生態恢復中生態系統服務的演變：趨勢、過程與評估

張 琨,呂一河,*,傅伯杰

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

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生態恢復中生態系統服務的演變：趨勢、過程與評估

張 琨1,2,呂一河1,2,*,傅伯杰1,2

1 中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085 2 中國科學院大學, 北京 100049

經過10余年的發展,生態系統服務已經成為生態恢復研究關注的前沿和熱點。生態恢復改變了生態系統格局與過程,對生態系統服務的產生和提供具有重要影響。但是目前對于生態系統服務在生態恢復過程中的演化仍缺少系統性研究。對國內外相關研究的最新成果進行綜述,總結了生態系統服務評估中框架的構建和方法的選擇(參數轉移法、系統模型法和定量指標法),介紹了生態恢復對生態系統服務的促進作用、生態系統服務的演變過程以及不同生態系統服務間的協同與權衡關系,分析了社會經濟因素對生態恢復和生態系統服務維持的影響。最后結合我國生態恢復實踐,提出未來生態恢復和生態系統服務研究可以從深化作用機制研究、推動服務評估創新、增強研究成果應用3方面深化和拓展。

生態系統；生態恢復；生態系統服務； 生態系統服務評估

生態系統服務指人類從生態系統中獲取的利益,包括支持服務、供給服務、調節服務和文化服務四類,是人類社會賴以維持和發展的重要基礎[1- 6]。隨著人口規模的增加和社會經濟的發展,資源需求大幅上升,生態系統的開發強度不斷升級。長時間高強度的開發導致生態系統退化現象出現,表現為水土流失、植被退化、水體污染等。生態退化使得生態系統服務出現惡化和退化。聯合國千年生態系統評估計劃(Millennium Ecosystem Assessment, MA)在報告中指出,在其評估的24項全球生態系統服務功能中,有15項處于退化或不可持續利用的狀態[6]。生態系統服務的喪失對人類福祉產生嚴重影響,并對區域乃至全球生態安全構成直接威脅[7-8]。生態恢復是通過人為干預,啟動或促進退化生態系統恢復進程的活動,被認為是應對生態退化,改善生態系統服務的有效手段。近年來,生態系統服務逐漸成為生態恢復的焦點[9-10],受到廣泛關注。2010年,生物多樣性公約締約方大會在《2011—2020年生物多樣性戰略計劃》明確提出,到2020年,對產生重要服務的生態系統給予恢復和保障,恢復至少15%的退化生態系統,增強碳存儲能力(目標14和15)。2012年,在聯合國環境規劃署的主導之下,生物多樣性和生態系統服務政府間科學政策平臺(Intergovernmental Platform on Biodiversity and Ecosystem Services,IPBES)正式由聯合國批準成立。IPBES的成立將進一步推動生態恢復過程中生態系統服務演變機制的探索,加強科學和政策間的互動,促進科學研究向管理實踐的轉化(http://www.ipbes.net)。本文通過綜合國內外關于生態恢復以及生態系統服務的最新研究進展,對生態恢復中生態系統服務演變的趨勢、過程以及評估進行評述,以期為相關研究及規劃管理提供理論參考。

1 生態系統服務評估

1.1 評估框架

構建合理框架對生態系統服務進行評估是生態恢復中生態系統服務演變分析的基礎。生態恢復過程是人為和自然共同作用下的演替過程,其間產生的生態系統服務類型多樣,同時各服務通過生態過程產生聯系,表現出非獨立且非線性的特點[11]。服務間的聯系使得服務評估過程中產生種種問題,重復計算(double counting)現象即為其中典型。

重復計算現象指在多個生態系統服務間存在重疊的情況下,對單項服務分別評估并直接相加,導致重疊部分被多次統計的現象。重復計算會增加評估結果的不確定性和不可信性。目前學者對如何在評估框架中減少重復計算進行了探討,如Trabucchi等指出在生態系統服務分類過程中將過程與服務相混雜,分類結果無法為決策者所用,并導致潛在重復計算的發生[12]；傅伯杰等進一步歸納指出,造成重復計算的原因包括生態系統服務分類不清晰、生態系統復雜性理解不到位、各項服務之間的互補性和排它性認識不充分、忽略時空尺度依賴性以及評價方法選擇不當,而減少重復計算則需要在框架構建過程中注意: ①判明生態系統服務時空尺度,②衡量生態系統服務提供的最終收益,③構建明確的生態系統服務分類體系,④選擇與研究內容相契合的評價方法[13]。

