合成，一部分的特别功能远程耦合:全球可持续发展的新前沿

跨元耦合世界的集成

• 摘要
• 简介
• 概述
• Intracoupling框架
• Telecoupling框架
• Pericoupling框架
• Metacoupling框架
• 操作化元耦合框架
  • 框架操作化的需求和工具
  • 识别系统边界
  • 距离和规模
  • 操作化过程
  • 可行性
• 需要新的政策、治理和管理
  • Metacoupling交互
  • 溢出系统
• 结论
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

在人类世，人与自然的相互作用在规模和程度上都大大增加了(Steffen et al. 2007, Caro et al. 2012)。这种显著增长背后的主要原因是全球人口和消费的指数增长。一方面，人类极大地改变了自然(Crutzen 2006, Steffen et al. 2007, Zalasiewicz et al. 2015, Bertelsmeier 2017)。另一方面，人类受到自然灾害和气候变化等自然变化的重大影响(Toya and Skidmore 2007)。beplay竞技在一个特定系统中发生的事情不仅会影响该系统，还会影响附近和远处的其他系统(图1a)。例如，亚马逊的森林砍伐通过排放CO产生了全球影响₂(Pütz et al. 2014)。起源于西非的埃博拉疫情深刻影响了这些国家的人民和环境，并给周边国家和世界上许多遥远的国家带来了冲击波(Omoleke et al. 2016)。巴西向中国和其他国家出口了数百万吨大豆(Sun et al. 2015)，对这些国家和其他国家产生了广泛的社会经济和环境影响。欧洲和美国对生物燃料的要求对世界范围内的粮食、能源、水和土地造成了连锁效应(Liu et al. 2013)。虽然没有一项单一的研究可以解决所有复杂的人与自然的相互作用，但必须考虑并整合最相关和最重要的人与自然在地方和全球范围内的相互作用，以实现各种人类发展和保护目标，如爱知生物多样性目标、巴黎协定和联合国的可持续发展目标(未来地球，http://www.futureearth.org；联合国,http://www.un.org/sustainabledevelopment/sustainable-development-goals)．

许多研究探索了人与自然的相互作用并产生了有用的见解，但它们在很大程度上没有整合。换句话说，以前大多数关于人与自然相互作用的研究都是单独进行的，没有联系在一起。例如，对一个系统内人与自然相互作用的研究与其他系统的研究没有联系。学者和机构呼吁采取综合措施，以避免意想不到的后果，实现人类世的可持续目标。由于概念框架是定量和定性集成的基础，因此提出了许多概念框架(Liu等人，2016一个)，大多数框架关注特定地点内的人与自然互动(Binder et al. 2013，国家科学基金会2014)。一个地方可以看作是一个耦合的人与自然系统(简称耦合系统，如社会-生态系统、人-环境系统;Turner et al. 2003, Liu et al. 2007, Folke et al. 2011)。反映远距离耦合系统之间的人-自然相互作用(Liu et al. 2015一个)，发展了遥耦合(跨距离的社会经济和环境相互作用)框架(Liu et al. 2013)。然而，没有框架明确地集成了相邻耦合系统之间的人-自然交互。当讨论相邻系统之间的问题时，重点通常是环境问题，如跨越加拿大和美国边界的污染(Wotawa和Trainer 2000)或社会经济问题，如从墨西哥到美国的人类移民(Ryo 2013)，而不是同时讨论社会经济和环境问题。此外，没有框架可以同时在一个耦合系统内以及相邻和遥远耦合系统之间集成人与自然的交互。

本文提出了一个元耦合的整体框架，它集成了系统内(内耦合)、相邻系统之间(周耦合)和远处系统之间(远耦合)的人与自然的相互作用;讨论将框架操作化的方法;并暗示需要新的政策和管理。该框架通过区分和整合内耦合、外耦合和遥耦合，提出了全球可持续发展的系统视角。为了展示元耦合框架的效用并使概念区分具体化，本文主要从一个著名自然保护区内的人-自然互动以及保护区与世界其他地区之间的例子来说明该框架。这些概念和方法广泛适用于研究和管理地球上人类与自然的相互作用，并有可能帮助应对全球挑战，如实现联合国可持续发展目标。

概述

为了系统地理解人与自然的相互作用(耦合)，可以将其分为三种主要类型:耦合系统内的人与自然的相互作用(内耦合)、远耦合系统之间的人与自然的相互作用(远耦合)和相邻耦合系统之间的人与自然的相互作用(周耦合)。它们一起构成元耦合。元耦合框架包括内部、远程和周耦合框架以及它们之间的相互关系。内耦合也可称为内耦合，而周耦合和遥耦合是两个或两个以上系统之间的耦合(或互耦;图1 b)。元耦合框架使用多级分析方法，因为元耦合的人类和自然系统都是垂直和水平结构的。元耦合系统部分类似于生态学中的元种群概念，即一组通过扩散在生态上连接的种群(Hanski 1998)，但元耦合系统更全面，因为它包括除了生态连接之外的其他类型的相互作用。尽管元耦合框架可以容纳所有的人与自然交互，但实际上并不是所有的交互都在一个研究项目中研究或在单一出版物中报告。选定的交互是由数据可用性、专业知识、时间、资金、空间限制、研究人员的兴趣、科学意义和管理优先级等因素决定的。

