生態系統服務供給與需求的理論與管理方法

白 楊,王 敏,李 暉,黃沈發,Juha M. Alatalo

1 中國科學院西雙版納熱帶植物園,西雙版納 666303 2 上海市環境科學研究院,上海 200233 3 云南大學建筑與規劃學院,昆明 650500 4 Department of Biological and Environmental Sciences, College of Arts and Sciences, Qatar University, P.O. Box 2713, Doha, Qatar

生態系統服務供給與需求的理論與管理方法

白 楊1,2,*,王 敏2,李 暉3,黃沈發2,Juha M. Alatalo4

1 中國科學院西雙版納熱帶植物園,西雙版納 666303 2 上海市環境科學研究院,上海 200233 3 云南大學建筑與規劃學院,昆明 650500 4 Department of Biological and Environmental Sciences, College of Arts and Sciences, Qatar University, P.O. Box 2713, Doha, Qatar

生態系統服務是當前可持續科學研究的熱點之一。隨著環境保護與管理需求的不斷增加,政策制定者希望將生態系統服務信息更多地融入管理實踐中。由于理論的不確定性和研究方法的局限性,如何準確地評價生態系統服務、如何考慮不同利益相關者的需求,提取重要的生態系統服務信息給決策者參考,仍然是當前該領域研究的難點。基于生態系統服務的產生、傳遞和消耗過程,區分生態系統服務的潛在供給、實際供給和人類需求；引入生態系統服務供需比和供給率兩個指標,為區域間自然資源資產的比較提供一種方法；以白洋淀流域為案例,采用生態系統服務矩陣法,結合GIS空間模擬技術,揭示生態系統服務供給與需求的空間特征。白洋淀流域2010年生態系統服務的供給率和供需比分別是：0.4966和0.1131,說明流域生態系統服務供給狀態較好,且處于盈余狀態。對流域內供給率較高且供給處于盈余的區域,應作為生態保護與補償的主要區域；對生態系統服務需求較大的區域應進行必要的生態建設與修復。研究結果為區域生態環境管理和政策制定提供了實際的科學依據。

生態系統服務；供給；需求；白洋淀流域

Abstract： Ecosystem service is a very important issue for current, sustainable scientific research. Environmental protection and management requirements are increasing and policymakers hope to incorporate ecological service information into decision-making and consultations. Because of theory uncertainty and methods limitation, it is, at present, very difficult to accurately evaluate ecosystem services and extract important ecosystem services information that can help decision-makers meet the demands of various stakeholders. In this study, we first identified and defined ecosystem service potential supply, actual supply (flow), and human demand based on the processes and mechanisms involved in ecosystem service generation and delivery. Two indicators were then introduced, the supply rate and supply-demand ratio, which provide a mean that can be used to compare the status of natural capital between regions. We also investigated the ecosystem service matrix and GIS spatial simulation technology and used these indicators to investigate the Baiyangdian River Basin as a case study. The aim was to reveal the spatio-temporal characteristics of service supply and demand. The supply rate and supply-demand ratio for the Baiyangdian River Basin in 2010 were 0.4966 and 0.1131, respectively. This indicated that the ecosystem service supply status was good and in surplus. The places with high supply rate should be considered as hotspots for ecological protection and compensation. However, places with high ecosystem service demand should concentrate on ecological construction and restoration. The results provide a scientific basis for regional ecological environment management and policy-making.

KeyWords: ecosystem service; supply; demand; Baiyangdian River Basin

隨著生態學科的發展和人類對其認知能力的提高,生態系統服務的理念在生態環境管理方面的應用前景正被寄予厚望[1- 3]。與此同時,不同的利益相關者,尤其是政策決策者,對這一領域的期望更高[4]。他們希望生態系統服務的研究能提供給他們更多、更可靠的信息和技術,來評估與預測相關決策可能帶來的生態后果,以此支撐和優化他們的決策[5]。同時,政策決策者還非常感興趣的是,其所在的省、市范圍內自然生態系統提供的服務,與別的省、市比較起來處于什么水平。由于理論和方法的不確定性,使得上述應用仍然比較困難,也是這一理念應用于實際生態系統管理的主要障礙[6]。

