流域生态系统服务研究趋势

　　笔者在总结国内外有关流域生态系统服务研究动态的基础上,归纳流域生态系统服务的分类和评估方法,重点阐述流域生态系统服务的特点和内涵,总结分析该领域的研究重点和发展趋势,以期为流域生态补偿、生态修复和流域综合管理的相关研究提供参考。

　　流域生态系统为人类提供各种服务:以丰富的水资源哺育人类、灌溉农田、净化环境,以广阔的水域维持生物多样性,以干、支流为联系纽带沟通全流域,以蕴藏的巨大水能为流域经济发展提供动力。然而,随着全球气候变化和人类活动干扰加剧,流域土地利用/覆盖发生变化,自然生态环境遭到破坏,水土流失加剧,生物多样性降低,水体污染和富营养化问题越来越突出,已严重影响到流域生态系统服务[1],导致经济发展和生态保护之间的不平衡[2]。当前,流域管理是一个棘手的问题,如何协调社会经济发展和生态环境保护,解决各类开发活动引起的资源冲突和生态环境问题,需要综合考虑资源环境现状和社会经济活动等因素制定相应政策[3-4]。

　　流域生态系统是由社会-经济-自然生态系统组成的巨型复合生态系统,由于地域分布差异,各子生态系统的大小、形状、数量、类型、构型也存在不同,这些都将影响流域能量流动、物质输送和物种变化。流域生态系统通过水与碳、氧、氮、磷等物质的循环过程得以维系,其中水文过程(水资源、水环境)是流域生态系统健康和社会经济持续发展的关键制约因素,与水资源有关的生态系统服务已成为该领域的研究重点。由于大部分生态系统服务价值无法在常规的商品市场得到反映,因此在经济发展决策中得到的权重或关注度通常较小。如果能够量化这些价值,可促使人们全面认识流域生态系统在支撑经济建设、维护生态系统健康和保障生态安全方面的地位和作用,也有利于帮助决策者寻求合理的流域资源配置和生态系统管理方法[5]。生态系统服务的定量评估也是制定流域生态补偿机制、实施生态修复的重要依据和科学基础[6-8]。

　　1 国内外研究动态

　　当前有关生态系统服务的研究已经成为生态经济学领域的研究热点[9-10]。特别是1997年COSTANZA等[11]在《Nature》上发表的有关全球生态系统服务价值评估的文章,掀起了生态系统服务研究的热潮,在全球、国家、市、县、区域、流域等不同空间尺度上,针对森林、草地、农田、湿地、海洋等不同生态系统类型的研究广泛开展。中国当前处于经济发展与生态环境矛盾最为突出的特殊时期,近年来该研究领域发展较快,但总体处于概算式研究和模仿研究的初步阶段[12-18]。

　　流域生态系统服务价值评估是近年来该领域逐渐兴起的研究方向。国际上(主要是欧洲、非洲和美洲),大多基于流域管理、土地/水资源利用、经济政策制定、公众教育等目的,评估流域水资源、水土保持、减轻灾害等各类生态系统服务价值[19-21],权衡分析经济服务和生态服务、流域上游保护与下游经济的关系[4],探讨农业发展、土地利用变化和不同政策措施对流域生态系统服务价值的影响[2,20,22-24],并尝试采用直观的分类描述和评估结果以使公众更容易认识和理解所处生态系统的价值[25]。国内方面,已有关于黑河、海河、淮河、黄河、太湖、洞庭湖、延河下游、玛纳斯河、石羊河、鄱阳湖和九龙江等流域生态系统服务价值评估的报道[21,26-29],当前的研究重点是评估各种人类活动(土地利用变化、农业措施、水力发电等)对流域生态系统服务的影响,并与流域上下游补偿机制相联系[7]。目前,国内流域尺度的生态系统服务研究主要套用全球或区域尺度的研究方法,其相关评估方法、指标体系和赋值标准各不相同,流域生态系统服务评估的特点和内涵也未见明确阐述。

