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多功能评估——不仅仅是评估多种生态系统功能和服务?定量文献综述

发布于:2023-05-23 11:26:23 来自:水利工程/水利工程资料库 [复制转发]



研究进展:        

       
亮点:

确定了101项使用定量化方法开展多功能性评估的研究

研究平均调查了八项生态系统功能和服务

研究涵盖了生物物理和社会生态综合评估

84%的研究将多功能性汇聚为一个单一指标

结果阐明了对多功能性的不同概念化

摘要:

景观或生态系统为社会提供多种社会经济和生态效益的能力被称为多功能性。虽然这个主题在政治和相关科研领域受到广泛的关注,但由于对多功能性的概念和评估方法各不相同,导致这个概念仍然缺乏应用。为了分析发表论文中多功能性是如何概念化、特征化和量化的,我们回顾了101篇采用定量方法评估景观或生态系统多功能性的研究。平均而言,考虑了7.9±4.7种生态系统功能和服务,涵盖了供给(19%)、调节(30%)、文化(16%)和支撑(35%)服务。这些研究的实验范围从微观尺度到全球分析,采用不同的方法将多功能性汇总为一个单一指标(例如,超过某一阈值的生态系统功能和服务的数量,生态系统功能和服务的平均值,生态系统功能和服务的总和)。各项研究对多功能性的解释和实施方式大不相同:42项研究对生态和社会经济变量进行了同等的评估,并经常对利益相关者进行整合(33%);59项研究只关注生态变量,除一项研究外(1.7%),未包括利益相关者。根据这些发现,我们讨论了多功能性评估中概念和方法上的模糊性的影响,我们介绍了当前方法的优势和局限性,并为未来的多功能性评估提供了建议。

研究背景:

1.1 作为政策目标的多功能性

农业生产系统的集约化和城市扩张对土地的消耗导致了人类主导的景观的重大变化,并引发了关于多功能土地利用的讨论。与最大限度提供一种或几种生态系统功能和服务的土地利用系统相比,多功能景观的特点是同一空间单元内不同功能和服务的高度多样性和丰富性。通过避免生态系统功能的空间隔离,多功能景观有望对生物多样性的保护和生态系统功能的整体维护(例如土壤肥力、授粉能力和生物量生产)产生积极影响,从而提高生态系统恢复能力。


相关概念:

生态系统功能(Ecosystem functions): 生态系统的所有物和过程,如生态系统物质和能量循环,在生态系统中具有特定功能,对提供物质和服务的能力至关重要。

生态系统服务(Ecosystem services): 人们从生态系统中获得的利益包括以下四个服务类别:供给服务(Provisioning Services):从生态系统获得的产物;调节服务(Regulating Services):从生态系统调节过程中获得的收益;文化服务(Cultural Services):从生态系统中获得的非物质利益;支撑服务(Supporting Services):生产所有其他生态系统服务所需的服务。

环境指标(Environmental indicator): 用于描述环境条件的环境相关现象的量度。

景观多功能性(Landscape multifunctionality): 景观为社会提供社会经济和生态效益的能力,包括个体生态系统功能和服务之间的潜在权衡和协同作用。

此外,考虑到广泛的生态系统服务,多功能土地利用系统能够满足人类的多种需求(如社会、文化、经济和生态等),并被认为能够增加社会从生态系统中获得的总体利益。在多功能土地利用系统中,因景观中的利益竞争而产生的土地利用冲突预计至少部分有望得到解决。

在这些想法的影响下,多功能性(MF)已经成为国际立法(如欧盟的共同农业政策(CAP))和政府间组织(如粮食及农业组织(FAO)和经济合作与发展组织(OECD))的一个关键概念。通过农业环境措施提供政策支持,生产非商品功能被认为是维持农村地区发展的选择。

1.2 多功能性的不同理解和概念化

虽然增加多功能性的环境规划已成为一个政策目标,但由于对多功能性的不同理解和概念化而缺乏实施。景观的多功能性不是一个新概念,它最初被用作一种土地管理概念,重点关注农业土地利用系统。近期的相关研究在国际舞台上有力的促进了多功能性作为土地管理概念的研究,最初MF概念的目的是制定可持续的土地利用战略,实现多种土地利用目标。多功能性的研究中一直强调,与土地及其资源密切相关的人群可以从多功能土地管理中获得更多的利益,。因此,当生态系统服务研究在21世纪出现时,通常与多功能性隐含着联系。

