生態(tài)系統(tǒng)服務驅(qū)動因素及供需研究進展

鄧煌煒， 廖振良

（同濟大學環(huán)境科學與工程學院， 上海 201620）

0 引言

2012 年中國正式加入生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務政府間科學政策平臺（IPBES）[1]，標志著我國對于保護生態(tài)平衡與穩(wěn)定進入一個新時期。國家“十二五”，“十三五”規(guī)劃中均對生態(tài)保護與生態(tài)安全建設做出了重大決策部署。目前，我國生態(tài)空間及生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量遭受嚴重威脅，生態(tài)服務功能低[2]，影響了生態(tài)安全及生態(tài)文明建設。

國內(nèi)外學者對生態(tài)系統(tǒng)服務的供給、 平衡、協(xié)作、驅(qū)動機制等做了很多研究，但其中仍有部分內(nèi)容需要進一步的探索， 目前對于生態(tài)系統(tǒng)服務需求量化的研究相對而言較少， 驅(qū)動機制的研究集結于土地使用/覆蓋的變化，其它因素的研究較少，尚未對生態(tài)系統(tǒng)服務形成完整有效的監(jiān)測、預測系統(tǒng)。本文基于已有的廣泛研究， 對生態(tài)系統(tǒng)服務供需量化方法進行分析， 剖析當前研究中對供需量化及驅(qū)動因素存在的不足，基于可持續(xù)及生態(tài)安全，提出強化生態(tài)系統(tǒng)服務時空動態(tài)評估， 確定生態(tài)系統(tǒng)服務供給閾值，建立區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務監(jiān)測預警模型系統(tǒng)，促進區(qū)域生態(tài)文明發(fā)展及生態(tài)可持續(xù)建設。

1 生態(tài)系統(tǒng)服務概念及驅(qū)動因素

1．1 概念及分類

千年生態(tài)系統(tǒng)評估[3]將生態(tài)系統(tǒng)服務定義為“生態(tài)系統(tǒng)提供給人類的惠益”，同時將生態(tài)系統(tǒng)服務分為供給服務、調(diào)節(jié)服務、文化服務及支持服務4 類。其中，供給服務主要包括食物、纖維、燃料、基因資源、生物化學物質(zhì)、天然藥材、裝飾資源及淡水等；調(diào)節(jié)服務則包含調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量、氣候、醫(yī)病、害蟲、自然災害，凈化水質(zhì)和處理廢棄物等；文化服務是人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得的非物質(zhì)精神滿足， 如教育價值、美學價值等；支持服務指作為支撐其它服務所提供的基本生產(chǎn)，如土壤、光合作用、水循環(huán)等。 一般認為， 支持服務因其作用本質(zhì)不被作為生態(tài)系統(tǒng)服務評價指標[4]。

1．2 生態(tài)系統(tǒng)服務改變的驅(qū)動因素

生態(tài)系統(tǒng)為人類社會提供豐富的物質(zhì)和非物質(zhì)資源，促進社會的發(fā)展和穩(wěn)定。 然而，人類生產(chǎn)生活對生態(tài)系統(tǒng)同樣會產(chǎn)生響應的反饋作用[3]。人口的急劇增長增加了對食物供給的要求， 因而提高了對農(nóng)作物產(chǎn)量的要求，進而轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，改變土地利用/覆蓋情況， 使用化學試劑與藥品提升土壤肥力，導致土壤富營養(yǎng)化等土壤退化現(xiàn)狀；工業(yè)的發(fā)展加速了對環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的惡化， 森林面積不斷減少，淡水資源的數(shù)量與質(zhì)量均在不斷退化，氣體污染物排放入空氣已嚴重超出大氣自凈能力。

