生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估方法
——理想?yún)⒄障岛完P(guān)鍵指標(biāo)

何念鵬, 徐 麗, 何洪林,*

1 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 2 中國科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049

隨著中國社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,人類對自然生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)或干擾不斷加劇,如急速增長的資源開發(fā)強(qiáng)度、快速的城市化進(jìn)程和劇烈的土地覆被/利用變化等,給生態(tài)環(huán)境帶來巨大的壓力并使環(huán)境問題日益凸顯[1- 3]。為了更好地解決日益惡化的生態(tài)環(huán)境與人們對良好生態(tài)環(huán)境需求間的矛盾,黨中央在十八大中正式將生態(tài)文明建設(shè)納入了中國特色社會主義建設(shè)的總體布局,把“美麗中國”作為其建設(shè)目標(biāo)之一；隨后,在十九大報告中又提出“綠水青山就是金山銀山”的理念,旨在引導(dǎo)人們改善環(huán)境和保護(hù)生態(tài),切實(shí)推進(jìn)國家生態(tài)文明建設(shè).。生態(tài)系統(tǒng)不僅是物質(zhì)和能源的供給者,也是污染物的吸納者[4]；因此,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣不僅影響人類居住環(huán)境和物質(zhì)生活水平,同時也影響國家生態(tài)安全和社會可持續(xù)發(fā)展。因此,在我國步入生態(tài)文明建設(shè)的新時期,迫切需要及時獲取區(qū)域或國家尺度的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)狀、變化趨勢和生態(tài)恢復(fù)潛力的信息,并通過科學(xué)、快速、準(zhǔn)確的評估來更好地服務(wù)于生態(tài)系統(tǒng)管理、決策制定和公眾宣傳等。

生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量是指在特定的時間和空間范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的總體或部分組分的質(zhì)量,具體表現(xiàn)為生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)服務(wù)能力、抗干擾能力和對人類生存和社會發(fā)展的承載能力等3個方面[5-6]。生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估的核心是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),通過科學(xué)的評估指標(biāo)體系,量化其生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量[6]。近年來,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估得到世界各國的高度重視,美國、英國、加拿大和澳大利亞等分別從省或州的尺度開展了大量研究工作,并將評估結(jié)果與生態(tài)保護(hù)、國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和可持續(xù)政策相結(jié)合[7-9]。相比較而言,我國生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估工作起步較晚,但發(fā)展迅猛且成果豐碩。目前,已從區(qū)域(如縣域、市域或省域)和國家尺度開展了大量研究工作,并評估了生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)狀和變化趨勢[10- 12]。研究內(nèi)容包括如何優(yōu)化評估模型、篩選評價指標(biāo)構(gòu)建評估體系和改進(jìn)評估方法等多個方面[13- 15],研究對象豐富多樣,包括城市、河流湖泊、自然保護(hù)區(qū)、紅樹林、礦區(qū)等[16-22]；研究方法包括層次分析法、主成分分析法、模糊評價法和綜合指數(shù)法等[14, 18-24]。然而,現(xiàn)有評估體系仍具有很強(qiáng)的局限性,尤其是缺乏科學(xué)的評估標(biāo)準(zhǔn),絕大多數(shù)研究只能定量評估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的相對變化情況[5, 10]；此外,部分研究為追求指標(biāo)體系完整性而大量增加指標(biāo)的類型和數(shù)量,極大地降低了評估體系的實(shí)際操作性與公眾感知度。過于復(fù)雜的評價指標(biāo)和評估方法,不利于不同區(qū)域間評估結(jié)果的比較或同一區(qū)域不同時期結(jié)果的比較(表1)。

鑒于此,本文在梳理當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估體系現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,提出以建立理想?yún)⒄障?Ideal reference)來優(yōu)化和完善評估體系的新思想,從科學(xué)、直觀、經(jīng)濟(jì)可行和快速等角度出發(fā)建議篩選關(guān)鍵評價指標(biāo)的思路,進(jìn)而建立新的“理想?yún)⒄障?關(guān)鍵指標(biāo)”的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估體系。同時,以現(xiàn)有監(jiān)測技術(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對理想?yún)⒄障档拇_定方法、關(guān)鍵指標(biāo)的選擇、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)狀、恢復(fù)潛力以及相對變化評估的具體方法進(jìn)行了探討,以期為區(qū)域或國家尺度生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的精確評估和科學(xué)管理提供參考。

