地球科学进展, 2020, 35(8): 804-815 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.069

综述与评述

生态系统服务研究进展与展望

于德永,1,2, 郝蕊芳3

1.北京师范大学地理科学学部,地表过程与资源生态国家重点实验室人与环境可持续性研究中心,北京 100875

2.青海省人民政府—北京师范大学高原科学与可持续发展研究院,青海 西宁 810008

3.北京林业大学水土保持学院,北京 100083

Research Progress and Prospect of Ecosystem Services

Yu Deyong,1,2, Hao Ruifang3

1.Center for Human-Environment System Sustainability (CHESS), State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology (ESPRE), College of Resources Science & Technology, Faculty of Geographical Science, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

2.Academy of Plateau Science and Sustainability, People's Goverment of Qinghai Province & Beijing Normal University, Xining 810008, China

3.School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

收稿日期: 2020-05-09   修回日期: 2020-07-15   网络出版日期: 2020-09-15

基金资助: 国家自然科学基金面上项目“气候变化背景下内蒙古中西部地区土地利用与生态系统服务的定量关系研究”.  41971269
青海省重大科技专项项目“青海省生态价值总量和时空差异的量化”.  2019SFA12-A010204

Received: 2020-05-09   Revised: 2020-07-15   Online: 2020-09-15

作者简介 About authors

于德永(1973-),男,辽宁朝阳人,教授,主要从事景观生态学与土地系统设计、城市生态学与城市规划研究.E-mail:ydy@bnu.edu.cn

YuDeyong(1973-),male,ChaoyangCity,LiaoningProvince,Professor.Researchareasincludelandscapeecologyandlandsystemplanning,urbanecologyandurbanplanning.E-mail:ydy@bnu.edu.cn

摘要

生态系统服务是指人类从自然生态系统中获得的惠益。加强气候变化背景下景观格局与生态系统服务的定量关系研究,在此基础上优化区域土地系统,是提高区域/景观提供生态系统服务能力的重要途径。评述了生态系统服务测量、相互关系和优化管理研究进展和存在的问题。强调生态系统服务物质量准确测量是价值化的基础,约束线方法在刻画生态系统服务相互关系的非线性特征和阈值方面具有较大潜力,应从人与环境耦合系统整体性出发,研发新一代的地球系统模式,在区域尺度上优化生态系统服务,这是实现区域可持续发展的景观可持续科学途径。

关键词: 区域可持续发展 ; 人与环境耦合系统 ; 地球系统模式 ; 约束作用 ; 土地系统设计

Abstract

Ecosystem services refer to the benefits that humans obtain from natural ecosystems. Landscape pattern is closely related to ecosystem processes/functions. Understanding the quantitative relationship between landscape pattern and ecosystem services in the context of climate change is an important way to improve the ability of a region/landscape to provide ecosystem services. This article reviewed the progress and existing problems in the research field of ecosystem service measurement, mutual relationship and optimal management. This article emphasized that the accurate measurement of the amount of ecosystem services is the basis of valuing it, and the constraint line approach has great potential in portraying the nonlinear relationship and threshold characteristics of ecosystem services. It is necessary to start from the integrity of human-environment coupling system to develop a new generation of earth system models and optimize regional ecosystem services on this basis, which is a landscape sustainability science approach to achieve the goal of regional sustainable development.

Keywords: Regional sustainable development ; Human-environment coupling system ; Earth system modeling ; Constraint effect ; Land system planning

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本文引用格式

于德永, 郝蕊芳. 生态系统服务研究进展与展望. 地球科学进展[J], 2020, 35(8): 804-815 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.069

Yu Deyong, Hao Ruifang. Research Progress and Prospect of Ecosystem Services. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(8): 804-815 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.069

1 引 言

生态系统服务概念萌芽于20世纪60年代。最初,生态系统服务以“环境服务”的形式首次出现在文献中[1],Westman[2]将其描述为“自然服务”。生态系统服务(Ecosystem services)术语在1982年被正式提出[3]。Daily[4]将生态系统服务定义为:生态系统形成并维持人类赖以生存和发展的环境条件和效用。生态系统为满足人类生计和福祉提供各种关键生态系统服务,食品、能源、水、原材料等维持人类生计和福祉的关键生态系统服务已经成为联合国2030年要实现的17个可持续发展目标的重要组成部分[5]

