濕地生態系統服務價值評估的空間尺度轉換研究進展

孫寶娣, 崔麗娟,*, 李 偉, 康曉明, 張曼胤

1 中國林業科學研究院濕地研究所, 北京 100091 2 濕地生態功能與恢復北京市重點實驗室, 北京 100091

濕地生態系統服務是指基于受益人考慮,濕地為人類以及各種生物提供賴以生存的環境條件和自然效益[1- 4],簡單地說,就是人類本身以及產生的活動能夠從濕地生態系統中獲得的利益[5]。不同的濕地生態系統,其提供的服務功能類型具有一定差異,如促淤造陸和消浪護岸兩項服務功能是濱海濕地特有的[4]。然而,濕地生態系統的最終受益者和濕地的源、匯經常處于不同的空間尺度[6- 9],即濕地所提供的生態系統服務功能和人類所接受的服務兩者之間存在“空間差異”[10-11]。例如,在對濕地的淡水資源供給和水質凈化價值進行科學量化評估時,需要一定的時空范圍：對于淡水資源供給,則需要一定的空間范圍,而水質凈化服務,則需要一定的污染物降解的時間范圍。所以,在計算這兩方面價值時,需要合理識別其滯后效應的價值并進行核算,關于濕地生態系統服務的滯后效應價值當前多以替代工程法來計算[12-13]。而運用替代工程法對存在“空間差異”的濕地生態系統服務進行等效計算,針對性相對較低,可能會造成部分價值的缺失,使得其真實價值難以量化。

濕地生態系統服務取決于一定空間尺度的生態系統結構和生態過程[2,14],而人類從濕地生態系統獲得利益的大小與生態系統時空尺度有著密切聯系。McCarthy[15]在1997年指出,在涉及到有尺度效應的地學或生態學研究中,在某一個尺度上得出的研究結果和結論,不能期望其能夠同樣適用于其他尺度,尺度的變化都會產生新的問題,所以假設在某一個尺度上研究的關聯程度不太可能在其他尺度的研究中依然存在。近年來,對濕地生態系統服務功能的尺度研究也引起關注[16]。本研究在分析濕地生態系統服務在不同空間尺度上的表現特征和空間規律的基礎上,對濕地生態系統服務價值評估尺度研究中的主要問題即如何解決尺度間轉換進行概述,將從尺度轉換的(重點針對空間升尺度轉換)研究現狀,包括尺度轉換概念、方法和存在問題等方面進行深入探討。

1 空間尺度轉換的概念及特征

尺度是濕地生態學中的一個重要概念,一般是指觀察或研究對象(濕地生態過程或格局)在一定時間范圍或一定空間范圍的量度,亦稱為時間尺度或空間尺度[17- 19]。濕地生態系統的服務依賴不同空間尺度上的生態與地理系統過程,即不同濕地生態系統服務的研究過程和結論都依賴于特定尺度,這種現象稱為空間尺度依賴性[19-20]。從20世紀50年代以來,生態學中尺度依賴性問題一直得到學者們的關注,尺度的選擇和尺度的轉換也一直被認為是研究中重要的理論問題和關鍵技術[20- 22]。學者們對生態學中尺度的研究內容和重點內容都作過總結,尤其是不同尺度間的轉換和聯系一直被認為是尺度研究的重點。1965年,Haggett等[23]就指出與尺度研究相關的尺度覆蓋、不同尺度之間的聯系以及怎樣進行尺度的標準化的3個基本問題。20世紀80年代末,Meentemeyer等[24]認為尺度研究應重點解決的3個基本問題為：(1)尺度在不同空間模式和過程檢測中的作用,以及尺度對環境研究中建模的影響;(2)對尺度閾值和尺度域的識別;(3)尺度轉換技術和方法對不同尺度選擇的分析和怎樣實現多尺度建模方法。國內學者張娜[25]提出生態學中的尺度問題主要涉及的也是3個方面：(1)明確生態尺度的概念;(2)對不同空間尺度進行分析;(3)不同尺度的研究進行轉換的技術和方法。

