生態系統服務價值測度模式與方法

周 鵬,周 婷,彭少麟

中山大學生命科學學院有害生物控制與資源利用國家重點實驗室, 廣州 510275

中國總陸地生態系統服務價值1990年約為23983億美元,2010年減少至23476億美元[1]。全球,從1997—2011年間,生態系統服務價值因為土地利用變化喪失了4.3—20.2萬億美元[2]。隨著社會經濟發展與資源環境問題之間的沖突日益加劇,當下越來越多的情境需要借用生態系統服務價值評估以進行自然資產的權衡和優化,如2011—2020年《生物多樣性戰略計劃》及其“愛知生物多樣性目標”(Aichi Targets)、“可持續發展目標”(Sustainable Development Goals)和“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)等[3- 4]。在國家或地區,效益成本的最優模式及生態系統的恢復、保護、規劃等均要以生態系統服務作為相關決策制定的重要依據并借此來反映政策執行后效益的盈虧,甚至通過支付生態系統服務的激勵行為來促成資源的保護與再生[5- 7]。

我國是首個執行國家生態系統服務政策的國家,近幾年對生態文明的重視也達到了前所未有的高度[8]。2017年11月,由中國國家統計局、聯合國統計司和歐盟聯合主辦的中國“自然資本核算和生態系統服務估價”項目啟動；2018年我國領導干部自然資源資產離任審計也已進入全面推開階段,一系列新近政策也表明生態系統服務的估值核算將在我國未來環境決策的制定過程中起到重大作用。

生態系統服務的定量評估一直是當今生態系統經濟學領域研究的熱點。面對不斷增長的大量、多元、跨尺度的評估需求,不難察覺到“沒有一種評估技術是完美的,人們必須同時兼顧分析的要求及數據、資源的可用性”[4],評估的內容和管理的目標一旦不同,在選擇時對效率和精度的要求則有所差異[9]。因此,有必要對現有的評估方法進行分類概括,以便了解其各自的特點和適用性[10]。

目前將生態系統服務的物質量轉換為價值量的評估方法眾多,根據數據來源是否從研究地直接調查獲取,可將其估值的方法分為兩大類型：原始評估和價值轉移(Benefit Transfer)[4]。前者基于生態系統的結構(組成)和功能(過程)及市場的供需關系進行估價,如千年生態系統評估(MA)、生態系統和生物多樣性經濟學(TEEB)、國際會計舉措如世界銀行主導的財富核算和生態系統服務估值(WAVES)項目以及聯合國環境經濟核算體系(SEEA)框架等均使用此法,表現為更準確但較耗時；后者假設生境相似的系統可作為代理單元提供經驗值,如Costanza等[11]使用此法,表現為更快速但信息被大量減化。鑒于尚且沒有一種既考慮生態系統結構和功能特征兼而可快速評估的方法,在盡可能地全面分析現有的評估方法基礎之上,本文綜合兩類方法的優勢,嘗試提出一種新的簡化模型思路,即遵循生態系統服務級聯(Ecosystem Service Cascade),運用少量的關鍵特征指標建立各項服務的預測模型,作為生態系統服務價值評估體系的發展和補充,以期未來可以最大程度地對生態系統服務進行更廣泛而快捷地評估[12-13]。

1 原始價值評估

原始價值評估通過生態系統的過程、功能機制及其與人的相互作用關系對評估地進行現場數據收集與價值量的計算,是一種采集一手數據參照經濟學估值方法的傳統評估模式,包括直接市場價值、顯示偏好及陳述偏好等多個類別(表1)[14- 16]。除此之外,資源租金法(Resource Rent)、模擬交換法(Simulated Exchange)等也偶見采用[9]。以歐陽志云等[17]和《森林生態系統服務功能評估規范(LY/T 1721—2008)》提出的方法為代表,我國關于傳統評估的研究案例已非常之多,在趙軍和楊凱[18]、Zhang等[19]、D′Amato等[20]、Jiang等[21]綜述中有詳細報道,但尚缺乏統一的、清晰的原始估值方法的分類體系[22],仍存在相互混淆的現象[16, 23],不利于不同評估成果數據的整合分析和規律提取。

