生态系统服务多样性与景观多功能性<br/>——从科学理念到综合评估

生态系统服务多样性与景观多功能性
——从科学理念到综合评估

2013-12-19吕一河马志敏傅伯杰高光耀

生态学报 2013年4期

吕一河，马志敏，傅伯杰，高光耀

(中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085)

景观是由自然、半自然和人工生态系统的部分或全部空间镶嵌所构成的地表综合体［1］。景观综合研究的基本科学问题是格局、过程、功能、尺度及其相互关系［2－3］。景观中格局与过程相互作用表现出一定的景观功能，而这种相互作用和功能表现又随时空尺度的不同产生变异。景观功能是景观评价、规划和设计的关键指标;景观具有多功能性，多种景观功能的协调和优化是景观管理所寻求的基本目标［4－6］。因此，景观多功能性和多功能景观的研究成为国际上景观综合研究的重要学科生长点之一［7］。

景观功能通过景观的结构以及镶嵌在景观结构之中的生态系统过程和功能进行体现［8］，所以，景观多功能性的物质基础是生态系统服务的多样性。相应地，景观功能也被分别归纳为四大类［9］:即生产功能、调节功能、维持生态结构/过程的生境功能，以及信息功能。

对景观多功能性的认知和科学应用很大程度上依赖于生态系统服务研究的深化。尽管生态系统服务的概念已广为接受，成为地球表层综合研究的热点方向［10－13］，并被列为中国自然地理学研究的优先领域之一［14］。但是，生态系统服务从分类到定量评估仍缺乏系统与规范性的方法论、以及应用中的任意性等［15］，导致研究成果的不确定性高、可靠性不足，限制了研究成果的实践运用［16－18］。

因此，把生态系统服务综合研究这一学术热点和优先领域与景观多功能性研究的学科生长点紧密结合，就显得非常必要和迫切:一方面可以为景观功能评估和优化等提供科学基础;另一方面能够为生态系统服务的综合研究提供合适的尺度和时空整合的有效框架。这两方面的结合对于深化生态系统服务和景观功能的综合研究，推动地理学与生态学等相关学科交叉性方向的发展具有重要科学意义。本文将基于对生态系统服务、多功能景观主要研究进展的简要分析，重点探讨将两方面研究相结合、深化综合性研究的问题，以期为生态系统服务和景观功能评价研究提供参考和借鉴。

1 景观多功能性与多功能景观

2000年10月在丹麦罗斯基勒召开的多功能景观国际会议首次提出了“多功能景观”的研究议题［19］。在之后的十余年里，景观多功能性与多功能景观的研究已经发展为国际上景观多学科综合研究的一个重要领域［20］，研究内容包括多功能景观的概念、评估、制图及规划设计［21－29］。

相关研究进展表明，尽管GIS作为空间分析技术平台得到了广泛应用，但景观多种功能的表达多以定性或半定量的方式处理，专家经验和定性权重等发挥了重要作用［8，30］，导致景观功能的评估或制图结果更多地表现为相对比较意义(如功能多样性的相对高低及其空间分布特征)［28］，精确定量不够，而且，景观的多功能性多关注静态的存量性信息，对多种功能的动态变化关注不足，因此，还不能很好地支持对景观多种功能的动态评估和定量优化。

2 生态系统服务

千年生态系统评估将生态系统服务分为四大类［31］，包括供给服务、调节服务、文化服务和支持服务。

生态系统服务的概念在国际学术界的提出可追溯到20世纪70年代［32］，而生态系统服务研究的蓬勃发展与多功能景观研究的发展大体同步，不过十余年的时间。生态系统服务研究的重要性被广泛认可，研究的进展也很迅速，但现有生态系统服务的定量化过程中仍主要局限于静态的分析、对生态系统服务多样性的度量，而对不同服务间的相互作用、系统动态与反馈、以及不确定性考虑不足［33］。Seppelt等［15］对近年来在国际学术期刊上正式发表的题目中包含“生态系统服务”关键词的460篇研究论文，从研究的框架、机理过程、指标和不确定性四大方面进行了综合分析，认为进一步深化生态系统服务综合研究应从以下4个方面着手:(1)可靠的生态系统数据和模型;(2)考虑小尺度生态系统服务之间的相互关系和权衡;(3)生态系统服务的空间异质性和相互作用;(4)生态系统服务评估中的利益相关方参与。

中国的生态系统服务研究近年来也取得了重要进展，提高了对生态价值的公众认知，推动了生态补偿机制的研究及其在政策、机制方面的应用。中国的生态系统服务研究也同样面临着重要挑战，Zhang等在国际生态经济领域的核心杂志《Ecological Economics》上撰文［34］，对中国生态系统服务研究的进展、存在的争论和面临的挑战进行了系统分析，提出未来研究中需要聚焦的4个方面:(1)生态系统及其服务的系统分类;(2)生态系统结构、功能关系的观测与研究;(3)生态系统服务价值化方法的系统化、标准化发展;(4)生态系统服务的时空变异。

