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这篇综述聚焦农业系统的韧性研究。通过回顾文献，探讨了异质性、尺度、阈值、 regime shifts（ regime shifts：状态转变 ）和泛 archy（泛 archy：泛秩序 ）等概念在农业研究中的应用，指出当前存在的知识空白，为未来农业韧性研究指明方向，助力构建可持续农业系统。
1. 引言
农业及其依赖的人群和机构正处于十字路口。工业化农业发展模式虽注重稳定性、效率和生产力，构建了全球互联的农业体系，但却掩盖了食物、纤维和燃料生产与获取，以及农业生计维持方面的潜在脆弱性。这些脆弱性因气候不稳定、土壤退化、水质水量问题、盐碱化和疾病风险等因素而加剧，同时农业与地球边界的相互作用复杂，既影响边界跨越，自身也面临长期生存挑战。在此背景下，将韧性科学应用于农业系统的研究不断涌现。
韧性科学源于生态学，基于复杂自适应系统（CAS）理论，对系统动态和行为做出符合生物学现实的假设，以理解系统结果。其系统动态包括非线性、非平衡、多种替代状态、非平稳性、多尺度以及跨尺度反馈等特征。生态韧性指系统缓冲和适应干扰、维持特征结构和功能的能力；在耦合社会 - 生态系统（SES）中，还涉及人类能动性导致的转变概念。农业系统的韧性可定义为在干扰下维持用户定义的农业系统功能、服务以及相关过程和结构的能力。
然而，韧性概念在不同领域定义各异。传统工程韧性概念侧重于稳定性，仅关注系统受干扰后恢复到平衡状态的时间，忽略了阈值行为、状态转变和系统的多尺度性等关键动态，无法全面理解农业生态系统作为耦合 SES 和 CAS 的特性。历史和当代均有农业系统遭受灾难性状态转变的案例，如萨赫勒 - 撒哈拉地区的生态变化、美国尘暴事件等，这些案例凸显了理解农业系统复杂动态的重要性。
本文聚焦农业系统和韧性的关键主题领域，包括异质性、尺度、阈值、状态转变和泛秩序，旨在评估现有农业文献，识别知识空白，为未来研究提供方向。这些主题有助于将农业系统视为 CAS 进行研究，突破传统研究仅关注恢复和适应的局限，认识到系统恢复的局限性和适应性的成本，以及阈值在系统变化中的重要作用。
2. 文献综述
2.1 文献综述目标与方法
通过在 Web of Science 数据库进行主题搜索，使用 “agri* OR agro* OR graz* OR range* AND resilience” 以及各主题相关关键词，筛选出与农业、韧性和主题紧密相关的文献。经过多轮筛选，最终确定了用于分析的文献数量，分别为异质性 32 篇、尺度 15 篇、阈值 37 篇、状态转变 33 篇和泛秩序 14 篇。此次文献搜索虽不全面，但旨在提供综述和识别研究模式与差距，以适应快速变化的农业研究需求。
2.2 异质性（Heterogeneity）
2.2.1 应用于韧性科学
异质性是韧性的核心量化机制，系统内和跨尺度的时空异质性与多样性分布对维持系统功能至关重要。系统功能的维持不仅不依赖个体组件的稳定性，反而需要小尺度的变异性和异质性。异质性与系统元素的冗余相结合，为系统在干扰下维持基本功能提供多种途径，是自适应能力的基础。在农业领域，异质性涵盖从作物和动物遗传多样性到生产多样性，以及社会经济元素的多样性等多个层面。
交叉尺度韧性模型可用于量化异质性，通过识别尺度内功能多样性和跨尺度功能冗余，为系统提供对特定尺度干扰的缓冲。当执行相似功能的实体对特定干扰具有不同响应多样性时，系统韧性进一步增强。该模型考虑了类型、空间和时间上的异质性，可用于量化相对韧性和预警状态转变。
2.2.2 文献综述结果
相关文献主要为应用空间科学论文，多数支持异质性对农业生态系统韧性和功能有益。文献中存在两种主要视角，一是关注空间异质性对农业或非农业土地功能和韧性的影响，如景观组成和异质性与植物多样性、害虫捕食者的关系，以及景观转变对生态系统服务的影响；二是聚焦社会 - 生态农业生态系统属性的多样性和冗余与韧性的关系，涉及多种属性，如小农户农场实践、牲畜品种多样性、经济属性、土壤类型和作物多样性等。此外，还有少数论文关注景观韧性的时间异质性、提出基于异质性的农业转型研究议程以及深入探讨韧性科学理论。
