何念鵬, 徐 麗, 何洪林,*

1 中國科學院地理科學與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室,北京 100101 2 中國科學院大學資源與環(huán)境學院,北京 100049

隨著中國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展,人類對自然生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)或干擾不斷加劇,如急速增長的資源開發(fā)強度、快速的城市化進程和劇烈的土地覆被/利用變化等,給生態(tài)環(huán)境帶來巨大的壓力并使環(huán)境問題日益凸顯[1- 3]。為了更好地解決日益惡化的生態(tài)環(huán)境與人們對良好生態(tài)環(huán)境需求間的矛盾,黨中央在十八大中正式將生態(tài)文明建設納入了中國特色社會主義建設的總體布局,把“美麗中國”作為其建設目標之一；隨后,在十九大報告中又提出“綠水青山就是金山銀山”的理念,旨在引導人們改善環(huán)境和保護生態(tài),切實推進國家生態(tài)文明建設.。生態(tài)系統(tǒng)不僅是物質和能源的供給者,也是污染物的吸納者[4]；因此,生態(tài)系統(tǒng)質量的優(yōu)劣不僅影響人類居住環(huán)境和物質生活水平,同時也影響國家生態(tài)安全和社會可持續(xù)發(fā)展。因此,在我國步入生態(tài)文明建設的新時期,迫切需要及時獲取區(qū)域或國家尺度的生態(tài)系統(tǒng)質量現(xiàn)狀、變化趨勢和生態(tài)恢復潛力的信息,并通過科學、快速、準確的評估來更好地服務于生態(tài)系統(tǒng)管理、決策制定和公眾宣傳等。

生態(tài)系統(tǒng)質量是指在特定的時間和空間范圍內生態(tài)系統(tǒng)的總體或部分組分的質量,具體表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)服務能力、抗干擾能力和對人類生存和社會發(fā)展的承載能力等3個方面[5-6]。生態(tài)系統(tǒng)質量評估的核心是以數(shù)學模型為基礎,通過科學的評估指標體系,量化其生態(tài)系統(tǒng)質量[6]。近年來,生態(tài)系統(tǒng)質量評估得到世界各國的高度重視,美國、英國、加拿大和澳大利亞等分別從省或州的尺度開展了大量研究工作,并將評估結果與生態(tài)保護、國家經(jīng)濟建設和可持續(xù)政策相結合[7-9]。相比較而言,我國生態(tài)系統(tǒng)質量評估工作起步較晚,但發(fā)展迅猛且成果豐碩。目前,已從區(qū)域(如縣域、市域或省域)和國家尺度開展了大量研究工作,并評估了生態(tài)系統(tǒng)質量現(xiàn)狀和變化趨勢[10- 12]。研究內容包括如何優(yōu)化評估模型、篩選評價指標構建評估體系和改進評估方法等多個方面[13- 15],研究對象豐富多樣,包括城市、河流湖泊、自然保護區(qū)、紅樹林、礦區(qū)等[16-22]；研究方法包括層次分析法、主成分分析法、模糊評價法和綜合指數(shù)法等[14, 18-24]。然而,現(xiàn)有評估體系仍具有很強的局限性,尤其是缺乏科學的評估標準,絕大多數(shù)研究只能定量評估生態(tài)系統(tǒng)質量的相對變化情況[5, 10]；此外,部分研究為追求指標體系完整性而大量增加指標的類型和數(shù)量,極大地降低了評估體系的實際操作性與公眾感知度。過于復雜的評價指標和評估方法,不利于不同區(qū)域間評估結果的比較或同一區(qū)域不同時期結果的比較(表1)。

鑒于此,本文在梳理當前生態(tài)系統(tǒng)質量評估體系現(xiàn)狀的基礎上,提出以建立理想?yún)⒄障?Ideal reference)來優(yōu)化和完善評估體系的新思想,從科學、直觀、經(jīng)濟可行和快速等角度出發(fā)建議篩選關鍵評價指標的思路,進而建立新的“理想?yún)⒄障?關鍵指標”的生態(tài)系統(tǒng)質量評估體系。同時,以現(xiàn)有監(jiān)測技術和監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎,對理想?yún)⒄障档拇_定方法、關鍵指標的選擇、生態(tài)系統(tǒng)質量現(xiàn)狀、恢復潛力以及相對變化評估的具體方法進行了探討,以期為區(qū)域或國家尺度生態(tài)系統(tǒng)質量的精確評估和科學管理提供參考。

