生态与社会 生态与社会
以下是引用本文的既定格式:
刘杰,V.赫尔,M.巴蒂斯特拉,R.德弗里斯,T.迪茨,F.傅,T. W.赫泰尔,R. C.伊佐拉尔德,E. F.兰宾,S.李,L. A.马蒂内利,W. J.麦康奈尔,E. F.莫兰,R.内勒,Z.欧阳,K. R.波兰斯克,A. Reenberg, G. de Miranda Rocha, C. S. Simmons, P. H. Verburg, P. M. Vitousek,张峰,朱琛。2013。在一个电视耦合的世界中构建可持续发展。生态与社会 18(2): 26。
http://dx.doi.org/10.5751/ES-05873-180226
合成

在电视耦合的世界中构建可持续性

1美国密歇根州立大学2卫星监测,坎皮纳斯,SP,巴西3.美国哥伦比亚大学4美国麻省理工学院5美国普渡大学6美国马里兰大学7美国斯坦福大学,8圣保罗CENA大学,圣保罗皮拉西卡巴,巴西,9中国科学院,北京,中国10哥本哈根大学,丹麦哥本哈根,11巴西帕欧联邦大学,12荷兰阿姆斯特丹自由大学环境研究所,13中国农业大学,中国北京14国际自然保护联盟,中国

摘要

遥远地方之间的相互作用日益广泛和具有影响力,往往会导致意想不到的结果,对可持续性产生深远影响。许多可持续发展研究都是在一个特定的地方进行的,很少关注远距离互动对多个地方可持续发展的影响。虽然研究了远距离力,但它们通常被视为外生变量,很少考虑反馈。为了更好地理解和整合各种遥远的相互作用,我们提出了一个基于远距耦合的集成框架,这是一个泛指远距离社会经济和环境相互作用的伞形概念。遥耦合的概念是对耦合的人与自然系统研究的逻辑延伸,其中相互作用发生在特定的地理位置内。遥耦合框架包含五个相互关联的主要组成部分,即耦合的人与自然系统、流、动因、原因和结果。我们通过两个与农产品贸易和入侵物种相关的远程相互作用的例子来说明该框架,强调了该框架的含义,并讨论了推进远程耦合研究的研究需求和方法。该框架可以帮助分析系统组件及其相互关系,确定研究差距,发现隐藏成本和未开发的收益,提供一种有用的手段来整合反馈以及跨多个系统(发送、接收和溢出系统)的权衡和协同作用,并提高对远距离相互作用的理解,以及从地方到全球层面的社会经济和环境可持续性政策的有效性。
关键词:代理;原因;人-环境耦合系统;人与自然系统的耦合;耦合的社会-生态系统;分散;遥远的交互;效果;反馈;流; globalization; investment; knowledge transfer; migration; socioeconomic and environmental interactions; species invasion; sustainability; technology transfer; teleconnection; telecoupling; trade; transnational land deals; water transfer

介绍

近几十年来,世界经历了巨大的变化,并在远距离上增加了相互作用,往往对社会经济和环境可持续性产生了深远的影响(Reid et al. 2010)。一个尖锐的例子涉及生物燃料。在欧盟(EU)和美国等国家,生物燃料的授权对粮食价格和碳足迹产生了重大影响,因为在国内生产生物燃料可能占用用于粮食生产的土地,并长途进口大量生物质,例如,从非洲、亚洲和美洲进口到欧盟,排放大量的CO2并影响其他地方的土地利用(Banse et al. 2008)。由于对生物燃料的需求不断增长,粮食价格的上涨和粮食产量的总体下降(Feng和Babcock 2010, Swinton等人2011)导致了2008年全球粮食短缺和许多国家的内乱。为了应对社会和环境外部性,科学界和决策者已开始提出政策和缓解措施。然而,在制定及时应对措施以防止负面影响发生方面,仍然存在重大的科学和政策挑战。为了应对这些挑战,我们需要更好地理解和预测远距离相互作用及其在所有地方的后果的能力。

遥远的环境相互作用自地球形成以来就存在,遥远的社会经济相互作用自人类历史开始以来就发生了。然而,远距离互动,如贸易、跨国土地交易、入侵物种传播和技术转让,现在比以往任何时候都更加普遍,发生得更快(Liu et al. 2007)一个;例如,许多生存需求,例如粮食和鱼类等食物和水资源,历史上由当地资源利用来满足,现在由不断增长的全球贸易来满足(Kastner等人,2011年,Konar等人,2011年)。在过去几十年里,世界粮食出口总额增长了10倍(联合国统计司2012年)。

遥远的互动也发生在全新的背景下(附录1)。例如,世界城市人口从1960年的10.2亿增加到2010年的35.6亿(联合国经济和社会事务部,2012年),现在有25.4亿人依赖城市地区以外的食物和其他资源,而且往往来自世界各地。从1950年到2010年,经济活动增长了7倍(Nelson 2005)。中国、印度和巴西等许多大国30年前还很穷,但现在已成为全球经济强国。社交媒体的爆炸式发展和使用使世界各地的个人获得了权力和联系,带来了高度不可预测的社会经济和环境后果。

