2. 中国林业科学研究院资源昆虫研究所, 650216, 昆明;
3. 西南林业大学化学工程学院, 650024, 昆明
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生态系统服务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的惠益以及赖以生存和发展的基础[1]。Costanza等[2]将全球生态系统服务分为文化、水调节和基因资源等17个类型,千年生态系统评估(The Millennium Ecosystem Assessment,MA)[3]将生态系统服务分为供给服务、调节服务、文化服务和支持服务。近年来,生态系统服务研究的重心从价值评估逐步转变为生态系统服务关系研究。生态系统服务间的关系包含权衡(负向关系)、协同(正向关系)和兼容(无显著关系)等多个表现类型[4]。
森林生态系统服务是沟通森林生态系统自然过程与人类社会的主要通道,对维系森林自身及区域生态平衡和人类福祉具有关键作用。森林生态系统服务权衡是指森林某些类型的生态系统服务供给受到其他类型生态系统服务消费增加而减少的情况。近百年来,人类基于自身的利益需求,对森林生态系统特定类型服务索取极大化,严重削弱了其他生态系统服务类型的供给,使森林生态系统服务权衡产生和增强。森林生态系统权衡不仅对森林生态系统自身健康造成了极大的影响,且进一步引起区域内和区域间不同程度的生态和环境问题,是制约区域和全球可持续发展的关键问题之一[5]。森林生态系统服务权衡研究旨在把握森林生态系统服务权衡的时空特征、影响因素及其作用机制,为人类制定科学决策提供理论依据,有效缓解权衡造成的生态系统服务冲突问题,是实现生态保护和经济社会发展双赢目标的核心途径,具有重要的理论和实践意义。本研究在综合国内外相关文献的基础上,厘清森林生态系统服务权衡的内涵和特征,梳理其研究步骤、主要研究方法及驱动因素和机制,总结研究内容和方法的不足,并对未来研究趋势进行展望,以期为该领域的研究提供参考。
1 森林生态系统服务权衡认知 1.1 森林生态系统服务权衡的内涵森林生态系统具有固碳增汇、固土保肥、气候调节、净化空气、木材产品提供及生物多样性保育等多种生态系统服务[6-8]。各种森林生态系统服务之间存在着高度的非线性关系,这些服务之间不可能均成协同关系,不同服务间存在相互制约、相互拮抗的此消彼长的关系表现更为明显[9],如森林覆盖率下降有利于流域年径流量增长,但同时会造成水土流失速度加快,引起径流中泥沙含量增长[10]。
森林的多种生态系统服务与不同层次的人类福祉息息相关。人类的消费观念和需求存在差异,对森林生态系统服务表现出选择偏好并以此对森林生态系统服务进行不同程度的取舍,使各种生态系统服务之间表现为此消彼长的关系(即表现为权衡关系)[11-12]。因此,森林生态系统服务权衡实质是人类对森林生态系统服务消费取舍行为及其产生的结果[13-14]。
1.2 森林生态系统服务权衡的特征1) 普遍性。森林各种生态系统服务之间的权衡关系普遍存在,主要表现在供给服务与其他服务类型之间的权衡关系[15],如木材生产与土壤保持、水质净化、生物多样性[9, 16],土壤储水量与地上生物量、土壤有机碳储量、土壤总氮储量和林下植被多样性[17-18],碳储量与生物多样性和森林产品供应[19]。
2) 尺度性。森林生态系统服务权衡具有时空尺度性,即空间权衡性和时间权衡性。空间权衡性是指区域间森林生态系统服务在空间上表现出的此消彼长特征。每种森林生态系统服务的空间服务范围不同,如土壤保持和木材蓄积量服务于区域尺度,而气候调节和生物多样性维持服务于全球尺度[9],不同空间尺度下各种利益相关者对森林生态系统服务的认知和需求有差别,造成森林生态系统服务在不同空间尺度上的冲突[20-21]。20世纪90年代之前长江上游森林砍伐影响了流域的土壤保持服务功能,是1998年长江流域洪水大爆发的主要原因;时间权衡是指长、短期间森林生态系统服务供给或消费的冲突,主要是因为不同的森林生态系统服务对生态管理的反馈周期有差异,显性层面的供给服务和文化服务反馈迅速,而隐性层面的调节和支持服务对权衡管理响应具有滞后性[11],如禁止砍伐红树林作为薪柴短期内虽影响了人们的供给服务,但红树林保护使生物多样性和栖息地得以长久保存[22]。
