湖泊湿地生态系统服务研究进展

徐昔保,杨桂山,*,江 波

1 中国科学院南京地理与湖泊研究所,中国科学院流域地理学重点实验室,南京 210008 2 长江水资源保护科学研究所,武汉 430051

生态系统服务是生态系统对福祉效益的直接或间接贡献,其可持续供给是影响区域、国家及全球可持续发展与生态安全的重要因素[1- 4]。自2005年联合国发布千年生态系统评估报告(Millennium Ecosystem Assessment, MA)后,生态系统服务研究取得了前所未有的快速发展。国际上先后发布并实施了一系列重大国际研究计划,如福利核算和生态系统服务价值评估(WAVES)全球伙伴关系[5]、2020生态系统及其服务状况制图与综合评估计划[6]、生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台[7]等。2014年开始实施的未来地球计划(Future Earth),将IGBP等全球变化研究计划逐步拓展到全球变化对生态系统服务的影响,明确提出要全面认识环境、经济、社会和政策变化下水—能源—粮食供给服务之间的相互作用机制,合理调控与优化多种生态系统服务之间的权衡关系,并将其融入到决策制定过程中[8]。上述重大国际研究计划的实施,进一步提高了世界各国科学界对生态系统服务研究的关注,生态系统服务已逐渐成为地理学、生态学和环境科学等多学科交叉研究的前沿和热点[9- 11]。

随着生态系统服务研究的不断深入,生态系统服务从提高公众认知到理论框架不断完善及案例研究深入拓展,并逐步深化为管理决策和政策设计应用[4- 5,11]。全球湖泊湿地面积约7—10×106km2,占全球陆地总面积的5%—8%,与其他生态系统类型相比,湖泊湿地生态系统有着区别于其他生态系统类型的水文过程和生物地球化学循环过程,因此其提供的生态系统服务也从一定程度上区别于其他生态系统类型。主要体现在涉水的生态系统服务,包括水资源供给、水质净化、洪水调蓄、生物多样性维持、休闲娱乐等,在保障全球水生态安全格局中占有重要地位[12- 13]。据估算,湖泊湿地生态系统服务提供的价值占全球生态系统服务价值总量的23.2%[14]。湖泊湿地生态系统因其巨大的生态系统服务价值、保障区域/国家乃至全球生态安全的重要作用及其在社会经济快速发展下导致的不断退化和萎缩的趋势,已引起了各国政府及学者的高度关注[14,15- 16]。中国明确把“湿地面积不低于8亿亩”列为2020年生态文明建设的主要目标之一,并纳入国家“十三五”纲要。然而,受湖泊湿地生态系统的高度复杂性、特殊性及研究手段局限等多方面条件限制,湖泊湿地生态系统服务内涵,评估方法及其管理决策与政策设计等方面的研究和应用尚处在探索阶段。目前,尚未形成通用的湖泊湿地生态系统评估框架和方法体系,难以有效地服务于湖泊湿地生态系统管理决策与政策设计。本文以湖泊湿地生态系统服务概念与内涵为切入点,并结合管理决策和政策设计的需求,评述当前湖泊湿地生态系统服务研究中存在的不足,并对未来研究的重点方向进行了深入剖析和讨论,以期深化湖泊湿地生态系统服务研究的理论与方法,推动湖泊湿地生态系统服务由理论走向管理决策与政策设计,服务于国家生态文明建设等顶层设计和战略需求。

