草地生態系統服務價值評估研究綜述

楊倩, 孟廣濤,*, 谷麗萍, 方波, 張正海, 蔡雨新

草地生態系統服務價值評估研究綜述

楊倩1,2, 孟廣濤1,2,*, 谷麗萍1, 方波1, 張正海1,2, 蔡雨新1,2

1. 云南省林業和草原科學院, 昆明 650201; 2. 云南高黎貢山森林生態系統國家定位觀測研究站, 昆明 650201

草地生態系統是兼有生產和生態兩個功能的特殊生態系統, 隨著社會經濟的發展, 草地資源過渡開發利用, 導致的區域生態問題日益突出。評價草地生態系統服務功能價值, 對于保護和恢復草地生態系統, 制定合理的經濟開發決策, 維護國家生態安全具有重要意義。文章基于相關研究文獻, 首先概述了草地生態系統服務價值內涵及功能分類; 其次, 介紹了草地生態服務功能的研究進展, 探討和比較了草地生態系統服務價值評估方法, 并闡述目前草地生態系統服務價值評估的應用領域; 最后, 總結草地生態系統服務價值評估存在問題并對未來的發展方向提出建議。

草地生態系統; 生態系統服務; 價值評估; 研究綜述

0 前言

草地是我國最大的內陸生態系統, 擁有草地面積近4億公頃, 約占全球草地面積的12.4%, 占全國陸地國土面積41.7%, 約為森林面積的2.5倍, 農田面積的3.2倍[1-3]。草地生態系統蘊藏著豐富的生物種質資源, 是農牧民生活生產的主要載體, 對維持自然生態系統平衡、保護生態安全屏障起著重要作用[4]。2001年謝高地等[5]對我國自然草地生態系統服務價值評估, 得出全國草地生態系統服務價值為每年1497.9×108美元, 是森林生態系統服務功能的12.8倍, 說明我國天然草地生態系統在區域生命支持系統中所起的重要作用。然而, 全球氣候變化以及人類不合理的開發利用, 導致草地生態系統生物多樣性降低, 生態服務功能不斷退化[6], 不僅影響畜牧業的發展, 降低農牧民的生產、生活條件, 還會引發各種自然災害, 嚴重威脅國家生態安全[7]。

對草地生態系統服務價值評估, 是支撐區域統籌治理與科學管理, 實現生態、經濟、社會協調發展的的前提。既服務于國家戰略, 又是自身發展的迫切需要, 對維護我國生態平衡, 保護“山水林田湖草”生命共同體有著深遠意義[5]。

1 草地生態系統服務的內涵及分類

1.1 草地生態系統服務的內涵

生態系統服務的概念最早是由Holdren 和Ehrlich(1974)[8]提出。1997 年, Costanza、Daily等, 對生態系統服務進行了論述。Costanza[10]認為生態系統服務是人類通過生態系統的產品和服務, 獲得的直接或間接生態效益。Daily[11]則認為, 生態系統服務是自然生態系統通過維持生物多樣性、提供生態系統產品以及支撐并優化人類生存的所有環境條件和過程。千年生態系統評估(Millennium Assessment, 縮寫為MA)在Costanza 的基礎上從生態系統變化與人類福祉的關系出發提出生態系統服務的定義即人類從生態系統獲得的各種福利[12-13]。

歐陽志云在大量生態學研究的基礎上, 結合生態學和經濟學方法, 總結了生態系統服務功能的內涵, 認為生態系統服務功能是生態系統及其生態過程所形成及所維持的人類賴以生存的自然環境條件與效用[11,14]。草地生態系統是生產-生活-生態為一體的復合生態系統, 其生態服務在保障糧食安全, 維持牧民生活, 調節生態平衡方面發揮重要作用[15]。

1.2 草地生態系統服務功能的分類

按價值分類, 根據學者劉興元等[6]、歐陽志云等[16]、劉玉龍等[17]、中國科學院可持續發展戰略研究組[18]的研究成果, 第一類直接價值, 即為人類提供肉、奶、皮、藥材等直接利用的商品化的功能; 第二類間接價值, 即支撐和維持人類賴以生存的環境, 如水土保持、調節氣候、營養物質循環等難以商品化的功能; 第三類選擇價值: 將來的使用或非使用價值, 如生物多樣性等; 第四類存在價值: 繼續存在價值, 如生物棲息地、瀕危物種等。

