生态系统服务功能分类的成果

满足和支持人类生存和发展的自然生态系统状况和过程是多种多样的。Costanza等人把它们归纳为17类,Daily将其归纳为15类,董全探讨分析为11类。综合起来,主要应包括:生态系统的生产,生物多样性的维护,传粉、传播种子,生物防治,保护和改善环境质量,土壤形成及其改良,减缓干旱和洪涝灾害,净化空气和调节气候,休闲、娱乐,文化、艺术素养等方面,见图2-1。

图2-1　生态系统服务功能示意图

2.1.3.1　生态系统的生产

生态系统最显著的特征之一是生产力。生产者为地球上一切异养生物提供营养物质,它们是全球生物资源的营造者,而异养生物对初级生产的物质进行取食加工和再生产而形成次级生产,初级生产和次级生产为人类提供几乎全部的食品和工农业生产的原料。据统计,已知约有8万种植物可食用,人类历史上仅食用过7000种植物,最重要的是小麦、玉米和水稻等20种栽培植物。人类摄取的蛋白质大部分是直接取自自然系统的,这种摄取方式不仅在历史上是至关重要的唯一来源,至今仍占有重要的作用。

生态系统中许多植物是重要的药物来源。人类利用野生动植物治疗疾病有着悠久的历史。现代医学依靠野生动植物的程度也必然有越来越大的趋势。在美国,有40%以上的药物来源于动植物。发展中国家有80%的人靠传统的中草药治疗疾病。在我国,人参、天麻、三七、杜仲、柴胡、鹿茸、麝香、羚羊角和五灵脂等都是重要的中药材。

自然植被、水体和土壤等为鸟、兽、虫、鱼提供了必要的栖息环境,形成生态系统立体式网络结构,从而为人类生存提供了多种服务。

2.1.3.2　生物多样性的维护

众多物种组成的千姿百态的生物世界是地球最显著的外部特征,是大自然最宝贵的财富。人类在长期社会生产实践过程中,认识到人类自身能够在地球上长久地生存和发展,必须有生命资源的支持。经历了大约35亿年漫长的进化过程,到现今形成了约500万～3000万种动物、植物及微生物。自然和自然生态系统滋育着的这么多的生命形式,是保持生物多样性必不可少的生态环境。

生物多样性是自然生态系统生产和生态服务的基础和源泉。人类历史上大约有3000种植物被用作食物,估计有8万种植物可以食用,这就为人类提供了食物来源,人类就是依赖这些植物得以繁衍的。目前,人类所需营养的75%仅来自7个物种,即小麦、水稻、玉米、马铃薯、大麦、甘薯和木薯。许多其他物种也具有农业发展潜力,它们或者具有更丰富的营养,或者更能适应未来各种极端的生态环境,可以预见在未来环境变化的情况下,将会不断地有新型农作物品种出现。

生物多样性可提供多方位的服务。森林不仅为人类提供木材,还储藏了百万年前的太阳能,为人类提供了煤、原油和天然气。因此,人们考虑从植物材料中获取持续的太阳能可能是条捷径。环境的恶化则意味着一个好端端的生态系统被破坏,要通过维护和恢复过去系统中曾有过的动物、植物、微生物以及它们之间的相互关系,发挥出它们在生态系统中的作用,让它们与环境中其他生态因素相互联系,共同促进和改善生态系统服务性能。

人类向自然取得了巨大财富,但也加速了物种绝灭进程,这是人类对自然最深刻的、不可逆转的破坏活动。例如农业生产中追求高产,常推广遗传基础狭窄的单一品种,从而异致病虫害的频繁发生,而且常常造成大量天生物种的灭绝。如果对生态系统生物多样性的破坏到了很严重的程度,生态系统自身维护其物种多样性的功能就会丧失,其后果将会是整个生态系统的崩溃,因此必须对已遭到人为破坏的生态系统进行生态补偿,维持生态系统正常功能的发挥。常用的办法是对珍稀动植物重点保护或人工引进一些外来物种等。在保护大型生物的同时,须特别关注小型生物,因为小型生物种类多、数量大,在生态系统中发挥着十分重要的作用。

