1.3　環(huán)境類問題的系統(tǒng)特點(diǎn)

1.3.1　系統(tǒng)的元素和元素的特征

環(huán)境科學(xué)的研究對象常常非常復(fù)雜，必須以系統(tǒng)化的思想去認(rèn)識，將對象在一定的框架下分解和綜合，在系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)以研究對象的特征定義元素。

比如說淺海生態(tài)系統(tǒng)，為了研究簡便，著名的NPZD淺海生態(tài)模型把生態(tài)系統(tǒng)中諸多物種歸類為4個(gè)大類，它們是：營養(yǎng)鹽（Nutritive Salt）、自養(yǎng)浮游植物（Phytoplankton）、食植浮游動物（Zooplankton）以及碎屑（Debris），如圖1.1所示。當(dāng)然也可以各個(gè)物種自成一類，獨(dú)立研究。而淺海生態(tài)系統(tǒng)中物種數(shù)量十分繁多，可想而知這樣做則會將問題復(fù)雜化，同時(shí)相對弱化物種類別之間的關(guān)系。

“元素”和“關(guān)系”構(gòu)成了“系統(tǒng)”。對研究體系“元素”和“關(guān)系”的歸納都必須建立于研究對象或物質(zhì)的功能或特征這些屬性上。NPZD淺海生態(tài)系統(tǒng)中，四類物質(zhì)營養(yǎng)鹽、自養(yǎng)浮游植物、食植浮游動物以及碎屑各扮演淺海生態(tài)系統(tǒng)的一種“元素”，取而代之以具體生物為繁復(fù)的劃分。而劃分這些類別的標(biāo)準(zhǔn)，在于其在淺海生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量循環(huán)過程中所表現(xiàn)出的功能或功用。這種功能上的差異即為“特征”。具體地講，元素間關(guān)系能夠成立的核心在于抓住了物種是否能夠通過利用光源合成有機(jī)物質(zhì)而維持生命這一特征。NPZD系統(tǒng)模型則清晰地表達(dá)出了物質(zhì)之間物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化和走向。因此所謂“特征”即是劃分系統(tǒng)元素建立元素關(guān)系的切入點(diǎn)，系統(tǒng)框架或模型建立的關(guān)鍵。

1.3.2　系統(tǒng)的層次

元素間關(guān)系的間接性，以及系統(tǒng)和元素的相對性決定了系統(tǒng)具有層次性。有時(shí)一個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜，元素本身還可以繼續(xù)再被進(jìn)行細(xì)化，將第一層元素再次劃分為由若干子元素所組成的子系統(tǒng)。子系統(tǒng)和大系統(tǒng)之間處于兩個(gè)層次。存在子系統(tǒng)的大系統(tǒng)具備系統(tǒng)的層次。子系統(tǒng)內(nèi)部元素之間存在關(guān)系，各個(gè)子系統(tǒng)在大系統(tǒng)內(nèi)部彼此存在關(guān)系，由于關(guān)系的間接性，不同層次子系統(tǒng)可以被定義。這可以拿微生物工藝系統(tǒng)說明^［2］。

一般認(rèn)為，微生物生長和微生物產(chǎn)品的生產(chǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具備四個(gè)層次。其從低到高依次是：分子水平層次、單細(xì)胞層次、種群層次和生物反應(yīng)器層次，最后由生物反應(yīng)器組成系統(tǒng)整體，如圖1.2所示。