本文通过对卧龙自然保护区内的人-自然互动以及与世界其他地区的人-自然互动的分析，阐述了元耦合框架及其有效性。使用这个例子并不意味着在这个框架下的所有耦合系统都需要是相似的，即，作为社会定义的空间区域。卧龙是中国西南部一个2000平方公里的全球生物多样性热点保护区(Liu et al. 1999 .)一个, 2003年一个， Myers et al. 2000)。它是举世闻名的大熊猫(Ailuropoda melanoleuca)和超过6000种其他动植物。卧龙还有1100多个家庭的约5000名居民(大多数是农民)(Liu et al. 2016)b)．1982年至2012年间，卧龙当地居民和家庭数量分别增长了35%和128% (An et al. 2016)。保护区边界以政府为依据，根据山岭、大熊猫栖息地条件和村落位置确定。和其他地方一样，卧龙也有很多人与自然的互动，如木材采伐、薪柴收集;卧龙与遥远地区之间的关系，如熊猫贷款、旅游、农产品贸易、信息传播、劳动力迁移(Chen et al. 2012 .)一个， Liu等。2015一个）;以及卧龙与相邻区域之间的关系，如熊猫跨越保护区边界的移动、人类通过婚姻进入保护区、商品和产品的交换、保护区内河流的水流出等。一些人与自然的互动，如木材采伐或薪材收集，在保护区建立之前就已经存在，而另一些互动，如熊猫贷款和旅游，则出现在保护区建立之后。为了便于说明，我为每种类型的人与自然交互使用两个示例。

INTRACOUPLING框架

耦合内框架将耦合的人和自然系统中的人-自然相互作用概念化为包括反馈的相互过程(图2a)。内耦合过程的例子包括收割、耕作、消费、道路建设、房屋建设、捕鱼、采矿、放牧、收集薪材、收集草药、狩猎、偷猎、基因工程、生物工程、生态工程、修复、污染环境、制造、划船和观鸟。一个耦合系统由五个主要组成部分组成:子系统、代理、流程、原因和结果。有两个主要子系统(图2a)。人的子系统由不同的利益相关者组成，例如，工人、农民和政府官员，在不同的部门，例如，农业。自然子系统包括不同的非生物，如气候，和生物，如植物和动物，元素。人类和自然子系统及其组成部分在同一和跨组织层次上相互影响(图2a)。这些影响是通过子系统内部和子系统之间的物质、能量和信息的流动来实现的。媒介(如利益攸关方和动物)促进或阻碍了流动。原因是内联结背后的原因，例如木材采伐，这会产生社会经济和生态效应，例如新建房屋、森林砍伐(图2a)。 Human-nature interactions within a coupled system can also generate spillover effects (or off-site effects or spatial externalities) beyond the system boundary (van Noordwijk et al. 2004). Where these spillover effects occur can be called a spillover system, which is another coupled system (Fig. 2a). Spillover effects are common. Economists have studied economic externalities (Anselin 2003) and ecologists have explored ecological externalities (Halpern et al. 2008). However, few studies have explored socioeconomic and environmental spillover effects simultaneously. Furthermore, a spillover system has rarely been treated as a coupled system, and other components of the system (subsystems, agents, flows, causes) are seldom studied.

本文提出的内耦合框架建立在以前的人与自然相互作用框架的基础上，但在许多方面与之不同(例如，2005年千年生态系统评估，Ostrom 2009, Binder等人2013，国家科学基金会2014,Liu等人2016。b)．首先，它区分和概念化了代理、流程、原因和结果之间的相互关系。其次，它明确指定系统内的交互可以对附近和/或远处的其他系统产生溢出效应。第三，它与相邻和/或遥远系统之间交互的框架相连接和一致(参见下面的部分)。因此，内耦合框架在反映现实世界中的模式和过程方面比以往的框架更加真实和全面。

在卧龙，许多人与自然的互动存在于多个组织层面，包括当地居民(个人、家庭和社区)、森林(单个树木、林分)、熊猫(单个熊猫、种群)和政策制定者和保护区管理者(个人和群体;图2 b)。通过各种人类活动，如薪柴收集或木材采伐，当地居民影响森林特征，如类型，如落叶或针叶林，面积范围，空间配置，如连续或碎片化，以及结构，如冠层覆盖和物种组成。人与自然子系统之间的流动包括木材和薪柴从森林到住户以及个人从住户到森林的流动(图2b)。其原因包括需要有用于烹饪和取暖的薪柴(An et al. 2001)。当地居民和保护区管理者(框架中的代理人)规范和监测居民活动，如木材采伐和薪柴收集(Yang et al. 2013)。由于森林提供了覆盖并包含了大熊猫的主要食物——林下竹子物种(Schaller et al. 1985, Reid and Hu 1991, Taylor and Qin 1993)，森林特征的变化会影响熊猫的栖息地、行为和分布(Schaller et al. 1985)。

人类活动对森林的影响(如森林砍伐)和熊猫栖息地的影响(如损失和破碎化)产生的反馈影响到人类状况(如社会经济和人口以及活动)(图2b)。例如，随着森林的缩小，它们离住户越来越远，使得木材和非木材林产品的提取更加困难和耗时(He et al. 2009)，并导致大熊猫栖息地的退化和碎片化(Liu et al. 2001, Viña et al. 2007)，这可能导致旅游业的减少。为了应对森林的流失，卧龙已经实施了几个项目，如2000年的“退耕还林计划”(GTGP)，该计划通过提供现金、粮食和树苗鼓励农民将陡峭的山坡上的农田退耕还林(Liu et al. 2008)，以及2001年的“天然林保护计划”(NFCP)，该计划禁止伐木，并为家庭监测森林以防止非法采伐提供现金。这些和其他政策一起导致了卧龙森林覆盖和熊猫栖息地的逐步恢复(Viña et al. 2007, 2011, 2016a、b， Tuanmu et al. 2016)。

