遠程耦合世界的可持續性框架

劉建國, Vanessa Hull, Mateus Batistella, Ruth DeFries, Thomas Dietz, 付峰 , Thomas W. Hertel, R. Cesar Izaurralde, Eric F. Lambin, 李舒心, Luiz A. Martinelli, William J. McConnell, Emilio F. Moran, Rosamond Naylor, 歐陽志云, Karen R. Polenske , Anette Reenberg0,Gilberto de Miranda Rocha, Cynthia S. Simmons, Peter H. Verburg2, Peter M. Vitousek, 張福鎖3 , 朱春全

1 Michigan State University, USA, 2 EMBRAPA Satellite Monitoring, Campinas, SP, Brazil, 3 Columbia University, USA, 4 Massachusetts Institute of Technology, USA, 5 Purdue University, USA, 6 University of Maryland, USA, 7 Stanford University, USA, 8 CENA University of S?o Paulo (USP), Piracicaba, S?o Paolo, Brazil, 9 Chinese Academy of Sciences, Beijing, China, 10 University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark, 11 Federal University of Pará, Brazil, 12 Institute for Environmental Studies, VU University Amsterdam, Netherlands, 13 China Agricultural University, Beijing, China, 14 International Union for Conservation of Nature, China

遠程耦合世界的可持續性框架

劉建國1, Vanessa Hull1, Mateus Batistella2, Ruth DeFries3, Thomas Dietz1, 付峰4, Thomas W. Hertel5, R. Cesar Izaurralde6, Eric F. Lambin7, 李舒心1, Luiz A. Martinelli8, William J. McConnell1, Emilio F. Moran1, Rosamond Naylor7, 歐陽志云9, Karen R. Polenske4, Anette Reenberg10,Gilberto de Miranda Rocha11, Cynthia S. Simmons1, Peter H. Verburg12, Peter M. Vitousek7, 張福鎖13, 朱春全14

1 Michigan State University, USA, 2 EMBRAPA Satellite Monitoring, Campinas, SP, Brazil, 3 Columbia University, USA, 4 Massachusetts Institute of Technology, USA, 5 Purdue University, USA, 6 University of Maryland, USA, 7 Stanford University, USA, 8 CENA University of S?o Paulo (USP), Piracicaba, S?o Paolo, Brazil, 9 Chinese Academy of Sciences, Beijing, China, 10 University of Copenhagen, Copenhagen, Denmark, 11 Federal University of Pará, Brazil, 12 Institute for Environmental Studies, VU University Amsterdam, Netherlands, 13 China Agricultural University, Beijing, China, 14 International Union for Conservation of Nature, China

遠距離之間的相互作用及其影響日益廣泛。這種遠程相互作用往往會對可持續發展產生深遠的影響并會造成意想不到的結果。很多可持續性研究都是針對某個特定地點進行的,很少注重多個地點之間遠程相互作用對可持續性所產生的影響。雖然有些研究涉及到遠程因素,但通常都把它們看作外在變量,而未把它們看作反饋。為了更好地理解和綜合各種遠程相互作用,本文提出了一種基于遠程耦合的綜合框架,它是一個遠距離社會經濟和環境相互作用的總體概念。人類與自然耦合系統是研究在特定地點發生的相互作用,遠程耦合概念是對人類與自然耦合系統研究的自然延伸。遠程耦合框架包括五個相關的組成部分,即：人類與自然耦合系統、流、代理、原因、和影響。本文通過農產品貿易和物種入侵兩個遠程相互作用的例子來解釋遠程耦合框架,重點闡述遠程耦合框架的影響,并討論促進遠程耦合研究發展的研究條件和方法。這個框架有助于分析系統內各組成部分以及它們之間的相互關系,找出研究差距,探索其中的隱含成本以及尚未開發的優勢,提供引入反饋及多系統(發送、接收和外溢系統)之間權衡和協同的有效手段,從本地到全球各個層面加深對遠程相互作用的認識,并提高社會經濟和環境可持續發展政策的有效性。

代理,原因,人類與環境耦合系統,人類與自然耦合系統,社會與生態耦合系統,擴散,遠程相互作用,影響,反饋,流,全球化,投資,知識傳播,遷移,社會經濟與環境相互作用,物種入侵,可持續性,技術轉讓,遠程連接,遠程耦合,貿易,跨國土地交易,水轉移

引言

近幾十年來,全世界發生的巨大變化以及遠距離相互作用的不斷增加對社會經濟和環境可持續發展產生了深遠的影響(Reid et al. 2010)。其中,生物燃料是一個具有諷刺意義的例子。例如,歐盟和美國的生物燃料規定對食品價格和碳足跡產生顯著影響,因為制造生物燃料占用本該用于生產糧食的農田,而且需要從遠方(如從非洲、亞洲和美洲到歐盟)進口大量的生物質,排放大量二氧化碳,并影響其它地區的土地利用(Banse et al. 2008)。對生物燃料需求的不斷增長造成2008年全球性糧食短缺并在多個國家發生引發內亂, 這其中的部分原因是由于食品價格上漲和糧食產量下降(Feng and Babcock 2010, Swinton et al. 2011)。為了應對生產生物燃料給社會和環境帶來的負面影響,科學界和決策者已著手制定相關政策并提出解決措施。然而,建立能夠及時防范負面影響產生的應對機制是科學和政策面臨的主要問題。為了解決這些問題,我們需要全面理解遠程相互作用并提高預測遠程相互作用及其后果的能力。

遠程環境相互作用自從地球形成時就存在,遠程社會經濟相互作用伴隨著人類的起源和發展而產生。然而當今的貿易、跨國土地交易、入侵物種蔓延和技術轉讓等遠程相互作用比過去更加普遍,而且發生的速度比以往任何時候都要快(Liu et al. 2007a; Appendix 1)。例如,食物(如谷物、魚類)和水資源等許多生活必需品曾經可以利用本地資源自給自足,而如今卻不得不通過進口來滿足需求(Kastner et al. 2011, Konar et al. 2011)。近幾十年以來,世界食品出口規模增長了十倍(United Nations Statistics Division 2012)。

