社會-生態系統恢復力的測量方法綜述

周曉芳

華南師范大學旅游管理學院, 廣州 510631

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社會-生態系統恢復力的測量方法綜述

周曉芳*

華南師范大學旅游管理學院, 廣州 510631

恢復力和社會-生態系統研究的理論及實踐近年來在西方較為流行,然而經過幾十年發展,學術界仍舊沒有對恢復力的概念達成一致,相應的測量方法更是多種多樣。基于恢復力理論對系統相對穩定狀態和邊界的假設以及恢復力概念3個階段的演變和理論的發展,總結了測量恢復力的5種方法,得出恢復力測量的3個發展現狀或趨勢：閾值和斷裂點方法依舊是量化恢復力的基本方法；恢復力測量從關注時間轉向空間,關注生態轉向社會和社會-生態；復雜學和多學科融合的方法是未來發展的主要方向。

恢復力；社會-生態系統；測量；方法；綜述

雖然恢復力(Resilience)在很多學科領域已經獲得相當重要的地位,但迄今為止科學家們對其概念仍未達成共識[1],不同研究者根據需要做出不同解釋,從而出現模棱兩可的定義以及濫用現象[2],測量方法相應也多種多樣。究其原因,在于恢復力存在著先天缺陷——即恢復力屬于預設性研究,其重要性要到危機爆發才會顯現[3]。由此大量的恢復力研究主要圍繞生態系統的災難和脆弱性評價進行[3],一定程度上模糊了恢復力和脆弱性兩個概念并掩蓋了恢復力的本質。同時,現階段的恢復力理論進一步強調這一概念不僅適用于短期災難也適合長期現象[4],并不斷被引入社會、經濟系統研究中,在測量方面產生指標過多和過于綜合化[1]的現象,進一步模糊恢復力的本質,使其逐漸成為寬泛的話題,既吸引人又捉摸不透。

可見恢復力概念具有很高的可塑性,也意味著恢復力研究存在許多分歧,因此迫切需要有效的測量方法[5]來體現恢復力研究的價值。目前恢復力理論已進入社會-生態系統(Social Ecological Systems)階段[6-8],即從原來關注系統恢復力轉向理解社會-生態系統的適應、轉換和學習過程。從研究歷史來看,恢復力一直與社會-生態系統的復雜性以及這個復雜系統所對應的復雜問題演變有關,這使得恢復力測量方法更加復雜多樣。如前所述,在恢復力概念沒有明確和一致且目前研究寬泛、概念濫用現象嚴重的情況下,各種文獻的恢復力測量方法并沒有明確的主線可循,綜述起來非常不易,本文力圖從恢復力的本質出發——起源于對系統的相對穩定狀態以及相應邊界的假設,依據恢復力概念的主要演變路徑(工程恢復力→生態恢復力→社會-生態系統恢復力)介紹閾值和斷裂點法、恢復力替代法、場景分析法,對應恢復力研究從關注時間向空間的轉變介紹狀態空間法、恢復力長度法,總結分析這五種方法并力圖尋求它們之間的聯系,探索恢復力測量方法的脈絡和發展趨勢。

1 閾值或斷裂點法

工程恢復力(Engineering Resilience)是恢復力的最早解釋或第一概念,假設和強調系統的某個穩定狀態存在并以恢復到同樣狀態所需要的時間和速度[9]來衡量。生態恢復力(Ecological Resilience)是對工程恢復力的修訂和補充,假設系統存在多個穩定狀態,以系統在跨越這些狀態時吸收的干擾量而非時間和速度來表達恢復力[9-10]。兩者都屬于傳統恢復力,即立足于對系統相對穩定狀態的假設并關注相應邊界問題,認為多空間的復雜系統行為將圍繞吸引場變化,如果系統進入一個新的穩定域,原系統的恢復力將丟失[11]。可見,無論是系統基于某個穩定狀態或多種穩定狀態,還是系統恢復到某個穩定狀態的時間、速度或是吸收的干擾量,恢復力測量的基本還在于相對穩定的參照狀態選取以及對應變量或指標的監測和測量。

