生态系统服务权衡与协同机制及其在景观规划中的应用

岳邦瑞 钱芝弘

生态系统服务（ecosystem services, ESs）研究是提出科学合理景观规划方案的基础，此概念自提出以来备受生态学、地理学等基础学科和城乡规划、风景园林等应用学科关注。ESs研究框架综合了不同研究视角，使供给、调节、支持乃至社会服务等存在于同一体系，实现了学科细分后的生态系统评价与认知的再整合[1]，与景观规划整合社会、生态、经济等多重目标的需求相契合。在实践中，景观规划可以通过改变土地覆被类型和景观格局改变生态系统功能，进而影响生态系统服务的类型和分布[2]。

ESs间普遍存在权衡和协同作用。通过景观规划管理多种服务功能，通常需要确定ESs间的关系类型，并分析其形成机制。土地利用及景观管理目标变化是ESs间权衡或协同关系形成的主要驱动因素之一[3-4]。在景观规划中如果忽视对ESs间权衡与协同关系的研究，而盲目追求某些服务供给的最大化，则可能由于ESs间的权衡作用导致其他服务的供给能力被破坏。有研究发现，由于规划中对多种服务管理的需求逐渐凸显，使得ESs间权衡与协同关系方面的研究迅速增加，其中机制层面的研究是有效指导规划管理的关键[5-6]。

为推进ESs间权衡与协同关系方面的研究在景观规划中的应用，本研究通过梳理ESs间关系类型、权衡与协同关系的表征方式及其机制的研究方法，探讨如何针对特定类型的景观规划需求，展开ESs间权衡与协同关系的研究，并将研究成果应用于景观规划中。

1 ESs间权衡与协同关系内涵及其研究现状

1.1 ESs间权衡与协同关系内涵

ESs间的关系包括权衡（trade-offs）、协同（synergies）和兼容（compatible）3类，本研究仅关注ESs间权衡与协同关系。在分析ESs供给间的相关关系时，若呈现出负相关（此消彼长）则为权衡关系[4-5]，正相关（同增同减）则为协同关系，无显著关系则为兼容[6]。若以ESs间的作用关系区分，有明显的促进作用属于协同，有明显的抑制作用属于权衡，没有明显作用关系则为兼容。ESs供给间的相关关系研究能够识别ESs间关系类型及其所在区域，而ESs间的作用关系研究则能够明确ESs间权衡与协同关系的形成机制，进而指导规划策略的提出（图1）。

ESs权衡①所表达的语义更为广泛，既可指ESs供给间此消彼长的权衡关系，也可以强调对ESs消费取舍的权衡行为，能将ESs间关系认知和行为决策结合在一起[7-8]。由于ESs间关系能够互相转变，研究过程一致且总是交织于一起，很多研究将ESs间关系研究统称为ESs权衡研究[1]，具体的研究方向有供给端权衡、供给需求权衡、需求端权衡、利益主体权衡、时空权衡及可逆权衡等[1,8-9]。

ESs间权衡或协同关系出现的原因有两方面，即一定空间范围内ESs供给具有多重性和人类对服务的需求偏好[10]。气候变化、土地利用改变、生态工程建设等驱动因素往往会引起多重ESs的变化，促使各类服务之间呈现权衡、协同或兼容的状态，而人类对服务的需求偏好则往往是促使驱动产生的根本原因。实际情况中，ESs间权衡或协同关系的形成与转化过程较为复杂，仅通过定量分析识别权衡或协同关系类型及强度，不足以指导规划决策，还需从机制层面展开分析，认知哪些人类活动会对ESs间权衡或协同关系产生怎样的影响。

