1.3　环境类问题的系统特点

1.3.1　系统的元素和元素的特征

环境科学的研究对象常常非常复杂，必须以系统化的思想去认识，将对象在一定的框架下分解和综合，在系统内部应以研究对象的特征定义元素。

比如说浅海生态系统，为了研究简便，著名的NPZD浅海生态模型把生态系统中诸多物种归类为4个大类，它们是：营养盐（Nutritive Salt）、自养浮游植物（Phytoplankton）、食植浮游动物（Zooplankton）以及碎屑（Debris），如图1.1所示。当然也可以各个物种自成一类，独立研究。而浅海生态系统中物种数量十分繁多，可想而知这样做则会将问题复杂化，同时相对弱化物种类别之间的关系。

“元素”和“关系”构成了“系统”。对研究体系“元素”和“关系”的归纳都必须建立于研究对象或物质的功能或特征这些属性上。NPZD浅海生态系统中，四类物质营养盐、自养浮游植物、食植浮游动物以及碎屑各扮演浅海生态系统的一种“元素”，取而代之以具体生物为繁复的划分。而划分这些类别的标准，在于其在浅海生态系统物质循环和能量循环过程中所表现出的功能或功用。这种功能上的差异即为“特征”。具体地讲，元素间关系能够成立的核心在于抓住了物种是否能够通过利用光源合成有机物质而维持生命这一特征。NPZD系统模型则清晰地表达出了物质之间物质和能量转化和走向。因此所谓“特征”即是划分系统元素建立元素关系的切入点，系统框架或模型建立的关键。

1.3.2　系统的层次

元素间关系的间接性，以及系统和元素的相对性决定了系统具有层次性。有时一个系统比较复杂，元素本身还可以继续再被进行细化，将第一层元素再次划分为由若干子元素所组成的子系统。子系统和大系统之间处于两个层次。存在子系统的大系统具备系统的层次。子系统内部元素之间存在关系，各个子系统在大系统内部彼此存在关系，由于关系的间接性，不同层次子系统可以被定义。这可以拿微生物工艺系统说明^［2］。

一般认为，微生物生长和微生物产品的生产系统结构具备四个层次。其从低到高依次是：分子水平层次、单细胞层次、种群层次和生物反应器层次，最后由生物反应器组成系统整体，如图1.2所示。

首先生化工艺系统是整个生产的宏观系统，各个反应器是生化工艺系统的子系统，此为0层系统。而各个反应器本身是复杂的生化系统，为第一层子系统。其由微生物种群体系构成。微生物种群之间以竞争、捕食、共生等生物间关系组成此第二层次子系统，当中各微生物种群为第二层次子系统的子系统。微生物种群是第三层子系统，其由细胞为子系统构成。细胞之间由微生物代谢、物质交换建立联系，此为第四层系统结构。更进一步，在分子化学角度上观察第四层系统的子系统。有机物质与无机物质为系统元素，其间通过生物化学反应建立元素间联系。如有必要，出于细致研究无机物质之间化学反应的考虑，还可以将无机物质体系作为最底层微观系统。

对系统的结构进行多层次划分对弄清元素间的关系十分重要。因为元素间的关系是在子系统内部发生的，不同子系统内部的元素之间是通过子系统发生相互影响的，它们之间只存在间接关系。

当系统元素众多、结构复杂时，应当正确对系统分层讨论，这样有利于清晰系统内部各种复杂关系，因为很多时候系统内部元素之间的影响是间接的但是又是不可忽略的，若只在一个层次上定义系统，则为囫囵吞枣而必将引起混乱。

而且，各子系统所体现的内容并不一定相同，支配各个子系统内部元素间相互作用的关系的类型也并不一定相同。比如说如上例子中，0层系统内部的反应器之间通过传质建立联系，以下系统内部通过生物化学过程建立联系。这个例子大体是按照宏观与微观上的尺度差异划分系统层次的，并不排除以其他方式划分系统层次。

子系统的定义也有助于分解问题规模，便于子系统优化和系统间工程优化。

1.3.3　系统的功用和定义方式

定义系统框架和划分或定义系统内部元素不仅取决于研究对象的客观属性，很大程度上还取决于人们的视角。而这与人把握系统时的目的和出发点有关，即系统的功用。

拿“城市”这个复杂系统举例。城市是人工与自然环境的复合生态系统，人的活动在其中占有重要地位，而城市系统可以从不同视角进行分析。从城市的服务功能上定义城市系统对象，可以将其视为交通职能子系统、城市水循环子系统以及城市社区、商业区、工业区子系统的组合。如果从经济关系上划分城市，以公民个体为元素所构成的企业或者经济实体被视为城市的子系统。其结合城市资源条件子系统，组成城市整体经济体有机整体。此又是一种城市系统的解剖方案。其实对城市的认知方式还有很多，这就说明了系统定义的多样性。

实际上，“城市”是什么并不十分重要，关键是研究者要拿“城市”做什么。比如说，为了合理配置城市的各种服务功能，优化城市的运转，则就应该将城市视为服务功能的组合。如为了优化城市的经济行为，则可以将城市定义为经济体系统来研究。在这种视角下甚至可以将市政府看做特殊的企业，其以改善资源利用和投资环境的付出为成本，以税收为收益，而被视为城市这一宏观经济体系统的最重要统筹关系。这并不是在说“政府是企业”，而是在承认政府的行政和管理职能的基础上， 在运行方式上，不否认政府具备某种企业的特征。这是由研究对象的复杂性所决定的。

