóng)村資源受到破壞；自然資源遭受破壞和生態(tài)環(huán)境繼續(xù)惡化。主要體現(xiàn)在水體污染和水資源短缺，城市大氣污染和固廢污染，森林破壞、草地退化、土地荒漠化和鹽堿化，生物多樣性減少等方面[4]。

環(huán)境領(lǐng)域問題的研究經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜、從表面到深入的過程，這與復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的涌現(xiàn)特征相似。從單純的有毒有害物質(zhì)污染問題到人類活動對自然生態(tài)系統(tǒng)的破壞，再到區(qū)域性的環(huán)境污染，逐步擴展到大尺度的全球氣候變化和生物多樣性等全球性視角；從單純的物理化學(xué)污染過程到對人口和經(jīng)濟等層面的綜合考量，環(huán)境問題研究重心的轉(zhuǎn)變，一方面說明人類對于環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜性的認識在不斷加深，另一方面也展現(xiàn)了環(huán)境科學(xué)研究從單一問題到多學(xué)科交融的發(fā)展軌跡。理論水平的提高和技術(shù)手段的創(chuàng)新是認清環(huán)境系統(tǒng)復(fù)雜性和綜合性的重要支撐。

2 復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論

2.1 復(fù)雜系統(tǒng)演化理論

在近代科學(xué)的發(fā)展過程中，還原論發(fā)揮了巨大的作用。還原論方法是經(jīng)典科學(xué)方法的內(nèi)核，該方法將高層的、復(fù)雜的對象分解為較低層的、簡單的對象來處理。該理論對研究機械的系統(tǒng)比較有效，機械系統(tǒng)元素間相互作用是簡單的，可以觀察到或通過經(jīng)驗簡單概括。

系統(tǒng)科學(xué)揭露了還原論的片面性和局限性，逐漸認識到系統(tǒng)大于其組成部分之和，開始從整體上全面考慮復(fù)雜系統(tǒng)的問題。20世紀70年代起，復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)逐漸從非線性科學(xué)理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。復(fù)雜系統(tǒng)演化理論從控制論到耗散結(jié)構(gòu)理論、協(xié)同學(xué)理論、自組織臨界性理論發(fā)展到復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論等。各個理論具有不同的產(chǎn)生背景，并具有自身的特色、應(yīng)用領(lǐng)域和局限性[5]。

2.2 復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論的內(nèi)容和特點

復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)概念由約翰·霍蘭(John Holland)于1994年正式提出。該理論是在自組織和協(xié)同論等理論的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)元素看作是具有目的性、主動性、適應(yīng)性和有活力的主體(Adaptive Agent)。各主體在交互過程中不斷學(xué)習(xí)，從而調(diào)整自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)及行為方式，更好地適應(yīng)周圍環(huán)境，同時也改變著環(huán)境。動態(tài)變化的環(huán)境又會對主體的行為產(chǎn)生約束和影響，如此反復(fù)，這是系統(tǒng)發(fā)展和進化的基本動因。

CAS理論考慮到了元素間的相互作用對系統(tǒng)演化的重要貢獻，突破了傳統(tǒng)的“還原論”框架，把宏觀與微觀有機地聯(lián)系起來?；籼m在遺傳算法(Genetic Algorithm)基礎(chǔ)上，建立了所謂“回聲”(ECHO)模型，用以模擬和研究一般的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的行為，相應(yīng)的建模工具——SWARM仿真平臺也被建立起來。作為復(fù)雜系統(tǒng)中重要的一類，復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論被廣泛應(yīng)用于工程、生物、經(jīng)濟、管理、軍事和社會等各個方面，本文主要介紹復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用。

3 CAS理論在環(huán)境領(lǐng)域的研究進展

環(huán)境科學(xué)的研究對象具有整體性、層次性和關(guān)聯(lián)性等特點，CAS理論可以應(yīng)對環(huán)境系統(tǒng)中的諸多復(fù)雜問題，為環(huán)境領(lǐng)域的研究提供有力支撐[6]。自20世紀末開始，已有部分學(xué)者采用CAS理論方法來研究環(huán)境問題并取得了一定成果。當前我國CAS理論的研究主要集中于水土資源管理和城市規(guī)劃的模擬過程以及探究相關(guān)變化的驅(qū)動力等方面。