3) 可逆性。可逆性是指被破坏的森林生态系统服务的恢复弹性。各种森林生态系统服务对外界不同程度的干扰的恢复弹性和周期存在差异,超出恢复阈值可能会发生不可逆性变化,如对闽北山地天然次生林的不同强度择伐后森林生态系统服务功能恢复研究发现,相对于未采伐林地,弱度和中度择伐下其生态系统服务功能在10年后得到恢复并略有改善,而强度和极强度择伐后生态系统服务功能不能恢复;采伐15年后,4种强度的生态服务功能均能得到恢复。从森林生态系统服务对采伐响应状况来看,影响程度最大、最难恢复的是土壤保育,其次是水源涵养[23]。
4) 非稳定性。森林生态系统服务之间的权衡关系并不是恒定的(即具有非稳定性),主要源自森林生态系统服务的区域异质性和空间尺度性[24],例如白洋淀流域植被固碳与淡水供给服务之间存在协同关系[25],而西班牙乌尔代百保护区植被固碳与淡水供给服务之间则存在着权衡关系[26]。同一对森林生态系统服务在不同区域和不同研究尺度上的权衡关系存在较大差异,如固碳释氧和水源涵养在中小尺度上既具有权衡关系也有协同作用,但在更大的空间尺度上表现出协同关系[14]。
5) 外部性。外部性是指森林生态系统服务权衡管理对非目标区域生态系统服务的影响。森林生态系统自身是一个有机整体,且作为景观组分成为区域或者全球生态系统重要组成部分。特定空间尺度下的利益相关者在权衡管理时更偏重利益范围内的生态系统服务[27],而忽视与周边区域或更大尺度区域之间权衡管理的整合和协调,进而有可能损害周边区域或更大尺度区域的生态系统服务[28]。短暂的外部效应可能不至于造成严重的生态问题,但长期和多外部效应的叠加终会造成严重后果。
2 森林生态系统服务权衡研究方法森林生态系统权衡研究的主要程序包括评估指标选取—数据获取—量化评估—权衡分析。
2.1 森林生态系统服务评估指标选取森林生态系统服务权衡分析以森林生态系统服务的量化值为依托,因此评估指标的选取成为开展权衡分析的基础。评估指标的选取多根据区域特征和研究目的,基于对区域生态平衡起关键作用的森林生态系统服务类型,选择具有代表性且易于获取、测量且信息表达程度较好的指标。根据评估指标的属性特征,森林生态系统服务评估量化指标可分为物质量指标和价值量指标,物质量指标通过对森林生态过程进行物质量化来反映森林生态系统服务,价值量指标通过货币价值方式量化森林生态系统服务。千年生态系统评估[3]是物质量指标选取的主要依据之一,亦有学者选择Maes等[29]提出的指标。木材蓄积量、生物量(主要是净初级生产力)、碳储量、土壤保持量、地表水供给、综合蓄水能力及生物多样性(物种丰富度和功能丰富度)是常用的物质量指标(表 1)[27, 30-32]。经济指标主要依据生态指标计算指标的具体市场价值、机会成本、边际效益等,也有部分问卷调查指标(如支付意愿)或者跟踪记录指标(如游客人数)[33]。
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表 1 森林生态系统服务系统权衡量化指标 Tab. 1 Quantitative indicators for trade-offs of forest ecosystem services |
森林生态系统服务评估的数据类型主要包括土地利用、生态监测和经济社会统计等数据。依托公共数据平台和定点监测数据是主要的数据获取方式,前者适用于大、中时空尺度的森林生态系统服务价值评估,数据来源为不同分辨率的遥感数据和土地利用数据、政府管理部门监测数据、行业统计报告、各级森林生态监测站点和生态监测网络以及生态网络研究平台—中国生态系统研究网络(CERN)、中国森林生态系统研究网络(CFERN)[33],后者则是在小的时空尺度上通过实验测试获取森林生态系统或者不同林分的生态系统服务数据。
