中國生物多樣性與生態系統服務評估指標體系

傅伯杰,于丹丹,呂 楠

中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085

中國生物多樣性與生態系統服務評估指標體系

傅伯杰*,于丹丹,呂 楠

中國科學院生態環境研究中心,城市與區域生態國家重點實驗室, 北京 100085

生物多樣性和生態系統服務評估是生態系統管理與決策制定的重要依據,指標體系是開展評估的主要工具。中國在生物多樣性與生態系統服務評估指標體系建設方面,由于沒有形成統一的指標體系和技術方法,導致不同區域間的評估結果可比性差,區域和國家尺度上的集成研究難以開展。因此,構建一套適用于中國國家尺度的科學化、系統性和規范化的生物多樣性和生態系統服務評估指標體系,便成為當前迫切需要研究解決的問題。本文參考國內外生物多樣性與生態系統服務評估的主要研究成果,在充分考慮“生物多樣性—生態系統結構—過程與功能—服務”級聯關系基礎上,建立了生物多樣性與生態系統服務評估指標體系構建的主要原則,構建了中國生物多樣性與生態系統服務評估指標體系。

生態系統服務；生物多樣性；評估；指標體系

人類生活依賴于生物多樣性和生態系統服務,隨著人口增加和社會經濟的快速發展,對其造成了日益增長的壓力,面臨生物多樣性喪失、生態系統服務低下和貧困的惡性循環。過去幾十年,全球各界努力應對生物多樣性喪失和生態系統服務的退化。在聯合國環境署(United Nations Environment Programme, UNEP)主導下,生物多樣性和生態系統服務政府間科學政策平臺(Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services, IPBES)于2012年正式宣布成立,體現了千年生態系統評估(Millennium Ecosystem Assessment, MA)之后世界各國對于生態系統服務的再次高度關注,也是繼應對聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)氣候變化評估之后又一個政府間全球性環境評估計劃。我國開展生物多樣性保護和生態系統服務的研究已有幾十年歷史,在自然保護區建設、生態功能區劃、生物多樣性監測與評價、生物多樣性數據管理和信息網絡化等方面開展了大量的基礎研究和應用研究。然而,在生物多樣性與生態系統服務評估的指標體系和技術方法建設方面,目前仍沒有形成統一的指標體系和方法,不同區域間的評估結果可比性差,區域和全國的集成研究難以開展。

本文借鑒國內外生物多樣性與生態系統服務評估的主要研究成果,充分考慮“生物多樣性—生態系統結構—過程與功能—服務”級聯關系基礎上,建立生物多樣性與生態系統服務評估指標體系構建的主要原則,采用頻度分析法和專家咨詢法,構建了中國生物多樣性與生態系統服務評估指標體系；同時,在已有監測研究開展的基礎上,對生物多樣性與生態系統評估的定量化方法、數據需求及其可獲取性進行了探討,以期為中國生物多樣性和生態系統服務的精確評估以及全球綜合評估奠定理論和技術基礎。

1 生物多樣性和生態系統服務評估的概念框架

概念框架是生物多樣性與生態系統服務評估指標體系構建的重要前提和理論基礎。所以,本研究首先構建了“生物多樣性—生態系統結構—過程與功能—服務”級聯式概念框架(圖1)。生物多樣性(生物的豐度、數量、組成結構、空間分布等)是自然遺產的一部分,在特定的系統內通過對生態系統的物質、能量和信息及其相互作用過程的影響,進而對生態系統服務產生影響,是一切生態系統功能和服務的前提和基礎。生態系統服務是指人類從各種生態系統中獲得的所有惠益[1],由生態系統的支持功能、供給功能、文化功能、調節功能及其相互作用形成。生態系統的生物、物理學結構和過程體現為生態系統結構與功能特征,這些生態系統結構與功能的穩定性保證了生態系統服務的持續供給。具體來說,生態系統的某項功能可以形成某種或多種生態系統服務,而某種生態系統服務可能來源于生態系統某種功能或多種功能的組合。因此,生態系統多種功能與服務之間是多對多的相互關系[1-2]。生態系統的支持服務是產生并支持其它服務(供給、調節與文化服務)的基礎,生態系統功能(或稱之為中間服務)的價值在最終服務中得以體現,而生態系統最終服務是生態系統功能對人類收益的直接貢獻,與人類福祉直接相連。

