土地生態系統服務研究進展及趨勢展望

李雙成，謝愛麗，呂春艷，郭旭東

（1.北京大學城市與環境學院地表過程分析與模擬教育部重點實驗室，北京 100871；2.中國土地勘測規劃院，自然資源部土地利用重點實驗室，北京 100035）

1 引言

生態系統服務（Ecosystem Services, ES）是指生態系統所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[1]，為人類直接或間接從生態系統得到的所有收益[2]。土地是各類生態系統在區域上的鑲嵌體，為各種自然和人文要素綜合作用形成的地理實體[3]。因而，土地生態系統服務成為自然和人工生態系統提供給人類社會最主要的惠益。研究發現，不同的土地利用/覆被類型具有提供不同類型、數量和質量生態系統服務的能力[4-5]。同時，土地利用/覆被變化（Land Use and Land Cover Change, LUCC）也是生態系統服務變化的主要驅動力之一，并導致其脆弱性產生[6-8]。正是LUCC和ES之間具有緊密的邏輯聯系，自從生態系統服務成為研究熱點以來，基于LUCC的生態系統服務定義、分類、價值評估、空間流動與權衡/協同分析等成為生態系統服務研究的主要領域，其成果為土地利用規劃與管理、土地修復與整治以及生態補償等提供了重要理論支撐。在國內，2000年1月1日—2018年8月24日共有3410篇文章以“生態系統服務”和“土地”為主題在中國知網收錄的期刊發表，其中，單獨以“生態系統服務”為主題的文章數占30.32%；在國外，同時段內以“land”和“ecosystem services”為主題在Web of Science收錄的期刊上共發表9137篇，其中，單獨以“ecosystem services”為主題的文章數占46.30%。由此可見，土地生態系統服務研究已經成為國內外生態系統服務研究領域的主要議題。

本文在評述近年來國內外土地生態系統主要研究成果的基礎上，對未來的研究趨勢進行展望，以期為土地生態系統服務研究的健康快速發展提供一些參考依據。

2 研究進展

自從COSTANZA等關于全球生態系統服務價值[2]的文章在Nature發表以后，國內外土地生態系統服務研究呈快速發展趨勢（圖1）。從圖1可以看出，不論是國內還是國外，2000年以后土地生態系統服務一直是相關領域的研究熱點，尤其在2010年以后更是進入快速上升階段。

對于2000—2018年國內土地生態系統服務發表文獻的關鍵詞進行詞頻排序可以發現（圖2），土地生態系統服務與土地利用（變化）或土地利用/覆被變化具有很高的詞頻，反映出兩者緊密的研究邏輯聯系。在研究內容上，土地生態系統服務價值評估一直是研究熱點，價值評估的文章占到文章總數的29.62%；在研究手段上，采用遙感影像解譯獲取LUCC數據，應用GIS進行時空變化分析，使用InVEST模型模擬生態系統服務；在研究成果應用上，主要是為生態補償、生態安全格局構建、土地利用管理與規劃提供基礎信息。

圖1 2000—2018年國內外土地生態系統服務研究發展趨勢Fig.1 The development trend of land ecosystem service research at home and abroad from 2000 to 2018

圖2 2000—2018年國內土地生態系統服務發表文獻詞頻排序Fig.2 The word frequency ranking of published articles concerning land ecosystem services from 2000 to 2018

2.1 土地生態系統服務價值評估

回顧2000—2018年近20年的國內外土地生態系統服務評估工作，生態系統服務價值評估占有重要地位，主要緣起COSTANZA等對全球生態系統服務價值的核算[2]。

在國內，主要工作集中于對不同尺度、不同區域和不同利用類型的土地生態系統服務進行價值評估。其中，影響力最大的研究當屬2003年謝高地等對青藏高原生態資產的價值評估[9]，其制定的“中國陸地生態系統單位面積生態服務價值當量表”及其后來的修正版本對土地生態系統服務價值評估產生了很大影響。在全國尺度上，不同時段均有學者對中國土地生態系統服務進行價值評估[10-12]。在區域尺度上，從珠三角、長三角和京津冀等大區域[13-15]，到縣級以上行政區域均有評估工作開展。在土地利用類型上，評估對象主要集中于林地[16]、草地[17]、濕地[18]和耕地[19]等。從土地生態系統服務價值評估應用方向來看，列在前三位的分別是生態補償、土地利用規劃和生態安全格局構建。

