駱世明
系統(tǒng)論、信息論和控制論與我國農(nóng)業(yè)生態(tài)學的發(fā)展
駱世明
(華南農(nóng)業(yè)大學熱帶亞熱帶生態(tài)研究所 廣州 510642)
我國構建農(nóng)業(yè)生態(tài)學的學科體系中, 不僅把生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學作為其學科基礎, 而且把系統(tǒng)論、信息論和控制論同樣作為其重要的學科基礎。因此, 在我國的農(nóng)業(yè)生態(tài)學的學科體系中不僅像國外的農(nóng)業(yè)生態(tài)學學科體系那樣重視包括物種、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)和景觀層次的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流物流結構和相互關系; 而且還十分重視系統(tǒng)的信息流和資金流, 包括自然信息流, 以及人們主動收集、傳輸和利用的人工信息流, 勞動所體現(xiàn)的價值流, 及其以貨幣形式反映出來的資金流。我國的農(nóng)業(yè)生態(tài)學不僅像國際上農(nóng)業(yè)生態(tài)學體系那樣很重視包括生產(chǎn)者、消費者和分解者在內(nèi)的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的能流和物流轉(zhuǎn)換結構, 而且十分重視農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制機制, 包括自然調(diào)控機制和人為調(diào)控機制, 其中人為調(diào)控機制又包括了如農(nóng)業(yè)經(jīng)營者在種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)中各種操作所代表的人為直接調(diào)控, 也包括如市場需求、政府政策、國家法律、社會習俗、教育宣傳、信息傳播等能夠影響農(nóng)業(yè)經(jīng)營者行為的人為間接調(diào)控。在系統(tǒng)論、信息論和控制論基礎上構建的農(nóng)業(yè)生態(tài)學體系有利于更好地深入剖析我國優(yōu)秀的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)實踐, 啟迪農(nóng)業(yè)生態(tài)學相關的基礎研究和應用研究, 開拓信息時代農(nóng)業(yè)生態(tài)轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新途徑。
信息論; 控制論; 系統(tǒng)論; 農(nóng)業(yè)生態(tài)學; 生態(tài)農(nóng)業(yè); 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)
農(nóng)業(yè)生態(tài)學在我國的發(fā)展始于20世紀70年代末到80年代初。農(nóng)業(yè)生態(tài)學在我國的興起與國際的生態(tài)學發(fā)展有關, 特別是與生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學的發(fā)展有密切關系。這已經(jīng)是國內(nèi)外農(nóng)業(yè)生態(tài)學者的共識。然而, 在我國, 農(nóng)業(yè)生態(tài)學學科體系的成熟與發(fā)展還與當時系統(tǒng)論、信息論和控制論(簡稱“三論”)在我國科學界的深入影響與普遍認可有重要關系。這點往往容易被忽視, 值得重新強調(diào)。系統(tǒng)論、信息論和控制論如今在科學技術領域的影響力有增無減。在“ProQuest”近5年的英文文獻中用關鍵詞“cybernetic”可查出1314個文獻, “information theory”獲得385 117條文獻, “system’s theory”查詢出文獻13 434個。在“中國知網(wǎng)”近5年文獻, 用關鍵詞“控制論”有7558條結果, “信息論”有8523條結果, “系統(tǒng)論”有6322條結果。當前系統(tǒng)論、信息論和控制論已經(jīng)被廣泛應用于自動控制、軍事工業(yè)、人工智能、生命科學、認知科學、社會科學、商業(yè)營運等。系統(tǒng)論、信息論和控制論在農(nóng)業(yè)的應用也相當廣泛, 涉及系統(tǒng)評價、信息傳播、植物保護、農(nóng)業(yè)機械、溫室生產(chǎn)、污水處理、區(qū)域規(guī)劃、綠色農(nóng)業(yè)等。系統(tǒng)論、信息論和控制論無疑也將會在促進我國農(nóng)業(yè)生態(tài)學發(fā)展, 促進我國農(nóng)業(yè)生態(tài)轉(zhuǎn)型中起到重要的作用。
在20世紀70年代末、80年代初, 錢學森為首的一批頂尖科學家所推崇的“三論”在當時深入人心, 影響深遠[1]。沈陽農(nóng)學院沈亨理教授于20世紀70年代末在全國開展農(nóng)業(yè)生態(tài)學講學時, 起初經(jīng)常使用的概念就是“農(nóng)業(yè)系統(tǒng)”。南京農(nóng)業(yè)大學潘根興(1986年)發(fā)表的“試從系統(tǒng)論、控制論、信息論及耗散結構理論談談對土壤的認識”是當時這個思潮的一個反映[2]。江蘇農(nóng)業(yè)科學院的高亮之研究員在1993年出版了《農(nóng)業(yè)系統(tǒng)學基礎》, 其內(nèi)容就是系統(tǒng)論、信息論與控制論的思想與方法在農(nóng)業(yè)的應用[3]。
