区域复合生态经济系统协调与预警管理研究综述

綦振法,董会忠,王 格，孙秀梅

(山东理工大学商学院，山东淄博255000)

区域复合生态经济系统协调与预警管理研究综述

綦振法,董会忠,王 格，孙秀梅

(山东理工大学商学院，山东淄博255000)

传统的区域经济发展打破了人与自然的平衡协调关系，环境危机和生态危机严重影响人类社会的可持续发展，区域经济社会发展与生态环境保护的协调问题成为各国政府和学术界关注的焦点。针对区域复合生态经济系统的发展演化过程表现为构成要素的多元性、相互关联的动态性、人为因素的复杂性、系统内部及系统与环境之间存在的物质循环、能量流动、信息传递等特性，研究者运用复杂系统理论、耦合理论、系统动力学及系统预警理论进行了卓有成效的研究，但尚未形成有效的理论体系和方法组合。因此，构建生态经济系统研究框架，探求新的方法组合成为复杂生态经济系统研究的新趋势。

复合生态经济系统；耦合理论；系统动力学；系统预警

经济与社会的发展使人类工业文明处于一个前所未有的高度，在极大改善了人们物质生活水平的同时，也付出了自然资源过度消耗和生态环境不断恶化的巨大代价。全球性资源短缺和生态退化成为困扰人类社会发展的瓶颈。工业文明粗放式发展的负面效应正逐步显现，经济社会可持续发展受到严重威胁。区域经济发展己经大大超出自然生态系统的承载能力，超负荷膨胀发展的全球经济正渐渐侵蚀着全球的生态系统[1]35-38。一些经济区在高速发展的过程中打破了人与自然之间的平衡协调关系，面临着“环境危机”和“生态赤字”的严峻挑战，经济社会发展与生态环境的协调问题成为各国政府和学术界关注的焦点问题。敲响警钟的现实把生态环境与人类生存紧密联系在一起，生态问题已上升到“生态危机”、“生态安全”的高度。寻求经济发展新模式，实现生态环境与经济发展均衡成为实现可持续发展战略的现实选择。倡导生态环保理念，改变资源短缺、环境污染和生态退化的严峻现实，必须改变原有发展模式，尊重和顺应自然发展规律，将保护生态环境的行动融入经济社会发展的各方面和全过程[2]89-92。

作为一个复杂的巨系统，区域复合生态经济系统的构成要素相互关联、相互影响，自然因素与人为因素交互作用使得该系统的发展演化极为复杂，主要表现为系统内部及系统与环境之间存在着信息传递、物质交换及能量流动。但是，人类在追求经济社会发展的过程中没有遵循系统演化的客观规律，经济社会的发展却带来生态恶化、环境污染和资源极度短缺，使整个系统处于严重失衡状态，区域复合生态经济系统演化呈现明显的不可持续特征。基于此，着重体现系统“协调”特性的研究成为生态经济区复合生态经济系统发展中的核心问题。在区域复合生态经济系统研究方面，由于所处领域和研究视角不同，学者们研究的目的、研究方法、样本期间、指标体系和数据频率等也不尽相同，导致在系统功能分析、模拟仿真、数学建模及其求解技术等方面呈现多样性。近年来发展起来的大数据理论、云模型理论等新研究方法和技术，结合混合遗传算法、系统动力学等传统模型，为解决复合生态经济系统的耦合机理和演化趋势提供了丰富的研究手段，也使研究结果更趋精确与合理。因此，在区域复合生态经济系统协调发展问题研究中有必要借鉴和引进新的思想理念和方法，结合区域发展实际情况，创建复合生态经济系统协调的新研究框架、新方法组合和新技术措施。

