生態(tài)系統(tǒng)服務多樣性與景觀多功能性
——從科學理念到綜合評估

呂一河，馬志敏，傅伯杰，高光耀

(中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085)

景觀是由自然、半自然和人工生態(tài)系統(tǒng)的部分或全部空間鑲嵌所構成的地表綜合體［1］。景觀綜合研究的基本科學問題是格局、過程、功能、尺度及其相互關系［2－3］。景觀中格局與過程相互作用表現(xiàn)出一定的景觀功能，而這種相互作用和功能表現(xiàn)又隨時空尺度的不同產(chǎn)生變異。景觀功能是景觀評價、規(guī)劃和設計的關鍵指標;景觀具有多功能性，多種景觀功能的協(xié)調和優(yōu)化是景觀管理所尋求的基本目標［4－6］。因此，景觀多功能性和多功能景觀的研究成為國際上景觀綜合研究的重要學科生長點之一［7］。

景觀功能通過景觀的結構以及鑲嵌在景觀結構之中的生態(tài)系統(tǒng)過程和功能進行體現(xiàn)［8］，所以，景觀多功能性的物質基礎是生態(tài)系統(tǒng)服務的多樣性。相應地，景觀功能也被分別歸納為四大類［9］:即生產(chǎn)功能、調節(jié)功能、維持生態(tài)結構/過程的生境功能，以及信息功能。

對景觀多功能性的認知和科學應用很大程度上依賴于生態(tài)系統(tǒng)服務研究的深化。盡管生態(tài)系統(tǒng)服務的概念已廣為接受，成為地球表層綜合研究的熱點方向［10－13］，并被列為中國自然地理學研究的優(yōu)先領域之一［14］。但是，生態(tài)系統(tǒng)服務從分類到定量評估仍缺乏系統(tǒng)與規(guī)范性的方法論、以及應用中的任意性等［15］，導致研究成果的不確定性高、可靠性不足，限制了研究成果的實踐運用［16－18］。

因此，把生態(tài)系統(tǒng)服務綜合研究這一學術熱點和優(yōu)先領域與景觀多功能性研究的學科生長點緊密結合，就顯得非常必要和迫切:一方面可以為景觀功能評估和優(yōu)化等提供科學基礎;另一方面能夠為生態(tài)系統(tǒng)服務的綜合研究提供合適的尺度和時空整合的有效框架。這兩方面的結合對于深化生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀功能的綜合研究，推動地理學與生態(tài)學等相關學科交叉性方向的發(fā)展具有重要科學意義。本文將基于對生態(tài)系統(tǒng)服務、多功能景觀主要研究進展的簡要分析，重點探討將兩方面研究相結合、深化綜合性研究的問題，以期為生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀功能評價研究提供參考和借鑒。

1 景觀多功能性與多功能景觀

2000年10月在丹麥羅斯基勒召開的多功能景觀國際會議首次提出了“多功能景觀”的研究議題［19］。在之后的十余年里，景觀多功能性與多功能景觀的研究已經(jīng)發(fā)展為國際上景觀多學科綜合研究的一個重要領域［20］，研究內容包括多功能景觀的概念、評估、制圖及規(guī)劃設計［21－29］。

相關研究進展表明，盡管GIS作為空間分析技術平臺得到了廣泛應用，但景觀多種功能的表達多以定性或半定量的方式處理，專家經(jīng)驗和定性權重等發(fā)揮了重要作用［8，30］，導致景觀功能的評估或制圖結果更多地表現(xiàn)為相對比較意義(如功能多樣性的相對高低及其空間分布特征)［28］，精確定量不夠，而且，景觀的多功能性多關注靜態(tài)的存量性信息，對多種功能的動態(tài)變化關注不足，因此，還不能很好地支持對景觀多種功能的動態(tài)評估和定量優(yōu)化。