3 生态系统服务及景观功能的评估

从国内外关于多功能景观和生态系统服务研究的现状和发展趋势上看，景观功能的动态评估、定量模拟和优化，多种生态系统服务之间的相互关系分析、生态系统服务的空间异质性和时间动态、生态系统服务与生态系统结构和功能的关系等方面，仍然是未来研究的主要突破方向。特别是，在生态系统服务与多功能景观研究的结合上还非常薄弱，实质性的定量研究未见报道。这也是景观多功能性和多功能景观研究中，景观功能的评估和制图理论与方法不足，以及生态系统服务研究中权衡关系、时空变异、系统动态等缺乏充分考量的重要根源之一。例如，在景观多功能性评估方面，Willemen等［35］对荷兰总面积为750 km2的Gelderse Vallei区8种景观功能，包括居住地、高强度养殖、饮用水、文化遗产、旅游、植物生境、种植业生产和休闲进行了评估和制图，每种功能采用的都是静态存量性信息，而景观多功能性的评估和制图仅通过景观单元功能数量的简单叠置和加权求和来表达［28］，对景观功能动态和景观多功能性的定量评估明显不足。在生态系统服务研究方面，多种生态系统服务之间相互作用和权衡关系不清，经常导致重复计算，从而引入很大不确定性，降低结果的可靠性［18］;基于土地覆盖和参数借用的评估方法，由于基本忽略了类型之内的空间变异性和空间相互作用，也是不确定性的重要来源，从而导致生态系统服务评估的结果在数量和空间分布上出现偏颇［36］。

实际上，生态系统服务和景观功能可以作为生态恢复成效、生态环境质量和土地利用/覆被变化生态环境效应的重要指标［37－41］，因此，开展生态系统服务与景观多功能性的综合定量研究，也能够为区域生态环境质量评价、生态恢复和重建工程的生态效益及有效性评估、土地利用变化生态环境效应评价提供科学依据。

4 一种可能的综合评估框架

4.1 评估框架的概要分析

要实现生态系统服务和景观功能评估的有机结合，就需要一种综合性的方法框架。土地覆盖作为景观的一个重要组分，能够反映生态系统的空间镶嵌和人类活动特征。因此，土地覆盖成为在景观和区域尺度评估生态系统服务的基本信息源。但是，直接基于土地覆盖数据及其生态系统服务参数获取生态系统服务定量结果的方法被认为存在很大的不确定性，通常与基于生态监测的分析结果难以达成一致［36］。因此，需要更为系统科学的方法将生态系统服务和景观功能的评估有机结合起来。本文尝试提出一种综合性的评估框架(图1)，为生态系统服务和景观多功能性的综合研究探索可行的路径。

图1 生态系统服务与景观多功能性评估的整体性框架Fig.1 An integrative assessment framework for ecosystem services(ES)and landscape multi-functionality(MF)

景观是由植被、土壤、地形、水文等多要素构成的地表综合体。生态系统是构成景观的重要功能单元，然而，同类生态系统由于地形、人类活动影响等的差异也会引起其在土壤保持、碳固定等服务能力和过程的差异。因此，生态系统服务评估单元的空间划分以及生态系统服务评估目标类型的确定就成为生态系统服务与景观多功能性评估的首要环节。

其次，基于综合性方法对各评估单元的多种目标生态系统服务进行定量评估。在评估单元尺度上，可以将生态过程模型与定位调查和观测资料相结合，确定各种目标生态系统服务的存量和流量过程。例如:李士美等基于千烟洲红壤丘陵区综合开发试验站的生态定位观测资料结合物理模型和价值化方法定量评估了人工林生态系统服务价值的流量过程［42］;Yapp等探讨了基于植被资产、状态和变化［Vegetation Assets，States and Transition(VAST)］框架的生态系统服务评估方法［43］;Beier等提出了一个集生态系统服务供给、利用和人为驱动反馈关系的概念框架，以实现生态系统服务理念向管理实践的融合，并比较了基于流域和栅格的两种生态系统服务定量评估途径［44］。

明确了各评价单元多种生态系统服务以后，就面临着对生态系统服务进行集成的任务，从而实现景观功能的定量评估。这一步骤包含着评估单元上多种目标生态系统服务之间相互关系(主要表现为权衡和协同)的分析、评估单元和景观尺度生态系统服务的定量集成。其中的关键是定量辨识各种生态系统服务之间的相互关系，例如森林生态系统木材提供与固碳释氧服务之间表现为明显的权衡性，随着林木采伐，固碳释氧服务会减弱，固碳释氧可能是采伐强度的一个动态非线性函数。生态系统服务之间这种函数关系的确定将为避免定量评估中的重复计算问题奠定基础［18］。基于这种函数关系，在评估单元尺度，完成多种目标生态系统服务的综合定量分析，并进一步考虑各评估单元及其所构成的生态系统之间空间邻接和作用关系，发展景观功能的评估方法。