對于生態(tài)系統(tǒng)服務的改變， 不僅僅是以上人類活動的影響， 氣候變化因子對于生態(tài)系統(tǒng)的能力也有部分作用，更多情況下，氣候變化與非氣候變化因子同時對生態(tài)系統(tǒng)的供給和社會需求進行作用。QIAN 等[5]對祁連山自然保護區(qū)1975 ～2015 年土地使用及植被狀況進行研究， 發(fā)現(xiàn)氣候變暖及氣候濕潤是導致冰山修復以及植被狀況改善的主要原因，經(jīng)濟發(fā)展模式?jīng)Q定了周邊區(qū)域受損害的程度， 強調(diào)了氣候與非氣候變化對周邊環(huán)境及生態(tài)的協(xié)同作用。 ANNE 等[6]研究了“過人口化”對生態(tài)系統(tǒng)的影響，指出在人口增長率增長的狀況下，氣候變化導致的“氣候難民”的居住地遷徙等造成了資源的過度消耗、能源的稀缺、未來風險和不確定性的增加，對于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定造成嚴重的威脅。SHEN 等[7]對中國部分城市濕地生態(tài)退化進行評估， 提出氣候變化與不合理的城市化是導致生態(tài)退化的主要因素， 增加了濕地生態(tài)系統(tǒng)的濕地退化指數(shù)， 降低了濕地涵養(yǎng)水源等服務功能。

2 態(tài)系統(tǒng)服務供需量化方法

2．1 土地使用/覆蓋矩陣模型

土地使用/覆蓋矩陣模型由BURKHARD 等[8]提出， 用于評估土地利用和覆蓋變化對生態(tài)系統(tǒng)服務供需雙方的影響。 該模型方法將研究區(qū)域所涉及的土地覆蓋與生態(tài)系統(tǒng)分別分類進行評估， 建立生態(tài)系統(tǒng)服務供應與需求矩陣分別量化生態(tài)系統(tǒng)服務供需。 生態(tài)系統(tǒng)服務供應矩陣用于確定不同土地覆蓋類型特定服務的能力， 而需求矩陣則用于反映人們對特定土地覆蓋類型的實際效益對生態(tài)系統(tǒng)服務的相對需求。

該模型確定生態(tài)系統(tǒng)服務供給與需求的范圍為0 ～5，根據(jù)兩者之間的差異得出平衡矩陣，以確定特定生態(tài)系統(tǒng)服務的赤字（-5）與盈余程度（5），進而量化不同土地覆蓋類型的生態(tài)系統(tǒng)服務能力[9]。

2．2 生態(tài)系統(tǒng)服務和交易的綜合評估模型（InVEST）

InVEST 模型是一種基于生產(chǎn)函數(shù)，用于反映生態(tài)系統(tǒng)結構和功能變化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響的量化方法，適用于對淡水、陸地等生態(tài)系統(tǒng)服務實物或價值的量化評估[10-11]。 該方法與上述土地使用/覆蓋矩陣模型均依賴于土地利用/覆蓋的數(shù)據(jù)，且均考慮人口對于生態(tài)系統(tǒng)服務的影響作用。 但是，InVEST模型需要更多的輸入數(shù)據(jù)，如相對危險影響權重等。另外，該方法只適用于對生態(tài)系統(tǒng)服務供給的量化[12]。

2．3 綜合葉面積指數(shù)

葉面積指數(shù)通常用于描述生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)健康情況，與植物的光合作用、物質(zhì)循環(huán)等密切相關，生態(tài)系統(tǒng)服務中較多功能依賴于植物的這些作用。 綜合葉面積指數(shù)包括對森林、草地、耕地、濕地等的反映，以生物群落分布為落腳點，考慮生物群落的內(nèi)涵及變化[13]，相較于綠化覆蓋率等二維的表示方法更為準確[14]。 采用綜合葉面積指數(shù)進行生態(tài)系統(tǒng)服務的量化，主要是將區(qū)域內(nèi)的生物群落/土地覆蓋類型葉面積指數(shù)進行加權， 計算相應土地利用類型占區(qū)域總面積的比例[15]。