原始價值評估可提供對生態系統服務實際水平的最佳估計,不過隨著應用增加,原始評估也表現出諸多的局限性,如每一種方法僅適用于少數幾種服務,數據采集與評估的成本較高、周期長,很多數據往往不易獲取等[24],以我國應用較廣的《森林生態系統服務功能評估規范(LY/T 1721—2008)》為例,14類服務逾6種原始評估方法,含市場定價法(固碳、釋氧)、替代成本法(調節水量、保肥和林木營養積累)、機會成本法(森林防護、物種保育)等等；共涉及50多個參數,其中23個以上參數需實地測量或現場采樣后通過實驗分析才能獲得。

表1 原始評估方法的主要類型

2 價值轉移

2.1 理論概述

隨著原始評估方法不斷細分、日趨成熟,一方面,人類對美好生存空間的向往與資源環境分配不均、過速損耗之間的矛盾加劇,生態系統服務價值評估的案例不斷增加,另一方面,亟須快捷的應對策略來權衡各項人為措施的成效性和整個系統的可持續性,當現有評估方法的效率和成本控制不能滿足上述需求,如何更便捷地捕獲當前環境的狀態就會變得更受依賴,價值轉移正是在這樣的背景下受到越來越多的關注和重視[25- 27]。

價值轉移是借助一個或多個已評估的“研究地”的價值信息對相似的待評估的“政策實施地”進行服務價值評估的方法[26]。這些信息或許是一定面積內某項服務的平均價值或中間價值,即數值轉移(Value Transfers),也可能是生態環境和社會經濟屬性與服務價值之間存在的某種確定關系,即函數轉移(Function Transfers)。價值轉移方法的主要目的和意義是為了在不易采集原始一手數據的地方,通過匹配待評估地的其他環境信息進行價值估算,當構建出合適的模型,即可在很大程度上提高評估的效率并節約成本[28]。加之一些傳統研究并沒有針對實際決策做出適用的評估,價值轉移方法有望從基礎研究數據中總結新的經驗和規律,并對后續的原始估值具有指導意義[28]。

有關價值轉移的研究于20世紀90年代初已見諸報道,Smith和Kaoru[29]首次將Meta分析運用于文化游憩價值評估。1992年,WaterResourcesResearch就環境價值轉移的概念和方法做了第一次專題報道[26]。2006年,EcologicalEconomics也以特刊的形式詳盡探討了價值轉移的方法及應用,并對標準化和驗證方法進行了新的嘗試[30]。Navrud和Ready[31]編著了Environmental Value Transfer: Issues and Methods一書,圍繞不同價值轉移技術的適用性和有效性展開了多方位的討論。Johnston等[28]面向研究者和從業者出版了Benefit Transfer of Environmental and Resource Values專著,全面介紹了價值轉移在條件價值評估、顯示和陳述偏好數據、選擇實驗等傳統評估中的應用,以及與Meta分析、貝葉斯方法、地理空間信息技術的集成研究并報道了歐美等多個國家的評估實例。

2.2 價值轉移的類型

圖1 價值轉移的一種分類類型Fig.1 A type of benefit transfer classification

從方法技術上考慮,價值轉移主要分為數值轉移和函數轉移(圖1)。前者可來源于單個研究,或多個研究的均值、中值,或專家、政府提供的獲得普遍認可的公共數據,這些值可根據評估地的相關要素進行調整或校準；后者是定義了一個生態和經濟的選擇集,往往也包含利益相關者,以它們的整體屬性作為解釋變量形成相應的價值函數[30, 32]。