表1 不同生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估體系之間的優(yōu)缺點(diǎn)

1 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估體系的研究現(xiàn)狀

當(dāng)前,生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估體系主要是基于現(xiàn)狀-相對變化量的評估體系,它主要是由能反映生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的組成、結(jié)構(gòu)和功能等方面的指標(biāo)共同構(gòu)成構(gòu)建評估指標(biāo)體系,多角度評估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)狀及相對變化情況[5- 6]。現(xiàn)有的評估體系目標(biāo)明確、可操作性強(qiáng),它不僅能較準(zhǔn)確地評估某一時間點(diǎn)(時期)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的相對優(yōu)劣情況,同時也能評估一段時間內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的相對變化,即根據(jù)兩個時間點(diǎn)(時期)內(nèi)同一評價指標(biāo)的實(shí)際監(jiān)測值的增加或減少來判斷生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量改善或惡化情況(圖1)。目前,此類評估體系已經(jīng)廣泛用于區(qū)域或國家尺度的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估中,如潘竟虎和董磊磊[6]構(gòu)建遙感綜合評價模型,評估了疏勒河流域2001—2010年的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量；盧慧婷等[21]選用NDVI指標(biāo)評估了拉薩河流域在1990—2015年間生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化及其對生態(tài)服務(wù)的影響；肖洋等[12]以生物量、植被覆蓋度為主要評價指標(biāo)評估了2000—2010年內(nèi)蒙古生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化情況；馬莉[22]以社會-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合系統(tǒng)的生態(tài)學(xué)理論為基礎(chǔ),采用主成分分析法定量分析評估了2007—2013年赤峰市的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化情況；張敏等[20]從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和脅迫3個方面構(gòu)建評估模型,揭示了上海市2000—2010年生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量演變趨勢；歐陽志云等[11]結(jié)合“全國生態(tài)環(huán)境十年變化(2000—2010年)遙感調(diào)查評估”項(xiàng)目,綜合利用地面調(diào)查數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù),通過解析生物量密度和植被覆蓋度等指數(shù)的變化,對我國生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量及功能開展了評估工作。

圖1 傳統(tǒng)的和增加理想?yún)⒄障档纳鷳B(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估的理論框架圖Fig.1 The theoretical frames of ecosystem quality assessment between traditional model and new model with ideal reference

從評估體系的指標(biāo)數(shù)量來看,現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估體系可概括為兩類,一類為基于多個評價指標(biāo)的評估體系,另一類為基于幾個關(guān)鍵評價指標(biāo)的評估體系,前者多用于評估空間范圍較小且監(jiān)測信息較完善區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量[16- 17],后者多用于評估大區(qū)域如市域、流域或國家等多個尺度范圍[5- 6,11, 21](表1)。雖然二者都能評估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)狀及一定時期內(nèi)的變化情況,但它們?nèi)匀淮嬖谝韵聝蓚€方面的問題：1)缺乏科學(xué)的評估標(biāo)準(zhǔn)。已有的評估體系缺乏統(tǒng)一的評估標(biāo)準(zhǔn),即缺乏各個指標(biāo)對應(yīng)的評價參考值,絕大多數(shù)研究僅根據(jù)評價指標(biāo)對應(yīng)監(jiān)測值的大小來定量判定生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)狀和相對變化情況,如評估某一區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力時,只能根據(jù)監(jiān)測值估算某一時刻的生產(chǎn)力和某一段時間內(nèi)生產(chǎn)力的增減變化量[6],卻難以量化其與該區(qū)域最優(yōu)狀態(tài)下的生產(chǎn)力(即理想值或最優(yōu)值)之間的差距,進(jìn)而難以量化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)潛力；因此,所能提供給公眾和管理部門的信息相對有限,一定程度制約著管理者實(shí)施更直接有效的保護(hù)措施；2)評價指標(biāo)復(fù)雜多樣,缺乏統(tǒng)一的指標(biāo)體系。目前,還缺乏生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量制定統(tǒng)一的評價指標(biāo)體系,多數(shù)研究在構(gòu)建評估體系時都是以監(jiān)測指標(biāo)的獲取難易程度作為篩選指標(biāo)的重要標(biāo)準(zhǔn),因而導(dǎo)致同一區(qū)域內(nèi)和不同區(qū)域間的評價指標(biāo)復(fù)雜多樣,不同評估結(jié)果間的可比性較差。例如張敏等[20]、馬莉[22]、朱堅等[23]分別評估了赤峰市、上海市和寧波市的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量情況,雖然他們都是從市域尺度開展相關(guān)評估研究,但由于構(gòu)建的評價模型、篩選的評價指標(biāo)各不相同,評估結(jié)果之間很難進(jìn)行比較。因此,為了切實(shí)推進(jìn)新時期生態(tài)文明建設(shè)的建設(shè)步伐,提高生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量管理成效,需要克服上述兩個問題；并以科學(xué)性、可操作性、可比較性、準(zhǔn)確性、快捷敏感性等為原則篩選評價指標(biāo)和明確各參數(shù)的評估標(biāo)準(zhǔn),完善已有的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估體系,更真實(shí)地揭示其質(zhì)量的現(xiàn)狀、變化情況及恢復(fù)潛力。

