生态适应性科学

绪论 什么是生态适应性科学 从克服到适应 原著：石田 聖二 黒川 紘子 富松 裕 加藤 広海 山崎 誠和 河田 雅圭；译者：金秋｜ 自古以来，人类就从生态系统中获得了许多惠益。生态系统是指在一定空间范围内栖息的所有生物与其周围非生物环境相互作用而形成的动态系统。无论是森林或海洋，还是城市和山村，都与人类关系密切，都是各具特色的系统。在生态系统中，植物等初级生产者通过光合作用将无机物质转化为有机物质，动物和细菌等消耗、分解有机物质进而获得能量。伴随着生态系统中的这些过程，供人类食用的畜禽和农作物等得以孕育，作为建筑材料和木炭燃料的树木得以成长。不断长成的森林，通过蓄积降落到土壤中的雨水来调节水量，从而具有防洪的功能。树木吸收的一部分水分可通过蒸腾作用释放到大气中，引起雨水的再次降临。森林对大气中二氧化碳的吸收，也有助于气候的调节和控制。 2005年，联合国主持编制的《千年生态系统评估报告》将“人类从生态系统中获得的所有惠益”称为“生态系统服务”（ecosystem service）。随着生态系统负荷的增大和人类对其依赖性的增加，人们认识到生态系统的这种恩惠是有限的，并且将这种价值作为“服务”进行经济评估，从而试图将其纳入生态系统管理和保护政策、自然恢复的决策过程。生态系统服务包括食物、水、纺织品、燃料等的供给服务，气候、水质、疾病等的调节服务，宗教、美学、休闲、教育等相关的文化服务，以及初级生产力、营养盐循环、土壤形成等相关的可支撑其他服务的基础服务（MA 2005）。 我们通过对生物和生态系统施加各种改造，实现了社会的富足。例如，在农业和林业中，选用果仁饱满、成熟早等具有人类偏好特性的种子和品种。此外，我们已屡屡改变生态系统：为推进集约化生产而大规模开发农业用地，为灌溉和防洪而大量建造大坝，以及根除有害物种，等等。总之，现代社会到目前为止似乎已用“蛮力”克服了所有的问题。 另外，这种克服型技术，正在全球范围内引发各种各样的问题。虽然特定的作物和林木的种植提高了生产效率，但是单一品种的大面积种植，使其更容易受疾病、害虫和台风等干扰带来的灾害。因为开发了高效的渔业生产技术，自1950年以来，世界水产资源鱼类的捕获量增加了4倍以上，但是32%的天然水产资源被过度利用，其正逐渐枯竭（FAO 2010）。此外，海域富营养化，加之气候变暖和鱼类的无序捕捞，使浮游植物和海蜇大暴发，正成为引起海洋生态系统发生巨大变化的原因之一。药物的使用在一定程度上提高了传染病和虫害的防治效果，但对药物产生抗性的细菌和害虫也会随之出现。在铺装沥青和混凝土的城市地区，雨水无法渗透的区域扩大，增加了洪灾的风险。根据《千年生态系统评估报告》，在24个被调查的生态系统服务中，15个（62.5%）呈现出了退化或者无法被可持续利用的状态（MA 2005）。 克服型技术的成功，对石油等可耗竭资源的依赖程度很高。石油是有限的资源，总有一天会枯竭。虽然页岩气、焦油砂、液态甲烷等非常规燃料的埋藏量很大，但这些非常规资源开采的相关环境负荷和成本仍是未知数，所以前景不容乐观。作物生产中不可或缺的化学肥料的原料之一—磷矿石，已经被认为在不久的将来可能会枯竭（Cordell et al. 2009；Gilbert 2009）。如果化肥的生产依赖于磷矿石，那么今后长期的食品生产就无法维持在现有水平。 本书提出了一门新的学术领域—“生态适应性科学”（ecosystem adaptability science），即利用生物系统和生态系统原有的适应性（adaptability；概念扩展），解决克服型技术存在的上述问题，追求可持续发展的未来。