客人编辑，一部分的特别功能人类与自然耦合系统的反馈研究

综合人与自然的反馈

• 摘要
• 简介
• 探索chan中的反馈
• 景观CHANS反馈概述
• 多层次的影响
• 时间滞后
• 惊喜
• 未来的发展方向
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

近几十年来，面对世界各地对可持续发展日益增加的威胁，社会面临的主要挑战之一是理解和管理人与自然之间复杂的相互作用。人与自然耦合系统(CHANS)框架，也称为社会-生态系统和人-环境系统框架，通过提供研究复杂系统的跨学科方法，提供了表征这种相互作用的有效手段(Liu等，2007年)a、b， Turner et al. 2007, Ostrom 2009)。我们需要这样的方法来应对我们这个时代日益复杂的全球挑战，包括生物多样性丧失、气候变化、森林砍伐、生态系统服务退化、疾病传播、饥荒和社会动荡。beplay竞技

CHANS研究的核心租户之一要求理解人类和自然系统之间的反馈。“当一个刺激通过一个或一系列的相互作用被反馈到它的原点时”(Berryman 1989:231)，反馈就发生了。“反馈”一词起源于20世纪初关于电路的文献，当时电路回路被创造出来，将一个电输出引导回输入，导致信号的放大或衰减(Bennett 1979)。今天，人们认识到反馈可以包括除电信号以外的许多不同类型的刺激，包括任何类型的物质、能量或信息。使刺激被反馈到其源头的相互作用也可以采取多种形式，如生物、化学、物理或社会相互作用。各种反馈的例子包括脑垂体功能(Hill和Tasker 2012)、捕食者-猎物周期(Tirok等人2011)和股票市场(Betton等人2014)。事实上，反馈是许多不同学科的一部分，如电气工程(Vijay et al. 2012)、生物学(Pokhilko et al. 2012)、计算机科学(Brun et al. 2009)、金融学(Betton et al. 2014)、政治学(Hermann 2012)、管理学(Dahling et al. 2012)和教育(Boud and Molloy 2013)。

反馈主要有两种类型，积极的和消极的。在这种情况下，积极和消极不是指对“好”或“坏”的基于价值的评估，而是指在系统中发生的变化的类型。当一个刺激物在被反馈到它的源头后产生放大效应，强化系统中的变化时，正反馈就发生了。在一些股票市场动态中可以看到一个例子，对某只股票的投资增加可能会导致来自其他来源的进一步投资，这反过来可能会逐步激发更多的投资和股票价值的增长(Sentana和Wadhwani 1992, Betton et al. 2014)。相反，当刺激产生抑制效应，在反馈到其源头后减少或逆转系统中的变化时，就会出现负反馈。一个例子是生态学中的捕食者-被捕食者循环，捕食者的增加导致可用猎物的减少，这反过来又导致捕食者数量的减少(Berryman 1992, Tirok et al. 2011)。正反馈通常与系统失稳相关，负反馈与系统稳定相关(platte et al. 1995)，但这种关系也有例外(Cinquin and Demongeot 2002)。例如，具有多个稳定状态的系统可以通过正反馈来稳定，而在刺激返回到源时经历长时间延迟的系统可以通过负反馈来不稳定(Cinquin and Demongeot 2002)。

另一种对反馈进行分类的方法是将其描述为“紧密”或“松散”(Levin 1999)。反馈的相对紧密性或松散性与信号返回源之前系统中的时滞有关。紧密反馈涉及到信号迅速返回到源，而松散反馈发生在信号经过长时间延迟才返回到源的情况下。造成时间差的因素各不相同，包括信息源和目的地之间的地理距离，或阻止系统中信息流的制度障碍(Sundkvist et al. 2005)。时滞的持续时间可以对系统动力学产生深远的影响，因为较紧的反馈可以导致系统中更快速的变化，而较宽松的反馈通常会导致在长时间延迟后无法预期的惊人效果(Sundkvist等，2005,Liu等，2007)b)．

