王 晗,张丹妮,华 廷,赵宇豪,王振宇,吴健生,*

1 北京大学深圳研究生院城市规划与设计学院城市人居环境科学与技术重点实验室,深圳 518055

2 北京大学城市与环境学院地表过程与模拟教育部重点实验室,北京 100871

3 北京师范大学地理科学学部地表过程与资源生态国家重点实验室,北京 100875

人类活动对自然环境产生全球性影响是人类世的显著特征[1—2]。城市化驱动下的土地利用与土地覆被变化[3]影响了地表侵蚀[4]、沉积[5]、水循环[6]等诸多自然过程,化石燃料燃烧造成的人为温室气体排放加剧了全球气候变暖[7—8],农业活动尤其是化肥的广泛使用改变了氮、磷、硫等元素在全球生物地球化学循环中传输与转化的速率[9—10]。陆地与海洋生态系统吸收了将近一半的人为碳排放,但在气候变化与人为因素共同作用下面临新的演化压力[11—12],生物多样性丧失与生态系统退化的风险不断增加[13—16]。日益严峻的全球环境问题成为人类可持续发展面临的重大挑战[17]。

长期以来,人地系统研究关注从生态系统、社会系统的多个层面描述和解析自然环境与人类社会的交互作用。但全球性的环境变化问题进一步凸显了人地作用的复杂过程和机理[18],人地关系的综合协调仍然面临着生态系统保护与社会系统治理两者系统性与整体性不足的难题。社会-生态系统(Social-ecological Systems,SESs)是近年来人地系统研究的热点视角[19],其尝试将自然环境与人类社会刻画为复杂耦合的整体系统。以脆弱性[20—21]、韧性[22]与适应性[23—24]为切入点的研究工作指出了社会-生态系统适应性治理的途径[25],强调了建立具有适应性的社会权利分配与行为决策机制[26],为缓解生态系统退化[27]、恢复生态系统功能和服务[28]、解决社会贫困[29]等诸多跨系统问题提供了解决方案。

国外较早地围绕社会-生态系统开展理论和实践研究,而国内近年来开始针对具体区域问题开展系列探索,但相关工作仍处于起步阶段,且社会-生态系统领域整体发展态势与热点内容的总结工作仍不多见。为此,本文从社会-生态系统的相关文献分析出发,对其研究领域的发展历程、近今态势和前沿议题进行归纳,总结现有研究的理论基础和地域实践,以期为凝炼社会-生态系统相关领域的研究方向和深化科学问题提供参考。

1 研究方法

1.1 数据来源

Web of Science(WoS)(https://www.webofscience.com/)收录了世界范围内各学科领域的优秀期刊,能够及时反映科学发展的前沿态势[30]。本文限定检索范围为WoS核心合集(SCIE、SSCI、AHCI、ESCI)和中国科学引文数据库(CSCD),以“Social-Ecological Systems(Social-Ecological)”为主题词,文献类型为Article和Review Article。截至2022年5月18日,共检索到6835篇文献。

中国国家自然科学基金委员会通过有计划的资助体系推动了我国科技创新尤其是基础研究的发展,其资助倾向反映了国家层面对科学发展的需求[31]。以“社会-生态系统”为主题词,对2021年及以前历年资助项目进行检索(https://isisn.nsfc.gov.cn/),经筛选去除医学、心理学等领域不相关的少量结果,共检索到43个社会-生态系统主题的研究项目。

1.2 统计分析

本文利用WoS检索文献的题录字段(题目、作者、单位、关键词、资助基金、引文信息等)与NSFC资助项目的外部特征字段(项目名称、负责人、依托单位、项目类型、资助金额、项目摘要等)开展数量统计与趋势分析,以明确社会-生态系统研究的主要态势和热点内容。

