鄧煌煒, 廖振良
(同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 201620)
2012 年中國(guó)正式加入生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)政府間科學(xué)政策平臺(tái)(IPBES)[1],標(biāo)志著我國(guó)對(duì)于保護(hù)生態(tài)平衡與穩(wěn)定進(jìn)入一個(gè)新時(shí)期。國(guó)家“十二五”,“十三五”規(guī)劃中均對(duì)生態(tài)保護(hù)與生態(tài)安全建設(shè)做出了重大決策部署。目前,我國(guó)生態(tài)空間及生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量遭受嚴(yán)重威脅,生態(tài)服務(wù)功能低[2],影響了生態(tài)安全及生態(tài)文明建設(shè)。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的供給、 平衡、協(xié)作、驅(qū)動(dòng)機(jī)制等做了很多研究,但其中仍有部分內(nèi)容需要進(jìn)一步的探索, 目前對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求量化的研究相對(duì)而言較少, 驅(qū)動(dòng)機(jī)制的研究集結(jié)于土地使用/覆蓋的變化,其它因素的研究較少,尚未對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)形成完整有效的監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)系統(tǒng)。本文基于已有的廣泛研究, 對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需量化方法進(jìn)行分析, 剖析當(dāng)前研究中對(duì)供需量化及驅(qū)動(dòng)因素存在的不足,基于可持續(xù)及生態(tài)安全,提出強(qiáng)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空動(dòng)態(tài)評(píng)估, 確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給閾值,建立區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)監(jiān)測(cè)預(yù)警模型系統(tǒng),促進(jìn)區(qū)域生態(tài)文明發(fā)展及生態(tài)可持續(xù)建設(shè)。
千年生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估[3]將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)定義為“生態(tài)系統(tǒng)提供給人類的惠益”,同時(shí)將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、文化服務(wù)及支持服務(wù)4 類。其中,供給服務(wù)主要包括食物、纖維、燃料、基因資源、生物化學(xué)物質(zhì)、天然藥材、裝飾資源及淡水等;調(diào)節(jié)服務(wù)則包含調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量、氣候、醫(yī)病、害蟲、自然災(zāi)害,凈化水質(zhì)和處理廢棄物等;文化服務(wù)是人類從生態(tài)系統(tǒng)獲得的非物質(zhì)精神滿足, 如教育價(jià)值、美學(xué)價(jià)值等;支持服務(wù)指作為支撐其它服務(wù)所提供的基本生產(chǎn),如土壤、光合作用、水循環(huán)等。 一般認(rèn)為, 支持服務(wù)因其作用本質(zhì)不被作為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]。
生態(tài)系統(tǒng)為人類社會(huì)提供豐富的物質(zhì)和非物質(zhì)資源,促進(jìn)社會(huì)的發(fā)展和穩(wěn)定。 然而,人類生產(chǎn)生活對(duì)生態(tài)系統(tǒng)同樣會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)的反饋?zhàn)饔肹3]。人口的急劇增長(zhǎng)增加了對(duì)食物供給的要求, 因而提高了對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量的要求,進(jìn)而轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,改變土地利用/覆蓋情況, 使用化學(xué)試劑與藥品提升土壤肥力,導(dǎo)致土壤富營(yíng)養(yǎng)化等土壤退化現(xiàn)狀;工業(yè)的發(fā)展加速了對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的惡化, 森林面積不斷減少,淡水資源的數(shù)量與質(zhì)量均在不斷退化,氣體污染物排放入空氣已嚴(yán)重超出大氣自凈能力。
對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的改變, 不僅僅是以上人類活動(dòng)的影響, 氣候變化因子對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的能力也有部分作用,更多情況下,氣候變化與非氣候變化因子同時(shí)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的供給和社會(huì)需求進(jìn)行作用。QIAN 等[5]對(duì)祁連山自然保護(hù)區(qū)1975 ~2015 年土地使用及植被狀況進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)氣候變暖及氣候濕潤(rùn)是導(dǎo)致冰山修復(fù)以及植被狀況改善的主要原因,經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式?jīng)Q定了周邊區(qū)域受損害的程度, 強(qiáng)調(diào)了氣候與非氣候變化對(duì)周邊環(huán)境及生態(tài)的協(xié)同作用。 ANNE 等[6]研究了“過人口化”對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響,指出在人口增長(zhǎng)率增長(zhǎng)的狀況下,氣候變化導(dǎo)致的“氣候難民”的居住地遷徙等造成了資源的過度消耗、能源的稀缺、未來風(fēng)險(xiǎn)和不確定性的增加,對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定造成嚴(yán)重的威脅。SHEN 等[7]對(duì)中國(guó)部分城市濕地生態(tài)退化進(jìn)行評(píng)估, 提出氣候變化與不合理的城市化是導(dǎo)致生態(tài)退化的主要因素, 增加了濕地生態(tài)系統(tǒng)的濕地退化指數(shù), 降低了濕地涵養(yǎng)水源等服務(wù)功能。
