森林生态系统服务功能评估研究进展

王晓荣 潘磊 崔鸿侠 庞宏东 胡文杰
摘要:森林生态系统是陆地生态系统的主体,具有涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、森林保护、生物多样性保护和森林游憩等多种服务功能。近年来,随着生态环境的日益恶化,森林生态系统服务功能研究已经成为生态学研究的前言和热点。本文基于国内外森林生态系统服务功能评估的研究成果,回顾了森林生态系统服务功能评估进展,对森林生态系统服务功能分类、评估方法进行概述,进而探讨森林生态系统服务功能评估的发展趋势。
关键词:森林生态系统服务;功能评估;生态系统管理
中图分类号:S718.5文献标识码:A文章编号:1004-3020(2016)05-0055-05Progress and Perspectives of Forest Ecosystem Services EvaluationWang XiaorongPan LeiCui HongxiaPang HongdongHu Wenjie
(Hubei Academy of ForestryWuhan430075)
Abstract: Forest ecosystem is the main body of terrestrial ecosystems, which has the service functions of water conservation, soil conservation, fixing carbon and releasing oxygen, accumulation of nutrients, purify the atmosphere, forest protection, biodiversity conservation and forest recreation etc. In recent years, forest ecosystem services have become ecological research focus and hot spots with the increasing deterioration of the ecological environment. Based on the results of forest ecosystem services evaluation at home and abroad, We reviewed the development of forest ecosystem services evaluation, and summarized classification and evaluation method of forest ecosystem services, and then discussed its development trends.
Key words:Forest ecosystem services;functional evaluation; ecosystem management
生态系统服务功能是指生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用,是人类从生态系统获得惠益以及赖以生存和发展的基础[2]。随着人类社会的快速发展,人类活动已严重破坏了自然生态环境,人口数量激增、自然资源枯竭、温室效应、物种濒危等一系列环境问题已严重限制人类社会可持续发展。据研究,全球范围内约60%以上的生态系统服务功能出现退化,极大地损害和威胁着人类自身的福祉,其主要原因之一就是对生态系统服务功能缺乏有效的管理[3]。
