湖泊濕地生態系統服務研究進展

徐昔保,楊桂山,*,江 波

1 中國科學院南京地理與湖泊研究所,中國科學院流域地理學重點實驗室,南京 210008 2 長江水資源保護科學研究所,武漢 430051

生態系統服務是生態系統對福祉效益的直接或間接貢獻,其可持續供給是影響區域、國家及全球可持續發展與生態安全的重要因素[1- 4]。自2005年聯合國發布千年生態系統評估報告(Millennium Ecosystem Assessment, MA)后,生態系統服務研究取得了前所未有的快速發展。國際上先后發布并實施了一系列重大國際研究計劃,如福利核算和生態系統服務價值評估(WAVES)全球伙伴關系[5]、2020生態系統及其服務狀況制圖與綜合評估計劃[6]、生物多樣性和生態系統服務政府間科學政策平臺[7]等。2014年開始實施的未來地球計劃(Future Earth),將IGBP等全球變化研究計劃逐步拓展到全球變化對生態系統服務的影響,明確提出要全面認識環境、經濟、社會和政策變化下水—能源—糧食供給服務之間的相互作用機制,合理調控與優化多種生態系統服務之間的權衡關系,并將其融入到決策制定過程中[8]。上述重大國際研究計劃的實施,進一步提高了世界各國科學界對生態系統服務研究的關注,生態系統服務已逐漸成為地理學、生態學和環境科學等多學科交叉研究的前沿和熱點[9- 11]。

隨著生態系統服務研究的不斷深入,生態系統服務從提高公眾認知到理論框架不斷完善及案例研究深入拓展,并逐步深化為管理決策和政策設計應用[4- 5,11]。全球湖泊濕地面積約7—10×106km2,占全球陸地總面積的5%—8%,與其他生態系統類型相比,湖泊濕地生態系統有著區別于其他生態系統類型的水文過程和生物地球化學循環過程,因此其提供的生態系統服務也從一定程度上區別于其他生態系統類型。主要體現在涉水的生態系統服務,包括水資源供給、水質凈化、洪水調蓄、生物多樣性維持、休閑娛樂等,在保障全球水生態安全格局中占有重要地位[12- 13]。據估算,湖泊濕地生態系統服務提供的價值占全球生態系統服務價值總量的23.2%[14]。湖泊濕地生態系統因其巨大的生態系統服務價值、保障區域/國家乃至全球生態安全的重要作用及其在社會經濟快速發展下導致的不斷退化和萎縮的趨勢,已引起了各國政府及學者的高度關注[14,15- 16]。中國明確把“濕地面積不低于8億畝”列為2020年生態文明建設的主要目標之一,并納入國家“十三五”綱要。然而,受湖泊濕地生態系統的高度復雜性、特殊性及研究手段局限等多方面條件限制,湖泊濕地生態系統服務內涵,評估方法及其管理決策與政策設計等方面的研究和應用尚處在探索階段。目前,尚未形成通用的湖泊濕地生態系統評估框架和方法體系,難以有效地服務于湖泊濕地生態系統管理決策與政策設計。本文以湖泊濕地生態系統服務概念與內涵為切入點,并結合管理決策和政策設計的需求,評述當前湖泊濕地生態系統服務研究中存在的不足,并對未來研究的重點方向進行了深入剖析和討論,以期深化湖泊濕地生態系統服務研究的理論與方法,推動湖泊濕地生態系統服務由理論走向管理決策與政策設計,服務于國家生態文明建設等頂層設計和戰略需求。

