河流生态系统的功能_河流生态系统服务功能研究进展

　　doi:10.3724/SP.J.1201.2012.01106� 　　 　　 　　摘要：随着人口的增加和经济的快速发展，人类对河流的过度开发破坏了河流的生态过程，导致河流严重污染、水量大幅减少，河流的生态系统服务功能严重退化，制约了社会的可持续发展。通过论述关于河流生态系统服务功能的研究进展，包括分类方法、价值评估方法，并从气候变化和人类活动两方面深入分析影响河流生态系统服务功能的驱动因素，提出今后应以下几方面加强研究：① 河流生态系统服务功能的认识；② 河流生态系统结构和生态过程的认识，③ 河流生态系统服务功能的时空异质性；④ 人类活动和社会发展与河流生态系统服务功能之间的相互影响。�
　　关键词：河流生态系统服务；分类方法；评估方法；气候变化；人类活动�
　　中图分类号：TV21;X523 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2012）01-0106-06�
　　Research Progress on Service Functions of River Ecosystem�
　　HAO Di，ZHANG Shu-rong，DING Ai-zhong，PAN Cheng-zhong，XU Xin-yi�
　　(College of Water Sciences,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)�
　　Abstract:Rivers,the important origin for human beings to live and develop,create indispensible conditions in social,economic and cultural aspects and provide various ecosystem services in terms of environment and resources,which plays a vital regulation and amelioration role for global ecosystem.However,with the increase of population and fast development of economics,the ecological processes of rivers are damaged by human overexploitation,which results in severe pollution of rivers,sharp reduction of water quantity,and the serious deterioration of river ecosystem service functions.All of them restrict the social sustainable development.This paper mainly discusses the related research progress on river ecosystem service functions,including the classification methods,assessment methods and the driving factors in terms of climatic change and human activities.And then the the future research orientation should be focus on 1) natural property of river ecosystem;2) structure of river ecosystem and the understanding of ecological process;3) the spatial and temporal heterogeneity;4) the mutual influence between human and social development and river ecosystem service functions.�
