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1系統(tǒng)耦合的時代背景

科學總是遵循分析-綜合-分析無限往復的規(guī)律得到發(fā)展的。隨著世界交通、信息和科學技術取得長足進展,不同學科,不同學科的不同層次,不同生產(chǎn)部門,不同地域之間,出現(xiàn)了多重交叉。在多種交叉過程中,“耦合”的實際作用和理論意義日益引起社會的關注。系統(tǒng)耦合一詞最初源于物理學,后來才逐漸應用于其他學科,如農(nóng)業(yè)和生物等領域。

1.1系統(tǒng)耦合的科學概念

2個或2個以上性質(zhì)相近的生態(tài)系統(tǒng)具有互相親合的趨勢。當條件成熟時,它們可以結(jié)合為一個新的、高一級的結(jié)構(gòu)——功能體,這就是系統(tǒng)耦合。任何系統(tǒng),其非平衡態(tài)是絕對的,平衡態(tài)是相對的、偶存的(任繼周,1999)[1]。系統(tǒng)自由能的積累可使系統(tǒng)進入非平衡態(tài)。通常所說的“能量是系統(tǒng)的驅(qū)動力”,無疑也適用于系統(tǒng)耦合。當條件、參量適當時,系統(tǒng)勢能延伸,可使不同系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能的結(jié)合,產(chǎn)生新的、高一層的系統(tǒng)。它不是原系統(tǒng)量的增大,而是新功能體——具有新質(zhì)的較高層次的系統(tǒng)。它聯(lián)通了2個或2個以上的系統(tǒng),發(fā)生系統(tǒng)耦合,由此產(chǎn)生的新系統(tǒng)稱為耦合系統(tǒng)。系統(tǒng)耦合導致系統(tǒng)的進化(任繼周,1999)[1]。系統(tǒng)耦合廣泛存在于農(nóng)業(yè)系統(tǒng),但較少引起人們的注意(任繼周,1999)[1]。性質(zhì)相近一詞,就是具有決定系統(tǒng)本質(zhì)的相同“序參量”的系統(tǒng)。

1.2系統(tǒng)耦合的理論和實際意義

系統(tǒng)耦合是世界經(jīng)濟一體化的橋梁,其理論意義在于充分發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)所固有的開放性帶來的外延特性(自由能的積累),導致系統(tǒng)進化和生產(chǎn)潛力的解放(任繼周,1999)[1]。例如青藏高原的高寒草地牧業(yè)系統(tǒng)和農(nóng)牧交錯帶的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相互耦合,生產(chǎn)潛力得以釋放,就會產(chǎn)生巨大的生產(chǎn)效應和生態(tài)效益(馬玉壽等,1998)[2]。系統(tǒng)耦合的生產(chǎn)潛力源于其催化潛勢、位差潛勢、多穩(wěn)定潛勢和管理潛勢。催化潛勢:系統(tǒng)耦合過程如同化學反應,正、逆向過程并存。如給以催化,就加快了反應速度,也增加了其自由能的通量密度。在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中,不論采取耕作、灌溉、施肥、噴灑農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)措施,以生產(chǎn)資料的形式投入能量或元素進行的正向催化,還是以及時收獲農(nóng)產(chǎn)品,迫使農(nóng)業(yè)生物處于非成熟狀態(tài)以保持旺盛生機進行的負向催化(常用,但未被人們所充分認識的催化手段),都可以促進系統(tǒng)的耦合過程,使其生產(chǎn)力提高,從而獲得更多的產(chǎn)品(任繼周,1999)[1]。