卧龙内部的人与自然互动也产生了溢出效应。例如，卧龙的薪材消耗会排放CO₂进入大气，溢出卧龙以外的地区，并可能通过导致气候变化影响世界其他地区(图2b)。beplay竞技一氧化碳的主要原因₂卧龙流向外溢系统排放的是大气环流。卧龙等系统的药剂不能控制大气环流，不能直接防止CO外溢₂在卧龙排放到其他系统。然而，药剂可以间接减少或预防CO₂从卧龙流向外溢系统，有助于减少薪柴消耗，从而减少CO₂从卧龙排放。例如，卧龙境内一条河上修建的一座小水电站为卧龙居民提供了可靠的电力，尽管对河流中的一些水生生物产生了负面影响，政府为卧龙居民提供补贴，使他们能够负担得起用电取代薪柴的费用(Liu et al. 2016 .)b)．

TELECOUPLING框架

遥耦合框架指导跨距离人类与自然相互作用的研究和管理(图3a;Liu et al 2013)。远程耦合是一个涵盖性概念，包括贸易、移民、物种入侵、生态系统服务付费、技术转移、知识转移、信息传播、空气流通、水转移、污染物/废物转移和外国直接投资(Liu et al. 2013)。该框架由五个主要部分组成:系统、流程、代理、原因和结果(图3a)。遥耦合系统包括两个或多个通过流连接的耦合系统。根据流动的方向，例如物质、能源、信息、人员、货物或服务的流动，一个系统可以被视为发送、接收或溢出系统(受发送和接收系统之间的流动影响)。尽管发送系统和接收系统相距遥远，但溢出系统可以与其他系统相距遥远和/或相邻(图3a)。每个耦合系统包括三个相互关联的组成部分:代理、原因和结果(图3a)。尽管这些组件嵌入到耦合系统中，但是将它们视为独立的可以帮助强调它们在远程耦合中的作用以及它们与其他组件的关系。原因是在远耦合系统中产生社会经济和环境影响的远耦合形成背后的原因。 Agents boost or impede various flows. Each component encompasses many dimensions or elements. For instance, corporations, government agencies, households, and individuals can be agents that produce environmental and socioeconomic effects. Two example telecouplings with opposite flow directions are shown in this section. Although the telecoupling framework and the examples are described in Liu et al. (2013, 2015一个)，这里的简要概述为本文的其余部分奠定了基础。

除了野生大熊猫，卧龙还有一个养殖基地，有200多只圈养大熊猫(Liu et al. 2015 .)一个)．熊猫贷款项目允许动物园租借圈养大熊猫(图3b)，期限为几年，通常需要付费(每只熊猫每年最高可达100万美元)。熊猫贷款的总数(流量)从1998年的不到20笔增加到2010年的85笔(Liu et al. 2015)一个)．大熊猫的发送系统是卧龙，而接收系统包括世界各地的许多动物园，如北京动物园和华盛顿国家动物园(图3b)。有很多外溢系统，比如接收系统中人们去看熊猫的区域。代理机构包括为熊猫贷款提供便利的个人和组织，比如负责制定政策和协议的中国国家林业局。熊猫贷款的发生有很多原因(Liu et al. 2015一个)，例如对熊猫的强烈兴趣(Schaller 1993)。熊猫贷款在远程耦合系统中产生了社会经济和环境影响。社会经济影响包括设施建设和运营成本(Buckingham et al. 2013)以及参观动物园的门票和旅行成本(Liu et al. 2015)一个)．环境效应包括CO₂在发送和接收系统之间运输熊猫产生的排放。熊猫贷款也有反馈。例如，第一对送往美国国家动物园的熊猫受到了广泛的欢迎，在第一对熊猫死亡后，第二对熊猫被送往了美国(Liu et al. 2015)一个)．

到卧龙旅游的游客数量急剧增加，在2006年达到顶峰，有22万游客(Liu et al. 2016 .)c)， 2007年因道路建设而下降，2008年汶川大地震后几乎完全停止(Viña et al. 2011)。卧龙是游客的接收系统(图3c)，而发送系统包括中国和世界各地的许多地方。2006年和2007年对1063名游客的调查显示，他们来自中国大陆、台湾和香港的30个省市和26个国家(图3c)。在溢出系统中，有支持旅游业的地区和中途停留城市，如成都，在前往卧龙的途中。卧龙的旅游有很多代理商，包括制定和执行旅游政策的政府机构，如四川省旅游局。旅游业是由生态、文化、政治、经济和技术等因素决定的。例如，卧龙的大熊猫、天然森林和野生动物，以及清洁的空气和水都是最吸引人的生态景观(Liu et al. 2012)。旅游业对社会经济和环境的影响是多种多样的。例如，在2006年的旅游发展高峰阶段，76.5%的卧龙家庭直接或间接从旅游中获得收入(Liu et al. 2012)。旅游业也为外溢系统带来经济效益，例如生产户外服装和登山鞋的地区。 Environmental effects include tourists’ influences on vegetation along trails, donations to support breeding and research, i.e., the Wolong Panda Club (http://pandaclub1.kepu.net.cn/english/index.html、有限公司₂(Liu et al. 2015 .一个)．旅游业也会产生反馈效应。例如，到卧龙的游客与朋友和同事分享经验和信息，鼓励其他人来卧龙旅游(Liu et al. 2015 .)一个)．

