前言

复杂系统是由大量相互作用的不同单元组成的自适应系统，具有层次性、鲁棒性、奇异性特点，它强调系统整体与部分之间不再是线性关系。处理与解决复杂系统问题需要从整体上考虑并解决问题，打破原有线性、均衡、简单还原的思维范式。农业水土资源系统复杂性研究不是单一的研究水资源与土地资源，而是以水资源系统、土地资源系统为子系统，探究更高层次的水土资源系统所具有的复杂性特征，对于区域农业水土资源可持续开发利用具有重大的理论与实践意义。

复杂性科学是“21世纪的科学”，熵、分形、混沌三种理论是复杂性科学理论框架的重要组成部分。熵具有测度方法简单、运算快速、抗干扰能力强等优点，可以用来描述复杂的、随机的、动态的、不可逆的自然过程，是衡量系统不确定性程度、状态混乱程度或无序程度的度量，已在医学、环境学、管理学、经济学、建筑学、信息科学、物理学、工程与地质学、天文学等诸多领域得到了广泛应用。因此，将熵理论应用于水土资源复合系统复杂性研究中具有重要的理论与实践意义。随着科学技术研究的不断进步和发展，人们越来越多地发现了大自然中许多彼此不存在任何线性关系的无序的、不稳定的和随机的现象，这些现象用传统的数学工具已无法描述，而分形学可以直接从纷繁复杂的系统本身入手，打破传统研究模式，为事物从极端有序到真正混沌都提供了一种定量描述的可能，也使得人们可以从混沌模糊的现象中准确把握复杂现象背后的本质和规律。水文现象和土壤系统本身具有典型的分形特性，将分形理论引入到水土资源系统研究中，既可以准确刻画系统复杂性演化特征，也可以充分展示分形理论在非线性系统分析中的优势。混沌是确定性非线性系统中变量之间相互作用产生的貌似随机的行为（内在随机性），即所谓确定系统的随机性，主要讨论系统对初始条件的极端敏感性、遍历性、拓扑传递性、周期点的稠密性等。众多研究表明，系统复杂性问题本身源于混沌边缘现象，混沌序列的基本特征量在一定程度上可以很好地定性定量描述系统的复杂性及其复杂性程度。混沌理论在水土资源相关研究中已经得到了初步应用，并取得了较好的成果。在考虑复杂性影响的基础上，混沌理论方法可以准确预测水土资源序列短时期内的波动变化，为进一步合理调配水土资源提供科学依据。

区域农业水土资源系统是典型的复杂系统。三江平原位于黑龙江省东北部，年粮食生产能力超过150亿kg，商品粮率高达80%以上，是黑龙江省粮食生产核心区与国家重点湿地生态功能区。首先，三江平原由于工程调蓄能力弱，地表水利用率不高，农业灌溉主要以开发地下水为主，井灌水田比例高达80%以上；其次，三江平原水利配套设施不完善，设计标准低，中低产田比例达到60%左右；同时，三江平原长期大面积开垦沼泽湿地、林地和草地，盲目开发、“重垦轻治”；另外，为了追求增产，三江平原农民长期过量、不合理地施用化肥、农药。在三江平原高强度农业开发的影响下，已经诱发了地下水位下降、水环境恶化、水土流失加剧、湿地生态功能退化等严重问题，三江平原农业水土资源开发利用中的复杂性特征日益明显，受到了国内学者的普遍关注。此种背景下，调整农业种植结构、缓解农业水土资源压力，是实现三江平原农业可持续发展的必然选择。因此，深入研究三江平原农业水土资源复合系统复杂性诊断方法、地域变化特征，进而进行农业水土水资源优化配置是非常重要的，可以为三江平原农业水土资源可持续利用提供科学依据，同时，对于推动黑龙江省“千亿斤粮食产能巩固提高工程”“三江平原现代农业综合配套改革试验区”“黑龙江、松花江、乌苏里江三江连通工程”建设及保障区域粮食安全、资源安全与生态安全具有重要理论与现实意义。

著者期望本书提出的农业水土资源系统复杂性测度分析方法，可以丰富完善系统复杂性应用基础理论体系，为国内相关领域从事系统复杂性研究的科技工作者提供借鉴与参考；同时也期望本书提出的复杂性视角下的区域农业水土资源优化配置模型可以为国内粮食生产核心区进行农业水土资源可持续利用研究提供一种研究模式。

全书共分六章，第一章介绍了复杂性科学的发展与复杂系统的内涵、基于熵理论、分形理论、混沌理论的水土资源系统复杂性研究进展、水土资源优化配置研究进展，由刘东、付强负责撰写；第二章介绍了目前较为先进适用的熵理论、分形理论、混沌理论等系统复杂性测度理论的基本原理与方法，由刘东、李天霄、赵丹负责撰写；第三章运用熵理论体系中的近似熵、样本熵、小波熵等方法对建三江管理局关键农业水资源系统要素 （地下水埋深、降水）复杂性和土地资源系统复杂性进行了综合测度分析，由刘东、王大伟负责撰写；第四章用分形理论体系中的时间序列分维、半方差分维、G P算法等方法对建三江管理局关键农业水资源系统要素 （地下水埋深、降水）复杂性和土地资源系统复杂性进行了综合测度分析，由刘东、王俊负责撰写；第五章运用混沌理论体系中的最大LYapunov指数法、Kolmogorov熵法等方法对建三江管理局关键农业水文系统要素 （地下水埋深、降水）复杂性和土地资源系统复杂性进行了综合测度分析，由刘东、李天霄、赵丹负责撰写；第六章构建了基于粒子群算法、协同进化遗传算法等智能优化算法的复杂性视角下建三江管理局水土资源优化配置模型，由王大伟、王俊负责撰写。

在本书编写过程中，著者参阅、借鉴了许多有关于水土资源系统复杂性与优化配置研究的学术论文及专著，在此向各位作者表示衷心感谢。另外，本书编写工作的顺利完成还得到了东北农业大学刘萌、于苗、于新伟等同志的大力协助，在此表示真诚的谢意。

由于本书是对三江平原建三江管理局水土资源系统复杂性测度及其应用研究的一次大胆尝试，加之编者水平有限，书中难免存在一些缺点和错误，恳请同行专家和广大读者多提宝贵意见，给予批评指正，著者将在今后的研究工作中加以改进。

注：本书得到国家自然科学基金（No.51579044、No.41071053、No.51479032）、“十二五”农村领域国家科技支撑计划课题子专题（No.2013BAD20B04-S3）、水利部公益性行业科研专项经费项目（No.201301096）、哈尔滨市创新人才研究专项资金（优秀学科带头人）（No.2013RFXXJ001）、黑龙江省教育厅科学技术研究项目（No.12531012）、黑龙江省水利科技项目（No.201319、No.201501、No.201503）、东北农业大学研究生科技创新基金（No.yjscx14069）的联合资助。

著者

2016年3月