生态系统服务价值评估在生态修复中的应用*

刘世梁 ,董玉红 ,王方方 ,刘 华 ,赵奕菲

(1.北京师范大学环境学院/水环境模拟国家重点实验室 北京 100875;2.中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091)

当前,随着全球变化和人类活动加剧,区域生态系统出现了广泛的干扰和退化等问题,生态系统结构与功能发生了改变,导致了生物多样性丧失、栖息地破碎化、水土流失加剧等生态问题,制约区域生态安全与可持续发展[1]。生态修复作为减缓生态退化的重要手段,越来越受到重视[2]。

国际上,2030 年的可持续发展议程将生态修复作为目标之一,2021-2030 年被定义为联合国生态系统修复十年,生态修复已成为目前全球关注的议题[3]。在国内生态文明背景下,生态修复是提升生态系统质量和稳定性,建设美丽中国的重要途径,我国不断加强生态保护和修复工作,开展了一系列生态修复工程[4]。在生态修复规划[5-6]、技术理论[7-9]、生态修复区分区[10-12]、生态修复监测和效果评价[13-15]等方面都开展了大量研究。目前,我国生态修复区的生态质量持续改善。但是,在生态修复规划和实施过程中,很多项目的整体效果不尽如人意[16]。导致这方面的原因有很多方面,如对社会经济和生态环境的协调考虑不足,基于自然的解决方案(NbS)的实施不够充分、没有科学的生态修复成效评估等[1]。

近年来,生态修复研究逐渐从单一的要素转向山水林田湖草全要素的综合治理,在修复对象、技术策略、修复分区、重点工程部署等方面均进行了较多探索[4]。生态系统服务研究被广泛地应用于生态保护与修复中,如生态红线保护、生态安全格局构建、国土空间规划和自然保护地规划等。生态修复理念从以资源利用管理为导向,到关注综合生态效益并逐步以可持续发展目标为战略引领,修复目标更注重生态系统服务提升[17]。目前,生态系统服务研究是生态修复研究的重要内容,特别是在中大尺度上的生态安全格局优化等方面,生态系统服务价值评估等研究促进了自然生态系统和人类社会的耦合[18]。目前的研究逐步向定量化发展,相关的研究方法和模型也逐步深入[19-20]。生态系统服务价值的核算有利于提升政府与公众对生态修复的重视程度,但是目前由于核算的理论体系、方法模型和标准不同,价值评估的不确定性仍然存在[21]。

在“绿水青山就是金山银山”理论的指导下,我国政府和公众越来越重视生态系统为人类带来的惠益和价值,重视生态产品价值实现的途径。价值评估被应用于区域生态补偿、自然资源资产审计、自然资源资产负债表、生态系统生产总值估算等方面[22]。中国对自然资源环境价值的研究起步较晚,但已经取得了很大的进展,自然价值、生态价值、生态产品、生态资本、生态资产以及生态价值实现和生态资产管理绩效等许多新概念被提出并广泛使用[23]。在具体的生态修复项目中,生态系统服务价值评价和成本-效益分析紧密相关[24]。成本效益分析是生态资源转化为生态资产的核心问题[25],在生态修复项目中得到广泛应用[26-28]。

目前,我国已经开展了大量的生态修复工程,如已在19 个省份开展了山水林田湖草沙一体化保护与修复项目等[1,29]。目前存在生态修复工程宏观布局不尽完善、生态系统理念不贯彻、自然恢复策略实施、监测评价管理体系建立、区域全面发展尚需提升等问题[4]。由于生态修复投入资金量巨大,如何在资金和资源有限的情况下合理布局生态修复模式,实现生态系统服务提升的目标,是目前关注的核心问题[30]。本综述从生态系统服务目前的热点研究入手,探讨了生态系统服务在生态修复中的应用,同时针对目前生态系统服务价值评估研究的问题,分析价值评估需要重视的科学问题,最后,提出生态修复中生态系统服务价值实现的路径及研究展望。