2 發(fā)展基于理想?yún)⒄障档纳鷳B(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估體系

在開展生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估中,如果能量化關(guān)鍵評估指標(biāo)在未受或少受人為活動干擾下的數(shù)值,即確定理想狀態(tài)下的閾值(類似于我國《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)和《水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)等在各類功能區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)限值),并把它作為長期的評估標(biāo)準(zhǔn),就可以科學(xué)地量化生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與理想狀態(tài)或最優(yōu)狀態(tài)之間的差距(圖1右圖中的ΔXi和ΔXj),即確定其恢復(fù)潛力,同時也可以計算其相對理想或最優(yōu)狀態(tài)的絕對變化和相對變化(圖1)。然而,受限于生態(tài)系統(tǒng)理想狀態(tài)的認(rèn)識以及缺乏相關(guān)評價指標(biāo)的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù),早期的研究都忽略了理想?yún)⒄障?而更多的關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)狀及相對變化情況(圖1右圖中的ΔXij)。但近些年,隨著我國自然保護(hù)區(qū)、國家公園、生態(tài)系統(tǒng)野外臺站(如中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(luò)(Chinese Ecosystem Research Network, CERN)、國家生態(tài)系統(tǒng)觀測研究網(wǎng)絡(luò)(National Ecosystem Observation and Research Network of China, CNERN)和中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)(Chinese Forest Ecosystem Research Network, CFERN))等建設(shè)和發(fā)展以及相關(guān)生態(tài)保護(hù)項(xiàng)目的啟動,逐步積累了大量的實(shí)地觀測數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)為發(fā)展理想?yún)⒄障怠⒋_定科學(xué)的評估標(biāo)準(zhǔn)、改進(jìn)和完善生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估體系奠定了堅實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。建立基于理想?yún)⒄障档脑u估體系,其核心問題是如何界定理想?yún)⒄障狄约叭绾未_定各評價指標(biāo)的閾值；下面著重介紹理想?yún)⒄障档亩x以及閾值的初步確定方法。在此特別申明：本文重在構(gòu)建新的評估理念和體系,而有關(guān)理想?yún)⒄障?、關(guān)鍵指標(biāo)和具體的評估方法不是重點(diǎn),它們需要針對特定的目標(biāo)進(jìn)行專門的研究與論證。

2.1 理想?yún)⒄障档亩x

理想?yún)⒄障凳侵冈谶m宜環(huán)境、未受或極少人為活動干擾的條件下,由反映生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的一系列關(guān)鍵指標(biāo)的具體數(shù)值所構(gòu)成的參照系統(tǒng)，也可稱為原真參照系；其中,關(guān)鍵指標(biāo)主要包括能直接或間接反映生態(tài)系統(tǒng)組成、結(jié)構(gòu)和功能等基本指標(biāo)(圖1)。

2.2 理想?yún)⒄障导捌溟撝档拇_定方法

中國地域廣闊,從南到北跨越多個溫度帶,且從東到西水資源分布也差異顯著,考慮到氣候、地域環(huán)境等差異,可先結(jié)合氣候、地形地貌等要素將中國劃分成若干個生態(tài)區(qū)[25],然后分別確定各生態(tài)區(qū)內(nèi)不同類型生態(tài)系統(tǒng)的理想?yún)⒄障狄约案鱾€關(guān)鍵指標(biāo)的閾值。對于某一生態(tài)區(qū)內(nèi)的某一類生態(tài)系統(tǒng)(如森林、草地、濕地和荒漠等生態(tài)系統(tǒng)),其理想?yún)⒄障抵械年P(guān)鍵評估指標(biāo)的閾值確定方法可分為兩類：1)基于待評估生態(tài)系統(tǒng)所處生態(tài)區(qū)內(nèi)同類型自然保護(hù)區(qū)和野外觀測站的相關(guān)評價指標(biāo)的監(jiān)測值確定,簡稱為參照法；2)基于待評估生態(tài)系統(tǒng)所處的生態(tài)區(qū)內(nèi)其所有相同類型生態(tài)系統(tǒng)在一定時期內(nèi)相關(guān)評估指標(biāo)的一系列觀測值的頻度分布來確定閾值,簡稱為概率分布法。

