论文摘要
生态系统是一个远离平衡的非线性复杂开放系统,与人类的关系密切,对于其有序结构的形成过程是研究的核心。几百年来,生态学家对于生态系统结构形成的研究从未间断过,许多经典的理论至今一直都在影响着我们,但由于这些理论是对结构形成宏观的、黑箱式的分析,不能以直观明了的形式展示出来,同时所得的结论也是在宏观层次上对生态系统有序结构形成的阐述和说明,并不能从微观角度说明系统结构形成的内部物理机制。带有约束条件的微分方程以及一些计算机建模手段虽然能对结构形成的过程进行分析,但由于仍存在种种约束和缺陷,也并不是最有效的方法。本文针对这些历史遗留的困难问题展开分析,并根据生态系统有序结构形成的特点,基于非平衡统计力学思想,从动力学角度提出了生态系统演化的基本原理,即最大流原理:一个远离平衡的开放系统,总是寻找一种优化过程,使得系统在给定的约束或代价下所获得的广义流最大。由此导出生态系统有序结构形成动力学方程的通用形式。从微观动力学角度对生态系统有序结构形成进行深层次的阐述,同时得出它也是城市形成、社会发展、自然界变化的“普适定律”。选取普遍存在分形生长过程和演替规律的典型生态系统案例,提出用人工神经网络的方法进行模拟分析,由此展现了生态系统结构一般生长过程和演替模式,给出了结构形成的动力学过程和量化的结果,从理论和实证的角度得到生态系统有序结构生成的动力学过程和机理。理论和模拟结果不仅对生态系统的结构形成的内部变化过程给出阐述,同时也可作为生态系统的修复、重建、优化的理论支柱。本文对于生态系统结构的研究结果也可以推动复杂性科学相应的研究进展。