價值轉移方法最初的主要應用形式是采用不同土地利用(或土地覆蓋)類型中單位土地面積的服務價值作為基礎價值單元進行經濟效益的計算,該單位價值在實際應用過程中可根據評估地的不同進行調整,如在我國廣泛應用的謝高地評估法[33]。隨后逐步發展出需求函數和Meta回歸等方法,綜合考慮信度和效度,其中Meta回歸分析受到眾多好評。Meta回歸分析又以線性Meta回歸模型(Meta-regression Models, MRMs)最為常見,近幾年也有很多研究者開始采用對數或二次函數形式在MRMs中進行非線性效應的可行性研究[34-35]。在MRMs的評估中常常將研究的參數分為三大類,分別是研究地自身的屬性和特征、社會經濟和地理環境特征、評估方法,這種分類方式現已經演變為一種標準化形式[35]。不過,包括MRMs在內的價值轉移方法幾乎都是純粹的經驗運用,而結構偏好或效用函數將個人的偏好選擇與原始研究的經驗結果關聯起來,有利于提高評估的準確性[36]。

2.3 價值轉移的應用研究

價值轉移最常用于游憩價值的評估,在較早的研究中還包括地下水、空氣質量、瀕危物種、價格彈性等[37-38]。在美國,歐盟和其他地方,價值轉移也被應用于幾乎所有大規模的效益成本分析。在實踐中,價值轉移還多被應用于支付意愿(WTP)估計,彈性測量或需求關系等經濟措施中[28]。

早期知名的價值轉移應用是美國林務局為施行1990年資源規劃法制定的資源定價和估值指南,以及美國陸軍工程兵團1991年建立的用于軍團水庫游憩價值轉移的區域需求模型[39]。

Meta分析現已于沿海和濕地生態系統服務價值的評估中取得了較成功的應用[40]。Woodward和Wui[41]綜合39份研究評估了不同濕地服務的相對價值。De Groot等[42]基于ESVD數據庫中244個觀測值對全球內陸濕地價值進行了Meta回歸分析,其中研究地面積、人均GDP、人口數量及多種價值評估方法等指標呈較高的顯著性。Rao等[43]評估了全球沿海生態系統服務中的海岸線保護價值。Brander等[44]對東南亞紅樹林的生態系統服務價值進行價值轉移應用。在我國,趙玲[45]率先對自然資源游憩價值評價進行了理論和方法的探索,近幾年以濕地生態系統服務價值評估為主的價值轉移的實證研究也屢見報道[46- 49]。

2.4 價值轉移的假設條件與影響因素

價值轉移方法是基于許多假設的條件進行的,而對這些條件的滿足程度影響著其評估的精確度,例如納入的研究必須數據充分；研究地的大小、人口數量、假設的市場、環境效益(或生物物理過程)及其在供需水平的變化等需較相似。除此之外,原始研究中可提取的信息不完整及其操作測量誤差也將對評估的精度造成影響[30, 32, 50]。

價值轉移如果缺乏理論有效性和統計可靠性的驗證,往往會引起質疑。此外,關于假設條件未完全滿足時如何進行利益轉移的明確協議仍然缺乏,尚未達成共識,在實踐層面上,這便意味著從業者經常對不同類型的相似性和推薦的轉移方法的適用性和重要性做出非正式的,甚至不知情的判斷[28]。Wong等[8]指出將生態學從經濟學和政策中分開的學科框架產生了“數據溝(Data Gap)”,并導致了在處理這種數據溝時概念和方法的混亂,只有在數據溝得到充分解決后,價值轉移才有效。

其次,基于經驗的價值轉移模型通過量化關系將管理和環境因素與生態系統功能相關聯,當研究閾值或在超出已知數據和原始模型范圍時外推,則易產生問題[51]。當出版刊物發布文章傾向有顯著意義的結果時,還會發生選擇偏差。很多參數在進行價值轉移時并非一成不變,通常隨著資源的富足或稀缺,單位價值或個人支付意愿都會隨之變化。價值轉移仍需特別關注時空尺度和替代性服務的問題。對于大多數生態系統服務,在一個地方提供的服務大小可能不一定與其實現的經濟價值保持一致,因為價值將受到所提供的服務現有需求的影響,即服務的邊際價值非并恒定不變,此時原始研究提供的信息可能早已過時或因邊際效應影響而不再適用[40, 52]。空間尺度影響了服務流的相對稀缺性和可替代性,這種替代性通常隨著空間尺度的增加而下降[32]。只有當生態系統特征與最終服務之間所需的經驗關系被建立之后,價值轉移才得以真正應用于管理實踐[32]。非市場可交易的服務類型評估中不確定性因素多、浮動大,價值轉移中的Meta分析也并非一定占據絕對優勢,若有個別極為相似地的評估數據可直接參考往往更有意義。

