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浅议流域侵蚀产沙系统的复杂性1 1 2 原立峰 ，周启刚 1.南京邮电大学电子信息科学系,南京（210003 ）； 2.重庆工商大学旅游学院,重庆(400067 ） E-mail ：yuanlifeng7833@126.com 摘 要：复杂性科学（Science of Complexity ）是在现代系统科学和非线性科学、人工智能、 模糊理论的基础上发展起来的研究复杂系统问题的学科。在概述复杂性科学的基础上，从其 基本原理和观点出发，对流域侵蚀产沙系统的复杂性进行了深入分析，指出开放性和动态性、 非平衡性和时空变异性、多尺度性、过程不可逆及多重耦合和性和非线性动力演化是流域侵 蚀产沙系统复杂性的主要表现特征，以此为线索对复杂性科学的研究方法在流域侵蚀产沙过 程模拟中的应用进行了较为系统的归纳，并对流域侵蚀产沙模型未来的研究趋势进行了展 望。 关键词：流域；侵蚀产沙系统；复杂性；土壤侵蚀模型 1 引言 复杂性科学（Science of Complexity）研究兴起于20世纪80年代初，是一门崭新的边缘、 交叉学科，是系统科学发展的一个新阶段。复杂性科学是以牛顿力学为代表的经典科学的对 立体，其理论框架包含现代系统科学、非线性科学等所有以复杂系统为研究对象的几乎所有 理论。有学者认为：复杂性科学是科学史上继“相对论”和“量子力学”之后的又一次科学革命， 圣塔菲研究所（Santa Fe Institute，SFI）的创始人George Cowan则称它为“21世纪的科学”[1， 2] 。 复杂性科学打破了线性、均衡、简单还原的传统范式，致力于研究非线性、非均衡和复 杂系统带来的种种新问题。它的出现极大地促进了科学的纵深发展，使人类对客观事物的认 识由线性上升到非线性、由简单均衡上升到非均衡、由简单还原论上升到复杂整体论。因此， 复杂性科学的诞生标志着人类的认识水平步入了一个崭新的阶段，将是科学发展史上又一个 新的里程碑。 流域侵蚀产沙系统是一个典型的非线性复杂系统，系统内部的侵蚀发育及演化过程是非 常复杂的现象，具有极大的不确定性和混沌特征，虽然其中存在一定的规律，但要精确的预 测它们的发展变化规律则是非常困难的。侵蚀产沙系统的复杂性特征决定了对该系统的研究 必须采用复杂性科学的理论和方法，才能使人们拨开重重迷雾，探索系统的本质规律。本文 从复杂性科学的视角重新审视流域侵蚀产沙系统，指出系统的五大复杂性特征，并对复杂性 科学研究方法在流域侵蚀产沙系统研究中的应用做了系统的归纳和总结，研究认为充分利用 现代科学技术，开展流域侵蚀产沙系统研究，对解决侵蚀过程模拟和推动土壤侵蚀学科的发 展具有重要意义。 2 复杂性科学概述 2.1 复杂性与复杂系统 目前，关于复杂性的定义尚没有一个统一的说法。我们日常所说的 “复杂性”或“复杂” 指的是混乱、杂多、反复等意思，而并非科学研究领域中与混沌、分形和非线性相关联的“复 杂性” 。 复杂性可以狭义地定义为：复杂性是指复杂系统由于内在要素的非线性相互作用而 本课题得到基金项目南京邮电大学“攀登计划”项目（NY206075）的资助。 - 1 - 产生的行为无序性的外在表现。复杂性概念在不同的学科领域，研究对象和分析方法各不相 同，存在多种不同的复杂性，例如，直观复杂性，计算复杂性，描述复杂性，算法复杂性， 有效复杂性和复杂度的“复杂性”等等[1] 。 [3] 对于复杂系统的定义目前至少有30多种，比较有代表性的一些是 ： ① 复杂系统就是混沌系统（混沌学派） ② 复杂系统是具有自适应能力的演化系统（SFI ） ③ 复杂系统是包含多个行为主体（Agent ）具有层次结构的系统