Science述评：大自然能否满足人类需求？建模方法描绘大自然对人类的贡献

来源：ScienceAAAS

评述论文：Global modeling of nature's contributions to people（Science, 11 October 2019）

在人类与大自然交互作用日趋密切的今天，如何维持甚至提升大自然对人类良好生活质量的有益贡献是全人类共同面临的重要挑战，这也是联合国建立政府间科学政策平台的主要动机之一。为揭示人类活动如何引起环境变化以及相关变化如何影响人类福祉，并实现人类与大自然协同发展，生物多样性与生态系统服务政府间科学政策平台（IPBES, The Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services）评估了全球生物多样性及其对人类社会的贡献[1]。其中，IPBES 最新提出的概念框架中关键要素之一是大自然对人类的贡献（NCP, Nature's Contributions to People），该概念建立在千年生态系统评估（Millennium Assessment）提出的生态系统服务（ecosystem service）概念的基础上[2]，涵盖了大自然（生物、生态系统的多样性及其相关的生态和进化过程）对人类的所有贡献[3]。2019年IPBES完成了首次全球评估，探讨了大自然对人类贡献的总体状况和趋势[4]，但NCP的时空变化格局建模仍然是一项重大挑战。

Rebecca Chaplin Kramer及其合作者，针对饮用水水质调节、沿海灾害风险控制及农作物自然授粉三方面进行空间建模，在全球尺度上评估了大自然的贡献及人类受到的惠宜。该文发表在2019年10月11日的Science杂志上。文章指出，人类对大自然的需求日益加剧，但大自然满足人类需求的能力在逐渐下降。未来30年，在土地利用变化和气候变化背景下，全球将有超过50亿人可能会面临水资源和粮食安全问题，其中非洲及南亚地区尤为严峻。同时，人类还可能会遭受更严峻的海岸灾害。

研究团队在全球尺度上探讨了大自然对人类的贡献，模拟了淡水水体、海岸带和陆地的重要贡献：水质调节、减少海岸侵蚀和洪水等灾害及农作物自然授粉。该研究从双重维度（人类需求和大自然贡献）的视角，创新性地构建了大自然的潜在惠宜比例，从而界定了大自然惠宜，拓展了传统“生态系统服务”（已实现的惠宜）的范畴（图1）。同时考虑到大自然具有极大的时空异质性，即便大自然的贡献可能保持不变，但大自然提供的已实现的惠宜（即“生态系统服务”）则可能增加，在考虑多个变量的变化情况下，大自然的潜在惠宜比例是比生态系统服务更有效的评价指标。

团队还研究了潜在惠宜差，例如大自然未能惠及的水质改善、沿海灾害减少、农作物自然授粉，同时也研究了这些自然福祉受到损害的潜在人群人口及其分布。这些潜在惠宜差会被人类实际感知到，除非它们被人为改变，包括种植植物用于水质处理、海堤修复或人工授粉等。在评估大自然对人类贡献的过程中，研究团队提出了两个关键科学问题。

图1. 计算大自然对人类贡献的概念框架 

大自然对人类的最大贡献出现在哪里？

为了解决这一问题，团队量化并绘制了人类需求和大自然贡献之间的重叠图（图2），以发现最大的潜在惠宜分布区域。研究发现，在这些区域中大自然贡献分布不均，而且并不总是与最依赖这些惠宜的人口重叠。在潜在惠宜最高的地方，人类需求最大且受影响人口最多。不管人类是否觉察到，其实在人类干扰最少的区域，大自然的潜在惠宜往往比例最高。研究还发现在人类需求与大自然贡献的最大值重叠区域，有效地保护自然将给人类带来最大的惠宜。

图2. 大自然对人类贡献的全球分布图

未来的全球变化可能会影响到多少人？这些影响发生在哪里？

图3. 未来的情景下不同区域的利益差变化

为了解答该问题，在三种情景下（工业发展情景，农业发展情景和可持续发展情景），针对未来可能受到影响的不同人群，研究人员计算了潜在惠宜差的变化。研究发现，虽然可持续发展情景（SSP 1, RCP 2.6）中受影响人数将减少3-10倍，但未来全球仍有多达45亿人面临着更严重的水污染；由于海平面上升，海岸灾害风险增加，将导致超过50亿人口受到影响；由于授粉不足，农作物减产加剧，可能有 50 亿人受到影响。在三个情景下，未来大自然的潜在惠宜均呈现出不平衡的分布特征，全球数以亿计的人们面临潜在惠宜差增加两倍以上的风险，而对于亚洲北部和北美来说，潜在惠宜差则有减小的趋势。发展中国家潜在的惠宜差变化和受影响人口的变化是不成比例的，其中非洲和南亚的处境最为不利，这两个地区有一半以上的人口面临高于平均水平的潜在惠宜差，有多达23亿人将面临更严重的水污染，17亿人面临由于授粉不足带来的农作物减产，近3亿人面临高于世界其他沿海地区的灾害风险。在所有的预测情景中，非洲平均潜在惠宜差比其他区域高出2至6倍。在可持续性发展情景中，南亚平均潜在惠宜差则高出了10倍，其受到水污染影响的人口是工业发展情景（SSP 5, RCP 8.5）下的两倍，可能的原因是可持续发展情景中农业集约化生产增加了氮肥用量，从而增加了水污染。然而，在工业发展情景下，占全球受影响人口比例最大的非洲其潜在惠宜差的增加速率则高于全球平均值。

博士，中国科学院成都生物所研究员，主要从事全球变化生态学、湿地生态学研究。

参考文献：

1. IPBES, & Unai Pascual, Patricia Balvanera.(2017). Valuing nature's contributions to people: the IPBES approach. Current Opinion in Environmental Sustainability, 26-27, 7-16.

2. Russo, K. A., & Smith, Z. A.. (2013). The Millennium Ecosystem Assessment. What Water Is Worth: Overlooked Non-Economic Value in Water Resources. Palgrave Macmillan US.

3. Sandra Díaz, Pascual, U., Stenseke, M., Berta Martín-López, & Shirayama, Y. . (2018). Assessing nature's contributions to people. Science,359(6373), 270-272.

4. IPBES, & Willemen, Louise. (2018). Summary for policy makers of the assessment report on land degradation and restoration of the Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services.