土地利用/土地覆被变化研究范式的转变

高江波 蔡运龙

(北京大学城市与环境学院，北京100871)

土地利用/土地覆被变化研究范式的转变

高江波 蔡运龙

(北京大学城市与环境学院，北京100871)

土地利用/土地覆被变化(LUCC)研究的形成和发展经历了从前科学(无范式)到科学(以范式为标志)的历史过程。认识LUCC研究范式及其转变的内涵和实质对其理论和应用的发展与完善具有极为重要的意义，并有助于提高解释和预测能力。本文以库恩的“范式”和“范式转变”为基本脉络，剖析了LUCC研究中的实证主义范式、科学人文主义范式、结构功能主义范式以及复杂性范式，并指出范式及其转变主要在本体论、认识论和方法论三个层面表现出来。实证主义范式强调决定论以及主客体分离，认为应把经验与逻辑分析作为客观地认识现实的基础，它贯穿LUCC不同发展阶段，在初期发挥了重要作用，至今仍主导着LUCC研究;科学人文主义在科学主义或实证主义的基础上强调了人的主体性，修正了它们的片面性;结构功能主义为我们提供了一种可资参考的系统分析方法，在宏观层面的许多重要理论见解和研究方法，值得LUCC研究者关注和借鉴;复杂性范式强调土地系统的非线性、自组织、连通性等特征，为LUCC研究提供了一种新的科学世界观、认识论和方法论，利用复杂性理论研究具有非线性特征的复杂土地系统，体现了当前LUCC研究的范式转变。

土地利用/土地覆被变化;范式转变;实证主义;科学人文主义;结构功能主义;复杂性范式

土地利用/土地覆被变化(LUCC)计划是由国际地圈生物圈计划(IGBP)和全球环境变化人文因素计划(IHBP)于1995 年共同发起的［1－2］，目前已发展到“全球土地计划”(Global Land Project，简称 GLP)阶段［3－4］。LUCC研究中不断遇到的新问题，要求我们要不断更新观念，反思研究思路、理论、逻辑、方法等，解剖成功案例，LUCC研究的发展过程必然伴随着研究范式的转变。

“范式”的概念和理论是由著名美国科学哲学家托马斯·库恩(Thomas Kuhn)1962年在《科学革命的结构》［5］一书中提出并系统阐述的，后来被广泛应用于众多自然科学和人文社会科学的研究领域。一般来说，范式可以概括为三种类型［6］:一是形而上学范式(即哲学范式或元范式)，如一种信念或看法、一种形而上学思辨等;二是社会学范式，如一套科学习惯、一种学术传统、一个具体的科学成就等;三是构造范式，如一种工具或方法、一本经典著作等。因此，范式不仅有对具体研究过程的形式抽象，也有对形式抽象的哲学层面审视;既体现了某种方法论的研究倾向，在某种意义上也是对方法论本身的反思［7］。当常规科学(Normal Science)在发展过程中遇到一系列无法得到解释或不能纳入现有理论体系中的异常时，其发展就面临危机，而只有通过传统范式的打破和转型才能解决危机。

一般而言，由于研究对象和范畴的广泛性，研究问题和目标的多样性，不同等级层次的学科或同一层级的不同学科对应不同的研究范式，即存在“范式等级系统”(Paradigm Hierarchies)［8］。根据范式的内涵和LUCC的研究内容，我们可以归纳出“LUCC研究范式”，就是在LUCC研究的发展过程中，科学共同体所持有的共同的信念，这种信念规定了他们共同的理论问题(如LUCC驱动机制、变化过程、空间格局、生态环境效应以及人类响应等)、基本的研究方法(如地面调查、访谈、对地观测、数学模型等)和研究框架(如以尺度为中心，以区域和类型为对象，以改善人地关系和实现可持续发展为目标)。需要指出的是，LUCC研究范式的基本构成是基本确定和相对稳定的，如对一些问题的认识是基本一致的，具有相对确定的概念、独特的研究对象和领域、比较系统的逻辑体系等［9－14］，但由于LUCC研究对象和问题的复杂性、动态性，与许多经过严格论证并得到广泛认可的自然科学范式不同，其研究范式各组成部分的地位、作用与相互关系变化较快。

