《多系统韧性——变化中的适应与转型》之二：人类与水在时间和空间上的相互作用
《多系统韧性——变化中的适应与转型》之二：
人类与水在时间和空间上的相互作用
不同维度和时间尺度的韧性规划和建设是社区有效应对气候变化与其他风险最强有力的工具。本章探讨了人类与水作为耦合系统的韧性问题，根据人-水系统耦合背景下的社会韧性、水文韧性和社会-水文韧性三个框架，提出了相应概念理解跨系统和跨尺度韧性变化链中的级联效应，阐述在人类活动和气候变化的双重影响下，社会-水文系统中一个系统韧性的变化如何对另一个系统的韧性产生影响。作者提倡必须从共同进化的系统角度来理解人类如何影响水以及人类如何受水影响，同时需要广泛的跨学科合作来研究可持续性和韧性等课题。
多系统韧性模型：在逆境下生物、心理、社会和生态适应性联系
Li Xu, Feng Mao, James S. Famiglietti, John W. Pomeroy, and Claudia Pahl-Wostl, ‘Conceptualizing Cascading Effects of Resilience in Human–Water Systems’, in Michael Ungar (ed.), Multisystemic Resilience: Adaptation and Transformation in Contexts of Change (New York, 2021; online edn, Oxford Academic, 18 Mar. 2021), https://doi.org/10.1093/oso/9780190095888.003.0002.
关键词：韧性、人类与水、级联效应、社会与水文、社会与生态、人类干扰、制度转变
1.引言
韧性由 C. S. Holling 在 20 世纪 70 年代引入生态研究（Holling，1973 年）。最初，韧性概念描述的是生态系统的特性及其抵御或从严重干扰中恢复的能力。这一概念在生态学领域产生了重大影响，同时也在心理学、工程学、社会科学和跨学科领域等学术领域快速发展。韧性理论通过研究变量阈值（在必须改变之前能承受多大压力）与外部干扰之间的动态关系，开辟了研究系统如何从一种稳定状态转变为另一种稳定状态的新方法。尽管如此，由于系统各组成部分在时间和空间上的内部和跨尺度的多重互动具有复杂的系统动态特征，因此测量韧性是一项挑战。当自然过程中涉及到社会层面时，系统互动就会变得更加复杂，社会-生态和社会-水文系统领域就是一个例子。因此，对韧性的研究需要一个系统的视角，不仅要关注单个系统的韧性，还要关注其影响相互关联系统韧性的潜力，这被称为“系统韧性”（Ungar，2018）。
将韧性的系统性思维应用于相互关联的系统时，一些问题变得非常重要，例如韧性在各系统间的级联效应（cascading effects）。级联效应可定义为初始事件或因素对一个系统产生的影响，由于系统及其组成部分之间存在相互依存和因果关系，这种影响会传播到其他系统（Pescaroli & Alexander, 2016）。生态学的一些早期研究已经清楚地表明，许多生态系统中都存在级联效应（见 Schmitz, Hambäck, & Beckerman, 2000），这种级联机制也可能出现在相互连接的生态和社会经济系统中（Kinzig等，2006）。在系统中，阈值之间可能存在级联效应，即跨越阈值的趋势会诱发其他阈值的跨越，从而导致系统状态的变化(Kinzig et al.，2006)。
人类活动对水系统造成压力，同时也受到水文系统变化的影响。在研究这种人水耦合系统时，需要发现社会和水文系统是否以及如何产生级联效应（即一个系统的制度变化如何导致另一个系统的制度变化？）。探索这一问题的答案有助于找到避免系统发生不可取的制度转变的方法，并降低"系统性风险"。系统性风险指的是一个系统的某个组成部分所面临的不利风险，这种风险有可能蔓延到整个相互关联、相互耦合的社会-水文系统（Renn，2016 年）。在极端情况下，这可能导致整个社会-水文系统崩溃。在本章中，我们将探讨解释耦合社会-水文系统中级联效应的机制，以及这些机制对人与水之间互动的意义。在此过程中，我们提出了一个概念框架，以解释生态系统的韧性变化如何对其相互关联的系统（包括人类系统和生态系统）产生级联效应。我们以加拿大大草原上的一个农业排水流域为例，说明社会-水文系统的韧性如何受到人类活动和气候变化的挑战。
