生態(tài)系統(tǒng)服務權衡研究進展

張碧天,閔慶文,*,焦雯珺,何思源,劉某承,楊 倫

1 中國科學院地理科學與資源研究所, 北京 100101 2 中國科學院大學, 北京 100049

生態(tài)系統(tǒng)服務是指人類直接或間接從生態(tài)系統(tǒng)得到的惠益,是人類社會生存和發(fā)展的基礎[1],其供應對于保障人類福祉有重要的意義[2]。生態(tài)系統(tǒng)服務被認為是連接自然與社會生態(tài)系統(tǒng)的橋梁,且相較彈性理論[3]和SES分析框架[4]等其他社會-生態(tài)系統(tǒng)分析工具具有易量化、易空間表達的優(yōu)勢,因此在社會-生態(tài)系統(tǒng)的分析和管理中得到了廣泛的應用。

在生態(tài)系統(tǒng)組分-過程-功能-服務-福祉的生態(tài)系統(tǒng)服務級聯(lián)模型中[5],形成不同服務的生態(tài)過程可能存在對生態(tài)組分和自然資源的競爭利用關系[6],致使某些生態(tài)系統(tǒng)服務難以同時實現(xiàn)最大化,即生態(tài)系統(tǒng)服務間存在此消彼長的權衡關系。類似的,當形成不同服務的生態(tài)過程對生態(tài)系統(tǒng)組分和自然資源的利用呈互利或不相關關系時,生態(tài)系統(tǒng)服務間存在協(xié)同關系或無關聯(lián)。

對于不同的需求,同一生態(tài)系統(tǒng)服務和人類福祉的關系可以發(fā)生巨大改變。因此,生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡/協(xié)同關系往往對應著服務消費者利益或社會-生態(tài)系統(tǒng)管理目標間的沖突/共贏關系。管理者需要通過決策進行合理的干預和支配,調節(jié)或利用生態(tài)系統(tǒng)服務間的關系,化沖突為共贏,可持續(xù)地實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務的最大效用,全面提升人類福祉。

正確理解生態(tài)系統(tǒng)服務權衡的內涵和作用機制,優(yōu)化生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡關系,協(xié)調生態(tài)系統(tǒng)管理的多元目標,是社會-生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)。隨著研究的不斷推進,生態(tài)系統(tǒng)服務權衡從對客觀規(guī)律的簡單認識逐漸拓展成為輔助社會-生態(tài)系統(tǒng)決策的工具[7-8],“權衡”的語義和涵義也變得復雜多樣,常給初入這一領域的研究者帶來困惑,難以理清繁多的研究方法和研究思路。為此,本文整理了生態(tài)系統(tǒng)服務權衡的內涵和分類,將生態(tài)系統(tǒng)權衡研究二分為客觀權衡規(guī)律和管理權衡決策兩大類,并對兩類權衡研究的國內外進展進行了系統(tǒng)梳理和評述。在客觀權衡規(guī)律方面,主要包括生態(tài)系統(tǒng)服務供與需間權衡、生態(tài)系統(tǒng)服務供或需間權衡兩部分；在管理權衡決策方面,主要包括生態(tài)系統(tǒng)服務管理權衡決策的準則確定和求解思路兩部分。并最后進行了總體評價和研究展望,以期可以為生態(tài)系統(tǒng)服務權衡研究提供參考依據(jù)。

1 生態(tài)系統(tǒng)服務權衡的內涵與分類

在生態(tài)系統(tǒng)管理和生態(tài)系統(tǒng)服務的相關研究中,“權衡”一詞被廣泛的提及,且內涵和分類不一。最早,千年生態(tài)系統(tǒng)評估MA(Millennium Ecosystem Assessment)根據(jù)生態(tài)過程的空間外部性、時間滯后性和效果可逆性,認為權衡具有小尺度或大尺度、長期或短期的屬性、可逆或不可逆的3類屬性,將三類屬性組合得到8種生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡關系[9]。其后,TEEB(The Economics of Ecosystems and Biodiversity)又根據(jù)權衡的內容,將權衡分為4種,分別是考慮成本和收益在空間上分離的權衡、考慮成本和收益在時間上滯后的權衡、考慮成本和收益在利益相關者之間分配的權衡、考慮目標生態(tài)系統(tǒng)服務選擇的權衡。相較MA,TEEB將“權衡”定義為管理者決策中的“取舍”,強調了生態(tài)系統(tǒng)服務的經濟價值,將權衡關系的研究語境從自然生態(tài)系統(tǒng)擴展到了社會-生態(tài)系統(tǒng),權衡關系的維度也在時間維度和空間維度的基礎上增加了利益相關者的維度。

Mouchet[10]將上述兩種分類框架融合在了一起,提出了綜合供給和需求的3種權衡關系類型：“供給-供給類”,指不同生態(tài)系統(tǒng)服務供給之間此消彼長的關系；“供給-需求類”,指生態(tài)系統(tǒng)服務供給和需求之間在空間或時間上的錯位和不匹配；“需求-需求類”,指由于需求差異性使得各利益相關方難以同時得到充分滿足,需要進行公平的分配和仲裁。Mouchet的觀點得到了學界廣泛的認可,但隨著研究進一步深入,有學者發(fā)現(xiàn)“此消彼長”的關系不僅存在于服務的供給中,也存在于服務的需求和消費中?！靶枨?需求類”權衡關系的內涵被進一步豐富,除了需要考慮利益相關方維度,還需要考慮時間和空間維度。