认识LUCC研究范式及其转变的内涵和实质对其理论和应用的发展与完善具有极为重要的意义，并有助于提高LUCC的解释和预测能力。为此，本文总结出LUCC研究的实证主义范式、科学人文主义范式以及结构功能主义范式，并聚焦一个正在形成的新范式——复杂性范式。

1 LUCC研究的实证主义范式

范式的基本特征是“镜像思维”［15］，“镜子”可以是主体也可以是客体，与之相对的一方是被镜子衡量的东西，镜子是标准和模式，决定着被照物的特性及运动方式和规律。一方面，由于“镜像思维”导致了衡量标准的多元化，因而可以认为范式理论的提出是科学发展的必然结果;另一方面，镜子与被照物的割裂使得人们习惯于一种还原式的思维，即以某一方为衡量另一方的镜子［16］，这就导致了科学主义与人文主义的分流以及理论间的不可通约性。这两种研究取向同样反映了LUCC研究中的两大思潮和不同的科学观。

实证主义既是一种认识论，又是一种方法论，其基本观点为:①一切关于事实的知识都以经验的实证材料为依据，有序的客观现实只有通过客观的知识来认识;②在事实的领域之外，则是逻辑和纯数学知识，也就是关于观念关系或纯形式的科学［17］。实证主义把经验与逻辑分析作为“客观地”认识现实的基础［18］，着重科学理论结构的逻辑分析，并从经验主义出发解释科学的概念和理论。

实证主义范式认为，尽管LUCC是自然与人文因素交叉密切的复杂过程，但它在本质上同样“服从不变的规律”，如竞租曲线、转移边际点等，应寻求运用普遍规律(理论)来解释各地区的独特事件，同时应用实际数据对理论进行检验。LUCC的表现极其复杂，具有显著的区域差异和时间变异，其研究涉及自然科学和社会科学的众多领域。综合的科学特征呼唤综合的土地利用变化理论，但是，由于人地关系综合理论很难以抽象理论框架来加以概念化，因此综合的土地利用变化理论的建立仍面临重大挑战［13］。

实证主义范式贯穿LUCC研究的不同阶段，主要聚焦因果关系。LUCC过程及空间格局与自然因素和人类活动相关。在多数情况下，自然因素发挥控制作用或制约作用，人类活动为直接驱动因素，即巴洛维提出的自然条件可能性、经济可行性与体制可容性的三重框架［19］。LUCC的结果具有资源生态环境效应，并将影响人类的生存和发展。任何形式的土地利用活动都或多或少地对地表自然环境施加影响，并且这种影响往往表现为自然资源的衰竭和环境的退化［14］，进而威胁到人类福祉，而当这些问题足够严重时，人类社会就可能通过资源环境管理手段进行土地利用系统的调整。

实证主义范式认为任何现象都可以分解成不同的变量，通过变量就可以了解现象，主张在LUCC研究中运用自然科学的实证方法(如观察法、实验法等)，以便用数学方法来建立系统知识，强调学科知识的客观性与精密性。量化研究的一般步骤为:首先，借助空间对地观测技术、遥感解译技术、地理信息系统技术以及海量数据技术获得不同尺度上的LUCC数据;然后，运用数理统计方法分析所获取的数据，或采用数学模型进行模拟和预测，也就是使用某些经过检测的工具对变量之间的关系进行测量和分析，进而验证研究者的假设。然而，模型是对现实的抽象和简化，而这种抽象和简化必然受研究者的先验假设主导，已不是真实的现实，因而不具备“普适”性。实证主义忽视这种“先验假设”的作用，仅追求揭示LUCC与驱动因素及生态效应的外在联系，而非内在的、本质的关系。也就是说，实证主义方法只求知其然，而不问其所以然［20］。孔德也指出:“真正的实证精神是用对现象不变规律的研究来代替所谓原因;即用研究‘怎样’来代替‘为何’”［21］。

