董旭輝，徐 敏，林媚珍，李 燕，羊向東

(1.廣州大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所/ 湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008)

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)所形成及所維持的人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用，包括人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的所有利益，是人類社會(huì)生存和發(fā)展的基礎(chǔ)[1]。然而，隨著人類活動(dòng)對生態(tài)系統(tǒng)改造的日益增強(qiáng)，幾乎所有生態(tài)系統(tǒng)都受到人類不同程度的干擾，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能也隨之發(fā)生變化。2002年聯(lián)合國發(fā)起的千年生態(tài)系統(tǒng)評估計(jì)劃(millennium ecosystem assessment, MA)研究發(fā)現(xiàn)，人們對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的利用正在快速增長，但其中大約有60%的服務(wù)正處于退化或不可持續(xù)的狀態(tài)[2]，直接威脅著區(qū)域乃至全球的生態(tài)安全。因此，近年來生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究受到國際社會(huì)的廣泛關(guān)注，也逐漸成為學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)[3-8]。如聯(lián)合國2012年成立的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)政府間科學(xué)-政策平臺(tái)(IPBES)，目前吸引了130余個(gè)國家的參與。2016年10月Clarivate Analytics與中國科學(xué)院聯(lián)合發(fā)布《2016研究前沿》，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究列為當(dāng)前生態(tài)與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域10大熱點(diǎn)前沿之一。

國內(nèi)外早期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究主要集中于對各種生態(tài)系統(tǒng)(如陸地、森林、草甸等)的服務(wù)價(jià)值評估，圍繞著生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能內(nèi)涵、功能類型劃分及其生態(tài)經(jīng)濟(jì)價(jià)值等方面開展了大量研究[9-11]。近年來，隨著生態(tài)系統(tǒng)對人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)支撐作用日益顯著，以及人類擾動(dòng)日漸加大，研究人員和管理者越來越關(guān)心可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理策略，并開始從復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)過程、結(jié)構(gòu)和功能等方面來研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給及需求問題。其中，一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)就是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡或協(xié)同關(guān)系研究。研究人員發(fā)現(xiàn)，在外力作用下(如人類改造)，一種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的改變(如提高水產(chǎn)養(yǎng)殖量)，往往伴隨著其他多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的改變(如水質(zhì)退化)[12](圖1)。這種相互作用關(guān)系構(gòu)成了各類型服務(wù)間的權(quán)衡(此消彼長，tradeoff)或協(xié)同(相互增益，synergy)[13-14]。正因?yàn)檫@種相互作用的存在，導(dǎo)致當(dāng)人為活動(dòng)改變生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以獲取更大的某種特定服務(wù)時(shí)，勢必會(huì)影響其他類型的服務(wù)，管理者必須根據(jù)對不同服務(wù)的相對需求偏好制定自然資源管理決策，盡可能使生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總體效益最大化[15]。因此，深入研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系，是應(yīng)對國家生態(tài)文明建設(shè)、優(yōu)化社會(huì)生態(tài)安全格局、構(gòu)建生態(tài)補(bǔ)償機(jī)制等方面問題的一項(xiàng)重要任務(wù)，具有非常重要的實(shí)踐意義[10,16]。

湖泊(包括水庫)生態(tài)系統(tǒng)作為地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，歷史以來人類便環(huán)湖而居，湖泊對于保障流域內(nèi)人們的生產(chǎn)生活及區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有舉足輕重的作用。地球現(xiàn)有湖泊面積約為270萬km2(約占大陸面積的1.8%)，我國現(xiàn)代天然湖泊面積也在9萬km2以上[17]。作為天然的蓄水庫，湖泊既能夠蓄積湖區(qū)漬水，防澇減災(zāi)，供應(yīng)淡水，又可以調(diào)節(jié)局地降水與氣溫，同時(shí)還是各類水生動(dòng)植物的優(yōu)良產(chǎn)地，對于生物多樣性的維持意義重大。然而，近年來經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展加劇了人們對于湖泊資源的開發(fā)與利用。掠奪性的資源利用方式和非可持續(xù)性政策的實(shí)施等使湖泊生態(tài)系統(tǒng)正遭受嚴(yán)重威脅，各種環(huán)境問題突出，如富營養(yǎng)化、外來物種入侵和生物多樣性降低等，直接導(dǎo)致湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能降低。如何合理地利用湖泊資源并有效保護(hù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，是目前科學(xué)工作者和環(huán)境管理人員必須面對的一個(gè)重要問題。

改編自文獻(xiàn)[14]

