森林生態系統服務權衡的研究方法

楊雯

摘要：指出了森林生態系統為人類社會提供眾多服務，是人類社會賴以存在的重要基礎。然而，社會經濟因素所引起的森林土地利用變化.導致了森林大面積的喪失，森林生物多樣性隨之不斷下降，森林生態系統的服務功能也因此被嚴重削弱。如何協調森林生態系統服務功能的有效運轉與社會經濟發展之間的關系是目前森林生態系統管理的關鍵問題。總結了森林生態系統服務權衡的主要研究方法，包括選取指標、獲取數據、定量化評估、權衡比較分析等幾個方面，希望為后續的森林生態系統服務的評估和權衡研究提供有效的參考。

關鍵詞：生態系統管理;生態系統服務：森林生態系統;權衡

中圖分類號：S7

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）14-0014-06

1引言

生態系統為人類提供了多種多樣的產品和服務，人類從生態系統獲得的各種惠益被稱為生態系統服務，它們包括供給服務、調節服務、文化服務、支持服務。森林生態系統是為人類提供多種的生態系統服務的重要來源，其服務包括土壤保持、穩定氣候、調節水流、碳固定、棲息地保護和授粉等，所蘊含的價值極高。由于受經濟、政治、制度等因素的綜合影響，尤其以農業發展為主要驅動因素的毀林，導致陸地上森林植被的數量和質量都在以驚人的速度迅速削減。森林的大面積喪失和退化造成了森林生態系統服務綜合量值的嚴重削減。

不同尺度下，生態系統內不同的服務之間存在復雜的相互關系，例如某一種服務（例如，糧食作物、經濟作物）的供應增長可能導致其他類型服務（例如，保護水質、災害防護）的供給持續下降。牛態系統不可能同時提供多種、相互之間呈正相關的服務。隨著對生態系統服務需求的增加，改造退化的生態系統以增加其供給能力顯得尤為迫切。要有效改造退化的生態系統，兼顧多種生態系統服務的供給，對生態系統服務權衡的研究，是改造退化生態系統和對生態系統進行優化管理的基礎。

權衡既是人類選擇利用生態系統服務的決策過程，為生態系統服務評估改造提供了研究方法;同時也表征不同服務響應人類選擇利用后，呈現出的一種相互關系。不同服務之間的相互關系主要包括此消彼長的權衡關系、互相增益的協同關系;有的研究還提出了中性關系，即某一種生態系統服務的供給量發生變化，并不會導致其他生態系統服務的增減變化。權衡關系具體來說，是當某一種生態系統服務的供給增加，而造成另一種生態系統服務減少的情形，有的文獻也將其稱為沖突關系或競爭關系。理解不同時空尺度下各種森林生態系統服務的權衡協同關系，考慮生態系統可逆性恢復和不可逆性變化之間的平衡，有助于加強森林資源管理和生態建設，滿足利益相關者的需求利益，實現綜合效益最大化和牛態環境的可持續發展。

2森林生態系統服務權衡的研究現狀

對于森林生態系統服務權衡與協同關系的研究以定性居多，逐漸由定性向定量的方式轉變，主要以貨幣價值化比較、空間制圖分析、情景分析和生物模型統計分析等方法來分析生態系統服務之間的相互關系。In-VEST軟件是目前森林生態系統服務研究應用最廣泛的分析工具，這類模型憑借多種因子數據評估當前和未來生態系統服務的物質量和價值量，同時能模擬多種情景下生態系統服務的時空尺度變化和生態系統服務之間的權衡關系。

目前，研究的地域主要集中分布在熱帶亞熱帶等中低緯度地區，研究頻度較高的地區則主要位于發達國家和赤道附近的東南亞國家;國內相關方而的研究，大多基于森林生物多樣性監測網絡內的研究地區，因此研究的地理地域分布范圍仍然相當有限。權衡具有外部性的特征，生態系統服務權衡管理對非目標區域生態系統服務具有一定影響，當下研究更多關注特定時空尺度下的森林生態系統服務權衡，忽視了周邊區域之間的整合與協調。不同地勢環境、社會歷史因素等導致形成了不同的森林結構、森林類型，引起了生態系統功能及生態系統服務間相互關系的巨大差異，因此不同林型下的生態系統服務權衡有待進一步分析。另外，權衡分析的結果應用在實際中如何操作，如何進行相應的檢驗、反饋和修正，是目前森林生態系統服務權衡研究中的薄弱環節。所以，無論是從研究方法、研究范圍還是研究應用來看，森林生態系統權衡研究具有廣泛的研究空間以及多方面的理論和現實研究意義。

