生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡研究進展

張碧天,閔慶文,*,焦雯珺,何思源,劉某承,楊 倫

1 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101 2 中國科學院大學, 北京 100049

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是指人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的惠益,是人類社會生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1],其供應(yīng)對于保障人類福祉有重要的意義[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)被認為是連接自然與社會生態(tài)系統(tǒng)的橋梁,且相較彈性理論[3]和SES分析框架[4]等其他社會-生態(tài)系統(tǒng)分析工具具有易量化、易空間表達的優(yōu)勢,因此在社會-生態(tài)系統(tǒng)的分析和管理中得到了廣泛的應(yīng)用。

在生態(tài)系統(tǒng)組分-過程-功能-服務(wù)-福祉的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)級聯(lián)模型中[5],形成不同服務(wù)的生態(tài)過程可能存在對生態(tài)組分和自然資源的競爭利用關(guān)系[6],致使某些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)難以同時實現(xiàn)最大化,即生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間存在此消彼長的權(quán)衡關(guān)系。類似的,當形成不同服務(wù)的生態(tài)過程對生態(tài)系統(tǒng)組分和自然資源的利用呈互利或不相關(guān)關(guān)系時,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間存在協(xié)同關(guān)系或無關(guān)聯(lián)。

對于不同的需求,同一生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類福祉的關(guān)系可以發(fā)生巨大改變。因此,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系往往對應(yīng)著服務(wù)消費者利益或社會-生態(tài)系統(tǒng)管理目標間的沖突/共贏關(guān)系。管理者需要通過決策進行合理的干預(yù)和支配,調(diào)節(jié)或利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系,化沖突為共贏,可持續(xù)地實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的最大效用,全面提升人類福祉。

正確理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的內(nèi)涵和作用機制,優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系,協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)管理的多元目標,是社會-生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。隨著研究的不斷推進,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡從對客觀規(guī)律的簡單認識逐漸拓展成為輔助社會-生態(tài)系統(tǒng)決策的工具[7-8],“權(quán)衡”的語義和涵義也變得復(fù)雜多樣,常給初入這一領(lǐng)域的研究者帶來困惑,難以理清繁多的研究方法和研究思路。為此,本文整理了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的內(nèi)涵和分類,將生態(tài)系統(tǒng)權(quán)衡研究二分為客觀權(quán)衡規(guī)律和管理權(quán)衡決策兩大類,并對兩類權(quán)衡研究的國內(nèi)外進展進行了系統(tǒng)梳理和評述。在客觀權(quán)衡規(guī)律方面,主要包括生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供與需間權(quán)衡、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供或需間權(quán)衡兩部分；在管理權(quán)衡決策方面,主要包括生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理權(quán)衡決策的準則確定和求解思路兩部分。并最后進行了總體評價和研究展望,以期可以為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡研究提供參考依據(jù)。

1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的內(nèi)涵與分類

在生態(tài)系統(tǒng)管理和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)研究中,“權(quán)衡”一詞被廣泛的提及,且內(nèi)涵和分類不一。最早,千年生態(tài)系統(tǒng)評估MA(Millennium Ecosystem Assessment)根據(jù)生態(tài)過程的空間外部性、時間滯后性和效果可逆性,認為權(quán)衡具有小尺度或大尺度、長期或短期的屬性、可逆或不可逆的3類屬性,將三類屬性組合得到8種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系[9]。其后,TEEB(The Economics of Ecosystems and Biodiversity)又根據(jù)權(quán)衡的內(nèi)容,將權(quán)衡分為4種,分別是考慮成本和收益在空間上分離的權(quán)衡、考慮成本和收益在時間上滯后的權(quán)衡、考慮成本和收益在利益相關(guān)者之間分配的權(quán)衡、考慮目標生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)選擇的權(quán)衡。相較MA,TEEB將“權(quán)衡”定義為管理者決策中的“取舍”,強調(diào)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的經(jīng)濟價值,將權(quán)衡關(guān)系的研究語境從自然生態(tài)系統(tǒng)擴展到了社會-生態(tài)系統(tǒng),權(quán)衡關(guān)系的維度也在時間維度和空間維度的基礎(chǔ)上增加了利益相關(guān)者的維度。

Mouchet[10]將上述兩種分類框架融合在了一起,提出了綜合供給和需求的3種權(quán)衡關(guān)系類型：“供給-供給類”,指不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給之間此消彼長的關(guān)系；“供給-需求類”,指生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求之間在空間或時間上的錯位和不匹配；“需求-需求類”,指由于需求差異性使得各利益相關(guān)方難以同時得到充分滿足,需要進行公平的分配和仲裁。Mouchet的觀點得到了學界廣泛的認可,但隨著研究進一步深入,有學者發(fā)現(xiàn)“此消彼長”的關(guān)系不僅存在于服務(wù)的供給中,也存在于服務(wù)的需求和消費中。“需求-需求類”權(quán)衡關(guān)系的內(nèi)涵被進一步豐富,除了需要考慮利益相關(guān)方維度,還需要考慮時間和空間維度。