一、区域复合生态经济系统概念研究现状

经济社会发展和生态环境相互影响已经成为人们的共识，粗放发展模式导致的环境恶化严重制约经济和社会发展。为了应对生态环境日趋恶化带来的系统性、结构性破坏，人们提出了复合生态经济系统管理(Complex Ecosystem Management)概念，构建了系统解决生态环境问题的管理框架[3]57-64。随后，复合生态经济系统理论逐步发展为一门新兴边缘交叉学科，其应用主要集中在自然生态系统领域。Gari R，Newton A等(2014)通过回顾“传递—压力—状态—影响—响应”(DPSIR)框架模型在生态经济系统中的应用，提出了海洋复合生态经济系统DPSIR模型，并结合模型的优缺点进行评价，DPSIR模型能有效分析海洋生态环境问题[4]63-77。Pinto R等(2013)根据社会经济系统和生态系统间复杂的相互作用，通过整合生态价值、水资源利用和生态服务等方面的内容，将相关指标纳入DPSIR理论框架，并以蒙德戈河口生态系统为例阐明了人口压力增长、土地利用模式陈旧、水污染严重对系统间的协调性产生较为严重的负面影响，提出了恢复生态系统的有效方案[5]64-79。Miller(1978)、Vester(1981)、Haken(1978)和Prigogine(1984)等将社会经济系统和生态系统结合在一起进行研究，拓展了新的研究思路。之后，有关复合生态经济系统研究逐年增加；同时，许多政府部门也开始应用复合生态管理理念和方法对经济、社会及生态环境进行系统研究和管理。目前，复合生态经济系统管理研究的重点突出表现在分析复合生态系统的结构与功能，挖掘生态服务的价值，从而实现经济社会发展的可持续性，特别注重生态经济区各种自然生态、技术物理和社会文化因素的耦合性、异质性和多样性，为政府相关部门制定经济社会发展与环境保护政策提供有价值的参考和决策依据。

在国内，马世骏(1984)等提出社会-经济-自然复合生态系统理论(Social-Economic-Natural Complex Ecosystem)，探讨了以协调、循环、自生为核心的生态控制论原理在复合生态系统的应用。自马世骏提出复合生态系统概念、有关生态规划理论及方法后，国内学术界便逐步展开了复合生态经济系统理论的研究。王振波等(2011)以长三角快速城市化地区为研究对象，提出基于空间数据装换模型、ESV模型和EEH模型的生态经济系统协调度评价模型，按照ESV指数、EEH指数的变化情况探讨了该地区经济发展与生态环境系统的关联性及演化性，结果发现其空间演变模式主要为核心边缘模式、梯度模式，且不同模式对应于相异的系统演变方式[6]1657-1756。王千等(2011)对耕地生态经济系统能值指标的空间格局分布规律与特征进行了研究，确定了影响能值指标的空间格局分布差异的主要因素有地形地貌、土壤类型、年平均降水量、农业基础设施及耕地集约利用水平[7]247-256。王如松(2013)运用产业生态评价和生态规划理论与方法，探讨了区域城市发展的生态动力学机制和生态控制，丰富了复合生态系统管理的理论体系[8]1-11。

从国内外现有文献看，学者们沿循了从单纯自然生态系统的研究到环境、资源、经济、社会综合研究的路径，普遍认识到生态经济系统是一个不可分割的整体，对复合生态经济系统的研究不应仅局限于对自然生态系统的研究，而要根据某一区域的具体特征以及该系统所具有的不可预期性、聚集、自组织、非线性、多样性和循环性等特点来研究。据此，本研究将区域复合生态经济系统定义为：在一限定区域范围内，环境、资源、经济、社会等要素通过某种特定的组合方式复合而成，基于系统要素之间的物流、能流、价值流及信息流交换实现相互耦合而形成具有独特时空结构和演化轨迹的复杂巨系统。

