从效用评估到过程测度：生态系统服务流研究进展

肖华斌 郭妍馨 王玥 吴扬睿＊

生态系统服务（ecosystem services, ESs）被定义为“人类直接或者间接从生态系统中得到的福祉”，这些福祉可以满足人类不同的需求，从基本的生理需求（例如提供食物、淡水等供给服务）到安全需求和感情需求（例如气候调节、洪水调节等调节服务和美景、娱乐等文化服务），甚至更高层次的尊重需求和自我实现需求（例如教育、信仰等文化服务）[1-3]。生态系统服务从生态系统到人类社会是一个逐步流动的过程，生态系统服务级联（ecosystem services cascade,ESC）框架提出以一种生产链的形式连接生态系统的生物物理结构和人类福祉的社会经济或文化收益，涉及生态系统的属性、功能和人类社会的惠益、价值以及生态系统服务的“供给—流动—需求”，有利于从不同组分结构研究生态系统服务[4-5]（图1）。

自联合国开展千年生态系统服务评估（The Millennium Ecosystem Assessment, MA）以来，生态系统服务的相关研究迅速增多，主要集中在探讨生态系统服务供给侧与需求侧的总量失衡、空间与类型不匹配等问题；同时发现生态系统的实际服务和潜在服务具有较大的差异，生态系统服务在时间和空间上是流动的，存在生态系统服务流（ecosystem services flow, ESF）连接生态系统的服务供给方和使用方[6]。目前学术界认为ESF的概念有2个侧重点：一是强调生态系统服务的效用，即生态系统服务的实际供给或人类获得的生态系统服务实际受益；二是强调生态系统服务的过程，即生态系统服务从供给端到需求端的传递过程，包括传递路径、产生的流量、流向、流速以及过程中的耗散量等（表1）[7-8]。

表1 生态系统服务流概念内涵[7-8]Tab. 1 Connotation of the concept of ecosystem services flow[7-8]

本研究以“ecosystem services flow”和“生态系统服务流”为主题，分别在Web of Science与中国知网（CNKI）检索，按相关度筛选出发表在2013—2022年的约4 500篇英文文献和约1 500篇中文文献，采用Citespace 5.8.3软件对文献进行关键词共现图谱与聚类时间线分析。中英文文献分析结果均呈现出研究集聚性强、各集群下研究领域重叠度高的特点。国外相关研究主要集中在“案例研究”“生态系统服务”“土地利用”三大聚类，研究主题集中在生态系统服务、流模型、气候变化、土地利用、流量、生物多样性、模型等方面；2019年以后以文化服务和参与式制图为主的ESF量化评估和框架搭建、ESF空间制图及权衡协同分析等逐渐成为研究热点。中国相关研究集中在“价值评估”“生态系统服务”“土地利用”等聚类，研究主题集中在价值评估、服务功能、空间流转、供需平衡等方面；2019年以后以调节服务和居民福祉为主的ESF研究方法体系构建及ESF网络研究等逐渐成为研究热点。目前ESF的研究大多是探究如何量化从供给单元到使用单元空间流动的服务量，但对于流动的确切路径和过程仍处于探索阶段。

1 生态系统服务流的基本特征

1.1 生态系统服务流的空间特征

生态系统服务的流动涉及“供给—流动—需求”过程，根据生态系统服务传播特征和空间特性，在水平结构上有服务供给区（service providing area, SPA）、服 务 受 益 区（service benefiting area, SBA）、服 务 连 接 区（service connecting area, SCA）3类组成要素；在水平过程上有原位服务和非原位服务两类流动方式，后者依据流动方向分为全方位服务和定向性服务[5,9]（图2）。提供生态系统产品和服务的空间单元为SPA，通常是景观格局里的“源”（source）。能够利用生态系统服务产生人类惠益的空间单元为SBA，该区域无法产生生态系统服务，必须依靠外部的流入才能满足内部需求（非原位服务流动下），由于供需错位，存在实际SBA和潜在SBA，根据城市规划、人居环境及生态系统服务方向性流动相应可产生使用区（use area, UA）和服务获取区（service access area, SAA）[3]。当SPA与SBA在空间上不重叠时，即非原位服务流动时，连接两者的空间单元即为SCA，是生态系统服务流动主要路径所在的区域，也是对ESF造成阻碍的“汇”（sink）可能存在的区域[10]。此外，人类活动也会在一定程度上对ESF产生积极或消极的影响[11]。

