近20年黄土高原生态系统服务研究进展

王诗绮,刘焱序,李 琰,傅伯杰

北京师范大学地理科学学部 地表过程与资源生态国家重点实验室,北京 100875

生态系统服务是自然生态系统及其物种提供的供给和维持人类生存的条件和过程[1],是人类通过生态系统的功能直接或间接得到的产品或服务[2]。自20世纪90年代后期生态系统服务概念系统形成以来,生态系统服务已经成为学术界和管理者共同关注的焦点[1—3]。联合国千年生态系统评估报告的发布、国际生物多样性和生态系统服务科学—政策平台的建立,不仅推动了在全球和区域层面生态系统服务相关研究的深化,也为各国和地区政府进行生态系统管理提供了科学依据[3]。为确保生态系统与社会系统健康协调发展,中共中央国务院先后颁布《全国主体功能区规划》《全国生态功能区划》《全国重要生态系统保护和修复重大工程总体规划(2021—2035年)》等文件,明确提出构建国家和区域生态安全格局；“十九大”报告也提出“要提供更多优质生态产品以满足人民日益增长的优美生态环境需要”。以上国家和区域生态安全格局构建、生态产品价值实现等目标也需要以生态系统服务作为科学基础。通过阐释区域生态系统服务的形成机制与优化途径,将为促进生态系统综合管理、自然资源合理配置、国土空间格局优化、生态产品提质增效、民生福祉全面提升提供重要科学支撑[4—6]。

黄土高原地处黄河流域中游,地势西北高、东南低,地形破碎、沟壑纵横,气候以半湿润和半干旱气候为主,受季风影响明显,且降水在时间和空间分布上极不均匀；黄土高原在行政区划上包括山西、内蒙古、河南、陕西、甘肃、宁夏、青海共7省(自治区)45市(州、盟)341县(旗),土地面积约65万 km2,承载着1.18亿人口[7—8]。易扰动的自然条件和强烈的人类活动使得该区域生态环境面临巨大压力,水土流失严重,是世界土壤侵蚀最严重的地区之一；但同时,黄土高原承担着粮食生产、水源涵养、土壤保持、固碳释氧等重要的生态服务功能,是中国重点生态功能区的重要组成部分,是黄河流域重要生态安全屏障[9—10]。尤其是1999年中国政府启动退耕还林工程以来,黄土高原作为退耕还林工程的重点区和示范区,其生态系统服务研究是反映退耕还林成果的科学展现,为区域可持续生态管理提供范本,因此一直以来是中国生态系统服务研究的重要案例区[11—12]。

目前已有众多学者对黄土高原生态系统服务进行评估分析,发现黄土高原的植被覆盖已得到明显改善,多项生态系统服务相应提升[13—14]；也有一些研究对黄土高原生态系统服务权衡与协同、供需关系等进行讨论[15—17]。然而,虽然黄土高原生态系统服务取得了大量案例积累,但不同结论之间缺少归纳和对比,研究主题的演变过程、研究结论的一致性、科学规律的争论点和前沿研究议题有待进一步凝练,目前聚焦黄土高原生态系统服务研究的综述梳理尚较为缺乏。本文拟通过文献计量方法梳理黄土高原生态系统服务研究主题的发展脉络,综述黄土高原生态系统服务的物质量建模测算、价值量评估、权衡与协同关系识别和供需关系评价研究进展,讨论未来研究的前沿议题,从而进一步认识黄土高原生态系统服务研究现状和发展方向,为黄土高原和黄河流域的生态保护与高质量发展提供科学参考。

1 区域生态服务研究的历程与热点

1.1 研究的关注度

分别在Web of Science的核心合集和中国知网的北大核心、CSSCI、CSCD数据库中,以高级检索方式,检索式分别为“TI=((Loess Plateau) OR (Middle Yellow River) OR (northern Shaanxi)) AND TI=(ecosystem service)和“篇关摘：黄土高原(精确)OR篇关摘：黄河中游(精确)OR篇关摘：陕北(精确)AND篇关摘：生态系统服务(精确)”,时间范围均为2000—2021年,检索时间为2022年7月4日,得到相关英文论文31篇,中文论文93篇。对检索出的文献通过计量分析方法得到以下结果。

