生態系統服務理論與山水林田湖草生態保護修復的應用

王 軍,鐘莉娜

1 自然資源部國土整治中心自然資源部土地整治重點實驗室,北京 100035 2 天津財經大學商學院,天津 300222

隨著人口增加和社會經濟發展,人類對自然生態系統的控制力不斷提高,強烈干預生態系統的結構和功能、過度消費生態系統服務[1],人類對生態系統的負面影響逐漸擴大,全球出現了嚴重的生態破壞與環境污染問題[2]。生態系統退化使人類從生態系統中得到的收益減少,即生態系統服務降低,不僅危及了當代人類社會的福祉,也對后代從生態系統中獲得的收益產生了影響[3]。生態系統的不斷惡化引起了國內外專家學者和政府部門的廣泛關注,先后提出并實施了一系列科學研究計劃,如聯合國千年生態系統評估計劃(MA,Millennium Ecosystem Assessment)、生物多樣性和生態系統服務政府間科學—政策平臺(IPBES,Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services)、未來地球計劃(Future Earth)等。2019年5月發布的《IPBES評估報告》指出迄今為止,人類活動已使超過75%的陸地環境發生嚴重改變,人類和所有其他物種賴以生存的生態系統健康狀況正在以前所未有的速度惡化。生態系統服務已成為國際生態學和相關學科研究的熱點與前沿問題[4- 5]。

資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化是制約我國當前社會經濟可持續發展的主要問題。為扭轉生態環境惡化的趨勢,滿足人民群眾對良好生態環境的需求,黨的十八大做出“大力推進生態文明建設”的戰略決策,第十三屆全國人民代表大會將“生態文明建設”寫入憲法,把生態文明建設納入中國國家發展總體布局。近年來,生態文明建設成效明顯,但由于對生態系統各要素之間的流動性、區域內社會經濟與環境的協調性、生態系統的整體性認識不到位等原因,生態文明建設推進過程中存在規劃缺乏統一性、系統性和整體性,相關部門各自為戰等問題[6]。為此,習近平總書記提出了山水林田湖草是一個生命共同體的理念和思想[7- 9],為如何系統推進生態文明建設提供了根本指引。

山水林田湖草生態保護修復工程項目內容繁雜、工程量巨大,涵蓋了礦山生態系統修復治理、水環境綜合治理、農田整治、退化污染土地修復治理、森林草原生態系統修復治理、生物多樣性保護等多種類型[10]。強有力的理論基礎是山水林田湖草生態保護修復工程順利實施的保障。生態系統服務是連接人與自然之間的橋梁,生態系統服務與人類福祉之間存在著密不可分的關系[11]。以整體和系統的方法來解決問題是生態系統服務理論的核心觀點之一,這與“山水林田湖草是一個生命共同體”思想的主旨不謀而合,因此將生態系統服務理論應用于山水林田湖草系統修復,采用整體和系統的方法進行生態修復是破解我國當前生態環境難題的有效措施。基于此,本文探討了生態系統服務理論在山水林田湖草生態保護修復中的應用,以“壓力-狀態-響應”為主線建立了不同時空尺度上山水林田湖草與生態系統服務之間的關系認知框架,分析了山水林田湖草系統修復工程中生態系統服務研究的關鍵問題,提出了生態系統服務理論在山水林田湖草修復中的現實意義,以期有效推動生態系統服務理論在山水林田湖草生態保護修復工程中從科學到實踐的深入。

1 生態系統服務與山水林田湖草系統修復的關系

1.1 生態系統服務理論

生態系統服務是生態系統提供的產品和服務的總稱,是人類直接或間接從生態系統中得到的惠益,是連接生態系統功能與人類福祉的重要紐帶,包括供給服務、調節服務、文化服務和支持服務4種類型[12]。供給服務是指人類從生態系統中獲得的各種產品,比如食物、纖維、水和各種生物資源等；調節服務是指人類從生態系統過程的調節作用中獲得的惠益,例如氣候調節、空氣凈化及侵蝕控制等；文化服務是指通過豐富精神生活、發展認知、大腦思考、美學欣賞和休閑娛樂等方式,而使人類從生態系統中獲得的非物質收益；支持服務是指生產其他生態系統服務所不能或缺的服務,如初級生產、養分循環和形成土壤等[13-14]。