土地使用/覆蓋矩陣模型由BURKHARD 等[8]提出, 用于評(píng)估土地利用和覆蓋變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需雙方的影響。 該模型方法將研究區(qū)域所涉及的土地覆蓋與生態(tài)系統(tǒng)分別分類進(jìn)行評(píng)估, 建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)與需求矩陣分別量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需。 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供應(yīng)矩陣用于確定不同土地覆蓋類型特定服務(wù)的能力, 而需求矩陣則用于反映人們對(duì)特定土地覆蓋類型的實(shí)際效益對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相對(duì)需求。
該模型確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求的范圍為0 ~5,根據(jù)兩者之間的差異得出平衡矩陣,以確定特定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的赤字(-5)與盈余程度(5),進(jìn)而量化不同土地覆蓋類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力[9]。
InVEST 模型是一種基于生產(chǎn)函數(shù),用于反映生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響的量化方法,適用于對(duì)淡水、陸地等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)實(shí)物或價(jià)值的量化評(píng)估[10-11]。 該方法與上述土地使用/覆蓋矩陣模型均依賴于土地利用/覆蓋的數(shù)據(jù),且均考慮人口對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響作用。 但是,InVEST模型需要更多的輸入數(shù)據(jù),如相對(duì)危險(xiǎn)影響權(quán)重等。另外,該方法只適用于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的量化[12]。
葉面積指數(shù)通常用于描述生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)健康情況,與植物的光合作用、物質(zhì)循環(huán)等密切相關(guān),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)中較多功能依賴于植物的這些作用。 綜合葉面積指數(shù)包括對(duì)森林、草地、耕地、濕地等的反映,以生物群落分布為落腳點(diǎn),考慮生物群落的內(nèi)涵及變化[13],相較于綠化覆蓋率等二維的表示方法更為準(zhǔn)確[14]。 采用綜合葉面積指數(shù)進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的量化,主要是將區(qū)域內(nèi)的生物群落/土地覆蓋類型葉面積指數(shù)進(jìn)行加權(quán), 計(jì)算相應(yīng)土地利用類型占區(qū)域總面積的比例[15]。
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給指數(shù)(ESPI)是一種依賴于土地利用類型分類進(jìn)行不同生態(tài)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給量化的方法。 WANG 等[16]對(duì)中國(guó)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需時(shí)空不平衡和變化進(jìn)行了研究,采用ESPI 對(duì)不同區(qū)域的不同類型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給進(jìn)行衡量[17],將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為最高供應(yīng)、 更高供應(yīng)、 中等供應(yīng)、 更低供應(yīng)及最低供應(yīng)5 個(gè)等級(jí)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給進(jìn)行分類與評(píng)價(jià)。
土地發(fā)展指數(shù)(LDI)是一種通過建立多目標(biāo)模型用于量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的方法, 包含生態(tài)系統(tǒng)所提供的及希望獲得的產(chǎn)品或服務(wù)[18]。 由于區(qū)域人口密度與GDP 存在差異,WANG 等[16]對(duì)該方法進(jìn)行修改, 采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的對(duì)數(shù)方法細(xì)化波動(dòng)且不影響總體趨勢(shì),LDI 計(jì)算方法如下:
式中:LDIi為區(qū)域i 的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的土地開發(fā)指數(shù);Di,Pi和Ei分別為區(qū)域i 的已建成土地的比例、人口密度和經(jīng)濟(jì)密度。
土地利用/覆蓋矩陣模型的使用可半定量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需, 但其在測(cè)量單位準(zhǔn)確度以及土地覆蓋等級(jí)評(píng)估中存在一定的缺陷。 TAO 等[19]通過專家評(píng)估不確定性水平來改進(jìn)矩陣模型并對(duì)1985 ~2015 年長(zhǎng)江流域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需進(jìn)行評(píng)估。 然而, 基于專家評(píng)估的方法主觀性會(huì)對(duì)估算帶來較大不確定性, 且其半定量性亦不能較好反應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與土地覆蓋類別之間的關(guān)系和作用。
