保護區遠程耦合系統研究進展

張晉東，郭楨杉，陳瑞，李玉杰

（西華師范大學生命科學學院,四川 南充 637009）

1 遠程耦合系統框架概述

人類-自然耦合系統（coupled human and natural systems，CHANS）是人類與自然界要素組成的相互作用的系統，研究聯系人類與自然系統的模式和過程，強調相互作用和反饋，理解各尺度內及尺度間的相互作用（如大尺度上的現象是局部多種因素相互作用的結果，同時影響局部系統），是一個有嵌套層次的實體概念（Liu，2007a，2007b），在這個系統中，人類與自然超越不同層次相互影響（Pickett，2005），從而形成了相互作用的復雜網絡。過去人類與自然之間的相互作用大多發生在局部地區，隨著全球人口數量的增加、經濟的快速發展，人與自然的相互作用更多地發生在區域、洲際和全球尺度，人類對自然的影響日趨嚴重，人類-自然耦合關系的復雜性也日漸增強，導致CHANS變化的規模、程度和速度都是空前的（Liu，2007a），因此需要使用遠程耦合框架來輔助解決日益復雜的相關問題（Liu，2013）。

遠程耦合系統是CHANS的自然延伸，指2個及更多遠距離區域之間的社會經濟與環境相互作用，它將每個區域都看成是人類與自然在區域、時間、空間尺度上持續相互作用的CHANS（Liu，2007a，2007b，2013，2015a，2015b，2016a；Alberti，2011）。該系統提供了一種明確的框架體系來解釋和說明社會經濟和外部環境跨越空間尺度的相互作用，有助于研究人員和管理者分析遠距離的社會經濟和環境因素之間的關系（Liu，2007a，2007b）。遠程耦合系統由CHANS、流、代理、原因和影響5個相互作用的部分組成（Liu，2013）。流是系統之間物質、能源或信息的流動，可以是單向，也可以是雙向，不同系統之間通過物質、信息、能量的流動建立聯系，根據流動的方向，CHANS可以分為發送（起源）、接收（目的地或接收者）和外溢系統（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）（圖1）。代理包括自主決策的實體，可以是單一或者一群人、動物、組織或公司等，能在一定程度上促進或阻礙流，從而能夠在系統間產生、維護、加強、削弱或解除遠程耦合。原因是指導致不同系統（發送、接收、外溢系統）間產生或改變遠程耦合聯系的經濟、政治、技術、環境和文化等因素。影響是指遠程耦合對各CHANS的社會經濟和環境產生的后果或作用。影響可能在發送、接受或外溢系統中以不同的方式出現，而且可以在不同的時間、空間尺度上出現（Liu，2013）。遠程耦合框架明確考慮到各個系統之間的反饋，反饋是遠程耦合的重要特性，能幫助研究人員和決策者評估發送、接收、外溢系統中反饋的存在及其有效性（Liu，2013）。

圖1 遠程連接，全球化和遠程耦合的定義（左）與遠程耦合系統框架體系（右）（源自Liu et al.,2013）Fig.1 Definitions of teleconnections,globalization,and telecouplings(left)and telecoupling framework system(right)(from Liu et al.,2013)