1 生态修复中生态系统服务研究重点

一般意义上,生态恢复是指协助已经退化、损害或者彻底破坏的生态系统恢复到原来发展轨迹的过程[31],相比于生态恢复概念,生态修复更多地体现人的主观能动性,体现人和自然的关系。因此,生态修复涵盖了更多内容,生态修复过程是反映生态系统的固有价值,并提供有价值的产品和服务[32]。生态修复活动必然对不同尺度和不同层次生态格局和过程产生影响,进而对生态系统服务产生重要的影响,影响区域可持续发展,以压力-状态-响应为主线构建了生态修复和生态系统服务之间的关系[1,33](图1)。如图1 所示,生态修复的生态效应研究更多地关注修复后的生态系统结构功能、生物多样性的变化,生态系统服务相关研究越来越受到重视。在生态恢复过程中,生态系统服务的相互关系主要表现为协同和权衡,生态系统服务权衡对于生态恢复目标设计具有重要价值[34]。生态系统服务在生态修复规划中,通过识别生态源地,建立生态安全格局,指导关键修复区域识别[35],根据生态修复分区规划工程措施,提出不同区域的技术策略[36]。生态修复工程需要科学开展监测评价管理,对生态修复工程建设过程及其效益进行全程评估和反馈[4],比较生态修复前后的生态系统格局、质量和服务评估指标的时空变化,评价生态修复成效[37]。通过成效评估,加强生态修复工程建设,强化生态修复技术和完善生态修复制度[38]。生态修复成效评价越来越关注社会经济效益,生态修复有助于创造就业机会和增加收入,提供休闲服务,而对生态系统服务的感知可作为修复项目建议的参考[39]。社会经济因素决定了人们对生态系统服务恢复的支付意愿[40],生态修复影响供给服务和调节服务的权衡,影响居民收入,利益相关者的态度和策略影响生态系统恢复的可持续性[17]。自然要素承受社会经济活动有一定的限度,需要采取调整政策、生态补偿、适宜性管理等措施,根据区域资源禀赋优化生态修复方案。

图1 生态修复和生态系统服务在社会经济生态系统中的作用Fig.1 Roles of ecological restoration and ecosystem services in socio-economic ecosystem

生态修复发生在所有空间尺度上,生态系统服务相关研究越来越受到重视,主要是针对服务的时空变化及其过程、服务价值核算和实现路径等方面。针对不同区域和不同生态修复项目类型,主要研究内容包括生态修复实施前后不同生态系统服务量和价值的变化[41],生态系统服务供需变化,生态系统服务流的改变[42],生态系统服务的权衡和协同,物质流和价值量核算,生态系统服务冷热点分析等。也有不同生态修复措施的研究,如矿山、森林、草原、城市等不同类型生态系统修复的影响[43-44],生态修复导致的土地利用变化对生态系统服务的影响[45]。另外,基于生态系统服务的评估结果,许多学者开展了生态修复分区、生态修复优先区识别[46-47]、生态修复模式探索[22]、生态安全格局分析、生态修复成效分析、可持续性研究[48]和生态修复策略分析等方面的研究。相关的生态系统服务重点主要用于生态红线保护、国土空间修复、山水林田湖草生态保护修复等[49-50]。

在评估方法方面,主要包括生态系统服务模型方法、参数转移方法、遥感定量指标法和土地利用当量因子法等[17,51];对于物质量评估,有生态系统服务和权衡的综合评估模型(InVEST)、生态系统服务的人工智能模型(ARISE)、生态系统服务的多尺度集成模型(MIMES)、区域生态系统服务空间评估与优化工具模型(SAORES)等,且以InVEST 模型为主;社会影响评价中利用生态系统服务价值模型(SolVES)等方法。目前,遥感反演净初级生产力(NPP)方法量化生态系统服务评估受到关注,遥感技术的发展有利于大尺度动态监测[52]。另外,生态系统服务识别、生态系统服务簇、生态网络分析、土地利用变化模型等也受到关注[53-54]。目前,对于生态修复的生态系统服务评估,仍存在较多的问题,主要是生态系统服务模型的参数选择问题,NPP 方法虽然较为便捷,但由于NPP 的分辨率仍较粗,如果生态修复的面积较小,难以反映真实的变化情况。目前,对于生态修复和生态系统服务研究来说,研究重点需要进一步细化服务定义与分类、探索生态系统结构和功能与服务的耦合关系、生态系统服务时空变化与情景预测,提升生态系统服务评价方法和指标的标准化,明晰不同生态修复类型对生态系统服务影响机理,生态系统服务与生态修复策略的科学性[17]。如气候变化情景下生态修复策略、基于自然的解决方案(NbS)修复和生态系统服务、生态网络和再野化等的成效分析等[55-56]。

