1、第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:国家重点研发计划课题()国家自然科学基金项目()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./.王悦露 董威 张云龙傅伯杰 赵正嫄吕一河张建军伍星.基于生态系统服务的生态安全研究进展.生态学报():.():.基于生态系统服务的生态安全研究进展王悦 露 董 威 张 云 龙 傅 伯 杰 赵 正 嫄 吕 一 河 张 建 军伍 星 中国科学院生态环境研究中心 城市与区域生态国家重点实验室北京 中国科学院大学北京 中国地质大学(北京)土地科学技术学院北京 自然资源部土地整治重点实验室北京 摘要:生态安全是全球环境变化背景下人类可持续发展面临的重要问题之一
2、生态系统服务作为自然环境中人类赖以生存的环境条件与效用成为人们感知和评价生态系统结构或功能变化的重要指标同时为研究自然生态与社会经济两大系统之间的交互作用提供了连接路径 目前国内外对基于生态系统服务的生态安全研究尚处于起步阶段 在大量查阅国内外相关文献的基础上总结了生态安全的理论内涵及方法体系并从基于生态系统服务内在关系和基于生态系统服务拓展的生态安全研究以及将生态系统服务与生态安全结合应用的综合研究等 个方面系统性梳理了目前国内外基于生态系统服务的生态安全研究进展 结果表明发展初期的生态安全研究主要基于各种生态系统服务之间的供需关系、权衡/协同关系和服务重要性等内在关系二者的结合效果能通过耦
3、合生态系统服与生态系统状态指标和相关模型得到改善近年来将生态系统服务与生态安全结合应用的综合研究在区域规划管理等领域已呈现良好的发展趋势 在此基础上本文指出了目前研究过程中所存在的一些不足与未来发展的方向为进一步深入开展生态系统服务与生态安全的耦合研究提供理论依据关键词:生态安全生态系统服务方法体系人地耦合 :.:/./.:世纪 年代以来世界人口快速增长城镇化发展迅速 高强度土地开发利用、资源开采以及工农业生产等社会经济活动造成了温室气体大量排放、生态系统破坏与环境污染严重等一系列问题对生态系统服务功能造成了显著的负面效应严重威胁和制约了人类的生存与发展 全球生态安全的相关问题日益受到关注以人
4、类福祉与自然生态系统之间关系协调稳定为核心的生态安全理念及相关研究得到了快速的发展 近年来生态安全理论方法为各国合理制定经济发展目标及生态环境保护策略提供了重要的决策依据与政治安全、军事安全、经济安全等共同组成了现代国家稳定发展的基石生态系统服务是指生态系统形成和维持的人类赖以生存和发展的环境条件与效用稳定协调的生态系统服务供给是维持区域自然生命系统、保障区域生态安全的基础 随着生态系统服务的内涵、形成和维持机制以及评估方法等的不断发展生态系统服务成为耦合自然生态系统功能与人类福祉的桥梁以及人类感知和评价生态安全状态最主要的途径之一 近年来逐渐有研究将生态系统服务体系与生态安全研究进行结合以构
5、建更科学、与社会发展结合更紧密的生态安全研究方法体系 目前国内的主要研究区域分布与经济发展关系密切相关研究在闽三角、粤港澳大湾区、长三角、京津冀等城市群以及长江、黄河流域等重点生态研究区均有开展如黄智洵等以闽三角城市群为背景通过构建生态系统服务供需关系动态模型框架利用供需关系象限区划表征生态安全格局 此外在典型生态区如黄土高原、西北干旱区及东北沿海区等常结合能够反映当地重要生态特征的生态系统服务开展生态安全研究 生态系统服务概念和方法的融入为人地耦合背景下生态安全研究提供了新的有效途径和发展方向但目前仍未形成较为统一的方法体系缺乏有效的梳理以开展更高效的融合应用 因此通过对国内外文献进行总结本