如何準確的區分和界定生態系統服務、如何對其進行準確的評價(或量化)、如何準確地提取生態系統服務信息融入決策之中,是這一領域亟待解決的熱點和難點[5]。生態系統服務要邁出從理論到管理實踐的堅實一步,必須對生態系統服務進行準確的定義和評價,重點是要弄清生態系統服務從產生、傳遞到消耗的全過程[5,7]。目前,國內外在該領域的研究熱點主要集中于：(1)生態系統服務產生機理。生態系統結構-過程-功能-服務的相互作用機理、尺度關聯和尺度轉換等是這一方向研究的重點和難點[8]。(2)生態系統服務量與價值量評估及其時空分布,是這一領域研究的核心和重點。由于評估方法的差異和評估指標選取的不同,導致生態系統服務評估結果差異很大。標準化的生態系統服務評估方法,尤其是價值化方法,是這一方向亟待解決的難點[9]。(3)生態系統服務的驅動、響應與反饋機制。氣候變化、外來物種入侵、人類活動干擾等,直接或間接的驅動土地利用/土地覆蓋,影響生態系統的結構、過程與功能,進而影響生態系統服務的供給。供給的波動,也就是生態系統服務的響應,將直接的反饋到人類的福祉上。供給下降,人類福祉減少,人類的需求得不到滿足,供需矛盾由此產生[10]。(4)生態系統服務的協同和權衡。協同是指某一種服務的增加會對其他幾種服務產生一定的促進和增幅作用,比如固碳、土壤保持和涵養水源之間；權衡是指兩兩服務之間,或兩組服務之間,只能二選其一,比如糧食生產與水源涵養。生態系統服務的協同與權衡,是目前這一領域用于指導管理與決策的主要依據之一[11]。(5)生態系統服務的供需平衡及空間匹配,是這一領域研究的新方向和新熱點。大多數的生態系統服務供給和人類需求在空間上是極為不匹配的,甚至在很多地方出現“赤字”[5]。上述研究進展,從不同的角度揭示了生態系統服務在不同的景觀尺度上是如何產生與傳遞,如何對其進行可視化、定量化、價值化的度量,以及如何用于指導政策的決策,推動了這一交叉學科的不斷深入。

本研究的目的是通過揭示生態系統服務供給與需求的耦合機制,推進生態系統服務從理論走向管理實踐,服務于國家生態文明建設戰略需求[12]。本研究在綜述目前國內外生態系統服務研究進展的基礎上,界定生態系統服務的概念與內涵；基于生態系統服務的產生、傳遞和消耗的過程,區分生態系統服務的潛在供給能力、實際供給大小和人類實際需求等概念；以白洋淀流域作為研究對象,采用生態系統服務矩陣法[13],結合GIS空間模擬技術,構建具體的指標體系,揭示生態系統服務供給與需求的空間特征,為區域生態環境管理和政策制定提供科學依據；在此基礎上,引入生態系統服務的供需比和供給率[5]兩個指標,為區域間生態系統服務的比較提供一種方法。

1 生態系統服務及相關概念的界定

生態系統服務概念自提出以來,其定義與內涵備受爭議。目前比較認可的概念是US EPA[14]和TEEB[15]提出的：生態系統服務是生態系統對人類福祉和效益的直接或間接貢獻。與其他的概念[16]相比,他的合理性在于區別了生態系統的中間服務和最終服務,為避免生態系統服務的重復計算提供了依據。生態系統的最終服務是人類直接利用生態系統自然組分產生效益的過程,有直接的受益者；而生態系統的中間服務只是產生生態系統最終服務的生態特征或過程,沒有直接的受益者[8]。