1.2 ESs间权衡与协同关系表征方式及分析方法

ESs间权衡与协同关系的识别是展开机制研究的基础，然而不同研究的识别结果有时反映的内涵和意义也不相同，受ESs间关系研究方法的影响。Ndong等发现，对ESs关系的研究可建立在3个标准之上，并在此基础上将识别ESs关系的定量研究方法分为6种。3个标准是：1）“时间变异性”，在研究中是否明确考虑时间动态；2）“空间离散化”，在研究中是否考虑ESs间关系的空间维度；3）“ESs间关系的驱动因素”，在研究中是否考虑此关系背后的驱动因素。6种定量研究方法为静态空间共现分析、静态空间关系分析、历时空间共现分析、历时空间关系分析、历时空间变化共现分析和动态空间变化分析。其中，3种空间的共现分析均考虑了ESs间关系的空间位置，通过空间协方差、重叠、相关等途径分析ESs间关系[4]。在研究中是否涉及ESs关系的驱动因素分析，决定了所得结果是机制层面的分析，还是仅属于量化描述。ESs间关系分析工具、识别结果与研究方法密切相关，若要比较不同研究的结果，则要考虑研究方法的异同。

ESs间权衡与协同关系分析中的常用方法可归纳为成对或成组ESs间关系分析方法。成对ESs间权衡与协同关系分析方法包括相关性分析法、权衡协同度法、叠加分析法[11]及贝叶斯网络（Bayesian belief network, BBN）②模型法等，方法之下还有众多分析工具。成组ESs间权衡与协同关系分析方法有因子分析法、主成分分析法和生态系统服务簇法[12]等。在实践研究中比较常用的是叠加分析法、生态系统服务簇法和动态相关性法[13]。叠加分析法和生态系统服务簇法都能利用空间制图表达，前者适合分析成对ESs间关系，后者适合分析成组ESs间关系。动态相关性分析有助于研究ESs间权衡与协同关系变化的驱动过程，但是否通过空间制图表达，则依具体目标而定。

1.3 ESs间权衡与协同关系研究在空间规划中的作用

一些规划领域专家已经探索了ESs间权衡与协同关系研究在空间规划中的作用及应用途径。王志芳等提出ESs权衡研究对规划管理目标设定、空间优化、生态补偿、公众参与具有重要意义[1]。欧小杨等、艾昕等分别基于ESs间权衡与协同关系研究提出城市生态空间分区及生态网络规划方案[14-15]。邵明等基于ESs间权衡与协同关系及机制研究，提出城市生态空间识别与管控的实践途径[16]。王旸研究了休闲游憩和气候调节服务间的权衡关系，据此提出公园绿地布局的优化方法[17]。此外，在国土空间规划中对ESs间权衡与协同关系的研究，对于生态空间格局构建、规划及分区管控方面均具有重要的实践意义[18-20]。

2 ESs间权衡与协同关系机制研究内容及进展

2.1 ESs间权衡与协同关系机制研究内容

ESs间权衡与协同关系机制研究可以从2个层面展开，即各类ESs如何形成与供给、ESs间权衡与协同关系如何形成与转化，前者是ESs间权衡与协同关系的形成基础，后者是其形成动因。

土地覆被变化同时会对多种ESs的形成与供给产生影响。根据“格局—过程—功能—服务”[21]的级联框架，可知改变景观格局能影响ESs的供给。景观格局在区域尺度上的变化主要表现为土地覆被状况的改变[22]，可以从覆被类型以及结构与空间特征两方面来描述[23]。研究表明，调控土地覆被类型可直接改变ESs供给类型，而其结构与空间特征的变化则会对生态过程产生影响并间接作用于ESs的供给[24-25]（图2）。

研究发现，不同类型ESs对土地覆被类型变化、结构与空间特征变化的敏感程度不同，产生的响应也不同，这种响应还受到研究尺度和区域景观特征影响[23]。分析特定情景下的ESs间权衡与协同关系如何形成，需先明确ESs类型、研究尺度及区域景观特征，分析ESs供给对土地覆被变化的响应情况。若对覆被类型的变化敏感，需分析能提供ESs的主要景观的特征是否一致或相近；若对覆被结构与空间特征变化敏感，需分析ESs供给过程之间是否有明显相互作用。上述内容可用于解释为何有些ESs在时空分布上具有很强的一致性，而有些ESs在同一时空范围内却几乎不会同时出现。