远距离互动为可持续发展带来了前所未有的挑战和机遇。它们越来越多地影响着具有全球重要性的问题,如气候变化、生物多样性、粮食安全、土地利用、扶贫、公共卫生、社会动荡和水资源短缺。beplay竞技例如,国际贸易占全球物种威胁的30% (Lenzen et al. 2012)。尽管一些国家,如中国,经历了森林转型,例如从森林净损失转向森林净恢复,但这些转型往往是以其他国家的森林为代价,通过森林和农产品贸易(Zhu和Feng 2003, Zhu等人2004,Rudel等人2009,DeFries等人2010,Lambin和Meyfroidt 2011)。气候变化对农业的影响预beplay竞技计在粮食需求增长最快的地区最为显著,例如中国,需要通过贸易来弥合粮食生产和粮食消费之间的差距(Jones and Thornton, 2003年)。中国正在建设更多的调水工程,以解决水资源短缺地区的水危机,其中包括世界上最大、最长的南水北调工程,该工程的目标是每年调水450亿立方米,计划投资770亿美元(Liu and Yang 2012)。与此同时,信息技术和网络的扩展促进了民主(Li和Reuveny 2003),允许与远方合作伙伴联系的移动电话的可用性改善了当地股东的贸易机会(Aker 2008),全球卫生网络使偏远社区越来越容易获得疫苗(Milstien et al. 2006)。此外,大型农业综合企业在生态认证、可持续性标准和可持续采购战略方面的快速增长,通过利用全球化的力量促进可持续性,为商品贸易的增长提供了潜在的抵消趋势(Giovannucci和Ponte 2005, Van Kooten等人,2005)。

了解遥远的相互作用是对将可持续发展概念转化为实践的国际呼吁的直接回应(2012年联合国秘书长全球可持续发展高级别小组会议)。尽管对远距离相互作用的某些方面进行了单独和零散的研究,但仍存在许多重要的知识差距,例如,美国国家科学院(国家研究委员会2012年)指出的那些知识差距,该委员会呼吁评估全球贸易对环境(例如生态系统服务)和人类福祉(例如健康)的影响。有时也会考虑遥远的力量,但它们通常被视为外生变量(2012年联合国秘书长全球可持续发展高级别小组)。全球范围内远程互动的扩大需要一个新的研究框架来填补知识空白,推进可持续发展科学和应用(Kates et al. 2001, Turner et al. 2003)。我们提出了一个新的集成框架,以促进我们对各种远程交互的理解,并通过两个说明性示例实例化它。我们还强调了这一框架对从地方到全球层面的可持续性研究和政策的影响。最后,我们讨论了研究需求和推进研究的一般方法。

遥测耦合和可持续性的概念框架

许多学科都研究了遥远的自然系统或人类系统之间的相互作用。例如,遥相关的概念在大气科学中被使用(Glantz et al. 1991),指的是气候系统之间长距离的环境相互作用,例如一个地方的气候变化通过大气环流影响数百或数千公里以外的地方(图1A)。另一方面,经济全球化(Levitt 1983;图1B)或遥远的人类系统之间的社会经济相互作用,长期以来一直由社会科学家研究。尽管这种对遥远的社会经济或环境相互作用的独立研究产生了有用的见解,但它们也导致了疏忽(Adger et al. 2009, Eakin et al. 2009)。

当不同类型的交互作用被整合到多个耦合的人类和自然系统中时,可持续性可以得到更好的理解(国家科学基金会环境研究与教育咨询委员会,2009年)。我们使用了一个集成的概念,远距耦合(Liu et al. 2011),来涵盖人类和自然系统之间的社会经济和环境相互作用(图1C)。遥测耦合的概念是对人与自然耦合系统研究的逻辑延伸(Liu et al. 2007)b, Alberti et al. 2011),耦合社会-生态系统(Walker et al. 2004),或耦合人类-环境系统(Turner et al. 2003, Moran 2010)。遥连耦合也是一个统一的概念,它建立在以前的概念之上,如遥连、全球化和世界系统理论(Hornborg等人2007年,Dreher等人2008年),这些概念在很大程度上局限于单一学科(但参见Adger等人2009年,Seto等人2012年)。

为了理解遥耦合,我们提出了一个集成框架。遥耦系统具有层次结构,因此遥耦框架采用多级分析方法。在远耦合系统层面,它包括一组相互关联的耦合人类系统和自然系统,这些耦合系统通过它们之间的流动相互连接(图2)。在耦合系统层面,每个耦合系统由三个相互关联的组件组成:代理、原因和结果(图2)。在组件层面,每个组件包括许多元素或维度。例如,代理人有不同的类型,如个人、家庭、组织、公司,并有社会经济和环境影响。此外,还存在跨层次的交互作用,例如,耦合系统内的代理促进耦合系统之间的流动,耦合系统之间的流动在耦合系统内产生影响。