隨著研究的深入,通過生態系統服務管理實現可持續發展目標的觀點受到越來越廣泛的認同,對生態系統服務評估結果的應用性和實踐性關注不斷提高[14- 16]。要滿足管理者的實際需求,就需要解決生態系統要素與服務之間的數據空缺(data gap)。對此,Wong等提出利用生物物理模型評估生態系統要素、基于末端受益識別最終服務、利用生態生產功能(ecological production functions)作為二者聯系的橋梁,明確服務間的權衡關系,并基于該理論提出了由10個步驟構成的評估框架。框架分為兩個階段,階段一包括人類福祉識別、生態系統最終服務識別、生態系統最終服務指標確定、生態系統特征指標確定4個步驟；階段二則包括生態系統最終服務指標評價、生態系統特征指標評價、生態生產功能評價、生態系統服務權衡與協同評價、生態系統服務制圖、情景模擬6個步驟[17]。

1.2 評估方法

目前生態系統服務評估方法大致可分為3類：參數轉移法、系統模型法以及定量指標法。參數轉移法是在空間大尺度上進行生態系統服務評估的常用方法。該方法是利用生態系統服務價值參數以及空間變化特征[18],根據相似區域評估結果計算研究區服務價值[19]或根據小區域評估結果估算大區域價值總量[20],即包括橫向的參數轉移和縱向的尺度上推。受到數據可達性的制約,在應用中價值參數多通過相關文獻的meta分析獲取,空間變化特征則通過土地利用數據表達。由于參數轉移法是基于經驗模型而來,因此存在著忽略空間異質性、生態系統服務實現機制分析不足等問題。系統模型法是從生態系統服務產生的基礎出發,整合生態學、地理學、經濟學等多學科知識形成的系統評估方法。發展至今,開發并投入應用的評估模型已達到17種,主要包括INVEST模型、ARISE模型、MIMES模型等[21]。各模型中應用最廣泛、認可度最高的為生態系統服務及權衡綜合評估模型(INVEST模型)[22]。INVEST模型采用分層設計、階段性開發,模型結構分為0—3層,其中0層評估生態系統服務的相對價值,后3層則進行絕對價值評估。INVEST模型應用領域廣泛,涵蓋碳存儲和固定、水能、水質凈化、泥沙滯留等各個方面[23- 28]。此外,生態系統人工智能模型(ARISE模型)和多尺度地球生態系統綜合模型(MIMES模型)也是應用較為廣泛的系統模型,前者是以空間貝葉斯網絡為核心的網絡化分析模型,著眼于生態系統服務的流量和路徑分析[29]；后者則是通過模擬地球表層經濟、社會及生態演變來分析生態系統服務的時空變化[30]。

雖然上述模型在構建過程中已經對生態過程進行了一定程度的簡化,但模型的運行依然涉及眾多參數,需要大量數據的支持,一方面限制了評估結果的更新,另一方面對模型在數據相對匱乏地區的應用帶來制約。因此學術界希望能夠在保證生態系統服務空間分布準確性的前提下,根據生態系統要素特征設計簡要算法。Egoh等在北非地區開展的研究中發現,植被初級生產力與生態系統服務表現出較強的正相關關系,這主要是因為初級生產力分布格局形成的驅動因子同時也對多項生態系統服務具有重要影響。因此可以將初級生產力視作生態系統服務分布的替代指標[31]。基于此,以凈初級生產力(NPP)為核心設計出了生態系統服務評估的定量指標模型。與INVEST等評估模型相比,該模型涉及參數明顯減少(表1),數據可通過遙感手段及時獲取,利于大尺度生態系統服務動態監測的開展。特別是隨著遙感技術的進步,NPP數據精度不斷提高,為模型結果提供了進一步保障[32]。Maria等在阿根廷的研究證明,定量指標模型能夠滿足區域尺度的生態系統服務研究需求[33]。

2 生態恢復中生態系統服務演變趨勢與過程

2.1 生態系統服務演變趨勢

對于發生退化、損害、轉化甚至完全破壞的生態系統,生態恢復能夠從物種組成、生態系統功能、景觀環境和生態系統穩定性四方面對其產生作用,改變生態系統的結構、功能及自我維持能力[9]。可見,生態恢復能夠作用于生態系統的各個方面,對生態系統服務會產生重要影響。