閾值和斷裂點方法即是以此為基礎,其前提是假設社會-生態系統以某個或多種穩定狀態存在,這種穩定是相對的、變化的,如果某個系統變化過多或達到一定的程度,它就會跨越某個邊界或范圍并開始呈現不同的行為方式,直到進入另一個穩定狀態。閾值(Threshold)概念表達的即是系統的范圍邊界,是恢復力作用的范圍。Folke等人將其定義為控制產生臨界反饋的、經常緩慢改變的變量達到的某一水平或數量,使得系統自組織地朝著不同軌跡、或不同的吸引子運行[12],斷裂點(Tipping Point)則是穩定系統被破壞將進入不穩定的臨界點,是與閾值對應的、相關的存在,在擾沌模型(Panarchy)[13]中得到充分體現,是不同尺度或狀態的系統之間連接點,在很大程度上可以認為閾值和斷裂點所表達的系統邊界或臨界的實質是一樣的。

Carpenter認為直接測量恢復力非常困難,唯一的方法就是通過復雜系統的臨界或邊界識別[14],表明恢復力測量中閾值或斷裂點方法有基礎性的地位,在相關文獻中該方法應用也最為廣泛[15]。閾值測量一般分為時間閾值和生態閾值[5],也有根據關鍵變量在時間和空間上的周轉速率而分為快變量和慢變量[16]。無論何種分類,閾值的方法基本都是根據關鍵變量和時間閾值或生態閾值之間的關系估算系統某些關鍵指標從脅迫狀態恢復到穩定狀態的時間。例如,在生態系統中對生態閾值和時間閾值轉換最明顯的例證就是氮和磷在湖泊中的富積和變化,如果氮和磷沉積速率下降并逐步減少,湖泊會恢復原來的狀態,湖泊系統的恢復力可以通過氮和磷的變化兩個關鍵指標來確定[17]。可以說閾值提供了一種很好的思路,即系統由一種狀態轉變為另一種狀態的時候所應具備的條件和恢復時間,或是系統能夠承受的最大脅迫或系統從一種狀態到另一狀態的臨界值和斷裂點。由于思路相同,斷裂點和閾值兩者經常聯系在一起,目前在閾值系統模型中測量恢復力的方法均與斷裂點有關系,例如系統到斷裂點的位置、系統朝著斷裂點移動的敏感性、系統朝著斷裂點移動的速度[5]等等。在生態系統實踐中的運用也較常見,例如嚴重干旱環境下北美黃松向矮松的種群轉換是因為土壤侵蝕和嚴重破碎化[17],土壤侵蝕程度和相應生態系統的閾值和斷裂點就是地表松樹群落系統轉換的臨界。除了時間閾值和生態閾值,空間閾值的研究也開始出現,例如Liu[18]在梳理閾值的非線性時以武隆地區大熊貓的棲息點、居民點以及燃料采集點三者的空間距離變化及關系展示了空間閾值問題,是一個較好的探索。

由于運用閾值和斷裂點方法的時候生態系統都被假設有一個穩定狀態,并且在通過某一或某系列壓力源產生的臨界值到達另一個穩定狀態[19],或通過分析少數關鍵變量來理解生態系統動態,承認系統的系列變量和關系在從控制性的狀態轉變到另一個穩定范圍時所吸收的擾動數量[8],因此閾值和斷裂點方法的焦點不是在穩定性,而是在變化性,是對不斷變化的社會-生態系統恢復力有用的測量方法[8],例如Brand 總結的3種可能的量化恢復力方法均是基于閾值和斷裂點[20]。

但是,閾值和斷裂點關注的臨界通過并不經常發生,且確認哪里是臨界和系統邊界存在也是非常難[14]。自然科學中對臨界值的理解來自于大的擾動發生前后生態系統的響應過程,但在交叉學科中這也許不可能[14]；并且,在歷史的長河中,社會崩潰是不多見的[21],而社會研究總是滯后于社會現象,社會現象的復雜性遠遠超過經驗的認識,導致社會系統的臨界和邊界狀態確定更是困難。因此閾值和斷裂點的方法是有限的,基本上僅適用于被不利環境控制的生態系統,以及不考慮系統內部或外部的競爭導致的生態系統變化,對長期的社會-生態系統研究則很難運用到。目前社會-生態系統中使用該方法也仍然處于概念和模型階段,這與生態學家本身的專業局限有關,雖然Rapport等人認為閾值或斷裂點方法可以求助于計算機模型的幫助,如Century模型和Gap 模型[15],實際上這些模型并不適用。