遠程相互作用發生的背景已完全不同(附錄1)。例如,1960年全世界城市人口只有10.2億, 2010年增長到35.6億(United Nations Department of Economic and Social Affairs 2012),其中城市人口增加25.4億,而他們消費的食物和其它資源卻主要來自城市以外的地區,通常來自世界各地。從1950年到2010年世界經濟活動增長了七倍(Nelson 2005)。三十年前,中國、印度和巴西等人口大國經濟相對落后、人民生活貧困,現如今它們已躋身于世界經濟強國之列。社交媒體使世界各個角落的人們可以更加便捷地互相聯系,這種爆炸性的社會發展產生的社會經濟和環境后果很難預測。

遠程相互作用給可持續性帶來了前所未有的挑戰和機遇。這種相互作用日益深入地影響世界性重大問題(如氣候變化、生物多樣性、糧食安全、土地利用、減輕貧困,公共衛生、社會穩定、以及水資源缺乏)。例如,世界上30%對物種的威脅來自國際貿易(Lenzen et al. 2012)。雖然中國等一些國家經歷了從森林凈損失變成森林凈恢復的轉型,但是這種轉型往往是通過木材和農產品貿易,以消耗其它國家的森林資源為代價(Zhu and Feng 2003,Zhu et al. 2004, Rudel et al. 2009, DeFries et al. 2010, Lambin and Meyfroidt 2011)。據預測,糧食需求增長越快的地區氣候變化對農業的影響越顯著。譬如,中國需要通過貿易來彌補糧食生產和糧食消費之間的差距(Jones and Thornton 2003)。為了解決一些地區長期水資源匱乏的問題,許多引水工程項目都在加緊建設中,其中包括世界上規模最大、跨度最長的南水北調工程,計劃年調水目標450億m3,預計總投資770億美元(Liu and Yang 2012)。與此同時,信息技術和網絡的推廣促進了民主(Li and Reuveny 2003)；移動通訊的普及使與遠方合作伙伴的聯系更加便利,因而增加了更多的貿易機會(Aker 2008)；全球衛生網讓偏遠社區可以及時接種疫苗(Milstien et al. 2006)。此外,大型綜合農業企業積極實行生態認證、可持續性標準、及可持續采購戰略,為商品貿易增長提供了潛在的均衡發展趨勢,通過全球化進程實現可持續性(Giovannucci and Ponte 2005, Van Kooten et al. 2005)。

理解遠程相互作用直接反映了國際上所提倡的將可持續發展理念付諸實踐(United Nations Secretary-General′s High-level Panel on Global Sustainability 2012)。雖然曾有一些獨立和零散的關于遠程相互作的研究,但依然存在著許多重要的知識空白,例如,美國科學院要求評估世界貿易對環境(如生態系統服務)與人類福祉(如健康)的影響(National Research Council 2012)。即使有些研究考慮遠程因素,但往往把它們看成外在因素(United Nations Secretary-General′s High-level Panel on Global Sustainability 2012)。在國際層面探討遠程相互作用需要建立一個新的研究框架來填補知識空白并推進可持續性科學及其應用(Kates et al. 2001, Turner et al. 2003)。本文提出了一個全新的綜合框架,并通過兩個例子進行說明來幫助理解各種遠程相互作用。從本地到全球層面闡述了該框架對可持續性研究及其政策的影響。最后,討論了推動這些研究所需要條件和方法。

遠程耦合與可持續性的概念框架

圖1 遠程連接、全球化、和遠程耦合的定義

圖2 遠程耦合框架中的五個主要相關組成部分。遠程耦合系統是分層結構并受到層次內和層次間相互作用的影響。遠程耦合系統包含一系列通過流相互作用的人類與自然耦合系統。耦合系統由三個部分組成：代理、原因和影響。各個部分具有不同的屬性。原因使至少兩個人類與自然耦合系統之間產生遠程耦合,其產成的影響發生在一個或多個人類與自然耦合系統。嵌套在人類與自然耦合系統內的代理通過促進或阻礙系統之間的物質/能量或信息的單向或雙向流動,使遠程耦合的產生成為可能。根據流的移動方向,系統可以被定義為發送、接收和/或外溢系統。為了簡單起見,圖中只列出直接與系統間遠程耦合相關的部分,沒有列出耦合系統中的結構和過程

許多學科涉及遠距離自然或人類系統之間相互作用的研究。例如,大氣科學使用遠程連接的概念來探討遠距離氣候系統環境之間的相互作用。一個地方的氣候變化可以通過大氣環流影響到數百或數千公里以外的氣候(圖1A)。而且,長期以來社會科學家也致力于經濟全球化的研究(圖1B),即遠距離人類系統之間的社會經濟活動。雖然這些獨立進行的遠距離社會經濟或環境相互作用的研究獲得了一些有益的見解,但卻存在許多漏洞和疏忽(Adger et al. 2009, Eakin et al. 2009)。

對各種不同類型的人類與自然耦合系統相互作用進行綜合研究有助于更好地理解可持續性(National Science Foundation Advisory Committee for Environmental Research and Education 2009)。本文提出遠程耦合(Telecoupling)(Liu et al. 2011) ,這一綜合概念來描述遠距離人類與自然耦合系統之間社會經濟和環境的相互作用(圖1C)。遠程耦合概念的提出是人類與自然耦合系統(Liu et al. 2007b, Alberti et al. 2011)、社會與生態耦合系統(Walker et al. 2004)、人類與環境耦合系統(Turner et al. 2003, Moran 2010)研究的自然邏輯延伸。它是對遠程連接、全球化、及世界體系理論等概念的歸納和綜合(Hornborg et al. 2007, Dreher et al. 2008),因為這些概念以往基本上局限于單一學科(參見Adger et al. 2009, Seto et al. 2012)。

本文提出的綜合框架概念更有益于理解遠程耦合。遠程耦合系統分層結構,所以遠程耦合框架需要采用多層次的分析方法。遠程耦合系統層面包括一系列相互關聯的人類與自然耦合系統,這些耦合系統通過它們之間的流連接起來(圖2)。耦合系統層面中的每個耦合系統由三個相關部分組成,即：代理、原因和影響(圖2)。每一部分又包含許多元素或不同尺度。例如,個人、家庭、組織團體、企業等不同類型的代理可能同時受到社會經濟和環境的影響。此外,各層次之間也存在相互作用,例如,耦合系統中的代理促使耦合系統之間流的產生,而耦合系統之間的流又在耦合系統內產生影響。

