生态系统服务与景观格局集成研究综述

梁友嘉,刘丽珺

1 武汉理工大学资源与环境工程学院,武汉 430070 2 武汉理工大学航运学院,武汉 430000

生态系统服务(Ecosystem Services,ESs)是人类从生态系统中获得的所有物质产品与服务,分为供给服务、调节服务、文化服务和维持前3种的支持服务[1- 2]。景观格局变化是指景观结构和功能及其随时间变化的过程与规律[3- 4]。伴随全球经济和人口规模的持续增长,高强度人类活动(如经济、技术和社会调控等)对不同时空尺度的景观格局产生了巨大改变,驱动着生态系统服务供给的显著变化[5]。集成生态系统服务与景观格局已成为探讨生态系统时空分异规律以及与生态过程相关的区域资源和生态环境问题的重要途径。千年生态系统评估(the Millennium Ecosystem Assessment,MEA)指出,全球24项生态系统服务中有15项正在持续退化,严重威胁区域与全球生态安全。生态系统服务与景观格局集成是区域环境政策-决策制定和生态系统管理等跨学科领域的热点[6]。随着生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台(The Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services,IPBES)于2012年正式成立,各国政府和学术界对生态系统服务集成研究的关注度再次快速上升。

1 文献计量分析

生态系统服务与景观格局集成领域的发文量在快速增加。以Web of Science核心数据库和中国知网核心期刊数据库为例进行文献计量分析,分别检索(“land” OR “landscape”) AND (“ecosystem service”) AND (“integrated” OR “integrate” OR ″integration″)和(“土地” OR “景观”) AND (“生态系统服务” OR “生态服务功能”) AND (“集成”),范围覆盖“题名”、“关键词”和“摘要”等类型。2000—2016年SCI论文为452篇,自2009年起持续走高,中文核心论文为84篇,发文量基本稳定,少于同期国际论文(图1)。SCI发文量前6位是：《Ecological Indicators》(57篇)、《Land Use Policy》(50篇)、《Ecosystem Services》(43篇)、《Science of The Total Environment》(38篇)、《Landscape and Urban Planning》(32篇)、《Ecological Economics》(30篇),其他期刊均低于30篇；中文核心论文主要发表在《生态学报》、《地理学报》、《应用生态学报》、《地理科学进展》、《生态学杂志》和《资源科学》等期刊,发文量相差不明显；位列前6的论文关键词是：“土地利用变化”、“生态系统服务”、“景观生态”、“生态环境”、“生态系统”和“生态功能区划”等,表明集成研究关注生态环境评估与政策应用等核心主题；涉及的主要方法有遥感、地理信息系统、指标评估、生态过程模拟和景观格局分析等。本文系统综述已有重要理论与方法,并提出可用的生态系统服务集成建模和知识概念框架,旨在为区域生态系统服务与景观格局集成的理论探索与方法实践提供科学参考。

图1 生态系统服务与景观格局集成研究领域的文献数量变化Fig.1 The number of related papers in the field of integration of ecosystem services and landscape pattern

2 景观格局对生态系统服务功能与过程的影响

生态系统服务功能与过程研究始于20世纪60年代[7- 9],至今已形成多种理论分类体系(表1)。例如,De Groot认为生态系统服务是生态过程和其组分满足人类所需产品和服务的能力[10]；No⊇l和O′Connor认为生态系统服务是生态系统支持经济活动或人类财富的特定功能或服务[11],获得类似观点支持[12- 13]；De Groot分析了24种生态过程和服务功能[14- 15],但未严格给出景观格局、功能和过程的复杂对应关系；MEA从全球尺度提出生态系统变化对人类福祉影响的生态系统服务评估框架；国内学者也形成多种研究成果[16- 21],国内外研究总体上有相似性,存在的问题是：1)概念重叠可能导致生态系统服务的重复测量和验证,如文献[10]中的“调节功能”包含[3]中的“调节和支持服务”；2)与景观格局相关的功能(如栖息地、信息和文化服务)多且零散,对应关系不清晰。受不同人类活动强度干扰的景观格局会产生相应生态过程,进而影响生态系统服务功能变化[22]。例如,景观格局物理属性差异会导致地表反射率等系统属性变化,以此影响生态系统服务过程[23]。当人类活动干扰程度较小时,供给服务较弱,调节和支持服务较强；适度干扰时,供给服务较强,调节与支持服务较弱；干扰强烈时,土地景观退化,多种生态系统服务的提供都受到威胁[24- 25]。

表1 几种生态系统服务功能分类体系

3 生态系统服务与景观格局集成方法

3.1 基于景观格局的生态系统服务评估

生态系统服务评估主要分为价值量评估和物质量评估[26]。价值量评估利用价值理论突出自然资产的重要性,应用于区域生态补偿等领域[27- 28],通过不同景观类型的价值系数来估算生态系统服务的使用价值和非使用价值[29- 30]。但该方法难以反映景观格局的空间异质性以及经济评估的复杂性,如评估指标选取和赋值的主观性、特定景观价值的重复计算和缺乏生态学意义等[31- 36]。随着地理信息技术的发展,反映生态系统功能和过程的物质量评估正受到重视,出现与空间显式的景观格局模拟集成的趋势[37- 38]。