參考上述代表性研究對“權衡”的分類和內涵闡釋,本文將生態(tài)系統(tǒng)服務權衡概括為兩類,一類是客觀權衡規(guī)律,一類是管理權衡決策(圖1)?？陀^權衡規(guī)律又可分為2類,分別為服務供與需間權衡(供給-需求類)、服務供或需間權衡(供給-供給類、需求-需求類)。前者針對同項生態(tài)系統(tǒng)服務供需間的權衡；后者針對不同項生態(tài)系統(tǒng)服務的權衡展開論述,且“供給-供給類”和“需求-需求類”權衡在研究內容和研究方法上存在諸多共性,可以一同進行討論；權衡決策的對象有4類,分別是生態(tài)系統(tǒng)服務的類型、服務空間尺度的大或小、服務時間尺度的長或短、需求得到滿足的受益者類型。客觀權衡源自生態(tài)系統(tǒng)服務供給的多重性[11],是一種生態(tài)系統(tǒng)的客觀規(guī)律；而權衡決策則源自人類對生態(tài)系統(tǒng)服務的選擇偏好[12],是對生態(tài)系統(tǒng)服務間關系的一種綜合把握。在社會-生態(tài)系統(tǒng)中,管理權衡決策是為了優(yōu)化客觀的權衡規(guī)律,從而可持續(xù)的提升人類福祉,兩者以生態(tài)系統(tǒng)服務變化的驅動機制為紐帶聯(lián)結在一起,探索權衡規(guī)律并辨明驅動機制是為了更好的實現(xiàn)權衡優(yōu)化管理。

圖1 生態(tài)系統(tǒng)服務權衡分類Fig.1 Classification of tradeoff of ecosystem services

2 生態(tài)系統(tǒng)服務客觀權衡規(guī)律

2.1 生態(tài)系統(tǒng)服務供給或需求權衡研究

生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡關系研究主要圍繞以下兩類問題(圖2)：其一,識別生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡/協(xié)同關系,分析權衡/協(xié)同關系的時空特征、識別生態(tài)系統(tǒng)服務簇。研究對象既可以是兩兩成對(pairwise)的生態(tài)系統(tǒng)服務,也可以是多項成組的生態(tài)系統(tǒng)服務。其二,識別出形成權衡/協(xié)同規(guī)律的驅動因子和驅動機制。

圖2 生態(tài)系統(tǒng)服務間供給或需求權衡的研究內容 Fig.2 Research contents of trade-offs between ecosystem services supply or demand

2.1.1生態(tài)系統(tǒng)服務間權衡/協(xié)同關系識別

生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡具有時空尺度依賴性和非線性特征,這主要由于生態(tài)系統(tǒng)的功能具有時空尺度特征。時間尺度上,比如Schroder等[13]在美國國家森林的研究中,發(fā)現(xiàn)森林火險管理(伐木)與貓頭鷹棲息地保護、水質調節(jié)存在著短期權衡、長期協(xié)同的關系?？臻g尺上,比如余玉洋[14]等在秦巴山區(qū)的研究中,發(fā)現(xiàn)雖然生態(tài)系統(tǒng)服務間的關系在大、中、小尺度上都一致表現(xiàn)為權衡/協(xié)同,但權衡/協(xié)同的強度卻隨尺度增大而增強。因此在進行權衡關系識別時,應注意時空尺度的界定,然而目前許多研究對分析結果的尺度依賴性的考慮不足,對權衡規(guī)律的穩(wěn)健性避而不談,僅有少數(shù)研究分尺度進行權衡關系分析或對結果的不確定性進行了分析,并且多集中在空間尺度上[14- 17],這無益于區(qū)域間和代際間可持續(xù)性及公平性的維護。

(1)成對生態(tài)系統(tǒng)服務間權衡關系識別

成對生態(tài)系統(tǒng)服務之間權衡關系的研究多數(shù)是純定量的,運用模型計算得到生態(tài)系統(tǒng)服務的生物物理量,再定量地分析各服務間的關聯(lián)性,主要有靜態(tài)空間相關性、動態(tài)空間相關性和二維生產可能性邊界法(PPF)[18](表1)。但也有部分研究是定量和定性相結合的,運用PPGIS等參與式評估的方法評價生態(tài)系統(tǒng)服務的供給/需求水平,然后再進行服務間關聯(lián)性的分析[38- 40]。