1 重要研究進展與不足

生態系統服務研究從概念提出到不斷發展大體可劃分為四個階段：生態系統服務概念探討(1997年前)、生態系統服務分類體系建立與經濟價值評估快速發展階段(1997—2005年)、分類體系/評估框架/評估方法逐步完善階段(2005—2010年)、權衡分析、供需耦合機制及與政策設計結合階段(2010—至今)(表1)。相比其他生態系統類型,湖泊濕地生態系統服務研究相對較為滯后,主要始于2005年聯合國千年生態系統評估后開展價值評估與影響分析,2010年前后進入熱點研究階段。當前,湖泊濕地生態系統服務研究主要集中在：土地利用變化對湖泊濕地生態系統服務的影響、模型在湖泊濕地生態系統服務評估的應用、湖泊濕地生態修復對生態系統服務的影響與評估等幾個方面,而在模型開發、權衡分析、管理決策和設計等方面仍處在探索階段。因湖泊濕地獨特的水文特性和生物地球化學循環過程,現有模型大部分難以有效應用于評估湖泊濕地生態系統服務研究。此外,受監測數據和模型局限,大部分研究集中在湖泊濕地生態系統供給服務評價?？偨Y和回顧湖泊濕地生態系統服務近十多年取得主要進展與存在的不足如下。

表1 生態系統服務研究階段、研究內容與研究方法

1.1 湖泊濕地生態系統服務內涵

湖泊濕地提供的生態系統服務,不僅涉及多尺度利益相關方,而且在特定的時空尺度具有不可替代性[12,36],如最新研究表明濕地是陸地生態系統中硝酸鹽削減效率最高的生態系統[13]。隨著公眾和管理決策者對湖泊濕地生態系統服務功能重要性認識的不斷提高,湖泊濕地生態保護已逐漸被提升到事關國家生態安全的理論高度,生態系統服務研究也已成為生態文明制度建設、生態系統管理與保護的重要技術手段。

生態系統服務自其概念提出到其與管理決策和政策設計結合,經歷了幾十年的發展歷程。Daily、de Groot、Costanza和MA等針對生態系統服務概念、內涵及分類體系進行了全面的分析和系統的探討[1- 3,37]。MA將生態系統服務劃分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務四大類,在全球范圍內得到了廣泛應用和推廣[3]。然而,MA分類體系在生態系統服務的集成研究和系統評估等方面的應用存在較大局限性,究其原因是MA體系混淆生態系統中間服務和最終服務,使得生態系統服務的精細評估和管理設計缺乏可靠的數據支撐[38]。為推動生態系統服務由概念設計走向理論實踐,Wallace、Fisher et、Haines-Young、Staub等針對生態系統中間服務和最終服務的區分進行了深入的探討[21- 23,27]。隨著生態系統服務理論體系研究的不斷深入,生態系統服務概念也進一步深化為：生態系統對人類效益的間接或直接貢獻[23,39]。EPA(Environmental Protection Agency)基于此概念,提出了“環境→最終產品→直接/間接利用→生態系統服務直接利用者”的分析框架,并建立了NESCS(National Ecosystem Services Classification System)生態系統服務分類體系[40],從理論上區分了中間服務和最終服務,為生態系統服務研究奠定了重要基礎,促進了生態系統服務權衡與協同、生態系統服務形成機制、生態系統服務集成評估及政策設計等方面的進展。按照生態系統服務的最新進展,湖泊濕地生態系統服務大致可以分為17—23類,但具體分類體系因研究區域的生態特征和受益者偏好而具有較大差異。因此,在選擇湖泊濕地生態系統服務分類與評估指標體系時,應根據研究區域的生態環境綜合特征進行定制；同時為保障不同研究之間的橫縱可比性,指標體系選擇應在統一的分類體系框架下確定。

1.2 湖泊濕地生態系統服務評估

湖泊濕地生態系統開展生態系統服務評價是全球生態系統服務評價的重要組成部分[3,41- 42]。近20年,國際上對湖泊濕地生態系統服務評估開展了一系列案例進展。Schallenberg等從供水、魚類供給、水源凈化、洪水控制、湖濱保護、氣候調節、休閑娛樂等12類生態系統服務角度出發,對新西蘭8個面積超過100 km2的湖泊進行了生態系統服務評價[36]。2010年,美國啟動五大湖恢復計劃(Great Lakes Restoration Initiative)對五大湖生態系統服務進行了系統評估,分析生態系統服務變化過程與驅動因素,通過投資超過10億美元的眾多管理及工程措施來改善五大湖地區生態系統服務,顯著提高了五大湖水質凈化、水資源供給、生物多樣性保護以及景觀美學等重要生態系統服務[16]。Steinman等綜合分析了美國五大湖的生態系統服務狀態與未來趨勢,討論了五大湖生態系統服務定量評估面臨的挑戰及未來急需解決的問題[43]。Reynaud & Lanzanova利用元分析統計方法估算了全球699個湖泊生態系統服務價值的均值[44]。此外在加拿大、尼泊爾、埃塞俄比亞等國家也相繼開展了湖泊濕地生態系統服務評估案例研究, 主要集中在湖泊濕地生態系統服務價值評估、物質量或功能評估[45- 47]。