6、文分别从基于生态系统服务内在关系和基于生态系统服务拓展的生态安全研究以及将生态系统服务与生态安全结合应用的综合研究等 个方面对生态系统服务在生态安全研究中的应用进行系统阐述并对未来研究中值得重点关注和深入研究的问题进行探讨与展望以期通过对相关研究的梳理与综述为二者开展更高效的融合应用提供参考 生态系统服务与生态安全的内涵及相互关系.生态系统服务与生态安全的内涵生态系统服务是人类从自然界中获得的最基本的福祉是对人类生存及生活质量有贡献的生态系统产品以及生态系统功能作为人地结合的重要桥梁支撑着人类的生存与发展据其对人类的作用特征分为供给、调节、支持、文化四类“生态安全”的定义到目前仍不统一 综合文
7、献其内涵主要包含两大方面一方面是自然生态系统的自我调节与维持为生态安全的核心物质基础提供保障另一方面是社会经济系统与自然生态系统两大系统之间关系的协调稳定为人类社会发展的可持续性提供支撑 目前生态安全的主要研究内容主要集中于生态安全评价、生态安全格局构建与优化两大方面 在人地耦合背景下为更好生 态 学 报 卷:/.地实现人类福祉和自然环境的可持续发展生态安全的主要关注范围从生态退化与资源短缺问题对人类发展的威胁扩展为整个社会经济生态系统的结构完整与安全稳定要求将人类福祉和自然生态安全放在同等重要的位置上并找到二者均衡点.生态系统服务与生态安全的关系生态系统服务是生态安全的表征能对生态系统状态与
8、人类社会间的关系进行反映 生态安全的研究重心沿人地结合方向的逐渐移动一方面要求生态系统保证自身有良好的服务供给条件另一方面要与包含人类社会在内的环境关系稳定两方面的含义均与生态系统服务紧密联系因此生态系统服务是生态安全研究中连接人与环境关系的最好的纽带将生态系统服务应用于生态安全研究是必然趋势 此外生态系统服务能为生态安全研究提供更便利的条件 首先生态系统服务成熟的理论内涵与丰富的内容方法体系可直接应用于生态安全的研究框架中通过在生态系统服务的受益者(社会经济系统)与提供者(自然生态系统)之间建立数量和空间上的关联体现其供需匹配程度、生态安全空间格局及其时空变化特征为生态安全研究提供依据 其次
9、生态系统服务有多样完整的分类体系以及多样的量化评估方法能够与生态系统其他指标或模型相耦合并开展更多拓展研究为生态安全研究提供更多研究方法如目前()、()等模型以及 技术等的发展应用能够对多种生态系统服务进行整体的评估、模拟及预测讨论其复杂性与产生的效应有较强的空间化、可视化与动态化的特点 此外生态系统服务也能与生态安全相结合为区域规划管理等提供理论指导与方法依据进而指导或应用于其他综合问题的解决 基于生态系统服务的生态安全研究进展.基于生态系统服务内在关系的生态安全研究将生态系统服务应用于生态安全评价的核心在于综合生态系统服务与社会、经济、生态组分的评价指标体系的构建 由于生态系统服务具有多维
10、性常通过各服务间内在关系的形式(供需关系、权衡/协同关系以及服务重要性等)应用到生态安全研究中(图)在当前生态安全评价过程中仍普遍以“压力状态响应”框架()及其衍生模型为基础综合构建生态安全多维度评价指标体系 多数研究将生态系统服务作为指标应用到 评价模型及其衍生模型等中或利用生态系统服务价值与生态安全耦合模型等进行社会经济生态复合系统的生态安全评价指标的建立 之后通过主观赋权、客观赋权或二者综合的方法对评价指标进行赋权最后以数学模型、生态模型、景观模型、数字地面模型或计算机模拟法等对生态安全进行评价 在较大尺度上常结合“供需流”生态网络格局对整体生态安全进行评估生态安全格局的构建过程中主要将
