海洋生态系统动力学浅说*，本文主要内容关键词为：浅说论文,动力学论文,生态系统论文,海洋论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
分类号 Q178.1
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为什么要进行海洋生态系统动力学的产生背景及学科特点？
在世界面临着人口、资源及环境三大问题的今天，海洋资源的开发、海洋环境的保护与利用等已成了各沿海国家普遍关注的问题。
在经历了海洋科学的长期探索之后，人们发现海洋中发生的各种现象和过程，不是一些孤立的事件，它们是海洋系统中各种因素相互作用、影响和制约的结果，无论是基础研究，还是应用研究，传统的单学科孤立研究已经无法解决问题。因此，出现了学科之间相互交叉和渗透、多学科联合研究的趋势〔1〕。 尽管人类对自然界事物发展规律的认识总是相对的，但是动力学方法的确为认识海洋生态系统作用的有效途径。因为，只有从动力学的角度深入研究海洋生态系统，才能对海洋有一个全面、正确的认识，解答海洋持续发展中出现的生态学问题，指导海洋生物资源的持续开发利用。另一方面，科学技术的迅猛发展，尤其是现代海洋探测技术可以为动力学研究提供可靠的数据资料，使得我们对海洋生态系统进行动力学的研究成为可能。这就在海洋科学中应运而生一门新学科——海洋生态系统动力学，它已成为90年代乃至下世纪初海洋科学最重要的研究领域之一。
按照系统科学的观点〔2〕， 海洋生态系统动力学是一门理论与应用紧密结合，以研究一般海洋生态系统的结构、功能与动态行为，系统与环境的关系等为主要内容的系统科学。它的任务是把某一感兴趣的特定海域作为一个生态系统，来研究其中的各种现象及其变化规律。同海洋科学总的目标相一致，海洋生态系统动力学的研究目的是为保护海洋环境及海洋资源的开发利用提供理论依据。
海洋生态系统动力学作为一门学说，其自身具有交叉、综合性，即多学科结合；其研究内容具有区域性，即与所研究的海域有关。前者对从事这一理论研究的人们的知识结构甚至合作精神提出了新的要求，后者则对理论的适用范围给出了限定。它打破了以往海洋的学科界限，对海洋从微观到宏观，由局部到整体来认识。
2 海洋生态系统动力学面对的若干问题
海洋生态系统动力学的基本理论问题就是对所观测到的海洋生态现象作出解释，说明对该现象起作用的诸多物理、化学、生物过程中，哪些是主导的，并揭示出它的形成机理，在此基础上建立理想化的生态系统动力学模型，利用该模型对该现象进行预测，甚至可能会发现系统固有的尚未知的新现象。海洋生态系统所发生的一切现象和行为皆源于系统内在结构，海洋生态系统动力学就是探索其内部奥秘的锐利武器。为了构造出有效性高、能满足预定要求的动力学模型，必须对相应的海洋生态系统进行严谨的系统分析和结构分析。一方面，在定性分析的基础上，针对所关心的问题建立数学模型，再对系统进行定量的分析研究。另一方面，通过借助于模型模拟以剖析系统，获取更丰富、更深刻的信息，进而揭示系统内部结构与其功能行为的关系，并寻求解决系统问题的对策与途径。由于海洋生态系统是一个开放的、远离平衡的非线性系统，因而，海洋生态系统动力学生来就面临着挑战。无论理论研究者，还是模型建造者，了解以下几个不可回避的问题是十分必要的。
（1）协同性的问题。大家知道，即使把物理、化学、 生物方面的问题都搞清楚了，对海洋这样一个生态系统的整体行为仍然不能理解，仍需要从部分到整体的研究。对于这样一个复杂的系统，其状态变量可能成千上万，影响事物发展的因素也不可胜数，但由于状态变量之间的合作和竞争，系统最终只受少数慢变量支配〔3〕。 如何确定海洋生态系统的慢变量呢？
（2）可预报性的问题。 海洋生态系统动力学模型实质上是由微分方程支配的确定性非线性动力系统。既然系统是非线性的，那么，就不可避免地存在可预报性问题，假如模型取特定参数时呈现混沌特性，则不可能作长期预报。为保证模型的可用性，必须研究模型的混沌特性，以回答所抽象的海洋生态系统在什么情况下，以及在多大程度上能进行预报？这是海洋生态系统动力学面临的一大任务，这一理论研究具有重要意义。
（3）突变性的问题。典型的现象就是赤潮的突然爆发， 在短时间内系统状态急剧变化，赤潮生物迅猛繁殖。然而，外界条件的微变是如何导致系统宏观状态剧变的？
（4）稳定性的问题。 在人类活动对海洋生态系统的扰动日益严重的今天，人们更加关心海洋生态平衡的破坏能否恢复的问题。假如可以的话，能恢复到什么程度？
3 关于海洋生态系统动力学模型与模拟的问题