針對這一熱點(diǎn)環(huán)境生態(tài)議題，筆者在概述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同過程與機(jī)制的研究方法、進(jìn)展基礎(chǔ)上，以湖泊生態(tài)系統(tǒng)為研究對象(以長江中下游太白湖為例)，探討有效評估湖泊生態(tài)系統(tǒng)功能、定量各功能間權(quán)衡/協(xié)同特征、揭示生態(tài)服務(wù)間權(quán)衡/協(xié)同發(fā)生機(jī)制等重要問題；重點(diǎn)展示基于湖泊沉積物分析的古湖沼學(xué)方法在重建歷史時(shí)期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)過程上的技術(shù)優(yōu)勢；最后對目前存在的問題及今后的研究方向做一展望。

1 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同研究進(jìn)展

目前，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究已在學(xué)術(shù)界掀起一股熱潮(Scopus搜索表明近年來年發(fā)文量>4 000篇)。針對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的這種權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的表現(xiàn)形式、時(shí)空尺度特征、驅(qū)動(dòng)機(jī)制等研究日益增多。按照文獻(xiàn)分析學(xué)方法，在Scopus文獻(xiàn)查詢分析系統(tǒng)中(https:∥www.scopus.com)，分別計(jì)算：(1)題目、關(guān)鍵詞或摘要中出現(xiàn)ecosystem service、synergy、tradeoff/trade-off的SCI論文篇數(shù)；(2)計(jì)算歷年發(fā)文量占全部主題為“ecosystem service”發(fā)文量的比例，結(jié)果見圖2。從圖2可知，系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡/協(xié)同效應(yīng)研究起步較晚(始于2006年，盡管之前已經(jīng)存在許多零星的單獨(dú)研究權(quán)衡，或單獨(dú)研究協(xié)同的工作[16])，但發(fā)展速度很快(10 a時(shí)間內(nèi)年均發(fā)文量從數(shù)篇到近300篇)，而且在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究這一主題中的關(guān)注度也迅速增長(從2011年之前的<2% 到2013年之后的>4%)。

圖2 1999—2016年以“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”、“權(quán)衡”和“協(xié)同”為關(guān)鍵詞在Scopus上檢索結(jié)果及其在所有“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)”研究中所占的比例

有關(guān)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的研究對象和方法手段不斷增加。研究對象上，從不同土地利用類型的流域[18-19]到河口，海岸濕地[20-21]到草地[22-23]，到森林生態(tài)系統(tǒng)[24]等等。方法上，在數(shù)理統(tǒng)計(jì)、空間分析和模型模擬等[15]方面均確立了可靠的分析方法。例如，相關(guān)分析可用于快速識(shí)別和定量比較生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的作用關(guān)系。BAI等[25]采用相關(guān)性分析對比了白洋淀流域生物多樣性、授粉、氮截留、磷截留、土壤保持等多種服務(wù)功能之間的作用關(guān)系類型和強(qiáng)度。再如，基于空間數(shù)據(jù)的聚類分析和冗余分析可以對龐雜的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和影響因子集合進(jìn)行重要性排序和分類，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系的研究轉(zhuǎn)變?yōu)閹追N典型“生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇”(ecosystem service bundles)之間關(guān)系的研究[26-27]，進(jìn)而根據(jù)服務(wù)供給特征進(jìn)行管理單元的聚類分析，提高了權(quán)衡管理決策的針對性和工作效率。TURNER等[28]采用聚類分析將丹麥11種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為4類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)簇，并根據(jù)各簇供給能力的差異將丹麥劃分為6組生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給類型區(qū)進(jìn)行管理。此外，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同模型也得到了快速發(fā)展，通過制定不同環(huán)境情景大量情景模擬方法用于分析土地利用/覆被變化、管理決策下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系和總體效益的定量模擬[15,29]。這些工作為揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系提供了非常有益的研究案例。

然而，由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)受生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、過程及人類選擇偏好的影響，因此各種服務(wù)之間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系異常復(fù)雜，至今仍存在一些科學(xué)難題尚未徹底解決。首先，對生態(tài)系統(tǒng)過程和服務(wù)提供之間的關(guān)系認(rèn)識(shí)依然模糊[11, 15]。生態(tài)系統(tǒng)過程復(fù)雜，往往很難具體界定某種生態(tài)過程所提供的生態(tài)服務(wù)及其驅(qū)動(dòng)要素(往往都存在交互作用)，因此各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的關(guān)系也異常復(fù)雜。其次，目前的許多認(rèn)知雖然有助于理解一些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的因果關(guān)系，但并未能定量表征這些相互影響的強(qiáng)度與影響效應(yīng)，如在外界條件的擾動(dòng)過程中，不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系是如何變化的，生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換是否進(jìn)一步加強(qiáng)了對權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的影響？第三，不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)響應(yīng)外界因素作用的時(shí)間和空間尺度不同。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡關(guān)系不僅存在于時(shí)間尺度，如大肆的伐木導(dǎo)致當(dāng)代人林業(yè)服務(wù)的增加與后代人林業(yè)服務(wù)的減少；在密西西比河谷由于大量施用化肥帶來了快速的經(jīng)濟(jì)收益，然而僅在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)后的20 a，墨西哥灣就出現(xiàn)了死亡地帶[30]。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系還存在于空間尺度，如上游地區(qū)使用農(nóng)業(yè)化肥導(dǎo)致糧食供給服務(wù)的增加和下游地區(qū)水質(zhì)凈化服務(wù)衰退；而對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系的多尺度分析是提高管理效率的重要基礎(chǔ)[31]。然而，現(xiàn)今對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互關(guān)系的研究大多立足于空間尺度，基于時(shí)間序列的研究十分缺乏。

