复合系统协调度及其应用

　　原文刊载于《中国科学院院刊》2025年第11期"政策与管理研究”，本文为精简改编版

　　齐珂1,2,3 朱教君1,2,3 滕德雄1,2,3 郑晓1,2,3 张怀清4

　　1. 中国科学院沈阳应用生态研究所

　　2. 森林生态与保育重点实验室（中国科学院）

　　3. 辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站

　　4. 中国林业科学研究院资源信息研究所

　　复合系统（CS）是由多子系统复合而成的有机整体，具有经子系统相互关联、作用而整体协同运行的特性，即复合系统协调性。复合系统协调度（CDoCS）是定量描述该特性的指标，其大小直接体现系统的效能与稳定性。随着社会发展，如何认知、量化、提升各类复合系统（如“山水林田湖草沙”复合生态系统、社会-经济-自然复合生态系统等）的协调水平等问题日益受到关注。

　　复合系统协调性原理与CDoCS已广泛应用于多领域。在地理国情普查与国土空间规划中，CDoCS用于量化“资源-环境-生态-经济-社会”多系统关系并支撑决策；在城市化研究中，复合系统协调性原理为城市自组织理论发展及产业、交通等规划提供支撑；在区域发展领域，复合系统协调性原理则服务于环境综合治理、水资源优化配置、“三生”空间耦合等目标。

　　然而，现有CDoCS研究多沿用城市管理领域的协调发展度或耦合协调度概念及测度思路，这类管理学方法通过计算系统指标变异系数反映离散程度，缺乏对CDoCS内涵的全面体现，难以支撑机理分析与跨领域应用。目前，仍缺乏普适性的CDoCS量化方法，及符合复合系统协调性原理、可用于任意复合系统优化调控的框架。

　　本研究基于CDoCS定义提出贴合其内涵的量化方法，在此基础上使用数理语言将复合系统协调性原理表达为“协调度-约束”双系统机理模型；以该模型为核心，建立了CDoCS量化方法框架与应用流程。本研究旨在构建兼具普适性、机理性与可操作性的CDoCS评价优化框架，为“山水林田湖草沙”、自然-经济-社会等现实复合系统的调控提供指导，为实现可持续发展提供科学依据。

　　1 复合系统协调度的理论与内涵

　　复合系统的定义

　　系统是由若干相互关联、相互作用的要素组成的具有特定功能的有机整体。我国著名物理学家钱学森教授认为，系统是由互相作用且相互关联的各个部分联合形成的具有特定功能及效用的有机整体。复合系统是由多个相互关联的不同属性子系统构成的具有特定结构和功能的开放复杂整体。构成复合系统的子系统在自身不断变化的同时，彼此交错、相互作用，共同影响复合系统的整体动态特性与演化发展。由生物群落和非生物环境构成的生态系统、人口-资源-环境-基础设施交织形成的城市生态系统、人类活动与自然环境相互作用产生的社会-生态系统，均为典型的复合系统。在生态文明建设理念中，“山水林田湖草沙”即为针对复合生态系统交错复杂和丰富多样特点的直观描述。

　　复合系统的特征

　　复合系统具有集合性、层次性、异质性、关联性、动态性和开放性等基本特征，这些特征共同作用使系统整体呈现协调性。集合性是复合系统最基本的特征，1个复合系统至少由2个及以上子系统构成。层次性体现为系统结构的层级划分，系统与子系统处于不同地位。异质性指各子系统在结构特征和功能机理上存在多重差异，使系统形成异质格局，功能融合互补带来非线性特征。关联性表现为子系统通过相互作用形成整体，合理结构下可产生远超各部分功能之和的“协同效应”，协调不足则可能导致整体功能弱化。动态性意味着系统及子系统的结构、功能、相互作用关系和协调程度随时间演化，与环境的互动亦处于动态过程。开放性体现为系统与外部环境持续进行物质、能量和信息交换，既被动适应环境又主动改造环境。

　　复合系统协调性的基础

　　复合系统协调性理论是基于系统控制论、运筹学和协同学提出的跨学科研究框架，系统科学在其他学科的应用催生了地球系统科学、系统生物学等交叉领域。经典系统论核心假设为系统具有封闭性、确定性和静态性，认为系统功能完全由内部结构决定，功能水平取决于结构协调程度。而现代开放系统理论强调系统与环境的动态交互，指出功能不仅依赖结构，还取决于与环境的互动适应，现实中“结构-功能-环境”的协同维持系统动态平衡。在解析复杂机理时，若将“环境”视为外部要素，“结构决定功能”原则可解释协调性形成机理，这一假设在复合生态系统、复合地质系统的协调性研究中至关重要。