圖1 “生物多樣性—生態系統結構—過程與功能—服務”級聯式概念框架[3-4]Fig.1 A modified cascade framework from biodiversity to ecosystem service[3-4]

2 指標體系構建

2.1 指標體系建立的原則

指標體系建立原則的確定,是保證指標體系客觀、公正和可操作的前提。本文通過汲取相關指標體系的構建經驗[1,5-8],依據中國生物多樣性和生態系統服務的特點,對現有的研究成果做了適當的整理、歸納后,形成9項原則：

(1)采用最終生態系統服務指標分類體系。從實用的角度,借鑒CICES框架(Common International Classification of Ecosystem Goods and Services)的最終生態系統產品和服務(Final Ecosystem Goods and Services, FEGS)指標分類體系,將生態系統最終服務劃分為與人類福祉直接相關的健康、安全、生產要素和自然多樣性四個類別[9]。采用最終生態系統服務指標分類體系能夠避免定義內在的模糊性、有效減少雙重核算、更好地鏈接自然系統與人類社會、以及可以找到服務的受益方而易于理解和交流[10]。

(2)基于生態系統屬性特征。從生態系統功能評價的角度出發,盡量選取生態系統結構和功能參數作為評估指標。采用基于生態系統屬性特征的評估指標主要優點在于：從生態系統功能特性出發,建立與生態系統服務之間的聯系,可以對生態系統服務做出長期評估和預測。

(3)未區分生態系統類型。不同生態系統類型可能具有共同的功能或屬性特征,只是不同生態系統類型可能形成不同的具體服務的類別及其量級,因此指標體系的構建未列單獨的生態系統類型。但由于陸地生態系統和水生生態系統之間存在一定的差異,在指標選取上除了包括兩者共性的指標,另外需要包括單獨刻畫水生生態系統的指標(如海洋營養指數)。

(4)綜合考慮多樣性指標和服務指標的相對統一性和獨立性。生物多樣性評估是生態系統服務評估的基礎,評估的重點和最終落腳點是生態系統服務,生物多樣性指標只選取可能與服務存在直接聯系的指標(遺傳水平上的多樣性不在考慮之列)。然而,基于目前的認知水平,多樣性和服務之間的量化關系并不清楚,因此生物多樣性和生態系統服務評估的指標體系是分別構建的,在形式上表現為相對獨立的兩套指標。

(5)典型性。選用的評估指標多為知名國際組織或國家評估所應用的指標,同時考慮了中國生物多樣性和生態系統評估項目或報告中采用的指標,如中國生物多樣性評估第四次國家報告[11]和中國西部生態系統評估[12]。

(6)可量化。為保證評價的客觀性,避免主觀因素的影響,選擇指標時主要考慮了可以量化的(包括直接觀測、計算或模擬)指標,從而依靠數據做出客觀的判斷。

(7)數據可獲得。指標的直接觀測數據或參數計算所需要的數據要容易采集,有權威、可靠的數據來源。

(8)經濟適用性。用于監測、開發與檢驗指標的資金和資源有限,不恰當的指標將會分散原本用于實現有效保護與管理目標的資金資源。因此,選擇經濟的指標,能夠有效地使用受限資源。

(9)尺度。選用適用于區域和國家尺度的指標。

2.2 指標體系的篩選方法

目前篩選指標的方法主要有頻度分析法、專家咨詢法和層次分析法等[13]。本研究綜合運用了專家咨詢法和頻度分析法。首先采取頻度分析法,對國內外眾多國家生物多樣性與生態系統評估的主要研究成果中的實用性的指標進行統計分析,選擇那些使用頻度較高的指標；同時,結合我國生物多樣性與生態系統服務的特點,篩選了適合中國的指標和方法體系。在此基礎上,征詢有關專家意見,對指標進行篩選及調整,最終得到中國生物多樣性和生態系統服務評估的指標體系。