2.3 森林生态系统服务量化评估基于生态系统生态学知识和生态经济学方法,Costanza等[2, 34-35]提出了全球生态系统服务价值的货币价值量化方法,为生态系统服务价值估算提供了基本参考。目前生态系统服务的价值量指标的计算方法主要是市场价值法、市场替代法和虚拟市场法,如欧阳志云等[36]和de Groot等[37]等提出的价值量计算方法,这些方法为森林生态系统服务实现货币价值化提供了原理和算法。利用已采集的各种数据,通过不同的模型公式和相应参数能计算森林生态系统各服务的物质量的值。2008年中国原国家林业局制定了《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1721—2008),涵盖了诸如水源涵养、固碳制氧等多种森林生态系统服务评估模型和方法,被广泛的应用于中国森林生态系统服务价值量化评估。亦有其他一些模型应用于森林生态系统服务价值量化评估,如光能利用率用(Carnegie-Ames-Stanford approach, CASA)模型计算净初级生产力(net primary productivity,NPP)、综合蓄水能力法计算保水量、通用水土流失方程(revised universal soil loss equation,RUSLE)计算土壤侵蚀量。国外也开发了大量类似于InVEST等软件以计算某一或多种生态系统服务量值的模型,如生物多样性、碳储量、授粉和木材生产量4种森林生态系统服务量值的计算模型。
森林生态系统服务物质量指标使用反映森林生态过程的实际物理单位,由于指标量纲不同,需要通过数据标准化处理实现不同森林生态系统服务的比较;价值量指标虽计算简单,但忽视了生态过程,且易受主观评价方法的差异性干扰,影响了价值评估的客观性。
2.4 森林生态系统服务权衡分析森林生态系统服务的权衡分析有主要研究方法,其原理、技术要点和主要功能列于表 2。
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表 2 森林生态系统服务权衡方法概要 Tab. 2 Summary of research methods of trade-offs on forest ecosystem services |
1) 生态—经济综合模型。在生态—经济综合模型中,生态模型侧重于量化不同管理决策下生态系统过程和结构变化对森林生态系统服务的影响,而社会经济模型强调森林生态系统服务变化对人类福祉或收益的影响。该类模型从人类利用角度探讨森林生态系统服务权衡关系,更关注与人类自身密切相关的社会经济福祉,因此适用于分析诸如木材生产、食物供给等便于市场化的供给服务与生物多样性保护、固碳价值等调节服务之间的权衡。如Chisholm[38]构建动态生态—经济综合模型研究了南非高山硬叶灌木群落种植辐射松(Pinups radiate)的固碳、木材生产服务与水资源供给的权衡关系,研究发现水成本的核算对造林固碳的经济收益有直接影响。Hussain等[39]选择美国西部的经济和生物数据构建综合经济/生态模型分析生物多样性保护和两个可销售牧场生态系统服务之间的权衡关系,阐明了放牧与狩猎对生物多样性的影响及其与社会经济福利的关系。
2) 统计学方法。统计学方法通过相关性分析、回归分析、聚类分析和冗余分析等数理方法判定和解释多种森林生态系统服务之间的数量关系和相互作用[41-42]。相关分析用于辨识森林生态系统服务权衡的方向及程度,回归分析用于揭示森林生态系统服务权衡的影响因素,相关分析、聚类分析和冗余分析均能用于识别“森林生态系统服务簇”的驱动因素。统计学方法由于利用了数据来源十分广泛的统计数据,适用于辨析各种森林生态系统服务的相关关系,如Bradford等[43]通过标准差法辨明了不同替代管理方案(不同的林分密度)对碳循环和生物多样性的权衡关系,结果表明合适的管理方案产生的积极效益往往与个人目标选择有关。