2.人水耦合系统
虽然水系统的定义较为宽泛，但水文系统对水系统至关重要，因为它具有支持水系统和相关生态系统服务的基本功能。在本章中，我们将通过强调社会系统与水文系统之间的相互作用来研究人水关系。人与水系统在整个水文循环中相互关联（图 1a）。这两个系统之间的相互作用表现为双向反馈回路，将社会和水文成分及过程融为一体（图 1b）。然而，水文学将人类视为外生因素或水文动态驱动力的传统方式忽视了社会科学的贡献，社会科学关注的是社会过程以及水系统受到外生限制时发生的水文变化。传统的研究假设已不再适合理解水循环，因为水系统面临着人为干扰带来的无数威胁、变化和不确定性（Wada 等人，2017 年）。在研究水问题时，Sivapalan、Savenije 和 Blöschl（2012 年）呼吁研究应同时关注水与社会系统之间的界面。
越来越多的证据表明，从微观的自然力量到宏观的社会经济过程，不同尺度的过程导致了不同水系的制度转变。例如，人为气候变化和其他人类活动（如抽取地下水）导致全球水供应模式发生变化；化肥或未经处理的污水造成的过度营养输入导致沿海水系的缺氧环境；因土地清理和人工拓宽河道而改变的河道位置；以及淡水湖因长期富营养化而由清变浑。
图38.1 (a) 水文循环中的社会和水文过程。
图38.1 (a) (b) 人类与水系统之间的相互作用。
反过来，水系统的水文条件（数量、质量或两者）的变化也对社会产生了不同程度的重大影响。在全球范围内，地下水的过度开采降低了枯竭地区面对干旱事件的韧性（Rodell，2018）。在区域范围内，水开采量的增加已成为导致水流机制和地下水位变化的主要力量，从而增加了海水入侵和水不安全的风险。这些模式已得到充分研究，尤其是在澳大利亚沿海地区。虽然由于监测困难而数据稀少，但一项全国沿海含水层评估估计，澳大利亚47%的沿海地区极易受到海水入侵的影响，预计未来这一数字将增至 57%（澳大利亚联邦，2011）。在加拿大，土地利用的变化和农业对草原地表凹陷蓄水的排水导致了湿地的急剧减少，并增加了许多流域下游的洪水风险（Pomeroy 等人，2014 年）。因此，必须从共同进化的系统角度来理解人类如何影响水以及人类如何受水影响，同时需要广泛的跨学科合作来研究可持续性和韧性等课题。
3.定义水耦合背景下的系统韧性
韧性的概念是抽象的，因此当它与人类-水系统融合时，由于系统边界模糊不清，对其进行定义和测量具有挑战性。虽然不同研究领域对韧性的解释可能各不相同，但这些定义大多具有共同的原则和特征，可以加以整合，以便更清晰地应用于不同的语境。例如，韧性的定义总是与系统在面对干扰和变化时保持特定功能的能力有关。
对韧性的灵活解释使这一概念广泛适用于人类与自然系统之间的反馈研究。同样，社会-水文系统的韧性也与干旱和洪水等随机水文事件以及社区自身或集体适应这些事件并从中恢复的能力有关。从社会科学的角度来看，社会-水文系统的韧性被定义为社会系统（包括治理、机构和决策等广泛的社会进程）将公众观念转化为集体行动以适应洪水和其他与水相关事件的能力（Gober & Wheater, 2015）。该定义强调了公众意识及其转化为社会行为的作用，以改善人类对环境变化的适应。它包含了更广泛的管理结构和实践，以解释更复杂的社会决策过程，以及在模拟有助于提高韧性的社会-水文过程时它们对水系的反馈。为了理解和展示在人水耦合背景下韧性的级联效应，在本章中，我们按照Mao等人（2017）提出的系统观点，描述了社会-水文耦合中韧性的三种框架：（a）社会对水文变化的韧性；（b）水文对社会（人类）扰动的韧性；以及（c）社会-水文韧性，即在面临干扰和逆境时处理人类与水系统之间的双向反馈。
3.1对水文变化的社会韧性
社会对水文变化的适应能力被定义为个人和社区适应变化的水文条件或应对因水文系统（如河流和湖泊中的流速、水量、水位和水质）改变而导致的社会、政治和文化变化的能力。社会韧性是决定社会能否应对水文变化的一个重要特征，对于那些活动高度依赖水资源的社区和群体来说尤其如此。因此，社会抵御水文变化的能力取决于管理社会的社会组织结构和其他特征，包括社会记忆、学习能力、网络以及社会规则和规范。