原因是指在人類與自然耦合系統之間產生遠程耦合的原因,它的產生對人類與自然耦合系統有著各種各樣的社會經濟和環境影響。遠程耦合的產生是通過代理對系統之間流(即：物流、能流、和/或信息流)的促進或阻礙的結果。代理和原因也會相互影響。如圖2所示,原因和影響由反饋環路相連,但是,把原因從影響中分離出來可以使分析簡單化。另外,雖然代理、原因和影響嵌套在耦合系統中,但可以把它們看成系統的單個成分來突出其各自在遠程耦合以及與其它部分關系中所起的作用。下面通過兩個遠距離相互作用的例子(表1)來詳細說明：一個例子是以人為主導并人為有意發起的,而另一個例子是以生物為主導但人為無意引起的。

表1 兩個例子(巴西和中國之間的大豆貿易和紅火蟻入侵)中五大組成概要

第一個例子是大豆貿易,所關注的是中國與巴西之間不斷增長的大豆貿易。從2000到2010年,中國大豆進口量約從1400萬噸增長到4600萬噸(United States Department of Agriculture Foreign Agricultural Service 2010)。目前,中國食品生產所需的大豆中超過80%需要從外國進口,主要進口國家是巴西和美國(Zhang and Liu 2009, Brown-Lima et al. 2010。在中國、巴西以及其它國家的人類與自然耦合系統中,中巴大豆貿易對全球貿易市場及其價格、碳排放、生態系統服務、和人民生活起著重要的作用。

第二個例子是紅火蟻入侵。紅火蟻入侵(Solenopsisinvicta)被國際自然保護聯盟列為“100個最嚴重入侵物種”之一(IUCN; Lowe et al. 2000)。紅火蟻入侵導致生物多樣性降低,僅在美國每年就造成約60億美元的經濟損失(Ascunce et al. 2011),主要是對農業造成危害。紅火蟻源于南美,20世紀初期首次由貨船意外帶到美國(Ascunce et al. 2011)。隨后很快蔓延到美國南部地區,不久前又蔓延到澳大利亞、新西蘭、中國等其它地區(Ascunce et al. 2011)。

雖然這兩個遠程耦合例子截然不同,但各個遠程耦合之間存在互相作用。有些遠程耦合可能會互相增強,有些會互相削弱。有些可能會衍生出新的遠程耦合,而有些可能會消除現有的遠程耦合。例如,研究表明貿易和物種入侵之間存在著密切聯系。一方面,貿易是物種入侵的主要原因之一(Crosby 1986, Nentwig 2007)。而另一方面,物種入侵帶來影響貿易的反饋,其中包括限制和檢查有關貿易的貨物和產品。部分地區甚至采用交易許可證方案(Horan and Lupi 2005)以及繳納入侵物種關稅(Margolis et al. 2005)等更強有力的措施來對貿易進行控制。

系統

系統是指人類與自然耦合系統,或稱人類與自然相互作用的綜合系統(Liu et al. 2007b)。雖然每個系統位于某個地理位置(地點)、具有特定的背景并由各種人類和自然成分以及過程【如氣候土壤情況、棲息地、可及性、地形特征(如坡度、海拔)、經濟政治制度和政策、以及本地人類與自然成分之間的耦合】組成,本文主要討論系統之間與遠程耦合相關的直接屬性。對每個遠程耦合而言,系統可以表現為發送系統、接收系統、和/或者外溢系統。發送系統可以被看成是起點、來源或捐助者,接收系統則被看成是目的地或接收者(圖2) 。流(能流、物流、信息流)從發送系統(如出口國)流出,而接收系統(如進口國)從發送系統獲得流(能流、物流、信息流)。當然,系統被定義為發送系統還是接收系統取決于分析的是哪一種流。

外溢系統是對發送和接收系統之間的相互作用產生影響和/或被發送和接收系統之間的相互作用影響的系統。 外溢系統可以至少通過三種主要方式將發送系統和接收系統連接起來,既可以作為發送和接收系統之間的中間站(如候鳥停留、港口和機場中轉站),也可以作為發送和接收系統之間的通道(如輸油管道滲漏),或與發送和/或接收系統之間產生的其它方式的相互作用(如貿易協議中的第三方)(圖3)。一個系統既可以是一個遠程耦合的發送系統,同時又是另一個遠程耦合的外溢系統或者接收系統。

圖3 發送、接收和外溢系統之間的關系類型舉例(A)代表(1-1-1)關系,(B)代表n-n-n關系。箭頭表示流動方向。為了簡單起見,省略了發送、接收和外溢系統之間可能存在的一些箭頭。外溢系統至少能以三種方式連接到發送和接收系統：發送和接收系統之間的通道(如輸油管道滲漏；直虛線箭頭),發送和接收系統之間的中間站(如候鳥停留地、港口和機場中轉站；長虛線彎曲箭頭),發送和/或接收系統之間產生的其它方式的相互作用(如貿易協議中的第三方；短虛線彎曲的箭頭)

在大豆貿易的例子中,生產大豆的巴西是大豆流的發送系統,接收大豆及豆制品的中國是接收系統。但是對于大豆交易中的資金流,中國則變成發送系統而巴西變成接收系統。在市場交易過程中,商品和資金的關系顯然逆向流動。而且至今對外溢系統的研究很少,如世界上所有涉及大豆貿易的國家(包括美國),受廉價大豆生產影響最嚴重的國家是美國,一些發展中國家(如巴西)采用熱帶農業先進技術生產大豆,與美國競爭貿易市場。在紅火蟻入侵例子中,紅火蟻的原生地南美是發送系統。紅火蟻入侵的第一個國家美國是主要的接收系統。

發送、接收和外溢系統之間的相互關系復雜。在遠程耦合中包含的發送、接收和外溢系統的數量可以是1-1-0(一個發送系統,一個接收系統,無外溢系統),也可以是1-1-1 (一個發送系統,一個接收系統,一個外溢系統,圖3A) ,還可以是一個或多個系統的組合(如1-1-n, 雙邊貿易廣泛市場影響的情況) ,或者n-n-n(多個發送系統,多個接收系統,多個外溢系統,圖3B) 。后者最為復雜,因為不僅在發送、接收和外溢系統之間存在相互作用,而且各發送系統之間、各接收系統之間以及各外溢系統之間都存在相互作用。此外,隨著時間的變化, 遠程耦合中的接收系統可能成為新遠程耦合的發送系統。在紅火蟻入侵例子中,根據問題時間段的不同,美國既可以看作是接收系統也可以看作是發送系統,它最初是接收系統,但后來因將物種傳播到其它國家而成為發送系統。實際上,全球紅火蟻入侵數量遺傳追溯的結果顯示,紅火蟻入侵始發于美國,而不是南美(Ascunce et al. 2011)。全面理解代理、流、原因和影響以及它們之間復雜的相互關系的關鍵是在了解遠程耦合系統的組成的同時,還必須考慮其時間和空間格局。