2.1.3.3　传粉、传播种子

植物靠动物传粉是互惠共生的特化形式。在已知繁殖方式的24万种植物中,大约有22万种植物包括农作物,需要动物帮助传粉。在农作物中,约有70%的物种需要动物授粉。动物,主要是野生动物,参与授粉的有10万种以上,从蜂、蝇、蝶、蛾、甲虫、其他昆虫到蝙蝠和鸟类。随着岁月流逝、植物与授粉动物之间形成了协同进化 (coevolution)的关系。

不仅传粉,有些植物种类亦需要动物帮助传播扩散种子。有些种类甚至必须要一些动物的活动才能完成种子的扩散。据统计,蚂蚁传播的有花植物种子达3000种以上。有的植物甚至需要专一性的动物来完成播种的使命。例如北美的白皮松 (Pinus albicanbis)就是要依赖于星鸦(Nucifraga cobumbiana)把其种子从松果中嗑出来,然后埋入别的地方。没有这一过程,白皮松的种子就保留在松果里,落到母树旁的土地上时存活率极低。

传粉播种的动物在一定的环境里生活,进行取食、生长、发育、交配和繁殖,完成生活史中各个特定阶段。各个物种生活史不同,各有一整套的生态对策,对生态环境条件有严格的要求。它们与许多植物形成紧密的联系,这种环环相扣、相互共生的生物多样性和生态系统复杂性是生态系统服务的主要基础。值得注意的是,由于人为活动的影响和栖息地被破坏,传粉播种的动物的多样性和数量都有明显降低,对生态系统服务带来不良效应。

2.1.3.4　生物防治

各种农作物从播种到收获,常常受到病虫、杂草、鸟、鼠等的侵害,蒙受重大损失,即使已经收获的产品,在贮藏和运输期间,也可遭受危害。据估计,世界各国因病虫害损失的粮食约占10%～15%,棉花约占20%～25%,外加软体动物、鼠类和鸟类等的有害生物危害,每年农作物生产的损失高达25%～50% (Pimentel et al.,1989)。病虫害和杂草与农作物竞争资源。在自然生态系统中,这些有害生物往往受到天敌的有效控制。利用天敌或某些生物的代谢物去防治有害生物,称为生物防治(Biological control)。天敌多种多样,有瓢虫、步行虫、蜘蛛和鸟类等捕食者,有寄生蜂、寄生蝇和线虫等寄生物,有真菌、细菌和病毒等致病菌。这些天敌在自然生态系统中发挥着控制有害生物、限制潜在有害生物数量的作用。我国早在公元304年已应用黄猄蚁 (Oecophylla smaragdina)防治柑橘害虫的记载,是世界上开展生物防治工作最早的大国之一。

现代农业多是采用机械化生产,单一作物品种制,施用大量化肥。这样的经营极易引起猖獗的病虫害。由于使用方法简便、效果迅速等特点,人们过多依赖化学农药来防治病虫害,而滥用化学农药却给生态系统造成一系列恶劣的影响。农药在杀伤有害生物的同时,也杀灭了它们的天敌和有益生物。并且农药常常造成环境污染,引起人畜中毒和死亡,破坏了生态系统和谐的构建,极大地损害了生物自身所具有的生态服务性能。而有害生物却往往具有高的繁殖潜能,经过若干世代能很快地产生抗药性。近年来生物农药的研发有效地改善了这一面貌,生物农药对人类和环境的潜在威胁要小于化学农药。目前,生物农药主要有以下三个类别:①微生物农药,如真菌、病毒等制剂;②农用抗生素,如浏阳霉素、华光霉素等;③生化农药,如昆虫信息素、生长调节剂等。这些新发展起来的作用方法特殊、防治对象专一、不同于化学农药的生物农药,在生物防治上没有不良的副作用,最大的特点是一旦建立起天敌种群就可发挥长期控制害虫的作用,达到一劳永逸的控制效果。1888年,美国由澳大利亚引进澳洲瓢虫防治柑橘吹绵蛤的危害,挽救了美国加利福尼亚州年轻的柑橘业,至今澳洲瓢虫在当地定居建立了种群,控制作用已持续一个世纪。我国广东省于1957年在木麻黄上释放瓢虫百余头,至今一直控制着吹绵蚧的危害。展望未来,生物防治有着广阔的前景,将发挥出良好的服务功益。