1.3 共现网络与词频分析

本文以共同出现在文献中的作者、关键词、单位等关注项为网络节点,关注项共现频数作为网络的边,构建共现网络[32]对社会-生态系统研究文献的作者、主题、发文机构及其相互联系进行量化分析,共现网络分析在荷兰莱顿大学Eck和Waltman开发的VOSviewer软件[33]中进行。关键词频数能够反映一段或多段文本的主题分布[34],本文通过Python脚本对NSFC资助的社会-生态系统研究项目的名称、摘要等内容进行分词和词频统计,以分析NSFC资助研究项目关注主题的演变。

2 社会-生态系统研究态势

2.1 社会-生态系统研究发文特点

2.1.1文献发表趋势

社会-生态系统研究在WoS核心合集检索到相关文献6595篇,占比96.5%,在CSCD检索到240篇,占比3.5%。该领域文献最早发表于1977年,截至检索日,年均发文量约149篇,整体发文量较少。

社会-生态系统研究领域的形成与发展过程和国际组织发起的重要研究计划密切相关。随着国际性科学合作进程的推进,社会-生态系统研究的文献发表数量呈现了明显的三阶段特征(图1),即萌芽阶段(1977—2001年)、起步阶段(2002—2009年)、发展阶段(2010年至今)。研究议题最初以气候变化为起点关注全球变化等自然科学问题,后逐渐演变为关注人类世全球变化的驱动力、全球环境变化对人类福祉影响、缓解与适应全球变化等自然科学与社会科学融合的综合问题。

图1 社会-生态系统研究论文发表趋势Fig.1 Publication trends of social-ecological systems research papers

2.1.2文献学科分布

以我国国务院学位委员会学科二级分类标准来看,社会-生态系统研究受到自然科学和社会科学多个学科的广泛关注(图2),其中来源于环境科学与工程、生态学、地理学三个学科的文献发表数量与引用数量最高。生态学、可持续性科学、环境科学和管理政策等主题的国际期刊发表了最多的文献(表1)。相关文献的学科分布与期刊主题,凸显了社会-生态系统研究领域的学科交叉特点。

表1 社会-生态系统研究论文主要来源期刊Table 1 The primary source journals for the literature on social-ecological systems research topics

表2 社会-生态系统研究中文文献的前10作者Table 2 Top 10 authors of the Chinese papers on social-ecological systems research

图2 社会-生态系统论文发表与被引前20学科Fig.2 Top 20 disciplines for publication and citation of social-ecological systems research papers

2.2 社会-生态系统研究力量现状

全球形成了欧洲(瑞典、荷兰、法国、德国等国家)、北美洲(美国、加拿大)和澳大利亚三个社会-生态系统研究核心地区(图3),上述地区的高校、研究院所、公益组织和政府机构是累计发文量前20的来源单位。

图3 社会-生态系统研究发文量前20的机构及所属地区Fig.3 Regions of the top 20 institutions on social-ecological systems research papers

选择发文量与引用量均≥10篇的前300个机构分析社会-生态系统研究的全球机构合作网络(图4)。可以发现:主要发文机构中的斯德哥尔摩大学、亚利桑那州立大学、詹姆斯库克大学与昆士兰大学、英属哥伦比亚大学和滑铁卢大学是目前全球社会-生态系统研究机构合作网络的四个主要核心,巴塞罗那自治大学,莱布尼茨海洋科学研究所、波恩大学、清迈大学,中国科学院等为次一级核心。

以发文量和被引量均≥10篇的发文作者构建全球作者合作网络(图4),结果显示全球社会-生态系统领域的研究者之间存在着紧密的合作关系。但合作网络中华人作者或在国内单位就职的作者人员数量极少,表明我国科研力量尚未在国际社会-生态系统研究领域发挥重要作用。同时,统计得到社会-生态系统研究领域中文发文量前10的作者(表2),国内研究的中文文献数量也较少,累计发文量尚不足百篇。

2.3 社会-生态系统研究资助趋势

2.3.1社会-生态系统研究主要资助来源

社会-生态系统研究领域的发展与其受资助的方式与力度密切相关,多元化的资助体系是国际社会-生态系统研究迅速发展的重要支撑。根据统计得到的文章发表量前20的资助来源机构(表3),北美洲、欧洲、澳大利亚等地区的资助机构数量最多。国际上相关资助机构类型多样,既有基础研究部门,也有各国政府业务部门和国际公益性研究组织,我国目前则主要依靠国家自然科学基金委员会的资助。