(1)參照法

參照法主要是利用自然保護(hù)地和野外觀測臺站的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為確定生態(tài)系統(tǒng)理想?yún)⒄障抵兄匾u估指標(biāo)閾值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。由于理想?yún)⒄障抵饕窃谖词芑蛏偈苋藶榛顒痈蓴_的狀態(tài)下由相關(guān)評價指標(biāo)構(gòu)成,而我國的自然保護(hù)區(qū)基本都是代表性強(qiáng)的自然生態(tài)系統(tǒng)、珍稀瀕危野生動植物物種的天然集中分布區(qū),截止2017年底,我國已建立各類型、不同級別自然保護(hù)區(qū)2750個,約占全國陸地面積的15.32%[26]；此外CERN和CFERN等生態(tài)系統(tǒng)野外觀測臺站也主要位于少受人為活動干擾的區(qū)域,這些自然保護(hù)地和野外觀測站基本覆蓋了中國各生態(tài)系統(tǒng)類型,并廣泛分布于各大生態(tài)區(qū)內(nèi)。由于自然保護(hù)區(qū)和野外臺站的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量基本處于最優(yōu)狀態(tài),因此可根據(jù)相同地理氣候區(qū)域中同一類型生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)具有相似性的原理,選擇同一生態(tài)區(qū)內(nèi)人類活動干擾少,主要受氣候變化影響的自然保護(hù)區(qū)和野外臺站在一定時期內(nèi)的相關(guān)指標(biāo)的監(jiān)測值作為閾值確定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對于這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù),可以直接取在一定時期內(nèi)的相關(guān)關(guān)鍵指標(biāo)的監(jiān)測值均值作為相關(guān)指標(biāo)的閾值；也可以采用網(wǎng)格隨機(jī)取樣法來確定各指標(biāo)的閾值,即將待評估生態(tài)系統(tǒng)所處的生態(tài)區(qū)劃分成一個個大小相同的網(wǎng)格,再將少受人為活動干擾的、基本屬性為自然保護(hù)區(qū)或野外觀測站的網(wǎng)格挑選出來,采用隨機(jī)采樣的方法,從中抽取一定數(shù)量的相同生態(tài)系統(tǒng)類型的網(wǎng)格,以這些網(wǎng)格實(shí)際監(jiān)測值的均值作為理想?yún)⒄障档拈撝?。若條件許可,也可在現(xiàn)有的保護(hù)區(qū)、觀測臺站等樣地的基礎(chǔ)上,專門設(shè)立基準(zhǔn)樣地(Standard plot),根據(jù)基準(zhǔn)樣地相關(guān)關(guān)鍵指標(biāo)的監(jiān)測數(shù)值確定其閾值。參照法獲取的閾值具有很強(qiáng)的區(qū)域代表性,基本能真實(shí)反映理想狀態(tài)下的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量,方法簡單、可操作性強(qiáng),但需要保護(hù)區(qū)以及野外監(jiān)測臺站有長期連續(xù)的監(jiān)測數(shù)據(jù),此外網(wǎng)格隨機(jī)采樣取均值法對監(jiān)測點(diǎn)的空間分布以及網(wǎng)格大小的依賴性較強(qiáng),如果監(jiān)測點(diǎn)分布不均勻或網(wǎng)絡(luò)過大可能會引起較大誤差。

(2)概率分布法

圖2 概率分布法確定理想?yún)⒄障导捌溟撝档氖疽鈭D Fig.2 The sketch map through the distribution of observed values to establish ideal reference

