河流景觀生態(tài)服務供給與需求/消費的互饋機制

彭保發(fā),劉 宇

1 湖南文理學院,洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)建設與發(fā)展湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心, 常德 415000 2 中國科學院地理科學與資源研究所,中國科學院生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101 3 中國科學院大學, 北京 100190

生態(tài)系統(tǒng)服務是人類從生態(tài)系統(tǒng)結構、過程和功能中獲得的各種益處[1],是耦合生態(tài)系統(tǒng)與人類社會福祉的紐帶[2—3]和人類社會感知生態(tài)系統(tǒng)變化的重要媒介[4—5]。河流景觀系統(tǒng)是人類文明的主要發(fā)祥地[6—7],為人類提供大量生態(tài)服務[8],包括如飲用水、漁業(yè)等資源供給,洪水調蓄、水質凈化等調節(jié)服務,旅游休閑、景觀美學等文化服務和河濱帶生物棲息地維持和生物多樣性支持服務[9]。人類文明歷史以來,眾多的人類生計高度依賴河流景觀系統(tǒng),同時通過對河流生態(tài)服務的消費而引起景觀結構和生態(tài)過程的改變[10—11],進而影響生態(tài)系統(tǒng)服務的供給能力,形成生態(tài)服務供給與生態(tài)服務需求/消費之間的互饋關系。生態(tài)系統(tǒng)服務供給、需求/消費之間的耦合和反饋已經(jīng)成為生態(tài)-社會互饋研究的前沿議題[12—13]。進入21世紀,以水為資源或環(huán)境支撐的文化、人居和休閑旅游等產(chǎn)業(yè)成為新興產(chǎn)業(yè)。河流生態(tài)系統(tǒng)提供的服務滿足了人類社會眾多的需求,也承受著巨大的壓力。隨著資源環(huán)境開發(fā)利用需求的不斷增強和擴展,河流景觀系統(tǒng)中生態(tài)系統(tǒng)服務功能的可持續(xù)性與人類社會對生態(tài)服務的需求和消費之間的矛盾持續(xù)增強[14]。可持續(xù)的河流生態(tài)系統(tǒng)管理依賴于全部或大部分生態(tài)系統(tǒng)服務之間的平衡,需要實現(xiàn)人類社會生態(tài)系統(tǒng)服務供給能力和需求/消費的適配。受地理-生態(tài)條件時空異質性的控制,生態(tài)服務供給和需求/消費的時空失耦是常態(tài),因而常常需要在生態(tài)服務間做出權衡[9]。從人-地關系的角度,如何調控生態(tài)服務的供給和消費以保持二者的協(xié)同是河流景觀管理的核心議題[15],其基礎是對河流景觀生態(tài)服務供給與消費之間互饋機理的清晰理解。本研究試圖從河流景觀系統(tǒng)結構和過程的尺度分異入手,分析生態(tài)服務供給和需求的空間異質性,闡釋它們耦合的機制和空間分異,以加深對流域景觀系統(tǒng)人地耦合機制的認知。

1 河流景觀生態(tài)服務供給的時空異質性

河流景觀是水陸過程高度交融的系統(tǒng),是一個開放、具有等級結構的地理系統(tǒng),空間結構復雜,是異質性極高的復合系統(tǒng)[16—17],既包括溪流等細小支流,也包括寬闊的干流河谷和入湖(海)三角洲。這些單元又包含了具有不同生態(tài)功能的次級景觀單元。河流景觀中生態(tài)服務的供給強烈地依賴水文過程,它接收上游流域以水為載體的物質、能量和信息的匯聚,承納泥沙、生物體、碳氮磷等物質的傳輸[18],其屬性受水文、泥沙傳輸、土壤-植物動態(tài)、生物地球化學過程和生物相互作用等許多因素的共同控制[7],景觀結構和地理-生態(tài)過程具有較高的時間動態(tài)[19],主要驅動因素亦隨流域空間組織尺度而異[20]。

