研究

人与自然耦合系统(CHANS)研究的前40个问题

• 摘要
• 简介
• 方法
  • 收集候选人问题
  • 评估候选人的问题
• 结果
  • 调查结果
  • 词云分析
  • 按类别排序的前40个问题
• 讨论
  • 限制
• 结论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

人与自然耦合系统(CHANS)是人与自然相互作用的综合系统，如社会-生态系统(SES)或人-环境系统(Liu et al. 2007)一个)．CHANS的研究是广泛的综合和跨学科的，跨越社会和自然科学，并试图理解人类与自然相互作用的复杂性，这是许多当代问题的核心和社会对可持续发展的难以捉摸的追求(Turner et al. 2003一个)．CHANS研究是对科学藩篱、还原论和决定论的回应(Michener等人，2001年)，是对人类和自然系统之间相互作用的认识，由于阈值、非线性、滞后效应、路径依赖和跨越时间、空间和组织尺度的突发现象，这种相互作用通常会导致意外(Liu等人，2007年)b)．这种视角提供了用更传统、更不综合的方法不容易发现的洞见。

CHANS研究具有许多分析特征。例如，刘等人(2007一个)在对六个chan研究项目的回顾中注意到四个相似之处:(1)关注chan之间的反馈;(2)跨学科研究团队;(3)使用来自不同学科的方法工具;(4)纵向数据收集。Carter等人(2014)论证了CHANS研究视角的分析效用，特别是在理解中国和尼泊尔人与野生动物之间的相互作用方面对互惠关系和跨尺度互动的认识。同样，Seto等人(2012)将城市土地遥相关作为一种改进的分析方法，用于理解城市化过程、土地变化及其联系，主张对通常被视为不同知识领域的内容进行更全面和空间整合的分析。最后一个例子是，Reynolds等人(2007)主张建立一个更加综合的科学框架来理解和可持续地维护全球旱地的环境、经济和文化系统，强调这些系统的耦合性、慢变量和阈值在驱动系统动态方面的重要性、跨尺度的相互作用以及维护当地生态知识的必要性;每一个都是CHANS研究中熟悉的主题。

认识到当今可持续发展问题的复杂性和CHANS视角提供独特见解的潜力，学者、机构和资助者的投资增加表明了对CHANS研究日益增长的兴趣。自1972年联合国斯德哥尔摩人类环境会议将可持续发展列入全球议程以来，CHANS的研究，正如同行评议文章发表的数量所示，大幅增长(图1)。与CHANS相关的发表研究在瑞典和美国两大机构投资的同时加快了速度。2006年，瑞典战略环境研究基金会(mista)资助了斯德哥尔摩复原中心，社会生态系统研究的领导者。2007年，美国国家科学基金会(NSF)创建了自然与人类系统耦合动力学(CNH)项目，以资助新的跨学科研究，作为NSF环境生物复杂性项目的后续项目(Baerwald et al. 2016)。许多其他国家、地区和国际伙伴关系已经对与chans相关的研究进行了机构投资(图2)。

尽管CHANS视角和研究的重要性日益得到认可(Mooney等人，2013年，Liu等人，2015年)，但学者和从业者尚未对最重要的CHANS研究问题进行评估。最近，在农业(Pretty等人，2010年)、古生态学(Seddon等人，2014年)和生物多样性保护(Sutherland等人，2015年)等多个领域都进行了此类努力，这些努力在确定研究优先次序和指导政策方面可能有用。在这里，我们为CHANS研究提出这样的评估。为此，我们在CHANS社区内开展了两部分众包活动，邀请人类与自然耦合系统国际研究网络(CHANS- net)的成员提交问题，然后对“对理解和管理人类与自然耦合系统有最大影响”的问题进行评估(附录1)。CHANS- net的成员自认为积极参与并熟悉CHANS领域，许多人已经寻求并获得了CHANS研究的资金。因此，这些结果可用于(1)确定与CHANS相关的最紧迫问题，(2)确定CHANS研究的优先次序，以及(3)帮助引导稀缺的资金和政策关注。