原因在耦合的人与自然系统之间产生了一种再耦合,这种耦合产生的社会经济和环境影响在耦合的人与自然系统中表现出来。通过促进或阻碍物质/能量和/或信息在系统之间流动的代理,遥耦合成为可能。动因和原因可以相互影响。如图2所示,原因和结果是由反馈循环连接起来的,但是将原因和结果分开是一种有用的分析简化方法。此外,尽管一些组件(例如,代理、原因和结果)嵌套在耦合系统中,但将它们视为系统中的独立组件可以帮助突出它们在远耦合中的角色以及它们与其他组件的关系。我们使用两个详细的远程交互示例(表1)来说明遥耦合框架:一个是由人类有意地主导和发起的,另一个是由人类无意地主导和发起的生物主导和发起。

第一个例子,大豆贸易,涉及从巴西到中国的大豆贸易不断增加。中国大豆进口从2000年的1400万吨增长到2010年的4600万吨(美国农业部对外农业服务局,2010年)。目前,中国食品工业使用的大豆80%以上是从其他国家进口的,主要来自巴西和美国(Zhang和Liu 2009, Brown-Lima et al. 2010)。巴西和中国之间的大豆贸易在全球贸易市场和价格、碳排放、生态系统服务以及中国、巴西和其他国家许多耦合的人类和自然系统的生计中发挥着重要作用。

第二个例子是红火蚁(RIFA)入侵。RIFA (火红蚁)被国际自然保护联盟(IUCN;Lowe et al. 2000)。它减少了生物多样性,每年仅在美国就造成超过60亿美元的损失,主要是对农业的破坏(Ascunce et al. 2011)。火蚁起源于南美洲,于20世纪初在货船上被意外引入美国(Ascunce et al. 2011)。它在被引入后不久就在该国南部广泛传播,最近进一步传播到澳大利亚、新西兰、中国和其他地方(Ascunce et al. 2011)。

虽然我们在下面强调了两个不同的远距耦合的例子,但我们强调不同的远距耦合可以相互作用。其中一些可能相互促进,而另一些则相互抵消。有些可能会诱导进一步的远程耦合,而另一些可能会消除它们。例如,研究表明,贸易和物种入侵之间存在密切关系。一方面,贸易是物种入侵的主要原因之一(Crosby 1986, Nentwig 2007)。另一方面,物种入侵已经导致了包括限制和检查贸易货物和产品在内的反馈,呼吁在未来采取更强有力的措施,如贸易许可计划(Horan和Lupi 2005)和入侵物种关税(Margolis et al. 2005)。

系统

系统是指人与自然耦合的系统或人与自然相互作用的综合系统(Liu et al. 2007)b).尽管每个系统都处于一个地理位置(地点),具有特定的背景,并由许多人类和自然元素以及过程组成(例如,气候和土壤条件,栖息地,可达性,地形特征,如坡度和海拔,经济和政治制度和政策,以及人类和自然元素之间的本地耦合),但我们关注的是与系统之间的远程耦合直接相关的属性。对于每个遥耦合,系统可以充当发送系统、接收系统或溢出系统。发送系统可以被认为是源头、来源或捐助者,接收系统可以被认为是目的地或接受者(图2)。发送系统是指物质、能量或信息流向外流动的系统,例如出口国,而接收系统是从发送系统获得流量的系统,例如进口国。当然,哪个系统被定义为发送,哪个系统被定义为接收,这取决于所分析的流。

溢出系统是影响发送系统和接收系统之间的交互和/或受交互影响的系统。外溢系统可至少以三种主要方式与发送和接收系统相连接:作为两个系统之间的中间停留站,例如候鸟中途停留站或港口和机场连接;处于发送和接收系统之间的路径,例如,运输中的油轮发生溢油;或通过以其他方式与发送和/或接收系统交互,例如,贸易协议中的第三方(图3)。系统还可以是一个远距耦合的发送系统和另一个远距耦合的接收或溢出系统。

在大豆贸易的例子中,巴西可以被认为是大豆流量的输送系统,因为它生产大豆,而中国是接收系统,因为它接收大豆和大豆制品。然而,在涉及大豆生产金融交易的流动中,中国是发送系统,巴西是接收系统。这些关系可以在市场交易中看到,产品向一个方向流动,资金向另一个方向流动。然而,对溢出系统的研究很少,溢出系统可能包括世界上所有历史上参与大豆贸易的国家,如美国。美国尤其可能受到影响,因为大豆生产成本较低,以及巴西等发展中国家热带农业的技术进步,巴西与美国的大豆生产竞争。在RIFA入侵的例子中,南美是发送系统,因为那里是RIFA的原生栖息地。RIFA入侵的第一个外国国家美国是主要接收国。