在模型發展方面,基于遙感和GIS技術等為支撐的生態系統服務評估模型也得到了快速發展,出現了包括InVEST (Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs)、ARIES (Artificial Intelligence for Ecosystem Services)、SolVES (Social Values for Ecosystem Services)、MIMES (Multiscale Integrated Models of Ecosystem Services)、EPM (Ecosystem Portfolio Model)、ESR(Ecosystem Services Review)、EcoMetrix、Benefit Transfer and Use Estimating Model Toolkit 等20多個模型[24- 26]。受湖泊濕地生態系統高度復雜性、模型結構及適用性等制約,上述大多數模型在湖泊濕地生態系統服務評估中的應用剛處于起步階段。目前InVEST模型在湖泊濕地生態系統服務評估中進行了一些嘗試,主要用于模擬評估水資源供給、生物多樣性維持、水質凈化等生態系統服務。InVEST模型具有使用簡便、數據易獲取等優點,但因模型采用簡化的水文模型,不能準確模擬具有高頻變化特征的水情變化及其對生態系統服務的影響,其模擬結果相對傳統的水文和水質模型存在較大的不確定性[48-49]。

近年來,國內學者也開展了一系列湖泊生態系統服務評估案例研究,主要采用以下4 種方法：1)列舉湖泊生態系統提供的所有服務(包括中間服務和最終服務),選取相應的生態屬性指標或效益指標,基于生態監測、野外調查[50-51]和問卷調查[52-54]等方法,評估湖泊生態系統服務價值量或物質量；2)以土地利用/土地覆蓋為替代數據,直接采用效益轉化法評估湖泊生態系統服務價值評估[55- 57]；3)利用長序列的古湖沼學記錄數據分析湖泊生態系統服務變化特征[58-59]；4)基于生態系統服務評估模型(如InVEST,SolVES),模擬評估湖泊濕地生態系統服務物質量和價值量[60-62]。

1.3 湖泊濕地生態系統服務影響機制

湖泊濕地通常是一個開放、連續的生態系統,受自然過程和人類活動的干擾與干預,湖泊濕地生態系統服務呈現高度復雜性、高頻時空變化和高耦合關聯等特征,而水情是氣候變化與人類活動作用于湖泊濕地生態系統服務過程中最為重要的過程變量。氣候變化通常會導致洪旱災害的頻繁發生,氣候因子可改變降水量、氣溫、蒸散等時空分布格局,進而使得水文情勢產生顯著變化[63]。隨著社會經濟的快速發展,人類活動干預在不斷加強,誘發湖泊濕地生態系統的一系列問題,如大型水利工程的建設顯著地影響湖泊水情,對湖泊濕地生態系統帶來正負雙重效應,使湖泊生態系統趨于更加不穩定狀態[64]。湖區及流域城鎮擴展、工業及旅游業發展等,加劇了對淡水資源供給需求和入湖污染物排放,進而對湖泊濕地生態系統的生態系統服務產生負面影響。Smith等利用專家咨詢與問卷調查法,分析了入湖污染物、入侵外來物種、水文及氣候條件變化、棲息地改變、水資源供給能力、湖泊富營養化以及水利工程設施干擾等50多個脅迫因子對美國五大湖區供水、生物多樣性保護、景觀美學等重要生態服務功能的脅迫影響機理[65]。Ricaurte等利用空間統計、矩陣法和公眾參與式制圖法識別影響哥倫比亞濕地未來變化的最重要驅動因子為土地利用變化、水資源需求和水污染[66]?，F有的生態系統服務影響機制分析主要采用定性或半定量的統計分析為主,采用模型模擬方法較少涉及。

