施佩荣,万华伟①,刘玉平②,王永财,孙晨曦,曹铭昌,余建平
(1.生态环境部卫星环境应用中心,北京 100094;2.生态环境部南京环境科学研究所,江苏 南京 210042;3.钱江源国家公园生态资源保护中心,浙江 开化 324300)
生物多样性是自然生态系统生产、提供生态产品和服务的基础与源泉,对人类福祉至关重要[1]。随着人类活动的增长,生态系统承受的压力增加,濒危物种不断丧失,生物多样性受到严重的威胁[2]。千年生态系统评估报告表明,生物多样性仍会继续丧失,严重威胁到人类的健康与生存,并影响全球社会环境可持续发展[3]。2019年第六次全球环境展望表明,全球仍在发生严重的物种灭绝现象,地球生态系统和人类的可持续发展面临严重威胁[4]。2018年,生物多样性和生态系统服务政府间科学政策平台(IPBES)评估报告表明,生物多样性不仅能满足居民的文化和精神需求,同时关系着粮食安全和生活质量,对人类健康和福祉至关重要[5]。尽管世界各地区在保护生物多样性方面做出了多方面的努力,但很多区域性的多样性监测指标显示,全球生物多样性仍然呈现出下降趋势[6]。第六次全球环境展望表明,全球仍在发生严重的物种灭绝现象。在生物多样性丧失加速的大背景下,如何通过生物多样性来定量预测生态系统多功能性, 从而定量预测生物多样性丧失对生态系统多个功能造成的影响, 是当前亟需解决的问题[7]。为推动生物多样性保护,加强人们对生物多样性重要性的认识,越来越多的学者开始研究生物多样性对人类福祉的影响[8-10]。2010年“爱知目标”将增进生物多样性和生态系统服务给人类带来的惠益作为重要战略目标,通过对生态系统进行有效管理,可以确保其长期提供各种服务以及有助于人类健康、生计的福祉。2021年在昆明举办的联合国《生物多样性公约》第十五次缔约方大会通过了《昆明宣言》,承诺确保制定、通过和实施一个有效的“2020年后全球生物多样性框架”[11]。在当前全球经济与生物多样性保护并行发展的背景下,定量评估生物多样性对人类福祉贡献的空间分布可为行政管理提供重要决策依据。
人类福祉概念发展初期,评估指标主要为经济社会指标[12]。随着越来越多不同学科背景的研究者参与到人类福祉研究中来,人类发展指数(human development index, HDI)、快乐星球指数(happy planet index, HPI)、环境绩效指数(environmental performance index, EPI)等评估指标被逐渐提出并应用于该领域[13-14]。DE GROOT等[15]将调节气候、防洪、水供给、作物授粉和旅游等服务作为定量化评估指标。MACE等[16]构建的指标体系中包括野生物种多样性、土壤微生物多样性等指标。英国生态系统评估(The UK National Ecosystem Assessment,UKNEA)在文化服务评估中基于可量化性选取了有林地、遗迹、城市绿地、运动和休闲区以及公园等14个指标[17]。近年来GIS和RS技术的高速发展促使生物多样性研究不断变革和进步。遥感技术的发展使得生态学家可以直接利用高分辨率的影像数据来研究生物多样性的某些特定方面[18-19],研究方法更加灵活。2021年刘玉平等[20]基于IPBES概念框架自然对人类的贡献(natures contributions to people,NCP),考虑国家、省域、县域多个尺度,提出了生物多样性对人类福祉贡献的评估指标体系,在该评估框架下可根据当地的实际情况选取适用指标,其数据的可获取性和可操作性较强。因此,笔者基于该指标体系,在我国东部钱江源地区开展评估应用。
