① 系統論及其方法
系統思想從它形成時起就是用於或為了解釋復雜現象的。古代人類的生產水平低下，對自然災害的抵禦能力很差，對自然界的認識停留在「系統思想」的水平上。那時，由於無法了解到自然界復雜現象的原因，人們只能從總體上、宏觀上採用思辨的方法來認識世界。人們把人的生老病死與自然界的現象聯系在一起形成了「天人合一」的世界觀，這種世界觀中包含有系統的思想。中國老莊哲學就反映了這種思想，他們用陰陽、五行、八卦的觀點來統一自然界的各種現象、統一人類與自然，這些就是整體觀點、運動變化觀點、綜合觀點等系統思想的具體體現。古希臘哲學家德漠克利特把宇宙看成一個統一的整體，從整體上進行研究，並把宇宙看成是由原子組成的，原子的運動和相互作用構成了整個宇宙的運動變化。他的專著《宇宙大系統》被認為是最早採用「系統」一詞的著作。
系統思想雖源遠流長，但作為一門科學的系統論，人們公認是加籍奧地利人、理論生物學家L.V.貝塔朗菲(L.Von.Bertalanffy)創立的。他於1945年發表了《關於一般系統論》的論文，宣告了這門新學科的誕生。確立這門新學科學術地位的是1968年L.V.貝塔朗菲發表的專著《一般系統理論——基礎、發展和應用》(《General System Theory：Foundations，Development，Applications》)。該書被公認為是這門學科的代表作。
任何科學的發展都是由生產的發展來促進、從對實際應用的研究而開始的，系統科學的發展也是出於客觀的需要，並且首先進行的是實際應用的研究。第二次世界大戰以前，人們對系統科學應用的研究已經開始，並取得了一定的成就，但那時的研究是孤立、分散、局部的。如美國科學家W.Leontief提出的投入產出模型，是用數學方法和電子計算機來研究各種經濟活動的投入產出之間的數量關系，特別是研究和分析國民經濟各個部門(各類產品)在產品的生產與消耗之間的數量依存關系，對科學的安排、預測和分析經濟活動起了重要作用。W.Leontief因此獲得了1973年的諾貝爾經濟科學獎，他所提出的方法也在世界各國普遍得到採用。
第二次世界大戰期間，由於戰爭的需要出現了各種實際問題，像如何布置炮火防禦系統以便更好地防止敵方飛機的空襲、如何搜索目標以便發現潛艇、如何計算火炮發射提前量以便對付高速飛行的飛機等等，這些問題既是實踐性非常強的具體問題，又具有很高的理論價值。第二次世界大戰結束以後，科學工作者將戰時研究的實際問題進行了理論上的提高和升華，建立了運籌學(Operational Research，簡稱 OR)、管理科學(Management Science)、控制論(Cybernetics)及資訊理論(Information Theory)等系統科學在應用基礎層次上的學科群體。例如，第二次世界大戰期間從事雷達和防空火力控制系統研究的N.維納(N.Wiener)在1948年出版了《控制論：關於在動物和機器中控制與通信的科學》，建立了控制論；美國數學家C.E.申農(C.E.Shannon)分別於1948年、1949年發表了兩篇著名的論文《通信的數學理論》、《雜訊中的通信》，奠定了資訊理論的基礎。
經過幾十年的發展，系統論已逐漸完善，並在各學科領域得到廣泛的應用。本書試圖以系統思想和方法為指導，在相關學科已有研究基礎上，通過對復雜的土地生態系統進行表生地球化學系統、岩土-水-農作物元素系統進行較系統的分析，提出一種建立在系統論及其方法論基礎上的農業地質地球化學評價方法。
(一)系統的概念與特徵