以中国学术期刊全文数据库(CNKI)为文献检索平台,以主题“生态修复和生态系统服务”作为检索项,共检索出538 条相关文献,在Web of Science 以 “ecological restoration and ecosystem services”进 行 检索,检索出3770 条文献。从时间趋势来看,生态系统修复中生态系统服务的研究越来越被社会各界重视,相关研究数量增加明显,但是研究的焦点也发生了一定的改变。基于文献检索结果,在VOSviewer 中选取了高频关键词进行共现和聚类分析,生成关键词共现关系网络图谱,关键词的节点圆圈大表示词频高,为热点研究内容,不同的颜色对应的是关键词出现的不同年份(图2)。从图2 可以看出,国内有关生态系统服务和生态修复处于中心地位,研究内容主要有生态补偿、生态系统服务价值、价值评估、土地利用、生态安全、可持续发展、景观格局等。近年来,更多研究关注国土空间、生态安全格局、电路理论、生态网络、最小阻力模型、生态修复分区、生态系统服务价值、生态系统服务供需、权衡与协同、时空演变、生态源地等。而国外相关的研究中,生态修复处中心位置,几乎其他关键词与其都有一定关联,相关研究更多与生物多样性、景观、效益、模型、土地、情景分析、服务价值等相关,近年来关注生态系统服务价值、权衡、协同、生境质量等。

图2 国内外生态系统修复和生态系统服务研究高频关键词共现网络可视图Fig.2 Co-occurrence net-view of key words from ecosystem service and ecological restoration studies in China and abroad

生态修复和生态系统服务间的相互作用与响应仍需要进一步开展系统性和整体性分析,需要进一步开展深入的机理性研究,研究生态修复中生态系统结构、功能和服务间的关系,生态恢复不同措施、模式对生态系统服务的效应,生态系统服务研究需要进一步结合实践,将服务相关评估纳入修复的规划设计、实施管理和后期管护全过程,作为分区管理、模式选择、恢复成效、生态补偿、价值实现等的依据[17]。

2 生态系统服务价值评估在生态修复中的应用

2.1 生态修复中生态系统服务价值评估

生态修复由初期单纯关注生态效益转为兼顾社会需求和经济效益。在这种情况下,生态系统服务价值评估作为生态功能与人类福祉间的桥梁,受到学术界越来越高的关注。生态系统服务价值评估主要有价值量法和物质量价值法,侧重货币价值的评估,物质量转化为货币价值的方法主要有直接市场法和揭示偏好法(替代市场法)[57]。当前生态系统价值还缺少统一的核算指标,基于服务于生态系统管理和相关绩效考核为目标,筛选出生态系统价值核算指标体系,并针对实物量达到一定数值才能形成服务的指标设定了核算基准[58]。价值评估可以将不同类型物质量转换为统一的价值量,可以进行进一步的空间分析,如生态修复冷热点分析、修复关键区识别、生态承载力时空变化等[59-60]。通过生态系统服务价值评价识别生态环境问题,明确修复分区和生态修复的目标,构建生态修复格局,提出修复措施[46]。从生态系统服务提升的视角探讨生态修复分区,基于生态系统服务供需匹配程度差异,探索差别化的生态修复与分区方案[47]。