按其功能分類: 基于聯合國新千年全球生態系統評估(MA)概念框架, 參考趙同謙、歐陽志云[14,16]等提出的草地生態系統服務功能的指標體系分類方法, 草地生態系統服務功能可分為提供產品功能、調節功能、文化功能和支持功能, 見表1[15]。

表1 草地生態系統服務功能分類

2 草地生態系統服務價值的評估

2.1 草地生態系統服務價值評估研究進展

早在20 世紀50 年代, 國外許多學者就開始對生態系統服務效益的價值評估進行研究, 其中, 以美國生態學家Costanza的研究最具影響力[19]。1997年Costanza等13位科學家發表《全球生態系統服務和自然資本價值》一文, 指出全球草地生態系統服務功能的價值為每年906×108美元, 占全球總價值的2.72%, 占陸地生態系統總價值的7.3%[10]。這是對生態系統服務價值全面評估的重要嘗試[20-21]。salad等(1997)在《Ecosystem Services in Glassland》中就草地生態系統服務功能的特點進行了總結探討, 闡述了草地在維持大氣成分、基因庫、改善小氣候、水土保持各方面的功能, 并針對草地生態系統中評價困難的服務功能展開評價。2001年6月由聯合國秘書長安南發起的一項為期四年(2001—2005年)的國際合作計劃—千年生態系統評估, 首次系統的揭示全球尺度上各類生態系統的現狀、未來發展趨勢和對策、生態系統變化對生態系統服務以及對人類福祉的影響等, 對國際社會產生了重要影響[22]。

我國于20世紀80年代開始生態經濟學研究, 到20世紀90年代初, 中國林科院核算森林資源[23], 20 世紀 90 年代中期, 我國生態學家開始比較系統的研究生態系統服務功能價值和價值評價方法。2001年, 我國為配合MA項目, 組織啟動了中國西部生態系統綜合評估項目(簡稱為MAWEC), 經過4年努力, 完成了MAWEC預期計劃, 發表了《中國西部生態系統綜合評估》[24], 意味著我國生態系統及其功能的認識正在逐步深入。

歐陽志云[14]、陳仲新[25]、謝高地[5,26]是國內最早開展生態服務價值評估的研究人員, 他們參照Costanza等的方法, 對全國各類生態系統服務價值進行了評估, 積累了豐富的數據資料。對于草地生態系統服務價值評估的研究, 陳仲新, 張新時[25]估算我國草地生態系統的自然資本和服務的平均綜合價值為1009.16億美元; 謝高地等人[5], 利用生物量指數對Costanza等給出的服務功能單位面積價值進行了訂正, 逐項估計了我國各類草地生態系統的各項生態系統服務價值, 計算得出全國草地生態系統每年的服務價值為1497.9×108美元。姜立鵬等[27]利用遙感技術估算了我國草地生態系統服務價值。

趙同謙[15]、歐陽志云[16]、和劉起等[28]在國際通用的生態系統服務分類體系的基礎上, 按照草地生態系統對人類生存和社會經濟發展的作用, 制定了草地生態系統服務功能評價指標體系, 尹劍慧等[19]將國內學者應用的指標體系進行篩選和對比, 按權重大小總結出了一套常用的草地生態功能評價指標, 這些研究對我國草地生態系統評估具有指導意義。

2.2 草地生態系統價值評估方法

目前, 草地生態系統服務功能價值評估的方法主要有三類: 以千年生態評估分類系統和Costanza等的分類方法為基礎, 利用謝高地研究的單位面積生態服務價值當量因子表進行計算, 簡稱當量因子法; 用生態經濟學方法對生態系統服務價值進行估算, 簡稱功能價值法; 隨著遙感技術的發展, 一些模型計算逐漸被運用, 簡稱模型計算法。

2.2.1 當量因子法

當量因子法是將生態系統服務功能分類, 以可量化的標準構建不同類型生態系統各種服務功能的價值當量, 結合生態系統的分布面積進行評估[10, 29]。

最初的當量因子法以Constaza等提出的方法為參照[4、5、30、33]。在對草地生物量訂正的基礎上, 估算各類草地生態系統的各項生態系統服務價值。但這種統計分析忽略了不同草地類型的時空差異, 估算結果不能動態反映生態系統服務功能。2015年謝高地等[29]又對生態系統服務價值當量因子表進行修訂和補充, 建立適用于不同生態系統類型、不同生態服務功能價值的時空動態評估方法。為生態系統功能價值評估提供了更為客觀的方法[34-37]。目前大多數學者用改進后的方法與遙感和GIS技術、凈初級生產力 (NPP) 數據相結合進行研究[38-39]。