方法

收集候选人问题

为了首先确定并对CHANS研究的首要问题进行排名，我们对CHANS- net(一个总部位于美国的组织)的成员进行了一项由两部分组成的自愿、无偿在线调查。CHANS-Net的成员也是自愿的，由NSF CNH项目拨款的主要研究员(pi)和共同主要研究员(co- pi)于2009年发起，随后逐渐增加到许多国家与CNH项目关系不大或没有关系的成员。CHANS- net组织和赞助了数十个研讨会、讲习班和会议，以推动CHANS社区的发展，促进社区成员之间的沟通和合作(Liu等，2016)。

在2013年7月1日开始的第一次调查(附录1)中，我们要求成员提交最多三个与CHANS研究相关的重要问题。经过两次提醒，问题收集调查于2013年8月1日结束。我们还要求受访者报告他们是否是NSF CNH赠款的PI或co-PI，如果是，请说明有多少。我们询问了受访者的主要职业部门，他们是否认为自己的工作具有很强的跨领域性或多学科性，以及他们认为自己的主要领域(国家科学基金会2013年)，年龄，性别，主要国籍和就业国家。

我们从1173名成员中收到了207人的回复，回复率为17.6%。四位合著者独立决定了收到的540个问题(附录2)中的每一个问题是应该保留、重写还是删除。因为回答是单个单词、短语或陈述，而不是问题，或其意图不明确，所以被删除了。四位合著者对提交的问题进行了评估，直到达成共识。然后，多余的问题被组合起来，形成了一个由321个不同问题组成的最终列表(附录3)，这些问题经过了拼写、语法和清晰度方面的轻微编辑。

我们采取了类似的过程，将问题分成12类，独立工作，然后在所有合著者之间达成共识。第二次调查没有向被调查者透露类别，以避免类别对他们的评价产生偏差。

评估候选人的问题

我们为CHANS-Net成员开发了第二个在线调查(附录4)，以下称为问题评估调查，以评估最终列表的321个问题的重要性。与问题收集调查类似，参与是自愿的，不提供任何补偿。2015年6月30日，我们向CHANS-Net邮件分发列表发送了问题评估调查，该邮件分发列表已增加到1373个成员。481人开始第二次调查(回复率35%)，352人完成包括提供问题评估(回复率26%)。在完成问题评价调查的352人中，99人也完成了问题收集调查。

问题评估调查由Qualtrics开发，由科罗拉多大学博尔德分校(Qualtrics Labs, Inc.， version 12018, Provo, Utah, USA)管理。因为我们认为单一参与者评估整个问题池(n = 321)的任务过于繁重，所以我们向每个参与者提供了20个随机选择的问题。Qualtrics随机化算法在所有开始的调查中均匀地呈现评估问题。因此,提问的次数被那些完成了调查得分(352)遵循正态分布,从最低最多14到26日的平均22(附录2)。受访者被要求评估的重要性问题他们看到李克特规模从1(不重要)到7(非常重要),也不得分的选择问题,例如,如果他们没有发现明显的问题。我们在2015年8月18日发送了4次提醒并结束了问题评估调查。

在我们进行分析之前，我们决定(诚然是随意地)列出排名最高的40个问题。我们根据平均Likert分数对所有问题进行排序，首先选择平均分数大于6.0的问题子集(44个问题)，然后根据分数方差最小选择该子集中的前40个问题，即将一致性最高的问题排在高分附近，从而确定最终的40个问题集。尽管我们认识到使用平均数作为李克特数据集中趋势的度量方法存在相关问题，但我们这样做是为了从一个庞大而多样的池中提取出可处理的问题数量，例如，从191个中位数为6.0的问题中缩小范围，包括我们确定的所有前40个问题。如果读者想以不同的方式对问题进行分类或排序，附录2列出了所有问题及其类别、评估数量、平均值、中位数、方差以及每个李克特类别的回答数量。下面，我们列出了12个类别的问题，按类别的平均分递减顺序排列。类别内的问题列表没有特定的顺序。