系統(tǒng)耦合的位差潛勢:“美國西部放牧帶與中西部的玉米帶(還有較干旱的高粱帶),通過易地育肥養(yǎng)牛業(yè)加以耦合,使生產(chǎn)水平提高了6倍左右”;“在中國東南部農(nóng)耕區(qū)與西北部畜牧區(qū)的交會地帶,從西南到東北劃一條斜線,在這條線的兩側(cè),曾分布著一系列‘茶馬市場’,即牧區(qū)產(chǎn)品與農(nóng)區(qū)產(chǎn)品交換的市場。如云南的大理、四川的西昌、甘肅的臨夏、陜北的榆林、河北的張家口等地,都曾是‘淘金者’的樂園。這是農(nóng)耕系統(tǒng)與畜牧系統(tǒng)2個生態(tài)系統(tǒng)之間位差勢能所致。這種位差潛勢,往往表現(xiàn)為市場價格之差”(任繼周,1999)[1]。王寧在寧夏的研究表明,寧夏平羅縣寶豐清真牛羊肉屠宰批發(fā)市場也是農(nóng)耕區(qū)與草原牧區(qū)會聚并釋放潛能的場所,在位差潛能的作用下,通過市場這個“反應灶”,生成一個其功能(主要是社會和經(jīng)濟功能)遠高于農(nóng)耕區(qū)與畜牧區(qū)自身功能之和的耦合系統(tǒng)(王寧等,2000)[3]。多穩(wěn)定潛勢:復雜系統(tǒng)要比簡單系統(tǒng)的總體功能更加穩(wěn)定。這種整體的穩(wěn)定,正是由于多種局部的不穩(wěn)定成分的不斷變化調(diào)節(jié)形成的。耦合系統(tǒng)組分復雜,子系統(tǒng)位差潛能雖變化不定,但保持了全系統(tǒng)自由能總量較為恒定,故其生產(chǎn)水平較為穩(wěn)定。

轉(zhuǎn)化階是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)能量和元素轉(zhuǎn)化的階梯。如從可利用的光能到作物產(chǎn)品再到動物產(chǎn)品,通過系統(tǒng)耦合,轉(zhuǎn)化階、結(jié)構(gòu)相應復雜,從而使生產(chǎn)震蕩衰減,這無異于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的安全閥,可避免生產(chǎn)水平的大幅漲落(任繼周,1999)[1]。管理潛勢:不同生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過耦合,把所用以構(gòu)建的低層系統(tǒng)綜合為高一級系統(tǒng),就形成等級系統(tǒng),并有了等級系統(tǒng)的調(diào)控特性。高一層的調(diào)控有選擇地忽略下級系統(tǒng)的無關細節(jié),這種管理簡化而力度增加的事例,在生鋤管理中比比皆是。如區(qū)域化管理、行業(yè)管理、分級管理等,系統(tǒng)耦合的管理潛勢就在于此(任繼周,1999)[1]。不同系統(tǒng)經(jīng)過耦合,不僅能使生產(chǎn)水平大增,還可導致系統(tǒng)與外界在物質(zhì)、能量和信息方面的良性循環(huán),同時使系統(tǒng)更趨于穩(wěn)定,真正實現(xiàn)系統(tǒng)的持續(xù)、高產(chǎn)和穩(wěn)定發(fā)展。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)作為一個自然-社會系統(tǒng)的功能體,人為影響有著決定意義。系統(tǒng)耦合可使多個農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)合理組合,充分發(fā)揮大農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的優(yōu)勢。隨著交通和信息科學的發(fā)展,系統(tǒng)耦合的作用將日益增長。我國過去長期形成的“以糧為綱”的畸形農(nóng)業(yè)系統(tǒng),只有實現(xiàn)系統(tǒng)耦合,將傳統(tǒng)的作物系統(tǒng)、林業(yè)系統(tǒng)與草業(yè)系統(tǒng)有機結(jié)合,才能有效地組成持續(xù)發(fā)展的、高效的大農(nóng)業(yè)系統(tǒng)(任繼周,1999)[1]。

