近20年黃土高原生態系統服務研究進展

王詩綺,劉焱序,李 琰,傅伯杰

北京師范大學地理科學學部 地表過程與資源生態國家重點實驗室,北京 100875

生態系統服務是自然生態系統及其物種提供的供給和維持人類生存的條件和過程[1],是人類通過生態系統的功能直接或間接得到的產品或服務[2]。自20世紀90年代后期生態系統服務概念系統形成以來,生態系統服務已經成為學術界和管理者共同關注的焦點[1—3]。聯合國千年生態系統評估報告的發布、國際生物多樣性和生態系統服務科學—政策平臺的建立,不僅推動了在全球和區域層面生態系統服務相關研究的深化,也為各國和地區政府進行生態系統管理提供了科學依據[3]。為確保生態系統與社會系統健康協調發展,中共中央國務院先后頒布《全國主體功能區規劃》《全國生態功能區劃》《全國重要生態系統保護和修復重大工程總體規劃(2021—2035年)》等文件,明確提出構建國家和區域生態安全格局；“十九大”報告也提出“要提供更多優質生態產品以滿足人民日益增長的優美生態環境需要”。以上國家和區域生態安全格局構建、生態產品價值實現等目標也需要以生態系統服務作為科學基礎。通過闡釋區域生態系統服務的形成機制與優化途徑,將為促進生態系統綜合管理、自然資源合理配置、國土空間格局優化、生態產品提質增效、民生福祉全面提升提供重要科學支撐[4—6]。

黃土高原地處黃河流域中游,地勢西北高、東南低,地形破碎、溝壑縱橫,氣候以半濕潤和半干旱氣候為主,受季風影響明顯,且降水在時間和空間分布上極不均勻；黃土高原在行政區劃上包括山西、內蒙古、河南、陜西、甘肅、寧夏、青海共7省(自治區)45市(州、盟)341縣(旗),土地面積約65萬 km2,承載著1.18億人口[7—8]。易擾動的自然條件和強烈的人類活動使得該區域生態環境面臨巨大壓力,水土流失嚴重,是世界土壤侵蝕最嚴重的地區之一；但同時,黃土高原承擔著糧食生產、水源涵養、土壤保持、固碳釋氧等重要的生態服務功能,是中國重點生態功能區的重要組成部分,是黃河流域重要生態安全屏障[9—10]。尤其是1999年中國政府啟動退耕還林工程以來,黃土高原作為退耕還林工程的重點區和示范區,其生態系統服務研究是反映退耕還林成果的科學展現,為區域可持續生態管理提供范本,因此一直以來是中國生態系統服務研究的重要案例區[11—12]。

目前已有眾多學者對黃土高原生態系統服務進行評估分析,發現黃土高原的植被覆蓋已得到明顯改善,多項生態系統服務相應提升[13—14]；也有一些研究對黃土高原生態系統服務權衡與協同、供需關系等進行討論[15—17]。然而,雖然黃土高原生態系統服務取得了大量案例積累,但不同結論之間缺少歸納和對比,研究主題的演變過程、研究結論的一致性、科學規律的爭論點和前沿研究議題有待進一步凝練,目前聚焦黃土高原生態系統服務研究的綜述梳理尚較為缺乏。本文擬通過文獻計量方法梳理黃土高原生態系統服務研究主題的發展脈絡,綜述黃土高原生態系統服務的物質量建模測算、價值量評估、權衡與協同關系識別和供需關系評價研究進展,討論未來研究的前沿議題,從而進一步認識黃土高原生態系統服務研究現狀和發展方向,為黃土高原和黃河流域的生態保護與高質量發展提供科學參考。

1 區域生態服務研究的歷程與熱點

1.1 研究的關注度

分別在Web of Science的核心合集和中國知網的北大核心、CSSCI、CSCD數據庫中,以高級檢索方式,檢索式分別為“TI=((Loess Plateau) OR (Middle Yellow River) OR (northern Shaanxi)) AND TI=(ecosystem service)和“篇關摘：黃土高原(精確)OR篇關摘：黃河中游(精確)OR篇關摘：陜北(精確)AND篇關摘：生態系統服務(精確)”,時間范圍均為2000—2021年,檢索時間為2022年7月4日,得到相關英文論文31篇,中文論文93篇。對檢索出的文獻通過計量分析方法得到以下結果。