然而,多功能性是一个非常通用的术语,已在许多不同的背景下使用。就其字面意思而言,多功能性只是描述了多种功能的提供,而没有涉及任何具体的空间尺度或土地利用类型,也没有涉及任何人类视角。因此,这个概念已经被应用于广泛的研究问题。例如,在城市地区,对屋顶绿化和绿色基础设施的多功能性进行评估,以描述人们从这些基础设施中获得的惠益;土壤多功能性被定义为土壤类型提供不同生态系统功能的能力,已经在小尺度地块上进行了评估;也对各种不同的生态系统的多功能性进行了评估,如沿海地区、森林和水体。

在过去十年中,越来越多关于生物多样性-生态系统-功能的研究使用多功能性评估来阐明不同生态系统中各种规模的生物多样性和多种生态系统功能之间的关系。从这个意义上说,多功能性等同于多种生态系统功能的供应,并不意味着从人类的角度进行估值,因此可以从纯粹的生态学角度进行评估。与此相反,并在很大程度上与生态系统服务的概念一致,人们通常认为多功能性研究提出了包括某种规范性维度的综合社会生态分析。

为了消除这种概念上的模糊性,人们采取了不同的方法来更清楚地区分景观多功能概念。围绕景观多功能性,提出了五个不同的观点: 1)纯生态方法(生物物理评估),2)人类中心方法(将生物物理和社会评估联系起来),3)政策方法(关注土地使用冲突),4)文化视角(关注美学和文化价值),以及5)整体方法(包括上述所有视角)。最近由Manning等人(2018)发表另一项研究,建议对生态系统功能的多功能性(EF-MF)和生态系统服务的多功能性(ES-MF)进行基本区分。EF-MF和ES-MF的区分取决于被评估的内容(生态系统功能或服务)、评估的方式(生物物理或综合社会生态)以及评估的使用方式(如生物多样性-生态系统功能研究或综合土地管理)。

1.3 多功能性评估的量化

当前一个普遍的共识是,多功能性的概念应该 "不仅仅是一个基于政策的倡议"。因此,不同的研究人员开发了量化多功能性的方法。这种定量评估应有助于更好地了解多功能景观的过程。它们应该支持决策过程,并最终使以可持续方式管理环境的方法得到改进。虽然没有统一的方法来评估和量化多功能性,但最常见的是将一组生态系统功能和服务汇总成一个量度多功能性水平的单一指标。

大量多功能性指标的存在对单个功能和服务的重要性给予不同的权重。一些多功能性指标总结或平均了所考虑的景观中的所有功能和服务。其他多功能性指标只考虑高于某个阈值的功能和服务,其依据是只有高供给水平才能为多功能环境贡献价值。最后,与前面两个关注生态系统功能和服务数量的例子相比,其他研究人员应用了多样性指标(如香农多样性指数),它说明了生态系统功能和服务的相对比例。

环境指标,例如多功能性指标,通常对环境条件和变化的评估和交流以及环境目标的设定起着重要作用。然而,通过指标以定量的方式评估多功能性是一种挑战,尤其是在关注ES-MF的时候。这类指标需要捕捉非常复杂的社会生态系统,同时易于解释且技术上可行。因此,将生态系统功能和服务整合为单一指标导致了多功能性研究中的一些矛盾,研究人员呼吁采用更加综合的评估方法。

1.4 综述内容

尽管关于多功能性的研究案例越来越多,但迄今为止,关于多功能性从地块到全球尺度如何被概念化和典型评估,还存在相当大的知识差距。之前的综述文章只关注生物多样性-生态系统-功能背景下的多功能性评估或评估特定空间尺度上生态系统服务联合供应的研究。本研究重点关注所有对景观或生态系统多功能性的量化评估。研究目的包括:(1)文献中对MF的不同概念化是如何操作的;(2)使多功能性评估成为与管理和决策高度相关的强大工具的主要标准。


材料及方法:        

       
     