在國外，土地生態系統服務價值評估也是研究熱點之一。在Web of Science查詢得到的文獻中，有28.63%的為生態系統服務價值評估的工作，與國內比例基本一致。生態系統服務價值評估方法一直是研究重點和難點。其中，生態系統服務價值當量法采用的研究最多。例如，利用COSTANZA、DE GROOT和XIE等的單位面積生態系統服務價值系數，SANNIGRAHI等估算了全球1995年、2000年、2005年、2010和2015年的生態系統服務價值，并對各種土地利用類型對服務價值的敏感性進行了分析[20]。為了使得生態系統服務價值系數更具時效性，COSTANZA等更新了其在1997年提出的單位價值量，并以此核算了2011年全球生態系統服務價值量，分析了1997—2011年由于土地利用變化引起的生態系統服務價值的變化[21]。除了價值當量法，整合分析和價值轉移也是常用的價值評估途徑，例如，DE GROOT等利用已有的生態服務價值評估結果，采用整合分析方法計算了全球生態系統服務的貨幣價值[22]，AROWOLO等使用GlobeLand 30數據集，采用價值轉移方法計算了尼日利亞2000年和2010年土地生態系統服務價值及其動態變化[23]。在評估結果應用上，生態系統服務付費[24]、土地利用優化決策和規劃[25]是主要領域。

分析國內外近20年土地生態系統服務價值評估工作可以發現，研究的重點是建立LUCC與生態系統服務價值的對應關系，屬于“土地利用/覆被變化─生態系統服務價值響應”研究范式，研究過程為“LUCC分類─價值核算─時空動態”三段式[3]。

2.2 土地生態系統服務權衡/協同分析

權衡和協同是土地生態系統服務之間的相互關系的表現形式。當不同類型服務之間呈現此消彼長時稱之為權衡，呈現同向變化時稱之為協同，而沒有呈現響應關系時則為不相關。

生態系統服務之間出現權衡或協同關系的原因有兩個：一是土地生態系統服務供給具有多重性；二是人類需求和選擇服務存在著偏好差異。因此，不同的土地利用方式或強度都會引起多重生態系統服務之間關系的調整[26]。

在國內，一些學者對權衡/協同研究的進展、方法和技術進行了評述和探討[27-31]，對其研究進展起到了推動作用。在案例研究方面，通過制定不同的情景，分析生態系統服務之間的相互關系，以期為科學制定管理政策提供依據[32]。在權衡/協同分析方法方面，一般通過空間或非空間的相關和回歸分析來探索生態系統服務之間的非線性關系[33]。近年來，也有一些研究使用來源于經濟學理論的生產可能性邊界（Production Possibility Frontier, PPF）方法進行生態系統服務關系研究[34]。在協同/權衡表達方面，多采用雷達圖、蛛網圖、相關和回歸系數等圖形或數值表征關系的性質或強弱[35]。

在國外，針對線性相關系數在分析生態系統服務之間關系的不足，一些學者采用非參數化的統計方法袋狀圖（Bagplots）分析生態系統服務間的權衡/協同關系，并提出一個新的標準化的累積R測度權衡或協同關系的程度大小[36]。目前大多數生態系統服務之間的權衡和協同分析偏重空間屬性，沒有或很少考慮生態系統服務基準和時間變化特性，因而出現分析誤差甚至是錯誤的情形。有鑒于此，從單一時期的兩兩服務關系研究應當拓展到兩個時段兩兩服務變化量的權衡/協同分析，即ES1 vs ES2→△ES1 vs△ES2[37]。對于空間相關、時間相關和生產可能性邊界（PPF）三種分析方法比較發現，生產可能性邊界提供的生態系統服務之間的關系信息多于空間或時間相關。PPF顯示了現在的格局與邊界有效點之間的差距，因此可以用于分析不同景觀利益相關者的偏好[38]。在應用方面，旨在為空間規劃服務的生態系統服務權衡分析框架，可以有效地考慮利益相關方對生態系統服務需求、土地利用管理選擇和影響[39]。

