袁 野，劉兆剛，董靈波

（東北林業(yè)大學 林學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

基于GIS的大興安嶺盤古林場森林生態(tài)功能等級評價與分析

袁 野，劉兆剛，董靈波

（東北林業(yè)大學 林學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

森林生態(tài)功能是指森林生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)過程所形成的有利于人類生存與發(fā)展的生態(tài)環(huán)境條件與效用?；贕IS軟件數(shù)據(jù)編輯、分析和制圖功能，通過反映森林生物量、生物多樣性和森林結構的有關特征因子，針對2012年大興安嶺盤古林場森林資源二類調查數(shù)據(jù)，按各評價指標的相對重要性來綜合評定大興安嶺森林生態(tài)功能等級。結果表明：（1）大興安嶺盤古林場森林生態(tài)功能指數(shù)為0.599 7，其中生態(tài)功能等級為優(yōu)的林分僅占7.26%，中等林分占92.74%，該地區(qū)森林生態(tài)功能整體處于中等等級；（2）從森林類型的角度分析，各林型生態(tài)功能指數(shù)排序依次為：針闊混交林（0.628 9）＞闊葉混交林（0.613 5）＞針葉相對純林（0.602 4）＞針葉混交林（0.588 2）＞闊葉相對純林（0.574 7）＞針葉純林（0.552 5）＞闊葉純林（0.543 5）；（3）從齡組的角度分析，近熟林（0.602 4）和過熟林（0.602 4）生態(tài)功能指數(shù)較大，成熟林（0.598 8）和中齡林（0.598 8）次之，幼齡林（0.588 2）最??；（4）從優(yōu)勢樹種的角度分析，云杉（0.613 5）＞山楊（0.606 1）＞落葉松（0.598 8）＝樟子松（0.598 8）＝白樺（0.598 8）＞楊樹（0.595 2）＝柳樹（0.595 2）；（5）從河流的影響角度分析，距離越小，小班受到河流的影響越大，小班的生態(tài)功能越好；（6）從道路的影響角度分析：距離越小，小班受到道路的影響越大，小班的生態(tài)功能越差。研究結果可為該地區(qū)森林資源的合理分配、森林健康經(jīng)營、森林內部價值外部化、林業(yè)補償提供理論依據(jù)和技術支持。

大興安嶺；森林生態(tài)功能等級；森林生態(tài)功能指數(shù)；GIS

一直以來，受到傳統(tǒng)林業(yè)觀念的影響，林業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)營目標通常以森林經(jīng)濟效益最大化為主，人們習慣關注森林的經(jīng)濟功能而忽略其生態(tài)功能，因為森林帶來的經(jīng)濟利潤可以被直觀的估測和享用；而看不見、摸不著的森林生態(tài)功能由于沒有具體有效的估測概念和方法，一直不被人們重視[1-2]。事實上，森林生態(tài)功能是人類生存和發(fā)展的基礎，森林的生態(tài)功能一直直接或間接地為人類提供著服務[3-5]。

世界上許多林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展先進的國家如美國、日本等，已經(jīng)意識到了森林生態(tài)功能的重要性，這些國家對森林生態(tài)功能給予了高度重視，不僅承認了森林生態(tài)產(chǎn)品的地位，還將其列入營林成本，使森林生態(tài)功能產(chǎn)品具有商品屬性，實現(xiàn)了林業(yè)經(jīng)濟補償，還為森林生態(tài)功能的概算研發(fā)了經(jīng)驗公式或模型，使得評價結果直觀清晰，為森林資源的合理配置和林業(yè)發(fā)展提供了科學的依據(jù)，而我國有關森林生態(tài)功能評價的工作才剛剛起步，適用于我國森林生態(tài)系統(tǒng)的評價方法和指標還在探索中[6-7]。

