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生态系统服务研究

2015/12/30 阅读:

随着全球经济的快速发展,人类的消费水平显著提高,给自然环境带来的压力也越来越大。MA(millenniumecosystemassessment)评估报告[1]中指出,人类活动对生态系统的影响已经遍及全球,60%的生态系统服务功能已经下降或不可持续性的利用,70%的调节和文化服务功能显著下降,这个评估预示着生态系统服务功能在21世纪的前50年将继续下降,同时对人类福祉产生持续性的影响。此外,从King和Pendlebury[2]提出的2013年全球前百个科学研究热点分析报告中可以看到,在生态学和环境科学领域,生物多样性和生态系统功能研究名列其中。这预示着在全球气候变化的大背景下,生态系统服务功能及其价值评估已经引起了研究者们的高度关注。

1生态系统服务的产生背景及内涵

在提出生态系统服务这一概念以前,人们很早就开始了对生态价值问题的讨论,最早可追溯到新古典福利经济学的发展过程[3]。新古典福利经济学强调个人的独立性,对价值定义也仅仅局限在理财学或市场经济的交换价值中,这个狭窄的价值定义忽视了自然在这一交换过程中的巨大贡献,夸大了个人的主导作用。然而,随着气候改变和生物多样性下降等问题的出现,暴露出这种效益评价方式存在严重的缺陷,这些问题都对这一经济学理论产生了很大的冲击。研究者们开始从行为主义心理学、神经系统科学和社会人类学等领域探索人类的属性问题。许多研究证明人类的决策也是社会性的,而不是个体性的过程。这些观点的提出使新古典福利经济学不断受到质疑,同时也让这一学科成为众多学者关注的焦点。20世纪50年代,人们开始对渔业的可持续性开展经济学研究,这时他们已经意识到了保持自然资源的服务功能的重要性。到60年代,在自然环境改变的不断刺激下,出现了一门新的学科——环境经济学。在这个学科中提出了自然资产的概念,即自然界生产的产品,可以说这是对自然界新的认知,人类开始意识到有限的自然资源可能是经济增长的重要限制因素,而当时的大多数经济增长模式都忽略了有限资源消耗这一重要因素。又经过20余年的发展,新古典福利经济学已经完全失去了竞争性,生态学和环境经济学慢慢展现出了其在该领域的优势。而在同一时期,GeorgeMarsh[3]已经开始意识到生态系统具有服务功能,这一观点的提出拉开了生态系统服务功能研究的序幕。

1970年,SCEP[4](StudyofEritiealEnvironmentProblems)在《Man’sImpactionontheGlobalEnvironment》报告中提到“service”一词,第1次明确提出了生态系统服务的概念。到1997年,Constanza等[5]提出生态系统服务内涵可概括为人类从自然生态系统中直接或间接获取的益处,这一观点得到了大家的认同。直到2005年,MA评估报告[1]对生态系统服务的内涵重新进行了归纳和概括:生态系统服务是指人类从生态系统获得的所有惠益,并将其分为4个类型,包括供给服务(如提供食物和水)、调节服务(如控制洪水和疾病)、文化服务(如精神、娱乐和文化收益)以及支持服务(如维持地球生命生存环境的养分循环),这几个方面是相互重叠和相互作用的,支持服务占据着重要的地位。生态系统服务可以看作是大自然的组成部分,可以直接被人类所享受、消费和被用于产生人类福祉,而这些益处和服务在经济的可持续发展方面扮演了重要的角色,目前对此还缺乏系统性的探讨。

2生物多样性与生态系统服务

生物多样性作为一个术语有很多定义,它是一种复杂的现象,大多数学者建议使用生物多样性公约提出的概念,即在一定时间和一定区域内所有生物及其遗传变异和生态系统的复杂性总称,包括遗传多样性、物种多样性和生态系统多样性3个层次。它直接说明了生物多样性的复杂性,并将其融入到了生态系统服务中[5]。目前,对于生物多样性和生态系统服务两者的认识还存在一些误区,一方面把生物多样性和生态系统服务看作是同义词,认为生物多样性就是生态系统服务,生物多样性也就越高,生态系统服务功能越完善,这种混淆不利于人们正确认识生物多样性。Tscharntke等[6]较好地回答了这一问题,他们对生物多样性模式及其过程的景观适度性进行了研究,论述了适度的生物多样性在生态系统功能及过程中的重要性,提出适度干扰的生物多样性保护能使多样性功能和相关的生态系统服务功能达到最优化,也有利于保证某些濒临灭绝物种的可持续性。