概率分布法是根據(jù)待評估生態(tài)系統(tǒng)所處的生態(tài)區(qū)域內(nèi)所有相同類型的生態(tài)系統(tǒng)一定時間范圍下的一系列關(guān)鍵指標(biāo)觀測值的概率分布圖來確定理想?yún)⒄障档拈撝?。評價指標(biāo)可分為成本型指標(biāo)和效益型指標(biāo)兩大類,其中成本型指標(biāo)是指屬性值越小越好的指標(biāo),如生態(tài)系統(tǒng)脆弱性指數(shù)、人類干擾強(qiáng)度指數(shù)、土地利用強(qiáng)度指數(shù)、景觀破碎度指數(shù)等；效益型指標(biāo)是指指屬性值越大越好的指標(biāo),如生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力指數(shù)、植被覆蓋度指數(shù)、生物多樣性指數(shù)等[27-28]。在具體實(shí)施過程中,對于成本型指標(biāo),以圖2a%(如a可取值1或5)對應(yīng)的觀測值Xi作為該項(xiàng)指標(biāo)的理想閾值；對于效益型指標(biāo),則以圖2(100-a)%對應(yīng)的觀測值Xj作為該項(xiàng)指標(biāo)的理想閾值。概率分布法操作簡單,可行性較強(qiáng),估算的閾值能一定程度的反映生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估指標(biāo)在理想狀態(tài)下的監(jiān)測值,但該方法對監(jiān)測數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)質(zhì)量要求都非常高；當(dāng)觀測數(shù)據(jù)較少或數(shù)據(jù)質(zhì)量較差時,可能獲取的理想閾值與真實(shí)閾值會存在很大的差異。

3 關(guān)鍵評價指標(biāo)的選擇

在開展生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價工作時,應(yīng)從反映其組成、結(jié)構(gòu)和功能等方面來選擇評價指標(biāo)。理想情況下,評價指標(biāo)越多,覆蓋面就越廣,也越能真實(shí)地反映生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量；但在實(shí)際操作過程中,受經(jīng)濟(jì)、可行性等因素的影響,全覆蓋的評價指標(biāo)體系是不現(xiàn)實(shí)的,特別是在區(qū)域或國家尺度,我們只能從中篩選出若干個科學(xué)性、代表性和可操作性強(qiáng),可信度高的關(guān)鍵指標(biāo)來構(gòu)建評估體系。因此,如何科學(xué)地選擇關(guān)鍵評估指標(biāo)就至關(guān)重要。理論上,關(guān)鍵評估指標(biāo)需滿足以下五個要求：1)簡單直觀,即能直接反映生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的優(yōu)劣,或能被公眾直接感知；2)能被定量化,評估指標(biāo)對應(yīng)的監(jiān)測指標(biāo)應(yīng)是一些相對簡單的生物或環(huán)境特征參數(shù)；3)經(jīng)濟(jì)可行,即現(xiàn)有的觀測技術(shù)和手段能夠獲取相關(guān)參數(shù)；4)可通過參照法、概率分布法或其他方法獲得其閾值；5)關(guān)鍵評價指標(biāo)構(gòu)成的評估體系能定期為政府決策、科學(xué)研究和公眾認(rèn)知等提供相關(guān)評估報告的基礎(chǔ)信息。本文從區(qū)域或國家尺度構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估方法體系出發(fā),著重介紹了其中幾個能有效反映生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量狀態(tài)的關(guān)鍵評價指標(biāo)進(jìn)行評述(生產(chǎn)力、土壤肥力、生物多樣性和景觀破碎度),希望起到拋磚引玉的作用。在實(shí)際評估中,研究人員應(yīng)根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況或主導(dǎo)因素來完善指標(biāo)體系,篩選和確定關(guān)鍵指標(biāo),并確定各關(guān)鍵指標(biāo)對應(yīng)的具體亞級指標(biāo)和參數(shù)。

3.1 生產(chǎn)力

生產(chǎn)力是自然生態(tài)系統(tǒng)最基礎(chǔ)的服務(wù)功能,是最簡單直觀的評價指標(biāo)。一般情況下生產(chǎn)力高的生態(tài)系統(tǒng),其質(zhì)量也高；因此,在區(qū)域或國家尺度生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估中生產(chǎn)力是最常用的評價指標(biāo)[5]。反映生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力指標(biāo)包括總初級生產(chǎn)力(Gross Primary Productivity, GPP)、凈初級生產(chǎn)力(Net primary productivity, NPP)、地上生物量和植被指數(shù)等,其中NPP能直接反映自然生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)能力；隨著地面調(diào)查工作的深入和遙感觀測技術(shù)的發(fā)展,可獲取較連續(xù)、系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù),NPP常作為評估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的重要指標(biāo)[29-30]。