结果

调查结果

所有问题的平均李克特得分为5.45分，分制为7分制，其中170个问题的得分在平均值以上，151个低于平均值。平均分最低为3.75分，最高为6.36分。44个(14%)问题的评分在6.0或以上，275个(86%)问题的评分在5.0或以上(图3)。

问题收集调查的大多数(61%)受访者，即问题发起者，如图4中蓝色部分所示，从未是NSF CNH拨款的PI或合作PI，而39%的受访者至少是一项拨款的PI或合作PI。38%的受访者是女性。受访者的平均出生年份为1969年。大多数受访者是北美人(76%)，只有24%的人来自非洲、亚太、中东和南美洲。绝大多数的受访者是学术(87%)，他们指出他们的nsf支持的学科包括社会科学(46%)，生命科学(37%)，地球科学(15%)，以及工程学或计算机信息和系统工程(3%)。几乎所有受访者(94%)认为他们的工作具有很强的跨学科或多学科性，这是CHANS研究的一个显著特征。这些百分比与问题评估调查的百分比非常相似(图4)。

词云分析

我们给出了321个评估问题的概述，基于对所有问题中每个词的总分(图5)。除了表示CHANS的单词(“人类”、“自然”、“环境”、“系统”、“耦合”)，我们看到强调“变化”和关键主题，如“气候”和“模型”。

为了确定每一类问题的得分是否存在差异，我们首先计算了321个问题的平均分。然后，我们根据每个问题的平均值的中位数对每个类别进行排名。在我们的12个类别中，关于“土地利用和农业”的问题中位数得分最高，关于“方法”的问题中位数得分最低(图6)。

按类别排序的前40个问题

下面，我们根据问题评估调查的结果，按照类别的重要性排序，列出了40个最重要的问题(图6)，从每个类别的简短概述开始。

土地利用与农业

受访者发现，最重要的问题是那些考察土地生产粮食和相关的水、能源和环境需求的内在权衡(Foley et al. 2005)。土地利用变化是粮食、水和能源关系的一个关键过程，这是一个不断发展的研究领域(粮农组织2014年，未来地球2015年，国家科学基金会2015年)，每个组成部分都在以下五个问题中说明。

• 气候和其他全球环境变化，例如水资源可得性，将如何影响世界不同地区的农业系统?
• 随着粮食产量的增加和能源使用的增加，我beplay竞技们如何控制气候变化?
• 可持续和公正的粮食体系对环境和社会的影响和基础是什么?
• 全球经济如何在区域和更小范围内影响土地使用变化，这种土地变化如何影响自然系统?
• 可持续土地使用系统的特点是什么?我们如何向这种系统过渡?

规模

人类和自然系统及其相互作用是复杂和异质的。这种异质性的表现程度取决于规模(Pickett和Cadenasso, 1995)。在空间、时间和组织尺度上理解人类和自然系统的过程、原因、影响和各种缓解因素是CHANS研究的一个显著特点。虽然需要是显而易见的，但跨越不同规模的研究本身是复杂和具有挑战性的。受访者在这方面有两个问题得分很高，一个是方法论问题，另一个是概念性问题。

• 科学家如何才能最好地跨多个空间和时间尺度集成数据、方法和研究设计?
• 在理解自然系统和人类系统之间的耦合时，空间尺度的作用是什么?

beplay竞技

beplay竞技气候变化给我们对CHANS的有限理解带来了巨大的不确定性和复杂性。气候变化对自然系统和人类系统的beplay竞技组成部分产生深远影响:以资源为基础的生计、生态系统服务、生物多样性、水、能源和土地使用(IPCC 2014年)一个)．尽管对气候变化影响的暴露是普遍的，但由于气候敏感性、脆弱性和适应能力的差beplay竞技异，人类和自然系统的反应是可变的(Smit和Wandel 2006, Dawson等人2011,IPCC 2014b)．这一类中的第一个问题提供了一个CHANS研究团体对复杂的迭代反馈感兴趣的例子。第二个问题虽然也暗示了气候变化破坏CHANS的可能性，但更具体地侧重于以自然资源为基础beplay竞技的生计。

• 人为气候变化的人类后果是什么?这些人类后果将如何进一步塑造耦合的人类和自然系统?beplay竞技
• 面对气候变化，我们如何处理农村生计与自然资源使用之间复杂的相互联系?