生態系統服務要更好的應用于實際管理,必須要加入受益者分析,也就是需要進一步區分生態系統服務的潛在供給、實際供給和人類需求[17]。生態系統基于其自身結構與功能的完整性,能提供一系列潛在的生態系統服務,即生態功能。人類實際消耗或需求時,將潛在的生態系統服務部分或全部的轉化為實際的生態系統服務,即最終生態系統服務。人類福祉實際上就是來自于他們實際享用的生態系統服務。而這實際享用到的生態系統服務的量,取決于生態系統服務的實際供給與人類本身需求或消耗之間的關系[2,13]。在沒有外源輸入的情況下,生態系統服務潛在供給、實際供給和人類需求有如下關系：

①潛在生態系統服務供給≥實際生態系統服務供給

生態系統服務的實際供給來自于生態系統自身的完整性,而生態完整性的自組織能力則依靠于生態系統自身的結構與過程[18]。因此,人類活動或決策引起的土地利用或土地覆蓋改變對生態完整性帶來的影響,將直接導致某一個或幾個生態系統服務供給能力的提高或下降。至于人類對生態系統服務的需求而言,政策因素、人口動態、經濟因素、市場機制或文化習慣等都可能造成不同群體的差異[19](圖1)。

圖1 生態服務供給與需求產生的理論框架[13]Fig.1 The theoretical framework of ecosystem service supply and demand [13]

2 生態系統服務的兩個指標

本研究引入生態系統服務的供給率和供需比兩個指數,來進行區域間生態系統服務整體特征的對比[5]。供給率是指特定區域內,生態系統提供實際生態系統服務的能力,值越大表示生態系統實際供給的轉化率越高,即生態系統服務從潛在供給轉換為實際供給的比重越多。供需比是用來反映特定區域內生態系統的實際供給和人類需求之間的平衡狀態,可能是盈余或赤字,統稱為生態系統的不匹配特征。其計算方法為：

3 案例研究

本研究選取半自然景觀構成的白洋淀流域為研究對象,采用2010年該流域的土地利用數據,示范生態系統服務供給率和供需比兩個指標的計算方法。2010年白洋淀流域土地利用構成36.57%為農業用地,26.74%為草地,26.32%為森林和灌叢,1.02%為水域,建設用地為9.35%。流域內人類活動劇烈,生態系統服務供需矛盾較大。人類活動對生態服務的需求主要是洪澇調蓄、土壤保持和授粉等。在生態系統服務具體指標的選取上,僅考慮提供最終生態系統服務的供給服務、調節服務和文化服務3項,共19個類型。

由于目前對于各個生態系統服務類型的評估方法并不成熟,本研究采用Burkhard等[13]提出的“0—5分矩陣法”來對各個類型進行專家打分。專家的選擇需要滿足以下3個條件：第一：從事生態系統服務領域的研究；第二：對評價區域比較熟悉；第三：為避免理解上的誤差,應進行面對面的訪問。最終選擇了8位專家進行打分,采用算術平均及四舍五入的方法得到研究區域生態系統潛在供給、實際供給和人類需求的得分值,帶入供給率和供需比的計算公式,得出區域生態系統服務供需特征的整體得分值,專家打分的方法及處理流程在Li等[5]的文獻里有詳細的闡述。盡管矩陣法存在很多問題,例如主觀性太強,忽略了生態系統服務產生的尺度特征等[5],但采用這個方法可以示范上述兩個指數的計算過程,能將區域內眾多的生態系統服務類型綜合為一個指數進行區域間的對比。0分表示生態系統服務的潛在供給、實際供給或人類需求最低；5分表示生態系統服務的潛在供給、實際供給或人類需求最高,構建好的矩陣如圖2所示。

圖2 生態系統服務潛在供給、實際供給與人類需求矩陣Fig.2 The matrix of ecosystem service potential supply, actual supply and human demand