数据集:      

基于 Scopus 数据库 ,使用搜索字符串 “(多功能或多功能)和(生态系统 * 或景观 * ”( “(multifunctionality OR multi-functionality) AND (ecosystem * OR landscape * )” )针对 2017 4 27 日之前发表的研究的 文章进行检索。通过搜索修改符( * )排除使用通用术语的文章 ,同时排除使用英语以外的语言 或研究文章以外的格式 的文章,最终得到 5 07 项研究。

     
数据审查:      

1 )根据内容将文章分为 6 组研究学科,根据其所应用的方法分为 7 类;

(2)对定量评估MF的研究(101项),通过获得生态系统功能和服务的数据的来源确定了六种MF评估方法,对研究的空间尺度进行分类,同时通过相关分析、描述性方法或其他方法分析了生态系统功能或服务之间的相互作用;

(3)应用遗传学分析,通过扫描标题、摘要和生态系统功能和服务列表,将研究分为两个主要组:EF-MF(生态系统功能的多功能性)和ES-MF(生态系统服务的多功能性)研究组。

研究结果:        

       
     

1、研究背景和类型

使用多功能性这个术语的论文数量正在稳步增加,特别在2000年以来,超过三分之二的研究在欧洲进行。关于多功能性的研究(n=507)集中在“农业管理”(27%)和“景观规划”(22%)领域,类型为科学评论(27%);而定量MF评估(n=101)中几乎有一半在“生态和土壤科学”(49%)领域进行,研究类型最多为实验性研究(42%), 其次是地理空间分析(28%)和模型研究(22%)。

每年关于MF的出版物数量(左)及研究领域和研究类型(右)

2、生态系统功能和服务的集合:数量、类型和使用的术语

根据术语在多功能性评估中出现的次数,确定20个不同术语用于描述多功能性评估中考虑的潜在流程、功能或服务,术语包括“生态系统功能”(35%),“生态系统服务”(25%)和“功能”(20%)等。

多功能性评估所考虑的生态系统功能和服务的数量差异很大(3-27不等),大部分多功能性评估仅关注生态变量(55.4%)而忽视社会经济变量。大多数多功能性评估考虑了生态系统服务中的调节服务和支撑服务(分别为79%和69%),较少包括供给服务和文化服务(分别为43%和37%),不同生态系统服务类型之间存在相关性。

MF评估中评估的生态系统功能和服务数量(左);MF评估中考虑的生态系统服务类别比例(n=101)(每个研究可能有多个类别)(右)

3、 多功能性的量化

多功能性指标及评估方法:84.0%的研究将MF聚合为一个度量,其中最常用的是阈值法(32.8%),计算同时超过一个或多个阈值的生态系统功能和服务的数量;第二常用的是平均法(30.4%),计算多个标准化生态系统功能和服务的平均值作为单一的多功能性度量。101项研究中有16项使用了一种以上的评估方法。

对权衡和协同作用的考虑:59%的研究解释了生态系统功能和服务之间的相互作用。被评估的生态系统功能和服务的数量与交互作用的测试之间没有相关性。大多数交互作用采用相关性分析(42%)和描述性方法(14%)进行检验。

研究区域的空间范围:有12项研究涉及微观尺度(细菌或酶),71项研究涉及“较低尺度”(地方、景观、区域),17项研究涉及“上层尺度”(国家、多国、全球)。

利益相关者的参与:只有15项研究中利益相关者通过生态系统功能和服务的选择(2项)、评估(11项)或两者兼有(2项)进行参与。

用于量化多功能性的评估方法的类型

MF评估的空间尺度

     

4、 概念差异

42项评估属于ES-MF研究组,具有MF的人类中心视角,超过一半的研究(22项)集中于一般的多功能土地利用问题(土地利用冲突、优化的土地管理实践等),ES-MF研究的特点是生态和社会经济变量的比例相等,以及不同生态系统服务类别的平衡。

59项评估属于EF-MF研究组,其中大多数研究(48项)采用了纯生态学的方法来评估多功能性,但剩余11项评估包含了人类的观点,并具有很强的政策或管理相关性。EF-MF研究的共同特征是非常关注生态变量,平均只考虑两种生态系统服务类别,重点关注调节和支撑服务,利益相关者的参与几乎不明显;而ES-MF研究组平均考虑了三种生态系统服务类别的生态系统功能和服务,并捕获了不同的生态系统服务类别。