2.1.3.5　保护和改善环境质量

植物和微生物在自然生长过程中吸附周围空气中或者水中的悬浮颗粒和有机的、无机的化合物,把它们吸收、分解、同化或者排出。动物则对活的或死的有机体进行机械的或生物化学的切割和分解,然后把这些物质加以吸收、加工、利用或者排出。生物在自然系统中进行新陈代谢的摄食、吸收、分解、组合,并伴随着氧化、还原作用使化学元素进行各种的分分合合,在不断的循环过程中,保证了物质在自然生态系统中的循环利用,有效地防止了物质的过度积累所形成的污染。空气、水和土壤中的有毒物质经过这些生物的吸收和降解得以消除或减少,环境质量得到改善。

要充分发挥先锋生物群落 (Pioneer community)的作用。先锋生物群落是那些最先出现在不毛之地上的各类生物集团。先锋生物群落的组建,标志着生态破坏的终结和生态重建的开始。我国由于自然和人为原因,各类原生或次生的不毛之地面积很广。例如荒山秃岭面积多达1.2亿hm2;矿山占地达1.3万hm2/年;还有大面积的草原变成了几乎寸草不生的荒地。所有这些地表的不毛之地,人工不再破坏,通过先锋生物群落的营建,可以逐渐得到修复,这样的生态系统逐渐恢复生产力,而且在防止水土流失、避免土地退化以及防止污染等方面也有相对效益。

湿地在水循环系统中起着重要的净化作用。其中生长着大量的水生植物,如凤眼莲、浮萍、芦苇、水花生和沉水植物,又如蒩草、红线草、狐尾藻、轮叶黑藻。这些植物生长迅速,年产量高,可提供大量青饲料。研究表明,这些植物对多种污染物质有很强的吸收净化能力。水葱可在浓度高达600mg/L的含酚废水中正常生长,每100g水葱经100小时可净化一元酚202mg。浮萍处理生活污水可使大肠杆菌去除率高达98%。湿地植被还减缓地表水流速,使水中泥沙得以沉降的同时截留水中的各种有机和无机的溶解物和悬浮物,这就使水体得到澄清。因此湿地有“地球之肾”的美称。自然湿地生态系统的净化作用提供了巨大的社会效益和生态效益。

2.1.3.6　土壤形成及其改良(www.chuimin.cn)

土壤层是自然生态系统经过千百年生物和物理、化学过程产生而形成的,并由整个生态系统维持更新。土壤是植物生长的基质和营养库,每块土壤都在不断地进行着物质循环和能量流动,土壤可分为土表和地下两部分,但都形成为一个整体。绝大多数植物以土壤作为生活的基质,土壤提供了植物生活的空间、水分和必需的矿质元素。植物生长发育过程中,至少有16种元素是维持生长所不可缺少的。植物需要的N、P、K、S、Mg、Ca、Fe、Cl、Mn、Zn、B、Cu、Mo等13种无机元素和有机质都来自土壤。因而,土壤是植物的营养库。

土壤生物是土壤积极的改良者。土壤中最多的生物是微生物,微生物对有机物进行分解,把它们降解为简单的物质,还原成有用的营养物质,有些土壤细菌可吸收空气中的氮元素,转化为植物可以吸收的状态。土壤中存在大量能分解酚的微生物,它们能破坏酚化合物,并能将酚化合物作为碳和能量的来源加以利用。同时土壤也是细菌将一氧化碳转化为其他产物的场地。