举例来说，居住在有防洪基础设施的洪水易发地区的人们可能对非极端洪水事件有较强的抵御能力，但对强降水事件的抵御能力可能不如那些没有堤坝保护的人们。在某些情况下，偶尔发生洪水事件的社区可能会在更长时间内表现出更强的韧性，因为与那些受到保护免受洪水事件影响的社区相比，这些社区分享了以往洪水事件的集体记忆，并拥有更多适应洪水的经验（Yu 等，2017）。
3.2水文对社会干扰的韧性
水文对社会扰动的韧性是指水文系统在吸收人类活动干扰的同时不丧失其在数量和质量上的功能，以保障生态系统服务和人类福祉需求的能力。水文系统是由参与降水、蒸腾、渗透和流动等自然过程的相互关联的组成部分以及支持系统管理的基础设施组成的系统。由于水资源在时间和空间上的重新分配，堤坝、水坝、河渠和灌溉沟渠等人类创造的系统对水文过程和淡水储存产生了重大影响。这些人类活动严重干扰了水文功能，有可能将水系统推向临界点，导致系统反馈发生根本性转变。因此，水文系统失去韧性将影响对人类福祉至关重要的生态系统服务的水文功能，从而进一步导致社会和经济系统共同失去韧性。
3.3社会-水文韧性
在人类世时代，人类系统和水系统需要应对来自彼此的干扰，因此将韧性融入人类-水耦合环境具有挑战性，但在人类世时代已变得尤为紧迫（Falkenmark等，2019）。越来越多的证据表明，全球范围内人类与水系统之间的双向反馈导致了与水相关的社会-生态系统中相互关联的制度转变（Rocha等，2018）。然而，人类系统或水系统的韧性变化何时以及如何对另一个系统产生积极或消极的反应并不直截了当。
作为一种尝试，Mao 等人（2017）提出了一个解释社会-水文韧性的概念框架，并认为社会-水文系统的韧性可以从人与水的相互作用中衍生出来。根据他们的建议，我们将社会-水文韧性定义为社会-水文系统在社会-水文（人与水）互动过程中维持反馈的能力，这种反馈能使人与水系统保持在理想状态。在这种耦合系统中，韧性不仅指系统应对环境变化造成的外部危害的能力，还指系统应对人类与水文系统相互作用造成的内部扰动的能力，例如对水的竞争性需求。例如，要维持一条河流的完整水文功能，可能需要大幅减少整个流域的用水量，但这对许多水利部门来说是一个重大牺牲。因此，实现具有韧性的社会-水文系统的关键任务是处理利益和偏好各不相同的个人之间的冲突和权衡。水治理和政策在解决这些挑战方面可以发挥重要作用，因为它们有助于整合水资源管理，保障社会多层次的水服务供给，从而将资源导向理想状态（Pahl-Wostl，2015）。然而，对于不同的社会各方而言，什么样的状态才是理想的，需要进行协商，并需要依靠更广泛的跨学科方法，让不同层面的利益相关者参与进来。
4.对社会-水文韧性的系统理解
韧性理论为系统稳定状态的分叉提供了一种系统性思维，系统的稳定状态受临界阈值（临界点）的控制，在临界点上，系统的状态可以通过其自我强化机制或外部冲击很容易地转移到一个新的稳定域或一个相反的系统，甚至崩溃（Scheffer，2009）。系统崩溃的一个例子是淡水湖的高营养负荷导致藻类大量繁殖。湖泊营养状况的改善使其容易发生富营养化，尤其是在天气变暖的情况下，从而导致藻类大量繁殖，同时引发社会和经济问题，对饮用水、人类和环境健康造成影响。要理解为什么以及何时会发生这种制度转变并不简单，因为其成因机制可能多种多样，而且发生在不同的尺度上。它们有时也是隐性的，因为大多数系统都不是单独存在的，而是与其他系统紧密联系和相互作用的（Rocha等，2018）。这就需要探索影响系统韧性的动态机制（dynamic mechanisms），及其对相互关联系统韧性的协同效应（synergistic effects）。
4.1系统韧性
一个系统丧失韧性有可能削弱相关系统的韧性，这将增加系统制度转变的可能性和系统崩溃的风险。然而，并非所有系统都是如此。即使一个系统的韧性被认为是积极的，也可能对不同时空尺度下相互关联系统的韧性产生负面影响，尤其是那些本质上是非线性的系统，如生态系统和人类与自然耦合系统。这是因为系统各组成部分之间的相互作用因系统状态的滞后效应（hysteresis effect）而变得复杂（Levin等，2013）。系统的韧性之间存在权衡，例如短期韧性与长期韧性之间的权衡，在一个地方的韧性与在另一个地方的韧性之间的权衡。