參考上述代表性研究對“權(quán)衡”的分類和內(nèi)涵闡釋,本文將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡概括為兩類,一類是客觀權(quán)衡規(guī)律,一類是管理權(quán)衡決策(圖1)。客觀權(quán)衡規(guī)律又可分為2類,分別為服務(wù)供與需間權(quán)衡(供給-需求類)、服務(wù)供或需間權(quán)衡(供給-供給類、需求-需求類)。前者針對同項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需間的權(quán)衡；后者針對不同項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡展開論述,且“供給-供給類”和“需求-需求類”權(quán)衡在研究內(nèi)容和研究方法上存在諸多共性,可以一同進行討論；權(quán)衡決策的對象有4類,分別是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的類型、服務(wù)空間尺度的大或小、服務(wù)時間尺度的長或短、需求得到滿足的受益者類型。客觀權(quán)衡源自生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的多重性[11],是一種生態(tài)系統(tǒng)的客觀規(guī)律；而權(quán)衡決策則源自人類對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的選擇偏好[12],是對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間關(guān)系的一種綜合把握。在社會-生態(tài)系統(tǒng)中,管理權(quán)衡決策是為了優(yōu)化客觀的權(quán)衡規(guī)律,從而可持續(xù)的提升人類福祉,兩者以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的驅(qū)動機制為紐帶聯(lián)結(jié)在一起,探索權(quán)衡規(guī)律并辨明驅(qū)動機制是為了更好的實現(xiàn)權(quán)衡優(yōu)化管理。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡分類Fig.1 Classification of tradeoff of ecosystem services

2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)客觀權(quán)衡規(guī)律

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給或需求權(quán)衡研究

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系研究主要圍繞以下兩類問題(圖2)：其一,識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系,分析權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的時空特征、識別生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇。研究對象既可以是兩兩成對(pairwise)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),也可以是多項成組的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。其二,識別出形成權(quán)衡/協(xié)同規(guī)律的驅(qū)動因子和驅(qū)動機制。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間供給或需求權(quán)衡的研究內(nèi)容 Fig.2 Research contents of trade-offs between ecosystem services supply or demand

2.1.1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系識別

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡具有時空尺度依賴性和非線性特征,這主要由于生態(tài)系統(tǒng)的功能具有時空尺度特征。時間尺度上,比如Schroder等[13]在美國國家森林的研究中,發(fā)現(xiàn)森林火險管理(伐木)與貓頭鷹棲息地保護、水質(zhì)調(diào)節(jié)存在著短期權(quán)衡、長期協(xié)同的關(guān)系?？臻g尺上,比如余玉洋[14]等在秦巴山區(qū)的研究中,發(fā)現(xiàn)雖然生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系在大、中、小尺度上都一致表現(xiàn)為權(quán)衡/協(xié)同,但權(quán)衡/協(xié)同的強度卻隨尺度增大而增強。因此在進行權(quán)衡關(guān)系識別時,應(yīng)注意時空尺度的界定,然而目前許多研究對分析結(jié)果的尺度依賴性的考慮不足,對權(quán)衡規(guī)律的穩(wěn)健性避而不談,僅有少數(shù)研究分尺度進行權(quán)衡關(guān)系分析或?qū)Y(jié)果的不確定性進行了分析,并且多集中在空間尺度上[14- 17],這無益于區(qū)域間和代際間可持續(xù)性及公平性的維護。

(1)成對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡關(guān)系識別

成對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡關(guān)系的研究多數(shù)是純定量的,運用模型計算得到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生物物理量,再定量地分析各服務(wù)間的關(guān)聯(lián)性,主要有靜態(tài)空間相關(guān)性、動態(tài)空間相關(guān)性和二維生產(chǎn)可能性邊界法(PPF)[18](表1)。但也有部分研究是定量和定性相結(jié)合的,運用PPGIS等參與式評估的方法評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給/需求水平,然后再進行服務(wù)間關(guān)聯(lián)性的分析[38- 40]。

表1 成對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的主要研究方法

靜態(tài)的空間相關(guān)性以格網(wǎng)為單位,對某單一時間階段的ES1和ES2進行空間相關(guān)性統(tǒng)計計算,時間長度通常為一年,但也有學者取多年的時間周期,用平均靜態(tài)空間相關(guān)系數(shù)來體現(xiàn)長周期內(nèi)兩種服務(wù)間的相關(guān)關(guān)系[41-42]。然而有學者認為靜態(tài)的空間相關(guān)性忽略了景觀歷史的發(fā)展過程,“現(xiàn)狀”是由生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間長期的權(quán)衡和協(xié)同作用下的“結(jié)果”,因此靜態(tài)空間相關(guān)法得出的“權(quán)衡/協(xié)同”可能僅僅只能說明服務(wù)之間的關(guān)系并不是隨機獨立的,不能準確地表明生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互作用的過程和關(guān)系,并基于這種批判提出應(yīng)分析動態(tài)空間相關(guān)性[43-44]。在Tomscha[44]的研究中,兩個時間點(1949年和2006年)同樣運用靜態(tài)空間相關(guān)性方法得到的結(jié)果僅略有不同,但都與動態(tài)空間相關(guān)性方法得到的結(jié)果大不相同,甚至生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的協(xié)同和權(quán)衡關(guān)系都發(fā)生反轉(zhuǎn)?？梢?權(quán)衡的“結(jié)果”和“過程”可以存在很大的出入。