我國有關森林生態(tài)功能的多數(shù)研究為理論研究與單一性評價，而影響森林生態(tài)功能的因子絕不僅僅是單方面的，利用GIS功能綜合評價森林生態(tài)功能并將評價結果量化不僅能加強人們對森林生態(tài)功能的意識，還為森林資源的合理分配、森林健康經(jīng)營、森林內部價值外部化、林業(yè)補償提供理論依據(jù)和技術支持[8-10]，而將GIS強大的數(shù)據(jù)編輯、空間分析和制圖功能融入綜合評價的過程，將呈現(xiàn)出更加直觀、形象、準確和信息化的評價結果。

1 研究區(qū)概況

始建于1969年的盤古林場，位于黑龍江省大興安嶺地區(qū)塔河縣城西北部，52°41′57.1″N，123°51′56.5″E，林場的營林面積為 152 127 hm2，有支岔線31條，森林覆蓋率高達88.9%，氣候屬寒溫帶大陸性季風氣候，地勢西高東低，晝夜溫差較大，較干燥，年均溫度為-3 ℃，年均光照總數(shù)為2 600 h，無霜期約90～110 d，年降雨量為300～450 mm，相對濕度范圍是70%～75%，積雪期長達5個月，林內雪深30～50 cm。

2 數(shù)據(jù)收集與處理

2.1 數(shù)據(jù)收集

收集了2012年大興安嶺盤古地區(qū)森林資源二類調查數(shù)據(jù)、1∶50 000比例尺盤古林場地形林相圖（見圖1）等。

2.2 數(shù)據(jù)處理

森林生態(tài)功能是指森林生態(tài)系統(tǒng)與其生態(tài)過程所形成的人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境條件與效用，包括水源涵養(yǎng)功能、水土保持功能、氣候調節(jié)功能、環(huán)境凈化功能、生物多樣性保護功能等[11-13]。通過利用反映森林生物量、生物多樣性和森林結構的有關特征因子：森林蓄積量、森林自然度、森林群落結構、樹種結構、植被總覆蓋度、郁閉度、平均樹高、枯枝落葉厚度，按相對重要性來綜合評定森林生態(tài)功能等級，如表1所示。

表1 森林生態(tài)功能評價因子及類型劃分標準Table 1 Evaluation factors and types of forest ecological function

2.2.1 代碼歸類及賦值

選定的8個評價因子，其中森林蓄積量、郁閉度、平均樹高可以直接按照表1賦值，森林自然度、枯枝落葉厚度等級、森林群落結構、樹種結構需要按照表2～5歸類并統(tǒng)計相應代碼。

圖1 盤古林場地形林相圖Fig.1 Terrain forest map of Pangu forest farm

表2 自然度劃分標準與代碼Table 2 Natural degree classification standard and code

表3 枯枝落葉厚度劃分標準與代碼Table 3 The division standard of litter leaves’ thickness and code

表4 群落結構類型劃分標準與代碼Table 4 Classification standard of community structure and code

表5 樹種結構劃分標準與代碼Table 5 Standard tree structure and code

植被覆蓋度按照表6計算，專家打分法為下列因子賦權重后采用AHP法將各項因子對應數(shù)值與權重相乘后相加，取得數(shù)的百分數(shù)即為植被覆蓋度。

表6 林分各層及權重Table 6 Stand each layer and weight

最后，按照表1的各項評價因子及分類標準，給所有因子賦值。

2.2.2 小班生態(tài)功能等級計算

將賦值后的數(shù)據(jù)按照公式（1）計算：

式（1）中：Xi為第i項評價因子的類型得分值（類型I、II、III分別取1、2、3），Wi為各評價因子的權重。將數(shù)據(jù)帶入公式計算，并根據(jù)表7評定盤古林場森林生態(tài)功能等級。

得出各個小班的生態(tài)功能得分，按照林地和非林地給所有小班分類，所有非林地內的小班賦值生態(tài)功能得分為0，然后按照下表給林地內各個小班的生態(tài)功能劃分等級。

表7 森林生態(tài)功能等級評定標準與代碼Table 7 Rating standards of forest ecological function and code

2.3 建立數(shù)據(jù)庫

分別在小班屬性表和外部數(shù)據(jù)庫（各小班賦值數(shù)據(jù)和生態(tài)功能得分表格），建立共同字段FID，然后以FID為公共屬性將兩個表連接到一起，加載到Arcgis中作為新的數(shù)據(jù)庫（見圖2）。