英文中系統一詞「system」，來源於古希臘文「systεmα」，是由部分組成整體的意思。今天人們從各種角度上研究系統，關於系統的定義有幾十種。例如，「系統是諸元素及其順常行為的給定集合」、「系統是有組織的和被組織化的全體」、「系統是有聯系的物質和過程的集合」、「系統是許多要素保持有機的秩序，向同一目的行動的東西」等等。我國著名學者錢學森認為「系統是由相互作用和相互依賴的若干組成部分(要素)結合成的具有特定功能的有機整體」。現代科學已經表明，物質世界普遍具有系統形式或屬性，從無機界到有機界，從原生生物到人類社會都是由特定要素組成、具有一定層次和結構，並與環境發生關系的整體。顯然，這里包括了系統、要素、結構、功能四個概念，也表述了要素與要素、要素與系統、系統與環境三方面的關系。
從系統的定義可以看出，一個具體的系統，必須具備三個條件：一是任何一個系統都必須由兩個以上的要素所組成；二是要素與要素、要素與整體、整體與環境之間存在著相互作用和相互聯系，即系統的內在組織形式和內部秩序——系統結構；三是系統整體具有確定的功能——系統與外部環境之間實現物質、能量、信息交換的秩序和能力。
一般地說，系統的性質是由要素所決定的，要素通過相互作用決定系統的結構和功能，當要素的數量和性質發生變化時，系統本身的結構和功能也就相應發生變化，但同時系統本身又可通過整體作用來支配和控制要素。比如乾旱地區的人地系統是由當地的水、氣、地、生四大要素組成的，當其中的某一要素如人口數量發生變化，並且超出了整個系統所能維持的最高能力——承載力時，則系統的結構和功能將會隨之改變，從而導致整個系統發生變化。
「環境」是另一個重要概念。所謂環境，是指系統存在的外部條件，也就是系統以外對該系統有影響、有作用的諸因素的集合。實際上環境就是同某一特定的系統相關的其他系統的統稱。當環境對系統加以影響和作用後，系統會做出相應的反作用，環境對系統的作用一般以系統的輸入來表示，系統對環境的作用以系統的輸出來表示。例如，人類社會屬於人地系統中的一個子系統，但相對於自然環境子系統來說它又屬於外部環境，因此人類活動與自然環境之間無時無刻不進行著物質、能量的輸入和輸出。可持續發展的最終目的，就是通過人類的輸入、輸出活動創造支持人地系統的外部適宜條件，從而使人類生活在一種更嚴格、更合適、更健康、更愉悅的環境之中。
(二)系統論的基本原理與屬性
系統整體性原理是系統論中的一個最基本原理。L.V.貝塔朗菲強調，任何系統都是一個有機的整體，它不是各個部分的機械組合或簡單相加，系統的整體功能是各要素在孤立狀態下所沒有的新質。他用亞里士多德的「整體大於部分之和」的名言來說明系統的整體性，反對那種認為要素性能好整體性能就一定好、以局部說明整體的機械論觀點。例如鋼筋混凝土結構的強度就大於鋼筋、水泥、沙石的強度之和；沒有孟母和伽羅華之母的悉心培養就沒有孟子、伽羅華的傑出才能；「三個臭皮匠等於一個諸葛亮」；「三個和尚沒水吃」等等。
L.V.貝塔朗菲還認為，系統中各要素不是孤立存在的，每個要素在系統中都處於一定的位置，起著特定的作用。要素之間相互關聯，構成了一個不可分割的整體。要素是整體中的要素，如果將要素從系統整體中割離出來，它將失去要素的作用。正像人手在人體中是勞動的器官一樣，一旦將手從人體中砍下來它將不再是勞動的器官了。系統整體性原理的實質，是揭示一定環境下系統整體與要素之間的關系，是對整體與部分關系的深化。因此，要改善和提高系統的整體功能，不僅要注重發揮每個要素的功能，更重要的是調整要素的組織形式，建立合理的結構，從而使系統整體功能優化。
動態相關性原理是整體性原理的延續和具體化。任何一個系統都是一個處在不斷發展、變化之中的動態系統，系統狀態是時間的函數，這就是系統的動態性；系統的相關性是指系統的要素之間、要素與系統整體之間、系統與環境之間的有機關聯性。正是由於系統內部諸要素之間、要素與系統整體之間、系統與環境之間的相互作用和相互聯系，構成了系統發展變化的根據和條件。開放系統與外界環境有物質、能量和信息的交換，系統內部結構也可以隨時間變化，因此一定要在系統和環境的相互聯系和相互作用中認識和改善系統。