生產(chǎn)可能性邊界最早在福利經(jīng)濟學中,是為了幫助具有資源競爭資源關(guān)系的兩項產(chǎn)品實現(xiàn)資源高效率利用而繪制的曲線。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成也涉及到自然資源和土地利用的競爭關(guān)系,基于這樣的考慮,wossink[45]在2007年首次將PPF方法納入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的研究中,用于研究農(nóng)戶提供非供給類的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的受償意愿。隨后,Lester[46]打破了傳統(tǒng)PPF的擬凹函數(shù)假設(shè),認為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡關(guān)系與經(jīng)濟學中產(chǎn)品生產(chǎn)對資源的競爭關(guān)系不完全相同,ES-PPF的形狀可以是多種形態(tài)的擬凸曲線,并針對不同的形態(tài)進行了討論。

(2)成組生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡關(guān)系識別

識別多項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系主要有三種方法,即主成分分析法、因子分析法等和多維生產(chǎn)可能性邊界法。主成分分析法或因子分析法的結(jié)果中主成分/因子載荷的正負和大小可以用來衡量生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡或協(xié)同關(guān)系[47- 49]。多維生產(chǎn)可能性邊界與二維生產(chǎn)可能性邊界的方法原理一致,其中代表性的案例是Ruijs[50]運用多維生產(chǎn)可能性邊界法模擬了歐洲18個國家的食物供給、文化服務(wù)、碳封存和生物多樣性的ES-PPF,并根據(jù)邊際機會成本給出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的管理建議。

基于多組生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的研究,“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇”這一概念被 提出,它最初被定義為一組在時間或空間上反復(fù)地共同出現(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)[51],即空間上具有相似生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)構(gòu)成的組合,由此可見這一概念最早僅考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給,即“供給簇”。后有學者將這一概念從供給拓展到需求,將人們需求的一組互相關(guān)聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)稱為“需求簇”,比美國內(nèi)華達山脈的調(diào)查表明,農(nóng)民的“需求簇”多來自于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng),而游客的“需求簇”則多來自森林生態(tài)系統(tǒng)[52]。近年還有學者基于供需匹配特征提出了“供給-需求簇”[53],或基于供給、需求和流動的特征提出了“供給-流動-需求簇”[20]。可見相較早期對服務(wù)供給研究的側(cè)重,如今的研究已呈現(xiàn)向服務(wù)需求研究傾斜的趨勢。

識別服務(wù)簇可以有效提高管理決策的針對性和工作效率,根據(jù)各服務(wù)簇的權(quán)衡特征有的放矢,降低管理成本[54]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇通常采用系數(shù)矩陣圖、雷達圖、花朵圖等可視化方法表示。服務(wù)簇的識別主要有兩種方法,第一種方法較為基礎(chǔ),是直接對研究區(qū)的單元格網(wǎng)進行聚類分析,得到服務(wù)簇[51, 55]；第二種方法是在主成分分析或因子分析之后進行聚類分析得到服務(wù)簇,這種方法排除了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間重復(fù)供給的情況,增強了聚類結(jié)果的穩(wěn)健型[56-57]。比如Turner[58]在對丹麥的11項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進行PCA后得到4個主成分,隨后又根據(jù)空間上每個格網(wǎng)單元的四個主成分得分進行了聚類分析,得到6種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇。

2.1.2生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間權(quán)衡關(guān)系驅(qū)動力分析