流

流是系統之間物質、能源、或者信息的流動,這種轉移是代理采取行動的結果。物質和能包括各種生物地球物理實體(如制成品、食品、自然資源、有機物和生物燃料)、信息包括知識信息、貿易協定、財務數據、基因、和農業技術。流可以是單向也可以是雙向,可以直接穿越發送和接收系統之間的通路,或者間接地經由發送和接收系統之間的外溢系統(圖2、圖3)。

在大豆貿易的例子中,主要物流是大豆及豆制品從巴西運往中國的運輸過程,信息流的例子是巴西、中國和其它國家之間的金融交易和貿易協定。在紅火蟻入侵的例子中,主要物流包括交易物品、紅火蟻、以及控制入侵物種傳播的農藥等的運輸或移動過程。信息流包括紅火蟻造成損害等有關信息的傳播以及控制蔓延方法的推廣。

流可以直接從發送系統跳躍到遠方的接收系統。這種現象發生在隔海相距2萬km遠的巴西和中國之間的大豆貿易。流也可以從發送系統附近的接收系統開始,然后逐漸向外輻射到遠方的接收系統。紅火蟻入侵就是這樣的例子,開始于美國南部和東南部(初始接收系統)然后逐漸蔓延到美國加州,后來又從加州跳躍到其它國家。

基礎設施網、機構組織和生態系統為流在系統之間提供運行通道起了重要作用。它們包括運輸網(如公路、船舶、車輛、飛機)、政府間組織(如貿易協儀)、貿易設施(如電子清關系統)(Hertel and Mirza 2009)、社會網絡(如學術團體) (Haas 1993)、生態網(如動物遷徙路徑)。在大豆貿易例子中,巴中大豆貿易中的網絡包括金融、社會、交通、和政府網絡。

代理

代理(或參與者)包括自主決策的實體,它直接或間接促進或阻礙遠程耦合的產生。遠程耦合框架強調各種代理及其在發送、接收和外溢系統之間錯綜復雜的關系。代理可以促進或阻礙流, 而流可以產生、維護、加強、削弱或解除遠程耦合。代理可以是單個也或者一群人或動物(如家庭等社會經濟單元、政府機關等組織、或各類動物群)。

在大豆貿易例子中,主要代理包括巴西的大豆生產者、農產企業、公共和私人投資者及其支持者,中國的金融投資者和豆制品消費者,以及參與制定和執行貿易協議的有關政府機構。在紅火蟻入侵的例子中,主要代理包括無意中攜帶并傳播昆蟲的交易者,美國和外溢系統中企圖阻止蔓延(如實施控制操作)的農民和決策者,以及紅火蟻,它們通過不斷進化在物種競爭中勝過多數昆蟲,并且獲得超強的生存能力進而在被意外攜帶的過程中入侵擴大其棲息地。

代理之間形成的彼此聯系形成了改變遠程耦合的流。在人類為代理的系統中,這一過程可以通過政府、公共機構、私營公司、個人友誼和親屬關系等社會關系網來實現(Jackson and Watts 2002)。舉例來說,政府和企業之間的關系為推動巴中大豆貿易的雙向流起了很重要的作用(Niu 2010)。在動物為代理的系統中,同樣存在有利于相互作用的交流方式。在紅火蟻入侵的例子中,螞蟻利用其特有的化學通訊協調活動從而擴大棲息地(Vander Meer et al. 2002)。

具有創造性的代理最能成功地建立新的遠程耦合,但代理的不同特性(如恢復力)可以更好地維護和加強現有的遠程耦合。 外來物種(如紅火蟻)占據上風而且成為接收系統的入侵者,是因為它們能在全新的生存環境下繁衍從而占有屬于本地物種的有限資源(Callaway and Ridenour 2004)。中巴大豆貿易之所以迅速發展,部分原因是中國和巴西之間靈活的貿易協議,能及時適應新的市場,另一個原因是在產區和國外主要市場之間商品價值信息的有效連接。

原因

原因是影響遠程耦合產生和變化(如強度的變化)的因素。大部分遠程耦合并非只有一種原因,可以來源于發送、接收、或外溢系統(圖2)。原因可分為直接原因或根本原因(Laland et al. 2011)。政治、經濟、文化、科技、或生態變化交織在一起可以在遠程耦合系統中產生新動態。喜好的轉變改變需求,而技術創新和推廣能改變供給,發送系統中的供給和接收系統中的需求相互作用可以改變系統動態。政策和規則等的改變能加強或緩解與遠方系統的互相作用。生態因素在遠程耦合中起著重要的作用。原因也可以通過反饋機制與影響互相作用。

大豆貿易這個遠程耦合的原因很多。其中一個主要的經濟原因是中國對大豆產品(如植物油和動物飼料)的需求以及巴西豐富的土地、水和充足的大豆生產資金。其政治原因是中國政府極力追求向外國投資而巴西政府卻積極開發出口市場。其文化原因是中國人喜好豆制品及以大豆為飼料的動物產品。其技術原因包括農業技術進步,主要是巴西農業研究公司投入巨資開發適應酸性土壤的熱帶農業技術,研究開發適合當地海拔高度生長并能從大氣中生物固氮的大豆品種(Alves et al. 2003, 2006)。此外,近年來產品供應鏈的發展以及日新月異的高效農產品(如大豆)存儲方式和長途運輸業,都為遠程耦合提供了有利條件。其生態原因是巴西良好的氣候條件適合大豆生長。

對于紅火蟻入侵遠程耦合,主要經濟原因之一是國際貿易的增長。紅火蟻入侵主要是跨國貿易貨物運輸過程中無意傳播開的(Ascunce et al. 2011)。其政治原因是20世紀初期在南美各國和美國的政府和組織機構之間關系的改善促進了它們之間的貿易開放和交流。其技術原因是與當時改進的船舶制造技術及其運營能力有關, 長途運輸如此大批量的貨物前所未有。其文化原因是美國消費者對外國商品越來越感興趣。紅火蟻得以蔓延的一個主要生態原因是它被帶入新環境后其自身優越的競爭力及其對環境挑戰(如洪水和干旱)的恢復能力(Vinson 1997)。