11、服务间内在关系与“源汇”理论结合从而对生态过程的阻力及景观组分的重要性等进行表征 通常基于“源地识别阻力面构建廊道提取”的典型研究范式进行构建其中生态系统服务常应用于生态源地的识别以及阻力面的构建两方面 相较于直接选择自然保护区核心区域等重要生态用地为生态源地基于生态系统服务识别生态源地的方法更丰富地考虑了生态需求的影响选择依据更为充分 阻力面是生态廊道提取的重要依据利用专家经验及土地覆被类型直接赋值易忽略相似土地类型内部阻力差异 除了可以后期采用不透水面指数、夜间灯光数据等研究地特征指标加以修正外有学者认为生态系统服务与生态过程流阻力呈负相关可据此进行阻力面的构建 在生态源地及阻力面构建的基
12、础上常结合最小阻力模型()等提取重要生态廊道结合关键点识别等方法进行分析进而构建出功能完整、状态稳定的生态安全格局.基于生态系统服务供需匹配的生态安全研究通常通过价值系数法、直接市场法、替代成本法、偏好法等对生态系统服务进行量化计算以所得供给度、供需比、生态安全指数等指标表征景观单元供需关系从而构建生态安全格局或以此建立生态安全评价体系进行整体生态安全的评估(表)此外还有研究利用实际与潜在生态系统服务供给差异表征潜在 期 王悦露 等:基于生态系统服务的生态安全研究进展:/.图 基于生态系统服务内在关系的生态安全研究框架.:“压力状态响应”模型生态承载能力以对生态安全程度进行评估 在较大尺度上跨
13、景观尺度的生态系统服务供需驱动形成生态系统服务流在生态系统与人类社会之间建立联系 在生态系统服务自生态系统传递到人类社会的过程中分布式系统结构模型是进行相关研究的重要工具 而在针对生态系统服务实际为人所使用过程(发挥最终效用)的研究中黑箱理论的应用更为广泛 生态系统服务供需平衡状态是生态安全状况的直接要素之一与生态系统服务供给与需求关系的结合能为解决生态系统供需空间分异日益增大和生态系统服务流通路径受阻等生态安全问题提供支撑.基于生态系统服务权衡/协同的生态安全研究一种生态系统服务可能的变化可能会造成多种其他生态系统服务正向的(即协同)或负向的(即权衡)的变化如何权衡多种生态系统服务以得到最大
14、效益成为当前生态安全格局构建决策过程中一个不可忽视的问题 学者们尝试采用不同方法将生态系统服务权衡关系纳入到生态安全格局研究中(表)较普遍的方法是在生态系统服务核算的基础上采用生态系统服务权衡度、生态保护效率等指标进行比较分析选择综合生态效益最大的决策风险情景据此制定生态安全格局构建方案 生态系统服务的核算常通过 模型与土地利用变化及效应()模型、元胞自动机马尔科夫()模型及 进行结合应用 与 模型分别能对未来不同情景下生态系统服务聚合规则及土地利用状态进行模拟近而判断服务间权衡/协同关系变化 模型与 等模型的结合有利于理清生态系统服务间作用机制及特征这在确定生态源地及保护区等、进行生态安全评
15、价与格局构建过程中起到重要作用.基于生态系统服务重要性的生态安全研究筛选出具有重要生态价值的关键斑块能够为生态安全格局的构建及生态系统科学管理与生态保护等提供直接依据(表)针对典型生态系统通常利用表征各服务能力的主要因子进行计算得到生态系统服务能力指数从而实现重要性评价 根据对多种服务重要性评价结果进行分权叠加、按照自然断点法等进行生 态 学 报 卷:/.分级等处理实现生态源地的选取 如周汝波等通过分析粤港澳地区多种生态系统服务的物质量及空间格局综合生态系统服务的重要性进行生态源地的识别 彭建等以生态系统服务评估所得的自然生境重要性为依据针对区域生态环境基底特征识别生态源地构建玉溪市生态安全格