2系統(tǒng)耦合文獻分類綜述

2.1耦合理論的發(fā)展歷程

2.1.1物理學的耦合系統(tǒng)耦合始源于物理學,但在地理、氣象和水體學中也有應用。李鳳全等[4]利用神經(jīng)網(wǎng)絡和地理信息系統(tǒng)耦合所得的人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型,對吉林西部平原的地下水水質(zhì)進行評價,不僅能夠反映當?shù)厮|(zhì)的最適宜、較適宜、適宜、較不適宜、不適宜的狀況,而且能夠體現(xiàn)吉林西部水質(zhì)的空間變化規(guī)律?？姀姷萚5]利用13個暴雨個例,經(jīng)等壓面和垂直剖面上若干物理量分析,揭示了青藏高原天氣系統(tǒng)與背風坡淺薄天氣系統(tǒng)耦合相互作用的一些主要特征。其研究結(jié)果表明:大氣內(nèi)部壓能場與流場非平衡強迫既是青藏高原天氣系統(tǒng)和背風坡淺薄天氣系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展和東移的動力機制,又是這兩類系統(tǒng)耦合相互作用的動力條件。劉昌明等[6]曾就中國水循環(huán)與土壤-植物-大氣水分能量傳輸生態(tài)研究的問題作過綜述,重點闡述了水循環(huán)研究的需求與水量轉(zhuǎn)化的重要機制、模式及子系統(tǒng)耦合的界面,包括農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、干旱、半干旱區(qū)等系統(tǒng)耦合的尺度問題。張志南[7]通過概述淺海生態(tài)系的水層系統(tǒng)與底棲系統(tǒng)耦合的基本原理,著重介紹了有機質(zhì)沉降動力學、底棲生態(tài)系統(tǒng)對有機質(zhì)的響應、生物沉降和側(cè)向平流、生物擾動和沉積物再懸浮研究的進展情況。

2.1.2生態(tài)系統(tǒng)的耦合生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部自由能的積累,使系統(tǒng)失去平衡并趨同其他生態(tài)系統(tǒng)結(jié)合,自由能驅(qū)使2個或2個以上的生態(tài)系統(tǒng)或亞生態(tài)系統(tǒng),通過會聚,超循環(huán)和耦合而聯(lián)合,從而形成具有特殊結(jié)構(gòu)功能的更高一級的新系統(tǒng),即耦合系統(tǒng)(任繼周等,1994)[8]。不同生態(tài)系統(tǒng)的耦合,實際上是在原有系統(tǒng)之上,把它所用以構(gòu)建的低質(zhì)系統(tǒng)簡化的產(chǎn)物,不同等級的系統(tǒng)耦合,產(chǎn)生不同等級的耦合系統(tǒng),就形成等級系統(tǒng)。能量的流動產(chǎn)生1個有結(jié)構(gòu)層次的網(wǎng)絡,輸入網(wǎng)絡的能流相互作用并通過做功過程轉(zhuǎn)化成較高質(zhì)量的能量形式,這一高質(zhì)能具有反饋放大器的作用,幫助生態(tài)系統(tǒng)達到最大功率,所以系統(tǒng)耦合必將導致生態(tài)效益的放大。李鎮(zhèn)清等(1995)[9]通過能網(wǎng)自組織原理(奧特姆,1993;韓博平,1993)[10,11],探討了草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)耦合的條件和作用,認為系統(tǒng)內(nèi)高質(zhì)能與低質(zhì)能的配置有3種情況:一是系統(tǒng)內(nèi)高質(zhì)能與低質(zhì)能匹配良好;二是高質(zhì)能相對過剩;三是低質(zhì)能相對過剩。只有后2種情況有必要進行系統(tǒng)耦合,并能使系統(tǒng)的生產(chǎn)效益放大。

2.1.3生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的耦合生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)共同組成的巨系統(tǒng)——生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng),是生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)的耦合系統(tǒng)。生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的再生產(chǎn)過程是社會經(jīng)濟系統(tǒng)的再生產(chǎn)和自然生產(chǎn)系統(tǒng)的再生產(chǎn)相耦合的過程(姜學民等,1993)[12]。曹明宏等[13]認為,生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的耦合機制可分為生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)的自然耦合(環(huán)境自動演替)機制和社會經(jīng)濟系統(tǒng)的能動耦合機制。并且,這2種耦合機制同時貫穿于生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與社會經(jīng)濟系統(tǒng)的物質(zhì)與能量交流之中。自然耦合機制遵循生態(tài)規(guī)律和其他自然規(guī)律,而能動耦合機制遵循社會和經(jīng)濟規(guī)律。自然耦合機制包括定向耦合機制,穩(wěn)定耦合機制,以及分離式耦合機制。如果沒有人為干預,生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)將按照自然生態(tài)規(guī)律持續(xù)不斷地演替,形成空間時間上的有序開放性的自組織穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),取得系統(tǒng)本身固有的平衡。能動耦合機制有3種,即適應式耦合機制、塑造式耦合機制和折中式耦合機制。