表3 社会-生态系统研究论文的前20资助来源机构Table 3 Top 20 funding institutions of the papers on social-ecological systems research

2.3.2中国国家自然科学基金资助趋势

国内社会-生态系统研究历史受资助数量和力度均较低,但近年来上升趋势显著(图5)。NSFC对社会-生态系统研究的资助起步于西北大学王俊2005和2006年主持的青年科学基金项目和国际(地区)合作与交流项目;到2010年,NSFC相关项目资助数量和力度才开始持续增加。2019年以前,以青年科学基金、面上项目、地区科学基金等为主的资助类型表明NSFC对社会-生态系统探索性研究的鼓励。2019年以来,由中国科学院环境生态中心傅伯杰和孙然好、北京大学王仰麟等团队牵头主持的重点项目、联合基金项目等受到资助,一定程度上表明社会-生态系统研究已开始成为优先发展领域和学科发展重点。

图5 国家自然基金委(NSFC)对社会-生态系统研究项目的年资助趋势Fig.5 Annual trends of social-ecological systems research projects funded by the National Natural Science Foundation of China

3 社会-生态系统主题演进

3.1 社会-生态系统研究关键词

3.1.1已发表文献关键词共现网络

选择检索文献中累计出现频次≥20的关键词作为关注项,构建社会-生态系统研究文献关键词共现网络(图6)。社会-生态系统研究涵盖了自然生态系统、气候变化、土地利用、治理与管理政策等诸多主题,核心关键词节点包括Social-Ecological Systems(社会-生态系统)、Resilience(韧性)、Management(管理)、Sustainability(可持续性)、Governance(治理)、Conservation(保护)、Ecosystem Service(生态系统服务)、Adaptation(适应性)、Vulnerability(脆弱性)等。关键词共现网络表明人类社会系统治理与自然生态系统问题的综合是社会-生态系统研究的核心。以上述核心关键词为中心节点,形成了多个相对独立的关键词群,多样化且跨度较大的关键词群显示社会-生态系统研究领域具有综合性、复杂性和交叉性的特征。

图6 社会-生态系统研究文献关键词共现网络与NSFC资助项目主题词云图Fig.6 Keywords co-occurrence network and of social-ecological systems research papers

3.1.2国家自然科学基金项目词频

通过计算2005至2021年受NSFC资助的43项社会-生态系统研究项目的名称和摘要的分词词频,构建主题词云图(图6),以直观反映我国社会-生态系统研究中重点关注的议题。NSFC资助的研究项目侧重从脆弱性、适应性、恢复力、韧性等角度,解析社会-生态系统的结构和过程,进而对其演化、耦合、权衡等问题进行过程、机制、影响等综合研究。干旱区-半干旱区、海岸带、城市、乡村、旅游地、保护地、牧区、贫困山区、少数民族聚居区等生态环境脆弱或者社会环境特殊的区域为相关项目的主要案例地区,这显示了国内社会-生态系统研究问题的地域性和多样性。管理、合作、应对等适应性治理手段是国内社会-生态系统研究实践探索的主要出口。

3.2 社会-生态系统研究演进

3.2.1社会-生态系统的概念内涵

地学领域的相关学科通过不同时空尺度的研究,逐步建立起涵盖大气、水、生物、陆地等子系统相互联系、相互作用机制的地球系统科学体系[35—38],为认识人类与自然系统交互作用[39—40],实现人类社会可持续发展提供支撑。在研究过程中,人(Man)、人类(Human)、社会(Society)、地球(Earth)、土地(Land)、自然(Nature)、环境(Environment)等词汇及其组合先后被作为本体来指代人地系统(表4),但在各类研究中相关概念常被混用,不同表述的应用语境仍存着较大差异。随着人地关系认识的深入,系统要素相互依存、相互作用的关系以及错综复杂的系统过程逐渐被研究人员发现并得到重视,“社会-生态系统”的概念逐渐形成。社会-生态系统一词指的是社会系统与生态系统两者关联而成的人地系统,其中“社会”指代人类社会及其活动的本体,“生态”既指代自然生态系统本体,也指代社会系统和生态系统两者的作用过程[41],是包含人地系统要素组成和其过程的综合性表述。