PERICOUPLING框架

周耦合框架(图4a)解决了相邻系统之间的人与自然的相互作用。周耦合过程与远耦合过程有一些共同的特征，但系统和相关属性之间的距离不同。例如，相邻国家之间的贸易是一个周耦合过程，而与遥远国家之间的贸易是一个遥耦合过程，与邻近地区的游客旅游是一个周耦合过程，而与遥远地区的游客旅游是一个遥耦合过程。在许多情况下，周耦合在形成人-自然动态方面发挥着重要作用。周耦合框架是对遥耦合框架的补充(Liu et al. 2013)，具有不同的代理、流程、原因和结果。卧龙和相邻地区之间两个流向相反的例子说明了周联结。

与熊猫贷款计划不同的是，卧龙的野生熊猫可能会迁移到保护区附近的地区(图4b)。促进流动(大熊猫移动)的机构包括野生大熊猫和保护大熊猫栖息地和移动通道的政府机构，如卧龙管理局。这一运动的背后有两个主要原因。首先，和其他动物一样，熊猫四处移动是为了寻找食物和配偶，避免潜在的风险。其次，当没有人工屏障(如围栏)阻止它们移动时，熊猫不会识别保护区边界。大熊猫越界迁徙的影响包括获得食物和配偶以及避免风险。在系统方面，备用区为发送系统，相邻区域为接收系统(图4b)。外溢系统是受熊猫活动影响的其他区域。

关于第二个例子，邻近地区的人通过婚姻移民到保护区。2010年，在接受采访的287个家庭的370名已婚妇女中，有49名妇女(流量)出生在邻近的县(图4b)。移民背后的主要原因是经济，因为卧龙的生活水平比相邻的县要高。中介中有移民和媒人。一个女人结婚后搬到卧龙，她可能会把她家乡的其他女人介绍给卧龙的男人。这种社交网络在以婚姻为基础的移民中发挥了重要作用。相邻区域为发送系统，备用区域为接收系统(图4b)。溢出系统包括受移民影响的地区。通过婚姻移民既有社会经济效应，也有生态效应。例如，它增加了人口和家庭的数量，对保护区内的自然资源产生了更高的需求。

METACOUPLING框架

前面三节分别关注内耦(图2)、远耦(图3)和周耦(图4)。在现实中，它们经常同时发生并构成元耦合(图5a)。尽管三种类型的耦合都有代理、流、因和结果(图5a)，但它们之间也有区别、相似和相互关系(表1)。例如，内耦合中的流就是指这些在系统内，远耦和周耦中的流位于系统之间。一些耦合可能共享相同的原因和代理，这些原因和代理可能产生类似的、不同的或联合的影响(表1)。不同系统或子系统中的代理可以一起工作，使耦合成为可能。耦合之间的关系是复杂的。它们可以相互增强或抵消，例如，远耦合的流和效应可以放大或抑制周耦合的流和效应。由内耦合、周耦合和远耦合诱导的溢出系统可能重叠，也可能不重叠。另一个相互关系是不同类型的耦合可以相互转换。例如，当一个系统中的某个人与相邻系统中的某个人结婚(周耦合)后，后者可以在接收系统中执行活动(内耦合)。

将元耦合框架应用于卧龙(图5b)，揭示了内耦合、周耦合和遥耦合之间的复杂相互关系。减少当地居民对大熊猫栖息地的负面影响可以增加野生大熊猫的数量。更多的野生熊猫可能会加强熊猫的跨境活动，并增加熊猫贷款，因为野生熊猫被添加到繁育基地，从而产生更多的熊猫供贷款和游客参观。更多的游客可以帮助当地人赚取更多的收入，从而吸引更多的女性从周边地区嫁给保护区内的男性。然而，过多的婚姻移民可能会增加保护区内大熊猫栖息地的压力，从而减少大熊猫的数量，并产生负面的级联效应，如减少大熊猫的移动，减少熊猫贷款，减少游客。

相互关系可能是非线性的。内耦的变化可能对周耦和远耦有非线性响应，反之亦然。例如，熊猫数量的增加可能不会线性地增加游客数量，游客数量的增加可能不会线性地增加邻近地区的移民。这些非线性响应可能受到许多因素的影响，如自然灾害和政策。例如，2008年的地震基本上阻止了卧龙的旅游业，因为通往保护区的道路被破坏了(Liu et al. 2015一个)．这种关系可能存在时滞和遗留效应(Liu et al. 2007)。例如，旅游收入允许一些家庭为他们的孩子提供更多的教育，从而增加了这些孩子上大学的可能性，减少了熊猫栖息地的压力(Liu et al. 1999b)．但是，由于小学和高中教育需要12年的时间，这种减少可能会被推迟。一旦孩子上了大学，他们通常在城市定居，在卧龙不生孩子(Liu et al. 2003b)．因此，这一行动在减少人类对熊猫栖息地的压力方面具有持久的遗产效应。

这种相互关系还可以产生新的耦合类型或加强现有的耦合类型。例如，修建更多旅游设施的需求促使当地居民在卧龙的河流中收集沙石。游客对当地产品的需求，比如草药，激发了居民生产更多当地产品的兴趣。

操作元耦合框架

要将元耦合框架从一个概念性的构造转变为一个更有用的工具，重要的是要使它可操作。本节强调框架操作化的需求和工具、系统边界的定义、距离和规模、过程和可行性。

框架操作化的需求和工具

研究元耦合对于理解和解决诸如空气污染、生物多样性丧失、气候变化、环境保护、疾病传播、经济发展、生态系统服务、能源短缺、粮食安全、人类福祉、土地退化、可持续性、物种入侵、水污染和水资源短缺等全球挑战具有重要意义。beplay竞技为了解决这些和其他挑战，需要回答许多关于元耦合的重要问题。例如，元耦合是如何出现、发展和解散的?人类和自然系统是如何耦合的，如何才能将系统解耦，以及解耦后的系统如何重新耦合?内耦合、周耦合和遥耦合是同时出现的还是以特定的顺序出现的?它们溶解的顺序和出现的顺序一样吗?它们是否以同步的方式变得更强和更弱?在系统动力学、弹性、脆弱性和可持续性中，内耦合、周耦合和遥耦合的相对重要性是什么?相对重要性如何随着时间和空间的变化而变化?什么因素影响它们的相对重要性? How do intracoupling, pericoupling, and telecoupling interact with each other, e.g., amplify and offset? How does telecoupling drive changes in intracoupling or pericoupling, and vice versa? How do feedbacks among them propagate?