据联合国预测,21世纪末全球人口数量将突破100亿[6],面对全球人口快速增长和日益变化的需求,关键生态系统服务的供给日益受限,数十亿人的需求无法得到充分满足[7]。大量增加的人口对关键生态系统服务的需求量也将大幅增加。生态系统服务有限供给能力与人类巨大需求之间的矛盾使自然生态系统承受着巨大压力。过去50年近60%的已知生态系统服务发生了退化[8]。生态系统调节服务的下降尤为引人关注,未来情景模拟显示生态系统服务下降的趋势不容乐观[9]

生态系统服务的退化有许多原因,包括制度与政策缺陷、科学知识的不完备、突发事件及其他因素等,但大部分生态系统服务的退化是由生态系统过程尺度与人类管理尺度的错配产生的[9~11]。目前全球正面临深刻的环境危机,这场危机主要由3个因素引发:人口的快速增长及经济活动,自然资源的过度利用,对生态系统和生物多样性广泛而日渐加深的破坏。在这样的背景下,人类社会的可持续发展已经成为21世纪的主要议题和巨大挑战。

土地系统是生态系统服务的载体,过去的土地利用过分侧重生态系统供给服务,而对生态系统支持服务和调节服务重视不足,结果造成了人地关系矛盾突出、区域环境质量下降的尴尬局面。土地利用—景观格局—生态过程/功能—生态系统服务定量关系分析是揭示生态系统保护、恢复与重建机理的关键。在气候暖干化和气候变率增大的背景下,调整土地利用类型、强度和空间分布(即优化景观格局),促进生态系统供给服务、调节服务和支持服务的相互协调发展,减少各类生态系统服务之间不必要的权衡是防范生态风险、促进区域可持续发展的重要抓手和保障。

本文通过评述生态系统服务测量、作用关系和优化管理相关研究进展,倡导在气候变化背景下建立土地利用—景观格局—生态过程/功能—生态系统服务—人类福祉为一体的景观可持续科学研究框架,以促进区域可持续发展。

2 生态系统服务与区域/景观可持续性

Costanza等[14]将生态系统服务分为17大类,只包括可再生的服务,不包括不可再生的燃料和矿物质等。联合国新千年生态系统服务评估提出将生态系统服务分为支持服务、供给服务、调节服务和文化服务四大类[9]

生态系统服务是人类社会与自然生态系统联结的桥梁,是满足人类多层次福祉的前提和保证,各类生态系统服务之间不是独立存在的,而是存在着复杂的相互作用(图1)。支持服务(如生物多样性)是供给服务、调节服务和文化服务的基础。景观可持续性是指在一定区域背景下,不管环境和社会文化如何变化,特定景观能够不断、稳定、长期地提供生态系统服务,用以保持和改善人类福祉的能力[15]。在气候变化、土地利用/覆被变化、社会经济等耦合因素影响下土地系统能够稳定提供满足人类福祉需求的支持服务、供给服务、调节服务和文化服务,是研究生态系统服务维持机制和生态系统服务优化管理的核心。景观可持续性在很大程度上是衡量不同尺度的景观提供满足人类福祉、具有景观特色的生态系统服务的能力[16,17]

图1

图1   生态系统服务的驱动机制及与人类福祉的耦合关系

Fig.1   Driving mechanism of ecosystem services and the coupling relationship with human well-being


将生态系统服务的载体—土地利用类型视为区域可持续发展最重要的基础设施的一部分,将它们定位于多尺度的环境系统—全球、区域、景观、生态系统的范围内,从多尺度(时间和空间)、多过程(物理过程、生物物理过程和社会经济过程)、多维度(社会、经济和环境)角度才能准确研究景观格局—生态系统服务的定量关系,基于此才能制定土地利用和景观格局优化方案。因此,各土地利用类型提供生态系统服务的能力受其所属高等级景观/区域的影响和约束,镶嵌在周围更大尺度和更高等级景观/区域内的人与环境系统范围内。