3森林生態系統服務權衡的研究方法

森林生態系統服的權衡研究一般遵循如下過程：選取指標——獲取數據——定量化評估（量化、價值化）——權衡比較分析。

3.1選取指標

對森林生態系統服務評估一般會根據研究目的，從經濟、生態、社會等主要方面考慮，選擇與研究相關且具有代表性的指標。選取的指標跟研究的服務類型密切相關，一般會參考其他相關研究出現使用的頻率和專家意見，同時要求指標量化的相關數據易于測量、獲取、記錄等。許多研究在生態方面的參數類型會依據《千年生態系統評估》對生態系統服務進行分類，從供給服務、調節服務、支持服務、文化服務四大類中來進行篩選。供給服務中主要選擇森林的木材產量作為重要參數指標，以及森林所供應的其他農林產品;調節服務多考慮碳固定、水循環、土壤養分、自然災害防護等服務，將森林的碳儲量、水質、土壤有機質、災害發生頻率作為具體指標;文化服務主要以景觀游覽、娛樂為主，具體會參考森林的可娛樂活動面積、標志性的物種分布、游覽者或狩獵者數量等運用穩定的同位素分析調查了土地利用和氣候變化對野生蜂種群的影響，以此探究多樣性、土地利用和授粉服務供給之間的關系。Maes等針對歐洲地區提出了包括森林生態系統服務在內，多種生態系統服務的詳盡研究指標，依據不同的研究用途對森林生態系統服務指標作了多級分類，并針對每個指標下的數據可獲取程度和信息傳達程度給出了提示。2008年，我國林業局制定了《森林生態系統服務功能評估規范》，其中評估體系包括涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、積累與營養物質、凈化大氣、森林防護、生物多樣性保護、森林游憩八大指標類別。以及十四項具體指標。經濟指標會依據生態指標計算其具體的市場價值、機會成本、邊際效益等。

其中，生物多樣性保護是森林生態系統服務研究中重點關注的內容，比如對于生物多樣性的保護，會考慮物種豐富度、物種稀有性、瀕危物種數量以及森林受侵害程度，比如Freer - Smith等評估了林木害蟲和病原菌入侵對森林多樣性和生態系統服務的影響;對于造林恢復，要考慮物種組成，物種適應性等。除了研究物種的多樣性，功能多樣性也逐漸被森林生態系統服務的研究所關注，它比物種多樣性更能呈現出分布的差異性，與重要的生態系統過程相關聯，而這些生態過程又與具有重要意義的生態系統服務密切相關，可以說，功能構成決定了不同的生態系統性能和服務。森林牛態系統服務是由森林牛態系統過程和功能決定，生態系統功能進而由功能性狀所決定，那么功能性狀_口J以用來反映和評價生態系統服務的特性，基于森林群落功能多樣性極其組成的分析可以為生態系統功能和生態系統服務提供重要切入點。

3.2數據收集

生態系統服務的權衡評估需要詳實的數據為各種服務量化和分析模型提供研究基礎。數據類型依據研究目的和研究指標進行采集。大多研究會通過相應的公共平臺比如政府、行業部門、森林監測站等，獲取研究區域的土地類型構成、土地覆被數據以及森林有關的各種參數。沒有實際測量或監測得到的數據，則可以通過查閱已發表的相關文獻研究，經過數據挖掘、分析而獲得。比如，有關于國內森林生態系統服務的基礎數據可以通過生態研究網絡平臺——中國生態系統研究網絡（ CERN）、中國森林生態系統研究網絡（CFERN）等來獲取，其次還可以通過國家年度報告，國家發布的統計數據收集相關數據。而作為森林生態系統文化娛樂服務方面之一的指標，不同時空下游客分布數，Vangansbeke等采用了游客調查問卷和自動跟蹤計數器（ automated infrared trail counters）跟蹤游客的游訪量。

