于丹丹,呂 楠,傅伯杰

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實驗室,北京 100085

生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估指標(biāo)與方法

于丹丹*,呂 楠,傅伯杰

中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國家重點(diǎn)實驗室,北京 100085

評估、模擬和預(yù)測全球生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的狀態(tài)、趨勢及其對人類福祉的影響,是當(dāng)前生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究領(lǐng)域的重要任務(wù)。指標(biāo)和數(shù)據(jù)、模型和情景是推動生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究理論建設(shè)和方法集成的重要工具。但是,目前對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的指標(biāo)體系和技術(shù)方法的綜合對比研究相對缺乏。因而,系統(tǒng)評述了生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的概念框架、評估指標(biāo)以及各類評估模型和方法的最新進(jìn)展。生物多樣性—生態(tài)系統(tǒng)功能—生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)—人類福祉的級聯(lián)框架是極具邏輯性的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估框架。現(xiàn)有的評估指標(biāo)體系和模型方法還存在很多的問題和挑戰(zhàn),難以充分揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成和影響機(jī)制、服務(wù)之間的聯(lián)系和作用機(jī)理,有效地指導(dǎo)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理和決策制定。然而,這些評估指標(biāo)和方法可為構(gòu)建生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合集成模型研究的框架提供重要的切入點(diǎn)?；诖?提出了生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合集成模型研究的核心內(nèi)容：i)目的：基于自然—社會綜合特征的情景分析確定所解決的科學(xué)問題,輸出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理和決策制定方案；ii)內(nèi)容：尺度、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型、生物多樣性的層次結(jié)構(gòu)、組分間相互關(guān)系、驅(qū)動要素、多源數(shù)據(jù)的綜合分析；iii)方法：對現(xiàn)有的各類模型和模型組合進(jìn)行比較和不確定性分析,建立符合區(qū)域?qū)嶋H需求的生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合制圖模型庫。在此基礎(chǔ)上,建議我國應(yīng)盡快發(fā)展適合中國區(qū)域特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)體系和綜合評估模型系統(tǒng),定期對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行綜合評估,掌握生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化趨勢,提升我國在生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究領(lǐng)域的國際地位和話語權(quán)。

生態(tài)系統(tǒng)；框架；指標(biāo)體系；綜合評估模型

人類對生物多樣性的劇烈影響導(dǎo)致對人類福祉至關(guān)重要的生態(tài)系統(tǒng)功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的改變,進(jìn)而引起全球范圍內(nèi)生物多樣性喪失、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)低下和貧困的惡性循環(huán)。過去幾十年來,社會各界努力共同應(yīng)對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的退化和喪失。隨著《生物多樣性公約》(CBD)、聯(lián)合國千年發(fā)展目標(biāo)(Millennium Development Goals, MDGs)、生物多樣性戰(zhàn)略與行動計劃(National Biodiversity Strategy and Action Plan, NBSAP)、千年生態(tài)系統(tǒng)評估(Millennium Ecosystem Assessment, MA)、泛歐地區(qū)整合歐洲2010年生物多樣性指標(biāo)(Streamlining European 2010 Biodiversity Indicators, SEBI2010)、生態(tài)系統(tǒng)與生物多樣性經(jīng)濟(jì)學(xué)(The Economics of Ecosystems and Biodiversity, TEEB)等計劃中生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值評估、示范和政策應(yīng)用、以及2012年生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)政府間科學(xué)政策平臺(Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services, IPBES)的成立,使得對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的評估能力不斷地加強(qiáng)。