總結近20年的土地生態系統服務權衡與協同關系研究成果可以發現，除了一些對于權衡協同關系的定義、內涵及其表征方法的工作外，多是通過案例分析對局地、區域乃至全球的多種生態系統服務之間的關系進行實證分析。常見的模型方法包括相關分析和回歸分析（包括具有空間屬性的地理加權回歸）等，一般通過系數的正負和大小表示權衡或協同關系及其強弱。另外，生產可能邊界（PPF）和均方根偏差（Root Mean Square Deviation, RMSD）等方法也被用來生態系統服務之間的關系。在表示方法上，常用的圖示法包括雷達圖、蛛網圖、袋狀圖和均方根偏差圖等。

2.3 土地生態系統服務的空間流動研究

土地生態系統服務的流動是指服務在形成地和使用地之間空間位移或在提供者和使用者之間的傳遞。根據供需主體移動性，可分為供給移動服務流和使用移動服務流；根據服務承載體特性，可以分為自然過程服務流和人為過程服務流[3]。土地生態系統服務之所以存在空間流動，一方面自然過程驅動力，即服務的媒介存在流動屬性如水流、空氣以及昆蟲遷飛等；另一方面人文過程驅動力，服務的使用者和提供者存在空間距離，生態系統服務實現的過程也是服務傳遞的過程。

在國內，一些學者對于生態系統服務流的研究進展進行了總結，內容包括生態系統服務流的類型、形成原因以及定量方法等[40-41]。研究發現，積極與消極的人類活動通過對生態系統服務流的空間單元、傳遞載體和量化屬性等方面的影響進而影響到具體的生態系統服務流[42]。在案例研究方面，以關中—天水經濟區為研究區，在估算生態系統固碳服務供需量的基礎上，使用流動比率量化區域固碳服務的供需平衡狀況，以空間可視化的方式表征固碳服務從供給區到受益區的流動過程[43]。

在國外，生態系統服務供給與使用區的空間關系研究一直是持續關注的熱點。根據生態系統服務供給區與受益區的空間重疊、臨近或分離關系，可以將不同生態系統服務供給與使用的空間類型劃分為原地、無方向性鄰近和有方向性三種類型[44]；通過界定生態系統服務供給區（SPA）、受益區（SBA）和連接區（SCA）的內涵及特征，描述地域單元的類型、結構和地理屬性，能夠識別和繪制出相應的空間單元[45]。通過傳粉、地下水供給和氣候調節案例研究證實，區分生態系統服務供給和受益區的服務流框架，可以表征不同尺度下的服務空間流特征[46]；在空間路徑測度方面，服務路徑屬性網絡（Service Path Attribution Networks, SPAN）作為量化生態系統服務空間流動的算法，可以有效地表征路徑分叉、耗散、阻塞和流動等特征[47-48]。

生態系統服務的區域間流動是近年國外學術界關注的熱點，Ecosystem Services期刊2018年第31卷專門對此問題進行了探討。在服務提供和接受、驅動和效應框架下，提出了生態系統服務區域流動的概念、類型，包括貨物貿易、物種遷移和擴散、被動的生物物理流（防洪）和信息流等[49]，在此基礎上，使用4個案例進行了實證分析。首先，評估了全球農產品輸出對生產地局地生態系統服務/反服務（如土壤侵蝕）的影響[50]。其次，倡議建立整合生態系統服務供給、價值鏈分析以及人類福祉評價的方法，考慮局地產品空間流動，識別出一對一、閉環和開環三種流動類型[51]。第三，分析物種空間遷徙引起的生態系統服務空間流動。黑脈金斑蝶在不同生命周期空間流動給各地帶來不同的生態系統服務，研究以此揭示了在得到更多服務和需要保護生境之間的空間不匹配現象[52]。第四，評價了地中海地區馬耳他城鄉梯度多功能景觀的生態系統服務流和容量。研究發現，在鄉村農業和半自然土地利用/覆被類型下的生態系統服務流和容量具有顯著的協同作用，而與此相反，在城市地區則具有低的生態系統服務容量和流，表明生態系統服務的產生和傳遞由土地利用強度所決定[53]。