表1 不同生態(tài)系統(tǒng)質量評估體系之間的優(yōu)缺點

1 生態(tài)系統(tǒng)質量評估體系的研究現(xiàn)狀

當前,生態(tài)系統(tǒng)質量評估體系主要是基于現(xiàn)狀-相對變化量的評估體系,它主要是由能反映生態(tài)系統(tǒng)質量的組成、結構和功能等方面的指標共同構成構建評估指標體系,多角度評估生態(tài)系統(tǒng)質量的現(xiàn)狀及相對變化情況[5- 6]?，F(xiàn)有的評估體系目標明確、可操作性強,它不僅能較準確地評估某一時間點(時期)生態(tài)系統(tǒng)質量的相對優(yōu)劣情況,同時也能評估一段時間內生態(tài)系統(tǒng)質量的相對變化,即根據(jù)兩個時間點(時期)內同一評價指標的實際監(jiān)測值的增加或減少來判斷生態(tài)系統(tǒng)質量改善或惡化情況(圖1)。目前,此類評估體系已經(jīng)廣泛用于區(qū)域或國家尺度的生態(tài)系統(tǒng)質量評估中,如潘竟虎和董磊磊[6]構建遙感綜合評價模型,評估了疏勒河流域2001—2010年的生態(tài)系統(tǒng)質量；盧慧婷等[21]選用NDVI指標評估了拉薩河流域在1990—2015年間生態(tài)系統(tǒng)質量變化及其對生態(tài)服務的影響；肖洋等[12]以生物量、植被覆蓋度為主要評價指標評估了2000—2010年內蒙古生態(tài)系統(tǒng)質量的變化情況；馬莉[22]以社會-經(jīng)濟-自然復合系統(tǒng)的生態(tài)學理論為基礎,采用主成分分析法定量分析評估了2007—2013年赤峰市的生態(tài)系統(tǒng)質量變化情況；張敏等[20]從生態(tài)系統(tǒng)結構、功能和脅迫3個方面構建評估模型,揭示了上海市2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)質量演變趨勢；歐陽志云等[11]結合“全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調查評估”項目,綜合利用地面調查數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù),通過解析生物量密度和植被覆蓋度等指數(shù)的變化,對我國生態(tài)系統(tǒng)質量及功能開展了評估工作。

圖1 傳統(tǒng)的和增加理想?yún)⒄障档纳鷳B(tài)系統(tǒng)質量評估的理論框架圖Fig.1 The theoretical frames of ecosystem quality assessment between traditional model and new model with ideal reference

從評估體系的指標數(shù)量來看,現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)質量評估體系可概括為兩類,一類為基于多個評價指標的評估體系,另一類為基于幾個關鍵評價指標的評估體系,前者多用于評估空間范圍較小且監(jiān)測信息較完善區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)質量[16- 17],后者多用于評估大區(qū)域如市域、流域或國家等多個尺度范圍[5- 6,11, 21](表1)。雖然二者都能評估生態(tài)系統(tǒng)質量的現(xiàn)狀及一定時期內的變化情況,但它們仍然存在以下兩個方面的問題：1)缺乏科學的評估標準。已有的評估體系缺乏統(tǒng)一的評估標準,即缺乏各個指標對應的評價參考值,絕大多數(shù)研究僅根據(jù)評價指標對應監(jiān)測值的大小來定量判定生態(tài)系統(tǒng)質量的現(xiàn)狀和相對變化情況,如評估某一區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力時,只能根據(jù)監(jiān)測值估算某一時刻的生產(chǎn)力和某一段時間內生產(chǎn)力的增減變化量[6],卻難以量化其與該區(qū)域最優(yōu)狀態(tài)下的生產(chǎn)力(即理想值或最優(yōu)值)之間的差距,進而難以量化生態(tài)系統(tǒng)的恢復潛力；因此,所能提供給公眾和管理部門的信息相對有限,一定程度制約著管理者實施更直接有效的保護措施；2)評價指標復雜多樣,缺乏統(tǒng)一的指標體系。目前,還缺乏生態(tài)系統(tǒng)質量制定統(tǒng)一的評價指標體系,多數(shù)研究在構建評估體系時都是以監(jiān)測指標的獲取難易程度作為篩選指標的重要標準,因而導致同一區(qū)域內和不同區(qū)域間的評價指標復雜多樣,不同評估結果間的可比性較差。例如張敏等[20]、馬莉[22]、朱堅等[23]分別評估了赤峰市、上海市和寧波市的生態(tài)系統(tǒng)質量情況,雖然他們都是從市域尺度開展相關評估研究,但由于構建的評價模型、篩選的評價指標各不相同,評估結果之間很難進行比較。因此,為了切實推進新時期生態(tài)文明建設的建設步伐,提高生態(tài)系統(tǒng)質量管理成效,需要克服上述兩個問題；并以科學性、可操作性、可比較性、準確性、快捷敏感性等為原則篩選評價指標和明確各參數(shù)的評估標準,完善已有的生態(tài)系統(tǒng)質量評估體系,更真實地揭示其質量的現(xiàn)狀、變化情況及恢復潛力。