在全球范圍內(nèi),生物多樣性保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)研究的開展已有幾十年歷史。在自然保護(hù)區(qū)建設(shè)、生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)測和研究網(wǎng)絡(luò)、評價指標(biāo)體系構(gòu)建、模型模擬和情景分析等方面開展了大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。然而,大多數(shù)評估或政策的設(shè)計和實施中極少考慮生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)功能和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的聯(lián)系[1]。因此,有必要將驅(qū)動因素、生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)功能、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的指標(biāo)體系和技術(shù)方法進(jìn)行分析和總結(jié),以推動生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究的理論建設(shè)和方法集成,進(jìn)而提高對耦合社會—生態(tài)系統(tǒng)組成部分之間重要關(guān)系和相互影響的理解,并對其解釋予以完善。所以,科學(xué)評估生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)提供能力仍然是一項緊迫需求和重要挑戰(zhàn)。因此,本文就生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估指標(biāo)、以及各類評估模型和方法的最新進(jìn)展進(jìn)行評述,皆在為全球范圍內(nèi)生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的綜合評估提供借鑒。

1 生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的概念框架

在生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估中,概念框架起到指導(dǎo)評估的設(shè)計和實施、簡化人與自然之間關(guān)系、組織評估思路和結(jié)構(gòu)、以及澄清基本科學(xué)假設(shè)的作用。為此,眾多學(xué)者、組織機(jī)構(gòu)從生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)作為生態(tài)系統(tǒng)(供給)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)(需求)之間的橋梁角度,采用壓力—狀態(tài)—響應(yīng)模型將生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)系起來,構(gòu)建并逐步完善了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程、功能、服務(wù)與價值的概念框架[2-6]。De Groot等[3]在聯(lián)接生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類福祉的框架中,突出了生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)來自生態(tài)系統(tǒng)功能,是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程滿足人類需求的能力。Haines-Young和Potschin等[6]借鑒De Groot等[3]的框架理論,提出了“生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與過程—功能—服務(wù)—收益(價值)”的級聯(lián)框架,強(qiáng)調(diào)了生物物理結(jié)構(gòu)對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的支撐作用。MA[7]提出了以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和人類福祉為核心的概念框架,基于該框架評估了全球和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)喪失及其對人類福祉的影響。英國生態(tài)系統(tǒng)評估(UK NEA)框架建立在MA基礎(chǔ)上,圍繞著人類福祉與環(huán)境之間的聯(lián)系,探索生態(tài)系統(tǒng)及其服務(wù)變化的驅(qū)動因素。西班牙生態(tài)系統(tǒng)評估框架從生態(tài)系統(tǒng)(供給)和人類系統(tǒng)(需求)層面,探索生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)功能、服務(wù)、福祉與價值的級聯(lián)關(guān)系。在MA、英國和西班牙生態(tài)系統(tǒng)評估框架基礎(chǔ)上,形成了CICES(Common International Classification of Ecosystem Services)的“生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與過程—功能—服務(wù)—收益—價值”的級聯(lián)框架。IPBES框架建立在西班牙國家生態(tài)系統(tǒng)評估框架基礎(chǔ)上,該框架突出了不同時空尺度、不同知識系統(tǒng)內(nèi),生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其變化的驅(qū)動力與人類福祉之間的相互作用和影響,并強(qiáng)調(diào)以評估框架作為生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究的“腳手架”,即圍繞評估框架探索生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成和影響機(jī)制、服務(wù)之間的聯(lián)系和作用機(jī)理[1,8]。盡管這些框架對于生物多樣性在聯(lián)接生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估框架中的位置和作用并無一致的結(jié)論,但框架理論的核心內(nèi)容和邏輯關(guān)系可以概述為以下幾點(diǎn)：1)生物多樣性支撐了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能與服務(wù)之間的關(guān)系；2)生物多樣性決定了生態(tài)系統(tǒng)過程的量級和穩(wěn)定性；3)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和過程相互作用形成生態(tài)系統(tǒng)功能；4)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是生態(tài)系統(tǒng)功能的產(chǎn)品以及生態(tài)系統(tǒng)功能在形成人類福祉中的價值。然而,框架的應(yīng)用尚處于初級階段,需要進(jìn)一步地改進(jìn)和完善。

2 生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估指標(biāo)