空間尺度轉換是指將數據或信息從一個空間尺度轉換到另一個空間尺度的過程,是指跨越不同尺度的辨識、推斷或推繹[23- 25]。尺度轉換是實現數據同化、形成統一協調的數據模型和知識的關鍵。大量研究證實,濕地生態系統服務價值評估中濕地格局與過程及其空間特征均是與尺度相依相存的[16,26-27]。濕地生態系統服務價值評估中的空間尺度轉換是指通過一個已經有的、與被估算濕地生態系統相似的更大空間范圍的或更小空間范圍的另一濕地生態系統的價值來估算該濕地生態系統的價值量的過程。從轉換前后的濕地空間范圍大小來區分,可以分為尺度上推(升尺度)和尺度下推(降尺度)兩類。濕地生態系統服務價值評估的尺度上推的定義是指運用已有的濕地生態系統評估結果求算更大空間尺度上濕地生態系統服務價值評估結果的過程,這也意味著對濕地生態系統服務價值客觀的認識趨向宏觀、整體[3];反之,則為尺度下推。

2 空間尺度轉換的方法

濕地生態系統服務價值評估的空間尺度轉換研究中,主要是指尺度上推[25]。傳統的生態學尺度的研究中,尺度上推可總結為兩類：一類是基于相似性原理的上推,另一類是基于動態模型的上推。基于相似性原理的上推包括相似性分析、量綱分析、空間異速生長學方法和傳統異速生長學;基于動態模型的上推則包括直接外推法、簡單聚合法、有效參數外推法、空間相互作用模型方法等。具體涉及的函數包括回歸分析法、小波變換法、半變異函數法、空間自相關分析法和相關圖示法等[28]。

結合已有濕地生態系統價值評估尺度轉換的研究方法[29- 32]可以歸結為兩種：一是成果參照法,又稱“效益轉移法”;二是空間模型分析方法。成果參照法主要沿用傳統生態學尺度上推中的相似性分析方法、直接外推等方法和原理進行更大尺度濕地生態系統服務的價值評估;而空間分析模型方法則主要沿用傳統生態學尺度上推中的有關聚合聚類、空間相互作用模型等方法進行轉換。

2.1 成果參照法

成果參照法是指利用現有的濕地生態系統服務價值評估研究結果,對更大空間范圍的濕地生態系統服務價值進行評估的過程[3,31]。該方法主要是基于在特定區域的較為成熟的典型濕地案例,根據其價值評估的結果,通過適當的方法進行調整,轉換到其他地理空間的濕地研究區域,進而得到尺度轉換后的更大地理空間的濕地生態系統服務價值量[31,33]。不少學者對相關研究的成果參照法的評估結果進行的有效性檢驗顯示,誤差在可接受的范圍內[34- 37]。主要包括數值直接外推法和調整函數參照法兩種方法。

2.1.1 數值直接外推法

數值直接外推法,是指在濕地生態系統服務價值評估尺度上推過程中,保持模型粒度不變而增加模型的幅度。這也是目前研究中最直觀也是技術上最直接的方法。不論是局域尺度或是區域性尺度,或是以典型濕地案例,或是以城市、省域地理范圍為研究對象,大多采用MA的分類體系,即供給、調節、支持和文化4個方面[4];或根據受益者分成中間服務和最終服務[12]。學者們綜合考慮生態系統去重復性問題,選擇研究區內濕地發揮的主導服務功能進行評估。方法主要是參照國外學者Costanza[10,38]發表的關于全球生態資產評估的理論體系。其是將1997年的100項研究成果和2008年300多項研究成果進行綜合,假設每單位類型的生態系統服務價值不變,從而與相應的面積相乘再相加得到總價值,兩次研究中分別涉及到17項和22項生態系統服務類型和包括市場價格法、享樂價格法、意愿調查法、重置成本法、旅行費用法等的評估方法。