在MF量化方面,ES-MF研究组常用取和法(38%)和离散阈值法(20%),EF-MF研究组常用平均法和阈值法(共占86%)。在分析的空间范围上,两组没有显著的差异。

a)在EF-MF(n = 59)和ES-MF(n = 42)评估中考虑的生态系统服务类别的比例;b)评估中考虑的变量类型的相对比例;c)有利益相关者参与的研究占比


     

讨论

本综述的结果显示了对多功能性的各种概念化和评估。虽然有人认为这种多样性可能会限制多功能性评估之间的可比性,但它也反映了人们对这一主题的高度兴趣和潜在应用的广泛领域。我们在此关注的两个主要问题是:不同的多功能性概念化是如何操作的,以及哪些是使多功能性评估成为与管理和决策高度相关的强大工具的主要标准。

4.1. 对多功能性的不同概念化

综述的研究中对生态系统功能和服务的选择反映了对多功能性的不同概念化,也代表了研究人员对多功能性的理解。由于科学界对多功能性没有统一的理解,每项研究都需要根据其特定的研究背景进行单独解释。然而,关于未来的多功能性评估,最近由Manning等人(2018)提出的多功能性研究的特征描述是有帮助的。显然,这种分类不能只基于术语("生态系统功能 "与 "生态系统服务"),因为存在解释 "生态系统服务 "和 "生态系统功能 "的不同方式。例如,对多重生态系统功能的评估通常包括超出纯生态层面的方面。另一方面,对多重生态系统服务的评估通常只基于生物物理指标,更容易量化。这类研究往往缺乏对利益相关者的评价,因此不能直接转化为人们从自然中获得的实际利益。

虽然多功能性需要在每个单独的研究背景下进行解释,但本综述中对多功能性评估的简单分类使我们能够了解多功能性的不同概念化对定量MF研究的影响。根据个别概念化,我们发现不同类型的评估方法。首先,以更多的人类中心主义理解为框架的多功能性评估(ES-MF研究)以一种平衡的方式捕捉生态和社会经济价值。它们能够解决人类的多种需求,这被视为管理可持续和有弹性的土地利用系统的先决条件。与其他研究人员一样,我们认为这种考虑到人类与环境相互作用的综合和 "整体 "的研究对于支持政策和决策,增加多功能性是非常必要的。另一方面,以对多功能性的更多生态学理解为框架的研究(EF-MF研究)主要侧重于调节或支撑生态系统过程的功能。它们的范围从生态系统过程的基础研究到更多的应用管理相关问题。这里再次强调,将MF评估仅分为两个概念肯定是一种简化。该项综述中的大量研究实际上能够链接生态和社会评估。这种跨学科和跨学科的研究对于进一步发展景观生态学的概念和方法是非常必要的。


4.2. 超越对多重生态系统功能和服务的评估

通过本文的综述可知,三个主要标准使多功能性评估成为与管理和决策高度相关的强大工具:(1)评估权衡和协同作用,(2)仔细考虑所使用的MF指标的基本假设、优势和劣势,以及(3)利益相关者合理参与特定研究的MF定义和评估。


4.2.1. 权衡与协同

只有对权衡和协同作用进行综合分析,才能对某些土地使用和管理实践做出合理决策。因此,量化多功能性的评估不能只考虑多种生态系统功能和服务,还应该具体评估它们之间的相互作用。由于许多生态系统功能和服务要么直接相互关联,要么受到相同驱动因素的影响,无法说明权衡和协同作用可能是常用多功能性指标的最大弱点之一。在本次审查中,一半以上的多功能性评估已经补充了对权衡和协同作用的分析。我们强烈建议将这一领域进一步扩大,不仅仅是对相互作用的识别。正如Cord等人(2017)所建议的,研究需要探索形成生态系统功能和服务关系的驱动因素,以及对多功能性的限制,以支持增加多功能性的决策。


