面向國土空間規劃的生態系統服務可持續性評估框架研究

管青春 GUAN Qingchun

我國經過改革開放40年的快速發展，生態系統服務（Ecosystem services）因長期的資源開發利用和人口壓力出現嚴重退化，由此引發生態環境持續惡化，生態安全面臨著嚴峻的挑戰。生態系統服務可持續發展是我國生態文明建設、中華民族永續發展的關鍵。因此，如何通過合理利用土地資源來實現生態系統服務的可持續性、提升人類福祉，是亟需關注和解決的問題。本文以生態系統服務供給與人類社會發展需求再平衡為基本出發點，從生態系統服務供需數量、供需質量、功能效益3個維度構建生態系統服務可持續性評估框架，以期為國土空間規劃和生態系統服務管理提供科學依據與方法路徑。

1 生態系統服務可持續性概念

生態系統服務是指生態系統所形成并維持的人類賴以生存和發展的環境條件與效應[1]，人類直接或間接從生態系統得到的所有收益[2]1277。利益主體的經濟活動和行為方式對生態系統服務產生巨大的需求，并導致生態系統服務數量、質量和功能效益發生改變。因此，人類社會和經濟代謝的生態系統服務需求必須維持在生態系統的環境容納量和生態系統服務供給的最大閾值以內，以實現生態系統服務可持續發展。本文從生態系統服務供給和需求角度將生態系統服務可持續性分為狹義和廣義的定義。狹義的生態系統服務可持續性是指其長期提供服務的能力[3]，在世代間、代際和大范圍內保持可持續的生態系統服務[4]；從以人為本的角度可以解釋為：“生態系統在長期和廣泛的基礎上提供生態系統服務”[5]。廣義的生態系統服務可持續性是指由生態系統形成的環境條件和效用，在人類社會對其消耗過程中，維持生態系統服務數量、質量和功能效益協同發展，并在保持其結構完整性和組織自主性的同時為人類社會提供永續利用的綜合能力。

2 土地利用與生態系統服務的關系

陸地生態系統是人類生存的主要場所，為人類社會提供了重要的產品與服務。人類對生態系統服務進行選擇利用從而出現了不同的土地利用類型，土地是生態系統服務的提供者，不同利用類型的土地提供生態系統服務的能力不同；土地利用結構是生態系統服務提供的基礎，它是生態系統形成支持、供給、調節和文化服務的重要前提。土地利用變化對生態系統的完整性有直接的影響，被認為是生態系統服務變化的重要驅動之一。土地利用結構和功能的變化受人類活動的影響，進而影響生態系統服務供給的類型、數量和質量。人類為了滿足自身的需求往往通過改變土地利用類型以及其空間格局來實現生態系統服務利益的最大化。人類活動對土地利用的作用主要表現在兩方面，一方面是結構上的變化，另一方面是空間格局分布上的變化。但不管是哪方面的變化，最終都會影響生態系統的結構、過程和功能[6]125。

近幾十年人口快速增長，城市面積和耕地面積快速擴張，造成對淡水等資源以及農藥化肥等物質的需求快速上升；與此同時，人類為了應對這種情況，增加土地集約利用強度，而高集約高強度的土地利用方式降低了生態系統可持續供應淡水、食物等資源產品的能力。此外，調節氣候、空氣質量以及防控疾病的能力也顯著下降。土地利用變化對生態系統服務變化的影響主要表現在以下幾個方面。

2.1 對生物多樣性的影響

人類通過土地利用影響生物多樣性，主要途經包括：①當發生土地利用類型轉型時，直接去除該土地上的生物，如林地轉為農田或建設用地。②對生物傳播或遷徙造成阻礙，如人類對土地進行開發利用時造成生境破碎化，降低了基因交流并阻礙了物種擴散或遷徙。③改變生物的生存環境，當生境由自然環境轉變為人工環境時，會使生物生長及發育受到抑制，導致物種變異。此外，農業土地利用對生物多樣性的影響尤為明顯，長期的農業土地集約化利用及快速的城市化發展使得農業區域植被單一，直接影響生物多樣性[7]（例如我國華北平原）。

2.2 對供給服務的影響

由于生態系統服務提供的產品和服務是人類生存的基本需求，因此，通過對土地利用開發等活動追求供給服務效益最大化是人類社會很多地區的普遍做法。例如為了解決糧食短缺問題，將林地和草地開墾為農田。人類社會對于某些供給服務的過度需求必然造成生態系統整體服務供給能力退化，進而導致生態系統服務的可持續性降低[6]121。