量化生态系统服务价值可以为生态修复效果评价提供科学依据,利用修复前后生态系统服务价值的变化,评价生态修复的成效[47]。通过对不同生态修复措施生态系统价值评价,帮助制定提高生态环境系统服务功能的最佳修复方案[61]。当生态修复的项目有较大的生态影响时,需要对项目进行全面深入的成本效益分析,能够帮助政府部门选择最佳土地利用和保护措施,最大限度地提高生态修复的生态经济效益[62]。探索不同的成本效益方法对于分析生态修复项目可行性、提高生态修复的有效性具有重要意义。对于成本评估,主要是生态修复的各种投入,如原材料、能源消耗、劳动力等,一般可较为准确地进行估算。而效益分析是生态系统恢复中所获得的价值,不仅包括直接的产品等效益,还包括诸多的潜在生态系统服务价值[63-64]。因此,效益分析的准确性对于评估生态修复项目的可行性和有效性具有重要意义,此外,生态系统演替随着修复时间发生变化,成本效益分析需要考虑其动态特征。因此,成本效益分析可用于生态修复项目的可持续性的评价[27,62]。成本效益分析考虑了修复项目的全过程,包括投入和产出,具有战略作用和现实意义[30]。

生态系统类型、生态退化程度和环境条件及选择的恢复技术和模式都会对成本和收益产生直接影响[65]。在开展生态修复项目时,进行全新的评估具有耗时和成本高的特点,往往很难在一定的期限内启动和完成新的评估,因此,鉴于时间和资金限制,目前生态修复价值评估中可借鉴效益转移法,即利用另一个地方和/或环境中已经完成的研究信息来评估生态系统服务价值[66]。特别是不能在市场上交易的生态系统产品和服务进行货币价值分配时,或在相对较短的时间内和相对较小的项目投入下,这种方法表现出巨大的应用前景[67]。生态修复中,若采用的技术模式和修复成本效益在成本方面可比性较强,效益分析也可以进行借鉴和类比。

2.2 生态修复中生态系统服务价值实现

目前,国内管理与政策文件中,“生态产品”一词常认为是“生态系统服务”的替代,这样更容易被公众所接受。与“生态系统服务”相比,“生态产品”更强调利用市场机制来实现自然资源的价值。生态产品价值的实现,将生态效益转化为经济效益和社会效益,既是落实“绿水青山就是金山银山”理念的重要举措,也是对建立生态文明制度的有益探索。生态产品评价不是目的,而是为了提高人们的生态文明意识,促进相关政策的实施,生态修复是生态产品实现途径的重要组成部分[68]。生态产品的价值核算是促进生态产品价值实现的重要基础性工作,可以评估生产过程决策中隐含的或明确的权衡,为将生态效益纳入经济社会发展的评价体系提供了重要支持,为生态修复项目的成本效益分析提供方法论。生态产品价值评估方法主要分为采用直接市场法、间接市场法或假想市场法等[69]。我国出台了一系列生态产品价值核算技术规范,包括《生态产品总值核算规范》 《陆地生态系统生产总值(GEP)核算技术指南》 《生态系统生产总值(GEP)核算技术规范 陆域生态系统》等,但在核算范围与评估方法上尚未达成一致[70]。

生态产品价值实现路径可分为政府、市场和政府市场相结合3 种[71]。政府路径依靠财政转移支付等“购买”公共性生态产品并实现其价值;市场路径主要表现为依靠市场力量配置可直接交易的生态产品;政府与市场相结合是政府通过法律、行政管控或给予政策支持等方式,创造出生态产品的交易需求,培育交易主体,市场通过自由交易实现生态产品的价值。我国出台了一系列关于建立健全生态产品价值实现的相关政策,但目前在具体实施中仍存在计量难、抵押难、交易难、实现难的问题[72]。

自然资源部办公厅近年印发了生态产品价值实现典型案例,归纳为生态资源指标和产权交易模式、生态修复和价值提升模式、生态补偿模式和生态产业化经营模式。其中,生态修复及价值提升模式和生态补偿模式主要是指生态服务功能的修复与提升。比如: 威海市矿坑生态修复过程中,将生态修复治理与文化旅游产业相结合;厦门市五缘湾片区生态修复中,利用原有抛荒地和沼泽地建设湿地公园,保留野生植被并设置无人生态小岛等途径,生物多样性、清新空气、清洁海洋生态系统服务价值大幅提升。