黃土高原生態系統服務相關中文論文從2003年才開始出現,03年至10年每年論文數量浮動,但均不超過4篇,2011年論文數量出現一個小高峰達到6篇,之后至2018年平均每年5篇左右,直到2019年首次超過10篇,19—21年論文數量均保持12篇左右(圖1)。相關英文論文從2005年開始出現,但2006—2010年都沒有相關論文,直到2011年重新出現,2019年以來相關英文論文數量增幅較大。相關中文論文主要發表在《生態學報》、《地理學報》和《資源科學》,相關英文論文主要發表在“SCIENCE OF THE TOTAL ENVIRONMENT”和“JOURNAL OF CLEANER PRODUCTION”。中國科學院生態環境研究中心相關論文發表數量最高,達到14篇,發文量超過10篇的還有中國科學院大學和中國科學院地理科學與資源研究所。

圖1 2000—2021年黃土高原生態系統服務相關中英文論文統計Fig.1 Statistics of the related research papers of ecosystem services in the Loess Plateau in Chinese and English during 2000—2021

1.2 研究熱點

利用VOSviewer進行中英文文獻題錄信息共現性分析發現(圖2),相關中文文獻中與生態系統服務聯系密切的主題詞主要包括生態恢復、權衡、水土保持、土壤保持、水源涵養和InVEST模型,與黃土高原聯系密切的主題詞包括土地利用、生態系統服務價值和生態系統服務功能。結合論文時間發現,2014和2015年的相關研究多與生態恢復、土地利用變化和生態系統服務功能相關,2016年至2018年研究多與生態系統服務權衡、生態系統服務價值和水土保持相關。相關英文文獻的共現性分析結果也基本一致,但比中文文獻多提到氣候變化的影響。對黃土高原全域尺度的生態系統服務物質量評估常用基于生態系統服務形成機理構建模型,如評估土壤保持服務的通用水土流失方程,評估凈初級生產力的光能利用率模型,以及評估水源涵養的水量平衡模型、分布式水文模型等。可見隨著時代發展,學者們對黃土高原生態系統服務的研究目標和內容在不斷深化,從早期的定量描述生態系統服務價值、識別生態系統服務恢復動態等逐步走向權衡各類生態系統服務、提出基于生態系統服務的生態安全格局構建方案,從而為黃土高原水土保持和生態系統可持續管理提出更具科學性的決策建議。

圖2 黃土高原生態系統服務相關中英文論文主題共現性分析Fig.2 Topic co-occurrence of the related research papers of ecosystem services in the Loess Plateau in Chinese and English詞頻越高圓圈越大；兩個詞在同一文獻摘要中出現次數越多,連線越粗；顏色代表時間,越接近黃色越晚

2 主要研究發現

梳理近20年相關論文發現,黃土高原生態系統服務研究可分為物質量評估、價值量估算、權衡與協同分析、供需關系評估4個方面,在研究對象上的分析重心在不同時間有所變化。具體表現在,前期側重對糧食生產、植被生產力、水源涵養、土壤保持服務的物質量和價值量測算,近年來側重于權衡與協同關系分析,后期有向供需關系探討的趨向(圖3)。

圖3 黃土高原生態系統服務主要研究內容Fig.3 Main research content of ecosystem services in the Loess Plateau

2.1 生態系統服務物質量評估

自1999年實施退耕還林工程以來,黃土高原生態系統整體向健康方向發展[18]。大量研究針對生態系統服務形成的過程機理開展觀測,尤其關注退耕還林對黃土高原土壤保持、水源涵養、固碳釋氧等服務的重要作用,發現植物冠層和枯落物能有效減少徑流和土壤侵蝕,不同植物和垂直覆蓋結構組分的減流減沙能力存在差異[19—20],同時植物蒸騰提供植物所需水分,進而影響森林固碳[21—22]。