　　2 流域生态系统服务的分类和评估方法

　　2.1 流域生态系统服务的分类

　　生态系统服务是自然生态系统向人类福利传送的物质、能量和信息流。20世纪90年代开始,研究者从不同学科或跨学科视角,基于不同目的和研究尺度提出了生态系统服务的各种分类方法,整体上以Costanza、De Groot以及MEA(千年生态系统评估小组)的分类体系最具代表性[30]。由于生态系统本身的复杂性、时空异质性以及评估目的不同,目前所有分类体系都可能存在一定的不合理性和局限性[31-32]。由表1可见,随研究目的不同(如通过评估影响公众选择和政策制定、平衡上下游的保护与发展、加强流域资源管理、提高公众认知、构建绿色GDP、揭示人类活动影响机制等),流域生态系统服务的分类或指标体系也呈现多样化特征,但主要包括水资源、农产品和原材料、水和气候调节、水土保持、生物多样性以及文化娱乐这6大类。其中,水资源包括工农业用水、生活用水和船舶运输等;水或气候调节包括水体自净、防洪、基流、固碳作用和固氮作用等;水土保持包括维持土壤肥力、减少土地废弃和减轻泥沙淤积等;生物多样性包括生物栖息地、珍禽特有越冬地和植被生产力等;文化娱乐包括狩猎和捕鱼、湿地景观、水鸟景观、科考旅游等。据案例统计,水资源、农林牧副渔产品、水调节、水土保持和文化娱乐是目前流域尺度生态系统服务研究最为关注的内容。由于目前对于流域生态系统服务分类与价值评估方法还没有形成统一认识,赋值标准也不一致,导致评估结果难以直接比较。

　　2.2 流域生态系统服务价值评估方法

　　国内外对全球、区域、流域等不同尺度生态系统服务价值评估的方法可分为市场价值法、替代市场法和假想市场法3大类,具体包括市场价格法、生产率变动法、享乐价格法、旅行费用法、支付意愿法、成本费用法和收益转移法等。采用这些方法计算获得的流域生态系统服务价值主要反映人类的需求,但并不能完全体现它对整个流域可持续发展的贡献,对流域生态系统“隐性”的生态功能(比服务功能更重要,是提供生态服务的基础)还很少也很难进行定量估算。对于流域尺度的生态系统服务评估,虽然可以借鉴全球或区域尺度生态系统服务的评估方法,但无法完全反映流域生态系统的特性。近年来,不少学者对流域尺度的生态系统服务评估方法作了改进和探索,主要包括3个方面:

　　(1)在评估中融入社会因素,考虑流域利益相关者的支付意愿。将自然、经济和社会作为一个整体,在评估中考虑生态系统产品和服务的社会价值[37];考虑流域居民和政府部门等利益相关者对生态系统服务和资源保护的支付意愿或补偿意愿[38-41]。通过公众调查(包括流域居民、专家和管理者),可以对不同生态系统服务的重要程度进行排序[25]。支付意愿调查法可以广泛用于那些间接的或不可见的生态服务评估,但缺点是受限于调查者的主观意识和对相关专业知识的了解程度[25],还受到家庭年收入、对政府的信任程度和环境保护意识等因素的影响[42],易造成评估结果的不确定性。此外,使用层次分析法确定评价因子的权重[36,43],也可以反映各类生态系统服务对利益相关者的重要程度。

　　(2)强调生态系统服务价值时空变化的表达,运用GIS技术建立相应的评估模型。由于生态系统服务存在高度的时空异质性,运用GIS技术能够实现对于生态系统服务价值的空间分析和可视化表达[22]。而且基于GIS建立的各种评估模型可用于模拟和分析整个流域生态系统服务的分布情况[33,44],使流域生态系统服务的动态化表达成为可能[45],可视化的评估结果更直观,对实践的指导也更具针对性和实用性。

　　(3)强调生态系统服务的综合评估应基于长期的生态系统监测。试验监测结果能为生态系统服务的定量评估提供基础数据[35]。由于我国的生态环境监测网络尚不健全,流域研究成果零散,不足以支持流域生态系统服务的长期动态变化评估。针对数据缺乏问题,唐增等[46]应用最小数据法,通过分析土地利用收益的空间分布计算生态系统服务机会成本,进而推导出生态系统服务供给曲线,该方法对数据要求低,计算简单,可以满足生态系统服务付费(生态补偿)政策分析的需要。

