草地生态系统服务价值评估研究综述

杨倩, 孟广涛,*, 谷丽萍, 方波, 张正海, 蔡雨新

草地生态系统服务价值评估研究综述

杨倩1,2, 孟广涛1,2,*, 谷丽萍1, 方波1, 张正海1,2, 蔡雨新1,2

1. 云南省林业和草原科学院, 昆明 650201; 2. 云南高黎贡山森林生态系统国家定位观测研究站, 昆明 650201

草地生态系统是兼有生产和生态两个功能的特殊生态系统, 随着社会经济的发展, 草地资源过渡开发利用, 导致的区域生态问题日益突出。评价草地生态系统服务功能价值, 对于保护和恢复草地生态系统, 制定合理的经济开发决策, 维护国家生态安全具有重要意义。文章基于相关研究文献, 首先概述了草地生态系统服务价值内涵及功能分类; 其次, 介绍了草地生态服务功能的研究进展, 探讨和比较了草地生态系统服务价值评估方法, 并阐述目前草地生态系统服务价值评估的应用领域; 最后, 总结草地生态系统服务价值评估存在问题并对未来的发展方向提出建议。

草地生态系统; 生态系统服务; 价值评估; 研究综述

0 前言

草地是我国最大的内陆生态系统, 拥有草地面积近4亿公顷, 约占全球草地面积的12.4%, 占全国陆地国土面积41.7%, 约为森林面积的2.5倍, 农田面积的3.2倍[1-3]。草地生态系统蕴藏着丰富的生物种质资源, 是农牧民生活生产的主要载体, 对维持自然生态系统平衡、保护生态安全屏障起着重要作用[4]。2001年谢高地等[5]对我国自然草地生态系统服务价值评估, 得出全国草地生态系统服务价值为每年1497.9×108美元, 是森林生态系统服务功能的12.8倍, 说明我国天然草地生态系统在区域生命支持系统中所起的重要作用。然而, 全球气候变化以及人类不合理的开发利用, 导致草地生态系统生物多样性降低, 生态服务功能不断退化[6], 不仅影响畜牧业的发展, 降低农牧民的生产、生活条件, 还会引发各种自然灾害, 严重威胁国家生态安全[7]。

对草地生态系统服务价值评估, 是支撑区域统筹治理与科学管理, 实现生态、经济、社会协调发展的的前提。既服务于国家战略, 又是自身发展的迫切需要, 对维护我国生态平衡, 保护“山水林田湖草”生命共同体有着深远意义[5]。

1 草地生态系统服务的内涵及分类

1.1 草地生态系统服务的内涵

生态系统服务的概念最早是由Holdren 和Ehrlich(1974)[8]提出。1997 年, Costanza、Daily等, 对生态系统服务进行了论述。Costanza[10]认为生态系统服务是人类通过生态系统的产品和服务, 获得的直接或间接生态效益。Daily[11]则认为, 生态系统服务是自然生态系统通过维持生物多样性、提供生态系统产品以及支撑并优化人类生存的所有环境条件和过程。千年生态系统评估(Millennium Assessment, 缩写为MA)在Costanza 的基础上从生态系统变化与人类福祉的关系出发提出生态系统服务的定义即人类从生态系统获得的各种福利[12-13]。

欧阳志云在大量生态学研究的基础上, 结合生态学和经济学方法, 总结了生态系统服务功能的内涵, 认为生态系统服务功能是生态系统及其生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用[11,14]。草地生态系统是生产-生活-生态为一体的复合生态系统, 其生态服务在保障粮食安全, 维持牧民生活, 调节生态平衡方面发挥重要作用[15]。

1.2 草地生态系统服务功能的分类

按价值分类, 根据学者刘兴元等[6]、欧阳志云等[16]、刘玉龙等[17]、中国科学院可持续发展战略研究组[18]的研究成果, 第一类直接价值, 即为人类提供肉、奶、皮、药材等直接利用的商品化的功能; 第二类间接价值, 即支撑和维持人类赖以生存的环境, 如水土保持、调节气候、营养物质循环等难以商品化的功能; 第三类选择价值: 将来的使用或非使用价值, 如生物多样性等; 第四类存在价值: 继续存在价值, 如生物栖息地、濒危物种等。