2 生態(tài)系統(tǒng)服務

千年生態(tài)系統(tǒng)評估將生態(tài)系統(tǒng)服務分為四大類［31］，包括供給服務、調節(jié)服務、文化服務和支持服務。

生態(tài)系統(tǒng)服務的概念在國際學術界的提出可追溯到20世紀70年代［32］，而生態(tài)系統(tǒng)服務研究的蓬勃發(fā)展與多功能景觀研究的發(fā)展大體同步，不過十余年的時間。生態(tài)系統(tǒng)服務研究的重要性被廣泛認可，研究的進展也很迅速，但現(xiàn)有生態(tài)系統(tǒng)服務的定量化過程中仍主要局限于靜態(tài)的分析、對生態(tài)系統(tǒng)服務多樣性的度量，而對不同服務間的相互作用、系統(tǒng)動態(tài)與反饋、以及不確定性考慮不足［33］。Seppelt等［15］對近年來在國際學術期刊上正式發(fā)表的題目中包含“生態(tài)系統(tǒng)服務”關鍵詞的460篇研究論文，從研究的框架、機理過程、指標和不確定性四大方面進行了綜合分析，認為進一步深化生態(tài)系統(tǒng)服務綜合研究應從以下4個方面著手:(1)可靠的生態(tài)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和模型;(2)考慮小尺度生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相互關系和權衡;(3)生態(tài)系統(tǒng)服務的空間異質性和相互作用;(4)生態(tài)系統(tǒng)服務評估中的利益相關方參與。

中國的生態(tài)系統(tǒng)服務研究近年來也取得了重要進展，提高了對生態(tài)價值的公眾認知，推動了生態(tài)補償機制的研究及其在政策、機制方面的應用。中國的生態(tài)系統(tǒng)服務研究也同樣面臨著重要挑戰(zhàn)，Zhang等在國際生態(tài)經(jīng)濟領域的核心雜志《Ecological Economics》上撰文［34］，對中國生態(tài)系統(tǒng)服務研究的進展、存在的爭論和面臨的挑戰(zhàn)進行了系統(tǒng)分析，提出未來研究中需要聚焦的4個方面:(1)生態(tài)系統(tǒng)及其服務的系統(tǒng)分類;(2)生態(tài)系統(tǒng)結構、功能關系的觀測與研究;(3)生態(tài)系統(tǒng)服務價值化方法的系統(tǒng)化、標準化發(fā)展;(4)生態(tài)系統(tǒng)服務的時空變異。

3 生態(tài)系統(tǒng)服務及景觀功能的評估

從國內外關于多功能景觀和生態(tài)系統(tǒng)服務研究的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢上看，景觀功能的動態(tài)評估、定量模擬和優(yōu)化，多種生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相互關系分析、生態(tài)系統(tǒng)服務的空間異質性和時間動態(tài)、生態(tài)系統(tǒng)服務與生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的關系等方面，仍然是未來研究的主要突破方向。特別是，在生態(tài)系統(tǒng)服務與多功能景觀研究的結合上還非常薄弱，實質性的定量研究未見報道。這也是景觀多功能性和多功能景觀研究中，景觀功能的評估和制圖理論與方法不足，以及生態(tài)系統(tǒng)服務研究中權衡關系、時空變異、系統(tǒng)動態(tài)等缺乏充分考量的重要根源之一。例如，在景觀多功能性評估方面，Willemen等［35］對荷蘭總面積為750 km2的Gelderse Vallei區(qū)8種景觀功能，包括居住地、高強度養(yǎng)殖、飲用水、文化遺產(chǎn)、旅游、植物生境、種植業(yè)生產(chǎn)和休閑進行了評估和制圖，每種功能采用的都是靜態(tài)存量性信息，而景觀多功能性的評估和制圖僅通過景觀單元功能數(shù)量的簡單疊置和加權求和來表達［28］，對景觀功能動態(tài)和景觀多功能性的定量評估明顯不足。在生態(tài)系統(tǒng)服務研究方面，多種生態(tài)系統(tǒng)服務之間相互作用和權衡關系不清，經(jīng)常導致重復計算，從而引入很大不確定性，降低結果的可靠性［18］;基于土地覆蓋和參數(shù)借用的評估方法，由于基本忽略了類型之內的空間變異性和空間相互作用，也是不確定性的重要來源，從而導致生態(tài)系統(tǒng)服務評估的結果在數(shù)量和空間分布上出現(xiàn)偏頗［36］。