森林是陆地生态系统的主体,对维护和改善生态环境,维持生态平衡,保护人类发展的“基本环境”起着决定性和不可替代的作用,它不仅可为人类提供食品、医药以及其他工农业生产所需原料,对支撑与维持地球的生命支持系统、维持生命物质的生物地化循环与水文循环、维持生物物种与遗传多样性、净化环境、维持大气化学的平衡与稳定等也具有重要意义。近年来生态环境的日益恶化,人类森林认识到了森林的重要作用,生态系统服务功能研究已经成为生态学研究的前言和热点[8]。国内外在生态服务功能的内涵和类型划分、服务价值评估以及关键驱动因子与相互作用机制等方面进行大量的研究,也取得了丰富的成果。然而,森林生态系统是作为陆地生态系统主体和最复杂的组成部分,带给评估方法的局限性,对于准确评估其生态系统服务功能尚不能实现[13]。对其进行定量测度、多种服务功能权衡、生态系统服务功能多尺度转换、生态系统结构、过程与服务功能的耦合关系、生态系统服务功能与政策设计的结合等都是生态系统服务功能研究面临的艰难挑战[14],特别是生态系统服务功能评估已成为社会经济可持续发展的关键。本文基于国内外森林生态系统服务功能评估的研究成果,对森林生态系统服务功能分类、评估方法进行概述,并对森林生态系统服务功能评估的发展趋势进行了展望。
1生态系统服务功能分类
开展森林生态系统服务功能评估研究,首先要了解其功能组成部分,即生态系统服务功能的分类是基础和核心。尽管生态系统边界难以划分,功能在某种程度上具有不可分割的特点[15],在一定程度上限制了评估结果的精准度。现有的分类途径主要集中在功能分类和价值分类。以功能分类为主的代表包括Costanza[9]、Wallance[16]、联合国千年生态系统评估评估(MA)[2]等,Costanza等[9]首次开展全球生态系统服务功能评估,将生态系统服务分为大气调节、气候调节、干扰调节、水分调节、水分供给、养分循环等17个类型。联合国千年生态系统评估评估在总结前人观点的基础上,进一步明确了各种服务类型间的关系,将生态系统服务功能分为四大类:支持服务(养分循环、土壤形成、初级生产等)、供给服务(食物、淡水、木材和纤维、燃料等)、调节服务(调节气候、调节淡水、控制疾病)、文化服务(美学、精神、教育、消遣等)[2],这已经得到学术界的广泛认同。
以价值分类为主的代表有Daily、Fisher[10]、Pearce[17]和欧阳志云等[6],欧阳志云等[6]将其总结为4类,即直接利用价值、间接利用价值、选择价值、存在价值。王伟等[18]将Costanza的价值归为3个层次,包括自然资产价值和人文价值,其中自然资产价值又分为物质价值、过程价值和适栖地价值。国外的研究的主要方法是生态系统服务价值包括使用价值与非使用价值,而使用价值包括直接使用价值、间接使用价值和存在价值,非使用价值包括遗产价值和存在价值。存在分歧的地方是价值分类下面所包含的不同生态系统服务功能划分不一致[15]。
从上可知,二者的区别其实只是强调的重点不同,前者更多的注重生态系统功能本身,后者更多注重市场对生态服务评估的作用。同时,二者在强调生态系统功能与生态系统服务上也有区别,前者将服务与功能区别对待,认为生态系统具有多种功能,只有那些直接或间接为人类福利做出贡献的方面才是生态系统服务,而后者将生态系统功能和效益等同[5]。对于森林生态系统而言,现有森林结构与过程、功能、服务、效益、价值的评价均存在不确定性,其各自边界难以清晰界定,相互之间的关系尚不明确,可以通过确定统一的指标选取原则,并根据结合森林的实际情况确定分类框架[21],才能从准确对其生态系统服务功能进行合理的评估和研究。
湖北林业科技第45卷第5期王晓荣,等:森林生态系统服务功能评估研究进展2国内外森林生态系统功能评估研究进展
2.1国外研究进展
国外早在在20世纪50年代便开始了对森林生态系统服务功能的研究,主要是对其直接经济价值、森林游憩价值等进行了计算[13]。20世纪70年代,Holdren等[22]介绍了自然生态系统为人类提供的服务,探讨了人类对生态系统服务功能的影响。20世纪90年代成为生态系统服务功能的快速发展阶段,以美国生态学会Daily等人发表的《生态系统服务:人类社会对自然生态系统的依赖性》对生态系统服务功能进行了全面的论述。Costanza 等[9]系统提出了森林等生态系统的价值评估方案,对全球生态系统服务功能价值评估,以17种服务功能指标估算出全球生态系统服务功能的年总价值在16~54万亿美元,均对后续开展生态系统服务功能的研究产生了深远影响。2001年联合国启动千年生态系统评估来自全球95个国家的1 360位知名专家和学者对生态系统及其对人类福祉的影响开展评估,重点研究了生态系统与人类福祉的关系,成为近年来生态服务功能评估中最有影响的事件。