上述瓶頸問題對深入理解生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系至關(guān)重要。換言之，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同研究的重點(diǎn)就在于在充分認(rèn)識(shí)不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間權(quán)衡/協(xié)同的多重非線性關(guān)系、類型特征、響應(yīng)速率、驅(qū)動(dòng)機(jī)制和尺度效應(yīng)的基礎(chǔ)上，找到生態(tài)保護(hù)與資源利用之間的平衡點(diǎn)，提出科學(xué)合理的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理策略[10,15-16]。然而，對上述問題的回答，必須借助于合適的生態(tài)系統(tǒng)研究對象，開展大空間尺度、長時(shí)間序列上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征及機(jī)理研究。生態(tài)系統(tǒng)過程/狀況的變化往往是非線性的，且社會(huì)-生態(tài)響應(yīng)在時(shí)間上存在滯后性，這使得基于靜態(tài)的時(shí)間窗或短期觀測數(shù)據(jù)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互作用分析易存在缺陷，導(dǎo)致對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)真實(shí)關(guān)系的理解有失偏頗[2,13]。例如湖泊供應(yīng)土地用于圍墾的服務(wù)與其洪水調(diào)節(jié)服務(wù)的權(quán)衡關(guān)系易在短期內(nèi)被發(fā)現(xiàn)；而施用化肥促進(jìn)流域農(nóng)業(yè)活動(dòng)對于水質(zhì)凈化服務(wù)的損傷卻是個(gè)長期過程，這兩種服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系需要較長的時(shí)間才能顯現(xiàn)[14]。

2 湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的定量表征及長期過程的重建

2.1 湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)

湖泊生態(tài)系統(tǒng)是開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的優(yōu)良載體。首先，湖泊生態(tài)系統(tǒng)作為地球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，發(fā)揮著重要的供水、水質(zhì)凈化、魚類養(yǎng)殖、氣候調(diào)節(jié)、生物多樣性等多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。有研究表明，湖泊所占地表面積盡管很小，但單位面積提供的許多生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效率卻很高[32](例如，長江中下游地區(qū)湖泊的碳埋藏效率是流域陸地面積的3.4倍[33])。其次，湖泊是流域水-陸生態(tài)系統(tǒng)的連接體且具有較清晰的系統(tǒng)邊界、相對簡單的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)源匯關(guān)系的(半)封閉系統(tǒng)[34]，在定量表征生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)過程、類型上均具有其他生態(tài)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢[32]。最后，湖泊生態(tài)系統(tǒng)是遭受強(qiáng)烈人類活動(dòng)干擾、目前生態(tài)狀況退化較為嚴(yán)重的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，研究其服務(wù)類型間權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系具有重大的實(shí)踐意義。因此近年來，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的評價(jià)、長期演替規(guī)律及對人類活動(dòng)的響應(yīng)等研究日益增加[21,32,35-38]。

同樣，不同的湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型間關(guān)系存在顯著的時(shí)空尺度差異。如上所述，這種不同時(shí)空尺度上的效應(yīng)，只有通過開展大空間尺度、長時(shí)間序列上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)特征及機(jī)理研究，才能科學(xué)地予以揭示。此外，今后氣候變暖和強(qiáng)烈人類干擾的共同作用，使得湖泊生態(tài)系統(tǒng)的未來充滿了不確定性。對未來變化趨勢的準(zhǔn)確預(yù)測，必須了解湖泊生態(tài)系統(tǒng)過去長期變化的特點(diǎn)。事實(shí)上，湖泊系統(tǒng)在長期記錄的獲得性上具有天然的優(yōu)勢。其一，湖泊歷來是人類活動(dòng)的集中區(qū)，因此，許多重要湖泊均有相對翔實(shí)的歷史記錄(盡管其時(shí)間尺度往往較短，如一般不超過50 a)，包括人口、自然事件、魚類捕獲、湖泊資源、水文情況等記錄，能為長期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型提供數(shù)據(jù)(表1)。其次，連續(xù)的湖泊沉積記錄是記錄歷史時(shí)期湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化的天然檔案庫，各種不同的沉積指標(biāo)均能在一定程度上體現(xiàn)歷史時(shí)期的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)情況(見表1詳述)。因此，將上述兩種記錄結(jié)合是一種非常有效的理解歷史時(shí)期湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)演替過程、揭示權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系的研究方法[36]。