二、复杂系统理论和方法在复合生态经济系统中的应用研究

(一)耦合理论在生态经济系统中的应用

复合生态系统具有综合性和复杂性，系统要素的耦合机理倍受关注。复合生态经济系统管理思想强调从单要素管理向多要素、全系统综合管理转变，实质上就是要求强化复合生态经济系统内部的协调性，实现复合生态经济系统的耦合发展。对复合生态系统的偶合机理研究主要从系统自组织理论、生态系统能量原理、生态系统功能等角度展开。Lee S，Brown(2011)认为在多种因素干扰下，生态系统的自组织模式更加复杂，并通过设置不同因素的干扰，研究了佛罗里达州的水生态系统，发现外部因子随着时间推移对系统的影响变得逐步微弱，韧性下降[9]1747-1756。Lawley等(2013)将半干旱地区植被保护与恢复系统划分为内部因素和外部因素两类，基于生态系统功能的角度对生态区进行区域分异观察，结果发现，在长期的系统演化中，内部因素对系统的作用程度大于外部因素，且半干旱区植被系统的再生具有非线性及不可预测的特点[10]156-164。David Tàbara等(2013)提出了只有提升人类信息知识系统(HIKS)与生态系统(SES)的耦合度，才能推动人口系统与生态系统的协调发展，而且，从人口系统角度出发，认为对可持续性的研究、教育模式的转变以及相关政策的制定是提升偶合值的关键之处[11]71-81。Jim C.Y.等(2010)根据系统能量流通的原理及提升环境效益的目的，在考虑季节周期降水、温度的情况下，选取太阳辐射、净辐射和气象参数作为研究建筑业系统与环境系统的主要控制变量，对热带地区建筑物的设计及维护提出了延长其使用寿命的构想[12]1052-1063。

在国内，钱学森(2007)和于景元等(2002)著名学者开创的系统综合集成方法和对复杂系统研究的非线性模型技术，为区域复合生态经济系统研究奉提供了宝贵的思维方法和研究手段[13]1417[14]146。毕安平等(2013)通过构建流域生态—经济系统PSR模型，利用熵权法及耦合协调度指标对系统的主要驱动因素、演化态势进行分析，最终确定了流域—经济系统总体处于由高水平不稳定状态过渡到高水平稳定状态，即“系统重建”向“系统耦合”演进[15]1023-1030。陈端吕等(2013)选用耦合度、协调度模型及神经网络模型探析了环洞庭湖区生态经济系统，通过对比系统满足最佳耦合协调状态时的因子贡献状况，进一步研究了社会经济和生态环境协调受系统因子的影响机制，最终发现系统目标调控度与因子贡献水平呈正相关[16]1338-1346。罗昆燕、周国富(2011)以生态经济理论及系统耦合理论为基础，通过建立城乡相互作用综合评价指标体系和耦合模型，探讨了贵州省黔西南州城乡生态经济复合系统的相互作用关系及耦合机制,揭示了复合系统要素的动力演化机制[17]925-931。

复合生态经济系统是一个开放、非平衡以及非线性、相互作用的动态耦合系统，其内容及研究过程十分复杂，这方面研究的热点主要集中在模型构建及应用方面。现有研究思路与方法大都根据生态经济系统的运行轨迹和特征，分析复合生态经济系统的耦合反馈机理和演进规律，构建适合该区域的动态耦合度测算模型，将区域生态环境与经济社会作为一个整体系统进行研究。

(二)系统动力学在生态经济系统中的应用

系统动力学从数学上建立规范的公理体系，提出了分析复杂系统一般特性的原则，运用组合拓扑理论的观点、方法分析系统的结构特性，汲取非平衡理论、突变理论及自组织理论的概念，研究复杂系统结构的稳定性及复杂系统动态行为的非连续性，分析复杂系统反馈回路、参数及结构优化等。

作为研究复杂系统的有效方法, 系统动力学被越来越多的研究人员认识并采纳，特别在经济社会与生态环境的系统方面进行了卓有成效的研究。Uehara(2013)通过对Brander and Taylor (1998)的“人口—资源”动力学模型进行拓展，提出了“生态经济阈值”及“生态阈值”概念，并在阈值控制基础上构建了生态经济系统动态模型，分析了系统的非凸性和适应性[18]374-384。Hassanzadeh等以加拿大西部地区水资源系统作为分析对象，通过模仿现有的水资源管理模式，探析了地区水资源系统与电力系统、农业系统间的竞争关系，发现灌溉行为可削弱电力系统的效益，但是与地区经济效益间呈现正向关系[19]12-26。