气候趋向、波动和极端变化的不稳定性特征,地形地貌、土壤和植被等自然要素的空间分异或过渡性特征,人类活动(如城市化、农牧业生产和生态建设等)造成的景观镶嵌特征,这些因素共同影响景观格局与生态系统服务的定量关系,即一方面土地利用变化影响生态系统服务的种类、数量和空间分布;另一方面人类为了适应气候变化或调整社会经济发展目标改变对生态系统服务的需求而影响土地利用的类型、强度和空间配置。过去数十年的人类某些生态治理措施虽然在一定程度上缓解了生态系统退化的程度,但环境恶化仍广泛存在,究其根本原因是没有从区域/景观尺度上处理好生态系统支持服务、供给服务和调节服务的种类、数量、空间分布和相互之间的作用关系,缺乏彼此之间的协同,过多存在权衡。因此在气候变化背景下,土地利用—景观格局—生态过程/功能—生态系统服务—人类福祉相互关系的优化是实现区域可持续发展的关键性路径。

本文关于景观格局与生态系统服务定量关系的理论框架(图1)将生态系统服务与景观可持续性、景观弹性、景观脆弱性和适应气候变化的土地系统设计研究建立联系。可持续性需要在全球尺度上实现,但全球可持续性的实现最终依赖于世界范围内的区域/景观可持续性[15,18]

3 生态系统服务研究进展及存在的问题

生态系统服务研究有了2个重要的里程碑,其一是1997年Costanza等[19]Nature杂志发表了“The value of the world's ecosystem services and natural capital”一文,该文利用价值当量法量化了全球生态系统服务的价值,这一重要研究使人们认识到公共环境资源,如清洁的水、生物资源等是有限的,同时也是有价值的,使人们认识到了生态环境提供的公众产品的价值及其重要性;另一个重要里程碑是联合国千年生态系统评估项目(Millennium Ecosystem Assessment,MEA)[9]。MEA的评估工作主要包括:生态系统服务如何影响人类福利?生态系统的未来变化可能给人类带来什么影响?人类应采取哪些对策改善生态系统的管理进而提高人类福利和消除贫困?MEA提出的生态系统服务研究框架体系受到广泛认可和接受,并延用至今。

生态系统服务相关研究主要分为3个研究领域:生态系统服务测量、生态系统服务相互作用关系以及生态系统服务优化管理。目前这3个研究领域都取得了长足研究进展,但也存在诸多问题有待解决(表1)。

表1   生态系统服务主要研究领域及存在的问题

Table 1  Main fields and existing problems of ecosystem service studies

研究领域研究方法优点存在问题

生态系统

服务测量

生态过程模型生态学机理清楚参数化复杂、验证困难
遥感反演模型能够全覆盖表征生态系统质量异质性高精度遥感影像较难获取
土地利用/覆盖替代简单易行难以表征生态系统异质性
野外调查采样精度高不适用于大尺度