驅(qū)動力分析是生態(tài)系統(tǒng)權(quán)衡研究的薄弱環(huán)節(jié),現(xiàn)有研究多側(cè)重權(quán)衡/協(xié)同規(guī)律的識別,但對規(guī)律背后的驅(qū)動因子和驅(qū)動機制的關(guān)注則相對不足。驅(qū)動因子大體上可分為環(huán)境生態(tài)因子和社會經(jīng)濟因子,環(huán)境生態(tài)因子主要包括地貌、土壤、植被、水文和氣候等,社會經(jīng)濟因子主要包括管理政策、受訪者特征(如距離保護地的距離、收入水平、性別、身份、受教育水平等)、區(qū)域發(fā)展水平(人口密度、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟指標等)。通常而言,環(huán)境生態(tài)因子用于探究“供給-供給”類權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系成因,社會經(jīng)濟因子用于探究“需求-需求”類權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系成因,但若涉及受人類活動影響較強的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),“供給-供給”類權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系成因也需要將社會經(jīng)濟因子納入考慮[59- 62]。驅(qū)動因子的分析方法主要有對應(yīng)分析法、多重對應(yīng)分析法、回歸分析法、機器學習法等。其中,回歸分析使用最多,常用的二元邏輯回歸[63]、多類邏輯回歸(MNL)、隨機參數(shù)邏輯回歸(RPL)[64]、最小二乘回歸(OLS)[65]等等都有應(yīng)用。冗余分析(RDA)[66]和典范對應(yīng)分析(CCA)是兩種最常用的對應(yīng)分析方法,在驅(qū)動因子的研究中得到了十分廣泛的應(yīng)用。多重對應(yīng)分析(MCA)專門用于處理名義數(shù)據(jù)或有序分類數(shù)據(jù),因此相較其他方法更適合于分析管理措施和保護策略形成的驅(qū)動力[67],比如García-Nieto等[68]利用MCA分析保護策略(國家公園、自然保護區(qū)、未保護區(qū))對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給-供給權(quán)衡的影響。近年來機器學習法也得到了一定的應(yīng)用,比如Schirpke等[20]運用隨機森林模型,用25%的隨機樣本模擬各項驅(qū)動因子與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇的聚類隸屬度間的關(guān)系,訓練結(jié)果較好地服務(wù)于服務(wù)簇特征的預(yù)測。

驅(qū)動機制方面主要還在沿用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)通用的組分-過程-服務(wù)-人類福祉-人為活動級聯(lián)模型[5, 69]或PSR模型[70],其核心可被拆分為“組分-過程-服務(wù)”“服務(wù)-人類福祉-人為活動”和“人為活動-組分-過程”三個關(guān)鍵的因果鏈條,圍繞權(quán)衡規(guī)律驅(qū)動機制的討論也主要集中在這三個鏈條上。針對第一個鏈條,Bennet[71]等認為權(quán)衡的形成有兩類主要機制,一類是以驅(qū)動因子為媒介產(chǎn)生的服務(wù)與服務(wù)間的間接關(guān)系,另一類是服務(wù)間的直接關(guān)系,這兩類主要原因還可以交叉形成六種組合機制；王志芳[72]運用因果循環(huán)圖剖析了服務(wù)與服務(wù)間、驅(qū)動因子與服務(wù)間、驅(qū)動因子與驅(qū)動因子間的相互關(guān)系。針對第二個鏈條,行為理論成為了可行的依據(jù),運用結(jié)構(gòu)方程或參與式評估可建立起從服務(wù)到行為的橋梁[73-74]。針對第三個鏈條,Altman等[75]提出了人類行為-影響強度-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的連乘關(guān)系矩陣,半定量地反映了不同服務(wù)對驅(qū)動因子的響應(yīng)機制；閔勇[76]利用布爾網(wǎng)絡(luò)半定量地模擬了人為活動影響對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的潛在影響。整體來看,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡規(guī)律的驅(qū)動機制仍然處于理論框架的初步搭建階段,尚沒有成型的研究框架和體系化的研究方法,致使客觀權(quán)衡規(guī)律研究的指向模糊、與管理權(quán)衡決策脫節(jié),不能夠很好地服務(wù)于優(yōu)化策略的提出或優(yōu)化情景的設(shè)計。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求權(quán)衡研究

2.2.1供需匹配的維度

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求的權(quán)衡研究實質(zhì)上是對供給和需求的數(shù)量關(guān)系進行比較匹配,而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給可以分為潛在供給[77]與實際供給[78- 80],生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的需求也可以分為潛在需求[81]與實現(xiàn)需求[82],因此在進行供需數(shù)量關(guān)系的研究時,應(yīng)當注意概念的界定。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需之間的錯配具有多維度的特性(圖3),既可以是空間維度、也可以是時間維度、還可以是利益相關(guān)者維度[83]。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求權(quán)衡的研究內(nèi)容 Fig.3 Research content of ecosystem service supply and demand tradeoff

多數(shù)供需匹配的研究集中在空間維度上,與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)流動研究緊密結(jié)合。在服務(wù)供需的空間關(guān)系方面,Costanza等[84]將服務(wù)分為全球非鄰近、局部鄰近、流動方向性、原位性和使用者遷移性；Fisher等再次基礎(chǔ)上[85]提出了服務(wù)產(chǎn)生區(qū)和服務(wù)受益區(qū),將全球非鄰近、局部鄰近合并為全方向,并將流動方向性按照是否依賴重力細分為2類；Serna-Chavez等[86]在服務(wù)產(chǎn)生區(qū)(P)和受益區(qū)(B)的基礎(chǔ)上提出了服務(wù)流動范圍區(qū)(F),并利用B、P、F的相離、相交和包含關(guān)系進行服務(wù)的描述和分類。我國學者馬琳[87]在Serna-Chavez的基礎(chǔ)上,強調(diào)地形和方向性的影響,將供需的空間關(guān)系分為6種。