3 中國生物多樣性和生態系統服務評估指標體系

3.1 生物多樣性評估指標體系

依據上述指標體系建立的原則,在生物多樣性指標體系的構建中,著重考慮了國際生物多樣性評估的主流指標與其在中國的實際應用能力,也兼顧了適合于中國本土的指標(如中國特有植物的極小種群大小)。在指標涉及的動、植物類群方面,著重考慮了動物和植物物種的豐富度、珍稀性、特有性、種群大小以及物候指標,也兼顧了多種動、植物類群在不同方面的表征意義,例如,選用鳥類和蝶類作為指示物種來反應環境條件變化。最終,我們構建的生物多樣性評估指標體系包括壓力、狀態(包括趨勢,狀態的變化方向即為趨勢)和響應三大類指標,其中壓力指標包括氣候變化、污染、氮沉降、生物入侵、城市化和景觀破碎化六項主題指標；狀態和趨勢指標包括物種的豐富度、珍稀性、特有性、物候等六項主題指標；響應指標包括自然保護區建設和可持續經營兩項主題指標(表1)。

表1 生物多樣性評估指標體系

3.2 生態系統服務評估指標體系

在生態系統服務指標體系的構建中,著重考慮了國際生態系統服務評估指標及其在中國的實際應用能力。綜合考慮各種生態系統屬性參數對生態系統服務指標的直接指代或數量關系,以及與健康、安全、生產要素和自然多樣性4個方面人類受益的聯系。最終,我們構建的生態系統服務指標體系包括供給服務、調節服務和文化服務3個類別,其中,供給服務包括淡水、食物、木材和纖維、基因和生物資源4項主題指標,調節服務包括氣候變化減緩、地區微氣候調節、空氣質量調節、自然災害調節、洪水調節、侵蝕調節、水質調節和病蟲害調控8項主題指標,文化服務包括休閑娛樂、文化遺產、文化多樣性3項主題指標(表2)。

3.3 評估采用的定量化方法

通過整合生物多樣性和生態系統服務指標的直接觀測、計算或模擬方法,確定各項指標的評價方法。在生物多樣性評估指標中,動、植物物種數量、種群大小和物候期指標利用直接觀測法獲取；景觀破碎度、紅色清單指數、海洋營養指數等指標通過計算或模擬方法獲取[14-18]。其中,地球生命力指數需要借助鏈方法或通用可加性模型(GAM)計算[19]。在生態系統服務評估指標中,物種豐富度、生態系統類型、世界遺產數量利用直接觀測或查閱法獲取,其它指標通過計算或模擬方法獲取。例如,森林地上生物量通過遙感提取或生物量轉換因子法獲得[20-22],草地牧草產量利用線性或非線性逐步回歸分析法計算獲取[23],釋氧量根據植物固碳和釋氧的特定量化關系,從凈初級生產力推出[24],土壤保持量和實際蒸散量分別利用土壤流失方程和水量平衡法計算[25-26]；對于森林、綠地和濕地等的覆蓋度,則在ArcGIS支持下,通過將縣級行政區劃圖與土地利用/覆被圖進行疊加、加和計算獲取[27]；對于產水量、作物生產量潛力和生態系統碳固定指標分別借助InVEST模型水產量模塊、作物模型(如ORYZA2000、Hybrid-Maize、CERES-Wheat)、CASA模型(陸地植被固碳)或VGPM模型(水生植被固碳)、CENTURY模型(土壤固碳)計算獲得[28-32]。

表2 生態系統服務評估指標體系

3.4 評估所需數據及可獲得性分析

中國生物多樣性和生態系統服務評估所需數據及其可獲得性見表3。盡管建立中國國家層面的生物多樣性和生態系統觀測和研究網絡已得到相關部門的支持,但是目前投入的力度仍然不夠,生態系統的類型和涵蓋面相對有限,缺乏對生態系統狀況與變化的周期性調查和評估[33]。因此,現有的數據基礎不能滿足評估需求,有些數據需要通過查閱文獻或采用樣帶、樣點尺度試驗手段獲得,如區域內動、植物物種種數、種群大小等；采用模型模擬的生態系統服務,其需求數據為模型的輸入數據,如利用通用作物模型ORYZA2000估算水稻產量潛力,借助InVEST模型水產量模塊進行產水量計算,以及利用遙感CASA模型(陸地生態系統)或VGPM模型(水生生態系統)進行植物凈初級生產力的計算等。