表1 成對生態(tài)系統(tǒng)服務間權衡/協(xié)同關系的主要研究方法

靜態(tài)的空間相關性以格網(wǎng)為單位,對某單一時間階段的ES1和ES2進行空間相關性統(tǒng)計計算,時間長度通常為一年,但也有學者取多年的時間周期,用平均靜態(tài)空間相關系數(shù)來體現(xiàn)長周期內兩種服務間的相關關系[41-42]。然而有學者認為靜態(tài)的空間相關性忽略了景觀歷史的發(fā)展過程,“現(xiàn)狀”是由生態(tài)系統(tǒng)服務之間長期的權衡和協(xié)同作用下的“結果”,因此靜態(tài)空間相關法得出的“權衡/協(xié)同”可能僅僅只能說明服務之間的關系并不是隨機獨立的,不能準確地表明生態(tài)系統(tǒng)服務之間相互作用的過程和關系,并基于這種批判提出應分析動態(tài)空間相關性[43-44]。在Tomscha[44]的研究中,兩個時間點(1949年和2006年)同樣運用靜態(tài)空間相關性方法得到的結果僅略有不同,但都與動態(tài)空間相關性方法得到的結果大不相同,甚至生態(tài)系統(tǒng)服務間的協(xié)同和權衡關系都發(fā)生反轉。可見,權衡的“結果”和“過程”可以存在很大的出入。

生產可能性邊界最早在福利經濟學中,是為了幫助具有資源競爭資源關系的兩項產品實現(xiàn)資源高效率利用而繪制的曲線。生態(tài)系統(tǒng)服務的形成也涉及到自然資源和土地利用的競爭關系,基于這樣的考慮,wossink[45]在2007年首次將PPF方法納入生態(tài)系統(tǒng)服務的研究中,用于研究農戶提供非供給類的生態(tài)系統(tǒng)服務的受償意愿。隨后,Lester[46]打破了傳統(tǒng)PPF的擬凹函數(shù)假設,認為生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡關系與經濟學中產品生產對資源的競爭關系不完全相同,ES-PPF的形狀可以是多種形態(tài)的擬凸曲線,并針對不同的形態(tài)進行了討論。

(2)成組生態(tài)系統(tǒng)服務間權衡關系識別

識別多項生態(tài)系統(tǒng)服務間的權衡/協(xié)同關系主要有三種方法,即主成分分析法、因子分析法等和多維生產可能性邊界法。主成分分析法或因子分析法的結果中主成分/因子載荷的正負和大小可以用來衡量生態(tài)系統(tǒng)服務之間的權衡或協(xié)同關系[47- 49]。多維生產可能性邊界與二維生產可能性邊界的方法原理一致,其中代表性的案例是Ruijs[50]運用多維生產可能性邊界法模擬了歐洲18個國家的食物供給、文化服務、碳封存和生物多樣性的ES-PPF,并根據(jù)邊際機會成本給出了生態(tài)系統(tǒng)服務的管理建議。

基于多組生態(tài)系統(tǒng)服務間權衡/協(xié)同關系的研究,“生態(tài)系統(tǒng)服務簇”這一概念被 提出,它最初被定義為一組在時間或空間上反復地共同出現(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)服務[51],即空間上具有相似生態(tài)系統(tǒng)服務構成的組合,由此可見這一概念最早僅考慮生態(tài)系統(tǒng)服務的供給,即“供給簇”。后有學者將這一概念從供給拓展到需求,將人們需求的一組互相關聯(lián)的生態(tài)系統(tǒng)服務稱為“需求簇”,比美國內華達山脈的調查表明,農民的“需求簇”多來自于農業(yè)生產系統(tǒng),而游客的“需求簇”則多來自森林生態(tài)系統(tǒng)[52]。近年還有學者基于供需匹配特征提出了“供給-需求簇”[53],或基于供給、需求和流動的特征提出了“供給-流動-需求簇”[20]?？梢娤噍^早期對服務供給研究的側重,如今的研究已呈現(xiàn)向服務需求研究傾斜的趨勢。

識別服務簇可以有效提高管理決策的針對性和工作效率,根據(jù)各服務簇的權衡特征有的放矢,降低管理成本[54]。生態(tài)系統(tǒng)服務簇通常采用系數(shù)矩陣圖、雷達圖、花朵圖等可視化方法表示。服務簇的識別主要有兩種方法,第一種方法較為基礎,是直接對研究區(qū)的單元格網(wǎng)進行聚類分析,得到服務簇[51, 55]；第二種方法是在主成分分析或因子分析之后進行聚類分析得到服務簇,這種方法排除了生態(tài)系統(tǒng)服務間重復供給的情況,增強了聚類結果的穩(wěn)健型[56-57]。比如Turner[58]在對丹麥的11項生態(tài)系統(tǒng)服務進行PCA后得到4個主成分,隨后又根據(jù)空間上每個格網(wǎng)單元的四個主成分得分進行了聚類分析,得到6種生態(tài)系統(tǒng)服務簇。

