水土保持措施生态服务功能研究进展
孙莉英
1
,
栗清亚
1,2,
蔡强国
2,
陈腊娇
3
,
吴辉
4,5
1. 中国科学院地理科学与资源研究所, 100101, 北京;
2. 中国科学院大学, 100049, 北京;
3. 中国科学院空天信息创新研究院, 100094, 北京;
4. 智慧城市研究中心, 杭州电子科技大学, 310012, 杭州;
5. 浙江智慧城市区域协同创新中心, 310012, 杭州
收稿日期：2020-01-09; 修回日期：2020-02-29
项目名称：国家重点研发计划子课题"流域水土保持生态景观格局优化配置技术"(2017YFC0505405-03)
摘要：水土保持措施是有效控制水土流失，保护、改良与合理利用水土资源的重要途径。近年来，水土保持措施生态服务功能受到了广泛的关注，是当前研究的一个热点。作者首先分析水土保持措施生态服务的内涵及功能评价指标体系构建，在此基础上对现有评估方法进行归纳和分类（包括基于统计的评价方法和基于遥感、GIS和侵蚀模型的评价方法）。最后，对现有水土保持措施生态服务功能研究存在的问题及未来的研究要点（如生态服务功能评价理论研究、定量评价方法、基于景观格局和生态过程耦合的生态服务评价研究）进行总结和讨论。
关键词：水土保持措施 生态服务功能 评价体系 空间配置 景观格局
Recent progress on ecosystem services functions of soil and water conservation measures
1. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, 100101, Beijing, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, 100049, Beijing, China;
3. Aerospace Information Research Institute, CAS, 100094, Beijing, China;
4. Smart City Research Center, Hangzhou Dianzi University, 310012, Hangzhou, China;
5. Zhejiang Regional Collaborative Innovation Center for Smart Cities, 310012, Hangzhou, China
水土保持措施是有效控制水土流失，保护、改良与合理利用水土资源的重要途径。从生态系统服务功能的视角评价水土保持的作用，有助于明晰水土保持措施对人类和生态环境的影响，为水土流失治理和生态规划提供科学依据，具有重要意义[1]。
当前，学者们对水土保持生态服务功能的概念和内涵进行了深入讨论，取得了阶段性的成果。笔者将首先分析水土保持措施生态服务的内涵及评价指标体系构建，就生态服务功能评价的数据来源和评价方法，对现有研究进行归纳和分类，剖析不同类别方法的优缺点，最后，对现有研究存在问题及未来研究要点进行总结和讨论。
1 水土保持措施生态服务功能的概念和内涵
1.1 生态系统服务功能
20世纪中后期以来，高强度的人类活动造成全球大部分国家和地区生态系统受到前所未有的干扰，生态系统服务功能的丧失和退化引发全球性生态环境问题和生态危机[2]。1970年联合国大学首次提出生态系统服务功能的概念[3]，生态系统服务功能研究引起关注[3-8]，其研究和发展历程见表 1。
表 1(Tab. 1)
表 1 生态系统服务功能的研究和发展历程
Tab. 1 Research and development of ecosystem service functions
年份
Year |
来源
Sources |
主要贡献
Major contribution |
| 1970 |
SCEP[3] |
首次提出了生态系统服务功能的概念。The concept of ecosystem services was proposed in the first time. |
| 1977 |
Holdren, et al[4] |
扩展了生态系统服务功能概念。The concept of ecosystem services was extented. |
| 1997 |
Daily[5] |