“堤坝效应（levee effect）”现象就是这种模式的一个很好的例子（Di Baldassarre 等，2013）。洪泛区对人类福祉有许多益处，例如为耕作提供肥沃的土壤条件。然而，这些地区的人口和发展计划必须与洪水风险高的河流保持安全距离。自从修建堤坝以来，“安全”距离缩短了。虽然工程技术提高了水文系统对洪水事件的抵御能力，但面对特大洪水和决堤等灾难性事件，慢变量的干扰日益增加，包括人类对水过程的干扰以及与气候有关的水文变化，可能会降低社会的长期抵御能力。在另一种情况下，河流一侧堤坝高度的增加可以提高当地居民的韧性，但可能会危及对岸社区的韧性。因此，探索跨系统和跨尺度的韧性模式成为任何社会-水文系统研究的必要组成部分。
4.2不断变化的社会-水文韧性模式
韧性是一个动态过程，而不是一个系统的静态特征。这些过程说明了系统在应对干扰时的变化行为（即适应、恢复、抵抗、持续、转化和吸收）。以往的研究已经定义了三种能够关键性地决定系统韧性的系统行为：可吸收性、可适应性和可转化性。换句话说，韧性系统必须具备这三种能力。其他研究表明，这些系统行为和能力受到系统组成部分和要素的冗余性、多样性、连通性、灵活性和参与性等共同特征表现的影响（Ungar，2018；Xu & Kajikawa，2018）。这是因为，这些系统特征可归因于系统在出现干扰时的抗干扰能力和持续能力、恢复到受干扰前状态的能力以及在干扰后调整并过渡到新的理想状态的能力。
更具体地说，可吸收性要求系统在受到干扰或冲击时能保持相对稳定的状态。适应性是指系统在结构上应具有灵活性，在功能上应具有冗余性和多样性，从而使系统在面对变化时能够进行调整。可改造性使系统能够通过引入新的组件和功能来创建一个全新的系统，这意味着系统在需要改变时具有弹性（Walker等，2004）。社会（人类）和水文（水）系统在时间和空间上以动态方式同时演化；其韧性产生于社会和水文系统之间的相互作用，Mao 等人（2017）和 Karpouzoglou 与 Mao（2018）将其描述为韧性“画布”或“立方体”（图 38.2a）。
图38.2 a) 社会-水文系统的韧性及其在不同状态之间的转换。
(b) 人类-水系统的韧性及其在不同状态之间的转换。
在图 38.2b 中，人类-水系统的韧性由社会韧性、水文韧性以及社会-水文综合韧性定义。在状态 A 中，社会韧性和水文韧性都非常低。在这种状态下，由于溪流形态和异质气候等环境条件的差异，水文系统很容易受到人为干扰。同时，由于缺乏资源，并存的社会系统难以应对水文条件的变化。例如，中国的三峡大坝导致长江沿岸水流状态不稳定，邻近湖泊和下游生态系统的干湿状况加剧（Fu等，2010）。这种改变使得湖泊出入口区域的群落对过湿、过干条件的适应能力降低（Xu、Marinova 和 Guo，2015b）。当一个系统被锁定在这种状态时，通常会采取管理干预措施，以实现水文和社会系统都具有高度韧性的状态 C。然而，管理不当（例如，管理的目的仅仅是提高水文或社会能力）可能会导致系统进入 B 状态，即社会系统具有高韧性，但水文系统的韧性较低（B1），或水文系统具有高韧性，但社会系统的韧性较低（B2）。换句话说，提高水文韧性可能要以牺牲社会韧性为代价，或者相反。通常情况下，这种模式被称为流域尺度上的上游-下游权衡。例如，上游水电和灌溉系统的开发可能会提高上游地区对干旱影响的抵御能力，但却会影响整个流域的水资源分配，降低下游农业系统的抵御能力。
我们现在开始观察到水系统的一些新趋势，以及水系统和人类系统之间的反馈回路证据，这对地球健康和人类福祉非常重要。了解是哪些驱动因素引发了这些变化，以及控制一个系统状态的驱动因素和变量之间的相互作用，是建立多系统韧性和管理韧性的最重要挑战之一。在本章中，我们提出级联分析和生态系统服务可作为关键视角，将人类系统和水系统联系起来，并作为研究各系统层面韧性协同影响的载体。在下一节中，我们将提出一个概念框架，以指导我们理解人类-水系统的内部和互动动态以及韧性在不同系统层面的级联效应。
5.社会-水文韧性中的级联效应