指標(biāo)是反映生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)狀態(tài)與趨勢,監(jiān)督和交流政策目標(biāo)與進(jìn)程的重要工具。當(dāng)前生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估指標(biāo)構(gòu)建的核心是,發(fā)展和完善各生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估指標(biāo)之間的因果聯(lián)系、邏輯性、整體性,構(gòu)建綜合的、實用的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評價指標(biāo)體系[9]。

根據(jù)“生物多樣性—生態(tài)系統(tǒng)功能—生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)—人類福祉”的級聯(lián)框架,生物多樣性評估是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的基礎(chǔ),評估的重點(diǎn)和最終落腳點(diǎn)是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù),生物多樣性指標(biāo)需要選取可能與服務(wù)存在直接聯(lián)系的指標(biāo)。生物多樣性決定了生態(tài)系統(tǒng)過程/功能的量級和穩(wěn)定性。但由于生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能都有很多維度,代表了不同方面性質(zhì)和意義,因此,生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能這樣兩個變量之間的關(guān)系是很復(fù)雜的。然而,對于特定的類型和具體指標(biāo),特定的相互關(guān)系也可能存在[10]。例如,濕地等生境面積與水質(zhì)凈化和水流量調(diào)節(jié)、生境結(jié)構(gòu)和美學(xué)、物種豐富度和授粉之間是正相關(guān)關(guān)系；林分密度與生物量和淡水供給之間是負(fù)相關(guān)關(guān)系。但由于缺少數(shù)據(jù)支撐,目前的研究并未針對所有的生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行驗證,對于兩類指標(biāo)之間的關(guān)系,更多地基于概念層面上的基本認(rèn)識。

生態(tài)系統(tǒng)功能是產(chǎn)生生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的基礎(chǔ),而生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)是對人類福祉產(chǎn)生直接惠益的生態(tài)系統(tǒng)功能,是在人類社會產(chǎn)生價值的另一種表現(xiàn)形式。所以,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估指標(biāo)開發(fā)的核心是對人類福祉產(chǎn)生直接惠益的生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)的篩選和構(gòu)建。然而,功能與服務(wù)之間并不一一對應(yīng),每一類服務(wù)中的每一項服務(wù)都可能由多項功能所產(chǎn)生,只是每項功能所發(fā)揮的相對重要性可能不同。例如,供給服務(wù)中的糧食供給主要是由支持功能中的土壤形成,調(diào)節(jié)功能中的氣候調(diào)節(jié)、營養(yǎng)調(diào)節(jié)、授粉調(diào)節(jié)、生物控制,以及供給功能中的水量供給、基因資源等一系列生態(tài)系統(tǒng)功能綜合作用而產(chǎn)生的。又如,調(diào)節(jié)服務(wù)中的空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)主要是由調(diào)節(jié)功能中的氣體調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)、廢物處理與吸收、植物的阻隔效應(yīng)等一系列生態(tài)系統(tǒng)功能綜合作用而產(chǎn)生的。正因如此,可以指代或表征某種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)通常是多元的,它們與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)之間很可能是非線性的關(guān)系。但目前僅針對某些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的生態(tài)過程與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系展開了理論探索。因此,完善各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的生態(tài)過程與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系的基礎(chǔ)理論,同時加強(qiáng)基于生態(tài)系統(tǒng)屬性特征,精確模擬和預(yù)測服務(wù)狀態(tài)和變化的可靠方法(如機(jī)理或半機(jī)理模型)的開發(fā)和應(yīng)用是當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)開發(fā)的重點(diǎn)。

3 生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估方法

對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估概念框架中包含的生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過程與功能、服務(wù)與價值各組分進(jìn)行分析,探索生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的生態(tài)過程與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間、生物多樣性與服務(wù)之間的相互關(guān)系及其驅(qū)動因素、以及不同驅(qū)動力情景下服務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性需要結(jié)合眾多的統(tǒng)計學(xué)方法。主要的統(tǒng)計學(xué)方法可以概括為基于觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、Meta分析(Meta analysis)和模型模擬三大類。