系统地开展了生态系统服务研究，将生态系统服务定义为“自然生态系统及其物种支持和实现人类生命活动的条件和过程”。Systematical research on ecosystem services was conducted. Ecosystem services was defined as “the conditions and processes through which natural ecosystems, and the species that make them up, sustain and fulfill human life”. |
| 1997 |
Costanza, et al.[7] |
生态系统服务研究里程碑，估算了全球生态系统服务与自然资本价值，将生态系统服务功能定义为“人类直接或间接地从生态系统功能得到的效益”。A milestone in the mainstreaming of ecosystem services. The value of the global ecosystem services and natural capital was calculated. Ecosystem services was calculated. Ecosystem services was defined as “the benefits people derive from ecosystems— the support of sustainable human well-being that ecosystems provide”. |
| 2003 |
千年生态系统评估(Milliennium Ecosystem Assessment, MA)[8] |
将生态系统服务功能分为供给、调节、支持和文化四类，对全球生态系统状况进行评估，并总结出全球近一半的生态系统的服务功能在退化。Ecosystem services was classified as provisioning services, regulating services, cultural services, and supporting services. A worldwide ecosystem evaluation was conducted, and the situation that over half of the world's ecosystem services are degraded was concluded. |
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表 1 生态系统服务功能的研究和发展历程
Tab. 1 Research and development of ecosystem service functions
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生态系统服务功能指“生态系统与生态过程所形成及所维持的人类赖以生存和发展的自然环境条件与效用”[2]。Costanza等[7]将生态服务功能定义为“人类直接或间接地从生态系统功能得到的效益”。千年生态系统评估将生态系统服务功能定义为供给、调节、支持和文化功能，是当前应用最广泛的定义[8]。
1.2 水土保持措施生态服务功能
水土保持措施可改善自然生态环境，维持生态系统功能，提供生态系统服务。余新晓等[9]基于生态系统服务功能概念，提出水土保持措施生态服务功能是各项水土保持措施对保护和改良人类及人类社会赖以生存的自然环境条件的综合效用。
目前，这一领域研究尚处于起步阶段，不同的学者总结了不同的功能分类，全面系统研究水土保持措施生态服务功能相对较少[10-12]。大部分研究仅关注水土保持措施某一种或几种服务功能的评估，如涵养水源[13]、保持土壤[14]。
1.2.1 调节服务功能
1) 保持和涵养水源。保持和涵养水源是水土保持措施的核心和首要功能，包括拦截径流和减少洪峰流量。不同的水土保持措施拦蓄径流的效果都比较显著。研究表明，1 hm2的森林，当其根系达到1 m深时，可储水200~2 000 m3，比无林地多蓄水300 m3[14]。
2) 保持和改良土壤肥力。水土保持措施保持土壤服务功能是其生态服务功能研究中关注度最高的[14]，水土保持措施可固结土壤、截留雨水、增加腐殖质、微生物和养分含量。研究表明，在坡耕地修筑水平梯田，保土率高达95%，坡式梯田保土率84%~90% [15]。
3) 净化空气。生物措施的绿色植物可吸收污染物、阻滞粉尘、杀灭细菌，从而使空气得到净化。森林通过降低风速、增加地表粗糙度和湿润度，提高了空气颗粒物沉降速率[16]。
4) 防风固沙。林草措施能削弱风力，使沙尘得以沉降；风沙区的沙生植物根系发达，能固定流沙，促进沙的成土作用，改变沙地性质。
1.2.2 支持服务功能
