全 文 ：什 么 是 可 持 续 性 科 学?
邬建国1,2,3**摇 郭晓川1摇 杨摇 劼1摇 钱贵霞1摇 牛建明1摇 梁存柱1摇 张摇 庆1摇 李摇 昂4
( 1内蒙古大学中美生态、能源及可持续性科学研究中心, 呼和浩特 010021; 2北京师范大学人与环境系统可持续性研究中心,
北京 100875; 3美国亚利桑那州立大学生命科学院和全球可持续性研究所, 坦佩, 亚利桑那州 85287, 美国; 4中国科学院植
物研究所, 北京 100093)
摘摇 要摇 可持续发展是我们时代的主题,也是人类面临的最大挑战.自 20 世纪 70 年代,尤其
是近 20 年来,可持续发展的概念日益频繁地出现在学术文章、政府文件以及公益宣传和商业
广告之中.然而,为可持续发展提供理论基础和实践指导的科学———可持续性科学———是在
21 世纪初才开始形成的.该科学在短短的十几年中迅速开拓、不断发展,正在形成其科学概念
框架和研究体系.中国是世界大国,是可持续性科学的哲学思想———“天人合一冶———的故乡,
有必要承担起时代之重任,在追求“中国梦冶的同时促进全球可持续发展,并积极参与进而引
领可持续性科学的研究和实践.为了帮助实现这一宏伟而远大目标,本文拟对可持续性科学
的基本概念、研究论题和发展前景作一概述. 可持续性科学是研究人与环境之间动态关
系———特别是耦合系统的脆弱性、抗扰性、弹性和稳定性———的整合型科学.它穿越自然科学
和人文与社会科学,以环境、经济和社会的相互关系为核心,将基础性研究和应用研究融为一
体.可持续发展的核心内容往往因时、因地、 因人而异. 因此,可持续性科学必须注重多尺度
研究,同时应特别关注 50 到 100 年的时间尺度和景观以及区域的空间尺度. 景观和区域不但
是最可操作的空间尺度,同时也是上通全球、下达局地的枢纽尺度.可持续性科学需要聚焦于
生态系统服务和人类福祉的相互关系,进而探讨生物多样性和生态系统过程,以及气候变化、
土地利用变化和其他社会经济驱动过程对这一关系的影响.我们认为,景观和可持续性是可
持续性科学的核心研究内容,也将是可持续性科学在以后几十年的研究热点.
关键词摇 可持续性科学 可持续发展 人与环境耦合系统 生态系统服务 人类福祉 景观 区域
*通讯作者. E鄄mail: Jingle. Wu@ asu. edu
2013鄄10鄄08 收稿,2013鄄10鄄22 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)01-0001-11摇 中图分类号摇 F061. 3摇 文献标识码摇 A
What is sustainability science? WU Jian鄄guo1,2,3, GUO Xiao鄄chuan1, YANG Jie1, QIAN Gui鄄
xia1, NIU Jian鄄ming1, LIANG Cun鄄zhu1, ZHANG Qing1, LI Ang4 ( 1Sino鄄US Center for Conserva鄄
tion, Energy, and Sustainability Science (SUCCESS), Inner Mongolia University, Hohhot 010021,
China; 2Center for Human鄄Environment System Sustainability (CHESS), Beijing Normal University,
Beijing 100875, China; 3School of Life Sciences and Global Institute of Sustainability, Arizona State
University, Tempe, AZ 85287, USA; 4 Institude of Botany, Chinese Academic of Sciences, Beijing
100093, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(1): 1-11.
Abstract: Sustainability is the theme of our time and also the grandest challenge to humanity. Since
the 1970s, the term, sustainable development, has frequently appeared in the scientific literature,
governmental documents, media promotions for public goods, and commercial advertisements. How鄄
ever, the science that provides the theoretical foundation and practical guidance for sustainable de鄄
velopment-sustainability science-only began to emerge in the beginning of the 21 st century. Never鄄
theless, the field has rapidly developed in depth and expanded in scope during the past decade,
with its core concepts and research methods coalescing. China, as the most populous country in the
world and home to the philosophical root of sustainability science-the unity of man and nature, is
obligated to take upon the challenge of our time, to facilitate global sustainability while pursuing the
Chinese Dream, and to play a leading role in the development of sustainability science. Toward this
grandiose goal, this paper presents the first Chinese introduction to sustainability science, which
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 1 月摇 第 25 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2014, 25(1): 1-11
discusses its basic concepts, research questions, and future directions. Sustainability science is the
study of the dynamic relationship between humans and the environment, particularly focusing on the
vulnerability, robustness, resilience, and stability of the coupled human鄄environment system. It is
a transdisciplinary science that integrates natural sciences with humanities and social sciences. It
hinges on the environment鄄economy鄄society nexus, and merges basic and applied research. The key
components of sustainability often change with time, place, and culture, and thus sustainability sci鄄
ence needs to emphasize multi鄄scale studies in space and time, with emphasis on landscapes and re鄄
gions over a horizon of 50 to 100 years. It needs to focus on the relationship between ecosystem
services and human well鄄being, as influenced by biodiversity and ecosystem processes as well as cli鄄
mate change, land use change, and other socioeconomic drivers. Landscape sustainability is at the
core of sustainability science, and is expected to be a hot research topic in the next few decades.
Key words: sustainability science; sustainable development; coupled human鄄environment systems
(CHES); ecosystem services; human well鄄being; landscape; region.
