Current Applications and Future Potentials of Ecosystem Service Tradeoff Research

WANG Zhifang, PENG Yaoyao, XU Chuanyu

College of Architecture and Landscape Architecture, Beijing 100871; † E-mail: zhifangw@pku.edu.cn

Abstract Ecosystem service has become a hotspot of research and application since the concept has been put forward, particularly on the tradeoff research, which provides a scientific process for rational decision-making among multiple stakeholders based upon a thorough understanding of relationships among varied ecosystem services. Focusing on practical applications, this paper attempts to sum up specific application and practical values of ecosystem service tradeoff research based upon a detailed review of different investigation approaches and methods. The tradeoffs among ecosystem services can be summed up in four categories: mathematical supply tradeoffs, supply-demand tradeoffs, stakeholder tradeoffs and time/space tradeoffs. The quantitative method used involves objective and subjective measures. The four tradeoff types have been applied to different processes of planning/management practices, including goal setting, core area delineation, ecological compensation and public participation. On the basis of the review, this paper proposes a framework for planning application of ecosystem service tradeoffs while highlighting those existing limitations and providing recommendations for future work including data sharing, method simplification, process crossing, fine scale and the integration of quantitative and qualitative methods to further facilitate the implementation of ecosystem service tradeoff research in practice. Key words ecosystem services; tradeoff and synergy; spatial planning; planning process

作为一个复杂的综合体, 生态系统服务的概念自提出以来就备受地理、生态及城乡空间规划领域学者的关注, 已取得长足的进展[1]。现代科学对于还原主义(reductionism)的强化, 使得复杂系统越来越被拆分开来进行研究, 学科的日益细分使得科研与实践明显错位, 即生态科研具有研究专项问题且目标聚焦的“解构”性, 生态实践则具有以综合解决

场地问题为目标的“整体”性[2]。例如, 生态系统常被解构为生物多样性、碳汇、水质等专题进行研究, 而生态实践需要统筹这些议题。生态系统服务的框架综合了不同的研究视角, 使得供给、调节、支持乃至社会服务等在一个体系内再次对话, 在一定程度上实现学科细分后的生态系统评价与认知再次整合。从实践角度看, 生态系统服务充分考虑了

连接自然系统与人类系统的生态性和社会经济属性, 有助于人类福祉的全面提升, 是可持续管理决策的前提[3]。生态系统服务研究在中国尤具实践价值。在过去的40年里, 快速城市化进程中以经济发展为导向的密集土地利用方式和人类高度城市化的发展策略[4]造成生态系统服务的严重退化[5]。为保证生态系统服务的有效供给, 推动人与自然和谐发展的现代化建设新格局, 生态文明建设的重要性日益受到重视。

作为一种平衡和抉择, 可以将生态系统服务权衡理解为对生态系统服务间关系的一种综合把控[6]。生态系统服务间的关系包括权衡(负相关系)、协同

[7] (正向关系)和兼容(无显著关系)等多种类型 。其中, 权衡(tradeoffs)指不同生态系统服务此消彼长的情况, 而协同(synergies)是两种或多种生态系统服务同时增强的情形[8]。生态系统服务之间的权衡是生态系统管理的实质, 单独强调某一种服务的增强往往导致其他服务的减弱。对生态系统服务之间进行权衡分析的前提是清楚地了解生态系统不同服务之间的关系[9]。由于生态系统服务之间的关系具有动态变化性, 权衡与协同可能互相转化, 二者的研究方法与过程一致, 且总是交织在一起。在以往研究中, 有的将两者分开, 有的统称为权衡。本文将这类研究统称为生态系统服务权衡研究。这类研究考虑了生态系统服务作为连接自然系统与人类系统福祉枢纽的生态性和社会经济性, 能够对人类的生态系统服务选择偏好进行分析, 权衡和兼顾多种生态系统服务[10], 追求综合效益最大, 而不仅仅追求某一种生态系统服务的效益。城乡规划可以通过对城乡土地利用的控制或调节, 改善生态系统的结构、组分和过程, 进而影响城乡空间的生态绩效[11]。近年来, 越来越多的学者将生态系统服务纳入城市土地利用规划的分析、模

[12]拟与决策中。如Woodruff 等 分析和对比美国两个州的综合规划与生态系统服务的结合程度, 包括目标制定、事实基础、政策及公众参与等, 发现将生态系统服务纳入土地利用规划能够提高相关利益主体对生态保护的重视程度, 并将生态系统服务连接到多目标的社区发展规划中。城乡规划与生态系统服务权衡的关系可以概括为两方面: 一方面, 生态系统服务类型与服务水平的变化, 以及人类对生态系统服务需求的变化, 将对城市发展与土地利用变迁产生重要的影响; 另一方面, 土地利用通过影响生态系统的结构和过程, 能够对生态系统服务产生正面或负面的作用。为进一步推进生态系统服务权衡研究在中国生态文明建设中的应用, 提高城乡规划、空间规划和生态管理等相关决策的科学性, 本文聚焦生态系统服务权衡的研究方向、研究方法及其在国内外的实践应用, 并在此基础上展望未来的趋势。