當量因子法以生態系統服務單位面積價值為基礎計算, 數據量少, 較為直觀易用, 適用于區域和全球尺度生態系統服務價值的評估[29,33]。由于生態系統的異質性, 導致特定的生態系統服務價值指標不足以衡量不同區域實際的生態系統服務價值[40], 故此方法動態性不足,且空間化表達和分析比較困難。

2.2.2 功能價值法

功能價值法以生態經濟學為基礎, 基于生態系統服務功能量的多少和功能量的單位價格得到總價值。生態價值評估方法大致歸為三類: ①直接市場法, 包括市場價值法、費用支出法、資產價值法和人力資本法等; ②替代市場法, 包括替代成本法、影子工程法、機會成本法和旅游費用法等; ③模擬市場法(條件價值法)[16]。根據文獻資料, 草地生態系統服務價值主要評價方法有市場價值法、機會成本法、生產成本法、水平衡法、影子工程法、替代價格法等[41-45]。各方法在草地生態系統中的運用與對比如表2所示。

該方法的輸入參數較多, 沒有統一的參數標準, 計算過程較為復雜。且大部分生態系統服務沒有供參照的市場交易價格, 估算出的結果與生態系統服務真是價值存在偏差, 有較大主觀性[29]。

2.2.3 模型計算法

GIS 可用于分析生態系統服務功能的空間分布, 模擬土地、人口等變化對生態系統服務功能的影響[46]。遙感數據則為人類提供了不同尺度下制圖數據源和難以調查的數據[47]。于是基于GIS技術和遙感數據發展起來的生態系統評估模型如InVEST模型、ARIES、MIMES等就應運而生。在評價生態系統服務功能與空間分布的關系等方面發揮著越來越重要的作用。尤其是InVEST模型具有動態化、空間化、多層次、多模塊的優勢, 能夠更好地評估和分析復雜的生態系統服務功能,, 是生態系統服務功能定量評估未來的發展方向[48-49]。

目前, 學者對InVEST 模型的應用主要集中于生態工程[50-51]、草地水土保持、碳儲量、生物多樣性、涵養水源、固土保肥[52-56]。為了實現空間化動態評估, 一些學者利用遙感影像和模型等方法對草地生態系統服務功能進行評估[57-59], 彌補了“以點帶面”的缺點, 實現了草地生態系統服務功能定量評估的空間化和動態化[50、60]。

通過模型計算, 可以為生態系統服務變化的原因、影響因素提供更多信息, 直觀的反映研究區的具體情況, 以促進人們對生態系統服務變化的理解。但是模型計算多為生態系統演變規律、變化趨勢等大尺度生態計算服務, 對于更深層的機理研究不夠適合。

2.3 草地生態系統價值評估的應用

近年來, 對于草地生態系統服務功能價值評估的研究不斷發展, 涉及到全國草地生態系統服務價值評估[5、6、14], 區域草地生態系統服務價值評估[4、38-39], 自然保護區、生態保護和建設工程成效評估[22], 生態系統服務價值在近幾十年的時空變化及草地退化[61-62]的影響及機制等方面。既有大尺度生態系統演變規律的研究, 也有小尺度生態系統變化機理的研究。

2.3.1 區域生態系統價值評估

受自然環境、經濟條件及人文教育的影響, 不同區域有各自的發展模式和特點, 近年來, 研究者開展大量區域性生態系統服務功能評價, 從高寒草甸到熱性灌草叢, 從新疆牧區到城市綠地, 從黃河三角洲綠色空間到云貴石漠化草地, 從重點生態功能區到非重點生態功能區[38、63-67], 這些研究有助于量化資源價值、生態補償價值, 為當地政府資源開發和保護政策的制定、政府資金的撥備、根據地區生態承載力控制污染物總量等行為提供確切的量化指標。