2.1.2生態(tài)系統(tǒng)服務間權衡關系驅動力分析

驅動力分析是生態(tài)系統(tǒng)權衡研究的薄弱環(huán)節(jié),現(xiàn)有研究多側重權衡/協(xié)同規(guī)律的識別,但對規(guī)律背后的驅動因子和驅動機制的關注則相對不足。驅動因子大體上可分為環(huán)境生態(tài)因子和社會經濟因子,環(huán)境生態(tài)因子主要包括地貌、土壤、植被、水文和氣候等,社會經濟因子主要包括管理政策、受訪者特征(如距離保護地的距離、收入水平、性別、身份、受教育水平等)、區(qū)域發(fā)展水平(人口密度、農業(yè)生產條件、產業(yè)經濟指標等)。通常而言,環(huán)境生態(tài)因子用于探究“供給-供給”類權衡/協(xié)同關系成因,社會經濟因子用于探究“需求-需求”類權衡/協(xié)同關系成因,但若涉及受人類活動影響較強的生態(tài)系統(tǒng)服務,“供給-供給”類權衡/協(xié)同關系成因也需要將社會經濟因子納入考慮[59- 62]。驅動因子的分析方法主要有對應分析法、多重對應分析法、回歸分析法、機器學習法等。其中,回歸分析使用最多,常用的二元邏輯回歸[63]、多類邏輯回歸(MNL)、隨機參數(shù)邏輯回歸(RPL)[64]、最小二乘回歸(OLS)[65]等等都有應用。冗余分析(RDA)[66]和典范對應分析(CCA)是兩種最常用的對應分析方法,在驅動因子的研究中得到了十分廣泛的應用。多重對應分析(MCA)專門用于處理名義數(shù)據(jù)或有序分類數(shù)據(jù),因此相較其他方法更適合于分析管理措施和保護策略形成的驅動力[67],比如García-Nieto等[68]利用MCA分析保護策略(國家公園、自然保護區(qū)、未保護區(qū))對生態(tài)系統(tǒng)服務供給-供給權衡的影響。近年來機器學習法也得到了一定的應用,比如Schirpke等[20]運用隨機森林模型,用25%的隨機樣本模擬各項驅動因子與生態(tài)系統(tǒng)服務簇的聚類隸屬度間的關系,訓練結果較好地服務于服務簇特征的預測。

驅動機制方面主要還在沿用生態(tài)系統(tǒng)服務通用的組分-過程-服務-人類福祉-人為活動級聯(lián)模型[5, 69]或PSR模型[70],其核心可被拆分為“組分-過程-服務”“服務-人類福祉-人為活動”和“人為活動-組分-過程”三個關鍵的因果鏈條,圍繞權衡規(guī)律驅動機制的討論也主要集中在這三個鏈條上。針對第一個鏈條,Bennet[71]等認為權衡的形成有兩類主要機制,一類是以驅動因子為媒介產生的服務與服務間的間接關系,另一類是服務間的直接關系,這兩類主要原因還可以交叉形成六種組合機制；王志芳[72]運用因果循環(huán)圖剖析了服務與服務間、驅動因子與服務間、驅動因子與驅動因子間的相互關系。針對第二個鏈條,行為理論成為了可行的依據(jù),運用結構方程或參與式評估可建立起從服務到行為的橋梁[73-74]。針對第三個鏈條,Altman等[75]提出了人類行為-影響強度-生態(tài)系統(tǒng)服務的連乘關系矩陣,半定量地反映了不同服務對驅動因子的響應機制；閔勇[76]利用布爾網(wǎng)絡半定量地模擬了人為活動影響對生態(tài)系統(tǒng)服務的潛在影響。整體來看,生態(tài)系統(tǒng)服務權衡規(guī)律的驅動機制仍然處于理論框架的初步搭建階段,尚沒有成型的研究框架和體系化的研究方法,致使客觀權衡規(guī)律研究的指向模糊、與管理權衡決策脫節(jié),不能夠很好地服務于優(yōu)化策略的提出或優(yōu)化情景的設計。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)服務供給與需求權衡研究

2.2.1供需匹配的維度

生態(tài)系統(tǒng)服務供給與需求的權衡研究實質上是對供給和需求的數(shù)量關系進行比較匹配,而生態(tài)系統(tǒng)服務的供給可以分為潛在供給[77]與實際供給[78- 80],生態(tài)系統(tǒng)服務的需求也可以分為潛在需求[81]與實現(xiàn)需求[82],因此在進行供需數(shù)量關系的研究時,應當注意概念的界定。生態(tài)系統(tǒng)服務供需之間的錯配具有多維度的特性(圖3),既可以是空間維度、也可以是時間維度、還可以是利益相關者維度[83]。

圖3 生態(tài)系統(tǒng)服務供給與需求權衡的研究內容 Fig.3 Research content of ecosystem service supply and demand tradeoff

多數(shù)供需匹配的研究集中在空間維度上,與生態(tài)系統(tǒng)服務流動研究緊密結合。在服務供需的空間關系方面,Costanza等[84]將服務分為全球非鄰近、局部鄰近、流動方向性、原位性和使用者遷移性；Fisher等再次基礎上[85]提出了服務產生區(qū)和服務受益區(qū),將全球非鄰近、局部鄰近合并為全方向,并將流動方向性按照是否依賴重力細分為2類；Serna-Chavez等[86]在服務產生區(qū)(P)和受益區(qū)(B)的基礎上提出了服務流動范圍區(qū)(F),并利用B、P、F的相離、相交和包含關系進行服務的描述和分類。我國學者馬琳[87]在Serna-Chavez的基礎上,強調地形和方向性的影響,將供需的空間關系分為6種。