表3 中國生物多樣性和生態系統服務評估所需數據及可獲得性

4 討論

(1)由于生物多樣性與生態系統服務之間的關系并不確定,生物多樣性評估與生態系統服務評估只能獨立進行。盡管我們選取了與生態系統服務存在直接聯系的生物多樣性指標,但僅僅是基于概念層面上的基本認識而未進行驗證,因此,需要展開廣泛的案例研究以驗證所有的生物多樣性指標與生態系統服務指標之間的關系。

(2)生態系統服務的本質是生態系統功能,是可以被人類直接利用的那一部分功能,所以生態系統服務評估的核心是生態系統功能的量化和空間模擬。盡管我們選出的生態系統服務指標多數能夠與生態系統屬性參數建立起直接指代或數量關系,通過生態系統觀測獲得生態系統屬性數據,便可模擬、評估和預測各個主題分類下的生態系統服務。但需要說明的是,由于知識和數據的缺乏,目前指標體系中包括的具體服務指標可能只涵蓋了主題指標的某個或某些方面,而非全部。

(3)目前指標體系中包含的生態系統服務指標針對的是服務的供給方面,并未涉及服務的需要、以及供—需關系分析的指標。這主要是因為當前仍然缺乏生態系統服務供—需平衡分析的理論基礎和數據支撐[34]。因而,針對服務的需求、供—需關系分析的指標還有待進一步發展。

5 結論

生物多樣性和生態系統服務評估是生態系統管理和決策的重要依據,數據、指標和模型方法是開展評估的基礎和主要工具,但評估指標體系和模型方法還存在很多的問題和挑戰。這主要因為對生物多樣性、生態系統的復雜結構、功能和過程以及生態過程與社會經濟過程之間的復雜關系缺乏充分的討論和研究,導致難于展開生物多樣性和生態系統服務評估指標和模型方法的集成研究。基于此,本指標體系采用最終生態系統服務指標分類體系、基于生態系統屬性特征、綜合考慮生物多樣性指標和服務指標的相對統一性和獨立性、且大多指標可以通過地理信息系統和遙感技術確定。因此,基于本指標體系的評估結果將有助于揭示生態系統服務的生態學機制,指標體系具有一定的可操作性和可推廣性。但指標設置的合理性仍需結合中國國家和區域尺度上廣泛的案例研究進一步的改進和完善,以精確評估生物多樣性和生態系統服務,真正為中國生態系統管理提供決策制定依據。

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An indicator system for biodiversity and ecosystem services evaluation in China

FU Bojie*, YU Dandan, Lü Nan

StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Assessment of biodiversity and ecosystem services can provide important base for ecosystem management and decision making. Indicator systems are major tools for scientific assessments. However, no unified indicator systems and methods have been developed for evaluation of biodiversity and ecosystem services in China. It brings poor comparability of evaluation results among different regions and some difficulty in regional and national integration studies. Therefore, it is urgent to establish a scientific, systematic, standard indicator system for evaluation of biodiversity and ecosystem services in China at present. In this paper, we propose the principles of establishing evaluation indicator system, and establish an indicator system for biodiversity and ecosystem services evaluation in China on the basis of the main research outcome in biodiversity and ecosystem services and the cascade relations of biodiversity-ecosystem structure-process and function-ecosystem services.

ecosystem services; biodiversity; evaluation; indicator system

中國科學院科技服務網絡計劃項目(KFJ-EW-STS-021-01)

2016-11-09;

2016-11-21

10.5846/stxb201611092273

* 通訊作者Corresponding author.E-mail: bfu@rcees.ac.cn

傅伯杰,于丹丹,呂楠.中國生物多樣性與生態系統服務評估指標體系.生態學報,2017,37(2):341-348.

Fu B J, Yu D D, Lü N.An indicator system for biodiversity and ecosystem services evaluation in China.Acta Ecologica Sinica,2017,37(2):341-348.