關于生態恢復中生態系統服務的演變,越來越多的證據表明,生態恢復措施對生態系統服務的恢復提升具有促進作用[12],如Koch和Hobbs 等證實在西澳洲實施的紅柳桉樹林恢復項目使得區域碳固定和水源涵養能力得到顯著改善[34]；Clements等認為,得益于消除重金屬點污染源等措施,阿肯色河流域的水質凈化服務和飲用水供給服務也在生態恢復工程中顯著提高[35]；Marton 等分析了美國濕地保護項目(WRP)和保育休耕項目(CRP)等生態恢復項目的實施成果,證明通過在濕地和濱岸緩沖帶實施生態恢復,由于農業開發而喪失的水質凈化服務得以恢復[36]。Rey Benayas等在綜合全球89個生態恢復案例的基礎上進行meta分析,結果顯示生態恢復與生態系統服務呈正相關關系,能夠促使生態系統服務恢復25%,尚未達到退化前水平[10]。Dodds等對美國本土生態恢復效果的評價也得到了類似的結論,評估表明恢復實施10年間生態系統服務提高幅度在31%—93%之間[37]。生態系統類型對生態系統服務演變有一定影響,如濕地生態系統在生態恢復中支持服務和調節服務增幅分別為40%和47%[38],而農業生態系統(耕地和牧草地)恢復效果則高于前者,調節服務表現得尤為明顯(42%和120%)[39]。此外,退化主導因素、恢復方法設計等也會對恢復效果產生影響[38]。值得注意的是,雖然在個案分析中生態系統服務演變與恢復年限可能表現出一定的相關性,但是有研究提出在總體上看,生態系統服務恢復成果與恢復年限無關,Meli等認為,生態系統服務的恢復更可能與恢復過程所需時間、恢復措施實施頻率等因素有關[38-39]。中國自1999年起開展的退耕還林還草工程是發展中國家規模最大的生態恢復項目。退耕還林工程的實施能夠提高植被覆蓋、減少地表徑流、控制土壤侵蝕、降低河流沉積和養分流失,從而從根本上改善生態系統服務[40]。黃土高原是退耕還林的重點區域,Feng等證實2000—2008年黃土高原地區NPP穩定增加,碳固定服務提升明顯,固碳量增加96.1Tg,由碳源轉為碳匯,而退耕還林還草的實施是黃土高原生態系統服務改善的主要驅動因素[41]。

2.2 生態系統服務演變過程

生態恢復改變了生態系統格局和過程,使得生態系統服務的產生和提供發生變化。在這一過程中,不同服務類型的演變過程有所差異。隨著植被的恢復生長,生態系統的供給服務(木材供給、糧食生產等)和調節服務(碳固定、水質凈化等)逐漸恢復；在生態系統的結構(包括形態結構和營養結構)與功能(生物生產、物質循環、能量流動、信息傳遞)得到一定程度完善的基礎上,支持服務得以改善并發揮作用；由于人對景觀的主觀感受對文化服務有重要影響[42],因此文化服務的恢復較其他服務類型存在一定的滯后。但是對于生態系統受損較重,需要采用取客土等方式進行物理環境改造的案例,可以認為其生態恢復過程中,生態系統服務的演變遵從Whisenant等提出的閾值模型[43],即首先通過人為干預克服非生物因素閾值,實現支持服務的部分恢復,之后隨著生態系統結構的完善,克服生物因素閾值,促進調節服務和供給服務的恢復,最后在恢復成果得以維持的前提下,實現文化服務的恢復。上述趨勢在Ciccarese等的研究中得到了一定的驗證[44]。就單項生態系統服務而言,不同生態系統服務的演變格局和軌跡具有顯著差異。Bullock等指出,單項生態系統服務的演變情形較為復雜,相對于參照生態系統,其演變軌跡包括漸近變化、線性變化、單峰值變化以及隨機變化。不同軌跡可能共存于同一個生態恢復項目中[45]。