以整個黃土高原為研究單元,以模型法得到的結果總體呈現為：區域整體土壤保持、碳固定、糧食生產、防風固沙服務均得到提升,產水服務有所波動。傅伯杰團隊應用水量平衡模型、通用土壤流失方程、光能利用率模型等,評估發現2000—2008年間38%的區域產水量減少,土壤保持量逐年增加,生態系統固碳量增加[23—25]。Lü等同樣發現2000—2008年黃土高原產水量減少,土壤保持和固碳增加,此外還評估發現糧食生產服務提高[26]。孫文義等應用修正通用土壤流失方程,發現1990—2010年各生態系統土壤保持量均增加,且土壤保持量表現為農田<草地<林地[27]。除土壤保持服務,寧佳等還關注了黃土高原水源涵養和防風固沙服務,采用降水貯存量法和修正土壤風蝕方程,發現相較于2000—2010年,2011—2015年黃土高原的水源涵養量有所增加,防風固沙量有所下降[28]。針對產水服務,利用不同模型得到的結果不一致,如張琨等采用產水模型得到2000—2015年黃土高原產水服務總體較為穩定[29],而汪曉珍等基于InVEST評估發現2000—2015年產水量增加5.3%[30]。

一些學者針對黃土高原內部小流域、行政區和地理區域,進行生態系統服務物質量評估,結果與黃土高原整體生態系統服務評估結果基本一致。例如,高旺盛等計算了2000年安塞縣生態系統土壤保持服務、水源涵養服務、固碳釋氧服務物質量[31]。李晶等測算發現陜北黃土高原風沙保持量增長,充分說明了陜北黃土高原防風固沙效益顯著[32]。李晶等還選取遙感估算模型進行陜北黃土高原地區凈初級生產力物質量估算,發現1978—2005年固碳釋氧也呈增加趨勢[33]。李苒基于InVEST模型計算出2000—2010年榆林市土壤保持量,證明榆林市土壤保持服務先減少后增加[34]。

2.2 生態系統服務價值量估算

由于各類生態系統服務物質量因評估指標不同、計算模型不同,無法直觀地進行橫向對比,因此學者們以貨幣為統一指標,針對不同生態系統或不同土地利用方式,估算黃土高原整體或子區域的生態系統服務價值量。價值量評估可分類兩大類,一是基于單位面積價值當量因子的評估方法,二是基于服務物質量的單位價格評估方法。

許多學者選擇借鑒謝高地等制定的我國陸地生態系統服務價值當量表或根據具體情況稍加修改后的價值當量表[35],直接計算區域各類生態系統各個服務的價值量,該方法不依托生態系統服務物質量計算。評估結果顯示,近30年黃土高原整體生態系統服務價值提高[36],內部小區域服務價值總量也增長了[37—38],在2001—2006年陜北黃土高原是增長最明顯的地區[39]。但是從不同時間尺度看,發現局部地區評估結果不一致,例如1990—2000年中部局部地區生態系統服務功能變差的趨勢明顯[36],1980—2016年汾河流域的生態系統服務價值呈現先增長后減少的趨勢[40]。學者們從不同景觀類型對服務價值量進行了深入研究,發現生態系統服務價值總量增加主要得益于林地和草地價值增加,在黃土丘陵區的中莊小流域上農田和水域生態系統服務價值甚至是減少的[37]。此外,不同景觀類型面積變化所導致的價值變化主要體現在土壤形成與保護、廢物處理、生物多樣性保護和氣候調節等方面[36],張瑜等得到2010年黃土高原生態系統服務功能價值由大到小依次為：土壤保持>維持生物多樣性>水文調節>氣候調節>廢物處理>食物生產>提供美學景觀>原材料生產>氣體調節[15]。

另一些學者選擇先利用模型計算出生態系統服務物質量,然后選用市場價值法、費用支出法、恢復和防護費用法、影子工程法、機會成本法、條件價值法等多種形式的方法計算各類生態系統服務價值,將生態系統服務物質量與單價相乘,得到研究區生態系統服務總價值量。例如高旺盛等計算了安塞縣生態系統每年提供的總服務價值,證明脆弱生態系統依然擔當了重要的生態系統服務功能,但其“生態生產力”與“經濟生產力”嚴重失衡[31]。劉秀麗等發現2001—2011年寧武縣生態系統服務價值總量呈現逐年增加的趨勢,其變化過程主要受到供給服務和文化服務的影響[41]。李晶等發現1978—2000年陜北黃土高原總防風固沙價值和固碳釋氧價值均增加,空間分布上固碳釋氧價值沿北部向南部逐漸升高[32—33]。李苒發現2000—2010年榆林市土壤保持生態效益呈持續減少的趨勢,空間上大致呈現西北高東南低的格局,河流中上游地區比下游地區高[34]。