服務產生區(qū)、受益區(qū)和流動區(qū)之間復雜多樣的空間關系直接影響到供需匹配研究的空間尺度選擇。供需匹配服務的研究區(qū)應當盡量將服務的產生區(qū)、需求區(qū)和流動區(qū)都包含在內,其結果才能真正促進服務在空間上的均衡配置,實現(xiàn)可持續(xù)地供給和利用。因此,在目前的供需匹配研究中,比較少涉及諸如防風固沙、水源涵養(yǎng)等難以量化和測度流動的服務,較多的涉及使用者遷移服務或坡地土壤保持、水質凈化等流動范圍較小的服務,或是食物供給、能源供給、原材料供給、水源供給等雖流動范圍廣但流量和流向都易量化的服務。

在時間維度上的供需匹配研究相對較少。針對時間維度,Mehring[88]強調生態(tài)系統(tǒng)服務供需錯配研究不僅要考慮自然生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài),還要考慮社會經濟系統(tǒng)的動態(tài)。比如即使一年當中生態(tài)系統(tǒng)服務的供給(魚類生物量)和需求量(漁民維持生計的捕魚量)在總體上是匹配的,但是由于政策、天氣等因素的限制,漁民們的捕魚量往往不能得到滿足,因此供需仍然是不匹配的[89]。在利益相關者維度上,不同利益相關者對服務的需求存在差異,這通常與居住地、身份、教育水平等因素有關[52, 90-91],在環(huán)境沖突中由于環(huán)境公平的缺位,總會有部分利益相關者成為“輸家”,其需求不能得到滿足。比如Stosch[36]利用ES-PPF就同一流域內四種利益相關者對于農業(yè)生產強度對個人效用的影響的感知進行了調查,展示了不同的農業(yè)生產強度下,在利益相關者維度上產生的不同性質和強度的權衡。

2.2.2絕對匹配與相對匹配

絕對匹配是將生態(tài)系統(tǒng)服務供給和需求的真實值進行匹配分析,適用于供給和需求可以統(tǒng)一量綱的服務類型。衡量絕對匹配度常用指標是“供需比[92]”和“供給率[93]/供給比[87]”,前者用于衡量實際供給(實現(xiàn)需求)和總需求之間的數(shù)量關系,即判斷是否滿足需求；后者用于衡量實際供給和潛在供給之間的數(shù)量關系,即是否存在“過載”(overuse)[80],匹配狀態(tài)是否可持續(xù)。供給方面,通常運用生物物理過程模型(如計算NPP)來估算潛在供給,用行業(yè)管理數(shù)據(jù)(如林業(yè)采伐量)估算實際供給,但由于行業(yè)管理數(shù)據(jù)的獲取難度,許多相關研究并沒有很好區(qū)分潛在供給和實際供給,改用潛在供給和總需求計算供需匹配情況。需求的表征方式主要有服務消費量和脆弱風險性兩種,前者通常利用均值類行業(yè)標準計算(比如人均用水定額、人均碳排放量[94]等),后者通常利用閾值類行業(yè)標準計算(如水土流失風險標準[95]、空氣質量標準[96]、水質標準等)。

相對匹配則是將服務供給和服務需求的相對水平進行匹配分析,供給和需求可以是量綱不同的值,甚至是無量綱的排序等級,適用于所有服務類型。衡量相對匹配的方法主要有空間冷熱點匹配、數(shù)量排序匹配和經驗供需矩陣3種(表2),但3種方法都不同程度的體現(xiàn)出“自給自足”的思想,欠缺了對系統(tǒng)內外物質交換和流動的考量,這也是相對匹配法的主要缺陷。供給方面,通常采用自然生態(tài)指標或受益者感知(如景觀美學價值高低、感受到服務供給程度等)來表征。需求方面,通常采用受益者的感知(如偏好、支付意愿、受償意愿等)、受益者的直接利用情況(如服務設施密度、到訪人次等)或社會經濟指標(人口密度、建筑密度、經濟水平等)來表征。