3.1 基于觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

基于觀測數(shù)據(jù)(一手?jǐn)?shù)據(jù))的統(tǒng)計分析,主要是識別生態(tài)系統(tǒng)的過程、功能、資本,量化與不確定測量因子之間的聯(lián)系。當(dāng)前,基于觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)方法在生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究中,主要應(yīng)用在以下幾個方面：1)采用概率統(tǒng)計的理論估計方法,衡量取樣集捕捉原始數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)分布特征的精確性或準(zhǔn)確性[11]；2)與生物物理模型結(jié)合確定生態(tài)系統(tǒng)屬性特征與最終服務(wù)的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系,定量化最終服務(wù)的時空權(quán)衡關(guān)系及其對生態(tài)特征變化的邊際響應(yīng)特征[11-12]；3)對生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)行相關(guān)分析,檢驗生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的相關(guān)關(guān)系[11]；4)采用聚類分析和冗余分析對龐雜的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)和影響因子集進(jìn)行重要性排序和分類,將服務(wù)之間關(guān)系的研究轉(zhuǎn)變?yōu)閹追N典型“服務(wù)簇”之間關(guān)系的研究,進(jìn)而根據(jù)服務(wù)供給特征進(jìn)行管理單元的聚類分析[13-15]。因此,基于觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學(xué)方法適用于對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估框架涉及的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能生產(chǎn)函數(shù)、檢驗生物多樣性與服務(wù)之間的相關(guān)關(guān)系和量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系。

3.2 Meta分析

Meta分析作為近年來生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究較為常用的統(tǒng)計方法,其優(yōu)勢在于對涉及較大區(qū)域、多樣點(diǎn)的挖掘取樣數(shù)據(jù)采用一致的方式收集和綜合分析,將單個的統(tǒng)計分析結(jié)果鏈接到生態(tài)系統(tǒng)模型[11]。在生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究中,Meta分析已被用于探討驅(qū)動要素(如氣候變化、土地利用變化、外來物種入侵)對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響,尤其是土地利用變化對生物多樣性、營養(yǎng)循環(huán)、食物供給服務(wù)的影響。然而,由于缺少大區(qū)域、多樣點(diǎn)的挖掘取樣數(shù)據(jù)和研究案例,利用Meta分析對聯(lián)接生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估框架各主要組分中,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的生態(tài)過程與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間、生物多樣性與服務(wù)之間的相互關(guān)系、以及不同驅(qū)動力情景下服務(wù)之間的關(guān)聯(lián)性的研究還未展開。

3.3 模擬模型

模型在聯(lián)接生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估框架各主要組分中的主要作用是評估、模擬和預(yù)測影響生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的驅(qū)動力、驅(qū)動力對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的影響、以及驅(qū)動力、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價值的影響[1]。據(jù)此,將生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型分為驅(qū)動力情景模型、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)模型、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型3類。