2.3 生態系統服務權衡分析

生態系統服務權衡或者協同關系的形成受到不同尺度上生態系統結構、過程、功能的多重影響。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它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現象[16]。黃土高原生態過程復雜,各種生態系統服務之間產生了較多權衡與協同關系。莫興國等通過模擬分析發現,氣候變化條件下,21世紀末無定河流域蒸散將增加23%,地表徑流增加約45%,植被凈初級生產力上升約38%,徑流與植被生產力呈現協同關系[42]。在退耕還林還草工程背景下,人工植被建設改變了植被自然演替的方向,從而改變了土壤水分的演化過程。相比自然植被,人工植被群落往往結構單一、密度過大,盡管提高了植被生產力,但會消耗更多的土壤水分,加劇土壤干燥化程度,反而影響人工植被的生長發育,不利于生態恢復[43—45]。為了探尋管理生態系統服務的最優途徑,識別黃土高原生態系統服務之間的權衡和協同關系是不可或缺的研究環節。

與國際主流觀點一致,研究發現黃土高原調節服務之間通常是協同關系,而調節服務與供給服務之間通常是權衡關系[46]。整個黃土高原地區土壤保持和固碳服務具有正效應,與產水服務間存在負效應[16,30]。在子流域案例區,固碳、土壤保持、生物多樣性之間表現為協同關系,而產水與它們之間均表現為權衡關系[47—48]。以行政區為研究單元,通常補充分析了食物供給與其他服務之間的關系,例如延安市和榆林市的食物供給服務和土壤保持、固碳服務均為權衡關系,榆林市食物供給與產水服務為協同關系[49—50]。

同時,研究表明黃土高原生態系統服務之間的消長和權衡具有尺度依賴性,其強度也具有空間異質性。在整個黃土高原上,泥沙輸出與產水量呈顯著正相關,而在延河流域尺度上,泥沙輸出與水源涵養呈負相關[51]；在黃土高原不同氣候區也存在權衡規律不一致,如凈初級生產力、土壤保持服務與水源涵養服務在半干旱氣候區和半濕潤氣候區呈權衡關系,而在高原氣候區和半濕潤氣候區為協同關系[30]。孫藝杰等發現凈初級生產力與水源涵養的協同關系在延安市北部和中部較強,凈初級生產力與食物供給的權衡關系在東北部及中部較高,水源涵養與食物供給權衡程度在西南部和東南部地區較強[49]；王川等發現榆中縣2015年食物供給與土壤保持和生物多樣性維持的權衡關系較強,與固碳量和產水量的權衡關系較弱,除食物供給外的4種服務之間主要是強弱不等的協同關系,空間格局上服務之間關系的異質性較強[52]。生態系統服務權衡和協同強度隨時間可能發生改變,如延安市20年來退耕還林區大多呈現協同加強權衡減弱的趨勢,而在非退耕還林區存在生態服務沖突加強、協同減弱的現象[49]。