1 重要研究进展与不足

生态系统服务研究从概念提出到不断发展大体可划分为四个阶段：生态系统服务概念探讨(1997年前)、生态系统服务分类体系建立与经济价值评估快速发展阶段(1997—2005年)、分类体系/评估框架/评估方法逐步完善阶段(2005—2010年)、权衡分析、供需耦合机制及与政策设计结合阶段(2010—至今)(表1)。相比其他生态系统类型,湖泊湿地生态系统服务研究相对较为滞后,主要始于2005年联合国千年生态系统评估后开展价值评估与影响分析,2010年前后进入热点研究阶段。当前,湖泊湿地生态系统服务研究主要集中在：土地利用变化对湖泊湿地生态系统服务的影响、模型在湖泊湿地生态系统服务评估的应用、湖泊湿地生态修复对生态系统服务的影响与评估等几个方面,而在模型开发、权衡分析、管理决策和设计等方面仍处在探索阶段。因湖泊湿地独特的水文特性和生物地球化学循环过程,现有模型大部分难以有效应用于评估湖泊湿地生态系统服务研究。此外,受监测数据和模型局限,大部分研究集中在湖泊湿地生态系统供给服务评价。总结和回顾湖泊湿地生态系统服务近十多年取得主要进展与存在的不足如下。

表1 生态系统服务研究阶段、研究内容与研究方法

1.1 湖泊湿地生态系统服务内涵

湖泊湿地提供的生态系统服务,不仅涉及多尺度利益相关方,而且在特定的时空尺度具有不可替代性[12,36],如最新研究表明湿地是陆地生态系统中硝酸盐削减效率最高的生态系统[13]。随着公众和管理决策者对湖泊湿地生态系统服务功能重要性认识的不断提高,湖泊湿地生态保护已逐渐被提升到事关国家生态安全的理论高度,生态系统服务研究也已成为生态文明制度建设、生态系统管理与保护的重要技术手段。

生态系统服务自其概念提出到其与管理决策和政策设计结合,经历了几十年的发展历程。Daily、de Groot、Costanza和MA等针对生态系统服务概念、内涵及分类体系进行了全面的分析和系统的探讨[1- 3,37]。MA将生态系统服务划分为供给服务、调节服务、支持服务和文化服务四大类,在全球范围内得到了广泛应用和推广[3]。然而,MA分类体系在生态系统服务的集成研究和系统评估等方面的应用存在较大局限性,究其原因是MA体系混淆生态系统中间服务和最终服务,使得生态系统服务的精细评估和管理设计缺乏可靠的数据支撑[38]。为推动生态系统服务由概念设计走向理论实践,Wallace、Fisher et、Haines-Young、Staub等针对生态系统中间服务和最终服务的区分进行了深入的探讨[21- 23,27]。随着生态系统服务理论体系研究的不断深入,生态系统服务概念也进一步深化为：生态系统对人类效益的间接或直接贡献[23,39]。EPA(Environmental Protection Agency)基于此概念,提出了“环境→最终产品→直接/间接利用→生态系统服务直接利用者”的分析框架,并建立了NESCS(National Ecosystem Services Classification System)生态系统服务分类体系[40],从理论上区分了中间服务和最终服务,为生态系统服务研究奠定了重要基础,促进了生态系统服务权衡与协同、生态系统服务形成机制、生态系统服务集成评估及政策设计等方面的进展。按照生态系统服务的最新进展,湖泊湿地生态系统服务大致可以分为17—23类,但具体分类体系因研究区域的生态特征和受益者偏好而具有较大差异。因此,在选择湖泊湿地生态系统服务分类与评估指标体系时,应根据研究区域的生态环境综合特征进行定制；同时为保障不同研究之间的横纵可比性,指标体系选择应在统一的分类体系框架下确定。

1.2 湖泊湿地生态系统服务评估

湖泊湿地生态系统开展生态系统服务评价是全球生态系统服务评价的重要组成部分[3,41- 42]。近20年,国际上对湖泊湿地生态系统服务评估开展了一系列案例进展。Schallenberg等从供水、鱼类供给、水源净化、洪水控制、湖滨保护、气候调节、休闲娱乐等12类生态系统服务角度出发,对新西兰8个面积超过100 km2的湖泊进行了生态系统服务评价[36]。2010年,美国启动五大湖恢复计划(Great Lakes Restoration Initiative)对五大湖生态系统服务进行了系统评估,分析生态系统服务变化过程与驱动因素,通过投资超过10亿美元的众多管理及工程措施来改善五大湖地区生态系统服务,显著提高了五大湖水质净化、水资源供给、生物多样性保护以及景观美学等重要生态系统服务[16]。Steinman等综合分析了美国五大湖的生态系统服务状态与未来趋势,讨论了五大湖生态系统服务定量评估面临的挑战及未来急需解决的问题[43]。Reynaud & Lanzanova利用元分析统计方法估算了全球699个湖泊生态系统服务价值的均值[44]。此外在加拿大、尼泊尔、埃塞俄比亚等国家也相继开展了湖泊湿地生态系统服务评估案例研究, 主要集中在湖泊湿地生态系统服务价值评估、物质量或功能评估[45- 47]。