尽管近年来对反馈的理解取得了进展，但大多数关于反馈的研究都是单独针对人类或自然系统进行的，很少对复杂系统中人类和自然组件之间的反馈如何发生进行探索，因为它们通常是分开研究的(Liu et al. 2007)b)．CHANS框架通过强调反馈如何将人类和自然组件联系起来，可以帮助克服这一缺点。使用这个框架，通常在自然系统中研究的反馈，如逻辑人口增长曲线、气候周期和核反应，可以与通常在人类系统中研究的反馈，如创新传播、经济繁荣/萧条和教育评估。整合这样的研究可以揭示耦合系统的额外复杂性，人类和自然之间出现了新的反馈，这些反馈以前没有被描述过。这样的方法是必要的，以提高我们对耦合系统的理解，进而提高预测影响给定系统稳定性和弹性的潜在未来情况的结果的能力。

最近关于CHANS反馈的研究(Rindfuss等人，2008年，He等人，2009年，Alberti等人，2011年)已经开始克服与反馈研究的学科特异性相关的缺点。一些研究人员探索了反馈在土地利用变化中的作用，即人类行为者或机构改变行为以响应土地可用性或质量的变化，这反过来又塑造了未来的土地利用模式(Lambin和Meyfroidt 2010, Hersperger et al. 2011, Meyfroidt 2013a、b)．其他例子还包括对全球粮食生产链中人与自然相互作用管理中的反馈作用的研究(Sundkvist等人，2005年)、因人类过度捕捞而导致的渔业和鱼类栖息地的崩溃(Altieri等人，2013年)以及生态系统服务付费(PES)保护项目的成功(Huber等人，2013年)。在理论建模方面也取得了进展，例如在理解人-自然反馈对系统弹性的贡献方面(Bueno 2012)。尽管取得了这些进展，但迄今为止关于CHANS反馈的研究主要是针对特定站点的(Chen et al. 2010, An et al. 2014)。需要对不同类型的系统和领域进行集成，以便更好地理解驱动CHANS反馈的潜在机制，以及如何利用它们促进未来的可持续性。我们在一个名为“探索耦合的人类和自然系统(CHANS)中的反馈”的专题中向这个方向迈出了第一步。

探索chan中的反馈

这一专题是2012年4月8-12日在罗德岛新港举行的国际景观生态协会(US-IALE)美国地区协会会议上举行的题为“NASA-MSU研讨会-解开人类与自然系统耦合的多种驱动因素和复杂动力学”的研讨会的成果之一。来自人类学、人口学、生态学和地理学等领域的不同研究人员和实践者参加了研讨会，他们聚集在一起分享和综合了CHANS的新方法。研讨会上一个明显的共同主题是反馈的反复出现的例子和为它们建模提出的前沿方法。研讨会的与会者表示，需要出版一份关于这一主题的研究汇编，这将有助于统一迄今为止尚未完全整合的不同观点和方法。这一特殊功能旨在填补这一空白。

该专题共包含七篇论文，研究了各种不同的chan中的反馈。用来描述人-自然反馈的方法借鉴了不同领域的方法，包括人类学、经济学、景观生态学和社会学。例子包括使用信息和熵理论的理论建模(Mayer et al. 2014)，环境历史记录的跟踪和历史偶发事件的识别(Steen-Adams et al. 2015)，以及基于代理的建模(Zvoleff and An 2014)。从像素到整个景观，反馈也在广泛的空间尺度上进行检查;组织层面，从个人到机构;还有时间周期，从季节到几十年。论文还提供了现实世界的例子和应用，为全球CHANS的管理和决策提供信息。例子包括保护区管理(Zvoleff和An 2014)、栖息地恢复(Morzillo等人2014)和雨水管理(Shandas 2015)。

