农牧结合生态系统物流模型的建立、评价与博弈决策研究
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摘要
对农牧结合生态系统的物流情况进行分析，是考察生态系统整体结构特征的重要手段。通过分析物流情况，了解系统中物质循环的特点，从而对系统具有整体性的把握，无疑对于进行实际操作的系统决策者进行决策具有重要的指导意义。对物流模型进行理论分析，当前已经有了一些比较成型的方法，本研究将在已有方法的基础上，引入一些较为前沿的数学方法，试图从新的角度来探讨物流模型的理论分析，并从而得出有助于指导生产实践的有价值的结论。本文采用分室模型的方法，以黑龙江省双城市双城镇永和村的自然情况为依据，通过提取各分室和考察物质流动情况，建立了系统的线性微分方程组模型，并利用李雅普诺夫线性理论的方法，论证了模型的稳定性，得出系统在当前格局和输入输出情况下不受初值扰动干扰的结论。
对物流模型进行理论分析，将当前较为前沿的数学方法引入到物流模型的研究中，是本文的重要特点。研究从三个方向展开：
1．将信息理论与物流模型的研究挂接，定义了生态系统的信息熵和信息流量。以各分室输出量占总体的份额作为系统选择该分室的概率。通过对系统聚合度和冗余度的分析，推导了二者对各分室的灵敏度。计算结果表明，籽粒和土壤分室对系统的稳定性起重要作用：而调整畜牧业的结构，改变农肥的投入量等，可以有效地改善系统的物流情况，使系统向良性循环。
2．首次在生态系统物流模型的研究中运用了博弈论的方法。将各分室作为博弈的局中人，定义其各种不同的输出方案为策略，并引入混合策略的概念，从而定义了各分室的效用函数。效用函数与各分室信息熵输入的挂接，使整体模型更加完整。考虑到生态系统的复杂性，提取了土壤、作物、畜牧三个分室作为研究对象。推导了三方博弈的迭代公式，并运用MATLAB软件编制程序进行了计算。计算结果表明，决策者应该按照不同的概率选择农牧生态系统各分室的运行策略，以保障系统的纳什均衡。此方法不仅开拓了物流模型的理论分析领域，也为决策者的决策提供了科学、可靠的概率依据。
3．生态系统的可持续发展程度是决策者面对的一个重要问题，针对这一问题，本研究提出了一个新颖、实用的评价方法。根据全息生物学理论，生态系统与人体的生理系统有着很高的相似程度，将人体生理系统的血液循环状况与生态系统的物质循环状况相对比，搜寻相应的物流动力、物流阻力及循环压力差等概念。利用人体血液循环的机理，提取能客观反映生态系统物流状态的指标值，从而对生态系统的持续发展能力作出评价。变换模型参数，得到不同原始状态下的指标值，依据指标值，对生态系统的可持续发展程度进行划分。这一方法的提出，为决策者选择农牧生态系统的发展方向，提供了可持续发展方面的重要依据，并可在相似的领域或小区域进行推广。
The analysis of circumstance of material fiow of the mixed agri-ecosyst6m is the
-.
' l important means tO investigate the characteristic of the ecosystem's who]e constrUction .ln this
thesis,in using the method of divide the room model,depend on the natUral
' circumstance of YOngHe village,ShuangCheng town,ShuangCheng county in
Heilongiiang province, by the means of extrare the room and investigate the
circumstance of material flow, established the model of the liner differential equation set
abollt the ecosystCm,and use of the method of LiaPounov's liner theory,
demonstrating the stability of the model,and attain the conclusion of that the current
structUre and the input and outPut of the system are not affected by the varety of the initial
value.
The moSt importan charateriStic of this thesis is that theories analysis of the
material fiow model and take front line mathematics method to the research of
material flow model.
1.Hang the information theories and the research of material flow model to connect,
defined the information entropy and the information dischnye of the ecosystem. choicing
the room on the probability that depend on the portion of its outPut in the whole system.