摇 摇 自 18 世纪下半叶的工业革命以来,世界人口已
经从不足 10 亿增加到 71 亿之多.毫无疑问,工业革
命以来的科学、技术革命大大地推动了社会和经济
的发展,使人类物质生活的整体水平得以大大提高;
但一系列的重大环境问题亦相伴而来. 人类驯化植
物而发展了农业;驯养动物而发展了牧业;聚居贸
易,劳动分工进而创造了城市;随之而来的是经济规
模化、工业化和现代化. 今天,人类之能事可谓拔山
填海,堵江截流,呼风唤雨,改天换地.人类不只是驯
化个别种群或物种,而是在驯化整个生态系统,整个
景观,乃至整个生物圈[1-4] . 自然已不再“自然冶,其
“均衡冶早已被打破[5] .有多少昔日的桃花源和阿尔
卡笛亚(Arcadia)已是天不蓝、水不澈、风不清、雨不
顺? 地球系统已经千疮百孔,表破内损,包括全球气
候变化、生物多样性锐减、自然资源耗竭以及环境质
量下降在内的诸多环境问题正在挑战着人类社会的
可持续性.因此,如何在满足人类发展需求的同时,
持续地保障地球生命支持系统的基本结构和功能,
即“可持续发展冶 [6-10],已成为学术界和社会各界广
泛关注的重大科学和决策问题[11-13] .
可持续发展的理念可追溯到中国古典哲学之核
心思想 ——— “天人合一冶 [1] . 20 世纪 70 年代,当人
口、资源、生态和环境问题日趋严重、广为人知之时,
可持续发展概念才开始盛行[14-16] .然而,从 1987 年
联合国世界环境与发展委员会正式定义什么是可持
续发展,到 1992 年联合国在巴西里约热内卢举行的
首届可持续发展地球峰会 ( Earth Summit),再到
2002 年在南非约翰内斯堡召开的第二届地球峰会,
以及 2012 年重返巴西里约热内卢的第三届可持续
发展地球峰会,显然可见 20 多年来联合国和世界各
国政府对可持续发展的高度重视. 作为可持续发展
的科学依据和运作指南,可持续性科学(sustainabili鄄
ty science)也在 21 世纪初应运而生.
何谓可持续性科学? 虽然确切而公认的答案尚
且难寻,但可以肯定的是,该科学在短短的十几年中
迅速发展,广泛拓展,其科学概念框架和研究体系正
在形成.作为泱泱大国的中国,为了追“中国梦冶,实
现生态文明,就必须在可持续性科学方面有长足发
展,继续为世界可持续发展做出重大贡献. 然而,目
前国内学界对该领域的研究和介绍甚少.为此,本文
拟对可持续性科学的基本概念和研究论题作一较为
系统的介绍,并对可持续性评估方法和可持续性科
学的发展前景加以讨论.
1摇 可持续发展和可持续性
1郾 1摇 可持续发展的概念
中文的“可持续发展冶是直接从英文的 sustain鄄
able development 翻译而来. 根据《在线词源词典》
(http: / / www. etymonline. com / ),英文“ sustainable冶
一词出现在 17 世纪早期,当时该词的含义是“bear鄄
able冶(可忍受的 )或“defensible冶 (可辩护的或可防
御的). 直到 1965 年,“sustainable冶一词才开始具有
我们现在所熟悉的含义:“capable of being continued
at a certain level冶(在一定水平上持续的能力) . 作
为名词的“ sustainability冶 ( 可持续性)最早出现于
1907 年,当时主要是法庭用语(譬如,法庭上一方律
师对另一方律师在陈述时提出反对或抗议的“有效
性冶,即能否得到法官确认).作为一个意指环境、经
济和社会 3 个方面持续发展的能力和趋势的术语,
“可持续性冶一词在 1972 年最早出现在英国,1974
年出现在美国,此后在 1978 年出现在联合国文件
中[17] .今天,与“可持续冶有关的这些术语已成为学
2 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
术界、政策领域及各种媒体的流行语. 在英文文献
中,“可持续发展冶和“可持续性冶经常作为同义语
使用.
可持续发展的定义有一百多个,但最被广泛接
受的无疑是 1987 年世界环境与发展委员会(World
Commission on Environment and Development,
WCED)的定义[16] . 在题为《我们共同的未来》(Our
Common Future)的报告中,WCED 首次正式地将可
持续发展定义为“满足当代人类的需求而不损害子
孙后代满足他们自己需求的能力冶;可持续发展同
时也是“一个资源利用、投资取向、技术发展以及政
策变化都协调一致,不断促进满足人类现在和将来
需求之潜力的变化过程冶 [18] . WCED报告进而指出,
满足人类基本需要是最重要的;经济发展和资源平
等共享是必需的;利益相关者的有效参与能够促进
平等;发展是有限度的,须考虑环境的承载力;科技
水平、环境资源特征、管理体制以及社会经济现状均
会影响某个地区乃至全球的可持续性.
1999 年,美国国家研究理事会 ( National Re鄄
search Council,NRC)发表了题为《我们共同的旅途:
向可持续性过渡》 (Our Common Journey: A Transi鄄
tion Toward Sustainability)的报告,讨论了有关可持
续发展的各种观点,以及发展和持续两者之间的相
互关系[19] . NRC报告依循 WCED 报告的理念,指出
可持续发展旨在“实现社会发展目标和环境极限的
长期协调冶 16] . 2002 年可持续发展地球峰会发布的
《约翰内斯堡可持续发展宣言 》 (Johannesburg De鄄
claration on Sustainable Development; http: / / www.
unescap. org / esd / environment / rio20 / pages / Download /
johannesburgdeclaration. pdf)进一步阐述了可持续发
展的“三支柱冶 ( three pillars)或“三重底线冶 ( triple
bottom line)概念,即可持续发展要同时考虑环境保
护、经济发展和社会平等 3 个方面(图 1).
协调环境、经济和社会之间的相互联系是可持
续发展的焦点和难点,而理解三者之间关系往往涉
及到“强可持续性冶(strong sustainability)和“弱可持
续性冶(weak sustainability)的观点.这两种观点的主
要区别在于如何看待人造资本 ( human鄄made 或
manufactured capital)和自然资本(natural capital)之
间的“可替代性冶(substitutability)(图 2).具体地讲,
强可持续性观点认为,人造资本(如机器、工具、建
筑和基础设施)和自然资本(指自然资源和生态系
统)是互补关系,环境的可持续性必须得以保障,以
损害环境为代价的经济发展是不可持续的;弱可持
续性观点则认为,人造资本和自然资本之间是互为
替代关系,故此,只要总的资本量不减,一个环境恶
化但经济发达的地区也是“可持续的冶 [20] . 显然,从
长远的角度来看,弱可持续性实际上是不可持续的.