景观格局模拟模型常使用空间数据和非数值模拟方法(如自主体),揭示经济活动、生态系统管理(如农业管理和自然资源保护)与环境政策等导致的景观异质性,适用于空间显式的生态系统服务评估[39- 41]。例如,景观格局模拟模型通过需求或价格信息更新像元,已用于全球尺度农业生态系统服务评估[42- 44]；环境政策导致的景观格局和生态系统服务的多尺度(景观-区域-全球)差异性也受到关注[45- 47]。集成景观格局模拟模型与生态系统服务评估的挑战有：1)甄别影响生态系统服务评估的景观过程和驱动力；2)提供高精度的景观数据；3)减少景观格局变化在经济和生态系统管理中的不确定性。

3.2 情景和权衡分析

情景分析方法能揭示未来景观格局和生态系统服务变化的可能性[48],已成为生态环境政策与决策制定的重要方法[49]。例如,通过情景制图表达生态系统服务与景观类型的对应关系[50]；利用利益相关者的偏好和情景方法获取不同服务价值的变化阈值[51]。情景方法目前主要用于生态系统服务可能的变化趋势、决策结果及不确定性分析[52- 53]。

权衡分析是指对比空间、时间和可逆性等维度的生态系统服务变化,以发现潜在冲突和提出解决办法[54]。其中,空间权衡分析区域间生态系统服务相互消长或协同；时间权衡分析当前生态系统服务利用对未来可能造成的影响；可逆性权衡分析可逆性恢复和不可逆性变化之间的长期平衡,均与服务类型、景观空间分布异质性和人类活动方式有关[55]。权衡方法主要有多目标线性规划和多准则分析[56- 57]。权衡分析无法揭示生态系统服务变化路径,综合使用情景和权衡方法会减少生态系统服务与景观格局集成的不确定性[58]。

3.3 生态系统服务集成模拟模型开发

生态系统服务评估多基于静态平衡关系构建,缺少综合性的区域动态模拟能力。集成景观格局和决策的模拟模型已成为生态系统服务研究的主要工具。现有主流模型多具有空间显式、过程驱动和情景分析等功能,能模拟景观格局和环境政策变化对生态系统服务可能的影响(表2)。存在的问题是：1)建模原理差异较大且缺乏知识共享；2)模型复杂性和数据可用性影响了模型的可推广性；3)多源数据集成和验证仍未有突破性进展。例如,WaterWorld数据库中多种全球尺度的数据验证困难；4)决策信息收集与知识转换方法仍有待改进。

表2 几种主要的生态系统服务集成模拟模型

生态系统服务集成模拟模型呈现模块化、图形化、知识驱动和空间显式趋势[70],集成多种跨学科知识和方法,据此提出生态系统服务与景观格局集成模拟框架(图2),其方法特征有：1)注重使用多尺度、高分辨率的空间数据；2)强调景观格局变化对生态系统过程的影响；3)关注生态系统服务的综合性与尺度效应；4)集成景观管理情景和权衡方法；5)开发不确定性分析方法。

4 讨论与结论

生态系统服务与景观格局集成从理论到方法都处于起步阶段,至少有4个亟需发展的优先领域：1)制备长时间序列的多源数据集,用于支持生态系统服务监测和自然资产评估；2)开发生态系统服务的源、汇和空间流模拟模型,分析不同景观格局的生态系统服务空间异质性及其形成机理；3)发展跨尺度的集成评估概念框架和指标集,增加利益相关者参与生态保护的机会；4)定量分析特定尺度的文化、制度因素对生态系统服务的影响。

生态系统服务的可持续提供事关区域和国家的人口生计,是决策者和学术界共同关注的重大问题。生态系统服务与景观格局集成的本质是综合跨学科知识的复杂反馈关系,存在“政策-决策—景观—生态系统服务—社会经济系统”的跨学科知识反馈环,包含系统要素互馈层、模型层和数据层3个维度(图3)。

图3 生态系统服务与景观格局集成的知识概念框架Fig.3 The conceptual framework in the knowledge field of integration of ecosystem services and landscape patterns

(1)政策-决策与景观：环境政策-决策中能综合生态恢复工程、生态环境规划和景观管理等多种影响景观格局的生态保护措施[71]。例如,根据利益相关者对历史时期和当前的景观以及政策/决策的认识,预测不同情景的未来景观格局变化；通过环境政策-决策的优化组合获取最佳的景观格局,为区域生态系统管理提供理论与数据基础。

(2)景观与生态系统服务：景观功能转化为生态系统服务的机制尚未完全清楚,需要利用长期监测数据和模拟模型提高认识[72]。例如,集成站点、样地、观测网络和遥感等多源景观格局数据,用于确立对不同景观驱动的生态系统服务供给机理的新认识。

(3)生态系统服务与社会经济系统：生态系统服务价值评估能获取收益来源和成本,其结果能纳入社会经济核算账户[73]。例如,在已有价值测量框架下,集成生态系统服务非货币化估值方法；发展兼顾社会公平和跨时空尺度特征的生态系统服务成本-收益权衡方法。

(4)社会经济系统与政策-决策过程：定量识别不同环境决策的差异性和利益相关者的多元需求,充分引入文化、制度等社会科学领域的知识(如,表2)。

近20年来,国内外相关领域积累了大量的遥感、调查、监测和试验数据,开发了多种集成建模框架和方法工具,为生态系统服务与景观格局集成研究提供了数据、理论和方法支持。主要结论是：1)生态系统服务与景观格局集成的机理和方法是跨学科热点；2)集成方法的核心是结构化、多层次的集成模拟模型,这为综合认识区域生态系统服务与景观格局集成机理提供了可能性；3)集成研究能为区域环境政策-决策制定和生态环境保护等实践应用提供科学参考,更好地应对生态系统服务科学与应用的挑战。