3.3.1 驅(qū)動力情景模型

驅(qū)動力情景模型可分為直接驅(qū)動力模型和間接驅(qū)動力模型。直接驅(qū)動力模型主要模擬和預(yù)測不同情景下未來土地利用變化、氮沉降、氣候變化、捕撈和水資源利用情況等,其情景制定可通過結(jié)合基于經(jīng)驗的統(tǒng)計模型(如WaterGAP、地球系統(tǒng)模型)、基于過程的動態(tài)模型(如IMAGE、EwE)和綜合模型(如CLUE-S)實現(xiàn)。間接驅(qū)動力模型主要用于探索不同決策情景對生態(tài)系統(tǒng)狀況與人類未來福祉的影響,其情景制定可通過結(jié)合動態(tài)系統(tǒng)模型(如從宏觀經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行政策比較分析的綜合模型)、一般均衡模型(如GREEN、GTAP)和局部均衡模型(如IMPACT)實現(xiàn)。在實際應(yīng)用中,往往通過多種驅(qū)動力情景模型的耦合,模擬大尺度最重要的平均特征。例如,Verburg等[16]運(yùn)用CLUE-S模型對歐洲未來30年間的土地利用格局變化進(jìn)行了模擬,運(yùn)用GTAP和IMAGE模型模擬了歐洲未來30年間的土地需求,并模擬了經(jīng)濟(jì)全球化、歐洲大陸市場化、全球協(xié)作、區(qū)域一體化4種情景下歐洲大陸土地利用變化情況。然而,在區(qū)域影響研究中,由于驅(qū)動力情景模型輸出的空間分辨率較低和缺少區(qū)域驅(qū)動力信息,很難對區(qū)域驅(qū)動力做出精確的預(yù)測,因而其應(yīng)用受到限制。盡管降尺度(downscaling)法可以彌補(bǔ)大尺度驅(qū)動力情景模型在這方面的不足,但由于缺少對不同模擬對象的定量評價和降尺度過程中的不確定性[17],驅(qū)動力情景模型在區(qū)域及其以下尺度的模擬和預(yù)測結(jié)果尚需進(jìn)一步的研究證實。

3.3.2 生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)模型

生物多樣性模型主要聚焦于物種/種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)3個水平：物種/種群水平的主要模型有物種分布或生物地理模型；群落水平的主要模型有群落分布模型、關(guān)系網(wǎng)絡(luò)模型、物種特征方法、物種-面積曲線；生態(tài)系統(tǒng)水平的主要模型有生物物理模型(主要關(guān)注生物物理維度,如DGVMs)和綜合評估模型(還包括社會和經(jīng)濟(jì)維度,如IMAGE)。生物多樣性模型主要通過種—面積關(guān)系、劑量效應(yīng)模型、生態(tài)位為基礎(chǔ)的模型、全球植被模型、基于世界自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)標(biāo)準(zhǔn)的脆弱性經(jīng)驗評估5類方法,評估全球或區(qū)域范圍內(nèi)生境喪失或碎裂化與物種滅絕或喪失[18-21]、氣候變化對物種分布或多樣性格局的影響[22-23]、以及全球變化對植被地理分布格局的影響[24]。然而,由于生物多樣性模型的簡化假設(shè)與缺乏統(tǒng)一的模型性能評價指標(biāo)和不同方法的交叉驗證,模擬結(jié)果的精確度方面存在一些不足[24-26]。除此,缺乏對生物多樣性與驅(qū)動力情景結(jié)合的綜合評估模型的研究,導(dǎo)致驅(qū)動力對生物多樣性影響的模擬和預(yù)測結(jié)果不夠穩(wěn)健。

生態(tài)系統(tǒng)模型有生物地球化學(xué)循環(huán)模型和水文過程模型兩大類。生物地球化學(xué)循環(huán)模型模擬的是全球或區(qū)域尺度自然生態(tài)系統(tǒng)對大氣CO2加倍及相關(guān)氣候變化的響應(yīng),模擬方法有經(jīng)驗?zāi)Ｐ?如Miami模型預(yù)測生產(chǎn)力)、過程模型(分析生物地球化學(xué)循環(huán)某一過程,如植物光合作用的Farquar模型)和生物地球化學(xué)模型(綜合考慮生物地球化學(xué)循環(huán)全過程或多個過程,如CENTURY、DNDC)。水文過程模型模擬的是氣候變化的水文過程(如蒸散)響應(yīng),主要有流域尺度的概念性水文模型(如SACRAMENTO、TANK)、分布式水文模型(如TOPMODEL、SWAT)、以及高分辨率全球尺度水文模型。近年來,隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及GIS與遙感技術(shù)的應(yīng)用,各種動態(tài)模型(如IBIS、LPJ-DGVM)和耦合模型(如BIOME3、MAPSS)不斷出現(xiàn)[27],提高了驅(qū)動力對生態(tài)系統(tǒng)影響的模擬和預(yù)測能力。然而,由于模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)化方面的差異、跨尺度問題、模擬過程缺乏靈活性、數(shù)據(jù)的匱乏等機(jī)理和技術(shù)層面的問題,限制了生態(tài)系統(tǒng)模型在全球范圍的應(yīng)用和推廣[28-29]。除此,生態(tài)系統(tǒng)模型缺乏對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)過程關(guān)系的模擬,與情景模型結(jié)合的綜合評估模型的研究有待進(jìn)一步開展。