而强可持续性也并非主张极端的“环境保护主义冶,
它只是强调环境可持续性的重要性和必要性. 若没
有环境的可持续,实现长期的经济和社会的可持续
是不可能的[1,16,20-21] . 极端的强可持续性观点认为
应该杜绝对生态系统的开发和利用,这显然是不切
实际的,因此在文献中称之为“荒唐的强可持续性冶
(absurdly strong sustainability) [1,16,20-21] .显然,强、弱
图 1摇 可持续发展的“三支柱冶或“三重底线冶(环境、经济和
社会)概念
Fig. 1摇 The three鄄pillar or triple bottom line concept of sustain鄄
ability (environment, economy and society) .
图 2摇 “强可持续性冶(A)和“弱可持续性冶(B)观点的比较
Fig. 2摇 Comparison between strong sustainability (A) and weak
sustainability (B) perspectives.
两者的关键不同在于三支柱之间的“可取代性冶及其极限或阈值 The
main differences hinge on substitutability among the three pillars and its
limits or thresholds.
31 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邬建国等: 什么是可持续性科学? 摇 摇 摇 摇 摇
可持续性观点对于如何理解和评估可持续发展有着
重要影响.
1郾 2摇 人类福祉和生态系统服务
可持续发展的最终目的是提高人类福祉( hu鄄
man well鄄being),即满足当代人和后代人的物质和
精神需求.人类需求会因社会经济状况、文化传统、
生活方式等诸多因素而变化.那么,可持续发展应该
如何考虑人类需求和人类福祉呢? 美国社会心理学
家亚伯拉罕·马斯洛(Abraham Maslow)的人类需求
层次理论(hierarchy of human needs)将人类需求划
分为 6 个层次:生理需求 ( physiology)、安全需求
(safety and security)、社交需求 ( love and belong鄄
ing)、尊重需求( esteem)、自我实现 ( self鄄actualiza鄄
tion)和超越自我( self鄄transcendence) [22-23] . 马斯洛
理论虽然多年来颇有争议,但影响甚广[16] . 马斯洛
的层次理论聚焦于个人需求,但可持续性科学须考
虑的人类福祉应注重于群体或大众利益. 千年生态
系统评估(Millennium Ecosystem Assessment, MEA)
将人类需求综合为 5 个方面:基本生活材料、自由、
健康、良好社会关系以及安全保障 [24] .这一观点已
经广为采纳,并且得以进一步发展和完善[16] .
满足人类需求必然依赖于生态系统服务,即
“人类从生态系统中所获得的利益冶 [24] .尽管有多种
生态系统服务分类方法,目前最为广泛应用的是千
年生态系统评估中的划分方案———即生态系统服务
包括 4 类:支撑服务(指生态系统过程和功能,如土
壤形成、生产力和养分循环等)、供给服务(如食物、
淡水、纤维等)、调节服务(如空气和水的净化、气候
调节、疾病和自然灾害的控制等)和文化服务(如游
憩、精神滋养、以及其他非物质性利益). 生态系统
服务依赖于生物多样性和生态系统过程和功能,同
时受社会、经济和政策等多方面因素的影响,被普遍
认为是连接自然资本与人类福祉的重要桥梁[25](图
3).因此,生态系统服务为可持续发展研究提供了
一个可操作的概念框架,并已经成为该领域的一个
核心论题.
2摇 可持续性科学的概念
“可持续性科学冶一词是美国国家研究理事会
在 1999年题为《我们共同的旅途:向可持续性过
图 3摇 生态系统结构和功能(自然资本)、生态系统服务和人类需求之间的关系———以土壤生态系统为例
Fig. 3摇 Relationship among ecosystem structure and function (natural capital), ecosystem services, and human well鄄being: Using soil
ecosystem as an example.
根据 Dominati等[43]修改重绘 Redrawn with modifications based on Dominati, et al[43] .
4 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
渡》的报告中首次提出的[19] . 2001 年,Kates 等[6]在
《科学》杂志中撰文,第一次系统地介绍了这一新兴
的整合型科学,由此可持续性科学正式问世. 《美国
国家科学院院刊》(Proceedings of the National Acad鄄
emy of Sciences of the United States of America,
PNAS)分别在 2003 和 2007 年出版了两期有关可持
续性科学的专辑[26-27],为推动该领域的迅速发展起
到了积极作用. Kates 等[6]在 2001 年将可持续性科
学定义为,在局地、区域和全球尺度上研究自然和社
会之间动态关系的科学,是为可持续发展提供理论
基础和技术手段的横向科学[7,12,16,28] . 可持续性科
学整合自然科学和人文与社会科学,以环境、经济和
社会的相互关系为核心,将基础性研究和应用研究
融为一体.非线性动力学(nonlinear dynamics)、自组
织复杂性( self鄄organizing complexity)、脆弱性( vul鄄
nerability)、弹性 ( resilience)、惯性 ( inertia)、阈值
(threshold)、适应性管理(adaptive management)和社
会学习(social learning)是可持续性科学中的重要概
念[6-7,16] .同时,可持续性科学强调对现有科学技术
的创造性利用以及发展新型可持续性技术的重要
性.综上所述,可持续性科学是研究人与环境之间动
态关系,特别是耦合系统的脆弱性、抗扰性、弹性和
稳定性的整合型科学.
Wu[1,4,7-8,16]在一系列文章中进一步阐述了可
持续性科学的一些特点.他认为,可持续性科学是具
有 3 个主要特征的全新的跨学科范式.首先,可持续
性科学是一个多维度的、穿越传统的自然科学和社
会科学界线的、集理论和实践为一体的科学. 其次,
可持续性科学中的可持续性具有时、空以及组织结
构上的多尺度和等级特征,因此自上而下 ( top
down)或自下而上( bottom up)的研究策略非但重
要,而且是必须的. 第三,可持续性科学强调地区特
点和解决实际问题,其研究对象应该“具有特殊社
会、文化、生态和经济特征冶 [28],因此,景观和区域应
该是可持续性科学研究和实践的关键尺度,或基本
空间单元[1,7,16] .