不過,閾值和斷裂點的方法至少為了解社會發展提供了一個思路,Adger認為災難過后前社會系統的殘留變成新社會系統的生長點,依據假設的方法可以推導恢復力[3]。目前許多相關研究也逐漸集中到如何理解社會體制轉換的臨界狀態,用恢復力管理的方式阻止社會轉變或災難被觸發[22],形成轉化型變革或轉換型景觀的研究。例如在Walker等人的研究中,轉換型變革包括景觀穩定性的本質改變、新的決定性狀態變量的介入以及其他變量的丟失[23],具體來說包括對社會的看法和意義的改變、社會網絡配置、領導層與政治和權力的關系結構、組織結構的關聯和制度安排[12]。

2 恢復力替代法

圖1 社會-生態系統中恢復力和替代的機制[14] Fig.1 Relationship between the surrogates to resilience of social-ecological systems

在更加復雜的社會-生態系統中,學者們普遍認為測量每個穩定狀態的閾值非常困難[15],因而發展了一種間接的方法[24],即恢復力替代法。替代(Surrogate)這個概念并非新名詞,在1973年Holling對恢復力的經典開創性論文中已假設生態系統存在自組織的替代物或穩定狀態[25]。恢復力的替代物并非一般生態學意義上的指示因子(Indicator),而是在對社會-生態系統的評估過程中提取的閾值或斷裂點及相關變量,Peterson認為尋找替代是系統各獨立部分相互加強的過程[26]。關于替代物和恢復力的關系以及在社會-生態系統中的機制,Carpenter等[14]以圖1表示：

如何識別和選取替代物？簡單來說就是在評價社會生態恢復力的時候直接從中推導出代理的特征[24]。由于恢復力管理的目的是使系統面對干擾時保持持續和穩定,替代物的選取要求具有前瞻性[27],并且在選取替代物之前要界定好問題,對社會-生態系統和恢復力機理進行甄別和研究。事實上替代物識別和界定依舊是一個難題,因為恢復力至今都沒有統一的概念,進入社會-生態系統階段的恢復力研究更加復雜,恢復力更多作為一個屬性來被研究。

如果說工程恢復力和生態恢復力概念相對生態系統研究來說較為清晰,那社會-生態系統的恢復力含義則至今仍不夠能明確。自從社會生-生態系統研究聚焦系統的復雜演變過程[12]開始,恢復力的概念與適應和進化越來越近[28]。例如Walker等人提出恢復力不應該僅僅被視為系統對初始狀態的一種恢復,而且也是復雜的社會-生態系統為響應擾動和壓力、限制條件而產生的一系列變化(Change)、適應(Adapt)和改變(Transform)的能力[23]；Folke等人也認為現階段恢復力的思想主要著眼于社會-生態系統的3個不同方面,即持續性角度的韌性(Resilience as Persistence)、適應性(Adaptability)和轉變性(Transformability)[12]；Cumming等認為系統的本質就是忍耐和不忍耐,恢復力等同于系統保持其特性的能力[27]。這些都表明了目前的社會-生態系統研究已經進入復雜系統階段[29],因此恢復力被更多視為這個復雜系統的屬性[30],或是與條件(Potential)、連通性(Connectedness)成為系統的3個維度[13]。這些轉變體現了研究的關注角度從過去生態系統的相對穩定狀態對應的邊界或臨界問題轉向關注社會生態復合系統持續和穩定對應的適應和進化、學習等問題,這使得社會-生態系統研究的復雜性增強,更多社會-生態屬性問題被納入,從而導致恢復力的地位降低,恢復力本質更加被模糊甚至忽視。

鑒于恢復力替代法在選取替代物的時候非常依賴研究者的能力,本文介紹Bennett 等總結的利用簡單系統模型在具體案例研究中逐步識別恢復力替代物的過程,即通過發展系統模型建立識別恢復力替代物的4 個步驟：問題界定、反饋過程辨識、系統模型設計和恢復力替代物識別[5,31]。

第一步 問題界定

定義分析系統的原因或問題。例如系統應該被恢復的是什么方面？系統恢復的哪些變化是研究希望的？問題界定有助于對系統的邊界和范圍有一個清晰的認識,并對外部干擾和系統未來發展狀態有初步預期,在預期的基礎上設定恢復力管理的目標。