3.2 土壤肥力

土壤肥力質(zhì)量是指土壤提供植物養(yǎng)分和生產(chǎn)生物物質(zhì)的能力,是衡量土壤質(zhì)量的重要方面[31]。有研究顯示,土壤肥力直接影響植物群落的組成和生理活力,決定著生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和生產(chǎn)力水平；增加土壤肥力可促進(jìn)植物生長,提高生態(tài)系統(tǒng)生物量和生產(chǎn)力[32-33],因此土壤肥力可作為評估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)之一。反映土壤肥力的指標(biāo)豐富多樣,包括pH、土壤養(yǎng)分(土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀等)、土壤質(zhì)地、土壤微生物等物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)[34- 37]。在實(shí)際操作過程中,可根據(jù)評估對象的不同(如不同類型的生態(tài)系統(tǒng))篩選、確定土壤肥力的亞級指標(biāo)和參數(shù)。

3.3 生物多樣性

生物多樣性包括遺傳多樣性、物種多樣性、生態(tài)系統(tǒng)多樣性和景觀多樣性四個層次。通常情況下,豐富多樣的生物種類、復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)可以確保生態(tài)系統(tǒng)中各關(guān)鍵功能生態(tài)位的正常運(yùn)行,特別是維持生態(tài)系統(tǒng)的冗余,增強(qiáng)其抗干擾能力,從而保持整個生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的相對穩(wěn)定。大量研究也發(fā)現(xiàn)生物多樣性的高低與生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量密切相關(guān),生物多樣性越高的區(qū)域,其對應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量也就越好,因此,生物多樣性是評估生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵指標(biāo)之一[38]。動植物種類、斑塊類型及各類型大小等是反映生物多樣性的重要評估指標(biāo),其中植物對生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的變化較為敏感,又是生境的重要組分；隨著遙感識別技術(shù)的發(fā)展以及植物物種高光譜特征數(shù)據(jù)的大量積累,為快速估算植物物種多樣性提供了技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐[39-41],因此可選用其作為評估區(qū)域或國家尺度生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一[42]。

3.4 景觀破碎度

景觀破碎度是描述景觀格局特征的重要參數(shù)之一,能非常直觀的表征連續(xù)變化的景觀格局被分割而導(dǎo)致的破碎化程度,以及反映外界干擾對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和過程的影響[43-45]。隨著地面監(jiān)測工作的深入,以及RS和GIS等監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展,景觀破碎度指數(shù)所需基本監(jiān)測數(shù)據(jù)的可獲取性和準(zhǔn)確性都在不斷增強(qiáng),被越來越多的運(yùn)用于區(qū)域尺度生態(tài)質(zhì)量評估中,如土地利用/覆被格局變化及其對生態(tài)過程影響的評估、森林景觀動態(tài)下的生態(tài)環(huán)境變化評估和生境破碎化對物種多樣性的影響評估等[46-48]。因此,建議把景觀破碎度指數(shù)作為關(guān)鍵指標(biāo)納入生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估體系中。特別地,由于景觀破碎度指數(shù)對研究尺度以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空間分辨率具有很強(qiáng)的依賴性,在實(shí)際操作中應(yīng)根據(jù)研究區(qū)域的大小選擇合適的空間分辨率,一般地,為了便于研究結(jié)果之間的比較以及數(shù)據(jù)的集成分析,在較大區(qū)域或國家尺度上的空間分辨率建議為30 m × 30 m,而對于小區(qū)域尺度,可適當(dāng)提高空間分辨率。

4 基于理想?yún)⒄障岛完P(guān)鍵評估指標(biāo)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估方法體系

4.1 新評估體系的優(yōu)點(diǎn)