自2013年提出以來，遠程耦合系統理論得到了重視，并被成功地應用于一系列重要的生態與環境問題研究中，展現了其在研究和保護工作方面的巨大潛力，如生態補償（Yang，2011），遠距離的生態系統服務、評估與管理（Liu，2013；Deines，2016；Fu，2017；Schr?ter，2018），生物保護（Carter，2014；Tonini&Liu，2017；Wang&Wang，2017），食品和林產品貿易（Karen&Anette，2014；Sun，2015；Yao，2018；Zimmerer，2018），全球土地變化和投資、全球土地使用（Karen&Anette，2014），城市水資源的可持續性（Deines，2016），水資源調控（Liu，2016b），碳 排 放（Schierhorn，2016），漁 業（Carlson，2017），物種入侵（Hulina，2017）等的分析與處理。遠程耦合系統為可持續發展科學及應用（如生物多樣性保護、生物入侵控制、土地和水資源利用）提供了獨特的挑戰和難得的機會（Liu，2013）。作為一個理論框架，遠程耦合系統的意義在于提供了一個更廣泛的分析方法，它具有語言和邏輯一致性、系統性，對研究人員和其他相關人員了解不同遠距離的交互作用特征具有指導性，從而找到方法實現從區域到全球水平社會經濟和環境的可持續發展。遠程耦合系統體系是一個新興的理論和實踐探索，受數據及多學科交叉等因素的限制，其理論體系的構建和實踐應用尚處于初級階段，相關研究存在大量空白（Liu，2013；馬恩樸等，2020）。盡管社會經濟與環境影響是遠程耦合系統應用的重要領域，但是針對具有經濟發展與資源保護的保護區管理，其研究尚處于起步階段（Liu，2015a，2015b；Zhang，2018）。

2 保護區主要遠程耦合系統

2.1 保護區遠程耦合系統概述

保護區是為應對生物多樣性的急劇下降和生態環境的日益惡化，參照相關法律建立的以保護生物多樣性的環境、地質構造等自然綜合體的核心區域，是人類社會經濟發展與自然資源保護相互作用最強烈的地區之一，是最具代表性的CHANS（Liu，2001；Dudley&Stolton，2010）。保護區中受保護的珍稀物種（如大熊貓等）或生態系統（如森林、濕地等）是自然系統，保護區內及周邊的社區居民為人類系統，人類在生產生活過程中，會利用保護區內的自然資源（如柴薪收集、放牧等），從而產生自然與人類系統的相互作用，形成 CHANS（Liu，1999，2013）。隨著全球科學技術與經濟的快速發展，即使位于偏遠地區的保護區也與外界（如城市）的聯系愈加緊密且頻繁。保護區內的CHANS與區外的系統相互作用，互為發送與接收系統，形成不同類型的遠程耦合系統（Liu，2015a），并對保護區內CHANS產生深刻的影響。然而，目前針對保護區遠程耦合系統的研究較少，尤其是其動態特征，及其對保護區內人與自然可持續發展的影響。

2.2 保護區的主要遠程耦合過程

遠程耦合框架理論的核心是關注遠距離人類與自然耦合系統之間的社會經濟和環境的相互作用（Liu，2013；馬恩樸等，2020），因此，保護區作為典型的具有資源利用與保護雙重目標的區域，區內的局部CHANS與區外通過人員、資金、物質、信息等流密切關聯，形成多種遠程耦合過程。現就我國保護區內最常見、發展特征最明顯、可預見性也最強的幾類遠程耦合過程介紹如下：

生態旅游遠程耦合過程：即通過人（如游客）和資金流相聯系的，以保護區為接受系統、游客所在城市（或國家）為發送系統、旅游相關產業（如戶外裝備店）為外溢系統的遠程耦合過程。產生該遠程耦合關系的首要原因是生態旅游一直被視為解決保護區可持續發展的有效途徑，也與政府的政策、社區居民發展和保護區自然資源密切相關。以自然為基礎的生態旅游一方面給保護區帶來經濟收益，客觀上減少居民對自然資源（如土地、森林資源等）的利用及對珍稀野生動物（如大熊貓等）的干擾等（Liu，2012）；另一方面，生態旅游基礎設施的建設、不正確的管理或經營方式可能導致保護區生態環境惡化（馬建章，程鯤，2008；Liu，2016a）。

