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森林生态系统服务权衡的研究方法

2018-01-25杨雯

绿色科技 2018年14期
关键词:权衡

杨雯

摘要:指出了森林生态系统为人类社会提供众多服务,是人类社会赖以存在的重要基础。然而,社会经济因素所引起的森林土地利用变化.导致了森林大面积的丧失,森林生物多样性随之不断下降,森林生态系统的服务功能也因此被严重削弱。如何协调森林生态系统服务功能的有效运转与社会经济发展之间的关系是目前森林生态系统管理的关键问题。总结了森林生态系统服务权衡的主要研究方法,包括选取指标、获取数据、定量化评估、权衡比较分析等几个方面,希望为后续的森林生态系统服务的评估和权衡研究提供有效的参考。

关键词:生态系统管理;生态系统服务:森林生态系统;权衡

中图分类号:S7

文献标识码:A

文章编号:1674-9944(2018)14-0014-06

1引言

生态系统为人类提供了多种多样的产品和服务,人类从生态系统获得的各种惠益被称为生态系统服务,它们包括供给服务、调节服务、文化服务、支持服务。森林生态系统是为人类提供多种的生态系统服务的重要来源,其服务包括土壤保持、稳定气候、调节水流、碳固定、栖息地保护和授粉等,所蕴含的价值极高。由于受经济、政治、制度等因素的综合影响,尤其以农业发展为主要驱动因素的毁林,导致陆地上森林植被的数量和质量都在以惊人的速度迅速削减。森林的大面积丧失和退化造成了森林生态系统服务综合量值的严重削减。

不同尺度下,生态系统内不同的服务之间存在复杂的相互关系,例如某一种服务(例如,粮食作物、经济作物)的供应增长可能导致其他类型服务(例如,保护水质、灾害防护)的供给持续下降。牛态系统不可能同时提供多种、相互之间呈正相关的服务。随着对生态系统服务需求的增加,改造退化的生态系统以增加其供给能力显得尤为迫切。要有效改造退化的生态系统,兼顾多种生态系统服务的供给,对生态系统服务权衡的研究,是改造退化生态系统和对生态系统进行优化管理的基础。

权衡既是人类选择利用生态系统服务的决策过程,为生态系统服务评估改造提供了研究方法;同时也表征不同服务响应人类选择利用后,呈现出的一种相互关系。不同服务之间的相互关系主要包括此消彼长的权衡关系、互相增益的协同关系;有的研究还提出了中性关系,即某一种生态系统服务的供给量发生变化,并不会导致其他生态系统服务的增减变化。权衡关系具体来说,是当某一种生态系统服务的供给增加,而造成另一种生态系统服务减少的情形,有的文献也将其称为冲突关系或竞争关系。理解不同时空尺度下各种森林生态系统服务的权衡协同关系,考虑生态系统可逆性恢复和不可逆性变化之间的平衡,有助于加强森林资源管理和生态建设,满足利益相关者的需求利益,实现综合效益最大化和牛态环境的可持续发展。

2森林生态系统服务权衡的研究现状

对于森林生态系统服务权衡与协同关系的研究以定性居多,逐渐由定性向定量的方式转变,主要以货币价值化比较、空间制图分析、情景分析和生物模型统计分析等方法来分析生态系统服务之间的相互关系。In-VEST软件是目前森林生态系统服务研究应用最广泛的分析工具,这类模型凭借多种因子数据评估当前和未来生态系统服务的物质量和价值量,同时能模拟多种情景下生态系统服务的时空尺度变化和生态系统服务之间的权衡关系。

目前,研究的地域主要集中分布在热带亚热带等中低纬度地区,研究频度较高的地区则主要位于发达国家和赤道附近的东南亚国家;国内相关方而的研究,大多基于森林生物多样性监测网络内的研究地区,因此研究的地理地域分布范围仍然相当有限。权衡具有外部性的特征,生态系统服务权衡管理对非目标区域生态系统服务具有一定影响,当下研究更多关注特定时空尺度下的森林生态系统服务权衡,忽視了周边区域之间的整合与协调。不同地势环境、社会历史因素等导致形成了不同的森林结构、森林类型,引起了生态系统功能及生态系统服务间相互关系的巨大差异,因此不同林型下的生态系统服务权衡有待进一步分析。另外,权衡分析的结果应用在实际中如何操作,如何进行相应的检验、反馈和修正,是目前森林生态系统服务权衡研究中的薄弱环节。所以,无论是从研究方法、研究范围还是研究应用来看,森林生态系统权衡研究具有广泛的研究空间以及多方面的理论和现实研究意义。