2.3 生態系統服務相互關系

近年來,生態系統變化過程中生態系統服務間的相互關系逐漸受到學術界的關注[46- 51]。在生態恢復過程中,生態系統服務的相互關系受到外部和內部作用的共同影響,外部作用表現為恢復措施同時作用于多項生態系統服務,改變了服務的產生基礎；內部作用則是服務間存在的交互作用(包括單向作用和雙向作用)[52]。生態恢復過程中,生態系統服務的相互關系主要表現為協同和權衡。協同指服務間的演變趨勢相同,多項服務共同增強或減弱；權衡則指服務間的演變趨勢相異,一類服務的增強導致另一類服務的削弱。生態系統服務的協同和權衡可以分為空間和時間兩方面,但在時間上常表現出一定的滯后性,而在空間上表現得相對明顯[53]。目前已經有學者開始對生態恢復中的權衡和協同進行研究,如Jia等從以陜西省退耕還林區為例,分析生態系統服務在生態恢復過程中的協同與權衡[40]。其結果證明退耕還林工程改變了供給服務和調節服務的均衡,加強了供給服務和調節服務間的交互作用,在退耕還林影響下調節服務間表現出協同,而調節服務與供給服務間則表現出權衡；不同土地利用類型的協同和權衡強度存在差異,協同作用在林地最為顯著,權衡作用則在灌木中最明顯。生態系統服務權衡對于生態恢復目標設計和成果維持具有重要價值[53- 55]。關于生態系統服務權衡的識別和評估,近年來也取得了一系列成果。如Pan等提出,可以從NPP變化量的角度設計生態系統服務權衡分析框架,根據NPP在供給服務和調節服務間的分配變化分析權衡情況[56]。Raudsepp-Hearne等將頻繁共同出現的生態系統服務集合定義為生態系統服務簇,并將其應用于生態系統服務協同和權衡識別[57]。饒勝等引入極值法構建的生態系統服務權衡模型也在分析中取得了較好的效果[58]。

3 社會經濟對生態系統服務維持的影響

生態恢復活動改善了生態系統,為維持生態系統服務提供了自然基礎。但是在環境、社會和經濟的耦合過程中,利益相關者的態度和策略同樣會影響生態恢復的可持續性,繼而影響生態系統服務水平的維持。生態系統服務對收入的影響是決定利益相關者態度的重要因素。供給服務與調節服務間的權衡,使得生態恢復促進調節服務的同時,造成供給服務的降低,對居民收入產生負面影響。收入波動驅使居民對恢復區重新開發,影響生態系統服務恢復的持續性[59]。我國寧夏省西吉縣曾經在聯合國援助下,開展大規模植樹種草,共增加林草10.4萬hm2。但是由于恢復植被短期內無法產生經濟效益,當地居民毀林復耕,僅3年時間林地和草地損毀率就達到47%和80%[60]。除收入外,居民對周邊生活環境的需求也對生態系統服務維持有重要影響。如在美國薩克拉門托河流域生態恢復中,恢復區周邊居民投票決定將恢復規模由86000hm2大幅縮減至32000hm2,原因就是居民認為生態恢復措施對其生活環境帶來了負面影響,包括害蟲棲息地增加、動物對農田損害、農場文化喪失、治安惡化等[61],對恢復區的再次開發也會削弱生態系統服務的產生基礎。

上述現象的出現,其根源在于生態恢復過程中收益的尺度依賴性[13],即形成服務的生態尺度與產生收益的空間尺度之間存在差異[62]。不同空間尺度上的利益相關者,其在各類生態系統服務上的利益差別明顯,導致對各生態系統服務類型持有的態度和采取的策略差異顯著。一般來說,調節服務和文化服務上的收益體現在大尺度(區域尺度及以上),而供給服務的收益則主要在小尺度上得以體現。服務間的權衡以及大尺度收益對小尺度損失補貼的不足,造成了在生態恢復中,大尺度上利益相關者享受收益,而小尺度上利益相關者承擔成本的局面。生態補貼被認為是協調不同尺度利益沖突的有效手段,生態系統服務的價值化評估成果可以作為補貼標準確定的重要依據,此外Banks-Leite等提出的基于生態閾值確定補貼的思路也具有很高參考價值[63]。除生態補貼外,還可以嘗試引入新的補償機制,如Polasky等2014年基于拍賣理論設計了不同利益相關者之間的支付制度[64],有效降低了利益信息不完整對補貼標準設置的影響,保障了生態系統服務的供給優化。