基礎設施建設（如災后重建等）形成的遠程耦合過程：即基礎設施建設過程中的資金流、材料、技術等將保護區（接收系統）與外面的政府或市場（發送系統或外溢系統）聯系起來，形成以當地政府、居民、建筑公司等為代理的遠程耦合過程，而政策、市場、災后重建等都可能是影響保護區基礎設施建設的主要原因。基礎設施的建設一方面能提高居民生活質量（如道路的修建）、創造工作機會、促進發送與外溢系統（如鋼筋等）相關行業的發展等；另一方面，也會對各系統的自然環境造成負面影響（Liu，2016a）。

勞動力遷移遠程耦合過程：即在偏遠保護區，更多的年輕人選擇外出務工，形成以保護區為發送系統，區外市場或城市為接收系統的遠程耦合過程，發送與接收系統之間通過勞動力（人）和資金流聯系，外出打工人員和區外的公司等為代理，保護區內就業機會少、收入低，城市吸引力強都可能是形成勞動力遷移的原因。勞動力遷移減少了對保護區當地自然資源（如土地資源）的消耗與區內就業的壓力，同時也減少了阻礙保護區生物多樣性保護的人為干擾壓力（Chen，2012）。

畜牧養殖與交易和農產品種植與貿易遠程耦合過程：保護區多位于生活貧困、交通不發達的偏遠地區，當地居民長期依賴自然資源，為增加家庭收入，許多保護區形成了通過物（如農業、畜牧業產品等）和資金流相聯系的，以保護區為發送系統、區外城市/市場為接受（或外溢）系統的農業與畜牧業產品貿易遠程耦合過程，其中保護區居民、相關消費者等為代理（Liu，2015a，2016a；Vi?a&Liu，2017）。農業和畜牧業的發展，一方面能提高居民經濟收入、促進相關產業（如生產資料）發展；另一方面，也會促使居民擴大種植/養殖規模，加大對保護區自然資源（如土地、森林資源）的利用，對生態系統及珍稀野生動物產生負面影響（冉 江 洪 等 ，2003a，2003b；Hull，2014；Liu，2017；Zhang，2017）。

信息交流遠程耦合過程：自20世紀80年代以來，我國政府著力保護區的建設與發展，保護區與外界的信息交流明顯增加，特別是一些有大熊貓、川金絲猴等明星物種的自然保護區，通過多種媒體形式傳播信息，例如，臥龍國家級自然保護區通過大熊貓保護與研究的文章和新聞報道等形式聞名于世，將保護區與世界各地的讀者聯系起來，國際與國內的民眾與NGO給予保護區更多的關注與支持，尤其是在“5·12”汶川地震后，大量的救災物資和捐款流向保護區（Liu，2015a，2015b）。

除以上的保護區遠程耦合過程之外，保護區內外還有保護政策補貼、大熊貓租借等多種遠程耦合過程，對保護區內外的社會經濟及自然環境均有極其重要影響（Liu，2015a）。

3 自然干擾（地震）下保護區遠程耦合系統的動態變化

地震等大型自然干擾能直接破壞環境甚至毀滅人類與自然系統（Dilley，2005）。我國西南山地是全球生物多樣性的熱點地區，集中分布了大量保護區，也是地震等自然干擾頻發的區域（四川省林業廳，2015）。近年來，在邛崍山系和岷山山系發生了一系列地震，嚴重破壞了保護區局部區域的人類和自然系統（張晉東等，2008；Zhang，2011，2017，2018；張晉東，2017），同時，自然干擾也對保護區內外各遠程耦合系統產生顯著影響，加之政策的實施與居民行為響應等因素，導致各種遠程耦合系統與其主要成分處于動態變化，進而對保護區內人類與自然耦合系統產生新的影響（Zhang，2017）。清楚了解人類干擾（如政策的實施）、大型自然干擾（如地震）后的保護區遠程耦合動態特征、預見變化的遠程耦合系統對維系保護區人與自然和諧相處至關重要。