這樣的方法忽略了系統要素之間和各種服務之間的復雜的相互依存性,得出的只是一個粗略的近似值,并且存在一定的誤差。其中,有些直接套用單位面積產生的誤差相對較小,比如供給服務中采用市場價值法進行核算濕地的食物生產,原材料生產等。而有一些譬如涵養水源采用影子工程法時,選擇水庫成本時,有一些研究中還是沿用1997年Costanza等[38]的0.67元/m3的單位成本,顯然是有一定誤差的,應該根據現有的GDP,居民消費指數CPI等指標進行調整和標準化。上述的這些生態系統服務功能所發揮的空間尺度包括從局域尺度到全球尺度,在進行價值尺度轉換的時候,沒有辦法解釋濕地地理空間上的變異,忽略了研究變量隨尺度變化而發生的非線性變化,在直接外推中存在著一些不確定性和誤差。有關Costanza等人[10,38]的方法及其在中國濕地生態系統服務價值評估中應用可能還存在下列問題：其生態系統服務價值體系是基于全球尺度得到的結果,而且大多案例選擇來自于歐洲、美國等發達國家,所以其評估結果也主要反映的是這些國家的經濟水平。中國作為發展中國家,以直接應用該方法可能會導致濕地生態系統服務價值被估計得偏高。Costanza等人的方法有著一定的合理性和可借鑒的價值,但是隨著全球經濟的進步,仍然有值得完善之處。

2.1.2 調整函數參照法

濕地生態系統服務價值評估尺度轉換中的調整函數參照法主要是指Meta整合分析法,也有人用總觀評述、數量評論、數量綜合等這些名稱來代表這一方法。Meta分析通過調整函數來換算濕地單位面積的價值,可以根據不同類型濕地進行換算,也可以根據不同生態系統服務進行換算,再根據不同類型濕地面積和不同生態系統服務所發揮功能的面積來實現大尺度濕地生態系統服務價值估算結果。該方法最早由美國教育學家Glass提出,是指綜合分析其他研究結果的統計學分析方法[39]。Fleiss等[40]、彭少麟和唐小焱[41]等學者對Meta分析的方法進行再分析與補充,并將該方法引入到生態學領域中。此后,張翼然[31]、Gracz[42]、Chaikumbung[43]和Pavlineri[44]等學者們將Meta分析法具體應用到濕地生態系統服務價值評估領域中,對更大地理范圍內的濕地生態系統服務價值進行核算,包括全國、跨越國家(發展中國家)的地理尺度范圍。

該方法具體步驟主要分為以下3步：第一步,建立數據庫。篩選初始研究(包括已發表和未發表的相關主題的研究),將這些研究的關于濕地生態系統服務類型、各項服務的價值以及研究案例點所處地的空間地理信息、經濟和環境變量特點等數據形成Meta研究的數據庫。第二步,運用統計分析軟件進行分析,建立Meta回歸模型函數見公式(1),得出影響濕地生態系統服務價值的濕地特點、環境特點和評估技術等變量的系數及常數項。第三步,調整Meta模型,主要是通過研究區域的典型濕地案例點的數據來對模型進行驗證,使得其適用于濕地生態系統價值評估,來計算研究區域濕地生態系統服務總價值。

lnVij=β0+βwXWij+βmXmij+βcXcij+Uij

(1)

式中,i和j代表第j個研究中的第i個觀察值。Vij代表第j個研究中的第i個生態系統服務的價值,單位：美元 hm-2a-1,研究中將所有價值標準化到基準年的價值。β0為常數項,βw,βm,βc分別為對應變量的系數項。Xw代表濕地特點,包括濕地規模大小、濕地類型等。Xm代表評估技術,包括數據庫中的研究是否是發表狀態、評估年份等。Xc代表濕地所處地理環境、經濟-社會特點,包括當地的人均GDP,是否屬于拉姆薩爾濕地(即濕地的保護力度),濕地所處的緯度,當地的人口密度和濕地與城市中心的距離等。