首先生化工藝系統(tǒng)是整個(gè)生產(chǎn)的宏觀系統(tǒng)，各個(gè)反應(yīng)器是生化工藝系統(tǒng)的子系統(tǒng)，此為0層系統(tǒng)。而各個(gè)反應(yīng)器本身是復(fù)雜的生化系統(tǒng)，為第一層子系統(tǒng)。其由微生物種群體系構(gòu)成。微生物種群之間以競爭、捕食、共生等生物間關(guān)系組成此第二層次子系統(tǒng)，當(dāng)中各微生物種群為第二層次子系統(tǒng)的子系統(tǒng)。微生物種群是第三層子系統(tǒng)，其由細(xì)胞為子系統(tǒng)構(gòu)成。細(xì)胞之間由微生物代謝、物質(zhì)交換建立聯(lián)系，此為第四層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。更進(jìn)一步，在分子化學(xué)角度上觀察第四層系統(tǒng)的子系統(tǒng)。有機(jī)物質(zhì)與無機(jī)物質(zhì)為系統(tǒng)元素，其間通過生物化學(xué)反應(yīng)建立元素間聯(lián)系。如有必要，出于細(xì)致研究無機(jī)物質(zhì)之間化學(xué)反應(yīng)的考慮，還可以將無機(jī)物質(zhì)體系作為最底層微觀系統(tǒng)。

對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行多層次劃分對弄清元素間的關(guān)系十分重要。因?yàn)樵亻g的關(guān)系是在子系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的，不同子系統(tǒng)內(nèi)部的元素之間是通過子系統(tǒng)發(fā)生相互影響的，它們之間只存在間接關(guān)系。

當(dāng)系統(tǒng)元素眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，應(yīng)當(dāng)正確對系統(tǒng)分層討論，這樣有利于清晰系統(tǒng)內(nèi)部各種復(fù)雜關(guān)系，因?yàn)楹芏鄷r(shí)候系統(tǒng)內(nèi)部元素之間的影響是間接的但是又是不可忽略的，若只在一個(gè)層次上定義系統(tǒng)，則為囫圇吞棗而必將引起混亂。

而且，各子系統(tǒng)所體現(xiàn)的內(nèi)容并不一定相同，支配各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部元素間相互作用的關(guān)系的類型也并不一定相同。比如說如上例子中，0層系統(tǒng)內(nèi)部的反應(yīng)器之間通過傳質(zhì)建立聯(lián)系，以下系統(tǒng)內(nèi)部通過生物化學(xué)過程建立聯(lián)系。這個(gè)例子大體是按照宏觀與微觀上的尺度差異劃分系統(tǒng)層次的，并不排除以其他方式劃分系統(tǒng)層次。

子系統(tǒng)的定義也有助于分解問題規(guī)模，便于子系統(tǒng)優(yōu)化和系統(tǒng)間工程優(yōu)化。

1.3.3　系統(tǒng)的功用和定義方式

定義系統(tǒng)框架和劃分或定義系統(tǒng)內(nèi)部元素不僅取決于研究對象的客觀屬性，很大程度上還取決于人們的視角。而這與人把握系統(tǒng)時(shí)的目的和出發(fā)點(diǎn)有關(guān)，即系統(tǒng)的功用。

拿“城市”這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)舉例。城市是人工與自然環(huán)境的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，人的活動在其中占有重要地位，而城市系統(tǒng)可以從不同視角進(jìn)行分析。從城市的服務(wù)功能上定義城市系統(tǒng)對象，可以將其視為交通職能子系統(tǒng)、城市水循環(huán)子系統(tǒng)以及城市社區(qū)、商業(yè)區(qū)、工業(yè)區(qū)子系統(tǒng)的組合。如果從經(jīng)濟(jì)關(guān)系上劃分城市，以公民個(gè)體為元素所構(gòu)成的企業(yè)或者經(jīng)濟(jì)實(shí)體被視為城市的子系統(tǒng)。其結(jié)合城市資源條件子系統(tǒng)，組成城市整體經(jīng)濟(jì)體有機(jī)整體。此又是一種城市系統(tǒng)的解剖方案。其實(shí)對城市的認(rèn)知方式還有很多，這就說明了系統(tǒng)定義的多樣性。