白洋淀流域生態系統服務2010年的供給率和供需比分別是0.4966和0.1131。從圖3可以看出,流域內供給率和供需比在空間上差異很大,流域的西部和北部主要是由林地和灌叢覆蓋,供給水平最高,供給率的最大值為0.6316；流域的東部和南部主要是城鎮建設用地和耕地,供給水平較低,供給率的最小值為0.0010。由于該流域主要由自然(林地、灌叢等)或半自然(耕地等)景觀構成,大部分區域的供給率為正,處于盈余狀態,僅有城鎮建設用地和園地等區域表現為赤字,因此流域整體的生態系統服務處于盈余狀態。

圖3 白洋淀流域生態系統服務供需比(左)和供給率(右)空間分布Fig.3 Spatial distribution of ecosystem service supply rate (right) and supply-demand ratio (left) in Baiyangdian River Basin

4 討論

4.1 理論上的應用

生態系統服務的可持續管理備受關注。隨著環境保護與管理需求的不斷增加,政策制定者和科研人員一直在探索如何將生態系統服務信息更多的融入決策咨詢之中。他們首先會關注的問題就是如何實現區域間生態系統服務的對比及其考核。生態系統服務類型多樣,由于目前學科本身的缺陷,要對所有類型進行評價,并綜合為一個指數還比較困難。一方面物質量評價的結果很難進行整合,不同的生態系統服務量綱不一樣,比如水源涵養,單位是立方米；固碳服務,單位是噸。另一方面,盡管對所有的指標進行價值化再加總可以得到一個總的價值量進行對比,但價值化過程本身還存在很多爭議,尤其是不同區域主導的生態系統服務類型不一樣,使得以總價值來進行對比更加的有失偏頗。本研究引入的兩個指數,既能綜合所有的生態系統服務類型,也是無量綱,能有效地應用于區域間的比較。需要注意的是,在實際應用這兩個指標時,區域間生態系統服務的指標類型和數量可以不一致,但主導的生態系統服務類型必須要納入進去[5]。

4.2 方法上的應用

本研究采用了Burkhard等[13]提出的矩陣法,對白洋淀流域生態系統服務的潛在供給、實際供給與需求進行了評價。該方法簡單易操作、結果空間化呈現,適合于各種尺度的研究,尤其是基礎數據較為貧乏的區域。但是,矩陣法也有其明顯的缺陷。例如研究方法過于主觀,取決于專家的偏好與認知；忽略了研究區域的尺度特征、空間異質性特征和生態系統質量特征；等等[5,6]。同時,由于專家打分是基于區域在特定時間對生態系統服務供給做出的判斷,因此進行不同時段比較時,有必要基于不同時段的生態系統特征分別構建打分矩陣。盡管如此,矩陣法目前已經成功的應用于多個案例,用于揭示生態系統服務供給和需求的空間耦合特征,取得了較好的成果[5,13]。更重要的是,采用矩陣法,本研究可以示范如何對新引入的兩個指標進行計算。盡管采用矩陣法能對生態系統服務供給率和供需比進行快速的計算,本研究建議下一步的方向是基于生態系統特征和過程,揭示生態系統服務產生、傳遞與消耗的機制,構建生態系統服務潛在供給、實際供給與人類需求的生態系統評估模型,評估其實際產生和消耗的物質量或服務量,來進行供給率和供需比的計算,將使得這兩個指標的計算結果更加的準確。

4.3 管理上的應用

白洋淀流域的土地利用以農田為主,其次是林地和灌叢等,2010年建設用地僅占流域總面積的9.35%,屬于半自然景觀構成的流域[20]。2010年,白洋淀流域生態系統服務的供給率和供需比分別是：0.4966和0.1131。生態系統服務的供給處于盈余狀態,說明流域內生態系統提供的服務整體上能夠滿足其內部對生態系統服務的需求或消耗。而作為高度人工化的太湖流域,2010年建設用地占流域總面積的27.32%。太湖流域同期的生態系統服務供給率和供需比分別為：0.4223和-0.1369[5]。從供給率的對比來看,白洋淀流域生態系統的實際供給能力比太湖流域強；從供需比的對比來看,白洋淀流域內生態系統服務供需狀況明顯好于太湖流域。太湖流域的生態系統服務供給處于赤字狀態,即其流域內的生態系統服務供給滿足不了人類對生態系統服務的需求,需要外界不斷的輸入；或者太湖流域正在有償或無償地消耗外界其他區域的生態系統服務。從上述的對比可以看出,生態系統服務供給率和供需比兩個指標可以有效的對比區域間生態系統服務的狀況。