黄土高原生态系统服务相关中文论文从2003年才开始出现,03年至10年每年论文数量浮动,但均不超过4篇,2011年论文数量出现一个小高峰达到6篇,之后至2018年平均每年5篇左右,直到2019年首次超过10篇,19—21年论文数量均保持12篇左右(图1)。相关英文论文从2005年开始出现,但2006—2010年都没有相关论文,直到2011年重新出现,2019年以来相关英文论文数量增幅较大。相关中文论文主要发表在《生态学报》、《地理学报》和《资源科学》,相关英文论文主要发表在“SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT”和“JOURNAL OF CLEANER PRODUCTION”。中国科学院生态环境研究中心相关论文发表数量最高,达到14篇,发文量超过10篇的还有中国科学院大学和中国科学院地理科学与资源研究所。

图1 2000—2021年黄土高原生态系统服务相关中英文论文统计Fig.1 Statistics of the related research papers of ecosystem services in the Loess Plateau in Chinese and English during 2000—2021

1.2 研究热点

利用VOSviewer进行中英文文献题录信息共现性分析发现(图2),相关中文文献中与生态系统服务联系密切的主题词主要包括生态恢复、权衡、水土保持、土壤保持、水源涵养和InVEST模型,与黄土高原联系密切的主题词包括土地利用、生态系统服务价值和生态系统服务功能。结合论文时间发现,2014和2015年的相关研究多与生态恢复、土地利用变化和生态系统服务功能相关,2016年至2018年研究多与生态系统服务权衡、生态系统服务价值和水土保持相关。相关英文文献的共现性分析结果也基本一致,但比中文文献多提到气候变化的影响。对黄土高原全域尺度的生态系统服务物质量评估常用基于生态系统服务形成机理构建模型,如评估土壤保持服务的通用水土流失方程,评估净初级生产力的光能利用率模型,以及评估水源涵养的水量平衡模型、分布式水文模型等。可见随着时代发展,学者们对黄土高原生态系统服务的研究目标和内容在不断深化,从早期的定量描述生态系统服务价值、识别生态系统服务恢复动态等逐步走向权衡各类生态系统服务、提出基于生态系统服务的生态安全格局构建方案,从而为黄土高原水土保持和生态系统可持续管理提出更具科学性的决策建议。

图2 黄土高原生态系统服务相关中英文论文主题共现性分析Fig.2 Topic co-occurrence of the related research papers of ecosystem services in the Loess Plateau in Chinese and English词频越高圆圈越大；两个词在同一文献摘要中出现次数越多,连线越粗；颜色代表时间,越接近黄色越晚

2 主要研究发现

梳理近20年相关论文发现,黄土高原生态系统服务研究可分为物质量评估、价值量估算、权衡与协同分析、供需关系评估4个方面,在研究对象上的分析重心在不同时间有所变化。具体表现在,前期侧重对粮食生产、植被生产力、水源涵养、土壤保持服务的物质量和价值量测算,近年来侧重于权衡与协同关系分析,后期有向供需关系探讨的趋向(图3)。

图3 黄土高原生态系统服务主要研究内容Fig.3 Main research content of ecosystem services in the Loess Plateau

2.1 生态系统服务物质量评估

自1999年实施退耕还林工程以来,黄土高原生态系统整体向健康方向发展[18]。大量研究针对生态系统服务形成的过程机理开展观测,尤其关注退耕还林对黄土高原土壤保持、水源涵养、固碳释氧等服务的重要作用,发现植物冠层和枯落物能有效减少径流和土壤侵蚀,不同植物和垂直覆盖结构组分的减流减沙能力存在差异[19—20],同时植物蒸腾提供植物所需水分,进而影响森林固碳[21—22]。