同傳統(tǒng)的評估方法體系相比,基于理想?yún)⒄障岛完P(guān)鍵評價指標(biāo)的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量新評估方法體系具有如下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：1)該體系涉及到的評價指標(biāo)科學(xué)、簡單、可操作性強(qiáng),并且現(xiàn)有的觀測技術(shù)(如地面監(jiān)測和遙感影像等)能保障獲取較大時空尺度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。2)評估指標(biāo)十分直觀,多數(shù)能夠被公眾直接認(rèn)知。3)該評估體系能直接量化生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的恢復(fù)潛力(生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量現(xiàn)狀與理想狀態(tài)間差距,即AB之間的差距ΔXi和CD之間的差距ΔXj),可幫助管理部門樹立明確的改善和保護(hù)目標(biāo)。由于不同的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量情況所需的管理成本是不同的,因此我們可將管理措施分成不同的等級(圖3),并根據(jù)圖3中相對恢復(fù)潛力ΔXi或ΔXj數(shù)值的大小確定其應(yīng)該實(shí)施的管理措施等級,進(jìn)而調(diào)整具體的管理策略,合理分配經(jīng)費(fèi),從而實(shí)現(xiàn)人力和物力資源的優(yōu)化配置,提高管護(hù)成效。4)新評估體系可以實(shí)現(xiàn)相同生態(tài)區(qū)域內(nèi)同一類型生態(tài)系統(tǒng)之間的空間對比分析,同時也可以實(shí)現(xiàn)不同生態(tài)區(qū)之間的比較。對于相同生態(tài)區(qū)域內(nèi)同一類型生態(tài)系統(tǒng),由于各關(guān)鍵評估指標(biāo)使用的理想?yún)⒄障甸撝迪嗤?因此可以直接比較各評估指標(biāo)的大??；而對于不同生態(tài)區(qū),雖然各關(guān)鍵評價指標(biāo)的閾值不同,但可以根據(jù)各指標(biāo)與閾值之間的絕對差距(ΔXi或ΔXj)或相對差距的大小來進(jìn)行比較。5)新的評估體系有助于促進(jìn)國家和各區(qū)域規(guī)范化建設(shè)和管理,特別是監(jiān)測數(shù)據(jù)和管理的規(guī)范化。關(guān)鍵評估指標(biāo)的確定能幫助各地方監(jiān)測部門明確監(jiān)測目標(biāo),并采用統(tǒng)一規(guī)范化的測定方法和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),從而提高監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

圖3 新生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價體系(理想?yún)⒄障?關(guān)鍵指標(biāo))在生態(tài)系統(tǒng)管理中的潛在運(yùn)用Fig.3 The application of new ecosystem quality assessment system (ideal reference system + key indicators) in ecosystem management右圖中I、II、III和IV是根據(jù)相對恢復(fù)潛力制定的不同的恢復(fù)管理方案

4.2 基于新評估體系的生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)狀及變化趨勢評估

利用新評估體系開展具體評估工作時,首要步驟是量化評估體系中各關(guān)鍵評價指標(biāo)在理想狀態(tài)下的閾值；其中生產(chǎn)力、土壤肥力和生物多樣性指標(biāo)的閾值按本文的方法和概率分布法來確定；而對于景觀破碎度指標(biāo),其理想狀態(tài)下的閾值,則可以根據(jù)不同生態(tài)區(qū)內(nèi)的各類型自然保護(hù)區(qū)、國家公園或行政示范區(qū)等來計算對應(yīng)的破碎度指數(shù)值來確定。

4.2.1生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的現(xiàn)狀評估

以圖3中Ti時期為例,可根據(jù)評價指標(biāo)的實(shí)際觀測值與閾值之間的絕對差距ΔXi和相對差距ΔYi評定質(zhì)量的優(yōu)劣,亦是量化其相對理想狀態(tài)下的恢復(fù)潛力。其中絕對差距ΔXi的計算方法如公式(1)：

ΔXi=|X-Xi|

(1)

相對差距ΔYi又可稱為相對恢復(fù)潛力,計算ΔYi時,對于效益型指標(biāo)(觀測值越大表示質(zhì)量越好,如生產(chǎn)力、土壤肥力和生物多樣性),ΔYi的計算公式見(2)；而對于成本型指標(biāo)(觀測值越小表示質(zhì)量越好,如景觀破碎度),ΔYi的計算方法見公式(3)：

(2)

(3)

式中,X和Xi分別為Ti時刻生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價指標(biāo)(生產(chǎn)力、土壤肥力、生物多樣性和景觀破碎度)對應(yīng)的理想?yún)⒄障甸撝岛蛯?shí)際觀測值。由于成本型指標(biāo)的觀測值大于理想?yún)⒄障档拈撝?因此便于后續(xù)計算綜合指數(shù)和不同研究結(jié)果之間的比較,我們對其數(shù)值進(jìn)行取倒數(shù)處理,可將ΔYi的數(shù)值控制在[0, 100]。