第二步 反饋過程辨識

反饋過程是系統恢復力的重要構成,決定了變量間的相互作用。如果要試圖完整描述系統,反饋過程非常重要。系統只有在對反饋的不斷識別和適應中才能實現下一次的轉變和適應,在這個不斷反饋和適應、轉變中,反饋回路形成并成為系統循環的重要特征,從而影響對恢復力的判斷和測量。這一過程相對來說較為復雜,在實際的社會-生態系統問題中更不容易識別。例如當輸出過程發生時,輸入過程同樣出現反饋回路,反饋加強的是正反饋,阻礙系統過程并促進平衡的是負反饋,正反饋減穩,負反饋傾向穩定,恢復力的判斷需要理解正負兩種反饋形成的回路以及之間相互矛盾,清楚能使系統各部分相互限制并導致替代狀態如何發生以及相應的系統過程。具體來說,需要甄別的問題諸如什么變量改變了？是什么樣的進程和驅動力產生了這些改變？什么力量控制產生改變的過程？等等。

第三步 系統模型設計

好的系統模型包括所有關鍵要素和反饋進程,以及系統要素之間的鏈接。這一步需要注意幾個問題：什么是系統關鍵要素,它們怎么連接的？哪種正反饋或負反饋存在且與什么變量有關？如果有的話,控制這些反饋回路的干預因素是哪些？將系統從可控的一個反饋回路移動到另一個會有什么樣的區別？在關鍵要素提煉和系統過程聯系機制理順的基礎上建立的系統原型和系統模型,為下一步的參數設定和系統模擬提供基礎。

第四步 恢復力替代物識別

識別替代物的時候需注意幾個問題：在反饋回路中狀態變量的閾值如何？從狀態變量到閾值有多遠？從狀態變量移動到閾值或遠離閾值有多快？外部的干擾如何可能并如何影響和控制狀態變量？變化緩慢的變量影響閾值位置的方式如何？什么因素控制這些緩慢的變量。這一步要通過對狀態和閾值的了解來判斷系統是否具備恢復力或者恢復力程度如何,并辨識系統在外部干擾或緩慢變化過程中的恢復力變化情況,以實現恢復力的控制。

上述方法相對被部分學者接受,其中系統模型的建立和設計是重要的一環[13],一旦定性的系統模型建立,關系量化和因果假設就相對容易[32]。然而定義系統模型非常困難,并不能忽視細節,這些細節有可能是非常重要的[5],但如果要全面考慮這些細節,又會影響模型本身的建立,因而這是一個艱難的過程。好的模型并沒有那么容易,正如愛因斯坦所說“盡可能簡單,但不是更簡單”,恢復力測量方法的探索注定還將繼續。

在使用恢復力替代方法的時候有幾點還必須注意,第一也即是核心問題是哪一種恢復力替代是與社會-生態系統中的恢復力一致的？在這個問題上要弄清楚很不容易,因為恢復力不能直接觀察,因而這個問題也不能直接回答,所以很多相關問題必須要了解。第二是環境,恢復力替代經常有賴于環境,系統恢復力的產生也有賴于環境,這種環境依賴應該可以講清楚的。第三,替代必須是一致的和重復的,某種程度上能夠給以觀察者同樣的信息[5,14]。

在近年關于恢復力替代方法的研究結果中,一些生態系統的替代可以作為參考,例如方差的增加(Rising Variance)可以作為生態系統躍遷的預警指標、干擾后的恢復速率(Slow Recovery)可作為恢復力和系統躍遷的指示因子、偏度(Skewness)可以用來預警系統的穩態轉換[33]。但Carpenter指出各替代因子都有局限性,需要進一步的實證分析和完善[14]。并且,恢復力的測量不同于傳統生態指數,使用替代意味著承認社會經濟系統中的恢復力不能直接被觀察[14],大大增加了恢復力測量的難度和不準確性。Holling也承認恢復力及其代替之間的關系經常改變,恢復力替代理論上也應該以相應的方式響應和符合這種變化[25,34]。盡管這些都表明恢復力替代的方法存在缺陷,但也為該方法的進一步發展指明了方向。另外,恢復力替代識別過程的復雜以及選取上的主觀因素都使得恢復力替代法具有針對性,缺乏普適性,并且在實際使用過程中,很多簡單的生搬硬套,甚至直接跳過系統模型的建立和分析,直接簡單選取恢復力的影響因子,導致恢復力替代方法變成簡單的恢復力影響因素的評價。