国内学者在系统动力学应用方面也作了大量有益探索。高伟等(2014)将系统动力学模型融入环境经济协调度模型及Powell优化模型中，构建流域环境经济优化决策模型，认为此模型的优点在于弥补因果反馈关系的不足，并突出经济—社会—水环境子系统反馈回路的闭合[20]250-258。章杰宽(2011)针对区域旅游可持续发展问题，将系统划分5个子系统，阐述了系统内部旅游、人口、社会、资源与环境等关键要素间的数量关系，并以西藏自治区旅游业为实证，对理论模型内部结构进行了分析，依据结果从基础设施投资、提升员工专业水平等方面提出针对性建议[21]2101-2107。曾丽君等(2014)利用以经济、社会、环境及资源子系统为基础的协调发展系统进行政策模拟，以企业、政府的R&D投入比例、企业R&D投入系数，及产学研运作效率值作为调整变量，针对R&D资源有限度不同的城市提出了发展对策[22]85-93。姜钰等(2014)利用系统动力学因果关系理论研究了林下经济可持续发展性，并通过流图的绘制及演变，挖掘出人均收入、林业科技、林下相关产业发展投资等水平是影响其可持续发展的重要影响因素，但是确定参数时存在主观性，其仿真模型的适用性还需完善[23]105-114。樊毅斌和宗刚(2012)通过建立“资源环境—经济—社会”系统模型，对县域的畜牧业、旅游业、资源、人口、环境间作用机制进行分析，并在系统仿真基础上，提出粪便生产与消耗归属与资源系统的观点[24]115-119。

目前，系统动力学主要借助传统统计学方法和专家判断确定资源、环境与经济复合系统中的定量关系，而该系统中存在大量的定性关系，对如何将定性关系转化为定量关系则缺少科学有效手段。传统系统动力学在系统优化方面通常采用“试凑法”，优化结果偏差较大，未考虑系统结构优化问题，很难达到数学意义上的优化。为克服这一不足，部分学者尝试将遗传算法嵌入传统的系统动力学模型研究系统结构问题，并在参数估计方面进行尝试。林文浩(2002)认为遗传算法自适应寻优的智能特征和并行搜索的高速性能够有效克服“试凑法”的盲目性，保证参数估计的效率和质量[25]404-407。李维乾等(2013)、陈荣虎(2009)还分析了遗传算法用于系统动力学结构和边界优化的理论可能性等[26]209-216[27]932-935。但目前将遗传算法与系统动力学相结合研究复杂系统问题还处于起步阶段，具体研究还不够深入，很多问题需进一步探讨。

(三)复杂适应理论在生态经济系统研究中的应用

复杂适应理论认为系统中个体通过“学习”和“积累经验”，能够与环境及其它个体进行交流，自身的结构和行为方式不断进行演化，其主要行为特征表现为在整体层次上演化出新结构和现象。这一论断对生态经济系统的研究起着指导性作用。Häyhä等(2014)通过分析资源、环境、人口及社会构成的复杂系统，综合探讨了生态系统发展的评价方法，认为促进当前生态经济系统稳定发展的不仅要关注经济的快速发展，还要注重环境成本、边际利益及后期影响[28]124-132。Ngcobo S等(2013)结合CAS理论对非洲南部地区水资源系统的影响因素进行探讨，重点剖析了该系统与当地的气候变化、土地利用及社会发展水平之间的关联程度，阐明了水资源系统的复杂性及时空维度的敏感性，为建立区域生态经济复杂适应系统的评价指标体系和系统分析提供了理论指导[29]655-666。Ceddia和Bardsley等(2013)提出了系统蔓延模型，并利用该模型分别从宏观与微观层面对全球经济系统与生态系统间的交互作用机制进行探讨，其宏观方面重点剖析了两个系统间的相辅相成关系及内在传播效应；微观方面利用计量模型对各系统间的自适应性进行了实证分析[30]124-131。此外，姚志春等(2011)运用生态经济系统原理及复杂系统理论对水资源生态经济系统的研究进行指导，通过论述其层次关联模式、动态反馈关系，对各个子系统间的耦合关系特征进行验证，剖析了生态环境问题的机制[31]63-68。刘建等(2011)运用NK模型作为工具，对区域经济的复杂适应特性进行定性和定量分析，为剖析经济组织结构类型影响经济效率的机理提供了新研究视角[32]44-47。巩芳等(2011)利用耗散结构理论对草原生态经济系统的结构和功能进行分析，从系统冲击力、复合承载力及反馈力三个方面，利用能值方法探讨了该地区草原生态系统的能量耗散过程，并得出完善草原生态补偿机制是其后期发展重点的结论[33]11-14。