3) 生态系统服务制图。生态系统服务制图对每种森林生态系统服务类型进行空间制图和空间重合度比较,并结合空间统计学中的空间自相关、热冷点分析及R语言、玫瑰图等方法刻画特定森林生态系统服务权衡的空间格局及关系,适用于分析森林生态系统服务权衡的空间异质性,如Cademus等[44]研究了美国农业部377个永久性地块湿地松的多种生态系统服务的供应水平及空间分布特征,发现生物量的增加降低了产水量,且这种权衡具有空间差异性。Häyhä等[45]在森林生态系统制图的数据分析基础上运用R中的图像技术包揭示了同一研究区内森林生态系统服务之间的相互关系,认为绘制生态系统服务图的结果有助于确定和可视化森林生态系统服务权衡的区域等级,以及探索服务之间的权衡和协同作用。
4) 情景分析法。情景分析法是一种空间综合研究方法。通常研究或假设的情景归为2类:一类是将森林视为一种土地利用类型,分析森林与其他地类在不同数量结构和空间结构情境下的生态系统服务权衡关系、作用机制及其生态效应,如邹淑燕等[46]探究了渭南地区耕转林、草转林等情境下固碳、释氧、涵养水源和土壤保持等生态系统服务的权衡关系,认为耕转草会导致固碳释氧和涵养水源能力的降低,但利于水土保持,总体生态效应为正,应予以提倡;另一类是森林生态系统中不同林型或者树种结构和空间的差异性引发的生态系统服务权衡关系变化[47],Marciliosilva等[48]建立生物多样性模型研究了密集、混交和季节性森林3种森林情境下生物多样性和作物生产之间的权衡关系,揭示了年度森林砍伐率和土地管理做法如何影响生物多样性和农业收入。情景分析实现了对森林多场景模拟的空间可视化,适用于森林生态系统服务权衡的场景分析及寻找最佳优化方案。常见的情景模拟模型包括InVEST、CLUE-S和SWAT等[12]。
5) 服务流动性分析法。服务流动性分析方法计算某种森林生态系统服务的供给和需求的数量,分析生态系统服务流的流动路径及其特征,通过建模的方式来识别生态系统服务的关键生态节点和传输过程[49],如Locatelli等[50]研究了哥斯达黎加地区森林生物多样性、碳存储、产水量和景观美学价值的空间特征,揭示了各种生态系统服务的供给潜力与社会经济需求的空间一致性。服务流动性分析法适用于分析森林生态系统服务权衡的发生机制和生态过程。常用的服务流动性分析模型主要有ARIES模型,主要用于森林旅游休憩、碳吸收和碳存储、美学视域等易于在市场中予以量化其供应和需求的服务类型研究。
除常用模型外,亦有学者根据研究目的构建了其他规划模型来研究木材蓄积量、碳储量、土壤侵蚀、氧气生产等森林生态系统服务间的权衡或者协同关系,如Baskent等[51]的线性规划数学模型、戎建涛等[52]目标规划模型和Fotakis等[53]的森林规划模型。
3 森林生态系统服务权衡驱动因素及机制按照因素的属性特征,森林生态系统服务权衡的驱动因素可以分为自然因素和人为因素。自然因素包括生态因素和环境因素。生态因素是指森林生态系统的自然生态属性因素,是森林生态系统服务权衡产生的自然基础。不同的森林生态系统在林相、树种结构、疏密度、森林起源、林型等方面存在差异性,其空间结构和生态过程也因此不尽相同,使森林生态系统服务的类型、量级、供应速率或者步伐产生较大差别[11, 54],进而引起森林生态系统权衡发生机制和空间特征变化。Nan等[55]研究发现黄土高原的刺槐人工林地上生物量、土壤有机碳储量、土壤总氮储量、土壤储水量和林下植被多样性等对林龄的响应存在较大的差异,林龄增加使其他生态系统服务收益的增加是以消耗土壤容水量为代价,不同类型的森林生态系统服务之间的权衡差异可能是独特的竞争关系、大规模分配策略和时间滞后的结果。Vauhkonen等[56]对斯堪的纳维亚北部森林生态系统服务的供应潜力进行研究,结果表明森林结构(树种组成结构和树龄结构)引起的生产能力的不同是生物多样性、木材生产、碳存储和娱乐设施等生态系统服务间不同程度的权衡关系产生的主要因素。环境因素主要包括气候和地形等因素。