實際上，生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀功能可以作為生態(tài)恢復成效、生態(tài)環(huán)境質量和土地利用/覆被變化生態(tài)環(huán)境效應的重要指標［37－41］，因此，開展生態(tài)系統(tǒng)服務與景觀多功能性的綜合定量研究，也能夠為區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量評價、生態(tài)恢復和重建工程的生態(tài)效益及有效性評估、土地利用變化生態(tài)環(huán)境效應評價提供科學依據(jù)。

4 一種可能的綜合評估框架

4.1 評估框架的概要分析

要實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀功能評估的有機結合，就需要一種綜合性的方法框架。土地覆蓋作為景觀的一個重要組分，能夠反映生態(tài)系統(tǒng)的空間鑲嵌和人類活動特征。因此，土地覆蓋成為在景觀和區(qū)域尺度評估生態(tài)系統(tǒng)服務的基本信息源。但是，直接基于土地覆蓋數(shù)據(jù)及其生態(tài)系統(tǒng)服務參數(shù)獲取生態(tài)系統(tǒng)服務定量結果的方法被認為存在很大的不確定性，通常與基于生態(tài)監(jiān)測的分析結果難以達成一致［36］。因此，需要更為系統(tǒng)科學的方法將生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀功能的評估有機結合起來。本文嘗試提出一種綜合性的評估框架(圖1)，為生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀多功能性的綜合研究探索可行的路徑。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務與景觀多功能性評估的整體性框架Fig.1 An integrative assessment framework for ecosystem services(ES)and landscape multi-functionality(MF)

景觀是由植被、土壤、地形、水文等多要素構成的地表綜合體。生態(tài)系統(tǒng)是構成景觀的重要功能單元，然而，同類生態(tài)系統(tǒng)由于地形、人類活動影響等的差異也會引起其在土壤保持、碳固定等服務能力和過程的差異。因此，生態(tài)系統(tǒng)服務評估單元的空間劃分以及生態(tài)系統(tǒng)服務評估目標類型的確定就成為生態(tài)系統(tǒng)服務與景觀多功能性評估的首要環(huán)節(jié)。

其次，基于綜合性方法對各評估單元的多種目標生態(tài)系統(tǒng)服務進行定量評估。在評估單元尺度上，可以將生態(tài)過程模型與定位調查和觀測資料相結合，確定各種目標生態(tài)系統(tǒng)服務的存量和流量過程。例如:李士美等基于千煙洲紅壤丘陵區(qū)綜合開發(fā)試驗站的生態(tài)定位觀測資料結合物理模型和價值化方法定量評估了人工林生態(tài)系統(tǒng)服務價值的流量過程［42］;Yapp等探討了基于植被資產(chǎn)、狀態(tài)和變化［Vegetation Assets，States and Transition(VAST)］框架的生態(tài)系統(tǒng)服務評估方法［43］;Beier等提出了一個集生態(tài)系統(tǒng)服務供給、利用和人為驅動反饋關系的概念框架，以實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務理念向管理實踐的融合，并比較了基于流域和柵格的兩種生態(tài)系統(tǒng)服務定量評估途徑［44］。