圖2 屬性表連接Fig.2 Attribute table connection

2.4 計算盤古林場生態(tài)功能指數(shù)

將公式（1）得出的結果帶入公式（2）計算森林生態(tài)功能指數(shù)（該指數(shù)值小于等于1，數(shù)值越大，表明森林生態(tài)功能越好）。

式（2）中：Y為公式（1）得出的結果。

3 結果與分析

經(jīng)計算得出盤古林場森林生態(tài)功能指數(shù)是0.599 7，森林生態(tài)功能處于中等狀態(tài)。利用GIS的編輯、制圖功能對小班屬性數(shù)據(jù)庫中的生態(tài)功能得分項進行分級色彩表示，如圖3所示：橘色顯示的小班的森林生態(tài)功能等級為優(yōu)，占總林分的7.26%，藍色顯示的是森林生態(tài)功能等級中等的小班，占總林分的92.74%。結合GIS強大的空間分析功能，從以下5個方面：森林類型、齡組、優(yōu)勢樹種、河流和道路的影響對盤古林場的森林生態(tài)功能進行分析。

從森林類型的角度分析，各林型生態(tài)功能指數(shù)排序依次為：針闊混交林（0.628 9）＞闊葉混交林（0.613 5）＞針葉相對純林（0.602 4）＞針葉混交林（0.588 2）＞闊葉相對純林（0.574 7）＞針葉純林（0.552 5）＞闊葉純林（0.543 5），如圖4所示。較之純林，混交林充分發(fā)揮了種間互補作用，較合理分配了生長空間并充分利用了光照、水分、土壤等因子，更好的發(fā)揮了森林的生態(tài)功能[14]。森林的生態(tài)功能在幼齡時最低，在近熟時達到頂峰，成熟林時變平穩(wěn)，而后又有增長趨勢，可見，

圖3 盤古林場各小班森林生態(tài)功能等級分級顯示Fig.3 Each subcompartments’ forest ecological function grade display in Pangu forest farm

圖4 不同森林類型的生態(tài)功能指數(shù)Fig.4 Index of ecological function of different forest types

從齡組的角度分析：近熟林（0.602 4）和過熟林（0.602 4）生態(tài)功能指數(shù)較大，成熟林（0.598 8）和中齡林（0.598 8）次之，幼齡林（0.588 2）最小。森林的合理的齡組結構是森林永續(xù)利用的基礎，是實現(xiàn)森林資源良性循環(huán)的保障[15]。由圖5可見，樹木在達到近熟林狀態(tài)前后，其生態(tài)功能得到了最好的發(fā)揮。

從優(yōu)勢樹種的角度分析：云杉（0.613 5）＞山楊（0.606 1）＞落葉松（0.598 8）=樟子松（0.598 8）=白樺（0.598 8）＞楊樹（0.595 2）=柳樹（0.595 2）。由圖6可見，以云杉和山楊為優(yōu)勢樹種的小班生態(tài)功能指數(shù)最好，次之為樟子松和落葉松，最差是楊樹和柳樹。在充分考慮了森林類型和適當調節(jié)齡組結構的基礎上，調整樹種，森林生態(tài)功能可以得到一定的提高。

圖5 不同齡組的生態(tài)功能指數(shù)Fig.5 Index of ecological function in different age groups

圖6 不同優(yōu)勢樹種的生態(tài)功能指數(shù)Fig.6 Index of ecological function of different dominant species

強大的空間分析功能是GIS的重要組成部分，利用緩沖區(qū)分析和疊加分析功能可以直觀、有效地為用戶解決多種問題[16-18]。其中緩沖區(qū)指的是目標或工程規(guī)劃項目的一定影響范圍或區(qū)域規(guī)劃范圍，緩沖區(qū)分析是根據(jù)對象的點、線、面實體，根據(jù)輸入的參數(shù)，自動在目標區(qū)附近建立一定距離的帶狀區(qū)域，以表明對象的影響程度或輻射范圍，以便為某項分析或決策提供依據(jù)[19-21]。疊加分析指的是將同一地區(qū)或同一框架下的多組專題信息進行疊加，建立一個新的專題圖或建立多重屬性的地理空間分布，從而提取地理空間的隱藏信息并滿足用戶需求[22-23]。