　　复合系统协调性原理

　　复合系统协调性是指系统通过子系统间的合作、互补、同步等关联，呈现协调结构和状态的特征。具体而言，在复合系统中，以子系统目标协调为基础，通过外界调控使各子系统实现结构协调，进而推动功能配合促进，达成结构-功能协调稳定、全局最优的状态。由于复合系统兼具独立性与开放性，其发展受现实条件影响，因此协调性内涵还包含系统内外部因素共同作用的动态调节机制。

　　复合系统协调性内涵涵盖目标、结构、功能、管理、内外协调五大要素（图1），可分为内部与外部2个维度。其中，目标协调是内在依据，结构协调是功能协调的基础，功能协调源于结构协调并是协调性的具体表现，管理协调指调控主体与系统客体间的协调，是实现系统最优状态的必备条件，内外协调则是在外界现实条件约束下高效利用资源和维持系统运作的前提。从系统视角看，目标、结构、功能协调属于内部协调，管理与内外协调属于外部协调。

　　图1 复合系统协调性原理概念图

　　复合系统协调度

　　复合系统协调度是定量评价复合系统协调性水平的指标，度量的是对复合系统与理想协调状态贴近程度，本质是刻画复合系统状态的标量函数。在已有理论中，协调度的数理表达是复合系统状态集合指向整体功能效应的映射实函数C（图2），其中X为复合系统所有可能状态的集合，R为对应协调度数值的集合。

　　图2 复合系统协调度映射实函数C示意图

　　2 复合系统协调度量化方法与应用框架

　　明确协调度量化方法，则可通过数理语言描述协调性原理，建立以协调度为核心、连接系统格局状态与协调水平的机理模型。该模型可用于评价现实复合系统协调水平、揭示问题并制定优化方案，以下介绍量化方法、机理模型及管理框架。

　　复合系统协调度的量化

　　依据协调性内涵，协调度也包含目标、结构、功能等多类指标。系统内部，结构协调度决定功能发挥水平，功能水平又影响目标达成程度。管理实践中，需通过提升结构协调度强化功能协调度，再调整目标协调度以实现总体目标最优。因此，协调度函数C可拆解为量化结构-功能协调度的函数F和量化目标协调度的函数T。

　　为准确体现协调度内涵，采用系统当前状态与理想状态的差异作为测度依据。以i个目标的达成程度Ui定义复合系统综合效应，在Ui构成的抽象多维空间中，基于欧氏距离建立目标协调度函数T。由于每个目标由多项功能实现，且功能受特定结构特征影响，结构-功能协调度函数F由各功能的结构-功能协调度子函数构成，通过明确这些子函数即可完成F的构建，最终通过复合函数C实现协调度的量化。

　　基于复合系统协调度的“协调度-约束”机理模型

　　对协调性原理进行数学描述，即将复合函数C作为“协调度”系统，将系统受到的外界条件约束（即各函数有效区间）作为“约束”系统，共同构成“协调度-约束”双系统机理模型。该模型全面体现了复合系统协调性内涵，通过对设定协调度水平进行多约束多目标优化求解，可得到对应协调度水平下的系统结构格局。

　　图3 “协调度-约束”双系统机理模型示意图

　　应用“协调度-约束”机理模型的复合系统协调管理框架

　　确定模型适用范围是模型应用的前提。复合系统的层次性决定了模型应用需匹配相应范围或尺度，适用范围呈现高层次到低层次的嵌套特征，对应宏观、中观、微观尺度，最低层次的最小适用范围是基础。在区域生态学中，生态复合系统的适宜研究范围被定义为以关键介质为纽带、结构完整、过程连续、功能统一的综合体。对于一般复合系统，最小适用范围可界定为保障结构与功能完整的最小区域，需结合结构完整与功能完整两方面分析划定。

　　以“协调度-约束”模型（图3）及适用范围为基础可以构建适用于任意复合系统的协调管理方法框架（图4）。该框架包含3个步骤：① 检验研究对象及应用场景与框架的匹配性和适用性；② 结合研究对象具体信息构建模型并明确适用范围；③ 运用框架对系统进行优化调控。通过实施该框架，可实现复合系统协调度评价与优化方案制定，通过提升协调度增强系统整体功能，这一过程即为复合系统的协调管理。

　　图4 复合系统协调管理方法框架

　　3 复合系统的协调管理难点

　　复合系统的管理难点核心在于对其自身复杂性认知不足及管理措施实施的现实阻碍，以“山水林田湖草沙”复合生态系统治理为例说明如下。

　　认知与技术支撑不足。“山水林田湖草沙”是自然与人类活动交织的社会-经济-自然复合生态系统，由林、草、田等多要素构成，要素间的互作协同使系统呈现复杂非线性动态反馈关系，并随时空尺度演化。对区域协同效应机制认识不清，导致生态修复常局限于局部，缺乏区域尺度整合，治理呈碎片化。系统动态演化的复杂性与不确定性，也增加了规划决策难度，亟需适应性管理策略。