明確了各評價單元多種生態(tài)系統(tǒng)服務以后，就面臨著對生態(tài)系統(tǒng)服務進行集成的任務，從而實現(xiàn)景觀功能的定量評估。這一步驟包含著評估單元上多種目標生態(tài)系統(tǒng)服務之間相互關系(主要表現(xiàn)為權衡和協(xié)同)的分析、評估單元和景觀尺度生態(tài)系統(tǒng)服務的定量集成。其中的關鍵是定量辨識各種生態(tài)系統(tǒng)服務之間的相互關系，例如森林生態(tài)系統(tǒng)木材提供與固碳釋氧服務之間表現(xiàn)為明顯的權衡性，隨著林木采伐，固碳釋氧服務會減弱，固碳釋氧可能是采伐強度的一個動態(tài)非線性函數(shù)。生態(tài)系統(tǒng)服務之間這種函數(shù)關系的確定將為避免定量評估中的重復計算問題奠定基礎［18］?；谶@種函數(shù)關系，在評估單元尺度，完成多種目標生態(tài)系統(tǒng)服務的綜合定量分析，并進一步考慮各評估單元及其所構成的生態(tài)系統(tǒng)之間空間鄰接和作用關系，發(fā)展景觀功能的評估方法。

景觀是構成區(qū)域的地表綜合體，景觀功能的完整性是區(qū)域生態(tài)安全和可持續(xù)發(fā)展的基本保障。區(qū)域尺度土地利用/覆被變化是影響景觀及其多功能性的關鍵驅動力。通過景觀功能的定量評估和區(qū)域制圖，明確景觀多功能性的富集區(qū)、脆弱區(qū)和敏感區(qū)，為區(qū)域尺度土地利用的優(yōu)化配置和景觀的保護、恢復與可持續(xù)利用提供決策依據(jù)。例如，Seppelt和Voinov將生態(tài)系統(tǒng)服務作為綜合性的控制變量引入到空間顯示的景觀格局優(yōu)化模型，并結合情景模擬，探討復合農林業(yè)發(fā)展背景下的多尺度土地利用優(yōu)化配置問題［45］;van Jaarsveld等采用多尺度鑲套設計的工作框架，評估了南非生態(tài)系統(tǒng)服務(淡水、食物、薪柴、文化和生物多樣性)與人類福祉之間從局地到次大陸尺度的關系，通過供需趨勢面分析、生態(tài)系統(tǒng)服務“源－匯”格局分析等方法，辨識出了流域和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務和人類福祉相互關系的熱點地區(qū)［46］;Chan等將幾種重要生態(tài)系統(tǒng)服務(包括碳存儲、木材供給和游憩)融入景觀系統(tǒng)保護規(guī)劃研究當中，通過把幾種生態(tài)系統(tǒng)服務作為“目標效益”或者生物多樣性維持的“附屬效益/機會成本”兩種策略下規(guī)劃結果的比較發(fā)現(xiàn)，后者在達到同樣保護目標的前提下能夠得到成本更低的保護景觀體系(成本可以降低15%)［47］。

4.2 支撐框架的生態(tài)監(jiān)測、模型及尺度集成問題

生態(tài)監(jiān)測是生態(tài)系統(tǒng)服務及景觀功能綜合評估的基礎。生態(tài)系統(tǒng)服務的多樣性和景觀的多功能性對生態(tài)監(jiān)測也必然地提出了多維性的要求。組成、結構和過程是生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀功能的物質基礎。因此，將傳統(tǒng)的小尺度生態(tài)系統(tǒng)組成、結構和過程的地面監(jiān)測與相對宏觀尺度的景觀結構和過程的遙感監(jiān)測相結合，定量刻畫生態(tài)系統(tǒng)和景觀的時間變化趨勢、相對于周邊區(qū)域或者一定目標導向的生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀功能狀況，成為綜合評估框架下生態(tài)監(jiān)測的基本運作模式［48］。與人類行為、感知、意愿等相關社會生態(tài)信息需要通過經(jīng)濟社會調查途徑獲?。?9］?；ヂ?lián)網(wǎng)和信息技術的發(fā)展，使得基于互聯(lián)網(wǎng)的廣域生態(tài)監(jiān)測與信息共享成為可能，將會對彌補傳統(tǒng)生態(tài)監(jiān)測的不足發(fā)揮重要作用［50］。