作为一个新的研究领域和范式,可持续性科学
是时髦一时、过眼云烟? 还是地位确立、日益蓬勃?
针对这个问题,Bettencourt和 Kaur[11]分析了 1974—
2010 年间发表的有关可持续发展的英文文章,发现
可持续性科学具有 4 个不同于传统科学的发展特
点.第一,自从 1987 年世界环境与发展委员会正式
定义“可持续发展冶之后,相关文章呈现爆发式增长
(平均8 . 3年增长1倍,图4) ;第二,从发表文章数
图 4摇 可持续发展研究历程中的重要事件和可持续性科学
的形成
Fig. 4摇 Historic events in sustainable development research and
the emergence of sustainability science.
根据 Bettencourt 和 Kaur[11]修改重绘 Redrawn with modifications from
Bettencourt and Kaur[11] .
量和引用频次来看,参与研究可持续性的国家数量
众多,不仅包括传统的科学强国(如美国、西欧和日
本等发达国家),同时也包括大量的发展中国家(如
中国、巴西、印度、 南非、土耳其等);第三,传统科学
的发展往往局限于较窄的专业领域,而可持续性科
学涉及的领域甚广,其中社会学、生物学以及工程学
是对其发展作出重大贡献的 3 个领域;第四,共同作
者数量多,体现了比传统科学研究远为广泛的作者
间的合作(图 4). Kates[12]对 Bettencourt 和 Kaur[11]
的工作给予了肯定,认为“他们作为可持续性科学
领域的局外人,利用自身的专业技术,深刻揭示了可
持续性科学与传统科学的区别冶.
然而,尽管我们可以概略地把可持续性科学说
成是“研究可持续发展的科学冶,凡是有关可持续发
展的研究并非一定是可持续性科学的内容. 关于可
持续发展的研究至少已有 40 年的历史,其间有大量
的论文以及政府和其他非学术组织的报告发表.
2000 年以前发表的大多数有关可持续发展的文献
缺乏统一的概念框架,缺乏系统性和严谨性,缺乏科
学规范.因此,这一时期的许多可持续发展的研究被
视为社会科学或与政府决策有关的实用研究,并未
受到自然科学家的广泛重视.而在自然科学中,与可
持续发展研究关系最为密切的包括生态学和环境科
学.但这两个学科中的所谓可持续发展研究,长期以
来只重视生态或环境可持续性,对社会和经济可持
续性考虑甚少.而所谓生态或环境可持续性长期以
51 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邬建国等: 什么是可持续性科学? 摇 摇 摇 摇 摇
来聚焦于生物多样性保护和生态系统稳定性. 我们
在这一节开首已谈到,直到 21 世纪初可持续性科学
才正式问世,但在短短的十几年来已经引起了自然
科学、社会科学、人文学科各领域的广泛关注,其科
学框架和理论与方法体系正在形成之中.
3摇 可持续性科学的主要研究论题
如前所述,可持续性科学的研究领域非常之广,
涉及到的学科亦极为庞杂. 但是,作为一门科学,无
论交叉学科还是横向学科,都须有其主导性的研究
核心问题.这里,我们根据近年来该领域的一系列重
要文献,归纳并讨论一下可持续性科学的主要研究
论题.
在 2001 年发表的可持续性科学的奠基之作中,
Kates 等[6]提出了该领域的 7 个核心论题:
1)如何把自然和社会之间的动态关系———包
括滞后和惯性———更好地整合到正在兴起的地球系
统鄄人类发展鄄可持续性的耦合模式和概念框架之
中?
2)环境和发展的长期变化趋势———包括消费
和人口———如何改变自然和社会之间的相互作用,
进而影响可持续性?
3)在不同区域,对于不同的生态系统和人类生
计类型,什么在决定自然鄄社会耦合系统的脆弱性
(vulnerability)和弹性(resilience)?
4)如何科学而有效地定义能够预警自然鄄社会
系统严重退化的极限条件和边界域值?
5)什么样的激励结构系统(systems of incentive
structures)———包括市场、政策、规范和科学信
息———方能最有效地促进将自然和社会相互作用导
入可持续轨道的社会能力(social capacity)?
6)如何将现有的关于环境和社会条件的监测
和呈报系统加以整合和扩展,从而为向可持续性过
渡提供更有效的指导?
7)如何将如今相对独立的研究规划、监测、评
估和决策支撑诸项活动更好地整合于适应性管理和
社会学习(social learning)的系统之中?
2010 年,Levin 和 Clark[29]在 Kates 等[6]的 7 个
“核心冶问题的基础上,提出了可持续性科学中的 6
个“基本冶问题:
1)人类福祉和自然环境之间的主要得失权衡
(tradeoffs)是什么,而这些得失权衡又是如何受人类
利用自然的方式所影响?
2)什么在决定人与环境耦合系统的适应性,更
广义地讲,该系统在外部干扰和内部变化情况下的
脆弱性、抗扰性(或鲁棒性,robustness )和弹性?
3)什么在决定人与环境之间相互作用的长期
趋势和演变过程?
4)如何构建能更好解释人与环境相互作用在
种类和变化趋势方面之差异的理论和模型?
5)如何才能使社会最有效地引导和管理人与
环境系统,从而使其向可持续性过渡?
6)如何有效而严谨地评估人与环境相互作用
不同轨迹的“可持续性冶?
2011 年,Kates[12]又根据 Levin 和 Clark[29]的论
述对 2001 年提出的 7 个核心论题做了修改,具体内
容如下:
1)什么在决定人与环境耦合系统的长期趋势
和演变过程,从而主导本世纪的主要变化方向?
2)什么在决定人与环境系统的适应性、脆弱性
及弹性?
3)如何构建能够更好解释人与环境相互作用
之差异的理论和模型?
4)人类福祉与自然环境之间的主要得失权衡
是什么?
