生态系统服务在全球环境和规模上的权衡

• 摘要
• 简介
• 框架概述
• 实证案例研究
• 期待
• 对本文的回应
• 致谢
• 文献引用

介绍

我们在这篇专题的目的是综合相关的生态和福利经济学文献，提出一个简单的分析框架，以理解跨空间尺度和生物物理、文化和制度背景下的可持续性转型的约束和挑战，并将该框架应用于跨越这一系列背景的一系列实证案例研究。根据1987年由格罗·哈莱姆·布伦特兰主持的世界环境与发展委员会，我们将可持续性定义为满足当代人的需要而不损害后代的需要。这个定义所固有的是维持地球生命维持系统的必要性。该框架侧重于提供生态系统服务与规范服务或生物多样性之间的权衡，有助于揭示不同利益相关者的不同视角和需求如何推动截然不同的偏好和实现结果。使用这一框架的实证分析使利益攸关方能够识别自然系统在产生生态系统服务方面的生物物理约束，并解释造成群体之间管理目标差异的因素和阻碍可持续成果的治理机制。通过模拟生物物理限制，分析社会-生态系统与这些限制的关系，并阐明一系列行为者的价值观和偏好，该框架可作为一种工具，为各种用户提供帮助，以确定促进可持续发展的障碍和有利因素。查明阻碍因素和促成因素，以取得增进多个行为体福祉的成果，应有助于各群体和决策者在制定可持续性政策时进行沟通。

全球各民族国家在生物物理制度和经济财富方面的明显反差，突显了推进跨背景和尺度交流工具的迫切需要。这些对比在全球模式中得到了体现，这些模式表明，生物多样性最高的地方是人均财富和人类福祉指标最低的地方(图1)。因此，生物多样性最高的地方正是人类基本需求没有得到满足的地方，这就不可避免地在全球范围内的自然资源保护主义者的价值观和为满足当地基本需求而提供服务的偏好之间产生了紧张关系。将人类对生态系统服务的价值和偏好范围与不同地区可以支持的自然资本的哪些服务和组成部分的生物物理现实区分开来，可以促进讨论，并有助于阐明可以发挥作用促进可持续性的杠杆。澄清对比生物物理约束和对比人类需求和价值之间的差异是这一系列论文的核心目标。在这篇社论中，我们提供了概念框架的概述和在具体案例研究中使用该框架的经验例子。然后，我们列出了实施该框架的挑战，以实现有意义的可持续发展。

本专题起源于一个关于可持续性科学的分布式研究生研讨会，最初由美国国家生态分析与综合中心资助。明尼苏达大学环境研究所的成立和2009年长期生态研究网络全体科学家会议的召开推动了这一努力。在这3年的时间里，可持续发展科学课程涉及了来自明尼苏达大学环境研究所、哈佛大学肯尼迪政府学院、墨西哥莫雷里亚国家大学生态系统研究中心、普林斯顿大学、亚利桑那州立大学可持续发展学院、哥伦比亚大学地球研究所和佛罗里达国际大学的150多名学生、博士后和教师学者。思想的交流，特别是通过美国和墨西哥学生之间有时激烈的交流，激发了一个特别问题的想法，研究跨环境和规模的生态系统服务的权衡。从这一努力中出现了两篇概念论文，为实证研究提供了基础(Cavender-Bares et al. 2015, E. King, J. Cavender-Bares, P. Balvanera和S. Polasky，未出版的手稿)．课程参与者和感兴趣的研究人员从这个概念框架开发了一系列案例研究。

框架概述

Cavender-Bares等人(2015)在综合经济和生态文献的基础上提出了一个可持续性框架，该框架综合了支撑生态系统服务的生态机制、约束管理选项的生物物理权衡、利益相关者的偏好和价值观，以及这些组成部分的动态性质。考虑了生物多样性与供应、文化、调节和支持服务之间的权衡，并利用理论模型通过关注生物多样性和农业供应服务来展示这种权衡的动态性质和后果。E. King, J. Cavender-Bares, P. Balvanera和S. Polasky，未出版的手稿评估框架在资源管理和冲突解决方面的潜在效用，并确定框架在跨文化、上下文和规模的涉众之间的权衡的不同场景下可以提供的见解。这些概念性文件结合起来，列出了可持续发展框架的一系列组成部分:

1. 生态系统服务之间的权衡产生于生态系统的生物物理特性。这些约束在这里以权衡曲线或效率边界的形式表示美国标准Polasky等人(2008)，跨越生物物理环境和空间和时间尺度的变化。
2. 生物物理约束中的阈值和非线性动力学使得生态系统服务之间的权衡本质上难以导航和管理。
3. 考虑到生态系统服务与利益相关者福祉的关系，利益相关者对生态系统服务的偏好不同。这些可以可视化为无差异曲线，当叠加在效率边界上时，可用于确定更有效和可持续的结果。这些无差异曲线所代表的人类偏好因环境、文化和尺度的不同而不同。
4. 实现高效和可持续的生态系统服务成果的障碍和促进因素来自于一系列在政治边界内外跨尺度变化的体制和文化因素。评估当前状况如何与效率前沿和可持续成果最高的领域相关联，可以促进对这些障碍和促进因素的评估。
5. 鉴于生物物理约束和生态系统服务效益的动态性质可能导致(例如)时间滞后和代际不平等，必须在其时间动态背景下考虑可持续成果。

实证案例研究

这两篇概念性论文为一系列案例研究奠定了基础，在美国中西部上部的农业-工业玉米带、墨西哥的农业生态系统、哥斯达黎加的生态旅游、阿根廷干旱查科地区和巴拉圭农村地区的土地利用情景以及肯尼亚中部的牧民社会的背景下，利用经验数据来应对这些问题。案例研究涵盖了广泛的生物物理和社会条件，其核心重点是评估提供生态系统服务与调节服务或自然资本的其他组成部分(包括生物多样性)之间的权衡。

这些研究揭示的一个共同主题是，可以改进管理实践，以提高服务的供应和规范，使所有利益相关方受益。Ewing和Runck(2015)解决了水质和玉米产量之间备受争议的权衡问题，玉米是美国土地面积和收入方面最大的农业作物。他们的分析显示，目前可行的管理和技术转变既能增加玉米产量，又能改善水质。在Gonz - lez-Esquivel等人(2015)研究的墨西哥农业生态系统中，一方面为自给自足和当地市场提供主要作物生产服务，另一方面为出口市场提供牛油果经济作物，另一方面要与土壤质量、害虫和传粉者调节、水质和生物多样性进行权衡。这项研究表明，农民的管理决策主要受出口市场、农业投入成本和气候因素的驱动，而不受规范服务或生物多样性的管理做法的负面后果的影响。与Ewing和Runck(2015)一样，他们也证明了替代管理实践可以增加维持生计的供应服务和允许长期可持续性的调节服务。与这些研究一致，Grossman(2015)表明，在巴拉圭东部的小农农场，农业和林业产品的自给自足供应与调节服务和生物多样性之间存在权衡，大多数土地所有者在土地管理方面效率低下。以经验为基础的效率前沿模型表明，更大的产量和更大的调节服务应该是可能的。

一些研究能够应用到框架中，通过实证方法来检验生态系统服务权衡的生物物理约束和竞争利益相关者的对比价值。Mastrangelo和Laterra(2015)研究了阿根廷干查科地区农业前沿的生态系统服务和土地使用做法，并关注观察到的鸟类栖息地和农业生产力之间的权衡。在五种截然不同的政策情景下，他们模拟了生物物理结果，这将加强调节和供应服务。与此同时，他们研究了与观察到的和模拟的生物物理结果相关的利益相关者的偏好，揭示了不同政策情景下不同利益相关者获得的利益的显著差异。他们得出的结论是，为了实现促进可持续性和优化多方利益相关者利益的结果，需要外部激励和监管。关于墨西哥热带干旱森林农业生态系统，F. Mora、P. Balvanera、E. Garc - a-Frapolli、A. Castillo、J. Trilleras和D. Cohen，未出版的手稿研究牛牧场饲料与碳储量或生物多样性保护之间权衡的本质，以及主要利益攸关方对这些服务的截然不同的偏好。他们证明，现在的管理目标要么是最大化生物多样性和碳储量，要么是最大化饲料，但其他管理决策导致碳和饲料处于中间水平。他们表明，通过改变管理做法，可以获得更可持续的结果，从而获得更多的饲料供应和更高的生物多样性。他们确定了阻止这种做法的障碍，以及改变做法的机会，以提高在该系统中生活和工作的多个利益相关方的利益。Allen(2015)在自然旅游产业兴起的25年期间，对哥斯达黎加Monetverde的森林覆盖区域变化进行了建模，并使用与土地所有者的访谈数据来了解他们的生态系统服务偏好和土地利用变化的驱动因素。她指出，自然旅游可以为土地所有者提供供应服务，同时在某些条件下维持或加强森林的调节服务，但她警告说，它也有可能使生计可持续性复杂化，并损害热带森林的调节服务。