按其功能分类: 基于联合国新千年全球生态系统评估(MA)概念框架, 参考赵同谦、欧阳志云[14,16]等提出的草地生态系统服务功能的指标体系分类方法, 草地生态系统服务功能可分为提供产品功能、调节功能、文化功能和支持功能, 见表1[15]。

表1 草地生态系统服务功能分类

2 草地生态系统服务价值的评估

2.1 草地生态系统服务价值评估研究进展

早在20 世纪50 年代, 国外许多学者就开始对生态系统服务效益的价值评估进行研究, 其中, 以美国生态学家Costanza的研究最具影响力[19]。1997年Costanza等13位科学家发表《全球生态系统服务和自然资本价值》一文, 指出全球草地生态系统服务功能的价值为每年906×108美元, 占全球总价值的2.72%, 占陆地生态系统总价值的7.3%[10]。这是对生态系统服务价值全面评估的重要尝试[20-21]。salad等(1997)在《Ecosystem Services in Glassland》中就草地生态系统服务功能的特点进行了总结探讨, 阐述了草地在维持大气成分、基因库、改善小气候、水土保持各方面的功能, 并针对草地生态系统中评价困难的服务功能展开评价。2001年6月由联合国秘书长安南发起的一项为期四年(2001—2005年)的国际合作计划—千年生态系统评估, 首次系统的揭示全球尺度上各类生态系统的现状、未来发展趋势和对策、生态系统变化对生态系统服务以及对人类福祉的影响等, 对国际社会产生了重要影响[22]。

我国于20世纪80年代开始生态经济学研究, 到20世纪90年代初, 中国林科院核算森林资源[23], 20 世纪 90 年代中期, 我国生态学家开始比较系统的研究生态系统服务功能价值和价值评价方法。2001年, 我国为配合MA项目, 组织启动了中国西部生态系统综合评估项目(简称为MAWEC), 经过4年努力, 完成了MAWEC预期计划, 发表了《中国西部生态系统综合评估》[24], 意味着我国生态系统及其功能的认识正在逐步深入。

欧阳志云[14]、陈仲新[25]、谢高地[5,26]是国内最早开展生态服务价值评估的研究人员, 他们参照Costanza等的方法, 对全国各类生态系统服务价值进行了评估, 积累了丰富的数据资料。对于草地生态系统服务价值评估的研究, 陈仲新, 张新时[25]估算我国草地生态系统的自然资本和服务的平均综合价值为1009.16亿美元; 谢高地等人[5], 利用生物量指数对Costanza等给出的服务功能单位面积价值进行了订正, 逐项估计了我国各类草地生态系统的各项生态系统服务价值, 计算得出全国草地生态系统每年的服务价值为1497.9×108美元。姜立鹏等[27]利用遥感技术估算了我国草地生态系统服务价值。

赵同谦[15]、欧阳志云[16]、和刘起等[28]在国际通用的生态系统服务分类体系的基础上, 按照草地生态系统对人类生存和社会经济发展的作用, 制定了草地生态系统服务功能评价指标体系, 尹剑慧等[19]将国内学者应用的指标体系进行筛选和对比, 按权重大小总结出了一套常用的草地生态功能评价指标, 这些研究对我国草地生态系统评估具有指导意义。

2.2 草地生态系统价值评估方法

目前, 草地生态系统服务功能价值评估的方法主要有三类: 以千年生态评估分类系统和Costanza等的分类方法为基础, 利用谢高地研究的单位面积生态服务价值当量因子表进行计算, 简称当量因子法; 用生态经济学方法对生态系统服务价值进行估算, 简称功能价值法; 随着遥感技术的发展, 一些模型计算逐渐被运用, 简称模型计算法。

2.2.1 当量因子法

当量因子法是将生态系统服务功能分类, 以可量化的标准构建不同类型生态系统各种服务功能的价值当量, 结合生态系统的分布面积进行评估[10, 29]。

最初的当量因子法以Constaza等提出的方法为参照[4、5、30、33]。在对草地生物量订正的基础上, 估算各类草地生态系统的各项生态系统服务价值。但这种统计分析忽略了不同草地类型的时空差异, 估算结果不能动态反映生态系统服务功能。2015年谢高地等[29]又对生态系统服务价值当量因子表进行修订和补充, 建立适用于不同生态系统类型、不同生态服务功能价值的时空动态评估方法。为生态系统功能价值评估提供了更为客观的方法[34-37]。目前大多数学者用改进后的方法与遥感和GIS技术、净初级生产力 (NPP) 数据相结合进行研究[38-39]。

