系统论、信息论和控制论与我国农业生态学的发展

2021-03-08骆世明

中国生态农业学报(中英文) 2021年2期

骆世明

骆世明

(华南农业大学热带亚热带生态研究所广州 510642)

我国构建农业生态学的学科体系中, 不仅把生态系统生态学作为其学科基础, 而且把系统论、信息论和控制论同样作为其重要的学科基础。因此, 在我国的农业生态学的学科体系中不仅像国外的农业生态学学科体系那样重视包括物种、种群、群落、生态系统和景观层次的农业生态系统的能流物流结构和相互关系; 而且还十分重视系统的信息流和资金流, 包括自然信息流, 以及人们主动收集、传输和利用的人工信息流, 劳动所体现的价值流, 及其以货币形式反映出来的资金流。我国的农业生态学不仅像国际上农业生态学体系那样很重视包括生产者、消费者和分解者在内的农业生态系统的能流和物流转换结构, 而且十分重视农业生态系统的调节与控制机制, 包括自然调控机制和人为调控机制, 其中人为调控机制又包括了如农业经营者在种植业与养殖业中各种操作所代表的人为直接调控, 也包括如市场需求、政府政策、国家法律、社会习俗、教育宣传、信息传播等能够影响农业经营者行为的人为间接调控。在系统论、信息论和控制论基础上构建的农业生态学体系有利于更好地深入剖析我国优秀的传统农业实践, 启迪农业生态学相关的基础研究和应用研究, 开拓信息时代农业生态转型的创新途径。

信息论; 控制论; 系统论; 农业生态学; 生态农业; 农业生态系统

农业生态学在我国的发展始于20世纪70年代末到80年代初。农业生态学在我国的兴起与国际的生态学发展有关, 特别是与生态系统生态学的发展有密切关系。这已经是国内外农业生态学者的共识。然而, 在我国, 农业生态学学科体系的成熟与发展还与当时系统论、信息论和控制论(简称“三论”)在我国科学界的深入影响与普遍认可有重要关系。这点往往容易被忽视, 值得重新强调。系统论、信息论和控制论如今在科学技术领域的影响力有增无减。在“ProQuest”近5年的英文文献中用关键词“cybernetic”可查出1314个文献, “information theory”获得385 117条文献, “system’s theory”查询出文献13 434个。在“中国知网”近5年文献, 用关键词“控制论”有7558条结果, “信息论”有8523条结果, “系统论”有6322条结果。当前系统论、信息论和控制论已经被广泛应用于自动控制、军事工业、人工智能、生命科学、认知科学、社会科学、商业营运等。系统论、信息论和控制论在农业的应用也相当广泛, 涉及系统评价、信息传播、植物保护、农业机械、温室生产、污水处理、区域规划、绿色农业等。系统论、信息论和控制论无疑也将会在促进我国农业生态学发展, 促进我国农业生态转型中起到重要的作用。

1 系统论、信息论与控制论是构建我国农业生态学体系的重要理论基础

在20世纪70年代末、80年代初, 钱学森为首的一批顶尖科学家所推崇的“三论”在当时深入人心, 影响深远[1]。沈阳农学院沈亨理教授于20世纪70年代末在全国开展农业生态学讲学时, 起初经常使用的概念就是“农业系统”。南京农业大学潘根兴(1986年)发表的“试从系统论、控制论、信息论及耗散结构理论谈谈对土壤的认识”是当时这个思潮的一个反映[2]。江苏农业科学院的高亮之研究员在1993年出版了《农业系统学基础》, 其内容就是系统论、信息论与控制论的思想与方法在农业的应用[3]。

