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复杂生态系统的无标度理论研究及其实证分析

关峻  
【摘要】: 本文将生态系统考量为生命系统和环境系统在特定空间的组合,在将人为因素作为独立因素纳入其中之后,得到了复杂生态系统的概念,使得复杂生态系统内部以及系统与系统外部之间存在的能量流动和由此推动的物质循环呈现出异于经典理论的特征,并将其确定为本文的研究对象。本文以生态学、系统科学和管理科学等为理论基础,以云南龙江水利枢纽工程为背景,结合具体实际情况,运用耗散结构理论、自组织理论、系统动力学理论和无标度网络理论等研究复杂生态系统中人、自然(生态、资源、环境)与经济、社会的相互关系和运行机制,探索其演化过程,对复杂生态系统的无标度性进行了研究。 生态系统是当前生态学和可持续发展研究的重中之重。而复杂生态系统概念的提出必然导致传统理论的研究对象和方法的不科学性。本文揭示了复杂生态系统的耗散结构和自组织的特征,并在此基础上分析了复杂生态系统演化的特征和过程。同时针对研究对象的系统性,从复杂网络理论的角度提出了并证明了复杂生态系统的无标度性,对建立复杂生态系统的无标度网络模型和运用模型的演化进行预测的可能性进行了详尽的论证。其基本思路是对复杂生态系统中的各个组织单元所对应的网络节点的属性及其所属连接进行计算,以判定该节点是网络中的集散节点还是普通节点。而后利用复杂网络理论的相关概念证明任何对集散节点足够大的扰动必然使系统崩溃,而对普通节点的扰动却会消散在其鲁棒性之中。 本文利用复杂生态系统独特的反馈和扩散机制,设计了计算无标度网络节点间连接概率的新算法,并针对经典理论中无限增长的缺陷提出了节点和连接消失的模拟方法,并利用系统动力学理论证明了该算法演化过程的无标度性。该算法可以很好地模拟复杂生态系统中各种物质和信息流的传递方向和扩散性,对真实地模拟复杂生态系统具有重要意义。 文中在生态群落的层面上,将不同层次的生态系统概念作为网络的节点,将复杂生态系统内的各种物质和信息流作为相关节点间的连接,利用复杂生态系统所特有的反馈和扩散机制,构建了复杂生态系统的一般性无标度网络模型,切实地模拟现实中的生态系统的演化状态。 最后本文利用翔实的数据,对复杂生态系统的无标度网络模型进行了实证分析,印证了其可行性和可操作性。


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