　　治理方案与顶层设计整合困难。我国生态治理体系涵盖国土空间规划、生态保护红线等多项国家层面布局，复合生态系统治理方案需与这些具有法律约束力的规划深度协调，这依赖跨部门、跨层级的深度协同，增加了方案设计与实施的复杂度。

　　资源矛盾与不合理利用加剧困境。待修复区域多存在资源短缺问题，如“三北”地区国土面积占比46.7%，水资源却仅占总量14%且持续减少。粮食需求与利益驱动下，该区域农田面积从1978年的2806万公顷增至3996万公顷，农业耗水占比30%—50%，远超防护林的7.8%，水土配置失衡尖锐。生态认知薄弱与意识不足催生的短期行为，导致过度垦殖、放牧等问题反复出现，使治理成果面临流失风险。

　　“三生”目标失衡导致成果不可持续。经济发展与生态保护的冲突长期存在，地方普遍采用“重生态轻经济”模式，引发生态治理与民生的矛盾。如荒漠化治理中，过度追求林草覆盖率压缩了农牧民生产空间，草畜平衡政策与牧民生计的冲突尚未解决。在生态价值核算与生态产业无法形成“治沙—富民—增绿”良性循环时，不合理开发行为易反复，治理效果难以持续。

　　管护机制与资金保障不完善。生态修复涉及多主体协调，因缺乏统筹衔接，生态项目与国土空间开发难以协同。资金需求上，当前以财政投入为主，市场化融资机制不健全，资金缺口突出。另外，后期经营管护、监测评估等缺失，也导致治理效果难以持续巩固。

　　4 复合系统协调管理框架的实践路径

　　针对上述难点，以荒漠化综合治理为例，介绍复合系统协调管理实践路径。

　　更新治理理念，明确协调内涵。从复合系统视角出发，识别区域生态系统基本特征与协调度内涵，匹配治理需求与实施过程。荒漠化综合治理对象为沙区复合生态系统，由农田、林地、草地、水体、建设用地和沙地及未利用裸地共六类生态系统构成，其数量配置与空间格局决定系统结构。治理需以“三生”目标协同、综合效益最大化为核心，明确生态、生产、生活目标的具体内涵，在水资源等成本约束下，通过调控系统结构提升防风固沙等核心功能，并兼顾生产、生活需求。

　　科学划分治理范围，推进跨区联防联治。治理适用范围是保障系统结构完整与功能完备的最小单元，需将其与国土空间规划等顶层设计整合，形成跨省联防联治布局。在治理沙区时，风是主导因素，水是核心约束，因此整合流域与风域形成的地理单元为适用治理范围。在使用治理范围内，评估系统协调水平并优化工程布局，以阻断沙尘传输、控制荒漠化蔓延。

　　构建“三生”目标协调模型，建立资源约束框架。将多目标发展与约束条件整合为“协调度-约束”双系统机理模型。“协调度”系统包含上层“三生”目标协调度函数与下层结构-功能协调度函数，“约束”系统则整合各类约束条件。在治理沙区时，全量水资源是核心约束，另外还包括水土空间匹配度、资金成本及数学基本条件等约束。

　　应用管理框架制定优化方案，实现综合治理。通过评价复合系统目前协调度，以理想协调度水平为目标，运行协调管理框架获得优化方案，制定提升复合系统协调度水平的实现方案。在治理沙区时，实施流程为：先计算沙区治理范围内的协调度，评估“三生”目标协调现状；再以预期协调度为目标求解双系统模型，得到对应结构格局与优化方案；最优方案可通过多轮求解，结合不同空间优化模式调整形成。

　　综上，本研究基于复合系统协调性原理，提出了以协调度为核心的复合系统协调管理框架，以期为“山水林田湖草沙”治理及社会-经济-自然复合系统管理提供理论支撑，为广泛领域的管理实践提供科学参考。

　　作者简介

　　齐 珂 中国科学院沈阳应用生态所特别研究助理、博士后。研究方向为防护林生态学、荒漠化防治、景观生态学。

　　朱教君 中国工程院院士。中国科学院沈阳应用生态研究所所长、研究员；辽宁清原森林生态系统国家野外科学观测研究站站长。长期从事防护林生态和林业生态工程研究。

　　文章来源

　　齐珂, 朱教君, 滕德雄, 等 . 复合系统协调度及其应用 . 中国科学院院刊, 2025, 40(11): 1982-1992.

　　DOI: 10.3724/j.issn.1000-3045.20250513006.

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