5)如何科学而有效地定义能够为人与环境系
统预警的极限条件?
6)如何才能使社会最有效地引导和管理人与
环境系统,从而使其向可持续性过渡?
7)如何评估环境和发展的不同途径的“可持续
性冶?
比较一下以上的 3 个版本不难看出,Levin 和
Clark[29]所提出的 6 个基本问题与 Kates 等[6]提出
的 7 个论题其实相似,但不尽相同. 首先,Levin 和
Clark[29]的第 2、3、4、5 和 6 基本问题分别对应于
Kates 等[6]的第 3、2、1、5+6 和 7 核心论题,但两者
间有一重要区别;那就是前者增加了人类福祉与自
然环境之间的主要得失权衡一项.确实,人与环境之
间、生态系统服务和人类福祉之间、以及不同生态系
统服务之间的得失权衡是近些年来生态学、环境科
学和可持续性科学研究的一大热点. 第二,Levin 和
Clark[29]用人与环境(耦合)系统取代了自然鄄社会
(耦合)系统.当今世界,没有人为干扰的“自然冶实
在罕见; 即使在生态学中,何为自然争议颇多,从未
有定论.因此,在探讨可持续性科学问题时,人与环境
系统比自然鄄社会系统更适当.第三,Levin与 Clark[29]
似乎将“预警冶极限和边界阈值一条有意删除.当然,
在研究人与环境系统的脆弱性、抗扰性和弹性时,不
6 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
可避免地要涉及到极限和边界阈值的概念.
Kates[12]在 2011 年修改后的 7 个核心论题,是
对 Kates 等[6] 2001 版的 7 个论题和 Levin 和
Clark[29]2010 年提出的 6 个基本问题的整合. 除了
在排列顺序和措辞上有所不同,Kates[12](2011)的 7
个核心论题中的 6 个(1、2、3、4、6、7)和 Levin 和
Clark[29]所提的 6 个基本问题基本等同. 显然,人与
环境系统取代了自然鄄社会系统. 更重要的是,
Kates[12]增加了人类福祉与自然环境之间的主要得
失权衡,而将其 2001 年版中激励结构系统和监测和
呈报系统加以合并,统称为引导和管理人与环境系
统,从而使其向可持续性过渡的社会能力. 此外,他
仍然将确定系统预警的极限和阈值作为一个核心论
题单独列出.综上所述,Kates[12]在 2011 年的修改版
是对目前可持续性科学主要研究论题最完整和最权
威的概括.
4摇 可持续性定量评估方法
如何定量地评估“可持续性冶显然是可持续性
科学研究中的一个重要环节[13,30-31] . 可持续性定量
评估方法的研究和应用在可持续性科学正式出现之
前就已经开始. 1992 年在巴西里约热内卢召开的第
一届地球峰会上通过了《21 世纪议程》(Agenda 21;
http: / / sustainabledevelopment. un. org / content / docu鄄
ments / Agenda21. pdf),呼吁构建可持续发展评估方
法.随后,一系列的国际组织、政府部门和学术团体
及许多科学家一直在积极推进可持续发展评估的研
究和应用,涌现出多种评估方法和分类标准,已经发
表的文献可谓海量. 泛阅取优,Ness 等[31]依据 3 个
标准———时间特征(回溯 /历史性的或前瞻 /预测性
的)、研究焦点(如针对产品的、政策的或某一区域
的)和整合程度(即是否同时考虑自然、社会和经济
3 个方面)———将可持续发展评估方法大致分为 3
类:指标(indicator)和指数(index)、基于产品的评估
方法( product鄄related assessment methods)和往往涉
及到动态模型的综合性评估方法( integrated assess鄄
ment methods)(图 5).其中,可持续性指标和指数以
及可持续性动态模型尤为重要. 前者在数学上较为
简单,已经广为使用;后者可以模拟系统过程和功
能,有助于理解、预测和调控人与环境耦合系统的行
为.由于篇幅有限,我们在这里只作一概述.
4郾 1摇 可持续发展指数和指标体系
可持续性指标框架是基于可持续发展原理,指
导指标选择、发展和整合的概念构架[13] . 常见的可
持续性指标框架包括:1)压力鄄状态鄄响应框架(pres鄄
sure鄄state鄄response framework,PSR)、基于主题的框
架(theme鄄based framework)、基于资本的框架( cap鄄
ital鄄based framework)、综合核算框架( integrated ac鄄
counting framework)以及包容性财富框架( inclusive
wealth framework) [13,32-34] .
比较广泛应用的综合性可持续性指标包括:生
态足迹(ecological footprint,EF)、绿色 GDP、人类发
展指数(human development index,HDI)、幸福星球
指数(happy planet index,HPI)、真实进步指标(gen鄄
uine progress indicator,GPI)、可持续经济福利指数
(index of sustainable economic welfare,ISEW;与 GPI
基本相同)、环境绩效指数( environmental perform鄄
ance index,EPI;其前身为环境可持续指数,environ鄄
mental sustainability index,ESI)以及包容性财富指
数(inclusive wealth index,IWI). 这些指数在这里只
是简单提及,大量文献对其有详尽描述[13] . 这些综
合指数往往包含代表环境、经济和社会诸方面的多
个指标,经过加权和聚合最终获得一个衡量可持续
性的总值.然而,在应用可持续性指标体系时,则不
需要将所有指标聚合成一个指数. 采用多个指标分
别度量可持续性的各个维度和具体方面有时更为必
要,更容易理解.影响较为广泛的可持续发展指标体
系包括联合国千年发展目标指标体系(Millennium
Development Goals Indicators; http: / / mdgs. un. org /
unsd / mdg / Default. aspx)和联合国可持续发展委员
会指标体系(United Nations Commission on Sustain鄄
able Development Indicators) [34] .