3 場景分析法

由于現階段恢復力被假設為社會-生態的屬性[12]或維度[13],難以觀測更難以量化,加上前述閾值或斷裂點和恢復力替代方法的缺陷,導致社會生態中的恢復力研究中定性方法比定量多,場景分析法(Scenario)是較多和較早使用的方法。最初由Walker等人提出[24],很快得到社會-生態系統研究領域內主流學者的認可和使用[31],成為預測系統可能的未來和道路選擇[35]的主要方法之一。

場景分析在本質上就是對未來的故事性敘述[8],即展示未來是什么樣的。和以定量方法為主的測量、預測方法相比,場景分析更加注重現階段研究基礎上的變化性和敘事的邏輯性[8]。一幕、幀或幅場景要包括可能的事件過程導致到來的結果狀態或圖像,這個圖像更像是未來具有代表性的一幅畫或一張快照。例如Gilberto[36]就提出了場景剖析的4個步驟：首先對系統現階段狀態特征分析以得到某一關鍵問題,再分析規模、驅動力、不變要素和不確定因素,然后分析系統的邏輯結構,最后得到描述將來景象的要素。他總結了世界常見的幾個場景：參考場景、政變場景、崩潰場景、堡壘場景、生態社區場景、新可持續示范場景,如圖2所示。

好或壞的場景為社會-生態恢復力管理提供相應的規劃思路和提前應對方案,然而場景并不那么好構建,需要對社會-生態系統的現階段狀態、系統驅動因素、系統變量、可能面對的干擾、系統的恢復力和適應性等全方位評估,這些過程有可能只是經驗之談。為使場景分析法更有依據、結果令人信服,研究者們不斷完善和規范相關步驟和程序,本文主要介紹Cumming等人的場景分析5階段[27]。

(1)定義系統特性

在描述社會-生態系統的時候,系統的組成部分是首要考慮的問題,并要根據實際的社會-生態系統進行分析。包括對系統組成部分的清楚描述、部分之間的相互關系和反應、組成的連續性、以及可能存在的新事物和系統的創新性。其中要盡可能定義系統的邊界,掌握閾值和臨界情況,考慮系統尺度問題。

這一階段主要分為兩步,第一步將4個系統屬性概念化(結構組成、功能關系、創新和連續性),第二步根據驅動力作用的范圍和強度分別在4個屬性中選取相應的變量。得出的結果是社會-生態系統各部分及其關系,Cumming等建議用可視化的系統結構關系圖來表示,如圖3所示。

將社會-生態系統簡單可視化對于測量恢復力,定義系統的特性,監控相應的變量變化很重要,因此這一步有決定性作用。

(2)定義可能的新系統：與當前系統相同和不同的特性

圖2 世界社會-生態系統常見的幾種場景[36]Fig.2 Six scenarios of the world social-ecological systems

圖3 地方社會-生態系統簡單可視化及各部分關系[27]Fig.3 Simple visualization and relationships of key components within each local social-ecological system

根據上一階段中舊系統的特性在選定的驅動因素作用假設下推導系統有可能產生的變化,包括有可能產生的新系統和系統經歷發展和重組后有可能保留的特性。如果沒有發現系統的特性被保持,顯然這個系統缺乏恢復力。如有,則將這些被繼承的系統特性提取出來,并監控和測量相關變量的變化數據。這一階段的焦點是對變化的管理,包括評估、緩和負面結果和增強積極效果。

(3)闡述變化的軌跡

這一階段與上一階段相輔相成,循環進行。包括厘清系統變化的主要過程、對系統性能的影響,同時也注意與恢復力相關的擾動。關鍵目標是對連續的變化如何影響恢復力進行假設性的分析。

(4)評價將來的可能性

在對現狀評價、可能未來的分析、不同驅動力作用以及對擾動的分析基礎上推測未來可能發生什么。這一階段并不擯棄系統特性,相反更要關注系統特性的變化,這是恢復力分析的關鍵。

(5)確定變化的因素和驅動力

這一步是前述基礎下對系統的機制的更深層次理解,結合對系統變化的分析和驅動因素的確定,將恢復力以及系統特性變化的相關變量聯系起來,最后得到社會-生態系統的變化機制、過程以及恢復力。