当量因子法以生态系统服务单位面积价值为基础计算, 数据量少, 较为直观易用, 适用于区域和全球尺度生态系统服务价值的评估[29,33]。由于生态系统的异质性, 导致特定的生态系统服务价值指标不足以衡量不同区域实际的生态系统服务价值[40], 故此方法动态性不足,且空间化表达和分析比较困难。

2.2.2 功能价值法

功能价值法以生态经济学为基础, 基于生态系统服务功能量的多少和功能量的单位价格得到总价值。生态价值评估方法大致归为三类: ①直接市场法, 包括市场价值法、费用支出法、资产价值法和人力资本法等; ②替代市场法, 包括替代成本法、影子工程法、机会成本法和旅游费用法等; ③模拟市场法(条件价值法)[16]。根据文献资料, 草地生态系统服务价值主要评价方法有市场价值法、机会成本法、生产成本法、水平衡法、影子工程法、替代价格法等[41-45]。各方法在草地生态系统中的运用与对比如表2所示。

该方法的输入参数较多, 没有统一的参数标准, 计算过程较为复杂。且大部分生态系统服务没有供参照的市场交易价格, 估算出的结果与生态系统服务真是价值存在偏差, 有较大主观性[29]。

2.2.3 模型计算法

GIS 可用于分析生态系统服务功能的空间分布, 模拟土地、人口等变化对生态系统服务功能的影响[46]。遥感数据则为人类提供了不同尺度下制图数据源和难以调查的数据[47]。于是基于GIS技术和遥感数据发展起来的生态系统评估模型如InVEST模型、ARIES、MIMES等就应运而生。在评价生态系统服务功能与空间分布的关系等方面发挥着越来越重要的作用。尤其是InVEST模型具有动态化、空间化、多层次、多模块的优势, 能够更好地评估和分析复杂的生态系统服务功能,, 是生态系统服务功能定量评估未来的发展方向[48-49]。

目前, 学者对InVEST 模型的应用主要集中于生态工程[50-51]、草地水土保持、碳储量、生物多样性、涵养水源、固土保肥[52-56]。为了实现空间化动态评估, 一些学者利用遥感影像和模型等方法对草地生态系统服务功能进行评估[57-59], 弥补了“以点带面”的缺点, 实现了草地生态系统服务功能定量评估的空间化和动态化[50、60]。

通过模型计算, 可以为生态系统服务变化的原因、影响因素提供更多信息, 直观的反映研究区的具体情况, 以促进人们对生态系统服务变化的理解。但是模型计算多为生态系统演变规律、变化趋势等大尺度生态计算服务, 对于更深层的机理研究不够适合。

2.3 草地生态系统价值评估的应用

近年来, 对于草地生态系统服务功能价值评估的研究不断发展, 涉及到全国草地生态系统服务价值评估[5、6、14], 区域草地生态系统服务价值评估[4、38-39], 自然保护区、生态保护和建设工程成效评估[22], 生态系统服务价值在近几十年的时空变化及草地退化[61-62]的影响及机制等方面。既有大尺度生态系统演变规律的研究, 也有小尺度生态系统变化机理的研究。

2.3.1 区域生态系统价值评估

受自然环境、经济条件及人文教育的影响, 不同区域有各自的发展模式和特点, 近年来, 研究者开展大量区域性生态系统服务功能评价, 从高寒草甸到热性灌草丛, 从新疆牧区到城市绿地, 从黄河三角洲绿色空间到云贵石漠化草地, 从重点生态功能区到非重点生态功能区[38、63-67], 这些研究有助于量化资源价值、生态补偿价值, 为当地政府资源开发和保护政策的制定、政府资金的拨备、根据地区生态承载力控制污染物总量等行为提供确切的量化指标。