土壤动物是最重要的土壤消费者和分解者。非节肢土壤动物主要有线虫和蚯蚓。蚯蚓是定居在土壤中最著名的类群,这类生物喜欢湿润的环境和丰富的有机质。因此,通常蚯蚓多居住在黏质、有机质含量高和酸性不太强的土壤里。显然,蚯蚓的数量和作用在不同的地块是有差异的。在一英亩(4047m2)耕作层中的蚯蚓数可以从几百到一百万条以上。它们打洞,夜晚出来吃植物有机质,有的蚯蚓靠吞食土壤中的有机物质而生活,它们的活动使土壤有机物紧密混合,此外,孔道的形成以及粪粒的产生也使得土壤更疏松多孔。土壤动物中也有很多是节肢动物,其中最重要的有螨、蜈蚣、马陆、跳虫、白蚁、甲虫和蚂蚁等。在所有的土壤动物中,分布最广、种类最多的是螨类 (Acaria)和弹尾目 (Collembola)昆虫。它们粉碎和分解土壤中的有机物质,并把有机物质运到较深的土层中去,起到了维持土壤孔隙、改善土壤性质的作用。

2.1.3.7　减缓干旱和洪涝灾害

水是地球上最丰富的无机化合物。它的可溶性、可动性和高比热等理化性质使之成为物质循环的介质。水的循环及其运动性能对气候现象和物质循环的调节产生重要影响。地球水不断地通过蒸发与降水促成陆地与海洋生态系统水的再循环,从而沟通全球陆地与海域。通过降雨、江河与小河的流动来实现水的分配。蒸发和降水是水循环的主要方式,大气、海洋和陆地形成一个水循环的系统。每年地球表面的蒸发量和全球降水量是相等的。因此,这两个相反的过程就维持着动态的水平衡状态。

森林和植被在减缓干早和洪涝灾害中起着重要作用,成为水利的屏障。在降雨时,植被的枝叶树冠截留65%的雨水,35%变为地下水,减少了雨点对地面的直接冲击。植被的根系深扎于土层之中,这些根系和死亡植物的枝干支持和充实土壤肥力,并且吸收和保护了水分。林地涵养水源的能力比裸露地高7～8倍。森林犹如巨大水库。据测算,一片10万亩的森林相当于一个200万m3的水库。但十分遗憾,在1980～1995 年间地球上失去了1.8亿hm2的森林!

森林和植被中的土壤有许多孔隙和裂缝,土层里也有许多有机物形成的孔洞。这些孔洞和穴隙既是水的贮藏库,也是水往地层深处移动的通路。森林和草原的土壤孔洞:在地下5～10cm 处森林为27%,草原为4%;15～20cm 处,森林为16%,草原为4%;25～30cm 处,森林为17%,而草原为零。显然,森林、草原都具有很强的吸水能力,但林地的能力较强。

湿地生态系统在全球和区域性的水循环中起着重要的调节和缓冲作用。湿地草根层和泥炭层具有很高的持水能力,是巨大的贮水库,它能够削减洪峰,为江河和溪流提供水源,有助于区域水循环的稳定性。

2.1.3.8　净化空气和调节气候

绿色植物有吸附大气污染物、净化空气的功能。植物被誉为天然的过滤器,树叶表面绒毛有的还能分泌粘液、油脂,可吸附大量飘尘,而蒙尘的植物经过雨水冲洗后,又能继续拦阻尘埃。

二氧化硫是有强烈辛辣刺激性的有毒气体,当浓度达到10ml/L 时,会使人感到不适。一般认为阔叶树比针叶树吸收二氧化硫的能力强。松树林每天可以从空气中吸收20mg/m3二氧化硫。垂柳在生长季节,每月可吸收二氧化硫10kg/hm2。柑橘树最能吸收二氧化硫,其叶片可吸收储存达其质量1%的硫。