表1湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的多指標(biāo)及其記錄來源

Table1Multi-indicatorsoflakeecosystemservicesandtheirdatasource

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類別一級二級評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)來源歷史記載、觀測數(shù)據(jù)沉積物代用指標(biāo)供給服務(wù)食物魚類、貝類、螃蟹、蝦等產(chǎn)量;蓮藕、茭白、蘆葦?shù)人参镂墨I(xiàn)記載的漁獲量、具商業(yè)價(jià)值的水生植物產(chǎn)量等動(dòng)物殘骸和水生植物殘?bào)w(亞化石分析)淡水鹽度、水量和水位水資源年報(bào)、歷史水文(水位)數(shù)據(jù)鹽度重建指標(biāo)、浮游/底棲硅藻比值、浮游/底棲枝角類比值/自生碳酸鹽等土地圍墾湖泊數(shù)量湖泊水面積變化、湖泊圍墾記錄調(diào)節(jié)服務(wù)水質(zhì)凈化Ⅰ水體和沉積物營養(yǎng)長期監(jiān)測記錄水體營養(yǎng)重建值,沉積物有機(jī)碳、氮、磷水質(zhì)凈化Ⅱ重金屬環(huán)保部門(多年)監(jiān)測記錄鉛、汞、砷等抗洪減澇水位、泥沙淤積速率水文記錄粒度、沉積速率、沉積通量、浮游/底棲硅藻比值、浮游/底棲枝角類比值區(qū)域氣溫調(diào)節(jié)湖心-湖邊溫差湖泊水熱降溫效應(yīng)氣候調(diào)節(jié)碳固存無機(jī)碳和有機(jī)碳累積速率支持服務(wù)初級生產(chǎn)力水生植物和藻類光合作用、營養(yǎng)物循環(huán)等硅藻、水生植物殘?bào)w、各種藻類色素、碳和氮同位素多樣性維持生物多樣性等科考記錄各類生物種群組成與豐度、α和β多樣性航運(yùn)通行船只、旅客數(shù)量通航點(diǎn)旅客數(shù)量、船舶量沉積物中污染物(如三丁基錫)含量文化服務(wù)休憩/旅游/教育/美學(xué)等公園訪問人數(shù)、生物多樣性、其他景點(diǎn)門票、游客數(shù)

改編自文獻(xiàn)[5,36]

2.2 基于古湖沼學(xué)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定量重建

湖泊沉積物中保存了豐富的生態(tài)系統(tǒng)變化信息，其連續(xù)的、高分辨率沉積記錄可以重建湖泊生態(tài)系統(tǒng)和流域長期的環(huán)境變化[39]。隨著對各種沉積環(huán)境代用指標(biāo)機(jī)制認(rèn)識(shí)的不斷深入，DEARING等[5]依據(jù)MA分類標(biāo)準(zhǔn)，首次提出了沉積物中各種代用指標(biāo)對湖泊-流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能性指標(biāo)(如水質(zhì)、水生生物群落多樣性、空氣質(zhì)量、土壤質(zhì)量與持久力等)的指示作用，列舉了一些古湖沼學(xué)相關(guān)沉積代用指標(biāo)，并依據(jù)這些指標(biāo)的物理意義，分析它們與湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能指標(biāo)的關(guān)系，進(jìn)而建立與供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)和支持服務(wù)之間的聯(lián)系。例如，對于那些以內(nèi)源生產(chǎn)為主的湖泊，湖泊沉積物總有機(jī)碳(TOC)含量可以作為湖泊初級生產(chǎn)力的有效代用指標(biāo)[40]；通過轉(zhuǎn)換函數(shù)，利用湖泊沉積物硅藻推斷的水體總磷濃度(TP)被用作指示湖泊水質(zhì)凈化能力(營養(yǎng)狀況)的代用指標(biāo)[41]；沉積物重金屬含量被認(rèn)為是指示流域人類活動(dòng)影響的重要指標(biāo)之一，可作為水質(zhì)凈化能力的潛在評估指標(biāo)之一[42]；與沉水植被豐富度趨勢相反，硅藻多樣性被證實(shí)對于沉水植物向浮游植物的轉(zhuǎn)變十分敏感，可作為反映水生植被多樣性的有效指標(biāo)[43]；另外，由于陸源有機(jī)碳的礦化和埋藏是調(diào)節(jié)區(qū)域碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，作為重要的碳儲(chǔ)存庫，淺水湖泊的碳埋藏量是反映區(qū)域碳調(diào)節(jié)的有效指標(biāo)[33]。上述工作為利用古湖沼手段反映長期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化建立了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。表1重點(diǎn)列舉了一些與湖沼生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型緊密相關(guān)的沉積代用指標(biāo)。