尽管各论文在研究领域和使用的方法方面存在差异，但这些论文都认识到明确考虑反馈有助于描述CHANS的复杂性，并为未来如何更好地管理错综复杂的人-自然耦合提供指导。此外，通过将这些论文作为一个连贯的专题，几个关键主题和见解浮出水面，有助于为CHANS反馈的新兴研究领域提供信息。我们总结了在特稿中讨论的CHANS反馈，然后转向研究几个重要的主题，包括(1)多层次效应，(2)时滞，以及(3)CHANS反馈产生的意外。

chan在景观中的反馈概述

该特征所涵盖的反馈发生在以农业、森林和城市景观为特征的三种主要chan类型中(表1)。农业景观中的反馈触及了复杂的人类-自然过程的核心，这一过程控制着人类如何满足基本的食物需求。在某些情况下，人类滥用和过度使用农田，破坏土壤，这些后果后来反过来影响粮食安全。Steen-Adams等人(2015)讨论了部落社区农场规模的增加如何导致资本投资增加、农业集约化程度提高以及反过来加剧环境退化(如过度灌溉导致的土壤侵蚀)的正反馈。农民陷入债务循环，难以维持家庭所有的农场。后来，由于一个湿地管理项目引发的负面反馈，土壤侵蚀得到了扭转，该项目成功地扭转了一些早期的破坏，并阻止了过度耕作。这种类型的负面农业反馈并不总是表现为一种管理措施，因为它也可能是由个体个体自身激发的，如果他们改变自己的行为以响应农业资源的可用性。在Zvoleff和An(2014)的研究中，生活在经济贫困农村地区的家庭面临着如何最大化生计的复杂选择。作者发现，生活在农业地区的家庭倾向于推迟结婚，以最大化他们通过农业获得收入的机会，这种影响降低了人口增长，从而从长期来看改变了农业生产。

专题中讨论的一些反馈发生在森林景观方面，探讨了人类利用森林资源满足生计需求的复杂性。木材采伐做法并不总是可持续的，这不仅损害森林结构和森林质量，而且还会反过来威胁到人类的生计。例如，在Steen-Adams et al.(2015)中，经历贫困的部落社区成员出售他们的林地以获得短期经济收益，而不考虑长期后果。当资源和土地减少时，贫困只会加剧，但伐木公司继续增加木材采伐，进一步延续了退化的正反馈循环。类似的不稳定(积极)反馈导致了易失火的林地，在Spies等人(2014)中讨论过，当管理者实施的措施不适应相关系统时。当在一些森林实施灭火时，这种短期管理策略导致燃料负荷增加，长期来看火灾风险更大。相反，当机构或土地所有者开始采取措施控制燃料负荷，随着时间的推移改变他们的行动，以应对他们在森林景观中观察到的变化时，就会产生适应性和稳定性(负面)反馈。

Spies等人(2014)还讨论了改善的木材采伐市场如何在容易发生火灾的地区减少燃料负荷，从而稳定系统。如果市场对土地所有者的收割活动给予奖励，他们就更有可能通过收割来减少燃料负荷。同时，土地所有者的决定也可能受到他们的邻居和对周围环境的看法的影响。例如，BenDor等人(2014)通过正反馈讨论了林地城市化的扩散往往是由发展压力驱动的。除了在边缘地区为发展创造新的经济市场外，研究区内发达地区的增加增加了森林所有者出售土地以供开发的倾向，因为这种变化损害了所有者对土地的态度和价值。

专题还探讨了城市景观中发生的反馈。Shandas(2015)描述了一项旨在改善城市地下水的雨水管理计划。他指出，在项目的启动阶段，制定管理措施是负面反馈的一部分。各机构对排水系统的退化作出反应，采取了扭转损害的政策。然而，后期的雨水系统维护需要居民不断的积极反馈，社区中的个人需要经历自然环境的变化，认识到雨水系统的好处，以帮助作为管理员长期维护它。