最后，关于肯尼亚的畜牧系统，Kaye-Zwiebel和King(2014)强调了在制定可持续管理政策和规划时，仔细审查社区对生态系统服务的看法和价值观的重要性。他们对五个文化相似的畜牧社区的分析显示，在对牧草和牲畜稀缺的认知上存在巨大的差异，在每个社区中展示的传统社会资本形式的性质和程度上存在差异，在社区如何评价保护区的经济效益和生态效益方面存在重要差异。让人想起Ostrom等人(2007)呼吁超越万灵丹妙药，他们警告说，在这些畜牧系统中，没有任何一种可持续资源利用策略可能适用于所有社区。

本专题中的案例研究跨越了一系列生物物理条件，从美国中西部的寒冷温带到墨西哥中部和巴拉圭东部的高海拔温带地区，墨西哥西部的干燥热带地区，阿根廷北部和肯尼亚中部，以及哥斯达黎加的山地湿润热带地区。所有的研究都涉及农村地区，其中许多地区的经济以农业为主。人口密度最高的是美国中西部，其次是墨西哥中部和西部，密度最低的是哥斯达黎加西北部、巴拉圭东部、阿根廷北部和肯尼亚中部。案例研究同样跨越了一系列的经济条件和人均财富。Ewing和Runck(2015)对美国的研究是在人均国内生产总值(GDP)非常高的世界区域内进行的。在墨西哥西部的研究(F. Mora, P. Balvanera, E. Garc - a-Frapolli, A. Castillo, J. Trilleras和D. Cohen，未出版的手稿)、巴拉圭(Grossman 2015)、阿根廷(Mastrangelo和Laterra 2015)、墨西哥中部(Gonz—lez-Esquivel et al. 2015)和哥斯达黎加(Allen 2015)都是GDP处于中等水平的地区，而肯尼亚中部的研究(Kaye-Zwiebel和King 2014)则处于人均GDP较低的地区。

重点供应服务、生态系统管理的方式、管理的强度和管理的结果也各不相同。管理体制从美国中西部的集约化玉米生产到阿根廷北部的半集约化养牛场，后者是世界上牛肉高产的关键地区之一。墨西哥中部利润丰厚的牛油果经济作物与自给自足的玉米生产形成了鲜明对比，墨西哥西部的案例研究涉及低强度和低生产率的牛牧场。分析了巴拉圭东部的低强度农业和牧牛以维持生计和市场，其间穿插着桉树种植园和森林保护。在原生草原上大规模放牧是肯尼亚中部居民生计的主要特征。在哥斯达黎加，生态旅游一直在增长和加强，往往对当地的资源基础造成负担，同时还要努力保护林地和生物多样性。

案例研究集中在前两篇概念性论文中提出的分析框架的不同部分，并利用了各种各样的数据源和方法。Allen(2015)利用遥感数据和森林恢复模型记录了自然旅游对森林覆盖的影响;她从访谈数据中描述了不同效率前沿的形状，并讨论了其相关的经济和社区影响。Grossman(2015)通过访谈数据计算生态系统服务，对可获得最大潜在服务的效率前沿进行建模，并将其与实现的条件进行比较;他讨论了社会经济、历史和文化条件，这些条件促成或阻碍了潜在条件的实现。Ewing和Runck(2015)对网格单元内的服务进行建模，并将观察到的效率边界与氮利用优化的效率边界进行对比。然后，他们评估了不同城市产生的服务范围，并研究了形成对比结果的生物物理和社会经济驱动因素，强调了空间规模的重要性。Gonz - lez-Esquivel等人(2015)利用田间农场数据描述了生态系统服务之间的二元和多元权衡;通过访谈，他们评估了是什么生物物理、经济和政策驱动了管理和这些权衡。Mastrangelo和Laterra(2015)从实地数据和模型变化描述了在土地利用变化的备选未来情景下观测到的效率前沿的形状; they superimpose the utility curves for different stakeholders with the efficiency frontier and identify opportunities for desirable outcomes under future scenarios that fit the needs of different stakeholders. F. Mora, P. Balvanera, E. Garc�a-Frapolli, A. Castillo, J. Trilleras, and D. Cohen,未出版的手稿他们以类似的方式进行研究，但不是对比不同的未来情景，而是评估了由于技术和教育干预，效率前沿形状的变化和利益相关者偏好的变化是如何可行的。Kaye-Zwiebel和King(2014)关注的是当地利益相关者如何感知这些服务以及它们之间的权衡，并评估了生态系统服务如何被感知为促进福祉的不同组成部分。