服務(wù)產(chǎn)生區(qū)、受益區(qū)和流動區(qū)之間復(fù)雜多樣的空間關(guān)系直接影響到供需匹配研究的空間尺度選擇。供需匹配服務(wù)的研究區(qū)應(yīng)當盡量將服務(wù)的產(chǎn)生區(qū)、需求區(qū)和流動區(qū)都包含在內(nèi),其結(jié)果才能真正促進服務(wù)在空間上的均衡配置,實現(xiàn)可持續(xù)地供給和利用。因此,在目前的供需匹配研究中,比較少涉及諸如防風固沙、水源涵養(yǎng)等難以量化和測度流動的服務(wù),較多的涉及使用者遷移服務(wù)或坡地土壤保持、水質(zhì)凈化等流動范圍較小的服務(wù),或是食物供給、能源供給、原材料供給、水源供給等雖流動范圍廣但流量和流向都易量化的服務(wù)。

在時間維度上的供需匹配研究相對較少。針對時間維度,Mehring[88]強調(diào)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需錯配研究不僅要考慮自然生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài),還要考慮社會經(jīng)濟系統(tǒng)的動態(tài)。比如即使一年當中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給(魚類生物量)和需求量(漁民維持生計的捕魚量)在總體上是匹配的,但是由于政策、天氣等因素的限制,漁民們的捕魚量往往不能得到滿足,因此供需仍然是不匹配的[89]。在利益相關(guān)者維度上,不同利益相關(guān)者對服務(wù)的需求存在差異,這通常與居住地、身份、教育水平等因素有關(guān)[52, 90-91],在環(huán)境沖突中由于環(huán)境公平的缺位,總會有部分利益相關(guān)者成為“輸家”,其需求不能得到滿足。比如Stosch[36]利用ES-PPF就同一流域內(nèi)四種利益相關(guān)者對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強度對個人效用的影響的感知進行了調(diào)查,展示了不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)強度下,在利益相關(guān)者維度上產(chǎn)生的不同性質(zhì)和強度的權(quán)衡。

2.2.2絕對匹配與相對匹配

絕對匹配是將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求的真實值進行匹配分析,適用于供給和需求可以統(tǒng)一量綱的服務(wù)類型。衡量絕對匹配度常用指標是“供需比[92]”和“供給率[93]/供給比[87]”,前者用于衡量實際供給(實現(xiàn)需求)和總需求之間的數(shù)量關(guān)系,即判斷是否滿足需求；后者用于衡量實際供給和潛在供給之間的數(shù)量關(guān)系,即是否存在“過載”(overuse)[80],匹配狀態(tài)是否可持續(xù)。供給方面,通常運用生物物理過程模型(如計算NPP)來估算潛在供給,用行業(yè)管理數(shù)據(jù)(如林業(yè)采伐量)估算實際供給,但由于行業(yè)管理數(shù)據(jù)的獲取難度,許多相關(guān)研究并沒有很好區(qū)分潛在供給和實際供給,改用潛在供給和總需求計算供需匹配情況。需求的表征方式主要有服務(wù)消費量和脆弱風險性兩種,前者通常利用均值類行業(yè)標準計算(比如人均用水定額、人均碳排放量[94]等),后者通常利用閾值類行業(yè)標準計算(如水土流失風險標準[95]、空氣質(zhì)量標準[96]、水質(zhì)標準等)。

相對匹配則是將服務(wù)供給和服務(wù)需求的相對水平進行匹配分析,供給和需求可以是量綱不同的值,甚至是無量綱的排序等級,適用于所有服務(wù)類型。衡量相對匹配的方法主要有空間冷熱點匹配、數(shù)量排序匹配和經(jīng)驗供需矩陣3種(表2),但3種方法都不同程度的體現(xiàn)出“自給自足”的思想,欠缺了對系統(tǒng)內(nèi)外物質(zhì)交換和流動的考量,這也是相對匹配法的主要缺陷。供給方面,通常采用自然生態(tài)指標或受益者感知(如景觀美學價值高低、感受到服務(wù)供給程度等)來表征。需求方面,通常采用受益者的感知(如偏好、支付意愿、受償意愿等)、受益者的直接利用情況(如服務(wù)設(shè)施密度、到訪人次等)或社會經(jīng)濟指標(人口密度、建筑密度、經(jīng)濟水平等)來表征。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需相對匹配方法

3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理權(quán)衡決策

由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類福祉之間的緊密聯(lián)系,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的管理權(quán)衡實際是對社會-生態(tài)系統(tǒng)多重管理目標的權(quán)衡,權(quán)衡決策過程從社會-生態(tài)系統(tǒng)的多功能性管理出發(fā),調(diào)節(jié)或利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的客觀權(quán)衡規(guī)律,實現(xiàn)系統(tǒng)效用最大化。在多種主流決策輔助方法中,多準則決策(multi-criteria decision making analysis, MCDA)的研究理念與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理權(quán)衡決策高度一致[105-106],因為MCDA可以整合多角度多層次的標準[107],專長于處理沖突目標下的管理問題,很適用于社會-生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜的研究背景。MCDA將多種子決策準則賦權(quán)后進行整合,由此得到一個綜合決策準則,并以此為依據(jù)進行優(yōu)化管理方案的演算和選擇。這一過程對應(yīng)到生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理權(quán)衡決策中,就是將社會-生態(tài)系統(tǒng)的多重管理目標進行合理賦權(quán)并整合成一個管理權(quán)衡決策準則,在此基礎(chǔ)上結(jié)合研究條件和具體需求選擇合適的求解思路,最終制定出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的優(yōu)化管理方案?；谝陨峡紤],本文圍繞“如何確定權(quán)衡決策準則”和“有哪些優(yōu)化方案求解思路”這兩個問題,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理權(quán)衡決策的相關(guān)進展進行梳理和總結(jié)。