以整个黄土高原为研究单元,以模型法得到的结果总体呈现为：区域整体土壤保持、碳固定、粮食生产、防风固沙服务均得到提升,产水服务有所波动。傅伯杰团队应用水量平衡模型、通用土壤流失方程、光能利用率模型等,评估发现2000—2008年间38%的区域产水量减少,土壤保持量逐年增加,生态系统固碳量增加[23—25]。Lü等同样发现2000—2008年黄土高原产水量减少,土壤保持和固碳增加,此外还评估发现粮食生产服务提高[26]。孙文义等应用修正通用土壤流失方程,发现1990—2010年各生态系统土壤保持量均增加,且土壤保持量表现为农田<草地<林地[27]。除土壤保持服务,宁佳等还关注了黄土高原水源涵养和防风固沙服务,采用降水贮存量法和修正土壤风蚀方程,发现相较于2000—2010年,2011—2015年黄土高原的水源涵养量有所增加,防风固沙量有所下降[28]。针对产水服务,利用不同模型得到的结果不一致,如张琨等采用产水模型得到2000—2015年黄土高原产水服务总体较为稳定[29],而汪晓珍等基于InVEST评估发现2000—2015年产水量增加5.3%[30]。

一些学者针对黄土高原内部小流域、行政区和地理区域,进行生态系统服务物质量评估,结果与黄土高原整体生态系统服务评估结果基本一致。例如,高旺盛等计算了2000年安塞县生态系统土壤保持服务、水源涵养服务、固碳释氧服务物质量[31]。李晶等测算发现陕北黄土高原风沙保持量增长,充分说明了陕北黄土高原防风固沙效益显著[32]。李晶等还选取遥感估算模型进行陕北黄土高原地区净初级生产力物质量估算,发现1978—2005年固碳释氧也呈增加趋势[33]。李苒基于InVEST模型计算出2000—2010年榆林市土壤保持量,证明榆林市土壤保持服务先减少后增加[34]。

2.2 生态系统服务价值量估算

由于各类生态系统服务物质量因评估指标不同、计算模型不同,无法直观地进行横向对比,因此学者们以货币为统一指标,针对不同生态系统或不同土地利用方式,估算黄土高原整体或子区域的生态系统服务价值量。价值量评估可分类两大类,一是基于单位面积价值当量因子的评估方法,二是基于服务物质量的单位价格评估方法。

许多学者选择借鉴谢高地等制定的我国陆地生态系统服务价值当量表或根据具体情况稍加修改后的价值当量表[35],直接计算区域各类生态系统各个服务的价值量,该方法不依托生态系统服务物质量计算。评估结果显示,近30年黄土高原整体生态系统服务价值提高[36],内部小区域服务价值总量也增长了[37—38],在2001—2006年陕北黄土高原是增长最明显的地区[39]。但是从不同时间尺度看,发现局部地区评估结果不一致,例如1990—2000年中部局部地区生态系统服务功能变差的趋势明显[36],1980—2016年汾河流域的生态系统服务价值呈现先增长后减少的趋势[40]。学者们从不同景观类型对服务价值量进行了深入研究,发现生态系统服务价值总量增加主要得益于林地和草地价值增加,在黄土丘陵区的中庄小流域上农田和水域生态系统服务价值甚至是减少的[37]。此外,不同景观类型面积变化所导致的价值变化主要体现在土壤形成与保护、废物处理、生物多样性保护和气候调节等方面[36],张瑜等得到2010年黄土高原生态系统服务功能价值由大到小依次为：土壤保持>维持生物多样性>水文调节>气候调节>废物处理>食物生产>提供美学景观>原材料生产>气体调节[15]。

另一些学者选择先利用模型计算出生态系统服务物质量,然后选用市场价值法、费用支出法、恢复和防护费用法、影子工程法、机会成本法、条件价值法等多种形式的方法计算各类生态系统服务价值,将生态系统服务物质量与单价相乘,得到研究区生态系统服务总价值量。例如高旺盛等计算了安塞县生态系统每年提供的总服务价值,证明脆弱生态系统依然担当了重要的生态系统服务功能,但其“生态生产力”与“经济生产力”严重失衡[31]。刘秀丽等发现2001—2011年宁武县生态系统服务价值总量呈现逐年增加的趋势,其变化过程主要受到供给服务和文化服务的影响[41]。李晶等发现1978—2000年陕北黄土高原总防风固沙价值和固碳释氧价值均增加,空间分布上固碳释氧价值沿北部向南部逐渐升高[32—33]。李苒发现2000—2010年榆林市土壤保持生态效益呈持续减少的趋势,空间上大致呈现西北高东南低的格局,河流中上游地区比下游地区高[34]。