生态系统是由生物个体与其他生物和环境之间复杂的相互作用进化而来的，并且是作为具有各种功能的复杂系统而得以维持的。突变产生新的基因、多样地重组基因创造变异的过程、不断变化的环境、适合度（fitness）高的个体被选择的自然选择过程、基因和个体随机交流交换的过程、物理约束等多种限制和筛选过程，使物种得以进化。这些过程通过极长时间的重复，在生物系统和生态系统内形成了各种各样的秩序。 生态系统被认为是所谓的“自组织”现象的产物，对于某种程度的环境变化也具有维持其功能的能力；或者说，它似乎变得具有“适应性”（Levin 1998）。换言之，生物系统和生态系统本来就具有可以很好地保持其功能的“构造”。适应性依赖于每个生物拥有的能力、物种和基因多样性、物种间相互作用网、空间构造复杂性和进化可能性等。生物系统和生态系统的哪些特性、在什么条件下有助于适应性，解析其中的机理，并将新技术（适应型技术）引入农田和城市等人工生态系统并帮助自然生态系统的管理，将是解决当前克服型技术所存在问题的方案之一。 统合了生物系统和生态系统适应能力的适应型技术共有三大优点。首先，降低环境变化和病虫害等难预测干扰所带来的风险。具备对预想干扰的适应性，就可能减轻其带来的影响。其次，预防性规避生态系统的不可逆变化。如果过度改变生态系统并超过其阈值，就会急速发生不可逆变化，有可能对生态系统服务造成巨大损害（Scheffer et al. 2009）。近年来，有人开始提出整个地球生态系统也可能存在相同的阈值（Barnosky et al. 2012）。在预防并控制全球生态系统发生不可逆变化的同时，受损的生态系统服务如何恢复也是今后重要的课题。*后，减小能源和矿物资源的消耗量和由此产生的环境负荷。过去的克服型技术不但消耗了大量的能源，也大量使用了磷矿石等矿物资源。考虑到今后能源价格上涨、资源枯竭，必须提高能源和资源的利用效率和再利用率。 实际引入这样的适应型技术时，必须建立能够引入这种技术的社会经济体系。为此，当前经济评价低的个别适应型技术所具有的经济效益，迫切需要通过费用效益分析来重新评估。这需要对将来获得的生态服务效益有恰当的评价方法。例如，如果只考虑森林的木材生产，单一种的人工林种植克服型技术，相较于采用多物种人工林种植和空间配置的适应型技术，短期的期望收益可能更高。但是，采用适应型技术可能会享受到木材生产以外的以及可持续稳定的生态系统服务。恰当地评价这样的生态系统服务的价值，是采用适应型技术的经济依据。如何将这些经济依据落实到政策决策机制和管理系统中去？如何评价执行效果？只有构筑起充分考虑到这些问题的社会体系，才能有助于更合理地普及适应型技术。 生态适应性科学包含：①揭示适应性机制的基础研究；②有助于各种产业和生态系统管理的适应型技术的开发；③面向适应型技术的社会经济体系的建立。需要将以上3个方面进行一体化推进，以实现社会的可持续发展。本书尝试沿此方向将生态适应性科学系统化，并将上述内容分成以下三个部分分别加以阐述。 **部分“生态适应性科学的基础”是应用自然科学的方法，从生态学的角度，阐释适应性机制的基础性研究。生态系统服务依赖于以物质的生产、分解、循环为代表的各种“生态系统功能”。在**章中，以生态学的两个研究领域—“生物多样性和生态系统功能”和“生态系统的韧性”为中心，阐述如何改善生态系统功能的“数量”和“速度”，以及如何稳定地维持它们。此外，介绍与生态系统对干扰的响应有关的基础研究，并提出一个适应性作用机制的框架。*后，讨论如何将这些发现应用于适应型技术。 