3.1 管理權(quán)衡決策的準則確定

權(quán)衡決策準則對管理方案的選擇起到?jīng)Q定性的作用,其確定過程本應(yīng)慎重而縝密,卻被許多研究者隨意忽略或過度簡化,為了提升管理權(quán)衡決策的科學性,深入探討決策準則的確定方法十分必要。在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理中,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型因同其他三種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理對象具有較為明確的對應(yīng)關(guān)系,而成為確定管理權(quán)衡決策準則的重要抓手。當可利用的資源有限時,優(yōu)先級判斷是管理的核心[108],是對各管理目標賦權(quán)的重要依據(jù),因此判斷管理目標所對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的優(yōu)先級就是確定權(quán)衡決策準則的核心。對于沒有特定管理目標的社會-生態(tài)系統(tǒng),各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的優(yōu)先級默認均等,這類系統(tǒng)的理想狀態(tài)是同時實現(xiàn)多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)高水平的總效用和低水平的總權(quán)衡,除此之外無論是高效用、高權(quán)衡,還是低效用、低權(quán)衡都是不理想的管理狀態(tài)[25],其管理權(quán)衡決策準則應(yīng)著重考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡度和供需匹配度等指向資源可持續(xù)利用的指標。然而實際上,社會-生態(tài)系統(tǒng)大多具有特定的管理目標,這種情況下,判斷生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型的優(yōu)先級是進行權(quán)衡決策的必需項。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型優(yōu)先級判斷的本質(zhì)是進行不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型重要性的橫向?qū)Ρ?根據(jù)評價角度的不同，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要性可分為供給重要性、需求重要性和供需綜合重要性,因此在相關(guān)研究中,“優(yōu)先”這一語義也有多樣的表述形式,如關(guān)鍵的(key)、重要的(important/critical)、首要的(priority)、偏好的(preference)等等。值得注意的是,許多研究孤立地基于供給重要性或需求重要性確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的優(yōu)先級,這類研究雖可為決策準則的確定提供多視角的洞見,但可能難以全面反映社會-生態(tài)系統(tǒng)的真實管控需求,因為低供給重要性的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可能具有高需求重要性,反之亦然。舉例來說,喀斯特地貌區(qū)的水土流失嚴重,其水土保持服務(wù)雖然供給量低、供給重要性低,但流失風險高、需求重要性高,因此其優(yōu)先級并不低。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型優(yōu)先級判斷有客觀和主觀兩類方法。

客觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型優(yōu)先級判斷依賴研究者的理性分析,根據(jù)社會-生態(tài)系統(tǒng)的自然和社會特征進行客觀判斷。供給重要性方面,難點在于各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的量綱不同,可利用貨幣化手段使不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)橫向可比,再以經(jīng)濟價值為依據(jù)衡量供給重要性[109]。需求重要性方面,常根據(jù)社會生態(tài)系統(tǒng)的敏感性和脆弱性判斷生態(tài)風險,水土保持服務(wù)、授粉服務(wù)、洪澇調(diào)節(jié)服務(wù)等都可以采用此方法[110]。若將供給重要性和需求重要性結(jié)合,即可得到研究區(qū)真實的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先級,中國生態(tài)功能區(qū)劃便是這一方法的代表性案例。

主觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型優(yōu)先級判斷依賴利益相關(guān)者的感性認識,根據(jù)利益相關(guān)者的經(jīng)驗和感知進行主觀判斷。不同身份利益相關(guān)者的需求出發(fā)點多不相同,其感知的尺度和角度也隨之變化[111-112],針對社會-生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性,主觀的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先級判斷推崇和鼓勵多方利益相關(guān)者的共同參與[90],以保證生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)優(yōu)先級和管理目標設(shè)置的科學性。陳述偏好法是進行利益相關(guān)者經(jīng)驗和感知調(diào)查的主要手段,層次分析法等其他定量工具也有一定輔助應(yīng)用[113]。介于“優(yōu)先”多樣的解讀方式,為避免歧義,研究者應(yīng)注意對受訪利益相關(guān)者的詢問方式,闡明是需求重要性(如最需改善的)、供給重要性(如質(zhì)量最好的)還是綜合重要性,避免有偏倚的解釋或引導。陳述偏好法的類型多樣,服務(wù)優(yōu)先級調(diào)查的具體方式也因研究條件和研究區(qū)域而異。最基礎(chǔ)的方法是進行無排序的選擇,通過被選比例評價生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重要性[100]。再進一步的是讓受訪者進行有限個數(shù)的有排序選擇,其效果類似于李克特賦分。更進一步的是為了獲得更加細致、差異化的強制排序,讓受訪者進行更深入的思考和取舍,比如有限砝碼分配[114]和Q方法等[115- 120]。