河流生態(tài)系統(tǒng)在從細小的小溪、支流到大陸尺度的巨型流域多個尺度為人類提供大量生態(tài)服務[8]。相比其他景觀類型,河流景觀具有豐富的景觀類型單元和很高的生態(tài)服務供給能力[8, 21]。這些生態(tài)服務大多與水域和河濱帶景觀結構和生態(tài)過程緊密關聯(lián)[18]。世界上主要的文明都與河流景觀密切聯(lián)系,甚至以其為主要發(fā)展依托,形成了大量的有形和無形的文化遺存和風俗傳承,因而河流景觀往往具有很高的文化服務功能[8]。河流是人類社會淡水的重要來源,大量的生活廢水和固體垃圾又通過河流來消納和輸送到海洋。由于河流這些功能的普遍性,對供水、污染消納等基于水文過程的調節(jié)服務的研究較為普遍[18, 22],其過程機理也較為清晰。河流景觀因形態(tài)、小氣候等特征,以及城市、村落等聚落畔河分布的普遍特點,成為人類生活休閑的熱點景觀類型,是休閑服務的高價值區(qū)。從上游到下游,河流景觀中生態(tài)系統(tǒng)結構和過程趨于復雜多樣[20](表 1),所形成的生態(tài)服務供給亦隨之趨于豐富多彩[9]。從源頭到干流和下游洪泛平原區(qū),各項生態(tài)服務的供給能力隨其所依賴的生態(tài)系統(tǒng)結構和過程而出現(xiàn)空間分異(圖1)。如生活、農(nóng)業(yè)、工業(yè)供水、航運服務功能隨著上游到下游水量的增加而不斷增強,而通過支持發(fā)電形成的生態(tài)服務功能則在中上游往往較強,下游則相對較弱(圖1)。主導河流景觀過程的水文過程具有很強的時間異質性。因此,河流景觀系統(tǒng)生態(tài)服務供給能力呈現(xiàn)較高的時間異質性和較大的周期性,伴隨多尺度的隨機動態(tài)。如供水服務取決于河流水量,而水量季節(jié)性變化巨大,由此導致供水服務的高時間異質性。因此,刻畫河流景觀內部的生態(tài)服務異質性是河流景觀生態(tài)服務時空動態(tài)研究的重要方面。目前,對河流景觀生態(tài)系統(tǒng)服務的時空動態(tài)往往基于服務總量的表征[23—24],缺乏對服務空間異質性的顯式表達。

表1 流域和支流尺度控制景觀系統(tǒng)動態(tài)的過程(改自Beechie等 [20])

圖1 流域景觀生態(tài)服務功能強度隨河流等級的變異(改自Yeakley等[9])Fig.1 Spatial heterogeneity of the ecosystem services in river landscape (adopted from Yeakley et al [9]) 河流分級為Strahler [25]分級；支流到干流等級增高;灰度條顏色深淺表示生態(tài)服務功能的大小，從灰到黑色增大

2 河流景觀生態(tài)服務需求的時空異質性

生態(tài)服務需求產(chǎn)生于人類因基本的生存需要和追求更高生活質量兩個方面。相應地,生態(tài)服務的消費是指人類生產(chǎn)和生活對生態(tài)服務的消耗、利用和占用[26]。生態(tài)服務的需求和消費與傳統(tǒng)經(jīng)濟學上的概念不完全類同,它不是純粹的市場行為,包括不受景觀主導的人類的主動行為和因人類居住、生產(chǎn)和生活的地理位置而不得不接受的被動需求和消費。不同生產(chǎn)力水平和位于不同地理位置的社區(qū)對生態(tài)服務供給的依賴性差別巨大[27],由此導致生態(tài)服務需求和消費的類型和數(shù)量的區(qū)域差異。對河流景觀而言,從支流到干流、從上游到下游由于氣候、水文條件、地形地貌等河流景觀條件以及人類開發(fā)利用的景觀類型組成和空間格局的差別,利用的生態(tài)服務類型、利用方式和時機存在很大差異[9]。因此,不管是人類主動的還是地理位置決定的被動的生態(tài)服務需求和消費在空間上均存在變異性。對人類主動的生態(tài)服務需求和消費的量化表達已有較多的理論和方法探討[26, 28],但對被動生態(tài)服務需求和消費量化及其空間異質性的研究尚未得到充分的關注。人類因基本生存需要產(chǎn)生的生態(tài)服務需求和消費在數(shù)量上較為穩(wěn)定,空間異質性主要受自然地理環(huán)境制約,在時間上也基本穩(wěn)定,表現(xiàn)出一定的節(jié)律性。因追求更高生活質量產(chǎn)生的生態(tài)服務需求和消費大部分在年際尺度相對均衡,年內則因社會活動的周期性而表現(xiàn)出較強的周期性,特別是文化服務。河流景觀結構和功能具有鮮明的季節(jié)性,因而生態(tài)服務的供給也呈現(xiàn)年內的高度時間動態(tài)性和空間異質性。河流景觀生態(tài)服務供給極高的時間異質性與人類社會基本生態(tài)服務需求時間上相對均衡導致生態(tài)服務供給與需求時間節(jié)律上錯位的現(xiàn)象,即生態(tài)服務供給和需求的時間失耦。這種矛盾隨著人類社會科技進步和人類活動時空自由度的增加而得到緩解。