3森林生态系统服务权衡的研究方法

森林生态系统服的权衡研究一般遵循如下过程:选取指标——获取数据——定量化评估(量化、价值化)——权衡比较分析。

3.1选取指标

对森林生态系统服务评估一般会根据研究目的,从经济、生态、社会等主要方面考虑,选择与研究相关且具有代表性的指标。选取的指标跟研究的服务类型密切相关,一般会参考其他相关研究出现使用的频率和专家意见,同时要求指标量化的相关数据易于测量、获取、记录等。许多研究在生态方面的参数类型会依据《千年生态系统评估》对生态系统服务进行分类,从供给服务、调节服务、支持服务、文化服务四大类中来进行筛选。供给服务中主要选择森林的木材产量作为重要参数指标,以及森林所供应的其他农林产品;调节服务多考虑碳固定、水循环、土壤养分、自然灾害防护等服务,将森林的碳储量、水质、土壤有机质、灾害发生频率作为具体指标;文化服务主要以景观游览、娱乐为主,具体会参考森林的可娱乐活动面积、标志性的物种分布、游览者或狩猎者数量等运用稳定的同位素分析调查了土地利用和气候变化对野生蜂种群的影响,以此探究多样性、土地利用和授粉服务供给之间的关系。Maes等针对欧洲地区提出了包括森林生态系统服务在内,多种生态系统服务的详尽研究指标,依据不同的研究用途对森林生态系统服务指标作了多级分类,并针对每个指标下的数据可获取程度和信息传达程度给出了提示。2008年,我国林业局制定了《森林生态系统服务功能评估规范》,其中评估体系包括涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累与营养物质、净化大气、森林防护、生物多样性保护、森林游憩八大指标类别。以及十四项具体指标。经济指标会依据生态指标计算其具体的市场价值、机会成本、边际效益等。

其中,生物多样性保护是森林生态系统服务研究中重点关注的内容,比如对于生物多样性的保护,会考虑物种丰富度、物种稀有性、濒危物种数量以及森林受侵害程度,比如Freer - Smith等评估了林木害虫和病原菌入侵对森林多样性和生态系统服务的影响;对于造林恢复,要考虑物种组成,物种适应性等。除了研究物种的多样性,功能多样性也逐渐被森林生态系统服务的研究所关注,它比物种多样性更能呈现出分布的差异性,与重要的生态系统过程相关联,而这些生态过程又与具有重要意义的生态系统服务密切相关,可以说,功能构成决定了不同的生态系统性能和服务。森林牛态系统服务是由森林牛态系统过程和功能决定,生态系统功能进而由功能性状所决定,那么功能性状_口J以用来反映和评价生态系统服务的特性,基于森林群落功能多样性极其组成的分析可以为生态系统功能和生态系统服务提供重要切入点。

3.2数据收集

生态系统服务的权衡评估需要详实的数据为各种服务量化和分析模型提供研究基础。数据类型依据研究目的和研究指标进行采集。大多研究会通过相应的公共平台比如政府、行业部门、森林监测站等,获取研究区域的土地类型构成、土地覆被数据以及森林有关的各种参数。没有实际测量或监测得到的数据,则可以通过查阅已发表的相关文献研究,经过数据挖掘、分析而获得。比如,有关于国内森林生态系统服务的基础数据可以通过生态研究网络平台——中国生态系统研究网络( CERN)、中国森林生态系统研究网络(CFERN)等来获取,其次还可以通过国家年度报告,国家发布的统计数据收集相关数据。而作為森林生态系统文化娱乐服务方面之一的指标,不同时空下游客分布数,Vangansbeke等采用了游客调查问卷和自动跟踪计数器( automated infrared trail counters)跟踪游客的游访量。