2.3 生态系统服务权衡分析

生态系统服务权衡或者协同关系的形成受到不同尺度上生态系统结构、过程、功能的多重影响。当人们消费某一种或某几种生态系统服务时,就会有意或无意地对其它生态系统服务的提供产生影响,随即产生生态系统服务的权衡与协同现象[16]。黄土高原生态过程复杂,各种生态系统服务之间产生了较多权衡与协同关系。莫兴国等通过模拟分析发现,气候变化条件下,21世纪末无定河流域蒸散将增加23%,地表径流增加约45%,植被净初级生产力上升约38%,径流与植被生产力呈现协同关系[42]。在退耕还林还草工程背景下,人工植被建设改变了植被自然演替的方向,从而改变了土壤水分的演化过程。相比自然植被,人工植被群落往往结构单一、密度过大,尽管提高了植被生产力,但会消耗更多的土壤水分,加剧土壤干燥化程度,反而影响人工植被的生长发育,不利于生态恢复[43—45]。为了探寻管理生态系统服务的最优途径,识别黄土高原生态系统服务之间的权衡和协同关系是不可或缺的研究环节。

与国际主流观点一致,研究发现黄土高原调节服务之间通常是协同关系,而调节服务与供给服务之间通常是权衡关系[46]。整个黄土高原地区土壤保持和固碳服务具有正效应,与产水服务间存在负效应[16,30]。在子流域案例区,固碳、土壤保持、生物多样性之间表现为协同关系,而产水与它们之间均表现为权衡关系[47—48]。以行政区为研究单元,通常补充分析了食物供给与其他服务之间的关系,例如延安市和榆林市的食物供给服务和土壤保持、固碳服务均为权衡关系,榆林市食物供给与产水服务为协同关系[49—50]。

同时,研究表明黄土高原生态系统服务之间的消长和权衡具有尺度依赖性,其强度也具有空间异质性。在整个黄土高原上,泥沙输出与产水量呈显著正相关,而在延河流域尺度上,泥沙输出与水源涵养呈负相关[51]；在黄土高原不同气候区也存在权衡规律不一致,如净初级生产力、土壤保持服务与水源涵养服务在半干旱气候区和半湿润气候区呈权衡关系,而在高原气候区和半湿润气候区为协同关系[30]。孙艺杰等发现净初级生产力与水源涵养的协同关系在延安市北部和中部较强,净初级生产力与食物供给的权衡关系在东北部及中部较高,水源涵养与食物供给权衡程度在西南部和东南部地区较强[49]；王川等发现榆中县2015年食物供给与土壤保持和生物多样性维持的权衡关系较强,与固碳量和产水量的权衡关系较弱,除食物供给外的4种服务之间主要是强弱不等的协同关系,空间格局上服务之间关系的异质性较强[52]。生态系统服务权衡和协同强度随时间可能发生改变,如延安市20年来退耕还林区大多呈现协同加强权衡减弱的趋势,而在非退耕还林区存在生态服务冲突加强、协同减弱的现象[49]。