钱江源国家公园体制试点区位于开化县西部,是我国第一批国家公园体制试点之一,拥有大片原始森林,是中国特有的世界珍稀濒危物种、国家一级重点保护野生动物白颈长尾雉(Syrmaticusellioti)、黑麂(Muntiacuscrinifrons)等的主要栖息地,有高等植物2 244种、鸟类264种、兽类44种、两栖类26种、爬行类38种、昆虫2 013种、鱼类42种。研究以县域尺度为评估基本单元,以开化县及其周边县域为研究区,包括浙江省的常山县、开化县、淳安县,安徽省的休宁县、歙县,江西省的德兴市、玉山县、婺源县,共计8个县。研究区属亚热带季风气候区,受海洋气流影响,年降水量一般为800~1 000 mm,属于湿润区。地形以山地丘陵为主,植被生长茂盛,以常绿阔叶林为主,冬季温度多在0 ℃以上,生物多样性资源丰富。
研究指标体系个别三级指标根据当地实际情况进行调整,调整后指标体系及数据来源见表1,从物质贡献、生态调节贡献和精神文化贡献3个方面进行评估。
表1 钱江源地区人类福祉指标体系及权重
研究数据主要包括卫星遥感数据、区划数据、调查数据、统计年鉴及网站资料等。卫星遥感数据主要包括土地利用、植被覆盖度、净初级生产力、蒸散发数据;区划数据主要有行政区划、禁止开发区等数据。调查数据主要为物种数据,由生态环境部南京环境科学研究所提供。统计年鉴主要为《衢州统计年鉴》《上饶统计年鉴》《黄山统计年鉴》《中国县域统计年鉴》《中国农村统计年鉴》等。
个别年份的统计数据存在缺失,取其前一年和后一年的平均值填充。对于异常值,采用SPSS软件分析得出异常值,经过标准化处理后得到的数值通常在-1~1之间,若标准化处理后的绝对值大于2,则将其视为异常值,对于异常值取前一年和后一年的平均值。
指标体系的各类指标量级和单位均不一致,无法直接进行对比分析和运算,需对其进行归一化处理,以保障数据的可比性。采用极差标准化法对17个评价指标进行归一化处理, 把指标的绝对值转化为相对值,对于个别区域的极高值,通过设置归一化参数,使得到的归一化值介于0~1范围内,计算公式为
(1)
式(1)中,Zij为标准化后的值;Xij为第i个样本第j项指标的数值;minXj为第j项指标的最小值;maxXj为第j项指标的最大值。
基于归一化后的三级指标,计算人类福祉综合评估指数(IC),分别从物质贡献、生态调节贡献和精神文化贡献3个方面开展评价和分析。
(2)
式(2)中,IC,3i为三级评估指标;W3i为各三级指标对应权重;W2z为各二级指标对应权重;W为各一级指标对应权重。
2.3.1物质贡献
根据统计年鉴获取油料产量、粮食产量、肉类总产量、水产品产量和林业产值等指标数据,评价各区域的物质贡献。区域内物质贡献与土地利用结构、国土面积等有关,计算公式为
(3)
式(3)中,Aij为第j区域第i类农产品的单位国土面积产量,万t·km-2;AS,ij为第j区域第i类农产品的产量总和,万t;Sj为第j区域面积,km2。
归一化公式为
(4)
式(4)中,Nij为标准化后的值;Xij为第i个样本的第j项指标值;maxXij为第i个样本第j项指标的最大值。
由于肉类总产量缺失2018和2020年的数据,以2016年的产量值填充2018年的数据,以2015和2016年两期数据均值填充2020年数据。不过,此填充数据主要用于人类福祉总体评估,不能单独用于分析该指标的变化趋势。
2.3.2生态调节贡献
生物多样性与人类的生活和福利密切相关, 它不仅给人类提供丰富的食物、药物资源,而且在保持水土、调节气候、维持自然平衡等方面起着不可替代的作用[21]。生态系统可以调节环境使其更加宜居,使人类从中获取惠益,主要包括维护空气质量、调节气候、调节水资源、控制侵蚀、净化水质等[22]。该研究选取物种与基因安全、生态调节功能、生态支持功能、区域生态系统质量4个二级指标阐述生态调节贡献。
2.3.2.1物种与基因安全
选取物种丰富度、古树名木数量表征生态系统的生物多样性水平。
(1)物种丰富度为调查数据,由生态环境部南京环境科学研究所提供,包括两栖动物、哺乳动物、鸟类、爬行动物、植物和鱼类丰富度等。由于不同类型物种的调查数据域值差异较大,因此首先对各类数据进行归一化,再对归一化数据计算平均值。对其最小值进行人工设定,具体参数见表2。
表2 物种归一化参数
