何興元,于景華

1 中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長春 130000 2 中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所, 沈陽 110000

東北森林區(qū)生態(tài)保護及生物資源開發(fā)利用技術(shù)及示范

何興元1,*,于景華2

1 中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長春 130000 2 中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所, 沈陽 110000

由中央財政專項資助的項目(2016YFC0500300),面向東北林區(qū)天然林保護與經(jīng)濟綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展等重大需求,針對關(guān)鍵技術(shù)瓶頸開展技術(shù)研發(fā)和集成,建立森林生態(tài)系統(tǒng)與生物資源監(jiān)測平臺,突破重要生物資源允收量控制、關(guān)鍵種保護和群落定向分類等天然林保護關(guān)鍵技術(shù),基于品種創(chuàng)新、原生境生態(tài)培育和高附加值產(chǎn)品工藝研發(fā),建立全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)體系與標準,支持東北林區(qū)天然林有效保護和林區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。本項目預期建立天然林保護與生物資源利用全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)體系與規(guī)程29套以上,育成新品種15個以上,開發(fā)生態(tài)產(chǎn)品16項以上,申請發(fā)明專利25項以上,生態(tài)產(chǎn)品全部產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化,項目形成的技術(shù)體系將在龍江森工的伊春林區(qū)、牡丹江林區(qū)和吉林森工的長白山林區(qū)建立三大規(guī)模化示范基地,結(jié)合周邊生態(tài)脆弱地區(qū)示范推廣,總面積達10萬hm2以上,示范區(qū)非林經(jīng)濟總量提高50%、人均收入平均增長1.5倍。

東北森林區(qū)；生態(tài)保護；生物資源；綜合利用；示范

廣泛的資源開發(fā)及全球變化正在加劇生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展的激烈沖突,2015年聯(lián)合國森林論壇第十一屆會議表明,森林可持續(xù)管理已經(jīng)提升到事關(guān)人類社會文明進程的全球高度,并與生物多樣性、荒漠化等問題共同成為陸地生態(tài)系統(tǒng)保護目標和諸多國家的基本戰(zhàn)略目標[1]。因此,維系森林生態(tài)與經(jīng)濟多目標服務功能,成為全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的主導方向[2]。

涵蓋生物資源的森林生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測是實現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)多目標功能的重要支撐和信息保障。在國家和區(qū)域尺度上,為實現(xiàn)非林生物資源有序利用,美國把森林生物資源集成于以樣地調(diào)查為主的森林調(diào)查和分析計劃[3],但人力耗費大、周期長,對調(diào)查人員的植物分類學素養(yǎng)也提出了挑戰(zhàn)；在樣方和樣地尺度,傳統(tǒng)以人工調(diào)查為主的生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測,逐步由冠層圖像分析系統(tǒng)、根系圖像分析系統(tǒng)和激光測樹儀等先進野外觀測儀器替代,顯著提高了生態(tài)監(jiān)測的可視化程度和數(shù)據(jù)采集的自動化程度；地球觀測衛(wèi)星技術(shù)則為大尺度和跨尺度森林生態(tài)系統(tǒng)格局與動態(tài)監(jiān)測提供了技術(shù)支持。在技術(shù)層面上,森林多元數(shù)據(jù)精準監(jiān)測和動態(tài)預估,地空結(jié)合、尺度轉(zhuǎn)換,結(jié)合模型計算成為主要的技術(shù)途徑。例如,基于地面人工調(diào)查,建立生境條件與生物資源蘊藏量的耦合關(guān)系模型,協(xié)同空間遙感數(shù)據(jù),可實現(xiàn)大尺度生物資源的動態(tài)監(jiān)測并服務于森林健康和災害評估,結(jié)合高精度地空雷達掃描可顯著提升監(jiān)測精度,服務于碳匯等生態(tài)系統(tǒng)功能監(jiān)測[4],集成3D圖像重建技術(shù),更可實現(xiàn)跨尺度連續(xù)監(jiān)測[5]。我國生物資源連續(xù)、高精度監(jiān)測方面相對落后,中國科學院前瞻性地提出并創(chuàng)建了中國生態(tài)系統(tǒng)研究網(wǎng)絡(CERN)[6],成為我國及世界長期生態(tài)網(wǎng)絡觀測、研究和示范的引領(lǐng)者,積累了一批服務于生物多樣性保育、脆弱生態(tài)系統(tǒng)退化機制等的特色數(shù)據(jù)資源,但對生物資源的監(jiān)測偏弱；國家科技部在主要林區(qū)立項開展了系列植物種質(zhì)資源專項調(diào)查,建立了生物資源地面調(diào)查數(shù)據(jù)集,然而,上述地面、空間數(shù)據(jù)資源缺乏有效整合。