值得一提的是,我国在可持续发展指标体系的
发展和应用方面做了大量工作[15,35-37] . 譬如,中国
科学院可持续发展战略研究组设计了一套“五级叠
加,逐层收敛,规范权重,统一排序冶的可持续发展
指标体系[37] .该指标体系分为总体层、系统层、状态
层、变量层和要素层 5 个等级.总体层表达可持续发
展的综合能力;系统层包括具有内部逻辑关系的 5
大支持系统:生存支持系统、发展支持系统、环境支
持系统、社会支持系统和智力支持系统;状态层从不
同角度表现某一系统的静态或动态特征;变量层采
用多个指标反映状态的行为、关系、变化及其原因;
要素层采用可测的、可比的、可获得的指标及指标群
对变量层的数量表现、强度表现、速率表现给予直接
的度量[37] .该指标体系考虑了可持续发展的时空耦
合以及各要素间相互作用,体现了发展度、协调度、
持续度三者的统一[38] .
71 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邬建国等: 什么是可持续性科学? 摇 摇 摇 摇 摇
图 5摇 可持续发展评估方法分类
Fig. 5摇 Classification of sustainability assessment tools.
根据 Ness等[31]重绘.粗线框表示同时涵盖 2 或 3 个可持续性支柱的方法 Slightly modified from Ness et al[31] . Boxes with thick lines represented
methods that simultaneously consider 2 or 3 sustainability pillars.
4郾 2摇 可持续发展动态模型
可持续性指标和指数是基于数据的,对系统状
态在某一时刻或时间段的量化. 虽然在采用时间序
列数据时,指标或指数亦可用来刻画系统状态随时
间的变化,但并不直接涉及系统的过程和机制,因此
缺乏解释和预测能力. 为了对环境鄄经济鄄社会耦合
系统有深刻的认识和理解,并对将来可能发生的情
况进行分析、模拟和预测,可持续发展动态模型是必
不可少的.
理想的可持续发展动态模型应该同时考虑环
境、社会和经济过程及其相互关系,将这些关系定量
化,进而通过模拟试验或情景分析来探讨不同的管
理、规划和决策方案如何影响人与环境系统的可持
续性,包括系统脆弱性、弹性、抗扰性和稳定性.因为
简单的数学解析模型(analytical models)往往不足于
描述复杂的人与环境耦合系统的结构和过程,可持
续性模型大多是计算机模拟模型.例如,GAPSIM 是
为研究土耳其安纳托利亚地区综合发展所导致的长
期环境问题而设计的系统动力学模拟模型[39] .
PALM是模拟自给型农村社区碳、水和氮的循环以
8 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
及经济、劳动力和决策等因素相互作用的智能体模
型(agent鄄based model) [40] . SUNtool是用于城市社区
可持续发展规划设计的模拟模型,已应用于捷克、芬
兰、法国、希腊、瑞士和英国的一些城市社区的可持
续发展规划研究[41] . Threshold 21 是突出政策分析
的国家尺度可持续发展的系统动力学模型[42] .它涉
及整个国家可持续发展的经济、社会和环境诸方面,
已应用于包括发达国家和发展中国家在内的 20 多
个国家. SCENE是具有 4 个等级层次的可持续发展
概念模型框架,可用于指导建立可持续性指标体系
和发展环境鄄经济鄄社会耦合动态模型[43-44] .
在过去的 20 多年来,可持续发展指标体系和动
态模型方法均有长足发展.虽然问题尚多,但可持续
性科学的进一步发展必然要更加依赖于这些定量研
究手段.就目前研究现状而言,除了要解决许多技术
问题之外,未来研究需要将可持续发展指标体系和
动态模型与可持续性科学的核心问题紧密结合在一
起.只有这样,可持续性评估方法的发展和可持续性
科学核心问题的深入探究才能相得益彰.此外,基于
地域的可持续性案例研究永远是必要的,也是极为
重要的,但寻求普遍规律是任何科学必须具有的
特征.
5摇 讨论和结论
生态学家常言,生态学是人类生存的科学. 其
实,当之无愧的人类生存之科学应该是可持续性科
学. Kates等[45]指出,可持续发展必须要回答 3 个基
本问题:持续什么?发展什么?持续多久?在具体的
可持续性研究中,还有两个基本问题应该明确地回
答[1,16]:持续和发展两者间关系是什么? 空间尺度
是什么? 生物多样性、生态系统过程和生态系统服
务是需要持续的;经济、社会和人类福祉是需要发展
的;持续的时间尺度不是无限或永远;环境和发展非
但相互制约,亦可相辅相成;可持续性研究在空间上
应该是多尺度的,但景观和区域可能往往是最可操
作的.
具体地说,可持续发展的许多重要内容会因时、
因地、因人而异.地球非永恒,宇宙非永恒,可持续性
也不该是永远.那么,在研究可持续发展问题时,什
么时间尺度为宜? NRC 报告[19]建议的是两代人的
时间(约 50 年);Kates[12]认为应该是一个世纪. 人
和环境系统是由多尺度格局和过程组成的复杂系
统,其可持续性研究的时间尺度也应该是在多个时
间尺度上进行[1,5,46] . 然而,对于大多数可持续性研
究而言,几十年到一百年的时间尺度较为合理.时间
太短难以称为“长期冶,但若时间太长,环境变化、科
学技术进步、政策变化以及人类生活方式的改变会
对研究带来极大的不确定性[16] .这样的科学研究恐
怕无异于“科学幻想冶.
勿容置疑,实现全球可持续发展是人类之最终
目标,可持续性科学必须注重多尺度研究. 同时,我
们认为应该明确,景观和区域是可持续发展研究和
实践的基本空间单元[1,7,16] . 景观和区域大于单个
局地生态系统,但远小于包含多个环境鄄经济鄄社会
复合体系的大陆或全球,因此是研究可持续性过程
和机理方面最可操作的空间尺度. 景观和区域不但
是可持续性研究的基本空间单元,而且也是上通全
球、下达局地的一个重要枢纽尺度[1,7,16] .既然如此,
景观可持续性的研究在可持续性科学的发展中应具
重要地位. Wu[16]将景观可持续性定义为“特定景观
所具有的、能够长期而稳定地提供生态系统服务、从
而维护和改善本区域人类福祉的综合能力冶. 在此
基础上,Wu[16]进而定义了景观可持续性科学( land鄄
scape sustainability science):“景观可持续性科学是
聚焦于景观和区域尺度的,通过空间显示方法来研
究景观格局、生态系统服务和人类福祉之间相互关
系的科学冶(图 6).为了理解这种动态关系,生物多
样性和生态系统过程,以及气候变化、土地利用变化
和其他社会经济驱动过程对生态系统服务和人类福
祉的影响,也必须加以考虑(图 6).