2.3 對調節服務的影響

人類對土地利用的改變而導致調節服務的變化經常是在無意識下進行的，由于不同的土地利用方式與土地利用類型對降水的截留、蒸騰的作用不同，因此，土地利用變化不僅會導致地下水和地表水的水量變化，還會對水質及徑流的時空特征產生影響。如建設用地會減少或阻擋水流下滲，增大地表水徑流量，因而增加洪水災害的風險[6]123。

2.4 對文化服務的影響

文化服務是指人類通過精神滿足、發展認知思考、消遣和體驗美感，從生態系統獲得的非物質收益[8]。隨著城市化的發展及人類生活水平的提高，人類對自然風景和美感享受的需求不斷增加。然而由于人類開發引起的土地利用變化對自然景觀的破壞越來越嚴重，自然景觀的數量逐漸減少，其美學價值逐漸消失。人類活動通過土地利用變化影響文化服務的途經有兩種：一種是直接影響，如交通用地、工礦用地等對自然或文化景觀切割蠶食，使其面積縮小，價值降低；另一種是間接影響，人類由于對土地利用方式的改變，對大氣環境、地表徑流及土壤侵蝕等產生影響，進而對自然或文化景觀環境和美感價值產生影響[6]124。

3 生態系統服務供需與生態系統服務可持續性的關系

生態系統服務的供給和需求反映生態系統和人類社會間復雜的動態關聯，明確生態系統服務的產生、傳遞和消耗過程，區分生態系統服務的潛在供給、實際供給和人類需求，深入解析和認識生態系統服務供給和需求的關系，揭示生態系統服務供給和需求的差異，對促進生態系統和社會經濟的可持續發展有重要意義。在空間尺度上，不僅要權衡生態系統服務供給與需求的關系，確保生態系統服務孕育、傳遞及發生的完整性，實現生態系統服務供需空間的可持續性；同時，在時間尺度上，生態系統服務供給既要滿足當下又要滿足長遠目標下的生態系統服務需求。因此，從時空格局上明晰生態系統服務供需關系變化，是制定滿足生態系統服務可持續性的供給模式并實現社會和自然可持續發展的關鍵。

4 生態系統服務權衡與生態系統服務可持續性的關系

人類需求的急劇增長與生態系統服務可持續供應能力的下降，使得人類社會必須面對權衡需求以及維持生態系統長期提供產品和服務能力的挑戰[9]。生態系統服務提供的服務類型以及人類對其使用的程度不盡相同，不同生態系統服務類型之間的相互作用關系復雜，但可簡單地歸納為權衡和協同兩種關系[6]172。通過分析生態系統服務之間的權衡協同關系，有助于生態系統和土地利用采取有效的管理策略以及技術手段，形成多種服務類型，達到生態、社會和經濟效益兼顧的共贏效果[10]（見圖1）。

土地利用方式和類型變化過程不僅是生態系統由自然主導向人類主導變化的過程，同時也是生態系統提供的服務種類和數量發生變化的過程。不同土地利用方式和利用強度對生態系統服務的影響是引起生態系統服務之間的權衡或協同關系的表征[11]。土地利用變化引起生態系統服務之間關系的變化呈現此消彼長的權衡，抑或各種服務均有所提升或均有所下降。不同土地利用類型在相應的利用強度下，提供整個生態系統服務簇的能力不同。也就是說，土地利用變化不僅是對單一的服務類型的改變，同時也會對整個生態系統服務簇產生影響[12]。目前，在土地利用規劃和決策中，往往忽視經濟效益以外的生態系統服務。由此，具有多功能及較高生態價值的生態系統服務類型（土地利用類型）常常被轉型為單一功能的土地類型。從整體上看，這種土地利用方式是將區域短期及少數人的經濟利益建立在區域長期及大多數人生態、經濟和社會效益的損失上[6]126。

明晰生態系統服務權衡和協同的表現類型及區域差異對于制定區域發展與生態保護“雙贏”的政策措施，實現區域生態效益最大化及生態系統服務可持續性具有重要意義。兼顧多種生態系統服務之間的協調發展，實現效益最大化，可以實現生態系統服務的可持續發展，提升人類的福祉。

5 生態系統服務可持續性評估理論框架構建

生態系統服務可持續性的本質是由生態系統服務的承載力、利用程度、發展狀態和功能效益的變化所決定的。鑒于此，本文通過生態系統服務的潛在供給、實際供給及需求之間的過程關系，采用潛在供給—實際供給、潛在供給—需求、實際供給—需求分析生態系統服務從自然生態系統流向人類社會系統的動態耦合過程，分別從生態系統服務供需數量、供需質量和供需功能效益3個維度，評估生態系統服務可持續性，構建生態系統服務可持續分析框架。嘗試回答目前區域生態系統服務可持續性面臨的供需總量失衡、供需質量失調、供需功能效益單一化等問題，并對其進行解析。

