生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能定量評估研究進展

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能定量評估研究進展

1生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值評估生態(tài)系統(tǒng)是人類生存和發(fā)展的基礎(chǔ)。它不僅為人類提供了空間，而且為人類發(fā)展提供了必要的資源，吸收人類生產(chǎn)和生活所產(chǎn)生的廢物。人類對生態(tài)系統(tǒng)的各種貢獻統(tǒng)稱為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。自20世紀70年代初以來，scep（科學(xué)家的生態(tài)效應(yīng)報告）首次提出了生態(tài)功能服務(wù)，《人類對環(huán)境的影響報告》（生態(tài)績效價值）以來，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究越來越受到重視。目前，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究主要包括生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的分類、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的定量評價、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)和功能的恢復(fù)。根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類，價值評估可以為生態(tài)系統(tǒng)的綜合管理和生態(tài)措施的制定提供理論依據(jù)和政治支持。由于生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性及交叉性,研究者認識的差異性,不同研究者選用不同的評估方法導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估的結(jié)果存在較大差異.采用模型進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估能夠在此基礎(chǔ)上統(tǒng)一評估結(jié)果,減小評估差異,對于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能綜合管理和決策提供可靠的依據(jù).因此,自然資本項目(NaturalCapitalProject)將InVEST模型引入生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估中,為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估提供了新的工具和方法.本文在綜述生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類的基礎(chǔ)上,提出適用于InVEST模型的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類,在此基礎(chǔ)上介紹生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估的新工具———InVEST模型.2公共服務(wù)的拓展生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估的基礎(chǔ),直接影響價值評估的結(jié)果.由于學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的定義不同,因而分類也存在較大差異.Costanza等將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)領(lǐng)域的大量研究加以總結(jié),把生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能分為17種類型,包括氣候調(diào)節(jié)、氣體調(diào)節(jié)、擾動調(diào)節(jié)、水調(diào)節(jié)、廢物處理、水供給、食物生產(chǎn)、原材料、基因資源、侵蝕控制和沉積物保持、土壤形成、養(yǎng)分循環(huán)、傳粉、生物控制、避難所、休閑、文化;在Costanza分類的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了以Daily為代表的三分法和以DeGroot及聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估(MillenniumEcosystemAssessment,MA)為代表的四分法.Daily將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為提供生活與生產(chǎn)物質(zhì)基礎(chǔ)、維持生命系統(tǒng)和提供生活享受三大類;DeGroot提出將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為生產(chǎn)功能、承載功能、調(diào)節(jié)功能和信息功能四大類;目前得到較大程度認可的是MA的分類方法,MA將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)分為供給服務(wù)、調(diào)節(jié)服務(wù)、支持服務(wù)和文化服務(wù)四類,供給服務(wù)是指生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)或提供的產(chǎn)品,如食物和水等物質(zhì)資源;調(diào)節(jié)服務(wù)是指調(diào)節(jié)人類生態(tài)環(huán)境的功能,包括調(diào)控洪澇、干旱、土地退化和疾病等;支持服務(wù)是保證其它所有生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能提供所必需的基礎(chǔ)功能,支持服務(wù)對人類的影響是間接的或者通過較長時間才能發(fā)生的,如土壤形成和養(yǎng)分循環(huán);文化服務(wù)是指人們從生態(tài)系統(tǒng)中獲得的非物質(zhì)利益,如消遣娛樂、精神感受、美學(xué)體驗等.MA的分類框架將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)同人類福祉結(jié)合起來,相較Costanza的分類系統(tǒng)性更強.國內(nèi)學(xué)者對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的分類到目前為止也沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準.已有的研究中不論是整體生態(tài)系統(tǒng)層面還是具體生態(tài)系統(tǒng)或者區(qū)域?qū)用嫜芯恐嘘P(guān)于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類主要包括以下三種分類.