生态系统

服务作用关系

权衡与协同简单易行静态、二元化
制图叠加简单易行无法得到定量关系
情景模拟有针对性目标较为单一
统计方法简单易行统计学基础往往难以满足

生态系统

服务管理

驱动机制明晰生态系统服务变化的机制缺乏多类因子综合分析
情景分析服务于政策制定较多假设与现实有偏离
土地利用优化生态系统服务优化目标明确往往局地或局部优化

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3.1 生态系统服务测量

目前,生态系统服务的测量主要包括物质量和价值量。生态系统服务物质量是指生态系统过程或功能产生的,对人类福祉有益的物质流。生态系统服务价值量是指生态系统服务的货币价值。1997年,Costanza等[19]采用价值当量法估算了16个生物群落中的17项生态系统服务价值,这一结果突出了生态系统对人类福祉的重要性,并有力地推动了生态系统服务价值化评估的进展。价值量度量方法主要包括市场价值法、影子工程法、机会成本法、支付愿意法、价值当量法等。价值当量法根据不同生态系统类型的单位面积价值估算整个区域的生态系统服务价值[19~21]。价值当量法本质上是单位面积的不同生态系统类型的生态系统服务价值与生态系统类型面积的乘积。不同地区生态系统的结构和功能存在差异性,同一地区不同时段的生态系统质量也是动态变化的,因此价值当量法是静态的,难以准确测量生态系统的时空异质性和动态变化特征,具有一定局限性。物质量评估方法主要包括生物物理模型法和能值法等。生物物理模型法主要对生态系统过程或功能进行定量表征,能够反映生态系统服务的形成机理,具有良好的生态学基础,近年来应用较为广泛。能值法以世界万物生长所需要的能量直接或间接来自太阳能为依据,计算生态系统物质生产过程中的能量传递过程[22],但该方法在实际应用中数据获取较为困难。

目前,用于生态系统服务评估的模型主要有:ARIES(Artificial Intelligence for Ecosystem Services)[23]、SoLVES(Social Values for Ecosystem Services)[24]和InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services And Tradeoffs)[25]等。ARIES由美国佛蒙特大学开发,可以对生态系统服务流即需求—供给的空间位置进行识别,但该模型尚处于初级阶段,距离实用化还有较远的距离。SolVES模型由美国地质调查局和科罗拉多州立大学联合开发,与调查问卷相结合,主要用于评估生态系统服务的社会文化价值,结果以相对价值指数表示。InVEST模型是由美国斯坦福大学主导开发,主要用于量化淡水生态系统、陆地生态系统及海洋生态系统的生态系统服务物质量。在实际应用中,该模型的参数本地化是关键。InVEST模型的算法主要借鉴和集成了目前已有的相关研究,但对高寒生态系统的生态系统服务评估还难以胜任,对生境脆弱地区例如冰川、冻土、荒漠、荒漠草原、戈壁等的生态系统服务评估还较为缺乏,InVEST模型评估结果的精度验证工作还待加强。随着遥感和地理信息技术的发展,将海量数据与具有良好生态系学机理的模型相结合评估某项生态系统服务、生态系统服务簇(ecosystem service bundle)、生态系统服务链(ecosystem service chain),探究气候变化(平均值变化、波动变化、极端气候事件)、土地利用(类型、强度、时空格局)变化等驱动力对景观格局—生态系统服务—人类福祉的级联(cascading)传导过程及后果成为生态系统服务研究的重要发展方向。

生态系统服务物质量和价值量研究都有各自的优势和不足,生态系统服务物质量的精确评估是生态系统服务价值化的前提和基础。生态系统服务物质量评估基于充分的生态学机理,但各种服务具有不同的量纲,难以累加;基于价值量的生态系统服务评估方法可以将不同量纲的生态系统服务累加在一起,具有建立国民经济绿色核算的潜力,但单纯基于价值量的生态系统服务评估具有很大的主观性。将二者结合起来,在精确表征生态系统过程和功能的基础上,测量生态系统服务物质量,在此基础上制定符合社会经济发展实际的价值化方法,使生态系统服务测量工作真正服务于生态环境建设和提高国民福祉水平是今后生态系统服务测量工作的重点工作之一。

3.2 生态系统服务作用关系

在目前研究中,生态系统服务之间的关系主要分为3类:权衡、协同和无关[26]。“权衡”一词最早来源于经济学,生态系统服务权衡的理念源于自然资源管理学[27]。权衡指一种服务增加,另一种服务减少的情形,引起这种关系的原因有2个:一是不同生态系统服务有相同的驱动力,二是服务之间相互影响。协同指2种或多种服务同时增加或者减少的情形,产生这种关系的原因与权衡相似。另有研究指出,生态系统服务权衡是由于人类对某种生态系统服务的偏好导致这种生态系统服务供给量增加,同时另一些生态系统服务供给量减少的情形,更加强调了人类偏好对生态系统服务的影响[28]。生态系统服务权衡关系可进一步分为空间权衡、时间权衡、可逆权衡和生态系统服务类型之间的权衡[28,29]。时间权衡指短期内为满足某些生态系统服务的使用导致长期的其他生态系统服务降低,比如为了获得短期更高的农业生产力,大量砍伐森林,开垦农田,对净第一性生产力、土壤保持服务等造成影响;空间权衡指人们对区域内某种生态系统服务的偏好导致空间上相同位置或者不同位置其他生态系统服务下降。