3.3.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型可以分為服務(wù)的供給模型、服務(wù)的需求模型和服務(wù)的價值模型。服務(wù)的供給模型模擬的是生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)(或其替代指標(biāo))的潛在供給能力,主體是生物物理模型。服務(wù)的需求模型模擬的是在給定時間內(nèi),生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)或產(chǎn)品的消耗。需求相對于供給,可以在時間和空間上變化,其空間分析單元通常是行政單元或規(guī)劃單元。服務(wù)的價值模型模擬的是多元化的服務(wù)價值(包括生物物理學(xué)價值、經(jīng)濟(jì)價值、文化和社會價值、公共健康價值、整體和本土價值),例如,物理學(xué)價值核算物理成本(如時間,能源,材料,表面等)和對生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的壓力水平。服務(wù)的供給模擬的方法很多,主要包括野外一手?jǐn)?shù)據(jù)、查表法或替代指標(biāo)法、專家打分法、相關(guān)關(guān)系法和回歸模型法；服務(wù)的需求模擬的方法主要包括社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計、問卷調(diào)查、生物物理模型；服務(wù)的價值模擬的方法主要包括直接市場價格、市場替代、代用市場、陳述偏好、參與式、效益轉(zhuǎn)換法。

在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型(圖1)研究方面,近十幾年來取得的主要進(jìn)展和研究特征可以概述為以下幾個方面：1)模型(如InVEST、ARIES)集中于生態(tài)學(xué)數(shù)據(jù),通過對算法的簡化、或采用以空間建模和地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)的“大數(shù)據(jù)”分析技術(shù)、或基于Web的全球數(shù)據(jù)庫等手段,在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用[30-31]；2)模型(如EnviroAtlas、EPM)集成國家或特定區(qū)域的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會統(tǒng)計數(shù)據(jù)與專家知識,構(gòu)建空間情景,優(yōu)化國家或區(qū)域尺度上生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理和決策制定[31-32]；3)模型(如EcoMetrix、ESII、LandServer)包含GIS數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)(如氣象數(shù)據(jù)、土壤屬性、植被結(jié)構(gòu)、水文狀況等)的收集組件,結(jié)合地面調(diào)查的物理環(huán)境因子等作為生態(tài)生產(chǎn)函數(shù)的輸入數(shù)據(jù),量化生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)對生態(tài)特征變化的邊際響應(yīng)特征[31]；4)模型(如NatureServe Vista)結(jié)合利益相關(guān)者偏好,構(gòu)建融合自然與社會綜合特征的情景方案,評估不同驅(qū)動力情景下的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價值[33-34]；5)通過加強(qiáng)動態(tài)系統(tǒng)模型(如MIMES)的開發(fā),推動對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)時空演化過程的模擬[31,35]；6)模型(如InVEST)具備模擬木材與非木材產(chǎn)品的生產(chǎn)、水電與灌溉水源等服務(wù)的供需分析能力,模擬其它服務(wù)供需能力的模塊正在開發(fā)；7)模型(如GLOBIO、EcoAIM、InVEST)包括了生物多樣性評估模塊,部分模型(如InVEST、ARIES、Envision)模擬了服務(wù)間的權(quán)衡關(guān)系；8)模型更多地模擬了糧食生產(chǎn)、木材和纖維、淡水供給等供給服務(wù),碳固定和排放、雨洪調(diào)節(jié)、侵蝕調(diào)節(jié)、水質(zhì)調(diào)節(jié)、氣候調(diào)節(jié)等調(diào)節(jié)服務(wù),以及土壤肥力與授粉兩項支持服務(wù)。然而,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估模型的開發(fā)和應(yīng)用還處于起步階段,仍有很多局限和不足：1)模型的適用范圍或可推廣性有一定的局限性；2)缺少對不確定分析方法的說明；3)生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)仍難以區(qū)分,在價值化過程中可能導(dǎo)致重復(fù)計算；4)多數(shù)模型只模擬服務(wù)的供給,包括服務(wù)的需求、價值化、受益者偏好及其與人類福祉的聯(lián)系的綜合模型還有待進(jìn)一步發(fā)展；5)雖然一些生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)模型包括生物多樣性評估模塊,但并未建立起生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系；6)與碳、水相關(guān)的供給或調(diào)節(jié)服務(wù)(如碳固定、碳儲存、糧食生產(chǎn)等)是模擬最多的服務(wù)類型,而文化服務(wù)的模擬缺乏；7)現(xiàn)有模型需要做更多的交叉驗證(cross-validation)。