表2 生態(tài)系統(tǒng)服務供需相對匹配方法

3 生態(tài)系統(tǒng)服務管理權衡決策

由于生態(tài)系統(tǒng)服務和人類福祉之間的緊密聯(lián)系,對生態(tài)系統(tǒng)服務的管理權衡實際是對社會-生態(tài)系統(tǒng)多重管理目標的權衡,權衡決策過程從社會-生態(tài)系統(tǒng)的多功能性管理出發(fā),調節(jié)或利用生態(tài)系統(tǒng)服務間的客觀權衡規(guī)律,實現(xiàn)系統(tǒng)效用最大化。在多種主流決策輔助方法中,多準則決策(multi-criteria decision making analysis, MCDA)的研究理念與生態(tài)系統(tǒng)服務管理權衡決策高度一致[105-106],因為MCDA可以整合多角度多層次的標準[107],專長于處理沖突目標下的管理問題,很適用于社會-生態(tài)系統(tǒng)復雜的研究背景。MCDA將多種子決策準則賦權后進行整合,由此得到一個綜合決策準則,并以此為依據(jù)進行優(yōu)化管理方案的演算和選擇。這一過程對應到生態(tài)系統(tǒng)服務管理權衡決策中,就是將社會-生態(tài)系統(tǒng)的多重管理目標進行合理賦權并整合成一個管理權衡決策準則,在此基礎上結合研究條件和具體需求選擇合適的求解思路,最終制定出生態(tài)系統(tǒng)服務的優(yōu)化管理方案?；谝陨峡紤],本文圍繞“如何確定權衡決策準則”和“有哪些優(yōu)化方案求解思路”這兩個問題,對生態(tài)系統(tǒng)服務管理權衡決策的相關進展進行梳理和總結。

3.1 管理權衡決策的準則確定

權衡決策準則對管理方案的選擇起到決定性的作用,其確定過程本應慎重而縝密,卻被許多研究者隨意忽略或過度簡化,為了提升管理權衡決策的科學性,深入探討決策準則的確定方法十分必要。在生態(tài)系統(tǒng)服務管理中,生態(tài)系統(tǒng)服務類型因同其他三種生態(tài)系統(tǒng)服務管理對象具有較為明確的對應關系,而成為確定管理權衡決策準則的重要抓手。當可利用的資源有限時,優(yōu)先級判斷是管理的核心[108],是對各管理目標賦權的重要依據(jù),因此判斷管理目標所對應的生態(tài)系統(tǒng)服務類型的優(yōu)先級就是確定權衡決策準則的核心。對于沒有特定管理目標的社會-生態(tài)系統(tǒng),各項生態(tài)系統(tǒng)服務的優(yōu)先級默認均等,這類系統(tǒng)的理想狀態(tài)是同時實現(xiàn)多種生態(tài)系統(tǒng)服務高水平的總效用和低水平的總權衡,除此之外無論是高效用、高權衡,還是低效用、低權衡都是不理想的管理狀態(tài)[25],其管理權衡決策準則應著重考慮生態(tài)系統(tǒng)服務權衡度和供需匹配度等指向資源可持續(xù)利用的指標。然而實際上,社會-生態(tài)系統(tǒng)大多具有特定的管理目標,這種情況下,判斷生態(tài)系統(tǒng)服務類型的優(yōu)先級是進行權衡決策的必需項。

生態(tài)系統(tǒng)服務類型優(yōu)先級判斷的本質是進行不同生態(tài)系統(tǒng)服務類型重要性的橫向對比,根據(jù)評價角度的不同，生態(tài)系統(tǒng)服務的重要性可分為供給重要性、需求重要性和供需綜合重要性,因此在相關研究中,“優(yōu)先”這一語義也有多樣的表述形式,如關鍵的(key)、重要的(important/critical)、首要的(priority)、偏好的(preference)等等。值得注意的是,許多研究孤立地基于供給重要性或需求重要性確定生態(tài)系統(tǒng)服務的優(yōu)先級,這類研究雖可為決策準則的確定提供多視角的洞見,但可能難以全面反映社會-生態(tài)系統(tǒng)的真實管控需求,因為低供給重要性的生態(tài)系統(tǒng)服務可能具有高需求重要性,反之亦然。舉例來說,喀斯特地貌區(qū)的水土流失嚴重,其水土保持服務雖然供給量低、供給重要性低,但流失風險高、需求重要性高,因此其優(yōu)先級并不低。生態(tài)系統(tǒng)服務類型優(yōu)先級判斷有客觀和主觀兩類方法。

客觀的生態(tài)系統(tǒng)服務類型優(yōu)先級判斷依賴研究者的理性分析,根據(jù)社會-生態(tài)系統(tǒng)的自然和社會特征進行客觀判斷。供給重要性方面,難點在于各生態(tài)系統(tǒng)服務的量綱不同,可利用貨幣化手段使不同生態(tài)系統(tǒng)服務橫向可比,再以經濟價值為依據(jù)衡量供給重要性[109]。需求重要性方面,常根據(jù)社會生態(tài)系統(tǒng)的敏感性和脆弱性判斷生態(tài)風險,水土保持服務、授粉服務、洪澇調節(jié)服務等都可以采用此方法[110]。若將供給重要性和需求重要性結合,即可得到研究區(qū)真實的生態(tài)系統(tǒng)服務優(yōu)先級,中國生態(tài)功能區(qū)劃便是這一方法的代表性案例。