发送、接收和溢出系统之间的相互关系是复杂的。就遥耦合系统中发送、接收和溢出系统的数量而言,它们可能是1-1-1(一个发送、一个接收和无溢出系统),1-1-1(一个发送、一个接收和一个溢出系统);图3A),一个和多个系统的混合(例如,在市场效应的情况下,一对一多,因为双边贸易可能具有广泛的影响),或多-多-多(多发送、多接收和多溢出系统;图3 b)。后者是最复杂的,因为不仅在发送、接收和溢出系统之间存在交互,而且在发送系统、接收系统和溢出系统之间也存在交互。此外,对于同一个遥耦,随着时间的推移,一个接收系统可以变成一个新的发送系统。在RIFA入侵的例子中,美国既可以被认为是一个接收系统,也可以被认为是一个发送系统,这取决于所讨论的时间段,因为它最初是一个接收系统,但后来发展成为一个发送系统,促进了物种向其他国家的传播。事实上,全球的RIFA种群在基因上可以追溯到美国种群,而不是直接来自南美洲(Ascunce et al. 2011)。对于这些复杂的相互作用,关键是不仅要描述系统的组成,还要描述远耦合系统的时间和空间配置,以便更好地理解流、代理、原因和结果。

流是物质、能量或信息在系统之间的移动,这些移动是由于代理采取的行动而转移的。材料和能源包括生物地球物理实体,如制成品、食品、自然资源、生物体和生物燃料,信息包括知识、贸易协定、金融数据、基因和农业技术。流动可以是单向的,也可以是双向的,可以在发送系统和接收系统之间直接进行,也可以通过溢出系统在两者之间间接进行(图2和图3)。

在大豆贸易的例子中,主要的物质流动包括从巴西到中国的大豆和大豆产品的运输,信息流动的例子是巴西、中国和其他国家之间的金融交易和贸易协定。在RIFA入侵的情况下,涉及的主要物质流动是贸易货物的流动,蚂蚁本身,以及用于控制入侵者传播的杀虫剂和其他物质。信息流包括传播有关蚂蚁造成的破坏以及如何控制传播的知识。

流可以从发送系统跨越到遥远的接收系统。这在相距2万公里的巴西和中国的大豆贸易中发生过。流也可以从靠近发送系统的接收系统开始,并随着时间向外辐射到更远的接收系统。这可以用RIFA入侵的案例来说明,入侵者从美国南部和东南部(最初的接收系统)逐渐扩散到加利福尼亚,尽管后来它从加利福尼亚扩散到其他国家时实现了跨越。

基础设施网络、制度和生态系统在决定流动从一个系统流向另一个系统的路径方面发挥着重要作用。它们包括交通网络,如道路、船只、车辆、飞机;政府间网络,例如贸易协定;贸易便利化,如电子清关(Hertel和Mirza, 2009年);社会网络,例如,认知科学社区(Haas 1993);生态网络,比如动物迁徙路径。以大豆贸易为例,允许大豆从巴西流向中国的网络包括金融网络、社会网络、交通网络和政府网络。

代理

代理或行动者包括直接或间接促进或阻碍远程耦合的自主决策实体,例如通过流的出现或解散。遥耦合框架突出了各种代理以及分布在发送、接收和溢出系统中的代理之间的复杂连接。代理促进或阻止产生、维持、放大、削弱或溶解远程耦合的流。它们可以是人类或动物的个体或群体,例如,家庭等社会经济单位,或政府机构等组织,或动物的羊群或牛群。

在大豆贸易的例子中,主要代理人包括巴西的大豆生产商、农业综合企业、公共和私人投资者及其支持者、中国大豆产品的金融投资者和消费者,以及参与制定和执行贸易协定的各自政府机构。在RIFA入侵的情况下,主要的代理人包括无意中帮助传播这种昆虫的贸易商,美国的农民和政策制定者以及试图限制进一步传播的溢出系统,例如,通过进行控制行动,以及已经进化出与许多其他昆虫竞争的特征的蚂蚁,它们在无意中被引入的新栖息地中非常成功地成为入侵者。

代理之间形成关系,以产生形成远程耦合的流。对于人类代理,这些可以通过社会网络进行操作,如政府、机构、私人公司、个人友谊和亲属关系(Jackson和Watts 2002)。例如,在大豆贸易的例子中,政府和企业之间的关系对于推动巴西和中国之间的双边贸易流动很重要(Niu 2010)。对于动物媒介来说,也有促进互动的交流形式。在RIFA入侵的例子中,个体蚂蚁使用复杂的化学通信来协调蚁群的活动,从而允许扩展到新的系统(Vander Meer et al. 2002)。

对于建立新的远距耦合,需求灵活的创新代理通常是最成功的,但不同的特征,如弹性,可能对维护和加强现有的远距耦合更重要。像RIFA这样的外来物种在新的生物条件下茁壮成长,并在有限的资源上与本地物种竞争时,就会占据并成为接收系统的入侵物种(Callaway和Ridenour 2004)。巴西和中国之间的大豆贸易之所以蓬勃发展,部分原因是巴西和中国采取了灵活的贸易协定,使系统能够适应新的市场和机会,还因为有高度有效的商品价值链将产区与国外主要市场联系起来。

原因

远距耦合的原因是影响其出现和动态的因素,例如强度的变化。大多数远程耦合都有不止一个原因。原因可能源于发送、接收或溢出系统(图2)。原因可以分为近因或最终原因(Laland等人,2011年)。政治、经济、文化、技术或生态的变化可以在再耦合系统中产生新的动力,所有这些变化都是交织在一起的。偏好的转变可以改变需求,技术创新和扩散可以改变供应,发送系统中的供应和接收系统中的需求之间的相互作用可以塑造系统动态。包括政策和规则在内的制度变化可能会导致或阻碍与遥远系统的交互。生态因素在远缘耦合中起着重要作用。原因也通过反馈机制与结果相互作用。