2．4 生態(tài)系統(tǒng)服務供給指數(shù)（ESPI）

生態(tài)系統(tǒng)服務供給指數(shù)（ESPI）是一種依賴于土地利用類型分類進行不同生態(tài)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務供給量化的方法。 WANG 等[16]對中國生態(tài)系統(tǒng)服務供需時空不平衡和變化進行了研究，采用ESPI 對不同區(qū)域的不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務供給進行衡量[17]，將生態(tài)系統(tǒng)服務分為最高供應、 更高供應、 中等供應、 更低供應及最低供應5 個等級對生態(tài)系統(tǒng)服務供給進行分類與評價。

2．5 土地開發(fā)指數(shù)（LDI）

土地發(fā)展指數(shù)（LDI）是一種通過建立多目標模型用于量化生態(tài)系統(tǒng)服務需求的方法， 包含生態(tài)系統(tǒng)所提供的及希望獲得的產(chǎn)品或服務[18]。 由于區(qū)域人口密度與GDP 存在差異，WANG 等[16]對該方法進行修改， 采用統(tǒng)計學中的對數(shù)方法細化波動且不影響總體趨勢，LDI 計算方法如下：

式中：LDIi為區(qū)域i 的生態(tài)系統(tǒng)服務需求的土地開發(fā)指數(shù)；Di，Pi和Ei分別為區(qū)域i 的已建成土地的比例、人口密度和經(jīng)濟密度。

3 當前生態(tài)系統(tǒng)服務研究不足之處

3．1 生態(tài)系統(tǒng)服務供需量化不足之處

土地利用/覆蓋矩陣模型的使用可半定量化生態(tài)系統(tǒng)服務供需， 但其在測量單位準確度以及土地覆蓋等級評估中存在一定的缺陷。 TAO 等[19]通過專家評估不確定性水平來改進矩陣模型并對1985 ～2015 年長江流域的生態(tài)系統(tǒng)服務供需進行評估。 然而， 基于專家評估的方法主觀性會對估算帶來較大不確定性， 且其半定量性亦不能較好反應生態(tài)系統(tǒng)服務與土地覆蓋類別之間的關系和作用。

對于生態(tài)系統(tǒng)服務供需的量化， 絕大多數(shù)是基于獲得和分析土地利用/覆蓋數(shù)據(jù)， 進而進行模型、矩陣或算法的構建來進行供需的評估。然而，生態(tài)系統(tǒng)服務功能的體現(xiàn)與獲得并不是完全依賴于土地使用，如氣候調(diào)節(jié)、美學價值等。 目前的研究尚處于將生態(tài)系統(tǒng)各種服務分開或部分結合量化中， 未能實現(xiàn)服務功能整體的量化評估。 LIU 等[20]對中國東部太湖流域的氮和磷凈化、 供水及土壤保持服務進行了量化， 預測未來土地利用和氣候變化對這4 個生態(tài)系統(tǒng)服務的影響， 指出這2 種驅(qū)動因素的組合作用會影響所有的生態(tài)系統(tǒng)服務， 并且對于不同的服務類型表現(xiàn)出不同特征。

此外， 當前的量化研究著重于生態(tài)系統(tǒng)服務供給的量化，而對于需求的量化研究則較少。生態(tài)系統(tǒng)服務需求的量化取決于所需求服務的類型[21-22]。由于調(diào)節(jié)服務和文化服務的量化存在較多障礙， 如計量單位的估算、數(shù)據(jù)的缺失、方法的缺陷等，由此也導致了對于生態(tài)系統(tǒng)服務供給與需求之間的比較結果不準確甚至難以進行。