2 發(fā)展基于理想?yún)⒄障档纳鷳B(tài)系統(tǒng)質量評估體系

在開展生態(tài)系統(tǒng)質量評估中,如果能量化關鍵評估指標在未受或少受人為活動干擾下的數(shù)值,即確定理想狀態(tài)下的閾值(類似于我國《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095—2012)和《水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)等在各類功能區(qū)的標準限值),并把它作為長期的評估標準,就可以科學地量化生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與理想狀態(tài)或最優(yōu)狀態(tài)之間的差距(圖1右圖中的ΔXi和ΔXj),即確定其恢復潛力,同時也可以計算其相對理想或最優(yōu)狀態(tài)的絕對變化和相對變化(圖1)。然而,受限于生態(tài)系統(tǒng)理想狀態(tài)的認識以及缺乏相關評價指標的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù),早期的研究都忽略了理想?yún)⒄障?而更多的關注生態(tài)系統(tǒng)質量的現(xiàn)狀及相對變化情況(圖1右圖中的ΔXij)。但近些年,隨著我國自然保護區(qū)、國家公園、生態(tài)系統(tǒng)野外臺站(如中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(Chinese Ecosystem Research Network, CERN)、國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(National Ecosystem Observation and Research Network of China, CNERN)和中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(Chinese Forest Ecosystem Research Network, CFERN))等建設和發(fā)展以及相關生態(tài)保護項目的啟動,逐步積累了大量的實地觀測數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)為發(fā)展理想?yún)⒄障怠⒋_定科學的評估標準、改進和完善生態(tài)系統(tǒng)質量評估體系奠定了堅實的數(shù)據(jù)基礎。建立基于理想?yún)⒄障档脑u估體系,其核心問題是如何界定理想?yún)⒄障狄约叭绾未_定各評價指標的閾值；下面著重介紹理想?yún)⒄障档亩x以及閾值的初步確定方法。在此特別申明：本文重在構建新的評估理念和體系,而有關理想?yún)⒄障?、關鍵指標和具體的評估方法不是重點,它們需要針對特定的目標進行專門的研究與論證。

2.1 理想?yún)⒄障档亩x

理想?yún)⒄障凳侵冈谶m宜環(huán)境、未受或極少人為活動干擾的條件下,由反映生態(tài)系統(tǒng)質量的一系列關鍵指標的具體數(shù)值所構成的參照系統(tǒng)，也可稱為原真參照系；其中,關鍵指標主要包括能直接或間接反映生態(tài)系統(tǒng)組成、結構和功能等基本指標(圖1)。