層次等級性原理是把整個客觀世界看作一個結構有序的、多層次等級結構的統一體。客觀世界的多樣性、統一性正是通過層次性表現出來的。在一個系統中，無論結構還是功能都具有等級性，處於不同層次的等級系統，具有不同的結構，亦有不同的功能，所以L.V.貝塔朗菲說「等級秩序的一般原理顯然將是一般系統論的主要支柱」。
系統有序性原理也稱功能結構性原理，因為系統的有序性，就是表示系統結構實現系統功能的程度。系統的結構是指系統內部諸要素之間相互聯系、相互作用的形式與方式，是系統各「部分的秩序」；系統的功能是指系統整體與外部環境相互作用的關系，是系統整體的「過程的秩序」。系統的功能是與結構不可分割的。如果說結構是系統內部聯系作用的秩序，那麼功能就是系統外部聯系作用的秩序和能力。系統功能體現了系統與外部環境之間的物質、能量、信息輸入與輸出的變換關系。任何系統都有其特定的結構，結構合理，系統的有序度高，功能就好，反之，結構不合理，系統的有序度就低，功能就差。當系統由較低級的結構轉變為較高級的結構時，即趨向有序，反之，趨向無序。根據熱力學第二定律，保持系統的開放性，即進入系統內的負熵增加，是使系統從無序向有序演化的基本前提。一般系統論的一個重要成果是把生物和生命現象的有序性和目的性同系統的結構穩定性聯系起來。也就是說，有序能使系統趨於穩定，有目的才能使系統走向期望的穩定系統結構。
大多數系統的活動或行為可以完成一定的功能，所有的系統都有一定的功能，但不一定所有系統都有目的，例如太陽系或某些低級的生物系統。目的性行為是通過反饋控制實現的。人比動物高級是因為人的大腦最發達；一個球隊在一段時間內能保持全勝，往往是因為訓練有素，其功能比別的球隊強。一個系統和包圍該系統的環境之間通常都有物質、能量和信息的交換，外界環境的變化會引起系統特性的改變，相應地引起系統內各部分相互關系和功能的變化。為了保持和恢復系統原有特性，系統必須具有對環境的適應能力，例如反饋系統、自適應系統和自學習系統等。
(三)系統方法
系統論不僅是反映客觀規律的科學理論，也具有科學方法論的意義。可以說，系統論引起了思維方式的巨大變化，為人們研究事物提供了新的科學方法論。L.V.貝塔朗菲對此曾作過說明：英語「System Approach」直譯為系統方法，也可譯成系統論，因為它既可代表概念、觀點、模型，又可表示數學方法。他說，我們故意用Approach這樣一個不太嚴格的詞，正好表明這門學科的性質特點。
系統論的基本思想方法，就是把所研究和處理的對象，當作一個系統，分析系統的結構和功能，研究系統、要素、環境三者的相互關系和變動的規律性。從系統觀點看，世界上任何事物都可以看成是一個系統，系統是普遍存在的，大至渺茫的宇宙，小至微觀的原子。一粒種子、一群蜜蜂、一台機器、一個工廠、一個學會團體……都是系統，整個世界就是系統的集合。
因此，系統論的任務不僅在於認識系統的特點和規律，更重要的還在於利用這些特點和規律去控制、管理、改造或創造一個系統，使它的存在與發展合乎人的目的需要。也就是說，研究系統的目的在於調整系統結構，直轄各要素關系，使系統達到優化。以往研究問題是把事物分解成若幹部分，抽象出最簡單的因素，然後再以部分的性質去說明復雜事物，這是笛卡爾奠定理論基礎的分析方法。這種方法的著眼點在局部或要素，遵循的是單項因果決定論。雖然這是幾百年來在特定范圍內行之有效、人們最熟悉的思維方法，但是它不能如實地說明事物的整體性，不能反映事物之間的聯系和相互作用，只適於認識較為簡單的事物，不能勝任對復雜問題的研究，而系統分析方法卻為研究復雜問題提供了有效的思維方式。
(四)黑箱方法與評價思路