Bennett等将ESs间权衡与协同关系形成动因概括为“不同类ESs对同一驱动因素产生响应”及“ESs之间的相互作用”两类，其研究展示了6种情景下ESs间权衡与协同关系的形成动因（图3）：1）对同一驱动因素的响应导致ESs间权衡与协同关系的形成，如情景B；2）ESs间的相互作用导致其特定关系的形成，如情景C、E；3）共同驱动因素和ESs间相互作用同时产生影响，共同导致ESs间权衡与协同关系的形成，如情景D、F[26]。

“形成基础”可解释为何ESs间普遍存在权衡与协同关系，“形成动因”可反映不同情景下ESs间权衡与协同关系的形成受何种驱动，两方面的研究可共同解释ESs间权衡与协同关系的形成机制。

2.2 ESs间权衡与协同关系机制的研究方法

ESs间权衡与协同关系的研究方法，如相关性分析法、叠加分析法，在统计学意义上反映了不同ESs变化趋势及空间分布一致性，并以此标准识别ESs间权衡或协同的关系类型，但无法解释ESs间权衡与协同关系形成与变化的因果性[27-28]。通过ESs供给的量化关系分析可识别ESs间权衡与协同关系的区域位置，能促使规划管理人员通过地理空间制图分析展开沟通。若要认知ESs间权衡与协同关系机制，则要回到具体情景中，分析可能的驱动因素及其引起的生物物理过程之间的相互作用。

采用情景分析[29]、对照实验[30]和过程模拟[31]研究ESs间权衡与协同关系及其机制，是通过量化ESs供给和驱动因素之间的联系及程度，来反映ESs间权衡与协同的作用情况。对照实验是3种方法中最精准的，但受研究尺度及可控变量的限制，在研究中很少使用。亦可选择因果推断法[32]来研究ESs间权衡与协同关系及其机制，假设变量之间的因果联系，通过抽样和统计分析检验因果假设的可信度，在统计分析中应注意控制混杂变量。相对而言，情景分析和过程模拟的组合应用最广泛，是规划决策分析的重要工具。

2.3 ESs间权衡与协同关系机制研究进展

对ESs间权衡与协同关系机制的研究通常从驱动因素着手，包括自然环境及人类活动产生的影响，分析关系形成与变化过程（表1）。自然环境的影响包括气候变化及环境梯度的影响[37-38]，而人类活动则从土地覆被/利用变化、干预方式与强度两方面展开研究。Ndong等发现，既有研究大多关注土地覆被/利用变化这一驱动因素，此驱动因素可用于反映城市化、农业生产等人类活动对ESs间权衡与协同关系的影响。也有研究通过分析温度或降水影响，将气候视为驱动因素，探讨不同耕作制度（有机耕作或常规耕作）及土地使用强度（集约化或非集约化发展）对ESs间权衡与协同关系产生的影响[4]。Dade等研究发现，所有ESs间权衡与协同关系的研究中考虑驱动因素的占多数，但大部分只作定性分析而未进行量化评估[5]。

表1 ESs间权衡与协同关系机制研究[33-36]Tab. 1 Research on the formation mechanism of the trade-offs and synergies among ESs[33-36]

当前，ESs间权衡与协同关系机制研究尚有较大发展空间，研究较多关注规划管理这一驱动因素，而对文化、宗教和技术驱动因素的关注则较少[5]。此外，ESs间权衡与协同关系机制研究还受数据可得性和分析模型的信度与效度影响，对长周期监测数据（如气象、水文数据）的积累和模型的不断完善是推动该研究发展的关键。虽然ESs间权衡与协同关系机制研究对规划决策非常重要，但其应用尚处于探索阶段。