適應式耦合機制是指人類使用的技術、經(jīng)濟手段,不足以對生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的平衡產(chǎn)生大的妨礙,屬于人類較為原始地利用自然環(huán)境資源的情形。塑造式耦合機制,是指人們在強大的人口壓力和不斷增長的社會需求下,運用當代科學技術手段,改造環(huán)境與生物,提高物質(zhì)產(chǎn)品產(chǎn)量的過程。由于往往沒有考慮到自然生態(tài)系統(tǒng)自身的運行規(guī)律與要求,而只是一味地強調(diào)“人定勝天”和向大自然索取,因此帶來許多生態(tài)災難和嚴重危及人類社會可持續(xù)發(fā)展的后果。折中式耦合機制,是指通過控制生態(tài)環(huán)境突變幾率,如采取各種經(jīng)濟政策和法律手段,并配合強有力的思想教育,迫使人們在社會生產(chǎn)實踐中,促進生物之間和生物與環(huán)境之間更趨于適應,達到經(jīng)濟、社會和環(huán)境生態(tài)效益的有機統(tǒng)一,這就是所要追求的生態(tài)經(jīng)濟良性耦合機制(曹明宏等,2000)[13]。通過分析生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)與社會經(jīng)濟系統(tǒng)耦合機制的類型,認為當前湖北農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要深層障礙在于“生態(tài)-經(jīng)濟”復合系統(tǒng)的良性耦合機制破缺,指出發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)是湖北農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的可行選擇(曹明宏等,2000)[13]。

有人曾把水資源的開發(fā)利用納入生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的運行體系,并利用生態(tài)經(jīng)濟學中的協(xié)調(diào)發(fā)展理論和可持續(xù)發(fā)展思想,將水資源生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)耦合成水資源生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng),以用來作為水資源可持續(xù)利用的生態(tài)經(jīng)濟評價體系(黃奕龍等,2000)[14]。張殿發(fā)等[15]通過論述土地生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的特點和實現(xiàn)土地資源可持續(xù)利用的生態(tài)經(jīng)濟條件,將土地生態(tài)系統(tǒng)與土地經(jīng)濟系統(tǒng)加以耦合成為土地生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng),并對其進行了深入的分析,認為土地資源可持續(xù)利用的目標是在土地開發(fā)利用過程中實現(xiàn)生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

2.1.4農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的耦合農(nóng)業(yè)系統(tǒng)由多個農(nóng)業(yè)子系統(tǒng)構(gòu)成,一般包含4個生產(chǎn)層(任繼周,1995)[16]。即,前植物生產(chǎn)層(pre-plantproductionlevel):它不以植物、動物生產(chǎn)為主要目的,而以景觀本身體現(xiàn)其資源意義;植物生產(chǎn)層(plantproductionlevel):以植物的營養(yǎng)體、籽實、纖維、脂肪、分泌物等光合作用產(chǎn)物為產(chǎn)品,生態(tài)學中稱為初級生產(chǎn);動物生產(chǎn)層(animalproductionlevel):草食動物以植物為食物,取得能量并制造機體組織和產(chǎn)品,生態(tài)學中稱為次級生產(chǎn)等;外生物生產(chǎn)層(ultrabiologicalproductionlevel):產(chǎn)品的流通與加工。農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在傳統(tǒng)生態(tài)學的植物生產(chǎn)層和動物生產(chǎn)層之外,經(jīng)人為地前伸和后延,各增加了1個生產(chǎn)層。這就是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)與自然生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)別。這些生產(chǎn)層,在多數(shù)情況下,可能與子系統(tǒng)相統(tǒng)一。它們以各自的鍵與有關子系統(tǒng)互相聯(lián)系,發(fā)生系統(tǒng)耦合,生產(chǎn)力就會成倍乃至幾十倍的增長(任繼周等,1994)[8]。任繼周[17]曾對20世紀80年代初期我國牧區(qū)生產(chǎn)水平進行估算,只要將植物生產(chǎn)層與動物生產(chǎn)層這2個系統(tǒng)初步耦合,就可成10倍甚至成百倍地提高生產(chǎn)水平。