1.2 生态系统服务流的尺度效应

ESF受不同时空尺度下自然系统和人类社会的共同作用，涉及跨尺度交互。ESF除了受景观格局尺度下斑块、地方、区域、国家、全球等的影响，也受城市规划尺度下场地、邻里、街区、城区、城市等的影响[12-14]。ESF研究的空间尺度选取往往取决于研究目的和ES类型，并影响数据源的选择和评估方法。不同尺度下ESF的流向、流速、流量或空间特征的变化也不尽相同，小尺度ESF的变化往往不会以相同的方向或相似的程度表现在更大尺度上，通常运用空间插值、核密度、价值转移等方法外推到更大尺度的区域，但往往容易忽视景观等级结构、生态系统空间异质性及斑块之间非线性相互作用所带来的影响[15]。地方或区域尺度的研究集中在碳储量和碳汇、淡水供给、水土保持等的评估模拟方面，跨区域尺度的ESF研究大多是根据贸易商品或社交信息的统计数据进行量化分析[16]。

ESF不是静态的，而是随时间变化的，忽略ESF的时间尺度效应可能会产生误导性评价结果。ESF时间尺度包括短期、中期、长期以及月度、季度、年度等单位，ESF随时间发展可能产生渐近、线性、单峰和随机等动态模式[17]。研究方式多根据特定研究系统、空间尺度和时间粒度的经验值设定，短期研究依赖于实验数据和样本对照，长期研究则依赖遥感数据和模型模拟[18]。值得注意的是，ESF存在时滞效应，ESP作用的空间尺度越大，ESF实现效益的时间越久。

2 生态系统服务流的流动过程

2.1 生态系统服务流的影响因素

ESF通常具有流向、流速和流量3种属性特征。流向是指ESF流动的方向，一般受地形地貌和载体的影响；流速是在SPA到SBA过程中单位时间内ESF流过的距离，一般受自然环境和人类活动的影响；流量是ESF从SPA到SBA过程中具体的服务量，一般由SPA决定总量，受“汇”的影响，并可能在传递过程中产生自然衰减[9,19]，明确ESF流量是量化评估以及空间模拟的基础。

ESs供给与需求的空间异质性是生态系统服务流动的基础，生态系统的类型、区位、功能特征、景观要素以及景观连通性等都是影响ESF的主要因素。例如，斑块大小和边缘效应会影响供应量和从SPA到SBA的流量，景观邻近性、景观组成、结构配置或基质渗透性等会影响ESF的流速[14]。ESF通常根据生态系统与人类社会之间的物质、能量或信息等梯度差进行移动[2]，传递载体包括生物因子和非生物因子，同时这些载体自身也承担着重要的生态系统服务功能[20]。一种载体可能同时承载多种ESs，一种ES也可能需要多个载体才能传递到SBA。按照载体的流动分配过程可分为竞争性服务和非竞争性服务，按照载体产生效益的过程可以分为供应性效益和预防性效益[10,14]（表2）。

表2 生态系统服务流的影响因素[11,19-20]Tab. 2 Influencing factors of ecosystem services flow[11,19-20]