表4 人类与自然系统的多样化概念表述及其内涵Table 4 Diversified concepts and contexts of human and natural systems

3.2.2社会-生态系统的关键理论

社会-生态系统是一种兼具组分功能性(Constituted Relationally)、自适应能力(Adaptive Capacities)、动态交互性(Dynamic Interactions)、模糊边界性(Unclear Boundaries)、语境依赖性(Contextual Dependency)和复杂因果性(Complex Causality)等特性的复杂适应性系统(Complex Adaptive System,CAS)[47]。为此,Holling等从系统科学的角度分析人类与自然演化过程,建立扰沌理论(Panarchy Theory)来解释人类与自然环境之间广泛发生的变化[48]。扰沌理论包含了反馈循环、非线性、阈值、诧异、遗留影响与时间滞后、韧性与异质性等概念体系,为理解人类与自然系统复杂的相互作用,尤其是人地系统中快速与慢速的跨尺度交互、局部与全球变化提供了基础[49]。

盆地模型[50]和杯球模型[51]等概念模型常被用来具象表达社会-生态系统的状态空间,系统外的作用被隐喻为引力,从而以机械运动的概念图形简化表达社会-生态系统面临干扰时的阈值效应[52]和反馈机制[53—54]。以此为基础,社会-生态系统理论研究围绕适应性变化(Adaptive Change)、学习(Learning)、转化力(Transformability)等隐喻(Metaphor)[55]的数学描述和过程构建,形成了干扰响应、系统自组织、学习与适应性三个核心议题[56—57]。单个适应性循环(Adaptive Cycle)由开发(r)、保护(K)、释放(Ω)和更新(α)四个基本阶段组成[49]。多个快速与慢速的适应性循环在跨时空尺度的相互作用,通过记忆(Remember)和反抗(Revolt)的正负反馈发生联结,构成多层次的系统自组织、学习与适应过程,推动社会-生态系统体制转换(Regime Shift)的形成[58]。

3.2.3社会-生态系统的研究发展

社会-生态系统研究是贯穿和综合传统人地关系认识与研究发展的综合性领域。对社会系统与自然生态系统脆弱性(Vulnerability)、韧性(Resilience)的定性与定量分析是社会-生态系统研究领域形成的起点。脆弱性研究始于社会科学,其关注特定地域的人类对灾害尤其是自然灾害的暴露[59]、人类社会系统内部结构面对灾害或干扰的恢复力[60]或韧性[61],研究突变与压力导致的系统组分、结构及其状态的变化,侧重从消极角度衡量系统受到干扰后产生不利影响的程度[62—63]。韧性研究源于生态学中对生态系统在应对变化时的适应性和维持性的关注[64],是从积极角度对系统演变到新的状态之前可承受干扰、自我组织和适应新环境能力的量化[65—66]。但从社会科学或者自然科学单一角度无法阐明人类与自然系统耦合与发展的复杂模式和过程[67]。

最早,驱动力-压力-状态-影响-响应框架[68]从人地相互作用因果链出发,奠定了人类活动与自然环境互动联系分析的经典框架。从自然生态系统对人类社会系统的作用角度,生态系统服务研究从经济学视角将自然环境提供的满足人类物质与精神需求的自然资源和生态过程抽象为生态系统服务,构建了自然生态系统对人类社会发展的价值核算理论与方法体系[69—70]。面对复杂的人地矛盾,社会-经济-自然复合生态系统与人地关系地域系统等工作抓住粮食、能源、人口三个关键要素,从自然、经济和社会三个维度形成了对人地系统组分与结构还原论认知[71],并逐步认识到地域特性是人类对自然投入与产出活动的显著特点[72]。随后,生态足迹考虑人类社会系统对自然生态系统的影响,从特定地区人类生存和发展所依赖自然资源的消耗及自然环境对人类活动排放废物的消纳所需要的土地面积[73]入手,建立了人类活动对自然生态系统影响状态评估的量化途径,同时资源环境适宜性与承载力[74]、行星边界[75—76]等研究工作从区域与全球角度提供了对自然资源约束与人类发展需求的状态分析工具。至此,人类社会系统与自然生态系统两者相互作用的量化成为人地关系研究的重点。

