复杂生态系统的无标度理论研究及其实证分析

论文摘要

本文将生态系统考量为生命系统和环境系统在特定空间的组合，在将人为因素作为独立因素纳入其中之后，得到了复杂生态系统的概念，使得复杂生态系统内部以及系统与系统外部之间存在的能量流动和由此推动的物质循环呈现出异于经典理论的特征，并将其确定为本文的研究对象。本文以生态学、系统科学和管理科学等为理论基础，以云南龙江水利枢纽工程为背景，结合具体实际情况，运用耗散结构理论、自组织理论、系统动力学理论和无标度网络理论等研究复杂生态系统中人、自然(生态、资源、环境)与经济、社会的相互关系和运行机制，探索其演化过程，对复杂生态系统的无标度性进行了研究。生态系统是当前生态学和可持续发展研究的重中之重。而复杂生态系统概念的提出必然导致传统理论的研究对象和方法的不科学性。本文揭示了复杂生态系统的耗散结构和自组织的特征，并在此基础上分析了复杂生态系统演化的特征和过程。同时针对研究对象的系统性，从复杂网络理论的角度提出了并证明了复杂生态系统的无标度性，对建立复杂生态系统的无标度网络模型和运用模型的演化进行预测的可能性进行了详尽的论证。其基本思路是对复杂生态系统中的各个组织单元所对应的网络节点的属性及其所属连接进行计算，以判定该节点是网络中的集散节点还是普通节点。而后利用复杂网络理论的相关概念证明任何对集散节点足够大的扰动必然使系统崩溃，而对普通节点的扰动却会消散在其鲁棒性之中。本文利用复杂生态系统独特的反馈和扩散机制，设计了计算无标度网络节点间连接概率的新算法，并针对经典理论中无限增长的缺陷提出了节点和连接消失的模拟方法，并利用系统动力学理论证明了该算法演化过程的无标度性。该算法可以很好地模拟复杂生态系统中各种物质和信息流的传递方向和扩散性，对真实地模拟复杂生态系统具有重要意义。文中在生态群落的层面上，将不同层次的生态系统概念作为网络的节点，将复杂生态系统内的各种物质和信息流作为相关节点间的连接，利用复杂生态系统所特有的反馈和扩散机制，构建了复杂生态系统的一般性无标度网络模型，切实地模拟现实中的生态系统的演化状态。最后本文利用翔实的数据，对复杂生态系统的无标度网络模型进行了实证分析，印证了其可行性和可操作性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景、意义及立论依据
• 1.2 理论基础
• 1.3 国内外研究现状
• 1.4 研究目标、内容和方法
• 1.5 小结
• 第2章 生态系统要素分析
• 2.1 生态系统的结构分析
• 2.2 生态因子特性
• 2.3 生态因子分析
• 2.4 生态系统的主要过程
• 2.5 小结
• 第3章 复杂生态系统的系统特性
• 3.1 复杂生态系统是远离平衡态的耗散结构
• 3.2 复杂生态系统具有自组织临界性
• 3.3 小结
• 第4章 复杂生态系统的无标度分析
• 4.1 无标度网络的定义
• 4.2 无标度网络是研究复杂生态系统的正确方法
• 4.3 无标度网络的拓扑特征参数
• 4.4 利用无标度网络理论研究复杂生态系统所须做出的改进
• 4.4 小结
• 第5章 复杂生态系统的无标度网络模型
• 5.1 复杂生态系统组成因子网络结构
• 5.2 复杂生态系统无标度网络模型
• 5.3 复杂生态系统无标度网络模型的增长动态性与度分布
• 5.4 小结
• 第6章 关于云南龙江水利枢纽工程的实证分析
• 6.1 项目简介
• 6.2 环境现状
• 6.3 构建评估区环境现状网络模型
• 6.4 利用无标度网络理论对评估区生态环境的预测
• 6.5 建设项目对评估区生态环境影响的预测
• 6.6 综合评价与结论
• 6.7 小结
• 第7章 全文总结与研究展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 附录 A：攻读博士学位期间发表的论文
• 附录 B：攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致谢