湖泊生態服務受益者分析及生態生產函數構建

江　波, Christina P. Wong, 歐陽志云,*

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 亞利桑那州立大學, 可持續發展學院, 美國亞利桑那州　85287

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湖泊生態服務受益者分析及生態生產函數構建

江波1, Christina P. Wong2, 歐陽志云1,*

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 亞利桑那州立大學, 可持續發展學院, 美國亞利桑那州85287

摘要:生態系統服務管理作為生態系統管理的優化方式，是生態學研究的前沿方向。湖泊生態系統服務管理是指綜合利用生態學、經濟學、社會學和管理學等學科知識，對影響湖泊生態系統結構、過程、功能的關鍵因子進行調控，提高湖泊生態系統服務供給水平和供給能力的過程。近年來國內外學者針對湖泊生態系統服務內涵、分類、經濟價值評估等方面開展了大量研究，極大地促進了湖泊生態系統服務從認知走向管理實踐。然而，現有研究在開展湖泊生態系統服務價值評估時多忽略生態系統服務受益者和生態系統特征對生態系統服務的邊際影響分析，無法揭示生態系統服務空間流動和轉移特征及生態系統服務時空權衡關系，制約了生態系統服務研究與管理決策和政策設計結合。在綜述湖泊生態系統服務定量評估方法的基礎上，認為通過生態系統服務受益者分析確定湖泊生態系統最終服務，并通過構建生態生產函數確定湖泊生態系統服務權衡關系及湖泊生態系統特征對生態系統最終服務的邊際影響，是生態系統服務走向管理實踐和政策設計的科學依據，可以確保生態、社會、經濟可持續發展。

關鍵詞：湖泊生態系統；最終服務；受益者分析；生態生產函數

湖泊是維持人類生存和可持續發展的重要生態系統。我國有2759個面積大于1km2的湖泊(其中1/3是淡水湖泊)[1- 2]， 為我國提供了多項生態系統服務。然而，湖泊水體循環速率慢，極易受到地方性或區域性污染物排放的影響[1]，對干擾會做出非線性響應并具有一定時滯效應。在外界干擾超過一定的閾值時，湖泊能很快從一種狀態(如：貧營養化)越變為另一種狀態(如：富營養化)，湖泊管理極為困難[3]。近幾十年，我國經濟的快速發展加劇了湖泊水體水質污染和水資源過度開發，湖泊富營養化現象越來越嚴重。湖泊富營養化導致藍藻大量繁殖，嚴重削弱了湖泊水資源供應能力，由此導致的直接經濟損失高達幾十億元[2]，對我國社會經濟可持續發展造成了嚴重威脅。最近對我國67個大型湖泊的調查顯示，80%的湖泊水質為IV- 劣V類[4]。此外，我國湖泊面積縮減現象也極為普遍，僅過去半個世紀就有243個湖泊消失[5]。湖泊水面面積下降和水環境問題已成為我國局部尺度、區域尺度和國家尺度的重要環境、經濟和社會問題。

湖泊生態系統服務管理是綜合運用生態學、經濟學、社會學和管理學等學科知識，通過湖泊生態補償和生態系統保護規劃，對影響湖泊生態系統結構、過程、功能的關鍵因子進行調控，提高湖泊生態系統服務供給水平和供給能力的過程[6- 11]。隨著湖泊生態系統理論研究的不斷深入和湖泊生態系統服務認知的不斷提升，湖泊生態系統研究已從生態系統健康評價[2,5,12- 14]向生態系統服務優化管理方向發展。過去20年，國內外學術機構在生態系統服務內涵、評估框架、模型應用等方面作了大量的探索和嘗試，為我國湖泊生態系統服務研究快速發展奠定了基礎。然而，國內研究仍集中于生態系統服務總經濟價值評估[15- 16]，鮮有研究探討生態系統服務的生態學形成機理[17]和受益者空間分布特征[18- 24]、生態系統服務空間流動和轉移特征[24- 27]、生態系統和人類福祉關系[7,28- 30]、生態系統服務權衡關系[31- 39]。我國主要采用以下3種方法評估湖泊生態系統服務：(1)列舉湖泊生態系統提供的所有服務[40](包括中間服務和最終服務)，選取相應的生態屬性指標[18,21]或效益指標，評估生態系統服務物質量和價值量；(2)以土地利用和土地覆蓋為替代數據，直接采用效益轉化法[41- 42]評估生態系統服務物質量和價值量[43]；(3)基于生態系統服務評估模型，模擬不同土地利用和土地覆蓋情景下生態系統服務物質量和價值量權衡關系[44]。這3種方法從提高利益相關者生態系統服務認知走向管理決策和政策設計面臨著多方面挑戰，包括：(1)湖泊生態系統服務價值重復計算[19, 21- 22, 45]，評估結果可信度不高；(2)評價指標和評估方法多樣化，評估結果不具可比性且不可尺度擴展；(3)缺乏湖泊生態系統特征和生態系統最終服務的尺度關聯研究[45- 46]，無法揭示湖泊生態系統服務權衡關系及湖泊生態系統特征對生態系統最終服務的邊際影響；(4)忽視湖泊生態系統服務空間流動和轉移特征[40]，不利于揭示利益相關方與生態系統服務在不同尺度的相互作用機制[40]，無法為生態補償等政策設計提供科學依據。