探索森林資源生態(tài)、經(jīng)濟功能可持續(xù)的生態(tài)保護技術(shù),權(quán)衡和協(xié)調(diào)保護與利用關(guān)系,成為天然林保護的重要方向。其中,影響恢復演替進程的關(guān)鍵種受到強烈關(guān)注。美國和澳大利亞等國家提出“保留林業(yè)”[7],即在采伐過程中保留建群種以促進恢復速度；中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所提出的“栽針保闊”理論[8]成為闊葉紅松林區(qū)生態(tài)恢復的主導思想,對于碳匯、生物多樣性等森林生態(tài)系統(tǒng)功能與生產(chǎn)力穩(wěn)定提升、非林生物資源快速恢復極為有效[9],不同撫育強度對生物多樣性影響顯著[10]。基于遺傳多樣性數(shù)據(jù)和群落優(yōu)先保護等級[11]合理布局,避免關(guān)鍵種、保護植物遺傳廊道斷裂對于提升保護效果也極為重要。但是,天然次生林恢復過程中生物多樣性先升后降[12],意味著關(guān)鍵種對生物多樣性,特別是冗余種影響極大,但機制遠未闡明,限制了天然林恢復技術(shù)進一步發(fā)展。

建立和完善天然林有效保護前提下生物資源全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)利用技術(shù)體系,是實現(xiàn)林區(qū)經(jīng)濟綠色轉(zhuǎn)型與林區(qū)人口精準扶貧的根本保障。抗性、豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)新品種選育是生物資源培育產(chǎn)業(yè)不可或缺的基礎(chǔ),在培育方式上則向短周期、復合種植方向發(fā)展,以期充分利用有限的土地資源,同時提高組成物種環(huán)境適應能力和人工群落生態(tài)服務功能[13],在利用中注重全資源生態(tài)化利用和新功能研發(fā)。例如,中國科學院武漢植物園以獼猴桃為主的品種創(chuàng)新,使其成為獼猴桃世界級產(chǎn)業(yè)研究中心,西南林區(qū)快速興起的花卉業(yè)也以種質(zhì)創(chuàng)新為主要基礎(chǔ)；作為云南白藥的重要組成部分,濫采爛挖導致滇重樓資源枯竭,中科院昆明植物所突破種苗培育技術(shù)[14]后,縮短培植周期3年以上,每畝成本節(jié)約1.5萬元左右；美國的Genipaamericana為傳統(tǒng)食用漿果,最近研發(fā)出用于飲料、食品、藥品、膳食補充劑、化妝品等多個市場的色素產(chǎn)品[15]。東北林區(qū)不同種類生物資源產(chǎn)業(yè)均存在關(guān)鍵限制因素,例如,藍莓等漿果以國外品種為主,要求強酸性環(huán)境,林地生境嚴重受損[16],土著種質(zhì)受基因污染風險劇增；東北林區(qū)林藥、林菜培植多采用低效的分根技術(shù),孢子培育、組培快繁等技術(shù)已通過小規(guī)模試生產(chǎn),亟需規(guī)模化推廣；大部分資源以原料和初級產(chǎn)品為主,產(chǎn)業(yè)效益低下。

綜上所述,必須針對東北林區(qū)現(xiàn)有問題開展系列關(guān)鍵技術(shù)突破和技術(shù)集成,建立全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)體系和技術(shù)標準,才能真正實現(xiàn)東北林區(qū)天然林有效保護和林區(qū)綠色經(jīng)濟轉(zhuǎn)型,協(xié)調(diào)生態(tài)保護與經(jīng)濟發(fā)展的劇烈沖突,擺脫林區(qū)經(jīng)濟對東北區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的滯后影響,服務于林農(nóng)全面脫貧和生態(tài)保護戰(zhàn)略目標。

1 研究內(nèi)容、研究方法及技術(shù)路線

1.1 研究內(nèi)容

1.1.1 東北森林生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與評估技術(shù)研究

針對現(xiàn)有監(jiān)測體系難于實現(xiàn)多尺度、多參數(shù)、高效率等監(jiān)測要求,基于多元立體監(jiān)測技術(shù)思路,研建東北森林生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)平臺及其技術(shù)規(guī)范,實現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)空間分布與生物資源蘊藏量動態(tài)監(jiān)測、服務功能與健康評估,集成生物資源分布、蘊藏量與利用信息以及氣象、水文、土壤、植被等環(huán)境信息,構(gòu)建面向東北森林生態(tài)保護與生物資源開發(fā)利用科學研究與生產(chǎn)實踐的共享數(shù)據(jù)平臺。

