從現(xiàn)代林業(yè)工程系統(tǒng)和非線性動(dòng)力學(xué)的角度淺析內(nèi)在動(dòng)力學(xué)機(jī)理

1、從現(xiàn)代林業(yè)工程系統(tǒng)和非線性動(dòng)力學(xué)的角度淺析內(nèi)在動(dòng)力學(xué)機(jī)理    從現(xiàn)代林業(yè)工程系統(tǒng)和非線性動(dòng)力學(xué)的角度淺析內(nèi)在動(dòng)力學(xué)機(jī)理 摘要:分析了系統(tǒng)林學(xué)、系統(tǒng)森林學(xué)研究對(duì)象所涉及到的系列復(fù)雜現(xiàn)象。特別從現(xiàn)代林業(yè)工程系統(tǒng)和非線性動(dòng)力學(xué)的角度,簡(jiǎn)要分析了復(fù)雜現(xiàn)象出現(xiàn)的內(nèi)在動(dòng)力學(xué)機(jī)理,并在研究方法上就如何和現(xiàn)代非線性科學(xué)結(jié)合,作了一些討論,對(duì)于在系統(tǒng)林學(xué)、系統(tǒng)森林學(xué)的基礎(chǔ)上,建設(shè)現(xiàn)代林業(yè)工程學(xué)具有一定的意義。 關(guān)鍵詞:系統(tǒng)林學(xué) 系統(tǒng)森林學(xué) 動(dòng)力學(xué) 復(fù)雜性與非線性 Abstract:Many complicated phenomena exi

2、sting in the fields of system forestry and system foresthave been analyzed·Especially from the view of modern forestry and non-linear dynamics, thedynamical mechanism that complicated phenomena could be produced has concisely been discussed·And further their research methods that should be

3、 intercrossed with modern non-linear science arediscussed·All these should be of importance for constructing and perfecting the subjects of modernforest engineering·Key words:system forestry, system forest, dynamics, complication and non-linearity 0引言傳統(tǒng)的林業(yè),通常將其研究對(duì)象,如樹木、林木、立木、伐倒木等看成是一類

4、孤立的、靜止的、不變的事物進(jìn)行研究,因此得出的結(jié)論通常也只能是在孤立的、靜止的、不變的特定條件下才能實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上,真實(shí)的研究對(duì)象,是處在一個(gè)不斷發(fā)展、變化的動(dòng)態(tài)過程中,因此傳統(tǒng)的結(jié)論就可能會(huì)出現(xiàn)片面性、局限性,導(dǎo)致實(shí)踐中難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)1,2。例如,我國(guó)的森工企業(yè)中,絕大多數(shù)是按照木材永續(xù)利用的理論為指導(dǎo)編制的原林業(yè)部部頒規(guī)程進(jìn)行調(diào)查、規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工建設(shè),而且絕大多數(shù)是按照有關(guān)規(guī)章制度開展經(jīng)營(yíng)活動(dòng),可是實(shí)踐的結(jié)果卻是國(guó)有林區(qū)的可采伐資源接近枯竭, 67%以上的國(guó)營(yíng)林場(chǎng)和苗圃處于勉強(qiáng)維持或十分貧困的狀態(tài)下,做不到越砍越多、越砍越好,做不到青山常在、永續(xù)利用,后果是無(wú)數(shù)個(gè)森工企業(yè)的經(jīng)營(yíng)方向被迫發(fā)

5、生了質(zhì)的變化?？梢?從發(fā)展、變化的角度來重新思考林業(yè),具有重要的意義。張嘉賓提出的系統(tǒng)森林學(xué)、系統(tǒng)林學(xué),從發(fā)展的眼光,從系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演變的角度,給出了林業(yè)研究的新思路,是對(duì)傳統(tǒng)林學(xué)的發(fā)展1,2。他在系統(tǒng)林學(xué)中提出的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)和靜態(tài)系統(tǒng)概念,事實(shí)上是對(duì)實(shí)際復(fù)雜森林學(xué)系統(tǒng)的概括。動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中的狀態(tài)變量應(yīng)是空間和時(shí)間的函數(shù),空間代表位置,不同的位置具有不同的環(huán)境條件,而靜態(tài)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中的狀態(tài)變量則只是空間的函數(shù),不隨時(shí)間而變化,因此靜態(tài)系統(tǒng)便成為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的一類特殊情形和極限狀態(tài),是一類穩(wěn)定的系統(tǒng)。顯然可以看出,森林學(xué)所涉及到的林業(yè)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、林產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)等都是屬于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)工程的范疇。由于