(1) 生態系統服務價值及其權衡與協同

生態系統服務價值一般情況下采用貨幣單位來衡量。歐陽志云等將生態系統服務價值劃分為4類：直接利用價值主要指生態系統產品所產生的價值；間接利用價值主要指無法商品化的生態系統服務的價值；選擇價值是指人們為了將來能直接利用和間接利用某種生態系統服務的支付意愿；存在價值是指人們為確保生態系統服務繼續存在的支付意愿,是生態系統本身具有的價值[15]。可以采用市場價值法、替代市場價值法、假象市場價值法等方法對生態系統服務價值進行評估。

當人們消費某一種或某幾種生態系統服務時,就會有意或無意地對其他生態系統服務的提供產生影響,隨即產生生態系統服務的權衡與協同問題[16]。當某一種生態系統服務的增加引起了另外一種生態系統服務的減少時,則產生了權衡；當某一種生態系統服務由于另一種生態系統服務的增加而增加時,則產生了協同[14,17]。通常供給服務的增加會導致調節服務、文化服務及生物多樣性的降低,例如在山地農業區,糧食產量的提高往往伴隨著生物多樣性的降低和水土流失風險的增加。在自然資源短缺日益突出的背景下,不能僅僅追求一種生態系統服務的收益,必須同時考慮多種生態系統服務,才能實現生態系統服務總價值的最大化。研究生態系統服務的權衡與協同問題是進行生態系統服務管理的前提[18]。

(2)生態系統服務集成

不同的生態系統服務之間存在著十分復雜的權衡與協同關系,單獨研究一種或幾種生態系統服務之間的權衡與協同關系無法系統的揭示多種生態系統服務之間的關聯特征[19-20]。生態系統服務集成研究是通過權衡不同生態系統服務之間的關系,采用科學的方法集成多項生態系統服務,從而實現生態系統服務的整體優化[16]。生態系統服務集成研究的重點是探索不同生態系統服務之間的關系并進行優化,其結果可以為生態系統管理決策提供科學依據。生態系統服務集成研究的一般思路為：①分析不同生態系統服務之間的相互作用及其時空變異特征,探討不同情境下的生態系統服務集成方法；②構建生態系統服務的集成模型,實現區域多種生態系統服務的集成；③分析區域生態系統服務的動態演變及其空間分異規律；④發展區域生態系統服務的空間表征方法,進行區域生態系統的管理[21]。

(3)生態系統管理

生態系統管理是在對生態系統組成、結構和功能過程充分理解的基礎上,以恢復或維持生態系統整體性和可持續性為目標,利用生態學、經濟學、社會學和管理學原理,制定的一系列適應性的管理措施以及與此有關的政策、制度、教育、規章和公眾行為的總稱[22]。生態系統管理的實質是協調人與自然的矛盾,使人類活動遵從自然發展的規律,促進人類社會與自然的和諧、可持續發展[23]。生態系統管理策略制定的關鍵是如何協調不同尺度上多種生態系統服務之間的權衡與協同關系和生態系統服務集成。生態系統服務是生態系統管理的核心[24]。開展生態系統管理需要緊密結合經濟子系統、社會子系統和生態環境子系統,著眼于系統整體的互利互動和協調一致,采用法律、教育、經濟和行政手段扭轉生態環境惡化的趨勢,保護和合理利用資源。

(4)生態系統服務的尺度效應

生態學中的“尺度”既包括空間尺度(生態系統面積的大小),又包括時間尺度(生態系統動態的時間間隔)。尺度效應分析主要是評價和理解尺度變化對研究結果的影響[25],如隨著尺度增加而造成景觀格局的簡單化、景觀多樣性的降低、優勢生態系統服務的轉移等。生態系統服務具有較強的尺度依賴性,某一尺度上得到的概括性結論必須經過尺度轉換研究才能推廣到另外一種尺度上應用,任何離開尺度的生態系統服務研究都是沒有意義的。在進行尺度轉換時,必須要先分析地理現象與過程的尺度特征與變化規律,抓住不同尺度上生態系統服務變化的主要影響因子,分析其尺度變化對生態系統服務的影響[21]。