近年來全球變化導致極端氣候事件頻發的背景下,控湖工程對湖泊水位波動的影響加強,湖泊長期形成的動態平衡水位波動模式與濕地水文需求關系被打破,大多數湖泊生態系統已經發生了顯著變化,湖區水源供給、環境凈化、生物多樣性等多種生態系統服務在水利工程的影響下呈現出明顯的退化跡象[67- 68]。眾多案例研究表明,無水利工程控制的湖泊在其各個水深梯度均可以支撐結構更多樣的植物群落,而被控河湖水系因水位波動的減小而生物多樣性降低,洲灘濕地生態系統物種構成向單一化均勻化發展[29,69- 70]。此外,控湖工程下湖泊水情的改變,還導致湖泊懸浮物負荷、水動力、水環境等產生動態變化,進而使得湖泊水質狀況面臨更為嚴峻的考驗[71]。

1.4 湖泊濕地生態系統服務權衡與優化

生態系統服務由于類型多樣性、空間非均衡性、人類使用選擇性等特點,多種生態系統服務之間存在顯著的權衡與協同等關系形式[10,30,72]。理解與掌握生態系統服務權衡與協同關系,是對多種生態系統服務實行保護、優化與可持續利用的前提,有利于制定區域發展與生態保護“雙贏”的政策措施,有利于明確生態管理決策的最優和次優空間[4,31- 32]。生態系統服務權衡研究方法總體可分為統計方法、空間分析方法、情景模擬方法和服務流動性分析方法[4,73]。目前生態系統服務權衡分析研究主要以定性分析為主,主要通過空間制圖與地統計分析方法,判定生態系統服務權衡或協同關系[30],定量化研究相對較少[31]。

目前,針對湖泊濕地的生態系統服務權衡與優化研究處于剛起步階段,相關研究較少涉及。Jessop等通過野外采樣,利用主成分分析和冗余分析等方法解析濕地養分循環、草本生物量、土壤有機質含量、地表水儲存潛力和生物多樣性維持等多種生態系統服務之間的權衡關系[33]；Li等結合InVEST模型和農戶調查法,分析了南水北調中線水源地多種生態系統服務權衡關系,揭示了生態系統服務四個尺度利益相關者(移民安置農戶、當地政府、下游水資源用戶和全球受益者)的權衡關系[34]；Yang等利用InVEST模型評估了黃河三角洲濱海濕地生境質量、固碳和物質生產之間權衡與協同關系,揭示了圍墾對多種生態系統服務之間關系的影響[35]。

1.5 研究不足

(1)沒有形成通用的湖泊濕地生態系統服務評估框架和方法體系。目前,大多數研究在開展生態系統服務估算與指標選擇過程中,混淆湖泊濕地生態過程、功能和最終服務,導致湖泊生態系統服務價值重復計算,評估結果可信度不高[38]；評價指標和評估方法多樣化,評估結果橫向可比性較差,尺度推繹不確定性較大；生態系統服務評估模型應用往往缺乏有效驗證與參數區域化,且大多數模型主要針對供給服務和調節服務(如淡水供給、水源涵養、水土保持、固碳、水質凈化等),而對文化服務和支持服務的模擬功能相對缺乏,導致模擬指標存在一定的片面性,模型估算結果也存在較大的不確定性。

(2)多因素疊加的定量分析與甄別不夠深入。受湖泊濕地生態系統服務的高度復雜性、多樣性等特征、生態系統服務長期監測數據缺乏以及現有生態過程模型的局限性等制約,定量甄別湖泊濕地生態系統服務變化驅動因素及影響程度仍是目前研究的難點和重點[36,43,71]。尤其是針對大型洪泛型湖泊濕地,如何定量識別與區分大型水利工程、氣候變化、土地利用變化等多重疊加因素對湖泊濕地生態系統服務變化的影響機制仍較為困難,是湖泊濕地生態系統服務研究亟待解決的科學問題之一。此外,絕大數研究都忽視湖泊濕地生態系統服務供給和需求的空間異質性與空間流轉,不利于揭示利益相關方與生態系統服務在不同尺度上的影響機制。