(2)古树名木包括一级、二级和三级古树。由于部分县域的分级数量无法获取,因此试点区域以古树名木总量计算。根据获取到的试点区古树名木数量实际情况,参数取值为最小值100、最大值3 400。
2.3.2.2重要生态系统
研究选取的重要生态系统主要包括森林、湿地及重要自然保护区。森林、湿地等重要生态系统对局地的生态环境具有重要作用,例如气温、降水、空气质量、水源涵养、土壤保持等功能。自然保护区属于区划概念,该研究通过保护区面积比例评估区域对重要生态系统的保护力度。
(1)森林面积比例。森林生态系统具有调节气候、涵养水源、保持水土、防风固沙等功能,同时为物种提供栖息地,其空间分布和面积是生物多样性的重要特征[23-25]。CHEN等[26]发现, 近30 a来全球的植被叶面积在增加, 中国植被仅占全球植被面积的6.6%,却为全球植被叶面积净增长贡献了25%, 且42%的中国植被叶面积增长来自森林。因此以森林生态系统面积比例表征森林生态系统的生态调节贡献。
(2)水面指数。湿地等生境面积与水质净化和水流量调节、生境结构和美学、物种丰富度和授粉等生态系统功能之间呈正相关关系[27]。利用遥感监测的稳定水体面积比例(W)表征淡水的支持功能,并将数据归一化处理为水面指数(IW)。
IW=W×100。
(5)
淳安县千岛湖面积较大,与其他县域相比,该县的淡水支持功能具有较高优势,因此计算过程中将淳安县水域面积单独进行归一化,既保证数据的可比性,又能保留其突出优势。淳安县水面指数计算公式为
(6)
式(6)中,W淳安,i为第i年淳安县水面面积比例;maxW淳安为淳安县水面面积比例最大值。
(3)保护地面积比例。国家级自然保护地主要包括古田山国家级自然保护区、江西婺源森林鸟类国家级自然保护区、清凉峰国家级自然保护区、千岛湖湿地公园、饶河源国家级湿地公园、三清山信江源国家湿地公园等,钱江源国家公园体制试点区主要分布在开化县境内,对维持地区的生物多样性发挥重要作用。生物多样性保护优先区在研究区的县域均有涉及,难以体现差别化,因此该研究没有考虑。
2.3.2.3生态调节贡献
生态系统调节服务是在生态系统受到外来干扰之后,能通过自身的调节维持其相对稳定。生态系统的自我调节能力有限,一般来说,结构和功能比较复杂的生态系统抵抗外界干扰的能力较强。该研究利用叶面积指数(LAI,ILA)、固碳量、水源涵养3个指标表征生态调节功能。叶面积指数、固碳量等数据易于长时间序列遥感监测,受卫星传感器、时相、分辨率、气候等多种因素影响,年际之间有一定的波动。生态环境退化或者生态系统结构破坏等原因会对生物多样性造成压力[28],生物多样性丧失会降低生态系统的功能和服务,如生产力下降、养分循环失衡、传粉能力下降等[29-31]。人类社会的幸福感依赖于生态系统提供的产品和服务, 而这些则直接来自于生态系统功能[32]。
(1)叶面积指数。植被作为表征生态环境变化的指示器,在物质与能力循环中起着重要作用,是影响生态调节功能的主要因素[33-34]。植被作为一种重要的自然资源,具有明显的防风固沙、水源涵养等功能[35]。叶面积指数定义为地表植被柱体内叶总表面积的一半与柱体底面积的比值[36],是描述植被冠层几何结构的最基本的参数,可通过遥感手段获得准确的叶面积指数值[7]。
(7)
式(7)中,ILA,S为区域内叶面积指数总和;S为区域面积。
(2)固碳量。固碳量以植被净初级生产力(NPP,PNP)指标表征,通过遥感手段获取。NPP定义为单位时间单位面积上植被所积累的有机物质的总量,是光合作用所吸收的碳和自养呼吸所释放的碳之间的差值[37],是陆地生态系统碳汇的主要决定因子[38]。
(8)
式(8)中,PNP,S为区域内NPP总和。
(3)水源涵养。水分作为区域植被生长、物种生存的关键因子,是流域水量平衡和区域水文循环的重要因素[39]。以水量平衡法方程计算试点区生态系统通过拦截滞蓄降水、增强土壤下渗及蓄积、涵养土壤水分、调节地表径流和补充地下水所增加的水资源总量(Qwr)。