2.2 理想?yún)⒄障导捌溟撝档拇_定方法

中國地域廣闊,從南到北跨越多個溫度帶,且從東到西水資源分布也差異顯著,考慮到氣候、地域環(huán)境等差異,可先結合氣候、地形地貌等要素將中國劃分成若干個生態(tài)區(qū)[25],然后分別確定各生態(tài)區(qū)內不同類型生態(tài)系統(tǒng)的理想?yún)⒄障狄约案鱾€關鍵指標的閾值。對于某一生態(tài)區(qū)內的某一類生態(tài)系統(tǒng)(如森林、草地、濕地和荒漠等生態(tài)系統(tǒng)),其理想?yún)⒄障抵械年P鍵評估指標的閾值確定方法可分為兩類：1)基于待評估生態(tài)系統(tǒng)所處生態(tài)區(qū)內同類型自然保護區(qū)和野外觀測站的相關評價指標的監(jiān)測值確定,簡稱為參照法；2)基于待評估生態(tài)系統(tǒng)所處的生態(tài)區(qū)內其所有相同類型生態(tài)系統(tǒng)在一定時期內相關評估指標的一系列觀測值的頻度分布來確定閾值,簡稱為概率分布法。

(1)參照法

參照法主要是利用自然保護地和野外觀測臺站的相關監(jiān)測數(shù)據(jù)作為確定生態(tài)系統(tǒng)理想?yún)⒄障抵兄匾u估指標閾值的基礎數(shù)據(jù)。由于理想?yún)⒄障抵饕窃谖词芑蛏偈苋藶榛顒痈蓴_的狀態(tài)下由相關評價指標構成,而我國的自然保護區(qū)基本都是代表性強的自然生態(tài)系統(tǒng)、珍稀瀕危野生動植物物種的天然集中分布區(qū),截止2017年底,我國已建立各類型、不同級別自然保護區(qū)2750個,約占全國陸地面積的15.32%[26]；此外CERN和CFERN等生態(tài)系統(tǒng)野外觀測臺站也主要位于少受人為活動干擾的區(qū)域,這些自然保護地和野外觀測站基本覆蓋了中國各生態(tài)系統(tǒng)類型,并廣泛分布于各大生態(tài)區(qū)內。由于自然保護區(qū)和野外臺站的生態(tài)系統(tǒng)質量基本處于最優(yōu)狀態(tài),因此可根據(jù)相同地理氣候區(qū)域中同一類型生態(tài)系統(tǒng)的關鍵參數(shù)具有相似性的原理,選擇同一生態(tài)區(qū)內人類活動干擾少,主要受氣候變化影響的自然保護區(qū)和野外臺站在一定時期內的相關指標的監(jiān)測值作為閾值確定的基礎數(shù)據(jù)。對于這些基礎數(shù)據(jù),可以直接取在一定時期內的相關關鍵指標的監(jiān)測值均值作為相關指標的閾值；也可以采用網(wǎng)格隨機取樣法來確定各指標的閾值,即將待評估生態(tài)系統(tǒng)所處的生態(tài)區(qū)劃分成一個個大小相同的網(wǎng)格,再將少受人為活動干擾的、基本屬性為自然保護區(qū)或野外觀測站的網(wǎng)格挑選出來,采用隨機采樣的方法,從中抽取一定數(shù)量的相同生態(tài)系統(tǒng)類型的網(wǎng)格,以這些網(wǎng)格實際監(jiān)測值的均值作為理想?yún)⒄障档拈撝?。若條件許可,也可在現(xiàn)有的保護區(qū)、觀測臺站等樣地的基礎上,專門設立基準樣地(Standard plot),根據(jù)基準樣地相關關鍵指標的監(jiān)測數(shù)值確定其閾值。參照法獲取的閾值具有很強的區(qū)域代表性,基本能真實反映理想狀態(tài)下的生態(tài)系統(tǒng)質量,方法簡單、可操作性強,但需要保護區(qū)以及野外監(jiān)測臺站有長期連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù),此外網(wǎng)格隨機采樣取均值法對監(jiān)測點的空間分布以及網(wǎng)格大小的依賴性較強,如果監(jiān)測點分布不均勻或網(wǎng)絡過大可能會引起較大誤差。

(2)概率分布法

圖2 概率分布法確定理想?yún)⒄障导捌溟撝档氖疽鈭D Fig.2 The sketch map through the distribution of observed values to establish ideal reference