在评估生态系统服务价值时,尤其是非市场价值的一些服务,会采用支付意愿、旅行费用等方法,这需要对研究区域家庭和游客进行访问调查,以及征集专家意见收集相关数据。某些资源比如薪材、牛物多样性等要比作物产量一类的数据更难获得,对于一些数据缺失或者不能直接测得的情况,可以利用模型对缺失的观测数据进行估算加以弥补。

3.3定量化评估

森林生态系统服务所产生的量值,大致可以用价值量和物质量两大类型来度量。以货币价值所衡量的生态系统服务,可以实现不同服务之间的权衡比较,对于环境核算和实现绿色GDP有重要意义;但其推算评估偏主观,使经济价值受到了更多关注,掩盖了生态系统服务的生态学意义,同时由于不同的主观认识判断,造成服务之间价值偏差。物质量的量化评估更能够反映生态系统服务的生态过程和形成机理。在小尺度上,定点监测是量化评估不同土地利用类型下生态系统系统服务的常用于段,然后会对监测获得的数据用数量模型进行计算分析,获得相应的服务量值;随着研究尺度的增加,定点观测被在大尺度下具有计算优势的遥感(RS)和地理信息系统(GIS)的生态模型所代替。物质量使用的是生态系统服务的实际单位,侧重反映生态学功能,若没有统一的量纲,难以实现多种服务的权衡,如果要使森林生态系统服务量值相互可比,可以对数据进行标准化处理、服务进行分类、服务量进行排序。

3.3.1 价值量化

Costanza等发表的《全球生态系统服务价值和自然资本》从科学意义上明确了对生态系统服务价值估算的原理和方法,生态系统服务的货币价值化,可以提高决策者和公众对生态系统服务重要性的认识;但是相应的,不具有市场价值的服务一般就会被忽略。市场货币价值虽不能完全反映生态系统服务本身所具备的价值,对森林生态系统服务的价值化仍是当下应用最为广泛的量化手段,有的研究在此基础上综合更多的量化方法进行权衡比较。

森林生态系统服务的货币价值化,其中应用最广泛的量化方法包括市场价值法、市场替代法和虚拟市场法。市场价值法是对有市场价值的生态产品以相应的市场价格对其价值量进行估算,主要对供给服务和文化服务的经济价值做出近似的估计;市场替代法,也称作成本替代法,是将一些没有市场价格的森林生态系统服务,通过寻找相关替代产品和服务的市场和市场价格·间接得到其价值,主要适用于估算调节服务的价值;虚拟市场法也称条件价值评估法,是对没有市场交易价格的森林牛态系统服务在人为条件下,通过调查询问大众对该生态产品或服务的支付意愿或受偿意愿来估算其价值。但由于公众有不同的主观能动性,对各种服务有不同的价值判断,同时不需要实际支付而高估了自己的支付意愿,这都会造成假设偏差。需要注意的是货币价值会因不同的评估方法产生极大的差异,因此,在评估的过程中要明确各种方法的具体使用和对应情景。

生态系统服务的经济价值会随着空间和时间变化而变化,其价值主要取决于与生态系统服务需求相关的地理边界,对于时间跨度较大的研究,以货币价值推算生态系统服务供给量和权衡关系时,要考虑到货币在不同时期的通胀情况。

3.3.2模型量化

森林生态系统各服务的量值在已采集的数据基础上,通过不同的模型公式和相应参数对其进行估算。比如,用不同径级的异速生长公式估算地上生物量·并结合测量的林灌术性状数据推算碳固定。我国于2008年出台的《森林生态系统服务功能评估规范》( LY /T1721 - 2008)包含了中国森林生态系统涵养水源、保育土壤、固碳制氧、营养物质积累、净化大气环境和保护生物多样性6项主要生态服务的计算公式,并被国内多数有关森林生态系统服务的研究所采纳。国外也开发了大量类似于InVEST等可以计算某一或多种牛态系统服务量值的模型。比如,在研究造林情景下碳汇与生物多样性权衡关系时,Lautenbach等运州了基于过程的动态植物模型( the Dynamic Vegetation Model,DVM)LPJ - GUESS测算每个土地覆被类型上主要物种的碳汇情况;将生物多样性视为植物物种丰富度,以植物种类的总数量并划分本地种、濒危种、授粉类型作为研究多样性的指标,用统计软件的随机森林模型计算预测不同情境下的物种丰富度变化。