1.1.2 東北森林生態(tài)系統(tǒng)保護與恢復技術(shù)研究與示范

針對東北森林生物多樣性下降、次生林生態(tài)系統(tǒng)天然更新障礙、生物資源無序開發(fā)等亟需解決的關(guān)鍵問題,以原生穩(wěn)定群落為參照,基于關(guān)鍵種生境分析、遺傳多樣性空間分布等,研究生物多樣性維持機制及促進森林恢復的技術(shù)途徑,以生物資源蘊藏量調(diào)查數(shù)據(jù)和空間模型模擬動態(tài)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),研究重要野生生物資源允收量閾值標準,根據(jù)關(guān)鍵種、保護種及遺傳多樣性的空間分布格局、生物資源采收與林下培育對生態(tài)系統(tǒng)的反饋關(guān)系,建立東北森林群落定向分類、優(yōu)先保護分級技術(shù)和保護策略。

1.1.3 東北森林重要生物資源種質(zhì)收集與新品種選育、高效快繁技術(shù)研究

針對東北森林區(qū)生物資源培育產(chǎn)業(yè)中可選品種少、抗逆性差,外來品種對土著種基因污染風險高、部分品種導致生境質(zhì)量下降,以及機械采收缺乏適宜品種等問題,研究建立道地藥材、漿果、堅果、花卉、山野菜等種質(zhì)評價體系,進而收集優(yōu)良種質(zhì),建立種質(zhì)資源圃,選育適合東北氣候特色、宜于林下或退耕還林地規(guī)?；N植、耐貯藏高產(chǎn)品種或品系,建立種子、種苗等級標準。

針對東北森林區(qū)重要生物資源人工培育以野生種源為主、育苗周期長、規(guī)?；瘮U繁存有障礙,難于實現(xiàn)品種化并導致種植業(yè)經(jīng)濟收益低等問題,基于休眠破解技術(shù)、孢子培育技術(shù)、組織培養(yǎng)技術(shù)和扦插技術(shù),重點研究道地藥材、漿果、堅果、山野菜等生物資源短周期育苗與高效快繁技術(shù)體系。

1.1.4 東北森林重要生物資源生態(tài)培育技術(shù)研究

針對生物資源培育傳統(tǒng)技術(shù)破壞森林生境,木本生物資源產(chǎn)量低下、資源規(guī)模銳減等現(xiàn)實問題,以林分結(jié)構(gòu)調(diào)整、土壤微改良為核心,開展以保護和恢復原生境為前提的生物資源林下生態(tài)化、定向化、高產(chǎn)化種植技術(shù)體系研究,結(jié)合表觀性狀與關(guān)鍵成分指標的采收體系研究,以林農(nóng)過渡區(qū)為代表的生態(tài)脆弱區(qū)灌木型生物資源規(guī)?；N植及豐產(chǎn)技術(shù)研究,在國家林業(yè)局森林撫育政策框架內(nèi),研建喬木、灌木等果用林可持續(xù)采收生物資源冠層管理促產(chǎn)技術(shù)體系。

1.1.5 東北森林重要生物資源產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)研究

面向東北森林區(qū)生物資源產(chǎn)品形態(tài)單一、技術(shù)水平落后、國際競爭力低下等困境,基于超微粉、納米化以及現(xiàn)代分離與酶解等技術(shù),研發(fā)道地藥材新型飲片、漿果和堅果保健食品、堅果普通食品、山野菜固態(tài)速溶飲料與保健飲料、花卉食品等生態(tài)產(chǎn)品創(chuàng)新生態(tài)工藝,顯著提高原料資源利用率和產(chǎn)品生物利用度及附加值。

1.1.6 東北森林監(jiān)測、保護與生物資源開發(fā)利用技術(shù)集成與綜合示范

遵循森林生態(tài)系統(tǒng)恢復原理,集成上述研究結(jié)論,以黑龍江和吉林森工林區(qū)為主,開展森林生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測信息平臺、蘊藏量與允收量監(jiān)測和評估技術(shù)、新品種、生態(tài)培育技術(shù)與產(chǎn)品加工技術(shù)集中示范,特別是研究建立不同森林生物資源間復合種植技術(shù)以充分利用土林地資源。