概率分布法是根據(jù)待評估生態(tài)系統(tǒng)所處的生態(tài)區(qū)域內所有相同類型的生態(tài)系統(tǒng)一定時間范圍下的一系列關鍵指標觀測值的概率分布圖來確定理想?yún)⒄障档拈撝?。評價指標可分為成本型指標和效益型指標兩大類,其中成本型指標是指屬性值越小越好的指標,如生態(tài)系統(tǒng)脆弱性指數(shù)、人類干擾強度指數(shù)、土地利用強度指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)等；效益型指標是指指屬性值越大越好的指標,如生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力指數(shù)、植被覆蓋度指數(shù)、生物多樣性指數(shù)等[27-28]。在具體實施過程中,對于成本型指標,以圖2a%(如a可取值1或5)對應的觀測值Xi作為該項指標的理想閾值；對于效益型指標,則以圖2(100-a)%對應的觀測值Xj作為該項指標的理想閾值。概率分布法操作簡單,可行性較強,估算的閾值能一定程度的反映生態(tài)系統(tǒng)質量評估指標在理想狀態(tài)下的監(jiān)測值,但該方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)質量要求都非常高；當觀測數(shù)據(jù)較少或數(shù)據(jù)質量較差時,可能獲取的理想閾值與真實閾值會存在很大的差異。

3 關鍵評價指標的選擇

在開展生態(tài)系統(tǒng)質量評價工作時,應從反映其組成、結構和功能等方面來選擇評價指標。理想情況下,評價指標越多,覆蓋面就越廣,也越能真實地反映生態(tài)系統(tǒng)質量；但在實際操作過程中,受經(jīng)濟、可行性等因素的影響,全覆蓋的評價指標體系是不現(xiàn)實的,特別是在區(qū)域或國家尺度,我們只能從中篩選出若干個科學性、代表性和可操作性強,可信度高的關鍵指標來構建評估體系。因此,如何科學地選擇關鍵評估指標就至關重要。理論上,關鍵評估指標需滿足以下五個要求：1)簡單直觀,即能直接反映生態(tài)系統(tǒng)質量的優(yōu)劣,或能被公眾直接感知；2)能被定量化,評估指標對應的監(jiān)測指標應是一些相對簡單的生物或環(huán)境特征參數(shù)；3)經(jīng)濟可行,即現(xiàn)有的觀測技術和手段能夠獲取相關參數(shù)；4)可通過參照法、概率分布法或其他方法獲得其閾值；5)關鍵評價指標構成的評估體系能定期為政府決策、科學研究和公眾認知等提供相關評估報告的基礎信息。本文從區(qū)域或國家尺度構建生態(tài)系統(tǒng)質量評估方法體系出發(fā),著重介紹了其中幾個能有效反映生態(tài)系統(tǒng)質量狀態(tài)的關鍵評價指標進行評述(生產(chǎn)力、土壤肥力、生物多樣性和景觀破碎度),希望起到拋磚引玉的作用。在實際評估中,研究人員應根據(jù)研究區(qū)實際情況或主導因素來完善指標體系,篩選和確定關鍵指標,并確定各關鍵指標對應的具體亞級指標和參數(shù)。

3.1 生產(chǎn)力

生產(chǎn)力是自然生態(tài)系統(tǒng)最基礎的服務功能,是最簡單直觀的評價指標。一般情況下生產(chǎn)力高的生態(tài)系統(tǒng),其質量也高；因此,在區(qū)域或國家尺度生態(tài)系統(tǒng)質量評估中生產(chǎn)力是最常用的評價指標[5]。反映生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力指標包括總初級生產(chǎn)力(Gross Primary Productivity, GPP)、凈初級生產(chǎn)力(Net primary productivity, NPP)、地上生物量和植被指數(shù)等,其中NPP能直接反映自然生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力；隨著地面調查工作的深入和遙感觀測技術的發(fā)展,可獲取較連續(xù)、系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù),NPP常作為評估生態(tài)系統(tǒng)質量的重要指標[29-30]。