總體來看，國內生態系統服務空間流動研究比較弱，多從服務供給和需求之間的平衡關系切入，實證案例研究較少。國外研究較為活躍，從劃分服務供給區、受益區和連接區入手，對多種驅動力下的生態系統服務空間流動進行了研究。

3 存在問題

近20年來，盡管土地生態系統服務研究取得了不少研究成果，對土地利用規劃管理和生態補償決策等起到了一定支撐作用，但仍存在一些問題。歸納起來，主要有以下幾個方面：

首先，在概念定義及內涵解析上仍存在不規范甚至混亂等問題。生態系統功能是生態系統的自然屬性，而生態系統服務則是生態系統產出社會經濟化的結果，是人類附加投入后得到的惠益。因此，“生態系統服務功能”“生態服務功能”“生態服務”等均屬不規范概念，應當統一稱之為“生態系統服務”。

其次，在方法和技術上仍有較大的提升空間。生態系統服務研究橫跨自然科學和人文社會科學，所需技術方法體系復雜多樣。就目前研究現狀來看，在生態系統服務級聯框架中的自然科學部分的方法技術比較成熟，而在人文和社會科學部分的方法技術較弱，更缺乏整合多學科的方法論研究范式。

生態系統服務價值評估存在的問題包括：（1）評估方法的不確定性，尤其是經濟價值以外的部分，特別是針對文化服務的價值化方法如意愿調查法等的主觀性較強，不同評估結果難以比較；（2）絕大部分的價值評估工作采用 COSTANZA[2，22]，DE GROOT[21]和謝高地等[9]的價值當量法，忽視了生態系統服務的時空異質性和社會經濟以及文化的價值差異。

生態系統服務權衡與協同分析存在以下問題：（1）目前常用的回歸、相關和均方根偏差分析等方法都是基于數理統計原理的，結果易受到變量選擇、樣本多少的影響，同時對權衡和協同的機制解釋不夠；（2）目前多是分析和表達兩種服務之間的權衡和協同關系，對于超過兩種生態系統服務間的關系還缺乏有效的分析和表達方法與技術；（3）對權衡與協同關系的時空異質性和區域差異關注不夠。

在生態系統服務流研究上存在的問題主要有：（1）將生態系統服務供給和使用視作平衡關系，忽視了傳遞和流動過程中的阻塞和損耗等過程；（2）服務供給與使用的研究不夠均衡，對于使用環節的研究偏弱；（3）對于正服務流研究較多，對負服務流及其效應研究較少；（4）對于域內效應研究較多，對域外效應研究較少。

第三，生態系統服務研究成果的應用程度還不夠高。生態系統服務研究的終極目標是提升人類福祉，其應用指向十分明顯。就現狀來看，研究成果應用到生態補償或生態系統服務付費、土地利用優化規劃、離任責任審計和綠色基礎設施建設等方面深度和廣度還不夠。例如，在生態補償應用上還有許多障礙，評估的準確性、服務供給方與消費方供給量和使用量的核算誤差等都限制了其作為生態補償政策主要依據的可能性。

4 發展趨勢

4.1 構建更加完善的土地生態系統服務研究學科體系

“生態系統結構、過程與功能—服務—人類收益與福祉”的級聯關系已經成為生態系統服務研究的基本框架，受到許多學者的關注。在這一級聯框架中涉及到自然過程、自然—社會經濟過程和社會經濟過程遞進、耦合和反饋關系，因此，迫切需要構建自然科學、人文社會科學以及兩者結合的學科體系來完善生態系統服務研究范式[54]。誠然，這一研究范式要求將生態系統服務作為連接自然生態系統和人類社會經濟系統的紐帶，重點研究生態系統功能到服務的轉變機理，尤其研究政策、制度、文化、生產生活方式以及行為、感知等對轉變過程的作用和傳導途徑。

