第五節 生態經濟學的系統生態模擬方法

生態模擬是指通過對生態系統的動力特性進行抽象建模，從而對該系統未來的行為和狀態進行預測的方法。生態模擬的思想最早起源于20世紀20年代，這時數學模型開始進入生態學研究領域，以Lotka和Volterra的競爭和捕食模型（Lotka, 1922a、1922b、1925;Volterra, 1926）以及Verhust和Pearl的邏輯斯蒂模型（Logistic Growth Model）為典型代表（Pearl and Reed, 1920; Sibly and Hone, 2002）。隨后的幾十年間，生態數學模型建模者開始考慮更多復雜且不可忽略的生態因素，例如時滯效應、取食行為以及捕食和被捕食的功能響應、生物個體間差異等。

計算機技術的發展提高了人們處理復雜數學問題的能力，同時生態問題也變得空前復雜。人類活動與自然資源和環境承載能力的矛盾開始顯現并日益突出，這些都促成了生態模擬向更能反映復雜生態問題的方向發展，同時生態模型也開始由微觀領域逐漸向包括人類活動和社會經濟領域在內的宏觀方向發展，人們開始借助計算機分析復雜的宏觀系統問題。

20世紀60～70年代是理論生態學和生態模擬發展的黃金階段。國際生態模擬學會于1975年成立，其會刊Ecological Modelling在同年創刊，并在日后成為從事生態研究和生態模擬的主要學術陣地。著名生態學家J?rgensen教授擔任學會秘書長和會刊主編。生態模擬開始受到廣泛的關注，美國、加拿大、西歐、中國等國家和地區的學者都廣泛地開展了生態模擬研究，研究領域涉及陸地生態系統（Suzuki et al. , 1993; Goto et al. , 1994; Stapleton et al. , 2004）、水生生態系統（Swartzman and Rose, 1984; Voinov and Akhremenkov, 1990; Xu, 1999; Cabecinha et al. , 2004）、種群動力學（Malchow，1995; Osho, 1996; Chaloupka, 2002; Rivot et al. , 2004）以及社會經濟系統模擬（Braat and Lierop, 1986; Costanza and Gottlieb, 1998;Costanza and Voinov, 2001）等。

以人類工業經濟系統為主要模擬對象的代表性學科領域是由美國麻省理工學院Forrester教授于20世紀50～60年代提出的工業動力學（Industrial Dynamics），該學科主要為產業的發展做決策（Forrester, 1961）。Forrester教授將工業動力學的理論與方法進行提煉，使之更適用于一般系統問題，形成了系統動力學（System Dynamics）的基本理論框架和方法，并開發了一套輔助模型構建的圖形語言，這些圖形語言包括狀態變量、輔助變量、源、匯、流和流率控制閥等。系統動力學以信息反饋系統為研究對象，是一門認識和解決系統問題、溝通自然科學和社會科學等領域的交叉性、綜合性學科。1969年，Forrester基于系統動力學的基本理論方法出版了Urban Dynamics（Forrester, 1969），將系統動力學的研究對象第一次真正從產業問題上升到更復雜、更宏觀的城市問題。1971年，Forrester（1971）出版了World Dynamics，并建立了“世界模型Ⅱ”，使系統動力學的發展更為成熟。20世紀80年代，基于系統動力學的美國國家模型從銀行、財政、稅收、住房、勞力和資本等十幾個方面全面研究了美國經濟，嘗試揭示經濟滯脹和經濟長波、中波以及商業周期等現象存在的內在原因。此外，系統動力學還在各國的部門、行業、企業的規劃與政策制定中發揮重要的作用。在國內，系統動力學的應用已經深入人口、社會、經濟、環境和生物等諸多領域（Guo et al. , 2001; Yuan et al. , 2008）。