我國農(nóng)業(yè)生態(tài)學與國外農(nóng)業(yè)生態(tài)學在學科體系構建中重要的相同點是都用生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學的認識框架來重新認識農(nóng)業(yè), 分析與能流物流關系密切的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結構與功能, 并且由此提出了生態(tài)友好的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)結構調(diào)整與農(nóng)業(yè)技術體系創(chuàng)新。我國農(nóng)業(yè)生態(tài)學與國外農(nóng)業(yè)生態(tài)學最大的差別在于我國農(nóng)業(yè)生態(tài)學十分重視從系統(tǒng)論、信息論和控制論的角度來辨識農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控體系。在國外的農(nóng)業(yè)生態(tài)學著作中, 無論是在世界有重要影響的美國加州大學兩位農(nóng)業(yè)生態(tài)學家Miguel A. Altieri和Stephen R. Gliessman出版的《農(nóng)業(yè)生態(tài)學》(1983年、2007年和2015年)著作, 還是改革開放初期對我國農(nóng)業(yè)生態(tài)學發(fā)展起過重要作用的美國圣地亞哥大學George W. Cox和Michael D. Atkins合作編寫的《農(nóng)業(yè)生態(tài)學》(1979年), 他們都把農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能作為重要的學科基礎, 但是都缺少對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控體系的描述[4-7]。查閱我國從20世紀80年代到近期出版的各類農(nóng)業(yè)生態(tài)學教材, 除了生態(tài)學基礎知識, 特別是以能流物流為基礎的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能介紹以外, 都含有對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控體系的具體介紹。例如: 1987年我國出版的第一本《農(nóng)業(yè)生態(tài)學》教科書中就專門單列出第九章“農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制”[8]。1994年西北農(nóng)業(yè)大學王留芳教授主編的《農(nóng)業(yè)生態(tài)學》第十三章是“農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控”[9]。2002年陳阜主編的《農(nóng)業(yè)生態(tài)學》第八章是“農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控與優(yōu)化設計”[10]。2017年駱世明主編的《農(nóng)業(yè)生態(tài)學(第三版)》就用了3章的篇幅構成第二篇“農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與控制”, 與第一篇“農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的結構與功能”相對應, 成為農(nóng)業(yè)生態(tài)學的兩個重要內(nèi)容[11]。
為此我國農(nóng)業(yè)生態(tài)學體系有異于國際農(nóng)業(yè)生態(tài)學體系的特點可以概括為:
從生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學切入, 農(nóng)業(yè)生態(tài)學需要重視生態(tài)系統(tǒng)的能流和物流。從控制論體系切入, 農(nóng)業(yè)生態(tài)學就需要十分重視系統(tǒng)的信息流和資金流。在農(nóng)業(yè)生態(tài)學中, 了解農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的自然信息流和人工信息流的信源、信道、信宿, 了解各類信息的性質(zhì)、特點和作用方式對于掌握農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的運行規(guī)律, 實施高效精準調(diào)控, 促進可持續(xù)運行至關重要。近年來十分活躍的化學生態(tài)學研究和誘導抗性研究等基礎研究就與揭示自然生態(tài)系統(tǒng)的信息流有關。
以生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)學為基礎的農(nóng)業(yè)生態(tài)學很重視能物流轉(zhuǎn)換的生態(tài)系統(tǒng)結構, 包括個體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)和景觀結構, 特別是營養(yǎng)級結構和食物鏈結構。然而, 農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)作為一個控制論系統(tǒng)就需要進一步分析其調(diào)節(jié)控制機制了。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不僅存在一個自然界承傳下來的自然非中心式調(diào)控機制, 而且在此基礎上還疊加了一個人類提供的人工中心式調(diào)控機制。著名的美國生態(tài)學家E. P. Odum及其同事在20世紀80年代初就表述了生物圈和自然生態(tài)系統(tǒng)也是控制論系統(tǒng)的思想, 提出其特點是一個分層次的非中心式穩(wěn)態(tài)調(diào)控體系[12-13]。
人工調(diào)控機制又可以分為直接作用于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的直接調(diào)控機制, 以及需要通過影響人的決策, 從而影響人的行為, 才能最終對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響的間接人工調(diào)控機制(圖1)。近年來生態(tài)農(nóng)業(yè)模式與技術體系的研究涉及直接調(diào)控途徑, 農(nóng)業(yè)生態(tài)轉(zhuǎn)型政策與生態(tài)農(nóng)產(chǎn)品認可則涉及系統(tǒng)的間接調(diào)控。