2.4 生態系統服務供需評估

當前學者們針對黃土高原生態服務供需研究還較少,在已有研究中主要發現黃土高原生態服務供給量整體呈上升趨勢,供需比呈下降趨勢,各項生態系統服務供需關系在不同區域有各自的空間分布規律。整個黃土高原尺度上,趙雪雁等應用InVEST模型和構建的需求量算法,發現1990—2018年除水源涵養服務供給量外,糧食供給、碳固定、土壤保持服務供需量均呈上升趨勢,且各生態系統服務供給量及土壤保持服務需求量均呈"東南高、西北低"的分布特征,而糧食供給、水源涵養、碳固定服務需求量呈"四周高、中間低"的分布特征,各類生態系統服務供需比均呈下降趨勢[17]。在蘭州市,各項服務總供給量均大于總需求量,綜合生態系統服務供需比為0.039,其中產水服務(0.098)>碳固持服務(0.066)>食物供給服務(0.030)>土壤保持服務(0.001),且城鄉供需匹配差異顯著[53]。陳泓文等利用價值當量法計算生態服務供給量,選取人口總量、GDP總量、居民消費強度等指標反映生態系統服務需求,發現2000—2015年陜北黃土高原各類供需均有所增加,其中供給服務增幅最大,調節服務增幅最小；供需格局大體保持一致,供給呈現為北部高值、中部中值、中東部較低值和中部偏北低值格局,需求呈現南部和中東部以低需求和較低需求類型為主、中西部以中需求和較高需求為主、北部以高需求為主的格局[54]。

黃土高原的地域文化與生態系統特征緊密聯系,由此形成了生態系統文化服務的供需關系。通常采用問卷調查法或訪談法評估區域文化服務的供給和需求。已有研究表明,居民對美學和場所感的需求較高,但對精神和宗教的需求較低,不同景觀與居民區的可達性影響著文化服務的供應機會[55]；黃土高原退耕還林使得文化服務供給發生改變,如宗教和精神服務以及文化遺產的價值有所下降,而審美服務、娛樂、教育和科學以及靈感服務的價值有所上升[56]。此外,訪談發現居民認為耕地比森林重要,并且居民區被視為文化生態系統服務的重要提供者,因此在生態恢復項目中不應低估居住區的重要性以及耕地和森林之間的權衡[56]。

3 研究結論的一致性與存在的問題

通過對近20年黃土高原相關研究成果的梳理可以明確：黃土高原的綜合治理使得區域整體植被覆蓋度顯著提高,農田向草地和林地、草地向林地轉換導致生態系統服務相應增強,總物質量和價值量均顯著增加[57]。從空間格局來看,黃土高原生態系統服務價值基本呈現東南高、西北低的特點,林地的價值增量最高。就生態系統服務評估類型,學者們重點關注了土壤保持、水文調節和碳固定服務,對生態價值增長貢獻最大的是土壤保持服務。從生態系統服務權衡關系來說,學者們均證實了凈初級生產力與土壤保持服務之間是協同關系的觀點,但對水源涵養和糧食生產與土壤保持服務之間的關系分析存在不一致的看法。在生態系統服務供需角度,黃土高原的生態系統服務供給量和需求量都有所增加,并存在空間上供需不平衡的現象。盡管研究者們已對黃土高原生態系統服務物質量測算、價值量評估、權衡關系分析、供需關系評估等達成一定共識,但大量的認識和計算結果仍有待商榷,表現在以下5個方面：

第一,類型涵蓋不全面的生態系統服務評估。生態系統服務在定義上種類繁多,但并非所有服務都具有精準制圖的可行性,例如文化服務本身就是主觀的,部分調節服務評估是沒有可用的空間數據集的。這就造成在黃土高原生態系統服務研究中,過度關注土壤保持服務和其他幾種容易制圖的服務,而忽視了教育、美學、文化傳承等文化服務,以及授粉、病蟲害控制等非空間化的調節服務。雖然土壤保持服務確是黃土高原最典型的調節服務,但并不意味著上述其他調節和文化服務在黃土高原是不重要的,服務評估類型不足將直接導致管理者忽視非空間化的黃土高原生態系統服務。

第二,不足的生態系統服務物質量評估方法。目前,對同一種生態系統服務的物質量評估方法在種類上相對不足。尤其是水源涵養,是指生態系統內多個水文過程及其水文效應的綜合表現[58],其服務相對難以制圖,一些研究使用產水量表示水源涵養,往往會得出錯誤結論。這是由于無論是借助蒸散發和降水量的水平衡方程,還是InVEST模型中的產水量算法,都暗含了森林通過更大的蒸散發耗水并減少產流的規律。這導致植樹造林減少了產水量,黃土高原越綠則所謂的“水源涵養”物質量越低,顯然脫離水源涵養服務的實際內涵。因此,包括水源涵養服務在內的一些服務物質量評估結果存疑,實際上是由于生態系統服務物質量評估的方法種類不足導致的。此外,在目前搜索的文章中僅有一篇在流域和區域層面驗證了蒸散模型[23],因此部分結論不一致可能是未經驗證的評估結果不確定性導致的。