(9)
式(9)中,Pi为产流降雨量,mm·a-1;Ri为地表径流量,mm·a-1;TE,i为蒸散发量,mm·a-1;Ai为i类生态系统面积,m2;n为生态系统类型总数。
2.3.2.4区域生态系统质量
生态系统质量对区域生物多样性可持续发展及人类福祉的可持续具有重要作用,该研究利用重要生态空间自然度、重要生态空间连通度表征。自然度指植被状况与原始顶级群落的距离或次生群落位于演替中的阶段,利用遥感监测以重要生态空间占该区域国土空间面积比例表示。FORMAN等[40]认为,各种景观指数与木本植物物种丰富度具有相关性。很多研究也支持中尺度物种丰富度与景观异质性相关[41]。该研究基于栅格数据计算景观连通度指数,作为评价生态系统质量的代表参数。
(1)自然度。重要生态空间自然度数据本身介于0~1之间,无需再进行归一化处理。
(2)连通度。利用InVest模型计算区域重要生态空间的连通度,并归一化至0~1,minXj=0,即
(10)
式(10)中,CN,ij为标准化后的值;Cij为第i个样本第j项指标的数值;maxXij为第i个样本指标的最大值。
2.3.3精神文化贡献
2.3.3.1文化遗产
文化服务是指生态系统提供的因人与生态系统关系而产生的非物质利益[42]。非物质文化遗产可以传承文化、稳定和谐的社会关系、保护重要生态环境。因此,选取省级及以上非物质文化遗产数量作为非物质文化遗产对人类福祉的贡献。研究区非物质文化遗产名录见表3。
表3 研究区非物质文化名录
2.3.3.2游憩
生物多样性是影响文化多元性的重要因素,人们从生态系统及物种多样性中得到消遣、精神满足、美学体验等非物质惠益,比如旅游使人获得消遣和精神满足[43],同时为当地人带来经济收入。该研究以县域为单元,其城镇空间占比相对较小,利用提供游憩功能的保护区名录表征生态系统对人类主观感受带来的福祉,主要包括国家级和省级自然保护区、国家级和省级风景名胜区、地质公园、森林公园、湿地公园、世界自然遗产、国际重要湿地等(表4)。其中,剔除同一地名的不同类型保护区,优先保留权重较高的保护区;对于同级保护区,按照表4从左往右优先保留第1个;省级保护区的权重需再乘0.5。
表4 各县提供游憩功能的各类保护区名录
游憩值(R)计算公式为
R=∑Wi×n。
(11)
式(11)中,Wi为权重值,设置为世界自然遗产0.3,国家公园0.3,国家级保护地0.1,省级保护地0.05。
从物质贡献来看,玉山县、常山县、德兴市物质供给水平较高,婺源县、淳安县、开化县物质贡献水平较低(图1)。近20 a物质贡献整体呈逐渐增加趋势,其中玉山县增加趋势最快。玉山县物质供给水平整体较高,且增速明显。常山县的粮食产量呈逐渐降低趋势,其他物质供给呈逐渐增加趋势。德兴市林业产值、粮食产量、水产品产量偏高,其他供给水平偏低。生态调节贡献呈先增加后降低趋势,主要包括物种与基因安全、重要生态系统、生态调节功能、生态系统质量4个方面。其中,开化县、歙县、婺源县、休宁县贡献水平较高,玉山县、德兴市贡献水平较低。精神文化贡献指数以玉山县、婺源县、歙县贡献水平较高,常山县、德兴市贡献水平较低。玉山县游憩指数表现突出,主要是由于该县的三清山属于世界自然遗产,权重相对较高。婺源县的非物质文化遗产和游憩贡献均相对较高。歙县主要在非物质文化遗产方面表现突出。
图1 研究区物质贡献、生态调节贡献和精神文化贡献Fig.1 The material contribution, ecological regulation contribution and cultural contribution of the study area
由图2~3可见,农产品供给以玉山县最高,近20 a呈逐渐增加趋势。玉山县约10%为河谷平原,是重要的农业区,其农产品供给水平最高,并且整体呈逐年增加趋势。油料产量近20 a呈逐渐增加趋势,以玉山县和歙县油料供给水平相对较高。粮食产量整体呈逐渐减少趋势,除玉山县和德兴市外,其他区域均呈逐渐降低趋势。