例如，以自然為基礎的生態旅游作為替代生計在諸多保護區實施（Liu，2012，2016），然而地震及次生災害破壞了連接保護區的道路和基礎旅游設施，阻礙了人員流（游客和投資者）、物質流（資金和旅游設施）的流動，作為主要代理的游客和投資者減少，甚至消失，導致地震后很長時間，一些保護區的生態旅游停滯，降低了保護區內社區在生態旅游方面的收入（Liu，2015a；Zhang，2018）。在許多保護區，農業仍然是當地社區的主要產業，泥石流、滑坡等導致連通保護區與外面的道路被毀壞，時令蔬菜和水果不能及時運輸出去，對保護區內社區經濟產生直接影響。保護區發生大型自然災害（如地震、颶風等）后，各級政府（中央、省市和地方）及NGO會投入巨大的資金進行災后重建，新增加的物質流不僅直接促進受災地區的基礎設施恢復，也增加了當地居民的就業機會，例如“5·12”汶川地震發生后，廣東省揭陽市、潮州市和香港特別行政區政府在臥龍國家級自然保護區內投入資金和技術針對居民新居、醫院、學校、道路、中華大熊貓苑和中國大熊貓保護研究中心進行了重建工作，同時也投入資金和人力開展植被恢復工程，對保護區人類福祉和生態環境恢復都起到了積極的促進作用（Zhang，2018）。然而，隨著基礎設施重建完成、道路尚未完全恢復的情況下，當地居民不得不嘗試其他生計模式，例如，更多社區居民到城市打工，居民在保護區內開始放養更多家畜。遠程耦合變化對保護區內人類與自然系統也會產生影響，如勞動力外遷會降低保護區內直接采集自然資源的強度，即更少的當地居民參與放牧、打獵和采藥等活動，能夠降低人類對保護區生態環境的利用壓力（Chen，2012）。而更多的牲畜進入保護區，對保護區珍稀野生動植物及其棲息地則帶來了直接的負面影響（Hull，2014；Liu，2017；Xu，2017；Zhang，2017）。

總結以上案例研究可見，目前有關保護區遠程耦合動態研究處于靜態特征的描述階段，而大型自然干擾后保護區內外主要遠程耦合系統的產生、消失、增強或減弱等動態特征變化及驅動過程與機制，及這些變化的遠程耦合系統對保護區可持續發展（即人類-自然系統和諧發展）的影響尚未開展實證與量化研究。

4 研究展望

保護區承擔生物多樣性保護與減貧雙重任務，與聯合國2030年17個可持續發展目標中的多個目標密切相關，如：目標1～6（無貧窮、零饑餓、良好健康與福祉、優質教育、性別平等、清潔飲水和衛生設施）和目標12～15（負責任的消費和生產、氣候行動、水生生物和陸生生物）（Dudley&Stolton，2010；United Nations，2021）。隨著科技進步、經濟全球化及城市化進程，保護區通過“人口流”“物質流”“資金流”“能量流”和“信息流”建立起越來越多的遠程耦合系統（Liu，2015a；Zhang，2018），遠程耦合系統框架的提出，尤其是元耦合框架、近遠程耦合等理論的創新補充（方創琳等，2016；方創琳，任宇飛，2017；Liu，2017），為保護區遠距離社會經濟與環境的作用關系及影響提供了研究方案與工具。基于遠程耦合系統框架和理論在保護區開展了系列社會經濟與環境影響的研究，然而與遠程耦合在其他領域應用類似，主要是利用經驗數據并套用遠程耦合系統框架來解釋遠距離人類與自然耦合系統之間的環境與社會經濟作用的現象，缺乏探索從現象到本質的機理研究（馬恩樸等，2020；孫晶等，2020）。結合保護區的性質和任務與遠程耦合理論框架和工具，定量與定性地研究保護區遠距離人類與自然耦合系統間的社會經濟和環境相互作用的發生機制并豐富實證研究，為制定保護區經濟與環境可持續發展政策提供具體、可操作性的科學依據應該是保護區遠程耦合研究的發展方向，本文建議從以下幾方面開展研究：