在評估生態系統服務價值時，尤其是非市場價值的一些服務，會采用支付意愿、旅行費用等方法，這需要對研究區域家庭和游客進行訪問調查，以及征集專家意見收集相關數據。某些資源比如薪材、牛物多樣性等要比作物產量一類的數據更難獲得，對于一些數據缺失或者不能直接測得的情況，可以利用模型對缺失的觀測數據進行估算加以彌補。

3.3定量化評估

森林生態系統服務所產生的量值，大致可以用價值量和物質量兩大類型來度量。以貨幣價值所衡量的生態系統服務，可以實現不同服務之間的權衡比較，對于環境核算和實現綠色GDP有重要意義;但其推算評估偏主觀，使經濟價值受到了更多關注，掩蓋了生態系統服務的生態學意義，同時由于不同的主觀認識判斷，造成服務之間價值偏差。物質量的量化評估更能夠反映生態系統服務的生態過程和形成機理。在小尺度上，定點監測是量化評估不同土地利用類型下生態系統系統服務的常用于段，然后會對監測獲得的數據用數量模型進行計算分析，獲得相應的服務量值;隨著研究尺度的增加，定點觀測被在大尺度下具有計算優勢的遙感（RS）和地理信息系統（GIS）的生態模型所代替。物質量使用的是生態系統服務的實際單位，側重反映生態學功能，若沒有統一的量綱，難以實現多種服務的權衡，如果要使森林生態系統服務量值相互可比，可以對數據進行標準化處理、服務進行分類、服務量進行排序。

3.3.1 價值量化

Costanza等發表的《全球生態系統服務價值和自然資本》從科學意義上明確了對生態系統服務價值估算的原理和方法，生態系統服務的貨幣價值化，可以提高決策者和公眾對生態系統服務重要性的認識;但是相應的，不具有市場價值的服務一般就會被忽略。市場貨幣價值雖不能完全反映生態系統服務本身所具備的價值，對森林生態系統服務的價值化仍是當下應用最為廣泛的量化手段，有的研究在此基礎上綜合更多的量化方法進行權衡比較。

森林生態系統服務的貨幣價值化，其中應用最廣泛的量化方法包括市場價值法、市場替代法和虛擬市場法。市場價值法是對有市場價值的生態產品以相應的市場價格對其價值量進行估算，主要對供給服務和文化服務的經濟價值做出近似的估計;市場替代法，也稱作成本替代法，是將一些沒有市場價格的森林生態系統服務，通過尋找相關替代產品和服務的市場和市場價格·間接得到其價值，主要適用于估算調節服務的價值;虛擬市場法也稱條件價值評估法，是對沒有市場交易價格的森林牛態系統服務在人為條件下，通過調查詢問大眾對該生態產品或服務的支付意愿或受償意愿來估算其價值。但由于公眾有不同的主觀能動性，對各種服務有不同的價值判斷，同時不需要實際支付而高估了自己的支付意愿，這都會造成假設偏差。需要注意的是貨幣價值會因不同的評估方法產生極大的差異，因此，在評估的過程中要明確各種方法的具體使用和對應情景。

生態系統服務的經濟價值會隨著空間和時間變化而變化，其價值主要取決于與生態系統服務需求相關的地理邊界，對于時間跨度較大的研究，以貨幣價值推算生態系統服務供給量和權衡關系時，要考慮到貨幣在不同時期的通脹情況。

3.3.2模型量化

森林生態系統各服務的量值在已采集的數據基礎上，通過不同的模型公式和相應參數對其進行估算。比如，用不同徑級的異速生長公式估算地上生物量·并結合測量的林灌術性狀數據推算碳固定。我國于2008年出臺的《森林生態系統服務功能評估規范》（ LY /T1721 - 2008）包含了中國森林生態系統涵養水源、保育土壤、固碳制氧、營養物質積累、凈化大氣環境和保護生物多樣性6項主要生態服務的計算公式，并被國內多數有關森林生態系統服務的研究所采納。國外也開發了大量類似于InVEST等可以計算某一或多種牛態系統服務量值的模型。比如，在研究造林情景下碳匯與生物多樣性權衡關系時，Lautenbach等運州了基于過程的動態植物模型（ the Dynamic Vegetation Model，DVM）LPJ - GUESS測算每個土地覆被類型上主要物種的碳匯情況;將生物多樣性視為植物物種豐富度，以植物種類的總數量并劃分本地種、瀕危種、授粉類型作為研究多樣性的指標，用統計軟件的隨機森林模型計算預測不同情境下的物種豐富度變化。