1) 固碳供氧功能。林草措施吸收CO2同时释放O2，有助于缓解温室效应，调节气候，增加土壤的碳储量[17]。黄土高原地区退耕还林(草)工程的实施后，植被净初级生产力提高，该区域从碳源变成碳汇[18]。
2) 维持生物多样性。水土保持措施让生物多样性和植被的演变均朝着良性方向发展。研究表明，实施退耕还林(草)工程，形成了森林的多层次结构和多种类型的森林生态系统的特点，提高了人工林群落的物种多样性[19]。
1.2.3 供给服务功能
供给服务功能指水土保持的生物措施所提供的农、林、牧各种产品等。例如，在江西阳坑小流域，水土保持治理种植用材林、经果林、薪炭林，经果林年水果单产达2万2 500 kg/hm2[20]。
1.2.4 文化服务功能
水土保持措施可作为特殊的旅游景观和生态农业景观，通过建设水土保持生态园、景观示范等方式开发生态旅游，提供文化服务[21]。目前国内已有不少成功案例，如江西宁都水土保持科技示范园。
1.3 水土保持措施生态服务功能评价指标体系
由于水土保持措施类型多样，不同区域水土流失的规律差异显著；因此，不能采用单一的标准和指标，需要从科学性、全面性、系统性、独立与稳定性、可操作性等角度选取指标并建立指标体系[15]。
目前国内外水土保持措施生态服务功能评价指标体系理论研究相对较少，大部分学者只是针对某一特定的区域建立特定的指标体系。余新晓等[9]从水土保持措施核心生态服务功能出发建立指标体系，遴选了减少洪水流量、拦蓄径流、拦截泥沙、减少土壤侵蚀、保存土壤肥力、固定二氧化碳、释放氧气、吸收SO2等有害气体、减少风蚀量10大指标。吴岚[15]在上述指标体系基础上，增加了香农-威纳指数以刻画维持生物多样性的功能。
现有的水土保持措施水土服务功能评价指标体系，着重于水土保持措施的调节功能和支持服务功能，如保持土壤、涵养水源、净化空气等，而供给服务和文化服务功能，如农产品生产、水土保持措施的美学价值、文化旅游价值等，涉及较少。水土保持措施的供给服务和文化服务功能也尤为重要，例如，种植产量高的果树是当前水土保持林草措施的重要选择方向，近年来水土保持措施作为一种生态景观旅游的兴起，对其供给和文化服务功能评价的缺失势必造成其生态服务功能评价的不完备。
2 水土保持措施生态服务功能评价方法
根据生态服务功能的评估方法，可分为2类(表 2)：一是从调查、统计资料获取生态服务功能指标；二是利用遥感反演、GIS和模型计算生态服务功能指标。
表 2(Tab. 2)
表 2 生态系统服务功能评价方法
Tab. 2 Ecosystem service evaluation methods
评价方法
Assessment method |
特征
Characteristic |
优点
Advantage |
缺点
Disadvantage |
| 基于统计资料评估方法Assessment based on statistic data |
建立评价体系，从调查资料、统计数据获取各个生态服务功能指标。An ecosystem services evaluation system is established, and the values of indices are obtained from statistic data |
概念明确且计算简单，容易实现。Clear concept, simple calculation, and easy to be implemented |
过度依赖统计数据，仅评估当前或过去生态服务功能，空间评价单元较粗(省、市等行政区划)。Highly relies on statistic data, only provides current or historical ecosystem services, and low spatial evaluation unit (administer area, like province or city) |
| 基于遥感、GIS和模型评估Assessment based on RS, GIS and models |
利用遥感反演、GIS和模型计算部分生态服务功能指标。RS, GIS and models are used to gain some of the ecosystem servicesindices. |
能描述指标时空动态变化，开展情景分析辅助决策。Provides temporal and spatial dynamic of ecosystem services indices, and scenario analysis for decision-making |