图2 物质贡献二级指标统计结果Fig.2 Statistics of secondary indicators of material contribution
畜牧和渔业产品供给以玉山县、常山县供给水平较高,淳安县、婺源县供给水平较低。玉山县、歙县、德兴市近20 a均呈逐渐增加趋势,其他县域呈逐渐减少趋势,主要是肉类总产量降低。玉山县的“玉山黑猪”被联合国粮农组织编入《世界家养动物多样性信息系统工程》;2006年6月被原农业部确定为国家级畜禽遗传资源保护品种,10月“玉山黑猪”原种场被原农业部确定为第一批国家级畜禽遗传资源保种场;2013年4月15日,原农业部正式批准对“玉山黑猪”实施农产品地理标志登记保护。
林业产值以德兴市、玉山县较高,近20 a呈逐渐升高趋势;婺源县、歙县的经济林产值相对较低。德兴市、玉山县因发展油茶林、毛竹林等经济林种植产业,林业产值贡献水平较高。
图3 物质贡献三级指标统计结果Fig.3 Statistics of tertiary indicators of material contribution
由图4~5可见,物种与基因安全指数以休宁县、开化县、歙县水平较高,德兴市、常山县、玉山县水平较低。休宁县物种丰富度指数较高;开化县古树名木指数较高,物种丰富度处于中上水平;歙县物种丰富度指数较高。物种丰富度以休宁县、歙县、淳安县、开化县贡献水平较高;休宁县和歙县爬行动物、两栖动物、鱼类、哺乳动物和植物丰富度水平均处于较高水平;淳安县鸟类、哺乳动物、两栖动物丰富度较高;开化县鸟类、哺乳动物、两栖动物和植物丰富度较高。古树名木以婺源县、开化县、常山县贡献水平较高。
图4 生态调节贡献二级指标统计结果Fig.4 Statistics of secondary indicators of ecological regulation contribution
重要生态系统以开化县、婺源县供给水平较高,森林面积呈略微降低的趋势,水面指数呈先增加后减少的趋势。森林面积比例均在80%以上,其中以婺源县最高。水面指数以淳安县最高。保护区面积以开化县面积占比最高,其次为婺源县。
生态调节功能总体来看,以婺源县、开化县、休宁县生态调节指数较高,歙县、常山县生态调节指数较低。近20 a研究区生态调节功能整体呈先增加后降低的趋势,其中2015年处于较高水平。叶面积指数以婺源县、休宁县、开化县较高,近20 a整体呈连续增加趋势。净初级生产力水平以婺源县、休宁县、开化县最高,近20 a整体呈波动增加趋势。水源涵养功能以开化县、婺源县、玉山县较高,近20 a整体呈波动降低趋势。
生态系统质量以开化县最高,其次为婺源县、德兴市、歙县、休宁县、淳安县;常山县和玉山县生态系统质量相对较低。近20 a研究区生态系统质量呈相对稳定状态。自然度以淳安县最高,其次为开化县和婺源县。连通度以开化县最高,其次为德兴市和婺源县。
图5 生态调节贡献三级指标统计结果Fig.5 Statistics of tertiary indicators of ecological regulation contribution
文化遗产是我国文化多样性的重要组成部分,传承文化对稳定和谐的社会关系具有重要作用,同时文化遗产的传承及文化内涵与生态环境保护往往具有密切联系。根据非物质文化遗产统计数据可以看出,歙县、婺源县的非物质文化遗产占据优势(图6)。
图6 精神文化贡献三级指标统计结果Fig.6 Statistics of tertiary indicators of spiritual and cultural contribution
游憩指数研究结果(图6)表明,玉山县和开化县游憩指数较高。江西三清山位于江西省上饶市玉山县与德兴市交界处,2005年成为国家地质公园。2008年,三清山成为江西第一个世界自然遗产。钱江源国家公园为我国体制试点区,位于开化县。