4.2.2. 多功能性指标的基本假设

用于量化多功能性的方法应考虑到不同MF指标的基本假设、优势和劣势,从而进行谨慎选择。例如,最初由 Mouillot 等人(2011 年)提出的 "平均 "方法是一种简单的技术,通过对所有标准化生态系统功能和服务的值进行平均来产生一个单一指标。在这种方法中,假设个别功能或服务可被其他功能或服务所替代。同样的假设也适用于 "总和 "方法。这两种方法估计了多种生态系统功能和服务的供应量,但没有对其特性或潜在的相互作用提出任何见解。这种对MF的表述可能最适合于识别MF的热点和冷点。

相比之下,"阈值 "方法只考虑那些超过关键阈值的生态系统功能和服务,不考虑强烈权衡可能导致的低水平生态系统功能和服务。这种方法特别适合存在特定阈值的情况(例如,水的净化:水质必须符合饮用水的某些标准)。然而,阈值的选择很关键,对研究结果有很大影响。“连续阈值”方法通过探索可能的阈值的连续范围,部分地克服了这个缺点。同时,不同的MF指标正在产生,允许对MF进行更细致的解释。例如,这允许探索物种丰富度和生态系统功能之间的关系如何随着所考虑的生态系统功能的数量而变化。虽然 "连续阈值 "方法经常被用于生物多样性-生态系统功能研究,但它尚未被应用于 ES-MF 研究中。

有人建议使用生态系统功能和服务的多样性指数(如香农指数,辛普森互换指数)来提供MF的评估,而不是关注所提供的生态系统功能和服务的总量。利用这些指数,单个生态系统功能和服务的供给与它们所在地区的总供给有关。虽然以丰富度为重点的MF指标可能会产生误导,但以多样性为重点的方法可以评估功能和服务的供给是否平等,或者是否存在少数主导的功能和服务。由于不同的多样性指数对丰富的(辛普森互惠指数)或稀有的(香农)功能和服务给予更多的权重,因此可以进一步在聚焦生态系统功能和服务之间进行一些平衡,。这种评估MF的方法特别适用于需要深入分析MF构成的情况。同样,生态系统服务束、雷达图或花图已被广泛用于阐明生态系统服务的多样性,并说明多种生态系统服务的构成或空间聚类。

虽然没有单一的最佳MF指标,但量化方法的选择需要基于研究问题。现有的各种方法也可以用来突出MF的不同方面,并能够对结果进行敏感性分析。


4.2.3 参与式方法

利益相关者在多功能性评估和生态系统服务研究中的参与度一般都很低,这限制了我们对生态系统和人类福祉之间关系的理解。为了更好地理解这种关系并促进关于土地利用的讨论,需要将对单个生态系统服务和整体MF的需求整合到社会相关的研究中。因此,ES-MF 评估应着眼于利益相关者在评估的不同阶段的合理参与。(i) MF的概念化;(ii) 生态系统功能和服务的选择和评估;以及(iii) 土地利用变化的情景发展和规划。更加注重适当的利益相关者参与将大大加强ES-MF评估并提高其政策相关性。我们认为,MF指标将从主要的描述性指标变为更加规范的指标。




结 论:            

           

虽然景观MF已经成为一个普遍的政策目标,而且自2000年以来,关于MF的论文数量迅速增加,但有人指出在环境管理中缺乏对这一概念的实施。本文对101篇使用定量方法评估生态系统或景观MF的论文的回顾表明,这些研究与许多不同的研究领域有关。它还反映了MF概念化的多样性,并总结了评估方法的最新情况。为了给优先级的设置提供指导,并促进定量MF评估在不同研究领域的使用,我们在此总结了对改进MF评估及其解释的建议。


(1)MF需要根据研究背景进行不同的评估。因此,应该根据研究问题对生态系统功能和服务进行选择,不应仅受数据可用性的制约。

(2)MF指标的选择需要考虑到每种方法的基本假设、优缺点,多种方法的组合可以用来估计结果的灵敏度。MF研究应进一步包括对生态系统功能和服务之间的权衡和协同作用的综合分析。

(3)以社会生态为重点的MF评估可以通过更多(有针对性的)利益相关者的参与得到显著加强,这将使其成为规范的规划工具,并使评估与决策过程更加相关。



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