由于生態系統服務研究的多學科屬性，將社會—生態系統（Social Ecological Systems, SESs）作為其理論支撐有其邏輯合理性，國內外已有了一些初步工作。未來的研究重點包括：（1）以社會—生態系統理論作為支撐的土地生態系統服務研究體系，應當對已有生態系統服務級聯框架進行改進，在每一環節增加人類的調節機制，包括生態系統服務管理、增加投入、服務分配、服務升值等；（2）在社會生態系統框架中，細化利益相關方的認知、心理、行為等對于生態系統服務的影響，包括在使用方面的偏好造成的權衡等；（3）將生態系統服務權衡與協同分析放在社會生態系統中加以分析。重點關注不同的社會經濟驅動因子，如何使得相似的土地類型產生不同的生態系統服務供給，并引起多重生態系統服務之間的權衡或協同關系；（4）在社會—生態框架下關注服務供給與使用等單元之間的交互耦合、反饋以及作用傳遞等過程。重點關注局地尺度的一些社會經濟信息如生計、知識、認知和偏好等如何影響生態系統服務使用者的行為，進而在更大尺度上對生態系統服務供給產生作用。

4.2 將土地生態系統服務融入到全球變化研究框架

在人類活動和全球環境變化驅動下，整個地球表層系統都在發生著巨大深刻變化。因此，未來對生態系統服務也必須采用動態演進的研究范式，融入到全球變化的研究框架。具體來說，采用“壓力—狀態—響應”模式，研究全球變化（主要驅動力為氣候變化和LUCC）情景下，生態系統服務的數量、質量和時空分布動態以及生態系統服務脆弱性及其影響因素，并進行基于可續發展目標對生態系統服務供給狀況調控。主要的科學問題可以歸結為：生態系統服務的非線性變化及其驅動機制、生態系統服務對于全球變化（氣候和土地利用變化）互饋響應機理及其閾值、生態系統服務的區域差異及其分異規律等。

研究全球氣候變化和LUCC對土地生態系統服務的影響，一個重要工作是制定氣候變化和LUCC情景。未來的工作首先應當在提高情景的多樣性、準確性和時空分辨率上做出努力，其次應當明晰全球氣候變化和LUCC對于生態系統服務作用的時空尺度、快慢以及互饋等機理性問題。

4.3 建立政策—土地利用—生態系統服務的復雜聯系

除了全球氣候變化外，政策誘發的土地利用/覆被變化是驅動區域生態系統服務變化的主要因素。因而，明晰政策—土地利用—生態系統服務之間的復雜聯系，有助于制定科學的土地利用規劃和生態系統服務管理政策。

未來的研究工作可在以下幾個方面繼續深化：（1）建立不同尺度不同適用范圍的現實政策和情景政策集，以增大研究成果的普適性和可推廣性，目前，不論是現實政策或是政策情景都比較簡單；（2）明晰政策—土地利用—生態系統服務之間的非線性復雜聯系特征，包括滯后效應、閾值效應和反饋效應，主要政策包括商品市場、碳稅、水權交易、生物多樣性拍賣、生物質能源市場以及美景付費等；（3）強化政策—土地利用—生態系統服務之間關系研究的應用指向，建立多目標優化框架生成一系列土地利用和管理規劃方案，在優化過程中將土地生態系統服務作為優化過程的目標或限制條件，最終通過圖形界面對選擇土地利用和管理規劃而引起的生態系統服務權衡和協同關系進行可視化?？梢灶A計，未來基于生態系統服務評估結果的土地利用優化規劃、生態安全格局構建、生態基礎設施建設以及生態補償等應用將會得到快速發展。