大豆贸易的再耦合有多种原因。主要的经济原因之一是对大豆产品的需求,例如中国的植物油和动物饲料,以及巴西大豆生产的土地、水和资金供应。一个政治原因是中国政府对寻求外国投资的兴趣,以及巴西政府对开发出口市场的兴趣。一个文化原因是中国人对豆制品和动物制品的偏好,这是由于大豆作为动物饲料引起的。技术原因包括主要由巴西农业研究公司Embrapa取得的农业技术进步,该公司在开发热带农业技术以应对酸性物质方面投入了大量资金塞拉多土壤,以及适应这些纬度的大豆品种的开发,这些品种能够从生物上固定大气中的氮(Alves et al. 2003,2006)。此外,近年来供应链的发展以及大豆等农产品在高效储存和长途运输方面的快速进步,也促进了这种远程耦合。一个生态原因是巴西适宜种植大豆的良好气候条件。

对于RIFA的入侵,一个主要的经济原因是全球贸易的增加。RIFAs主要是在运输船上偶然传播的,以及涉及跨国贸易的其他货物(Ascunce et al. 2011)。一个政治原因是20世纪初南美国家和美国之间改善的政府和组织间关系,通过允许公开交流促进了这种贸易。一个技术原因是,大约在同一时期,船舶建造和操作的进步使得前所未有的长距离货物运输成为可能。一个文化原因是美国消费者对外国商品的偏好越来越大。物种成功传播的一个关键生态原因是物种在引入的新环境中天生的优越竞争能力,以及它们对洪水和干旱等环境挑战的适应能力(Vinson 1997)。

影响

效应是指遥测耦合的社会经济和环境后果或影响。它们可以在发送、接收和/或溢出系统中以不同的方式表现出来(图2)。影响可以在多个空间、时间和组织尺度上发生。我们将影响分为两大类,社会经济和环境(表1),但强调两者之间存在内在联系。这些影响可能促进或阻碍环境和/或社会经济可持续性(Liu 2010)。

以大豆为例,巴西和中国之间的贸易可能会导致巴西农业土地使用强度的增加(Macedo et al. 2012),免耕生产系统中除草剂的使用增加,农药和化肥(主要是磷)的使用增加,以及生物多样性和生态系统服务的损失(Martinelli et al. 2010)。大豆贸易还导致了巴西当地居民流离失所和农村暴力,中国的植树造林和碳封存,以及溢出系统(如整个运输路线)的碳排放(表1)。在中国,由于从巴西进口的大豆价格较低,许多农民放弃了大豆生产,许多原有的大豆土地被用于生产其他作物,如玉米,或转化为森林(GRAIN 2012)。该贸易为巴西社会的一些部门创造了收入(Lima et al. 2011)。在RIFA入侵的情况下,物种入侵造成了当地无脊椎动物群落生物多样性的减少,野生动物栖息地的破坏,农作物的损失和随之而来的收入损失,家具和住宅的破坏,以及由于RIFA疼痛和潜在危险的叮咬而对牲畜和人类的伤害(Vinson 1997;表1)。

在个体耦合的人类和自然系统中观察到的复杂效应类型(Liu et al. 2007b)在多耦合系统中也很明显,包括间接效应(有时称为“二阶效应”)、级联效应、非线性、时间滞后、遗留效应、诱导效应和反馈。级联效应是指一个系统或系统组件上的遥耦合效应向外辐射以影响多个其他系统或组件的现象。在大豆贸易案例中,巴西Embrapa公司已将其用于大豆生产的新农业技术带到非洲外溢国家,在那里他们正在热带大草原进行大规模开发(Galerani和Bragantini 2007年,Batistella和Bolfe 2010年)。效应通常是非线性的,并且可能有时间滞后,直到数年甚至数十年后才会出现遥耦合。遗留效应是指即使遥距耦合停止运行后仍可能持续较长一段时间的效应。在大豆贸易案中,诱发效应,即另一效应带来的次要效应的一个例子是它对其他农业部门和总体消费支出的影响。此外,收获大豆的劳动者收入的变化会导致劳动收入的变化,并导致对劳动者消费的食品和其他商品的需求发生变化,这对更广泛的经济和溢出系统产生级联效应(Altieri和Pengue 2005)。