另一方面过于简单的看待生物多样性的价值,认为生物多样性对生态系统服务功能的贡献仅仅是保持物种丰富度,这种观点没有认识到其具有的其他价值,如调节洪水、碳固定、提高农业生产力等。可见生物多样性在生态系统服务和过程中扮演着多重角色。Mace等[7]对这两者之间的关系进行了概括,主要有以下几个方面:一是生物多样性是生态系统过程的调节者,生物多样性是巩固生态系统服务、控制生态系统过程的一个因素。例如,许多土壤营养循环与土壤中的生物群落组成有很大的关系,生物多样性越高,生态系统功能也随之增加。因此,生态系统中的生物组成,也就是生物多样性,在生态系统服务传递过程中扮演着关键性作用。二是生物多样性是一种终极生态系统服务,生物多样性在遗传和物种水平上直接贡献了其利益和价值。例如,野生作物的遗传多样性对于改良作物的性状具有重要作用。三是生物多样性在生态系统服务中可以作为一种益处,它具有丰富的文化价值,包括野生物种和景观的欣赏、精神愉悦、教育、宗教和娱乐价值等。

许多学者对生物多样性与生态系统服务功能之间的密切的联系进行了研究,发现生物多样性在生态系统中起着关键性的调节作用,特别是在一些生物入侵比较严重的地区,生态环境比较脆弱,当生物多样性下降或丧失时,将对生态系统服务功能产生直接的影响。来自俄立岗州立大学、奥古斯塔纳学院和美国地质调查局组成的专家组对北美的濒危草地生态系统的生态恢复过程进行了研究,通过对75个样地的研究发现,放牧并不能降低入侵草种的丰富度,相反的,过度放牧反而会使土地失去抵抗入侵能力,使本土草种的盖度显著下降,同时给入侵草种提供了入侵的机会,最终使草地生态系统的生物多样性下降,直接影响其生态系统服务功能[8]。Abella等[9]从植被演替的角度出发,在美国西南部的莫哈维沙漠选择了代表性的本土物种来进行恢复试验。结果发现,与灌丛相比,草丛具有更好的抵抗入侵能力,在施氮肥的情况下减少外来物种生物量达88%,不施氮肥的情况下减少达97%,这说明与其他防治生物入侵的方法相比,选择适当的本土种可以更好地达到防治效果,同时也能更好的提高当地生态系统的生物多样性,进而提高其生态系统服务功能。Lugnot等[10]为了证实前研究者们在生物多样性与农业生态系统服务相关性方面的理论研究成果,对法国当地的部分农场主和农场顾问进行了问卷调查,结果表明,农田植被的生物多样性对提高生态系统服务的供给能力有积极影响。

3人类活动、气候变化与生态系统服务

早在1864年,GeorgeMarsh[3]在《人与自然》中就对人类引起的区域气候改变进行了探索。随后许多研究者开始关注这种人为干扰活动,发现这种由于人类活动引起的区域气候改变已经对生物多样性、物种组成和生态系统的服务功能产生了直接影响。例如,气候变暖造成了病虫害分布范围的进一步扩大,杀虫剂的使用数量也随之增加,直接影响到生态系统的服务功能,在这种情况下,Whitehorn等[11]开展了黄蜂蜂群对烟碱类杀虫剂的适应性试验,结果发现自然条件下的杀虫剂剂量对蜂群的增长率和蜂后的产出率均有显著负面效应,而这种效应也对其生态系统服务价值产生了负面影响。Isbell等[12]在草地生态系统中进行了氮营养过剩试验,发现氮肥施加过量后,虽然生态系统的生产力会出现暂时性的提高,但其中的优势C4植物种类会非随机性的显著减少,这说明人类活动对生态系统功能的长期影响在很大程度上将造成生物多样性的下降和群落的重建。Collins[13]认为森林提供了许多社会效益和生态系统服务,例如涵养水源、调节气候、防洪、生态休闲、精神愉悦等,这种生态系统服务的提供和传递有利于保护自然生态系统,增强生态系统的健康度和稳定性,但是气候变暖已经对森林生态系统产生了直接的影响,包括水分循环、物种分布范围、种群大小、生命循环周期、森林生态系统害虫的大面积爆发、外来物种入侵等问题;更重要的是人为活动也对其产生了直接影响,预计到2030年时,美国大约有11%的私有森林土地将被用于盖房,而其私有森林面积占据着全国总森林面积的60%,这种土地利用方式的改变势必会对其生态系统服务功能产生很大的消极影响。