摇 摇 景观可持续性科学研究的最终目的是,寻求在
具有不确定性的内部动态和外部干扰的情况下,能
够促进生态系统服务和人类福祉长期维系和改善的
景观与区域空间格局(图 6).这些“最优冶或“较优冶
的格局必然是动态的,与时俱变的. 在某一具体区
域,不同类型的景观(如自然景观、半自然景观、农
业景观和城市景观)在生态系统服务的类型和数量
上亦不同;因此,景观尺度上的可持续性必须要重视
不同类型的生态系统的组成和空间配置,而区域尺
度上的可持续性则必须重视不同类型的景观的组成
和空间配置.空间格局优化是景观和区域可持续性
科学的一个共同的核心问题;而研究和实现空间优
化显然与土地规划和设计以及社会经济体制和政策
密切相关.我们认为,景观可持续性科学是可持续性
科学的核心内容,也将是该领域在日后几年到几十
年的研究热点[16,47-50] .这些研究对我国国土资源空
间优化,构建美丽地区和美丽中国,最终实现生态文
明是至关重要的,其意义也是显而易见的.因此,我
91 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邬建国等: 什么是可持续性科学? 摇 摇 摇 摇 摇
图 6摇 景观可持续性科学概念框架
Fig. 6摇 Framework of landscape sustainability science, showing the key elements and their relationships.
根据 Wu[16]修改重绘 Modified from Wu[16] .
们希望,也相信,在以后的几十年内中国将在可持续
性科学的研究和实践方面有长足发展,并跻身于世
界可持续发展强国之列.
参考文献
[1]摇 Wu JG. A landscape approach for sustainability sci鄄
ence / / Weinstein MP, Turner RE, eds. Sustainability
Science: The Emerging Paradigm and the Urban Envi鄄
ronment. New York: Springer, 2012: 59-77
[2]摇 Clark W, Crutzen P, Schellnhuber H. Science for glob鄄
al sustainability: Toward a new paradigm / / Schellnhu鄄
ber H, Crutzen P, Clark W, et al. eds. Earth System
Analysis for Sustainability. Berlin: Dahlem University
Press, 2004: 1-28
[3]摇 Kareiva P, Watts S, McDonald R, et al. Domesticated
nature: Shaping landscapes and ecosystems for human
welfare. Science, 2007, 316: 1866-1869
[4]摇 Wu JG. Making the case for landscape ecology: An ef鄄
fective approach to urban sustainability. Landscape Jour鄄
nal, 2008, 27: 41-50
[5] 摇 Wu JG, Loucks OL. From balance鄄of鄄nature to hierar鄄
chical patch dynamics: A paradigm shift in ecology.
Quarterly Review of Biology, 1995, 70: 439-466
[6]摇 Kates RW, Clark WC, Corell R, et al. Environment
and development: Sustainability science. Science,
2001, 292: 641-642
[7]摇 Wu JG. Landscape ecology, cross鄄disciplinarity, and
sustainability science. Landscape Ecology, 2006, 21:
1-4
[8]摇 Wu JG. Urban sustainability: An inevitable goal of
landscape research. Landscape Ecology, 2010, 25: 1-4
[9]摇 Wu J鄄G (邬建国). Landscape Ecology and Sustain鄄
ability Science / / Wu Y鄄G (伍业刚), Fan J鄄W (樊江
文), eds. Ecological Complexity and Ecological Vision.
Beijing: Higher Education Press, 2010
[10]摇 Jerneck A, Olsson L, Ness B, et al. Structuring sus鄄
tainability science. Sustainability Science, 2011, 6:
69-82
[11]摇 Bettencourt LMA, Kaur J. Evolution and structure of
sustainability science. Proceedings of the National
Academy of Sciences of the United States of America,
2011, 108: 19540-19545
[12]摇 Kates RW. What kind of a science is sustainability sci鄄
ence? Proceedings of the National Academy of Sciences of
the United States of America, 2011, 108: 19449-19450
[13]摇 Wu JG, Wu T. Sustainability indicators and indices:
An overview / / Christian N, Madu C, Kuei C, eds.
Handbook of Sustainable Management. London: Imperi鄄
al College Press, 2012: 65-86
[14]摇 Zhao J鄄Z (赵景柱). Theoretical analysis of sustainable
development (玉). Ecological Economy (生态经济),
1991, 5(2): 12-15 (in Chinese)
[15]摇 Zhao J鄄Z (赵景柱). Theoretical analysis of sustainable
development (域). Ecological Economy (生态经济),
1991, 5(3): 6-10 (in Chinese)
[16]摇 Wu JG. Landscape sustainability science: Ecosystem
services and human well鄄being in changing landscapes.