3.2 土壤肥力

土壤肥力質量是指土壤提供植物養(yǎng)分和生產(chǎn)生物物質的能力,是衡量土壤質量的重要方面[31]。有研究顯示,土壤肥力直接影響植物群落的組成和生理活力,決定著生態(tài)系統(tǒng)的結構、功能和生產(chǎn)力水平；增加土壤肥力可促進植物生長,提高生態(tài)系統(tǒng)生物量和生產(chǎn)力[32-33],因此土壤肥力可作為評估生態(tài)系統(tǒng)質量優(yōu)劣的關鍵指標之一。反映土壤肥力的指標豐富多樣,包括pH、土壤養(yǎng)分(土壤有機質、全氮、全磷、全鉀等)、土壤質地、土壤微生物等物理、化學和生物學指標[34- 37]。在實際操作過程中,可根據(jù)評估對象的不同(如不同類型的生態(tài)系統(tǒng))篩選、確定土壤肥力的亞級指標和參數(shù)。

3.3 生物多樣性

生物多樣性包括遺傳多樣性、物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性和景觀多樣性四個層次。通常情況下,豐富多樣的生物種類、復雜的組織結構可以確保生態(tài)系統(tǒng)中各關鍵功能生態(tài)位的正常運行,特別是維持生態(tài)系統(tǒng)的冗余,增強其抗干擾能力,從而保持整個生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的相對穩(wěn)定。大量研究也發(fā)現(xiàn)生物多樣性的高低與生態(tài)系統(tǒng)質量密切相關,生物多樣性越高的區(qū)域,其對應的生態(tài)系統(tǒng)質量也就越好,因此,生物多樣性是評估生態(tài)系統(tǒng)質量好壞的關鍵指標之一[38]。動植物種類、斑塊類型及各類型大小等是反映生物多樣性的重要評估指標,其中植物對生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的變化較為敏感,又是生境的重要組分；隨著遙感識別技術的發(fā)展以及植物物種高光譜特征數(shù)據(jù)的大量積累,為快速估算植物物種多樣性提供了技術和數(shù)據(jù)支撐[39-41],因此可選用其作為評估區(qū)域或國家尺度生態(tài)系統(tǒng)質量的關鍵參數(shù)之一[42]。

3.4 景觀破碎度

景觀破碎度是描述景觀格局特征的重要參數(shù)之一,能非常直觀的表征連續(xù)變化的景觀格局被分割而導致的破碎化程度,以及反映外界干擾對生態(tài)系統(tǒng)結構、功能和過程的影響[43-45]。隨著地面監(jiān)測工作的深入,以及RS和GIS等監(jiān)測技術的發(fā)展,景觀破碎度指數(shù)所需基本監(jiān)測數(shù)據(jù)的可獲取性和準確性都在不斷增強,被越來越多的運用于區(qū)域尺度生態(tài)質量評估中,如土地利用/覆被格局變化及其對生態(tài)過程影響的評估、森林景觀動態(tài)下的生態(tài)環(huán)境變化評估和生境破碎化對物種多樣性的影響評估等[46-48]。因此,建議把景觀破碎度指數(shù)作為關鍵指標納入生態(tài)系統(tǒng)質量評估體系中。特別地,由于景觀破碎度指數(shù)對研究尺度以及基礎數(shù)據(jù)的空間分辨率具有很強的依賴性,在實際操作中應根據(jù)研究區(qū)域的大小選擇合適的空間分辨率,一般地,為了便于研究結果之間的比較以及數(shù)據(jù)的集成分析,在較大區(qū)域或國家尺度上的空間分辨率建議為30 m × 30 m,而對于小區(qū)域尺度,可適當提高空間分辨率。