在模型发展方面,基于遥感和GIS技术等为支撑的生态系统服务评估模型也得到了快速发展,出现了包括InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)、ARIES (Artificial Intelligence for Ecosystem Services)、SolVES (Social Values for Ecosystem Services)、MIMES (Multiscale Integrated Models of Ecosystem Services)、EPM (Ecosystem Portfolio Model)、ESR(Ecosystem Services Review)、EcoMetrix、Benefit Transfer and Use Estimating Model Toolkit 等20多个模型[24- 26]。受湖泊湿地生态系统高度复杂性、模型结构及适用性等制约,上述大多数模型在湖泊湿地生态系统服务评估中的应用刚处于起步阶段。目前InVEST模型在湖泊湿地生态系统服务评估中进行了一些尝试,主要用于模拟评估水资源供给、生物多样性维持、水质净化等生态系统服务。InVEST模型具有使用简便、数据易获取等优点,但因模型采用简化的水文模型,不能准确模拟具有高频变化特征的水情变化及其对生态系统服务的影响,其模拟结果相对传统的水文和水质模型存在较大的不确定性[48-49]。

近年来,国内学者也开展了一系列湖泊生态系统服务评估案例研究,主要采用以下4 种方法：1)列举湖泊生态系统提供的所有服务(包括中间服务和最终服务),选取相应的生态属性指标或效益指标,基于生态监测、野外调查[50-51]和问卷调查[52-54]等方法,评估湖泊生态系统服务价值量或物质量；2)以土地利用/土地覆盖为替代数据,直接采用效益转化法评估湖泊生态系统服务价值评估[55- 57]；3)利用长序列的古湖沼学记录数据分析湖泊生态系统服务变化特征[58-59]；4)基于生态系统服务评估模型(如InVEST,SolVES),模拟评估湖泊湿地生态系统服务物质量和价值量[60-62]。

1.3 湖泊湿地生态系统服务影响机制

湖泊湿地通常是一个开放、连续的生态系统,受自然过程和人类活动的干扰与干预,湖泊湿地生态系统服务呈现高度复杂性、高频时空变化和高耦合关联等特征,而水情是气候变化与人类活动作用于湖泊湿地生态系统服务过程中最为重要的过程变量。气候变化通常会导致洪旱灾害的频繁发生,气候因子可改变降水量、气温、蒸散等时空分布格局,进而使得水文情势产生显著变化[63]。随着社会经济的快速发展,人类活动干预在不断加强,诱发湖泊湿地生态系统的一系列问题,如大型水利工程的建设显著地影响湖泊水情,对湖泊湿地生态系统带来正负双重效应,使湖泊生态系统趋于更加不稳定状态[64]。湖区及流域城镇扩展、工业及旅游业发展等,加剧了对淡水资源供给需求和入湖污染物排放,进而对湖泊湿地生态系统的生态系统服务产生负面影响。Smith等利用专家咨询与问卷调查法,分析了入湖污染物、入侵外来物种、水文及气候条件变化、栖息地改变、水资源供给能力、湖泊富营养化以及水利工程设施干扰等50多个胁迫因子对美国五大湖区供水、生物多样性保护、景观美学等重要生态服务功能的胁迫影响机理[65]。Ricaurte等利用空间统计、矩阵法和公众参与式制图法识别影响哥伦比亚湿地未来变化的最重要驱动因子为土地利用变化、水资源需求和水污染[66]。现有的生态系统服务影响机制分析主要采用定性或半定量的统计分析为主,采用模型模拟方法较少涉及。