對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需的量化, 絕大多數(shù)是基于獲得和分析土地利用/覆蓋數(shù)據(jù), 進(jìn)而進(jìn)行模型、矩陣或算法的構(gòu)建來進(jìn)行供需的評(píng)估。然而,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的體現(xiàn)與獲得并不是完全依賴于土地使用,如氣候調(diào)節(jié)、美學(xué)價(jià)值等。 目前的研究尚處于將生態(tài)系統(tǒng)各種服務(wù)分開或部分結(jié)合量化中, 未能實(shí)現(xiàn)服務(wù)功能整體的量化評(píng)估。 LIU 等[20]對(duì)中國(guó)東部太湖流域的氮和磷凈化、 供水及土壤保持服務(wù)進(jìn)行了量化, 預(yù)測(cè)未來土地利用和氣候變化對(duì)這4 個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響, 指出這2 種驅(qū)動(dòng)因素的組合作用會(huì)影響所有的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù), 并且對(duì)于不同的服務(wù)類型表現(xiàn)出不同特征。
此外, 當(dāng)前的量化研究著重于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的量化,而對(duì)于需求的量化研究則較少。生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)需求的量化取決于所需求服務(wù)的類型[21-22]。由于調(diào)節(jié)服務(wù)和文化服務(wù)的量化存在較多障礙, 如計(jì)量單位的估算、數(shù)據(jù)的缺失、方法的缺陷等,由此也導(dǎo)致了對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給與需求之間的比較結(jié)果不準(zhǔn)確甚至難以進(jìn)行。
DPSIR(驅(qū)動(dòng)-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng))框架用于描述生態(tài)環(huán)境等問題的因果鏈[23],連接自然、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境等系統(tǒng), 在判斷和確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動(dòng)因素中使用廣泛。 ELIAS 等[24]對(duì)埃塞俄比亞中裂谷土地使用/覆蓋與湖泊生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,通過GIS 和RS 技術(shù)平臺(tái),使用DPSIR 框架分析1985 ~2015 年埃塞俄比亞中裂谷湖泊生態(tài)系統(tǒng)在土地覆蓋改變狀況下的變化。 該方法需要收集大量數(shù)據(jù),涉及社會(huì)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)因子等多方面跨學(xué)科領(lǐng)域,在指標(biāo)的選擇及量化中存在不確定性因素。
目前, 對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)驅(qū)動(dòng)因素的研究主要有2 個(gè)部分,一是氣候因子,二是非氣候因子。 當(dāng)前對(duì)非氣候因子的研究主要著重對(duì)土地利用/覆蓋變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響[25],導(dǎo)致其它相關(guān)驅(qū)動(dòng)因素如污染的累積與長(zhǎng)期作用[26]。 氣候與非氣候因子對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的共同作用尤為復(fù)雜[27],不僅包含單一因子的作用, 更有非氣候因子如空間結(jié)構(gòu)變化等與氣候因子累積作用[28]。LIU 等[20]的研究中將未來氣候情景與土地利用改變對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響進(jìn)行簡(jiǎn)單的疊加, 探討二者的改變對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的整體作用,雖然在研究思路中有一定的代表性,但結(jié)果及簡(jiǎn)單疊加方法缺乏科學(xué)性。 DANIELA 等[29]對(duì)瑞士2004 ~2014 年的調(diào)節(jié)二氧化碳、土壤侵蝕預(yù)防和調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量3 種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化進(jìn)行了研究,使用附加模型及線性回歸分析[30]描述氣候(溫度、降水、相對(duì)日照持續(xù)時(shí)間)以及非氣候驅(qū)動(dòng)因素的空間變化, 進(jìn)而將兩者對(duì)瑞士生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)改變趨勢(shì)的影響進(jìn)行比較。研究表明,氣候驅(qū)動(dòng)因素的影響更大。研究過程中,非氣候變化驅(qū)動(dòng)因子未能剖析徹底,僅僅是考慮其整體作用,忽略了非氣候變化因子之間的相互關(guān)系。
LIANG 等[31]通過對(duì)水量型缺水地區(qū)的探討與研究,提出了一套確定植被生產(chǎn)力閾值的框架,將其與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)可使用的水資源量進(jìn)行對(duì)照, 確定當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)承載能力。 對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給的研究缺乏生態(tài)系統(tǒng)容忍閾值的研究與制定,同時(shí),缺乏對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)恢復(fù)能力的探究。