1.2 山水林田湖草系統修復與生態系統服務的關系認知

山水林田湖草系統修復工程是人類有目的改變土地利用和覆被變化的過程,通過改變景觀數量和景觀格局,影響生態系統的結構與功能,生態系統所提供的支持服務、調節服務、供給服務和文化服務及其權衡與協同關系也隨之改變,最終影響人類福祉和人類生存環境與社會經濟的可持續發展。在山水林田湖草系統修復工程對人類福祉和可持續發展影響評估的基礎上,從經濟子系統、社會子系統和生態環境子系統3個方面提出合理的生態系統管理有效策略,通過山水林田湖草系統修復工程具體落實,使生態系統能夠提供更多的優質生態產品。以生態系統服務為橋梁實現山水林田湖草與人類福祉和可持續發展之間的良性互動。以“壓力-狀態-響應”為主線構建了不同時空尺度上山水林田湖草生態保護修復工程與生態系統服務之間的關系認知框架(圖1)。

圖1 山水林田湖草生態保護修復工程與生態系統服務之間的關系認知框架Fig.1 Cognitive framework of the relationship between ecological protection and restoration project of mountain-river-forest-field-lake-grassland and ecosystem services

2 “山水林田湖草生命共同體”對生態保護修復的內在要求

2.1 優化景觀格局

景觀格局是大小和形狀各異的景觀要素在空間上的排列和組合,包括景觀組成單元的類型、數目及空間分布與配置。景觀格局優化是構建生態網絡的有效途徑,能顯著提升區域的生態安全[26]。流域、區域等大尺度上的景觀格局優化要關注生態系統的完整性和系統性。以往生態文明建設推進過程中對生態環境問題的治理往往存在“頭疼醫頭,腳疼醫腳”的現象,對生態系統的完整性和系統性認識不到位。“山水林田湖草是生命共同體”強調了區域復合生態系統中林地、草地、河流、湖泊、農田、濕地等景觀要素之間相互依存、相互制約的關系,反映了山水林田湖草生態系統的整體性和系統性[6],也就是要求生態保護修復工程設計和實施的時候要先了解各景觀要素在區域復合生態系統中的作用、改變景觀格局會對區域復合生態系統產生怎樣的影響,進而按照生態學的基本原理,通過調整景觀要素和景觀格局,實現區域景觀格局的優化。

另外,在山水林田湖草生態保護修復工程的規劃設計中要整合景觀的“斑塊-廊道-基質”,加強景觀綜合管理方法的應用。通過生態廊道等方式溝通空間上分布較為孤立和分散的生態單元,充分發揮景觀的自然和人文美學功能,形成具有獨特景觀特征的“綠色生態帶”。

2.2 構建仿自然生態系統結構

生態系統結構是生態系統的構成要素在空間上和時間上相對有序且穩定的狀態[27]。人類通過改變生態系統組成要素和格局的方式實現對生態系統結構的調控[28]。傳統的生態修復工程多采用混凝土、水泥、鋼筋等材料,往往會造成生物多樣性降低、景觀異質性降低、生態系統遭到破壞等后果。隨著人們回歸自然、融入自然意識的增強,仿自然生態設計的理念在生態修復工程中的應用逐漸廣泛。仿自然生態設計強調人與自然協調的可持續發展理念,以接近自然、模擬自然為手段構建結構合理、功能完善的自然生態系統結構。例如,在進行排洪水道設計時,要在保證排洪水道行洪與蓄水兩方面要求的同時,在條件允許的情況下,恢復水道的凸岸、凹岸、淺灘等自然分布,并選擇當地鄉土的植物和石材、采用自然材料護坡,營造貼近自然的、適合動植物生長的生境,維護生態平衡和生物多樣性[29]。

2.3 改善和提升生態系統功能

生態系統功能是生態系統體現的各種功效或作用,主要包括物質循環、能量流動、信息傳遞以及生態系統本身的動態演化等方面。“山水林田湖草是生命共同體”生態保護修復工程的最終目的是扭轉生態環境惡化的趨勢,獲得區域生態系統服務的最優化,使生態系統能夠提供更多的優質生態產品以滿足人民日益增長的生態環境需求,改善和提升區域的生態系統功能是其實現途徑。