3.1 流域水土資源優(yōu)化配置

水土資源系統(tǒng)是一個典型的復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)。水土資源系統(tǒng)受人口、經(jīng)濟發(fā)展和科學(xué)技術(shù)等眾多因素的綜合影響。水土資源時空分布的差異導(dǎo)致了水土資源的多層次性、與外界環(huán)境交互作用的開放性、子系統(tǒng)間及層次間交互作用的非線性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的動態(tài)變化性和系統(tǒng)發(fā)展方向的不確定性等。人們對水土資源認識上的局限造成對水土資源進行分配、利用、保護等活動主體行為的主觀復(fù)雜性。

CAS理論在水土資源系統(tǒng)研究中多用于模擬資源配置及其在一定條件下對收益的影響。成琨等利用CAS理論針對黑龍江省構(gòu)建了區(qū)域水土資源的復(fù)雜適應(yīng)性配置模型，研究了主體演化發(fā)展的歷程，預(yù)測了不同氣候條件下黑龍江省用水保障率和糧食占有量[7]，提出應(yīng)增強技術(shù)進步和政策管理以保障一定水資源條件下糧食生產(chǎn)的可持續(xù)性。蘇瓊等利用CAS理論研究了滇池流域水資源配置系統(tǒng)的演化機制，描述了各用水和供水主體的影響因素和反應(yīng)機制，并預(yù)測了不同規(guī)劃年流域內(nèi)各部門的需水量，給出了一定條件下水資源配置結(jié)果[8]。當前CAS理論應(yīng)用研究多集中于典型流域，對一般流域的研究較少，實踐中推廣存在難度。同時，仿真模型演化發(fā)展程度難以定量表達，適應(yīng)性配置研究主題間協(xié)同和制約機制的研究較少。

植被分布格局的演變對生態(tài)環(huán)境有著重要的影響。城市化、經(jīng)濟發(fā)展、農(nóng)田擴張等都在影響著植被格局的變化，而人類的決策行為在城市化、農(nóng)田擴張等過程中都具有至關(guān)重要的作用。植被格局的演化是復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，具有變化的不連續(xù)性和非線性等特點。

進化算法是在復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)建模的思想上提出的自適應(yīng)人工智能技術(shù)。在土地覆被和利用變化研究中，進化算法經(jīng)常被用于模擬人類決策行為并取得了良好的模擬效果[9]。宋創(chuàng)業(yè)等通過遺傳算法對黃河三角洲植被格局進行了分析和動態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，當?shù)鼐用竦拈_墾活動是影響三角洲植被分布變化的主要因素，并建立了土地開發(fā)適宜度、自然環(huán)境因子和社會人文因子之間的關(guān)系[10]。

3.2 城市規(guī)劃

目前中國城鎮(zhèn)化率已經(jīng)接近60%。城市是一個開放性的復(fù)雜巨系統(tǒng)。城市的發(fā)展是一個自然適應(yīng)性演進的過程，社會和科技的發(fā)展推動城市發(fā)展變得更加復(fù)雜和多樣化。城市的復(fù)雜性包括城市內(nèi)部的復(fù)雜性和人們對城市認識的復(fù)雜性。城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展促進了社會經(jīng)濟的進步和人民生活水平的提高。隨著人口增長、城鎮(zhèn)化和工業(yè)化疊合期的到來，城市的發(fā)展也面臨著越來越多的問題，如城市盲目擴張和生態(tài)失衡，影響著城鎮(zhèn)化發(fā)展質(zhì)量。

提升城市規(guī)劃效力需要使其適應(yīng)自然法則規(guī)律。各方利益競爭與妥協(xié)、價值取向和生活期望等使城市規(guī)劃的目標呈現(xiàn)多樣性，城市發(fā)展呈現(xiàn)出非線性、多層次性和自組織性等。因此城市的發(fā)展必然是多樣性的，根據(jù)不同城市特色規(guī)劃目標也要順應(yīng)其需求。在城市規(guī)劃中利用CAS理論可以突破傳統(tǒng)的靜態(tài)模型，探討城市系統(tǒng)適應(yīng)性主體的交互性、復(fù)雜性以及適應(yīng)和過程機制，有利于提升城市規(guī)劃質(zhì)量和效率，節(jié)省人力物力[11]。同時，有效的工作方式和科學(xué)理論可以有效地保證工程建設(shè)質(zhì)量和速度。

