土地生态系统服务研究进展及趋势展望

李双成，谢爱丽，吕春艳，郭旭东

（1.北京大学城市与环境学院地表过程分析与模拟教育部重点实验室，北京 100871；2.中国土地勘测规划院，自然资源部土地利用重点实验室，北京 100035）

1 引言

生态系统服务（Ecosystem Services, ES）是指生态系统所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用[1]，为人类直接或间接从生态系统得到的所有收益[2]。土地是各类生态系统在区域上的镶嵌体，为各种自然和人文要素综合作用形成的地理实体[3]。因而，土地生态系统服务成为自然和人工生态系统提供给人类社会最主要的惠益。研究发现，不同的土地利用/覆被类型具有提供不同类型、数量和质量生态系统服务的能力[4-5]。同时，土地利用/覆被变化（Land Use and Land Cover Change, LUCC）也是生态系统服务变化的主要驱动力之一，并导致其脆弱性产生[6-8]。正是LUCC和ES之间具有紧密的逻辑联系，自从生态系统服务成为研究热点以来，基于LUCC的生态系统服务定义、分类、价值评估、空间流动与权衡/协同分析等成为生态系统服务研究的主要领域，其成果为土地利用规划与管理、土地修复与整治以及生态补偿等提供了重要理论支撑。在国内，2000年1月1日—2018年8月24日共有3410篇文章以“生态系统服务”和“土地”为主题在中国知网收录的期刊发表，其中，单独以“生态系统服务”为主题的文章数占30.32%；在国外，同时段内以“land”和“ecosystem services”为主题在Web of Science收录的期刊上共发表9137篇，其中，单独以“ecosystem services”为主题的文章数占46.30%。由此可见，土地生态系统服务研究已经成为国内外生态系统服务研究领域的主要议题。

本文在评述近年来国内外土地生态系统主要研究成果的基础上，对未来的研究趋势进行展望，以期为土地生态系统服务研究的健康快速发展提供一些参考依据。

2 研究进展

自从COSTANZA等关于全球生态系统服务价值[2]的文章在Nature发表以后，国内外土地生态系统服务研究呈快速发展趋势（图1）。从图1可以看出，不论是国内还是国外，2000年以后土地生态系统服务一直是相关领域的研究热点，尤其在2010年以后更是进入快速上升阶段。

对于2000—2018年国内土地生态系统服务发表文献的关键词进行词频排序可以发现（图2），土地生态系统服务与土地利用（变化）或土地利用/覆被变化具有很高的词频，反映出两者紧密的研究逻辑联系。在研究内容上，土地生态系统服务价值评估一直是研究热点，价值评估的文章占到文章总数的29.62%；在研究手段上，采用遥感影像解译获取LUCC数据，应用GIS进行时空变化分析，使用InVEST模型模拟生态系统服务；在研究成果应用上，主要是为生态补偿、生态安全格局构建、土地利用管理与规划提供基础信息。

图1 2000—2018年国内外土地生态系统服务研究发展趋势Fig.1 The development trend of land ecosystem service research at home and abroad from 2000 to 2018

图2 2000—2018年国内土地生态系统服务发表文献词频排序Fig.2 The word frequency ranking of published articles concerning land ecosystem services from 2000 to 2018

2.1 土地生态系统服务价值评估

回顾2000—2018年近20年的国内外土地生态系统服务评估工作，生态系统服务价值评估占有重要地位，主要缘起COSTANZA等对全球生态系统服务价值的核算[2]。

在国内，主要工作集中于对不同尺度、不同区域和不同利用类型的土地生态系统服务进行价值评估。其中，影响力最大的研究当属2003年谢高地等对青藏高原生态资产的价值评估[9]，其制定的“中国陆地生态系统单位面积生态服务价值当量表”及其后来的修正版本对土地生态系统服务价值评估产生了很大影响。在全国尺度上，不同时段均有学者对中国土地生态系统服务进行价值评估[10-12]。在区域尺度上，从珠三角、长三角和京津冀等大区域[13-15]，到县级以上行政区域均有评估工作开展。在土地利用类型上，评估对象主要集中于林地[16]、草地[17]、湿地[18]和耕地[19]等。从土地生态系统服务价值评估应用方向来看，列在前三位的分别是生态补偿、土地利用规划和生态安全格局构建。

