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森林生态系统的自组织

已有 4592 次阅读 2010-6-8 13:00 |个人分类:关于科研|系统分类:论文交流

“自组织”是现代非线性科学和非平衡态热力学最令人惊异的发现之一。理论研究的典型实例如“Bénard”元胞、化学上的“B-Z”反应(化学波与化学钟)、以及生命体、生态系统和后来生物学上的种群竞争现象(Lotka- Volterra模型)等。这些系统或现象都有下列的共同特征:1. 都具有“活”的有序结构,即由微观粒子的不停运动构成,需要外界不断供给物质或能量来维持和发展;2. 对称性破缺;3. 自催化(或自组织)的非线性作用;4. 分岔,也就是存在反展演化的多种可能性 Prigogine, 1980)。Prigogine 和他的同事认为,有序、稳定性和耗散之间存在着密切的联系。

从热力学的观点来说,“自组织”是指一个系统通过与外界交换物质、能量和信息,而不断地降低自身的熵含量,提高其有序度的过程(Nicolis & Prigogine, 1977)。Prigogine (1969) 认为开放系统的熵变可以分为两部分,一部分是系统本身由于不可逆过程引起的熵变,称为熵产diS;另一部分是系统与外界交换物质和能量引起的熵变,称为熵流deS,那么系统的熵增dS = diS + deS。对于不可逆过程diS 0,在孤立系统中deS 0,因而对于孤立系统dS = diS 0,这就是热力学第二定律中的熵增原理。然而,对于与外界有物质和能量交换的开放(或封闭)系统,系统的熵流 deS 可以大于、小于或等于零,当deS < 0,当deS的绝对值大于diS时,则有dS = diS + deS < 0,这时系统的总熵减小,系统由无序趋于有序,当diS deS 时,则dS = 0,系统保持稳态(远离热力学平衡态的一个动态稳定状态)。在热力学非平衡态的条件下,系统通过不断地与外界交换物质和能量,自动产生一种自组织现象,组成系统的各个子系统会形成一种相互协同的作用,从原来的无序状态变为一种时间和空间上具有一定功能的有序结构,这种非平衡状态下的稳定有序结构就是所谓的耗散结构。

耗散结构是一种复杂的自组织系统,与普通自组织系统相比,它必须是一个非线性体系,依靠涨落触发其耗散结构形成。生态系统具有以下特点:1. 系统是开放的。生态系统能够自发的从外界摄取物质和能量,以维持自身的新陈代谢和发展,在物质循环和能量流动过程中,不断有物质和能量进出生态系统;2. 要求外界输入达到一定的阈值。对于不同的生态系统,这个阈值的量、甚至质都是不同的,超出这个阈值,系统向着新的方向发展或者崩溃;3. 自组织性。系统内存在复杂的负反馈过程,能够利用外界物质和能量输入,减少系统内部的熵增,维持系统的有序性;4. 自组织过程由外界的涨落形成,并不断发展演化。生态系统不仅能够通过摄取外界能量维持自身的结构和发展,而且能够随着环境的改变突变出新的结构、发展新的功能。因此生态系统是一种复杂的自组织系统,是耗散结构。能够自动从外界获取能量是形成自组织结构的必要条件,是系统开放性的体现,负反馈过程是自组织结构的重要特征,是减小系统内部熵增的唯一途径,因此,本人将生态系统的自组织能力定义为能量获取能力和负反馈强度的综合体现

自组织理论与热力学的结合,为我们探索生态系统发展方向提供了重要线索,让人们意识到生态系统的发展是偶然和必然共同作用的结果。



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1 陈国文

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