4 基于理想?yún)⒄障岛完P鍵評估指標的生態(tài)系統(tǒng)質量評估方法體系

4.1 新評估體系的優(yōu)點

同傳統(tǒng)的評估方法體系相比,基于理想?yún)⒄障岛完P鍵評價指標的生態(tài)系統(tǒng)質量新評估方法體系具有如下幾方面的優(yōu)點：1)該體系涉及到的評價指標科學、簡單、可操作性強,并且現(xiàn)有的觀測技術(如地面監(jiān)測和遙感影像等)能保障獲取較大時空尺度的基礎數(shù)據(jù)。2)評估指標十分直觀,多數(shù)能夠被公眾直接認知。3)該評估體系能直接量化生態(tài)系統(tǒng)質量的恢復潛力(生態(tài)系統(tǒng)質量現(xiàn)狀與理想狀態(tài)間差距,即AB之間的差距ΔXi和CD之間的差距ΔXj),可幫助管理部門樹立明確的改善和保護目標。由于不同的生態(tài)系統(tǒng)質量情況所需的管理成本是不同的,因此我們可將管理措施分成不同的等級(圖3),并根據(jù)圖3中相對恢復潛力ΔXi或ΔXj數(shù)值的大小確定其應該實施的管理措施等級,進而調整具體的管理策略,合理分配經(jīng)費,從而實現(xiàn)人力和物力資源的優(yōu)化配置,提高管護成效。4)新評估體系可以實現(xiàn)相同生態(tài)區(qū)域內同一類型生態(tài)系統(tǒng)之間的空間對比分析,同時也可以實現(xiàn)不同生態(tài)區(qū)之間的比較。對于相同生態(tài)區(qū)域內同一類型生態(tài)系統(tǒng),由于各關鍵評估指標使用的理想?yún)⒄障甸撝迪嗤?因此可以直接比較各評估指標的大??；而對于不同生態(tài)區(qū),雖然各關鍵評價指標的閾值不同,但可以根據(jù)各指標與閾值之間的絕對差距(ΔXi或ΔXj)或相對差距的大小來進行比較。5)新的評估體系有助于促進國家和各區(qū)域規(guī)范化建設和管理,特別是監(jiān)測數(shù)據(jù)和管理的規(guī)范化。關鍵評估指標的確定能幫助各地方監(jiān)測部門明確監(jiān)測目標,并采用統(tǒng)一規(guī)范化的測定方法和數(shù)據(jù)質量控制標準,從而提高監(jiān)測數(shù)據(jù)質量。

圖3 新生態(tài)系統(tǒng)質量評價體系(理想?yún)⒄障?關鍵指標)在生態(tài)系統(tǒng)管理中的潛在運用Fig.3 The application of new ecosystem quality assessment system (ideal reference system + key indicators) in ecosystem management右圖中I、II、III和IV是根據(jù)相對恢復潛力制定的不同的恢復管理方案

4.2 基于新評估體系的生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀及變化趨勢評估

利用新評估體系開展具體評估工作時,首要步驟是量化評估體系中各關鍵評價指標在理想狀態(tài)下的閾值；其中生產(chǎn)力、土壤肥力和生物多樣性指標的閾值按本文的方法和概率分布法來確定；而對于景觀破碎度指標,其理想狀態(tài)下的閾值,則可以根據(jù)不同生態(tài)區(qū)內的各類型自然保護區(qū)、國家公園或行政示范區(qū)等來計算對應的破碎度指數(shù)值來確定。

4.2.1生態(tài)系統(tǒng)質量的現(xiàn)狀評估

以圖3中Ti時期為例,可根據(jù)評價指標的實際觀測值與閾值之間的絕對差距ΔXi和相對差距ΔYi評定質量的優(yōu)劣,亦是量化其相對理想狀態(tài)下的恢復潛力。其中絕對差距ΔXi的計算方法如公式(1)：

ΔXi=|X-Xi|

(1)

相對差距ΔYi又可稱為相對恢復潛力,計算ΔYi時,對于效益型指標(觀測值越大表示質量越好,如生產(chǎn)力、土壤肥力和生物多樣性),ΔYi的計算公式見(2)；而對于成本型指標(觀測值越小表示質量越好,如景觀破碎度),ΔYi的計算方法見公式(3)：

(2)

(3)

式中,X和Xi分別為Ti時刻生態(tài)系統(tǒng)質量評價指標(生產(chǎn)力、土壤肥力、生物多樣性和景觀破碎度)對應的理想?yún)⒄障甸撝岛蛯嶋H觀測值。由于成本型指標的觀測值大于理想?yún)⒄障档拈撝?因此便于后續(xù)計算綜合指數(shù)和不同研究結果之間的比較,我們對其數(shù)值進行取倒數(shù)處理,可將ΔYi的數(shù)值控制在[0, 100]。