我国农业生态学与国外农业生态学在学科体系构建中重要的相同点是都用生态系统生态学的认识框架来重新认识农业, 分析与能流物流关系密切的农业生态系统结构与功能, 并且由此提出了生态友好的农业生态系统结构调整与农业技术体系创新。我国农业生态学与国外农业生态学最大的差别在于我国农业生态学十分重视从系统论、信息论和控制论的角度来辨识农业生态系统的调控体系。在国外的农业生态学著作中, 无论是在世界有重要影响的美国加州大学两位农业生态学家Miguel A. Altieri和Stephen R. Gliessman出版的《农业生态学》(1983年、2007年和2015年)著作, 还是改革开放初期对我国农业生态学发展起过重要作用的美国圣地亚哥大学George W. Cox和Michael D. Atkins合作编写的《农业生态学》(1979年), 他们都把农业生态系统的结构和功能作为重要的学科基础, 但是都缺少对农业生态系统调控体系的描述[4-7]。查阅我国从20世纪80年代到近期出版的各类农业生态学教材, 除了生态学基础知识, 特别是以能流物流为基础的农业生态系统的结构与功能介绍以外, 都含有对农业生态系统调控体系的具体介绍。例如: 1987年我国出版的第一本《农业生态学》教科书中就专门单列出第九章“农业生态系统的调节与控制”[8]。1994年西北农业大学王留芳教授主编的《农业生态学》第十三章是“农业生态系统的调控”[9]。2002年陈阜主编的《农业生态学》第八章是“农业生态系统的调控与优化设计”[10]。2017年骆世明主编的《农业生态学(第三版)》就用了3章的篇幅构成第二篇“农业生态系统的调节与控制”, 与第一篇“农业生态系统的结构与功能”相对应, 成为农业生态学的两个重要内容[11]。

为此我国农业生态学体系有异于国际农业生态学体系的特点可以概括为:

1.1 能流物流以外还重视信息流

从生态系统生态学切入, 农业生态学需要重视生态系统的能流和物流。从控制论体系切入, 农业生态学就需要十分重视系统的信息流和资金流。在农业生态学中, 了解农业生态系统的自然信息流和人工信息流的信源、信道、信宿, 了解各类信息的性质、特点和作用方式对于掌握农业生态系统的运行规律, 实施高效精准调控, 促进可持续运行至关重要。近年来十分活跃的化学生态学研究和诱导抗性研究等基础研究就与揭示自然生态系统的信息流有关。

1.2 能物流转换结构以外还重视系统的调控结构

以生态系统生态学为基础的农业生态学很重视能物流转换的生态系统结构, 包括个体、种群、群落、生态系统和景观结构, 特别是营养级结构和食物链结构。然而, 农业生态系统作为一个控制论系统就需要进一步分析其调节控制机制了。农业生态系统不仅存在一个自然界承传下来的自然非中心式调控机制, 而且在此基础上还叠加了一个人类提供的人工中心式调控机制。著名的美国生态学家E. P. Odum及其同事在20世纪80年代初就表述了生物圈和自然生态系统也是控制论系统的思想, 提出其特点是一个分层次的非中心式稳态调控体系[12-13]。

人工调控机制又可以分为直接作用于农业生态系统的直接调控机制, 以及需要通过影响人的决策, 从而影响人的行为, 才能最终对农业生态系统产生影响的间接人工调控机制(图1)。近年来生态农业模式与技术体系的研究涉及直接调控途径, 农业生态转型政策与生态农产品认可则涉及系统的间接调控。