實(shí)際上，“城市”是什么并不十分重要，關(guān)鍵是研究者要拿“城市”做什么。比如說，為了合理配置城市的各種服務(wù)功能，優(yōu)化城市的運(yùn)轉(zhuǎn)，則就應(yīng)該將城市視為服務(wù)功能的組合。如為了優(yōu)化城市的經(jīng)濟(jì)行為，則可以將城市定義為經(jīng)濟(jì)體系統(tǒng)來研究。在這種視角下甚至可以將市政府看做特殊的企業(yè)，其以改善資源利用和投資環(huán)境的付出為成本，以稅收為收益，而被視為城市這一宏觀經(jīng)濟(jì)體系統(tǒng)的最重要統(tǒng)籌關(guān)系。這并不是在說“政府是企業(yè)”，而是在承認(rèn)政府的行政和管理職能的基礎(chǔ)上， 在運(yùn)行方式上，不否認(rèn)政府具備某種企業(yè)的特征。這是由研究對象的復(fù)雜性所決定的。

系統(tǒng)的定義方式取決于人們處理事物的功能視角，和其某方面的功能特征。回到現(xiàn)實(shí)功用上，系統(tǒng)的認(rèn)識對應(yīng)于系統(tǒng)的可操作性。雖然對對象認(rèn)識的角度各有不同，但現(xiàn)實(shí)功用是認(rèn)識和理論的落腳點(diǎn)。

1.3.4　環(huán)境科學(xué)的系統(tǒng)視角

不管在什么層次上認(rèn)識事物，事物既可以被當(dāng)做一個(gè)整體，也可以被化整為零。“劃分”和“整合”的依據(jù)就是研究對象的功能特征和相互聯(lián)系。具備共同特征的被認(rèn)為是一類事物，聯(lián)系緊密的一組事物被視為一個(gè)系統(tǒng)。這是研究者對客體的認(rèn)知，如以上所舉淺海生態(tài)系統(tǒng)的例子，以及在任何層次上和生物工藝系統(tǒng)及其子系統(tǒng)的例子等無不說明這一點(diǎn)。

有一種系統(tǒng)觀叫“反應(yīng)器”系統(tǒng)觀或者“反應(yīng)器”系統(tǒng)視角。在化工過程領(lǐng)域或者環(huán)境工程領(lǐng)域中，經(jīng)常需要研究某一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)部物質(zhì)的轉(zhuǎn)化細(xì)節(jié)，用于過程模擬和優(yōu)化。比如吸附分離過程所使用到的固定床反應(yīng)器、污水處理所使用到的沉降池或曝氣池等。反應(yīng)器是人造的反應(yīng)轉(zhuǎn)化裝置，是一種相對簡單的系統(tǒng)。物質(zhì)的質(zhì)量進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)部能夠受控地發(fā)生傳遞和轉(zhuǎn)化，這種控制主要是保證質(zhì)量的轉(zhuǎn)化過程不至于受到無關(guān)物質(zhì)侵入的干擾，不僅在質(zhì)量上，這種相對的封閉性也可以體現(xiàn)在熱量上，比如絕熱容器。反應(yīng)器是研究者所熟知的對象，自然地，研究者也會遷移地使用反應(yīng)器的思想視角去類比思考和研究復(fù)雜體系內(nèi)部的傳遞、轉(zhuǎn)化現(xiàn)象和過程。比如對湖泊水質(zhì)的研究，很多模型將湖泊視為一個(gè)巨大的“反應(yīng)器”，相對地將體系“封閉”起來考慮。在這個(gè)前提下再去觀察湖泊內(nèi)部主要物質(zhì)或所有物質(zhì)的組成及其傳遞和轉(zhuǎn)化關(guān)鍵問題。這里，湖泊好比一個(gè)魚缸。更為復(fù)雜的是有關(guān)某地區(qū)大氣質(zhì)量的研究，研究者將這個(gè)地區(qū)空間范圍視為一個(gè)“反應(yīng)器”。雖然體系并不封閉，但是輸入、輸出體系的質(zhì)量、動量甚至熱量完全被認(rèn)為是可探知甚至可測量的，剩下的就是觀察在這個(gè)區(qū)域及空間范圍內(nèi)部物質(zhì)的轉(zhuǎn)化的細(xì)節(jié)了。

“反應(yīng)器”系統(tǒng)有兩個(gè)基本特征。其一，系統(tǒng)相對封閉而不確定性可控；其二，守恒律原理是系統(tǒng)的支配性原理，系統(tǒng)內(nèi)部的傳遞或轉(zhuǎn)化行為基本由質(zhì)量、動量和能量的守恒律原理所支配。