基于遠程耦合框架和工具開展保護區基礎生態學、保護生物學研究。在遠程耦合系統框架理論提出時，將生態學和保護生物學領域中的一些基礎科學問題（例如物種入侵、擴散和動物遷徙）設為主要研究方向（Liu，2013），近年來有零星研究關注物種遷徙過程的生態系統服務功能（Hulina，2017；Lopez-Hoffman，2017；Bagstad，2019），側重于對社會經濟影響方面，鮮有針對生態學和保護生物學等自然系統量化的實證研究。隨著遠程耦合系統理論的不斷豐富，基于Web的Telecoupling Toolbox、Telecoupling Geo-App等分析工具的出現（Tonini，2017；McCord，2018；馬恩樸等，2020），可以為保護區物種擴散、遷徙，棲息地破碎化后的物種遷移與保護，生態廊道的建設的實證研究提供理論和工具，例如，基于通道（如遷徙路徑）、節點（棲息地斑塊）構建關鍵保護物種的移動網絡結構模型，為珍稀野生動物生態廊道建設與小種群保護提供新的研究保護途徑。

保護區遠程耦合系統動態特征與機制研究。由于受人類（如保護與發展政策實施與調整、生計模式的變更）與自然干擾（如地震、颶風、火災、病毒傳播）等多方面因素的影響，保護區內外遠程耦合系統一直處于動態變化過程當中，然而，目前關于保護區遠程耦合系統的研究尚處于靜態特征描述階段，有必要基于長期監測數據研究保護區遠程耦合系統的動態特征，各個遠程耦合系統的相互作用，并分析遠程耦合系統的變化對區內可持續發展的影響。例如，“5·12”汶川地震發生后，邛崍山系與岷山山系的保護區內人類與自然系統受到嚴重干擾，保護區內外遠程耦合系統受地震破壞、災后重建、保護與發展政策調整等多方面因素影響發生變化，需要針對受影響的一個或多個保護區，在利用生物學、生態學、CHANS和遠程耦合系統的研究基礎之上，綜合社會經濟學和生態學等多學科工具，開展長期保護區內人類與自然耦合系統、遠程耦合系統動態變化量化的實證研究，以期揭示地震后保護區遠程耦合系統的動態變化原因、機制、相互作用及發展趨勢，為制定恢復過程中的保護區經濟與環境可持續發展政策提供科學依據。同時嘗試建立典型的區域示范點，將研究結果與管理經驗推廣到全球其他保護區（保護地）管理應用中，豐富新興的遠程耦合系統理論的量化實證研究，填補遠程耦合理論與實踐研究知識空白。

運用反饋機制開展保護區政策的評估研究。由于世界上大多數保護區位于相對貧困的區域，例如我國保護區主要分布在西部偏遠山區，保護區內部或周邊仍有居民的生產生活與自然資源保護之間存在矛盾，保護區的管理與發展政策尤為重要（韓念勇，2000；Wittemyer，2008）。反饋是維持系統可持續性的一個重要機制，遠程耦合框架明確考慮了反饋，有助于管理者和科研人員評估發送、接收和外溢系統中的反饋效應（Liu，2015a），進而在更全面的空間維度上與更長的時間尺度上評估政策的社會經濟與環境效應，引導制定可持續性的政策（馬恩樸等，2020）。在相關保護與發展政策制定并實施后，應持續監測政策的正負反饋效應，例如，在天保工程與退耕還林工程實施后，有些當地政府制定了鼓勵居民飼養家畜的生計模式，隨之導致了更大程度利用自然資源，對保護區野生動植物棲息地構成更嚴重的威脅（Zhang，2017；王曉等，2018）。因此，在制定相關保護與發展政策時應考慮負反饋機制，否則可能有環境惡化或返貧情況發生，甚至在局部區域落入到社會-生態陷阱當中（Cumming，2018）。