　　Key words:River ecosystem;classification methods;value composition;assessment methods;climatic change;human activities
　　
　　�
　　 近年来，世界上许多国家对生态系统服务功能的研究十分重视，人们已经逐渐认识到生态系统服务功能是人类生存和发展的基础，生态系统服务功能的研究已经成为当前生态学的热点和前沿课题。河流作为重要的生态系统类型之一，不仅可以提供食物、工农业及生活用水，还具有商业、交通、休闲娱乐等诸多服务功能，而且河流生态系统还是生物圈物质循环的主要通道之一，很多营养盐及污染物在河流中得以迁移和降解［1］。河流生态系统提供的服务功能也成为研究热点。但是在过去几十年中，河流生态系统不断受到人类活动的干扰和损害。随着工业文明的迅速发展，人类对水资源的需求大量增加，很多河流因用水过度而面临断流或枯竭。此外，大量污染物的排入和森林及河岸植被的乱砍乱伐严重影响了河流水环境状况，其结构受到极大的破坏，诸多生态功能也因人类活动的干扰而逐渐丧失［2］。因此，正确的认识河流生态系统服务功能，研究其与人类活动之间的影响机制，并维持河流生态系统服务功能以促进河流及其流域的经济社会和环境的可持续发展已经是一个全球性的挑战。
　　1 河流生态系统服务功能的内涵和分类�
　　1966年King第一次使用生态系统服务这一概念［3］，1997年美国生态学会Daily研究小组对生态系统服务功能进行了系统的研究，并将生态系统服务功能定义为自然生态系统及其物种所能提供的以满足人类生活需要的条件和过程［4］。同年Costanza等将生态系统提供的产品和服务统称为生态系统服务，同时将全球生物圈分为16个生态系统类型，将生态系统服务功能分为17个类型，并列举了生态系统服务与生态系统功能之间的对应关系［5］，这是目前最具影响的对生态系统服务的研究成果。之后国内外学者对生态系统服务从不同的尺度、不同的生态系统类型开展了大量研究。2005年千年生态系统评估（MA）［6］报告中将生态系统服务功能定义为“人类从生态系统中获得的效益”，并指出这些效益包括供给功能、调节功能、支持功能和文化功能。MA的实施，为在全球范围推动生态学的发展和改善生态系统管理工作作出了极为重要的贡献，它是生态学发展的一个新的里程碑。而河流生态系统作为地表淡水生态系统的主要组成部分，不仅为水生生物和陆地生物提供了不同的生境，也为人类的生存和发展提供了重要的服务功能。河流生态系统服务功能指河流生态系统与生态过程所形成的及所维持的人类赖以生存的自然环境条件与效用［4,7］，包括供应人类生产生活的生态系统产品和维持人类赖以生存与发展的自然条件的生态系统服务［8］。�
　　目前对生态系统服务功能的分类方法主要包括Costanza［5］、De Groot［9］、MA［6］和张彪等［10］提出的分类方法。前三种分类方法是依据生态系统的组成、结构以及生态过程所进行的生态属性分类，张彪等［10］的分类方法主要是考虑到生态系统服务的有效存在与人类的实际需求紧密联系，从人类需求的三个层次进行分类，即物质生产、生态安全维护和景观文化承载力，反映不同社会经济条件下人类需求的变化对生态系统的影响。2007年Wallace［11］提出目前的生态系统服务分类是不合理的，因为大多数研究混合了生态系统过程和生态系统服务，提出需要一个统一的分类方法，以便对相关的一系列潜在利益进行对比和权衡。而Costanza［12］则认为根据不同的需求可以有多种分类系统。�
　　研究河流生态系统服务功能，首先应该明确河流生态系统具有哪些服务功能，所以合理的分类是对河流生态系统服务功能进行评估的基础。表1列举了针对河流生态系统服务的主要分类方法。
　　
　　欧阳志云等［13］的分类方法主要是根据千年生态系统评估的分类方法，而李芬等［14］的分类方法则是考虑人类活动对生态系统服务的占用量和胁迫效应，通过水当量的方法（将人类对水生态的各类服务功能的占用折算成一个具有生态学意义的水量指标）对河流生态系统服务功能进行评价。以上分类方法都是基于河流提供生态服务的机制、类型和效用，并结合前人对生态系统服务的分类方法进行分类。但是通常情况下一种生态组分或过程对应多种生态服务，或者一种生态服务对应多个组分或过程，因此划分起来相当复杂，容易造成某些生态服务的重复。所以在2009年美国环保署召开的关于河流最终生态系统服务指标的研讨会中提出了河流生态系统的最终生态系统服务指标以促进生态评估和生态系统产品和服务变化的经济价值这两者之间的相互联系。最终生态系统服务指标概念的提出不是对现有生态系统服务指标的完全替代，相反地，它是对这些指标的重要增加和补充［15］。