2.3.2 自然保護區、生態工程建設成效評估

自然保護區和生態建設區都有特殊的地理位置, 生態系統復雜而脆弱。許多自然保護區由于生態功能退化而逐漸喪失其重要價值, 為保護、修復脆弱敏感區生態系統服務功能, 國家開展了一系列生態保護和建設工程[68], 針對生態保護與建設項目實施以來成效進行時空對比分析和評價, 是有效保護生物多樣性和提升生態系統服務功能的重要保障。2013年邵全琴等[22]分析了三江源自然保護區生態保護與建設工程的生態成效及其原因。2014 年趙新宇等[69]對云霧山國家自然保護區研究區封育30年來系統生態資產價值及對封育效益進行評價。2017年黃麟等[70]對比分析西藏重大生態工程實施前、后8 a 的生態成效。類似這些評價成果, 有助于總結生態敏感區環境保護與生態建設的經驗, 檢驗生態工程的預期目標, 及時調整生態規劃和行動。

2.3.3 草地健康狀況評估

千年生態系統評估結果表明, 全球60%—70%的生態服務在過去的50年(相對于2000年)是退化或衰減的, 未來50年內的發展也不甚樂觀[12]。由于氣候和人類活動的干擾, 使得草地生態系統不同程度的退化, 生產力下降, 草地土壤蓄水保肥能力差, 這將嚴重影響牧區的牧草產量和生態環境質量。近十幾年來, 我國對草地健康狀況的評價已經取得了很大的突破。集中于放牧強度與草地健康指標之間的關系[71-74]、草地退化的驅動因素[75-76]、退化草地空間分布[77-78]等方面。通過對不同地域, 不同放牧管理條件下的草地土壤、植被、生物量等指標的變化分析, 有助于草地改良和保護。

2.3.4 生態系統功能的時空變化及服務機理、調控機制

受人類生產生活的影響, 草地生態系統格局也在發生變化, 主要表現在草地景觀格局、土地利用/覆蓋變化和生態系統過程的變化等方面。2007年于格等[57], 對青藏高原研究區草地生態系統服務功能的動態過程進行評價。研究植物生長周期與生態服務功能之間的關系, 并進一步揭示服務功能形成的內在規律。鄧茂林[79]利用3期TM圖像分析了氣候變暖、人為排水疏干、過度放牧、無序旅游導致若爾蓋景觀破碎度的影響。2017年, 徐雨晴等[80]采用CEVS 模型, 分析了基準期(1971—2000 年)及未來(2021—2050 年)RCP 4.5(中低排放)和RCP 8.5(高排放)情景下中國草地生態系統服務價值時空動態變化特征。徐新良等[81]分析了30年來青海三江源地區生態系統格局和空間結構的動態變化。

開展生態系統功能的時空變化及服務機理、調控機制的研究與評估, 不僅具有理論和實踐應用價值, 而且對流域管理和研究具有重要示范作用。

2.3.5 草地可持續發展研究

可持續發展是尋求經濟、社會、資源、環境相互促進、協調發展的良性發展模式, 為平衡區域經濟發展和資源合理利用, 對人口承載力、生態承載力、生態系統安全[82-84]等方面進行評估。白衛國、丁勇、劉興元等[85-88]圍繞草地生態系統“需求-供給-結構”關系模式,建立草地可持續利用評價指標體系和模型, 并對中國西部草地及內蒙古天然草地、西藏那曲地區草地進行了可持續發展評價。并構建了基于草地功能分區的分級生態補償模式, 再此基礎上提出了針對不同功能區的生態補償方案。

對草地可持續發展的研究有利于調整區域農牧業發展戰略和方向, 優化結構, 提高草地生產力、保護草地生態環境。

3 存在問題與研究展望

3.1 評估指標體系的確定

確定評估指標是草地生態系統服務評價過程中的基礎, 目前草地生態評估并沒有統一的指標體系?，F有的評估框架和體系選取的服務功能類型與森林生態系統大致相同[89], 缺乏針對性, 部分研究為追求指標體系的完整性, 過度強調指標數量, 降低了評估的實用性。部分研究在評估指標的選擇上比較隨意, 沒有考慮地域差異和空間尺度, 選擇的指標缺乏可操作性。

草地生態系統是一個草—畜—人共生的復合生態系統, 應充分考慮多種生態服務之間的聯系, 結合草地類型、空間尺度、評估需求來確定評估指標, 增加評估的科學性和客觀性。趙同謙等[15]結合草地生態系統提供服務的機制, 構建了13 個功能指標體系。尹劍慧等[22]提出了一套由8項元素組成, 按權重大小排序的指標體系, 是一套較為科學、公平的和可操作的評價指標體系。劉興元等[90]以草地生態系統的生產、生活、生態為基礎, 結合草地地域和空間異質性特點, 建立了適宜于草地生態系統服務功能經濟價值的12個評價指標, 這些研究者的成果值得學習和借鑒。