一是以歐陽志云、謝高地、孫剛等為代表的分類,這種分類類似于Costanza的分類,側(cè)重于生態(tài)系統(tǒng)本身功能,考慮到的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能比較全面,但是由于不同的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能差異較大,因此學(xué)者們在研究農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、森林生態(tài)系統(tǒng)、草地生態(tài)系統(tǒng)、河流生態(tài)系統(tǒng)等具體的生態(tài)體系統(tǒng)服務(wù)功能時根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的差異性,提出了相應(yīng)的便于研究具體生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的分類.二是類似于MA的四分法,如李建勇等將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能劃分為4大類:調(diào)節(jié)功能、生境功能、生產(chǎn)功能、信息功能.劉紀遠等將三江源區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)服務(wù)功能分為生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、支持功能、調(diào)節(jié)功能和供給功能4大類.這種分類也是側(cè)重考慮生態(tài)系統(tǒng),但是相比Costanza的分類比較簡潔明了.三是以李文華、王偉、趙榮欽、趙同謙等為代表參考環(huán)境經(jīng)濟學(xué)中的“總經(jīng)濟價值(TEV))”理論進行的分類,側(cè)重于對價值的考慮.如李文華參考環(huán)境經(jīng)濟學(xué)中的“總經(jīng)濟價值(TEV))”理論,依據(jù)人類獲取經(jīng)濟利益的程度和期限將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價值分為使用價值和非使用價值,其中使用價值包括直接使用價值、間接使用價值和潛在(選擇)價值,非使用價值包括遺傳價值和存在價值.生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分類直接影響服務(wù)功能整體價值評估的準確性.特別是對于同一區(qū)域不同的分類對價值評估影響很大.以三江源區(qū)為例,劉敏超、孫發(fā)平、劉紀遠分別提出了不同的分類體系.劉敏超將三江源地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能分為:廢物處理、水源涵養(yǎng)、氣候調(diào)節(jié)、土壤形成與保護、生物多樣性、娛樂文化、氣體調(diào)節(jié)、原材料和食物生產(chǎn);而孫發(fā)平則將三江源生態(tài)服務(wù)價值分為使用價值和非使用價值,使用價值包括直接使用價值和間接使用價值,非使用價值包括存在價值、選擇價值和遺產(chǎn)價值.劉紀遠等在聯(lián)合國新千年全球生態(tài)系統(tǒng)評估(MA)概念框架的基礎(chǔ)上,提出了三江源區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)系統(tǒng)完整的評估指標(biāo)體系,包括4大類(生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、支持功能、調(diào)節(jié)功能和供給功能)15個一級指標(biāo)、75個二級指標(biāo).同一區(qū)域按照不同分類系統(tǒng)計算出的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值差異很大,劉敏超對三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值估算的結(jié)果是3377.1×108元·a-1,而孫發(fā)平評估三江源區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能總價值達11.55萬億元.由此可見,選擇不同的分類方法對評估結(jié)果會有直接影響.3生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的量化評估方法生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估是近10年來生態(tài)學(xué)和生態(tài)經(jīng)濟學(xué)研究的一個熱點領(lǐng)域.科學(xué)合理的評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對于更好地發(fā)揮生態(tài)系統(tǒng)功能、進一步處理好區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與生態(tài)保護之間的關(guān)系,使生態(tài)系統(tǒng)健康持續(xù)地為人類服務(wù)具有重要意義.國內(nèi)外有大量學(xué)者從不同角度對不同生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能做了評估.20世紀90年代之前學(xué)者們對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究還多停留在定性研究階段.1993年Cairns分三種情景(維持現(xiàn)狀、零損失政策和生境恢復(fù)政策)探討了如何確定理想的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)水平.1995年Rapport等將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和管理選擇作為生態(tài)系統(tǒng)健康的總指標(biāo),并用環(huán)境評估、健康科學(xué)、生態(tài)科學(xué)和社會科學(xué)相結(jié)合的綜合方法評估生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況.20世紀后期開始,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的定量評估工作陸續(xù)展開.最具代表性的是1987年美國學(xué)者Costanza等對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能所做的價值評估.Costanza等將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)領(lǐng)域的大量研究加以總結(jié),采用物質(zhì)量評價法、能值分析法、影子價格法、影子工程法、資產(chǎn)價值法、市場價值法、機會成本法、費用分析法、人力資本法、恢復(fù)費用法、防護費用法、旅行費用法、條件價值法等一系列方法分別對每一類子生態(tài)系統(tǒng)進行測算,最后對各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值進行求和,首次算出全球生態(tài)系統(tǒng)每年的服務(wù)價值高達33萬億美元,是1997年全球GNP的1.8倍,證實全球生態(tài)系統(tǒng)潛藏有巨大的服務(wù)價值.Costanza對全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值定量評估所采用的方法可以歸納為三類:物質(zhì)量評價方法、能值分析方法和價值量評價方法,三種方法至今應(yīng)用最為廣泛的是價值量評價方法,該方法主要包括影子價格法、影子工程法、資產(chǎn)價值法、市場價值法、機會成本法、費用分析法、人力資本法、旅行費用法、條件價值法.