從河流的影響角度分析：首先以河流要素為對象，分別進行20 m、40 m的緩沖區(qū)分析。并將2個緩沖區(qū)分別與小班圖層相交，得到一個新的要素層即在緩沖區(qū)范圍內受到影響的小班。每個新的要素層都具有相交前的所有屬性，分別統(tǒng)計20 m、40 m范圍內受到影響的小班的生態(tài)功能等級，并比較生態(tài)功能等級好的小班占范圍內所有小班的比例大小，結果如表8所示，緩沖區(qū)和疊加結果顯示：距河流20 m到40 m的距離中，受到影響的小班增加了259個，然而其中生態(tài)功能等級優(yōu)的小班僅增加了12個，等級優(yōu)的小班比例從6.04%降低到了5.91%。數(shù)據(jù)顯示，距離越小，小班受到河流的影響越大，小班的生態(tài)功能越好。在河流附近的森林不僅起到了涵養(yǎng)水源的功能，自身的生態(tài)功能也得到了更好的提高。

表8 緩沖區(qū)范圍內森林生態(tài)功能等級好的小班所占比例Table 8 Proportion of excellent forest ecological function class in the buffer range

從道路的影響角度分析：操作與河流相同，結果如表9所示。緩沖區(qū)和疊加結果顯示：距道路20 m到40 m的距離中，受到影響的小班增加了117個，其中生態(tài)功能等級優(yōu)的小班增加了10個，等級優(yōu)的小班比例從7.30%增加到了7.39%。數(shù)據(jù)顯示，距離越小，小班受到道路的影響越大，小班的生態(tài)功能越差。

表9 緩沖區(qū)范圍內森林生態(tài)功能等級好的小班所占比例Table 9 Proportion of excellent forest ecological function class in the buffer range

4 討論與結論

量化是評價成功的關鍵[4,24]。由于我國沒有具體的森林生態(tài)功能評價方法，沒有統(tǒng)一的標準，使得多數(shù)評價趨于理論研究。建議配合國家林業(yè)部門的經(jīng)營目標，從實際出發(fā)，量化評價結果，使其可以為林業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展決策提供數(shù)據(jù)支持。

我國森林生態(tài)功能的評價多為土壤或涵養(yǎng)水源方面的單一評價，事實上，影響森林生態(tài)功能的因素是多樣化的，但要構建非常完整的指標體系，很多指標之間會有重疊，還有一些因子的可加性也有待考證[8]。本研究選取了8個特征因子，可以充分的反應森林的生物量、生物多樣性、森林結構方面的信息，從森林自身出發(fā)綜合評價其生態(tài)功能的角度有一定的創(chuàng)新，但同時也缺少了一些外部因子如防風固沙、固碳釋氧、減噪除塵等指標的影響作用，因此在指標的全面性和重復性選擇方面還有待進一步研究。

與遙感和地理信息系統(tǒng)技術相結合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測，運用GIS強大的功能對時間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)進行一體化管理和空間分析，以得到更加科學的評價結果[25-26]。對動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，不僅可以更客觀地比較各個指標對森林生態(tài)功能的影響程度，還能對經(jīng)過一定調整和經(jīng)營后的森林生態(tài)功能的改善效果進行評價，因此在指標的動態(tài)監(jiān)測上還有待進一步研究。