環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的反應(yīng)器系統(tǒng)觀是一種簡化。其將所有物質(zhì)的輸入或輸出視為已知，認(rèn)為不管系統(tǒng)多么復(fù)雜，其都是一個(gè)相對封閉的體系，內(nèi)部的物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程不會受到不確定因素的干擾，或干擾可以忽略。這種系統(tǒng)觀，直接斬?cái)嗔伺c主要觀察對象聯(lián)系稀松的其他對象與主體的牽連，排除外界干擾，將主要觀察對象相對地封閉起來處理，能夠抓住復(fù)雜問題的主要方面，而在環(huán)境科學(xué)的許多研究中被廣泛使用。然而其適用的范圍也是有限的，原因還是其“不確定性可控”的特點(diǎn)。如果某個(gè)湖泊的水體與地下水系相通，但是地下水體系的結(jié)構(gòu)無從觀察，處于未知，則關(guān)于此湖泊內(nèi)物質(zhì)的傳遞過程將存在明顯的不確定性因素，傳統(tǒng)的水質(zhì)模型失效。另一種情況，對于較為封閉的湖泊，即便與其連通的河流的位置已知及其輸入、輸出的通量可測，當(dāng)其底泥過于深厚時(shí)，傳統(tǒng)的水質(zhì)模型也將失效。

應(yīng)該說，包括信息不明在內(nèi)的各種不確定性有時(shí)難以徹底排除，但是傳統(tǒng)的“反應(yīng)器”視角下的系統(tǒng)模型發(fā)展較為成熟，也十分可靠。因此，這里仍然建議縮小討論范圍，以有限系統(tǒng)化的處理方式定義系統(tǒng)，而盡可能在信息明確的范圍內(nèi)研究關(guān)系和組成，在“反應(yīng)器”視角下用好經(jīng)典的守恒律系統(tǒng)模型。對于隨機(jī)因素或不確定因素影響顯著的問題，建議用發(fā)展比較成熟的傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論和方法。

還有一種系統(tǒng)觀叫“經(jīng)濟(jì)體”的系統(tǒng)視角。城市主要是人工生態(tài)系統(tǒng)，或者城市是企業(yè)和個(gè)體以及政府的合成，是一個(gè)清晰的經(jīng)濟(jì)體機(jī)構(gòu)。其中各元素以價(jià)值關(guān)系建立聯(lián)系，存在的運(yùn)行規(guī)則可以是人依據(jù)最優(yōu)化原理建立的。再有，污水處理廠是一系列工藝設(shè)備的集成，盡管當(dāng)中每個(gè)設(shè)備可以看做是個(gè)反應(yīng)器，但是如果要對污水處理的效益（效果）進(jìn)行優(yōu)化，則應(yīng)該將整個(gè)污水處理體系視為“經(jīng)濟(jì)體”系統(tǒng)：整個(gè)污水處理系統(tǒng)的總效益（效果）由各個(gè)工藝單位的各自效益（效果）共同決定，雖然它們之間通過傳質(zhì)建立聯(lián)系，但是支配系統(tǒng)的基本原理不是“反應(yīng)器”的守恒律原理，而是總處理效益（效果）意義下的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化原理。

以上舉了幾個(gè)例子實(shí)際上相對簡單，尚可以“反應(yīng)器”或“經(jīng)濟(jì)體”已知的系統(tǒng)視角理想化處理，找到其中的量化關(guān)系。而對于某些研究對象，卻很難使用固定的量化方法去完整把握它，比如各類生態(tài)系統(tǒng)等等。實(shí)際上，使用系統(tǒng)的思維方法和觀察視角的最終目的是要幫助研究者將問題清晰化而非復(fù)雜化。與其追求過于復(fù)雜的學(xué)科綜合，不如回到個(gè)別具體學(xué)科內(nèi)部。所以有限系統(tǒng)化、具體問題具體分析以及聚焦復(fù)雜對象關(guān)鍵問題十分重要。