气象学家们则认为人类活动可直接导致二氧化碳及其他温室气体上升,进而引起全球变暖。从IPCC的报告[14]来看,这种变化仍在持续,并且增强了生态系统改变的危险性,影响到水资源、食物供给、生态系统的生产力及其他生态系统服务。Shaw等[15]对气候变化、生态系统服务功能和经济学之间的关系进行了探讨,就气候改变对加利福尼亚生态系统服务功能中2个关键因素(碳固定和自然牲畜饲料生产力)的影响进行了深入研究,发现生态系统服务价值和供给功能会随着气候变化而呈现下降趋势。气候改变对生物多样性和生态系统服务的影响也有积极的一面。例如,二氧化碳浓度的升高能够提高多种植物的生物量,也使一些濒危物种的存活率有所升高[14]。Donohue等[16]在世界各地干旱地区的一项研究发现,1982—2010年,二氧化碳“育肥效应”确实造就了一个渐进的绿化,这也证实了科学家们的推断,即自20世纪80年代初以来,全球范围内绿叶蓬勃发展的卫星数据至少部分源于地球大气中二氧化碳浓度的增加。总的来说,关于气候变化的积极影响现在还寥寥无几,但是不能否定其在某一方面的促进作用,很明显,这将使气候变化、生物多样性及其生态系统服务之间的关系变得更加复杂。尽管就人类活动和气候改变对生态系统服务的影响做了大量的研究。但是,目前关于气候变化如何影响生态系统服务,如何影响人类和经济发展,而经济又如何响应这些改变的理解是不全面的。因为将来存在着太多的不确定性,在这种不确定性的影响下,当面对风险要做出决策时就会缺少对策。因此,关于人类活动、气候改变和生态系统服务之间的影响机制研究还处于初步摸索阶段,还需进一步深入研究。

4生态系统服务功能的价值评估

生态系统服务不仅为人类的生产生活提供必需的生态产品,而且为生命系统提供必需的自然条件和效用,但其重要贡献往往被个人、企业和政府决策者们所忽视。因此开展生态系统服务价值评估对于实现人类的可持续发展具有重要的意义,主要体现在以下几个方面:提高公众在森林和草地对人类福祉的重要性方面的认识;为私有土地者提供一个经济刺激,可持续性的管理好森林;鼓励生态恢复和支持合作性的财政投入;呼吁个人致力于减少自然资源消耗和减少人类活动对生态系统的负面影响。1997年,Coatanza[5]在自然杂志上发表了全球生态系统服务价值为33万亿美元的评论,在环境和生态经济学领域直接引起了讨论,也使其成为生态系统服务价值评估的一个分水岭。这篇文章是全球生态系统服务评估的第1次尝试,作者承认由于其获取的资源和数据有限,考虑还不够全面,例如重叠性的计算,排除了家庭劳力和非正式经济,供给和需求的估计不足,对环境承载力和生态系统中的不可逆损失缺乏考虑,不能够反映社会公平和生态可持续性等。有人对其表示认同,如Daly[18]对这一尝试表示赞同,他认为当缺乏某一个因子时,只能计算它的交换价值,即将自然资产服务(33万亿美元)中缺乏的评估因子作为一个过去已经损失的自然资产中的间接指数;另一方面,有人因其特殊评估方法而表示质疑,如Toman认为这种信息分类最终将误导决策者们,因为它不能让决策者们看到生态系统的改变或生态系统的承载力,Noraggrd等[20]则从交换价值的角度出发,认为这种不考虑地球承载力的评估存在一定的局限性。近年来,许多学者对不同尺度的生态系统服务功能开展了大量的价值评估工作,如Ludwig等对泰国和墨西哥的红树林经济价值进行了评估,发现红树林对于渔业的发展具有重要作用,包括为幼鱼提供栖息场所、营养循环、在风暴中保护等生态功能,红树林一旦消失将直接对经济产生负面影响,后来也有研究者利用这种产品功能评估方法,但是由于数据的缺乏导致这种评估方法失去了真实性。Boyles等在德克萨斯州对蝙蝠压制害虫的服务进行了评估,发现其在美国农业上的经济重要性,估计其产生的经济价值每年约229亿美元。Fisher等[23]对Boyles的经济价值评估方法提出了质疑,认为其忽略了一些变化因素。此外,热带雨林地区和湿地的生态系统服务功能价值评估受到学者们的高度关注,如Godoy等对热带雨林地区的2个村庄中的32户印第安人家庭从森林中获得的食物、手工艺材料和药材等进行了综合消费模式的评估,发现其从森林中获得的益处大概在17.79~23.72美元/hm2;Chiabai等[25]发现热带原始森林的砍伐致使巴西森林生态系统服务功能呈下降趋势。Wang等[26]发现在1980—2000年间三江平原的湿地生态系统服务功能下降了约40%。Engle[27]指出墨西哥湾沿海的湿地生态系统进服务功能呈明显下降趋势等。此外,还有许多学者利用GIS和遥感技术手段对生态系统服务功能进行了评估,取得了一些进展[28-29]。上述这些研究中都强调了产品的经济价值和效益的可持续性,他们所采用的评估方法大都依靠个人的主观判断和经验认识,不少学者基于此对评估方法提出了一系列的假说,如Godoy[30]针对热带森林地区非林产品的可持续性和经济价值的评估提出了6个假说,涉及特殊性、野生动植物在家庭收入上的重要性、森林的机会成本、可持续性、获取价值与物种丰富度、商业化、消耗、驯养和森林砍伐等因素,这些假说的提出将有益于提高评估方法的真实性。