回答这些和其他相关的问题需要元耦合框架的操作化，它可以从在遥耦合研究和其他领域中使用的工具组合中受益。例如，由于遥耦合和元耦合系统本质上都是网络，网络科学可能为分析系统动力学和相互关系提供有价值的工具(Bodin和Prell 2011)。统计方法已被广泛用于检测流动模式和影响(Silva et al. 2017)。遥感数据已被证明在探测远距离耦合对局部到区域尺度景观变化的影响方面具有强大的作用(Sun等人，2017年)。需要一般性的解决办法和更有效的方法，通过积累和超越个案经验来合并生物物理和社会经济问题的数据。基于智能体的建模(ABM)越来越多地应用于土地利用和土地覆盖变化以及人与自然耦合系统等许多领域，但智能体往往仅限于人与自然耦合系统中的智能体(Parker et al. 2003, Janssen and Ostrom 2006, Chen et al. 2012)b， Schulze等人。2017)。作为第一项努力，一组跨学科研究人员提出开发一个基于遥耦合代理的模型(TeleABM)，以模拟遥耦合过程，例如国际贸易，以及在遥耦合框架下的社会经济和环境影响(Liu等人，2014年)。遥耦合工具箱包含一套新的空间显式工具，已被开发用于研究遥耦合系统的动力学(Tonini和Liu 2017)。遥耦合模型和遥耦合工具箱应向基于元耦合代理的元耦合模型和元耦合工具箱的发展方向发展，以模拟元耦合系统的动力学。

识别系统边界

与其他类型的研究一样，设置系统边界很重要，因为不同的边界需要不同的研究时间、努力和其他资源;因为它们可能会导致不同的结果。元耦合框架在系统边界方面是灵活的，系统边界可以由给定的问题、问题、资源、代理、操作、策略和/或流程确定。系统不一定需要用空间单元来定义。有些系统具有自然边界，如具有地质和其他特征的流域，控制着水流向定义点的方式，如具有独特生物物理边缘的岛屿或生物群落。一个社会制度可以由文化网络或政治边界来定义。在系统动力学的学科中，系统边界是相对于感兴趣的行为而确定的，系统被定义为导致行为的结构组件和因果联系。耦合系统通常是由地理、政治、行政和管理边界定义的，例如，大陆、国家、次国家、区域、省、州、县、乡、村、自然保护区、保护区(Asbjornsen等人2015,Dong和Sherman 2015, Rammer和Seidl 2015, Boone和Lesorogol 2016, Giuliani等人2016,Iwamura等人2016,Moritz等人2016,Noel和Cai 2017, Shindler等人2017,Tesfatsion等人2017)，这可能包括社会和自然边界，例如卧龙自然保护区作为一个行政单位。这样的定义有一些优点。 One advantage is that data such as gross domestic products and population are collected within those boundaries. Although natural and socioeconomic boundaries often do not overlap well, boundaries of some biophysical data such as those from satellites can be tailored to be consistent with those of socioeconomic data (Viña et al. 2007). Another advantage is policy relevance of research findings because policies are usually developed and implemented within those boundaries. As a result, such research is directly useful for management and governance. Of course, there are also downsides in that many natural processes such as animal movement and environmental flows do not recognize those political and administrative boundaries. However, some natural processes also may disregard natural boundaries, and some social processes may ignore political and administrative boundaries. For example, animals and moisture in the atmosphere may move across different watersheds, and people may cross governmental borders illegally.

元耦合框架协调并考虑了自然、管理、政治和管理边界。例如，在现实世界中，大熊猫和人类经常跨越保护区边界，因此它们应该是自然由这些流动和互动定义的系统的一部分，而不是保护区边界。然而，另一个现实是，保护区与边界以外的地区是分开管理的。为了解释系统边界内的相互作用以及那些附近和远处的相互作用，提出了内部、外围、远程和元耦合系统的概念和框架，以帮助捕获这两个现实。最后，应该强调的是，定义系统边界取决于研究目标，越来越多的实证研究可能有助于确定最客观正确的方法来区分焦点系统和邻近系统或邻近系统和远处系统。

距离和规模

距离可以是物理的(物体之间的物理长度，如欧氏距离)，也可以是地理的(沿地球表面的地理坐标之间的距离，以经纬度表示)。它也可以从社会或制度上定义(Eakin et al. 2014)。社交上亲近的人可能在身体上疏远，反之亦然(Friis和Nielsen 2017)。

距离也是一个相对的概念，取决于感兴趣的问题和主题。即使是同样的距离，不同的交通工具也可能会改变一个人对远距离和短距离的看法。例如，如果一个人会开车，20公里是短的，但如果一个人必须步行，20公里是长的。尽管这种相对性有时可能令人困惑，但它为各种研究提供了灵活性。例如，一个水生生态系统的大小可以从10平方米的小池塘到5.8万平方公里的密歇根湖。生态系统规模如此巨大的变化，使生态学家能够灵活地探索从局部到全球范围内的生态模式和过程。类似地，具有相对距离概念的遥耦合框架一直被操作。在以往的遥耦合研究中，发送和接收系统之间的距离从100公里到数千公里(Liu and Yang 2013, Liu 2014)。