影響

影響是指遠程耦合對社會經濟和環境產生的后果或作用。這種影響可能以不同的方式出現在發送、接收和/或外溢系統中(圖2)。影響可以發生在不同的空間、時間和尺度。本文將影響分為兩大類,即：社會經濟影響和環境影響(表1),需要強調的是這兩類影響之間本質上是相關的。影響可以促進也可以阻礙環境和/或社會經濟的可持續性(Liu 2010)。

在大豆例子中,巴西和中國之間的貿易可能會造成巴西農業土地過度利用(Macedo et al. 2012),導致在免耕種系統施用更多的除草劑,和以磷為主要成份的農藥和化肥的大量使用,從而減少生物多樣性并降低生態系統服務功能(Martinelli et al. 2010)。大豆貿易造成巴西本地居民遷移和農村暴力、幫助中國造林和碳匯、及增加對外溢系統(如整個運輸路線)的碳排放(表1)。由于從巴西進口的大豆價格較低,許多中國農民已經放棄大豆種植,大量的大豆田用于種植其它農作物(如玉米)、或轉變成森林(GRAIN 2012)。大豆貿易為巴西的一些部門帶來了收入(Lima et al. 2011)。在紅火蟻入侵的例子中,物種入侵引起當地無脊椎動物群落生物多樣性降低、破壞野生動物棲息地、造成農作物及相關的經濟損失、損壞家具和住宅、并傷害牲畜和人類(如因紅火蟻叮咬引起的疼痛及其潛在的疾病危險)(表1)(Vinson 1997; 表1) 。

在單個人類與自然耦合系統中出現的各種復雜的影響類型(Liu et al. 2007b)也可以在遠程耦合系統中明顯看到,其中包括間接影響 [也叫“二級影響”]、級聯效應、非線性、時間滯后、遺產效應、誘發效應、和反饋。級聯效應是指遠程耦合對某個系統或某個系統組件的影響向外輻射影響到許多其它多個系統或系統組件的現象。在大豆貿易例子中,巴西農業研究公司將巴西先進的大豆農業生產技術推廣到外溢系統(如在進行稀樹草原大開發的非洲國家)。影響往往是非線性的,并可能時間滯后,也許直到遠程耦合發生幾年甚至幾十年后才開始出現。遺產效應是指遠程耦合停止后影響仍然持續一段時間的現象。誘發效應是指由某個影響帶來的二級影響。在大豆貿易例子中,二級影響是對其它農業部門和整個消費者支出的影響。農民從收獲大豆得到收入改變了他們對食品和其它商品的消費需求,從而對整個經濟和外溢系統造成級聯效應(Altieri and Pengue 2005)。

反饋是遠程耦合的重要特性。系統之間發生反饋時,第一個系統對第二個系統的影響反過來又影響第一個系統。有時系統之間的反饋發生很快,而有時卻非常緩慢,需要很長時間才能發現或認識到。在大豆貿易例子中,中國減少大豆種植所導致的土地利用變化產生正反饋,即中國對巴西大豆需求的增加推動了巴西大豆生產的發展。此外,大豆貿易促進中國對巴西的投資和巴西對中國產品的進口(如巴西從中國進口機械和紡織品)(Brainard and Welch 2012)。在紅火蟻入侵例子中,紅火蟻對其接收系統美國造成了相當大的環境和社會經濟損失,從而促進接收系統開發新技術來阻礙入侵者蔓延。后來這些技術又反過來影響發送系統(南美)。具體而言,從 1961年到1975年,美國東南部地區用了25×104kg復合滅蟻靈(氯化烴和環戊二烯衍生物)來控制紅火蟻。同期,約15×104kg復合滅蟻靈出口到巴西(Eisler 2007)。然而,使用滅蟻靈具有雙重負面影響,因為(a)它是一種生物累積性污染物,美國環境保護署于1976年禁止了復合滅蟻靈的使用,(b)它有助于紅火蟻蔓延,因為它也同時殺滅可以與紅火蟻競爭的本地螞蟻(Markin et al. 1974)。另一個反饋的例子是紅火蟻入侵到美國數十年后,美國曾試圖從巴西進口紅火蟻的天敵(如蒼蠅和微生物)來控制紅火蟻蔓延(Callcott et al. 2011)。

本文所舉的例子中,雖然人們已經做了一些關于發送和接收系統影響的研究,但是很少或根本沒有研究外溢系統影響的文獻。有些研究指出食品和產品的運輸可能對沿線及其外界環境帶來巨大影響,如能源消耗和排放污染物(如二氧化碳)。這些研究僅僅提出了從巴西到中國大豆運輸過程中的潛在影響,從來沒有對這種影響的定量研究。

不同類型的遠程耦合之間也存在相互作用。例如,研究顯示,貿易給入侵物種的傳播提供了條件(Westphal et al. 2008)。雖然沒有研究本文提到的兩個例子之間關系的相關文獻,但運用遠程耦合框架可以幫助研究人員尋找大豆貿易和物種入侵之間可能存在的關系以及它們與其它遠程耦合的關系。

遠程耦合框架的意義

遠程耦合框架為從事各類遠程相互作用的研究人員提供了通用語言、邏輯統一性、系統方法和全面指導。遠程耦合框架以不同方式進行統一綜合,因而它可以幫助我們理解遠距離之間的相互作用是如何進行的,從局部到全球的各個層面找出實現社會經濟和環境可持續發展的解決方案。

該框架綜合了遠距離社會經濟和環境兩者之間的相互作用,而不只是社會經濟之間或環境之間的相互作用

這種綜合有助于拓展遠距離相互作用研究的范疇。從前關于貿易、動物遷徙、氣候遠程連接等方面的研究只關注某種社會經濟相互作用(如貿易),或只關注環境相互作用(如動物遷徙)。而該框架同時提供了社會經濟和環境相互作用的信息,因此它有助于權衡社會經濟和環境影響,從而實現社會經濟和環境的可持續發展(如人類福祉和生物多樣性保護)(Carter et al. 2012, United Nations Environment Programme 2011)。