在国外，土地生态系统服务价值评估也是研究热点之一。在Web of Science查询得到的文献中，有28.63%的为生态系统服务价值评估的工作，与国内比例基本一致。生态系统服务价值评估方法一直是研究重点和难点。其中，生态系统服务价值当量法采用的研究最多。例如，利用COSTANZA、DE GROOT和XIE等的单位面积生态系统服务价值系数，SANNIGRAHI等估算了全球1995年、2000年、2005年、2010和2015年的生态系统服务价值，并对各种土地利用类型对服务价值的敏感性进行了分析[20]。为了使得生态系统服务价值系数更具时效性，COSTANZA等更新了其在1997年提出的单位价值量，并以此核算了2011年全球生态系统服务价值量，分析了1997—2011年由于土地利用变化引起的生态系统服务价值的变化[21]。除了价值当量法，整合分析和价值转移也是常用的价值评估途径，例如，DE GROOT等利用已有的生态服务价值评估结果，采用整合分析方法计算了全球生态系统服务的货币价值[22]，AROWOLO等使用GlobeLand 30数据集，采用价值转移方法计算了尼日利亚2000年和2010年土地生态系统服务价值及其动态变化[23]。在评估结果应用上，生态系统服务付费[24]、土地利用优化决策和规划[25]是主要领域。

分析国内外近20年土地生态系统服务价值评估工作可以发现，研究的重点是建立LUCC与生态系统服务价值的对应关系，属于“土地利用/覆被变化─生态系统服务价值响应”研究范式，研究过程为“LUCC分类─价值核算─时空动态”三段式[3]。

2.2 土地生态系统服务权衡/协同分析

权衡和协同是土地生态系统服务之间的相互关系的表现形式。当不同类型服务之间呈现此消彼长时称之为权衡，呈现同向变化时称之为协同，而没有呈现响应关系时则为不相关。

生态系统服务之间出现权衡或协同关系的原因有两个：一是土地生态系统服务供给具有多重性；二是人类需求和选择服务存在着偏好差异。因此，不同的土地利用方式或强度都会引起多重生态系统服务之间关系的调整[26]。

在国内，一些学者对权衡/协同研究的进展、方法和技术进行了评述和探讨[27-31]，对其研究进展起到了推动作用。在案例研究方面，通过制定不同的情景，分析生态系统服务之间的相互关系，以期为科学制定管理政策提供依据[32]。在权衡/协同分析方法方面，一般通过空间或非空间的相关和回归分析来探索生态系统服务之间的非线性关系[33]。近年来，也有一些研究使用来源于经济学理论的生产可能性边界（Production Possibility Frontier, PPF）方法进行生态系统服务关系研究[34]。在协同/权衡表达方面，多采用雷达图、蛛网图、相关和回归系数等图形或数值表征关系的性质或强弱[35]。

在国外，针对线性相关系数在分析生态系统服务之间关系的不足，一些学者采用非参数化的统计方法袋状图（Bagplots）分析生态系统服务间的权衡/协同关系，并提出一个新的标准化的累积R测度权衡或协同关系的程度大小[36]。目前大多数生态系统服务之间的权衡和协同分析偏重空间属性，没有或很少考虑生态系统服务基准和时间变化特性，因而出现分析误差甚至是错误的情形。有鉴于此，从单一时期的两两服务关系研究应当拓展到两个时段两两服务变化量的权衡/协同分析，即ES1 vs ES2→△ES1 vs△ES2[37]。对于空间相关、时间相关和生产可能性边界（PPF）三种分析方法比较发现，生产可能性边界提供的生态系统服务之间的关系信息多于空间或时间相关。PPF显示了现在的格局与边界有效点之间的差距，因此可以用于分析不同景观利益相关者的偏好[38]。在应用方面，旨在为空间规划服务的生态系统服务权衡分析框架，可以有效地考虑利益相关方对生态系统服务需求、土地利用管理选择和影响[39]。