　　目前,流域生态系统服务价值主要从生态学和经济学2个角度进行计算[47]。生态系统服务的生态学价值通过生产成本理论估算,未考虑消费者偏好。生态系统服务的经济学价值主要源于生态系统服务的交换价值,以消费者偏好为基础,未充分考虑生态系统内部的生态学机制和公共服务性。这些评估方法通过量化流域生态系统服务价值,引导人们有效使用自然资源,协调经济发展与生态环境之间的失衡问题,但很少考虑人文心理和社会经济因素[33,48]。此外,受技术限制,现有评估方法大多没有考虑生态系统的结构与状况,如未将森林生态系统的幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林区分对待,使得最后的评估结果往往偏差较大,难以直接应用于流域管理、生态补偿或生态修复相关政策的制定。因此,在当前大力实施生态工程的背景下,如何在评价体系中将生态系统结构进行细化是今后生态系统服务量化研究的一个重点。

　　3 流域生态系统服务的特点和内涵

　　Ehrlich于1983年首次提出“生态系统服务”的概念。广义的生态系统服务包含生态系统产品和服务,其被大多数学者接受的定义是生态系统能够生产、输送和维持的一系列人类认为最重要的产品或服务,衡量生态系统服务价值的标准是人类可以从生态系统中获得惠益的多少。该定义在内涵上侧重于生态系统对于人类发展的支撑意义,也反映出以人为中心的发展观和价值观。然而,人们往往忽视了生态系统的生态功能(包括物质循环、能量流动和信息传递)是提供生态系统服务的重要前提。生态系统服务在不同空间尺度上应该有不同的特点和内涵。

　　由于流域特殊的地理特征,对于流域尺度的生态系统服务应重点考虑以水循环过程和水生态过程为纽带的生态系统产品或服务,其核心价值表现为水资源和水环境在支撑流域社会经济发展、维护生态系统健康、保障生态环境安全等方面的作用。流域范围内的森林、草地、谷地、平原通过河流湖库水系(包括地表水和地下水)构成一个整体生态系统,从而实现物质、能量、信息的传递和循环。人们大多选择在水资源丰富的区域生产和生活,导致河流上下游、左右岸、农村和城市等不同地理单元的社会经济形态存在空间差异,经世代繁衍逐步形成流域人类文明。因此,流域尺度的生态系统服务主要涉及水资源服务和水生态服务两大类。前者包括工农业和商业用水、市政用水、娱乐休闲等,属于可见、直观的直接利用价值;水生态服务主要包括水调节、气候调节、水土保持、污染削减和水体净化、提供与生物多样性保护相关的生境或栖息地等,总体属于间接利用价值或支撑性服务。

　　流域居民和管理者最为关心的生态系统服务类型是水资源服务,它是人类生存与社会经济发展的重要支撑。虽然水资源的价值可以在市场经济体系中得到量化,但由于水权界定模糊,其仍然具有公共物品属性,加上人类对水资源存在超额需求,容易产生水资源浪费、用水冲突、分配困难等资源配置性问题。水生态服务长期以来不受重视,一方面是由于其与生产、生活没有直接关系,价值难以量化;另一方面,传统的自然资源管理以行政区划为单元,无法在流域尺度上统筹考虑河流上下游、左右岸这一整体生态系统。受地理气候条件影响,流域生态系统存在明显的分布格局,尤其是大江、大河流域,其上、中、下游在生态系统结构与功能上存在明显差异,如上游可能是荒漠,中游主要是森林和草地,下游主要是耕地和人工湿地等。受资源禀赋限制,流域内各地区人口分布和经济发展并不平衡,流域各行政区之间在水资源或水生态服务的利用上必定产生冲突。流域生态系统服务在空间上存在流动性(如河流)和累积性(如梯级电站大坝)的特点,在时间上也存在长期累积效应(如营养盐结构变化导致生境模式改变和生态系统演替)。人们对流域上、下游生态系统的保护或破坏行为在环境经济学上表现为正外部性或负外部性问题,而这些问题未能在传统的国民经济核算体系(GDP)和“各自为政”的经济决策中得到平衡。流域生态补偿是解决流域社会经济发展中公平与效率问题的重要途径,也是实现流域综合管理和基于生态系统管理的基础。因此,流域生态系统服务研究应融合水资源服务与水生态服务为一体,在流域尺度上,基于生态系统健康或生态环境安全的考虑,评估生态系统服务的空间分布及其动态变化,并通过合理的评估方法量化生态系统服务价值,将其纳入社会发展与生态保护决策机制。