3 河流景觀生態(tài)系統(tǒng)服務供給與需求/消費耦合的機制

河流生態(tài)系統(tǒng)服務供給與需求/消費之間的互饋是社會-生態(tài)系統(tǒng)耦合的基本途徑,是理解生態(tài)系統(tǒng)和社會相互作用的切入點。以往的研究對河流景觀的生態(tài)過程以及人類活動對這些過程的改變有了深刻的認識[29—31]。在河流景觀系統(tǒng)中,生態(tài)服務消費與供給在空間上往往不完全重疊[32],多項生態(tài)服務供給和需求存在空間分離,如洪水調蓄、水質凈化常常是提供給下游的服務。流域景觀單元和人工設施系統(tǒng)形成的景觀結構和功能連通以及社會活動連通將景觀系統(tǒng)生態(tài)服務供給和人類社會的生態(tài)服務需求聯(lián)系起來[9],形成生態(tài)服務從景觀系統(tǒng)向社會系統(tǒng)的傳輸,進而通過社會系統(tǒng)的生產(chǎn)、消費等環(huán)節(jié)融入到社會系統(tǒng)中,轉化為支持人類社會的各類價值(圖2)。在生態(tài)系統(tǒng)服務供給與消費耦合機制中,景觀結構和過程是生態(tài)服務供給形成的基礎[33],也是生態(tài)服務消費反饋生態(tài)服務供給的紐帶。因此,生態(tài)服務供給與消費研究的重要內容之一是明晰生態(tài)服務供給和消費之間以景觀結構及其中的生態(tài)過程為紐帶的互饋機制,以支持生態(tài)系統(tǒng)管理決策。

圖2 景觀結構與功能到人類福祉的級聯(lián)轉化機制Fig.2 The cascade framework for the transformation of landscape configuration and functions to human wellbeing

生態(tài)服務供給與人類社會生態(tài)服務需求/消費之間在時間維度的耦合隨生態(tài)服務項而異,主要由景觀結構和過程的時間動態(tài)決定。例如,人類對供水服務、固碳服務、糧食供給的需求在年內大體上保持穩(wěn)定,但景觀系統(tǒng)提供這些服務所依賴的景觀過程具有極強的季節(jié)性,導致服務供給極高的時間異質性。土壤保持服務、洪水調節(jié)服務因景觀過程對人類利益的威脅而產(chǎn)生,因而其需求/消費與產(chǎn)生這類威脅的景觀過程的時間節(jié)律一致,但需求/消費與供給在時間上卻往往不完全重疊,存在較強的時間失耦(圖3)。文化服務本質上是人類社會與景觀系統(tǒng)相適應的結果,人類社會的文化服務需求和消費具有極高的彈性,總體上表現(xiàn)出供給與需求和消費相吻合的狀態(tài)。人類社會因科技進步、制度上的調整和行為上的適應性改變均會改變生態(tài)服務供給和需求/消費時空耦合的狀態(tài)和機制。例如通過儲存技術的進步改變糧食等產(chǎn)品供給與需求的時間失耦,通過運輸技術的改變解決空間失耦,通過網(wǎng)絡技術彌補文化服務供給與需求和消費的空間和時間失耦。

圖3 河流景觀典型生態(tài)系統(tǒng)服務供給與需求的時間耦合示意圖Fig.3 Temporal coupling between the supply and demand of critical ecosystem services in river landscape