3 ESs间权衡与协同关系识别及其机制研究在景观规划中的应用

ESs间权衡与协同关系识别和机制研究，可为探索能降低ESs权衡、提升ESs协同的规划路径提供重要信息。景观规划是通过调整空间结构和功能来协调人与自然关系的手段[39]，包括生态基础设施规划、生态网络规划、生态功能区划等。本研究选择生态功能区划、生态基础设施规划和生态修复规划3种类型的景观规划，探讨ESs间权衡与协同关系及机制研究在其中的作用及应用途径。

3.1 生态功能区划

在生态功能区划（ecological function regionalization, EFR）中，以协同聚类与权衡分隔的原则将各类ESs保护与提升目标分配到不同区域并提出管控策略，可以提升ESs间的协同作用并降低权衡，ESs间权衡与协同关系机制研究能为此提供重要依据。生态功能区划是指根据区域生态系统格局、生态环境敏感性与ESs空间分异规律，将区域规划为不同的生态功能区[40]，其本质为生态系统服务区划[41]。

已有多位专家的研究探索了将ESs间权衡与协同关系识别及机制分析引入城市生态功能区划的途径[15-16,42]。该途径通常包括：1）对多种ESs的评估制图；2）识别ESs间权衡与协同关系及区域；3）结合区域特征，分析ESs间权衡与协同关系形成机制；4）提出生态功能区划方案及各区对应的管控策略（图4）。但该类研究尚处于探索阶段，未在规划实践中推广，且主要以ESs间权衡与协同关系量化分析为主，对作用机制的研究不足。

3.2 生态基础设施规划

在生态基础设施（ecological infrastructure,EI）规划中，厘清哪些ESs类型在何种情况下呈现权衡或协同状态，可指导优化生态空间网络。EI包括城市绿地、湿地等自然和半自然系统，EI规划的目的是保障城市生态功能正常运行，且居民能持续地从中获得ESs，是城市可持续发展的重要保障和支撑[43]。EI规划通常涉及多种ESs供给的管理，对ESs间权衡与协同关系的识别及机制研究能够为其提供重要信息。

为提出合理的EI规划方案，需创建数据库以评估城市生态、社会功能，并全面分析ESs间权衡与协同关系，EI规划方案和措施不仅要促进多重功能共存，还要降低ESs间的权衡及提升ESs间的协同作用，以避免在追求某些ESs供给时严重损害其他功能[44-47]。基于Hansen等在研究中提出的促进城市EI规划多功能性建议[47]，本研究提出了完善后的EI规划程序，并呈现了ESs间权衡与协同关系及其机制研究应用于EI规划中的途径（图5）。笔者梳理了国内多个EI规划项目，虽然规划目标都反映出对多种ESs的诉求，但均未对ESs间权衡与协同关系及其机制进行系统研究，因此提出的实现多功能目标的空间措施也缺乏依据[48-50]。

3.3 生态修复规划

在生态修复规划中，识别关键ESs的高权衡区域，分析ESs间权衡关系形成机制，能够判断出可否通过一定修复措施降低ESs间权衡。传统意义的生态修复是指对已退化、损害或被彻底破坏的生态系统进行恢复，以实现生态系统保护和ESs供给能力提升[51]。国土空间规划背景下的生态修复是：依据生态系统本底状态，调整人为措施干预强度，因地制宜地恢复已退化或修复已损毁生态系统的结构及功能，并积极保护与提升ESs供给能力[52]，规划是生态修复工作链中的关键环节。在生态修复规划中研究ESs间权衡与协同关系机制，可指导ESs间降低权衡、提升协同的修复规划方案的提出。

已有大量研究探讨了过去几十年间中国退耕还林还草等生态修复工程对ESs间权衡与协同关系的影响。此外，Peng等以贵州省为例，提出ESs间权衡与协同关系研究在生态修复中的应用途径，通过分析影响ESs间权衡与协同关系的驱动因素的变量，包括自然因子（温度、坡度、降水、土壤类型、实际蒸散量等）和人为因子（土地覆被/利用变化、社会经济发展、生态治理项目实施等），训练BBN模型以分析上述因子对ESs间权衡或协同关系的影响程度。并基于以上分析，提出改变ESs高权衡区域影响因子中的关键变量及组合，实现降低ESs间权衡作用的目的[53]（图6）。当前，在生态修复工作评价中，对ESs间关系的研究逐渐被重视，但在修复工作的前期调研分析阶段依旧缺乏此类研究。