2.4 生态系统服务供需评估

当前学者们针对黄土高原生态服务供需研究还较少,在已有研究中主要发现黄土高原生态服务供给量整体呈上升趋势,供需比呈下降趋势,各项生态系统服务供需关系在不同区域有各自的空间分布规律。整个黄土高原尺度上,赵雪雁等应用InVEST模型和构建的需求量算法,发现1990—2018年除水源涵养服务供给量外,粮食供给、碳固定、土壤保持服务供需量均呈上升趋势,且各生态系统服务供给量及土壤保持服务需求量均呈"东南高、西北低"的分布特征,而粮食供给、水源涵养、碳固定服务需求量呈"四周高、中间低"的分布特征,各类生态系统服务供需比均呈下降趋势[17]。在兰州市,各项服务总供给量均大于总需求量,综合生态系统服务供需比为0.039,其中产水服务(0.098)>碳固持服务(0.066)>食物供给服务(0.030)>土壤保持服务(0.001),且城乡供需匹配差异显著[53]。陈泓文等利用价值当量法计算生态服务供给量,选取人口总量、GDP总量、居民消费强度等指标反映生态系统服务需求,发现2000—2015年陕北黄土高原各类供需均有所增加,其中供给服务增幅最大,调节服务增幅最小；供需格局大体保持一致,供给呈现为北部高值、中部中值、中东部较低值和中部偏北低值格局,需求呈现南部和中东部以低需求和较低需求类型为主、中西部以中需求和较高需求为主、北部以高需求为主的格局[54]。

黄土高原的地域文化与生态系统特征紧密联系,由此形成了生态系统文化服务的供需关系。通常采用问卷调查法或访谈法评估区域文化服务的供给和需求。已有研究表明,居民对美学和场所感的需求较高,但对精神和宗教的需求较低,不同景观与居民区的可达性影响着文化服务的供应机会[55]；黄土高原退耕还林使得文化服务供给发生改变,如宗教和精神服务以及文化遗产的价值有所下降,而审美服务、娱乐、教育和科学以及灵感服务的价值有所上升[56]。此外,访谈发现居民认为耕地比森林重要,并且居民区被视为文化生态系统服务的重要提供者,因此在生态恢复项目中不应低估居住区的重要性以及耕地和森林之间的权衡[56]。

3 研究结论的一致性与存在的问题

通过对近20年黄土高原相关研究成果的梳理可以明确：黄土高原的综合治理使得区域整体植被覆盖度显著提高,农田向草地和林地、草地向林地转换导致生态系统服务相应增强,总物质量和价值量均显著增加[57]。从空间格局来看,黄土高原生态系统服务价值基本呈现东南高、西北低的特点,林地的价值增量最高。就生态系统服务评估类型,学者们重点关注了土壤保持、水文调节和碳固定服务,对生态价值增长贡献最大的是土壤保持服务。从生态系统服务权衡关系来说,学者们均证实了净初级生产力与土壤保持服务之间是协同关系的观点,但对水源涵养和粮食生产与土壤保持服务之间的关系分析存在不一致的看法。在生态系统服务供需角度,黄土高原的生态系统服务供给量和需求量都有所增加,并存在空间上供需不平衡的现象。尽管研究者们已对黄土高原生态系统服务物质量测算、价值量评估、权衡关系分析、供需关系评估等达成一定共识,但大量的认识和计算结果仍有待商榷,表现在以下5个方面：

第一,类型涵盖不全面的生态系统服务评估。生态系统服务在定义上种类繁多,但并非所有服务都具有精准制图的可行性,例如文化服务本身就是主观的,部分调节服务评估是没有可用的空间数据集的。这就造成在黄土高原生态系统服务研究中,过度关注土壤保持服务和其他几种容易制图的服务,而忽视了教育、美学、文化传承等文化服务,以及授粉、病虫害控制等非空间化的调节服务。虽然土壤保持服务确是黄土高原最典型的调节服务,但并不意味着上述其他调节和文化服务在黄土高原是不重要的,服务评估类型不足将直接导致管理者忽视非空间化的黄土高原生态系统服务。

第二,不足的生态系统服务物质量评估方法。目前,对同一种生态系统服务的物质量评估方法在种类上相对不足。尤其是水源涵养,是指生态系统内多个水文过程及其水文效应的综合表现[58],其服务相对难以制图,一些研究使用产水量表示水源涵养,往往会得出错误结论。这是由于无论是借助蒸散发和降水量的水平衡方程,还是InVEST模型中的产水量算法,都暗含了森林通过更大的蒸散发耗水并减少产流的规律。这导致植树造林减少了产水量,黄土高原越绿则所谓的“水源涵养”物质量越低,显然脱离水源涵养服务的实际内涵。因此,包括水源涵养服务在内的一些服务物质量评估结果存疑,实际上是由于生态系统服务物质量评估的方法种类不足导致的。此外,在目前搜索的文章中仅有一篇在流域和区域层面验证了蒸散模型[23],因此部分结论不一致可能是未经验证的评估结果不确定性导致的。

