人地系统耦合框架下的生态系统服务

       1 引言

       作为连接自然环境与人类福祉间的桥梁，生态系统服务研究正经历着迅速发展，已成为当前地理学、生态学等领域研究的热点领域和重点方向(欧阳志云等，2000；Sutherland et al,2006；傅伯杰等，2009，2014；李文华等，2009；Costanza et al,2017)。人地系统是地理学研究的核心内容，生态系统服务作为耦合自然过程与社会过程的桥梁与纽带，为人地系统耦合研究提供了新的理论支撑。以生态系统服务为核心，近年来学者们在探讨景观格局与生态过程作用机制、辨析生态系统服务权衡协同机制及其与景观可持续性互馈关系中，逐渐形成了“格局—过程—服务—可持续性”的研究范式(赵文武等，2016)。将该研究范式应用到人地系统耦合研究过程中，其基本内容可以表述为：针对某一区域，探讨地理格局与过程作用机制，进行生态系统服务权衡与协同分析，辨析生态系统服务动态变化与人类福祉、可持续性的互动机制，进而有效链接自然生态系统和人类社会系统，为区域土地利用规划与生态系统服务优化调控提供科学依据(图1)。在这一研究范式中，生态系统服务是人地系统耦合的核心研究内容。目前，生态系统服务研究往往是在多元数据集成和复杂环境系统模拟的基础上，聚焦如下问题：从自然生态系统角度出发的生态系统服务评估与机制分析、考虑生态系统服务变化对人类福祉影响的生态系统服务效应分析，以及面向生态系统管理的生态系统服务调控，其具体研究内容可分解为：服务评估、权衡及影响因素分析、供需分析、情景预测和优化调控6个方面(图1)。其中，生态系统服务评估、生态系统服务权衡、生态系统服务影响因素、生态系统服务供需分析是近年来生态系统服务研究的热点和前沿问题。基于此，本文结合已有文献，重点针对上述4个方面研究内容，系统梳理了近年来生态系统服务的相关研究进展，探讨了生态系统服务未来研究的重点领域和方向，以期服务于地理学等相关学科的发展。

      

       图1 生态系统服务与人地系统耦合

       Fig.1 Ecosystem services and the coupled human-environment system

       2 生态系统服务评估

       现有生态系统服务评估往往是针对生态系统所能提供的服务开展的评估，也称为生态系统潜在服务能力评估或称为生态系统服务供给能力评估。生态系统评估方法和模型是生态系统服务研究的前提和基础。

       2.1 生态系统服务评估方法

       常见生态系统服务评估方法包括价值量评估法、物质量评估法和能值评估法(Daily,1997)。其中，价值量评估法通过货币衡量生态系统服务价值(Costanza et al,1997; de Groot et al,2002)，分为直接市场评价法、揭示偏好法与陈述偏好法(Vermaat et al,2016)；物质量评估法直接用物质量大小来衡量生态系统服务水平；能值评估法则用能值来衡量生态系统服务大小(Odum,1986; Watanabe et al,2014)。这些方法中，价值量评估法便于各项生态系统服务之间比较，评估结果可纳入国民经济核算体系，进而为不同区域或类型生态系统的生态效益核算与生态补偿模式提供支撑(李文华等，2006；欧阳志云等，2016)。如全球1997年和2011年生态系统服务价值评估结果，可以为国际合作和政府决策提供科学参考(Costanza et al,1997,2014)。中国也有学者评估全国范围内不同生态系统所提供服务的经济价值(欧阳志云等，1999；谢高地等，2001)，并将其与社会经济价值比较，体现生态系统服务价值的稀缺性(谢高地等，2015)。但是该方法在评估过程中往往存在主观性强、结果具有不确定性的问题。物质量评估法得到的结果客观、稳定，不随人们偏好与生态系统服务稀缺性而发生剧烈变化(de Groot et al,2010)；如2000—2010年中国粮食生产、碳固定、土壤保持、沙尘暴防治、水分涵养、防洪和生物多样性栖息地保护等生态系统服务的物质量评估(Ouyang et al,2016)。但是，该方法所评估的不同服务之间量纲并不相同，往往不易于比较，也不易于为大众所熟知。能值评估法将生态系统服务转化为能值单位，有助于反映生态系统服务的真实价值，便于对比分析；但是部分生态系统服务与能值关系弱，且能值转换率不易确定(Ulgiati et al,2009)。在上述不同方法中，物质量评估法因其连接生态系统结构与功能，能够揭示生态系统服务的作用机理(Feng et al,2017)，将在未来较长时期的生态系统服务评估中发挥积极的作用。

       2.2 国际生态系统服务评估模型

       生态系统服务模型可实现多种类型生态系统服务的价值量化、空间叠置分析，以及生态系统服务价值变化、权衡/协同关系和总体效益的定量模拟等(Liu et al,2010)。目前，国际上涌现了多个生态系统服务模型，其中常见模型有InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)、ARIES(Artificial Intelligence for Ecosystem Services)、MIMES(Multi-Scale Integrated Models of Ecosystem Services)、SolVES(Social Values for Ecosystem Services)和EcoAIM(Ecosystem services Asset,Inventory and Management)、ESValue(Valuing Ecosystem Services)等。其中，应用最为广泛的是InVEST模型(Kareiva et al,2011)，它是一种生态生产过程评估和生态系统服务权衡的综合模型，可借助土地利用、环境因子、社会经济等数据评估包括生物多样性、碳储存、土壤保持等多种生态系统服务的物质量和价值量。目前，该模型在美国、中国、澳大利亚、印度尼西亚、非洲等多个国家和地区得到了广泛应用。ARIES(Villa et al,2011)模型可以进行生态系统服务空间流动过程分析，识别生态系统服务供需矛盾。目前，该模型处于进一步完善和发展中，仅适用于美国和墨西哥部分地区。MIMES模型(Boumans et al,2015)将地球分为人类圈、生物圈、大气圈、水圈和岩石圈五个部分，并据此对生态系统服务的价值进行评估，但软件结构复杂，依赖参数众多，目前应用较少。SolVES、EcoAIM和ESValue模型的可推广性目前也相对较弱。