2.3 尺度（Scale）
2.3.1 应用于韧性科学
韧性科学从独特视角概念化尺度和缩放，重视空间和时间维度以理解系统动态。系统结构和过程在不同时空尺度发生，韧性理论扩展了层次理论，强调跨尺度反馈，即大尺度过程约束小尺度动态，小尺度过程也可向上级联影响大尺度。昆虫爆发可在小面积或整个农业区域造成影响，就是跨尺度反馈的体现。
Holling 常用空间 / 时间 Stommel 图表示空间和时间对过程、结构和功能的影响，进而体现对韧性的影响。不连续性假设为识别 CAS 中模式和过程的尺度提供客观方法，其在交叉尺度韧性模型中的扩展强调了关键功能在尺度内和跨尺度分布的重要性，有助于防止级联扰动。在农业中，理解尺度结构过程、跨尺度反馈以及模式和过程显现的特定尺度，对评估韧性至关重要，尤其是考虑到气候变化等大尺度驱动因素和小尺度起源的级联扰动。
2.3.2 文献综述结果
相关文献多将农业系统视为 SES，评估社会和生物物理属性在尺度内和跨尺度的相互作用。部分论文分析政策跨尺度相互作用对当地农业 SES 的影响，以及社会系统对极端降雨事件响应的时间尺度差异。还有历史研究论文提供了当代启示，如中国特定时期农业政策导致饥荒的教训，以及灌溉农业社会的考古研究对现代农业的借鉴意义。另外，两篇概念 / 理论论文分别提出设计多功能城市和景观区域的过程，以及明确气候变化对美国农业生产的风险与尺度的关系。这些文献强调了整合多尺度和维度对理解农业系统韧性的重要性，以及长期数据的价值。
2.4 阈值（Thresholds）
2.4.1 应用于韧性科学
阈值行为是韧性科学的基础，当系统超过阈值时会发生状态转变。最具影响的阈值行为是系统跨越灾难性分岔（临界转变）进入替代状态，伴随不同程度的滞后现象，即系统返回先前状态可能困难或不可能。系统也可能发生平滑非线性变化，此类阈值后果相对较轻且系统变化可逆。在多变量非平稳系统中识别阈值具有挑战性，且阈值本身也非平稳。确定地球边界以定义人类安全操作空间，就是为了避免未知阈值带来的风险。
2.4.2 文献综述结果
多数相关论文评估旱地 / 牧场等系统在多种驱动因素下的阈值行为，常使用状态 - 转变模型，该模型已从平衡期望转向非平衡系统，考虑多种替代状态，并不断完善以纳入结构和功能变量。这些系统中既有表现出滞后和临界转变的阈值行为，也有可逆转变的情况。此外，还有论文评估非放牧系统、农业 SES 中的阈值，以及通过建模探讨农业 SES 中非线性阈值的出现机制。不同研究表明，阈值在农业系统中普遍存在且具有重要影响，但识别和理解这些阈值仍面临诸多挑战。
2.5 状态转变（Regime shifts）
2.5.1 应用于韧性科学
当系统韧性被耗尽，干扰使系统超过临界阈值，就会发生状态转变，系统可能重组为相似状态或进入替代状态，也可能处于过渡状态。多数研究关注缓慢变化的驱动因素导致的状态转变，并致力于开发早期预警信号，但管理者常因忽视系统韧性的缓慢侵蚀而对状态转变感到意外。此外，脉冲 / 压力干扰也可引发状态转变。
2.5.2 文献综述结果
相关文献广泛涉及多种农业生产系统的状态转变，如不同地区的粮食作物生产、牧场植被变化等，还包括考虑社会驱动因素与农业反馈的 SES 研究，以及以农业为驱动的生态系统状态转变研究。部分论文从历史或全球尺度进行分析，揭示了人口增长与农业土地退化的关系、古代社会崩溃的预警信号，以及农业对全球生物物理系统韧性的影响。这些研究表明，评估耦合 SES 能更全面理解农业系统状态转变，而全球尺度的研究凸显了农业在降低生态系统韧性方面的关键作用。
2.6 泛秩序（Panarchy）
2.6.1 应用于韧性科学