該框架將發送、接收和外溢系統看作一個統一的遠程耦合網絡系統,而不只是發送和/或接收系統

由于之前很少研究外溢系統,該框架因包括外溢系統而開辟了新的研究領域和方法。例如,該框架認為,之前只針對發送和接收系統的雙邊協議,也應該考慮外溢系統。在大豆貿易例子中,除了巴西和中國分別作為大豆輸出國和接收國,外溢系統(如美國,主要大豆生產國和傳統上的大豆出口國)也同樣受到環境和社會經濟影響,因為中國從巴西進口大豆影響中國從美國的大豆進口。

該框架有助于評估多個系統社會經濟和環境之間的權衡和協同作用,而不只局限于一個系統

例如,有人呼吁消費本地商品和產品以支持當地生產商并減少長途運輸對環境的影響(Halweil 2002)。但也有一些人認為購買外地商品可以支持遠方系統的可持續性(如購買可持續咖啡)(Giovannucci and Ponte 2005)。還有人認為依賴當地農產品可能會危及糧食安全而且會失去利用糧食高產區來減少環境影響的機會(DesRochers and Shimizu 2012, MacMillan 2012)。事實上,權衡本地和全球采購食品之間的關系是復雜的,而且主要取決于系統本身。例如,最新研究表明,只有在溫室氣體排放強度較低的地區強調本地消費才有可能減少全球溫室氣體排放(M. Avetisyan, T. W. Hertel, and G. Sampson, unpublished manuscript)。了解遠程耦合的協同和權衡作用將有助于減少把對其它系統的負面影響降到最低。

該框架有助于促進可持續政策,因為它明確地將遠距離的相互作用看作反饋,而不只是單方向影響

反饋是維持系統可持續性的重要機制。事實上,政策可以用于反饋來引導系統向可持續性邁進。該框架明確考慮反饋,它可以幫助研究人員和決制者評估發送、接收和外溢系統中反饋的存在及其有效性。例如,發展中國家實行跨國土地交易政策,在政策實施初期有利于地方經濟,但后來當國外投資市場帶來的正反饋導致過度利用本地資源時,就會造成社會不平等和土地退化(Baird 2011)。因此,制訂新政策時應該注重啟動負反饋,這樣才能減少土地退化和社會不平等。

該框架有利于研究不同類型遠程相互作用之間的關系,而不只是針對一種相互作用

遠程耦合是一個包括各種遠程相互作用(如貿易、物種入侵、移民(Linderman et al. 2005)和旅游(He et al. 2008; Table 2))的綜合概念。類似于生態系統服務這樣的綜合概念,生態系統服務包含了自然界給人類提供的各種福利,并有助于研究不同類型生態服務之間的關系(如固碳、食物供給、授粉、水凈化、以及娛樂休閑)(Daily 1997, Liu et al. 2008)。遠程耦合框架有助于對不同類型的遠距離相互作用及其關系進行系統性的跨學科研究。例如,它可以促進貿易與動物遷徙之間的合作研究。采用樹蔭栽種的方式生產咖啡用于貿易的種植園已為候鳥提供棲息地(Perfecto et al. 1996)。同時,候鳥在種植園的出現成為生物多樣性友好咖啡的標志,為環保主義者提供了貿易新市場,從而推動了貿易發展(Rice and Ward 1996)。

通過從本質上對其它相關理論框架(如Elinor Ostrom及其同事建立的制度分析與發展(Institutional Analysis and Development,即IAD)框架(Anderies et al. 2004, Ostrom 2005, 2011))的擴展,本文提出的遠程耦合框架標志著一個重要的概念研究進展。IAD提供了一個分析結構,幫助理解不同機構(即正式的和使用中的規則)如何影響公用的和本地使用的資源。從遠程耦合的角度來看,有些機構可以被理解為社會經濟的反饋機制,通過結果中產生的信息來調整規則,來實現社會目標。從這一點來看,遠程耦合框架增加生物物理反饋,從而影響IAD研究中通常只考慮本地系統以外的流。此外,遠程耦合框架不同于IAD框架的另一個方面是,它認為在相互聯系日益緊密的遠距離耦合系統中,必須包括具有反饋的外溢系統和相互作用(Liu and Diamond 2005, Henry and Dietz 2011)。

將遠距離相互作用看成遠程耦合有助于發現知識空白并促進可持續性的研究和管理。遠程耦合框架擴展了傳統上遠距離相互作用的研究,開辟了新的研究領域,并可以發現許多隱藏的影響。先前的研究要么注重社會經濟問題(如貿易、外國直接投資、技術轉讓、人類遷移),要么注重環境/生態問題(如動物遷徙),盡管社會經濟和環境影響同時存在。遠程耦合有不同的種類,它們都對可持續性(表2)有著深遠的影響。

推動遠程耦合研究

遠程耦合為可持續發展科學及其應用(如保護、開發、提供生態系統服務、適應和緩解氣候變化、生物入侵控制、能源利用、土地利用和水資源利用)提供了獨特的挑戰和難得的機會。許多關于遠程耦合的重要而復雜的問題有待解決(表3)。例如,遠程耦合是如何產生的？它們如何隨時間而變化？它們如何消失？它們如何互相影響？在什么情況下遠程耦合能增強或減弱其可持續性？具有哪些特性的系統可能成為遠程耦合的發送、接收或外溢系統？各遠程耦合之間有那些相似和不同？

關于遠程耦合的研究存在著大量的知識空白。例如,盡管對全球貿易的研究相當普遍,它的很多影響仍是未知數。雖然計算用于生產貿易農產品所占的土地面積很有用(Meyfroidt et al. 2010),但是,由于不同土地覆蓋類型中的碳儲量、生物地球化學和人類福祉的差別很大,僅僅考慮土地面積不能衡量很多重要的環境和社會經濟影響(Meyfroidt et al. 2010)。而且,多數研究都未考慮或認識到外溢系統的存在。然而,遠程耦合對外溢系統的影響有時甚至比對接收和發送系統的影響更大。外溢系統跨越廣闊空間連接和傳遞遠程耦合的影響,它對從本地到全球各個層面的可持續發展可以發揮關鍵作用。此外,耦合系統之間的跨部門連接仍是一個尚未研究的領域。例如,農業部門的糧食-飼料-燃料的連接,以及在發送、接收和外溢系統中農業-能源-金融之間的廣泛聯系(如生物燃料、金融投資和土地商品之間的關系)。