另外,3S技术的不断发展,以遥感数据、社会经济数据、GIS技术等为数据和技术支持的生态系统服务功能评估模型[23],开辟了生态服务功能动态评估的新纪元[13],实现了生态系统服务功能评估的动态化和精准化。如Kreuter等基于Costanza等的评估方法,利用RS技术及影像对美国德州贝克萨尔县的3个主要流域生态服务功能进行了评估。Nelson等\[25\]利用InVEST模型分析和预测了美国俄勒冈州威拉米特河流域生态系统服务功能的动态变化。其中,应用较多的模型包括InVEST、ARIEST、SolVES,但不同模型的适用范围或可推广性有所不同,而且应用模型评估缺乏对不确定性的分析,因此其仍在不断的改进过程中。
2.2国内研究进展
我国森林生态服务功能评估研究开始于20世纪80年代,多以Costanza等人对生态系统服务功能价值的研究为基础,参照国外研究方法,开始多层次、多方位的进行生态服务功能估算,而且发展十分迅速。如蒋延玲等、欧阳志云等[6]、陈仲新等、赵同谦等先后按照Constanza等人的分类方法和经济参数对中国生态系统功能与效益进行价值估算,但由于数据基础不扎实、数据量较少等问题,其评估结果存在过高或过低的问题,所采用的经济参数显然不能够准确反映我国国情,而且由于该方面研究尚处于探索阶段,评估指标体系和计算方法各异,评估结果之间无法比较。从2008年以后全国森林生态系统服务功能评估工作取得重大突破,以王兵研究团队制定国家林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范(LY/T 1721-2008)》的发布,构建了包括涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、森林防护、生物多样性保护、森林游憩和提供林产品等9项功能15个指标的评估指标体系,规范了森林生态站的观测条件、观测指标和观测方法,以及数据传输和数据应用等方面的内容,这是全球范围内首次提出森林生态服务功能评估规范体系,对我国的森林生态系统服务功能评估产生了十分重要的影响。王兵研究组评估了1994~1998年和1999~2003年期间的中国杉木林,利用第七、八次国家森林资源清查数据和森林生态站长期监测生态参数评估了2004~2008年和2009~2013年我国森林生态系统服务总价值为10.01和12.68万亿,而且对辽宁[7]、吉林\[34\]和黑龙江等区域尺度上进行评估研究。之后,随着研究工作的发展也不断对评估体系指标的调整,如引入濒危指数和特种种指数来丰富生物多样性保护值,并引入生态区位商、恩格尔系数及支付意愿指数来界定主导森林生态系统服务功能[11],使得评估结果更加客观真实,这在刘勇等基于生物量因子的山西省森林生态系统服务功能评估中也得到了验证。
目前,国内外大多数评估更多的是考虑的服务功能价值,多以参数法或参数借用法,即根据评估区域各种森林类型面积乘以单位面积生态系统服务的物质量或价值量参数,来计算区域生态系统物质量和价值量,而对生态系统结构、生态过程与生态服务功能关系的缺乏深入研究,特别是生态服务功能的关键驱动因子以及不同服务功能之间的权衡关系,以及对森林的不同经营技术、管理方式、森林景观变化、火灾、病虫害影响以及气候变化等考虑较少,致使评估结果存在较大的不确定性,这在人们认识生态系统服务功能方面仅具有有限的参考。
3森林生态服务功能评估方法
目前应用于森林生态系统服务功能评估的方法主要有直接市场价格法、替代市场价格法和模拟市场法等。直接市场法包括市场价值法;替代市场法则包括替代成本法、旅行费用法、费用支出法、机会成本法、恢复和防护费用法、影子工程法、享乐价值法;模拟市场法包括条件价值法、联合分析法和意愿选择法。赵金龙等[13]和赵海兰等[15]已经就各种生态系统服务功能价值评估方法的内涵、优缺点进行了归类总结,认为对于评价方法的选择要根据不同的评估对象和评估目标选择不同的评价方法。另外,基于3S技术和生态模型对森林生态系统功能评估也是目前经常用方法,但碍于多种服务功能的科学机理认识不足,以及生态模型现实性强和数据的薄弱等问题的存在,使得生态系统服务功能不确定性广泛存在。可见,现有众多评估工作虽使人们意识到了生态系统服务功能的重要性,并且具有参考价值,然而这些方法本身都存在各自的缺陷,无法对真实的生态系统服务功能和价值进行评估,在一定程度上限制了在决策过程中的应用[14]。