3.3.3 制圖分析量化

制圖分析是利用不同的生態系統服務評價方法，對特定時空尺度卜生態系統服務種類的組成、數量、空間分布和相互關系等綜合特征以及各種自然一社會因素影響下的情景變化特征進行量化描述。GIS是生態系統服務空間制圖的重要工具，它能綜合多源數據類型面向決策需求集成多種評估制圖方法，分析和呈現不同服務的時空分布和供給情況，但一些與美學、文化價值相關的生態系統服務卻不能被GIS量化或模擬。除了GIS，遙感技術也是重要的量化和制圖工具，被廣泛應用于農林生物量的計量中。以遙感數據為基礎，通過回歸模型、輻射傳送模式、土地利用/覆被分類、提供遙感輸入數據的生物物理模型（比如InVEST模型）等手段，對應評估指標而選擇相對應的傳感系統（遙感系統性能因傳感系統而異），可以直接或間接地量化生態系統服務的供給量和需求量。比如Sumarga等通過不同年份油棕種植面積的圖層疊加，發現油棕的拓張區域和面積，再運用邏輯斯蒂回歸模型模擬以往油棕種植拓張的空間模型，通過模型預測未來油棕的拓張情況。

3.4權衡分析

森林生態系統服務的權衡研究一般基于生態系統服務之間價值量比較、遙感數據源和GIS平臺結合的制圖分析、數理統計模型分析、情景模擬分析等以及多種分析方法的結合，以定性或定量的方式刻畫生態系統服務之間的相互關系。常見的分析方法有如下幾種。

3.4.1 統計學方法

分析判定多種生態系統服務之間的數量關系的統計方法，通常包括相關性分析、回歸分析、聚類分析、冗余分析等統計學方法。相關性分析可以識別生態系統服務之間相互關系的類別以及影響程度。比如有的研究使用了斯皮爾秩相關性檢驗（Spearman's rank corre-lation tests）評估森林生態系統服務之間的相互關系，負相關為權衡關系，正相關為協同關系。Alamgir等運用均值比較、多元分析、聚類分析相結合的方法揭示雨林、硬葉林、次生恢復林之間其多種生態系統服務的差異、相互關系。Bradford和D'Amato利用統計參數均方根偏差（ The root mean square deviation，RMSD），即量化單個生態系統服務標準差與平均生態系統服務標準差之間的平均差異，來摧述離平均生態系統服務標準差的分散程度，以此反映任意兩個或兩個以上生態系統服務之間的權衡度，偏離幅度越大則權衡度越大。

統計學方法下的權衡分析數據來源廣泛，能快速且獨立地識別森林生態系統服務間的作用關系，可采用固定的統計方法分析不同的森林生態系統服務量值和相互關系，易于操作。但是數據的可獲得性和精度決定了權衡分析的準確性，尤其是植物功能性狀數據的部分缺失不可避免，數據的缺失會導致服務關系判定有所偏差;統計學方法的森林生態系統研究往往以森林監測樣地數據或匯總數據計算表征某區域或某林型上的服務相互關系，在一定程度上忽略了權衡在空間異質性方面的特征。

3.4.2空間制圖分析

生態系統服務制圖是研究者根據決策需求，通過GIS平臺的制圖功能與空間疊加、地圖代數等方法對每種生態系統服務類型空間制圖后進行重合度的比較，最終識別服務之間的數量關系和所涉及地理范嗣。Garcia- Nieto等對各研究單位區域內的生態系統服務供給圖層和生態系統服務需求圖層進行疊加，繪制出生態系用服務的熱點地區。Hayha等（2015）完成了森林生態系統制圖的數據分析后，運用R中的圖像技術包（graphical technics）探究同一研究區內兩種服務之間存在怎樣的相互關系，最終通過可視化的圖像反映出這些關系。