近年来全球变化导致极端气候事件频发的背景下,控湖工程对湖泊水位波动的影响加强,湖泊长期形成的动态平衡水位波动模式与湿地水文需求关系被打破,大多数湖泊生态系统已经发生了显著变化,湖区水源供给、环境净化、生物多样性等多种生态系统服务在水利工程的影响下呈现出明显的退化迹象[67- 68]。众多案例研究表明,无水利工程控制的湖泊在其各个水深梯度均可以支撑结构更多样的植物群落,而被控河湖水系因水位波动的减小而生物多样性降低,洲滩湿地生态系统物种构成向单一化均匀化发展[29,69- 70]。此外,控湖工程下湖泊水情的改变,还导致湖泊悬浮物负荷、水动力、水环境等产生动态变化,进而使得湖泊水质状况面临更为严峻的考验[71]。

1.4 湖泊湿地生态系统服务权衡与优化

生态系统服务由于类型多样性、空间非均衡性、人类使用选择性等特点,多种生态系统服务之间存在显著的权衡与协同等关系形式[10,30,72]。理解与掌握生态系统服务权衡与协同关系,是对多种生态系统服务实行保护、优化与可持续利用的前提,有利于制定区域发展与生态保护“双赢”的政策措施,有利于明确生态管理决策的最优和次优空间[4,31- 32]。生态系统服务权衡研究方法总体可分为统计方法、空间分析方法、情景模拟方法和服务流动性分析方法[4,73]。目前生态系统服务权衡分析研究主要以定性分析为主,主要通过空间制图与地统计分析方法,判定生态系统服务权衡或协同关系[30],定量化研究相对较少[31]。

目前,针对湖泊湿地的生态系统服务权衡与优化研究处于刚起步阶段,相关研究较少涉及。Jessop等通过野外采样,利用主成分分析和冗余分析等方法解析湿地养分循环、草本生物量、土壤有机质含量、地表水储存潜力和生物多样性维持等多种生态系统服务之间的权衡关系[33]；Li等结合InVEST模型和农户调查法,分析了南水北调中线水源地多种生态系统服务权衡关系,揭示了生态系统服务四个尺度利益相关者(移民安置农户、当地政府、下游水资源用户和全球受益者)的权衡关系[34]；Yang等利用InVEST模型评估了黄河三角洲滨海湿地生境质量、固碳和物质生产之间权衡与协同关系,揭示了围垦对多种生态系统服务之间关系的影响[35]。

1.5 研究不足

(1)没有形成通用的湖泊湿地生态系统服务评估框架和方法体系。目前,大多数研究在开展生态系统服务估算与指标选择过程中,混淆湖泊湿地生态过程、功能和最终服务,导致湖泊生态系统服务价值重复计算,评估结果可信度不高[38]；评价指标和评估方法多样化,评估结果横向可比性较差,尺度推绎不确定性较大；生态系统服务评估模型应用往往缺乏有效验证与参数区域化,且大多数模型主要针对供给服务和调节服务(如淡水供给、水源涵养、水土保持、固碳、水质净化等),而对文化服务和支持服务的模拟功能相对缺乏,导致模拟指标存在一定的片面性,模型估算结果也存在较大的不确定性。

(2)多因素叠加的定量分析与甄别不够深入。受湖泊湿地生态系统服务的高度复杂性、多样性等特征、生态系统服务长期监测数据缺乏以及现有生态过程模型的局限性等制约,定量甄别湖泊湿地生态系统服务变化驱动因素及影响程度仍是目前研究的难点和重点[36,43,71]。尤其是针对大型洪泛型湖泊湿地,如何定量识别与区分大型水利工程、气候变化、土地利用变化等多重叠加因素对湖泊湿地生态系统服务变化的影响机制仍较为困难,是湖泊湿地生态系统服务研究亟待解决的科学问题之一。此外,绝大数研究都忽视湖泊湿地生态系统服务供给和需求的空间异质性与空间流转,不利于揭示利益相关方与生态系统服务在不同尺度上的影响机制。