4 狀態空間法

狀態空間法是現代系統論和控制論的主要研究方法,動力學意義上的狀態是一系列信息的集合：對于一個給定的動態系統,如果要完全描述其動態需要n個變量,則狀態空間就是由狀態向量X(t)構成的n維向量空間,如公式(1)所示。通過狀態變量的空間變化建立系統內部變量與外部輸入變量和輸出變量之間的關系,不僅是信息的集合和空間上的動態連續,還對系統外部特征和內部性能狀態都進行描述。生態學中的狀態空間法較多用于生態承載力評價,通常由表示系統各要素狀態向量的環境軸、資源軸和人類活動軸三維狀態空間軸組成[37],用狀態空間中的承載狀態點定量地描述和測度區域承載力與承載狀態[38]。

(1)

在此基礎上恢復力聯盟將狀態直接定義為構成系統的變量[39],例如一個牧場系統由草、灌木和牲畜的數量決定,那它的狀態空間就是所有可能3類變量在三維空間上的各種可能組合,三者在空間上的運動體現了動力系統的不斷變化,即牧場的狀態就是在特定時間下草、灌木和牲畜的數量。狀態也被認為是一個階段,在這個階段上,物種與環境交互作用產生了功能與結構的一組屬性,形成狀態空間[39]。社會-生態系統中狀態的廣義定義則是指系統在某個閾值范圍內的主要過程以及所引起的系統的特征變化[40],這種變化是可以被監測和測量的,因此狀態空間可用于直觀理解恢復力的內涵[41]。

用狀態空間法測量社會-生態系統恢復力的前提是假設系統運行的狀態處于“吸引盆地”中,“吸引盆地”是狀態空間中一個特定的相對穩定區域,Walker的用穩定景觀吸引盆(The Basins of Attraction in a Stability Landscape)[23]來描述,并增加了體制(Regime)的概念來表達一系列狀態中有著同樣本質的結構和功能的系統配置[23],以小球在穩定景觀吸引盆內或吸引盆之間的變化來代表恢復力的運動軌跡。不過 Folke等認為景觀吸引盆和體制的假設過于復雜,比較贊同May[42]和Holling[25]直接采用多穩態(Multiple Stable States)來表征生態動力系統在相同的參數條件下存在不同穩態解的現象,即直接關注穩定狀態的多樣性,省卻了體制這一系統配置的環節。

然而,起源于自動化和控制理論的狀態空間法并沒有在恢復力的量化和測量方面得到很好的運用,原因和前述閾值和斷裂點的方法較為類似,即使在運用該方法比較多的生態承載力評價方面也大部分是簡單套用。很顯然,對于社會-生態系統這樣一個復雜系統,只基于變量的狀態和狀態空間概念反而使得恢復力研究更加復雜。因為系統的狀態空間并非幾個變量就可以明確的,空間是一個點、線、面組合和維度的問題,狀態和狀態空間應關注系統變量在空間上的可能組合以及相應的變化和驅動機制。但是,狀態空間法不失是一個新的好思路,不僅關注恢復力的工程學和生態學含義,將兩者思想融合起來,還注重社會-生態系統的整體狀態和變化,有利于從整體到局部關注恢復力的動態變化。更重要的是恢復力傳統研究一直關注的是與變量變化相關的時間和相應的速度問題,狀態空間法則是向恢復力空間研究轉變的一個的開始。

5 恢復力長度法

狀態空間法是恢復力空間研究的轉變,但所關注的狀態空間還不是具體的空間問題,即不屬于空間恢復力(Spatial Resilience)。恢復力長度法則在這方面有所開創,由Dai及其同事通過室內培養酵母群落的試驗提出,是比較新穎的一個定量研究的方法,被Carpenter高度贊賞并以其發表在《Nature》上的“Spatial Signatures of Resilience”一文力推[43]。這種方法與傳統的只關注時間序列的恢復力指數完全不同,主要以空間信息為研究對象,其理念是建立在生物體空間分布和變化過程基礎上。受景觀生態學的影響沿用了斑塊(Patch)的概念,并將斑塊分為兩類：條件較好的棲息地通常是良性斑塊(Good Patch)或者系列人口稠密的斑塊群或斑塊光暈(Patch Halo),反之不良斑塊(Bad Patch)上人口較為稀疏；隨著距離不良斑塊越來越遠,種群密度將逐漸達到某個景觀整體范圍的平均水平。