泛秩序是复杂的韧性概念，结合了自适应周期、CAS 的多尺度架构和不连续性理论。它以嵌套的更新和崩溃周期（自适应周期）描述 CAS 的时空结构和动态，自适应周期捕获热力学开放 CAS 的基本动态，包括开发、保护、释放和重组阶段。系统通常在开发和保护阶段停留时间较长，释放和重组阶段相对快速，且各阶段转换并非确定性或线性。自适应周期常用于系统级动态分析，但较少考虑小尺度的自适应周期动态，而泛秩序则更全面地反映了 CAS 的多尺度和层次结构特性。
2.6.2 文献综述结果
相关文献主要探讨系统在较长时间尺度的动态，常将农业系统视为耦合 SES，综合考虑生态、经济和社会方面。部分论文研究农业系统维持特定状态的能力，如古代农业的长期持续性；还有论文分析系统随时间的变化，如牧民适应方式的演变、特定地区农业对土地系统韧性的影响等。此外，两篇理论论文利用自适应周期和泛秩序框架，为思考食物系统变革提供了新视角。这些文献强调了异质性和多样性在跨尺度韧性中的重要性，以及系统组件间关系和反馈的作用。
3. 讨论
3.1 主要未解决问题概述
文献回顾揭示了农业韧性研究中存在的多个未解决问题，包括不同尺度韧性的矛盾、稳定性与韧性的关系、农场以上尺度异质性的管理，以及不同类型阈值的识别和理解。解决这些知识空白对维持农业食物系统的韧性至关重要，否则可能导致在一个尺度上构建的韧性无法应对其他尺度的反馈和影响。
3.2 韧性、尺度和状态转变
目前缺乏明确标准定义农业 SES 系统层面的状态和状态转变，这影响了对韧性的理解、量化和比较。不同尺度的农业系统状态定义存在差异，例如农场层面的状态转变可能涉及生产目的改变，而区域或国家层面的状态定义则更为复杂，与生产活动、土地利用模式等相关。理解不同尺度状态的构成要素和转变机制，有助于避免不良阈值、开发预警信号，并权衡状态特征与系统可持续性和可转变性的关系。
此外，大尺度系统的韧性部分依赖于小尺度的波动和变异性，但小尺度波动可能影响农场和农民的生计。政策应在鼓励动态变化和灵活性的同时，避免农民面临生存威胁的状态转变。近期对芬兰农业的研究表明，国家层面农业政策的早期选择可能在后期导致系统脆弱性增加，这提示政策制定者需全面审视政策长期影响。明确不同尺度农业系统状态的定义和关系，对理解和管理农业系统韧性至关重要。
3.3 稳定性与韧性的张力
在农业领域，稳定性和韧性之间存在矛盾。生态韧性关注动态稳定性，需要小尺度的变异性来维持系统在同一状态，但农业生产既期望具备韧性，又追求稳定。许多研究虽引入生态韧性概念，但实际指标仍倾向于工程韧性，如产量稳定性。尽管部分研究讨论了变异性对韧性的作用，但整体缺乏对这一矛盾的深入探讨，以及其对政策和管理跨尺度影响的研究。理解和解决这一矛盾，对实现农业可持续发展至关重要。
3.4 农场以上尺度的异质性
虽然异质性是农业系统韧性的重要来源，但在农场以上尺度管理异质性面临诸多问题，如不同类型异质性的重要性、管理的约束和机会等尚不明确。农业的空间变异性、历史管理遗留问题以及害虫对异质性响应的特异性，增加了管理的复杂性。此外，多数研究忽视了冗余在韧性中的关键缓冲作用，冗余与稳定性和韧性的关系也需进一步研究。全面评估这些因素，有助于制定有效的异质性管理策略，增强农业系统韧性。
3.5 临界转变与非线性但可逆阈值
在农业系统中，除旱地放牧系统和部分受农业影响的水文与水生系统外，识别韧性阈值存在挑战。目前尚不清楚农业过程在不同尺度间的非线性动态是否普遍，以及非旱地农业过程的尺度特性。此外，对跨尺度阈值行为、远距离系统间耦合产生的阈值行为，以及相关早期预警指标的研究也存在不足。深入研究这些问题，有助于揭示农业系统的风险和脆弱性，避免类似美国尘暴事件的灾难再次发生。
4. 结论
过去 20 年，韧性科学在农业领域的应用显著增加，为研究农业系统作为 CAS 和 SES 提供了独特视角，与传统农业科学互补。本综述梳理了异质性、尺度、阈值和状态转变等概念的研究现状和知识空白，为未来研究提供了方向。明确社会 - 生态农业系统中状态的定义，是韧性科学对农业系统管理产生广泛影响的关键。韧性科学有助于揭示当前食物生产方法的局限性和脆弱性，为构建可持续食物系统提供理论支持。