Through the ana1ysis of Tedundancy and Ascendancy,deduced the sensitivity of both of
them to each room. The result of calculation indicatCd that the seeds and soil room
take the moSt important role in the system;And adusting the construction of the stock
raising, changing the quaity of fertilizer in use etc, which can improve the system's
circumStance of materal flow effectvely, and make the ecosystem develop to the
well-ordered cycle.
2.First make use of the theory of games in the research of the ecosystem material flow
modeI .Defining the different compartInent as the pIayers in the game,and the various project
of outout as Strategy At the same time, introduce in the conception of the mixed strategy .There
by Give the definition of utility funCtion of each individual compatment. By the connecting of
the utility function and the inpllt of information entropy, the whole model become more
. integrated* In considndion of the complekity of the ecosystem, ott the three compartment
of the soil, bo crop and livestock as the research objects. ln the paPef, the iterative formula
has been deduced in the game which there are three players. Make use of the MATLAB
software to compile the calculating program and the result eXPress f in order to guaranee the -
Nash equilibrium of the agficu1tUra1 ecos}'Stem, the decision maker shouId choose different
performing Strategy according to different probability This method not only exPand the theory
analysis field of the material flowing model, but also provide the decision maker with scientific
and reliable decision making foundation.
3.One important problem which in the face of the decision maker is the degree of the sustainable development .Be aimed at the problem ,this paper put forward a novel, practical evaluating method .According to the theories of holography biology, there is a high comparability between the physiological system of human-being and the ecosystem. By comparing the blood circulating condition of human physiological system with the material circulating condition of ecosystem, search for the corresponding the conceptions such as the motive and the resistance of material flowing ,the pressure dispatch of circulation. Establish a set of evaluating index which can objectively reflect the condition of material flowing in the ecosystem by use of the mechanism of blood circulation in human body. Transform the parameters in the model, different index value have been obtained corresponding different initial conditions. According to this index, the degree of the sustainable development has been distinguished. This method not only provide the decision maker with important foundation regarding to sustainable development in the choose the development direction, but also could be extended to similar research filed or some smal
对物流模型进行理论分析，将当前较为前沿的数学方法引入到物流模型的研究中，是本文的重要特点。研究从三个方向展开：
1．将信息理论与物流模型的研究挂接，定义了生态系统的信息熵和信息流量。以各分室输出量占总体的份额作为系统选择该分室的概率。通过对系统聚合度和冗余度的分析，推导了二者对各分室的灵敏度。计算结果表明，籽粒和土壤分室对系统的稳定性起重要作用：而调整畜牧业的结构，改变农肥的投入量等，可以有效地改善系统的物流情况，使系统向良性循环。
2．首次在生态系统物流模型的研究中运用了博弈论的方法。将各分室作为博弈的局中人，定义其各种不同的输出方案为策略，并引入混合策略的概念，从而定义了各分室的效用函数。效用函数与各分室信息熵输入的挂接，使整体模型更加完整。考虑到生态系统的复杂性，提取了土壤、作物、畜牧三个分室作为研究对象。推导了三方博弈的迭代公式，并运用MATLAB软件编制程序进行了计算。计算结果表明，决策者应该按照不同的概率选择农牧生态系统各分室的运行策略，以保障系统的纳什均衡。此方法不仅开拓了物流模型的理论分析领域，也为决策者的决策提供了科学、可靠的概率依据。
3．生态系统的可持续发展程度是决策者面对的一个重要问题，针对这一问题，本研究提出了一个新颖、实用的评价方法。根据全息生物学理论，生态系统与人体的生理系统有着很高的相似程度，将人体生理系统的血液循环状况与生态系统的物质循环状况相对比，搜寻相应的物流动力、物流阻力及循环压力差等概念。利用人体血液循环的机理，提取能客观反映生态系统物流状态的指标值，从而对生态系统的持续发展能力作出评价。变换模型参数，得到不同原始状态下的指标值，依据指标值，对生态系统的可持续发展程度进行划分。这一方法的提出，为决策者选择农牧生态系统的发展方向，提供了可持续发展方面的重要依据，并可在相似的领域或小区域进行推广。
The analysis of circumstance of material fiow of the mixed agri-ecosyst6m is the
-.