通常，許多研究會將空間制圖和情景分析相結合起來研究生態系統服務間在當下和多種情景中的相互關系。比如，Bottalico等綜合了GIS為基礎的模型、情景模型和價值評估來研究意大利莫里塞地區木材產晶和碳循環兩種生態系統服務以及它們之間的權衡關系。

空間分析方法優點在于可以直觀呈現單個或多個森林生態系統服務之間不同的時間特征、空間特征和服務能力供給區劃;缺點就是研究結果依賴于時空數據的選擇，數據分辨率的大小影響數據處理的難易程度以及區域上權衡變化信息的詳盡程度，可能導致某些重要信息被過濾。

3.4.3情景分析對比

情景分析依托丁生態系統服務空間制圖、價值評估、回歸分析等量化手段，根據研究的目的和不同的利益需求，設立多樣的森林土地利用策略，分析不同情景下生態系統服務之間的動態變化并加以對比，尋求綜合效益最高的情景發展模式。通常研究或假沒的情景歸為以下幾類：1）維持現有的發展情景;2）以森林保護恢復為目的，控制和減少林地轉變的保護情景;3）以產品經濟為導向使得森林土地利用方式迅速轉變的發展情景;4）森林生態保護與經濟發展兩相兼顧。最早，Grasso假設了不同情境的林、漁業生產活動比重.發現水產養殖的漁產品隨紅樹林面積變化而變化，增加木材生產會導致水產養殖下降。除此之外，用不同植物物種組合的情景進行對比，規劃土地的合理利用方式。比如，Sun等對銀杏林下何種農業復合系統的綜合效益最大化，進行了多種植物組合的情景比較;Lautenbach等以不同的樹種結合形成多樣的造林情景，通過碳匯和植物物種豐富度之間的權衡關系決定研究區域單位面積內是否要增加森林覆被，單位面積研究區域內，較高的物種豐富度和所對應的碳匯情況呈協同關系時，該區域應優先造林。

情景分析有利于揭示土地利用/覆被變化、管理策略差異等對未來森林牛態系統服務權衡形成的影響，為不同的森林管理決策提供可預見性的參考。情景設置的合理性影響著森林生態系統服務權衡策略的具體應用。該方法需要其他研究方法和分析工具的輔助才能進行分析.無法獨立形成研究結果;其次，當前的各種情景模擬相對簡單，控制變量較單一，情景設置從利益相關者的利益需求出發，情景預設的主觀性不可避免。

4結語

隨著森林的破壞和人類對服務需求的增加，需要合理改造森林生態系統，在權衡研究的指導下平衡各類服務的供給、提升服務供給綜合量值，為自然資源管理、優化配置，區域可持續發展，以及生態文明和生態工程建設提供決策支持。

不同空間尺度下的多種生態系統服務會呈現不同的權衡/協同關系，在實踐應用中，森林管理應該考慮到牛態系統服務的整體性，以及服務與服務之間的關系平衡。森林區域存在著行政邊界的交叉，執行森林管理策略時，區域間的合作與協商十分重要。農業經濟的發展、木材的消耗與森林生態系統的保護，是當前維持森林生態系統平衡的主要矛盾。經濟作物、農作物等種植面積擴張以侵占原始林甚至是保護區為代價，通過權衡分析可以有效評估橡膠、油棕等單一的種植模式對生態系統服務構成的威脅，以及如何調控管理。同時，許多研究僅是對森林生態系統的服務進行現象的觀測和描述，理解各種服務之間的權衡關系;如何解決農進林退的人地矛盾，如何幫助決策者以及土地所有者加強土地的利用和管理，根據權衡研究開發復雜有效的決策模型是接下來研究中亟待解決的應用問題。

“十九大”報告提出了“國土綠化行動”，“‘美麗中國四大舉措”，“社會主義生態文明觀”等綱要，旨在實現“人與自然和諧共生的現代化”，在“十八大”的基礎卜再次強調了發展的同時必須加強生態保護力度，必須找到發展與保護的平衡點;因此，需要權衡分析人類活動、環境變化、生態過程對生態系統服務之間關系產生的影響，為區域建設與生態建設提供決策支持。未來國內大型生態項目的評估建設，森林恢復工程對區域生態環境的改善修復程度，需要更精確量化的權衡研究去分析評估項目的可行性以及其效用。