气候变化通过温度、水分、日照、光强、物候的变化影响着森林生态系统类型、结构、物种组成、森林的水分平衡和森林生物地球化学循环,从而引起林木生产力、生物量、碳汇、淡水供给之间权衡关系的变化[57]。张迪[58]研究发现野外自然条件下,小流域尺度影响植物人工林固碳与水资源供给权衡的主要外界环境因子是光照强度和大气湿度,环境因子对植物水碳权衡的影响主要通过光合固碳和蒸腾耗水过程的实现。Reside等[59]分析了气候变化对生态系统服务的影响,认为在当前和未来气候变化场景下,澳大利亚东北部各种森林生态系统的碳存储和生物多样性存在空间权衡关系。地形因素主要包括海拔、坡度、坡向和凹凸度等因素。高程和凹凸度与树种组成对森林生态系统服务权衡关系有影响,如石栎常绿阔叶林中高程影响了土壤碳储量调节与能源供给、土壤氮储量调节与气候调节之间的权衡关系,地形凹凸度影响了气候调节、能源供给与植物多样性、空气质量调节与木材供给之间的权衡关系[60]。坡向是造成林地环境条件差异的重要因素,通过改变水分、温度、光照、蒸发条件影响了人工林固碳与水资源的权衡关系。有学者认为自然因素影响下的森林生态系统服务间所表现的权衡关系的实质是一种竞争关系[11]。
人为因素是森林生态系统服务权衡产生和增强的关键因素[58]。人为因素包括人类选择偏好、人类活动方式和人类活动行为等,三者对森林生态系统服务权衡的作用层次不同。人类选择偏好是森林生态系统服务权衡产生和增强的根本原因。经济和社会偏好是引起森林生态系统服务权衡的主要因素。追求经济效应往往使参与市场机制最深的木材蓄积量最受人类关注,也是引起森林生态系统服务多种权衡的主要原因。同时人类也逐渐出表现出对其他服务类型的社会偏好,如空气涵养、审美价值、自然灾害防护、生物多样性等。Martín-López等[61]研究发现,正规教育、环境行为和性别是影响社会偏好的重要因素,而社会偏好会引发供给服务、调节服务和文化服务之间的权衡。人类活动方式在决策层面影响了森林生态系统服务权衡发生的方向和强度,如土地利用方式、政府决策和市场激励政策等。土地利用方式决定了森林生态系统的类型和数量,使权衡的的类型、强度及空间格局发生变化,如人类通过天然林工程、退耕还林和三北防护林等生态政策改变了原有的土地利用方式,大量耕地转变为林地和草地以及林地转草地,有效的缓解了供给服务和其他服务的矛盾,实现区域内和区域间森林生态系统权衡的调节。市场激励政策如碳汇交易、生物多样性拍卖、生物质能源市场化、生态补偿等可通过土地利用方式的传导作用影响森林生态系统服务权衡关系。人类活动行为主要指人类的管理方式和行为,在最基本的执行层面上影响了森林生态系统服务权衡产生及其强度。不同的采伐量、时间和方法会引起森林碳储量、生物多样性及木材生产的权衡的差异性。Fichino等[62]的研究表明南洋杉森林的支持服务对收割强度最为敏感,Bradford等[43]研究发现采伐强度对木材蓄积量与碳储量的权衡关系阈值的变化有直接的影响。中国人工林经营由于森林的经营目标、投资方向和经营措施影响没有体现森林生态系统的自然属性,造成了较为突出的森林木材生产与多种生态系统服务权衡问题存在。按照因子作用的形式,森林生态系统服务权衡驱动因素可以分为外部因素和内部因素,外部因素包括环境因素(气候和地形)和社会经济因子(如土地利用方式、森林经营和管理方式、工程措施),内部因素主要指森林生态系统的生态因素。
森林生态系统服务权衡是自然和人为因素在不同时空尺度共同作用的结果。森林生态系统服务之间的权衡通过驱动因素的共同驱动作用或者直接相互作用2种方式来产生。共同驱动作用是指2种或者以上的森林生态系统服务具有共同驱动因子时,就会因驱动因子变化的反馈作用而产生数量上的权衡或者协同关系[9, 11]。当驱动因子对其中的一种服务起促进作用,对另一种服务起抑制作用时,即为权衡作用,如退耕还林改变了NPP、保土和产水3种生态系统服务的关系,造林增加了固碳量,有助于水土保持,但是不利于径流的形成[63];直接相互作用是指森林一种生态系统服务供给量直接影响另一种生态系统服务供给量的变化。当一种服务的供给量会抑制另一种服务增加时,表现出权衡关系,如人工林的扩张可以增加碳汇,但树木生长需要大量的水分减少了水资源的提供。