总结近20年的土地生态系统服务权衡与协同关系研究成果可以发现，除了一些对于权衡协同关系的定义、内涵及其表征方法的工作外，多是通过案例分析对局地、区域乃至全球的多种生态系统服务之间的关系进行实证分析。常见的模型方法包括相关分析和回归分析（包括具有空间属性的地理加权回归）等，一般通过系数的正负和大小表示权衡或协同关系及其强弱。另外，生产可能边界（PPF）和均方根偏差（Root Mean Square Deviation, RMSD）等方法也被用来生态系统服务之间的关系。在表示方法上，常用的图示法包括雷达图、蛛网图、袋状图和均方根偏差图等。

2.3 土地生态系统服务的空间流动研究

土地生态系统服务的流动是指服务在形成地和使用地之间空间位移或在提供者和使用者之间的传递。根据供需主体移动性，可分为供给移动服务流和使用移动服务流；根据服务承载体特性，可以分为自然过程服务流和人为过程服务流[3]。土地生态系统服务之所以存在空间流动，一方面自然过程驱动力，即服务的媒介存在流动属性如水流、空气以及昆虫迁飞等；另一方面人文过程驱动力，服务的使用者和提供者存在空间距离，生态系统服务实现的过程也是服务传递的过程。

在国内，一些学者对于生态系统服务流的研究进展进行了总结，内容包括生态系统服务流的类型、形成原因以及定量方法等[40-41]。研究发现，积极与消极的人类活动通过对生态系统服务流的空间单元、传递载体和量化属性等方面的影响进而影响到具体的生态系统服务流[42]。在案例研究方面，以关中—天水经济区为研究区，在估算生态系统固碳服务供需量的基础上，使用流动比率量化区域固碳服务的供需平衡状况，以空间可视化的方式表征固碳服务从供给区到受益区的流动过程[43]。

在国外，生态系统服务供给与使用区的空间关系研究一直是持续关注的热点。根据生态系统服务供给区与受益区的空间重叠、临近或分离关系，可以将不同生态系统服务供给与使用的空间类型划分为原地、无方向性邻近和有方向性三种类型[44]；通过界定生态系统服务供给区（SPA）、受益区（SBA）和连接区（SCA）的内涵及特征，描述地域单元的类型、结构和地理属性，能够识别和绘制出相应的空间单元[45]。通过传粉、地下水供给和气候调节案例研究证实，区分生态系统服务供给和受益区的服务流框架，可以表征不同尺度下的服务空间流特征[46]；在空间路径测度方面，服务路径属性网络（Service Path Attribution Networks, SPAN）作为量化生态系统服务空间流动的算法，可以有效地表征路径分叉、耗散、阻塞和流动等特征[47-48]。

生态系统服务的区域间流动是近年国外学术界关注的热点，Ecosystem Services期刊2018年第31卷专门对此问题进行了探讨。在服务提供和接受、驱动和效应框架下，提出了生态系统服务区域流动的概念、类型，包括货物贸易、物种迁移和扩散、被动的生物物理流（防洪）和信息流等[49]，在此基础上，使用4个案例进行了实证分析。首先，评估了全球农产品输出对生产地局地生态系统服务/反服务（如土壤侵蚀）的影响[50]。其次，倡议建立整合生态系统服务供给、价值链分析以及人类福祉评价的方法，考虑局地产品空间流动，识别出一对一、闭环和开环三种流动类型[51]。第三，分析物种空间迁徙引起的生态系统服务空间流动。黑脉金斑蝶在不同生命周期空间流动给各地带来不同的生态系统服务，研究以此揭示了在得到更多服务和需要保护生境之间的空间不匹配现象[52]。第四，评价了地中海地区马耳他城乡梯度多功能景观的生态系统服务流和容量。研究发现，在乡村农业和半自然土地利用/覆被类型下的生态系统服务流和容量具有显著的协同作用，而与此相反，在城市地区则具有低的生态系统服务容量和流，表明生态系统服务的产生和传递由土地利用强度所决定[53]。