反馈是远距耦合的重要特征。当第一个系统对第二个系统的影响反馈到第一个系统时,系统之间就会发生反馈。系统之间的一些反馈可能很快,而其他的可能非常慢,需要很长时间才能实现或检测到。在大豆贸易的例子中,中国土地利用的转移导致了一个积极的反馈,即中国对巴西大豆的需求增加,并导致巴西大豆生产的进一步发展。此外,大豆贸易也可能有助于促进更多中国在巴西的投资,以及从中国向巴西进口机械、纺织品等产品(Brainard and Welch 2012)。在RIFA入侵案例中,RIFA对接收系统(美国)造成了巨大的环境和社会经济破坏,促使技术的发展,以阻止入侵者在接收系统中的传播。然后这些技术反馈影响了南美洲的发送系统。更具体地说,1961年至1975年期间,美国东南部使用了25万公斤化合物Mirex(一种氯代烃和环戊二烯的衍生物)来控制蚂蚁。在同一时期,近15万公斤出口到巴西用于控制蚂蚁(Eisler 2007年)。然而,使用Mirex有双重负面影响,因为(a)它是一种生物蓄积性污染物,1976年美国环境保护署禁止使用它;(b)它有助于传播火蚁,因为它也杀死了与火蚁竞争的本地蚂蚁(Markin et al. 1974)。另一个反馈是,在美国建立了RIFA几十年后,作为入侵控制方法,从巴西进口了天敌,例如苍蝇和微生物,火蚁(Callcott et al. 2011)。

虽然在我们的每个例子中,已经对发送和接收系统的影响进行了一些研究,但很少或没有发表关于它们对溢出系统的影响的研究。一些研究表明,运输食品和产品可能会对沿线和沿线以外的环境产生巨大影响,如能源消耗和污染物排放,如CO2这些数据表明了从巴西运输大豆到中国的潜在影响,但还没有关于这种影响的定量研究发表。

不同类型的遥耦之间可能存在相互作用。例如,研究发现,贸易使得许多入侵物种的传播成为可能(Westphal et al. 2008)。虽然本文中两个例子之间的关系没有文献可查,但应用远距耦合框架可能有助于研究大豆贸易与物种入侵之间可能的关系,以及它们与其他类型的远距耦合的关系。

遥耦合框架的含义

遥耦合的框架为研究不同类型的远程交互的研究者和其他人提供了一种共同的语言、逻辑一致性、系统的方法和整体的指导。它可以帮助我们改变对世界如何跨距离运行的理解,并确定解决方案,以实现从地方到全球层面的社会经济和环境可持续性,因为它在几个方面具有独特的整合性。

该框架整合了跨距离的社会经济和环境相互作用,而不仅仅是社会经济或环境相互作用

这有助于扩大以前关于远距离相互作用的研究范围,如贸易、动物迁徙、气候遥相关,这些研究主要集中在社会经济相互作用(如贸易)或环境相互作用(如动物迁徙)。因为它同时提供了社会经济和环境相互作用的信息,它可以帮助评估社会经济和环境后果之间的权衡,并实现社会经济和环境的可持续性,例如,人类福祉和生物多样性保护(Carter et al. 2012,联合国环境规划署2011)。

该框架将发送、接收和溢出系统视为一个遥耦合的网络系统,而不仅仅是发送和/或接收系统

通过包括溢出系统,该框架开辟了研究和政策的新前沿,因为以前很少考虑溢出系统。例如,该框架建议,通常侧重于发送和接收系统的双边协议应该在溢出系统出现时考虑到溢出系统,从而具有适应性。在大豆贸易案例中,除了巴西和中国作为大豆输出国和进口国外,美国作为大豆主要生产国和传统的大豆出口国也受到了环境和社会经济方面的影响,因为巴西向中国出口大豆会影响中国从美国的进口

该框架可以帮助评估跨多个系统(而不仅仅是一个系统)的社会经济和环境权衡以及协同效应

例如,有人呼吁消费当地商品和产品,以支持当地生产者,并减少长途运输对环境的影响(Halweil 2002)。然而,已经有一些措施支持遥远系统的可持续性,例如通过购买可持续的咖啡(Giovannucci和Ponte 2005)。尽管如此,其他人认为依赖当地农产品可能会损害粮食安全,并放弃利用高产和低环境影响的产区的机会(DesRochers和Shimizu 2012, MacMillan 2012)。事实上,在本地和全球食品采购之间的权衡是复杂的,并依赖于系统;例如,最近的证据表明,转向本地消费可能只会在温室气体排放强度较低的地区减少全球排放(M. Avetisyan, T. W. Hertel和G. Sampson,未出版的手稿).理解远程耦合的协同作用和权衡可以帮助最大限度地减少主要利益系统之外的负面外部性。

该框架可以帮助促进可持续发展的政策,因为它明确地将远距离互动视为反馈,而不仅仅是单向影响

反馈是维持系统可持续性的重要机制。事实上,政策可以作为有用的反馈,引导系统走向可持续发展。通过明确考虑反馈,该框架可以促使研究人员和政策制定者评估发送、接收和溢出系统之间反馈的存在性和有效性。其中一个例子是发展中国家为促进跨国土地交易而实施的政策,这些政策最初促进了当地经济,但后来当外国投资市场的积极反馈导致过度使用当地资源时,可能会加剧社会不平等和土地退化(Baird 2011)。因此,应该制定新的政策,启动负反馈,以减少土地退化和社会不平等。