2.2 生态系统服务流的权衡协同

ESF不仅涉及空间上的转移，还涉及多种ESs与人类活动之间的相互作用，形成复杂的相互关系，包括权衡（trade-off）、协同（synergy）和兼容（neutral）等多个表现类型[21-23]。ESF的流动是由于不同载体媒介的转移发生的，不同ESF间的权衡、协同通常与自然或社会系统产生的物质、能量和信息等梯度差相关。其中，权衡是不同ESF之间的负向关系，指ESF1的增加可能导致ESF2的减少，通常存在于支持类和调节类ESF中。协同是不同ESF之间的正向关系，指2种及2种以上ESF同时增加或减少的状况，通常存在于调节类和文化类ESF中。兼容则指生态系统服务间不存在有明显倾向的作用关系。目前常用的权衡协同分析方法有2种。1）统计分析法：利用Pearson和Spearman等相关性系数法、回归分析法、均方根误差分析法、空间自相关分析法等方法对ESF的实际供给能力进行量化比较。正值表示正相关即呈协同关系，负值表示负相关即呈权衡关系，数值越大表示相关性越强[24]。2）模型分析法：利用软件模型（InVEST、ARIES、ESValue、EcoAIM、EcoMetrix、NAIS、SolVES等）结 合ArcGIS、QGIS等软件对ESF进行时空对比[25-26]。

3 生态系统服务流的评估方法

ESF可在不同时空尺度上进行量化评估，涉及供应和生产、需求和消费以及相应的指标[27]，但由于缺乏对传递机制的探讨，目前对ESF的评估大多基于效用量化研究生态系统服务量，即对ESF过程中供给方实际供给或受益方实际接受的服务量进行评估，并在此基础上分析供需关系，进而评估ESF[19]。根据ESC框架的两大系统，ESF的量化评估通常可以分为两方面：一是基于生物物理的评估，侧重于量化生态系统的结构和功能；二是基于人类福祉或经济社会的服务价值评估，又可以分为基于经济效益或社会文化的评估（表3）。

表3 生态系统服务流评估方法[4,28-29]Tab. 3 Evaluation methods for ecosystem services flow[4,28-29]

3.1 基于生物物理的ESF评估方法

ESF起源于生态系统服务属性和功能，通常可以使用生物物理单位的容量和流量进行表征。容量是指生态系统可以提供的服务能力，可以用空间范围表征；流量可用于表达单位时间内生态系统可以提供的服务能力，表示ESF的实际流动状况。例如，对于水质净化服务可以用湿地的面积作为表征指标，对于木材供给服务则可以用伐木量（m3/hm2·年）衡量[30]。基于生物物理的ESF量化方法通常有直接测量法、间接测量法和数学建模法3类。1）直接测量法：对ESF某一状态原始数据进行实际测量，如政府报告的各项年鉴数据或实地调查数据。2）间接测量法：通过对测得数据的解释、假设或数据处理来表征该ESF的调节能力，如通过遥感反演获得的气溶胶光学厚度和地表温度、归一化植被指数等数据[31]。3）数学建模法：通常作为对直接测量和间接测量数据的补充、外推，主要的研究方法包括网络矩阵法、空间效益流指标法、模糊数学逻辑法和专家知识建模法、空间模型法等[32]。

3.2 基于经济效益的ESF评估方法

ESF作用于人类社会并产生价值，通常可以用ESF提供的最终产品货币价值来表征。常用的方法有3类。1）市场价格法：通过评估ESF产品在市场中的价格表征，包括当量因子评估法和功能价值评估法。2）消费者偏好法：当ESF无法通过市场数据进行估值时，可以通过消费者的偏好进行评估，包括显示偏好法（旅行成本法、享乐价格法）和陈述偏好法（或有估值法、支付意愿法）。3）模型评估法：借助模型对ESF的价值进行评估，包括生产函数法、利益转移法、相关者偏好法等[27]。生产函数法通过模型软件将价值函数与研究地点的参数值信息相结合，计算当地ESF的价值；利益转移法通过模型软件将单位价值与流动模型相结合，计算利益转移地点ESF的价值；相关者偏好法通过模型软件将现有信息和专家意见与利益相关者的价值观相结合，以确定特定地点ESF的价值和不同管理策略的经济价值变化[33-34]。