进一步地,以人地耦合圈层为代表的研究[77—78]从供给与需求角度筛选表征指标来衡量自然生态系统与人类社会发展关系中的依赖、协调、促进的耦合程度。全球化进程中,人们逐渐认识到社会系统与自然生态系统除了在特定地点发生耦合作用也在区域与全球各个时空尺度上存在的复杂近-远距离关联。元耦合理论[79]将系统内耦合与系统间的近、远程耦合相统一,建立了以发送系统、接收系统、外溢系统为主体,代理、流等为分析工具的人类与自然系统跨区域交互研究的方法体系。基于上述工作,同样关注人类社会对水资源、粮食、能源等关键需求的水-能-粮纽带研究[80]重点考虑了相关社会过程对自然生态系统服务中的权衡(Trade-off)与协同(Synergy)关系,将人地关系的认知从还原认识论提升到了系统认识论,在解析社会系统与生态系统复杂相互作用方面进行了较好地尝试。

整体上,地理学、生态学等学科从系统组分(Component)、结构(Structure)、过程(Process)、状态(State)和联系(Relation)等不同层次的跨学科人地关系研究,为社会-生态系统综合研究范式的形成提供了方法论支撑,推动了以过程、状态和联系为关注重点的社会-生态系统综合研究的形成和发展。Olsson以渔业生态系统为例建立了生态知识、生态系统与管理实践的动态连接分析框架[81]。该框架认为人们依靠本地化的生态知识对生态系统进行认知,而生态知识反馈影响制度与管理实践。社会系统的管理实践活动通过对土地利用决策作用于生态系统过程,从而产生新的生态系统认识,循环往复形成新的动态连接。Redman进一步提出社会模式与过程和生态格局与过程的组合是推动社会-生态系统形成和演化的关键,两部分通过交互作用产生联系,在空间、时间维度上组织发展成具有韧性、可持续性和复杂联系的系统[82]。Ostrom将社会-生态系统分为资源系统(Resource System)、资源单元(Resource Unit)、管理系统(Governance System)、用户(Users)或行动者(Actors)四个一级子系统和多个二级子系统,指出子系统通过交互作用产出结果,与社会、经济、政治环境和其他生态系统两大类外部环境产生连接,为社会-生态系统的公共资源治理提供了一个通用的多层次分析框架[83]。

4 社会-生态系统研究地域实践

4.1 海岸带社会-生态系统

海岸带是世界上人口最密集居住的地区,频繁遭受洪水、海啸、飓风及传染病等灾害的干扰,人类社会与生态系统相互作用强烈,是国外社会-生态系统研究关注的重点地域[84]。全球化进程促进了世界各地尤其是沿海地区经济商品、生态系统服务的紧密联系[85],海岸带地区社会系统中经济、制度、市场、技术、文化与价值观等通过渔业活动、污染与气候变化等代理驱动因素,对生态系统产生作用。沿海自然生态系统因此在海岸带御灾保护[86]、食物与资源安全[87]、海洋旅游业与海洋生计[88]、生物化学循环[89]等方面的服务和功能发生变化。增强海岸带社会-生态系统韧性和降低其脆弱性是社会-生态系统领域相关研究的核心,已有研究揭示了建立海洋保护区、合理规划渔业活动与捕捞规模、减少向海洋中排放污染物、发展珊瑚礁等脆弱要素保护技术等综合治理方案,是实现联合国提出的保护和可持续利用海洋资源可持续发展目标(SDG14)[90]的科学途径。