国内目前对森林生态系统服务功能的评估多沿用了森林生态系统服务功能评估规范推荐的内容与方法,即评价调节服务与支持服务运用替代成本法,评价文化服务与生物多样性运用条件价值法,并结合全国各次森林资源清查数据,采用分布式测算法,构建了按照省级行政区划、林分类型、林分起源、林龄结构划分的四级测算单元体系,将复杂的评估过程分解成若干个测算单元,可以分析出不同时空尺度、林分类型、起源、林龄间的分布格局、主导功能,较好的实现了森林生态服务功能多层次多目标动态且准确的评估,但其对各种生态服务功能形成机制和关系仍不清楚。同时,从森林生态站所获得的实测数据均为点数据,只能代表同一生态单元下具有相同结构和功能的同一林分类型,而同一生态单元下同一林分类型不同林分的结构或功能同样存在较大差异。重要的是森林定位观测与实地调查存在成本高、效率低、周期长等问题,且目前监测站点数量少,在一定程度上又对森林空间异质性反映不足。有研究表明,生态系统服务只有在景观和区域等更大尺度上才能够得以充分的表达和为人类所感知,因此未来需要在此基础上结合生态模型和3S技术,从而提高森林生态服务功能的精度。
4问题与展望
目前,森林生态系统服务功能评估理论体系已经较为完善、评估方法也较为成熟,但关于森林生态系统系统服务的特征与机理还不清楚,且生态系统服务与自然资本价值评估间的关系也不清楚产生的评估结果不确定性较大。因此,下面总结了未来森林生态系统服务功能评估研究的几点重要方向。
(1)森林生态系统结构、过程与服务功能的耦合关系及形成机制。生态系统服务结构、过程和机制是功能评估的基础,生态系统服务依赖于生态系统的结构和过程,土地利用变化、气候变化和管理措施通过改变生态系统的结构和过程而影响其服务功能,加深对生态系统服务功能变化的非线性和阈值特征的研究,未来可依靠野外森林生态定位研究站平台,结合长期实验观测数据,进而揭示森林生态系统结构和功能形成机制。
(2)森林生态系统服务功能的尺度转化效率。生态系统服务功能的形成依赖于一定的时间和空间尺度上的生态系统结构与过程,只有在特定的时空尺度上才能表现其显著的主导作用和效果。森林生态系统结构复杂,不同的立地条件、林分类型、地域差异较大,而且具有时效性,最终导致生态系统服务功能的空间异质性,因此,阐明各种生态服务功能时空变异特性、尺度效应和多尺度关联因素,开展多尺度、多时效、多层次森林生态服务功能的转化效率研究,进而提高生态服务功能评估精度和准确定。未来需要在广泛生态服务功能定位研究的基础上,结合GIS和遥感监测,从点到面不同尺度的转化深层次研究成为森林生态系统服务功能评估研究的重点。
(3)森林生态系统服务功能权衡和主导功能的分析。生态系统管理强调多目标管理,通过可持续的管理活动提高某一类生态系统服务的同时,兼顾其他生态系统服务,进而实现生态系统服务功能最大化。就目前研究而言,该方面研究较少,对服务功能权衡产生机制理解较少。同时,森林生态系统是一个复杂的系统,各服务功能相互之间存在相关性,已有研究表明,人类对一些服务功能的过度利用可能会导致另一些服务功能的显著下降、衰退甚至丧失,特别是当许多服务功能之间存在非线性关系时,其变化更加难以预测[2]。因此,加深生态系统服务功能权衡和主导功能研究,是实现森林生态系统管理的可持续发展的前提。
(4)森林生态系统服务功能与服务的转化研究。随着森林生态系统服务功能研究发展,人们清楚地认识到生态系统功能和服务两者间具有差异性,前者属于自然属性,后者则是强调人类的利用。目前几乎所有森林生态系统服务评估更多集中于价值评估,缺乏对从生态服务功能向服务转化的研究,在评价主体对森林生态系统提供各种效益缺乏认识的情况下,计量结果不确定度较大,难以客观反映出森林的实际价值[5]。因此,必须要将森林生态系统服务功能与服务清楚辨析,明白功能向服务转化机制,实现森林生态系统的可持续发展和利用。
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