该框架可以促进研究不同类型的远程交互作用之间的相互关系,而不仅仅是一种类型的交互作用

遥耦合是一个保护伞概念,包括各种遥远的相互作用,如贸易、物种入侵、迁徙(Linderman et al. 2005)和旅游(He et al. 2008;与生态系统服务的总体概念类似,生态系统服务包含了自然对人类的各种好处,并有助于研究不同类型服务之间的关系,例如碳固存、食物供应、授粉、水净化和娱乐(Daily 1997, Liu et al. 2008),远耦合框架有助于促进对不同类型的远距离相互作用及其相互关系进行系统的、多学科的研究。例如,它可以促进贸易和动物迁徙方面的合作研究。众所周知,生产用于贸易的咖啡的树荫咖啡种植园是候鸟的主要栖息地(Perfecto等人,1996年)。与此同时,这些种植园中候鸟的存在促进了贸易,为具有生态意识的买家创造了生物多样性友好型咖啡贸易的新市场(Rice and Ward 1996)。

本文提出的遥耦合框架标志着一个重大的概念进步,它大大增加了其他相关的理论框架,如埃丽诺·奥斯特罗姆(Elinor Ostrom)及其同事的制度分析与发展(IAD)框架(Anderies et al. 2004, Ostrom 2005,2011)。IAD提供了一个分析结构,以了解不同的制度(即正式规则和正在使用的规则)如何影响共同和本地使用的资源。从遥耦合的角度来看,一些制度可以被理解为社会经济反馈机制,利用结果信息来调整规则以实现社会目标。在此基础上,远程耦合框架将重点放在影响大部分IAD工作中超出本地系统的流的生物物理反馈上。此外,遥耦合框架与IAD框架的不同之处在于明确地考虑了相互联系日益紧密的远距离耦合系统之间的溢出系统和相互作用,包括反馈(Liu和Diamond 2005, Henry和Dietz 2011)。

将远距离互动视为远程耦合有助于发现知识差距,促进可持续性研究和治理。遥耦合框架扩展了关于远距离相互作用的传统研究,开辟了新的探索方向,并对许多其他隐藏的影响产生了至关重要的见解。虽然以前的研究主要集中在某些远距离相互作用的社会经济问题,如贸易、外国直接投资、技术转让、人类迁徙,或其他远距离相互作用的环境/生态问题,如动物迁徙,但它们都可能具有社会经济和环境影响。有许多不同类型的远程耦合可以对可持续性产生深远影响(表2)。

推动了对远距耦合的研究

远程耦合为可持续性科学和应用提供了独特的挑战和机遇,例如,保护、发展、提供生态系统服务、适应和减缓气候变化、入侵控制、能源使用、土地使用和水使用。beplay竞技关于远距耦合还有许多重要而复杂的问题有待回答(表3)。例如,远距耦合是如何出现的,它们是如何随时间变化的,以及它们是如何消失的?它们是如何相互作用的?在什么情况下,远程耦合会增强或降低可持续性?给定系统的哪些属性使其更有可能成为给定遥耦的发送、接收或溢出系统?遥测耦合之间有什么异同?

存在大量的知识缺口。例如,尽管对全球贸易进行了广泛研究,但其许多影响仍然未知。尽管计算生产贸易农产品所需的土地面积是有用的(Meyfroidt et al. 2010),但它没有衡量许多重要的环境和社会经济影响,因为它没有考虑土地覆盖类型在碳储量、生物地球化学和人类福祉方面的巨大差异(Meyfroidt et al. 2010)。此外,在大多数研究中,还没有考虑或认识到溢出系统。然而,远距耦合对外溢系统的影响有时可能比接收和发送系统的影响更大。溢出系统可能在地方到全球可持续发展方面发挥关键作用,因为它们在空间上广泛地连接和传播遥距耦合的影响。此外,耦合系统之间的跨部门连接在很大程度上仍然是一个未被研究的研究领域。这方面的例子包括农业部门的粮食-饲料-燃料交换,以及更广泛的发送、接收和溢出系统之间的农业-能源-金融联系,例如生物燃料、金融投资和土地商品之间的关系。

与局部耦合相比,远程耦合为研究(表3)和治理(表4)带来了更大的挑战,因为它们更复杂,涉及多个流、多个主体、多个原因和多个影响,横跨多个尺度的多个系统,通常还跨越行政和政治边界。在依赖于局部耦合的治理方法和依赖于远程耦合具有强大影响的治理方法之间,可能需要非常不同的治理方法。当灾难发生时,只有局部耦合的系统可能缺乏恢复力。远程耦合系统可以作为水库,以补充因灾难而枯竭的物种种群,并在当地人类基础设施被破坏时作为信息、物质和能量流的来源。然而,当远距联轴器溶解或中断,且没有可用的替代品时,完全依赖远距联轴器的人也可能遇到风险。例如,当其他国家对产品的需求由于国际竞争而下降时,美国的许多制造设施已经关闭,对当地经济和人类福祉产生了毁灭性的影响(Minchin 2009)。在既存在局部耦合又存在远程耦合的系统中,评估它们的平衡程度是很重要的。