本文在綜述湖泊生態系統服務定量評估方法的基礎上，認為通過受益者分析確定湖泊生態系統最終服務及評價指標，并通過構建生態生產函數研究湖泊生態系統服務權衡關系及湖泊生態系統特征對生態系統最終服務的邊際影響[10- 11,46- 50]，是生態系統服務走向管理決策和政策設計的科學依據，可以確保生態、社會、經濟可持續發展[9, 47, 51]。

1湖泊生態系統服務評估方法(物質量)及其局限性

1.1湖泊生態系統服務評估方法(物質量)

生態系統服務評估是環境管理[52]和生態規劃[53]的重要研究內容。湖泊生態系統服務評估能揭示湖泊生態系統對人類福祉的直接或間接貢獻[10, 47]，提高管理者和公眾的湖泊生態系統服務認知和湖泊生態系統保護認識。同時，湖泊生態系統服務評估可以揭示湖泊生態系統服務時空權衡關系、湖泊生態系統特征對生態系統最終服務的邊際影響及湖泊生態系統服務空間流動和轉移特征，幫助確定湖泊生態系統服務優先保護區域和優化管理方式，促進湖泊生態系統服務由認知走向管理實踐[24- 27, 31, 54]。隨著湖泊生態系統服務認知的不斷提高，利益相關者逐漸認識到生態系統服務與管理決策和政策設計結合的重要性，并在生態系統服務評估框架[9- 11, 55- 56]、生態系統服務物質量[32, 37, 39]和價值量評估[16, 57- 58]、生態系統服務權衡分析[29, 59- 60]、生態系統服務制圖[31- 32]等方面進行了大量研究，但沒有形成通用的湖泊生態系統服務評價指標體系和評估方法[16, 30]。我國湖泊生態系統服務評估方法可以概括為以下3類：(1)列舉湖泊生態系統提供的所有服務，選取相應的生態特征指標或效益指標，基于生態監測、野外調查、社會調查等方式搜集原始數據，評估湖泊生態系統服務；(2)以土地利用和土地覆蓋為替代數據，采用效益轉換化評估湖泊生態系統服務；(3)借助生物物理模型(biophysical model)、ArcGIS工具、統計軟件等技術手段，模擬不同土地利用和土地覆蓋情景下湖泊生態系統服務權衡關系，并進行生態系統服務空間制圖。

1.1.1生態屬性或效益指標

國內學者在湖泊生態系統特征(包括生態系統結構、過程、功能)等方面開展了大量工作，為湖泊生態系統服務評估奠定了基礎。在開展湖泊生態系統服務評估時，國內研究人員通常會參照生態系統服務[9, 41, 61]和生態系統服務價值分類體系[9, 11, 62]，列舉湖泊生態系統提供的所有服務，并基于文獻綜述、專家意見[25]、研究區域特征及數據可獲得性，選取特定指標，然后基于生態監測、野外調查和社會調查等方式搜集第一手資料，評估湖泊生態系統服務。我國學者針對湖泊生態系統服務評估開展了大量實踐工作[63- 67]，但沒有形成通用的湖泊生態系統服務評價指標體系。

1.1.2效益轉化

效益轉化法是評估湖泊生態系統服務比較流行和比較普遍的方法，效益轉化法是通過查表的方式將已評估的湖泊生態系統數據轉化到區域特征相似的湖泊生態系統[68]。相比原始數據搜集，效益轉化法不僅節省時間也節省成本，因此在數據缺乏和需要做出即時決策時被廣泛應用。目前，我國學者在開展湖泊生態系統服務評估，特別是湖泊生態系統服務動態變化分析時，往往使用單位面積生態系統服務價值表[41- 42]進行效益轉化，評估湖泊生態系統服務。