(3)湖泊濕地多種生態系統服務權衡與優化研究較少涉及。目前,針對湖泊濕地生態系統服務權衡研究方法主要采用常規的野外監測與采樣、地統計分析、價值化半定量評估和InVEST模型,仍以定性與半定量分析為主,定量化分析方法相對較少。此外,研究內容上主要集中在湖泊濕地多種生態系統服務權衡與協同關系的診斷與空間識別方面,而對多種生態系統服務之間的相互作用機制與協同優化路徑研究鮮有涉及。

2 未來研究重點

2.1 湖泊濕地生態系統服務監測

目前,基于湖泊濕地野外觀測平臺與基地,已經開展了一系列針對湖泊濕地生態系統結構與組分(面積、種類、物種數量、水生生物、生境類型)、水環境(總氮、總磷、藻類)、土壤、水文情勢(水位、水量、泥沙含量)、浮游植物初級生產力、鳥類等監測[12,74-75]。現有的野外監測側重于湖泊濕地生態系統結構、狀態、過程及時空變化等方面,為湖泊濕地生態系統服務評估提供了基礎數據和過程機理認識[76-77]。但現有的常規監測指標多為表征湖泊濕地生態系統的特征指標,無法直接測度湖泊濕地生態系統服務,因為不能有效滿足生態系統服務評估、權衡分析和管理決策的需求,無法滿足模型率定與驗證需求,在很多區域甚至缺乏常規監測。因此,在結合湖泊水位、淹沒出露面積、流速、換水周期等水情要素和水質等常規監測指標外,根據湖泊濕地生態系統的特征及其特殊性,選取與人類活動和管理措施直接關聯、比較重要且比較敏感的生態系統服務關鍵表征指標,如污染物降解能力、溫室氣體排放通量、漁獲物、生物量、洪峰削減量、淡水供給量、珍稀鳥類數量等,為生態系統服務評估模型提供關鍵參數與率定所需的觀測數據,同時有助于進一步深化認識湖泊濕地生態系統服務的形成與影響機理。

2.2 模型評估不確定性

生態系統服務評估模型能較直觀的刻畫生態系統服務時空變化和空間流動轉移特征,識別生態系統服務時空權衡關系、生態系統服務熱點區和重點保護區域,直接為生態系統服務管理和政策設計提供科學依據[78-79]。模型評估的不確定性主要包括四個方面：1)受生態系統類型多樣性及生態系統服務的高度復雜性等因素影響,生態系統服務形成與變化的機理認識仍有待完善；2)在模型設計與開發過程中往往需要對模型結構進行簡化,導致模型自身均存在一定的不確定性；3)針對典型生態系統服務的長期定位觀測的缺乏,導致生態系統服務評估模型中的部分關鍵參數很難實測獲取或通過率定實現模型參數區域化,使得模型評估存在較大的不確定性；4)現有的生態系統服務評估模型大多只能模擬單一或有限幾類生態系統服務,進行生態系統服務綜合評估通常需要運用多個生態系統服務評估模型,多個模型之間往往缺乏對多類生態系統服務之間相互作用機制的表達或耦合集成,導致其評估結果也存在一定的不確定性。因此,在未來需加強野外監測和控制實驗,提高對湖泊濕地生態系統服務形成及影響機制的認識,進一步優化模型結構。同時,加強生態系統服務的尺度效應與相互作用機制研究,從模擬對象、模型結構、關鍵參數、模擬方法、適用尺度等多維度對現有的各類模型及模型組合進行敏感性與不確定性分析,綜合比較生態系統服務評估模型的性能與適用性,選擇或建立符合區域實際及決策需求的生態系統服務評估模型,提高模型的綜合集成模擬能力、精度與可靠性。