1 相关研究进展

结合国内外生态系统服务权衡的研究进展[13],本文重点在实践应用层面进行延展, 力求在详细综述相关研究方法的基础上, 归纳整理出生态系统服务权衡在各类案例中的应用方向与价值。生态系统服务权衡的研究主要可以归纳为四大类: 供给数理、供需关系、不同主体以及时空动态。具体的研究方法及规划实践详述如下。

1.1 数理关系权衡

有关生态系统服务权衡的大部分研究都关注某种生态系统服务与另外一种或多种生态系统服务之间的数理关系(表 1), 这种关系多在供给侧, 不涉及需求侧。相关研究多借助定量表征和回归分析, 根据相关性和显著性等指标, 量化生态系统服务之间的权衡。具体定量方法包括社会经济数据换算、土地利用类型换算、专家打分以及模型模拟, 前3种方法主要利用社会经济和土地利用数据, 直接乘以对应的系数或按特定公式来量化生态系统服务内容, 模型模拟则通过现有的或研究者自己构建的模型对生态系统服务进行计算和模拟。现状生态系统服务研究多基于土地利用类型换算和社会经济数据换算这两种方法, 能够为生态系统服务功能区、生态系统重要保护区以及需要人为参与调解生态系统服务权衡的场地范围划定等提供指导。这些权衡研究通常能够在较大的尺度范围内, 通过对不同方案的模拟, 筛选出兼顾生态与经

[20]济发展的最优的土地利用规划方案 。数理关系的权衡研究不仅可以指导已受损生态系统服务的修复和保护区的划定, 还可以通过增设绿色基础设施等方式来协同维持生态系统服务。

1.2 供给需求权衡

从主体出发的生态系统服务需求评价, 可通过调研等形式反映社区居民主观上对生态系统服务的认知和需求水平[21]。相关定量研究方法包括社会经济数据换算、土地利用类型换算、专家打分以及

模型模拟。需求定量将生态系统服务的需求与供给状况相结合, 运用空间叠加和冷热点计算等手段,反映在一张总图上, 识别出潜在的需重点保护的生态系统服务类型和区域, 将其与人类生存和社会发展所依赖的生态系统服务的供应能力相匹配, 确定需重点保护规划的区域(表2)。具体地讲, 可以通过空气和水质净化量、调节水量、控制侵蚀量、营养物吸收量、重要栖息地、水源供给和文化服务感知等现状生态系统服务的量化指标, 判断生态系统服务的客观供应与居民人口密度、建设密度、经济

[28]水平等方面的空间差异度 。通过对生态系统服务供需的冷热点制图或者空间叠加分析, 即可得出供需具有空间异质性的区域, 从而指导规划能够结合当地特定条件, 设定相应目标, 如哪些地方增加或维持生态系统服务, 哪些生态系统服务可考虑发展经济。基于空间制图的生态系统服务供需权衡研究, 可以为生态规划提供翔实的数据库, 为后期的生态分区管理提供便捷和统一的基础。

1.3利益主体权衡

对不同利益主体进行权衡分析的目的是为了规划明确受益主体(社会群体或生物群落)[29]。通过生态系统的权衡分析, 可以得出是否将生物群落的保护作为优先考虑的目标、不同主体的出发点会产生怎样的权衡、怎样协调彼此的平衡关系等结论。除输出结果具有一定的参考价值外, 生态系统服务不同利益相关者之间的权衡过程也能为规划中的公众参与提供参考(表3)。生态系统服务的权衡研究充分地考虑利益相关方的意见, 将公众参与真正带入规划中, 实现“自上而下”与“自下而上”两种方式的结合, 在不同利益的博弈权衡中, 实现空间布局的最优化和最公平化。

1.4时间空间权衡

严格地讲, 生态系统服务的时间空间权衡贯穿在生态系统服务权衡研究的各个方面, 因为生态系统服务本身就具有时空效应(表4)。时间权衡是讨论不同时期生态系统服务的代际竞争关系, 从而确定土地利用的近期和远期规划方案[42]。目前, 相关研究主要涉及过去、现在和未来3个时间场景。时间权衡的意义在于各类生态系统服务对时间的响应速率不同, 从短期场地水平的休闲游憩等文化服务,到长期全球水平的碳存储等, 不同时间段关注的规模和利益相关者往往不同。对应到规划上, 我们需要考虑的是5年, 10年, 甚至50年的发展保护规划[1],需要找到不同时间段满足近期与远期生态系统服务需求的平衡点, 以此来制定区域的可持续发展规划。

此外, 不同尺度下人们感受到的生态系统服务不同。固碳释氧和水源涵养间的关系在中、小尺度上既有权衡, 也有协同, 而在较大空间尺度上(面积在 1×106 km2以上)只表现出协同关系[39]。对全球利益相关者而言, 森林的固碳功能体现的是生态系统