對于ΔXi和ΔYi而言,其值越大,說明觀測值與理想?yún)⒄障甸撝抵g的差異越大,即評價指標所反映的生態(tài)系統(tǒng)質量越差；相反,取值越小,則表示生態(tài)系統(tǒng)質量越好。然后利用各指標的相對差距計算生態(tài)系統(tǒng)質量綜合指數(shù)QEco,計算公式如下：

(4)

式中,wm和ΔYm分別表示i時期評價指標m的權重系數(shù)和相對差距,其值可由專家咨詢法或熵值法等確定[49-51]。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)質量指數(shù)QEco的數(shù)值大小,采用分等級法確定其所屬等級,其中等級數(shù)量以及各等級的上下限取值可通過專家論證確定,具體操作方法可參考《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范》(HJ192—2015)。

4.2.2生態(tài)系統(tǒng)質量的變化評估

對于不同的時期,即從Ti時期到Tj時期生態(tài)系統(tǒng)質量評價指標實際觀測值的絕對變化ΔXij的計算公式如下：

ΔXij=Xj-Xi

(5)

式中,Xi和Xj分別為Ti和Tj時期生態(tài)系統(tǒng)質量評價指標的實際觀測值。對于效益型指標(生產(chǎn)力、土壤肥力和生物多樣性),若ΔXij為正值,說明評價指標所反映的生態(tài)系統(tǒng)質量變好,若ΔXij為負值,說明評價指標所反映的生態(tài)系統(tǒng)質量變差。成本型指標(景觀破碎度)則正好相反,若ΔXij為正值,說明評價指標所反映的生態(tài)系統(tǒng)質量變差,若ΔXij為負值,說明評價指標所反映的生態(tài)系統(tǒng)質量變好。

計算兩時期的相對變化ΔYij時,效益型指標ΔYij的計算公式見(6),成本型指標ΔYij的計算公式見(7)：

(6)

(7)

其中,ΔYij的取值范圍為[-100, 100],為正值時,說明評價指標所反映的生態(tài)系統(tǒng)質量變好,若為負值,則說明評價指標所反映的生態(tài)系統(tǒng)質量變差。然后根據(jù)各指標的相對變化計算生態(tài)系統(tǒng)質量相對理想狀態(tài)的綜合變化指數(shù)QEco-C,計算公式如下：

(8)

式中,wn和ΔYn分別表示從Ti時期到Tj時期評價指標n的權重系數(shù)和相對變化得分,其中各指標的權重wn可由專家咨詢法或熵值法等確定,而其相對變化得分ΔYn可通過專家咨詢法獲得,即專家根據(jù)評價指標n的基本意義和對應相對變化值的大小來判定其具體得分。最終計算獲得的綜合變化指數(shù)QEco-C可參照《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術規(guī)范》(HJ192—2015)中分等級的思想確定其變化程度或波動程度。

5 結語與展望

生態(tài)系統(tǒng)質量評估是國家或區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)管理和決策制定的重要依據(jù),其方法學或評估體系的改進和發(fā)展一直是研究的熱點和核心。為了滿足新時期國家生態(tài)文明建設的需求,本文以現(xiàn)有評估體系為基礎,提出發(fā)展基于“理想?yún)⒄障岛完P鍵指標”新的生態(tài)系統(tǒng)質量評估體系。新體系可滿足區(qū)域或國家尺度的生態(tài)系統(tǒng)質量快速評估需求；同時可量化生態(tài)系統(tǒng)質量的恢復潛力,有助于管理者明確管理和保護目標,合理的配置人力和物力,提高生態(tài)系統(tǒng)質量的保護成效；更為重要的,該指標體系也有助于不同研究結果之間的比較分析,便于未來國家自然保護地(自然保護區(qū)、國家公園、國家森林公園等)的規(guī)范化管理。新體系中選擇的評價指標十分直觀,并能與地面調查、地理信息系統(tǒng)和遙感技術確定,實現(xiàn)快速評估的目的。更為重要的是,其評估結果簡單直觀,能被公眾快速認知或認同。當然,本文只是從理念或理論上構建了新評估體系的基本框架和潛在應用情景,體系中涉及關鍵評價指標、關鍵指標對應的亞級指標和參數(shù)、各指標閾值的確定方法等仍然需要結合不同地區(qū)廣泛的案例研究進一步優(yōu)化和完善。