景观是构成区域的地表综合体，景观功能的完整性是区域生态安全和可持续发展的基本保障。区域尺度土地利用/覆被变化是影响景观及其多功能性的关键驱动力。通过景观功能的定量评估和区域制图，明确景观多功能性的富集区、脆弱区和敏感区，为区域尺度土地利用的优化配置和景观的保护、恢复与可持续利用提供决策依据。例如，Seppelt和Voinov将生态系统服务作为综合性的控制变量引入到空间显示的景观格局优化模型，并结合情景模拟，探讨复合农林业发展背景下的多尺度土地利用优化配置问题［45］;van Jaarsveld等采用多尺度镶套设计的工作框架，评估了南非生态系统服务(淡水、食物、薪柴、文化和生物多样性)与人类福祉之间从局地到次大陆尺度的关系，通过供需趋势面分析、生态系统服务“源－汇”格局分析等方法，辨识出了流域和区域生态系统服务和人类福祉相互关系的热点地区［46］;Chan等将几种重要生态系统服务(包括碳存储、木材供给和游憩)融入景观系统保护规划研究当中，通过把几种生态系统服务作为“目标效益”或者生物多样性维持的“附属效益/机会成本”两种策略下规划结果的比较发现，后者在达到同样保护目标的前提下能够得到成本更低的保护景观体系(成本可以降低15%)［47］。

4.2 支撑框架的生态监测、模型及尺度集成问题

生态监测是生态系统服务及景观功能综合评估的基础。生态系统服务的多样性和景观的多功能性对生态监测也必然地提出了多维性的要求。组成、结构和过程是生态系统服务和景观功能的物质基础。因此，将传统的小尺度生态系统组成、结构和过程的地面监测与相对宏观尺度的景观结构和过程的遥感监测相结合，定量刻画生态系统和景观的时间变化趋势、相对于周边区域或者一定目标导向的生态系统服务和景观功能状况，成为综合评估框架下生态监测的基本运作模式［48］。与人类行为、感知、意愿等相关社会生态信息需要通过经济社会调查途径获取［49］。互联网和信息技术的发展，使得基于互联网的广域生态监测与信息共享成为可能，将会对弥补传统生态监测的不足发挥重要作用［50］。

单项生态系统服务或景观功能的定量评估还是基于相关传统学科的方法，例如对有关水量的服务或功能要基于气象气候、水文与生态水文等方法和模型进行估算。而多种生态系统服务或景观功能的评估通常需要搭建模块化的集成模型系统来完成，不同的模块实现不同服务或功能的定量化、然后通过综合分析模块进行集成。例如，当前正在开发并已经有广泛应用的InVEST(生态系统服务及其权衡综合评估)模型所采用的就是这种集成化模式［51］，评估景观多功能性的ITE2M模型系统也是类似的组织形式［52］。生态系统服务或景观功能的集成可以采用情景分析和多准则决策与优化方法［53－54］。与生态监测的网络化发展相类似［50］，也已经有学者开始探索生态系统服务模型的网络化开发与共享问题，可能成为未来模型发展的一个创新性方向［55］。

尺度集成在综合模型系统中发挥着重要作用，通过一系列规则和算法的建立，将小尺度结果上推到相对宏观的尺度，从而能够实现区域生态系统服务和景观功能时空变异的表达和综合分析。例如，澳大利亚的一项研究，通过气象气候数据、航空航天遥感地表数据驱动下的地表及其生态系统模型和中尺度大气模型相耦合，实现1 km分辨率的日碳、水收支模拟，并尺度上推到区域，借助航空遥感方法验证模型输出，并尺度下推，与叶片到样地尺度的生态监测和地气通量数据相关联，实现耦合模型的参数化和校验［56］;而Willemen等在景观功能动态的模拟研究中，采用多尺度的分析框架，考虑了局地尺度、管理单元尺度和区域尺度，前两个尺度的结果能够实现空间显性表达，景观功能的供给基于可加性假设进行尺度上推和定量集成［57］。

5 结语

不论是生态系统服务还是景观多功能性，都为生态系统和景观管理中搭建自然与社会的桥梁提供了非常好的科学理念。景观多功能性的概念能够帮助搭建集成或分析多种环境胁迫因子对景观影响的适宜平台，促进对景观功能之间权衡、协同和冲突关系的分析，从而推动研究成果向决策者和社会公众的有效传播［9］。甚至有学者也提出了景观服务的概念，并将其作为建立景观生态学与可持续发展联系的知识库基础，向行为者导向的、多功能景观开发与管理研究整合［58］。

本文通过对生态系统服务和景观多功能性的主要研究进展和需求的角度分析认为，将二者的研究紧密结合起来，对于深化生态系统服务和景观功能的综合定量研究，以及推进区域生态环境质量评价、生态恢复和重建工程的生态效益及有效性评估、土地利用变化生态环境效应评价都具有非常重要的现实意义。为此，本文提出了一个集生态系统服务和景观多功能性评估为一体的综合性框架，以探讨将二者紧密结合的可能途径。框架的主要特点是关注时空尺度、交互作用和方法综合。

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