2.3 生態系統服務變化風險評估

US EPA于1990年首次提出生態風險概念,并分別于1992 年和1998年頒布了《生態風險評價框架》和《生態風險評價指南》,提出了“明確問題、分析暴露和效應、風險表征”3步驟的ERA評價方法[80]。近20年來,生態風險評估在評價內容、范圍、尺度等方面都有了很大進展。由單一化學污染物、單一受體發展到多風險源、多風險評價終點,風險源范圍也從化學污染、生態事件等開始擴展到人類活動的影響(如城市化、生活和工業廢棄物、LUCC、漁業、氣候變化等),已廣泛應用于水環境評價[81]、區域和綜合生態風險[82]、生態系統服務管理和政策[83]。現有對湖泊濕地生態系統服務研究更多地關注物質量和價值量的評估,對多種因素干擾或脅迫下湖泊濕地生態系統服務變化可能存在的長期或系統風險的研究鮮有涉及,導致生態系統服務變化的風險預警與調控可操作很差[84-85]。基于生態風險評估的內涵,引入生態系統突變的理論與方法,結合長時間序列的監測數據或模型模擬,診斷生態系統服務發生突變的類型及臨界點,構建湖泊濕地生態系統服務變化風險評價體系與診斷模型,識別生態系統服務變化的高風險區、高風險類型及形成條件,將是湖泊濕地生態系統服務未來研究的重要內容之一,有助于真正將生態系統服評估全面融入到湖泊濕地生態系統管理、生態風險預警與決策過程中。

2.4 湖泊濕地生態系統服務優化與調控

生態系統服務優化與調控是生態系統服務在生態系統管理與政策設計中的典型應用,是生態系統服務研究的最終目標。重點開展以下3個方面的研究：1)基于生態系統服務時空變化模擬,開展湖泊濕地生態系統服務權衡分析,揭示湖泊濕地多種生態系統服務之間的權衡協同關系、類型、相互作用機制及尺度效應,建立湖泊濕地生態系統服務協同提升與優化的理論與原理。2)解析案例區自然—社會—經濟—生態的綜合背景特征,評估各類利益相關主體的不同需求,根據需求導向設置典型水文年不同水文季節、不同生態系統服務的多目標優化情景,建立滿足特定需求的生態系統服務優化提升規則與調控模型。3)集成生態系統服務評估模型和傳統的生態過程模型(如水文水質模型、生物多樣性隨機森林模型、溫室氣體排放模型等),綜合模擬評估大型水利工程建設、氣候變化、湖區綜合整治、水庫群優化聯合調度、土地利用變化等對湖泊濕地生態系統服務受損/增益效應,探索湖泊濕地生態系統服務協同提升路徑與調控對策。建立通用的湖泊濕地生態系統評估框架和方法體系,推動湖泊濕地生態系統服務從理論研究提升到湖泊濕地生態系統管理、水利工程建設效應評估與水庫群聯合優化調度等實踐應用中,將是當前及未來湖泊濕地生態系統服務研究的最核心內容與趨勢。

3 結論

開展湖泊濕地生態系統服務研究能揭示湖泊濕地生態系統服務的時空權衡關系及生態系統服務空間流動和轉移特征,識別生態系統服務變化驅動因子,為湖泊濕地生態系統服務優化管理提供基礎。近20年,國內外學者在生態系統服務內涵、評估模型、影響機制、權衡分析與優化等領域的研究不斷深入,但湖泊濕地生態系統服務研究相對較為滯后,且在以下幾個方面存在較大不足：沒有形成通用的湖泊濕地生態系統服務評估框架和方法體系、多因素疊加的定量分析與甄別不夠深入、多種生態系統服務權衡與優化研究較少涉及。針對湖泊濕地生態系統服務研究的科學問題及其與管理決策和政策設計結合的現實需求,應加強以下四個方面的重點研究：1)加強湖泊濕地生態系統服務關鍵表征指標監測,深化認識湖泊濕地生態系統服務的形成與影響機理；2)加強生態系統服務的尺度效應與相互作用機制研究,優化模型結構,提高模型的綜合集成模擬能力與精度；3)構建湖泊濕地生態系統服務變化風險評價體系與診斷模型,識別生態系統服務變化的高風險區、高風險類型及形成條件；4)集成生態系統服務評估模型和傳統的生態過程模型,探討湖泊濕地生態系統服務協同提升路徑與調控對策。