4 结语与展望近年来,国内外在森林系统服务权衡基础理论、方法和应用实践取得了大量的研究成果,为解决森林生态系统服务冲突提供了理论依据。但是该领域研究仍有诸多问题值得进一步探索,主要表现在:
1) 森林生态系统服务评估结果具有不确定性。现有的森林生态系统服务评估结果具有较强的不确定性,主要原因在于:其一,森林生态系统服务分类方法的生态学意义不明确,易造成服务价值计算的重复计算或者漏算;其二,不同的分类方法所使用的数据来源与尺度不一致,导致价值评估结果不尽相同且不能进行对比和验证,进而影响权衡分析的准确性;其三,现有研究使用的数据样本以小样本数据为主,难以真正揭示实际空间中森林生态系统服务权衡的实质。
2) 森林生态系统服务权衡研究方法均存在一定问题。现有的森林生态系统服务权衡研究方法均存在较多的缺陷,影响了权衡分析的效果。统计学方法的研究数据的时空分辨率很难获得统一,导致了数据的解释能力存在尺度偏差,且分析数据存在缺失的可能性较大(如森林生态功能性状数据的部分缺失)[34]。统计学中的相关系数更多的表达相关关系的可能性,却难以明确必然的因果关系,即意味着森林生态系统服务权衡发生仍存在不确定性;生态系统服务制图中不同尺度的数据对信息的权衡特征和关系揭示的程度及技术处理难度不一,多尺度的数据融合在一定程度上会使某些关键细节信息被忽略,导致权衡分析有不同程度的误差;情景分析法难以将非线性的生态过程融入情景设定中;服务流动性分析法目前只能用于森林生态系统少数服务类型的测度,且需要利用编程技术模拟森林生态过程,有一定的技术难度。
3) 森林生态系统服务权衡驱动因素及机制的时空尺度效应研究较为薄弱。森林生态系统服务权衡驱动因素及机制的时空尺度效应研究较为薄弱。目前的研究主要集中讨论影响因素对森林生态系统服务权衡关系的单向驱动作用,多种森林生态系统服务权衡驱动因素的耦合关系尚不明朗,尤其缺乏大时空尺度下驱动因素的耦合关系及不同时空尺度转换时驱动因素作用机制的变化研究。
因此,为了有效推动森林生态系统服务服务权衡研究,为森林管理和区域生态调控实践工作提供科学的理论,应加强以下几个方面的研究工作:
1) 完善森林生态系统服务评估方法研究。深化对森林非线性生态过程的认知,深入探索更具生态学意义的森林生态系统服务分类方法;应构建全球、国家、区域尺度等多尺度不同分辨率的具有统一数据标准的森林生态监测数据库,使用标准化评估方法,深入探讨数据的时空尺度效应对森林生态系统服务权衡评估的影响。
2) 强化森林生态系统服务量化模型研究。深化基于生态过程的森林生态系统模型研究,通过对不同生态系统服务流之间供给、流向、流量、流速和耗散关系的解析,融合人工神经网络和智能模型等自适应方法,构建森林生态系统服务总体效益与单一服务价值变化及森林生态反馈—滞后效应机制量化模型,同时需结合区域生态特征谨慎确定模型参数。
3) 深化森林生态系统权衡的驱动因素、驱动机制及其时空尺度效应研究。明确森林生态系统服务间的尺度变异性,揭示权衡发生机制的尺度特征。探究何种因素在何种时空尺度上起主导作用及驱动因素在不同时空尺度上的关联性,明确各种因素在不同时空尺度上的远程耦合关系及其机理。
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表 1 森林生态系统服务系统权衡量化指标 Tab. 1 Quantitative indicators for trade-offs of forest ecosystem services |
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表 2 森林生态系统服务权衡方法概要 Tab. 2 Summary of research methods of trade-offs on forest ecosystem services |