上述3類方法(基于觀測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、Meta分析和模擬模型)從不同角度實現(xiàn)了生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究的定量化表達(dá),促進(jìn)了生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估工作的開展,但仍需結(jié)合案例研究進(jìn)一步完善理論基礎(chǔ)和分析方法,增強(qiáng)對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)過程關(guān)系、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)供給、需求、價值化、受益者偏好及其與人類福祉聯(lián)系的模擬、以及綜合評估模型的開發(fā),更好地表達(dá)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的形成及影響機(jī)制、服務(wù)之間的聯(lián)系和作用機(jī)理。

4 生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估的集成模型框架

雖然上述的生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究的定量化方法仍不能直接輸出生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)管理和決策制定的方案,但為生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評估方法的開展提供了一些重要原則：1)是綜合生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的集成模型；2)模型的選擇應(yīng)該與特定的評價目標(biāo)與決策背景相匹配；3)需級聯(lián)服務(wù)的供給、需求與價值；4)需考慮各種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生的生態(tài)過程與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間、生物多樣性與服務(wù)之間的相互關(guān)系及其驅(qū)動因素、以及不同驅(qū)動力情景下服務(wù)之間的關(guān)系；5)需考慮生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)本身存在時空尺度問題、以及不同生物多樣性層次通過時空尺度對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的影響?；诖?生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合集成模型研究的核心內(nèi)容包括：1)目的：基于自然—社會綜合特征的情景分析,確定所解決的科學(xué)問題,如土地利用的優(yōu)化配置[36-37]；2)內(nèi)容：包括尺度、服務(wù)類型、生物多樣性的層次結(jié)構(gòu)、組分間相互關(guān)系(包括生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間)、驅(qū)動要素、多源數(shù)據(jù)的綜合分析；3)方法：從模型輸入與輸出、模型結(jié)構(gòu)、模擬方法、適用尺度等角度對現(xiàn)有的各類模型和模型組合進(jìn)行對比分析和綜合評述,建立符合區(qū)域?qū)嶋H需求的生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合制圖模型庫。生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評估模型的構(gòu)建流程,見圖2。