　　4 生态系统服务与基于生态系统的流域管理

　　当前水质恶化、富营养化、水土流失和生境破坏等流域性问题凸显,人们逐步认识到人口增加和经济快速发展对流域生态系统服务的负面影响——生态系统被破坏,进而导致生态系统服务损失。目前国际上推崇流域综合管理和基于生态系统的管理理念,我国的水资源管理也在向流域管理和区域管理相结合的模式转变。毫无疑问,流域社会经济的可持续发展取决于生态系统功能的稳定性和生态系统服务的持续性,在流域综合管理框架下要综合考虑水资源服务和水生态服务,污染防治与生态修复并重。

　　国内外已有大量生态修复工程和生态补偿机制的实施案例,需要特别指出的是,对生态修复工程的后续评估,必须通过第三方基于生态系统过程和功能(如湿地用于营养盐削减)开展的科学试验,评估修复后的资源、生境及其提供的服务是否等同,而不仅仅是简单的价值量化。若不能确保生态修复工程可完全抵偿已受损的生态系统服务,这种生态修复机制就会鼓励开发者不断占用生态环境资源(如将湿地转为建设用地,与支付的生态补偿金相比,其收益远高于成本),进而导致生态环境持续恶化[8]。当然,在生态修复成本很高或者修复措施不可行时,经济价值评估也可作为征收生态损害补偿金的重要依据。在实践中,目前还未建立生态系统服务的科学评估体系和配套的政策、财政机制,无法将自然资本核算纳入资源管理决策和生态补偿机制中[49],对相关政策的实施结果也缺乏第三方进行客观的监测与评估[50]。从这个层面来看,流域生态系统服务评估是联系自然科学、环境经济学与管理科学的桥梁,是基于生态系统的流域管理的一个衡量基准。

　　5 总结与展望

　　在人类活动和全球气候变化的叠加影响下,流域生态系统提供产品和服务的能力受到了不同程度的损害,流域生态系统是否可持续已成为一大挑战。人类除了在科学研究上认识生态系统,在技术工程上实现生态修复,还应从社会、经济和人文层面,利用以市场为主导的政策方法,引导水资源分配机制向促进供给服务、调节服务和水生态系统支撑性服务的可持续发展方向转变[23]。

　　当前已进入地球系统科学时代,针对流域生态系统服务的研究,首先要认识到流域生态系统的复杂性,特别是受人类干扰日益强烈的水生态系统,其生态过程、生态功能和生态服务与社会福利之间存在非线性相互作用关系,生态系统服务呈现出高度的空间异质性和动态性。因此,生态系统服务研究的首要任务是将自然过程与社会过程、经济过程相联系。在研究思路上,要注重科学研究与应用实践的对接,加强科学家与管理者的对话,将评估结果转化为能够被决策和管理者直接应用的科学依据;在研究内容上,重点研究“生态过程-生态功能-生态服务-获得利益”之间的关系;在研究手段上,强调跨学科交叉、生态系统服务动态评估模型以及“3S”技术的综合应用。

　　在全球生态系统服务研究快速发展的学术背景下,流域生态系统服务研究将更加注重水生态系统服务评估的相关理论和方法学研究。通过系统性研究和多学科综合研究,推动评估指标体系和赋值标准的规范化,建立一套适用于流域尺度生态系统服务的科学有效的评估方法,是当前该领域研究的主要任务。相信随着生态系统科学研究的深入,流域生态系统服务评估可为流域生态环境保护和流域综合管理提供更有力的支撑

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