从系统动力学到临界点：生态系统的稳态、复杂性与反馈演化｜未来学读书会第八期

集智俱乐部 · 2026-10-29 14:41 · 30 阅读

集智俱乐部 2026-10-29 14:41 日本

2026年11月1日（周日）下午14:00-16:00分享

导语

近年，“厄尔尼诺”频繁进入公众视野，气候波动也让我们更直接地感受到自然系统与日常生活的牵连。面对持续变化的环境，生态系统如何保持稳定，又会在何时走向转变？

本期是未来学读书会第8期，北京林业大学副教授李周园将以《从系统动力学到临界点：生态系统的稳态、复杂性与反馈演化》为题，为我们解读生态系统的运转规律。稳态为何会失稳并跃迁？反馈如何影响生态系统的韧性？当硅基智能与碳基生命共同演进，我们该如何理解人与环境的关系？讲座将从系统动力学、稳定性与临界点出发，讨论生态系统的复杂变化及其带给人类的思考。

为系统梳理未来学领域的最新进展，集智俱乐部联合南京师范大学新闻与传播学院副研究员崔浩川、塔夫茨大学博士后章彦博共同发起「未来学」读书会，组织对该主题感兴趣的研究者与探索者共同研读前沿文献、交流研究思路。读书会将于2026年9月6日起，每周日14:00-16:00线上开展，持续约10周，包含主讲分享与讨论交流，并提供会后视频回放，诚邀相关领域研究者及跨学科兴趣者参与。

报告简介
本报告旨在通过系统动力学视角，剖析生态与气候系统在面对扰动时的稳定性与演化机制。从经典生态系统逻辑斯谛增长模型（Logistic growth）及其变体出发，通过May的阈值分析模型，探讨系统如何从简单的线性动态跃迁至多稳态（Bistability）与复杂混沌边缘。报告从回顾非线性耦合系统的动力学特征开始，重点分析反馈如何导致系统在阈值处失去稳定性，从而引发灾难性转变。在此基础上，再将视点延伸至复杂自组织系统，探讨类比于“雏菊世界”（Daisy world）等地表-气候模型中的稳态调节逻辑，剖析系统如何通过内在反馈机制维持空间异质性与平衡。报告将探讨这些动力学特性与“临界点”（Tipping point）的内在联系。深入剖析为何双稳态特征在环境压力下会导致系统状态的突变，并探讨系统如何在不同空间尺度上，通过空间自组织行为规避或加速崩溃。本讲座旨在通过回归动力学本质，揭示生态系统从简单增长到复杂突变的数学逻辑，从而为理解当前环境变化下的系统韧性提供深层的理论思考。

分享大纲

1、重温一套理论：系统动力学——微积分到巨系统仿真

（1）系统动力学的起源与发展

（2）系统动力学的核心要义和应用：反馈

（3）系统动力学的局限与反思

2、分享一项方法：稳定性判定——稳态与稳定性的辨析

（1) 系统韧性的“杯-球”模型

（2）稳态以及稳定性的多义

（3）稳定性的判定：数学证明与反馈判断

（4）双稳态与临界点

3、提出一个假设：碳基与硅基——人工智能与地球生态

（1）生产力的演进

（2）遥感观测与趋势洞察

4、抛出一份方案：研究计划书——对策思路的抛砖引玉

（1）研究主线回顾

（2）联合研究倡议

核心概念

系统动力学方法以系统的动态过程为基础，对流量、存量及其关系进行数学刻画，用来对运动演变中的各类系统进行抽象建模，构造系统要素之间的因果回路，是研究复杂系统的理论框架，其中系统的结构、功能、反馈是关键概念。我们可以从简单模型出发，对复杂世界的演变进行推演，从而理解在时间累积和参数调控的作用下，混沌发生的特征，从确定性初始走向不确定性未来的必然。

在生态系统资源限制条件下的逻辑斯蒂增长模式中，我们可以进一步探究系统稳态（动态平衡）的特征以及稳定性的判识，无论是数学推导还是从反馈理论中“势”的概念出发，我们都可以得到一致的结论：正反馈带来不稳定、负反馈带来稳定。基于此，我们可以理解生态系统中多样性、异步性对系统整体稳定化的关键意义。无论是时间维度的突变点还是空间上的相变，都反映了临界现象在大自然中的普遍规律。

在一个动态演进的世界，我们渴求人工智能带来的新质生产力发展，同时，我们关切身边的土地与自然资源悄然发生的系统性改变，设想在硅基和碳基系统博弈的未来，全球的气候变化、能源变革、社会人口组织结构的改变以及自然野生动物栖息地的消长，历史的十字路口，我们何去何从，“天地与我并生，而万物与我为一”，系统科学和复杂性理论将赋予我们怎样的智慧，做好这一轮时空博弈。

生态环境的保护“没有哪个人是旁观者、局外人”，人与自然和谐共生之道背后映射着主体内部需求与客观外部环境之间辩证统一的矛盾。系统论和复杂性科学以其整体化的思维方式，在气候-土地互馈、自然与社会经济系统耦合这一类可持续发展大问题中发挥着重要基石的理论作用，近年来流行的“同一健康”（One Health）的理念，也为“保护生物多样性就是保护人类自己”这样的认知提供了注解。向大自然谦虚和积极地学习，将是我们在“人类世”行稳致远的必要态度。

主讲人介绍

主讲人：李周园，北京林业大学副教授。北京林业大学环境科学学士、清华大学博士、北京大学博士后，Wagningen大学访问学者。《生态系统管理》教材主编、《生态学百科全书》英文版编委、《植物生态学报》青年编委、国际生态模型学会顾问委员、北京生态学修复学会理事，发表论文50余篇、主持国家自然科学基金、国家重点研发计划专题等科研项目。主要研究领域：生态系统监测与生物多样性保护、复杂性科学在生态学中应用。

参考文献

[1] May, R. Thresholds and breakpoints in ecosystems with a multiplicity of stable states. Nature269, 471–477 (1977).https://doi.org/10.1038/269471a

[2] Scheffer, M., Carpenter, S., Foley, J. et al. Catastrophic shifts in ecosystems. Nature413, 591–596 (2001). https://doi.org/10.1038/35098000

[3] Max Rietkerk et al., Self-Organized Patchiness and Catastrophic Shifts in Ecosystems.Science 305,1926-1929(2004).DOI:10.1126/science.1101867

[4] Scheffer, M., Bascompte, J., Brock, W. et al. Early-warning signals for critical transitions. Nature461, 53–59 (2009). https://doi.org/10.1038/nature08227

[5] Max Rietkerk et al., Evasion of tipping in complex systems through spatial pattern formation.Science374,eabj0359(2021). DOI:10.1126/science.abj0359

[6] Staal, A., Dekker, S.C., Xu, C. et al. (2016). Bistability, Spatial Interaction, and the Distribution of Tropical Forests and Savannas. Ecosystems, 19, 1080–1091. https://doi.org/10.1007/s10021-016-0011-1

[7] Scheffer, M. et al. (2012). Anticipating Critical Transitions. Science, 338(6105), 344–348. https://doi.org/10.1126/science.1225244

[8] Hu, W., Cui, L., Delgado-Baquerizo, M., et al. (2025). Causes and consequences of disordered hyperuniformity in global drylands. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 122(41), e2504496122. https://doi.org/10.1073/pnas.2504496122

活动预告

⏰ 时间：2026年11月1日（周日）下午14:00-16:00

📍 线上：腾讯会议

📍直播：集智俱乐部微信视频号、B站账号同步直播

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直播信息

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