第三,高度不確定的生態系統服務價值量估算方法。一方面,基于土地利用或生態系統類型制作當量因子表,的確是生態系統服務價值快速評估的有力途徑,但目前研究對當量因子表存在濫用,使用全國或者青藏高原的當量因子表分析黃土高原,完全無視中國巨大的地域分異規律。如果在黃土高原使用中國生態系統服務價值量當量因子表,需要假設黃土高原的生態系統結構和功能趨近于中國平均水平,但這一假設沒有依據,間接造成了這種極簡的價值估算結果不易取得國際學術界認可。另一方面,采用生態系統生產總值(GEP)核算方法,即在生態系統產品與服務功能量核算的基礎上,借助價格將不同生態系統產品產量與服務量轉化為貨幣單位表示產出,核算生態系統產品與服務的總經濟價值,是來衡量和展示生態系統的狀況及其變化的重要手段[59]。然而在使用物質量乘以單位價格測算價值量時,不同算法得出的價值直接累加導致了誤差傳遞,影響了總價值的可信度；而單價的文獻依據往往來自于多年以前,也容易忽視社會經濟進步導致的單價調整。尤其是前者的不同方法測算結果累加,使本來市場價值法測算出的可交易的價值如糧食、果品等,被不可交易的價格放大了數量級,讓總價值量既不能用于綠色金融業,也難以向生態補償提供定價標準,弱化了生態系統服務價值的行業應用潛力。

第四,缺乏驅動機制識別的生態系統服務權衡分析。目前在黃土高原以觀測手段對生態系統服務代表性指標進行測度的研究相對少,大部分研究使用評估模型進行服務制圖,這就造成了研究者所關注的氣候、土地類型、土壤、植被等因素對服務的驅動機制是已經被嵌入模型的,不需要再逆向對這些因素進行歸因。但是,生態系統服務評估結果的驅動力不代表服務之間權衡和協同關系的驅動力,而如果不能準確把握權衡和協同關系的驅動力,弱化服務之間權衡實現多目標共贏的愿景就沒有了支撐。目前對黃土高原的大多數研究僅識別了生態系統服務的權衡和協同的時空變化特征,尚需要從兩方面進一步擴展。一方面,在黃土高原城市化背景下,需要基于能夠反映人類活動的代表性指標,回答人類活動在多大程度上影響了服務之間權衡和協同關系這一問題,從而為調整人類活動方式、優化服務之間的關系提供明確的管理導向。另一方面,既然黃土高原不可能無限變綠,就需要找到土壤保持、糧食生產、產水等多項服務之間此消彼長關系的關鍵驅動因子,并且識別該驅動因子的作用是否具有閾值效應,從而讓服務之間權衡關系保持在可控的范圍內。

第五,流動性體現不足的生態系統服務供需評估。目前對黃土高原生態系統服務供需的評估案例相對少,主要是由于服務需求刻畫和服務流動示蹤存在方法上的難點。一方面,服務需求的刻畫最好是面向人類福祉的,例如安全、健康、生計、交往、公平、自由等,但此類指標的取值與生態系統服務取值不是一一對應的,二者關系的空間計量難度較大。退而求其次的方法是用物質的消耗量或排放量作為需求,如人均糧食、人均碳排放等；但不是所有指標都有明確的物理量需求,例如教育、娛樂等難以在估算的量綱上直接匹配供需取值；即使是黃土高原最重要的土壤保持服務,由于需求集中在下游并體現為洪澇災害風險,目前也很難界定量綱上匹配的需求閾值。另一方面,不考慮流動的生態系統服務供需比計算很難直接指導實踐。例如不可能因為黃土高原中陜北的調節服務比關中平原高,就鼓勵將關中平原的人口和產業向陜北轉移以增加匹配度。目前,以水文過程為媒介是串聯上下游水生態系統服務方向性供需的有效途徑；而考慮到碳固定的全球性需求和文化傳承的局地性需求,對其他非方向性的生態系統服務流刻畫還需要更加巧妙。

