第五节 生态经济学的系统生态模拟方法

生态模拟是指通过对生态系统的动力特性进行抽象建模，从而对该系统未来的行为和状态进行预测的方法。生态模拟的思想最早起源于20世纪20年代，这时数学模型开始进入生态学研究领域，以Lotka和Volterra的竞争和捕食模型（Lotka, 1922a、1922b、1925;Volterra, 1926）以及Verhust和Pearl的逻辑斯蒂模型（Logistic Growth Model）为典型代表（Pearl and Reed, 1920; Sibly and Hone, 2002）。随后的几十年间，生态数学模型建模者开始考虑更多复杂且不可忽略的生态因素，例如时滞效应、取食行为以及捕食和被捕食的功能响应、生物个体间差异等。

计算机技术的发展提高了人们处理复杂数学问题的能力，同时生态问题也变得空前复杂。人类活动与自然资源和环境承载能力的矛盾开始显现并日益突出，这些都促成了生态模拟向更能反映复杂生态问题的方向发展，同时生态模型也开始由微观领域逐渐向包括人类活动和社会经济领域在内的宏观方向发展，人们开始借助计算机分析复杂的宏观系统问题。

20世纪60～70年代是理论生态学和生态模拟发展的黄金阶段。国际生态模拟学会于1975年成立，其会刊Ecological Modelling在同年创刊，并在日后成为从事生态研究和生态模拟的主要学术阵地。著名生态学家Jørgensen教授担任学会秘书长和会刊主编。生态模拟开始受到广泛的关注，美国、加拿大、西欧、中国等国家和地区的学者都广泛地开展了生态模拟研究，研究领域涉及陆地生态系统（Suzuki et al. , 1993; Goto et al. , 1994; Stapleton et al. , 2004）、水生生态系统（Swartzman and Rose, 1984; Voinov and Akhremenkov, 1990; Xu, 1999; Cabecinha et al. , 2004）、种群动力学（Malchow，1995; Osho, 1996; Chaloupka, 2002; Rivot et al. , 2004）以及社会经济系统模拟（Braat and Lierop, 1986; Costanza and Gottlieb, 1998;Costanza and Voinov, 2001）等。

以人类工业经济系统为主要模拟对象的代表性学科领域是由美国麻省理工学院Forrester教授于20世纪50～60年代提出的工业动力学（Industrial Dynamics），该学科主要为产业的发展做决策（Forrester, 1961）。Forrester教授将工业动力学的理论与方法进行提炼，使之更适用于一般系统问题，形成了系统动力学（System Dynamics）的基本理论框架和方法，并开发了一套辅助模型构建的图形语言，这些图形语言包括状态变量、辅助变量、源、汇、流和流率控制阀等。系统动力学以信息反馈系统为研究对象，是一门认识和解决系统问题、沟通自然科学和社会科学等领域的交叉性、综合性学科。1969年，Forrester基于系统动力学的基本理论方法出版了Urban Dynamics（Forrester, 1969），将系统动力学的研究对象第一次真正从产业问题上升到更复杂、更宏观的城市问题。1971年，Forrester（1971）出版了World Dynamics，并建立了“世界模型Ⅱ”，使系统动力学的发展更为成熟。20世纪80年代，基于系统动力学的美国国家模型从银行、财政、税收、住房、劳力和资本等十几个方面全面研究了美国经济，尝试揭示经济滞胀和经济长波、中波以及商业周期等现象存在的内在原因。此外，系统动力学还在各国的部门、行业、企业的规划与政策制定中发挥重要的作用。在国内，系统动力学的应用已经深入人口、社会、经济、环境和生物等诸多领域（Guo et al. , 2001; Yuan et al. , 2008）。

无论是自然生态系统还是人类社会经济系统，其结构和问题的复杂性使得系统模拟用于实际系统分析和预测的时候面临许多困难，包括实际可用建模基础数据不足、经广泛验证的可参照模型的缺乏以及参数估计的主观干扰太多等。为了解决上述问题，研究者开始借助复杂的数学或者计算机手段来确定模型参数，包括混沌理论和分形理论（Jonckheere, 2006）、人工神经网络（Loehle, 1987; Tan and Smeins, 1996）等。Jørgensen将生态热力学指标用于各种生态模型当中，用生态对比热力学的概念，将“生态”作为目标函数来进行模型的参数估计，并建立了生态参数数据库。同时，他还主张使用目标函数开发生态结构动力学模型（Jørgensen, 1986、1999; Nielsen, 1992），用以描述生态系统结构的变化。尽管采取了上述方法和措施，生态系统模拟仍然面临着参数估计和校正的困难。由于涉及过多的数学建模和参数确定的复杂方法，生态系统模拟在实际政策分析中面临强大的阻力，其“政策实验室”的功能难以得到发挥。

系统生态模拟是将系统生态学基本理论和思路运用到生态系统模拟中，是系统生态学和生态系统模拟的有机结合。系统生态学是研究广义生态系统的学科，是系统学在生态学中的应用（Odum, 1971）。系统生态学主要研究系统内部的联系机制以及系统的整体性能（Odum, 1983）。作为最早将计算机模拟用于研究生态系统运行机制的生态学家之一，Odum从欧姆定律获得灵感（Odum, 1960），逐步发展和构建了一系列的宏观微机模型，这些模型构架均以系统生态学的基本思想为框架，以生态学的基本法则为建模依据（特别是功率最大化原理），借微机技术实现宏观系统的模拟仿真，我们称之为系统生态模拟方法。经过40多年的研究，Odum在系统生态模拟方面取得了非凡的成就和持久的影响力（Kangas, 1995）。他坚持计算机模拟能够帮助实现生态系统能流循环的可视化，并量化描述生态系统能流的动力机制。Odum在他的研究和教学生涯中一直强调运用系统生态模拟来理解生态系统的规律。其著作Systems Ecology（Odum, 1983）和Modeling for All Scales:An Introduction to System Simulation（Odum and Odum, 2000）全面体现了其将系统生态学与计算机模拟相结合的突出贡献。Odum充分认识到功率最大化原理广泛存在于各种尺度的系统之中（Odum, 1989），因此该原理成为系统生态模型建模的基本模式和依据。基于功率最大化设计，系统生态模拟能用最简单的方式高度整合、概括大尺度的复杂系统的本质结构和动力机制。这种模拟不是用来进行精确的预测，而更多的是用来帮助人们形象地理解系统的发展走向（Odum, 1989），获得对系统结构和功能动力机制的总体认识。相比于一般的生态模拟，系统生态模拟的宏观微机模型思想不局限于细节，遵循生态系统自身设计原理和规律，因此能够避免复杂的数学模型解释，也最大限度地减少了参数确立过程中的主观性和不确定性，尽可能地使模型贴近实际，从而更好地为宏观决策提供依据（Kangas, 1995）。

Odum的宏观微机模型的思想被广泛应用到各种尺度的系统模拟和预测中。1976年，Odum及其同事一起构建了全球资产演化模型，该模型反映了全球资产与可更新资源以及不可更新资源的关系，基于该模型整理的报告最终成为美国中长期的能源政策和方案（Odum and Odum, 2001）。Richardson等也开展了用来分析人类经济资产和自然资产关系的建模工作，通过模拟结果发现经济资产的波动与资源的消耗和再生积累周期有一定的对应关系（Richardson and Odum, 1981）。在研究城市能量系统演化机制的过程中，Huang和Chen（2005）构建了城市尺度的宏观微机模型，对台北市的资源消耗和土地资产的变化进行了模拟。