一旦对系统的影响超过系统边界（阈值），就会产生级联效应，从而对其他相互依存系统的机制产生溢出效应（spillover effects）。同样，一个系统韧性特征的变化也会增加越过阈值的风险，从而导致受到冲击的系统发生制度转变，进而改变相连系统的韧性及其在其他空间或时间尺度上的制度转变。在本章中，我们揭示了人类-水系统中的级联效应可能发生在三种情况下。首先，系统内部的级联效应，即系统内部各组成部分或特征之间的协同影响，导致系统本身的韧性发生变化，然后通过系统各组成部分的相互作用动态，导致另一个系统的韧性发生变化。第二，跨系统的级联效应，即从水文系统到社会系统，或从社会系统到水文系统的影响。第三，跨尺度的级联效应，即在不同的时间和空间尺度上，效应可以从一个系统溢出或传播到另一个系统。
5.1系统内的级联效应
一个系统可以由多个核心子系统（core subsystems）组成（Ostrom，2009）。如果每个子系统的组成部分都能帮助系统应对干扰，那么这些子系统就能表现出韧性。系统内的级联效应意味着，子系统某一组成部分的特征发生变化，会影响同一系统内其他组成部分的特征，从而进一步影响每个相互依存的子系统的韧性。因此，系统的韧性取决于系统的吸收、适应和转换能力，而这些能力受到系统各组成部分的多样性、冗余性、灵活性、连通性和开放性等综合特征的影响。如果系统的结构和功能在这些特征的综合作用下保持在一定水平，那么系统就处于安全运行空间。反过来，如果系统具有可吸收性、可适应性和可转换性，那么它就能培育系统各组成部分的特性，以抵御干扰。但是，如果由于外部干扰和内部动力超过了这一水平，那么系统就会失去韧性，使系统状态发生临界转换（图 38.3）。
水系统一般可分为三个子系统：地表水/近地表水、地下水和大气水。水通过水文循环在这些子系统之间流动。与此同时，人类系统包括三个子系统--生产、社区和治理，它们都与水的利用有关。在每个子系统中，韧性都体现在使系统避免制度转变的特征和能力上。在跨越临界点之前，系统的状态会因为系统特征和能力之间的协同影响而发生变化。然而，对子系统的增量扰动（慢变量）会改变系统组件的特征，影响其抵御冲击的能力（快变量）。在超过阈值之前，会有强烈的正反馈，使系统保持稳定状态。在这一过程中，慢变量会影响系统的吸收能力，而快变量则会改变系统的状态。这两类变量对系统的韧性有不同的影响。例如，一个拥有充足地表水流量的韧性流域可以促进更具韧性的地下水系统，因为它可以提供充足的地下水补给，以补偿气候多变性的影响（Grönwall & Oduro-Kwarteng，2017）。
5.2跨系统级联效应
韧性的级联效应也会出现在人类系统和水系统中。这两个系统的这种效应通常是非线性的，原因是由基本变量及其与其他变量的协同作用所决定的滞后效应，即临界要素之间以及临界要素与非临界要素之间的反馈（Scheffer，2009）。在反馈过程中，水可以同时成为社会生态系统韧性的源泉、干扰的载体和变化的驱动力（Falkenmark，2019）。这是因为水通过多种水文功能和过程为生态和社会系统带来益处。然而，由于水文变化和危机，水也会威胁到社会生态系统的状态（图 38.4）。水系统由基本流量和峰值流量的数量、质量、位置和时间等不同属性所定义，可提供众多水文生态系统服务，包括为自然界和不同的社会经济部门供水、减轻社会生态系统的水害（如减少洪水灾害、旱地盐碱化、盐水入侵和沉积）、为陆地生态系统提供支持服务以及为人类福祉提供精神和美学服务。
外部驱动因素以层层递进的方式对水系产生影响，干扰水文属性、功能和过程。改变后的水文系统会对生态系统结构和功能及其服务产生影响，而这些服务的变化会影响社会福祉、人们对环境变化的价值和认知，以及形成人类行为和活动的制度。作为反馈，社会系统在面对水文灾害和变化时具有韧性，因为社会从过去的事件中获得了经验和知识，从而增强了个人的风险意识。一旦有效的社会学习和社会网络嵌入社区，就能形成与水和谐相处的社会规范和行为偏好，从而进一步提高水文系统的韧性。