2.4 提高優質生態產品供給能力

我國人民消費正在升級,期待天更藍、地更綠、水更清,提供更多優質生態產品已成為社會主義現代化建設的重要任務。提供優質生態產品的前提是有一個穩定、健康的生態系統。“山水林田湖草是生命共同體”生態保護修復工程通過調整和優化景觀格局與生態系統結構、改善和提升生態系統功能,創建和維持生態系統的健康與穩定,以提升優質生態產品的供給,不斷滿足人民日益增長的美好生活需要。

3 山水林田湖草系統修復與生態系統服務研究的關鍵科學問題

圍繞山水林田湖草與生態系統服務之間的關系認知框架,根據“山水林田湖草生命共同體”對生態保護修復的內在要求,結合目前山水林田湖草系統修復研究現狀與存在問題,從生態系統服務的角度提出了山水林田湖草系統修復研究的幾個關鍵科學問題。

3.1 山水林田湖草系統修復工程區主要生態系統服務的時空演變規律與驅動機制

分析山水林田湖草系統修復工程區的自然資源情況和社會經濟情況,針對面臨的主要生態環境問題選擇其主要生態系統服務進行分析。結合長期野外監測數據、遙感監測數據和社會經濟數據等,應用InVEST、ARIES、SolVES等模型對工程區的主要生態系統服務進行價值量評估,分析其近年來主要生態系統服務的時空演變規律,模型模擬和系統分析氣候變化、城鎮化、土地利用變化等自然和社會因素對主要生態系統服務的影響,確定主要生態系統服務變化的自然和社會驅動機制。目前大部分的山水林田湖草系統修復工程實施方案多是在分析區域生態環境問題的基礎上提出相應的生態修復措施,取得了一定的成效,但對生態環境問題的產生機制仍不清楚,忽視了生態因子之間的相互作用及生態環境的整體性,難以取得效益的最優化。

3.2 山水林田湖草系統修復工程區多種生態系統服務之間的權衡與協同關系

進行生態系統服務的權衡與協同研究首先要對各項生態系統服務進行空間制圖,判定不同生態系統服務在空間上的權衡與協同關系,對工程區尺度上的多種生態系統服務權衡與協同的空間分布進行量化描述。同時結合均方根偏差等統計分析方法對生態系統服務之間的權衡關系進行量化,分析影響生態系統服務權衡與協同關系的原因。例如,鐘莉娜[5]定量評估了建溪流域農用地整理對區域糧食生產、土壤保持和碳存儲3種生態系統服務之間權衡與協同關系的影響并揭示了其主要影響因素,在此基礎上提出了基于生態系統服務的農用地整理工程優化調控措施。

3.3 山水林田湖草系統修復工程區生態系統服務集成與生態系統管理策略

生態系統服務集成的前提是要對工程區的生態系統結構、過程和服務及多種服務之間的權衡與協同關系有一個充分的了解,再在此基礎上進行生態系統的集成與優化。采用應用統計學方法、地理信息系統等方法,建立地理-生態過程模型、區域綜合模型等,通過模型模擬獲得山水林田湖草等不同土地利用方式的最優面積比例、主要生態系統服務的承載邊界和影響因素的最佳模擬值。結合影響因素的最佳模擬值、不同土地利用方式的最優面積比例、主要生態系統服務的承載邊界和工程區的實際情況,從經濟子系統、社會子系統和生態環境子系統3個方面提出合理的生態系統管理策略。在自然資本項目新開發的資源投資優化體系(The Resource Investment Optimization System, RIOS)的基礎上,結合生態、社會和經濟數據,確定生態系統修復的最佳位置與范圍,在保證合理生態投資回報率的前提下提出山水林田湖草系統修復工程實施方案。