對于ΔXi和ΔYi而言,其值越大,說明觀測值與理想?yún)⒄障甸撝抵g的差異越大,即評價指標(biāo)所反映的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量越差；相反,取值越小,則表示生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量越好。然后利用各指標(biāo)的相對差距計算生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量綜合指數(shù)QEco,計算公式如下：

(4)

式中,wm和ΔYm分別表示i時期評價指標(biāo)m的權(quán)重系數(shù)和相對差距,其值可由專家咨詢法或熵值法等確定[49-51]。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指數(shù)QEco的數(shù)值大小,采用分等級法確定其所屬等級,其中等級數(shù)量以及各等級的上下限取值可通過專家論證確定,具體操作方法可參考《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ192—2015)。

4.2.2生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的變化評估

對于不同的時期,即從Ti時期到Tj時期生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價指標(biāo)實(shí)際觀測值的絕對變化ΔXij的計算公式如下：

ΔXij=Xj-Xi

(5)

式中,Xi和Xj分別為Ti和Tj時期生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評價指標(biāo)的實(shí)際觀測值。對于效益型指標(biāo)(生產(chǎn)力、土壤肥力和生物多樣性),若ΔXij為正值,說明評價指標(biāo)所反映的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變好,若ΔXij為負(fù)值,說明評價指標(biāo)所反映的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變差。成本型指標(biāo)(景觀破碎度)則正好相反,若ΔXij為正值,說明評價指標(biāo)所反映的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變差,若ΔXij為負(fù)值,說明評價指標(biāo)所反映的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變好。

計算兩時期的相對變化ΔYij時,效益型指標(biāo)ΔYij的計算公式見(6),成本型指標(biāo)ΔYij的計算公式見(7)：

(6)

(7)

其中,ΔYij的取值范圍為[-100, 100],為正值時,說明評價指標(biāo)所反映的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變好,若為負(fù)值,則說明評價指標(biāo)所反映的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變差。然后根據(jù)各指標(biāo)的相對變化計算生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量相對理想狀態(tài)的綜合變化指數(shù)QEco-C,計算公式如下：

(8)

式中,wn和ΔYn分別表示從Ti時期到Tj時期評價指標(biāo)n的權(quán)重系數(shù)和相對變化得分,其中各指標(biāo)的權(quán)重wn可由專家咨詢法或熵值法等確定,而其相對變化得分ΔYn可通過專家咨詢法獲得,即專家根據(jù)評價指標(biāo)n的基本意義和對應(yīng)相對變化值的大小來判定其具體得分。最終計算獲得的綜合變化指數(shù)QEco-C可參照《生態(tài)環(huán)境狀況評價技術(shù)規(guī)范》(HJ192—2015)中分等級的思想確定其變化程度或波動程度。

5 結(jié)語與展望

生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估是國家或區(qū)域尺度生態(tài)系統(tǒng)管理和決策制定的重要依據(jù),其方法學(xué)或評估體系的改進(jìn)和發(fā)展一直是研究的熱點(diǎn)和核心。為了滿足新時期國家生態(tài)文明建設(shè)的需求,本文以現(xiàn)有評估體系為基礎(chǔ),提出發(fā)展基于“理想?yún)⒄障岛完P(guān)鍵指標(biāo)”新的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量評估體系。新體系可滿足區(qū)域或國家尺度的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量快速評估需求；同時可量化生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的恢復(fù)潛力,有助于管理者明確管理和保護(hù)目標(biāo),合理的配置人力和物力,提高生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量的保護(hù)成效；更為重要的,該指標(biāo)體系也有助于不同研究結(jié)果之間的比較分析,便于未來國家自然保護(hù)地(自然保護(hù)區(qū)、國家公園、國家森林公園等)的規(guī)范化管理。新體系中選擇的評價指標(biāo)十分直觀,并能與地面調(diào)查、地理信息系統(tǒng)和遙感技術(shù)確定,實(shí)現(xiàn)快速評估的目的。更為重要的是,其評估結(jié)果簡單直觀,能被公眾快速認(rèn)知或認(rèn)同。當(dāng)然,本文只是從理念或理論上構(gòu)建了新評估體系的基本框架和潛在應(yīng)用情景,體系中涉及關(guān)鍵評價指標(biāo)、關(guān)鍵指標(biāo)對應(yīng)的亞級指標(biāo)和參數(shù)、各指標(biāo)閾值的確定方法等仍然需要結(jié)合不同地區(qū)廣泛的案例研究進(jìn)一步優(yōu)化和完善。