三種方法在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估中各有優(yōu)缺點:物質(zhì)量評價方法適于分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的可持續(xù)性,價值量評價方法適于為某些工程項目立項的決策提供依據(jù);物質(zhì)量評價方法反映的主要是生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)功能及生態(tài)過程,價值量評價方法反映的是交換價值;物質(zhì)量評價方法就較大空間尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價比價值量評價方法更有意義.能值分析方法能通過一系列指標(biāo)建立經(jīng)濟系統(tǒng)與生態(tài)系統(tǒng)的連接橋梁,評判自然與社會發(fā)展?fàn)顟B(tài),但是過于簡化,存在容易產(chǎn)生誤導(dǎo)和評估結(jié)果不準確等缺陷.Costanza等對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估的研究比較全面,為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的深入、系統(tǒng)和廣泛研究奠定了基礎(chǔ).但是估算結(jié)果是靜態(tài)的,且沒有實現(xiàn)空間化,不夠直觀.基于此,R.Naidoo等搜集全球數(shù)據(jù)量化了四類生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,并將這些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和其生產(chǎn)面積繪制成地圖,對比分析生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值和生物多樣性間的關(guān)系,在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估的空間化上邁進了一步.國內(nèi)學(xué)者在評估較大尺度生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值時多采用Costanza(1997)的方法.據(jù)不完全估計全國不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)的年服務(wù)價值為149719×108US$,陸地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能總經(jīng)濟價值達2435.88×1013元/a,可見我國生態(tài)系統(tǒng)具有巨大的生態(tài)效益和經(jīng)濟效益.近10年來,對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的研究從單一的價值評估轉(zhuǎn)向?qū)ι鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其影響要素之間關(guān)系的研究.如2008年ErikNelson等用一種集成模型預(yù)測了作為現(xiàn)存市場條件功能之一的土地所有者決策和基于生態(tài)補償?shù)募顧C制,并預(yù)測了其對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和生物多樣性的影響.近年來遙感技術(shù)(RS)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)(GIS)快速發(fā)展為生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的準確評估提供了強大的工具.遙感技術(shù)強大的獲取空間信息的優(yōu)勢與GIS強大的空間數(shù)據(jù)處理能力相結(jié)合使得生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估涌現(xiàn)出了一批新的研究成果.于格等根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論,應(yīng)用RS和GIS方法,評價了青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及價值隨季節(jié)動態(tài)變化過程的規(guī)律.張宏鋒等應(yīng)用GIS空間分析技術(shù)評價了新疆瑪納斯河流域冰川生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能,分析了受全球氣候變化影響新疆瑪納斯河流域冰川面積的變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值的影響.張明陽等應(yīng)用多年遙感和氣象數(shù)據(jù)研究了西南喀斯特地貌區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的時空變化特征,為實現(xiàn)生態(tài)恢復(fù)和可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ).盡管RS和GIS在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估中有明顯的優(yōu)勢,但是采用RS和GIS僅能實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)部分功能空間化動態(tài)評估,對旅游價值、科研文化價值估算方面則略顯不足.4生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估模型方法是聯(lián)系科學(xué)理論與現(xiàn)實世界的橋梁,因而被廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)和社會科學(xué)的研究中并產(chǎn)生了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益.采用模型方法進行生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評價能夠?qū)?fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)問題簡化成理想的簡單問題,從而更便于抓住生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的本質(zhì),從不同的時間和空間尺度更系統(tǒng)地認識生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)以使生態(tài)環(huán)境和人類社會能夠協(xié)調(diào)持續(xù)發(fā)展.