2.1.5生態(tài)地理區(qū)域的耦合農(nóng)區(qū)和牧區(qū)是兩大經(jīng)濟生產(chǎn)系統(tǒng)。在自然生產(chǎn)、經(jīng)濟生產(chǎn)過程中,兩大系統(tǒng)之間既存在顯著差別,也相互依存、相互制約、相互促進。它們之間的系統(tǒng)耦合,可最大限度地提高和促進各自經(jīng)濟的全面健康發(fā)展,加快農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的進程。王寧等[18]曾以寧夏平羅縣城關家畜交易為例,就寧夏農(nóng)牧兩大區(qū)在時空上實現(xiàn)牧區(qū)育成、農(nóng)區(qū)育肥的畜牧業(yè)生產(chǎn)機制的可能性與發(fā)展?jié)摿ψ鲞^論述,認為寧夏灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)與四周的牧區(qū)半牧區(qū)在飼草資源上的時間差明顯。即牧區(qū)冬春飼草短缺時,正值灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)大量農(nóng)副產(chǎn)品的生產(chǎn)、收獲和貯存期,同時也進入農(nóng)閑時,有較長時間和大量勞動力從事家畜的育肥。而且灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)飼草料資源不僅豐富,且品種齊全。

各種農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量占全區(qū)的73.3%,就秸稈而言,全區(qū)的利用率不足20%。因此,在寧夏實現(xiàn)農(nóng)牧兩大區(qū)域之間的系統(tǒng)耦合,發(fā)展前景廣闊。葛文華等[19]在甘肅景泰荒漠綠洲區(qū)寺梁村的研究也表明,將山區(qū)、綠洲區(qū)兩個農(nóng)業(yè)系統(tǒng)加以耦合,進行棧養(yǎng)商品肉羊的易地育肥,充分利用了不同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟類型地區(qū)間的自然條件,使羊的資源和飼草料資源優(yōu)勢互補;緩解了山區(qū)、牧區(qū)草地超載過牧的壓力,提高了羊群中適齡母羊比例和繁殖率,并使山區(qū)牧民較早地獲得可觀的經(jīng)濟收益;綠洲區(qū)豐富的農(nóng)副產(chǎn)品資源和較好的營養(yǎng)水平,提高了育肥羊的產(chǎn)肉量,并且改善了市場商品羊肉的胴體品質(zhì);促進了活羊的商品流通,有利于形成育肥羊的規(guī)模經(jīng)營和專業(yè)化生產(chǎn);全年持續(xù)棧養(yǎng)育肥,有利于全年均衡的經(jīng)濟收入和均衡的市場新鮮肉食供應;育肥羊生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)有機肥料,是綠洲農(nóng)業(yè)區(qū)商品糧基地保持土壤有效養(yǎng)分循環(huán)和耕地永續(xù)利用的重要物質(zhì)基礎。

我國西北河西走廊的荒漠-綠洲草地農(nóng)業(yè)復合系統(tǒng),可以通過系統(tǒng)耦合將這一復合系統(tǒng)耦合為山地-綠洲-荒漠3個子系統(tǒng)構(gòu)成的耦合系統(tǒng)(任繼周等,1994)[8]。綠洲子系統(tǒng)居于系統(tǒng)的中心,它集中了荒漠系統(tǒng)95%以上的能量,隨著商品流通的增加,綠洲子系統(tǒng)也將通過商品流通,把大部分山地子系統(tǒng)的能量吸引過來,使其成為本系統(tǒng)的能量集中和交換的中心,它不僅表現(xiàn)了本身較高的生產(chǎn)力,還可大幅度提高周圍荒漠子系統(tǒng)和相鄰山地子系統(tǒng)的生產(chǎn)力。在綠洲子系統(tǒng)內(nèi)部,含有5項組分,屬于初級生產(chǎn)者4項,即農(nóng)田、林地、草地、鹽漬草地,屬于次級生產(chǎn)者1項,即畜牧。山地子系統(tǒng)可概括為2項組分,即草地組分和畜牧組分。其草地組分的生產(chǎn)水平為農(nóng)田的20%,但面積大致為農(nóng)田的5倍?；哪酉到y(tǒng)草地生產(chǎn)水平遠比山地子系統(tǒng)低,只有農(nóng)田系統(tǒng)的1%?？偟膩砜?荒漠-綠洲草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的系統(tǒng)耦合,有2類模式:一是水平耦合,即在空間上把3個子系統(tǒng)加以耦合;一是垂直耦合,即把前植物生產(chǎn)層,植物生產(chǎn)層,動物生產(chǎn)層和外生物生產(chǎn)層加以縱向耦合。水平耦合是指荒漠-綠洲草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)在系統(tǒng)耦合以前,各自與市場發(fā)生聯(lián)系。但當荒漠—綠洲草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的3個子系統(tǒng),耦合以后再進入市場,則發(fā)生重大改變,耦合系統(tǒng)能流單位的輸出量,將顯著增加,其生產(chǎn)水平可能提高6～60倍。