4 河流景觀生態(tài)服務供給與需求/消費耦合的尺度特征

河流景觀系統(tǒng)結構和過程從分水嶺到下游洪泛平原區(qū)、從支流到干流具有明顯的空間分異[20, 34—35],隨組織尺度而逐漸變更,由此奠定了河流景觀系統(tǒng)中生態(tài)服務功能的空間異質性。景觀中生態(tài)系統(tǒng)服務源于生態(tài)系統(tǒng)結構和過程,因而具有鮮明的尺度特征。在河流景觀系統(tǒng)中,上游到下游地形地貌、植被、河網(wǎng)結構等往往發(fā)生規(guī)律性的更替或過渡,引起各類物理、化學和生物過程速率、頻率、強度和組合隨景觀組織尺度而變化[36—38]。水文過程和泥沙的運移是河流景觀系統(tǒng)的基礎過程,從坡面產(chǎn)匯流、侵蝕產(chǎn)沙到干流的水文情勢和輸沙也呈現(xiàn)出鮮明的尺度效應[39—41]。受流域景觀格局的控制,聚落的分布從上游到下游亦在規(guī)模、結構等方面逐漸變化,人類對環(huán)境的適應也逐漸形成了生態(tài)服務需求/消費隨河流景觀系統(tǒng)組織尺度的更替。由此,河流景觀系統(tǒng)生態(tài)服務供給和需求/消費的類型、生態(tài)服務供給區(qū)與需求區(qū)之間的時空聯(lián)系、生態(tài)服務消費的方式和途徑等亦隨空間尺度的變化而改變。從上游到下游,生態(tài)服務供給和需求之間的聯(lián)系由景觀過程主導轉向社會過程主導,逐漸從被動獲取生態(tài)服務向主動獲取生態(tài)服務轉變。從立地尺度到流域或區(qū)域尺度,生態(tài)服務供給和需求之間的聯(lián)系逐漸由景觀生態(tài)過程控制轉向社會過程的控制(圖4)。隨著社會經(jīng)濟、科技的發(fā)展,生態(tài)服務供給和需求的聯(lián)系逐漸從自然過程驅動為主向社會經(jīng)濟活動驅動為主轉變。當前,在流域生態(tài)系統(tǒng)服務研究中,這種隨流域景觀系統(tǒng)組織尺度而變更的生態(tài)系統(tǒng)服務供給和需求以及它們之間的耦合機制沒有得到深刻的認知,制約了流域到區(qū)域尺度對人-地耦合機制的深度理解。

圖4 河流生態(tài)服務供給與需求/消費及其耦合的空間變異Fig.4 Spatial variation of ecosystem service supply demand/consumption and their coupling in river landscape

5 河流景觀生態(tài)服務供給與需求/消費回饋機理研究的不足

當前,對河流景觀系統(tǒng)生態(tài)服務供給和需求/消費的互饋機制的認知仍存在很大的局限[42]。河流是流域景觀系統(tǒng)物質和能量的傳輸通道,是景觀結構、過程動態(tài)度非常高的景觀系統(tǒng)。河流景觀生態(tài)系統(tǒng)服務與眾多的流域過程緊密聯(lián)系而呈現(xiàn)出極高的空間異質性、時間動態(tài)和復雜性,導致對河流生態(tài)系統(tǒng)服務功能理解難度大,對生態(tài)服務供給和傳輸?shù)脑u估不確定性高。

在生態(tài)系統(tǒng)服務理論和方法研究方面,特別是評估應用中普遍缺乏從過程的角度表達生態(tài)服務供給與需求/消費互饋關系。盡管對河流景觀生態(tài)服務的評估、評價和量化研究眾多[18, 43],但大多以服務供給量和人類利用的產(chǎn)品化的價值量估算為主[44—45],對河流生態(tài)服務時空動態(tài)的研究往往將河流作為一個整體來看待[46—47],而對河流景觀內部結構和生態(tài)過程時空異質性基礎上的生態(tài)服務的空間異質性的刻畫匱乏。對產(chǎn)品供給等物質形態(tài)的生態(tài)服務供給不管是研究對象還是服務項之間的關系都比較容易理解[48—50]和量化[51],但對河流景觀調節(jié)服務、支持服務、文化服務等生態(tài)服務的定量方法和指標仍然比較匱乏,特別是具有生物物理基礎的指標[52]。對文化服務功能和休閑服務功能的研究注重從消費的角度理解[21],相關的評估依然存在臆斷,常采用貨幣形式的價值化方法表征,大多局限于旅游等市場價值的評估[53]。生態(tài)服務是生態(tài)系統(tǒng)和社會耦合系統(tǒng)的產(chǎn)物。自然過程決定生態(tài)服務供給的潛力,社會系統(tǒng)主導生態(tài)服務的需求和消費。從生態(tài)系統(tǒng)服務的內涵上,只有當生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)過程和功能帶來的益處為人類所需(意識到的和沒意識到的需求),才能稱其為生態(tài)服務[54—55]。生態(tài)服務從供給能力形成、生態(tài)服務的傳輸?shù)较M轉化為人類社會的福祉是一個級聯(lián)的生態(tài)-社會過程。當前的研究對生態(tài)系統(tǒng)提供這種生態(tài)服務的供給能力及其向人類社會轉化的環(huán)境和社會過程的認知和表達不足。目前的相關研究大多將河流景觀生態(tài)系統(tǒng)服務放在濕地生態(tài)系統(tǒng)服務[56—57]或陸地水生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)服務[44]下面,以較大的濕地單元開展評估,注重終端服務而對服務供給及其向人類福祉轉化的表達不夠。未來需要在社會-生態(tài)耦合的范疇內來研究生態(tài)服務,開展生態(tài)服務評估。