目前主要有3种方法研究生态系统服务作用关系:制图叠加分析、统计分析和情景分析。制图叠加分析法基于GIS空间显示方法,通过研究不同生态系统服务图层的空间一致性分析它们之间可能存在的关系[30,31]。制图叠加分析法操作简单、可视性强,但难以得到生态系统服务之间的定量关系。相关分析、均方根误差、玫瑰图等成为衡量生态系统服务相互关系的统计方法[32,33]。采用相关分析研究生态系统服务关系是目前研究中较常见的方法,包括斯皮尔曼(Spearman)相关和皮尔逊(Pearson)相关分析[33~35],相关系数为正则认为两种服务是协同关系,相关系数为负则为权衡关系。情景分析法依据生态系统服务权衡概念,设置不同的人类偏好情景,在增加某种生态系统服务的条件下得到其他生态系统服务潜在供给量的变化趋势,用变化趋势的一致性表征生态系统服务的权衡与协同关系[31,36]。情景是研究者对未来的一种预测,需要在了解生态系统服务关系机理的基础上合理假设,由于其可控性,情景分析法成为研究人类管理措施对生态系统服务影响的主要方法之一。在目前研究中,多种生态系统服务之间的关系也可由生态系统服务簇表征,生态系统服务簇指多个服务重复地同时出现,以此来体现多种生态系统服务分布的一致性,生态系统服务簇可以通过聚类分析方法获得,此类研究较多选择行政区为研究单元[35]

生态系统服务相互作用关系目前主要界定为二元化、静态的权衡与协同关系。然而,自然生态系统进化就是在内外力干扰的作用下由简单到复杂,由低级到高级不断演进的过程。根据生态系统韧性(resilience)理论[37],在一定外力(如气候变化和人类活动)干扰下,生态系统结构和功能能够在一定的韧性阈值或运行路径范围内保持相对稳定。因此生态系统服务作用关系并非总是遵从二元化、静态的权衡与协同关系,统计学方法虽然能够表达生态系统服务之间的定量关系,但是难以解释其生态学机理。此外,相关分析要求数据相对独立且单调分布,但是大多数情形下生态系统服务数据分布并不满足这两个条件。从目前的相关研究中可以发现,两两生态系统服务的二维散点图并不总是围绕某一条直线分布。在气候变化、土地利用变化及自然要素分异等耦合影响下,解释生态系统服务相互作用的依赖性、竞争性和相对独立性动态特征及其生态学机理,或者生态系统服务之间权衡与协同关系是否存在阈值点成为生态系统服务相互作用关系研究的重要任务。

生态系统服务之间的作用关系往往受到多个因子的共同影响,故此反映两个变量相互作用关系的散点图常常会表现为有边界的散点云[38]。散点云所表征的不是两变量之间的相关关系,基于数据均值或中值分析的传统统计方法不适用于散点云为特征的相互作用关系分析。基于此,作者提出了生态系统服务两两之间新的作用关系类型——约束作用关系[38~40]。生态系统服务约束理论与方法可以定量揭示生态系统服务之间依赖性、竞争性、相对独立性作用特征,为优化生态系统组成、空间配置,合理分配资源,促进生态系统服务之间的协同、减少不必要的权衡提供了定量依据,也为预测响应变量的潜在最大值提供了有效手段。