综上所述，在3类景观规划中，应用ESs间权衡与协同关系及机制研究的空间指向、应用目的及方式均有所不同（图7）。

4 研究展望

ESs间权衡与协同关系及机制研究对景观规划的意义不言而喻但研究方法多样，研究体系尚不成熟，研究成果又具有动态性、地域性等局限性，导致难以将其普遍应用于景观规划实践。为将研究与实践更好地结合，未来可在研究中重点关注以下4个方面。

1）以规划实践需求为导向，开展ESs间权衡与协同关系及机制研究。ESs间权衡与协同关系研究在近年发展迅速，但仍停留在认知层面，研究成果与规划实践需求存在差距，使其难以发挥指导作用。对于不同类型的景观规划而言，ESs间权衡与协同关系及机制研究能够补充规划的前期研究，完善规划程序及方案。因此，ESs间权衡与协同关系及机制研究在哪类景观规划的哪个环节能够发挥什么样的作用，以及适合的研究方法及表征方式有哪些，均需进一步展开研究。

2）加强学科合作交流，引入生态学、地理学等学科最新研究成果。当前，从自然科学到人文社科的学科都非常注重ESs研究，不断涌现出来的研究成果，包括方法、技术等，都是研究ESs间权衡与协同关系机制的重要资源。有的学科擅长通过监测分析及生态过程模拟，认知特定情景中ESs间权衡与协同关系的驱动因素及过程；有的学科则擅长利用调查研究、比较研究等方法，对不同利益主体及不同时空背景下的ESs需求权衡进行研究。将不同领域学科研究中涌现出的新方法、新成果整合进ESs间权衡与协同关系及机制研究至关重要。

3）完善ESs间权衡与协同关系及机制研究方法，降低研究结果的不确定性。ESs间权衡与协同机制研究离不开对ESs间关系类型及区域识别，对其机制的解释也依赖于驱动因素分析，所采用的定性、定量方法均有局限性。此外，ESs间权衡与协同关系具有动态性、地域性，研究结果深受研究尺度影响[54-55]，充分认知研究的特殊性以及结果的不确定性非常必要。完善研究方法、明确方法适用范围，并将研究结果的不确定性控制在一定范围内，是将此研究推广应用于景观规划的关键环节。

4）探索将ESs间权衡与协同关系研究成果整合到景观规划实践的更优途径。ESs间关系分析的理论及技术工具，通常来自不同学科、不同范式的研究。景观规划面临的是复杂现实环境，其目标往往整合了生态、经济、社会等多方面诉求。如何将不同学科、不同范式的研究成果更好地整合到景观规划程序中，从而实现管理多类型ESs的目标，亟待深入研究。

致谢(Acknowledgments)：

感谢兰泽青、王敬儒、潘卫涛、王蓓、费凡、丁禹元、颜雨晗、姚龙杰同学为本文提出宝贵修改意见。

注释(Notes)：

① ESs间权衡关系中的“权衡”是指ESs供给间此消彼长的量化关系或相互的抑制作用，是生态系统种存在的客观规律；而ESs消费取舍的权衡行为中的权衡则指“比较、衡量”，是由于人的偏好促使在ESs选择消费时进行比较与衡量的过程。

② 贝叶斯网络模型具有因果和概率性语义，可以用来学习数据中的因果关系，该模型的应用可量化分析ESs间权衡与协同关系的关键驱动因素。

图表来源(Sources of Figures and Table)：

图3改绘自参考文献[26]，图6改绘自参考文献[53]；表1根据参考文献[33]～[36]整理；其余图片均由作者绘制。