1.1.3湖泊生態系統服務評估模型

生態系統服務評估模型能直觀的反映生態系統服務空間流動和轉移特征[25- 26]，揭示生態系統服務時空權衡關系和生態系統服務重點保護區域[25,37,52]，為生態系統服務管理和政策設計提供科學依據。國內目前主要采用生態系統服務價值化和得失權衡綜合評價模型(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs- InVEST)[39-40]進行生態系統服務評估、權衡分析及空間制圖。InVEST模型是基于GIS軟件的功能擴展模塊，它能較準確地模擬不同土地利用情景下生態系統服務的時空權衡和協同關系，在密云水庫流域[69]、白洋淀流域[70]等區域得到了較好的利用，目前該模型未見單獨應用于湖泊生態系統服務評估中。

1.2湖泊生態系統服務評估方法局限性

湖泊生態系統服務評估是湖泊管理決策和政策設計的重要組成部分。近年來，國內學者開展了大量的湖泊生態系統服務評估案例研究，但在評估指標和評估方法等方面仍存在很大的局限性：(1)混淆湖泊生態過程、功能和最終服務，造成湖泊生態系統服務評估結果可信度下降；評估結果不具可比性且不可尺度擴展；湖泊生態系統服務空間流動和轉移特征不明確，生態補償等政策設計受到影響；湖泊生態系統服務時空權衡關系不明確，湖泊生態系統服務優化管理受到制約。(2)忽視湖泊生態系統服務供給和需求的空間異質性，直接采用效益法評估生態系統服務。效益轉換法雖然可以反映湖泊生態系統服務的空間分布特征和基本變化趨勢，但無法準確確定湖泊生態系統優先保護區域[43]和湖泊生態系統服務變化的關鍵驅動因子。其次，效益轉換法容易造成生態系統服務重復計算[41- 42]和較大的轉化偏差(忽視生態系統服務供給和需求的空間異質性)，評估結果可信度不高[68, 71- 72]。

2生態系統服務受益者分析及生態生產函數構建

生態系統服務供給和需求具有高度的時空異質性，受管理決策和人類活動等多方面因素影響[17,73]。湖泊是一個復雜的系統，內部各組分和各服務之間相互作用、相互影響，形成生態系統服務束(Ecosystem service bundles)[74]。在特定的時空尺度，當管理者選擇性的提高某一項生態系統服務時，往往會削弱其他一項或多項生態系統服務的供給水平和供給能力[29,32]。開展湖泊生態系統服務時空權衡關系及湖泊生態系統特征對生態系統最終服務的邊際影響研究，能協調利益相關者之間的矛盾[40]，實現湖泊生態系統優化管理。生態系統服務權衡關系研究是生態系統服務評估和優化管理的一種新模式[75]，受到學界和管理決策部門高度關注[29,76- 77]。國內外學者就管理措施(如：土地管理)對不同生態系統服務的影響進行了大量研究[31- 39]，從理論和實踐揭示了生態系統服務此長彼消的權衡關系，為開展生態系統服務權衡關系研究奠定了基礎。然而我國學者對湖泊生態系統服務權衡關系的認識存在一定的局限性，阻礙了湖泊生態系統服務由認知走向管理實踐。管理決策者需要綜合利用生態學、經濟學、社會學和管理學等學科知識，區分湖泊生態系統中間服務和最終服務，并通過構建生態生產函數揭示湖泊生態系統服務權衡關系及湖泊生態系統特征和生態系統最終服務的尺度關聯特征[10- 11,46- 50]，提高湖泊生態系統管理效能[44]。

2.1湖泊生態系統服務受益者分析

千年生態系統評估將生態系統服務定義為：人類從生態系統中所獲得的效益，并將生態系統服務劃分為供給服務、調節服務、文化服務和支持服務[9]。千年生態系統評估[9]提出了研究生態系統與人類福祉關系的理論評估框架，被科學家和管理決策者廣泛認可[6]。然而千年生態系統評估停留在概念水平，在管理決策中缺乏實際應用[30- 31,78]。為了更好地將生態系統服務概念納入到管理決策中，相關研究將生態系統服務定義為“生態系統對人類福祉和效益的直接或間接貢獻”[55,79]，為區分生態系統中間服務和最終服務、避免生態系統服務重復計算，研究生態系統和人類福祉關系提供了可操作性更好的評估框架[10,47,80]。生態系統最終服務是與人類福祉直接相關的物質量產出[51,80]，生態系統中間服務是產生生態系統最終服務的生態特征，包括生態系統過程和生態系統功能等生態屬性，是無直接受益者的生態功能量[51,56,80]。提供產品服務和文化服務通常是最終服務，調節服務既可以是中間服務又可以是最終服務[20]，支持服務是中間服務[46]。