3.3 生态系统服务的优化管理

人类生活在很大程度上依赖于生态系统服务,将生态系统服务概念应用到土地利用设计与优化中有助于理解土地利用格局与土地系统功能对人类福祉的影响,进而有效促进土地系统优化设计,实现区域/景观可持续发展。目前已经有很多研究关注生态系统服务的政策指向作用,为区域/景观可持续发展提供工具与理论依据[15,41]。由于生态系统服务之间存在权衡关系,以某一种生态系统服务增加为目标必然会引起其他生态系统服务的降低,如何尽可能避免生态系统服务权衡关系发生,是目前土地系统优化设计研究中亟待解决的关键问题。Porto等[42]指出土地系统优化设计往往会涉及到存在权衡关系的多个优化目的,在有限自然资源等其他条件的约束下,将土地系统优化目标函数与帕累托效率相结合,能够找到最优设计方案,实现景观服务的最大化。Keller等[43]采用InVEST模型分析了不同土地利用情景下生物多样性、碳固持、养分循环和授粉4种生态系统服务的空间格局变化,提出采用多目标分析方法平衡土地政策对多种生态系统服务的影响,进而优化土地系统功能。Fezzi等[44]选择有权衡关系的农业供给服务与水质调节服务,发现以适应气候变化为目的的土地系统设计与以生态系统服务优化为目的的土地系统设计方案出现矛盾,在制定环境管理措施时应该平衡不同需求。除土地利用/覆盖类型外,景观格局也是土地系统优化设计的重要方面。Mastrangelo等[45]提出景观多功能性的概念与方法,为实现基于生态系统服务的景观设计优化提供理论依据。Albert等[41]提出以生态系统服务为基础实现景观设计的概念框架,这个框架耦合了生态系统服务评估指标,生态系统服务变化驱动力,生态系统状态、压力、作用和反馈等多种模型,为生态系统服务与景观规划之间的权衡提供了理论依据。多生态系统服务指标整合生态系统服务相互关系、生态过程和景观多功能性的概念,为局地尺度的土地管理政策提供了有用工具。Lamarque等[46]分析了不同气候和土地利用情景下生态系统服务簇的空间格局变化,反映了土地系统规划对生态系统服务以及生态系统服务簇的影响。Lawler等[47]研究了不同经济发展情景下潜在市场驱动力如何影响土地利用变化和碳固持、食物供给、木材供给和生物栖息地4种生态系统服务。理解景观格局对生态系统服务的影响,能够为景观设计提供切实可行的政策建议。Jones等[48]设计了景观连接度由高到低和核心面积由高到低不同组合下共25种土地利用/覆盖情景,发现随着林地百分比面积增大,氮磷污染的可能性逐渐降低,通过设计景观格局能够实现多种生态系统服务的最大化。将生态系统服务与景观规划、生态管理和政策制定相结合,理解土地利用/覆盖变化下的生态系统服务权衡关系是优化景观设计的关键步骤。

从以上研究可以发现,土地系统设计与生态系统服务优化研究往往相辅相成,土地利用/覆盖情景分析常常作为生态系统服务优化研究的一种方法,在生态系统服务关系研究的基础上,采用多目标优化等方法平衡多种生态系统服务能够实现土地系统优化设计。需要指出的是,目前关于生态系统服务优化的研究较多侧重于土地系统的优化和人类系统需求的合理表达,较少考虑景观格局变化对气候系统的反馈影响,因此往往是局部或局地尺度的优化,缺乏从全局角度和较大尺度的研究。将生态系统服务纳入应对气候变化,有助于帮助决策者制定出更具成本有效性以及可持续的气候变化解决方案[49]

4 生态系统服务研究展望

4.1 基于生态系统服务的人与环境系统耦合研究

生态系统服务测量和生态系统服务相互作用关系的研究是为了促进生态系统服务的优化管理。然而,目前生态系统服务的优化管理往往是局部或局地优化(表1),需要从多尺度、多维度、多方法角度研究生态系统服务的优化管理对策。

