梁友嘉,劉麗珺

1 武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,武漢 430070 2 武漢理工大學(xué)航運學(xué)院,武漢 430000

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(Ecosystem Services,ESs)是人類從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的所有物質(zhì)產(chǎn)品與服務(wù),分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)和維持前3種的支持服務(wù)[1- 2]。景觀格局變化是指景觀結(jié)構(gòu)和功能及其隨時間變化的過程與規(guī)律[3- 4]。伴隨全球經(jīng)濟和人口規(guī)模的持續(xù)增長,高強度人類活動(如經(jīng)濟、技術(shù)和社會調(diào)控等)對不同時空尺度的景觀格局產(chǎn)生了巨大改變,驅(qū)動著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的顯著變化[5]。集成生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局已成為探討生態(tài)系統(tǒng)時空分異規(guī)律以及與生態(tài)過程相關(guān)的區(qū)域資源和生態(tài)環(huán)境問題的重要途徑。千年生態(tài)系統(tǒng)評估(the Millennium Ecosystem Assessment,MEA)指出,全球24項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中有15項正在持續(xù)退化,嚴重威脅區(qū)域與全球生態(tài)安全。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局集成是區(qū)域環(huán)境政策-決策制定和生態(tài)系統(tǒng)管理等跨學(xué)科領(lǐng)域的熱點[6]。隨著生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)政府間科學(xué)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(xué)術(shù)界對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集成研究的關(guān)注度再次快速上升。

1 文獻計量分析

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局集成領(lǐng)域的發(fā)文量在快速增加。以Web of Science核心數(shù)據(jù)庫和中國知網(wǎng)核心期刊數(shù)據(jù)庫為例進行文獻計量分析,分別檢索(“l(fā)and” OR “l(fā)andscape”) AND (“ecosystem service”) AND (“integrated” OR “integrate” OR ″integration″)和(“土地” OR “景觀”) AND (“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)” OR “生態(tài)服務(wù)功能”) AND (“集成”),范圍覆蓋“題名”、“關(guān)鍵詞”和“摘要”等類型。2000—2016年SCI論文為452篇,自2009年起持續(xù)走高,中文核心論文為84篇,發(fā)文量基本穩(wěn)定,少于同期國際論文(圖1)。SCI發(fā)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(fā)表在《生態(tài)學(xué)報》、《地理學(xué)報》、《應(yīng)用生態(tài)學(xué)報》、《地理科學(xué)進展》、《生態(tài)學(xué)雜志》和《資源科學(xué)》等期刊,發(fā)文量相差不明顯；位列前6的論文關(guān)鍵詞是：“土地利用變化”、“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”、“景觀生態(tài)”、“生態(tài)環(huán)境”、“生態(tài)系統(tǒng)”和“生態(tài)功能區(qū)劃”等,表明集成研究關(guān)注生態(tài)環(huán)境評估與政策應(yīng)用等核心主題；涉及的主要方法有遙感、地理信息系統(tǒng)、指標評估、生態(tài)過程模擬和景觀格局分析等。本文系統(tǒng)綜述已有重要理論與方法,并提出可用的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集成建模和知識概念框架,旨在為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局集成的理論探索與方法實踐提供科學(xué)參考。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局集成研究領(lǐng)域的文獻數(shù)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能與過程的影響

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)過程和其組分滿足人類所需產(chǎn)品和服務(wù)的能力[10]；No?l和O′Connor認為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)支持經(jīng)濟活動或人類財富的特定功能或服務(wù)[11],獲得類似觀點支持[12- 13]；De Groot分析了24種生態(tài)過程和服務(wù)功能[14- 15],但未嚴格給出景觀格局、功能和過程的復(fù)雜對應(yīng)關(guān)系；MEA從全球尺度提出生態(tài)系統(tǒng)變化對人類福祉影響的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估框架；國內(nèi)學(xué)者也形成多種研究成果[16- 21],國內(nèi)外研究總體上有相似性,存在的問題是：1)概念重疊可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的重復(fù)測量和驗證,如文獻[10]中的“調(diào)節(jié)功能”包含[3]中的“調(diào)節(jié)和支持服務(wù)”；2)與景觀格局相關(guān)的功能(如棲息地、信息和文化服務(wù))多且零散,對應(yīng)關(guān)系不清晰。受不同人類活動強度干擾的景觀格局會產(chǎn)生相應(yīng)生態(tài)過程,進而影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能變化[22]。例如,景觀格局物理屬性差異會導(dǎo)致地表反射率等系統(tǒng)屬性變化,以此影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)過程[23]。當(dāng)人類活動干擾程度較小時,供給服務(wù)較弱,調(diào)節(jié)和支持服務(wù)較強；適度干擾時,供給服務(wù)較強,調(diào)節(jié)與支持服務(wù)較弱；干擾強烈時,土地景觀退化,多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的提供都受到威脅[24- 25]。