生態系統最終服務將生態系統對人類福祉的直接貢獻轉化為具有社會價值的物質量指標，為區分生態系統中間服務和最終服務，研究生態系統服務權衡關系及生態系統特征與人類福祉關系提供了理論基礎。近年來，國內外學者針對生態系統中間服務和最終服務的區分原則與區分方法展開了大量討論。Bockstael[23]認為生態系統服務以人類利用為中心，其經濟價值大小與每一個受益者對生態系統和自身福祉關系的評估有關。Wallace[81]認為混淆生態系統過程 、功能和服務是阻礙生態系統服務評估在管理決策中應用的主要障礙，并提出了相應的分類系統。Boyd[80]將生態系統最終服務定義為具有社會價值的物質量產出，為區分生態系統中間服務和最終服務奠定了重要的基礎。Turner[82]和Fisher[83]認為生態系統的物質量產出取決于生態系統條件和過程(中間服務)，但物質量能否成為生態系統最終服務與受益者有關。例如：對排放污染物到湖泊生態系統的受益者而言，湖泊水體納污量是最終服務。對飲用湖泊水資源和到湖泊游泳、觀賞的受益者而言，水質凈化過程是中間服務，清潔的水資源是最終服務。對到湖泊垂釣的受益者而言，清潔的水資源是中間服務，休閑娛樂是最終服務。Fu[21]指出重復計算是生態系統服務價值評估面臨的主要問題，并在分析以往研究的基礎上指出了生態系統服務價值重復計算的原因，同時提出了相應的解決辦法。Johnston[22]提出了區分生態系統中間服務和最終服務的理論框架和基本準則，并指出生態系統服務分類需要充分考慮受益者[82]，減少價值評估的不確定性。Nahlik[18]認為采用Boyd[80]對生態系統最終服務的定義能：(1)形成通用的生態系統服務定義；(2)避免生態系統服務價值重復計算；(3)能有效促進生態學家、社會學家、經濟學家及管理者之間的合作；(4)被公眾認知和理解。Nahlik[18]還指出受益者分析是確定生態系統最終服務的有效途徑。Ringold[19]指出生態系統最終服務評估是將生態系統服務納入到管理決策的重要手段，并提供了確定生態系統最終服務指標，定量化生態系統與人類福祉關系的6個關鍵步驟。不同利益相關者與生態系統的不同組分相互作用，受益者分析對確定生態系統最終服務類型和指標具有重要作用[19]。Reyers[45]提出了生態系統服務評估和管理的“社會-生態”系統，也需要基于受益者分析確定生態系統最終服務[45]。

盡管諸位學者對生態系統服務評估有不同的理解和看法，但基于受益者分析確定生態系統最終服務的觀點卻基本一致?；谝陨衔墨I綜述，本文總結了通過受益者分析確定湖泊生態系統最終服務的幾個基本過程：(1)確定研究區域湖泊生態系統組分及其空間分布；(2)確定湖泊生態系統服務受益者空間分布；(3)列舉與人類福祉相關的生態系統屬性并歸類；(4)根據受益者對生態系統服務的實際需求和利用，確定生態系統最終服務類型；(5)通過受益者偏好分析(例如：社會調查)，確定生態系統最終服務指標。結合以上基本過程及湖泊生態系統服務評估經驗，確定了與人類福祉有直接相關性的湖泊生態系統最終服務類型(表1)，為區分湖泊生態系統中間服務和最終服務，開展湖泊生態系統服務精細化評估提供了重要基礎，能提高不同案例研究的可比性和可尺度擴展性。

表1　湖泊生態系統最終服務類型及其受益者

2.2生態生產函數構建

生態生產函數是研究生態系統特征對生態系統最終服務邊際影響的重要方法。跟經濟評估函數確定產品輸入和輸出的數學函數關系類似，生態生產函數通過生物物理模型和統計學方法確定生態系統結構、過程、功能(解釋變量)和生態系統最終服務(響應變量)的數學函數關系，進而定量化生態系統最終服務的時空權衡關系及其對生態特征變化的邊際響應特征[10, 46, 50](圖1)。生態生產函數通過整合生態學、經濟學和社會學等學科知識，為管理決策和政策設計提供重要依據。其重要作用在于：(1)區分生態系統中間服務和最終服務，避免價值重復計算[46]。(2)定量化不同管理措施(如：土地利用變化、水資源和水環境管理等)下生態系統服務的時空權衡關系。(3)揭示生態系統服務的空間流動和轉移特征。