圖4 恢復力長度[43]Fig.4 Length of resilience

圖4是對恢復力長度的一個說明,不良斑塊是測量恢復力的參照,位置為0,如果種群最高密度時期良好斑塊位置為1,恢復力長度就是0到1的距離,即種群從衰敗時期恢復到高密度時期90%的距離。如果這一距離近,則恢復力長度較短(接近閾值),此時社會-生態系統恢復力高(底部較尖)遠則恢復力長度長(遠離閾值),此時社會-生態系統恢復力低(底部較平)。

大量研究顯示面對突如其來的災難,恢復力下降使得人口變化急劇,恢復力長度的方法突破了以前以時間或速率變化來表達的恢復力,不僅證明人口在景觀斑塊之間的移動影響恢復力變化,更表明隨著恢復力的下降,不良斑塊對人口的影響空間范圍將越來越大,這一現象在人口空間分布方面有很多例證,例如收割季節的人口模式。另外增加恢復力長度會減少良性斑塊面積或數量,例如過渡放牧和氣候變化使得草原演化成沙漠的過程體現出良性斑塊數量減少[43]。

目前的恢復力研究經常強調空間的重要性[18,43],恢復力長度的方法是空間恢復力在運用上邁進的一大步。相對大多數只有時間尺度而缺乏空間信息的恢復力測量來說,這一方法有很大的優勢,如結合景觀生態學以及地理信息系統GIS技術,恢復力的大尺度空間研究將更加有可能。

6 其他方法

由前述所總結的幾種方法可看出,對生態系統恢復力量化的方法和模型多樣,但是社會系統和社會-生態系統中則傾向于定性[14]。這些定性方法一般分為為4種：利益評價、模型解釋、歷史剖面、案例研究[14],系統模型方面也以軟模型為主,包括藝術、故事或場景、技術圖表、地圖、啟發式數學模型、快速理解簡單模型以及復雜復合系統模型等[14],通常都有缺陷且存在時空尺度上的替代困難[14]。

從模型的觀點來看,社會-生態系統是可以被概念化和定量化的[44],然而從生活在其中的人的角度,社會-生態系統更是一個物質、社會和象征性景觀的復雜交織和人們的生活經驗構建[44],使得量化研究的困難更大。不過學者們仍然停止不了這樣的探索,Adger認為生態系統的某些方面可以類推到更寬泛環境下社會制度中,也即是社會系統和社會-生態系統可以參考生態系統的一些恢復力測量方法[1]。這方面案例有不少,如Bennett等人檢驗場景和仿真兩種模型在社會-生態系統中的運用[5]；Alleby等人從恢復力替代角度出發聚焦復雜系統的不連續數據集尋找[45]；Berkes和Seixas調查了社會-生態系統中的記憶和適應性知識的角色,其研究揭示恢復力替代存在于社會的環境監控能力特征中,社會系統能察覺并能適當地顯現出生態系統變化的信號[46]；Cumming等運用經驗方法對美國不同地區進行恢復力比較評價[27]；Frey 使用神經網絡方法分析社會-生態系統恢復力[47]等等。然而這些方法在還沒有得到廣泛驗證,依然有待深入探討[20]。

7 結論和展望

恢復力概念從工程恢復力、生態恢復力到社會-生態恢復力的演變反映恢復力理論進入新的階段,這個階段是社會-生態系統復雜性的表現,復雜現象容易造成對本質的逐漸模糊,對恢復力測量方法的梳理在于體現這一過程并還原恢復力的本質。5種方法中,閾值和斷裂點的方法是基礎,該方法關注傳統工程恢復力的時間和對應的速度以及生態恢復力的干擾量,其前提和假設是恢復力理論的根基,即基于系統相對穩定狀態的假設來探討系統的邊界或臨界問題,測量恢復力的作用范圍。雖然目前閾值和斷裂點的方法主要應用在生態系統,但對社會系統研究提供了轉化型變革或轉換型景觀的思路[23],并且對空間閾值[18]和恢復力長度[43]的探索也表明從時間恢復力轉向空間恢復力的過程中量化恢復力還主要基于這個方法。由于閾值和斷裂點方法的假設在社會-生態系統和社會系統中難以被直接觀測,進而產生了恢復力替代的方法。但是通過替代物的選取并構建系統模型來測量恢復力的方法實際上是承認恢復力不能被直接測量,因而存在不準確性,且這種不準確性與測量者的主觀和能力有很大關系。既然替代不能使得恢復力量化更具說服力,社會系統研究干脆更多選擇定性的場景分析法,使得這5種方法在復雜的社會-生態系統研究中并存并相輔相成。