2.5 數據庫支持

價值轉移依賴于數據庫的支持。設計標準化的數據庫是實現價值轉移、充分發揮其簡便節支優勢的必要環節,也是未來開發新的綜合模型的基礎,大規模數據庫的構建與共享具有十分重要的意義。我國較早開啟了生態保護與建設工程,2012年開展全國生態環境十年變化(2000—2010年)調查評估,隨后發布了“中國生態系統評估數據庫”,包含了2000年、2010年全國生態系統五大服務信息等數據,但關于原始價值評估的基礎數據庫國內鮮有報道,有待填補和完善。至今全球創建了豐富的數據庫(表2),可為我國學者取精用弘,為構建全國各地區自然資產核算的基礎數據資料提供框架模式[60-61]。

表2 生態系統服務評估數據庫

EVRI: 環境估值參考清單Environmental Valuation Reference Inventory; ESVD: 生態系統服務評估數據庫Ecosystem Service Valuation Database; MESP: 海洋生態系統服務合作聯盟Marine Ecosystem Services Partnership; NZNMVD: 新西蘭非市場估值數據庫New Zealand Non-Market Valuation Database; BUVD: 效益使用價值數據庫Beneficial Use Values Database; RUVD: 游憩使用價值數據庫Recreation Use Values Database; GecoServ: 墨西哥灣生態系統服務評估數據庫Gulf of Mexico Ecosystem Service Valuation Database; GEVAD: 希臘環境評估數據庫Greek Environmental Valuation Database

3 綜合評估與方法簡化

3.1 綜合評估模型和工具

生態系統服務的多樣性及其與人類社會關系的復雜性,注定了評估方法的多元化趨勢。隨著原始價值評估與價值轉移中不同方法的集成,加之空間制圖(Spatial Mapping)、貝葉斯信念網絡(Bayesian Belief Networks, BBNs)等技術的引入和發展,形成了眾多綜合的評估模型和工具(表3),如基于網絡資源的可視化工具,這在一定程度上推進了不同類型評估方法的兼容并蓄,促進了新的評估技術的研究。盡管這類工具提高了模型的可移植性,卻同時也增加了其復雜程度(InVEST、ARIES等),抑或區域適配度高而靈活性不夠(Envision、Benefit Transfer and Use Estimating Model Toolkit等),因此權衡這兩者,仍然值得進一步探索應用性更廣的簡化模型方法[61, 65, 67]。

表3 生態系統服務綜合評估工具及平臺

InVEST: 生態系統服務與權衡綜合評估模型Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs; ARIES: 生態系統服務人工智能模型Artificial Intelligence for Ecosystem Services; IMAGE: 全球環境評估綜合模型Integrated Model to Assess the Global Environment; MIMES: 生態系統服務多尺度綜合模型Multiscale Integrated Models of Ecosystem Services; EwE: 生態系統質量平衡途徑與動態模擬EcoPath with EcoSim

3.2 基于生態系統特征的簡化方法

圖2 3種測度模式示意圖Fig.2 Illustration of three measurement modes a. 原始估值,考慮生態系統過程和功能的復雜性；b. 基于關鍵生態系統特征的簡化方法,保留系統部分的重要信息,灰色實心圓相當于方法中的黑箱部分；c. 價值轉移,側重于社會經濟和地理環境等外在特征,+號表示；b、c除了考慮評估地自身的信息外,還需參考原始估值中其他評估地的生態系統服務價值信息