2 农业生态系统的调控体系既是解码传统的钥匙,又是衔接未来的桥梁

2.1 对传统的理解

在传统农业时代, 中国农民在长期土地资源紧缺的传统农业社会践行了一套积极保护和合理利用自然资源的农耕制度, 例如: 综合农林牧渔的农业生产体系, 因地因时制宜的农耕措施, 用地养地相结合的耕作制度, 物尽其用的无废循环体系, 多样性的生物利用方式, 等等。今天, 我们利用各种现代科学技术手段, 经过深入研究才逐步揭示了诸如桑基鱼塘系统、轮间套作体系、稻田养鱼体系、黄猄蚁的柑橘园害虫控制等众多传统农业瑰宝中令人惊讶的科学合理性。要理解中国传统农业的科学性, 就需要用到控制论的“黑箱”和“白箱”概念, 还要认识能够有效协调系统整体功能, 保障系统平稳运行的非中心式的分散控制机制。自然生态系统的和谐与协调靠的就是这种分散式控制机制, 在无统一控制中心的条件下调控自然生态系统的信息的产生、传输和接收。传统农业用“黑箱”方法, 在长期低投入条件下“尊重自然, 顺应自然, 保护自然, 借鉴自然”,充分利用了自然的调控能力, 创造了众多优秀的传统农业体系。中医诊断用的“望、闻、问、切”用的也是“黑箱”方法。即使由于现代科学技术进步, 揭开“黑箱”的能力越来越强, 但是人们仍然不可能同时解构一个系统所有层次的“黑箱”, 只能关注其中几个层次。此外, 由于系统1+1>2的叠加效应和新的整合特性(emergent property)出现, 总体大于部分之和, 因此“黑箱”的系统论方法仍是今天探索农业可持续发展途径的重要方法。例如, 由于土壤中复杂的生物、物理、化学相互关系, 土壤至今还没完全变成“白箱”, 然而在传统农业实践中, 人们却早就通过“黑箱”方法, 探索出保持地力常新壮的有效途径。人们在针对农田害虫筛选“驱赶植物”或者“陷阱植物”时, 把不同的植物与昆虫配对, 看其“黑箱”效果, 而不是用“白箱”方法, 先分析植物的千百个化学成分, 考察某一个组分或者多种成分组合对昆虫的作用。农业分散在不同地域, 种养的实际千差万别, 对“黑箱”所表观出来的系统输入输出规律进行深入揣摩和因地制宜进行调节控制, 是获得各地生态农业实践方法的重要途径。

2.2 对研究的启迪

一个控制论系统的平衡稳定, 需要靠信息的产生、传递、接收和负反馈调节。自然界非中心式调控机制中的信息流是非常诱人的研究方向。面对资源竞争剧烈条件下植物与植物、植物与微生物、植物与昆虫之间的化学作用机制, 在干旱、低温、病虫草害等逆境胁迫下植物诱导抗性产生的分子生物学机制, 不同作物间作情况下根部相互作用机制等, 实质上都涉及自然调控机制中生物化学信号的产生、传输、接收和负反馈调节作用。

在农业生态系统的中心式调控机制涉及直接人工调控机制和间接人工调控机制。在直接调控方面, 近年来活跃的因土配方施肥, 需要提取土壤和植物的养分信息并加以利用; 有害生物的生态综合防控, 需要获取生物手段与物理手段影响有害生物种群数量发展的信息, 并加以利用; 温室栽培需要获取温室环境与作物信息, 通过实时分析利用以便进行温度和肥水的自动控制。这类研究与实践其实都是对人工直接调控机制的改善和强化。通过资金流的信息分析, 研究市场经济条件下, “经济”人的行为模式, 通过经济政策的制定, 释放积极信号, 影响人们对农业生态转型的主流行为, 就属于改善人工间接调控机制的研究范畴。

2.3 对未来的憧憬

在信息化时代, 通过对农业生态系统信息的准确收集、快速传递和有效利用, 实现对系统的有效调控, 实现资源匹配、生态保护、环境友好、产品安全, 促进生态农业发展, 已经提到了议事日程。事实上, 相关基础已经逐步成熟。

在农业信息收集方面, 实时信息收集手段发展迅速, 农业资源遥感数据的收集与分析, 农作物长势信息收集与传感, 土壤水分与养分的信息传感, 饲养动物行为特征的信息采集与传感, 田间作物病虫害图像采集与识别, 环境质量的信息采集与上传等的方法和设备已经逐步成熟。未来生态农业发展的信息收集需要进一步把这些分散的信息收集方式系统化, 完善具体农场的基础数据与实时数据采集标准。

