《Proceedings of the Design Society》：A pedagogical tool for the co-design of systemic nature-based solutions applied to carbon removal
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本研究提出了一种面向系统且具有韧性的基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）碳移除协同设计教学工具。该工具经9名参与者测试，显著提升了其对NbS动态的理解。Wilcoxon符号秩检验显示，基于Bloom认知分类法的所有思维技
本研究提出了一种面向系统且具有韧性的基于自然的解决方案（Nature-based Solutions, NbS）碳移除协同设计教学工具。该工具经9名参与者测试，显著提升了其对NbS动态的理解。Wilcoxon符号秩检验显示，基于Bloom认知分类法的所有思维技能得分均有提高（p < 0.05），其中高阶思维技能的提升尤为显著。参与者反馈该工具直观且具参与感，能够促进协作学习。研究结果证实了其教育价值以及在激发创造性和韧性NbS设计方面的潜力。
**研究背景与问题**
随着气候变化威胁日益加剧，降低大气碳浓度已成为缓解其严重影响的关键任务。尽管各国持续推进减排努力，全球温室气体排放量仍持续上升，使得若不借助大规模二氧化碳移除（Carbon Dioxide Removal, CDR）技术并辅以深度减排，实现1.5 °C温控目标已不可能达成。CDR涵盖多种旨在主动从大气中提取CO?并将其长期储存的策略，包括工程系统、生态系统管理及土地利用实践等广泛途径。其中，基于自然的解决方案（NbS）发挥着独特的双重作用，即在固碳的同时支持生物多样性、生态系统服务和社会福祉。相较于工程类选项，NbS通常需要较少的能源和基础设施投入，同时能够增强生态系统与社区的韧性。
然而，现有CDR研究大多依赖静态的NbS分类体系，如造林、土壤碳固存和蓝色碳汇生态系统等，这些分类目录主要停留在描述性层面，未能为特定地方情境下的NbS调整、组合与优化提供充分指导。NbS的实施具有内在的地方性特征，受生态条件、土地利用动态和社会优先事项的共同塑造。因此，亟需系统且适应性的框架，通过参与式过程实现针对地方现实的混合型NbS协同设计。此外，自然变异性、模拟模型局限性及社会经济波动性所带来的不确定性，以及日益加剧的气候相关扰动，都使NbS设计面临严峻挑战。研究人员倡导将韧性方法整合进NbS设计，将多样性、模块性、连通性和反馈循环等核心概念转化为可操作的方法论。然而，现有工具大多停留在评估层面而非生成层面，当前NbS设计教学方法亦呈碎片化状态，多局限于认知或体验式学习，而非系统设计与优化。
**研究目的与方法**
针对上述局限，研究人员开发了一种新型卡片式教学工具，灵感来源于NBSE（Nature-Based Solutions Engineering）方法论，以支持NbS性能的探索与优化。该工具以设计思维、系统设计、协同设计和韧性思维为核心理论基础，旨在实现以下目标：采用系统方法；便于最广泛的利益相关者参与；具有吸引力和参与感。
该工具包含两个连续的设计活动：NbS构建与NbS压力测试。在构建阶段，参与者通过四步方法组合不同解决方案组件以优化整体性能：识别生态系统及可能的NbS；识别负责CO?吸收和储存的生物过程；确定影响这些过程的关键因素；识别辅助措施（auxiliaries）以增强这些因素，从而提高整体碳捕获和储存潜力。研究人员采用C-K设计理论（Concept-Knowledge theory）构建创新框架，区分"概念空间"（C空间）以组织新概念探索，与"知识空间"（K空间）以汇集已确立的科学知识、机制和约束条件，确保新兴解决方案路径既具创新性又符合生态原理。