表1 幾種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類體系

3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局集成方法

3.1 基于景觀格局的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估主要分為價值量評估和物質(zhì)量評估[26]。價值量評估利用價值理論突出自然資產(chǎn)的重要性,應(yīng)用于區(qū)域生態(tài)補償?shù)阮I(lǐng)域[27- 28],通過不同景觀類型的價值系數(shù)來估算生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(zhì)性以及經(jīng)濟評估的復(fù)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(fù)計算和缺乏生態(tài)學(xué)意義等[31- 36]。隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展,反映生態(tài)系統(tǒng)功能和過程的物質(zhì)量評估正受到重視,出現(xiàn)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(shù)據(jù)和非數(shù)值模擬方法(如自主體),揭示經(jīng)濟活動、生態(tài)系統(tǒng)管理(如農(nóng)業(yè)管理和自然資源保護)與環(huán)境政策等導(dǎo)致的景觀異質(zhì)性,適用于空間顯式的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估[42- 44]；環(huán)境政策導(dǎo)致的景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的多尺度(景觀-區(qū)域-全球)差異性也受到關(guān)注[45- 47]。集成景觀格局模擬模型與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的挑戰(zhàn)有：1)甄別影響生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的景觀過程和驅(qū)動力；2)提供高精度的景觀數(shù)據(jù)；3)減少景觀格局變化在經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)管理中的不確定性。

3.2 情景和權(quán)衡分析

情景分析方法能揭示未來景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的可能性[48],已成為生態(tài)環(huán)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(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀類型的對應(yīng)關(guān)系[50]；利用利益相關(guān)者的偏好和情景方法獲取不同服務(wù)價值的變化閾值[51]。情景方法目前主要用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)可能的變化趨勢、決策結(jié)果及不確定性分析[52- 53]。

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

3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集成模擬模型開發(fā)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估多基于靜態(tài)平衡關(guān)系構(gòu)建,缺少綜合性的區(qū)域動態(tài)模擬能力。集成景觀格局和決策的模擬模型已成為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的主要工具?，F(xiàn)有主流模型多具有空間顯式、過程驅(qū)動和情景分析等功能,能模擬景觀格局和環(huán)境政策變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(fù)雜性和數(shù)據(jù)可用性影響了模型的可推廣性；3)多源數(shù)據(jù)集成和驗證仍未有突破性進展。例如,WaterWorld數(shù)據(jù)庫中多種全球尺度的數(shù)據(jù)驗證困難；4)決策信息收集與知識轉(zhuǎn)換方法仍有待改進。

表2 幾種主要的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集成模擬模型

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)集成模擬模型呈現(xiàn)模塊化、圖形化、知識驅(qū)動和空間顯式趨勢[70],集成多種跨學(xué)科知識和方法,據(jù)此提出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(shù)據(jù)；2)強調(diào)景觀格局變化對生態(tài)系統(tǒng)過程的影響；3)關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合性與尺度效應(yīng)；4)集成景觀管理情景和權(quán)衡方法；5)開發(fā)不確定性分析方法。

4 討論與結(jié)論

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域：1)制備長時間序列的多源數(shù)據(jù)集,用于支持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)監(jiān)測和自然資產(chǎn)評估；2)開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的源、匯和空間流模擬模型,分析不同景觀格局的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間異質(zhì)性及其形成機理；3)發(fā)展跨尺度的集成評估概念框架和指標集,增加利益相關(guān)者參與生態(tài)保護的機會；4)定量分析特定尺度的文化、制度因素對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)提供事關(guān)區(qū)域和國家的人口生計,是決策者和學(xué)術(shù)界共同關(guān)注的重大問題。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局集成的本質(zhì)是綜合跨學(xué)科知識的復(fù)雜反饋關(guān)系,存在“政策-決策—景觀—生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)—社會經(jīng)濟系統(tǒng)”的跨學(xué)科知識反饋環(huán),包含系統(tǒng)要素互饋層、模型層和數(shù)據(jù)層3個維度(圖3)。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)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(huán)境政策-決策中能綜合生態(tài)恢復(fù)工程、生態(tài)環(huán)境規(guī)劃和景觀管理等多種影響景觀格局的生態(tài)保護措施[71]。例如,根據(jù)利益相關(guān)者對歷史時期和當(dāng)前的景觀以及政策/決策的認識,預(yù)測不同情景的未來景觀格局變化；通過環(huán)境政策-決策的優(yōu)化組合獲取最佳的景觀格局,為區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)管理提供理論與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)景觀與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)：景觀功能轉(zhuǎn)化為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的機制尚未完全清楚,需要利用長期監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬模型提高認識[72]。例如,集成站點、樣地、觀測網(wǎng)絡(luò)和遙感等多源景觀格局數(shù)據(jù),用于確立對不同景觀驅(qū)動的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給機理的新認識。

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

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

近20年來,國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域積累了大量的遙感、調(diào)查、監(jiān)測和試驗數(shù)據(jù),開發(fā)了多種集成建?？蚣芎头椒üぞ?為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局集成研究提供了數(shù)據(jù)、理論和方法支持。主要結(jié)論是：1)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局集成的機理和方法是跨學(xué)科熱點；2)集成方法的核心是結(jié)構(gòu)化、多層次的集成模擬模型,這為綜合認識區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與景觀格局集成機理提供了可能性；3)集成研究能為區(qū)域環(huán)境政策-決策制定和生態(tài)環(huán)境保護等實踐應(yīng)用提供科學(xué)參考,更好地應(yīng)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)科學(xué)與應(yīng)用的挑戰(zhàn)。