生態系統結構和過程構成生態系統的完整性，并由此產生生態系統服務。土地利用覆被的變化直接影響生態系統的完整性，并間接影響生態系統服務供給的能力。人類社會對生態系統服務的需求也因此隨著供應能力和社會因素而發生變化[13]。生態系統服務的潛在供給產生于自然生態系統，代表生態系統服務的庫存量，是生態系統以可持續的方式長期提供服務的能力[14]；生態系統服務實際供給指自然系統能被實際使用的生態系統服務和其他產品[15]；人類需求來源于社會系統，是人類對生態系統產品和服務的消費和使用[16-17]。因此，生態系統服務的傳遞過程經歷了潛在供給、實際供給（流）和需求3個基本環節[18-19]。生態系統服務潛在供給為生態系統服務產生的起點即為自然系統屬性，生態系統服務需求為生態系統服務的終點即社會系統屬性，生態系統服務實際供給在此過程中發生消減或產生作用，即自然—社會系統屬性，三者體現了生態系統與人類社會之間的相互作用[2]1283（見圖2）。

生態系統服務供給不僅包括數量和質量方面，同時，還包括由于人類社會需求的偏好導致生態系統服務之間的權衡所出現的生態系統服務功能效益方面。

5.1 生態系統服務數量

生態系統服務數量一方面是反映區域生態系統服務供給的利用程度，另一方面是反映生態系統服務的供需盈余狀況。基于潛在供給—實際供給、實際供給—需求的關系，構建“供給率”和“供需比”兩個指標。

生態系統服務潛在供給傳遞到實際供給為人類社會所利用時，會發生消減和消耗，通過潛在供給與實際供給之間的關系可以反映特定時間和區域內生態系統服務潛在供給轉換為實際供給的能力，即生態系統服務“供給率”[20]。

其公式如下：

根據公式可知，供給率的取值范圍在[0，+∞]，供給率≥1時，表示生態系統服務實際轉化率高，被充分利用；供給率＜1時，表示生態系統服務實際轉化率低，未被充分利用。

生態系統服務實際供給被人類社會利用，同時人類需求隨著社會變化而變化，人類需求可能會導致對生態系統服務實際供給的利用超過其本身的能力。因此，實際供給與需求之間的關系可以表征生態系統服務的實際供給能否滿足生態系統服務需求的狀況。反映實際供給與需求之間的盈余狀況，即為生態系統服務“供需比”。

其公式如下：

根據公式可知，供需比＜1時，表示生態系統服務供給能夠滿足需求，為盈余狀態；供需比=1時，表示生態系統服務供給能夠滿足需求，且供給與需求均衡，為平衡狀態；供需比＞1時，表示生態系統服務供給不能滿足需求，為虧損狀態。

圖1 生態系統服務權衡機理

圖2 生態系統服務可持續性分析機理框架圖

5.2 生態系統服務質量

生態系統服務供需質量是指區域內生態系統服務供給能夠承載和滿足人類日益增長的多樣化的需求，并且在生態系統服務從供給到需求過程中兩者的發展速度協調良好。生態系統服務承受人類社會需求的作用量存在一定的閾值，該閾值取決于生態系統服務的本底和自然狀態，也取決于人類作用的方向、規模、方式等。當人類社會需求在一定的范圍內時，生態系統服務可以通過潛在供給的自我調節和彈性來最大程度地滿足人類社會需求；但當人類社會需求超過一定的限度時，即潛在供給能夠提供的產品和服務瀕臨匱乏，整個生態系統就會出現崩潰，這個最大限度就是生態系統服務的承載力。

生態系統服務“供需匹配度”是檢驗生態系統服務能否承載人類社會需求的重要指標，它對于約束人類活動的強度和過度增長的需求具有重要的作用。供需匹配度是度量區域內生態系統服務供給承載人類日益增長的多樣化需求的閾值范圍及空間配置的均衡程度。

其公式如下：

式中，供需匹配度＞1表示供給和需求匹配（包括一般均衡（1.00，1.10）等級、良好匹配（1.10，2.00）等級、優質匹配（2.00，+∞）等級），生態系統服務供給和需求處于可承載狀態；供需匹配度＝1表示供給和需求完全均衡，生態系統服務供給和需求處于均衡狀態；供需匹配度＜1表示供給和需求不匹配（包括輕度失配等級（0.85，1.00）、勉強失配等級（0.50，0.85）、嚴重失配等級（0.00，0.50）），生態系統服務供給和需求處于不可承載狀態[21]。