1.2 研究方法

1.2.1 生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與評估

集成現(xiàn)有地面樣地調(diào)查數(shù)據(jù)集和遙感、空地雷達、森林結(jié)構(gòu)重建技術(shù),構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)多元數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺,基于物種分布-氣候模型、廣義可加模型和GIS等方法,建立生物資源蘊藏量時間動態(tài)、森林健康評價體系。

1.2.2 天然林保護技術(shù)

基于生物多樣性維持機制、關(guān)鍵種更新、允收量空間動態(tài)預測模型、群落定向分類與優(yōu)先保護等手段,建立協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和生物資源可持續(xù)利用的天然林保護技術(shù)體系。

1.2.3 優(yōu)良品種選育技術(shù)

基于土著種質(zhì),利用雜交育種、誘變育種和分子育種技術(shù)進行。

1.2.4 種苗高效繁育技術(shù)

利用破休眠、組培、扦插和微根繁殖等技術(shù)實現(xiàn)難繁育物種規(guī)?；旆薄?/p>

1.2.5 生態(tài)化培育技術(shù)

對于人工培植物種,基于生境適宜性,應用微環(huán)境恢復與構(gòu)建、原生境模擬技術(shù)實現(xiàn)生物資源的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)生態(tài)培植。

1.2.6 產(chǎn)品加工技術(shù)

以超微粉、納米、酶解和膜技術(shù)等為核心,建立高生物利用度、高附加值產(chǎn)品生態(tài)工藝。

1.3 技術(shù)路線

如圖1所示。

圖1 項目技術(shù)路線Fig.1 Technical line of the project

2 項目目標和考核指標

2.1 項目目標

面向東北林區(qū)天然林保護與經(jīng)濟綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展重大需求,針對天然林與生物資源保護、快速恢復,以及生物資源生態(tài)利用全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,開展技術(shù)研發(fā)和集成,建立森林生態(tài)系統(tǒng)與生物資源監(jiān)測平臺,突破重要生物資源允收量控制,以關(guān)鍵種保護、恢復和群落定向分類與定向培育為核心的天然林保護技術(shù),以品種創(chuàng)新、快速繁育、原生境生態(tài)培育和高附加值產(chǎn)品工藝為核心的重要生物資源開發(fā)利用技術(shù),建立全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)體系與技術(shù)標準,支持東北林區(qū)天然林保護和林區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

2.2 考核指標

(1)建立森林生態(tài)系統(tǒng)與生物資源監(jiān)測平臺1個,天然林生態(tài)保護技術(shù)體系1套,技術(shù)規(guī)程4套以上。

(2)收集重要生物資源優(yōu)異種質(zhì)700份以上,建立資源圃4個,育成新品種15個以上,較土著品種增產(chǎn)5%以上。

(3)建立重要生物資源快速繁育技術(shù)體系10項以上,生態(tài)化種植技術(shù)體系15項以上,技術(shù)規(guī)程25套以上。

(4)開發(fā)重要生物資源高附加值產(chǎn)品16項以上,建立聯(lián)盟產(chǎn)品標準。

(5)申請發(fā)明專利25項、新品種權(quán)10個、軟件著作權(quán)登記證書1—2項；發(fā)表SCI論文45篇。

(6)技術(shù)體系在鐵力、牡丹江、露水河等森工林區(qū)示范推廣10 萬hm2以上,生態(tài)產(chǎn)品全部產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化,示范區(qū)非林經(jīng)濟總量提高50%,人均收入平均增長1.5 倍。

3 項目成果的呈現(xiàn)形式及描述

(1)東北森林生態(tài)系統(tǒng)與生物資源監(jiān)測平臺

基于地面數(shù)據(jù)、遙感數(shù)據(jù)結(jié)合,集成不同尺度監(jiān)測手段,實現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)與生物資源蘊藏量高精度、近實時監(jiān)測。

(2)東北森林生態(tài)保護技術(shù)體系

基于關(guān)鍵種恢復的林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化、重要生物資源允收量控制、森林定向分類、定向培育與優(yōu)先保護等技術(shù)。

(3)咨詢報告

提出東北森林保護成效評估與保護建議咨詢報告。

(4)基因資源收集與品種創(chuàng)新

收集優(yōu)異種質(zhì)700份以上,育成新品種15個以上,其中新品種以地方或國家品種審定、新品種權(quán)為呈現(xiàn)形式。

(5)技術(shù)規(guī)程與產(chǎn)品標準

建立生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、保護、生物資源培育技術(shù)規(guī)程29套以上,加工產(chǎn)品聯(lián)盟標準16項以上。

(6)示范推廣

各類示范推廣總面積10萬hm2以上。

(7)人才培養(yǎng)