5干旱区生态系统服务功能研究

干旱区成为一个关键的陆地生态系统,对人类来说也是非常重要的。目前全球有超过38%的人口生活在旱区,其中90%的人口都分布发展中国家,这些地区拥有大量的石油、黄金、铜矿、银矿等矿产资源和丰富的生物多样性,可以说其生态系统服务功能不可忽视。近年来学者们对旱区生态系统的功能和生物多样性做了大量的研究。MA荒漠化评估报告[1]对荒漠化、全球气候变化、生物多样性丧失及生态系统服务和人类福祉之间的关系进行了综合而详细的阐述,这些地区由于缺水、超强度利用生态系统服务以及气候变化所导致的生态系统服务供应大量持续的下降,对旱区大量贫困人口在内的数百万人的生计造成影响,而且这种影响要比非旱地区所造成的威胁要大得多。MA的成果有益于改善生态系统的经营管理、稳定并提高生态系统向人类社会提供服务的能力。Maestre等[31]在其评论中提到,随着温度和二氧化碳浓度上升,降水类型和土地利用变化已经成为陆地生态系统改变的重要驱动因素,在旱区也是如此。多项证据显示,到21世纪末时全球温度将上升3℃,这意味着由于气候改变,包括美国西南部、地中海盆地、南非、澳大利亚、南美洲和中国在内的大多数旱区的干旱程度将进一步加剧,这些地区的生物多样性和生态系统服务功能将受到各种影响,由于这个影响过程比较复杂,目前关于气候变化对旱区生态系统服务功能的影响研究还鲜有报道。

6展望

生态系统服务功能研究是一个跨学科的热点领域,由于其复杂性和不确定性,很多评估方法和模式还处于探索阶段;同时,这些学科在相互渗透的过程中,对传统的社会学、经济学等模式造成了较大的冲击,如何在兼顾有形服务和无形服务的基础上,建立一个标准的、完善的评价体系,为决策者们提供参考依据是当前该研究领域急需解决的问题。笔者认为今后有必要在下述方面开展研究工作。

6.1开展基于生态系统服务功能评价的生态学长期定位研究生态学长期定位研究在监测环境改变、自然资源管理和生物多样性保护等领域具有关键作用。在今后的工作中应从以下几个方面开展研究[32](:1)量化驱使生态系统改变的生态学响应指标(;2)理解复杂的生态系统过程;(3)提供关键生态学数据,以便用于发展理论生态学模式(;4)深入开展跨学科的系统研究。尽管生态学长期定位研究是非常重要的,但是经常由于经费问题而难以保持长期性,笔者认为生态学研究群体应该以加强合作的方式来保持生态学监测的延续性,应该向资源管理者、决策者和公众宣传生态学长期定位研究的益处。

6.2进一步完善生态系统服务功能评价指标从生态系统服务的内涵来看,人类需求始终占据着主导地位,他们的行为和管理决策往往会对其服务功能产生显著影响[33]。目前国际上许多学者在生态系统服务价值评估方面做了大量的工作,但其评价指标依然不够完善,依然以人类需求为导向,如很少有学者考虑到系统中的不可逆转的损失,这将提高生态系统价值评估过程中的不准确性,因此,在今后的工作中应该进一步加大此类评价指标的研究。

6.3开展干旱区的生态系统服务功能研究尽管许多管理者和研究者已经关注到此类问题,但目前国际上关于气候变化对干旱区生态系统服务功能的影响方面还缺乏综合性的报道,这是由于缺乏数据和信息造成的,笔者认为应从以下几个方面来开展工作(:1)关注气候变化对旱区土壤质量的影响(;2)关注热环境下生物个体的生物学反应[12](;3)在旱区开展长期性的定位观测试验。此外,如何利用生态系统服务评价手段为提高干旱区福祉和减少贫困将会成为该领域一个重要的发展方向。

作者:杨旭 沈珍 闵水发 杨杰峰 单位:湖北生态工程职业技术学院 中国林业科学研究院

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