5 研究展望

生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估是生態(tài)系統(tǒng)管理和決策的重要依據(jù),指標(biāo)和數(shù)據(jù)、模型和情景是推動生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究理論建設(shè)和方法集成的重要工具?，F(xiàn)有的評估指標(biāo)推動了“生物多樣性—生態(tài)系統(tǒng)功能—生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)—人類福祉”級聯(lián)框架主要組分之間關(guān)系的研究。然而,由于缺少數(shù)據(jù)支撐和級聯(lián)框架組分間非線性關(guān)系,目前的研究仍未對所有的生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能指標(biāo)、生態(tài)系統(tǒng)功能與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行驗證。同時,數(shù)據(jù)和研究案例的匱乏、跨尺度問題、模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)化方面的差異、缺乏統(tǒng)一的模型性能評價指標(biāo)與不同方法的交叉驗證等生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)和技術(shù)層面的問題,利用現(xiàn)有評估方法仍未能充分量化級聯(lián)框架主要組分內(nèi)、組分間關(guān)系、以及與驅(qū)動要素之間的關(guān)聯(lián)性。除此,現(xiàn)有模型未包含生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)過程、以及生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間關(guān)系的模擬,缺乏生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)與驅(qū)動力情景結(jié)合的綜合評估模型的研究。所以,目前難以展開驅(qū)動力對生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)、以及驅(qū)動力、生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)及其價值影響的系統(tǒng)分析與綜合評估研究。因此,構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)體系和綜合評估模型系統(tǒng)應(yīng)是當(dāng)前生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估研究的重點(diǎn),這需要在充分認(rèn)識“生物多樣性—生態(tài)系統(tǒng)功能—生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)—人類福祉”級聯(lián)框架各組分內(nèi)、組分間關(guān)系基礎(chǔ)上,對指標(biāo)、方法、模型做進(jìn)一步的對比分析和綜合評述,建立生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)綜合評價指標(biāo)體系和制圖模型庫。

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Indicator systems and methods for evaluating biodiversity and ecosystem services

YU Dandan*, Lü Nan, FU Bojie

StateKeyLaboratoryofUrbanandRegionalEcology,ResearchCenterforEco-EnvironmentalSciences,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China

Evaluating, simulating, and predicting the status and trends of biodiversity and ecosystem services, as well as their impacts on human well-being, are currently the primary goals for researchers in the field of biodiversity and ecosystem services, and indicators and data models and scenarios are major tools for the theoretical and methodological integration of biodiversity and ecosystem services. However, few detailed studies have conducted comprehensive analyses or comparisons of indicator systems or reported methods for evaluating biodiversity and ecosystem services. In this paper, we review recent work regarding the conceptual framework, indicator systems, and various types of models and methods related to the assessment of biodiversity and ecosystem services. The biodiversity-ecosystem function-services-human well-being cascade model is a more expressive logical framework, and owing to various problems and challenges, existing indicator systems and methods are ineffective for elucidating the mechanisms that determine the formation and impact of ecosystem services, for identifying internal connection and function mechanisms among services, or for offering guidance for ecosystem service management and policy making. However, existing indicator systems and methods provide an important entry point for constructing a synthetic evaluation model. Through a comprehensive analysis and comparison of current indicator systems and methods, we propose several core elements for studies of synthetic evaluation models, including i)Objectives, determining the scientific problems and developing schemes for ecosystem services management and decision making by scenario analysis based on the fundamental characters of interactions between nature and society; ii)Content, the comprehensive analysis of scales, service types, hierarchical nature of biodiversity, relationship among the components, drivers, and multi-source data; and iii)Methods, conducting comparison and uncertainty analyses of various types of models and model combinations, in order to establish a comprehensive map-making model base system that is suited for regional analyses. Accordingly, we propose that China should develop a standard indicator system and a synthetic evaluation model of biodiversity and ecosystem services that is suited to the nation′s regional characteristics as soon as possible, in order to periodically evaluate, simulate, and predict the status and trends of biodiversity and ecosystem services and to enhance China′s position and power of discourse in the international arena of this field.

ecosystem; framework; indicator system; synthetic evaluation model

中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計劃項目(KFJ-EW-STS-021-01)

2016-11-09;

2017-01-06

10.5846/stxb201611092272

* 通訊作者Corresponding author.E-mail: ddyu@rcees.ac.cn

于丹丹,呂楠,傅伯杰.生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評估指標(biāo)與方法.生態(tài)學(xué)報,2017,37(2):349-357.

Yu D D, Lü N, Fu B J.Indicator systems and methods for evaluating biodiversity and ecosystem services.Acta Ecologica Sinica,2017,37(2):349-357.