在农业生态系统数据库建立方面, 农业气象信息、土壤普查信息、农业生产资料信息、农产品价格信息、病虫害测报信息、动植物品种特征信息等类型的数据库, 国家和地方政策法规的数据库等都已经建立。生态农业模式与生态农业技术体系方面也累积了大量的经验与研究参数, 文献累积增长迅速。未来发展生态农业需要进一步把这些分散的信息系统综合起来, 构建面向用户的生态农业数据库。

在农业生态系统的信息分析方面, 已经有不少数理统计分析软件、图像识别软件、系统综合评价软件、作物生长和动物生长模拟软件等。未来生态农业发展要根据资源匹配、环境友好、生态保护、食品安全的整体需要选用和改造这些软件, 并发展一些专用分析软件。

在信息利用设备方面, 作物水肥一体化控制设备、禽畜饲料和饮用水自动控制设备、无人操作拖拉机、温室和养殖房舍环境自动控制设备等都已经趋于成熟。一些实施循环的环节, 例如污水处理自动控制体系、堆肥自动控制体系等进一步完善之后, 就有可能把植物生产、动物生产、循环过程按照农业生态学原理配套成精准控制、高效运转的绿色生产体系。

目前还没有综合性的生态农业应用软件。要设计出能够综合多类型信息, 而且能够面对千家万户的这类软件有一定的难度, 但是, 如果能够下决心开展联合协作研究, 相信在已有的信息收集、存储和分析利用的基础上, 可以在不久的将来被研发出来。这类软件的研制成功之后, 将可以自动识别农场所在区域的土壤、气候特征, 农户可以通过输入对农业生产对象的偏好就能够获得多样化的生态农业模式的推荐, 就像购物软件对消费者推荐不同的“商品”那样。软件还会用多种图像与文字手段向农户具体展现这些生态农业模式和技术手段, 包括3D图像, 就像目前各种购房软件能够向潜在买家充分展示出“房间”的魅力那样。生态农业软件也将能够像使用游戏软件获得各种“游戏”进阶操作选项那样, 获得生态农业不同阶段的实时种养技术选项; 能够像使用导航软件一步一步被“导航”到“目的地”那样, 一步一步完成生态农业体系的各阶段建设。

生态农业未来的另外一条发展路线就是依赖直接在生产一线实践生态农业的有心人, 一方面继承传统农业的实用“黑箱”方法, 通过细致入微的现象观察, 进行不断试错的渐进式调节; 另一方面在互联网条件下, 充分借助人工信息沟通渠道, 不仅广泛收集和借鉴各地生态农业的成果和经验, 而且通过农场生态农业信息的披露建立广泛的社会公信力。目前一批拥有高学历的“新农人”在各地开展有声有色的社区支持生态农业活动(Community Supported Agriculture, CSA)就属于这个类型[14]。如果CSA的农人们能够更加自觉地认识和利用农业生态系统的调控体系, 将有利于有效化解目前发展中的瓶颈, 强化生产者与消费者的联合优势, 更好地促进生态农业健康发展。

系统论、控制论和信息论是我国农业生态学体系构建的重要理论基础, 理解农业生态系统的调控机制有利于理解和继承我国农业的优秀传统, 有利于启迪农业生态学相关的基础研究与应用研究, 有利于推进在信息时代我国的农业生态转型。

[1] 魏宏森. 钱学森构建系统论的基本设想[J]. 系统科学学报, 2013, 21(1): 1−8 WEI H S. The basic idea about the formation of system’s theory by Qian Xuesen[J]. Journal of Systems Science, 2013, 21(1): 1−8

[2] 潘根兴. 试从系统论、控制论、信息论及耗散结构理论谈谈对土壤的认识[J]. 土壤通报, 1986, (3): 160−162PAN G X. A preliminary discussion on the recognition of soil on the perspective of system’s theory, control theory, information theory, and dissipative structure theory[J]. Chinese Journal of Soil Science, 1986, (3): 160−162

[3] 高亮之. 农业系统学基础[M]. 南京: 江苏科技出版社, 1993 GAO L Z. Fundamental of Agriculture System[M]. Nanjing: Scientific and Technology Press of Jiangsu Province, 1993