2 LUCC研究的科学人文主义范式

科学主义把科学片面地理解为实证自然科学，认为应把现象背后的本质、价值和目的论思辨排除出去。人文主义则认为研究主体与现象之间是不可分离的，只能在互动中把握。科学主义为“求科学”，强调研究应忽视主观性变量;人文主义则强调“求真”，认为应从人的主体性去理解现象;科学主义认为自然科学的实证方法是达至真理的唯一方法;人文主义则主张采用人文科学的方法对现象进行整体的、质性的把握。科学主义在很长一段时间内曾主宰着自然、社会科学的众多领域。然而，其负面效应也日益显现，遭到人文主义的批判。现代科学史奠基人萨顿认为，科学主义和人文主义的关系不协调甚至紧张的状况是“我们这个时代最可怕的冲突”［22］。他主张既要重视科学的物质价值，也应重视科学的精神价值，并提出了科学人文主义。科学人文主义是一种新的合理的人文价值观［23］，

尽管实证方法具有逻辑性、准确性和简约性等特点，在LUCC研究中具有重大价值，然而定量研究不应是LUCC研究的全部和最后归宿，它也不可能达到对现象的完整把握和准确理解。一方面，LUCC的动因与人类活动及自然条件相关，它的一个重要特点是既具有科学性(客观性、普遍性等)，又具有人文性(主观性、价值性等);另一方面，LUCC反映了人地关系，人的复杂性决定了一味强调自然科学的研究方法，必将失去主体意识与应有理性，而成为片面追求精确的学科。因此，LUCC研究应将土地利用变化视为一种理性选择，承认土地经营者既是“经济人”又是“社会人”，突出人的主体性，加强人文层面的研究。

人文主义对抗科学主义但并不摒弃科学，它重想象、重悟性但并不否定逻辑思维的必然性与重要性。人文主义地理学的创始者段义孚［24］也指出，人文主义并不是排斥和否定实证主义，而是对其方法的扬弃、补足和整合。事实上，人文思维逻辑与科学思维逻辑作为两种不同的思维工具，各有自己的用途与使用范围［25］，不同的研究者对不同LUCC问题的研究可以有选择地取舍，但在LUCC研究的认识论和方法论上不应割裂二者之间的内在联系。在LUCC研究领域，科学主义与人文主义研究范式的对立已导致一系列问题，如理论琐碎，理论间难以沟通;视野狭窄，无法将各种LUCC事件相互联系;方法单一，各类方法难以相互补充等。为了更全面、合理地解决问题，LUCC研究需要这两种范式的共同支撑，相互补充。

人文主义强调主观性，重视论题所涉及的人的“内心体验”和研究者的“先验假设”，强调在理解过程之中而非从对象本身认识世界，相对忽视客观标准，因而有虚无主义和相对主义之嫌［26］。因此，LUCC研究中引入人文主义的同时必须结合科学主义，才能真正体现其价值。

LUCC研究的科学人文主义范式并不反对科学化，但反对在追求科学化的过程中无视LUCC现象的纷繁复杂以及多变量及其间的关系，如LUCC过程中的社会性、人的主观能动性、意志的不确定等。科学人文主义将实证方法与人文主义的理解、描述相结合，注重人文关怀，关注人在LUCC研究中的地位;认为应采用系统方法，倡导方法与对象的统一，鼓励方法的多样性，将实验、量化等科学研究得出的结论放到宏观的社会环境和文化历史氛围中加以理解和揭示，坚持质与量的分析相结合。科学人文主义范式强调研究中主体因素的介入，强调通过理解、参与、体验等途径整体地把握LUCC，无疑是对科学主义范式的一种补偏救弊。这正如“范式”理论本身也蕴含着“强”科学主义向人文主义或真理相对主义的回归，科学发现的主观性也可以从其语言表述和“事实呈现”的客观性底色中显现出来［27］。