水文韧性强调水的水文功能，以保障在人类干扰和气候变异的情况下生态系统服务和人类的利用。水文适应的失败会危及社会对气候事件的适应能力，而水系统的崩溃则可能引发社会和文明的崩溃。这是因为水危机会导致水文功能和服务的丧失，进而导致大多数人类文明所依赖的生物物理系统的崩溃。然而，这并不意味着水越多，水文系统的韧性就越强。相反，水量过多会增加洪水风险，降低水文系统的韧性，尤其是工程和社会基础设施，它们可能无法承受强降水事件。供水的可预测性对于设计成功的适应和管理系统也至关重要。在供水系统中，这不仅需要充足的水量，还需要可接受的水质。众所周知，水质恶化会加速地区之间的冲突。此外，水文功能可通过改变生态系统的完整性及其为社会提供的服务来间接影响社会生态系统。因此，水量过少会导致社会生态韧性下降。例如，蒂卡尔城的人口减少和玛雅文明的崩溃很可能就是社会用水有限和水文易受干旱影响的后果（Kuil等，2016）。然而，水量过多或过少的阈值仍有待确定。在研究多系统韧性的级联效应时，需要平衡许多权衡因素，以避免不可持续的社会-水文相互作用的锁定和路径依赖。
5.3跨尺度级联效应
跨尺度相互作用是指在一个尺度上发生的过程和变化会引起另一个尺度上的变化（Peters等，2004）。在人水耦合系统中，跨尺度相互作用代表了社会、生态和水文变化过程在时间和空间上的动态变化（图 38.5）。在全球尺度上，在几十年或几百年的时间里，人类对地球造成的影响正在推动气候条件的变化，从而导致全球适应和减缓气候变化的呼声。在中间尺度上，除了人类因土地使用决策而对景观造成的影响外，全球变化也改变了生态水文过程和生态系统服务的供应（Isbell，2017）。这些人类影响可能是直接的（如土地利用从一种类型转变为另一种类型），也可能是几十年甚至更长时间的滞后影响。小尺度水文过程通常发生在当地的溪流和河流中，以地块（与周围环境不同的相对均质区域）的形式影响生态系统功能和结构，并受制于当地人和决策者的决策。本土地块可导致区域尺度上的突发动态，地块群可在更大尺度上形成特定景观（Levin，1992）。
观察到的跨尺度现象提出了系统韧性的其他权衡问题：短期韧性与长期韧性，一地韧性与另一地韧性。Gunderson 和 Holling（2001）的《Panarchy：理解人类和自然系统的转变》一书中的分析方法的优势，对这一问题进行了深入研究。跨尺度的相互作用被认为是决定人类和环境系统状态的关键动力，尽管每种类型的机制不同（Rocha等，2018）。一方面，考虑到滞后现象，一个系统的制度转变可能会对另一个系统在不同时间尺度上的制度转变产生级联影响，有时影响范围从几十年到几百年不等。例如，由于个人规避风险和自身利益，全球干旱的加剧和土地利用的变化可能会引发景观和地方生产的长期变化。在未来数年或数十年内，不断增加的水资源压力和其他气候引起的环境灾害可能会导致大量人口流离失所和迁移。此外，抽水井可在短期内（即数月至数年）为农民提供可获取的淡水资源，提高社会系统适应干旱事件的韧性，但由于含水层储量下降，表现为地下水位下降，因此在长期（数十年至数百年）内将威胁地下水系统的韧性。北印度和加利福尼亚就是这种现象的很好例子。
另一方面，地方层面的灾害通常是全球变化的后果。举例说明，地方层面的韧性（如社区韧性）受自然过程响应时间的影响，并受地方社区内生因素所体现的吸收能力的调节。当地的吸收能力是指当地社区利用从过去事件中学到的应对策略成功应对灾害事件的能力。如果当地规模的灾害事件非常严重，以至于当地系统的吸收能力无法抵御，例如龙卷风造成的山洪暴发，那么可能会超过一定的临界值，从而在更大范围内造成灾难性的破坏和损失。有时，这些局部影响可能会扩展到全球层面。例如，2010年俄罗斯的热浪损害了小麦生产，提高了全球粮食价格。同样，局部森林砍伐也会导致雨林-热带草原系统的转变，从而改变亚马逊雨林的区域气候。
诚然，之前提出的框架具有很强的概念性，它描述了在多系统韧性背景下如何产生级联效应。为使其有用，它应在不同地区和相关时空领域进行测试和扩展。在下一节中，我们将以加拿大大草原上的一个盆地为例，说明如何在当地应用该框架来研究跨社会和水文系统的级联效应。
6.人类-水系统韧性的级联效应：加拿大草原案例