2.2草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)耦合的界面理論

2.2.1界面的概念在物質(zhì)世界,界面是事物本身的屬性之一,沒有界面就沒有事物。系統(tǒng)本身就意味著界面的存在。界面是系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)與外界的分界和連通的中介。如植物根系與土壤之間的界面,寄生物與寄主之間的界面(Calvin,1995)[20],這都是有形的界面,還有無形的界面,如表述學科范疇的界面(Goodl,1990;Aylward,etal,1992;Baker,1992)[21～23],表述生態(tài)系統(tǒng)具體位置的界面(Shapiro,1991)[24],表述不同生態(tài)系統(tǒng)之間過渡地帶的界面(Nachtnebel,etal,1991)[25],又如城鄉(xiāng)之間的結(jié)合部,將其稱為城鄉(xiāng)界面(Drakakis,1992)[26]。傳統(tǒng)農(nóng)耕區(qū)與畜牧區(qū)的結(jié)合部,可將其稱為農(nóng)牧過渡帶,它也是一種界面。

2.2.2草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的界面種類草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)存在3個主要界面(任繼周等,2000)[27],即草叢—地境界面(A)、草地—動物界面(B)和草畜—經(jīng)營管理界面(C)。

2.2.3界面的重要特性草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的界面特性主要有以下幾個方面(任繼周等,2000)[27]:第一,界面的開放性。生態(tài)系統(tǒng)的開放性通過界面實現(xiàn),它與外界進行能量、元素和信息的交換,界面是生態(tài)系統(tǒng)與外界聯(lián)系的通道。因此,界面在分隔生態(tài)系統(tǒng)與外部環(huán)境的同時,也具有與外界聯(lián)系的重要功能;第二,界面是不均質(zhì)的(楊孔章等,1989)[29]。有的部分物質(zhì)和信息流較為密集,有的則較不密集,前者是功能活躍區(qū)。這是系統(tǒng)耦合中與其他系統(tǒng)鍵合的最佳部位,具有重要意義;第三,界面是系統(tǒng)進化的階梯,界面的開放功能使生態(tài)系統(tǒng)與其他生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生系統(tǒng)耦合(任繼周等,1994)[8],實現(xiàn)系統(tǒng)的外延,新的高一級的生態(tài)系統(tǒng)因而形成,這就發(fā)生系統(tǒng)進化,草業(yè)系統(tǒng)正是通過3個界面而次第完成其系統(tǒng)進化的(圖1)。第四,草業(yè)系統(tǒng)中各個亞系統(tǒng)本來都是互為異質(zhì)的,否則不能成為任何獨具特色的亞系統(tǒng)。但它們之間必有同質(zhì)的因素才能發(fā)生系統(tǒng)耦合。