表2 遠程耦合的遠距離相互作用以及發送、接收和外溢系統與可持續性的實際/假設關系舉例。 以前僅僅對遠程耦合的某些屬性進行過研究,大多數屬性尚不清楚。為簡化起見,省略系統之間的反饋將本地耦合和遠程耦合綜合并同時納入到決策過程中可以提高適應能力。這種綜合有助于地方、國家和國際(如聯合國、世界銀行和世界貿易組織)等各級政府和組織創造新機制和/或改革現有機制。有些尋求對遠距離相互作用影響進行管理的國際政策,如瀕危野生動植物國際貿易公約(CITES)和降低因森林砍伐和退化所產生的二氧化碳排放(REDD) ,這兩個政策都與國際間影響可持續性的物流(即瀕危物種、碳和林產品)的相關規定有關。然而,這些政策往往只側重于特定的社會經濟和環境影響,很少試圖從綜合遠程耦合的角度制定政策,盡管從遠程耦合的角度出發,能有助于理解和解決發送、接收和外溢系統中的多個影響和反饋等問題。

遠程耦合的遠距離相互作用與發送、接收和外溢系統可持續性的關系貨物和產品貿易(如食品、木材、藥品、和礦石)發送系統中制造商品和產品消耗資源(如土地、水和勞動力),而且生產過程中釋放污染物,社會經濟可持續性可能會提高,但環境可持續性可能會受到損害。而接收系統中環境質量可能會提高,但社會經濟利益(如失業)可能會受到影響。外溢系統的可持續性可能會受到不同方式的影響,取決于與發送和接收系統的關系。投資開發(外國直接投資)開發投資在接收系統中可能會刺激經濟市場和資源利用(如對農業生產和制造設施)但也影響環境;在發送系統中可能會(也可能不會)使經濟增長或資源開發放慢;可能以不同的方式影響外溢系統。跨國土地使用權轉讓跨國土地使用權轉讓(如跨國土地交易或土地侵占)可能不利于發送系統土地管理和土地保有制、并對人民生活和環境產生負面影響,但在接收系統中促進糧食和能源安全并改善環境,可能以不同的方式影響外溢系統。保護投資保護投資(如生態系統服務付費)在接收系統中可以保護和恢復環境可持續性,在發送系統中可能會(也可能不會)破壞可持續性,可能以不同的方式影響外溢系統。技術轉讓技術創新在發送系統中可能會因為資源(如土地、水、能源和人力資源)消耗而導致社會經濟和環境后果。在接收和外溢系統中,技術實施(如新灌溉法,新一代汽車電池)可能會影響環境和社會經濟的可持續性。知識傳播知識傳播(如理論、技術、改革、治理和管理方法)在接收和外溢系統中可能會影響資源的利用方式,促進環境和社會經濟的可持續性(如通過提高效率)。在籌資和認知方面,發送系統可能受益也可能受到困擾。人類遷移人類遷移可能會(也可能不會)放棄發送系統(如土地和其它資源),并占有接收系統(如就業)。資源消耗也從發送系統轉移到接收系統,兩個系統的可持續性都受到影響。對外溢系統可持續性的影響可能不同,取決于它們與發送和接收系統的關系。旅游旅游業(如景區、飯店、賓館)及相關的基礎設施(如道路)在接收和外溢系統中得以發展并促進社會經濟的可持續性,但對環境可持續性存在潛在威脅。發送系統也可能受到影響(如資金流向接收和外溢系統,人們因外出而減少在家鄉的資源消耗,從而有益于環境)。廢物轉移廢棄物(如電子垃圾、大氣污染和污水)轉移可能會減少發送系統中對環境和人類健康的影響;但在接收和外溢系統中,可能會污染生態系統(如垃圾填埋場)并危害人類健康,對可持續性產生負面影響。物種入侵外來入侵物種占據接收和外溢系統,改變土地利用和土地覆蓋、海洋生態系統、水質和水量、生態系統服務、經濟收益、以及生物多樣性,從而影響可持續性。發送系統可能會由接收和外溢系統的反饋而受到影響[如巴西(發送系統)從美國(接收系統)進口滅蟻靈(環戊二烯的衍生物)來控制起源于南美巴西的紅火蟻]。動物遷徙動物遷徙(如候鳥和有蹄類動物遷徙)在每年的不同時期利用發送、接收和外溢系統(如中途停留地)。遷徙可能影響生態系統過程和環境可持續性。由于動物遷徙可能傳播疾病,破壞農作物,因而可能影響社會經濟可持續性。遠距離調水調水設施可能修建在發送、接收和外溢系統中的(如水渠、水庫),可能影響各系統中的土地利用、水資源利用、生物多樣性和經濟增長。調水增加接收和外溢系統中的供水能力,也增加污染物擴散和物種入侵,減少發送系統中的水資源。物種擴散物種擴散可能降低發送方系統中動物、植物、或微生物物種的密度,但有利于增加物種在接收和外溢系統(如擴散走廊)中的密度。根據系統的具體特征,物種密度的變化可以改善也可以危害系統中的環境和社會經濟可持續性。大氣環流大氣環流可能影響發送、接收和外溢系統的環境和社會經濟可持續性。例子包括水量和水質的變化(如蒸發)、土地覆蓋(如發送系統土壤流失和接收系統土壤沉淀)和生態系統服務(如輸送酸雨等污染物)。

表3 深入研究遠程耦合與可持續性的問題舉例

與本地耦合相比,遠程耦合研究(表3)和管理(表4)更具挑戰性,因為它們更加復雜,在多尺度多系統中涉及了多個流、多個代理、多種原因和多重影響,而且通常跨越行政和政治邊界。本地耦合的管理方法與具有強大影響力的遠程耦合的管理方法存在很大不同。對于只有本地耦合的系統,當災害發生時系統可能缺乏恢復能力。 耦合系統可以作為資源庫來補充因災害幾乎滅絕物種的種群。當地人文基礎設施被摧毀時,耦合系統也可以作為信息流、物流和能流的來源。然而,當耦合系統消失或受到破壞并且無法替代時,完全依賴耦合系統可能也會遇到風險。例如,當進口國對產品的需求因國際競爭而減少時,美國許多生產設施不得不停止運行,因此給當地經濟和人類福祉造成嚴重影響(Minchin 2009)。在本地耦合和遠程耦合同時存在的系統中,評價它們之間互相平衡的程度相當重要。