Landscape Ecology, 2013, 28: 999-1023
01 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
[17]摇 Kidd CV. The evolution of sustainability. Journal of Ag鄄
ricultural and Environmental Ethics, 1992, 5: 1-26
[18] 摇 WCED. Our Common Future. New York: Oxford Uni鄄
versity Press, 1987
[19]摇 NRC. Our Common Journey: A Transition toward Sus鄄
tainability. Washington, DC: National Academies
Press, 1999
[20]摇 Daly H, Jacobs M, Skolimowski H. Discussion of beck鄄
erman爷 s critique of sustainable developemnt. Environ鄄
mental Values, 1995, 4: 49-70
[21]摇 Daly H, Cobb J. For the Common Good. Boston: Bea鄄
con Press, 1989
[22]摇 Koltko鄄Rivera ME. Rediscovering the later version of
Maslow爷 s hierarchy of needs: Self鄄transcendence and
opportunities for theory, research, and unification. Re鄄
view of General Psychology, 2006, 10: 302-317
[23]摇 Maslow A. Motivation and Personality. New York: Har鄄
per and Row, 1954
[24]摇 MEA. Ecosystems and Human Well鄄being: Current
State and Trends. Washington DC: Island Press, 2005
[25]摇 Dominati E, Patterson M, Mackay A. A framework for
classifying and quantifying the natural capital and eco鄄
system services of soils. Ecological Economics, 2010,
69: 1858-1868
[26]摇 Clark WC, Dickson NM. Sustainability science: The
emerging research program. Proceedings of the National
Academy of Sciences of the United States of America,
2003, 100: 8059-8061
[27]摇 Ostrom E, Janssen MA, Anderies JM. Going beyond pan鄄
aceas. Proceedings of the National Academy of Sciences of
the United States of America, 2007, 104: 15176-15178
[28]摇 Kates RW. Sustainability science / / IAP ( Interacademy
Panel on International Issues), ed. Transition to Sus鄄
tainability in the 21st Century: The Contribution of Sci鄄
ence and Technology. Washington DC: National Acade鄄
mies Press, 2003: 140-145
[29]摇 Levin SA, Clark WC. Toward a Science of Sustainabili鄄
ty: Report from toward a Science of Sustainability Con鄄
ference. Princeton: Princeton Environmental Institute,
2010
[30]摇 Parris TM, Kates RW. Characterizing and measuring
sustainable development. Annual Review of Environment
and Resources, 2003, 28: 559-586
[31]摇 Ness B, Urbel鄄Piirsalu E, Anderberg S, et al. Cate鄄
gorising tools for sustainability assessment. Ecological
Economics, 2007, 60: 498-508
[32] 摇 OECD. OECD Core Set of Indicators for Environmental
Performance Reviews. Paris: Organisation for Economic
Co鄄operation and Development, 1993
[33]摇 UNU鄄IHDP, UNEP. Inclusive Wealth Report 2012:
Measuring Progress toward Sustainability. Cambridge:
Cambridge University Press, 2012
[34]摇 UN. Indicators of Sustainable Development: Guidelines
and Methodologies. 3rd Ed. New York: United Na鄄
tions, 2007
[35]摇 Zhao J鄄Z (赵景柱). Theoretical analysis on the meas鄄
urement of sustainable development of social鄄economic鄄
natural complex ecosystem. Acta Ecologica Sinica (生态
学报), 1995, 15(3): 327-330 (in Chinese)
[36]摇 Zhao JZ. Towards Sustainable Cities in China: Analysis
and Assessment of Some Chinese Cities in 2008. New
York: Springer, 2011
[37]摇 Sustainable Development Research Group of Chinese
Academy of Sciences (中国科学院可持续发展战略研
究组). Assessment Report of China Sustainable Devel鄄
opment. Beijing: Science Press, 2000 (in Chinese).
[38]摇 Niu W鄄Y (牛文元). Theory and practice of sustainable
development in China. Bulletin of Chinese Academy of
Sciences (中国科学院院刊), 2012, 27(3): 280-290
(in Chinese)
[39]摇 Saysel AK, Barlas Y, Yenigun O. Environmental sus鄄
tainability in an agricultural development project: A sys鄄
tem dynamics approach. Journal of Environmental Man鄄
agement, 2002, 64: 247-260
[40]摇 Matthews R. The People and Landscape Model
(PALM): Towards full integration of human decision鄄
making and biophysical simulation models. Ecological
Modelling, 2006, 194: 329-343
[41]摇 Robinson D, Campbell N, Gaiser W, et al. SUNtool A
new modelling paradigm for simulating and optimising
urban sustainability. Solar Energy, 2007, 81: 1196 -
1211
[42]摇 Barney GO. The Global 2000 Report to the President
and the Threshold 21 Model: Influences of Dana Mead鄄
ows and system dynamics. System Dynamics Review,
2002, 18: 123-136
[43]摇 Grosskurth J. Ambition and reality in modeling: A case
study on public planning for regional sustainability. Sus鄄
tainability: Science, Practice, and Policy, 2007, 3: 3-
11
[44]摇 Grosskurth J, Rotmans J. The scene model: Getting a
grip on sustainable development in policy making. Envi鄄
ronment, Development and Sustainability, 2005, 7: 135-
151
[45] 摇 Kates RW, Parris TM, Leiserowitz AA. What is sus鄄
tainable development? Goals, indicators, values, and
practice. Environment, 2005, 47: 8-21
[46] 摇 Wu JG. Hierarchy and scaling: Extrapolating informa鄄
tion along a scaling ladder. Canadian Journal of Remote
Sensing, 1999, 25: 367-380
[47]摇 Wu JG. Key concepts and research topics in landscape
ecology revisited: 30 years after the Allerton Park work鄄
shop. Landscape Ecology, 2013, 28: 1-11
[48]摇 Musacchio L. Key concepts and research priorities for
landscape sustainability. Landscape Ecology, 2013, 28:
995-998
[49]摇 Turner M, Donato D, Romme W. Consequences of spa鄄
tial heterogeneity for ecosystem services in changing for鄄
est landscapes: Priorities for future research. Landscape
Ecology, 2013, 28: 1081-1097
[50]摇 Potschin M, Haines鄄Young R. Landscapes, sustain鄄
ability and the place鄄based analysis of ecosystem serv鄄
ices. Landscape Ecology, 2013, 28: 1053-1065
作者简介摇 邬建国,男,内蒙古人,美国亚利桑那州立大学教
授, 中美生态、能源及可持续性科学内蒙古研究中心和北京
师范大学人与环境系统可持续性研究中心创始主任. 主要
从事景观生态学、城市生态学和可持续性科学研究,发表著
作 13 部, 论文 230 余篇. E鄄mail: Jingle. Wu@ asu. edu
责任编辑摇 肖摇 红
111 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 邬建国等: 什么是可持续性科学? 摇 摇 摇 摇 摇