[4] ALTIERI M A. Agroecology —The Scientific Basis of Alternative Agriculture[M]. Berkeley: University of California, Berkeley, 1983

[5] GLIESSMAN S R. Agroecology (Second Edition) — The Ecology of Sustainable Food Systems[M]. New York: CRC Press, 2007

[6] GLIESSMAN S R. Agroecology (Third Edition) — The Ecology of Sustainable Food Systems[M]. New York: CRC Press, 2015

[7] COX G W, ATKINS D. Agricultural Ecology —An Analysis of World Food Production Systems[M]. San Francisco: W. H. Freeman and Company, 1979

[8] 骆世明, 陈隶华, 严斧. 农业生态学[M]. 长沙: 湖南科技出版社, 1987 LUO S M, CHEN L H, YAN F. Agroecology[M]. Changsha: Scientific and Technology Press of Hunan Province, 1987

[9] 王留芳. 农业生态学[M]. 西安: 陕西科技出版社, 1994 WANG L F. Agroecology[M]. Xi’an: Scientific and Technology Press of Shaanxi Province, 1994

[10] 陈阜. 农业生态学[M]. 北京: 中国农业大学出版社, 2002 CHEN F. Agroecology[M]. Beijing: China Agricultural University Press, 2002

[11] 骆世明. 农业生态学[M]. 北京: 中国农业出版社, 2017 LUO S M. Agroecology[M]. Beijing: China Agricultural Press, 2017

[12] PATTEN B C, ODUM E P. The cybernectic nature of ecosystem[J]. American Naturists, 1981, (118): 886−895

[13] ODUM E P. 生态学——科学与社会之间的桥梁[M]. 何文珊. 译. 北京: 高等教育出版社, 2017: 55−57ODUM E P. Ecology: A Bridge Between Science and Society[M]. HE W S, trans. Beijing: Higher Education Press, 2017: 55−57

[14] 李琳璐. 乡村振兴背景下社区支持农业的发展机制研究[J]. 特区经济, 2019, 12(371): 132−135LI L L. Research on the development mechanism of community- supported agriculture under the background of rural vitalization strategy[J]. Special Zone Economy Issue, 2019, 12(371): 132−135

Influence of cybernetic theory, information theory, and system’s theory on the development of agroecology in China

LUO Shiming

(Institute of Tropical and Subtropical Ecology, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Cybernetic theory, information theory and system’s theory play an unique role on the formation of the disciplinary structure of agroecology during the early stage of agroecology development in China. In the discipline of agroecology in China, attentions were not only paid on energy and material flows, such as the structure of species, population, community, ecosystem and landscape, but also on information flow including natural information flow and artificial information flow, and on capital flow, including the value chain and its monetary representation, that is capital flow. Agroecology in China paid attention not only on the energy and material transformation structure of agroecosystem such as producer, consumer and decomposer, but also on the control and regulation of agroecosystem structure including natural control and regulation structure, and artificial control and regulation structure. In artificial control and regulation structure, direct control and indirect control approaches could be identified. Crop cultivation and animal raising actions exerted by the farmers on farm belong to direct control approach, and the market situation, government policy, national legislation, social tradition, education and information transmission which could affect the action of the farmers on farm, belong to indirect control mechanism. This disciplinary structure of agroecology based on cybernetic theory, information theory and system’s theory is essential to further exploration of the excellent traditional Chinese agricultural practices, to stimulate the thought on basic and applied agroecology research, and to open up new approach for the ecological transformation of agriculture in this information era.

Information theory; Cybernetic theory; System’s theory; Agroecology; Ecological agriculture;Agro-ecosysytem

10.13930/j.cnki.cjea.200693

骆世明. 系统论、信息论和控制论与我国农业生态学的发展[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2021, 29(2): 340-344

LUO S M. Influence of cybernetic theory, information theory, and system’s theory on the development of agroecology in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2021, 29(2): 340-344

S181; F224.1