2.3.2 自然保护区、生态工程建设成效评估

自然保护区和生态建设区都有特殊的地理位置, 生态系统复杂而脆弱。许多自然保护区由于生态功能退化而逐渐丧失其重要价值, 为保护、修复脆弱敏感区生态系统服务功能, 国家开展了一系列生态保护和建设工程[68], 针对生态保护与建设项目实施以来成效进行时空对比分析和评价, 是有效保护生物多样性和提升生态系统服务功能的重要保障。2013年邵全琴等[22]分析了三江源自然保护区生态保护与建设工程的生态成效及其原因。2014 年赵新宇等[69]对云雾山国家自然保护区研究区封育30年来系统生态资产价值及对封育效益进行评价。2017年黄麟等[70]对比分析西藏重大生态工程实施前、后8 a 的生态成效。类似这些评价成果, 有助于总结生态敏感区环境保护与生态建设的经验, 检验生态工程的预期目标, 及时调整生态规划和行动。

2.3.3 草地健康状况评估

千年生态系统评估结果表明, 全球60%—70%的生态服务在过去的50年(相对于2000年)是退化或衰减的, 未来50年内的发展也不甚乐观[12]。由于气候和人类活动的干扰, 使得草地生态系统不同程度的退化, 生产力下降, 草地土壤蓄水保肥能力差, 这将严重影响牧区的牧草产量和生态环境质量。近十几年来, 我国对草地健康状况的评价已经取得了很大的突破。集中于放牧强度与草地健康指标之间的关系[71-74]、草地退化的驱动因素[75-76]、退化草地空间分布[77-78]等方面。通过对不同地域, 不同放牧管理条件下的草地土壤、植被、生物量等指标的变化分析, 有助于草地改良和保护。

2.3.4 生态系统功能的时空变化及服务机理、调控机制

受人类生产生活的影响, 草地生态系统格局也在发生变化, 主要表现在草地景观格局、土地利用/覆盖变化和生态系统过程的变化等方面。2007年于格等[57], 对青藏高原研究区草地生态系统服务功能的动态过程进行评价。研究植物生长周期与生态服务功能之间的关系, 并进一步揭示服务功能形成的内在规律。邓茂林[79]利用3期TM图像分析了气候变暖、人为排水疏干、过度放牧、无序旅游导致若尔盖景观破碎度的影响。2017年, 徐雨晴等[80]采用CEVS 模型, 分析了基准期(1971—2000 年)及未来(2021—2050 年)RCP 4.5(中低排放)和RCP 8.5(高排放)情景下中国草地生态系统服务价值时空动态变化特征。徐新良等[81]分析了30年来青海三江源地区生态系统格局和空间结构的动态变化。

开展生态系统功能的时空变化及服务机理、调控机制的研究与评估, 不仅具有理论和实践应用价值, 而且对流域管理和研究具有重要示范作用。

2.3.5 草地可持续发展研究

可持续发展是寻求经济、社会、资源、环境相互促进、协调发展的良性发展模式, 为平衡区域经济发展和资源合理利用, 对人口承载力、生态承载力、生态系统安全[82-84]等方面进行评估。白卫国、丁勇、刘兴元等[85-88]围绕草地生态系统“需求-供给-结构”关系模式,建立草地可持续利用评价指标体系和模型, 并对中国西部草地及内蒙古天然草地、西藏那曲地区草地进行了可持续发展评价。并构建了基于草地功能分区的分级生态补偿模式, 再此基础上提出了针对不同功能区的生态补偿方案。

对草地可持续发展的研究有利于调整区域农牧业发展战略和方向, 优化结构, 提高草地生产力、保护草地生态环境。

3 存在问题与研究展望

3.1 评估指标体系的确定

确定评估指标是草地生态系统服务评价过程中的基础, 目前草地生态评估并没有统一的指标体系。现有的评估框架和体系选取的服务功能类型与森林生态系统大致相同[89], 缺乏针对性, 部分研究为追求指标体系的完整性, 过度强调指标数量, 降低了评估的实用性。部分研究在评估指标的选择上比较随意, 没有考虑地域差异和空间尺度, 选择的指标缺乏可操作性。

草地生态系统是一个草—畜—人共生的复合生态系统, 应充分考虑多种生态服务之间的联系, 结合草地类型、空间尺度、评估需求来确定评估指标, 增加评估的科学性和客观性。赵同谦等[15]结合草地生态系统提供服务的机制, 构建了13 个功能指标体系。尹剑慧等[22]提出了一套由8项元素组成, 按权重大小排序的指标体系, 是一套较为科学、公平的和可操作的评价指标体系。刘兴元等[90]以草地生态系统的生产、生活、生态为基础, 结合草地地域和空间异质性特点, 建立了适宜于草地生态系统服务功能经济价值的12个评价指标, 这些研究者的成果值得学习和借鉴。