4 研究展望

按照近20年相關論文主題的演變脈絡,面向更好地對黃土高原生態系統綜合管理、促進區域可持續發展,未來研究在生態系統服務物質量和價值量評估基礎上,將更加重視區域生態系統服務權衡與協同、供給與需求關系識別,進而深入研究黃土高原各生態系統服務的空間流動性,以及生態系統服務間權衡協同關系變化、供需關系變化的驅動機制等。為了更有效揭示黃土高原生態系統服務與人類福祉關系,為生態系統綜合管理、國土空間優化提供決策依據,面向生態產品價值實現的生態系統服務價值估算、空間流動視角下的生態系統服務供需關系評估、基于生態系統服務權衡情景模擬的國土空間優化可以作為近期研究的突破點。

圖4 黃土高原生態系統服務近期研究突破點Fig.4 Key research frontiers of ecosystem services in the Loess Plateau in the near future

4.1 面向生態產品價值實現的生態系統服務價值估算

生態系統服務價值評估方法可分為市場價值法、費用支出法、旅行費用法、恢復和防護費用法、影子工程法、機會成本法、條件價值法等多種形式[60],這些方法各有優缺點[61],并且尚未能與人類日常生產、生活中的物質使用和價格水平直接對接,從而影響了生態服務核算的決策應用能力[62]。為了讓生態系統服務與人類福祉聯系更加緊密,“生態產品”概念逐漸推廣。生態產品被定義為生態系統通過生物生產和與人類生產共同作用為人類福祉提供的最終產品或服務,是與農產品和工業產品并列的、滿足人類美好生活需求的生活必需品[63]。因此,面向生態產品價值實現的生態系統服務價值估算量也已逐步成為衡量區域可持續發展的重要評價工具。

為了增強生態價值核算內容的針對性,降低核算結果的不確定性,需要在生態產品價值實現的導向下,在生態服務價值估算中以計算供給、調節、文化服務為主,并重視自然資源儲量與生態系統服務物質量的因果關系,避免重復計算[62]。由于生態產品價值實現實質上是價值交易,事關利益相關方的權益,因此識別供給方和受益方尤為重要[64]。譬如黃土高原地區不僅為區域內提供土壤保持、水源涵養、碳固定、糧食生產、文化旅游等服務,更要考慮其作為生態安全屏障對區域外固碳釋氧、土壤保持、產水服務的產品消費需求。所以在圍繞生態系統結構與功能-生態系統服務-人類社會福祉這一主線開展研究中,在擴大生態系統服務物質量評估類型的同時,應更進一步關注黃土高原生態系統服務價值中可進行市場交易或作為區域補償依據的生態產品,進行分項精確估算,為區域可持續發展決策提供定量化依據。

4.2 空間流動視角下的生態系統服務供需關系評估

生態系統服務研究以人為中心,生態系統服務產生、使用和損耗都與人類社會和人類福祉密切相關[65]。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[66]。目前生態服務供給量計算方法已較為成熟,而需求量的計算仍是難點,有學者構建了價格與偏好相組合的生態系統服務供需指標體系,初步實現了評價指標的整合[65]。然而,即便確定了生態系統服務的供給與需求量,并不一定能夠在空間上刻畫生態系統服務間的供需關系。退耕還林背景下黃土高原向其他區域的外溢服務不一定是正向的,尤其是向黃河提供的產水服務等。有學者發現黃土高原徑流量的減少影響了當地以及黃河下游居民的生產生活,導致了區域內水供給和下游水需求的不平衡[67]。也有學者在黃土高原小流域和區域尺度上研究單個生態系統服務,發現水供給服務的供給與需求在空間分布上呈現顯著的不匹配特征[68]。此外,固碳服務在區域內也存在較明顯的空間流動[69]。