总体来看，国内生态系统服务空间流动研究比较弱，多从服务供给和需求之间的平衡关系切入，实证案例研究较少。国外研究较为活跃，从划分服务供给区、受益区和连接区入手，对多种驱动力下的生态系统服务空间流动进行了研究。

3 存在问题

近20年来，尽管土地生态系统服务研究取得了不少研究成果，对土地利用规划管理和生态补偿决策等起到了一定支撑作用，但仍存在一些问题。归纳起来，主要有以下几个方面：

首先，在概念定义及内涵解析上仍存在不规范甚至混乱等问题。生态系统功能是生态系统的自然属性，而生态系统服务则是生态系统产出社会经济化的结果，是人类附加投入后得到的惠益。因此，“生态系统服务功能”“生态服务功能”“生态服务”等均属不规范概念，应当统一称之为“生态系统服务”。

其次，在方法和技术上仍有较大的提升空间。生态系统服务研究横跨自然科学和人文社会科学，所需技术方法体系复杂多样。就目前研究现状来看，在生态系统服务级联框架中的自然科学部分的方法技术比较成熟，而在人文和社会科学部分的方法技术较弱，更缺乏整合多学科的方法论研究范式。

生态系统服务价值评估存在的问题包括：（1）评估方法的不确定性，尤其是经济价值以外的部分，特别是针对文化服务的价值化方法如意愿调查法等的主观性较强，不同评估结果难以比较；（2）绝大部分的价值评估工作采用 COSTANZA[2，22]，DE GROOT[21]和谢高地等[9]的价值当量法，忽视了生态系统服务的时空异质性和社会经济以及文化的价值差异。

生态系统服务权衡与协同分析存在以下问题：（1）目前常用的回归、相关和均方根偏差分析等方法都是基于数理统计原理的，结果易受到变量选择、样本多少的影响，同时对权衡和协同的机制解释不够；（2）目前多是分析和表达两种服务之间的权衡和协同关系，对于超过两种生态系统服务间的关系还缺乏有效的分析和表达方法与技术；（3）对权衡与协同关系的时空异质性和区域差异关注不够。

在生态系统服务流研究上存在的问题主要有：（1）将生态系统服务供给和使用视作平衡关系，忽视了传递和流动过程中的阻塞和损耗等过程；（2）服务供给与使用的研究不够均衡，对于使用环节的研究偏弱；（3）对于正服务流研究较多，对负服务流及其效应研究较少；（4）对于域内效应研究较多，对域外效应研究较少。

第三，生态系统服务研究成果的应用程度还不够高。生态系统服务研究的终极目标是提升人类福祉，其应用指向十分明显。就现状来看，研究成果应用到生态补偿或生态系统服务付费、土地利用优化规划、离任责任审计和绿色基础设施建设等方面深度和广度还不够。例如，在生态补偿应用上还有许多障碍，评估的准确性、服务供给方与消费方供给量和使用量的核算误差等都限制了其作为生态补偿政策主要依据的可能性。

4 发展趋势

4.1 构建更加完善的土地生态系统服务研究学科体系

“生态系统结构、过程与功能—服务—人类收益与福祉”的级联关系已经成为生态系统服务研究的基本框架，受到许多学者的关注。在这一级联框架中涉及到自然过程、自然—社会经济过程和社会经济过程递进、耦合和反馈关系，因此，迫切需要构建自然科学、人文社会科学以及两者结合的学科体系来完善生态系统服务研究范式[54]。诚然，这一研究范式要求将生态系统服务作为连接自然生态系统和人类社会经济系统的纽带，重点研究生态系统功能到服务的转变机理，尤其研究政策、制度、文化、生产生活方式以及行为、感知等对转变过程的作用和传导途径。