無論是自然生態系統還是人類社會經濟系統，其結構和問題的復雜性使得系統模擬用于實際系統分析和預測的時候面臨許多困難，包括實際可用建模基礎數據不足、經廣泛驗證的可參照模型的缺乏以及參數估計的主觀干擾太多等。為了解決上述問題，研究者開始借助復雜的數學或者計算機手段來確定模型參數，包括混沌理論和分形理論（Jonckheere, 2006）、人工神經網絡（Loehle, 1987; Tan and Smeins, 1996）等。J?rgensen將生態熱力學指標用于各種生態模型當中，用生態對比熱力學的概念，將“生態”作為目標函數來進行模型的參數估計，并建立了生態參數數據庫。同時，他還主張使用目標函數開發生態結構動力學模型（J?rgensen, 1986、1999; Nielsen, 1992），用以描述生態系統結構的變化。盡管采取了上述方法和措施，生態系統模擬仍然面臨著參數估計和校正的困難。由于涉及過多的數學建模和參數確定的復雜方法，生態系統模擬在實際政策分析中面臨強大的阻力，其“政策實驗室”的功能難以得到發揮。

系統生態模擬是將系統生態學基本理論和思路運用到生態系統模擬中，是系統生態學和生態系統模擬的有機結合。系統生態學是研究廣義生態系統的學科，是系統學在生態學中的應用（Odum, 1971）。系統生態學主要研究系統內部的聯系機制以及系統的整體性能（Odum, 1983）。作為最早將計算機模擬用于研究生態系統運行機制的生態學家之一，Odum從歐姆定律獲得靈感（Odum, 1960），逐步發展和構建了一系列的宏觀微機模型，這些模型構架均以系統生態學的基本思想為框架，以生態學的基本法則為建模依據（特別是功率最大化原理），借微機技術實現宏觀系統的模擬仿真，我們稱之為系統生態模擬方法。經過40多年的研究，Odum在系統生態模擬方面取得了非凡的成就和持久的影響力（Kangas, 1995）。他堅持計算機模擬能夠幫助實現生態系統能流循環的可視化，并量化描述生態系統能流的動力機制。Odum在他的研究和教學生涯中一直強調運用系統生態模擬來理解生態系統的規律。其著作Systems Ecology（Odum, 1983）和Modeling for All Scales:An Introduction to System Simulation（Odum and Odum, 2000）全面體現了其將系統生態學與計算機模擬相結合的突出貢獻。Odum充分認識到功率最大化原理廣泛存在于各種尺度的系統之中（Odum, 1989），因此該原理成為系統生態模型建模的基本模式和依據。基于功率最大化設計，系統生態模擬能用最簡單的方式高度整合、概括大尺度的復雜系統的本質結構和動力機制。這種模擬不是用來進行精確的預測，而更多的是用來幫助人們形象地理解系統的發展走向（Odum, 1989），獲得對系統結構和功能動力機制的總體認識。相比于一般的生態模擬，系統生態模擬的宏觀微機模型思想不局限于細節，遵循生態系統自身設計原理和規律，因此能夠避免復雜的數學模型解釋，也最大限度地減少了參數確立過程中的主觀性和不確定性，盡可能地使模型貼近實際，從而更好地為宏觀決策提供依據（Kangas, 1995）。

Odum的宏觀微機模型的思想被廣泛應用到各種尺度的系統模擬和預測中。1976年，Odum及其同事一起構建了全球資產演化模型，該模型反映了全球資產與可更新資源以及不可更新資源的關系，基于該模型整理的報告最終成為美國中長期的能源政策和方案（Odum and Odum, 2001）。Richardson等也開展了用來分析人類經濟資產和自然資產關系的建模工作，通過模擬結果發現經濟資產的波動與資源的消耗和再生積累周期有一定的對應關系（Richardson and Odum, 1981）。在研究城市能量系統演化機制的過程中，Huang和Chen（2005）構建了城市尺度的宏觀微機模型，對臺北市的資源消耗和土地資產的變化進行了模擬。