(3)湖泊湿地多种生态系统服务权衡与优化研究较少涉及。目前,针对湖泊湿地生态系统服务权衡研究方法主要采用常规的野外监测与采样、地统计分析、价值化半定量评估和InVEST模型,仍以定性与半定量分析为主,定量化分析方法相对较少。此外,研究内容上主要集中在湖泊湿地多种生态系统服务权衡与协同关系的诊断与空间识别方面,而对多种生态系统服务之间的相互作用机制与协同优化路径研究鲜有涉及。

2 未来研究重点

2.1 湖泊湿地生态系统服务监测

目前,基于湖泊湿地野外观测平台与基地,已经开展了一系列针对湖泊湿地生态系统结构与组分(面积、种类、物种数量、水生生物、生境类型)、水环境(总氮、总磷、藻类)、土壤、水文情势(水位、水量、泥沙含量)、浮游植物初级生产力、鸟类等监测[12,74-75]。现有的野外监测侧重于湖泊湿地生态系统结构、状态、过程及时空变化等方面,为湖泊湿地生态系统服务评估提供了基础数据和过程机理认识[76-77]。但现有的常规监测指标多为表征湖泊湿地生态系统的特征指标,无法直接测度湖泊湿地生态系统服务,因为不能有效满足生态系统服务评估、权衡分析和管理决策的需求,无法满足模型率定与验证需求,在很多区域甚至缺乏常规监测。因此,在结合湖泊水位、淹没出露面积、流速、换水周期等水情要素和水质等常规监测指标外,根据湖泊湿地生态系统的特征及其特殊性,选取与人类活动和管理措施直接关联、比较重要且比较敏感的生态系统服务关键表征指标,如污染物降解能力、温室气体排放通量、渔获物、生物量、洪峰削减量、淡水供给量、珍稀鸟类数量等,为生态系统服务评估模型提供关键参数与率定所需的观测数据,同时有助于进一步深化认识湖泊湿地生态系统服务的形成与影响机理。

2.2 模型评估不确定性

生态系统服务评估模型能较直观的刻画生态系统服务时空变化和空间流动转移特征,识别生态系统服务时空权衡关系、生态系统服务热点区和重点保护区域,直接为生态系统服务管理和政策设计提供科学依据[78-79]。模型评估的不确定性主要包括四个方面：1)受生态系统类型多样性及生态系统服务的高度复杂性等因素影响,生态系统服务形成与变化的机理认识仍有待完善；2)在模型设计与开发过程中往往需要对模型结构进行简化,导致模型自身均存在一定的不确定性；3)针对典型生态系统服务的长期定位观测的缺乏,导致生态系统服务评估模型中的部分关键参数很难实测获取或通过率定实现模型参数区域化,使得模型评估存在较大的不确定性；4)现有的生态系统服务评估模型大多只能模拟单一或有限几类生态系统服务,进行生态系统服务综合评估通常需要运用多个生态系统服务评估模型,多个模型之间往往缺乏对多类生态系统服务之间相互作用机制的表达或耦合集成,导致其评估结果也存在一定的不确定性。因此,在未来需加强野外监测和控制实验,提高对湖泊湿地生态系统服务形成及影响机制的认识,进一步优化模型结构。同时,加强生态系统服务的尺度效应与相互作用机制研究,从模拟对象、模型结构、关键参数、模拟方法、适用尺度等多维度对现有的各类模型及模型组合进行敏感性与不确定性分析,综合比较生态系统服务评估模型的性能与适用性,选择或建立符合区域实际及决策需求的生态系统服务评估模型,提高模型的综合集成模拟能力、精度与可靠性。