3 湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系研究案例：以長江下游太白湖為例

太白湖(29°56′～30°01′ N，115°46′～115°51′ E)是位于長江中下游地區(qū)的一個(gè)小型過水性湖泊，現(xiàn)有水面面積為25.1 km2，蓄水量約為0.8×108m3。歷史上，太白湖與長江是自然聯(lián)通的，然而1949年以后，眾多水利設(shè)施圍湖修建以利農(nóng)業(yè)灌溉和防旱抗?jié)?，發(fā)揮著重要的水文調(diào)控功能；1949年之后尤其是1960和1970年代大規(guī)模圍墾活動(dòng)使得湖泊面積銳減，從1930年代的69.2 km2萎縮到1950年代的63.7 km2，再到1960年代的44 km2；隨著1960s后人口數(shù)量的增加，周邊農(nóng)業(yè)活動(dòng)進(jìn)一步加強(qiáng)。1970年代以來，該地區(qū)農(nóng)業(yè)大量使用氮磷鉀化肥，入湖營養(yǎng)物質(zhì)快速增加。太白湖生物資源豐富，一直被視為優(yōu)良的水產(chǎn)養(yǎng)殖基地。自1954年國營漁場建立后，太白湖水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展逐漸興盛。早期漁業(yè)以天然捕撈為主；后期為提高產(chǎn)量，漁場采取集約式養(yǎng)殖方式，調(diào)整養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)，部分湖區(qū)進(jìn)行圍網(wǎng)養(yǎng)魚，定量施肥投餌培肥養(yǎng)魚，漁業(yè)產(chǎn)量呈現(xiàn)大幅上升。歷史時(shí)期太白湖水生植物較多，1980年代調(diào)查發(fā)現(xiàn)湖內(nèi)共有水生維管束植物29種，隸屬于15科，夏季生長茂盛，占全湖總面積的50%以上；而2016年夏季筆者在太白湖采樣時(shí)湖內(nèi)已幾乎找不到水生植被的蹤跡[36]。

參照表1，主要使用2種來源的數(shù)據(jù)來表征歷史時(shí)期的湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)：(1)近60 a紙質(zhì)資料和數(shù)據(jù)庫資源(如歷史記錄、地方志、文獻(xiàn)資料等)。搜集了太白湖歷史時(shí)期魚產(chǎn)量、蓄水量和土地圍墾量狀況，以表征該湖泊供給服務(wù)長期變化情況；(2)以太白湖鉆孔沉積記錄的分析結(jié)果為例(主要測量能定量/半定量指示生態(tài)環(huán)境狀況的多項(xiàng)指標(biāo)：水生生物群落，包括硅藻、枝角類、搖蚊；污染指標(biāo)，包括元素含量、有機(jī)碳氮；物理指標(biāo)，包括粒度、磁化率、含水率。具體分析方法、結(jié)果參見文獻(xiàn)[36,44])，依據(jù)表1中各古湖沼學(xué)指標(biāo)指示意義和相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)聯(lián)。研究中用皮爾森相關(guān)關(guān)系來表示各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡(顯著正相關(guān))或協(xié)同(顯著負(fù)相關(guān))關(guān)系。為了展示該湖泊生態(tài)系統(tǒng)供給服務(wù)、支持服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)在時(shí)間序列上的整體變化情況，均值化魚類供給服務(wù)/淡水供給服務(wù)/土地供給服務(wù)，將其聚集成綜合供給服務(wù)；均值化初級生產(chǎn)/生物多樣性(支持服務(wù))，將其聚集成綜合支持服務(wù)；均值化氣候調(diào)節(jié)服務(wù)/水質(zhì)凈化服務(wù)Ⅰ/水質(zhì)凈化服務(wù)Ⅱ，將其聚集成綜合調(diào)節(jié)服務(wù)。由于不同服務(wù)指標(biāo)量綱和數(shù)量級不同，所有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)在聚集成綜合服務(wù)前都進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理〔(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)〕，標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)在0～1之間)，以消除數(shù)據(jù)量綱差異。