目前,生态系统服务付费(PES)是生态修复研究的热点。在国内,生态系统服务付费被认为是一种通过自上而下的财政转移支付、横向支付或市场交易来实现生态系统服务外部性内部化的公共制度安排[30]。在地方和社区层面,需要进一步连接生态补偿与生态修复,建立以生态修复为导向的生态补偿模式框架。

在生态修复的生态产品价值实现方面,需要基于生态修复区的生态资源禀赋优势,发挥生态产业化作用,发展区域特色产业,实现价值提升和价值 “溢出”,建立政府主导、多方参与的生态修复与补偿框架,激发社会参与和社区管理的生态保护积极性。如我国探索的流域治理中减排许可交易模式,生态认证、绿色金融、“生态银行”、水基金等新模式,加强了生态产品与各行业的结合,将生态效益转化为社会效益和经济效益等[73]。另外,目前开展的生态环境导向(EOD)治理模式,也为生态修复提供了新思路[74]。目前,在生态修复的生态产品价值实现方面,仍然存在修复措施的可操作性不强、生态修复参与主体少、专业化水平低,难以满足生态修复需要的问题,更主要的是资金无保障、措施无法落实、损害赔偿履行率低等。

2.3 生态修复中生态系统服务价值评估的问题

目前,生态修复中的服务价值评价与生态修复模式选择、生态效益时空规模与价值实现模式等密切相关。因此价值评估作为主线,如同成本效益分析等一样,是关键的环节。目前来看,生态服务价值评估存在时空尺度、生态价值类型选择及生态系统服务评价方法和模型差异大,评价参数的不确定性,生态系统服务数据库不完善等问题(图3)。

图3 生态修复与生态系统服务价值关键问题Fig.3 Key issues of ecological restoration and ecosystem service values

生态修复的生态效应可以跨越时空尺度,因此价值评估需要确定项目的边界,考虑生态系统供需和生态系统服务流的特征[75]。如目前开展的山水林田湖草沙工程,存在不同的尺度,流域或者河流生态修复存在明显的生态系统服务上下游差异的问题。

其次,在核算过程中单位面积价值核算法虽然简单,但在生态修复中仅从土地利用变化出发不考虑生态演替会导致计算结果与实际情况不符合。如在草原修复中,土地利用类型变化不明显时,可以基于归一化植被指数(NDVI)或者NPP 方法进行折算。基于模型方法进行计算中,价值系数的选择是关键[53]。

估算生态系统服务价值总量时既需考虑评估的完整性,又要避免重复,避免陷入数字游戏。目前,生态系统服务价值量估算中,支持服务的价值量往往不计算以免重复核算。在生态修复过程中,成本中的材料价格、劳动力成本的波动也会造成总量的变化[76]。生态服务价值评估的数据来源主要来自实地调查、统计年鉴或期刊文献,多个数据来源的计算标准很难统一。因此,价值核算中,存在很大的不确定性。利用意愿调查法等开展文化服务等估算时,存在较为主观情况,结果也存在较大的不确定性。因此,生态修复的生态系统服务价值总量仍需探索更加科学高效的核算方法和技术。

生态修复效益评估中效益转移法虽然有很大潜力,但仍存在误差较大的问题。首先是总体误差,主要来自原始研究地点(现有评估值)和政策研究地点(价值转移值)之间的差异[30];其次是测量误差,产生于原始研究中的方法和研究判断的使用;抽样误差也会造成测量误差,但原始研究中的方法因素和判断也会造成误差[77]。因此,需要明确效益转移的客观条件,满足相关标准的功能研究[78]。