元耦合框架进一步解决了定义遥耦合框架遇到的距离的挑战，即，距离是多远?我们可以使用周耦合和遥耦合框架来处理相邻系统之间的交互，例如，共享边界的系统和远点系统，例如，不共享边界的系统。因此，无论如何定义距离，都可以使用这两个框架中的一个。此外，如果一个人对区分短距离和长距离不感兴趣，他或她可以将周耦合和远耦合一起视为互耦合(图1b)。

元耦合框架可以帮助解决从本地到全球范围内的人-自然交互。它连接跨规模的过程。任何规模的系统都可以有内耦合、周耦合和遥耦合。例如，一个县在县内有人与自然的相互作用(内耦合)，与相邻的县(周耦合)，与州(或省)内的远县(远耦合)。同样，一个民族在其国内(内耦合)、与相邻民族(周耦合)、与远方民族(远耦合)都有人与自然的相互作用。地球内部有人类与自然的相互作用(内耦合)，与邻近的行星(周耦合)，与遥远的行星(远耦合)。

由于尺度不同，对于相同类型的关系，系统也可能不同。例如，在地方和国家尺度上相邻系统之间的关系，卧龙的相邻系统包括7个县(图4b)，而中国的相邻系统包括12个国家。每个相邻的耦合系统可能与焦点耦合系统有不同的相互作用。

操作化过程

操作元耦合框架可能包括六个相互关联的阶段(图6a)。

第一阶段:设定研究目标，包括制定具体的目标、问题和假设。这是由研究人员的兴趣、科学意义和其他因素决定的。如果可能的话，最好是与相关利益相关者合作，在这一阶段和之后的阶段共同设计、共同生产和共同实施研究。

阶段二:定义焦点系统或感兴趣的系统。焦点系统的定义由许多因素决定，如研究目标、目标、问题和包括数据可用性和后勤的可行性。卧龙自然保护区是本文的焦点系统，因为它是一个备受瞩目的自然保护区，有相关的数据，并且经历了20年的耦合系统研究(Liu et al. 2016 .)b)．

第三阶段:回顾文献，如有必要，对流程、动因、原因和结果进行额外的研究。其中一种方法是在空间中追踪它们。流开始和结束的地方是系统边界。影响流程的实体被视为代理，流程背后的原因是原因，流程的结果是结果。在卧龙案例中，先前的观察表明，卧龙经历了多种类型的内部、邻近和遥远的人类-自然互动，通过各种流动，如熊猫和人的运动(例如，Liu et al. 2015)一个)．此外，对卧龙与相邻区域相互作用的初步研究有助于确定与卧龙元耦合相关的系统边界、流、因子、原因和效应。

阶段四:识别内耦合、周耦合、遥耦合，以及发送、接收和溢出系统。它们是根据可用的数据以及流程、代理、原因和结果的相关性和重要性来选择的。对于卧龙案例，根据它们的重要性、数据可用性以及它们之间的相互关系，选取了一些内耦合、周耦合和遥耦合的例子。耦合的类型和流动的方向决定了发送、接收和溢出系统。数据可用性还专门选择与卧龙共享边界的县作为相邻系统进行周耦合分析，其他地方作为遥远系统进行遥耦合分析。

阶段五:进一步研究元耦合框架的各个组件及其相互关系。这包括每个系统和系统之间的元耦合组件(代理、流、原因和结果)的定性描述和定量度量，不同类型的耦合在系统内部和跨系统之间如何以及在何种程度上相互作用，以及它们如何以及为什么随着时间和跨空间发生变化。图2b、3b、3c、4b、5b是对卧龙进一步研究的结果。

这些阶段不一定是连续的，因为重要的系统组件或过程可能在早期阶段被错误表示或忽略了。因此，一些甚至所有阶段可能需要多次循环(图6a)。在卧龙的案例中，第三阶段选择的原始流动之一是卧龙和邻近地区之间的水的流动。在第五阶段之后，第三阶段被重新审视，并选择大熊猫跨越卧龙边界的移动来取代水流，因为熊猫的移动有助于更好地说明不同类型耦合之间的相互关系，因为它与另一种耦合密切相关(影响大熊猫栖息地的森林采伐)和远耦合(与野生大熊猫的移动有相互作用的熊猫贷款)。

第六阶段:通过在同行评议的期刊和书籍上发表研究结果进行交流，在会议和课堂上发表演讲，让相关利益攸关方参与研究结果的讨论，并通过新闻和社交媒体发布研究结果。之前Wolong的研究成果已经被广泛发表(例如，Liu et al. 2015一个, 2016年b)，与卧龙自然保护区管理局和中国国家林业局等多个政府机构沟通，以改善保护区管理政策和人类福祉，被用作小学到研究生院的课堂材料，并分发给新闻媒体，如《纽约时报》中国的中央电视台(Revkin 2001, CCTV.com 2008)，以及像Facebook这样的社交媒体(密歇根州立大学系统集成和可持续发展中心，https://www.facebook.com/MichStateCSIS)．