人類在消費生態(tài)服務的過程中也會通過個體和社會尺度的景觀干預改變生態(tài)服務供給能力,因而生態(tài)服務供給與消費的權衡關系是生態(tài)服務供給與需求/消費互饋的表征之一,也是流域管理決策的重要基礎。一些文化、休閑類的生態(tài)服務的感知和評估[58]以及它們的供給和消費之間的關系尚未充分掌握。在當前的生態(tài)系統(tǒng)服務研究中主要基于對象變量在數(shù)量上的此消彼長來表達生態(tài)服務項權衡與協(xié)同等機制,缺少從過程機理上給與闡釋。生態(tài)服務的供給和需求/消費很大程度上與受益者所處的景觀位置緊密相關。如具有較大有效匯水面積的人工庫塘需要上游提供的土壤保持服務較大,而由于具有較大的匯水面積,收到的土壤保持服務也較大,二者呈現(xiàn)一定的協(xié)同關系。由于生態(tài)服務項之間的空間共存是普遍現(xiàn)象,對某項生態(tài)服務的消費有時會對其他生態(tài)服務的供給能力造成削減,或者切斷其他生態(tài)服務的傳輸路徑[59],如攔截泥沙捕獲土壤物質補充土地肥力導致下游河道養(yǎng)分平衡的改變,進而影響生產(chǎn)力和食物網(wǎng),上游造林和蓄水導致下游流量減少[60]等。對生態(tài)服務供給和需求與消費之間的權衡和協(xié)同關系尚未有深入的探討。這可導致在不同時期[61]和不同空間尺度[62]得到的生態(tài)系統(tǒng)服務項之間權衡和協(xié)同關系的不一致,引起對生態(tài)服務供給和消費之間關系的誤解,從而對流域景觀管理和可持續(xù)利用帶來風險。

6 結論

河流景觀系統(tǒng)本身是一個社會-生態(tài)系統(tǒng),自然景觀過程和社會經(jīng)濟過程高度耦合,共同驅動生態(tài)系統(tǒng)服務供給的形成和服務的傳輸,決定生態(tài)系統(tǒng)服務的需求和消費。當前在河流景觀生態(tài)服務供給與需求/消費的互饋機理及其評估方法方面存在科學認知和工具的不足,需要在社會-生態(tài)系統(tǒng)的框架下,從景觀結構和生態(tài)過程出發(fā),融合景觀生態(tài)過程和社會過程來深入認識河流景觀系統(tǒng)的生態(tài)服務供給與人類對生態(tài)服務的需求/消費之間的互饋機制。針對河流景觀生態(tài)服務供給與需求/消費時空失耦的普遍性,需要從生態(tài)服務供給和需求的空間格局及其動態(tài)刻畫入手,基于景觀生態(tài)過程和社會過程理解和表達生態(tài)服務從供給到滿足需求的轉化過程。總而言之,需要強化基于社會-生態(tài)過程的生態(tài)服務供給和需求/消費時空異質性及其耦合機制的研究。景觀結構和過程是生態(tài)服務功能形成的基礎,在很大程度上決定了生態(tài)服務需求和消費的類型和數(shù)量,是生態(tài)服務供給和需求/消費時空異質性形成的重要驅動力。因此,未來研究首先應關注河流景觀結構和過程驅動生態(tài)服務供給和消費的空間分異的機制。其次,河流生態(tài)服務傳輸依賴于眾多自然和人文載體,未來的研究需要深入探究它們的時空格局及其耦合生態(tài)服務供給和需求/消費的機制,探究它們對外部驅動的非線性響應。鑒于目前生態(tài)服務相關的模型對社會-生態(tài)過程的表達不足,導致評估結果與現(xiàn)實感知的不符,不確定性高,未來研究需要加強基于生態(tài)服務供給與需求/消費通過社會-生態(tài)過程互饋的過程機制的模型研發(fā),將生態(tài)服務需求/消費通過景觀結構和生態(tài)過程反饋生態(tài)服務供給這一機制融入生態(tài)服務評估的方法框架,提高評估的準確性和可靠性。