生態系統服務與景觀格局集成研究綜述

梁友嘉,劉麗珺

1 武漢理工大學資源與環境工程學院,武漢 430070 2 武漢理工大學航運學院,武漢 430000

生態系統服務(Ecosystem Services,ESs)是人類從生態系統中獲得的所有物質產品與服務,分為供給服務、調節服務、文化服務和維持前3種的支持服務[1- 2]。景觀格局變化是指景觀結構和功能及其隨時間變化的過程與規律[3- 4]。伴隨全球經濟和人口規模的持續增長,高強度人類活動(如經濟、技術和社會調控等)對不同時空尺度的景觀格局產生了巨大改變,驅動著生態系統服務供給的顯著變化[5]。集成生態系統服務與景觀格局已成為探討生態系統時空分異規律以及與生態過程相關的區域資源和生態環境問題的重要途徑。千年生態系統評估(the Millennium Ecosystem Assessment,MEA)指出,全球24項生態系統服務中有15項正在持續退化,嚴重威脅區域與全球生態安全。生態系統服務與景觀格局集成是區域環境政策-決策制定和生態系統管理等跨學科領域的熱點[6]。隨著生物多樣性和生態系統服務政府間科學政策平臺(The Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services,IPBES)于2012年正式成立,各國政府和學術界對生態系統服務集成研究的關注度再次快速上升。

1 文獻計量分析

生態系統服務與景觀格局集成領域的發文量在快速增加。以Web of Science核心數據庫和中國知網核心期刊數據庫為例進行文獻計量分析,分別檢索(“land” OR “landscape”) AND (“ecosystem service”) AND (“integrated” OR “integrate” OR ″integration″)和(“土地” OR “景觀”) AND (“生態系統服務” OR “生態服務功能”) AND (“集成”),范圍覆蓋“題名”、“關鍵詞”和“摘要”等類型。2000—2016年SCI論文為452篇,自2009年起持續走高,中文核心論文為84篇,發文量基本穩定,少于同期國際論文(圖1)。SCI發文量前6位是：《Ecological Indicators》(57篇)、《Land Use Policy》(50篇)、《Ecosystem Services》(43篇)、《Science of The Total Environment》(38篇)、《Landscape and Urban Planning》(32篇)、《Ecological Economics》(30篇),其他期刊均低于30篇；中文核心論文主要發表在《生態學報》、《地理學報》、《應用生態學報》、《地理科學進展》、《生態學雜志》和《資源科學》等期刊,發文量相差不明顯；位列前6的論文關鍵詞是：“土地利用變化”、“生態系統服務”、“景觀生態”、“生態環境”、“生態系統”和“生態功能區劃”等,表明集成研究關注生態環境評估與政策應用等核心主題；涉及的主要方法有遙感、地理信息系統、指標評估、生態過程模擬和景觀格局分析等。本文系統綜述已有重要理論與方法,并提出可用的生態系統服務集成建模和知識概念框架,旨在為區域生態系統服務與景觀格局集成的理論探索與方法實踐提供科學參考。

圖1 生態系統服務與景觀格局集成研究領域的文獻數量變化Fig.1 The number of related papers in the field of integration of ecosystem services and landscape pattern

2 景觀格局對生態系統服務功能與過程的影響

生態系統服務功能與過程研究始于20世紀60年代[7- 9],至今已形成多種理論分類體系(表1)。例如,De Groot認為生態系統服務是生態過程和其組分滿足人類所需產品和服務的能力[10]；No?l和O′Connor認為生態系統服務是生態系統支持經濟活動或人類財富的特定功能或服務[11],獲得類似觀點支持[12- 13]；De Groot分析了24種生態過程和服務功能[14- 15],但未嚴格給出景觀格局、功能和過程的復雜對應關系；MEA從全球尺度提出生態系統變化對人類福祉影響的生態系統服務評估框架；國內學者也形成多種研究成果[16- 21],國內外研究總體上有相似性,存在的問題是：1)概念重疊可能導致生態系統服務的重復測量和驗證,如文獻[10]中的“調節功能”包含[3]中的“調節和支持服務”；2)與景觀格局相關的功能(如棲息地、信息和文化服務)多且零散,對應關系不清晰。受不同人類活動強度干擾的景觀格局會產生相應生態過程,進而影響生態系統服務功能變化[22]。例如,景觀格局物理屬性差異會導致地表反射率等系統屬性變化,以此影響生態系統服務過程[23]。當人類活動干擾程度較小時,供給服務較弱,調節和支持服務較強；適度干擾時,供給服務較強,調節與支持服務較弱；干擾強烈時,土地景觀退化,多種生態系統服務的提供都受到威脅[24- 25]。

表1 幾種生態系統服務功能分類體系

3 生態系統服務與景觀格局集成方法

3.1 基于景觀格局的生態系統服務評估

生態系統服務評估主要分為價值量評估和物質量評估[26]。價值量評估利用價值理論突出自然資產的重要性,應用于區域生態補償等領域[27- 28],通過不同景觀類型的價值系數來估算生態系統服務的使用價值和非使用價值[29- 30]。但該方法難以反映景觀格局的空間異質性以及經濟評估的復雜性,如評估指標選取和賦值的主觀性、特定景觀價值的重復計算和缺乏生態學意義等[31- 36]。隨著地理信息技術的發展,反映生態系統功能和過程的物質量評估正受到重視,出現與空間顯式的景觀格局模擬集成的趨勢[37- 38]。