多相过程有助于捕获系统的复杂性，如异质性和动态性，同时最终以空间明确的方式定义系统。Friis和Nielsen(2017)担心，在遥耦合研究中，先验地定义系统可能会掩盖人与自然相互作用的复杂性和流动性，并可能错过对遥耦合结果的检测。元耦合框架下的系统并不是预先确定的。第二个和第三个阶段相当于Friis和Nielsen(2017)将系统及其边界视为认识论结构的过程。它们为第四和第五阶段奠定了基础，这相当于将系统理解为本体实体，例如，将地点和地区理解为“真实的”系统(Friis和Nielsen 2017)。在最终确定所有系统边界(第四阶段)之前经过第二和第三阶段可以避免Friis和Neilsen(2017)所担心的潜在问题。为节省篇幅，本文未分别给出第二和第三阶段的结果;它们被纳入第四和第五阶段。

可行性

为了实现可行性，有必要促进跨焦点、邻近和遥远系统的研究人员和利益相关者之间的合作。虽然同时处理所有组成部分及其相互关系是最理想的，但由于各种限制，例如财政资源或时间，这通常是不可行的。一种可行的系统方法是在元耦合框架下将整个操作化工作划分为更小的相互关联的项目(图6b)，并在项目进展时集成来自这些项目的结果。

元耦合方法需要几个步骤。第一步是在概念上识别元耦合框架下的所有重要组件和关系(图6b)。中间的步骤将处理不同的组件并集成它们。中间步骤的数量取决于组件和资源的数量(图6b)。完成两个或多个项目后，就可以开始将它们集成起来，以探索它们之间的关系。最后一步是集成所有组件(图6b)，完成框架的完整操作化。当系统发生变化时，应该重复一些或所有步骤，以考虑到时间动态。

元耦合方法克服了人与自然交互的传统方法的两个主要缺点(图6b)。首先，传统方法通常独立地处理人与自然交互的各个方面，因为它没有将它们放在像元耦合框架那样的集成框架下。研究人员通常只关注一种类型的耦合，而忽略了其他可能更重要的耦合类型。其次，即使在传统方法处理了所有类型的耦合之后，它们在很大程度上仍然没有相互联系，它们之间的相互关系也没有得到充分重视或忽视(图6b)。

在卧龙的长期研究启发了元耦合框架的开发和操作化。随着时间的推移，这项工作在研究范围、技能、专业知识、经验和数据方面变得更加全面。例如，在研究早期，一名学生领导了生物物理分析(Linderman et al. 2005)，另一名学生领导了社会经济分析(An et al. 2002)，以了解熊猫栖息地的变化模式和机制。整合他们的工作有助于发现栖息地退化和退化背后的原因(Liu et al. 2001, Liu et al. 2016b)．研究人员从内耦开始(例如，Liu等，1999b)并完成了一些远程耦合的研究(He et al. 2008, Chen et al. 2012一个， Liu等。2015一个)和周联结(An et al. 2001)。这种方法背后的一个主要原因是在卧龙的早期研究中，内耦合占主导地位。随着时间的推移，随着远耦和周耦的增加，研究重点也随之改变。整合不同团队成员长期收集的数据有助于量化元耦合框架的更多组件(例如，Chen等人2009,Yang等人2013,Liu等人2015一个, 2016年b)．尽管元耦合框架的许多概念直到最近才被开发出来，但在卧龙20多年来产生的数据和见解使元耦合框架的开发和操作化成为可能。

应用元耦合框架所建立的遥耦合框架，表明元耦合框架可以以一致的、系统的、可再现的和可行的方式被广泛应用。尽管遥耦合框架相对较新(Liu et al. 2013)，但它已被应用于解决许多不同的问题，如贸易(食品、能源、沙子、森林产品、工业产品和虚拟水;Liu 2014, Wicke 2014, Liu et al. 2015a、b， Silva et al. 2017, Torres et al. 2017)、土地利用和土地覆盖变化(Eakin et al. 2014, Liu et al. 2014, Sun et al. 2017, Dou et al.，在新闻)、物种入侵(Liu et al. 2014)、物种迁移(Hulina et al. 2017)、旅游(Liu et al. 2015)一个)、水转移(Deines等，2016,Liu等，2016一个， Yang等。2016一个)、城市化(Fang and Ren 2017)、野生动物转移(Liu et al. 2015)一个)、外国直接投资(McKinney 2014)、生态系统服务支付(Liu and Yang 2013, Liu et al. 2016一个)、知识转移(Liu et al. 2015一个)、保护(Carter et al. 2014, Gasparri et al. 2016, Liu et al. 2016b， Wang and Liu 2017)，经济发展(Yang et al. 2016)b)和渔业(Lynch and Liu 2014, Carlson et al. 2017)。

需要新的策略、治理和管理

元耦合框架和上面的示例演示了需要新的策略和实践来有效地治理和管理元耦合。内联结往往较容易处理，而可能影响内联结和远联结的政策则较难有效处理，因为它们超越了司法边界。然而，它们比内耦合更重要——有时是必要的和更重要的。内耦合、周耦合和远耦合之间的交互可能会为治理和管理带来更多的挑战。

管理元耦合系统可以从管理复杂系统的经验中获益(Duit和Galaz 2008, Djalante 2012, Folke 2016)，因为元耦合导致系统复杂性的增加，而元耦合系统是世界上最复杂的系统之一。元耦合框架可以帮助解决复杂的特征，如非线性(Garmestani 2014, Blenckner等人2015,monfredet al. 2016)、分叉(Suweis和D’odorico 2014, monfredet al. 2016)、振荡(Innes等人2013,Chaffin和Gunderson 2016)、时滞(Hamann等人2016,Rova和Pranovi 2017)、遗留效应(An等人2014,Waylen等人2015)、路径依赖(Hukkinen 2003, Manson 2008, Nykvist和von Heland 2014)、以及与突发属性相关的惊喜(Heckbert等人2010年，Reyes-Garcia等人2016年)。元耦合系统的治理应该认真关注响应各种变化的敏捷性需求，以及避免不同类型的锁定(Hukkinen 2003, Schlüter等人2009,Waylen等人2015,Laborde等人2016)。