系统的定义方式取决于人们处理事物的功能视角，和其某方面的功能特征。回到现实功用上，系统的认识对应于系统的可操作性。虽然对对象认识的角度各有不同，但现实功用是认识和理论的落脚点。

1.3.4　环境科学的系统视角

不管在什么层次上认识事物，事物既可以被当做一个整体，也可以被化整为零。“划分”和“整合”的依据就是研究对象的功能特征和相互联系。具备共同特征的被认为是一类事物，联系紧密的一组事物被视为一个系统。这是研究者对客体的认知，如以上所举浅海生态系统的例子，以及在任何层次上和生物工艺系统及其子系统的例子等无不说明这一点。

有一种系统观叫“反应器”系统观或者“反应器”系统视角。在化工过程领域或者环境工程领域中，经常需要研究某一个反应器内部物质的转化细节，用于过程模拟和优化。比如吸附分离过程所使用到的固定床反应器、污水处理所使用到的沉降池或曝气池等。反应器是人造的反应转化装置，是一种相对简单的系统。物质的质量进入反应器内部能够受控地发生传递和转化，这种控制主要是保证质量的转化过程不至于受到无关物质侵入的干扰，不仅在质量上，这种相对的封闭性也可以体现在热量上，比如绝热容器。反应器是研究者所熟知的对象，自然地，研究者也会迁移地使用反应器的思想视角去类比思考和研究复杂体系内部的传递、转化现象和过程。比如对湖泊水质的研究，很多模型将湖泊视为一个巨大的“反应器”，相对地将体系“封闭”起来考虑。在这个前提下再去观察湖泊内部主要物质或所有物质的组成及其传递和转化关键问题。这里，湖泊好比一个鱼缸。更为复杂的是有关某地区大气质量的研究，研究者将这个地区空间范围视为一个“反应器”。虽然体系并不封闭，但是输入、输出体系的质量、动量甚至热量完全被认为是可探知甚至可测量的，剩下的就是观察在这个区域及空间范围内部物质的转化的细节了。

“反应器”系统有两个基本特征。其一，系统相对封闭而不确定性可控；其二，守恒律原理是系统的支配性原理，系统内部的传递或转化行为基本由质量、动量和能量的守恒律原理所支配。

环境科学领域的反应器系统观是一种简化。其将所有物质的输入或输出视为已知，认为不管系统多么复杂，其都是一个相对封闭的体系，内部的物质转化过程不会受到不确定因素的干扰，或干扰可以忽略。这种系统观，直接斩断了与主要观察对象联系稀松的其他对象与主体的牵连，排除外界干扰，将主要观察对象相对地封闭起来处理，能够抓住复杂问题的主要方面，而在环境科学的许多研究中被广泛使用。然而其适用的范围也是有限的，原因还是其“不确定性可控”的特点。如果某个湖泊的水体与地下水系相通，但是地下水体系的结构无从观察，处于未知，则关于此湖泊内物质的传递过程将存在明显的不确定性因素，传统的水质模型失效。另一种情况，对于较为封闭的湖泊，即便与其连通的河流的位置已知及其输入、输出的通量可测，当其底泥过于深厚时，传统的水质模型也将失效。

应该说，包括信息不明在内的各种不确定性有时难以彻底排除，但是传统的“反应器”视角下的系统模型发展较为成熟，也十分可靠。因此，这里仍然建议缩小讨论范围，以有限系统化的处理方式定义系统，而尽可能在信息明确的范围内研究关系和组成，在“反应器”视角下用好经典的守恒律系统模型。对于随机因素或不确定因素影响显著的问题，建议用发展比较成熟的传统统计学理论和方法。

还有一种系统观叫“经济体”的系统视角。城市主要是人工生态系统，或者城市是企业和个体以及政府的合成，是一个清晰的经济体机构。其中各元素以价值关系建立联系，存在的运行规则可以是人依据最优化原理建立的。再有，污水处理厂是一系列工艺设备的集成，尽管当中每个设备可以看做是个反应器，但是如果要对污水处理的效益（效果）进行优化，则应该将整个污水处理体系视为“经济体”系统：整个污水处理系统的总效益（效果）由各个工艺单位的各自效益（效果）共同决定，虽然它们之间通过传质建立联系，但是支配系统的基本原理不是“反应器”的守恒律原理，而是总处理效益（效果）意义下的经济最优化原理。

以上举了几个例子实际上相对简单，尚可以“反应器”或“经济体”已知的系统视角理想化处理，找到其中的量化关系。而对于某些研究对象，却很难使用固定的量化方法去完整把握它，比如各类生态系统等等。实际上，使用系统的思维方法和观察视角的最终目的是要帮助研究者将问题清晰化而非复杂化。与其追求过于复杂的学科综合，不如回到个别具体学科内部。所以有限系统化、具体问题具体分析以及聚焦复杂对象关键问题十分重要。