3.3 基于社会文化的ESF评估方法

越来越多的学者开始关注ESF的非货币价值，涉及社会评估、心理文化评估、主观评估等方面，但相对于生物物理和经济效益的度量，社会文化是无形的、非物质的，因而对社会文化评估的方法尚未形成正式的框架，大多研究集中在居民对环境的认知、感知、行为、偏好等方面的评估[35]。目前相关研究主要采用的方法有3类。1）定量评估法：需要依据大量样本进行多次观察得到统计数据，常用方法包括直接观察法、文档启示法和众包数据法[36]。2）定性评估法：一般适用于小样本研究，多以问卷和叙述（如结构化、半结构化和非结构化访谈，焦点小组，参与观察，内容分析，事件的语音和视频记录，艺术表达等）的形式进行数据收集，有助于研究当地价值观或相应服务的驱动动机。3）混合评估法：整合不同学科背景利益相关群体的意见并进行评估，常用方法包括专家访谈与公共参与赋值法、Q方法、公众参与信息系统法和情景模拟等。

4 生态系统服务流的空间制图

基于“供给—流动—需求”的ESF的评估和空间制图有助于帮助规划决策者理解ESs在哪里产生（where）、实际受益于谁（who）、受到什么因素的影响（what），已经成为动态化、实时化、空间化地解决ESs供需匹配问题的重要手段[2]。ESF空间制图是对特定时空尺度上单一或多种ESF的空间位置、物质数量、相互关系的流动变化，以及受自然-社会系统影响不同目标导向下情景模拟的可视化表达[28-29]。目前，ESF空间制图内容主要包括供需-流动和情景模拟两大类[37]。ESF空间制图受服务指标、数据类型和制图单元影响，其中制图单元的选择对ESF空间制图影响最大[38-39]。制图单元可根据遥感影像分辨率、数据重采样格网大小、最小行政区划单元等划分为不同类型，目前常用的制图单元包括行政管理单元、地理/流域单元、几何网格单元以及景观元素单元[14,40]（表4）。

表4 生态系统服务流的空间制图方法[37,39-41]Tab. 4 Spatial mapping methods for ecosystem services flow[37,39-41]

4.1 基于供需-流动的ESF空间制图

ESF是生态系统服务在供需区域之间的时空位移，即ESs依靠某种载体在SCA中移动并连接SPA和SBA，在多种ESs服务相互作用下ESF交织形成生态系统服务流网络（ecosystem services flow networks, ESFNs），SPA和SBA属于斑块，SCA构成廊道[41]。常用的制图方法包括特定模型法、生态网络法、人工智能法3类。1）特定模型法：对于不同类型的ESF，可以根据不同的指标选择制图方法或工具[42-46]。2）生态网络法：借助形态学空间格局、图论、最小累积阻力模型、电路理论、设置缓冲区等模拟ESFNs时空格局演变，并对其景观连通性进行评价分析[47-49]。3）人工智能法：借助软件模型，根据ESF各项生物物理特征自动选择最佳可用的模型和数据，在适当的空间尺度刻画ESF，但此法对数据和参数要求较高，操作专业性强，目前常用的模型包括InVEST、SolVES、i-Tree、ARIES等[32,50-52]。服务路径属性网络（service path attribution networks, SPANs）模型可以模拟ESF在理想、可能、实际、难以获得和封闭条件下的供给、使用、损耗和流动过程并绘制地图，已成为ESF空间流动研究发展的重要方向[10,52-53]（图3）。