黑箱方法，是控制論的一個重要方法，它為人們探索和研究未知世界特別是對生命系統的研究提供了有效的手段。控制論的創始人，美國數學家維納在《模型在科學中的作用》中對黑箱作了界定。他認為「所有科學問題都是作為『閉合』問題開始的……若干可供選擇的結構被密閉在『閉合』中，研究它們的唯一途徑是利用閉合的輸入和輸出。」他所說的「閉合」，就是指黑箱。
黑箱是指內部構造及作用機理還不清楚，但能通過外部的觀測與試驗，認識其功能和性質的系統或事物。它具有以下基本特徵：
第一，黑箱是人們對其結構和作用機理尚無認識的系統和事物。如大腦如何引起人的思維；癌細胞如何產生；人們觀察所不及的星系的結構等。黑箱在客觀世界普遍存在，但是並非不可認識，人們通過從外部輸入黑箱一種信息，測試或觀察黑箱輸出的信息，便可認識其功能和作用機理，如圖3-3 所示。圖中X(S)表示輸入信息，KW(S)表示黑箱對信息傳遞、轉換、處理的能力。只要人們獲得、並確定輸出信息Y(S)，便可了解黑箱的性質、功能和作用機理。
第二，黑箱和人的認識有關。僅就客觀存在的事物而論，無所謂黑箱、白箱、灰箱，它們僅僅反映人對事物的認識程度。對系統或事物結構的全部認識，稱之為白箱；部分認識稱之為灰箱；沒有認識稱之謂黑箱。
圖3-3 黑箱的作用機理
Fig.3-3 the Mechanism of Black-box
第三，黑箱只有相對的意義。這種相對性，有兩層含義。其一，是否黑箱，因人而異。如對電子計算機的了解就是如此，在電子計算機的技術人員看來，它是白箱；對一般人來說，它就是黑箱。其二，是否黑箱將隨著人的認識能力、認識水平的發展而變化。人的認識是發展的，今天沒有認識清楚的，明天可以認識清楚；這一代人沒有認識清楚的，下代人可以認識清楚。世界上只有尚未認識的事物，而不存在不可認識的事物。
所謂黑箱，是指人們一時無法或無需通過直接觀測來認識其內部結構、要素、本質特徵和功能，只能從外部的整體輸入值與輸出值的變化比較去認識的現實系統。這種認識現實系統的方法即通常所說的黑箱方法。
前述對表生地球化學系統和岩土-水-植物元素生物系統的例證分析說明，這兩個相互聯系的復雜系統的結構和機制雖不十分清楚，但都不是「黑箱」，可以認為是「灰箱」。可以採用黑箱方法進行研究和評價，並用已有研究成果(系統中的已知部分)詮釋評價結果。也就是說，本文提出的農業地質地球化學評價方法，是建立在表生元素地球化學系統和岩土-水-植物元素生物系統基礎上，將土壤中某元素指標的含量作為系統的「輸入」信息、農作物籽實中該元素含量作為系統的「輸出」信息，通過一系列實際測試資料研究「輸出」信息對「輸入」信息的響應關系，採用統計學方法確定評價標准值，從而實現對土地生態安全性的評價。
② 如何用系統的思維方法分析問題
——【系統性思維】就是將認識對象作為一個系統，從系統與要素、要素與要素、系統與環境之間的相互作用與聯系的全局活動中綜合地考察認識對象的一種思維方法。系統性思維是以系統論為指導的思維模式，它不同於創造思維或形象思維等本能思維形態。系統思維能極大地簡化人們對事物的認知，給人們觀察事物帶來整體的觀感。
——定義：系統思維是一種邏輯抽象能力，也可以稱為整體觀、全局觀。
——概述：系統是一個概念，反映了人們對事物的一種認識論，即：系統是由兩個或兩個以上的元素相結合的有機整體，系統的整體不等於其局部的簡單相加。這一概念揭示了客觀世界的某種本質屬性，有無限豐富的內涵和處延，其內容就是系統論或系統學。系統論作為一種普遍的方法論是迄今為止人類所掌握的最高級思維模式。
——系統性思維的特徵：
——1、整體性