建一支設區(qū)域和國內(nèi)有影響的森林生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、保護與生物資源開發(fā)利用研究團隊,在第一層次培養(yǎng)在國內(nèi)外有較大影響的學科帶頭人8—15人,在第二層次培養(yǎng)中青年學術(shù)骨干30人以上,培養(yǎng)研究生100人以上,博士后20人以上。

(8)國際合作交流

邀請國外專家來訪30人次以上,出訪合作交流和研究20人次以上。

(9)知識產(chǎn)權(quán)

發(fā)明專利和軟件著作權(quán)36項以上,SCI論文45篇以上。

4 結(jié)語

本項目的實施,將基于東北森林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測與天然林保護技術(shù)實現(xiàn)野生生物資源原生境恢復,基于品種選育和生態(tài)培植技術(shù)實現(xiàn)人工資源產(chǎn)量顯著提升,進一步基于產(chǎn)品創(chuàng)新技術(shù)帶動全產(chǎn)業(yè)鏈效益,全面促進區(qū)域林業(yè)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型和復蘇,以生態(tài)經(jīng)濟林形式支撐生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)改善、經(jīng)濟發(fā)展。項目技術(shù)成果示范、推廣10萬hm2以上,累計新增直接經(jīng)濟效益25億元以上,產(chǎn)品創(chuàng)新將使低值原料效益顯著提升,預期新增效益10億元以上,示范區(qū)非林經(jīng)濟總量提高50%、人均收入平均增長1.5 倍；上述技術(shù)后續(xù)5年內(nèi)累計推廣可達2000萬畝以上,將實現(xiàn)累計經(jīng)濟效益增收450億元以上。

本項目從生態(tài)系統(tǒng)整體性視角出發(fā),在區(qū)域尺度上開展森林生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、保護與區(qū)域特色生物資源生態(tài)化、產(chǎn)業(yè)化利用技術(shù)的大規(guī)模集成示范,發(fā)展體現(xiàn)區(qū)域生態(tài)特點的生態(tài)產(chǎn)業(yè)集群,將強力支持我國“兩屏三帶”中唯一的森林帶——東北森林區(qū)天然林有效恢復和林農(nóng)、林企經(jīng)濟增收,在自然-經(jīng)濟-社會復合系統(tǒng)重建中促進區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展、產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型和民生改善,保障國家“十三五”期間生態(tài)文明建設與扶貧攻堅總體戰(zhàn)略目標的實現(xiàn),進而維護國家生態(tài)安全和區(qū)域經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展。

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Technology and demonstration of ecological protection and exploitation and utilization of biological resources in northeast forest region

HE Xingyuan1,*, YU Jinghua2

1NortheastInstituteofGeographyandAgroecology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130000,China2InstituteofAppliedEcology,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110000,China

This project (2016YFC0500300), financed by special Central finance, aims to meet the major need, including natural forest protection and green economic transformation, of the northeast forest. To achieve this goal, the project initiates technical development and integration on the crucial bottlenecks, in order to establish a monitoring platform for forest ecosystem and biological resources. In addition, it is essential to break the key technology of natural forest protection, including biological resources amount control, keystone species protection as well as community orientation classification, related to natural forest protection. Based on variety innovation, in situ ecological cultivation, together with the technic development of high value-added products, a whole comprehensive industry chain with a complete criterion will be established, which, as a result, strongly supports the effective protection and the sustainable development in northeastern forest areas. This project is expected to establish a perfect technology ecological system with ecological products fully transformed to industrial products, as more than 29 industrial chains and criterions connected to natural forest protection and bio-resource utilization will be built. Besides, the achievements also contain at least 15 new species, 16 bio-products and 25 invention patents. The ecological system mentioned above will be operated as three large-scale demonstration bases combined with surrounding ecological fragile areas in Yichun forest and Mudanjiang forest area of Longjiang forest industry and Changbai Mountain forest area of the Jilin forest industry. As a consequence, the total area of the project demonstration area will reach more than 100000 hm2, and non-forest economy in these areas will increase by 50% with per capita income increasing by an average of 1.5 times.

forest area of northeast China；ecological protection；biotic resources；integrated utilization；demonstration

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0500300)

2016- 10- 17

10.5846/stxb201610172099

*通訊作者Corresponding author.E-mail: hexy@iae.ac.cn

何興元,于景華.東北森林區(qū)生態(tài)保護及生物資源開發(fā)利用技術(shù)及示范.生態(tài)學報,2016,36(22):7028- 7033.

He X Y, Yu J H.Technology and demonstration of ecological protection and exploitation and utilization of biological resources in northeast forest region.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7028- 7033.