生態系統服務的供給方和需求方在空間位置上的不匹配,形成了生態系統服務原位流、定向流和全向流[65]。黃土高原生態系統服務流動研究實質上就是要在服務供給與需求之間建立時空關聯,明確某項生態系統服務有多少受益對象,這些受益對象在哪里,能夠受益多長時間；針對定向流和全向流,生態系統服務在向受益對象空間傳遞時,空間溢出范圍有多大,或者空間溢出強度有多少[62]。黃土高原面臨保護生態、鄉村振興、高質量發展等多重任務,關注生態服務潛在供給、實際供給、實現需求和總量需求的四者關系,厘清土壤保持、水源涵養、防風固沙、固碳釋氧等每項具體生態系統服務的內外部供需與空間流動,不僅將科學支撐黃土高原自身的可持續發展,也對促進黃河流域的生態保護和高質量發展提供了上下游、域內外聯動的決策依據。

4.3 基于生態系統服務權衡情景模擬的國土空間優化

生態系統服務權衡分析的應用出口是為了引導生態系統管理決策,找到權衡中的“平衡點”,達成多目標的共贏。黃土高原經歷了“退耕還林”這一大型生態修復工程,盡管總體生態服務價值顯著增加,但有研究指出在干旱地區一味提高植被覆蓋率,加強了實際蒸散發,導致地下水減少和土壤干層出現,進而引起土地退化[70—71],黃土高原仍是生態風險指數高值區[72]。可見,黃土高原區域尺度上的土壤保持、碳固定等生態系統服務提升是以產水和糧食生產的權衡為代價的[73],不能認為某幾項代表性生態系統服務的提升就是可持續的國土空間治理。生態系統調節服務和供給服務之間權衡是固有特性,因而權衡關系不能完全消除只能緩解,從而達成生態建設和社會高質量發展的共贏。在美麗中國建設目標下的黃土高原國土空間優化也有必要建立在生態系統服務權衡情景模擬的基礎上。

在黃土高原基于生態系統服務權衡情景開展的國土空間優化研究尚為少見。在山水林田湖草沙冰生命共同體的思想引領下,生態系統服務權衡情景的模擬需要在內容上注重生態系統間的權衡與協同關系以及自然要素與社會經濟要素的匹配性,在空間上強調對景觀格局的整體性認識,在時間上關注城市化和氣候變化下的動態需求和風險；以多目標優化算法為支撐,實現國土空間優化中社會—生態目標下的規模、質量、發展并重,以生態系統服務為紐帶,同步提高生態系統的自然穩定程度和社會福祉效益,守住黃土高原生態安全邊界[74]。黃土高原作為國家重點生態功能區之一,其空間優化要堅持保護優先的基本原則。在以往生態修復工程中,過于強調了人為開展生態建設在生態保護和恢復中的作用,多數生態建設為了實施某一類型生態系統恢復,較少顧及其他類型生態系統,易于忽視不同生態系統服務之間的權衡協同關系,在實施過程造成新的生態破壞[75]。因此深入量化產生協同和權衡關系的原因,通過權衡與協同關系的情景預測,把握生態保護與管理措施的功能提升效果,才能發揮黃土高原國家重點生態功能區的主導生態功能[76]。

生態系統服務權衡情景模擬也是黃土高原生態安全屏障建設的重要依據。生態安全屏障是生態文明建設中構建國家生態安全戰略格局的重要組成部分,對生態安全屏障的構建和維持也是國土空間優化的重要任務[77]。從生態系統服務角度來說,生態安全屏障多處于過渡地帶上,保護著重要生態系統服務供給區,影響著生態系統服務流動,從而保障區域或國家生態安全[78]。厘清區域主導生態系統服務類型及其權衡關系,制定生態功能區劃,是構建和優化生態安全屏障體系,科學配置生態功能和生產功能的必要前提[79—80]。黃土高原生態安全屏障的核心任務是加強水土保持服務以緩解區域水土流失,但不能因為過度植樹而影響水安全和糧食安全[78]。此外,生態系統變化是一個長期、復雜的動態過程,在黃土高原生態安全屏障構建中,有必要加強植樹造林活動導致的生態系統結構改變對生態系統服務的長期影響研究和趨勢預測研究,識別生態系統服務的穩定區域或持續變化區域,從而保障生態安全屏障的穩定性和生態系統服務供給能力的持續性。