4 研究展望

經過數十年的發展,生態恢復由初期單純關注生態效益轉為兼顧社會需求和經濟效益。在這種情況下,生態系統服務作為生態功能與人類福祉間的橋梁,受到學術界越來越高的關注。同時,明確生態系統服務時空演變,確定生態恢復效果和收益,也是我國推進生態文明建設戰略的實際需求。關于生態恢復和生態系統服務,我國學者已經開展了一系列相關研究,內容涵蓋不同的尺度和生態系統類型。高吉喜等對我國大型生態恢復工程實施現狀和存在問題進行綜合評述,提出未來我國生態恢復工程應當以生態功能為導向,將生態功能作為生態恢復的主要目標[65]。Zhang等總結了我國生態系統服務的研究歷程,指出未來需要在生態系統服務定義與分類、生態系統結構與功能關系、生態系統服務評價方法及指標的標準化、生態系統服務時空變化四方面進一步深化研究[66]。但是,目前針對生態恢復和生態系統服務間的作用與響應,仍缺少系統性、整體性分析。我國未來相關研究可以從以下3個方面展開：(1)深化生態系統服務的產生機理和演變機制研究,基于動態視角分析生態恢復中生態系統結構、功能和服務間的關系,明確生態系統服務演變趨勢、過程、相互關系及主要驅動因素。政策導向下長時間大規模的生態恢復工程是我國生態恢復的重要特征,其在各尺度上對生態系統服務造成的影響也需要在未來的研究中予以關注。(2)在深刻理解生態過程與功能的基礎上,結合我國生態恢復和生態建設實踐,推動生態系統服務評估框架與方法模型的開創性和集成性創新,增強評估結果與我國生態恢復實踐的契合度,提高我國系統服務研究水平和國際影響。(3)加強生態系統恢復和生態系統服務相關研究成果在實踐中的應用,將生態系統服務納入生態恢復的設計、實施和管理全過程,將其作為生態恢復規劃、物種選擇、生態補償方式及標準設計等的依據,促進生態恢復項目的科學實施和可持續管理。

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Ecosystem service evolution in ecological restoration: trend, process, and evaluation

ZHANG Kun1,2, Lü Yihe1,2,*, FU Bojie1,2

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentScience,ChineseAcademyofScience,Beijing100085,China2UniversityofChineseAcademyofScience,Beijing100049,China

Ecosystems provide essential goods and services to human society, such as food, water, soil retention, and carbon sequestration, which lay the foundations for human well-being. An increase in the scale and intensity of human activity alters the ecosystem services′ supply and demand pattern, and this can lead to ecological degradation. Ecological restoration has been widely regarded as an effective approach for mitigating ecological degradation and improving ecosystem services supply. Over the past few years, ecosystem service research has become an important topic in ecological restoration. Ecological restoration can change ecosystem composition, structure, and processes, which affects the provision and delivery capability of ecosystem services. However, the effects on ecosystem service evolution during ecological restoration have not been systematically researched. This review analyzes the ecosystem services evolution in ecological restoration practices based on new advances in ecological restoration and ecosystem services. Framework establishment and method choosing (including parameter transfer, systematic modeling, and quantitative, indicator-based estimation) have significant influences on ecosystem service evaluation. There is evidence that ecological restoration has positive impacts on ecosystem service increases, but the processes involved are relatively complicated. In the ecological restoration process, a trade-off and synergy interrelationship exists between different types of ecosystem service. Socio-economic factors, especially the attitudes and choices of stakeholders, may affect ecosystem service maintenance. Over the past decade, the Chinese government has implemented a series of ecological restoration projects to alleviate ecosystem degradation. The ecological restoration projects play important roles in environment protection and ecological improvement. After taking into consideration present ecological restoration implementation practices in China, future research into ecological restoration and ecosystem service should aim to improve (1) the understanding of the production and delivery mechanisms underlying ecosystem services; (2) the innovation in framework establishment and method of ecosystem service evaluation; and (3) the application of research findings to ecological restoration practice and environment management.

ecosystem; ecosystem restoration; ecosystem service; ecosystem service evaluation

環保公益性行業專項(201409055)；中國科學院科技促進發展項目(KFJ-EW-STS-021-03)

2015- 04- 03;

日期:2016- 01- 22

10.5846/stxb201504030668

*通訊作者Corresponding author.E-mail: lyh@ rcees.ac.cn

張琨,呂一河,傅伯杰.生態恢復中生態系統服務的演變：趨勢、過程與評估.生態學報,2016,36(20):6337- 6344.

Zhang K, Lü Y H, Fu B J.Ecosystem service evolution in ecological restoration: trend, process, and evaluation.Acta Ecologica Sinica,2016,36(20):6337- 6344.