由于生态系统服务研究的多学科属性，将社会—生态系统（Social Ecological Systems, SESs）作为其理论支撑有其逻辑合理性，国内外已有了一些初步工作。未来的研究重点包括：（1）以社会—生态系统理论作为支撑的土地生态系统服务研究体系，应当对已有生态系统服务级联框架进行改进，在每一环节增加人类的调节机制，包括生态系统服务管理、增加投入、服务分配、服务升值等；（2）在社会生态系统框架中，细化利益相关方的认知、心理、行为等对于生态系统服务的影响，包括在使用方面的偏好造成的权衡等；（3）将生态系统服务权衡与协同分析放在社会生态系统中加以分析。重点关注不同的社会经济驱动因子，如何使得相似的土地类型产生不同的生态系统服务供给，并引起多重生态系统服务之间的权衡或协同关系；（4）在社会—生态框架下关注服务供给与使用等单元之间的交互耦合、反馈以及作用传递等过程。重点关注局地尺度的一些社会经济信息如生计、知识、认知和偏好等如何影响生态系统服务使用者的行为，进而在更大尺度上对生态系统服务供给产生作用。

4.2 将土地生态系统服务融入到全球变化研究框架

在人类活动和全球环境变化驱动下，整个地球表层系统都在发生着巨大深刻变化。因此，未来对生态系统服务也必须采用动态演进的研究范式，融入到全球变化的研究框架。具体来说，采用“压力—状态—响应”模式，研究全球变化（主要驱动力为气候变化和LUCC）情景下，生态系统服务的数量、质量和时空分布动态以及生态系统服务脆弱性及其影响因素，并进行基于可续发展目标对生态系统服务供给状况调控。主要的科学问题可以归结为：生态系统服务的非线性变化及其驱动机制、生态系统服务对于全球变化（气候和土地利用变化）互馈响应机理及其阈值、生态系统服务的区域差异及其分异规律等。

研究全球气候变化和LUCC对土地生态系统服务的影响，一个重要工作是制定气候变化和LUCC情景。未来的工作首先应当在提高情景的多样性、准确性和时空分辨率上做出努力，其次应当明晰全球气候变化和LUCC对于生态系统服务作用的时空尺度、快慢以及互馈等机理性问题。

4.3 建立政策—土地利用—生态系统服务的复杂联系

除了全球气候变化外，政策诱发的土地利用/覆被变化是驱动区域生态系统服务变化的主要因素。因而，明晰政策—土地利用—生态系统服务之间的复杂联系，有助于制定科学的土地利用规划和生态系统服务管理政策。

未来的研究工作可在以下几个方面继续深化：（1）建立不同尺度不同适用范围的现实政策和情景政策集，以增大研究成果的普适性和可推广性，目前，不论是现实政策或是政策情景都比较简单；（2）明晰政策—土地利用—生态系统服务之间的非线性复杂联系特征，包括滞后效应、阈值效应和反馈效应，主要政策包括商品市场、碳税、水权交易、生物多样性拍卖、生物质能源市场以及美景付费等；（3）强化政策—土地利用—生态系统服务之间关系研究的应用指向，建立多目标优化框架生成一系列土地利用和管理规划方案，在优化过程中将土地生态系统服务作为优化过程的目标或限制条件，最终通过图形界面对选择土地利用和管理规划而引起的生态系统服务权衡和协同关系进行可视化。可以预计，未来基于生态系统服务评估结果的土地利用优化规划、生态安全格局构建、生态基础设施建设以及生态补偿等应用将会得到快速发展。