合成

驱动因素、“慢”变量、“快”变量、冲击和弹性

• 摘要
• 简介
• 讨论
  • 混乱的来源
• 结论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

当每个人(研究人员、管理人员、社会)的注意力转向生态系统和社会-生态系统的变化时，我们关切地观察到基本系统实体和概念的术语的用途和含义的混淆，特别是关于复杂适应系统的多尺度行为。我们发现了影响弹性分析的三个典型的混淆来源:(1)社会-生态系统定义不明确;(二)制度内人员角色界定不清;(3)系统内部的“快”变量、“慢”变量、“控制”变量和外部驱动程序的混乱。我们试图澄清如下，并不是说这是使用这些术语的“方式”，而是作为达成某些共识的开始。

讨论

混乱的来源

1. 由于缺乏焦点“系统”的定义而导致的困惑，通常是由于人们希望解决不同的、部分明确的问题，因此，构成真实世界系统的心智模型也不同(Carpenter et al. 2005)。在动力学术语中，一个系统是由它的状态变量定义的，它们之间的关系是最重要的。系统的变化既是这些内部关系的结果，也是外部驱动因素的影响——在分析范围内，外部驱动因素不被认为是系统的一部分，也不受系统内发生的事情的影响。驱动因素来自更高的尺度，当涉众有不同的焦点尺度时，多涉众讨论中混淆的来源之一就产生了，而一些涉众的焦点尺度包含了对其他人来说是“外部”的变量。
   
   有必要决定什么是系统内的，什么是系统外的，因为这并不总是显而易见的。例如，在旱地农业区，作物产量是一个状态变量，它至少部分由降雨量决定(控制)——一个外部驱动因素。在灌溉农业地区，农业用水可能被一些人认为是给定的，由水务主管部门在外部确定，但根据分析，它也可能被认为是不同利益相关者群体的不同需求的内部变量。阐明如何考虑它是任何分析中必不可少的第一步，这要求人们清楚地阐明他们的系统概念和他们的标准，包括哪些组件，以及在哪里绘制系统边界。这样的过程不是微不足道的，通常需要几个问题说明和模型构建的周期来澄清人们声明的和未声明的假设和目标(Walker et al. 2002)。
2. 未能明确人类在系统中的角色是造成混乱的常见原因。当兴趣在生态过程时，它们被视为外生因素(驱动因素);当兴趣的动力在社会-生态界面时，它们被视为内生因素(驱动因素);或者，当兴趣的对象是社会动态时，生态系统就是一个外生的约束。在一个系统中处理人的影响的传统方法，尤其是在工程和经济学文献中，是确定人们可以修改的变量，以操纵系统，称为控制变量(他们可以拉的“杠杆”，以实现某些目标)。例如，渔业的潜在控制变量可以是收获率、对偏远社区的补贴、船只数量或渔网的网目大小。人们是生态系统的用户，他们使用生态系统的方式是由某些权威决定的。然而，如果人们被认为是系统的一部分，就有必要确定人们使用哪些规则来决定控制变量(他们实现特定目标的策略)，例如，在某些约束下的利润或效用最大化，复制因子动态(人们倾向于跟随其他人做什么)，惩罚策略，等等。每种关于如何选择控制变量水平的策略将产生与系统其他部分特定的交互模式，然后可能产生不同的结果。需要明确的是，人们仅仅是系统的用户，还是人的动态变化——在数量、福利、分配、选择等方面——也是研究目标的一部分(内生变量)。如果是这样，就需要考虑通过“自然”系统变量状态的反馈来影响和修改人变量的方式; and they can change, for example through emigration, thereby feeding back in unforeseen ways to changes in the controls.
3. 造成混淆的一个常见原因是无法区分外部驱动程序和控制其他系统变量动态的内部系统变量。如前所述，反馈在复杂系统中起着至关重要的作用，复杂系统不存在反馈给外部驱动的情况。可以帮助提供与弹性概念相关的系统理解的资源包括弹性联盟工作手册(弹性联盟2011)、Bennett等人(2005)、系统一般介绍的Meadows(2008)以及Walker和Salt(2006)。
   