但到目前為止采用模型方法評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的還比較少,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能動態(tài)區(qū)劃系統(tǒng)(SIZES)軟件能夠解釋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間分異特征,但是還不能實現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值的定量評估.由美國斯坦福大學(xué)、世界自然基金會(WWF)和大自然保護協(xié)會(TNC)聯(lián)合開發(fā),基于GIS應(yīng)用平臺,用于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估的模型系統(tǒng)InVEST模型填補了這一領(lǐng)域的空白,實現(xiàn)了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值定量評估的空間化.目前該模型系統(tǒng)已成功應(yīng)用于中國長江流域上游、中美洲南部的厄瓜多爾、委內(nèi)瑞拉、哥倫比亞、中美洲伯利茲城海岸、亞洲印度尼西亞、美國夏威夷和加利福尼亞州、非洲坦桑尼亞等多個區(qū)域的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估,為上述區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品供給與生命支持功能的權(quán)衡、自然資本保育、土地利用規(guī)劃等提供了科學(xué)支撐.該軟件旨在通過模擬預(yù)測不同土地利用情景下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能物質(zhì)量和價值量的變化,為決策者權(quán)衡人類活動的效益和影響提供科學(xué)依據(jù).1indest模型簡介生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和交易的綜合評估模型(IntegratedValuationofEcosystemServicesandTrade-offs),簡稱InVEST,是由自然資本項目(NaturalCapitalProject)所提供的軟件工具,其設(shè)計初衷是為了有效進行自然資源管理決策.InVEST模型可以量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能并以圖的形式表達出來,從而識別出在何處投資可能提高人類和大自然的福利,十分適合分析多種服務(wù)和多種目標(biāo).InVEST的多功能,多模塊設(shè)計為政府部門、非盈利的社會機構(gòu)和企業(yè)決策者對多種資源的多種用途評估提供了一個有效的工具.評估結(jié)果有助于管理和合理開發(fā)利用土地等資源、保護生物多樣性、協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)保護與經(jīng)濟發(fā)展之間的關(guān)系,維系社會和自然的利益平衡.因此該模型較以往生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估方法的最大優(yōu)點是評估結(jié)果的可視化表達,解決了以往生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估用文字抽象表述而不夠直觀的問題.2評估項目及方法InVEST從最初發(fā)布至今,共發(fā)布了7版,最新的InVEST版本為2.1,該版本提供了多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估,包括淡水生態(tài)系統(tǒng)評估、海洋生態(tài)系統(tǒng)評估和陸地生態(tài)系統(tǒng)評估三大模塊,每個模塊又分別包含了具體的評估項目.淡水生態(tài)系統(tǒng)評估包括產(chǎn)水量、洪峰調(diào)節(jié)、水質(zhì)和土壤侵蝕;海洋生態(tài)系統(tǒng)評估包括生成海岸線、海岸保護、美感評估、水產(chǎn)養(yǎng)殖、生境風(fēng)險評估、疊置分析、波能評估;陸地生態(tài)系統(tǒng)評估包括生物多樣性、碳儲量、授粉和木材生產(chǎn)量(圖1).3indest2.1運動學(xué)模型InVEST模型采用分級設(shè)計.如表所示:0級模型評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的相對水平或?qū)μ厥夥?wù)需求較大的顯著區(qū)域.例如,InVEST2.1中的海岸線繪制僅繪制特別容易侵蝕和易發(fā)洪災(zāi)的海岸線.沒有對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能作評估.1級模型有一定的理論基礎(chǔ)并且很簡單,是能抓住問題本質(zhì)設(shè)計的最簡單的模型.1級模型適用于能夠獲得比0級更多的數(shù)據(jù),但仍舊滿足相對較少的數(shù)據(jù)需求.通過1級模型可以確定生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能區(qū)域差別及生物多樣性,當(dāng)前或未來條件下生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的平衡和協(xié)調(diào).所有1級模型均可輸出絕對價值,并為用戶提供經(jīng)濟價值評估的選擇(除生物多樣性外).更為復(fù)雜的2級模型主要用來評價生物多樣性及其他一些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能.2級模型能夠更為精確的評估生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及其價值,評估結(jié)果對于制定生態(tài)補償方案具有重要意義.用戶可以將0級、1級和2級模型很好地配合使用從而創(chuàng)造出最適用于自己研究工作和感興趣的問題的模型.在另外一些情況下(如漁業(yè)),一些特殊的地方已經(jīng)可以使用3級模型.InVEST2.1融合了0級和1級模型.工作組將設(shè)計一個2級平臺用來整合0、1、2和3模型中的不同應(yīng)用.InVEST2.1能夠有效模擬決策過程,實現(xiàn)對陸地,淡水和海洋生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價值評估的定量化和空間化.具體實現(xiàn)流程如圖:用戶通過生物物理和經(jīng)濟模型對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能進行評估,生成幾種不同類型的輸出結(jié)果.首先,通過討論,確定政策制定者、社團、保護組織感興趣的問題.這些問題可能是目前某景觀上的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)交易及這些服務(wù)未來如何受到新程序、政策、和條件的影響.關(guān)于未來的問題,通過情景設(shè)定來探索預(yù)期的變化對自然資源的影響.這些情景通過未來土地利用和土地覆被圖,或未來海岸線和海洋使用及沿海/海洋棲息地圖等地圖形式表達.討