綜合評估工具將不同測度模式中的多種方法進行組合,又或融入專家意見,實質上并未考慮方法的精簡。生態系統服務方法越來越廣泛地應用,加之完成許多其他的估值研究的成本可能變得非常昂貴,探索新的價值轉移的方法顯得猶為重要[68]。時值我國大力推進生態文明建設,使其社會地位和歷史地位與其他文明體系之間發生了前所未有的滲透與融合,這加速了生態系統服務在全國范圍內不同尺度下的評估[69]。為了更便捷地權衡人類進行土地規劃和資源開采的利弊,對已逐步退化或喪失的生境進行更及時地管理、保護與恢復,急需探索新的方法以緩解時間和成本壓力,彌補以往方法的不足。

價值轉移方法是對數據的二次利用并不涉及生態系統特征和最終服務之間的因果關系[8],而根據生態系統級聯模型(Ecosystem Service Cascade Model)可知,生態系統結構(組成)和功能(過程)是所有其他服務的基礎,為此提出基于關鍵生態系統特征指標簡化價值評估過程的新方法(圖2b)。

大量證據表明,生態系統的結構和功能指標在評估生態系統服務價值的過程中并非孤立地發揮作用,而是相互影響、相互制約。Verkerk等[70]在歐洲森林的研究中發現一定面積內供給服務和碳匯、休憩價值、倒木(棲息地服務)之間存在著權衡關系。生產力還與生物多樣性在多尺度上存在顯著關聯,Costanza等[71]證實了這一觀點并表明這種關系受到溫度的影響[72-73]。Gamfeldt等[74]選擇了瑞典經濟林中6種服務類型進行評估,發現物種豐富度越高,多種生態系統服務的水平越高。這些實證研究可為模型簡化提供理論支持。以備受關注的森林生態系統為例,已有的研究表明凈初級生產力(NPP)既是供給服務的直接核算指標和多種服務的中間計算量(如林木營養物質積累),又是一種間接服務,可作為衡量一些直接服務的替代指標[4],而生物多樣性是所有生態系統服務賴以存在的基礎[75]。它們幾乎與所有其他服務類型之間均存在著直接或間接的關系,將這類指標與服務價值建立簡化預測模型將是一種新的解決思路,既可大大簡化原始評估的過程,與以往的價值轉移相比,又可保留關鍵的結構和功能信息(圖2)。

4 總結和展望

伴隨著原始評估越來越精細而嚴謹,價值轉移的方法也有望更穩定、更具現實參考性。價值轉移與傳統方法并不沖突,實質上生態系統服務價值的評估最終都需要以生態系統生物物理過程模型和生態系統變化驅動力模型為基礎,因此價值轉移并不能替代原始評估,而采用綜合評估或簡化的評估模型思路是對這兩種測度模式的發展和創新運用,是為了平衡各自的受限之處,幾者應在特定的場景和需求中進行選擇與取舍。

為了促進價值轉移方法更佳地應用,Loomis和Rosenberger[76]便針對原始評估提出了許多附加的建議,如全面并一致地報告當前環境質量水平的信息；使用客觀的量化方法；對人口統計數據使用一致的定義和測量等。Rosenberger和Stanley[58]提出了控制誤差源的多種方式,如將檢驗方法的應用標準化；為有完整記錄、報告和發布的研究建立明確標準的電子期刊等。

正如Levins[77]所言：“所有的模型都要面臨在現實性(Realism)、精確性(Precision)和普遍性(Generality)三者之間進行權衡”。一方面越接近生態理論的因果機制的模型越能指導管理決策,另一方面越能反映主要特征作用關系的簡化的經驗模型越能節約時間和資金的投入成本。對于沒有資源或原始評估技能的分析師和政策制定者而言,一個簡易的評估模型能夠產生更大的吸引力,畢竟很多情境需要的只是一個大致又能提供關鍵信息的評估[78]。更復雜的方法并不總是產生更準確的結果,并且在某些情況下,可能缺乏足夠的時間、資源或專業知識來支持更復雜的轉移方法[28]。

綜合以上,隨著大數據的建設和綜合評估模型的開發越來越被重視,基于關鍵生態系統特征的簡化預測模型,可利用其快速、低成本且保留重要信息的優勢,與原始價值評估及價值轉移中的其他方法進行創新整合,從而推動我國現階段自然資源資產價值多尺度、大范圍的摸底清查。