16、局 有研究将多种生态系统服务重要性进行综合以其倒数表征阻力大小从而构建生态阻力面如宋婷等与韩增林等分别在秦巴山脉地区及辽宁瓦房市的生态安全格局构建中利用研究区生态系统服务重要性的倒数构建基本阻力面表 基于生态系统服务内在关系的生态安全研究类别与方法 类别方法及用途 参考文献生态系统服务供需 用价值系数法、直接市场法、替代成本法、偏好法等对生态系统服务进行价值核算进而通过计算供给度、供需比、生态安全指数等或分析生态承载力建立生态安全评价体系大尺度上通过“供需流”生态网络格局评估区域整体生态安全程度及其空间格局 选取综合供给水平和综合生态供需比最重要区域的交集为备选生态源地构建格局生态系统服务权衡
17、 基于 模型等对生态系统服务价值进行估算结合有序加权平均算子()模型等理清相关生态系统服务间的权衡与协同关系以及特征、确定生态源地及保护区等解决多属性决策问题进行生态安全评价与格局构建生态系统服务重要性 对各种类生态系统服务功能在整体生态资产价值中的占比赋权:、进行生态源地的识别或基于生态系统服务重要性构建基本阻力面构建生态安全格局、明确各种生态系统服务的重要区域筛选出具有重要生态价值的关键斑块加以管理.基于生态系统服务拓展的生态安全研究除了仅基于生态系统服务内在关系还可将生态系统服务与生态系统状态指标以及其他方法模型等相结合进行生态安全评估 在复杂的生态环境研究背景下单一方法难以进行全面的研
18、究 生态系统服务的理论内涵较为成熟研究方法体系丰富为生态安全研究提供了多种评估指标能配合其他生态指标或模型进一步提升生态安全研究的准确性与深入性(图)图 基于生态系统服务拓展的生态安全研究框架.:自组织特征映射网络模型:数据包络分析模型:景观形态空间格局分析方法在生态安全评价方面通常在生态系统服务与 模型结合的基础上结合其他指标或模型进行应用生态系统服务与 模型依据生态系统服务流及人类社会的相互作用进行耦合形成驱动压力状态影响 期 王悦露 等:基于生态系统服务的生态安全研究进展:/.响应反馈机制()模型 等将 模型结合“数据包络分析()”构造出 模型对旅游生态安全进行衡量 郑洋等以“土地利用变
19、化生态系统服务生态系统安全”为研究主线基于研究样地特征及 框架构建生态安全评价模型 除此之外还可结合生态系统服务与其他理论模型及生态系统指标重构生态安全评价体系 张雪琪等基于生态系统服务价值理论对生态足迹模型进行改进定量评价 年叶尔羌河平原绿洲生态安全状况潘竟虎等以生态系统服务与生态系统健康共同构建“贡献力活力组织力恢复力”()的生态安全评价体系 在生态安全格局构建过程中生态系统服务的结合拓展主要依据“重要性连通性敏感性”框架进行 通常采用生态系统服务重要性、景观连通性、生态敏感性中的一种或多种指标进行评价并选取生态源地在生态脆弱区基于耦合生态系统服务的生态敏感性评价结果进行生态源地选取的研究
20、尤为广泛除此之外还有研究将生态系统服务与其他指标(生境质量、功能区划、土地利用变化等)以及其他生态方法模型(引力模型、景观形态空间格局分析方法()、自组织特征映射网络模型()等)相结合进行生态安全格局的构建结合方式较为丰富.将生态系统服务与生态安全结合应用的综合研究生态系统服务与生态安全内涵联系紧密二者的耦合能为其他人地问题提供更丰富的研究方法与突破角度目前已在区域规划管理研究中有所应用主要集中在生态资源的合理分配、研究区管理规划等方面如土地利用格局的构建及生态网络的优化等 常通过将二者耦合作为土地利用等模型的影响因素或利用分析叠加法重构网络空间的方式应用到综合研究中 何玲等基于生态系统服务价