2.2.4界面過程與系統(tǒng)耦合草業(yè)系統(tǒng)由以上3個主要界面鍵合而成。在這里界面是真正將二者連接的反應灶,通過界面將它們?nèi)诤掀饋?鍵合為新的系統(tǒng)。牧草—初級生產(chǎn)的亞系統(tǒng)Ia,地境—土地(含土壤和地形等土地因子)和大氣等非生命環(huán)境亞系統(tǒng)Ib,二者靠界面A的中介加以連接。所謂中介包含在草叢和地境之間發(fā)生的一切過程和結(jié)果,這個過程可以稱為耦合過程。形成的高一級的生態(tài)系統(tǒng)——草地系統(tǒng)IIa,它具有新的界面和新的特性,已經(jīng)不是草叢和地境的簡單組合。在這一構(gòu)建中,界面A發(fā)生了豐富的系統(tǒng)構(gòu)建過程,產(chǎn)生了具有新內(nèi)涵的高一級的系統(tǒng)。草地系統(tǒng)IIa與以它為生存條件的草食動物(以及以草食動物為食物的肉食動物)系統(tǒng)IIb通過界面B的中介,構(gòu)成更高一級的草畜系統(tǒng)IIIa。草畜系統(tǒng)IIIa通過界面C與人類社會系統(tǒng)IIIb相鍵合,經(jīng)過了人類社會活動的干預,把草畜生態(tài)系統(tǒng)融入社會大生產(chǎn),這是一個更為復雜的過程,具有更為豐富的內(nèi)涵,草業(yè)系統(tǒng)IV從而發(fā)生。這是草業(yè)系統(tǒng)的最高一級,草業(yè)系統(tǒng)的完整結(jié)構(gòu)于此形成(任繼周等,2000)[27]。

3系統(tǒng)耦合目前達到的水平

3.1時間、空間耦合的水平

農(nóng)業(yè)系統(tǒng)4個生產(chǎn)層間的系統(tǒng)耦合,具有空間特性,或時間特性,或同時具有空間—時間特性。不同地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)之間生產(chǎn)層的耦合,屬空間型的系統(tǒng)耦合,如我國的“茶馬市場”。不同時間階段的生產(chǎn)層耦合,屬時間型的系統(tǒng)耦合。但多數(shù)的系統(tǒng)耦合屬時間—空間型耦合。比如某一地區(qū),進行區(qū)域規(guī)劃與生產(chǎn)規(guī)劃。按照區(qū)域部署不同生產(chǎn)層,并使之有機結(jié)合,這是空間型耦合。但生產(chǎn)規(guī)劃無不具有時間屬性。某一時間段完成什么任務,這一時間段與另一時間段如何更替,則屬時間型耦合。通常時間型與空間型的耦合難以分割。特別在系統(tǒng)耦合這樣的高層調(diào)控系統(tǒng)中,更是如此。實際生產(chǎn)中往往充滿著二者的交叉。比如在同一地區(qū),既進行植物生產(chǎn),也進行動物生產(chǎn),同時又作為景觀資源加以利用,而加工,流通的某些環(huán)節(jié)也可能同時進行(任繼周等,1994)[8]。

3.2種間耦合的水平

草地生態(tài)系統(tǒng)作為一個有機整體,其耦合系統(tǒng)中包含植物、動物的種和種群,即為種間耦合。在此起關鍵作用的是生態(tài)場和生態(tài)位。對于草地植物學組成來說,結(jié)構(gòu)良好的天然群落,或不同品種的合理混播草地,可以創(chuàng)造良好的生態(tài)場,以提高牧草產(chǎn)量,改善牧草品質(zhì),抑制病蟲害,保持草地肥力,延長草地壽命。蔣文蘭(1981-1999)在云貴高原[28],郭孝(1998)在鄭州北郊對不同組合播種條件下的生物學性狀、經(jīng)濟性狀及生產(chǎn)性狀進行了研究,并對不同組合播種的相同點及差異性進行了分析,研究表明,牧草混播比單播可獲得較高產(chǎn)量、較好牧草質(zhì)量及較強的防除雜草能力。胡玉昆等[32]在新疆石河子紫泥泉種羊場的研究表明,高冰草與豆科牧草混播,產(chǎn)草量比高冰草單播提高10%～27%,增產(chǎn)效果顯著。