以生态学理论为基础, 以空间信息技术为支撑, 基于遥感数据、气象数据和地面观测数据, 通过多源数据融合和大尺度转换手段, 以建立区域动态模型, 形成动态化、科学化、标准化评估体系是未来发展方向。

3.2 评估方法的选择

由于草地的空间异质性和经济发展水平的差异性, 导致不同草地类型的生态功能差异较大。一些功能与服务不能人为区分和定量描述, 研究结果存在较大差异。部分研究用过于复杂的评估方法, 不利于不同区域间评估结果的比较, 和同一区域不同时期结果的比较。一些评估方法不够科学, 忽略了各要素之间和各种服务之间复杂的相互依存关系[91], 估算结果动态性不足, 且空间化表达和分析比较困难。地理信息系统和遥感技术能快速获取数据, 有强大的空间分析功能[92],较多研究开始关注草地生态系统服务的时空演变规律。

另外, 生态区划、生态补偿、生态建设等决策都需要系统模拟, 生态模型、地理信息系统科学方法体系等手段在大尺度上对区域生态系统及其服务现状、演变规律、变化趋势进行全面评估。因此, 大尺度分析是评估发展的趋势, 但这种大尺度分析缺乏对本质机理的认识, 未来发展变化可能有突变的情况, 应在目前趋势性分析的基础上, 做更多深入研究, 在分析共性的基础上寻找特性, 针对具体目标, 关注重点过程, 才能更好揭示生态系统发展。

3.3 评估成果的应用

对草地生态系统服务功能进行评估, 能够帮助管理者、政策制定者及其他利益相关者更好的理解草地生态系统的变化, 从而促进草地资源的可持续发展。从评估成果的应用来看, 在草地生态补偿政策和实施、草地生态工程建设、草地保护和资源可持续利用等领域方面得到了应用。

随着人类活动对生态系统压力增大, 人们越来越重视生态环境产生的社会价值。如美学价值、生物多样性价值、生命可持续价值、休闲娱乐精神价值等, 这些价值与人类福祉息息相关, 体现了以人为本的政治理念。但目前草地生态系统生态服务价值评估尚缺乏对社会价值方面的评估。

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A review on the methods of assessment for the service of grassland ecosystem

YANG Qian1,2, MENG Guangtao1,2,*, GU Liping1, FANG Bo1, ZHANG Zhenghai1,2, CAI Yuxin1,2

1. Yunnan Academy of Forestry and Grassland, Kunming 650201, China 2. Yunnan Gaoligongshan Forest Ecosystem Research Station, Kunming 650201, China

Grassland is one of important parts in ecosystem which combines both material production and ecological services. As the development of socioeconomic proceeds, some of regional problems have become prominent due to over-employment of grasslands. Thus the assessment of the value of grassland ecosystem service has substantial utility in the fields of conservation and restoration of grassland ecosystem, establishment of reasonable economical policy for exploitation, and safeguarding measurements of national ecological safety. In this paper we first review current researches on this issue and briefly explain the connotation and functional classification of grassland ecosystem services. Then we introduce recent progress of that and explore the assessment methods for grassland ecosystem and compared it to other methods, we also address some applications in grassland ecosystem services. Finally we point out the problems in the topic and propose the direction of future studies.

Grassland ecosystem; Ecosystem services; Value assessment; Research overview

10.14108/j.cnki.1008-8873.2021.02.026

S157.2

A

1008-8873(2021)02-210-08

2019-10-02;

2019-11-04

国家重点研发项目(2016YFC0502504), 云南省林业和草原科学院“森林生态系统保育修复与监测学科团队”

杨倩(1985—), 女, 硕士, 助理研究员, 主要从事生态学研究, E-mail: 236589178@qq.com

孟广涛(1969—), 男, 博士, 研究员, 主要从事生态学研究, E-mail: Menggt2001@163.com

杨倩, 孟广涛, 谷丽萍, 等. 草地生态系统服务价值评估研究综述[J]. 生态科学, 2021, 40(2): 210–217.

YANG Qian, MENG Guangtao, GU Liping, et al. A systematic review on the methods of Grassland Ecosystem Services value assessment [J]. Ecological Science, 2021, 40(2): 210–217.