复杂适应系统(CAS)理论在我国环境领域研究中的应用

刘亚非，马德彭，刘新罡

(1.北京师范大学环境学院，北京 100089；2.生态环境部环境工程评估中心，北京 100012)

自工业革命以来，人类在社会和经济等各方面取得了空前的成就。同时，工业、交通和生活等方面产生了大量的废弃物，对生态环境造成了严重破坏。环境系统是复杂的大系统，受到大气和水土等组成因素的影响，也受到人类政治、经济和日常活动等方面的影响。环境科学是一门交叉学科，涵盖生态学、化学、生物学等多个自然科学领域，涉及经济学、社会学及政治学等社会科学领域，还受到技术创新水平等因素的限制[1]。认清复杂环境系统的特点，了解相关的研究方法，有利于实现合理的环境规划，减少人类活动对环境系统的破坏，实现人类社会的可持续发展。本文将讨论环境问题和复杂适应系统理论(Complex Adaptive System，CAS)的基本内容和特点，介绍CAS理论在环境领域的应用情况。

1 环境系统与环境问题

对于人类来说，环境可以被理解为影响人类及其他生物生存发展的自然条件和社会条件。环境的主体和客体构成环境系统，包含不同时间尺度、空间尺度和组织方式的多个要素[2-3]。

环境问题的产生是人类与自然相互作用的结果。自然界和人类活动会对环境系统产生扰动、影响和破坏，同时系统内部复杂的物质和能量流动、各要素之间的非线性作用与反馈，会破坏复杂环境系统的稳定性，使环境系统结构和状态发生改变，环境要素功能丧失，从而导致其发生波动乃至趋势性的变化。在此过程中产生的矛盾反过来也会对人类正常生产和生活产生不利影响，即为环境问题。环境系统与外部存在广泛的物质、能量及信息的流动与交换表现出开放性，环境系统各要素内部及要素之间存在双向或多向的联系，由此产生非线性作用、响应与反馈。因此环境也可以被称为复杂环境系统。系统的开放性使其远离平衡态，其非线性直接导致其不确定性，这也是环境系统复杂性的本质所在。

我国面临的主要环境问题包括城镇化加快，城市规模和人口不断增加，城市环境污染日益加重；城市污染企业向欠发达地区转移，农村散乱污企业迅速蔓延，农村资源受到破坏；自然资源遭受破坏和生态环境继续恶化。主要体现在水体污染和水资源短缺，城市大气污染和固废污染，森林破坏、草地退化、土地荒漠化和盐碱化，生物多样性减少等方面[4]。

环境领域问题的研究经历了从简单到复杂、从表面到深入的过程，这与复杂适应系统的涌现特征相似。从单纯的有毒有害物质污染问题到人类活动对自然生态系统的破坏，再到区域性的环境污染，逐步扩展到大尺度的全球气候变化和生物多样性等全球性视角；从单纯的物理化学污染过程到对人口和经济等层面的综合考量，环境问题研究重心的转变，一方面说明人类对于环境系统复杂性的认识在不断加深，另一方面也展现了环境科学研究从单一问题到多学科交融的发展轨迹。理论水平的提高和技术手段的创新是认清环境系统复杂性和综合性的重要支撑。

2 复杂适应系统理论

2.1 复杂系统演化理论

在近代科学的发展过程中，还原论发挥了巨大的作用。还原论方法是经典科学方法的内核，该方法将高层的、复杂的对象分解为较低层的、简单的对象来处理。该理论对研究机械的系统比较有效，机械系统元素间相互作用是简单的，可以观察到或通过经验简单概括。

系统科学揭露了还原论的片面性和局限性，逐渐认识到系统大于其组成部分之和，开始从整体上全面考虑复杂系统的问题。20世纪70年代起，复杂系统科学逐渐从非线性科学理论的基础上发展起来。复杂系统演化理论从控制论到耗散结构理论、协同学理论、自组织临界性理论发展到复杂适应系统理论等。各个理论具有不同的产生背景，并具有自身的特色、应用领域和局限性[5]。