景觀格局模擬模型常使用空間數據和非數值模擬方法(如自主體),揭示經濟活動、生態系統管理(如農業管理和自然資源保護)與環境政策等導致的景觀異質性,適用于空間顯式的生態系統服務評估[39- 41]。例如,景觀格局模擬模型通過需求或價格信息更新像元,已用于全球尺度農業生態系統服務評估[42- 44]；環境政策導致的景觀格局和生態系統服務的多尺度(景觀-區域-全球)差異性也受到關注[45- 47]。集成景觀格局模擬模型與生態系統服務評估的挑戰有：1)甄別影響生態系統服務評估的景觀過程和驅動力；2)提供高精度的景觀數據；3)減少景觀格局變化在經濟和生態系統管理中的不確定性。

3.2 情景和權衡分析

情景分析方法能揭示未來景觀格局和生態系統服務變化的可能性[48],已成為生態環境政策與決策制定的重要方法[49]。例如,通過情景制圖表達生態系統服務與景觀類型的對應關系[50]；利用利益相關者的偏好和情景方法獲取不同服務價值的變化閾值[51]。情景方法目前主要用于生態系統服務可能的變化趨勢、決策結果及不確定性分析[52- 53]。

權衡分析是指對比空間、時間和可逆性等維度的生態系統服務變化,以發現潛在沖突和提出解決辦法[54]。其中,空間權衡分析區域間生態系統服務相互消長或協同；時間權衡分析當前生態系統服務利用對未來可能造成的影響；可逆性權衡分析可逆性恢復和不可逆性變化之間的長期平衡,均與服務類型、景觀空間分布異質性和人類活動方式有關[55]。權衡方法主要有多目標線性規劃和多準則分析[56- 57]。權衡分析無法揭示生態系統服務變化路徑,綜合使用情景和權衡方法會減少生態系統服務與景觀格局集成的不確定性[58]。

3.3 生態系統服務集成模擬模型開發

生態系統服務評估多基于靜態平衡關系構建,缺少綜合性的區域動態模擬能力。集成景觀格局和決策的模擬模型已成為生態系統服務研究的主要工具。現有主流模型多具有空間顯式、過程驅動和情景分析等功能,能模擬景觀格局和環境政策變化對生態系統服務可能的影響(表2)。存在的問題是：1)建模原理差異較大且缺乏知識共享；2)模型復雜性和數據可用性影響了模型的可推廣性；3)多源數據集成和驗證仍未有突破性進展。例如,WaterWorld數據庫中多種全球尺度的數據驗證困難；4)決策信息收集與知識轉換方法仍有待改進。

表2 幾種主要的生態系統服務集成模擬模型

生態系統服務集成模擬模型呈現模塊化、圖形化、知識驅動和空間顯式趨勢[70],集成多種跨學科知識和方法,據此提出生態系統服務與景觀格局集成模擬框架(圖2),其方法特征有：1)注重使用多尺度、高分辨率的空間數據；2)強調景觀格局變化對生態系統過程的影響；3)關注生態系統服務的綜合性與尺度效應；4)集成景觀管理情景和權衡方法；5)開發不確定性分析方法。

4 討論與結論

生態系統服務與景觀格局集成從理論到方法都處于起步階段,至少有4個亟需發展的優先領域：1)制備長時間序列的多源數據集,用于支持生態系統服務監測和自然資產評估；2)開發生態系統服務的源、匯和空間流模擬模型,分析不同景觀格局的生態系統服務空間異質性及其形成機理；3)發展跨尺度的集成評估概念框架和指標集,增加利益相關者參與生態保護的機會；4)定量分析特定尺度的文化、制度因素對生態系統服務的影響。

生態系統服務的可持續提供事關區域和國家的人口生計,是決策者和學術界共同關注的重大問題。生態系統服務與景觀格局集成的本質是綜合跨學科知識的復雜反饋關系,存在“政策-決策—景觀—生態系統服務—社會經濟系統”的跨學科知識反饋環,包含系統要素互饋層、模型層和數據層3個維度(圖3)。

圖3 生態系統服務與景觀格局集成的知識概念框架Fig.3 The conceptual framework in the knowledge field of integration of ecosystem services and landscape patterns

(1)政策-決策與景觀：環境政策-決策中能綜合生態恢復工程、生態環境規劃和景觀管理等多種影響景觀格局的生態保護措施[71]。例如,根據利益相關者對歷史時期和當前的景觀以及政策/決策的認識,預測不同情景的未來景觀格局變化；通過環境政策-決策的優化組合獲取最佳的景觀格局,為區域生態系統管理提供理論與數據基礎。

(2)景觀與生態系統服務：景觀功能轉化為生態系統服務的機制尚未完全清楚,需要利用長期監測數據和模擬模型提高認識[72]。例如,集成站點、樣地、觀測網絡和遙感等多源景觀格局數據,用于確立對不同景觀驅動的生態系統服務供給機理的新認識。

(3)生態系統服務與社會經濟系統：生態系統服務價值評估能獲取收益來源和成本,其結果能納入社會經濟核算賬戶[73]。例如,在已有價值測量框架下,集成生態系統服務非貨幣化估值方法；發展兼顧社會公平和跨時空尺度特征的生態系統服務成本-收益權衡方法。

(4)社會經濟系統與政策-決策過程：定量識別不同環境決策的差異性和利益相關者的多元需求,充分引入文化、制度等社會科學領域的知識(如,表2)。

近20年來,國內外相關領域積累了大量的遙感、調查、監測和試驗數據,開發了多種集成建模框架和方法工具,為生態系統服務與景觀格局集成研究提供了數據、理論和方法支持。主要結論是：1)生態系統服務與景觀格局集成的機理和方法是跨學科熱點；2)集成方法的核心是結構化、多層次的集成模擬模型,這為綜合認識區域生態系統服務與景觀格局集成機理提供了可能性；3)集成研究能為區域環境政策-決策制定和生態環境保護等實踐應用提供科學參考,更好地應對生態系統服務科學與應用的挑戰。