将局部耦合和远距耦合结合到决策中可以增强适应能力。这种一体化可能得益于在地方、国家和国际各级建立新的机构和/或改革现有机构,例如联合国、世界银行和世界贸易组织。有一些国际政策寻求管理远距离相互作用的影响,如《濒危动植物种国际贸易公约》(CITES)和《减少森林砍伐和森林退化排放》(REDD),这两项政策都涉及对影响可持续性的物质流动(即濒危物种、碳和森林产品)的跨国监管。然而,这些努力往往侧重于特定的社会经济或环境影响,很少有人试图从综合远程耦合的角度来制定政策,这种角度可以解决发送、接收和溢出系统之间的多重影响和反馈。

推进遥耦研究的重点包括:(1)开发和整合新的理论和方法,以更好地检查遥测耦合的可持续性,例如,反馈如何影响多系统动力学;(2)创造关于遥测耦合的知识和见解,有助于评估遥测耦合系统的变化,例如,商品贸易如何在发送、接收和溢出系统中影响人和环境;(3)探索各种遥测耦合之间的复杂关系,例如,物种入侵、贸易、迁徙、疾病传播、生态系统服务流,以及(4)在多个尺度和不同系统之间使多耦合系统更具可持续性的策略研究。

在远程耦合的背景下研究和促进可持续性需要新的研究方向。这些可能包括(1)采用遥耦合框架,(2)改变研究方法,从以本地为重点的调查转向基于网络的对遥耦合系统的调查,例如,将单个地方的研究扩展到多个地方之间的连接,从多站点比较扩展到跨系统集成,以及(3)研究人员和利益相关者在发送、接收和溢出系统方面的合作。网络科学可以为理解远耦合系统提供特别有用的理论和方法工具,它基本上是网络的一种形式(Bodin和Prell 2011)。研究远程耦合可以填补许多研究空白,例如确定社交网络增加对远程资源使用的生态后果,以及预测未来土地和水的使用情况,以解决全球粮食和生物燃料生产的土地和水短缺问题。

遥耦合框架还可以导致新的分析方法和改进现有的方法。例如,基于主体的建模被广泛用于土地变化和人与自然耦合系统的研究(Chen et al. 2012;Filatova等人,在新闻),但主要限于人与自然耦合系统内的因子。遥耦框架要求在形成耦合系统的土地变化和动力学过程中,明确地纳入远耦合系统的主体之间的相互作用,或遥耦的主体。类似地,情景分析和预测主要考虑耦合系统中的组成部分和相互作用(千年生态系统评估2005年,Moss等,2010年)。遥测耦合视角有助于制定更现实的情景和更准确的预测,以反映日益遥测耦合的世界。

系统集成,或汇集来自不同学科的远距耦合系统的不同方面的数据,可以帮助理解远距耦合。例如,系统模型可用于探索有关遥耦合的政策情景的长期后果,以在多个尺度上增强其积极影响并减少其负面影响,并评估适应遥耦合变化的可持续性选项。在全球和国家尺度上的研究可以提供远距耦合的广泛背景,而在区域和地方尺度上的研究可以详细了解耦合系统、流、动因、原因和特定系统中远距耦合的影响。例如,尽管在国际层面上有关于土地利用置换的研究(Meyfroidt et al. 2010, Lambin and Meyfroidt 2011),特别是森林砍伐(DeFries et al. 2010),但很少有国家、区域和地方尺度的研究同时与全球尺度的分析相关联(Rudel 2005, Rudel et al. 2005, DeFries et al. 2010)。通过采用多尺度系统方法,可以跟踪远距耦合。对远端耦合的研究也可以从投资组合方法中受益(Young et al. 2006),该方法涉及开发一个由理论和方法组成的多学科工具箱,因为没有一种方法能够完成所有事情(Verburg et al. 2008)。此外,革命性的通信技术,如社交网络工具,可以建立“众包”平台(van der Velde et al. 2012),并采用更具参与性和透明度的方法进行研究和治理,以取得积极的社会经济和环境成果。

结论

遥耦合框架提供了一个更广泛的分析视角,以整合影响从地方到全球各级可持续性的远距离社会经济和环境相互作用。它明确地同时考虑了发送、接收和溢出系统之间的环境和社会经济相互作用。作为一种共同的、逻辑上一致的语言,该框架整合了各种人类和自然元素,如土地、水、气候、能源、空气、人类和生物,涉及各种远距离相互作用,如贸易、物种入侵、疾病传播、生态系统服务流动。正如联合国秘书长全球可持续发展高级别小组(2012年)和国际科学理事会(2010年)最近的报告所呼吁的那样,它提供了一种有用的手段,可以将相互联系和反馈以及社会经济和环境效益和成本纳入考虑范围。它还可以帮助识别无法从单独考虑一种类型的远程交互中获得的新见解,因为许多远程耦合可能具有复杂的相互关系。理解遥视耦合对于在日益遥视耦合的世界中治理全球可持续性具有重要意义。

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致谢

我们感谢国家科学基金会、密歇根州立大学、美国能源部科学办公室和密歇根州农业生物研究中心的资助。我们也非常感谢Anthony Janetos, Harini Nagendra, Phil Robertson和Robert Walker的帮助。

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