4.2 干旱区社会-生态系统

干旱区生态系统的结构与功能既影响人类福祉也易受人类活动干扰。全球干旱灾害日益严重[91],典型干旱区黄土高原面临水土流失、荒漠化面积扩大、经济发展迟缓等问题,人口、资源与环境矛盾突出,是国内社会-生态系统研究关注的重点[92]。干旱区社会-生态系统研究主要关注在人类活动与环境变化的共同扰动下干旱与半干旱地区的社会-生态系统的脆弱性、韧性与适应性风险的变化过程和驱动机制[93]。具体研究中,农户生计常被作为社会系统问题的核心,植被恢复作为生态系统的关键监测指标。宏观的研究工作常以行政区为基本单元,建立包含社会、经济和生态子系统的韧性综合评估指标体系[94],通过识别关键社会-生态要素构建社会-生态网络[95],解析社会-生态系统的脆弱性、韧性的时空变化及驱动因素。微观的研究工作主要是综合运用气象、遥感、统计年鉴等数据与农户访谈等方法[96],关注农户对干旱区社会-生态系统变化的适应性过程,从而建立综合指标体系评估农户生计适应性[58,97]。相关研究显示了综合实施乡村建设、退耕还林与水土保持等社会工程和生态工程[98—99],有利于降低干旱区社会-生态系统的脆弱性[100],增强生态系统连通度从而强化社会-生态系统抗干扰能力[101]。

4.3 城市社会-生态系统

城市以近、远程的生态系统过程与服务为基础[102],通过区域贸易活动与城市体系形成城市服务供给网络,为人类提供交通、居住、医疗、工作、市场等全面的社会服务[103],是复杂社会-生态系统过程集中的地区。城市社会-生态系统研究一方面关注从城市系统[104]、城市代理[105—106]和城市制度体系[107—108]等角度认识阈值与系统治理在城市社会-生态系统跨尺度复杂交互过程中的作用;另一方面侧重于从要素与规划实践层面,评估城市环境风险、自然灾害、人口分布等导致的脆弱性[109],通过建设绿色基础设施等手段增加城市韧性[110]和气候适应性[111]。

4.4 其他社会-生态系统

森林[112]、农田[113]、湿地[114]、湖泊[115]、极地[116]等也是社会-生态系统研究的典型地域。围绕上述生态环境关键或敏感区域的研究工作共同揭示了信息流、新知识、社会治理决策过程、管理机构和生态文化理念对协调社会过程与生态过程、提升社会-生态系统韧性和适应性的重要作用。

5 总结与展望

社会-生态系统综合自然生态系统与人类社会可持续发展问题的研究视角,为理解复杂耦合的人地系统和化解人地矛盾提供了新途径。国际社会-生态系统研究起步较早,近年来聚焦于社会-生态系统脆弱性、韧性、适应性等综合特性研究,形成了以扰沌为关键理论、多种人地关系认知研究为方法论支撑的综合领域。我国地域广阔,自然生态系统类型丰富,地区社会发展水平各异,人地关系矛盾复杂多样。以我国社会-生态系统面临的实际问题为切入点,开展多维度的社会-生态系统研究,有助于丰富其理论与实践体系。

但目前社会系统与生态系统的联系与作用认识仍不完善,社会-生态系统构成要素、演化过程、风险评估与韧性提升等研究还不够深入。未来工作需围绕社会-生态系统的要素组成与时空边界确定,社会过程与生态过程互动的复杂机制建模解析,社会-生态系统综合风险与演变趋势研判及整合社会-生态系统适应性治理理念参与可持续发展决策等关键问题,重点关注社会环境与生态环境敏感地区社会系统过程与生态系统过程的关联。同时深入参与地域社会治理与生态环境保护的政策设计与管理活动,以加强对人地关系认知框架的整合,完善社会-生态系统的基础理论、方法理论和应用理论体系。此外,在相关科研管理工作中需借鉴国外经验,加强人地关系研究的顶层设计和组织性,设立综合项目、丰富资助途径,发挥人地关系研究对增进人类福祉的决策参考作用,提升和支撑我国在国际相关领域的学术话语权。