3.2 管理權(quán)衡決策的求解思路

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理權(quán)衡決策大致可分為兩種思路,一種是基于現(xiàn)狀診斷的管理權(quán)衡決策,一種是基于未來場景模擬的管理權(quán)衡決策,基于未來場景模擬的管理權(quán)衡決策又可分為基于未來假想行動模擬的和基于理想結(jié)果模擬的。無論是哪種研究思路,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的管理權(quán)衡決策都關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的客觀權(quán)衡規(guī)律,其區(qū)別在于其聚焦的尺度有所不同。大體上，基于理想結(jié)果模擬的思路僅關(guān)注大尺度上研究區(qū)整體的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)客觀權(quán)衡規(guī)律,默認內(nèi)部各種用地類型的多功能性不變,依靠各用地類型的面積轉(zhuǎn)移實現(xiàn)管理目標；基于現(xiàn)狀診斷的思路和基于假想行動模擬的思路則更關(guān)注小尺度上某種用地類型或區(qū)域單元的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)客觀權(quán)衡規(guī)律,將小單元或特定地類的多功能性視作可調(diào)控的變量,通過制定具體的管理措施及實施空間,使土地的多功能性得到高效地發(fā)揮或優(yōu)化。

3.2.1基于現(xiàn)狀診斷的管理權(quán)衡決策

基于現(xiàn)狀診斷的管理權(quán)衡決策不涉及情景模擬,僅基于現(xiàn)實的社會-生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征進行優(yōu)化決策。研究者通過分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的客觀權(quán)衡規(guī)律,對雙贏(win-win)、雙損(lose-lose)、權(quán)衡(lose-win)的區(qū)域進行定位并探討其成因,進而尋找最均衡、高效的優(yōu)化管理措施和實施空間。一種思路是在權(quán)衡關(guān)系中區(qū)分“強權(quán)衡”和“弱權(quán)衡”,并以降低權(quán)衡度為原則制定管理方案[121- 123]；另一種思路是尋找“win-win exception”,即尋找理論上本應(yīng)“權(quán)衡”卻實現(xiàn)“協(xié)同”的特例點,通過分析特例點的形成原因來提出社會-生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化方向[49]。

基于現(xiàn)狀診斷的管理權(quán)衡決策的一項典型應(yīng)用,是服務(wù)于保護地的外圍邊界劃定和保護地內(nèi)部的功能分區(qū),即將管理措施限定為“保護”或“恢復(fù)”,最大限度地優(yōu)化首選的支持服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù),基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的客觀權(quán)衡規(guī)律去尋找雙贏或低權(quán)衡的地區(qū),并結(jié)合經(jīng)濟預(yù)算建立高效的自然保護網(wǎng)絡(luò)[124- 127]。

3.2.2基于未來情景模擬的管理權(quán)衡決策

這種研究思路通過模擬替代情景來描述具有不確定性的未來[128]。在基于假想行動的情景模擬研究中,研究者預(yù)設(shè)若干替代情景,每個替代情景都有明確的管理行動,包含著明確的管理措施和實施空間,每個替代場景都代表著一種管理方案,研究者分別模擬各替代情景中生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的情況,并結(jié)合決策準則挑選出較優(yōu)的管理方案。而在基于理想結(jié)果的情景模擬研究中,研究者僅預(yù)設(shè)一種替代情景,這一替代情景具有明確的管理結(jié)果,代表著一系列可能的管理方案,研究者需要反向演算出這一系列可能的管理方案,并結(jié)合決策準則和可行性分析從中挑選較優(yōu)的結(jié)果。兩者分別代表著MCDA的兩種類型，即多屬性決策(MADA)和多目標決策(MODA)，基于假想行動的情景模擬屬于MADA，基于理想結(jié)果的情景模擬屬于MODA。

基于假想行動的情景模擬研究中,結(jié)合管理目標和研究條件,科學地進行替代情景的預(yù)設(shè)至關(guān)重要,可以從生態(tài)系統(tǒng)、景觀和政策三個層面入手。①從生態(tài)系統(tǒng)層面入手：改變森林[129-130]、農(nóng)田[131]等生態(tài)系統(tǒng)的種植結(jié)構(gòu)和管理方法,通常需要利用實驗觀測數(shù)據(jù)調(diào)整預(yù)測模型的參數(shù)。對此,李雙成等[132]總結(jié)歸納了5種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的優(yōu)化措施,可作為替代情景設(shè)定時的參考。②從政策層面入手：模擬退耕還草、植樹造林、生態(tài)補償?shù)拳h(huán)境政策的影響,但政策的有效性具有很高的不確定性,模擬難度較大[42, 133]。③從景觀層面入手：改變不同景觀分區(qū)的管理模式和景觀組分,比如保護區(qū)劃變更[134]、城鄉(xiāng)用地變化[135-136]、景觀連通度增加[137],通過元胞自動機[138]、馬爾科夫鏈、系統(tǒng)動力學等方法模擬。