4.2 基于情景模拟的ESF空间制图

ESF会对城市发展和人类受益造成怎样的影响，如何优化建成环境以最大化ESs效益，如何识别ESF存在的权衡协同关系并优化各项ESF空间制图解决的另一问题，需要通过ESF的模拟和预测实现[54-55]。近年来，ESF模拟预测通常基于土地利用/覆被变化，将城市动态模型与未来场景或替代方案相结合。基于管理政策、社会经济发展战略等不同目标导向，设置土地保护、城市扩张、自然发展等情景，结合马尔科夫模型、人工神经网络、随机森林模型、元胞自动机模型、支持向量机、最大熵模型等方法模拟土地利用/覆被变化，精细化表征不同ESF间的权衡协同关系[44,55]。

5 结语

随着新的数据环境出现以及多学科交叉的发展，基于效用导向和过程导向的ESF评估方法和空间制图都取得了显著进展。评估内容方面，研究从静态的单一生态机制或经济价值转向动态的混合ESF的多视角评估，强调时空属性及演变模拟，并逐渐纳入与人居需求相关的社会文化价值评估。空间制图方面，基于多源数据和学科交叉模型，研究尺度进一步深化、细化，从量化供需双方的空间可视化表达转向对ESF从SPA到SBA流动过程的刻画。但由于ESF从供给端到受益端的传递过程机制尚不明确，目前相关研究仍处于起步阶段，在概念内涵、研究框架、实际应用等方面仍存在诸多不足。1）研究内容仍以固定尺度的单一类型ESF为主，对跨区域、跨尺度的多类型ESF的权衡协同研究不足。如当前研究主要集中在淡水供给、水量调节等供给调节服务，缺乏对城市尺度下受人类活动影响较大的温度调节、雨洪调节、休闲娱乐等与居民生活直接相关的ESF研究。2）对ESF服务供给的量化评估相对成熟，但服务需求的量化评估由于评估方法不统一、衡量指标不一致，评估结果往往可信度较低；空间显式模型①虽然是ESF研究的重要方向，但大部分软件模型仍处于开发阶段，未得到广泛验证，普适性较低。3）研究结果多停留在ESF模拟下的空间格局演变对比，以供给和需求的量化比较为主；人与自然耦合的ESF研究框架尚未形成，缺乏ESF动态反馈机制，运用到景观规划并产生实际效益的研究较少。

ESF为景观供给和人类需求提供了桥梁，是探索景观服务和人类福祉的关键，也是当前生态系统服务研究的热点。尽管目前生态系统服务流动的过程机制尚未明确，SPANs等模型仍处于开发阶段且暂时没有突破性进展，但厘清“空间识别—量化评估—过程流动—情景模拟—网络构建”的内在逻辑和“供给—流动—需求”的反馈机制，是研究ESF动态量化和路径模拟的重要方向。同时，在厘清ESF流动全过程机制的基础上，在多源数据融合支持下，借助空间显式模型构建多尺度融合的ESF复杂网络系统，可为不同空间尺度的风景园林规划设计提供理论支撑和技术路径。在国土空间规划等宏观层面，应明确不同类型ESF间的权衡协同关系，探索不同景观要素间的传导过程，识别ESF的脆弱区域及阻断区域，可有效指导“三区三线”的划定。在绿地系统规划等中观层面，应根据人类活动对ESF的影响，借助空间显式模型精确识别ESF影响因素及影响路径，优化廊道和斑块，改善ESF的传递效率，构建高连通性的蓝绿空间网络体系。在场地景观设计等微观层面，识别影响ESF流量（密度）的关键绿色空间与建成环境的耦合模式，并总结其多维度、适应性优化调控技术，探讨模块化服务协同导向下耦合模式的优化组合与设计方法。

注释(Note)：

① 明确考虑所研究对象和过程的空间位置以及它们在空间上相互作用关系的模型。

图表来源(Sources of Figures and Tables)：

图1改绘自参考文献[4][5]，图2改绘自参考文献[5][9]，图3改绘自参考文献[10][53]；表1由作者根据参考文献[7][8]绘制，表2由作者根据参考文献[11][19][20]绘制，表3由作者根据参考文献[4][28][29]绘制，表4由作者根据参考文献[37][39]～[41]绘制。