單項生態(tài)系統(tǒng)服務或景觀功能的定量評估還是基于相關傳統(tǒng)學科的方法，例如對有關水量的服務或功能要基于氣象氣候、水文與生態(tài)水文等方法和模型進行估算。而多種生態(tài)系統(tǒng)服務或景觀功能的評估通常需要搭建模塊化的集成模型系統(tǒng)來完成，不同的模塊實現(xiàn)不同服務或功能的定量化、然后通過綜合分析模塊進行集成。例如，當前正在開發(fā)并已經(jīng)有廣泛應用的InVEST(生態(tài)系統(tǒng)服務及其權衡綜合評估)模型所采用的就是這種集成化模式［51］，評估景觀多功能性的ITE2M模型系統(tǒng)也是類似的組織形式［52］。生態(tài)系統(tǒng)服務或景觀功能的集成可以采用情景分析和多準則決策與優(yōu)化方法［53－54］。與生態(tài)監(jiān)測的網(wǎng)絡化發(fā)展相類似［50］，也已經(jīng)有學者開始探索生態(tài)系統(tǒng)服務模型的網(wǎng)絡化開發(fā)與共享問題，可能成為未來模型發(fā)展的一個創(chuàng)新性方向［55］。

尺度集成在綜合模型系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，通過一系列規(guī)則和算法的建立，將小尺度結果上推到相對宏觀的尺度，從而能夠實現(xiàn)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀功能時空變異的表達和綜合分析。例如，澳大利亞的一項研究，通過氣象氣候數(shù)據(jù)、航空航天遙感地表數(shù)據(jù)驅動下的地表及其生態(tài)系統(tǒng)模型和中尺度大氣模型相耦合，實現(xiàn)1 km分辨率的日碳、水收支模擬，并尺度上推到區(qū)域，借助航空遙感方法驗證模型輸出，并尺度下推，與葉片到樣地尺度的生態(tài)監(jiān)測和地氣通量數(shù)據(jù)相關聯(lián)，實現(xiàn)耦合模型的參數(shù)化和校驗［56］;而Willemen等在景觀功能動態(tài)的模擬研究中，采用多尺度的分析框架，考慮了局地尺度、管理單元尺度和區(qū)域尺度，前兩個尺度的結果能夠實現(xiàn)空間顯性表達，景觀功能的供給基于可加性假設進行尺度上推和定量集成［57］。

5 結語

不論是生態(tài)系統(tǒng)服務還是景觀多功能性，都為生態(tài)系統(tǒng)和景觀管理中搭建自然與社會的橋梁提供了非常好的科學理念。景觀多功能性的概念能夠幫助搭建集成或分析多種環(huán)境脅迫因子對景觀影響的適宜平臺，促進對景觀功能之間權衡、協(xié)同和沖突關系的分析，從而推動研究成果向決策者和社會公眾的有效傳播［9］。甚至有學者也提出了景觀服務的概念，并將其作為建立景觀生態(tài)學與可持續(xù)發(fā)展聯(lián)系的知識庫基礎，向行為者導向的、多功能景觀開發(fā)與管理研究整合［58］。

本文通過對生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀多功能性的主要研究進展和需求的角度分析認為，將二者的研究緊密結合起來，對于深化生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀功能的綜合定量研究，以及推進區(qū)域生態(tài)環(huán)境質量評價、生態(tài)恢復和重建工程的生態(tài)效益及有效性評估、土地利用變化生態(tài)環(huán)境效應評價都具有非常重要的現(xiàn)實意義。為此，本文提出了一個集生態(tài)系統(tǒng)服務和景觀多功能性評估為一體的綜合性框架，以探討將二者緊密結合的可能途徑。框架的主要特點是關注時空尺度、交互作用和方法綜合。

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