協調是指兩種或兩種以上系統或系統要素之間的一種良性的相互關聯，是系統之間或系統內要素之間配合得當、和諧一致、良性循環的關系[22]。協調是多個系統或要素保持健康發展的保證。協調度則是度量系統或要素之間協調狀況好壞程度的定量指標。在生態系統演化過程中需要生態系統服務實際供給和人類社會需求保持發展一致，并且兩者的關系為“齊頭并進”的狀態，才能實現區域生態系統服務的可持續發展。

其公式如下：

根據公式可知，供需協調度（Cv）的取值在[0，1]之間。供需協調度（Cv）=1時，為最佳協調狀態；供需協調度（Cv）=0時，為最不協調狀態，即供需完全失調。本文借鑒Ma[23]的研究成果將供需協調度劃分為12等。供需協調度劃分標準如下：

5.3 生態系統服務功能效益

生態系統服務供需功能效益是指生態系統服務之間實際利用的均衡性及多功能綜合效益的最大化，它是由于人類社會需求的偏好導致生態系統服務之間的權衡所出現的生態系統服務多功能效益的變化。權衡在一種生態系統服務的供給由于另外一種生態系統服務的增加而減少時發生[6]210。生態系統服務之間存在著權衡關系，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被不同的利益相關者使用，并轉化成不同利益相關者的收益，通過生態系統服務之間的權衡來滿足不同層次的人類生產生活需求，并會通過土地利用方式和類型反映在區域時空格局中，影響區域生態系統服務的可持續性。因此，基于生態系統服務實際供給構建生態系統服務“權衡協同度”。

生態系統服務權衡協同度指標依據數據線性擬合，用來評估區域生態系統服務之間變化量的相互作用，表征各類生態系統服務間相互作用的程度和方向[24]。權衡協同度越大，實際供給變化量的絕對值越大，生態系統服務多功能協同，綜合效益越大，可持續性越強。

其公式如下：

式中，TODij為第i、j種生態系統服務的權衡協同度；ESCib和ESCia分別代表第i種生態系統服務在時間b和時間a的變化量；ESCjb、ESCja分別代表第j種生態系統服務在時間b和時間a的變化量。TOD用于表征某兩種生態系統服務變化量相互作用的程度和方向，當TOD＜0時，說明此兩種生態系統服務之間為權衡關系；當TOD＞0時，說明此兩種生態系統服務之間為協同關系；TOD的絕對值表示此兩種生態系統服務的變化量的相對大小[25]。

綜上，生態系統服務可持續性的概念框架是基于對生態系統服務供需過程的組成部分以及過程關系的探討，從供需數量、供需質量以及供需功能效益3個維度構建“供給率”“供需比”“供需匹配度”“供需協調度”“權衡協同度”5個指標進行表征及解析，形成生態系統服務可持續性分析框架體系，為生態系統服務可持續性評估提供了堅實的理論基礎（見圖3）。

本文構建了生態系統服務可持續性指數評估模型，將其定義為供需數量、供需質量和供需功能效益最大化的函數，主要包括供給率、供需比、匹配度、協調度和權衡協同度5個分指標，其公式表示為：

式中，ESS表示生態系統服務可持續性；B表示供給率；D表示供需比；M表示匹配度；C表示協同度；T表示權衡協同度；n為評價單元；t為評價年份。

本文采用等距離斷點方式對生態系統服務可持續性綜合評價值進行劃分，將其分成可持續性弱、可持續性較弱、可持續性中等、可持續性較強和可持續性強5個等級。

圖3 生態系統服務可持續性評估體系

6 結語

本文界定了生態系統服務可持續性內涵，分析了土地利用與生態系統服務的關系、生態系統服務供需與可持續性的關系、生態系統服務權衡與可持續性的關系。在此基礎上，探析了生態系統服務可持續性的內部機理。基于生態系統服務供需過程的視角，構建了生態系統服務可持續性評估框架體系，為生態系統服務可持續性評估提供了理論方法。

生態系統是一個多維度、共生和復合的系統。未來可將生態系統服務可持續性評估框架應用于不同類型的區域進行研究，探索不同尺度的生態系統服務可持續性發展的土地利用模式，為區域生態系統管理和國土空間規劃提供更多詳實的信息。