3．2 生態(tài)系統(tǒng)服務改變驅(qū)動因素研究不足之處

DPSIR（驅(qū)動-壓力-狀態(tài)-影響-響應）框架用于描述生態(tài)環(huán)境等問題的因果鏈[23]，連接自然、社會經(jīng)濟和環(huán)境等系統(tǒng)， 在判斷和確定生態(tài)系統(tǒng)服務驅(qū)動因素中使用廣泛。 ELIAS 等[24]對埃塞俄比亞中裂谷土地使用/覆蓋與湖泊生態(tài)系統(tǒng)之間的關系進行了研究，通過GIS 和RS 技術平臺，使用DPSIR 框架分析1985 ～2015 年埃塞俄比亞中裂谷湖泊生態(tài)系統(tǒng)在土地覆蓋改變狀況下的變化。 該方法需要收集大量數(shù)據(jù)，涉及社會、技術、經(jīng)濟因子等多方面跨學科領域，在指標的選擇及量化中存在不確定性因素。

目前， 對于生態(tài)系統(tǒng)服務驅(qū)動因素的研究主要有2 個部分，一是氣候因子，二是非氣候因子。 當前對非氣候因子的研究主要著重對土地利用/覆蓋變化對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響[25]，導致其它相關驅(qū)動因素如污染的累積與長期作用[26]。 氣候與非氣候因子對生態(tài)系統(tǒng)服務的共同作用尤為復雜[27]，不僅包含單一因子的作用， 更有非氣候因子如空間結構變化等與氣候因子累積作用[28]。LIU 等[20]的研究中將未來氣候情景與土地利用改變對生態(tài)系統(tǒng)服務的影響進行簡單的疊加， 探討二者的改變對于生態(tài)系統(tǒng)服務的整體作用，雖然在研究思路中有一定的代表性，但結果及簡單疊加方法缺乏科學性。 DANIELA 等[29]對瑞士2004 ～2014 年的調(diào)節(jié)二氧化碳、土壤侵蝕預防和調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量3 種生態(tài)系統(tǒng)服務變化進行了研究，使用附加模型及線性回歸分析[30]描述氣候（溫度、降水、相對日照持續(xù)時間）以及非氣候驅(qū)動因素的空間變化， 進而將兩者對瑞士生態(tài)系統(tǒng)服務改變趨勢的影響進行比較。研究表明，氣候驅(qū)動因素的影響更大。研究過程中，非氣候變化驅(qū)動因子未能剖析徹底，僅僅是考慮其整體作用，忽略了非氣候變化因子之間的相互關系。

3．3 生態(tài)系統(tǒng)容忍閾值

LIANG 等[31]通過對水量型缺水地區(qū)的探討與研究，提出了一套確定植被生產(chǎn)力閾值的框架，將其與當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)可使用的水資源量進行對照， 確定當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)承載能力。 對于生態(tài)系統(tǒng)服務供給的研究缺乏生態(tài)系統(tǒng)容忍閾值的研究與制定，同時，缺乏對生態(tài)系統(tǒng)服務恢復能力的探究。

3．4 生態(tài)系統(tǒng)時空動態(tài)變化監(jiān)測及預警機制

BRAUN 等[30,32]使用模型及遙感數(shù)據(jù)對生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳調(diào)節(jié)、土壤侵蝕保護、空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)及遠足娛樂4 個服務進行研究， 確定生態(tài)系統(tǒng)服務之間存在相互作用關系， 指出生態(tài)系統(tǒng)服務具有空間異質(zhì)性并且依賴于尺度與高度。 由于生態(tài)系統(tǒng)服務范圍較廣，所需要的信息較繁雜且存在相互作用，缺少將生態(tài)系統(tǒng)服務與生態(tài)系統(tǒng)的結構、 過程等結合的量化方法研究， 因而目前仍缺乏對于生態(tài)系統(tǒng)服務的常規(guī)監(jiān)測。

4 未來發(fā)展趨勢

4．1 遙感技術在生態(tài)系統(tǒng)服務供需量化中的應用

遙感技術存在巨大的發(fā)展空間， 可以支持跨時間與空間的多種生態(tài)系統(tǒng)服務的評估；同時，遙感數(shù)據(jù)能夠減少對于生態(tài)系統(tǒng)服務多指標的依賴， 通過遙感與生物物理模型的結合研究可以確定生態(tài)系統(tǒng)服務的潛在供給量[33]。

