农业多样性管理决策的临界点

引言

生态系统和社会系统都可以因跨越临界阈值而突然改变状态。这些临界阈值（''临界点''或一个系统的小扰动可引发大反应的状态）已引起学术界和公众的广泛关注。在社会生态系统中，人类行为影响着生态过程，而由此产生的生态变化产生了反馈，改变了未来的管理行动。在探索社会生态系统的时间成本方面，农业是一个特殊的案例，因为在这些系统中，对管理行动的许多生态反应（如种植树篱或在土壤中积累有机物）的过程十分漫长，往往需要数年时间才能返回生态和或财务效益，这可能超过投资规划的时间框架。此外，虽然农业经常被认为是人为生态变化的主要驱动力，但不同类型的农业对生态系统的影响完全不同。有些农业形式依靠促进生态过程，使生态系统服务再生以提高生产力，而且投入密集度较低（多元化农业系统），而其他农业形式则主要依靠外部投入，如化肥和杀虫剂，这通常会使周围的水、土壤和空气质量下降。本文将通过来自加利福尼亚州立大学的实验研究，讨论如何帮助农民过渡到可持续农业。

作者：吴昊（University of Portsmouth）

记得在高中读书时，有一个很有趣的现象：会有很多学生突然“柳暗花明”，用很短的时间从一开始的成绩并不突出到名列前茅。人们愿意称为“学明白了”，也有人称这是厚积薄发的结果。在我看来，后者的说法更有理有据，好像是一个临界点，经过不断的努力，一旦跨越临界点，马上引起了巨大的改变。那么，相信每一个人都会好奇何时才能达到这个临界点呢？其实，在农业系统同样适用。加利福尼亚州立大学为了帮助农业过度到可持续发展阶段，设计实验来研究如何达到生态服务状态的临界点及其影响因素。该实验表明，土壤耕作系统的多样化通常会形成两种稳定的模式。一种是比较单一，传统的做法，而另一种比较多样化的做法。那么如果找到这个临界点，就能提供更有效的干预措施，并促进农民向着可持续农业过渡。

通过实验观察农民的连续行为发现，在生态服务状态达到临界值的时候，最优决策策略显示出了一个临界点。在这个最优决策策略，农场发展呈现了“双峰”状态，也就是说一些农场过渡到了更简化的传统系统，而另一些农场过渡到了更多样化的系统。

另外，本实验通过研究了时间动态的影响。随着时间变化和人类对自然的相互作用，实验对象呈现了一个成本效益比区域，其中存在各种决策临界点和双峰生态系统的状态分布。直观来说，在成本效益比足够低（赚钱）的情况下，双峰模式消失了，因为该情况下农民总会投资；在成本效益比足够高（赔钱）的情况下，双峰模式也消失了，因为预计农民总会撤资。就像有一只无形的手，在维持着生态的相对平衡。然而，在一系列成本效益比内，改变决策的时间范围和生态过程的速率，也会改变收益成本的比率。比如，缩短决策的时间或提高生态过程的周期，可以使得投资变得更有价值。

（对于三种情景（人类和自然系统的耦合、过度短视的决策者和过度快速的生态变化），成本效益比在40个值中逐步变化，用颜色的阴影表示，宽度为0.15的c:b范围，包含了 "从不投资 "到 "总是投资 "政策之间的转变。上图显示每个c:b的最终（t = 20）生态系统服务状态的分布。下面的图显示了密度曲线的峰值。下图中观察到的重叠部分表示与双稳态相关的c:b比率。(A-C)通过将(A)一个前瞻性的决策者（例如，一个考虑到长期潜在利益的农民）和一个缓慢适应的环境结合起来，可以出现象交替稳定状态的复杂动态（见于红色虚线之间的成本-效益比率）。在这种情况下，所有的成本效益比都不存在双稳态（即在一个足够高的成本效益比下，不会出现采用，导致单一的低功率状态）。）

总的来说，生态系统的临界点出现在前瞻性决策（即农民考虑长期的潜在利益）和缓慢出现的生态结果之间的时间互动。通过研究表明，农民在已知时间已经有了稳定的收入，他们可能会决定值得尝试并坚持一个新的措施。而这个措施可能在许多年内都不会带来可观察到的好处。此外，农民做出长期承诺所带来的交易成本的降低，虽然没有在我们的模型中体现出来，但这只会进一步表明与集中激励相比，持续激励的效果更高。一位农民解释说。“我用了五年的时间，大概也就是5到10个作物的周期，当然这取决于你的作物。如果你有很好的土壤，就可以很快看到收获，比如有人可能会在一两年内看到一些非常显著的好处，但是在我看来，土壤的变化不是立即的。你的土壤不会马上做出巨大的改变。所以，如果你开始做一些减少耕作，使用更多的覆盖作物，同时有一个良好的堆肥来源，并开始结合这些做法，我肯定你会在五年内得到巨大的变化。”这一发现与政府扶持计划的设计特别相关，并表明当在较长的时间范围内分配时，较小的支付可以非常有效地鼓励采用多样化做法（或其他促进生态系统服务的做法）。如果考虑到适度的折扣率，在较长的时间范围内的小额支付也构成了政府较低的总成本。然而，激励项目的时间长度与扶持结束后土地管理者行为变化的持久性之间的关系仍不清楚。总之，通过将访谈数据与在一个典型的社会生态系统模型中捕捉复杂时间动态的建模方法相结合，我们对重要的农业管理模式及其对生态结果和公共政策的影响进行了深入研究。虽然临界点在包括农业在内的整个社会生态系统文献中得到了广泛的研究，但我们为这些临界点提出了一种新的机制，对系统特定行为的假设最小。根据模型表明，通过降低实践成本来促进农业可持续性和生态系统服务的可行性，虽然它们通常具有连续但有时间限制的性质。如果长期持续的激励措施，即使只覆盖部分采用成本，也可能比更集中的短期激励措施更有效地将农民从简化的生态状态转移到多样化的状态。

总的来说，本实验得到了改变土壤耕作系统的临界点，也就是说帮助农民找到了更好的方式耕作方式—更可持续化更高效的方式。但这不是一个短期的事，需要长期持续的培养，并更有效的控制时间成本和干预措施。幸运的是，就像上文所述，政府的扶持政策与这一结论相关。虽然还需要改进，但可以肯定的是，通过实验模型和农民的实操，会让土壤得到更好的耕作方式。

Reference:

Melissa Chapman, Serge Wiltshire, Patrick Baur, Timothy Bowles,1 Liz Carlisle, Federico Castillo, 

Kenzo Esquivel,  Sasha Gennet, Alastair Iles,  Daniel Karp, Claire Kremen, Jeffrey Liebert,  Elissa M. Olimpi, 

Joanna Ory, Matthew Ryan,  Amber Sciligo,  Jennifer Thompson,  Hannah Waterhouse, and Carl Boettiger.(2022). Social-ecological feedbacks drive tipping points in farming system diversifification. One Earth. https://doi.org/10.1016/j.oneear.2022.02.007.

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