基于理想結(jié)果的情景模擬研究中,理想的管理結(jié)果通常以約束條件的形式表達,研究者運用線性規(guī)劃或啟發(fā)式算法(如遺傳算法、模擬退火算法、粒子群算法、蟻群算法等)對各用地類型進行數(shù)量規(guī)劃,尋找理論上的滿意解,再利用土地利用模型實現(xiàn)用地數(shù)量的空間化表達,探索實現(xiàn)帕累托最優(yōu)的條件和方案。比如,Accatino[139]為了探索提升畜牧生產(chǎn)的同時不犧牲其他服務(wù)的優(yōu)化方案,設(shè)下了畜牧業(yè)增產(chǎn)且木材、農(nóng)作物不減產(chǎn)的約束條件,對法國全域范圍內(nèi)的土地利用格局進行了重新規(guī)劃。又如馬冰瑩等[140]設(shè)置了“生態(tài)保護”“經(jīng)濟發(fā)展”“統(tǒng)籌兼顧”等理想的管理結(jié)果,并根據(jù)四種結(jié)果提出了相應(yīng)的約束條件,從而對京津冀城市群的土地利用進行了優(yōu)化配置。

這兩種思路各有千秋?；诩傧胄袆舆M行情景模擬得到的管理方案可行性較高,但由于研究者思路和想象力的局限性,預(yù)設(shè)替代情景的數(shù)量有限,研究結(jié)果大概率為次優(yōu)方案?；诶硐虢Y(jié)果進行情景模擬較易獲得最優(yōu)方案,然而受限于社會、自然和文化的因素,最優(yōu)方案的可行性低,使得許多研究退而求其次地選用次優(yōu)解推算出的次優(yōu)方案,研究結(jié)果雖同為次優(yōu)方案卻更具啟發(fā)性。但整體而言,這兩種情景模擬過程中管理政策、社會-生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的復(fù)雜聯(lián)系仍缺乏探討,模型參數(shù)設(shè)置的科學性不足,且結(jié)果缺乏驗證,很多研究的理論意義仍強于現(xiàn)實意義。

4 研究展望

在理論和方法創(chuàng)新方面,應(yīng)基于現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)級聯(lián)模型提出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡的研究范式,細化引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡分析工具,整合客觀權(quán)衡規(guī)律和管理權(quán)衡決策,提升客觀權(quán)衡規(guī)律研究的應(yīng)用指向。為此,在客觀規(guī)律探索問題上,要深化對形成權(quán)衡規(guī)律的驅(qū)動機制的研究,探索管理政策、社會-生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化之間的復(fù)雜聯(lián)系和反饋、響應(yīng)機制。并針對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的非線性特征,開展多時空尺度耦合研究,明確權(quán)衡規(guī)律的穩(wěn)健性。在管理權(quán)衡決策問題上,應(yīng)重視決策標準的設(shè)置,加強多方參與決策,深入探討生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類福祉的聯(lián)系,使權(quán)衡準則更加貼近區(qū)域管理的真正需求,提升決策結(jié)果的可行性。雖然在WOS上以“ecosystem services tradeoff”為主題進行搜索,中國地區(qū)的發(fā)文數(shù)量居世界領(lǐng)先水平,但整體而言,國內(nèi)學者在實證研究方面更顯優(yōu)勢,在研究框架構(gòu)建和方法模型創(chuàng)新方面卻略落后于國際,這應(yīng)當是未來一段時期的研究要點。

在實證研究方面,國內(nèi)實證研究的研究區(qū)分布略顯不均,尤其是主觀權(quán)衡決策的研究主要集中于城鄉(xiāng)交錯帶或大城市群等人為活動壓力較大、經(jīng)濟發(fā)展需求較高的地區(qū),在自然保護地等高生態(tài)保護需求的地區(qū)相對欠缺。我國自然保護地人口稠密,保護地內(nèi)及其周邊地區(qū)所構(gòu)成的社會-生態(tài)系統(tǒng)同樣面臨著多發(fā)展目標相互矛盾、各利益相關(guān)方的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求難以兼顧、需要進行權(quán)衡決策的問題。因此,國內(nèi)學者在后續(xù)權(quán)衡決策研究中不應(yīng)將目光局限于城鄉(xiāng)交錯帶或大城市群,可嘗試將目光轉(zhuǎn)移,填補我國對自然保護地多目標管理的空缺,細化考量不同類型保護地不同管理目標下如何利用生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡管理實現(xiàn)生態(tài)保護和社區(qū)發(fā)展的協(xié)同提升問題。