國內學者需要整合生態學、經濟學、社會學和管理學等學科知識，通過生態- 經濟綜合模型提高湖泊生態系統服務評估的可信性，為制定湖泊生態補償標準、確定湖泊生態系統優先保護區和開展湖泊生態功能區劃等提供重要依據。生態生產函數是湖泊生態系統服務經濟價值評估和湖泊生態系統優化管理的關鍵過程[84]，是湖泊生態系統服務與政策設計有力結合的重要保障。生態生產函數可以為價值評估提供合理的數據支撐(物質量)，在避免生態系統服務價值重復計算的同時，揭示生態系統服務時空權衡關系和生態特征對生態系統最終服務的邊際影響。生態生產函數能提高效益轉化法應用的合理性，為湖泊生態系統服務空間數據庫的構建和即時決策提供重要支撐。

圖1　生態生產函數在生態系統最終服務核算及權衡關系中的應用Fig. 1　Ecological production function calculates the influence of ecological characteristics metrics on final ecosystem services as marginal changes to quantify tradeoffs to inform management decisions

3結論與展望

我國擁有數量眾多的湖泊生態系統，對我國居民生存和社會經濟發展具有重要的支撐作用。然而，社會經濟發展對資源的需求加劇了湖泊水體水質惡化和湖泊面積萎縮，嚴重影響了湖泊生態功能及其提供的生態系統服務。隨著利益相關者對湖泊生態服務認知的不斷提高，湖泊生態系統服務評估已成為環境管理、生態規劃和政策設計的重要內容。然而，我國在湖泊生態系統服務評估指標和評估方法等方面存在很大的局限性，嚴重影響了生態系統服務由認知走向管理實踐。我國急需確定湖泊生態系統最終服務、提高湖泊生態系統服務評估技術，揭示湖泊生態系統服務的時空權衡關系及湖泊生態系統服務空間流動和轉移特征，為管理決策和政策設計提供科學依據。

本文在綜述湖泊生態系統服務定量評估方法的基礎上，提出通過受益者分析確定湖泊生態系統最終服務類型及評價指標，并通過構建生態生產函數揭示湖泊生態系統服務權衡關系及湖泊生態系統特征對生態系統最終服務的邊際影響。生態生產函數是湖泊生態系統服務經濟價值評估和湖泊生態系統優化管理的關鍵過程。然而，創建完整的生態生產函數需要大量的數據支撐，是一個相對漫長的過程。短期內，可以通過跨學科合作，確定生態系統最終服務指標及相應的生態特征指標，建立監測項目，為構建生態生產函數提供數據支撐，使湖泊生態系統服務從認知走向管理實踐。

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Beneficiary analysis and ecological production function to measure lake ecosystem services for decision-making in China

JIANG Bo1, Christina P. WONG2, OUYANG Zhiyun1,*

1StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China2SchoolofSustainability,ArizonaStateUniversity,Tempe,AZ85287,USA

Abstract：Lakes provide important resources to sustain human livelihoods and economic development. Lakes have significant ecological, cultural, and economic value in China as they supply drinking water, valuable fish species, regulate local climates, and provide scenic landscapes for leisure and tourism. However, they are one of the most extensively and rapidly altered ecosystems in China. Ecosystem services offer a holistic framework to link ecological and economic outcomes to manage the interconnectivity between ecosystems and human welfare. The ecosystem services concept seeks to clarify tradeoffs among ecosystem services and other social demands to improve lake ecosystem management. In recent decades, scientists have increasingly recognized the relevance of ecosystem services in policy analysis. In China, policy makers want to use ecosystem services in ecological compensation programs where consumers of ecosystem services pay suppliers for the benefits. However, technical challenges in separating intermediate ecosystem services from final ecosystem services to quantify tradeoffs are hindering the measurement and valuation of ecosystem services for lake management. Chinese scientists are confronted with the challenge of creating credible and legitimate ecosystem service values to inform policy makers on designing effective ecological compensation programs. A transdisciplinary approach is fundamental to measuring ecosystem services to understand how biological mechanisms of lake ecosystems support final ecosystem service flows. In the present study, we identify methods to measure lake ecosystem services and the gaps in current methods, and propose using ecosystem service flow mechanisms and beneficiary analysis to identify final ecosystem services, and ecological production functions to characterize the relationships between management choices, ecological characteristics, and economically valuable final ecosystem services. Ecological production function can help advance ecosystem services quantification to clarify tradeoffs for incorporating ecosystem services into lake management in China.

Key Words:lake ecosystems; final services; beneficiary analysis; ecological production function

基金項目:國家林業公益性行業科研專項(201204201)

收稿日期:2014- 10- 19; 網絡出版日期:2015- 08- 24

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: zyouyang@rcees.ac.cn

DOI:10.5846/stxb201410192051

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