第三,高度不确定的生态系统服务价值量估算方法。一方面,基于土地利用或生态系统类型制作当量因子表,的确是生态系统服务价值快速评估的有力途径,但目前研究对当量因子表存在滥用,使用全国或者青藏高原的当量因子表分析黄土高原,完全无视中国巨大的地域分异规律。如果在黄土高原使用中国生态系统服务价值量当量因子表,需要假设黄土高原的生态系统结构和功能趋近于中国平均水平,但这一假设没有依据,间接造成了这种极简的价值估算结果不易取得国际学术界认可。另一方面,采用生态系统生产总值(GEP)核算方法,即在生态系统产品与服务功能量核算的基础上,借助价格将不同生态系统产品产量与服务量转化为货币单位表示产出,核算生态系统产品与服务的总经济价值,是来衡量和展示生态系统的状况及其变化的重要手段[59]。然而在使用物质量乘以单位价格测算价值量时,不同算法得出的价值直接累加导致了误差传递,影响了总价值的可信度；而单价的文献依据往往来自于多年以前,也容易忽视社会经济进步导致的单价调整。尤其是前者的不同方法测算结果累加,使本来市场价值法测算出的可交易的价值如粮食、果品等,被不可交易的价格放大了数量级,让总价值量既不能用于绿色金融业,也难以向生态补偿提供定价标准,弱化了生态系统服务价值的行业应用潜力。

第四,缺乏驱动机制识别的生态系统服务权衡分析。目前在黄土高原以观测手段对生态系统服务代表性指标进行测度的研究相对少,大部分研究使用评估模型进行服务制图,这就造成了研究者所关注的气候、土地类型、土壤、植被等因素对服务的驱动机制是已经被嵌入模型的,不需要再逆向对这些因素进行归因。但是,生态系统服务评估结果的驱动力不代表服务之间权衡和协同关系的驱动力,而如果不能准确把握权衡和协同关系的驱动力,弱化服务之间权衡实现多目标共赢的愿景就没有了支撑。目前对黄土高原的大多数研究仅识别了生态系统服务的权衡和协同的时空变化特征,尚需要从两方面进一步扩展。一方面,在黄土高原城市化背景下,需要基于能够反映人类活动的代表性指标,回答人类活动在多大程度上影响了服务之间权衡和协同关系这一问题,从而为调整人类活动方式、优化服务之间的关系提供明确的管理导向。另一方面,既然黄土高原不可能无限变绿,就需要找到土壤保持、粮食生产、产水等多项服务之间此消彼长关系的关键驱动因子,并且识别该驱动因子的作用是否具有阈值效应,从而让服务之间权衡关系保持在可控的范围内。

第五,流动性体现不足的生态系统服务供需评估。目前对黄土高原生态系统服务供需的评估案例相对少,主要是由于服务需求刻画和服务流动示踪存在方法上的难点。一方面,服务需求的刻画最好是面向人类福祉的,例如安全、健康、生计、交往、公平、自由等,但此类指标的取值与生态系统服务取值不是一一对应的,二者关系的空间计量难度较大。退而求其次的方法是用物质的消耗量或排放量作为需求,如人均粮食、人均碳排放等；但不是所有指标都有明确的物理量需求,例如教育、娱乐等难以在估算的量纲上直接匹配供需取值；即使是黄土高原最重要的土壤保持服务,由于需求集中在下游并体现为洪涝灾害风险,目前也很难界定量纲上匹配的需求阈值。另一方面,不考虑流动的生态系统服务供需比计算很难直接指导实践。例如不可能因为黄土高原中陕北的调节服务比关中平原高,就鼓励将关中平原的人口和产业向陕北转移以增加匹配度。目前,以水文过程为媒介是串联上下游水生态系统服务方向性供需的有效途径；而考虑到碳固定的全球性需求和文化传承的局地性需求,对其他非方向性的生态系统服务流刻画还需要更加巧妙。