綜合國內外的研究,發現很多學者對Meta模型中不同社會-經濟因子和濕地生態系統服務價值的關系都有不同程度的研究。Woodward等[45]和Brander等[46- 48]的研究中,使用多元回歸分析對濕地生態系統服務價值進行尺度上推,強調在Meta數據庫的搜集中,要廣泛包括不同地理位置的相同類型濕地、不同評估方法、不同類型的濕地生態系統服務功能和不同經濟-社會因子。Ghermandi等[49-50]的研究中得出一些社會-經濟變量,如居民收入、人口密度等因素對濕地生態系統服務價值評估有很大影響。Chaikumbung等[43]在識別影響發展中國家濕地評價的因素得出,濕地規模大小和濕地生態系統服務價值呈負相關關系,城市GDP和濕地生態系統服務價值呈正相關關系,濕地的水質凈化和生物多樣性的價值比休閑旅游價值要高等相關結論。Rao等[51]則采用單變量和多變量分析,并在Meta分析中采用逐步移除的回歸分析,精確得出影響全球濱海濕地單位面積價值的因子,結果和Chaikumbung等[43]的研究呈一定的相似性,包括濕地規模大小和單位價值呈現顯著負相關關系,條件價值評估方法和GDP因子和單位價值呈顯著正相關關系。國內學者張翼然等[3,31]、張玲等[52]將Meta分析的方法引入到湖沼濕地生態系統服務價值評估中,實現了全國尺度的價值評估。

Meta分析在國內外的濕地生態系統服務價值評估的應用已經較為廣泛,其克服了傳統文獻綜述的缺陷,具有可以對同一問題提供系統的、可重復的、客觀的綜合方法等特點,并具有增加檢驗效能、提高研究精度等優勢[11,47,53-54],其綜合性、準確性的特性得到了越來越多專家的認可。但該方法也有自己的不足,這種調整函數得到的結果還是單位面積價值,相對缺少空間相關信息的提煉和分析,在進行尺度轉換時還是缺少信服力。國內相關研究中,由于時間和精力的限制,搜集的案例研究點大多來源于國內[31,55],由于樣本和解釋變量個數較少,很多統計上不顯著的解釋變量被剔除,縮小了Meta回歸模型的預測范圍。所以,在今后的實證研究過程中,除了要提高濕地生態系統服務價值評估方面文章的深度和廣度,繼續完善Meta分析的方法和技術,還應該積極地探求國際合作,尋求資源共享。

綜述這兩種成果參照法,其優點在于：兩種方法都已經得到了相關學者在很多研究區域的運用,在一定程度上說明成果參照法在價值評估尺度轉換研究中有一定的意義和合理性。若評估大尺度濕地自然地理條件具有一定的相似性,如濕地有著相同的濕地類型、植被特征、水文特征,并且這些濕地發揮的服務功能也大體一致,套用這些研究成果,可以有效地節約成本。但是成果參照法在應用過程中也有一定的局限性：這樣的評估方法大多是適用于相同的濕地類型或者空間尺度跨越不是很大的情況,并且尺度轉換過程中的數據大多是依靠原始數據,如果原始數據精度和質量不高,那么轉換后結果必然存在誤差和不確定性。另外,要求原始數據和轉換后的濕地生態系統之間具有相似的社會經濟特征、自然地理特征,如果兩者相似度很高,那么評估結果的精度也越高。