   在一个复杂的系统中，专注于分离“快”和“慢”变量是有帮助的(例如，生态系统参见Ludwig et al. 1978, Holling 1986, Carpenter and Turner 2000;社会-生态系统Crépin 2007)。“快速”变量通常是生态系统用户主要关心的变量，例如有害物种或(通常)生态系统商品和服务，如作物生产、清洁水和受欢迎的物种。这些快速变量的动态受到其他系统变量的强烈影响，这些系统变量通常变化更慢，因此被称为“缓慢”，或(因为它们并不总是缓慢)“控制”变量。它们与上文(2)中提到的控制变量不一样，为了避免混淆，我们建议最好将它们简单地称为“慢”变量，认识到“快”和“慢”是相对的术语。缓慢的变量，如土壤有机质的数量，决定了快速变量，如作物产量，如何对外部驱动因素的变化作出反应，如生长季节的降雨变化。
   
   给定数量的慢变量的快速变量的平衡水平是由它们与外部驱动因素的相互作用决定的。在许多情况下，快变量和慢变量之间的关系是单调的(不能产生数学分支)，如图1a和b，但对于一些对，它是不连续的，即可能出现数学分支(图1c)。在如图1c所示的情况下，快速变量(FV)的返回路径存在滞后效应，因为慢变量(SV)会回到原来的水平，导致交替的系统状态——其中FV可以被吸引到不同的水平，这取决于系统的历史。这些交替状态由一个阈值分隔，用虚线表示。跨越这个阈值会导致FV被吸引到一个不同的平衡水平。
   
   SV的水平反过来由系统外部的驱动决定，如图2所示，有时也由系统中的其他状态变量决定。当人们混淆了导致重组的外部驱动和内部动力时，就会产生混淆。将内部SVs与外部驱动分离对理解系统动力学至关重要;然而，在实践中，明确区分它们可能是困难的。
   
   FV的数量不是恒定的。它们在一个长期吸引器(一个稳定的平衡状态)周围波动，这是由于系统的外部冲击(外部驱动的变化，通常是环境变化，或系统外的人的行动)和系统本身的变化，这可以改变吸引器。然而，只要FV的数量没有越过一个阈值水平，它们倾向于保持接近或返回到吸引点。由于外界的相互作用，这些波动(方差)的幅度往往随着SV接近阈值水平而增加(图3)内部动力的冲击。这种现象被称为方差上升，是由于系统接近阈值时稳定反馈回路的减弱而发生的，并被用作阈值接近的预警指标(Carpenter和Brock 2006, Scheffer et al. 2009)。
   
   内部动力和外部驱动之间的相互作用可能相当复杂。由于内部的动力，系统更有可能在外部驱动下进行重组，而不是被动地做出反应。然而，它是否真的经历了重组，取决于它所经历的冲击的顺序。例如，森林可能变得更易燃，但如果没有点火事件，它不会燃烧。相反，驾驶员的变化会改变系统遭受冲击的频率和强度。例如，气候的变化可以改变雷暴的频率，雷暴会引发火灾事件，也会改变森林的可燃性。因为频率的变化只能在比频率长一倍的时间内观察到，所以它们很难被探测到。然而，系统地了解外部驱动程序如何与内部动态交互可以帮助识别可能的替代系统配置。

结论

从这个笔记的短消息是:驱动程序(外部的系统，或从更高的尺度)导致“慢”(控制)变量的变化;当慢变量接近阈值水平时，系统中快速移动的变量在应对环境和其他冲击时波动更大;驾驶员的这些冲击或方向变化可以推动系统越过一个门槛，进入另一个稳定状态。

为了通过操纵控制变量来引导这样的系统朝着预期的方向前进，同时避免令人讨厌的意外，不仅需要考虑快速变量的动态，还需要考虑相关控制(慢)变量的动态以及它们可能产生的阈值效应，以及这些慢变量如何响应外部驱动。

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