2.2 复杂适应系统理论的内容和特点

复杂适应系统概念由约翰·霍兰(John Holland)于1994年正式提出。该理论是在自组织和协同论等理论的基础上，将系统元素看作是具有目的性、主动性、适应性和有活力的主体(Adaptive Agent)。各主体在交互过程中不断学习，从而调整自身内部结构及行为方式，更好地适应周围环境，同时也改变着环境。动态变化的环境又会对主体的行为产生约束和影响，如此反复，这是系统发展和进化的基本动因。

CAS理论考虑到了元素间的相互作用对系统演化的重要贡献，突破了传统的“还原论”框架，把宏观与微观有机地联系起来。霍兰在遗传算法(Genetic Algorithm)基础上，建立了所谓“回声”(ECHO)模型，用以模拟和研究一般的复杂适应系统的行为，相应的建模工具——SWARM仿真平台也被建立起来。作为复杂系统中重要的一类，复杂适应系统理论被广泛应用于工程、生物、经济、管理、军事和社会等各个方面，本文主要介绍复杂适应系统理论在环境领域的应用。

3 CAS理论在环境领域的研究进展

环境科学的研究对象具有整体性、层次性和关联性等特点，CAS理论可以应对环境系统中的诸多复杂问题，为环境领域的研究提供有力支撑[6]。自20世纪末开始，已有部分学者采用CAS理论方法来研究环境问题并取得了一定成果。当前我国CAS理论的研究主要集中于水土资源管理和城市规划的模拟过程以及探究相关变化的驱动力等方面。

3.1 流域水土资源优化配置

水土资源系统是一个典型的复杂适应系统。水土资源系统受人口、经济发展和科学技术等众多因素的综合影响。水土资源时空分布的差异导致了水土资源的多层次性、与外界环境交互作用的开放性、子系统间及层次间交互作用的非线性、系统结构和功能的动态变化性和系统发展方向的不确定性等。人们对水土资源认识上的局限造成对水土资源进行分配、利用、保护等活动主体行为的主观复杂性。

CAS理论在水土资源系统研究中多用于模拟资源配置及其在一定条件下对收益的影响。成琨等利用CAS理论针对黑龙江省构建了区域水土资源的复杂适应性配置模型，研究了主体演化发展的历程，预测了不同气候条件下黑龙江省用水保障率和粮食占有量[7]，提出应增强技术进步和政策管理以保障一定水资源条件下粮食生产的可持续性。苏琼等利用CAS理论研究了滇池流域水资源配置系统的演化机制，描述了各用水和供水主体的影响因素和反应机制，并预测了不同规划年流域内各部门的需水量，给出了一定条件下水资源配置结果[8]。当前CAS理论应用研究多集中于典型流域，对一般流域的研究较少，实践中推广存在难度。同时，仿真模型演化发展程度难以定量表达，适应性配置研究主题间协同和制约机制的研究较少。

植被分布格局的演变对生态环境有着重要的影响。城市化、经济发展、农田扩张等都在影响着植被格局的变化，而人类的决策行为在城市化、农田扩张等过程中都具有至关重要的作用。植被格局的演化是复杂的动态系统，具有变化的不连续性和非线性等特点。

进化算法是在复杂适应系统建模的思想上提出的自适应人工智能技术。在土地覆被和利用变化研究中，进化算法经常被用于模拟人类决策行为并取得了良好的模拟效果[9]。宋创业等通过遗传算法对黄河三角洲植被格局进行了分析和动态模拟发现，当地居民的开垦活动是影响三角洲植被分布变化的主要因素，并建立了土地开发适宜度、自然环境因子和社会人文因子之间的关系[10]。

3.2 城市规划

目前中国城镇化率已经接近60%。城市是一个开放性的复杂巨系统。城市的发展是一个自然适应性演进的过程，社会和科技的发展推动城市发展变得更加复杂和多样化。城市的复杂性包括城市内部的复杂性和人们对城市认识的复杂性。城镇化的快速发展促进了社会经济的进步和人民生活水平的提高。随着人口增长、城镇化和工业化叠合期的到来，城市的发展也面临着越来越多的问题，如城市盲目扩张和生态失衡，影响着城镇化发展质量。