4 研究展望

按照近20年相关论文主题的演变脉络,面向更好地对黄土高原生态系统综合管理、促进区域可持续发展,未来研究在生态系统服务物质量和价值量评估基础上,将更加重视区域生态系统服务权衡与协同、供给与需求关系识别,进而深入研究黄土高原各生态系统服务的空间流动性,以及生态系统服务间权衡协同关系变化、供需关系变化的驱动机制等。为了更有效揭示黄土高原生态系统服务与人类福祉关系,为生态系统综合管理、国土空间优化提供决策依据,面向生态产品价值实现的生态系统服务价值估算、空间流动视角下的生态系统服务供需关系评估、基于生态系统服务权衡情景模拟的国土空间优化可以作为近期研究的突破点。

图4 黄土高原生态系统服务近期研究突破点Fig.4 Key research frontiers of ecosystem services in the Loess Plateau in the near future

4.1 面向生态产品价值实现的生态系统服务价值估算

生态系统服务价值评估方法可分为市场价值法、费用支出法、旅行费用法、恢复和防护费用法、影子工程法、机会成本法、条件价值法等多种形式[60],这些方法各有优缺点[61],并且尚未能与人类日常生产、生活中的物质使用和价格水平直接对接,从而影响了生态服务核算的决策应用能力[62]。为了让生态系统服务与人类福祉联系更加紧密,“生态产品”概念逐渐推广。生态产品被定义为生态系统通过生物生产和与人类生产共同作用为人类福祉提供的最终产品或服务,是与农产品和工业产品并列的、满足人类美好生活需求的生活必需品[63]。因此,面向生态产品价值实现的生态系统服务价值估算量也已逐步成为衡量区域可持续发展的重要评价工具。

为了增强生态价值核算内容的针对性,降低核算结果的不确定性,需要在生态产品价值实现的导向下,在生态服务价值估算中以计算供给、调节、文化服务为主,并重视自然资源储量与生态系统服务物质量的因果关系,避免重复计算[62]。由于生态产品价值实现实质上是价值交易,事关利益相关方的权益,因此识别供给方和受益方尤为重要[64]。譬如黄土高原地区不仅为区域内提供土壤保持、水源涵养、碳固定、粮食生产、文化旅游等服务,更要考虑其作为生态安全屏障对区域外固碳释氧、土壤保持、产水服务的产品消费需求。所以在围绕生态系统结构与功能-生态系统服务-人类社会福祉这一主线开展研究中,在扩大生态系统服务物质量评估类型的同时,应更进一步关注黄土高原生态系统服务价值中可进行市场交易或作为区域补偿依据的生态产品,进行分项精确估算,为区域可持续发展决策提供定量化依据。

4.2 空间流动视角下的生态系统服务供需关系评估

生态系统服务研究以人为中心,生态系统服务产生、使用和损耗都与人类社会和人类福祉密切相关[65]。生态系统服务的供给和需求反映生态系统和人类社会间复杂的动态关联[66]。目前生态服务供给量计算方法已较为成熟,而需求量的计算仍是难点,有学者构建了价格与偏好相组合的生态系统服务供需指标体系,初步实现了评价指标的整合[65]。然而,即便确定了生态系统服务的供给与需求量,并不一定能够在空间上刻画生态系统服务间的供需关系。退耕还林背景下黄土高原向其他区域的外溢服务不一定是正向的,尤其是向黄河提供的产水服务等。有学者发现黄土高原径流量的减少影响了当地以及黄河下游居民的生产生活,导致了区域内水供给和下游水需求的不平衡[67]。也有学者在黄土高原小流域和区域尺度上研究单个生态系统服务,发现水供给服务的供给与需求在空间分布上呈现显著的不匹配特征[68]。此外,固碳服务在区域内也存在较明显的空间流动[69]。