加拿大草原属于半干旱地区，其特点是主要由耕地、草地、牧场和湿地混合形成的马赛克地貌（mosaic landscape）。草原景观的一个特点是广泛存在缺乏地表水连接的浅洼地。这些洼地是在该地区更新世冰消期（the Pleistocene deglaciation）形成的，通常与溪流和河流网络在水文上断开。许多洼地都形成了湿地和池塘，但由于该地区气候多变，蓄水量也大不相同（Fang等，2010）。农业对塑造加拿大草原的地貌和水文非常重要，也是经济的主要组成部分。该地区长期以来进行密集的农业排水，导致这些洼地和相关湿地的大面积丧失。对草原水文和生态的研究始于几十年前，而社会层面及其与水系统的耦合则相对较新。特别是鉴于所观察到的干扰和不确定性不断增加，社会-水文系统的韧性需要加以探讨。
史密斯溪流域（SCB）位于加拿大萨斯喀彻温省东南部，是一个典型的草原地区，近年来经历了大量的洼地排水（图 38.6 左）。在盆地的许多地方，由于农民的排水活动，地貌发生了变化（图 38.6，右）。湿地面积从 96 平方公里（占流域面积的 24%）下降到 2013 年的 43 平方公里（占流域面积的 11%；Dumanski 等人，2015 年）。农业排水的社会成本抵消了农民的收益，这些成本包括候鸟湿地的丧失、整个流域洪水的增加，以及下游水质的下降，因为农业生产产生的营养物质被冲到下游，而不是在邻近的湿地进行处理。
加拿大史密斯溪流域的地貌和水系人为改变。右侧两张航拍照片显示的是 2011年 4月积雪迅速融化期间史密斯溪流域的两段土地。上面的地段没有人工排水系统，积水汇集在小而浅的天然洼地中。下图显示了人工排水网络的影响，它清除了土地上的积水，增加了流域的连通性，并增加了下游的流量。
6.1水文系统的变化与韧性
南加州盆地易受洪水和干旱等气候因素的影响。草原盆地中的数百万个池塘可吸收激增的雨水、雪水和洪水，从而降低下游洪水的风险和严重程度。这些池塘为地下水的洼地补给提供水源，并在干旱年份提供更多地表水以支持野生动物的生存，从而为干旱提供对冲（Wheater & Gober, 2013），这些功能保持了流域对气候变异的水文适应能力。南加州盆地对当地农民的湿地排水活动也非常敏感，因为排水改变了水文流和盆地应对洪水和干旱的自我组织能力。具体而言，排水基础设施打通了非汇水区与当地溪流网络之间的联系，并最终与阿西尼宾河和温尼伯湖流域相连。观测和模拟结果表明，南加州盆地春季的水文机制已从以融雪为主的溪流转变为以降雨-径流为主。1995年至2010年间，年溪流量增加了两倍，其中包括 1999 年至 2005 年间的一次严重干旱（Pomeroy等，2014）；春季峰值流量增加，导致2011年发生严重洪水；近年来，在溪流通常干涸的情况下，出现了第二次夏季峰值（Dumanski等，2015）。从 20 世纪 70 年代到 2010 年代，史密斯溪的年流量增加了14倍，但降水量并未随之增加（图 38.7），这是世界上测量到的径流效率最大增幅之一的观察。
洼地排水可增加地表水的连通性，但会减少土地上的池塘数量和下游地区抵御洪水的能力（图 38.8）。水文建模和观测还将农民排水与洪水问题的增加联系起来，并提高了在气候变化情况下产生更严重影响的可能性。现有湿地的全部排水将使 2011年灾难性洪水的峰值增加 78%，年径流量增加 32%（Pomeroy等，2014）。水文系统的变化和湿地的丧失共同降低了水文在气候变化面前的韧性。
图38.8面对气候变异，水文系统的韧性降低。这两张照片拍摄于 2011 年，地点与南加州局的一个水文站所在区域相同：(a) 显示的是夏季无大雨时的河道情况--溪流流经水文站房屋右侧的暗渠；(b) 显示的是春末大雨过后，积雪开始融化，该区域因回水而被淹没，漩涡是进入现已被淹没的暗渠的溪流。
6.2生态系统服务和社会韧性的变化
在适应不断变化的水文系统时，水文韧性的丧失会导致级联效应和社会韧性的下降。排干湿地会导致生态系统服务和社会对气候多变性和水文灾害的韧性丧失。在这种情况下，韧性可被视为社会和生态系统的资本（Walker等，2010）。通过排水活动改变湿地蓄水量将改变社会-水文韧性，因为这将改变水文系统，减少湿地为人类和水系统提供的调节服务，如洪水控制和营养吸收。简而言之，湿地储量的减少会降低社会生态系统在洪水和干旱面前的吸收能力和适应能力（图 38.9）。减少每单位的湿地存量会增加洪水破坏的可能性，而湿地的持续丧失则会导致系统易受强径流事件的影响。