提升城市规划效力需要使其适应自然法则规律。各方利益竞争与妥协、价值取向和生活期望等使城市规划的目标呈现多样性，城市发展呈现出非线性、多层次性和自组织性等。因此城市的发展必然是多样性的，根据不同城市特色规划目标也要顺应其需求。在城市规划中利用CAS理论可以突破传统的静态模型，探讨城市系统适应性主体的交互性、复杂性以及适应和过程机制，有利于提升城市规划质量和效率，节省人力物力[11]。同时，有效的工作方式和科学理论可以有效地保证工程建设质量和速度。

生态城市是指以人为本，能够自我修复、可持续发展的人工复合生态系统，是城市发展的潮流和趋势之一。陈婷等引入了城市代谢理论，基于多主体的CAS回声建模方法建立了生态城市系统模型，探究生态城市系统的本质内涵和演化趋势，强调公众参与和管理机制具有重要意义，合理的改造切入点是生态城市建设的关键[12]。

城市扩张导致城市土地利用也面临着严峻的形势，国内外对于城市土地的研究主要包括系统动力学模型、元胞自动机(CA)和计量数学模型等。张鸿辉等为能够描述影响城市土地扩张的主体间所产生的多元变化结果，融合CAS理论、人工智能技术等建立起多智能体系统，并在此基础上建立了城市土地资源时空配置规则，以及动态描述相关主体间互动关系的城市土地扩张模型。以长沙市作为实证，模拟结果对比遥感结果发现其精度较高，能够为城市规划提供决策支持[13]。

城镇化进程的加快导致我国城市废弃物数量不断增加，其中建筑废弃物每年的产生量高达3亿吨，仅次于生活垃圾。固废的大量堆置和填埋会导致土地和能源等资源严重浪费，同时也会污染环境，阻碍城市可持续发展。丁志坤等基于CAS理论构建了深圳市建筑废弃物管理系统仿真模型，打破了建筑废弃物政策无法进行实验研究的瓶颈。研究发现，利益主体的互动促进管理的演化，减量化、绿色施工及技术推广能够引起废弃物处置过程各指标的变动[14]。

对于复杂的城市系统，研究者只能尽可能全面地收集和使用能够得到的相关资料。家庭是城市关键的活动主体，但往往无法获取较为细致的信息，导致缺乏对这方面内容的分析和描述，模型构建时也只能罗列部分主体的部分关键行为。在模型智能仿真方面，城市系统研究尚处于初级阶段，且大多只提供初步的参考方法，还有待进一步研究。

此外，国外也有人将CAS理论应用于全球模型来模拟气候变化的研究，但在我国的研究中还未见报道[15]。在CAS理论仿真模型求解时，还存在一定的局限性。该理论大部分还是描述性的，数学机理还不清楚，对适应性如何形成稳定的复杂性的机制还在探索当中。需要结合系统动力学和数学统计等理论研究系统演化的驱动力。仿真软件平台的接口较复杂，非计算机专业用户在进行二次开发时难度较大，需要进一步进行简洁化和综合化。

4 结论与展望

我国面临着众多环境问题，这些问题的产生主要是人类与自然相互作用的结果，人们对于环境问题的认识也在不断加深。CAS理论考虑到了元素间的相互作用对系统演化的重要贡献，把宏观与微观有机地联系起来，在研究环境系统演化方面取得了较大的进步。当前我国对CAS理论的研究主要集中于水土资源管理和城市规划的模拟过程以及探究相关变化的驱动力等方面，并建立了自然环境因子和社会人文因子之间的关系。

除水土资源系统外，当前我国大气污染严重且受经济、工业和交通等诸多因素影响，CAS理论在大气污染治理方面的应用还比较少，具有广阔的应用前景。此外，类比CAS理论在城市的应用模式，CAS理论也可以推广应用于农村地区垃圾管理、新农村建设用地扩张等方面。