——系統思維方式的整體性是由客觀事物的整體性所決定，整體性是系統思維方式的基本特徵，它貫穿於系統思維運動的始終，也體現在系統思維的成果之中。整體性是建立在整體與部分之辯證關系基礎上的。整體與部分密不可分，整體的屬性和功能是部分按一定方式相互作用、相互聯系所造成的。而整體也正是依據這種相互聯系、相互作用的方式實行對部分的支配；
——2、結構性
——系統思維方式的結構性，就是把系統科學的結構理論作為思維方式的指導，強調從系統的結構去認識系統的整體功能，並從中尋找系統最優結構，進而獲得最佳系統功能。
——系統結構是與系統功能緊密相連的，結構是系統功能的內部表徵，功能是系統結構的外部表現。系統中結構和功能的關系主要表現為：系統的結構決定系統的功能。在一定要素的前提下，有什麼樣的結構就有什麼樣的功能。問題是在於，與人相聯系的系統其結構才決定其功能，表現為優化結構和非優化結構同功能的關系。優化結構就能產生最佳功能，非優化結構不能產生最佳功能，這是結構決定功能的一個具有方法論意義的觀點；
——3、立體性
——系統思維方式是一種開放型的立體思維。它以縱橫交錯的現代科學知識為思維參照系，使思維對象處於縱橫交錯的交叉點上。在思維的具體過程中，系統思維方式把思維客體作為系統整體來思考，既注意進行縱向比較，又注意進行橫向比較；既注意了解思維對象與其他客體的橫向聯系，又能認識思維對象的縱向發展，從而全面准確地把握思維對象的規定性；
——4、動態性
——系統的穩定是相對的。任何系統都有自己的生成、發展和滅亡的過程。因此，系統內部諸要素之間的聯系及系統與外部環境之間的聯系都不是靜態的，都與時間密切相關，並會隨時間不斷地變化。這種變化主要表現在兩個方面：一是系統內部諸要素的結構及其分部位置不是固定不變的，而是隨時間不斷變化的；二是系統都具有開放的性質，總是與周圍環境進行物質、能量、信息的交換活動。因此，系統處於穩定狀態，並不是講系統沒有什麼變化，而始終處於動態之中，處在不斷演化之中；
——5、綜合性
——綜合，本身是人的思維的一個方面，任何思維過程都包含著綜合和綜合的因素。然而，系統思維方式的綜合性，並不等同於思維過程中的綜合方面，它是比「機械的綜合」、「線性的綜合」更為高級的綜合。
——它有兩個方面的意涵：
—— 一是任何系統整體都是這些或那些要素為特定目的而構成的綜合體；
—— 二是任何系統整體的研究，都必須對它的成分、層次、結構、功能、內外聯系方式的立體網路作全面的綜合的考察，才能從多側面、多因果、多功能、多效益上把握系統整體。
——系統思維方式的綜合已經是非線性的綜合，是從「部分相加等於整體」上升到「整體大於部分相加之和」的綜合，它對於分析由多因素、從變數、多輸入、多輸出的復雜系統的整體是行之有效的。
——系統性思維的方法：
——1、整體法
——整體法是在分析和處理問題的過程中，始終從整體來考慮，把整體放在第一位，而不是讓任何部分的東西凌駕於整體之上。
——整體法要求把思考問題的方向對准全局和整體、從全局和整體出發。如果在應該運用整體思維進行思維的時候，不用整體思維法，那麼無論在宏觀或是微觀方面，都會受到損害；
——2、結構法
——進行系統思維時，注意系統內部結構的合理性。系統由各部分組成，部分與部分之間組合是否合理，對系統有很大影響。這就是系統中的結構問題。 好的結構，是指組成系統的各部分間組織合理，是有機的聯系；
——3、要素法
——每一個系統都由各種各樣的因素構成，其中相對具有重要意義的因素稱之為構成要素。要使整個系統正常運轉並發揮最好的作用或處於最佳狀態，必須對各要素考察周全和充分，充分發揮各要素的作用；
——4、功能法
——功能法是指為了使一個系統呈現出最佳態勢，從大局出發來調整或是改變系統內部各部分的功能與作用。在此過程中，可能是使所有部分都向更好的方面改變，從而使系統狀態更佳，也可能為了求得系統的全局利益，以降低系統某部分的功能為代價。