图38.9这三张照片于 2011年5月拍摄于南加州理事会的同一地区：（a）和（b）显示了农民如何通过使用简单的木板来阻挡从邻近土地排出的水，从而保护自己的土地。然而，随着上游来水量的增加，木板的适应性失效，导致路面翻浆，如（c）所示。
此外，由于地貌改造，农田上几乎没有剩余的本地蓄水量，不受管制的排水沟将水从一个本地洼地输送到另一个洼地，对终端洼地周围的邻近农田和社区造成洪水破坏。潮湿的水文条件因土壤湿度而对农田造成损害。当地社区能够根据他们的记忆和经验适应变化的环境，但当极端水文事件发生时，他们的适应能力就会失效，例如2014年7 月南加州局部降雨造成的洪灾，在小溪通常干涸的季节，降雨径流过程产生了有史以来最高的溪流峰值，而30年前的溪流峰值仅为现在的15%。当地农民没有做好应对此类突发事件的准备。当这种情况发生，人们受到负面影响时，有关土地和水资源管理的科学和公共讨论有助于提高社会适应能力。
7.结论
人类的影响已成为改变水系统动态的主要力量。虽然新兴的社会水文学领域已努力将人的因素作为内生因素纳入水文模型，以模拟人类在整个水文循环中的作用，但水系统中人与环境要素之间的相互作用和反馈有可能使耦合系统超过临界阈值并导致制度转变。因此，管理人水耦合系统的关键之一是避免在快速变化和高度不确定的环境中发生临界转换。韧性可以成为应对这一问题的强有力的系统思维方式。它强调系统的非线性动态、阈值的存在、不确定性以及跨时空尺度的人类与自然系统之间的反馈回路（Folke，2006）。然而，将韧性纳入社会-水文研究仍是一个新课题。
在将韧性引入社会-水文研究时，鉴于河流水文正在发生变化，必须考虑一些紧迫问题，这些问题包括：如果水文条件的变化导致农业生产模式的改变，甚至导致农民的重新安置，那么农业系统是否存在替代制度，以及两者之间是否存在临界点（临界阈值）；在涉及社会-水文韧性及其建模时，是否应将生态作为边界条件；不同的政策制定是否以及如何改变人们的行为，从而进一步影响水文系统并避免系统越过临界点；以及如何检测可能由水文变化引起的不良制度转变的早期预警信号。
此外，还需要在极度不确定的情况下做出明智的决策，这可以从跨学科研究以及实施适应性水治理中受益。水资源管理涉及到对人的管理，以及人对水文系统如何发挥作用的态度、需求、价值观和信念。继续促进跨学科和多学科研究是适应这种不确定性和变化的一种可能方式。汇集不同学科的水研究将有助于人们理解复杂的人类与水问题并评估不确定因素。多学科研究让各利益相关方参与进来，分享价值观和知识，将提高人们对当前水资源状况、未来可能出现的状况的认识，并为科学和政策制定提供信息，使其了解在不断变化的环境中更好地生活的实际需要。此外，适应性水资源治理和管理应通过学习过程（或周期）加以改进，并考虑到不同种类的不确定性（Pahl-Wostl等，2007）。例如，应建立灵活的管理和治理，以便在决策过程中学习和应对不确定性。这意味着治理和管理系统必须具有灵活性和适应性，以应对新信息。需要考虑的不确定性不仅来自环境，还来自经济、社会和政治变化。
为了帮助理解这些模式并应对不确定性，我们在本章中引入了社会水文学的概念，以研究人类-水耦合系统中韧性的级联效应。我们首先定义了社会-水文韧性，然后提出了一个概念框架，以探讨水文系统或人类系统韧性的变化如何相互影响。在这一框架中，我们认为多系统韧性的级联效应可能在三种情况下发生：系统内部的级联效应、跨系统的级联效应以及跨尺度的级联效应。在每种情况下，我们都建议将生态系统服务作为关键视角，以了解水系统韧性的变化如何对社会系统的韧性产生协同效应，反之亦然。我们以加拿大草原上的一个流域为例，说明水文韧性如何因人类干扰影响农业排水而发生变化，以及水文韧性的变化如何通过改变生态系统服务条件而影响社会韧性。我们建议在此框架基础上建立社会-水文模型，以更好地描述人水耦合系统的动态级联机制以及相关系统的韧性。
关键信息
本文由朱安淇和郑欢翻译编辑。朱安淇本科毕业于中山大学人类学系，目前在中国人民大学环境学院读研；郑欢毕业于德国弗莱堡大学全球研究硕士和澳洲国立大学环境研究和社会学学士，目前从事韧性城市发展和气候适应领域工作。
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