从目前研究现状看，一些学者尝试将复杂适应系统理论应用在经济、社会及生态环境等复杂系统的研究中，但其理论体系尚不完备，每个复杂系统都有自己的复杂适应机制和特征，系统的边界界定、层次结构分析及系统内部的联系机制等都需要不断深入研究，同时，研究过程中也缺乏必要的微观经济理论和数据方面的支持，研究结构的有效性、科学性和合理性都需要进一步完善。

(四)安全预警理论在生态经济系统中的研究现状

安全预警模型的雏形是联合国环境规划署建立的全球环境监测系统(GEMS)，该系统在资料收集、处理的基础上，对全球环境状况变迁进行动态监测和预警。此后，众多科研机构和学者相继开展了生态系统安全预警研究，丰富和完善了生态系统预警理论，生态预警实践也得到广泛而迅速发展。罗马俱乐部选取人口、粮食生产、工业经济、资源消耗和环境污染等五个变量建立数据模型，对世界发展进行分析和预测，试图达到整体识别和综合预警的目的，进一步发展和完善了生态预警研究的理论框架；美国内布拉斯加大学的系统学派，通过构建AGENT系统，将预警理论与方法应用到美国中西部六个州的区域管理上，把这六个州的经济、社会、生态等纳入一个整体系统，在预警基础上进行优化和调控，为联邦政府决策提供科学预警信息。怀特等则构建了洪水预警体系，运用到洪水泛滥的风险决策中，在经济效益和生态效益提升中都起到了关键作用。M.Slesser等从环境资源承载能力角度入手，构建了具有预警功能的ECCO模型，并得到广泛应用。

国外生态预警理论不断完善，方法和手段不断更新，范围不断扩展。主要内容聚焦在生态风险评价和生态风险预警两方面，研究范围从理论研究到区域预警应用研究，从单一方面预警到经济—社会—生态复合系统综合预警。这些研究奠定了生态安全预警的理论基础，为特定区域生态环境管理问题提供了科学的解决方法。

在国内，徐美等(2012)以湖南省土地生态安全作为研究对象，通过构建压力( Pressure)—状态(State)—响应(Response)概念模型框架，在验证RBF模型模拟精度的基础上对其未来土地生态安全的压力、状态系统的态势进行探析，并从资源环境承载力、优化区域结构、控制人口增长等七个方面提出了推动土地生态系统可持续发展的建议[34]1411-1422。徐成龙、程钰等(2014)选取PSR模型建立了黄三角生态安全预警指标体系，并利用熵值法对其进行生态安全预警研究，发现与西部地区相比，黄三角地区在整体生态环境得到改善的情况下，其预警等级仍然不容乐观，且东营及滨州两地成为重点关注对象，依据结论，提出差别化区域空间管制的建议[35]149-155。赵宏波和马延吉(2014)选取吉林省作为老工业基地区域代表，利用压力、状态、响应(PSR)和生态、环境、经济和社会(EEES)框架模型建立老工业基地区域生态安全预警指标体系，结合GM(1,1)模型对2020年的生态态势进行了动态预警，并挖掘出人均水资源量、城镇化等短板指标[36]4720-4733。在生态安全预警领域应用和生态预警系统构建方面，游巍斌、何东进等(2014)将武夷山风景名胜区作为双遗产地研究对象，选取物元模型理论对景区生态安全进行预警，并从总体发展水平、单因子影响度等方面对生态安全进行了评价[37]1455-1467。李京梅等(2012)探讨分析了海水养殖业生态系统警度状态，并依此认为国内现阶段社会经济的发展系统与海水养殖业生态系统间存在不协调性，需要从调整海水养殖规模、降低养殖密度等多方面入手强化生态管理[38]448-452。