仅获取少数水土服务功能、不确定性强，侵蚀模型大多为经验模型。Only provides a few ecosystem services, high uncertainty, and empirical models are most used |
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表 2 生态系统服务功能评价方法
Tab. 2 Ecosystem service evaluation methods
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2.1 基于统计资料的评估方法
这类方法直接从调查、统计资料获取生态服务功能指标值。例如，余新晓等[22]基于《中国水土保持公报》资料测算了全国水土流失综合治理工程生态服务价值。吴岚[15]根据全国遥感调查资料、《全国水土保持监测公报》等，计算了全国不同水土保持措施生态服务功能。
统计评估方法概念明确且计算简单，容易实现。但这类方法的缺陷也很显著：1)过度依赖统计数据，统计数据的准确性直接影响结果的可靠性，因此评价结果偏差较大；2)由于统计数据以行政区划(省、县)为统计口径，难以反映水土保持措施生态服务功能在更细粒度的空间分布情况；3)只能评价历史或当前水土保持措施的生态服务功能，难以刻画现实条件变化引起的生态服务功能的变化。
2.2 基于RS、GIS和侵蚀模型的评估方法
这类方法借助基于遥感数据反演水土保持措施不同生态服务功能指标，再利用RS、GIS技术和土壤侵蚀模型计算生态服务功能量的时空分布特征[23-25]。例如，盛莉等[25]基于GIS技术构建了水土保持功能估算模型，利用MODIS的地表反射率和地表覆被等数据计算涵养水源量，采用通用土壤流失方程(USLE)计算土壤保持量。
这一类方法不仅能评价历史和当前的生态服务功能指标，也能预测未来水土保持措施生态服务功能。通过情景分析的方式评价不同水保水土保持措施组合的生态服务功能响应，无须大范围实地观测，可为水土保持措施的布设提供决策支撑。但这类方法也存在问题：1)大多针对水土保持措施一种或几种生态服务功能，难以全面、系统地评价水土保持措施的生态服务功能；2)遥感反演生态服务功能指标存在一定的不确定性；3)现有研究所采用的土壤侵蚀模型大多为经验模型，如通用土壤流失方程，不能刻画土壤侵蚀的机理过程。
3 存在问题和研究展望
3.1 水土保持措施生态服务功能评价体系研究
当前，水土保持措施生态服务功能评价指标体系理论研究相对较少，大部分学者只针对特定区域建立特定指标体系。中国地域辽阔，地带性差异显著，各地域带的水土流失也遵循不同的地带性规律；因此，水土保持措施生态服务功能评价要结合水土流失的地域分异规律，将是未来重要研究方向。在不同地域区划内建立相对统一的生态服务功能评价体系，同一区划内不同区域的水土流失生态服务功能评价可横向对比。
3.2 水土保持措施生态服务功能定量评价方法研究
目前的研究大多采用基于统计数据的评估方法进行水土保持措施生态服务评估，只能评价生态服务功能过去及现状特征，且难以刻画水土保持生态服务功能的空间分布。基于RS、GIS和模型的评估方法，大多采用经验模型，其评价的精度和准确性有待于提高[1]。未来研究一方面充分利用遥感影像、调查数据等多源数据，另一方面要综合地理学、水文学、生态学、计算机科学等多学科知识，建立既能模拟和预测生态过程变化引起的生态服务功能动态变化，又能刻画水土保持措施不同空间配置引起的生态服务功能空间分布差异的空间分布式的流域综合动态评估模型。
3.3 水土保持措施空间配置对生态服务功能的影响研究
现有研究中，对水土保持措施空间配置对生态服务功能影响的关注不多。水土保持的空间配置决定生态系统景观格局，景观格局直接影响生态系统过程(如水土流失)从而影响生态服务功能的发挥；因此，需要在空间上科学合理地配置水土保持措施，从而在有限的投入下实现措施的生态服务功能最优化。未来在水土保持生态服务功能评价中，基于生态系统景观格局与生态过程耦合构建不同的水土保持措施配置方案，利用情景分析的方法，评估不同的水土保持空间配置方案下流域内生态系统服务功能，为决策制定科学依据。
4 结束语
水土保持措施的生态服务功能评价已开展了一定的研究，但全面系统研究水土保持措施生态服务功能的相对较少。从评价方法来看，大多采用基于统计数据的评估方法，其评价的精度和准确性还有待于提高。推进水土保持措施生态服务功能评价研究，需重点开展以下研究：1)结合水土流失地域分异规律的生态服务功能评价理论研究；2)生态服务功能评价定量方法的研究；3)基于景观格局和生态过程耦合的生态服务评价研究。
2020, Vol. 18