3 LUCC研究的结构功能主义范式

20世纪40、50年代，美国著名社会学家帕森斯建立了结构功能主义的系统性理论，并因此被称为结构功能分析学派最重要的领袖人物和现代结构功能主义的创始人［28－29］。结构功能主义为我们提供了一种可资参考的系统分析方法，其中的一些宏观层面的重要理论见解和研究方法，值得LUCC研究者关注和借鉴。

从系统的观点出发，土地是具有内在物质和能量转换的、比较复杂的、开放的实体系统［30］。以揭示区域资源与环境的结构与功能为目的的土地类型研究是土地系统研究的一个重要方面。土地结构是土地系统内子系统(各土地类型)之间相互联系和相互作用的形式。土地功能是土地系统基于一定结构提供服务和产品的能力，是其组成部分和土地结构的存在理由和目的，与人类的福祉密切相关。结构由功能体现，功能以结构为基础。结构功能理论本质上赋予土地功能概念核心位置。土地系统可划分为一定数量的子系统功能，如农田的生产功能、建设用地的承载功能、湿地的水文调节功能等，不同的组合类型又使得土地系统表现出多功能性。多功能性是土地系统的重要属性，是土地利用变化的前提条件。

在较大尺度上，土地系统往往是动态的、均衡的。子系统之间通过物质流、能量流和信息流而关联，虽然某些组成部分会发生变化，但经过自我调节整合，仍会趋于新的平衡。因此，可以说秩序是大尺度土地结构的本质，土地结构变化的结果往往是形成人类定居和资源利用的更为合理的空间秩序。另一方面，土地结构又表现出一种互动关系，它是在行动者的互动过程中形成的，这些行动者拥有共同的价值观念(遵循最优利用原则)。根据新古典经济学的观点，土地经营者追求效用最大化，这个过程导致了土地结构的变化与新空间秩序的形成，即“土地资源趋向于向那些出价最高的经营者手中转移，趋向于向那些收益最大的用途转移”［19］。因此，土地结构包含宏观土地系统及其子系统与微观行动者的相互关系。

土地利用/土地覆被是一种土地结构，其变化一直是土地变化科学研究的核心，近年来，在数学模拟和数据获取技术上取得了长足的进展。然而，由于长期以来对于土地功能及其与土地结构关系研究的忽视，土地变化的监测与模拟仍面临较高的不确定性，结果往往为模糊的行为预测。土地功能的变化不仅是土地覆被变化的结果，而且是未来土地覆被变化的驱动因素［31］。通过功能分析来探悉土地利用行为对系统维持的效果，有助于提高模型的模拟预测能力。因此，结构功能主义可看作对上述实证主义范式下因果关系模型内在经验困境的一种回应。加之土地功能与人类福利的密切关系，今后LUCC研究应更多关注土地功能的变化。需要指出的是，尽管土地覆被是土地功能的重要影响因素，然而土地覆被与土地功能之间的关系是非常复杂的，土地覆被的变化并不意味着土地功能的改变(质量或许会变化)，土地覆被状况的维持也并不意味着土地功能的保持。只有全面掌握土地系统的结构与功能的信息，才能结合具体的环境与社会经济情况以制定科学合理的土地利用规划与政策。显然，结构功能理论为LUCC研究提供了一种系统分析方法或视角。研究土地系统，首先应把它看作一个具有内在结构和自组织机制的有机整体，其子系统通过相互协调共同支撑土地系统的运行和发展。同时，各子系统也有相应的内在结构与功能，并且结构与功能之间具有复杂的相互作用关系。结构功能论者主张把微观个体行为放在系统中分析，但由于与宏观研究取向存在矛盾，它们之间的结合是一个巨大挑战［32］。