所有的研究案例都探讨了如何实现可持续发展转型。Allen(2015)指出，当生计机会与森林再生相适应时，自然旅游和保护将有双赢的机会。Ewing和Runck(2015)确定了氮肥应用优化的特定城市，这些城市的玉米产量更高，水更清洁，从而展示了其他城市获得更可持续结果的潜在可行性。F.莫拉，P.巴尔瓦内拉，E.加尔c - a-法拉波利，A.卡斯蒂略，J.特里勒拉斯，D.科恩，未出版的手稿展示牛牧场管理实践和利益相关者偏好的变化是如何可行的，并可以提供维持生物多样性、碳储量和饲料生产的替代方案。Grossman(2015)研究了土地利用优化的条件，从而提高农业生产力和生物多样性保护。Mastrangelo和Laterra(2015)举例说明了不同的利益攸关方如何能够在不损害对方的情况下提高农业生产力或生物多样性保护。Gonzalez-Esquivel等人(2015)展示了如何通过技术和教育干预来促进可持续农业生产，以促进生物多样性保护、减少土壤侵蚀和提高土壤质量。最后，Kaye-Zwiebel和King(2014)强调了社会资本在可持续性治理中的重要性，并认为当地利益相关者对不同生态系统服务的认知和价值观可以为每个社区提供最有可能成功的管理选项。

期待

综合来看，这些案例研究说明了如何将简单的分析框架付诸实施，以评估当前管理做法的可持续性，并深入了解能够促进向结果过渡的障碍和促成因素，从而在长期内最大限度地维持生态系统功能和人类福祉。

但是，我们注意到目前报告中的一些限制，并希望这些限制能够在不久的将来得到克服。所有这些案例研究都聚焦于区域空间尺度上非常有限的一组生态系统服务。为了便于分析和理解，它们通常以两个维度表示。实际的管理挑战涉及生态系统服务的全部组合，这些服务之间可能相互积极或消极关联，并以截然不同和复杂的方式对人类福祉作出贡献。此外，所有的案例研究都集中在局部到景观尺度上。分析生态系统服务和人类偏好之间的区域和全球权衡仍然是一项艰巨的任务。需要解决提供各种服务的不同规模以及这些服务对人类福祉的贡献。虽然该框架明确地试图纳入生态系统服务权衡的动态性质和人类对它们的偏好，但以现实和可预测的方式建模社会-生态系统的动态仍然是一个巨大的挑战。在每个特定的背景下，仍然需要更清楚地了解促进可持续发展的因素和障碍之间复杂的跨规模相互作用，例如地方技术规模和权属或全球市场价格和全球旅游业。最后，人类的幸福依赖于生态系统和自然资本之外的其他形式的资本。 Assessing the relative contributions of social capital, manufactured capital, institutions, and other forms of capital that contribute to human well-being along with natural capital will certainly provide insights towards sustainability.

最后，本文提出的分析框架和案例研究同时探讨了生物物理条件和利益相关者的偏好和需求的贡献，以及社会、经济和政治因素对可持续性的促进作用。我们希望我们在这条道路上的初步努力将引发进一步的研究和跨学科思考，并提供一个工具，将不同的行为体聚集在一起，使用共同的语言和方法。然而，我们充分意识到，将这些进展应用于可持续转型的道路还很长。重要的是，如Arrow等人(2004,2012)所设想的，包括所有形式的资本在内的本地到全球的可持续性评估仍有待发展。需要确定和实施社会、经济、文化和政策的变化，以便与所有利益攸关方密切合作，更好地应对地方和全球范围内利益攸关方之间的冲突需求。这是可持续发展科学在未来几十年面临的挑战。

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