由于价值系数不是恒定的,生态系统服务价值关键参数的本土化需进一步发展,通过实地监测和调查不断完善关键参数数据库[79]。评价方法的同质性和结果数据的不确定性极大地限制了研究的进一步发展,目前的研究不足以支撑中国大规模生态系统服务总价值(ESV)数据库的建立[80]。在国际上,针对全球生物多样性的The Economics of Ecosystems and Biodiversity (TEEB)数据库(ESVD)、生态系统服务评估数据库(GecoServ)以及娱乐使用价值数据库(RUVD)等已经获得较高的认可[81]。

生态修复中生态系统服务价值研究的关键问题主要有: 1)生态系统服务价值评价方法体系确保匹配度和准确度。生态系统服务价值评价考虑时效性和地方性的生态指标,考虑生态过程,将成本纳入考量范围,科学合理确定生态系统服务价值核算指标,从不同生态系统类型、多时空尺度开展生态系统服务的价值评估,全面反映生态修复对生态系统服务的影响。2)生态系统服务价值实现机制。生态系统服务对人类福祉的增进以其价值实现为基础,受不同主导因素的影响,生态系统服务价值有多种实现模式,由于生态系统服务功能的复杂性与动态性,不同类型及区域的生态系统服务价值评估结果仍难以比较与对接,需加强生态系统供给理论研究,从市场供需视角优化生态系统服务,探讨多种形式、福祉最大化的生态系统服务价值实现机制。

3 未来研究展望

针对生态修复中生态系统服务价值评估可能存在的问题,提出以下几点未来研究展望:

1)生态修复中生态系统服务价值评估指标体系选择。生态系统服务价值评估对优化生态恢复措施具有重要的意义,由于生态系统服务和生态修复涉及众多学科,研究内容包括社会、经济和生态系统,生态系统服务价值评估缺乏统一的指标体系。未来生态修复研究和实践中,对于不同类型生态系统修复的规范、标准和指南,需进一步完善修复所涉及的生态系统服务及其分类标准,借鉴发达国家经验,建立价值评估的基础和标准,完善指标标准化及评价方法,建立数据库,制定一个统一的减少转移误差的最佳实践指南,作为开展生态系统服务价值或者效益转移的数据来源和依据。

2)生态修复中多种生态系统服务价值的权衡和协同。生态系统服务中的权衡与协同关系对生态恢复至关重要,定量评估生态修复后生态系统服务权衡与协同关系,对于实现生态系统服务效益最大化具有重要意义,有利于实现生态保护和社会经济发展的双赢目标。优化生态系统服务权衡方法,动态和准确评价驱动因子和权衡之间的关系,加强权衡与协同关系机制研究,有助于降低权衡、提升协同、指导关键修复区域识别及修复策略的提出。生态修复是一个长期的动态过程,存在尺度效应,需要综合评价区域生态系统服务的供需关系,耦合社会经济发展对生态系统的需求,生态系统服务提升与经济增长之间的权衡。

3)生态修复实现生态系统服务的生态-经济-社会效益的共赢。由于生态修复受社会经济的驱动,当前生态修复面临的主要挑战包括修复生态系统的同时促进多利益相关方的可持续发展,实现生态修复-生态系统服务-社会经济福祉共赢。在实施生态修复项目的过程中,在一些关键生态区,应考虑更多的关键科学问题,如气候变化背景下生态修复情景的选择和适应性研究,修复项目对可持续发展目标的潜在贡献、有效评估的基线以及与各种修复背景的成本效益评估比较,修复措施的可持续性等。成本效益动态评估和核算可以有效地帮助政府选择更好的修复策略,提高未来生态修复项目的生态和经济效益。生态系统服务的社会效益定量评估是成本效益分析的一个重要内容,对于当前的生态修复,需要加强对社会效益、经济效益、生态效益间互动的研究,在区域乃至国家尺度上,进一步利用典型案例与示范项目开展成效评估,规范相关评价方法,拓展生态系统功能-服务-居民福祉的关联,创新生态修复和服务评估的政策。中国需要通过政策、产业、技术、市场的有效结合,进一步实施生态保护和修复工程,探索生态产品的价值实现路径,实施可持续的绿色转型。将生态修复与区域经济社会发展、生态补偿等社会经济议题结合,探索优质生态产品价值实现机制。