可持续性和发展

2015年9月发布的全球可持续发展议程总结了17个可持续发展目标(SDGs)和169个相关目标(UNDP 2015)。理解发展的途径和过程对于实现环境、社会和经济的可持续性和实现这些可持续发展目标至关重要。以下三个问题描述了CHANS中发展与环境之间因果关系的双向性。

• 除了气候变化，还有哪些全球环境变化对可持续性构成威胁?beplay竞技
• 对生态系统和生物圈影响较小的其他发展途径有哪些?
• 我们如何将环境可持续性与社会和经济可持续性结合起来?

适应和弹性

如上所述，气候变化等全球变化驱动因素有可能破坏chan。beplay竞技恢复力，或“社会-生态系统吸收或抵御扰动和其他压力源的能力，使该系统保持在同一状态，基本上保持其结构和功能”(恢复力联盟2016年)，在很大程度上取决于自然和人类系统的适应能力。更好地理解CHANS为评估脆弱性和提高适应能力创造了机会和见解(Turner等，2003年b)．下面的问题是我们如何在全球变化的潮流中提高人类和自然系统的恢复力。

• 如何改进水资源管理，以减少水资源短缺，提高安全性，并使系统不那么脆弱?
• 生态系统的恢复力是如何随着气候、土地利用和土地覆盖的变化而变化的?
• 人类如何提高适应全球环境变化的能力?
• 我们如何才能最好地利用CHANS的互惠性质来支持恢复力?

社会和文化

与自然系统一样，人类系统也是CHANS框架的重要组成部分，但由于关于人类行为和社会互动的许多相互竞争且经常相互冲突的理论，人类系统在理解、建模、预测和整合到更广泛的概念理解方面具有挑战性(Janssen etal . 2015)。下面的问题将人类定位为环境变化的驱动者和这些变化的应答者。

• 随着可用水资源的不断变化，人类人口模式将如何改变?
• 复杂chan的多重尺度的社会驱动因素是什么?
• 我们如何将人类重新整合到我们对“自然”系统的概念和管理中?
• 有什么适当和有效的方法可以将利益相关方聚集在一起，共同解决环境问题?

治理

关于治理的问题表明了CHANS与影响它们的监管或管理系统之间的不匹配(Biermann et al. 2012)，反映了一种担忧，即自然系统的时空过程可能无法与空间过程(如管辖权)和时间过程(如选举周期、治理过程)很好地结合。此外，许多治理系统，例如命令和控制，不适合管理CHANS的不确定性和复杂的相互作用(Holling和Meffe 1996年)。下面的五个问题不仅要求治理如何影响chan，而且要求治理如何更好地与通常复杂、不确定和可变的chan进行交互。

• 政策如何影响人与自然的互动?
• 如何将社会系统和自然生命科学结合起来，以便更好地相互了解，从而做出明智的使用决定?
• 什么样的治理途径可以与复杂性、反馈和自适应管理一起工作?
• 我们如何设计自然资源管理方法，以反映和处理生物物理可变性(在时间和空间上)?
• 资源管理实践如何更好地整合生态弹性和预测干扰?

行为和经济

理解人类的行为和决策对于理解人类与自然系统之间的相互作用至关重要。CHANS的研究人员寻求具有代表性的人类行为和决策模型，特别是在不确定性下提供决策洞察的模型(NSF DMUU 2016)。反映相关学科的成熟，CHANS研究似乎正在超越理性行为者模型，利用行为经济学、心理学(如前景理论)、社会学(如社会网络)和其他学科的见解。在方法学上，更复杂的决策模型适用于基于代理的模型，这是CHANS研究中常见的方法学框架(An 2012)。下面的两个问题表明，在面对不确定性和环境变化的驱动因素时，需要更好的人类决策模型。

• chan的不确定性如何影响人类的决策?
• 关于土地使用/土地覆盖变化和自然资源的人类决策的驱动因素是什么?