高冰草與春小麥適量混播,對小麥影響小,又可多收一茬草,故這種生產(chǎn)方式對緩解四季草場不平衡、減輕草場負擔有一定的意義。楊星偉等[33]在寧夏石嘴山市草地,比較了4種優(yōu)良牧草以不同組合比例改良河灘地草地的效果。結(jié)果表明:混播可提高河灘地草地的產(chǎn)量,改善草層品質(zhì),其中以紫花苜蓿(Medicagosativa)、白香草木樨(Melilotusalbus)和假葦拂子茅(Calamagrostispseudophragmites)組合為最佳。另外,作物間合理的間作套種也是種間耦合的表現(xiàn)。李衛(wèi)民等[34]在河北省廊坊市、河間縣、天津市武清縣等地進行了連續(xù)數(shù)年的棉薯間套作栽培實驗,結(jié)果表明,棉花和馬鈴薯間套作不僅能提高土地利用率、充分利用光、熱資源,而且套作時2種作物的病蟲害互相抑制,因此總體上起到了優(yōu)勢互補的作用。紫良植等[35]在甘肅景泰川灌區(qū)的研究示范結(jié)果也表明,當?shù)剞r(nóng)作物間作套種的增產(chǎn)性、經(jīng)濟效益均比農(nóng)作物單作種植產(chǎn)量高,經(jīng)濟效益好。其中小麥玉米間套田平均生產(chǎn)糧食9477kg/hm2,秸稈11190kg/hm2,較單作田增3088.5kg/hm2和3189kg/hm2,增產(chǎn)48.29%和49.4%。間套田產(chǎn)值6144元,純收入4653元,分別比單作田增加了2460.8元和2160.3元,分別增長了66.8%和87.67%。對于動物生產(chǎn)系統(tǒng)來說,不同的草食動物,以其特有的食性和生態(tài)適應性,在生態(tài)系統(tǒng)中,各有其特定的生態(tài)位和生態(tài)場的要求。動物種群不同,生態(tài)位各異。把有關動物生態(tài)位適當組合,利用生態(tài)位的重疊和分異,使各種動物互相協(xié)調(diào)、補充,充分利用草地植物,就可以生產(chǎn)更多的動物產(chǎn)品(任繼周等,1995)[30]。

4系統(tǒng)耦合今后的發(fā)展趨勢

2個或2個以上的系統(tǒng),在進行系統(tǒng)耦合時,往往伴隨著系統(tǒng)相悖。在草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中系統(tǒng)相悖反映于3個界面,界面A在地境與草叢之間的系統(tǒng)相悖反映在水、熱、養(yǎng)分供求之間的不協(xié)調(diào),許多農(nóng)業(yè)措施就是針對這類系統(tǒng)相悖因子的;界面B,在草叢與草食動物之間的系統(tǒng)相悖主要反映在3個方面:系統(tǒng)的時間相悖,空間相悖和種間相悖。其中時間相悖居于主導地位。這是由于植物生產(chǎn)系統(tǒng)與動物生產(chǎn)系統(tǒng)二者的節(jié)律相差懸殊所致。筆者認為時間相悖是最根本的相悖,但三者之間互相影響,相激相蕩,從而加重了相悖群的不利后果(任繼周,1995)[29,30];界面C,草畜系統(tǒng)與社會經(jīng)濟之間的系統(tǒng)相悖主要反映在供求之間,價值與價格之間的背離。

系統(tǒng)相悖既是系統(tǒng)耦合的障礙,也是有待克服、解放系統(tǒng)耦合生產(chǎn)潛力的關鍵。系統(tǒng)相悖導致系統(tǒng)耦合的不完善運行,但任何形式的系統(tǒng)相悖,都有可能同時孕育著生產(chǎn)潛勢和機遇,故今后應以3個界面的發(fā)生學行為為切入點,對系統(tǒng)耦合及系統(tǒng)相悖的機理深入研究,不僅有利于系統(tǒng)耦合效應在生產(chǎn)實踐中的充分發(fā)揮,也將對草業(yè)科學的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。概括地說,界面的研究,將是今后草地農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究的關鍵領域。其中既含有系統(tǒng)相悖的負因素,也含有系統(tǒng)耦合的正因素。應因勢利導,利用和把握好系統(tǒng)耦合的大趨勢,就能使我國農(nóng)業(yè)快速步入高效節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展道路,早日實現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化,迎接全球農(nóng)業(yè)的一體化。