具体而言，研究人员从CO?捕获产物（如木材、碳酸盐）出发，利用先验知识草拟初始清单并借助科学文献完善，追溯主要生物地球化学机制（如光合作用、生物矿化）以识别能够执行这些机制的NbS。选取森林、城市区域、湿地和海岸带四类自然生态系统为起点，分析其与CO?的相互作用，识别出光合作用、腐殖化、微生物活动等主导致碳捕获与储存的生物过程，并将影响因素归为气候、营养、水分、水动力、土壤和沉积物六大类别。最终识别出多种辅助因素作为潜在杠杆以增强这些机制，如提高植物多样性、发展保护性土壤或凋落物层、建立根际共生关系以强化营养循环和碳稳定。
在压力测试阶段，研究人员依据Verra的AFOLU非永久性风险工具分类，将压力来源分为内部、外部和自然三类，通过滚雪球策略建立包含侵蚀、碳市场崩溃、公共补贴取消等20种情景的压力清单。针对每种压力，基于斯德哥尔摩韧性中心的七项韧性原则（维持多样性与冗余性、管理连通性、管理慢变量与反馈、培育复杂适应系统、扩大参与、多中心治理、鼓励学习）识别应对杠杆，涵盖水资源多样化、多中心治理、副产品增值等21项行动杠杆，并通过PESTEL框架（政治、经济、社会、技术、环境、法律）引导参与者分析压力与杠杆的多系统维度关联。构建阶段和压力测试阶段均设有评分机制，以竞争性游戏元素激发参与动机与策略比较。
工具采用卡片形式制造，配备空白卡片供参与者自创内容，以增强互动性和严肃游戏（serious game）体验。
**实验设计与验证**
为评估工具的教学效果，研究人员开展了一项包含9名参与者的实验，参与者包括产品设计工程硕士和博士研究生。实验采用基于Bloom认知分类法的知识自评问卷，该分类法从低到高包含记忆、理解、应用、分析、评价和创造六级思维技能，每项以1-7分的Likert量表评估。实验流程包括：NbS、韧性及稳健性概念介绍；首次知识自评；工具使用（构建阶段45分钟，压力测试阶段35分钟）；小组展示与互评；第二次知识自评；以及开放式讨论。
统计分析方法采用Wilcoxon符号秩检验（非参数配对检验），以评估工具使用前后的知识变化。Anderson-Darling正态性检验确认数据非正态分布，组内相关系数ICC(3,k)显示前后测均为中等信度（分别0.66和0.63）。
**研究结果**
实验结果显示，工具使用后所有思维技能的平均得分均有提高，且p值均小于0.05，拒绝"工具使用后知识无变化"的原假设。具体而言：
"记忆"和"理解"两项基础技能在使用工具前已具有较高均值，工具使用后进一步提升，后测中位数稳定于更高值且变异性降低，表明活动有效巩固了基础知识、澄清了核心概念。
"分析"、"评价"和"创造"三项高阶思维技能在实验前离散度较大、均值较低，而工具使用前后的增幅最为显著。尽管后测变异性仍可见（因这些技能需更长时间培养且依赖参与者背景），但一致的上升趋势凸显了将具体化与系统性思维方法纳入NbS设计研讨会的价值。
参与者反馈方面，卡片帮助理解碳捕获与储存的各组分及影响因素，游戏机制促进深度投入，部分参与者甚至以农民身份进行想象以增强沉浸感。韧性与稳健性概念的引入为大多数参与者打开了系统思维的大门。同时，部分参与者反映信息量过大，但预期再次使用会更加快速直观。
**讨论与局限**
研究人员指出，该工具相较于现有NbS框架具有明显优势：突破了高层原则或认知活动的局限，将构思与压力测试整合于单一迭代工作流中，使参与者能够有效权衡系统复杂性。协同设计作为方法论必要性，有助于呈现分歧假设、丰富问题框架、生成更多样化的NbS路径。然而，研究也存在局限：样本量较小（n=9），影响结果普适性；数据为自我报告，可能存在高估或解读偏差；实验仅在森林生态系统情境中测试，其他生态系统结果可能不同；实体工具形式不利于国际团队远程协作。
**研究结论**
研究人员提出了一种补充性NbS碳移除理解与探索的教学工具。通过参与式、游戏化的体验，参与者以系统和协同设计方式探索NbS动态，有效填补了NbS设计初期阶段的工具空白。实验数据表明，该工具能够提升参与者对NbS动态的知识掌握，尤其对高阶思维技能有显著增益。工具易于实施和使用，具有广泛的教育可及性。
未来研究方向包括：测试工具的可用性与生成解决方案的质量；与从业者合作开展真实案例研究（如特定区域的明确生态系统），通过专家参与细化NbS粒度、识别权衡、优化性能；以及开发数字版本以克服实体局限，提升国际团队的可用性和整体影响力。