在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)時代, 中國農(nóng)民在長期土地資源緊缺的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)社會踐行了一套積極保護和合理利用自然資源的農(nóng)耕制度, 例如: 綜合農(nóng)林牧漁的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系, 因地因時制宜的農(nóng)耕措施, 用地養(yǎng)地相結合的耕作制度, 物盡其用的無廢循環(huán)體系, 多樣性的生物利用方式, 等等。今天, 我們利用各種現(xiàn)代科學技術手段, 經(jīng)過深入研究才逐步揭示了諸如?;~塘系統(tǒng)、輪間套作體系、稻田養(yǎng)魚體系、黃猄蟻的柑橘園害蟲控制等眾多傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)瑰寶中令人驚訝的科學合理性。要理解中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的科學性, 就需要用到控制論的“黑箱”和“白箱”概念, 還要認識能夠有效協(xié)調(diào)系統(tǒng)整體功能, 保障系統(tǒng)平穩(wěn)運行的非中心式的分散控制機制。自然生態(tài)系統(tǒng)的和諧與協(xié)調(diào)靠的就是這種分散式控制機制, 在無統(tǒng)一控制中心的條件下調(diào)控自然生態(tài)系統(tǒng)的信息的產(chǎn)生、傳輸和接收。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)用“黑箱”方法, 在長期低投入條件下“尊重自然, 順應自然, 保護自然, 借鑒自然”,充分利用了自然的調(diào)控能力, 創(chuàng)造了眾多優(yōu)秀的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)體系。中醫(yī)診斷用的“望、聞、問、切”用的也是“黑箱”方法。即使由于現(xiàn)代科學技術進步, 揭開“黑箱”的能力越來越強, 但是人們?nèi)匀徊豢赡芡瑫r解構一個系統(tǒng)所有層次的“黑箱”, 只能關注其中幾個層次。此外, 由于系統(tǒng)1+1>2的疊加效應和新的整合特性(emergent property)出現(xiàn), 總體大于部分之和, 因此“黑箱”的系統(tǒng)論方法仍是今天探索農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展途徑的重要方法。例如, 由于土壤中復雜的生物、物理、化學相互關系, 土壤至今還沒完全變成“白箱”, 然而在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)實踐中, 人們卻早就通過“黑箱”方法, 探索出保持地力常新壯的有效途徑。人們在針對農(nóng)田害蟲篩選“驅(qū)趕植物”或者“陷阱植物”時, 把不同的植物與昆蟲配對, 看其“黑箱”效果, 而不是用“白箱”方法, 先分析植物的千百個化學成分, 考察某一個組分或者多種成分組合對昆蟲的作用。農(nóng)業(yè)分散在不同地域, 種養(yǎng)的實際千差萬別, 對“黑箱”所表觀出來的系統(tǒng)輸入輸出規(guī)律進行深入揣摩和因地制宜進行調(diào)節(jié)控制, 是獲得各地生態(tài)農(nóng)業(yè)實踐方法的重要途徑。
一個控制論系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定, 需要靠信息的產(chǎn)生、傳遞、接收和負反饋調(diào)節(jié)。自然界非中心式調(diào)控機制中的信息流是非常誘人的研究方向。面對資源競爭劇烈條件下植物與植物、植物與微生物、植物與昆蟲之間的化學作用機制, 在干旱、低溫、病蟲草害等逆境脅迫下植物誘導抗性產(chǎn)生的分子生物學機制, 不同作物間作情況下根部相互作用機制等, 實質(zhì)上都涉及自然調(diào)控機制中生物化學信號的產(chǎn)生、傳輸、接收和負反饋調(diào)節(jié)作用。
在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的中心式調(diào)控機制涉及直接人工調(diào)控機制和間接人工調(diào)控機制。在直接調(diào)控方面, 近年來活躍的因土配方施肥, 需要提取土壤和植物的養(yǎng)分信息并加以利用; 有害生物的生態(tài)綜合防控, 需要獲取生物手段與物理手段影響有害生物種群數(shù)量發(fā)展的信息, 并加以利用; 溫室栽培需要獲取溫室環(huán)境與作物信息, 通過實時分析利用以便進行溫度和肥水的自動控制。這類研究與實踐其實都是對人工直接調(diào)控機制的改善和強化。通過資金流的信息分析, 研究市場經(jīng)濟條件下, “經(jīng)濟”人的行為模式, 通過經(jīng)濟政策的制定, 釋放積極信號, 影響人們對農(nóng)業(yè)生態(tài)轉(zhuǎn)型的主流行為, 就屬于改善人工間接調(diào)控機制的研究范疇。
在信息化時代, 通過對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)信息的準確收集、快速傳遞和有效利用, 實現(xiàn)對系統(tǒng)的有效調(diào)控, 實現(xiàn)資源匹配、生態(tài)保護、環(huán)境友好、產(chǎn)品安全, 促進生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展, 已經(jīng)提到了議事日程。事實上, 相關基礎已經(jīng)逐步成熟。