21、值构建生态安全格局以生态安全格局为影响因素利用 模型进行不同情境土地利用格局模拟得最佳土地利用格局胡其玉等基于生态系统服务供需理论综合生态系统服务最重要区域和生态红线边界构建生态安全格局采用分层叠加分析重构厦漳泉地区生态网络空间 除此之外在生态修复方面也有应用如袁媛等依据基于生态系统服务构建的生态安全格局得到遵化市的功能分区提出不同分区下生态保护修复策略 此类研究方法和结果为应用生态系统服务与生态安全的进一步深入结合、综合应用范围的扩展的可行性的提供了参考对提高环境资源利用率改善生态系统服务质量及时空分布不均衡性等有所帮助结合当下研究热点二者的结合对未来生态安全屏障建设、国土空间开发规划、生态
22、系统保护与恢复等方面的发展有重要意义 不足与展望在人地耦合的背景下生态系统服务与生态安全的紧密结合对地区生态安全状况、功能维持与生态发展等意义重大 而从已有的基于生态系统服务的生态安全研究来看其方法体系、二者耦合深度、研究尺度及范围等方面仍有诸多需要进一步完善和发展的地方.耦合生态系统服务与生态安全的方法体系需进一步完善和创新基于生态系统服务的生态安全研究尚不深入其研究指标及方法体系仍有待进一步改善 当下对生态安全评价标准仍不统一主观性较强需根据实际的生态安全问题分类构建生态阈值数据库制定科学、统一的评价标准 在生态安全格局构建过程中采用的模型与指标应满足生态系统服务与生态安全的动态性与复杂性
23、等特性 模型对人地系统中的需求方面的应用较薄弱而 模型对生态系统服务流动的时空动态及需求方面更加关注能更好的反映人地系统间关系的复杂性、过程的动态性及由变化产生的影响但该模型开发较晚仍在不断完善 在深化生态系统服务与生态安全的结合过程中可考虑依据具体生态过程将 与 进行结合使用或逐渐完善基于 模型的应用体系 在生态廊道的建设中也可灵活地采用基于生物随机游走特性的电路理论补充最小阻力法在替代路径、廊道范围及关键节点识别等方面的不足此外单独依据生态系统服务取倒数等形式构建阻力面提取生态廊道进行的可靠性也有待进一步考证.未来多情景预测的研究需要加强全球气候变化对人类社会及地表过程已造成显著的持续性影
24、响生态安全状态受气候、社会发展以及生 态 学 报 卷:/.人类活动强度等动态性环境因素的影响不断地发生着变化探讨生态安全在这些变化的情境中的响应机制对生态安全状态的改善与维持有重要意义 然而目前的生态安全研究大多针对现状针对未来气候变化和社会发展情景或不同人类活动强度情景下生态安全格局如何适应与调整等方面的研究较为缺乏 模型、改进的细胞自动机 模型、神经网络、模型以及集对分析等情景分析、模型模拟预测方法各有优缺 未来应加强各格局模型、格局过程关系模型、空间统计模型等不同模型之间的耦合发挥不同模型优势提高模拟的效率和准确性以更好的发展生态安全多情景预测.生态安全研究的尺度效应需进一步强化生态安全
25、问题存在于一个多要素的复杂耦合系统中涉及的生态过程并不是封闭独立的仅强调某一特定区域的规律不能反映生态系统在更高尺度上的特征所以要进行跨尺度、多等级的研究 景观等小尺度和生态功能区、城市群等大尺度生态安全格局的共同分析有助于认知和把握区域生态安全问题微观细节及宏观背景因此多尺度关联是生态安全格局构建的核心内容之一 在单一尺度水平上需要明确各尺度典型的生态系统服务格局特征及生态安全问题以正确选择适合该尺度水平的指标及方法而在跨尺度的研究中则需注意各指标在不同尺度上能否进行直接应用或推绎以加强点线面、多尺度、多等级分析与融合建立跨尺度多尺度多等级的集成生态安全研究范式参考文献():.():.:.(
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