一般原理和系统动力学

CHANS研究的一个共同主题是对反馈、阈值、意外、非线性和涌现现象的理解，虽然使预测复杂化，但对实现可持续性至关重要。下面的问题表明了一个广泛的努力，以确定和理解CHANS内部和跨CHANS的复杂系统动力学的一般原理。

• 经济和制度因素如何在多个尺度上相互作用，影响当地条件?
• 我们如何理解复杂耦合系统中的因果关系?
• 环境的变化是如何反馈给个人、团体和机构的?
• CHANS的特征是什么?我们能否预测其临界点或阈值?

教育与科学传播

科学家经常抱怨公众和政策制定者对科学、自然系统、自然过程和人为影响的理解不足(Weber和Stern 2011)。这种担忧，也许是由于CHANS的复杂性和不确定性，在以下两个问题中很明显。

• 如何教育公众认识到极端事件和人类与自然系统耦合的长期变化之间的联系?
• 我们如何确保包含非学术利益相关者的跨学科项目成为常态而不是例外(特别是在可持续发展科学领域)?

保护和生态系统服务

越来越多的保护科学试图解释人在生物多样性保护中的作用，从社区保护(Berkes 2004)到人民友好型保护(Marvier和Kareiva 2014)到工作景观保护(Phalan et al. 2011)。同样，在过去30年里，保护科学中可能没有其他范式的转变能在重要性和影响力上超越以人类为中心的生态系统服务框架，这反映了一种寻求理解生态系统结构、功能和服务与人类利益和价值之间的联系的研究议程(Potschin和Haines-Young 2011年)。除了对世界生态系统作出黯淡的评估外，千年生态系统服务评估(MEA 2005)在概念上明确了自然系统和人类系统之间的联系，并论证了全面生态系统管理对长期可持续性的重要性。生态系统服务的概念，即下面三个问题中的每一个的主题，也并非没有批评者(例如，Norgaard 2010)，因为它明确地将人类和自然系统联系在一起，因此非常符合CHANS的观点。

• 生态系统服务与人类福祉之间的联系是什么?
• 如何才能建立或管理可持续的生态系统，使其能够适应变化并为人类提供生态系统服务?
• 我们如何在决策中衡量和解释生态系统服务，并将其与决策议程联系起来?

CHANS研究方法

CHANS研究的一个巨大挑战是开发分析方法，在时间、空间和组织尺度上有效地捕捉人类和自然系统之间的相互作用。挑战包括整合不同类型的数据，如生物物理/社会数据、定量/定性数据以及复杂生态(如气候变化)和社会过程(如社会学习)的分析表示。beplay竞技下面的每个问题都与复杂的社会或生态过程在CHANS模型中的表示有关。

• 我们如何在CHANS模型中整合行为、引爆点、涌现属性和制度转移，特别是对于生态系统功能和社会组织?
• 我们如何在CHANS模型中更好地表示社会系统和过程?
• 我们如何在耦合过程模型中最好地表示人类的决策、行为和自然系统的人为构建元素?
• 我们如何设计与受生态系统过程影响的社会群体相关的社会生态研究?

讨论

保护生物学(Sutherland et al. 2013, 2014, 2015)、农业科学(Pretty et al. 2010)、海洋生物学(Parsons et al. 2014)、植物生态学(Grierson et al. 2011)和其他领域(Seddon et al. 2014)都产生了类似的“顶级问题”，以集中每个社区的研究努力，引发讨论，并在研究和政策之间建立更强的联系。回顾这些努力，我们发现与这里列出的首要问题有相似之处，也有一些不同之处。