并不是流域內所有區域生態系統服務的供給都處于盈余,局部區域仍然呈現了明顯的赤字特征(圖3)；并不是所有生態系統服務類型的供給都處于盈余,從單個類型來看,水源涵養和水質凈化等均是處于赤字狀態,導致了白洋淀流域仍然存在如水資源缺乏、水質惡化等生態環境問題；盡管水源涵養和水質凈化處于赤字,但流域整體生態系統服務的供給是盈余,說明通過流域自身土地利用格局的優化,可以實現這些指標的“扭虧為盈”。具體管理做法，第一：對流域內供給率較高及供給處于盈余的區域,予以重點保護,并作為生態補償的主要區域,確保其生態系統服務的正常發揮；第二：對生態系統服務需求較大的區域進行必要的生態保護與生態恢復,例如城市區域內部；第三：構建水陸生態廊道。Bai等[20]以白洋淀流域為例,采用情景模擬的方法,權衡了流域經濟發展與水源涵養、水質凈化等服務的定量關系,得出沿河流兩岸建立生態緩沖區,不僅能大大消減氮磷的入河量,也是成本效益最佳的土地利用格局優化方式。

5 結論

政府層面相繼出臺了多項生態系統服務相關的環保政策,如自然資源資本核算、生態保護紅線劃定、自然資源負債表編制等,使得生態系統服務的理念應用到管理實踐尤為迫切。本研究首先針對生態系統服務領域概念混淆的問題,對生態系統服務的中間服務、最終服務、潛在供給、實際供給等概念進行了清晰的界定和說明,有利于對生態系統服務進行更加準確地評價,避免了生態系統服務重復計算的問題；在此基礎之上,引入生態系統服務供給率和供需比兩個指標,有利于綜合所有的生態系統服務類型實現區域內長時間序列和區域間對自然資源狀況的對比。對生態系統服務供給和需求的研究,需要揭示生態系統服務產生、傳遞及消耗的全過程,需要不同利益相關者的參與,研究成果有利于推動生態系統服務學科的理論研究,有助于促進生態系統服務理念從理論研究快速的走向管理實踐,相關成果能更好地服務于國家生態文明建設戰略。生態系統服務供給率和供需比兩個指標簡單易操作,建議作為重點考核指標,納入地方自然資源資本核算體系、生態保護紅線績效考核、自然資源負債表清單或干部離任考核體系之中。

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Ecosystemservicesupplyanddemand:Theoryandmanagementapplication

BAI Yang1,2,*, WANG Min2, LI Hui3, HUANG Shenfa2, Juha M. Alatalo4

1XishuangbannaTropicalBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Xishuangbanna666303,China2ShanghaiAcademyofEnvironmentalSciences,Shanghai200233,China3SchoolofArchitectureandPlanning,YunnanUniversity,Kunming650500,China4DepartmentofBiologicalandEnvironmentalSciences,CollegeofArtsandSciences,QatarUniversity,P.O.Box2713,Doha,Qatar

國家自然科學青年基金(41501580);上海市環境科學研究院創新基金(CX201505)

2016- 06- 12; < class="emphasis_bold">網絡出版日期

日期:2017- 04- 24

10.5846/stxb201606121124

*通訊作者Corresponding author.E-mail: youngbcs@gmail.com

白楊,王敏,李暉,黃沈發,Juha M. Alatalo.生態系統服務供給與需求的理論與管理方法.生態學報,2017,37(17):5846- 5852.

Bai Y, Wang M, Li H, Huang S F, Juha M. Alatalo.Ecosystem service supply and demand: Theory and management application.Acta Ecologica Sinica,2017,37(17):5846- 5852.