另一种不同类型的反馈也发生在城市景观中，涉及到人类和野生动物之间的互动，这一过程突出了在共享空间中冲突和共存的复杂性。例如，一些土地所有者在为野生动物创建后院栖息地方面投入了大量资金，这些努力是为了对野生动物的存在进行观察和欣赏，例如，为了观察鸟类，并有意在未来增加这种存在(Morzillo et al. 2014)。另一方面，人类与野生动物之间的负面反馈也会导致野生动物害虫(如啮齿类动物)的增加，从而激励人类采取直接行动消灭害虫种群(Morzillo et al. 2014)。

这些在专题中探讨的CHANS反馈展示了耦合系统中人与自然相互作用的多样性和复杂性。关于正反馈如何在系统中滚雪球般地产生灾难性影响(例如，部落社区森林的严重损失，森林完全转变为城市地区)或负反馈如何扭转以前不可持续的资源使用模式(例如，恢复野生动物栖息地或减少森林中的燃料负载)的研究中可以看到一些共同点。类似的机制也在推动不同类型的反馈，如威胁人类生计和抑制资源开采的有限资源(如土地、水或食物)，通过促进资源的贸易或利用(如作物、土地或木材的出售)而决定积极反馈的经济市场力量，或希望在未来更好地保护资源的人类所制定的消极反馈政策(如雨水管理、燃油负荷控制措施)。然而，也许最有意义的是我们在不同chan的反馈的不同表现中发现的细微差别。

多层次的影响

在这篇专题文章中，贯穿了几篇文章的一个有趣的主题是关于CHANS中发生在多个组织层次上的差异反馈。通常讨论的两个层次涉及人类系统中的代理人，即个体行为者和机构。关于个人，几篇论文讨论了个人直接经验在塑造行为和反过来作为一个整体的反馈方面的重要性。例如，Spies等人(2014)指出，有过周期性火灾的个人土地所有者更有可能参与有效的燃料控制措施。类似地，Morzillo等人(2014)探索了个人与野生动物害虫的经历如何在影响害虫控制措施中发挥重要作用，这些措施改变了整个景观的野生动物种群和栖息地。在山达斯(2015)中，改善雨水的个人经验也在维持雨水管理方面发挥了主要作用。个体行为的差异意味着反馈的大小和强度在每个例子中都不同。

相比之下，机构在形成反馈方面发挥了更多自上而下的作用。在许多情况下，机构的作用似乎取决于机构的反应能力或获得有关系统的资料的机会。几篇论文指出了机构管理系统不当的例子，导致了威胁系统可持续性的正反馈，例如，Steen-Adams等人(2015)的部落治理规定了木材过度采伐，或Spies等人(2014)的自上而下的国家政策支持美国各地的灭火。这种类型的管理不善通常是由于缺乏或不正确的系统信息，或决策者与系统动态之间的断开。因此，专制机构往往比自治机构更倾向于促进积极反馈(Steen-Adams et al. 2015)。

作者还指出了采用负反馈的自上而下管理的成功例子，实现了扭转以前不可持续做法的预期目标，并通过这样做提高了系统的可持续性，例如Spies等人(2014)的森林火灾适应性管理。Mayer等人(2014)阐明了这种负反馈对可持续性的价值，他们在理论建模工作中强调，强化负反馈可以使系统更健壮，更不容易崩溃。

时间滞后

另一个有趣的话题从专题文章中显现出来，就是时间滞后在反馈的出现和持续中的作用。当一个特定的效果在很长一段时间后才出现时，就会发生时间滞后。时间延迟在大多数反馈中固有地扮演着一个角色，仅仅是因为信号返回到它的源头需要时间。时滞的持续时间可能会影响反馈的性质。长时间滞后产生松散反馈，短时间滞后产生紧密反馈。例如，Zvoleff和An(2014)发现，改变家庭中子女第一次出生的时间对土地使用产生的反馈是一种松散的反馈，几十年后才出现，可能是因为子女成熟所需的世代时间。在这种情况下，如果作者将他们的研究限制在更短的时间范围内，就不会检测到反馈。当从长期历史的角度来研究系统动态时，时间滞后尤其重要，例如Steen-Adams等人(2015)发现，森林退化对人口下降的响应滞后会使系统不稳定，并影响人-森林关系的长期动态。