' l important means tO investigate the characteristic of the ecosystem's who]e constrUction .ln this
thesis,in using the method of divide the room model,depend on the natUral
' circumstance of YOngHe village,ShuangCheng town,ShuangCheng county in
Heilongiiang province, by the means of extrare the room and investigate the
circumstance of material flow, established the model of the liner differential equation set
abollt the ecosystCm,and use of the method of LiaPounov's liner theory,
demonstrating the stability of the model,and attain the conclusion of that the current
structUre and the input and outPut of the system are not affected by the varety of the initial
value.
The moSt importan charateriStic of this thesis is that theories analysis of the
material fiow model and take front line mathematics method to the research of
material flow model.
1.Hang the information theories and the research of material flow model to connect,
defined the information entropy and the information dischnye of the ecosystem. choicing
the room on the probability that depend on the portion of its outPut in the whole system.
Through the ana1ysis of Tedundancy and Ascendancy,deduced the sensitivity of both of
them to each room. The result of calculation indicatCd that the seeds and soil room
take the moSt important role in the system;And adusting the construction of the stock
raising, changing the quaity of fertilizer in use etc, which can improve the system's
circumStance of materal flow effectvely, and make the ecosystem develop to the
well-ordered cycle.
2.First make use of the theory of games in the research of the ecosystem material flow
modeI .Defining the different compartInent as the pIayers in the game,and the various project
of outout as Strategy At the same time, introduce in the conception of the mixed strategy .There
by Give the definition of utility funCtion of each individual compatment. By the connecting of
the utility function and the inpllt of information entropy, the whole model become more
. integrated* In considndion of the complekity of the ecosystem, ott the three compartment
of the soil, bo crop and livestock as the research objects. ln the paPef, the iterative formula
has been deduced in the game which there are three players. Make use of the MATLAB
software to compile the calculating program and the result eXPress f in order to guaranee the -
Nash equilibrium of the agficu1tUra1 ecos}'Stem, the decision maker shouId choose different
performing Strategy according to different probability This method not only exPand the theory
analysis field of the material flowing model, but also provide the decision maker with scientific
and reliable decision making foundation.