人类系统—大气系统—土地系统共同构成人与环境耦合系统(图2),存在着复杂的耦合作用,直接影响地球系统提供人类福祉的能力。具体而言,大气系统本身向人类系统提供多种气候调节服务,如清洁的空气,适宜的生存条件(图2过程)。人类在满足自身福祉的同时,向大气系统释放二氧化碳等温室气体,改变大气的组成成分及理化性质,引起气温、降水、辐射、风速、湿度、湿热与潜热等气候要素的变化(图2过程)。气候趋势、波动和极端值变化(以空间范围、频率、强度、持续期等指标表征)引起土地系统生物物理参数和景观格局的改变,影响土地系统向人类提供景观服务的能力(图2过程)。例如,未来气候变化情景下,气温、降水、云量(辐射)的平均值及极端值变化对全球生态区的净第一性生产力、碳汇、径流、火灾、生境完整性等均可能产生显著影响[50]。城市化、农牧业生产、生态建设等人类活动也会改变土地系统的物理、化学和生物物理过程,土地系统主要通过生物地球化学途径和生物地球物理途径影响气候系统,并进一步影响气候系统向人类提供气候调节服务的能力(图2过程)

图2

图2   气候系统—土地系统—人类系统相互作用构成人与环境耦合系统

Fig.2   Climate system, land system and human system interact with each other and constitute a coupling human-environment system


地球上有1/3~1/2的无冰表面被人类改造过[51]。大面积的土地利用/覆盖变化通过生物地球化学途径使大气中的化学成分发生变化,从而影响气候系统 [52]。土地利用/覆盖变化通过生物物理途径改变下垫面的生物物理参数,打破地表能量和水分收支平衡,从而导致区域甚至全球气候要素发生变化,其影响贡献甚至占到气候变化的50%。虽然土地利用/覆盖变化通过生物物理途径影响气候系统的相关研究从1975年就开始了[53],但相关研究主要集中在城市热环境研究方面,区域、甚至更大尺度的研究仍然不够,主要原因为:第一,人们重点关注全球尺度的气候变化,忽视了区域尺度的重要性;第二,缺少有效的定量化研究工具。近年的研究表明,人类城市化、生态建设和农牧业生产等人类活动引起的土地利用/覆盖变化通过生物物理途径对区域气候要素产生不可忽视的影响,直接影响人类福祉[54~57]

弄清人类活动作用下的土地利用/覆盖变化对区域气候的影响,通过优化土地系统,有效适应气候变化,成为全球变化研究的关键科学问题。国际科学理事会(International Council for Science,ICSU)于2010年启动了未来地球计划(Future Earth),突出强调了未来全球变化研究的基本目标是在可持续科学的指导下,有效适应全球变化,实现全球可持续发展。目前的地球系统模式(Earth System Modeling,ESM)主要关注土地系统—大气系统或人类系统—大气系统的耦合作用,关注的内容也主要是人类活动在多大程度上引起气候系统的改变,还缺乏基于生态系统服务和人类福祉的人与环境耦合系统的研究。基于生态系统服务的人与环境系统耦合的研究目标是大气系统、土地系统维持在自身环境阈值内的前提下,有效改善和提高二者满足人类福祉的能力。先前的研究已经探讨了地球系统边界(planetary boundary)[58,59]。这些全球尺度的研究发现,目前地球系统已经超越了几个边界阈值(即气候变化、生物圈完整性、土地系统变化和生物地球化学流等)。尽管“地球系统边界”研究框架极大地促进了关于全球可持续性的论述,但由于基础知识与行动之间的尺度不匹配,其潜力尚未得到充分发挥[60]。新一代的ESM应考虑将地球系统边界与生态系统服务和人类福祉耦合,加强多目标下大气系统—人类系统—土地系统耦合作用提供满足人类福祉需要的生态系统服务能力的模拟。

在气候变化背景下,合理规划和约束人类活动,促进满足人类福祉需要的生态系统服务的载体—土地系统管理的持续优化,使自然环境能在长时期、大范围不发生明显退化、甚至能持续好转,同时满足当地社会经济发展对自然资源和高质量环境的需求,实现人与环境系统整体利益最佳,而非局部利益最佳,即有序人类活动[61,62]。当前全球气候变化适应研究中一个至关重要但一直被忽略的途径是景观/区域途径[17,63]。加强土地利用—景观格局—生态过程/功能—生态系统服务—人类福祉的相互关系研究是构建可持续性景观的基础。通过景观和区域尺度上的有序人类活动,优化土地利用空间格局,在减缓和适应气候变化的同时长期维持和改善生态系统服务与人类福祉,是实现区域可持续发展的必由之路。