尽管已经对内耦(Nagendra和Ostrom 2014, Kramer等人2017)、周耦(McDonald等人2001,Gu等人2011,Trammell等人2011,Mukwada等人2016)或远耦(Wicke 2014, Chignell和Laituri 2016, Fang和Ren 2017)相关问题进行了许多单独的研究和管理实践，但对内耦、周耦和远耦之间的协同作用和权衡等复杂相互作用的研究和治理很少。需要努力研究和评估关于元耦合的信息如何有助于政策制定者和管理人员实现从本地到全球范围的可持续性;决策者和管理者如何增加协同效应，减少元耦合对生物多样性、生态系统服务、自然资源和环境的权衡;以及需要哪些政策来有效管理和治理元耦合系统，以应对诸如实现联合国可持续发展目标等全球挑战。因为考虑到相关研究的早期阶段，在元耦合的上下文中提出现实的策略还为时过早，因此本节通过突出两个示例说明对新的元耦合策略、治理和管理的需求。

Metacoupling交互

由于内耦合、周耦合和遥耦合在形成系统动力学方面发挥着不同的作用，但相互作用，它们增加了政策开发和管理的复杂性。例如，当灾难袭击一个系统并造成毁灭性的破坏时，立即的救援工作通常依赖于邻近系统的人员，因为震中系统内的人员可能缺乏自救能力，而远在远处的人要比邻近地区的人花更多的时间才能到达受灾地区。这就是2008年地震发生时卧龙的情况。第一批救援人员来自附近的地方，其次是来自更遥远地方的救援队和物资，包括来自香港(距离卧龙约1400公里)的主要重建资金。地震后，由于没有电力供应，当地人不得不依靠当地的薪柴做饭。当电力最终恢复后，木柴的使用及其对熊猫栖息地的影响大大减少。恢复和重建过程历时数年;因此，必须研究如何更好地协调这些努力，以提高效率，减少对环境的影响，同时更快地改善人类福祉。

除了灾后救援和恢复，与卧龙相关的新政策需要协调减少薪材采集和木材采伐、人口移民和熊猫迁徙、旅游和熊猫贷款等。例如，由于邻近的栖息地对熊猫的活动很重要，需要更多的努力来保护它们。其中一种方法是改善邻近地区的人类福祉，减少他们对熊猫栖息地资源的依赖。由于卧龙旅游的大部分收益都被旅游公司所获取，将更多的旅游收益分配给当地居民可能有助于提高电力的可承受性，减少薪柴的消耗(He et al. 2008)。此外，熊猫贷款的更多利润应该帮助卧龙居民为熊猫保护做出贡献(Liu et al. 1999bTuanmu et al. 2016)，帮助他们购买电力，以减少薪材消耗和栖息地破坏。利润分成还可以改善儿童教育，这样更多的儿童可以上大学，在其他地方定居，并减少未来的人口增长和对熊猫栖息地的影响。

在内耦合、外耦合和外耦合方面采取集体行动，对应对全球挑战也至关重要。实现联合国可持续发展目标就是一个很好的例子，因为这需要特定领域内以及相邻和遥远地区之间的集体和协调努力。例如，要在全世界消除饥饿(目标#2)，不仅需要增加适合粮食生产地区的产量，而且需要向缺乏充足粮食的其他地区出口粮食。同样，对于目标#14(海洋保护)，重要的是要保护靠近和远离海洋的陆地系统，因为来自陆地系统的污染物会流入海洋(Zeng et al. 2015)。其中一些问题已经被认识到，但是元耦合框架可以帮助系统地集成所有重要的系统组件。

溢出系统

溢出系统是最不被理解的系统。它们不仅可以来自遥耦合(Liu et al. 2013, Liu et al. 2015)一个)，还包括周耦合和内耦合，这是上面所示的元耦合框架首次明确识别的。它们可能比仅由遥耦合产生的更复杂。例如,公司₂卧龙采伐森林和到卧龙旅游产生的排放都对全球CO有贡献₂池中，但它们的大小和影响不同(Liu et al. 2015一个)．为了治理和管理溢出系统，有必要首先了解它们。如果溢出系统受到负面影响，提供足够的补偿以抵消这些负面影响是很重要的。在一些与旅行相关的活动中，人们意识到并愿意为碳抵消买单(Choi和Ritchie 2014)，并且可以采用类似的方法来抵消CO的成本₂卧龙及其他地区的旅游业和森林采伐所产生的排放。

结论

元耦合框架是一个概念基础，它提供了一种整合世界各地人与自然交互的整体方法。通过元耦合框架查看世界是有用的，因为它可以提高对系统连接的认识，而在关注一个特定的系统时，系统连接可能不会立即显现出来。该框架为思考独立组件之间的密切交互提供了一种新的工具。一个新颖的方面是它整合了相邻系统和遥远系统之间的相互作用。这种跨空间的整合也可以检验不同尺度的效应，从细尺度到大尺度的聚合效应，或从大尺度到细尺度的分解效应。这种整合对于评估邻近和遥远的多个系统内部和之间的协同作用和权衡至关重要。社会经济和环境外部性可以跨越空间和时间来解释。通过研究人员和具有相关专业知识的利益攸关方之间的合作，该框架有可能帮助发现隐藏的生态和社会经济模式和过程，并为应对诸如实现联合国可持续发展目标等全球挑战生成有用的信息。为了在这个元耦合的星球上实现可持续的未来，非常需要制定新的政策、治理和管理。

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