主觀的生態(tài)系統(tǒng)服務類型優(yōu)先級判斷依賴利益相關者的感性認識,根據(jù)利益相關者的經驗和感知進行主觀判斷。不同身份利益相關者的需求出發(fā)點多不相同,其感知的尺度和角度也隨之變化[111-112],針對社會-生態(tài)系統(tǒng)的復雜性,主觀的生態(tài)系統(tǒng)服務優(yōu)先級判斷推崇和鼓勵多方利益相關者的共同參與[90],以保證生態(tài)系統(tǒng)服務優(yōu)先級和管理目標設置的科學性。陳述偏好法是進行利益相關者經驗和感知調查的主要手段,層次分析法等其他定量工具也有一定輔助應用[113]。介于“優(yōu)先”多樣的解讀方式,為避免歧義,研究者應注意對受訪利益相關者的詢問方式,闡明是需求重要性(如最需改善的)、供給重要性(如質量最好的)還是綜合重要性,避免有偏倚的解釋或引導。陳述偏好法的類型多樣,服務優(yōu)先級調查的具體方式也因研究條件和研究區(qū)域而異。最基礎的方法是進行無排序的選擇,通過被選比例評價生態(tài)系統(tǒng)服務的重要性[100]。再進一步的是讓受訪者進行有限個數(shù)的有排序選擇,其效果類似于李克特賦分。更進一步的是為了獲得更加細致、差異化的強制排序,讓受訪者進行更深入的思考和取舍,比如有限砝碼分配[114]和Q方法等[115- 120]。

3.2 管理權衡決策的求解思路

生態(tài)系統(tǒng)服務管理權衡決策大致可分為兩種思路,一種是基于現(xiàn)狀診斷的管理權衡決策,一種是基于未來場景模擬的管理權衡決策,基于未來場景模擬的管理權衡決策又可分為基于未來假想行動模擬的和基于理想結果模擬的。無論是哪種研究思路,生態(tài)系統(tǒng)服務的管理權衡決策都關注生態(tài)系統(tǒng)服務間的客觀權衡規(guī)律,其區(qū)別在于其聚焦的尺度有所不同。大體上，基于理想結果模擬的思路僅關注大尺度上研究區(qū)整體的生態(tài)系統(tǒng)服務客觀權衡規(guī)律,默認內部各種用地類型的多功能性不變,依靠各用地類型的面積轉移實現(xiàn)管理目標；基于現(xiàn)狀診斷的思路和基于假想行動模擬的思路則更關注小尺度上某種用地類型或區(qū)域單元的生態(tài)系統(tǒng)服務客觀權衡規(guī)律,將小單元或特定地類的多功能性視作可調控的變量,通過制定具體的管理措施及實施空間,使土地的多功能性得到高效地發(fā)揮或優(yōu)化。

3.2.1基于現(xiàn)狀診斷的管理權衡決策

基于現(xiàn)狀診斷的管理權衡決策不涉及情景模擬,僅基于現(xiàn)實的社會-生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)系統(tǒng)服務特征進行優(yōu)化決策。研究者通過分析生態(tài)系統(tǒng)服務的客觀權衡規(guī)律,對雙贏(win-win)、雙損(lose-lose)、權衡(lose-win)的區(qū)域進行定位并探討其成因,進而尋找最均衡、高效的優(yōu)化管理措施和實施空間。一種思路是在權衡關系中區(qū)分“強權衡”和“弱權衡”,并以降低權衡度為原則制定管理方案[121- 123]；另一種思路是尋找“win-win exception”,即尋找理論上本應“權衡”卻實現(xiàn)“協(xié)同”的特例點,通過分析特例點的形成原因來提出社會-生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化方向[49]。

基于現(xiàn)狀診斷的管理權衡決策的一項典型應用,是服務于保護地的外圍邊界劃定和保護地內部的功能分區(qū),即將管理措施限定為“保護”或“恢復”,最大限度地優(yōu)化首選的支持服務和調節(jié)服務,基于生態(tài)系統(tǒng)服務的客觀權衡規(guī)律去尋找雙贏或低權衡的地區(qū),并結合經濟預算建立高效的自然保護網(wǎng)絡[124- 127]。

3.2.2基于未來情景模擬的管理權衡決策

這種研究思路通過模擬替代情景來描述具有不確定性的未來[128]。在基于假想行動的情景模擬研究中,研究者預設若干替代情景,每個替代情景都有明確的管理行動,包含著明確的管理措施和實施空間,每個替代場景都代表著一種管理方案,研究者分別模擬各替代情景中生態(tài)系統(tǒng)服務的情況,并結合決策準則挑選出較優(yōu)的管理方案。而在基于理想結果的情景模擬研究中,研究者僅預設一種替代情景,這一替代情景具有明確的管理結果,代表著一系列可能的管理方案,研究者需要反向演算出這一系列可能的管理方案,并結合決策準則和可行性分析從中挑選較優(yōu)的結果。兩者分別代表著MCDA的兩種類型，即多屬性決策(MADA)和多目標決策(MODA)，基于假想行動的情景模擬屬于MADA，基于理想結果的情景模擬屬于MODA。