2.3 生态系统服务变化风险评估

US EPA于1990年首次提出生态风险概念,并分别于1992 年和1998年颁布了《生态风险评价框架》和《生态风险评价指南》,提出了“明确问题、分析暴露和效应、风险表征”3步骤的ERA评价方法[80]。近20年来,生态风险评估在评价内容、范围、尺度等方面都有了很大进展。由单一化学污染物、单一受体发展到多风险源、多风险评价终点,风险源范围也从化学污染、生态事件等开始扩展到人类活动的影响(如城市化、生活和工业废弃物、LUCC、渔业、气候变化等),已广泛应用于水环境评价[81]、区域和综合生态风险[82]、生态系统服务管理和政策[83]。现有对湖泊湿地生态系统服务研究更多地关注物质量和价值量的评估,对多种因素干扰或胁迫下湖泊湿地生态系统服务变化可能存在的长期或系统风险的研究鲜有涉及,导致生态系统服务变化的风险预警与调控可操作很差[84-85]。基于生态风险评估的内涵,引入生态系统突变的理论与方法,结合长时间序列的监测数据或模型模拟,诊断生态系统服务发生突变的类型及临界点,构建湖泊湿地生态系统服务变化风险评价体系与诊断模型,识别生态系统服务变化的高风险区、高风险类型及形成条件,将是湖泊湿地生态系统服务未来研究的重要内容之一,有助于真正将生态系统服评估全面融入到湖泊湿地生态系统管理、生态风险预警与决策过程中。

2.4 湖泊湿地生态系统服务优化与调控

生态系统服务优化与调控是生态系统服务在生态系统管理与政策设计中的典型应用,是生态系统服务研究的最终目标。重点开展以下3个方面的研究：1)基于生态系统服务时空变化模拟,开展湖泊湿地生态系统服务权衡分析,揭示湖泊湿地多种生态系统服务之间的权衡协同关系、类型、相互作用机制及尺度效应,建立湖泊湿地生态系统服务协同提升与优化的理论与原理。2)解析案例区自然—社会—经济—生态的综合背景特征,评估各类利益相关主体的不同需求,根据需求导向设置典型水文年不同水文季节、不同生态系统服务的多目标优化情景,建立满足特定需求的生态系统服务优化提升规则与调控模型。3)集成生态系统服务评估模型和传统的生态过程模型(如水文水质模型、生物多样性随机森林模型、温室气体排放模型等),综合模拟评估大型水利工程建设、气候变化、湖区综合整治、水库群优化联合调度、土地利用变化等对湖泊湿地生态系统服务受损/增益效应,探索湖泊湿地生态系统服务协同提升路径与调控对策。建立通用的湖泊湿地生态系统评估框架和方法体系,推动湖泊湿地生态系统服务从理论研究提升到湖泊湿地生态系统管理、水利工程建设效应评估与水库群联合优化调度等实践应用中,将是当前及未来湖泊湿地生态系统服务研究的最核心内容与趋势。

3 结论

开展湖泊湿地生态系统服务研究能揭示湖泊湿地生态系统服务的时空权衡关系及生态系统服务空间流动和转移特征,识别生态系统服务变化驱动因子,为湖泊湿地生态系统服务优化管理提供基础。近20年,国内外学者在生态系统服务内涵、评估模型、影响机制、权衡分析与优化等领域的研究不断深入,但湖泊湿地生态系统服务研究相对较为滞后,且在以下几个方面存在较大不足：没有形成通用的湖泊湿地生态系统服务评估框架和方法体系、多因素叠加的定量分析与甄别不够深入、多种生态系统服务权衡与优化研究较少涉及。针对湖泊湿地生态系统服务研究的科学问题及其与管理决策和政策设计结合的现实需求,应加强以下四个方面的重点研究：1)加强湖泊湿地生态系统服务关键表征指标监测,深化认识湖泊湿地生态系统服务的形成与影响机理；2)加强生态系统服务的尺度效应与相互作用机制研究,优化模型结构,提高模型的综合集成模拟能力与精度；3)构建湖泊湿地生态系统服务变化风险评价体系与诊断模型,识别生态系统服务变化的高风险区、高风险类型及形成条件；4)集成生态系统服务评估模型和传统的生态过程模型,探讨湖泊湿地生态系统服务协同提升路径与调控对策。