生态系统服务的供给方和需求方在空间位置上的不匹配,形成了生态系统服务原位流、定向流和全向流[65]。黄土高原生态系统服务流动研究实质上就是要在服务供给与需求之间建立时空关联,明确某项生态系统服务有多少受益对象,这些受益对象在哪里,能够受益多长时间；针对定向流和全向流,生态系统服务在向受益对象空间传递时,空间溢出范围有多大,或者空间溢出强度有多少[62]。黄土高原面临保护生态、乡村振兴、高质量发展等多重任务,关注生态服务潜在供给、实际供给、实现需求和总量需求的四者关系,厘清土壤保持、水源涵养、防风固沙、固碳释氧等每项具体生态系统服务的内外部供需与空间流动,不仅将科学支撑黄土高原自身的可持续发展,也对促进黄河流域的生态保护和高质量发展提供了上下游、域内外联动的决策依据。

4.3 基于生态系统服务权衡情景模拟的国土空间优化

生态系统服务权衡分析的应用出口是为了引导生态系统管理决策,找到权衡中的“平衡点”,达成多目标的共赢。黄土高原经历了“退耕还林”这一大型生态修复工程,尽管总体生态服务价值显著增加,但有研究指出在干旱地区一味提高植被覆盖率,加强了实际蒸散发,导致地下水减少和土壤干层出现,进而引起土地退化[70—71],黄土高原仍是生态风险指数高值区[72]。可见,黄土高原区域尺度上的土壤保持、碳固定等生态系统服务提升是以产水和粮食生产的权衡为代价的[73],不能认为某几项代表性生态系统服务的提升就是可持续的国土空间治理。生态系统调节服务和供给服务之间权衡是固有特性,因而权衡关系不能完全消除只能缓解,从而达成生态建设和社会高质量发展的共赢。在美丽中国建设目标下的黄土高原国土空间优化也有必要建立在生态系统服务权衡情景模拟的基础上。

在黄土高原基于生态系统服务权衡情景开展的国土空间优化研究尚为少见。在山水林田湖草沙冰生命共同体的思想引领下,生态系统服务权衡情景的模拟需要在内容上注重生态系统间的权衡与协同关系以及自然要素与社会经济要素的匹配性,在空间上强调对景观格局的整体性认识,在时间上关注城市化和气候变化下的动态需求和风险；以多目标优化算法为支撑,实现国土空间优化中社会—生态目标下的规模、质量、发展并重,以生态系统服务为纽带,同步提高生态系统的自然稳定程度和社会福祉效益,守住黄土高原生态安全边界[74]。黄土高原作为国家重点生态功能区之一,其空间优化要坚持保护优先的基本原则。在以往生态修复工程中,过于强调了人为开展生态建设在生态保护和恢复中的作用,多数生态建设为了实施某一类型生态系统恢复,较少顾及其他类型生态系统,易于忽视不同生态系统服务之间的权衡协同关系,在实施过程造成新的生态破坏[75]。因此深入量化产生协同和权衡关系的原因,通过权衡与协同关系的情景预测,把握生态保护与管理措施的功能提升效果,才能发挥黄土高原国家重点生态功能区的主导生态功能[76]。

生态系统服务权衡情景模拟也是黄土高原生态安全屏障建设的重要依据。生态安全屏障是生态文明建设中构建国家生态安全战略格局的重要组成部分,对生态安全屏障的构建和维持也是国土空间优化的重要任务[77]。从生态系统服务角度来说,生态安全屏障多处于过渡地带上,保护着重要生态系统服务供给区,影响着生态系统服务流动,从而保障区域或国家生态安全[78]。厘清区域主导生态系统服务类型及其权衡关系,制定生态功能区划,是构建和优化生态安全屏障体系,科学配置生态功能和生产功能的必要前提[79—80]。黄土高原生态安全屏障的核心任务是加强水土保持服务以缓解区域水土流失,但不能因为过度植树而影响水安全和粮食安全[78]。此外,生态系统变化是一个长期、复杂的动态过程,在黄土高原生态安全屏障构建中,有必要加强植树造林活动导致的生态系统结构改变对生态系统服务的长期影响研究和趋势预测研究,识别生态系统服务的稳定区域或持续变化区域,从而保障生态安全屏障的稳定性和生态系统服务供给能力的持续性。