第二部分“适应型技术的必要性”是应用科学技术的方法，从海洋资源（第二章）、农业生产（第三章）、森林资源（第四章）、防疫（第五章）、城市环境（第六章）的角度来阐释克服型技术存在的问题；以适应型技术的可能性和有效性为重点，讨论了解决这些问题的措施。阐述了采用适应型技术对抵御病虫害、森林火灾、气候变化等情况很有效，甚至可以降低社会成本。在第二部分中，尽管有些内容与适应性没有直接联系，但它们是对生态系统服务的可持续利用非常必要的技术和措施，因此也对其进行了详细介绍。随着适应型技术的发展，它将成为思考未来人类社会的重要视角。 第三部分“生态适应性科学与社会”是应用社会科学的方法，阐述为构建社会经济体系引入适应型技术所面临的挑战。与传统的克服型技术相比，适应型技术在短期内效率较低且成本效益也低，生态系统服务的受益者与成本的承担者不一定匹配。因此，为了普及适应型技术，必须以某种形式引入新的经济激励。在第七章中，以生态系统服务付费（PES）和公众的作用为重点，阐述实施适应型技术的社会制度。在第八章中，讨论实现适应型技术的社会系统所必需的对生态系统服务的经济评估，特别是许多生态系统服务并未在市场经济中体现其价值。阐述了生态系统服务的评价方法和与经济评价相关的不确定性的处理。*后，阐述了在规划实施适应型技术的社会制度时，有效利用人类潜在的特性。在第九章中，从行为经济学的角度，简单介绍了人类的行为特征。 总体上，本书可以从任何章节开始阅读，但有些章节需要一些专业知识。如有需要，阅读本书末尾的名词解释可有助于理解。生态适应性科学旨在将社会意识从克服转变为适应，这是一门为此提供科学依据，并试图将有助于可持续发展的新技术纳入社会决策中的学科。 概念扩展：生态系统的适应性与自然选择的适应进化 生态系统本身具有不受某种程度的干扰和环境变化的影响且不失去其功能的维持机制，本书将其定义为“适应性”。另外，在进化学和生物学中，“适应”（adaptation）意味着生物体的性质是通过自然选择进化而来的结果，这些性质提高了生物的生存和繁殖能力。 进化过程中个体的性状随不同世代发生变化，这种变化可以使个体的生存和繁殖更有效（适应性进化），也可能会更无效（非适应性进化）。虽然进化的方向不一定总是增强生物功能，但是自然选择会使生物个体的生存和繁殖得到适应性进化。自然选择过程通常是对同一种群内不同性状的个体产生作用，*终的筛选使得个体的性状产生进化。因此，对个体有利的性状会得到进化。换句话说，个体的“适应性”被认为是有利于个体存活和繁殖的进化。与此相对的，能够维持生态系统或物种的适应性状则不能通过自然选择过程而进化，即有关有利于维持生态系统或物种的进化过程还没有充分的理论支撑。 生态系统的适应性不是为维持生态系统功能而存在的，而是由构成生态系统的一个个生物进化而产生的一种特性。例如，在地球悠久历史中，生物多样性已经朝着越来越高的方向进化。然而，丰富的生物多样性并非意味着自然选择的结果会使系统向着有利的方向进化，而是作为各物种进化的产物伴随而来的多样性增加。此外，生态系统具备维持其自身各种功能的机制也归因于多样性。因此，不要将本书所定义的“适应性”与生物学、进化学中“适应”相混淆。 “适应”一词也用于对气候变化的“适应策略”（adaptation strategy），但此处的“适应”不同于生物学、进化学中的“适应”本意。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）定义的“适应策略”是指“通过调整自然或社会经济系统，将气候变化引起的各种风险降至*低”的措施；而通过削减和吸收导致气候变化的温室气体的排放，则采用“减缓策略”（mitigation strategy）一词。 参考文献