4 LUCC研究的复杂性范式

“老三论”(系统论、信息论和控制论)和“新三论”(耗散结构论、协同论和超循环理论)的发展后，20世纪80年代圣塔菲研究所的成立使复杂性研究进入了新阶段，复杂性范式也得以初步形成［33］。土地系统是复杂的动力系统，具有整体性(整体属性大于部分属性之和)、开放性(与环境的物质、能量和信息交换)、尺度性(某一尺度上的系统既是大尺度系统的子系统，又由小尺度子系统构成)等特征，其变化格局和过程、驱动机制及生态环境效应等均表现出高度的复杂性［34］。复杂性理论不仅能够解释事物机械的、还原式的、线性的存在和演化，而且能够解释传统研究范式所不能解释和说明的许多复杂现象和问题，因而它具有比科学人文主义范式更丰富的内容，可为LUCC研究提供一种新的科学世界观、认识论和方法论。

土地系统是由众多子系统组成的有机复杂系统，其结构和功能都处在不断的演化和流动之中，且具有非线性、不确定性和不可逆性等特征。LUCC存在空间异质性和时间变异性，不同区域、不同时期的事件应该区别对待。土地利用/土地覆被具有时空多尺度性，不同尺度的问题是不同的，应明确界定研究的时空尺度，并且同一尺度的不同要素以及不同尺度之间通过物质、能量和信息交换而存在关联性和连通性。因而，土地系统在本质上是复杂的，而复杂性范式就是还复杂系统以本来的复杂面目，以复杂性方法来处理复杂事物［35］，即将土地系统作为一个复杂系统或将土地利用/土地覆被类型作为复杂系统的组成部分进行研究。此外，静态的复杂性加上动态的不确定性，会进一步加剧复杂性程度。

复杂性理论力图揭示时间或空间上的复杂结构背后隐藏着的简单确定性规律［36］，因而定义关键变量对土地系统的复杂性研究十分重要。土地利用变化的驱动因素涉及自然和人文科学的众多领域，它们之间存在的非线性相互作用导致了土地覆被的动态变化。研究者应借助等级缀块理论以及集成自下而上和自上而下的综合途径等尺度综合方法，识别尺度域内的主导因子，并应重视理解次一级尺度水平的机制［37］。由于土地系统的非线性特征，某些因素的微小变化可能导致土地覆被的剧烈变化，并呈现十分复杂紊乱的状态，土地结构的连续变化也可能会产生功能的突变。因而，根据历史发展的趋势推测未来和做出长期预测几乎是不可能的，即使做出也是不可靠的。但这并不意味着我们完全无法进行预测，复杂性理论告诉我们土地系统的短期行为还是可以预测的［38］。此外，研究主体的思维能力、复杂历史文化背景和社会关系以及差异化性格和行为方式等，常导致研究结果具有不确定性，因而在LUCC研究中应重视主体的作用，将主体和客体联系起来。

研究对象的极端复杂性导致LUCC研究在方法论上莫衷一是，而且众多尝试都没有超出概念模型的范围。然而，正是这种复杂性，使得LUCC研究方法论可以借助复杂性科学来创新:不仅建立贴切的“物理”模型，而且找出相应算法，借助计算机求解;不仅在形态和过程研究中不断深入，而且重视机理研究［39］。复杂性范式要求应用复杂性科学(或非线性系统分析)的理论方法，主要有:频域分析，它是非线性系统分析的基本工具，其中小波分析作为其延伸，在LUCC研究中是一个有效工具［40］;几何动力学，通过相图及相关图形描述和解释非线性系统的性质和行为，如符号动力学［41］、分形几何［42］等;分叉理论，它是非线性系统稳定性理论的主要部分，如突变论［43］等。LUCC研究的复杂性范式强调整体方法(仿真)，坚持分析和综合以及定性和定量方法的结合，主张从自上而下的还原路径走向自下而上的整体路径，提倡多尺度和跨学科的综合研究，认为隐喻和类比等非传统科学方法在复杂适应系统研究中会起到关键作用。