表4 本地耦合與遠程耦合的區別

推進遠程耦合研究的優先課題包括：(1)研究遠程耦合可持續性新理論和新方法的開發與綜合,如反饋如何影響多系統動態；(2)遠程耦合的知識創新,洞悉遠程耦合系統的變化,如在發送、接收和外溢系統之間的商品貿易如何影響人類與環境；(3)探索不同遠程耦合之間的復雜關系,如物種入侵、貿易、遷移、疾病蔓延、生態系統服務流量；(4)探討跨系統多尺度耦合系統的可持續發展戰略。

在遠程耦合的背景下研究和促進可持續發展需要開創新的研究領域。這些新領域包括：(1)采用遠程耦合框架；(2)改變研究方法,從側重局部研究轉變到基于網絡的遠程耦合系統研究,如從對個別地點的研究擴展到連接多個地點的研究,并從多站點比較研究變成跨系統的綜合研究；(3)加強發送、接收和外溢系統中研究人員和利益相關者之間的合作。遠程耦合系統是一種網絡, 因此網絡科學為理解遠程耦合系統提供了極其有用的理論和方法(Bodin and Prell 2011)。研究遠程耦合可以填補許多研究空白,諸如：分析日益普及的社交網絡對遠距離資源利用造成的生態后果,預測未來土地利用和用水情況來幫助解決世界上糧食和生物燃料生產造成的土地和水資源短缺問題。

遠程耦合框架可以引導出新的分析方法并改善現有的分析方法。例如,基于代理模型(Agent-based model)已被廣泛用于研究土地變化和人類與自然耦合系統(Chen et al. 2012; Filatova et al., in press),,但其中的代理主要局限于一個人類與自然耦合系統之中。而遠程耦合框架強調在研究耦合系統中土地變化和動態時,要求必須納入遠距離耦合系統中代理(或稱遠程代理)之間的相互作用。同樣,過去的情景分析和預測通常只考慮一個耦合系統內各部分及其相互作用(Millennium Ecosystem Assessment 2005, Moss et al. 2010)。從遠程耦合的角度分析有助于模擬出更加逼真的情景并得出更準確的預測結果來更好地反映當前這個遠程耦合不斷增加的世界。

系統綜合將不同學科綜合在一起對遠程耦合系統中各方面的數據進行研究,這將更有助于對遠程耦合的理解 。例如,系統模型可以用于探索遠程耦合政策方案的長期后果,因而可以從不同尺度增加正面影響并降低負面影響,并對可持續發展的方式進行評估來適應遠程耦合的變化 。在全球和國家層面的研究可以提供一個遠程耦合的大背景,而在區域和本地層面的研究可以針對特定系統來詳細了解遠程耦合中的耦合系統、流、代理、原因和影響。例如,雖然在國際層面有一些關于土地利用轉換的研究(Meyfroidt et al. 2010, Lambin and Meyfroidt 2011),主要是關于森林砍伐(DeFries et al. 2010),很少有將國家、區域和地方尺度的研究結果同時又連接到全球尺度上分析(Rudel 2005, Rudel et al. 2005, DeFries et al. 2010)。采取多尺度系統方法可以跟蹤遠程耦合的變化。研究遠程耦合也可以受益于組合分析法(Young et al. 2006),這種方法為發展多學科研究提供了有用的理論基礎和方法,因為沒有一種方法是萬能的(Verburg et al. 2008)。此外,現代通信技術(如社交網絡工具)建立了一個“眾包”平臺(van der Velde et al. 2012),便于更具有參與性和透明性的方式進行研究和治理,從而產生積極的社會經濟和環境效果。

結論

遠程耦合框架提供了一個更加廣泛的分析方法,它從跨地區到全球各個層面對影響可持續性的遠距離社會經濟和環境相互作用進行綜合研究。它明確考慮了橫跨發送、接收和外溢系統內同時發生環境和社會經濟相互作用。作為通用的邏輯語言,遠程耦合框架在各種人類和自然因素(如土地、水、氣候、能源、空氣、人類和生物)情況下綜合了各種遠距離相互作用(如貿易、物種入侵、疾病傳播、生態系統服務的流動)。正如聯合國秘書長高級全球可持續發展小組(2012年)和國際科學理事會(2010年)發表的報告所倡導的,遠程耦合框架提供了一種將互相聯系、反饋、以及社會經濟和環境效益及成本進行全盤考慮的有效手段。很多遠程耦合之間存在復雜的相互關系,它們無法從單獨研究一種遠距離相互作用中得到理解,因此遠程耦合框架也有助于發現新見解。在這個遠程耦合不斷增加的世界,理解遠程耦對實現全球可持續性具有重要意義。

致謝：感謝美國國家科學基金會、密西根州立大學、美國能源部科學辦公室、和密歇根州立大學農業生物研究所的科研資助。感謝Anthony Janetos、Harini Nagendra、Phil Robertson 和 Robert Walker 為本研究提出的寶貴意見。

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2016- 11- 15

10.5846/stxb201611152318

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liuji@msu.edu

李舒心譯自：Liu, Jianguo, Vanessa Hull, Mateus Batistella, Ruth DeFries, Thomas Dietz, Feng Fu, Thomas W. Hertel, Roberto César Izaurralde, Eric F. Lambin, Shuxin Li, Luiz Antonio Martinelli, William McConnell, Emilio F. Moran, Rosamond Naylor, Zhiyun Ouyang, Karen R. Polenske, Anette Reenberg, Gilberto de Miranda Rocha, Cynthia S. Simmons, Peter H. Verburg, Peter M. Vitousek, Fusuo Zhang and Chunquan Zhu.EcologyandSociety18(2): 26. http://dx.doi.org/10.5751/ES-05873-180226. 英文原文獲2013年度最佳論文獎.欲了解最新有關遠程耦合信息，請訪問網站：telecoupling.org.

劉建國, Vanessa Hull, Mateus Batistella, Ruth DeFries, Thomas Dietz, 付峰, Thomas W. Hertel, R. Cesar Izaurralde, Eric F. Lambin, 李舒心, Luiz A. Martinelli, William J. McConnell, Emilio F. Moran, Rosamond Naylor, 歐陽志云, Karen R. Polenske, Anette Reenberg,Gilberto de Miranda Rocha, Cynthia S. Simmons, Peter H. Verburg, Peter M. Vitousek 張福鎖 , 朱春全.遠程耦合世界的可持續性框架.生態學報,2016,36(23):7870- 7885.