作为一个新兴的交叉研究领域，复合生态经济系统安全预警理论体系和预警方法等都处于研究探索阶段，研究重点聚焦在生态安全现状评价及状态预警研究，生态安全预测预警和综合集成方法较少，复合生态经济系统在同一结构下系统的动力学行为和不同结构之间的演化缺乏有效判断方法。特别是借助改进的系统动力学模型搜寻反映结构变化的时、空、量、序变量及其变化规律，需要进一步提高预警精度和准确率。在复合生态经济系统安全预警理论体系、技术方法等方面还需进一步深入研究和完善，为复合生态经济系统安全预警管理与决策提供有效的科学方法。此外，一些学者也在尝试运用新的智能预测算法构建预警模型，用智能化、集成化方法解决生态系统安全预警问题。

三、研究现状综合评述

从现有文献看，国内外学者从不同视角、用不同方法对区域复合生态经济系统的协调及安全预警进行了深层次探索，这为生态经济区复合生态经济系统优化调控和安全预警奠定了重要理论基础和实践基础，但是，作为一个新兴的交叉研究领域，复合生态经济系统的耦合机理、政策仿真及安全预警等研究都处于起步阶段。

(一)理论体系尚未有效整合

由于不同研究领域对区域复合生态经济系统耦合发展及系统预警理论理解的差异，不同研究者根据自己的研究内容、研究兴趣和研究专长，从各自不同角度提出复合生态经济系统的概念和内涵，对区域复合生态经济系统耦合发展机理等还没形成共识。现有的研究内容和研究结果较为分散，得出的结论也不尽相同，没有构成一个完整的理论体系。

(二)现象研究较多而机理分析不足

复合生态经济系统的耦合演进与安全是由复合系统中各要素的状态以及其相互作用决定的，生态安全系统预警的前提是对系统要素作用机理的深入分析。当前复合生态经济系统的研究已进入深层次的内在关系研究，不仅考虑外部的压力，而且注意到系统自身社会与生态上的脆弱性，强调环境压力与安全关系是“共振”，而不是因果关系。对于复合生态经济系统的研究必须从系统整体角度分析系统要素耦合机理，才能揭示系统要素协同演进的本质。目前，对复合生态经济系统表层现象研究较多，而对复合生态经济系统演变机理分析较少。

(三)传统理论难以揭示系统动态变化特征

对区域复合生态经济系统的分析主要利用传统的数理统计方法和静态特征的描述，缺少定量分析和动态分析，缺乏对不同情景下生态经济区复合生态经济系统要素相互作用过程进行模拟和预测，系统的不确定性问题没有得到有效处理。由于缺乏系统的综合研究，难以揭示复合生态经济系统的动态变化特征，以及各种影响因子的耦合机制，也难以把握复合生态经济系统演变的一般规律，并进行有效优化调控，难以促进生态经济区资源合理开发利用、协调生态经济区社会系统、经济系统、生态系统之间的关系。

(四)生态系统安全预警研究缺乏科学方法

从现有的文献看，学者们使用的方法大部分是采用静态评价指标来评价复合生态经济系统的安全状态。而复合生态经济系统处于一个不断演化的动态过程中，静态指标不能准确反映生态系统安全的本质。作为一个典型的非线性复杂系统，区域复合生态经济系统的定量描述必须能够揭示要素之间的动态作用机理，构建的安全预警模型不仅反映系统的安全状态，也应该反映系统的演化趋势。就目前研究而言，对系统变量的动态影响研究缺乏相应技术手段。如何构建复合生态经济系统动态仿真模型，对生态系统安全进行科学预判及控制，目前还没有有效解决。

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(责任编辑 鲁守博)

2016-10-15

国家自然科学基金项目“区域复合生态经济系统耦合效应与政策调控研究——以黄河三角洲高效生态经济区为例”(71371112)；国家社科基金项目“时空分异视角下跨区域碳减排的协同优化机制与政策模拟研究”14BGL159)。

綦振法，男，山东青岛人，山东理工大学商学院教授，管理学博士；董会忠，男，山东烟台人，山东理工大学商学院副教授，管理学博士；王格，男，山东泰安人，山东理工大学商学院研究生；孙秀梅，女，山东聊城人，山东理工大学商学院副教授。

F062.2

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1672-0040(2017)01-0012-07