此外， 基于遙感數(shù)據(jù)的生態(tài)系統(tǒng)評估可以在時間上滿足關鍵時期對于生態(tài)系統(tǒng)服務的定期監(jiān)測，甚至對調(diào)節(jié)服務及文化服務進行量化評估[33]。

4．2 側(cè)重對氣候及非氣候驅(qū)動因子綜合作用的研究

生態(tài)系統(tǒng)服務與社會經(jīng)濟因素之間的關系目前還未透明化，對生態(tài)系統(tǒng)服務管理構成阻礙。因此研究社會經(jīng)濟因素與生態(tài)系統(tǒng)服務之間的作用機制尤為必要。此外，由于氣候變化與人類活動之間同樣存在相互作用， 而二者對于生態(tài)系統(tǒng)服務供需平衡產(chǎn)生影響，對于具有空間異質(zhì)性的生態(tài)系統(tǒng)服務來說，確定不同區(qū)域的各類驅(qū)動因子的綜合作用機制以及不同驅(qū)動因子的影響作用等級尤為必要， 也為區(qū)域生態(tài)建設的政策方針制定等提供理論依據(jù)。

4．3 強化生態(tài)系統(tǒng)服務時空動態(tài)變化研究

空間結構對于生態(tài)系統(tǒng)及其服務具有較大影響， 而時間偏移不僅可能改變土地使用/覆蓋狀況，也可以改變空氣中污染物質(zhì)的累積等，因此，強化生態(tài)系統(tǒng)服務時空動態(tài)變化的研究有助于對生態(tài)系統(tǒng)容忍程度進行把控。

4．4 結合社會經(jīng)濟發(fā)展及人民需求確定生態(tài)系統(tǒng)容忍閾值

生態(tài)系統(tǒng)與自然、 水資源一樣具有自我修復能力，然而人類活動往往會破壞這種能力，導致生態(tài)系統(tǒng)無法維持自身的穩(wěn)定[20]。 結合生態(tài)系統(tǒng)服務供給能力和社會活動的需求，確定生態(tài)系統(tǒng)容忍閾值，對保護生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與安全十分必要。

4．5 建立生態(tài)系統(tǒng)服務監(jiān)測及預警機制

生態(tài)建設、 保護政策的制定有賴于區(qū)域生態(tài)狀況、經(jīng)濟社會發(fā)展狀況以及文化情景。建立生態(tài)系統(tǒng)服務監(jiān)測及預警機制， 有利于輔助政府部門及政策決策方對生態(tài)建設進行統(tǒng)籌， 便于在區(qū)域發(fā)展中融合可持續(xù)理念進行生產(chǎn)、 生活及政策活動的安排及實施，以確保生態(tài)安全及區(qū)域可持續(xù)。

5 結語

隨著國家對生態(tài)文明及生態(tài)安全建設的愈加重視，生態(tài)系統(tǒng)服務功能評估逐漸成為研究熱點。經(jīng)濟人口的快速增長、 城市化進程的加快給生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大的負擔， 如何在這些動態(tài)的變化中取得生態(tài)系統(tǒng)服務供給和需求之間的平衡， 如何將生態(tài)系統(tǒng)服務穩(wěn)定在一個合理的波動范圍之內(nèi)成為研究及實踐的重點。

在氣候變化與非氣候變化多因素影響下， 深入研究生態(tài)系統(tǒng)服務改變的驅(qū)動力量化方法， 生態(tài)系統(tǒng)服務功能的時空動態(tài)變化以及供需變化情況，設定生態(tài)系統(tǒng)服務供給閾值， 構建相應監(jiān)測預警機制并落實到生態(tài)安全管理中，具有現(xiàn)實意義。