在農(nóng)業(yè)信息收集方面, 實時信息收集手段發(fā)展迅速, 農(nóng)業(yè)資源遙感數(shù)據(jù)的收集與分析, 農(nóng)作物長勢信息收集與傳感, 土壤水分與養(yǎng)分的信息傳感, 飼養(yǎng)動物行為特征的信息采集與傳感, 田間作物病蟲害圖像采集與識別, 環(huán)境質(zhì)量的信息采集與上傳等的方法和設備已經(jīng)逐步成熟。未來生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的信息收集需要進一步把這些分散的信息收集方式系統(tǒng)化, 完善具體農(nóng)場的基礎數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)采集標準。
在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫建立方面, 農(nóng)業(yè)氣象信息、土壤普查信息、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料信息、農(nóng)產(chǎn)品價格信息、病蟲害測報信息、動植物品種特征信息等類型的數(shù)據(jù)庫, 國家和地方政策法規(guī)的數(shù)據(jù)庫等都已經(jīng)建立。生態(tài)農(nóng)業(yè)模式與生態(tài)農(nóng)業(yè)技術體系方面也累積了大量的經(jīng)驗與研究參數(shù), 文獻累積增長迅速。未來發(fā)展生態(tài)農(nóng)業(yè)需要進一步把這些分散的信息系統(tǒng)綜合起來, 構建面向用戶的生態(tài)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫。
在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的信息分析方面, 已經(jīng)有不少數(shù)理統(tǒng)計分析軟件、圖像識別軟件、系統(tǒng)綜合評價軟件、作物生長和動物生長模擬軟件等。未來生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展要根據(jù)資源匹配、環(huán)境友好、生態(tài)保護、食品安全的整體需要選用和改造這些軟件, 并發(fā)展一些專用分析軟件。
在信息利用設備方面, 作物水肥一體化控制設備、禽畜飼料和飲用水自動控制設備、無人操作拖拉機、溫室和養(yǎng)殖房舍環(huán)境自動控制設備等都已經(jīng)趨于成熟。一些實施循環(huán)的環(huán)節(jié), 例如污水處理自動控制體系、堆肥自動控制體系等進一步完善之后, 就有可能把植物生產(chǎn)、動物生產(chǎn)、循環(huán)過程按照農(nóng)業(yè)生態(tài)學原理配套成精準控制、高效運轉(zhuǎn)的綠色生產(chǎn)體系。
目前還沒有綜合性的生態(tài)農(nóng)業(yè)應用軟件。要設計出能夠綜合多類型信息, 而且能夠面對千家萬戶的這類軟件有一定的難度, 但是, 如果能夠下決心開展聯(lián)合協(xié)作研究, 相信在已有的信息收集、存儲和分析利用的基礎上, 可以在不久的將來被研發(fā)出來。這類軟件的研制成功之后, 將可以自動識別農(nóng)場所在區(qū)域的土壤、氣候特征, 農(nóng)戶可以通過輸入對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對象的偏好就能夠獲得多樣化的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式的推薦, 就像購物軟件對消費者推薦不同的“商品”那樣。軟件還會用多種圖像與文字手段向農(nóng)戶具體展現(xiàn)這些生態(tài)農(nóng)業(yè)模式和技術手段, 包括3D圖像, 就像目前各種購房軟件能夠向潛在買家充分展示出“房間”的魅力那樣。生態(tài)農(nóng)業(yè)軟件也將能夠像使用游戲軟件獲得各種“游戲”進階操作選項那樣, 獲得生態(tài)農(nóng)業(yè)不同階段的實時種養(yǎng)技術選項; 能夠像使用導航軟件一步一步被“導航”到“目的地”那樣, 一步一步完成生態(tài)農(nóng)業(yè)體系的各階段建設。
生態(tài)農(nóng)業(yè)未來的另外一條發(fā)展路線就是依賴直接在生產(chǎn)一線實踐生態(tài)農(nóng)業(yè)的有心人, 一方面繼承傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的實用“黑箱”方法, 通過細致入微的現(xiàn)象觀察, 進行不斷試錯的漸進式調(diào)節(jié); 另一方面在互聯(lián)網(wǎng)條件下, 充分借助人工信息溝通渠道, 不僅廣泛收集和借鑒各地生態(tài)農(nóng)業(yè)的成果和經(jīng)驗, 而且通過農(nóng)場生態(tài)農(nóng)業(yè)信息的披露建立廣泛的社會公信力。目前一批擁有高學歷的“新農(nóng)人”在各地開展有聲有色的社區(qū)支持生態(tài)農(nóng)業(yè)活動(Community Supported Agriculture, CSA)就屬于這個類型[14]。如果CSA的農(nóng)人們能夠更加自覺地認識和利用農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控體系, 將有利于有效化解目前發(fā)展中的瓶頸, 強化生產(chǎn)者與消費者的聯(lián)合優(yōu)勢, 更好地促進生態(tài)農(nóng)業(yè)健康發(fā)展。
系統(tǒng)論、控制論和信息論是我國農(nóng)業(yè)生態(tài)學體系構建的重要理論基礎, 理解農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的調(diào)控機制有利于理解和繼承我國農(nóng)業(yè)的優(yōu)秀傳統(tǒng), 有利于啟迪農(nóng)業(yè)生態(tài)學相關的基礎研究與應用研究, 有利于推進在信息時代我國的農(nóng)業(yè)生態(tài)轉(zhuǎn)型。