时间滞后还取决于所涉及的人与自然互动的频率。例如，Spies等人(2014)探索了涉及野火的人与自然的相互作用，在任何给定的地点，野火都相对较少。因此，人类发起的消防措施与自然对这些变化的反应之间的时间差和反馈松散，使个体无法看到这些措施的价值和有效性，从而阻碍了agent在未来了解和加强反馈。另一方面，与持续的人与自然互动(包括一系列重复的连续反馈)相结合的时间滞后可以让个体主体有更长的时间来获得有关刺激的经验，并在未来提高他们对刺激的反应。这就是城市雨水项目的居民的情况，他们更有可能在项目实施一段时间后参与管理，因为他们的行为和结果之间持续的紧密反馈使他们体验到理想的效果(Shandas 2015)。

惊喜

专题文章中包含的另一个常见的重复是，反馈可能导致系统中发生意外。例如，Morzillo等人(2014)讨论了这样一种现象，即人类为应对野生动物的存在而发起的后院栖息地恢复，不仅能与鸟类数量的增加产生正反馈，而且还能增加非目标动物(有时是不受欢迎的动物)的存在，如熊。如果人类对不必要的熊的数量增加进行报复，这种意想不到的后果反过来又会促进未来的负面反馈。这一观察突出了CHANS的复杂性，以及理解和管理给定系统以尝试预测此类意外情况的整体方法的重要性。

为了更好地理解通常难以预测的扰动事件，还需要对系统的历史进行长期的研究和欣赏。干扰可能会意外发生，并影响反馈，进而不可逆转地改变未来的系统状态。Steen-Adams等人(2015)将这些称为“历史偶发事件”，并给出了几个例子，如火灾、劳动力短缺和突然的、考虑不端的政策转变。其他例子包括气候变化、极端天气事件和物种入侵，beplay竞技例如Spies等人(2014)讨论的松甲虫和Steen-Adams等人(2015)讨论的水泡锈。这些发现强调了研究人员需要采取长期的方法来理解反馈，管理人员需要采取适应性的方法来实现新变化的反馈。

未来的发展方向

这个特殊的特性有助于在CHANS中理解和建模反馈，但未来还需要做更多的工作。未来的研究领域可以包括识别除我们在这里检查的景观之外的其他类型景观中的关键CHANS反馈，这将允许更广泛地理解耦合系统中可能存在的反馈的多样性。此外，专题中提出的几个测量和建模特定系统反馈的新方法应该进一步在其他系统上进行测试。例如Mayer等人(2014)提出的熵指数，Spies等人(2014)采用的基于agent的火灾管理模型，Morzillo等人(2014)主张的人类与野生动物冲突的概念框架。CHANS研究作为一个整体可以从跨站点综合工作中受益，该工作旨在识别此类复杂系统的共同模式和可推广特征(Carter et al. 2014)。

论文还为未来研究的具体课题提供了指导。Spies等人(2014)强调，社交网络是一种信息可以在系统中的代理之间传播的模式，这可能会收紧反馈循环。需要进一步的研究来探索这个想法，特别是关于哪些类型的网络促进系统稳定性。适应性管理是几篇论文(例如，Speis等人2014年，Steen-Adams等人2015年)提出的另一个主题，它与反馈错综复杂地联系在一起，因为随着时间的推移，学习和改变管理策略也会收紧反馈。然而，对于这些变化是否会改变反馈的大小以及这些变化是否会产生新的反馈，我们知之甚少。

chan反馈研究的新前沿还应研究单个系统中不同类型反馈之间的相互作用，跨越不同的空间尺度和组织层次，以及通过遥耦合过程在全球不同地区的多个chan之间的相互作用，即跨距离的社会经济和环境相互作用(见Liu et al. 2013, 2015, Liu 2014)。我们希望这一专题将激发对chan反馈的进一步研究，以更好地理解和建模chan，并应对复杂的全球挑战。

文献引用

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