研究發(fā)現(xiàn)，近百年來太白湖主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的特征變化顯著(圖3)。1900—1950年，其生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化相對較為微弱(t檢驗(yàn)，P>0.05)，總體表現(xiàn)為調(diào)節(jié)服務(wù)維持在相對較高水平，而供給與支持服務(wù)處于相對較低水平。支持服務(wù)中，多樣性維持(服務(wù))中硅藻多樣性有所增加，但枝角類多樣性卻呈現(xiàn)小幅下降趨勢。隨后的1950—1980年，大多數(shù)湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化明顯：土地供給服務(wù)大幅增加，而淡水供應(yīng)服務(wù)卻相對劇烈減少，支持服務(wù)整體增長顯著，而氣候調(diào)節(jié)服務(wù)與水質(zhì)凈化服務(wù)Ⅱ卻開始急劇下降。1980年代之后，湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)一步發(fā)生變化：雖然土地供給服務(wù)和淡水供應(yīng)服務(wù)變化有所減緩，但魚類供應(yīng)服務(wù)開始大幅增加，而水質(zhì)凈化服務(wù)卻在這一時(shí)期劇烈衰退(圖3)。很明顯，在太白湖，為了開發(fā)資源，諸如魚類、穩(wěn)定的淡水、土地，以滿足日益增長的人類福祉與社會(huì)需求以減輕貧困，使得湖泊生態(tài)系統(tǒng)遭受了前所未有的改造，導(dǎo)致其他服務(wù)，尤其是調(diào)節(jié)服務(wù)的顯著衰退，多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間呈現(xiàn)很強(qiáng)的權(quán)衡特征。

圓點(diǎn)為各指標(biāo)真實(shí)數(shù)據(jù)，用擬合指數(shù)為0.5進(jìn)行平滑。圖3 1900年以來太白湖主要湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化

相關(guān)分析結(jié)果進(jìn)一步明晰了太白湖不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型在外界干擾的驅(qū)動(dòng)下，湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間均發(fā)生了此消彼長的權(quán)衡作用和共同促進(jìn)的協(xié)同作用間的權(quán)衡/協(xié)同關(guān)系(表2)。由表2可知，大多數(shù)調(diào)節(jié)服務(wù)與土地供應(yīng)服務(wù)以及支持服務(wù)均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，魚類供給服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)也呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)意義上的相關(guān)關(guān)系，土地供應(yīng)服務(wù)和初級生產(chǎn)(支持)服務(wù)與淡水供應(yīng)服務(wù)、水質(zhì)凈化服務(wù)Ⅰ以及水質(zhì)凈化服務(wù)Ⅱ間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。從湖泊資源利用的角度來看，在太白湖，為了滿足對于土地和魚類供給服務(wù)的需求，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)的強(qiáng)烈改造雖然促進(jìn)了初級生產(chǎn)和多樣性維持(支持)服務(wù)，表現(xiàn)出兩類湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的協(xié)同作用；但淡水供應(yīng)服務(wù)和調(diào)節(jié)服務(wù)卻因此顯著衰退，展現(xiàn)出兩類湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡作用(表2)。

表21900年以來太白湖生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間相關(guān)性及權(quán)衡(-)與協(xié)同(+)關(guān)系分析

Table2CorrelationanalysisofecosystemservicesinTaibaiLakesince1900AD

服務(wù)類型魚類供給淡水供給土地供給初級生產(chǎn)力多樣性維持氣候調(diào)節(jié)水質(zhì)凈化Ⅰ水質(zhì)凈化Ⅱ魚類供給-++++--淡水供給-0.42---+++土地供給0.45-0.99++---初級生產(chǎn)力0.45-0.680.68+---多樣性維持0.53-0.780.780.63---氣候調(diào)節(jié)0.680.78-0.79-0.34-0.57++水質(zhì)凈化Ⅰ-0.850.63-0.61-0.52-0.500.32+水質(zhì)凈化Ⅱ-0.580.84-0.86-0.69-0.750.560.58

顯著水平均設(shè)為α=0.05。-表示權(quán)衡關(guān)系，+表示協(xié)同關(guān)系。

結(jié)合近百年來人類活動(dòng)的特征，不同時(shí)期、不同人類資源利用方式下的湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間存在顯著的動(dòng)態(tài)相互作用(圖4)。1950年之前，太白湖受人類活動(dòng)的干擾相對較小，其湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)基本處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，調(diào)節(jié)服務(wù)和淡水供給服務(wù)的整體水平較高，而支持服務(wù)與土地供應(yīng)服務(wù)的總體水平較低(圖3)。在這一時(shí)期，盡管淡水供給量十分充足，但長江中下游地區(qū)頻繁的洪澇災(zāi)害使得穩(wěn)定的淡水供給服務(wù)(即淡水供給服務(wù)的年內(nèi)變異更小)更受到青睞。因此，1949年以后，1950—1980年，為了滿足穩(wěn)定的淡水供應(yīng)服務(wù)，長江中下游沿湖地區(qū)，包括太白湖在內(nèi)進(jìn)行了大規(guī)模的水利設(shè)施修建和土地圍墾活動(dòng)，淡水供給服務(wù)劇烈減少卻變得更加穩(wěn)定，土地供給服務(wù)得以增加，滿足了流域社會(huì)對于土地資源的需求，支持服務(wù)也隨之上升(協(xié)同作用)(圖4)；然而氣候調(diào)節(jié)服務(wù)和水質(zhì)凈化Ⅱ服務(wù)卻也因此削弱(權(quán)衡作用)。1980—2000年，相應(yīng)決策部門受前一時(shí)期對于湖泊改造“良好成果”的鼓勵(lì)，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和扶貧致富大方針的帶動(dòng)下，進(jìn)一步對湖泊生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行改造。農(nóng)業(yè)集約化以及快速的工業(yè)化進(jìn)程使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡作用進(jìn)一步凸顯，表現(xiàn)為大量入湖營養(yǎng)物質(zhì)的輸入導(dǎo)致水質(zhì)凈化服務(wù)衰退和土地供應(yīng)、初級生產(chǎn)支持服務(wù)增加(圖3)。2000年以來，太白湖流域落后的經(jīng)濟(jì)水平(圖4)使得經(jīng)濟(jì)發(fā)展仍是該地區(qū)在這一時(shí)期的主要奮斗目標(biāo)，對于當(dāng)?shù)厮蕾嚨乃a(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)種植活動(dòng)的過度擴(kuò)張，雖然極大地促進(jìn)了太白湖的魚類供應(yīng)服務(wù)，但也導(dǎo)致該湖泊調(diào)節(jié)服務(wù)顯著衰退(圖3)。