3.3.3 制图分析量化

制图分析是利用不同的生态系统服务评价方法,对特定时空尺度卜生态系统服务种类的组成、数量、空间分布和相互关系等综合特征以及各种自然一社会因素影响下的情景变化特征进行量化描述。GIS是生态系统服务空间制图的重要工具,它能综合多源数据类型面向决策需求集成多种评估制图方法,分析和呈现不同服务的时空分布和供给情况,但一些与美学、文化价值相关的生态系统服务却不能被GIS量化或模拟。除了GIS,遥感技术也是重要的量化和制图工具,被广泛应用于农林生物量的计量中。以遥感数据为基础,通过回归模型、辐射传送模式、土地利用/覆被分类、提供遥感输入数据的生物物理模型(比如InVEST模型)等手段,对应评估指标而选择相对应的传感系统(遥感系统性能因传感系统而异),可以直接或间接地量化生态系统服务的供给量和需求量。比如Sumarga等通过不同年份油棕种植面积的图层叠加,发现油棕的拓张区域和面积,再运用逻辑斯蒂回归模型模拟以往油棕种植拓张的空间模型,通过模型预测未来油棕的拓张情况。

3.4权衡分析

森林生态系统服务的权衡研究一般基于生态系统服务之间价值量比较、遥感数据源和GIS平台结合的制图分析、数理统计模型分析、情景模拟分析等以及多种分析方法的结合,以定性或定量的方式刻画生态系统服务之间的相互关系。常见的分析方法有如下几种。

3.4.1 统计学方法

分析判定多种生态系统服务之间的数量关系的统计方法,通常包括相关性分析、回归分析、聚类分析、冗余分析等统计学方法。相关性分析可以识别生态系统服务之间相互关系的类别以及影响程度。比如有的研究使用了斯皮尔秩相关性检验(Spearman's rank corre-lation tests)评估森林生态系统服务之间的相互关系,负相关为权衡关系,正相关为协同关系。Alamgir等运用均值比较、多元分析、聚类分析相结合的方法揭示雨林、硬葉林、次生恢复林之间其多种生态系统服务的差异、相互关系。Bradford和D'Amato利用统计参数均方根偏差( The root mean square deviation,RMSD),即量化单个生态系统服务标准差与平均生态系统服务标准差之间的平均差异,来摧述离平均生态系统服务标准差的分散程度,以此反映任意两个或两个以上生态系统服务之间的权衡度,偏离幅度越大则权衡度越大。

统计学方法下的权衡分析数据来源广泛,能快速且独立地识别森林生态系统服务间的作用关系,可采用固定的统计方法分析不同的森林生态系统服务量值和相互关系,易于操作。但是数据的可获得性和精度决定了权衡分析的准确性,尤其是植物功能性状数据的部分缺失不可避免,数据的缺失会导致服务关系判定有所偏差;统计学方法的森林生态系统研究往往以森林监测样地数据或汇总数据计算表征某区域或某林型上的服务相互关系,在一定程度上忽略了权衡在空间异质性方面的特征。

3.4.2空间制图分析

生态系统服务制图是研究者根据决策需求,通过GIS平台的制图功能与空间叠加、地图代数等方法对每种生态系统服务类型空间制图后进行重合度的比较,最终识别服务之间的数量关系和所涉及地理范嗣。Garcia- Nieto等对各研究单位区域内的生态系统服务供给图层和生态系统服务需求图层进行叠加,绘制出生态系用服务的热点地区。Hayha等(2015)完成了森林生态系统制图的数据分析后,运用R中的图像技术包(graphical technics)探究同一研究区内两种服务之间存在怎样的相互关系,最终通过可视化的图像反映出这些关系。