生態(tài)城市是指以人為本，能夠自我修復(fù)、可持續(xù)發(fā)展的人工復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，是城市發(fā)展的潮流和趨勢之一。陳婷等引入了城市代謝理論，基于多主體的CAS回聲建模方法建立了生態(tài)城市系統(tǒng)模型，探究生態(tài)城市系統(tǒng)的本質(zhì)內(nèi)涵和演化趨勢，強調(diào)公眾參與和管理機制具有重要意義，合理的改造切入點是生態(tài)城市建設(shè)的關(guān)鍵[12]。

城市擴張導(dǎo)致城市土地利用也面臨著嚴峻的形勢，國內(nèi)外對于城市土地的研究主要包括系統(tǒng)動力學(xué)模型、元胞自動機(CA)和計量數(shù)學(xué)模型等。張鴻輝等為能夠描述影響城市土地擴張的主體間所產(chǎn)生的多元變化結(jié)果，融合CAS理論、人工智能技術(shù)等建立起多智能體系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上建立了城市土地資源時空配置規(guī)則，以及動態(tài)描述相關(guān)主體間互動關(guān)系的城市土地擴張模型。以長沙市作為實證，模擬結(jié)果對比遙感結(jié)果發(fā)現(xiàn)其精度較高，能夠為城市規(guī)劃提供決策支持[13]。

城鎮(zhèn)化進程的加快導(dǎo)致我國城市廢棄物數(shù)量不斷增加，其中建筑廢棄物每年的產(chǎn)生量高達3億噸，僅次于生活垃圾。固廢的大量堆置和填埋會導(dǎo)致土地和能源等資源嚴重浪費，同時也會污染環(huán)境，阻礙城市可持續(xù)發(fā)展。丁志坤等基于CAS理論構(gòu)建了深圳市建筑廢棄物管理系統(tǒng)仿真模型，打破了建筑廢棄物政策無法進行實驗研究的瓶頸。研究發(fā)現(xiàn)，利益主體的互動促進管理的演化，減量化、綠色施工及技術(shù)推廣能夠引起廢棄物處置過程各指標的變動[14]。

對于復(fù)雜的城市系統(tǒng)，研究者只能盡可能全面地收集和使用能夠得到的相關(guān)資料。家庭是城市關(guān)鍵的活動主體，但往往無法獲取較為細致的信息，導(dǎo)致缺乏對這方面內(nèi)容的分析和描述，模型構(gòu)建時也只能羅列部分主體的部分關(guān)鍵行為。在模型智能仿真方面，城市系統(tǒng)研究尚處于初級階段，且大多只提供初步的參考方法，還有待進一步研究。

此外，國外也有人將CAS理論應(yīng)用于全球模型來模擬氣候變化的研究，但在我國的研究中還未見報道[15]。在CAS理論仿真模型求解時，還存在一定的局限性。該理論大部分還是描述性的，數(shù)學(xué)機理還不清楚，對適應(yīng)性如何形成穩(wěn)定的復(fù)雜性的機制還在探索當中。需要結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)和數(shù)學(xué)統(tǒng)計等理論研究系統(tǒng)演化的驅(qū)動力。仿真軟件平臺的接口較復(fù)雜，非計算機專業(yè)用戶在進行二次開發(fā)時難度較大，需要進一步進行簡潔化和綜合化。

4 結(jié)論與展望

我國面臨著眾多環(huán)境問題，這些問題的產(chǎn)生主要是人類與自然相互作用的結(jié)果，人們對于環(huán)境問題的認識也在不斷加深。CAS理論考慮到了元素間的相互作用對系統(tǒng)演化的重要貢獻，把宏觀與微觀有機地聯(lián)系起來，在研究環(huán)境系統(tǒng)演化方面取得了較大的進步。當前我國對CAS理論的研究主要集中于水土資源管理和城市規(guī)劃的模擬過程以及探究相關(guān)變化的驅(qū)動力等方面，并建立了自然環(huán)境因子和社會人文因子之間的關(guān)系。

除水土資源系統(tǒng)外，當前我國大氣污染嚴重且受經(jīng)濟、工業(yè)和交通等諸多因素影響，CAS理論在大氣污染治理方面的應(yīng)用還比較少，具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，類比CAS理論在城市的應(yīng)用模式，CAS理論也可以推廣應(yīng)用于農(nóng)村地區(qū)垃圾管理、新農(nóng)村建設(shè)用地擴張等方面。