4.2 基于生态系统服务的可持续性景观构建

人类面对空前紧迫的环境与资源问题,进行了广泛而又深入地思考。可持续科学在这样的背景下蓬勃发展,成为人类探讨解决环境与资源问题,提高人类福祉的有力工具,显示出强大的生命力。从1939年德国地理学家Carl Troll提出景观生态学的概念开始,景观生态学就强调格局与过程、多尺度与等级理论研究以及空间显式等,尤其近年来生态系统服务成为景观生态学与可持续科学联合研究人类可持续发展的核心议题之一,构建可持续性景观成为当前学术界研究的热点与难点问题。气候变化和人类活动是导致景观格局变化和生态系统服务变化的主要驱动力。从区域/景观尺度上加强生态系统服务的优化管理,是合理利用土地资源的重要保证。本文建议的可持续性景观构建研究框架如图3所示。

图3

图3   可持续性景观建研究框架

Fig.3   Research framework of sustainable landscape architecture


区域是生态系统服务管理可操作的尺度,景观按来源及人类影响程度可分为自然景观、半自然景观、农业景观和城市景观,景观具有环境、社会和经济属性,区域是各种景观构成的镶嵌体,强调景观组成、配置和各种生物物理参数的时空异质性,气候趋向性变化、波动性变化和极端气候事件也会影响景观格局。生态系统是人类直接管理和优化生态系统服务的尺度。从区域尺度上探讨景观格局优化,从生态系统尺度上探讨植被群落配置合理性,在物种水平上探讨提高生态系统服务供给能力的管理措施。研究气候变化和人类活动影响下生态系统服务种类、数量和渐变—累积—突变特征以及各类生态系统服务约束作用关系及特征值,科学地认识生态系统服务的维持机理和动态变化的驱动力,辨识区域生态系统服务种类、数量和时空格局分布的主导影响因子,进而调整和优化土地利用类型、强度和空间配置,提出自然景观保护、半自然景观修复、农业景观改良、城镇景观合理布局的区域土地系统优化方案,在等级发展目标下改善和提高区域/景观提供满足人类福祉的生态系统服务的能力。

5 结 语

从生态系统服务这一术语被正式提出开始,生态系统服务相关研究工作至今已经走过了近40年的历程,正日益显示出强大的生命力,近年来出版的论文和书籍呈快速增长趋势。生态系统服务优化管理成为可持续科学和景观可持续科学研究的热点和前沿科学问题,生态学、地理学、景观生态学、大气科学及社会科学等交叉学科和跨学科的理论和方法极大地促进了生态系统服务的研究进展。生态学、地理学、大气科学等传统高高在上、与大众相距甚远的阳春白雪学科汇聚在生态系统服务的研究框架内,成为推动生态系统服务研究,服务于满足人类福祉的应用学科。以应用为导向的生态系统服务测量、相互作用关系和优化管理研究将大大促进和带动相关学科的发展,甚至产生新的交叉学科。生态系统服务已经成为人类社会可持续发展的核心落脚点,形象化和具体化了人类社会可持续发展面临的问题实质,并明晰了解决方案和途径。

党的十八大报告提出了“生态文明”建设的国家战略,以“正确处理人与自然关系为核心,以解决生态环境领域突出问题为导向,保障国家生态安全,改善环境质量,提高资源利用效率,推动形成人与自然和谐发展的现代化建设新格局”。习近平总书记提出了 “绿水青山就是金山银山”、“山水林田湖生命共同体”、“人与自然和谐共生”、“像对待生命一样对待生态环境”等生态文明建设的核心目标。在区域尺度上科学设计土地系统,合理利用土地资源,构建具有等级层次和多功能的特色可持续性景观,在气候变化背景下使土地系统在整体不退化的前提下不断提供满足人类福祉需求的高质量生态系统服务是落实生态文明建设国家战略的重要抓手和实现途径。

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