基于湖泊長期記錄及湖泊沉積記錄，上述研究結(jié)果清晰地展示了近百年來太白湖生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型、變化規(guī)律及其在不同人類資源開發(fā)方式下的協(xié)同/權(quán)衡效應(yīng)。事實(shí)上，太白湖所在的長江中下游地區(qū)湖泊眾多，但近年來，在自然環(huán)境變化、強(qiáng)烈的人類活動(dòng)等干擾下，生態(tài)環(huán)境顯著退化，水體富營養(yǎng)化、生物多樣性銳減和湖泊面積萎縮等環(huán)境問題日益突出，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能嚴(yán)重喪失[45]，許多湖泊均呈現(xiàn)出與太白湖相似的長期發(fā)展軌跡，昭示長江中下游地區(qū)整體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間分布趨于不均衡，資源利用模式不可持續(xù)，而人類活動(dòng)的干擾則是加劇該地區(qū)生態(tài)服務(wù)衰退的重要因素[46]。而揭示這些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能權(quán)衡/協(xié)同效應(yīng)，對于區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)資源的可持續(xù)發(fā)展以及當(dāng)?shù)厝祟惛ｌ淼木S持意義重大。

圖4 不同時(shí)期(人類活動(dòng)影響下)太白湖生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)關(guān)系模式

4 結(jié)語與展望

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相關(guān)研究受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。湖泊作為一種重要的生態(tài)系統(tǒng)類型，研究其服務(wù)類型、過程及其不同服務(wù)之間的協(xié)同/權(quán)衡效應(yīng)，是維持區(qū)域生態(tài)安全和水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要議題。盡管該方面研究目前已取得相當(dāng)成果，但總體來看, 基于湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同研究仍處于初步發(fā)展階段,存在著許多亟待解決的問題。

首先，研究方法上有待擴(kuò)展、完善。該文展示了利用古湖沼學(xué)分析手段反映長期生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的有效性和不可替代性。然而，在系統(tǒng)、定量反映湖泊生態(tài)系統(tǒng)的各種服務(wù)方面，古湖沼技術(shù)仍存在許多困難與障礙。第一，古湖沼學(xué)指標(biāo)本身的局限性[47]。例如，盡管現(xiàn)代測年手段較過去已顯著改善，但目前基于放射性測年的方法確立百年以上的沉積物年代仍然存在誤差；此外，許多沉積物指標(biāo)保存性存在一定問題，比如部分生物殘?bào)w的保存性差。另外，湖泊系統(tǒng)的許多服務(wù)類型并不存在與之對應(yīng)的古湖沼學(xué)指標(biāo)[5]，例如湖泊生態(tài)系統(tǒng)的美學(xué)功能，這勢必導(dǎo)致數(shù)據(jù)基礎(chǔ)存在一定缺陷。第二，古湖沼指標(biāo)具有多解性，影響它的因素、環(huán)境過程并不唯一，所以選用古湖沼學(xué)特定參數(shù)來間接反映特定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化會(huì)存在一定的不確定性。第三，與其他許多生態(tài)系統(tǒng)評估方法一樣，基于古湖沼學(xué)指標(biāo)的服務(wù)功能評估并非真實(shí)的“定量”研究，更多的是展示變化趨勢，且各服務(wù)功能間在數(shù)量級上難以對比。因此，除了現(xiàn)實(shí)的長期生態(tài)監(jiān)測和古湖沼學(xué)方法外，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估、權(quán)衡/協(xié)同研究仍需要新的方法，并加強(qiáng)不同方法間的互補(bǔ)與對比。例如，近幾年來已經(jīng)開展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型、情境分析，可以通過設(shè)立不同的生態(tài)系統(tǒng)管理目標(biāo)/干預(yù)情景(如森林經(jīng)營措施、農(nóng)業(yè)管理模式、城市土地利用規(guī)劃、湖泊水質(zhì)修復(fù)手段等)，模擬相關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)過程-生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)動(dòng)態(tài)作用(常用的如SWAT、INVEST等情景模擬模型)[15,16,19,48-49]，定量預(yù)測各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的最終得失，評估不同服務(wù)間的權(quán)衡/協(xié)同效應(yīng)，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)效益最優(yōu)解集合，為具體的管理策略提供科學(xué)依據(jù)。毫無疑問，生態(tài)系統(tǒng)的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)及古湖沼學(xué)數(shù)據(jù)在模型的反饋機(jī)制、數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等方面也能提供非常重要的數(shù)據(jù)支撐。