建立海洋生态系统动力学模型是海洋生态系统动力学研究的主要内容之一。它是进行数值模拟研究的基础和前提，又是定量描述和分析海洋生态系统各级资源量行之有效的科学工具。同时，它在各学科间起纽带作用，成为不同领域学者交流的语言。
作为概念，模型和模拟虽是一个老生常谈的话题，文献〔4 〕对在建模与模拟研究中应遵循的原则给了归纳，此文不再赘述，但在实际工作中往往会出现常识性的失误，比如，模型的简化问题，在建模时常常自觉不自觉地就复杂化了。为了避免这样的过失，有必要在海洋生态系统动力学中从概念上重温它们。
3.1
海洋生态系统的“实验室”——海洋生态系统动力学模型
海洋是一门实验科学，可是又不能像物理和化学那样便于在实验室中进行，整个海洋才是它真正的实验场。现代计算机和海洋探测技术的发展可使一些实验搬入室内进行，这就是计算机模拟。它依赖的基础则是建造相应的模型，一般地讲，描述某事物的任何一组规则或关系都是那个事物的模型〔5〕。
作为海洋生态系统动力学模型，它应是实际海洋生态系统的一种简化，是对实际海洋的一个抽象描述。由于描述现实海洋，它必须反映实际。但是，由于它具有抽象的特征，又必须高于实际，从而便于研究其共性，有助于解决被抽象的实际问题，以及指导其他有这些共性的实际问题的解决。飞机模仿了鸟的飞翔，但速度和承载力远远超越了鸟类的飞行能力，即飞机的飞行源于鸟但又超越了鸟的飞行，这是模型的魅力所在。
建造一个海洋生态系统动力学模型要具备以下三个特征：①是实际海洋生态系统的抽象或模仿；②是由那些与所分析的问题相关的因素构成；③能表明这些相关因素之间的关系。模型只是沸腾的现实世界的贫乏近似，我们不能企望在一个简单的模型中把许多因素都考虑进去。对模型的基本要求是：它的结构要尽量简单，易于处理；它的性能应足够详细地表示系统的特征，以便提供对系统特性的有效预测。只有最天真的科学家才相信，完美的模型是完全代表现实的模型，这种模型的缺点同一张与所表示的城市一般大而详细的地图一样，即使可能造出这样的地图，它的特殊性也会破坏它的目的性：概括和抽象。地图作者突出他们的用户所选择的特色，不论它们的目的如何，地图和模型在模仿世界时必须简化〔6〕。海洋生态系统动力学模型并非实际系统的复制品，更不存在终极的模型。假如能建造一个复制品的话，则意味着我们对所关心的海洋生态系统已经了如之掌，也就无须进行科学研究了。
3.2 模拟使模型成为“实验室”
动力学模拟将逐渐成为对海洋生态系统研究的主要手段。通过模拟可以检验理论的正确与否，反过来又能指导作进一步的野外或实验室内的工作。
为了使海洋生态系统动力学的理论与方法能真正用于分析实际海洋生态系统的问题，使海洋生态系统动力学模型成为实际系统的“实验室”，必须借助计算机模拟技术。所谓模拟就是利用模型进行各种试验，以揭示模型所代表的概念或系统的特性。模拟要产生一个人为的系统经历，观察这个经历，可以描绘和推断出与实际系统有关的运行特征。海洋生态系统的动力学模拟是把生态问题转化为一个数学方程的求解问题，根据历史资料，对方程的参数或项进行调整修正，通过模拟增进对海洋生态现象的了解。
总之，模拟与模型密不可分，没有模型的建造，模拟的运行就不可能；另一方面，构造模型之后，不进行模拟，则模型的意义难于确认，模型的作用也很难发挥。
在国外，海洋生态系统的数值模型研究可以追溯到40年前〔7〕， 并相继做了大量的工作。现在，欧洲几国合作建立的北海生态系统模型ERSEM〔8〕已是第二代产品。而我们国家才处于刚刚起步的阶段，与他们相比差距是不言而喻的。不过，我们对自己近海海域的知识还是有了相当的积累，这就需要研究我们的发展策略〔9〕。目前， 摆在我们面前的一个严峻现实问题，是数据资料制约着建模。即使在渤海这个具有多年研究基础的海域，要建造一个像ERSEM 那样的模型至少现在是不可能的。
4 结语
在海洋科学中，海洋生态系统动力学作为一门学科有其自身的发展内容和规律，要形成一个科学体系尚需一个过程，或许要经过几代人的努力。在我国，无论理论研究的现状，还是对研究的投入都需要我们认真处理好最终目的与有限目标的关系问题。“中国近海海洋生态系统动力学与生物资源的持续利用”将作为“九五”国家自然科学基金重大基础研究项目，这无疑为促进我国海洋生态系统动力学研究的发展带来机遇。为了缩短差距甚至超越领先，我们既要追踪国际动态，又要有创新精神，扬长避短，在总结一些已有的具体结果的基础上进行提炼升华，得出具有跨学科影响和自然科学内涵的科学概念，也是可能的。
* 国家自然科学基金项目“渤海生态系统的综合分析与模型研究”（项目编号：49576298）”资助。
收稿日期：1996—11—26