与植物生态学和海洋生物学水平扫描研究的结果相似，我们将公众参与或教育的有效方法确定为我们关注的首要问题(Grierson et al. 2011, Parsons et al. 2014)。植物生态学、保护生物学和农业的地平线扫描发现了一个重点关注以环境可持续和社会公正的方式养活数十亿人的挑战的首要问题，我们的首要问题也注意到了(Sutherland et al. 2009, Pretty et al. 2010, Grierson et al. 2011)。此外，该研究与复原力相关的其他学科有很多重叠之处，比如研究生态系统复原力是如何变化的，以及我们如何建立或维护复原力系统(Sutherland et al. 2009, Pretty et al. 2010, Seddon et al. 2014)。最后，跨学科是CHANS研究的一个标志，并在CHANS的顶级问题中被确定，也是海洋保护和农业科学中类似综述的顶级问题的焦点，这表明需要更多的跨学科学习和合作(Pretty et al. 2010, Parsons et al. 2014)。

这里列出的40个最热门的CHANS问题相对于环境相关科学中类似的问题识别工作是独特的，因为这些问题普遍强调人类将如何受到全球环境变化的影响和适应，人类人口模式将如何随着水的可用性而变化，以及生态系统服务如何影响人类福祉。这证明了CHANS研究的一个独特方面，即人类影响自然系统的反馈，但同时也受到自然系统的影响(Liu等，2007一个)．

限制

任何试图确定或排序一个研究领域中最重要的研究问题的努力都充满了方法和概念上的困难。我们的努力也是如此。我们的研究结果是基于CHANS- net (CHANS研究人员的自选网络)成员中自选的一组受访者提交和评估的问题。尽管两项调查的被调查者的特征非常相似，表明与潜在的CHANS-Net人群有一定的对应关系，但CHANS-Net并没有从其成员中收集这些信息，因此我们无法评估代表性。因此，受访者大部分为北美男性，从事学术工作，从事社会科学、生命科学和地球科学，可能不能代表CHANS- net成员或更广泛的CHANS社区。因此，在推断我们的结果代表了无疑更广泛、更多样化、更全球化的CHANS社区的观点时，需要谨慎。此外，关于问题评价调查，很可能CHANS-Net的应答者，尽管他们中的绝大多数人把他们的工作描述为跨学科或多学科的工作，但由于偏见或不熟悉，评价的问题在他们的主要专业领域之外，可能会影响他们的评价。

从概念上讲，我们承认这里审查的问题代表了CHANS-Net成员的当前观点。提出真正创新的、变革的、面向未来的问题是困难的。创新和想象力很少是共识的产物。同样，新出现的问题在社区中可能是相对未知的。例如，通过国际贸易、移民、知识传播、技术转让和生态系统服务付费，远距离chan之间的遥耦合、社会经济和环境相互作用的研究兴趣似乎越来越大(例如Liu等人2013年，Gasparri等人2016年，Hulina等人2017年)。然而，远程耦合并没有出现在我们的前40个问题中。尽管有这些困难，我们确定与CHANS相关的顶级研究问题的努力代表了对CHANS社区观点的第一次评估，这是一项值得的努力，我们希望定期继续加强对此类工作的局限性的关注，并探索确定重要问题的其他方法。

结论

我们希望本文提出的40个研究问题对研究人员、资助者和政策制定者在确定当前的研究思路和方向、确定资金投资目标以及确定与理解和管理CHANS相关的政策需求方面做出有用的贡献。如上所述，CHANS的观点在一定程度上是对日益增加的复杂性、相互联系以及世界迅速和意想不到的变化的潜力的反应。因此，CHANS研究具有挑战性，需要科学家超越科学藩篱;与采用不同方法、观点和术语的人合作;并在考虑更广泛的时间、空间和组织尺度的同时，保持对局部现象的仔细和详细的检查。这些挑战反映在本文提出的问题中，并在其他地方进行了深入讨论(Gershon 2000, Rylance 2015, Van Noorden 2015, Brown et al. 2016)，它们是重组和重新思考我们的方法的更大努力的一部分，以在一个日益复杂和联系日益紧密的地球上实现可持续发展的目标。

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