BRAUN 等[30,32]使用模型及遙感數(shù)據(jù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳調(diào)節(jié)、土壤侵蝕保護(hù)、空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)及遠(yuǎn)足娛樂4 個(gè)服務(wù)進(jìn)行研究, 確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在相互作用關(guān)系, 指出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)具有空間異質(zhì)性并且依賴于尺度與高度。 由于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)范圍較廣,所需要的信息較繁雜且存在相互作用,缺少將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、 過程等結(jié)合的量化方法研究, 因而目前仍缺乏對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的常規(guī)監(jiān)測(cè)。
遙感技術(shù)存在巨大的發(fā)展空間, 可以支持跨時(shí)間與空間的多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評(píng)估;同時(shí),遙感數(shù)據(jù)能夠減少對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)多指標(biāo)的依賴, 通過遙感與生物物理模型的結(jié)合研究可以確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的潛在供給量[33]。
此外, 基于遙感數(shù)據(jù)的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估可以在時(shí)間上滿足關(guān)鍵時(shí)期對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的定期監(jiān)測(cè),甚至對(duì)調(diào)節(jié)服務(wù)及文化服務(wù)進(jìn)行量化評(píng)估[33]。
生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素之間的關(guān)系目前還未透明化,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理構(gòu)成阻礙。因此研究社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的作用機(jī)制尤為必要。此外,由于氣候變化與人類活動(dòng)之間同樣存在相互作用, 而二者對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供需平衡產(chǎn)生影響,對(duì)于具有空間異質(zhì)性的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)來說,確定不同區(qū)域的各類驅(qū)動(dòng)因子的綜合作用機(jī)制以及不同驅(qū)動(dòng)因子的影響作用等級(jí)尤為必要, 也為區(qū)域生態(tài)建設(shè)的政策方針制定等提供理論依據(jù)。
空間結(jié)構(gòu)對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)及其服務(wù)具有較大影響, 而時(shí)間偏移不僅可能改變土地使用/覆蓋狀況,也可以改變空氣中污染物質(zhì)的累積等,因此,強(qiáng)化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時(shí)空動(dòng)態(tài)變化的研究有助于對(duì)生態(tài)系統(tǒng)容忍程度進(jìn)行把控。
生態(tài)系統(tǒng)與自然、 水資源一樣具有自我修復(fù)能力,然而人類活動(dòng)往往會(huì)破壞這種能力,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)無法維持自身的穩(wěn)定[20]。 結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給能力和社會(huì)活動(dòng)的需求,確定生態(tài)系統(tǒng)容忍閾值,對(duì)保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與安全十分必要。
生態(tài)建設(shè)、 保護(hù)政策的制定有賴于區(qū)域生態(tài)狀況、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r以及文化情景。建立生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)監(jiān)測(cè)及預(yù)警機(jī)制, 有利于輔助政府部門及政策決策方對(duì)生態(tài)建設(shè)進(jìn)行統(tǒng)籌, 便于在區(qū)域發(fā)展中融合可持續(xù)理念進(jìn)行生產(chǎn)、 生活及政策活動(dòng)的安排及實(shí)施,以確保生態(tài)安全及區(qū)域可持續(xù)。
隨著國(guó)家對(duì)生態(tài)文明及生態(tài)安全建設(shè)的愈加重視,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估逐漸成為研究熱點(diǎn)。經(jīng)濟(jì)人口的快速增長(zhǎng)、 城市化進(jìn)程的加快給生態(tài)系統(tǒng)帶來巨大的負(fù)擔(dān), 如何在這些動(dòng)態(tài)的變化中取得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給和需求之間的平衡, 如何將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)穩(wěn)定在一個(gè)合理的波動(dòng)范圍之內(nèi)成為研究及實(shí)踐的重點(diǎn)。
在氣候變化與非氣候變化多因素影響下, 深入研究生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)改變的驅(qū)動(dòng)力量化方法, 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化以及供需變化情況,設(shè)定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給閾值, 構(gòu)建相應(yīng)監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制并落實(shí)到生態(tài)安全管理中,具有現(xiàn)實(shí)意義。