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Influence of cybernetic theory, information theory, and system’s theory on the development of agroecology in China
LUO Shiming
(Institute of Tropical and Subtropical Ecology, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)
Cybernetic theory, information theory and system’s theory play an unique role on the formation of the disciplinary structure of agroecology during the early stage of agroecology development in China. In the discipline of agroecology in China, attentions were not only paid on energy and material flows, such as the structure of species, population, community, ecosystem and landscape, but also on information flow including natural information flow and artificial information flow, and on capital flow, including the value chain and its monetary representation, that is capital flow. Agroecology in China paid attention not only on the energy and material transformation structure of agroecosystem such as producer, consumer and decomposer, but also on the control and regulation of agroecosystem structure including natural control and regulation structure, and artificial control and regulation structure. In artificial control and regulation structure, direct control and indirect control approaches could be identified. Crop cultivation and animal raising actions exerted by the farmers on farm belong to direct control approach, and the market situation, government policy, national legislation, social tradition, education and information transmission which could affect the action of the farmers on farm, belong to indirect control mechanism. This disciplinary structure of agroecology based on cybernetic theory, information theory and system’s theory is essential to further exploration of the excellent traditional Chinese agricultural practices, to stimulate the thought on basic and applied agroecology research, and to open up new approach for the ecological transformation of agriculture in this information era.
Information theory; Cybernetic theory; System’s theory; Agroecology; Ecological agriculture;Agro-ecosysytem
10.13930/j.cnki.cjea.200693
駱世明. 系統(tǒng)論、信息論和控制論與我國農(nóng)業(yè)生態(tài)學的發(fā)展[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2021, 29(2): 340-344
LUO S M. Influence of cybernetic theory, information theory, and system’s theory on the development of agroecology in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(2): 340-344
S181; F224.1
駱世明, 主要研究方向為農(nóng)學、農(nóng)業(yè)生態(tài)學、生態(tài)農(nóng)業(yè)、植物化感、誘導抗性等。E-mail: smluo@scau.edu.cn
2020-08-24
2020-08-29
, LUO Shiming, E-mail: smluo@scau.edu.cn
Aug. 24, 2020;
Aug. 29, 2020