2.2 空間模型分析方法

對大尺度濕地生態系統服務價值研究中,相關的生理生態、社會經濟等參數是關鍵數據,GIS等空間分析軟件能在多尺度范圍內提供有效真實地生理生態、社會經濟影響因素等方面數據,并通過系統采樣、變異函數分析(即空間建模)對研究對象和被估計生態系統的各項因子建立函數模型,計算出所求價值量[56- 58]。以運用條件價值法中支付意愿法來調查核算某濕地生態系統服務價值中生物多樣性維持價值為例,定義其函數為WTPij=f(Gj,Hi)式中,WTPij是第i個受訪者對第j個濕地生物多樣性維持的支付意愿,Gj為j濕地的環境特征,Hi為i個受訪者的社會屬性,包括年齡、教育程度、收入等。目前在濕地生態系統服務價值評估中,應用較多的是對濕地空間信息的提取,如蔣衛國等[59]學者們利用多源信息集成全面評估了北京市城市濕地生態系統服務價值,類似這樣的研究還有很多,在提取信息后,更多的還是參照上述的一些成果參照法進行價值評估。

3 存在問題及展望

不同空間尺度上的濕地生態系統服務具有一定的差異性,因此,尺度轉換的研究在濕地生態系統服務價值評估中起到十分重要的作用。然而近些年的研究中,濕地生態系統服務價值尺度轉換的技術和方法運用也存在一些問題：

3.1 尺度轉換研究中缺乏對空間異質性的考慮

目前很多學者直接應用未改進的Costanza生態系統類型中的單位面積價值換算更大尺度的濕地生態系統服務價值,即數值直接外推法,該方法忽略了濕地空間異質性特征;或者是根據Meta分析模型來得出調整單位面積價值。雖然Meta分析模型是目前國內外的濕地生態系統服務價值評估的應用較為廣泛的尺度轉換方法,但是其還是缺少空間相關信息的提煉和分析,評估的結果缺少信服力。所以需要完善和優化現有尺度轉換方法或引入其他更能反映濕地生態系統服務價值隨著其空間非線性變化而變化的尺度轉換模型。

在生態學領域中,還是有相對成熟的尺度上推技術—小波變換[25,60- 62],研究者們借助Daubechies基[60-61]和Mallat算法[62]在不同時間尺度下濕地氣候變化[63-64]、水文參數對濕地的影響[65]、濕地河岸線空間后退[60]等方面都有了相對成熟的應用,可以借鑒已有研究的理論和思路,在今后的研究中,對濕地生態系統服務價值空間尺度研究進行嘗試和探索。其函數表達式可為：

f(x)=SJ(x)+DJ(x)+DJ-1(x)+DJ-2(x)+…+D1(x)

(2)

式中,f(x)為對研究對象濕地建立的小波函數,也稱為待分析函數,S表示待分析函數的平滑部分,D表示待分析函數的細節部分,SJ(x)、DJ(x)、DJ-1(x)、DJ-2(x)和D1(x)則表示不同空間尺度上濕地的小波信號。SJ(x)為待分析函數在最粗尺度2J的粗略估計。待分析函數的平滑部分和細節部分滿足SJ(x)+DJ(x)=SJ-1(x),即SJ-1(x)是SJ(x)加入細節信息DJ(x)之后得到的,能給出待分析函數在尺度2J-1上更精細的估計。同理,SJ-1(x)和DJ-1(x)累加得到SJ-2(x),給出待分析函數在尺度2J-2上精細的估計。依此類推,SJ(x),SJ-1(x),…,S1(x)分別給出待分析函數在2J,2J-1,2J-2,…,2尺度上的逐漸精細的估計[25]。因此,利用小波變換模型中對原始待分析函數的分解,以及小波逆變換中對不同尺度分解函數組分的重購,可實現待分析函數的多尺度上推?？紤]到濕地生態系統服務功能受周邊土地利用與人類活動等方面影響,在今后模型的應用中,需要納入這些因素。