3.One important problem which in the face of the decision maker is the degree of the sustainable development .Be aimed at the problem ,this paper put forward a novel, practical evaluating method .According to the theories of holography biology, there is a high comparability between the physiological system of human-being and the ecosystem. By comparing the blood circulating condition of human physiological system with the material circulating condition of ecosystem, search for the corresponding the conceptions such as the motive and the resistance of material flowing ,the pressure dispatch of circulation. Establish a set of evaluating index which can objectively reflect the condition of material flowing in the ecosystem by use of the mechanism of blood circulation in human body. Transform the parameters in the model, different index value have been obtained corresponding different initial conditions. According to this index, the degree of the sustainable development has been distinguished. This method not only provide the decision maker with important foundation regarding to sustainable development in the choose the development direction, but also could be extended to similar research filed or some smal
引文
1、张伟东等，农业生态学若干理论的探讨，沈阳农业大学学报，1996(1)：21-25
2、鲁开宏等，论农业生态系统的几个显著特点，农村生态环境，1990(1)：36-38
3、E.T.Elliott等著，梁文举译，农业生态系统展望，世界科学，1991(4)：36-39
4、梁文举，农业生态系统研究的概况，农业系统科学与综合研究，1987(4)：11—12
5、张影清，试论我区农牧深度结合问题，交流资料
6、王树楼等，农牧结合综合开发实验，山西农业科学，1990(8)：22-24
7、余振华，生态农业中的畜牧业结构，农业现代化研究，1987(5)：-28
8、胡观成，农牧结合在农业生态系统中的作用，湖北畜牧兽医，1987(2)：7—10
9、程为国等，淮北农区几种农牧结合方式的研究，安徽农业科学，1992(1)：1—5
10、贾金龙等，浅山旱作区农牧结合的轮作制研究，青海农林科技，1994(2)：1-6
11、高峻岭等，农牧结合对土壤肥力及作物产量的影响，土壤肥料，1991(3)：11—14
12、雷天富等，论渭北旱塬农牧结合的特点及途径，黄牛杂志，1994(2)：60—63，1994(3)：55—56
13、梁业森等，黄淮海地区农牧结合的模式与效益，农业技术经济，1993(3)：22—25
14、蒿迈道，关于西北干旱地区实行农牧结合发展畜牧经济的几点想法，干旱地区农业研究，1994(1)：19—25
15、王树楼等，晋西北农牧结合技术配套研究与应用，1992(1)：17-23
16、黄国勤，农牧结合，开发江西饲料资源，国土与自然资料研究，1994(1)：31-33
17、王堪甲，陕北农牧结合的生态经济问题，生态学杂志，1992(5)：46-49
18、周旭英等，西南农区农牧结合的现状与前景，农业技术经济，1993(5)：23-26
19、梁业森等，我国的农牧结合模式，中国农业资源与区划，1995(2)：26-29
20、王无怠，略论农牧结合的农村畜牧业规模经营，甘肃畜牧兽医，1994(5)：39-40
21、曹志成等，试论农牧企业经营战略，黑龙江畜牧兽医，1993(7)：42-43
22、邢廷铣，农牧结合种植模式及其发展战略，农业现代化研究，1999(1)：46-49
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30、周纪纶，复合农业生态系统分析综合方法研究，农村生态环境，1986(3)、(4)、(5)
31、曾江海等，一个农牧结合生态系统营养循环的源、库、流，生态学杂志，1990(3)：38-41
32、陈士平等，CHAGAN，一个农牧结合生态系统氮循环的动态模拟程序，生态学报，1990(2)：127—132
33、卢兵友等，农业生态系统物质循环的系统分析，生态学杂志，1990(3)：38-41
34、谢贤政等，安徽省颍上县小张庄村畜牧业子系统能量与物质转化特征分析，农村生态环境，1990(3)：31-36
35、韩博平，生态网络中物质、能量流动的时间链分析，生态学报，1995(2)：163-168
36、刘铁斌等，农业生态系统物质循环的分室模型，农村生态环境，1988(4)：52-58
37、李兰海，农业生态系统能流分析指标的探讨，农业现代化研究，1988(1)：18—19
38、陈金林等，苏南丘陵次生栎林生态系统磷素循环的系统分析与预测，生态学杂志，2000(1)：1—5
39、王宏燕等，松嫩平原玉米带农业生态系统的研究——能流模型的建立与可持续性分析，东北农业大学学报，1999(3)：209-213
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42、周志翔等，康集生态农场物流结构及氮素循环效率的研究，生态农业研究，1994(4)：34-42
43、冷志杰等，一个农牧结合生态系统物流模型的建立及持续性分析，东北农业大学学报，1997(3)：287-293
44、伍杰等，川北防护林区地质背景岩土系统的非均衡映射，大自然探索，1998(2)：68—72
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46、孟军等，农牧结合生态系统关联稳定性分析，生物数学学报，1992(4)：68-72
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49、冷志杰，农牧结合生态系统物流模型的建立及持续性分析，硕士论文，1997
50、周东兴，松嫩平原农田草地交错带物流模型的建立及分析，硕士论文，1998
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73、胡永宏等，综合评价方法，科学出版社，2000
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83、谢永良等，农业现代化及其评价方法，农业现代化研究，1999(3)：147—151
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3、E.T.Elliott等著，梁文举译，农业生态系统展望，世界科学，1991(4)：36-39
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