6、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)涉及到時(shí)間、空間位置及一些環(huán)境參數(shù)的影響,因此它可表現(xiàn)出豐富多彩的復(fù)雜現(xiàn)象,即復(fù)雜動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。復(fù)雜動(dòng)力學(xué)一詞,即為非線性動(dòng)力學(xué)的代名詞,起源于傳統(tǒng)非線性力學(xué)3,現(xiàn)已在各學(xué)科中廣泛地應(yīng)用,因此從抽象意義上說,動(dòng)態(tài)系統(tǒng)也稱為動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)(dynamical system),不一定只和“力”有關(guān),有的文獻(xiàn)也稱之為演化系統(tǒng)(evolution system),筆者在文獻(xiàn)5中所提出的非線性森林工程動(dòng)力系統(tǒng)就是這樣的一類動(dòng)態(tài)系統(tǒng),也屬于現(xiàn)代林業(yè)工程系統(tǒng)的研究范圍。現(xiàn)代非線性科學(xué)的發(fā)展為復(fù)雜動(dòng)力學(xué)的研究提供了強(qiáng)有力的理論工具。從定性研究到定性和定量研究相結(jié)合的過渡,是科學(xué)發(fā)展的必然規(guī)律。復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為

7、的研究,則是這一過程進(jìn)一步推進(jìn)的具體體現(xiàn)。本文擬結(jié)合現(xiàn)代非線性科學(xué)的發(fā)展,對(duì)系統(tǒng)林學(xué)、系統(tǒng)森林學(xué)研究對(duì)象中所涉及到的復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行分析,主要從數(shù)學(xué)模型的描述及解決對(duì)策的角度來進(jìn)行討論。 1系統(tǒng)林學(xué)與系統(tǒng)森林學(xué)研究體系中的復(fù)雜現(xiàn)象從抽象意義上來講,林業(yè)系統(tǒng)是人類誕生以來,結(jié)成社會(huì)的人們,為了自身的生存和發(fā)展的需要,在同森林進(jìn)行物質(zhì)交換的過程中所發(fā)生、形成和發(fā)展起來的一個(gè)行業(yè)系統(tǒng)2,其特點(diǎn)是: 1)它是一個(gè)人造系統(tǒng),行為的主體是結(jié)成社會(huì)的人們,基本動(dòng)力是社會(huì)發(fā)展的需要; 2)它的基本組成部分是人類和森林,內(nèi)容和邊界是個(gè)歷史范疇,隨著人類能力的提高而日益豐富和完善,隨著人類能力的發(fā)展而不斷延

8、伸和擴(kuò)大; 3)它是一個(gè)可控系統(tǒng),對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行控制的成效如何,完全取決于能否綜合使用好不斷發(fā)展了的人類能力。用最有利于人類生存和發(fā)展的方式去和森林進(jìn)行物質(zhì)交換就是復(fù)雜動(dòng)力學(xué)過程中的最優(yōu)穩(wěn)定解。系統(tǒng)森林學(xué)研究的客觀實(shí)體是森林,即以木本植物為主體的生物生態(tài)系統(tǒng)。按照動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的定義,它可以分為若干層次上、不同的但又通過一些參數(shù)緊密相連的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)森林學(xué)的任務(wù)就是綜合運(yùn)用系統(tǒng)林學(xué)、森林生態(tài)經(jīng)濟(jì)學(xué)、森林生態(tài)學(xué)、現(xiàn)代林學(xué)概論等,遵循一定的科學(xué)規(guī)律,緊緊圍繞系統(tǒng)森林學(xué)研究對(duì)象這個(gè)中心,結(jié)合聯(lián)系具體實(shí)際和有關(guān)的工程,探索各個(gè)層次動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)在規(guī)律,例如探索森林中森林生物系統(tǒng)與森林環(huán)境系統(tǒng)之間的信息

9、傳遞、能量轉(zhuǎn)化、物質(zhì)循環(huán)等客觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律及機(jī)理;探索森林層次、結(jié)構(gòu)、功能、效用、效益之間的相互關(guān)系;探索森林與林業(yè)、農(nóng)業(yè)、水利、畜牧及其與人口、社會(huì)、資源、能源、旅游、水電、煙產(chǎn)業(yè)、環(huán)境,甚至金融、商貿(mào)、國(guó)防、城鎮(zhèn)建設(shè)等方面的關(guān)系;探索森林與可持續(xù)發(fā)展、與高效益持續(xù)優(yōu)化發(fā)展之間的相互關(guān)系。研究不同時(shí)、空、流作用下,加速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)森林日益增長(zhǎng)的、變化著的多種需要對(duì)森林組成、分布、結(jié)構(gòu)、效益的影響,這實(shí)際上是森林復(fù)雜自組織現(xiàn)象的體現(xiàn),自組織臨界性(self-organized criticality)則是這一現(xiàn)象的最佳體現(xiàn)。自組織臨界性是指開放、遠(yuǎn)離平衡和時(shí)空延展的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過自組織過程而自發(fā)地演化到臨界狀態(tài),系統(tǒng)的這一性質(zhì)稱為自組織臨界性。它是一種穩(wěn)定的非平衡態(tài)(non-equilibrium steady state)。動(dòng)力學(xué)研究指出3,4,系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為受外部參量的控