人类福祉总体评价结果见表5和图7。人类福祉指数整体上空间异质性较强,以开化县、玉山县人类福祉指数最高,其次为歙县、休宁县、婺源县,而常山县、德兴市、淳安县的人类福祉指数较低。从时间变化来看,近20 a人类福祉指数整体呈先增加后降低的趋势。其中以玉山县增长速度最快,其次为休宁县和德兴市。从一级指标来看,物质贡献整体呈逐渐增加趋势,其中粮食产量呈降低趋势;生态调节贡献主要受水面面积影响较大,呈先增加后降低的趋势。
图7 人类福祉统计图Fig.7 Statistics of human well-being
表5 研究区人类福祉指数
理想的生物多样性评估是对所有的生态系统和所有的物种都进行评估,全面了解生物多样性现状,然而从实际操作的科学性和成本效率出发存在困难[44]。因此,该研究将某些代表性和重要的生态系统或物种作为生物多样性评价指标,同时考虑钱江源的实际生态环境和生产特征,对部分指标进行适当调整,以更科学地评估人类福祉指数。
指标数据的收集和计算对评估至关重要,除遥感监测指标,其他指标主要来自统计数据,而各地统计指标存在差异,有的指标统计不连续,重要时间节点数据的缺失对评价结果有一定影响,某些指标缺失的年份数据通过插值方法进行计算,基于线性变化趋势取值,虽能开展评价,但对结果有一定影响。
评价指标同时也受多种地理、经济、文化等因素的影响。其中物质贡献的整体增加与我国的经济发展关系较大,居民生活水平的提高导致物质需求增长;而增长的异质性则与地方地理特征、文化社会发展等综合因素有关;物质贡献的类型差异,比如畜牧、水产品或林产品等,则与自然条件有一定的关系。物种与基因安全指标在相对较短的年份难以看出其变化情况,由于物种调查未见长期连续的公开调查数据更新,因此笔者研究中物种丰富度和古树名木指标均无法开展年际变化监测,主要反映不同区域之间的空间差异。生态调节贡献主要受当地自然资源条件影响;保护地面积比例主要与当地自然资源有关,此外还受政策主导。精神文化贡献没有纳入主观感受部分,而文化遗产和游憩指标主要受地方自然、文化资源等影响,其中游憩指标还受政府规划等影响。此外,例如物种丰富度指数、古树名木指数、保护区面积比例和精神文化等指标通常更新时间较长,因此难以从时间变化上体现出差距。因此,该研究对这些指标主要开展不同区域之间的对比分析,未能在时间维度开展分析。
综合来看,该评价指标体系充分利用遥感技术,与统计调查等数据相结合,在国家、省、市、县等多区域尺度开展生物多样性定量评估,可为决策者评估生物多样性水平提供方法研究,同时促进地区进一步加强生物多样性保护。
该研究选取生物多样性对人类福祉贡献评估指标体系,在钱江源地区开展试点评估,主要研究结论如下:
(1)该区域人类福祉指数空间异质性较强,主要是由于自然资源差异所致。人类福祉指数整体以开化县、玉山县水平较高,其次为歙县、休宁县、婺源县,再次为常山县、德兴市、淳安县。其中,开化县主要体现在生态调节贡献较大,玉山县主要体现在物质供给和精神文化贡献较大。
(2)物质、生态调节、精神文化3个方面的贡献时空分布差异较大。物质贡献整体呈逐渐增加趋势,其中玉山县是物质供给水平最高且增长速度最快的县域,此外常山县、德兴市物质供给水平也较高。生态调节贡献整体呈先增加后降低趋势,其中以开化县、婺源县、休宁县贡献水平较高,这3个地区有较好的自然优势,森林生态系统面积较大。精神文化贡献指数受人文主观因素影响较大,其中玉山县游憩指数表现突出,主要是由于该县的三清山属于世界自然遗产,权重相对较高。婺源县既注重非物质文化遗产的保护,又兼顾游憩功能的发展,所以该地区整体精神文化贡献较高;歙县主要在非物质文化遗产方面表现突出,虽然游憩功能略有逊色,精神文化贡献仍保持较高的水平。
(3)近20 a人类福祉整体呈先增加后降低的趋势。其中玉山县一直呈增长趋势,且增长速度最快,主要体现在物种供给水平的增长;其次为休宁县,主要体现在林产品供给水平增加。由此可见,物种供给的增长是该评价指标体系中对人类福祉增长贡献最显著的指标。