氟化物对人畜有毒害作用。各种树木对空气中的氟化氢都有一定的吸收能力。例如银桦(Grevillea robusta)能吸收11.8kg/hm2氟,滇杨(Populus yunnanensis)吸收10kg/hm2,沙拐枣吸收9.7kg/hm2。西红柿的叶片可吸收3000μg/kg,扁豆水的吸收功能比西红柿叶还高2倍。实验表明,氟化氢气体通过40m 宽的林地,平均浓度降低47.9%,林地越宽效果越好。

还有些植物在生长过程中,能挥发出肉桂油、柠檬油和天竺葵油等多种杀菌物质,能杀死多种病原菌。

自然生态系统在不同空间尺度上影响着大气和气候。自生命出现以来,生态系统在演化中使大气成分发生了巨大变化。细菌、藻类和植物的繁衍,使氧气在大气中富集,创造了生物进一步生存和发展的必要条件。植物吸收二氧化碳进行光合作用,有效地调节了空气的成分。一般阔叶林在生长季节一天可放出0.73t/hm2的氧气。据估计,陆地上绿色植物提供了地球上60%以上的氧。

植被在生长过程中,从土壤吸取水分,通过蒸腾作用,把水蒸气释放到大气中,改变了当地湿度、云量和降雨条件,促进了水循环。据调查,在亚马逊河流域,50%的年降雨量来自森林蒸腾所产生的水分再循环,现今森林砍伐已使该流域的降雨量大大降低。

2.1.3.9　休闲、娱乐

远离都市喧嚣、融入自然已成为现代人们休闲的时尚。山间明月、林中清风可令人感到神清气爽。风光旖旎的大森林,处处成景,奇岩险峰令人心驰神往。森缘海滩、草原湖泊相映成趣,成为休闲度假的最佳场所。这是人类在长期自然历史进化过程中形成的对自然情感的心理依赖。

自然与生命之间相互依赖,相互支持,不断发展。生命进化的层次越高,生物多样性越多,关系也就越复杂。长期都市单调的生活、单纯的室内生活方式往往使人情绪低落,对外反应迟钝,人的情感流通渠道不畅,会使人性格扭曲与畸形。人一旦进入自然的怀抱之中,便会感受到自然宽广胸怀,油然而生的平和、宽松、友好的情绪使人为之大振,压抑减轻,心理和生理病态得到康复和愈合。自然界中洁净的空气和水,有助于人身心健康,人的性格和理性智慧得以丰富而健康地发展。

不少野生动物以其形色、姿态、声韵或习性的优异给人以精神享受,增加了人类的生活情趣。绿色植物千姿百态的风景区是人们娱乐、疗养的好地方。野生生物对旅游贸易具有吸引力,非洲的野生生物旅游业具有全世界最大的规模,旅游者希望看到保有原始自然状态和自然生境中野生动物壮观的场面,大群的狮子、野牛、斑马和其他野生动物是吸引旅游者的主要原因。

离开自己居住地到异地进行休疗、度假、观光和康乐,可达到求美、求乐、求知和求新的目的。山山水水,其审美方式不在于游,而在于移步换景,所得无穷。人在全方位的游动中情景交融,可以获得德、智、体、美的多种效益。

2.1.3.10　文化、艺术素养——生态美的感受

自然美的创造和欣赏是人类生活的重要内容。自然美是非人类加工和创造的自然事物的总和。自然给人提供了美,如色泽美、线条美、动态美、静态美、嗅觉美、听觉美等,而形象美是自然美的核心和基础。自然并非只为人而美,自然美包含着自身的价值。生物的美是物种的创造性与环境选择相互作用的结果,是生物的自我表现。自然美比人类存在得更早。鲜花和蝴蝶、蜜蜂之间的配合都使人们看到造物的精妙、美的特征,这是自然界长期协同演化的结果。自然中充满美的艺术和无限的科学规律。此外,人类在自然美基础上,遵循自然规律和美的创造法则,通过科学技术和工艺手段,加工修建人与自然融洽的生境。在自然之中,人的本性可以得到充分的体现。自然使人们在整体上、人格上得到发展和升华。