針對恢復力概念、理論及相應的恢復力測量方法發展和演變,本文圖5作為總結。

圖5 恢復力理論及測量方法演變Fig.5 Five resilience measuring methods in the research process

綜上,本研究得到以下結論：

結論一 迄今為止,恢復力理論始終是一個假設,或社會-生態系統的一個屬性或維度,是否存在至今仍然不清楚,這是恢復力概念長期得不到統一的困境來源,也是恢復力難以測量的關鍵性因素。

結論二 盡管沒有統一的概念和測量方法,恢復力還是提供了研究類似社會-生態系統等復雜系統的具體方法思路,即基于系統相對穩定狀態的假設,關注系統邊界或臨界問題,監測相關變量變化,測量恢復力的作用范圍。

結論三 閾值和斷裂點是基本方法,恢復力的測量方法正從時間轉向空間,從生態轉向社會和社會-生態、社會。

在恢復力研究已經進入社會-生態系統復雜系統階段的今天,與恢復力相似的諸如脆弱性、穩定性、適應性、轉換性、多樣性等等系統屬性不僅使恢復力概念更加混淆難辨,且某些屬性只有在較高尺度或分析水平才能顯現,測量他們非常困難[27],很多學者對恢復力開始持懷疑甚至反對態度,認為恢復力在理論和實證兩個階段之間是獨立發展的,且這種分離源于缺乏理論框架、翻譯模式以及公認的概括和定義,使得無論是研究方法還是研究設計都缺乏一致的標準,甚至認為恢復力理論是簡單欺騙[48]。但無論如何,恢復力是需求——控制機制下的一種預見性的管理決策方法,為如何使得社會、生態和社會-生態系統及類似的復雜系統更好發展提供了一個提前了解的途徑[27]。而對恢復力的測量是方法促進理論發展、提高恢復力可信度和實踐轉換程度、解決恢復力研究困境的重要途徑,加上量化不確定性是社會-生態系統的研究趨勢[1],因此,尋找、總結和發展恢復力測量方法非常重要。

恢復力理論的研究對象從生態系統向社會-生態系統和社會系統的轉變表明了目前科學研究的一種趨勢,即將自然科學的智慧運用到社會科學中[49]。社會-生態系統研究就是在搭建自然和社會之間的橋梁,因而對于社會-生態系統這類復雜系統來說,恢復力的研究方法也要相對復雜得多。Farrell 等認為,復雜系統的恢復力需要用非線性方法,引用新的思考方式,將恢復力、適應性管理、系統模型、情景規劃、社會科學和生態學整合[50]。并且,對于復雜的、多尺度和多格局環境現象,在研究的時候應注意尺度上的轉變,將這些轉變作為復雜的行為和知識進行理解,用跨學科交叉方法進行研究[51]。相應的系統分析需要新的、定量的評價方案和合適的調研工具,能夠整合生態、社會、經濟等全方位因素,并將土地利用作為景觀變化的驅動力,使得復雜社會-生態系統下的景觀動力機制能夠得到充分理解[52]。

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Measuring methods for the resilience of social ecological systems

ZHOU Xiaofang*

SchoolofTourismManagement,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou510631,China

Both theoretical and practical studies on resilience and social-ecological systems have become popular in the past several decades. However, to date, no consensus has been achieved on the concept and measurement of resilience. On the basis of the assumption of the resilience theory on relative stable states and boundaries of systems, three-phase development process of the resilience concept, and history of the resilience theory, 5 measurement methods for the resilience of social-ecological systems have been reviewed in this paper. Three directions or trends for methodology development to quantify the resilience of social-ecological systems have been discussed: (1) Threshold and tipping point measurements are still the fundamental measuring methods. (2) Concerns have changed from temporal to spatial dimensions and from ecology to social ecology systems. (3) Integration of complexity science and multidisciplinary methods is the main direction for methodology development.

resilience; social ecological systems; measuring; methods; summary

國家自然科學基金項目(41401189);教育部人文社會科學項目(12YJCZH316)

2016- 02- 04;

2016- 12- 02

10.5846/stxb201602040255

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhouxiaofang@m.scnu.edu.cn

周曉芳.社會-生態系統恢復力的測量方法綜述.生態學報,2017,37(12):4278- 4288.

Zhou X F.Measuring methods for the resilience of social ecological systems.Acta Ecologica Sinica,2017,37(12):4278- 4288.