基于假想行動的情景模擬研究中,結合管理目標和研究條件,科學地進行替代情景的預設至關重要,可以從生態(tài)系統(tǒng)、景觀和政策三個層面入手。①從生態(tài)系統(tǒng)層面入手：改變森林[129-130]、農田[131]等生態(tài)系統(tǒng)的種植結構和管理方法,通常需要利用實驗觀測數(shù)據(jù)調整預測模型的參數(shù)。對此,李雙成等[132]總結歸納了5種生態(tài)系統(tǒng)服務的優(yōu)化措施,可作為替代情景設定時的參考。②從政策層面入手：模擬退耕還草、植樹造林、生態(tài)補償?shù)拳h(huán)境政策的影響,但政策的有效性具有很高的不確定性,模擬難度較大[42, 133]。③從景觀層面入手：改變不同景觀分區(qū)的管理模式和景觀組分,比如保護區(qū)劃變更[134]、城鄉(xiāng)用地變化[135-136]、景觀連通度增加[137],通過元胞自動機[138]、馬爾科夫鏈、系統(tǒng)動力學等方法模擬。

基于理想結果的情景模擬研究中,理想的管理結果通常以約束條件的形式表達,研究者運用線性規(guī)劃或啟發(fā)式算法(如遺傳算法、模擬退火算法、粒子群算法、蟻群算法等)對各用地類型進行數(shù)量規(guī)劃,尋找理論上的滿意解,再利用土地利用模型實現(xiàn)用地數(shù)量的空間化表達,探索實現(xiàn)帕累托最優(yōu)的條件和方案。比如,Accatino[139]為了探索提升畜牧生產的同時不犧牲其他服務的優(yōu)化方案,設下了畜牧業(yè)增產且木材、農作物不減產的約束條件,對法國全域范圍內的土地利用格局進行了重新規(guī)劃。又如馬冰瑩等[140]設置了“生態(tài)保護”“經濟發(fā)展”“統(tǒng)籌兼顧”等理想的管理結果,并根據(jù)四種結果提出了相應的約束條件,從而對京津冀城市群的土地利用進行了優(yōu)化配置。

這兩種思路各有千秋?；诩傧胄袆舆M行情景模擬得到的管理方案可行性較高,但由于研究者思路和想象力的局限性,預設替代情景的數(shù)量有限,研究結果大概率為次優(yōu)方案?；诶硐虢Y果進行情景模擬較易獲得最優(yōu)方案,然而受限于社會、自然和文化的因素,最優(yōu)方案的可行性低,使得許多研究退而求其次地選用次優(yōu)解推算出的次優(yōu)方案,研究結果雖同為次優(yōu)方案卻更具啟發(fā)性。但整體而言,這兩種情景模擬過程中管理政策、社會-生態(tài)系統(tǒng)結構和生態(tài)系統(tǒng)服務之間的復雜聯(lián)系仍缺乏探討,模型參數(shù)設置的科學性不足,且結果缺乏驗證,很多研究的理論意義仍強于現(xiàn)實意義。

4 研究展望

在理論和方法創(chuàng)新方面,應基于現(xiàn)有的生態(tài)系統(tǒng)服務級聯(lián)模型提出生態(tài)系統(tǒng)服務權衡的研究范式,細化引入生態(tài)系統(tǒng)服務權衡分析工具,整合客觀權衡規(guī)律和管理權衡決策,提升客觀權衡規(guī)律研究的應用指向。為此,在客觀規(guī)律探索問題上,要深化對形成權衡規(guī)律的驅動機制的研究,探索管理政策、社會-生態(tài)系統(tǒng)結構和生態(tài)系統(tǒng)服務變化之間的復雜聯(lián)系和反饋、響應機制。并針對生態(tài)系統(tǒng)服務的非線性特征,開展多時空尺度耦合研究,明確權衡規(guī)律的穩(wěn)健性。在管理權衡決策問題上,應重視決策標準的設置,加強多方參與決策,深入探討生態(tài)系統(tǒng)服務和人類福祉的聯(lián)系,使權衡準則更加貼近區(qū)域管理的真正需求,提升決策結果的可行性。雖然在WOS上以“ecosystem services tradeoff”為主題進行搜索,中國地區(qū)的發(fā)文數(shù)量居世界領先水平,但整體而言,國內學者在實證研究方面更顯優(yōu)勢,在研究框架構建和方法模型創(chuàng)新方面卻略落后于國際,這應當是未來一段時期的研究要點。

在實證研究方面,國內實證研究的研究區(qū)分布略顯不均,尤其是主觀權衡決策的研究主要集中于城鄉(xiāng)交錯帶或大城市群等人為活動壓力較大、經濟發(fā)展需求較高的地區(qū),在自然保護地等高生態(tài)保護需求的地區(qū)相對欠缺。我國自然保護地人口稠密,保護地內及其周邊地區(qū)所構成的社會-生態(tài)系統(tǒng)同樣面臨著多發(fā)展目標相互矛盾、各利益相關方的生態(tài)系統(tǒng)服務需求難以兼顧、需要進行權衡決策的問題。因此,國內學者在后續(xù)權衡決策研究中不應將目光局限于城鄉(xiāng)交錯帶或大城市群,可嘗試將目光轉移,填補我國對自然保護地多目標管理的空缺,細化考量不同類型保護地不同管理目標下如何利用生態(tài)系統(tǒng)服務權衡管理實現(xiàn)生態(tài)保護和社區(qū)發(fā)展的協(xié)同提升問題。