通常,许多研究会将空间制图和情景分析相结合起来研究生态系统服务间在当下和多种情景中的相互关系。比如,Bottalico等综合了GIS为基础的模型、情景模型和价值评估来研究意大利莫里塞地区木材产晶和碳循环两种生态系统服务以及它们之间的权衡关系。

空间分析方法优点在于可以直观呈现单个或多个森林生态系统服务之间不同的时间特征、空间特征和服务能力供给区划;缺点就是研究结果依赖于时空数据的选择,数据分辨率的大小影响数据处理的难易程度以及区域上权衡变化信息的详尽程度,可能导致某些重要信息被过滤。

3.4.3情景分析对比

情景分析依托丁生态系统服务空间制图、价值评估、回归分析等量化手段,根据研究的目的和不同的利益需求,设立多样的森林土地利用策略,分析不同情景下生态系统服务之间的动态变化并加以对比,寻求综合效益最高的情景发展模式。通常研究或假没的情景归为以下几类:1)维持现有的发展情景;2)以森林保护恢复为目的,控制和减少林地转变的保护情景;3)以产品经济为导向使得森林土地利用方式迅速转变的发展情景;4)森林生态保护与经济发展两相兼顾。最早,Grasso假设了不同情境的林、渔业生产活动比重.发现水产养殖的渔产品随红树林面积变化而变化,增加木材生产会导致水产养殖下降。除此之外,用不同植物物种组合的情景进行对比,规划土地的合理利用方式。比如,Sun等对银杏林下何种农业复合系统的综合效益最大化,进行了多种植物组合的情景比较;Lautenbach等以不同的树种结合形成多样的造林情景,通过碳汇和植物物种丰富度之间的权衡关系决定研究区域单位面积内是否要增加森林覆被,单位面积研究区域内,较高的物种丰富度和所对应的碳汇情况呈协同关系时,该区域应优先造林。

情景分析有利于揭示土地利用/覆被变化、管理策略差异等对未来森林牛态系统服务权衡形成的影响,为不同的森林管理决策提供可预见性的参考。情景设置的合理性影响着森林生态系统服务权衡策略的具体应用。该方法需要其他研究方法和分析工具的辅助才能进行分析.无法独立形成研究结果;其次,当前的各种情景模拟相对简单,控制变量较单一,情景设置从利益相关者的利益需求出发,情景预设的主观性不可避免。

4结语

随着森林的破坏和人类对服务需求的增加,需要合理改造森林生态系统,在权衡研究的指导下平衡各类服务的供给、提升服务供给综合量值,为自然资源管理、优化配置,区域可持续发展,以及生态文明和生态工程建设提供决策支持。

不同空间尺度下的多种生态系统服务会呈现不同的权衡/协同关系,在实践应用中,森林管理应该考虑到牛态系统服务的整体性,以及服务与服务之间的关系平衡。森林区域存在着行政边界的交叉,执行森林管理策略时,区域间的合作与协商十分重要。农业经济的发展、木材的消耗与森林生态系统的保护,是当前维持森林生态系统平衡的主要矛盾。经济作物、农作物等种植面积扩张以侵占原始林甚至是保护区为代价,通过权衡分析可以有效评估橡胶、油棕等单一的种植模式对生态系统服务构成的威胁,以及如何调控管理。同时,许多研究仅是对森林生态系统的服务进行现象的观测和描述,理解各种服务之间的权衡关系;如何解决农进林退的人地矛盾,如何帮助决策者以及土地所有者加强土地的利用和管理,根据权衡研究开发复杂有效的决策模型是接下来研究中亟待解决的应用问题。

“十九大”报告提出了“国土绿化行动”,“‘美丽中国四大举措”,“社会主义生态文明观”等纲要,旨在实现“人与自然和谐共生的现代化”,在“十八大”的基础卜再次强调了发展的同时必须加强生态保护力度,必须找到发展与保护的平衡点;因此,需要权衡分析人类活动、环境变化、生态过程对生态系统服务之间关系产生的影响,为区域建设与生态建设提供决策支持。未来国内大型生态项目的评估建设,森林恢复工程对区域生态环境的改善修复程度,需要更精确量化的权衡研究去分析评估项目的可行性以及其效用。

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