其次，對湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡/協(xié)同過程的形成過程與機(jī)制尚不明晰。由于湖泊生態(tài)系統(tǒng)群落對象、過程及功能的復(fù)雜性，其服務(wù)流往往具有復(fù)雜反饋關(guān)系、非線性、不均衡性及人類使用的選擇性等特征[32]。當(dāng)前研究多采用統(tǒng)計(jì)關(guān)系的數(shù)量分析，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系進(jìn)行了線性化處理或空間疊加，缺乏形成機(jī)制的解釋和表達(dá)。例如不同服務(wù)類型間的相互關(guān)系(例如簡單的正負(fù)相關(guān))或簇分類方法更多的是一種簡易的處理方法，對其非線性動(dòng)力學(xué)特征和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間相互聯(lián)系與相互作用的機(jī)制尚不清楚。此外，湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供需雙方均存在尺度效應(yīng)，因此權(quán)衡和協(xié)同關(guān)系也是尺度依存的，且具有區(qū)域差異性(湖泊類型差異、流域地理背景差異等)。而目前國內(nèi)外研究案例多是單一尺度(例如對特定湖泊或特定的湖泊流域)，區(qū)域不同，時(shí)空尺度不同，涉及的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型不同，研究結(jié)果缺乏對比性。因此，未來相關(guān)的研究工作要更關(guān)注湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能間在不同時(shí)空尺度上的相互作用機(jī)制(非線性的，不同人類活動(dòng)影響下的協(xié)同/權(quán)衡效應(yīng))、主導(dǎo)因素和管理對策,探討人類活動(dòng)和自然環(huán)境變化影響湖泊生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡管理決策的作用機(jī)制。

最后，需要從系統(tǒng)科學(xué)的角度來研究，并加強(qiáng)多學(xué)科交叉研究。越來越多的研究已證實(shí)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究是否應(yīng)僅關(guān)注于生態(tài)系統(tǒng)本身，社會(huì)系統(tǒng)對于生態(tài)系統(tǒng)的干擾，以及由此產(chǎn)生的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的復(fù)雜關(guān)系和動(dòng)態(tài)反饋效應(yīng)都應(yīng)涉及。湖泊生態(tài)系統(tǒng)涉及湖泊-流域、水體-大氣-土壤、湖泊生物-流域地貌等多重子系統(tǒng)的共同參與和相互作用，僅基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論，或是僅從湖沼生態(tài)系統(tǒng)角度來進(jìn)行相關(guān)問題的探討已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，應(yīng)該加強(qiáng)多學(xué)科的交叉研究。例如，從社會(huì)經(jīng)濟(jì)學(xué)角度探討人類對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)改造的偏好或是人類面對不同服務(wù)取舍(利益得失)的衡量；再比如，對于生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部過程和機(jī)制的分析，除了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)本身外，應(yīng)站在生態(tài)學(xué)角度考慮引起服務(wù)產(chǎn)生變化的生態(tài)系統(tǒng)過程變化、生物與非生物因素的變化以及食物網(wǎng)物質(zhì)和能量的傳遞等，都值得深入思考；再比如，對于生物多樣性服務(wù)喪失引發(fā)的一系列生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)衰退的內(nèi)在機(jī)制，也可能更多地需要涉及生物保護(hù)學(xué)方面的內(nèi)容等。令人欣慰的是，現(xiàn)今許多交叉學(xué)科的發(fā)展為涉及自然生態(tài)系統(tǒng)多個(gè)圈層的研究提供了便利，尤其是復(fù)雜系統(tǒng)理論的逐步發(fā)展，為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理提供了更多研究主題，也為學(xué)科層面上促進(jìn)生態(tài)學(xué)、地理學(xué)及環(huán)境保護(hù)等學(xué)科領(lǐng)域的交叉研究創(chuàng)造有益條件。