表1 LUCC研究范式的特征比较Tab．1 Comparison of four paradigms in LUCC

5 结论与讨论

范式包括研究者的世界观和行为方式，这是一种认识科学世界的新视角［44］。LUCC研究经历了从前科学(无范式)到科学(以范式为标志)的历史过程。本文以库恩的“范式”和“范式转变”为基本脉络，剖析了LUCC研究中的实证主义范式、科学人文主义范式、结构功能主义范式以及复杂性范式。范式及其转变主要在本体论、认识论和方法论三个层面表现出来。从本体论的角度，LUCC范式要回答“土地系统的形式和本质是什么?”;在认识论层面，则要探寻“在LUCC过程中所产生的各种关系”，而对这个问题的回答又受本体论的制约，即“是否存在关系主体彼此之间的相对分离?”［45］;从方法论角度，要阐明LUCC过程的逻辑(见表1)。

任何一种单一的研究范式都不能在整体上为LUCC提供全面合理的解释，每种范式都有其价值性和局限性。LUCC研究的问题复杂性以及目的多样性，使得不同目的和不同问题需要不同的研究范式与之适应和匹配。目前看来，还不存在对一切问题皆有效的LUCC研究范式。这种缺乏统一范式的局面，不仅可能影响LUCC的研究方向，而且可能导致研究的现实意义大打折扣。由于复杂性范式拥有传统范式不可比拟的客观基础(LUCC中非线性现象普遍存在)［46］，并且对事物的认识保留了其非线性的本质特征，因而，越来越多的学者开始致力于解读LUCC的复杂性，建构复杂性认识论和方法论。

LUCC研究的不同范式之间并不是简单的替代和否定关系，如科学人文主义范式并不否定科学主义或实证主义，它只是以强调人的主体性来修正科学主义或实证主义的片面性;复杂性范式也并不否定传统范式，它只是以新视角和新方法对外在复杂性和内禀复杂性进行简化描述，是保留事物真正非线性性质的简化思维，复杂性与简单性的动态相互关系在LUCC研究应得到重视。

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Paradigm Shift in the Study of Land Use/Cover Change

GAO Jiang-bo CAI Yun-long
(College of Urban and Environmental Sciences，Peking University，Beijing 100871，China)

Reserch on Land Use/Cover Change(LUCC)has developed from prescience period without a paradigm to science period，which is marked with paradigm．Identifying the connotation and the nature of paradigm and paradigm shift in LUCC is of great value for the development and refinement of its theory and application，which can further enhance the ability to explain and predict land use change．According to the paradigm and paradigm shift advanced by Thomas Kuhn，this paper explored the positivism paradigm，scientific humanism paradigm，structural functionalism paradigm，and complexity paradigm in LUCC．It is pointed out that paradigm and its shift can be understood on the basis of ontology，epistemology and methodology．Positivism paradigm，throughout the development of LUCC，emphasizes the separation of subjects and objects and believes that realities can be objectively known only by experience and logic analysis．It has played an important role since the early stage of LUCC study．Scientific humanism paradigm puts emphasis on the human subjectivity based on the scientism or positivism，and thus amends their one-sidedness．Structural functionalism paradigm provides researchers with a systematic analysis method．Its theoretical insights and research methods at macro levels deserve particular attentions．Complexity paradigm emphasizes the nonlinear，self-organization and connectivity of land systems，and thus brings a new scientific world outlook，epistemology and methodology into LUCC research．Therefore，the usage of complexity theory reflects the current shift of paradigm in LUCC．

land use/cover change(LUCC);paradigm shift;positivism;scientific humanism;structural functionalism;complexity paradigm

N02;P967

A

1002－2104(2011)10－0114－07

10.3969/j.issn.1002－2104.2011.10．018

2011－06－12

高江波，博士生，主要研究方向为土地科学。

国家自然科学基金项目(编号:40871047)。

(编辑:田 红)