　　2 生态系统服务功能的价值构成及评估方法
　　2.1 河流生态系统服务功能的价值构成�
　　生态系统服务功能的价值构成及其评估方法的研究源于生态经济学、环境经济学和资源经济学对环境资源经济价值及其评估方法的研究。1993年Pearec［16］提出环境资源的总经济价值理论，该理论认为环境资源的总经济价值包括利用价值（直接利用价值和间接利用价值）、存在价值和选择价值。McNeely［17］等对自然资本与生态系统服务价值的分类进行了理论上的研究；同时联合国环境规划署（UNEP）、经济合作与发展组织等机构也对环境资产的经济价值进行了分类［18］。2008年WRI［19］将生态系统服务功能的价值划分为三类，即直接使用价值、间接使用价值和非使用价值，以方便对其进行价值评估。此外，我赵士洞根据功利观念的价值模式，把生态系统服务价值分为直接利用价值、间接利用价值、选择价值和存在价值等四种类型［20］。�
　　目前河流生态系统服务价值的评估主要集中调蓄洪涝、土壤保持、污染物降解、河流输沙、水电开发和航运等功能，近几年对河流生态系统的景观娱乐、文化教育功能研究逐渐增多，而对气候调节、营养循环、栖息地与生物多样性维持等功能较少受到关注和评价,见表2。�
　　2.2 河流生态系统服务功能的评估方法�
　　目前对生态系统服务功能的评价大多采用物质量和价值量的方法，更多的是价值量计算。价值量的计算是尝试通过一定的方法赋予生态系统服务定量的经济价值。根据生态经济学、环境经济学和资源经济学的研究成果［21-23］，目前较为常用的生态系统服务价值的评估方法有：费用支出法、市场价值法、机会成本法、恢复和防护费用法、替代工程法、影子价格法、人力资本法、旅行费用法、享乐价格法和条件价值法。一般在选择方法时首选的是市场价值法，当缺少某些条件时采用替代市场法（如影子价格法、费用支出法、机会成本法等），最后才是模拟市场法（如条件价值法）。但是每种评估方法都有其优点和缺点，都存在一定的局限性，所以应该充分考虑各因素再选择合适的评估方法。就生态系统服务功能价值评估而言，最主要的局限性就是其评估具有主观性，因为生态系统服务功能的价值评估对选择的方法和采用的假设非常敏感，采用不同的方法对同一生态系统进行价值评估，其价值可能会差别很大（尤其是针对大尺度的评估）。另外现有的一些技术方法主要集中在狭窄的市场产品和服务（因为这些能更精确的估计），而忽略了一些重要的非市场和非使用价值。再者由于人们不能完全理解生态系统过程的复杂性和内在的生态不确定性，导致价值评估不精确。最后因为生态系统有其本身的价值（这些价值独立于它们为人类提供的服务）不可能被定量化。以上因素导致生态系统服务功能价值评估存在较大的差异性。�
　　国内关于河流生态系统服务功能价值评估方法主要有三类，① 直接市场技术，对于那些有明确的市场价格的河流生态系统服务采用市场价值法，如对水库供水、水力发电、水库航运、养鱼等经济价值评估。② 替代市场技术，主要是针对那些没有直接市场价格的河流生态系统产品，可利用替代品的市场价格估算其生态系统服务的经济价值，主要包括替代工程法、影子价格法、机会成本法、防护费用法等。河流的调蓄洪水功能、贮水功能、输沙功能、净化水质功能和生物多样性保护功能都可以采用替代市场法。替代工程法（影子工程法）是恢复费用法的一种特殊形式，它是指当河流的某一生态系统服务被破坏后，需要人工建造一个工程来代替原来的生态系统服务功能，原有生态系统服务功能的经济价值即为替代工程的投资费用。如调蓄洪水功能的经济价值很难直接计算，从水库蓄水能力方面考虑可以用替代工程法计算，从保护城镇和农业耕地面积方面考虑可采用影子价格法计算，从水库建设对下游造地功能、调蓄洪水、淹没土地等多种方案考虑也可以采用机会成本法计算。再如河流水质或濒临物种遭到破坏利用一些治理或保护工程恢复河流原有的生态系统服务，可以采用防护费用法或替代工程法。③ 模拟市场技术，只有条件价值法，此方法特别适用于河流生态系统服务中非使用价值的评估，如建造水库对文化古迹以及濒临生物的影响等价值的评估，主要通过调查人们对这些受影响的河流生态系统服务的支付意愿来评估。条件价值法还可以用于评估生态系统服务的直接使用价值，如河流的景观娱乐功能可以采用条件价值法也可以用旅行费用法评估。表2列举了相关的河流生态系统服务功能价值评估方法。�
　　3 河流生态系统服务功能变化的驱动要素� 分析
　　 对河流生态系统服务功能的影响一方面来自于自然因素的变化，主要表现在气候变化，另一方面更多的是人类活动的影响。但是这些驱动因素不是独立的，它们之间是相互影响、相互制约的。
　　3.1 自然因素（气候变化）�
　　气候变化会影响水循环过程、水量时空分布、降水极端事件与洪涝灾害等的改变，关系到人类的生存和发展。一些学者提出气候变化会对水资源量［35］、水质［36］和生态系统［37］产生深远影响。目前各国学者已经广泛研究了气候变化对水文状况的影响，但过去的研究主要集中在对水量（如洪水和干旱）的影响上，近年来气候变化对地表水水质和生态系统的潜在影响也逐渐受到人们的关注［38］。气候变化对水量的影响主要是降雨和流域径流量。气候变化对水质的影响，一是由于空气温度的升高使河流温度相应变化，而河流的温度与生物系统和河流的水化学、生物化学反应和生物的生长和死亡［39］密切相关。如Tibby和Tiller［40］分析了澳大利亚维多利亚州西部三个湖泊15年的水质监测数据以及水质和气候变化的关系，他们发现气候变化和不同大小和盐度的湖泊的水质之间有强烈的关系。二是暴雨、干旱等极端事件频率的增加通过直接影响其溶解物质的稀释和浓度而改变水质，而且更强烈的降雨和洪水会通过土壤的侵蚀和细泥沙颗粒的转移［41］导致悬浮物负荷［42］和污染物通量［43］的增加。目前人们已经逐渐意识到气候变化是水资源管理的一个重要因素并且能够影响水质和水生态系统的结构特性［44］，但是还没有完全理解其影响机制［45］。
　　3.2 人类活动的影响�3.2.1 土地利用/土地覆盖的变化�
　　近年来，人类不合理的活动导致了生态环境的破坏，从而对生态系统服务功能造成了明显损害，土地利用/覆盖变化是人类改造自然最直接的体现，土地利用/覆盖的变化必然影响生态系统的结构和功能，对区域气候、水文、生物地球化学循环及生物多样性产生重大的影响［46］。�
　　土地利用/覆盖变化可以直接影响地表水文过程或通过影响气候影响水文状况。曹丽娟等［47］使用气候区域模式（RegCM3）和大尺度回流模型（LRM）研究了中国当地土地利用变化对黄河流域降雨径流过程的影响。土地利用强度或是土地利用组合特征也会影响到水质，岳隽等［48］结合深圳5个流域的土地利用数据，应用统计分析分析了流域内土地利用类型和河流水质关键指标之间的相关关系，结果显示深圳地区的快速发展使得河流水质遭到了严重的破坏，并且他指出土地利用对河流水质的影响主要表现为降雨期间的非点源污染。王新华等［49］利用TM图像解译数据分析了黑河流域土地利用变化并评估了土地利用变化引起的生态环境质量变化，其中水域面积大幅减少导致水资源短缺、土地退化和风沙危害是造成生态价值损失的主要原因。另外人类对河流两岸洪泛区的开发利用，会使洪泛区湿地景观减少、生物多样性减弱、生态功能退化等，也会减弱河流的防洪功能。因此土地利用/覆盖变化变化过程对维持河流生态系统服务功能起着决定性的作用，是影响区域生态系统服务功能以及生态环境质量的重要因素。�3.2.2 经济的快速发展�
　　随着工业和农业的快速发展，对水资源的需求也在不断增长。水资源主要包括地表水资源和地下水资源，而由于河流易取用的特点，人类对地表水资源的开发主要以河流为主。工业产值仍然是我国GDP中主要部分，但是同样的工业的快速发展一方面消耗了大量的水资源，同时排放大量的废污水，严重影响了地表水和地下水资源。而农业中对水资源的不合理利用和利用效率较低，造成水资源的大量浪费，这也是全球应对水危机所需要解决的一个重要方面。�3.2.3 人口变化�
　　随着全球人口的不断增长，必然要大量开发和利用土地、森林、草原、水资源、能源矿产等各种资源，从而加剧了人口对各种资源的压力，矛盾日益突出。据联合国预测，到2050年世界人口将达到77亿到112亿，这将会对未来生态系统和各国政府带来巨大的压力。人口的迅速增长对水资源的压力是十分严峻的。河流的干枯和地下水位下降就是目前水资源严重紧缺的证据，如尼罗河、黄河和科罗拉多河几乎是无水人海；主要产粮区的世界各大洲地下水位正在下降，美国南部的大平原、中国华北平原和印度的大部分地区，地下蓄水层正日益枯竭。对河流生态系统来说，随着人口的增加，土地利用方式也会相应地发生变化，可能会减少湿地的面积而增加耕地面积，进而增加工农业用水量，影响河流的自净能力及河流的生态环境。另外人类活动对河流、湖泊等造成的水污染也日益严重，造成生态系统环境恶化，影响人类和社会经济的持续发展。�3.2.4 闸坝工程的影响�
　　水利工程是集社会、经济、资源、环境等众多因素为一体的重大工程，是对河流生态系统影响最巨大、最广泛的人类活动之一［50-51］。水利工程对河流生态系统服务功能具有双重作用，一方面社会经济服务效益显著提高，主要表现在清洁能源的大量产出［52］，供水能力、调蓄洪水的能力加强，弥补水资源分布的不均衡性和流量季节性变化的缺点；另一方面生态系统服务效益严重削弱，主要表现在河流连续性中断，生态系统结构破碎化，物质循环、能量流动阻塞导致河流生态系统维持健康生态环境的能力减弱［53-54］。关注这些影响将有利于减少在修建水利工程和水利工程运行中产生的不利影响，对河流生态系统服务功能的正常发挥具有重要意义［55］。�
　　肖建红等［56］利用市场价值法、机会成本法、影子工程法、防护费用法和恢复费用法分析评价了三峡工程对河流生态系统服务功能的影响，结果表明防洪和发电是三峡工程对河流生态系统服务功能的主要正面影响，三峡库区水污染、三峡库区泥沙淤积和三峡淹没是三峡工程队河流生态系统服务功能的主要负面影响。魏国良等［30］以澜沧江为例探讨了水电开发对河流生态系统服务功能的影响，指出水力发电产生的经济效益是对河流生态系统服务功能的正面影响，河流输沙和维持生物多样性服务功能减弱是对河流生态系统服务功能的负面影响。密西西比河上游由于修建大量水闸和水坝，导致水坝和水闸上部水生和漫滩栖息地（如湿地、湖泊、池塘）的淹没；下部河流表面积减少和渠道切割，水生动物栖息地沉积增加和河流筑堤部分漫滩破碎化［57］。�3.2.5 政策的影响�
　　国家或是政府的政策、规定以及一些补贴、激励措施是河流生态系统服务功能变化的间接驱动力。一是人口方面，加强对人口的控制，正如前面所说人口的增长会对水资源的消耗提出更大的挑战，尤其是在缺水国家，因此要控制人口的快速增长，间接的减少了人类对河流的影响。二是经济的全球化和市场化与科技的进步，目前全球化进程加快，经济迅速发展，对水资源的需求越来越大，使世界水资源面临着前所未有的挑战。但同时科技也取得了很大的进步，现代科技革命的发生和进一步深入，一方面在一定程度上给水资源的利用带来了一些不良后果，另一方面也为解决水资源问题提供了新的思路和科技措施，推动了社会的发展。三是文化和宗教方面，主要是关于人们消费方面的选择，消费什么以及消费多少也间接决定了对水资源的利用。
　　4 结论和展望�
　　自20世纪70年代提出生态系统服务的概念以来，国内外不少学者已在不同尺度上就不同类型的生态系统提供的各种服务进行了有益的探索。其中陆地生态系统，特别是森林生态系统服务的研究日趋完善，但是对于淡水生态系统服务，尤其是对河流生态系统服务功能的研究则相对不足，而现在全球性的河流生态危机威胁着人类文明的发展和延续，迫使人们寻求新的更加合理的发展道路，也引发了国际社会“重新定位人与河流关系”的反思。应该加强对河流生态系统的关注和研究：① 加强对河流生态系统服务功能的认识，应尊重河流本身的自然属性即水质水量和生物要求，才能更好地进行其服务功能的评估；② 加强对河流生态系统结构和生态过程的认识，这会更好地对河流生态系统服务功能进行分类；③ 关注河流生态系统服务的时空异质性。从空间角度而言，生态系统服务不仅与生态系统所在的区位有关，还与当地的发展水平和人类认知水平有关。从时间尺度来说目前的研究主要是静态评估，并未考虑各个系统之间及系统内部和外部的复杂联系，这也是生态系统服务价值评估研究的难题之一；④ 分析人类活动与河流生态系统服务功能的影响机制，不仅要关注人类活动和社会发展对生态系统服务功能的影响，也要关注生态系统服务的变化为人类发展带来的风险和机遇，以便为河流或是整个流域的可持续管理提供借鉴和依据。�
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　　通讯作者：丁爱中（1969-），男，安徽怀宁人，教授，博士生导师，主要从事水污染控制、水生态和环境修复研究。E-mail：ading@bnu.省略