3.4 山水林田湖草系統修復工程調控及其尺度效應

根據生態系統管理策略制定山水林田湖草生態修復工程措施,通常包括水環境治理工程、土壤整治修復工程、大氣污染防治工程、礦山環境治理工程和生態搬遷工程等等。在制定山水林田湖草生態修復工程措施時要考慮生態系統服務及其權衡關系的尺度效應,選擇合適的尺度實施相應的生態修復工程措施,或是首先對生態修復工程區進行生態系統服務重要性評估和生態系統敏感性評估,識別影響區域安全、需要優先保護和修復的重點區域,然后對生態修復工程區進行細致分區,根據不同區的主要環境問題確定生態保護修復工程的內容。例如,拉薩河生態保護修復工程,以“保障拉薩河源頭水質、截污限養求發展、封山育林治周邊”為綱領,以拉薩河流域資源環境承載力為底線,根據拉薩河流域由東北向西南貫穿拉薩市的流域特點,結合拉薩河流域周邊生物多樣性分布、水土流失分布及礦山分布狀況,構建了以“上游中下游及周邊”三片區為主體的修護工程分區方案,三區分別為：上游水源涵養區、中下游環境綜合整治區以及周邊生態保護與修復區,重點推進水環境保護與整治、生物多樣性保護、水土流失治理、礦山治理與修復等一系列生態建設工程。

3.5 探索優質生態產品價值實現機制

提供更多的優質生態產品是山水林田湖草系統修復工程的主要目的。基于生態環境監測、水文監測和氣象監測以及遙感影像、社會經濟統計數據等資料核算生態系統生產總值,從景觀格局、生態系統結構、生態系統功能、制度政策設計等方面探討優質生態產品價值實現機制。江西省依托貧困地區資源稟賦和發展條件,不斷發展生態產業,促進生態產品價值轉化,把綠水青山當作“第四產業”來經營,因地制宜開發優質生態產品,充分挖掘貧困地區農業生態、林下經濟、旅游觀光、文化教育等多種產業功能,整合“紅、綠、古”資源,建設一批農旅結合、林旅結合的山水田園綜合體,促進了優質生態產品的價值實現,使貧困地區人民步入“生態環境建設-擺脫貧困-生態系統功能提升-走向富裕”的良性循環。

4 生態系統服務理論在山水林田湖草系統修復中應用的現實意義

4.1 豐富了“山水林田湖草是生命共同體”的實踐路徑

“山水林田湖草是生命共同體”要求生態系統修復工程的實施必須要基于區域特征和存在的生態問題,因地制宜,著眼于整個生態系統,充分考慮各生態要素之間相互聯系、相互制約、相互依存的特點,整合多種方法、多方力量修復生態系統功能,也就是生態系統修復工程要遵循系統性、整體性和區域性3個原則。生態系統修復工程的實施有正確的原則指引,但在具體實施時理論支撐不夠。生態系統服務理論與“山水林田湖草是生命共同體”的系統性、整體性和區域性原則完全契合。基于生態系統服務理論可以識別多尺度研究區面臨的生態環境問題,分析生態環境問題產生的原因,對研究區進行分區分尺度研究并提出具有針對性的“山水林田湖草是生命共同體”生態修復措施,豐富了“山水林田湖草是生命共同體”的實踐路徑,為“山水林田湖草是生命共同體”生態修復工程提供了強有力的理論支撐。

4.2 推動了人類福祉的實現和人與自然的和諧共生

人類福祉是一種人們正在享受的、有價值的體驗[12],包括維持高質量生活所需要的物質、健康良好的社會關系、安全、自由權和選擇權5個方面[30]。生態系統提供了幾乎所有的人類福祉要素。生態修復工程通過修復和保護生態系統提高了生態系統服務,從而促進了人類福祉的提升。例如,生態修復通過改善生態系統的水源涵養、生物多樣性和文化景觀等功能,提高了人類從生態系統中獲得清潔的水、多樣的基因和獨特的風景等服務,從而對人類福祉產生了積極的作用[11]。基于生態系統服務理論分析區域生態環境保護中面臨的主要問題,并提出相應的“山水林田湖草是生命共同體”生態修復措施對于政府相關部門提出科學合理的生態系統管理策略、實現生態系統改善和人類福祉提升的共贏具有重要意義,是推動人與自然和諧共生與可持續發展的重要動力。