以生態學理論為基礎, 以空間信息技術為支撐, 基于遙感數據、氣象數據和地面觀測數據, 通過多源數據融合和大尺度轉換手段, 以建立區域動態模型, 形成動態化、科學化、標準化評估體系是未來發展方向。

3.2 評估方法的選擇

由于草地的空間異質性和經濟發展水平的差異性, 導致不同草地類型的生態功能差異較大。一些功能與服務不能人為區分和定量描述, 研究結果存在較大差異。部分研究用過于復雜的評估方法, 不利于不同區域間評估結果的比較, 和同一區域不同時期結果的比較。一些評估方法不夠科學, 忽略了各要素之間和各種服務之間復雜的相互依存關系[91], 估算結果動態性不足, 且空間化表達和分析比較困難。地理信息系統和遙感技術能快速獲取數據, 有強大的空間分析功能[92],較多研究開始關注草地生態系統服務的時空演變規律。

另外, 生態區劃、生態補償、生態建設等決策都需要系統模擬, 生態模型、地理信息系統科學方法體系等手段在大尺度上對區域生態系統及其服務現狀、演變規律、變化趨勢進行全面評估。因此, 大尺度分析是評估發展的趨勢, 但這種大尺度分析缺乏對本質機理的認識, 未來發展變化可能有突變的情況, 應在目前趨勢性分析的基礎上, 做更多深入研究, 在分析共性的基礎上尋找特性, 針對具體目標, 關注重點過程, 才能更好揭示生態系統發展。

3.3 評估成果的應用

對草地生態系統服務功能進行評估, 能夠幫助管理者、政策制定者及其他利益相關者更好的理解草地生態系統的變化, 從而促進草地資源的可持續發展。從評估成果的應用來看, 在草地生態補償政策和實施、草地生態工程建設、草地保護和資源可持續利用等領域方面得到了應用。

隨著人類活動對生態系統壓力增大, 人們越來越重視生態環境產生的社會價值。如美學價值、生物多樣性價值、生命可持續價值、休閑娛樂精神價值等, 這些價值與人類福祉息息相關, 體現了以人為本的政治理念。但目前草地生態系統生態服務價值評估尚缺乏對社會價值方面的評估。

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A review on the methods of assessment for the service of grassland ecosystem

YANG Qian1,2, MENG Guangtao1,2,*, GU Liping1, FANG Bo1, ZHANG Zhenghai1,2, CAI Yuxin1,2

1. Yunnan Academy of Forestry and Grassland, Kunming 650201, China 2. Yunnan Gaoligongshan Forest Ecosystem Research Station, Kunming 650201, China

Grassland is one of important parts in ecosystem which combines both material production and ecological services. As the development of socioeconomic proceeds, some of regional problems have become prominent due to over-employment of grasslands. Thus the assessment of the value of grassland ecosystem service has substantial utility in the fields of conservation and restoration of grassland ecosystem, establishment of reasonable economical policy for exploitation, and safeguarding measurements of national ecological safety. In this paper we first review current researches on this issue and briefly explain the connotation and functional classification of grassland ecosystem services. Then we introduce recent progress of that and explore the assessment methods for grassland ecosystem and compared it to other methods, we also address some applications in grassland ecosystem services. Finally we point out the problems in the topic and propose the direction of future studies.

Grassland ecosystem; Ecosystem services; Value assessment; Research overview

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.02.026

S157.2

A

1008-8873(2021)02-210-08

2019-10-02;

2019-11-04

國家重點研發項目(2016YFC0502504), 云南省林業和草原科學院“森林生態系統保育修復與監測學科團隊”

楊倩(1985—), 女, 碩士, 助理研究員, 主要從事生態學研究, E-mail: 236589178@qq.com

孟廣濤(1969—), 男, 博士, 研究員, 主要從事生態學研究, E-mail: Menggt2001@163.com

楊倩, 孟廣濤, 谷麗萍, 等. 草地生態系統服務價值評估研究綜述[J]. 生態科學, 2021, 40(2): 210–217.

YANG Qian, MENG Guangtao, GU Liping, et al. A systematic review on the methods of Grassland Ecosystem Services value assessment [J]. Ecological Science, 2021, 40(2): 210–217.