通過對評價指標的一系列計算，得到如下結果：針葉混交林的森林生態(tài)功能遠大于純林；近熟林的森林生態(tài)功能最優(yōu)；以云杉和山楊為優(yōu)勢樹種的小班森林生態(tài)功能指數(shù)最高，落葉松、樟子松、白樺中等，楊樹和柳樹最低；從緩沖區(qū)和疊加分析的結果顯示，距離河流越近的小班，森林生態(tài)功能指數(shù)越高，道路則恰恰相反?？傮w看來，大興安嶺盤古林場森林生態(tài)功能處于中等狀態(tài)，生態(tài)功能等級為優(yōu)的林分僅占7.26%。建議盤古林場以針闊混交林經(jīng)營為主，以云杉、山楊、落葉松等森林生態(tài)指數(shù)較高的樹種為優(yōu)選，合理調整森林的齡組結構，提高對森林生態(tài)功能貢獻較高的近熟林的比例，并在調整森林本體的同時，關注空間的合理分配，考慮外部環(huán)境如河流、道路等因子對森林生態(tài)功能的影響，最大程度的提高盤古林場森林生態(tài)功能以實現(xiàn)森林的永續(xù)利用，并為盤古林場森林資源的合理分配、森林健康經(jīng)營、森林內部價值外部化、林業(yè)補償提供一定的理論依據(jù)和技術支持。

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Evaluation and analysis of forest ecological function level in Greater Khingan Mountains Pangu forest farm based on GIS

YUAN Ye, LIU Zhao-gang, DONG Ling-bo
(College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

Forest ecological function refers to the formation of forest ecosystem and its ecological processes is conducive to ecological environmental conditions and effectiveness for the survival and development of human. Based on the GIS software functions of data editing, analysis and mapping, using forest inventory data of Greater Khingan Mountains Range Pangu forest farm in 2012 to comprehensive evaluate Greater Khingan Mountains forest ecological function according to the relative importance of the factors which re fl ect forest biomass, biodiversity andforeststructure.The results showed that: (1) Greater Khingan Range forest Pangu area ecological function index was 0.599 7, ecological function class for excellent stand only accounted for 7.26%, moderate stand 92.74%, forest ecological function in the region as a whole was in the medium level; (2) the analysis from the forest type point, sort of contribution degree of each forest type on the regional ecological function was as follows: the coniferous and broad-leaved mixed forest (0.628 9) ＞broad-leaved mixed forest (0.613 5) ＞ coniferous relatively pure forest (0.602 4) ＞ mixed coniferous forest (0.588 2) ＞ broad-leaved relatively pure forest (0.574 7) ＞ pure coniferous forest (0.552 5) ＞ broad-leaved forests (0.543 5); (3) the analysis from the age group,the ecological function index of near mature forest (0.602 4) and mature forest (0.602 4) is largest, the mature forest (0.598 8) and middle age forest (0.598 8) take the second place, young forest (0.588 2)is minimum;(4) the analysis from the perspective of dominant tree species, Picea (0.613 5) ＞Populusdavidiana (0.606 1) ＞ Larch (0.598 8) = Pinussylvestris (0.598 8) = birch (0.598 8) ＞ poplar (0.595 2)= willow (0.595 2); (5) from the perspective of river in fl uence, the smaller the distance, the greater the effect of subcompartment by the river, the ecological function of subcompartment is better; (6) from the perspective of the road, the smaller the distance, the greater the effect of subcompartment by the river, the ecological function of subcompartment is worse.The research results can be used for rational allocation of forest resources, forest health management, the internal value of forest environment, forestry compensation in the area to provide a theoretical basis and technical support.

Greater Khingan Mountains; forest ecological function level; forest ecological function index; GIS

S718.5；S757

A

1673-923X(2016)12-0108-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.12.019

http: //qks.csuft.edu.cn

2015-07-01

國家“十二五”科技支撐計劃課題東北碳匯林優(yōu)化培育關鍵技術與示范（2011BAD37B02）；黑龍江大興安嶺過伐林的多功能優(yōu)化經(jīng)營技術研究與示范（2012BAD22B0202）

袁 野，碩士研究生

劉兆剛，教授，博士；E-mail：lzg19700602@163.com

袁 野，劉兆剛，董靈波.基于GIS的大興安嶺盤古林場森林生態(tài)功能等級評價與分析[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016,36(12): 108-114.

[本文編校：文鳳鳴]