3.2 尺度轉換研究中的原始數據精度問題

濕地生態系統服務價值尺度轉換研究中,不管是成果參照法還是空間模型分析方法,進行空間尺度上推時,都是基于小尺度空間范圍的原始基礎數據進行[66-67],所以對濕地地理空間尺度進行價值上推中,對原始數據精度要求較高。原始的數據質量越高,其模型轉換后的評估結果也就越為準確,即誤差就越小[68]。但如果缺少足夠的濕地原始數據資料,那么轉換后的結果必然存在一定的不確定性和誤差,最終核算出的結果精確度更低。另外,關于濕地生態系統能夠體現的功能與價值如何認定的問題,也是需要在小尺度空間范圍濕地生態系統服務價值評估和尺度上推過程中重點考量(主要考慮不同濕地類型發揮的不同生態系統服務以及相對應的評估方法)。今后的研究中,考慮到濕地不同生態系統服務之間存在權衡和協同的關系[4,69],基于受益者的差異性,對生態系統服務進行權重分析并排序,可以明確每項生態系統服務對于濕地的貢獻率,使得小尺度范圍內的原始數據的價值評估結果更為接近真實值。

3.3 尺度轉換研究中的模型參數問題

對任何尺度下濕地生態系統價值評估都需要對模型參數進行選取[3,70-71]。濕地生態系統包含很多復雜的過程,受到的影響因子較多[6,54,72],而大部分學者在生態因子層面調整的較多,少有研究從社會經濟層面調整[73-74]。尤其是在尺度上推過程中,需要采取很多重要的有關經濟價值方面的參數,但是隨著我國經濟的快速發展,經濟參數的值會發生了很大的變化,因此在使用這些參數的時候需要結合當時當地的實際經濟發展狀況情況。此外在選擇影響因子要素的時候,一般需要對相關要素做系統分析(如采用逐步移除逐步回歸的方法進行確立),避免因為遺漏相關因子而導致研究結果的不準確。運用這些因子建立起來的模型表達式既要適合小尺度范圍的濕地研究,也要與大尺度的濕地保持一致,能夠體現尺度轉換的特征[75]。對最后得出的結果,還需要進行誤差分析和不確定性分析來驗證其合理性。

3.4 缺少對特征尺度的研究和衡量

特征尺度是尺度研究中的一個基本特征,包括特征時間尺度和特征空間尺度[17,36,76-77]。濕地生態系統價值評估尺度轉換中的特征空間尺度是指能夠體現濕地生態系統價值評估過程特征的最小空間范圍,而不同的濕地生態系統服務類型,其特征尺度也不一樣,如凈化水質服務功能更多體現在集水區或、流域尺度等[7,26]。濕地生態系統在結構和功能上比一般系統要復雜得多[78-80],研究濕地生態系統服務價值評估的特征尺度有助于更好地理解和揭示濕地生態格局空間異質性的成因,以及可以有效度量不同觀測尺度上的異質性大小。而目前,在濕地生態系統服務價值評估尺度轉換的研究中,尤其是跨尺度轉換的非線性研究,還相對缺少有關特征尺度的研究,大尺度空間范圍內的濕地生態系統服務價值評估的特征尺度的研究和衡量對于尺度選擇的精確性有重要的理論和實踐意義。

3.5 尺度轉換結果的不確定性分析

由于大尺度濕地的空間異質性,在取樣和基礎數據觀測方面存在誤差較大、生態參數變量的非線性變化、原始數據的缺乏以及尺度轉換方法運用等問題[81-84],進而對評估結果也會造成一定的影響,而且這些誤差在空間轉換過程中更有可能發生繁衍,從而對評估結果的精度產生更大的非線性影響。如果不進行不確定性分析,通過尺度轉換的濕地生態系統服務價值,是否能夠反映所研究內容的實際特征還值得商榷[85-86]。但是,在目前的濕地生態學研究中,有關這方面精度或者不確定性的研究尚未得到重視,學者們并不清楚運用尺度轉換后的精度到底能達到多少。在今后的研究中,應該引用適當的模型如Morris靈敏度分析方法[87]對濕地生態系統服務價值評估尺度轉換結果進行不確定性分析。

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