叢喜東 李琳 齊永峰 張東來

摘 要：為解決牡丹江森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對生態(tài)管理需求的重要性缺乏全面評估的問題，以黑龍江省牡丹江市森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，參考《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》及當(dāng)?shù)刈匀坏乩硖卣?，通過水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙及生物多樣性維護(hù)4個(gè)生態(tài)服務(wù)功能評估指標(biāo)，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價(jià)模型。結(jié)果表明，牡丹江市森林覆蓋率達(dá)67.40%，2000—2020年森林植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）平均為（730.06±56.64） g/（m·a），且呈現(xiàn)出極顯著的增加趨勢；單項(xiàng)評價(jià)表明，當(dāng)?shù)厣稚鷳B(tài)系統(tǒng)的重要性級別最高的為水土保持功能，綜合評價(jià)表明，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能“極重要”等級面積最大，占森林總面積的48.74%，集中分布的區(qū)域有寧安市西南和穆棱市南部。結(jié)果可為當(dāng)?shù)貎?yōu)化生態(tài)保護(hù)策略，協(xié)調(diào)區(qū)域發(fā)展供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能；森林；牡丹江；評價(jià)模型；遙感

中圖分類號：718.55 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）06-0075-06

Evaluation on the Importance of Forest Ecosystem Services in Mudanjiang

CONG Xidong， LI Lin， QI Yongfeng， ZHANG Donglai

（1. Heilongjiang Ecology Institute， Harbin 150081， China; 2.Key Laboratory of Forest Ecology and Forestry Ecological Engineering， Heilongjiang Ecology Institute， Harbin 150081， China; 3.Mudanjiang Forest Ecosystem Research Station， Mudanjiang 157500， China）

Abstract：In order to solve lack of comprehensive assessment of forest ecosystem service functions on ecological management needs in Mudanjiang City， taking the forest ecosystem of Mudanjiang City in Heilongjiang Province as the research object， referring to the 'Technical Guidelines for Delineation of Ecological Protection Red Line' and the local physical and geographical characteristics， a model for evaluating the importance of forest ecosystem service functions was constructed through four ecological service function evaluation indicators： water conservation， soil and water conservation， wind prevention and sand fixation and biodiversity conservation. The results showed that the forest coverage rate in Mudanjiang City reached 67.40% and the average net primary productivity of forest vegetation was （730.06 ± 56.64） g/（m·a） from 2000 to 2020， which showing a significant increasing trend. From the single evaluation index， the importance of soil and water conservation function for the local forest ecosystem was the highest. From the comprehensive evaluation results， the area of extremely important grade of the ecosystem service function was the largest， accounting for 48. 74% of the total forest area， which was concentrated in the southwest of Ning'an City and the south of Muling City. The results could provide scientific basis for optimizing local ecological protection strategies and coordinating regional development.

Keywords：Ecosystem service function; forest; Mudanjiang City; evaluation model; remote sensing

收稿日期：2023-03-22

基金項(xiàng)目：中央財(cái)政林業(yè)科技推廣示范項(xiàng)目（黑[2022]TG24）；2020年度省屬科研院所科研業(yè)務(wù)費(fèi)支持項(xiàng)目（A類CZKYF2020A003）；黑龍江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（GA21C030）；黑龍江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃指導(dǎo)類項(xiàng)目 （GZ20220117）。

第一作者簡介：叢喜東，碩士，副研究員。研究方向?yàn)榱謽I(yè)遙感與生態(tài)信息監(jiān)測、林業(yè)信息工程、林業(yè)智能裝備和林業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。E-mail： xidongs@live.com

引文格式：叢喜東，李琳，齊永峰，等. 牡丹江森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價(jià)[J].森林工程，2023，39（6）：75-80.

CONG X D， LI L， QI Y F， et al. Evaluation on the importance of forest ecosystem services in Mudanjiang[J]. Forest Engineering， 2023， 39（6）：75-80.

0 引言

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)代表生態(tài)系統(tǒng)為人類提供福祉的能力，綜合評價(jià)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的重要性等級，識別重要區(qū)域的空間分布和異質(zhì)性特征，對于實(shí)施生態(tài)保護(hù)、促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，森林資源開發(fā)促進(jìn)人類福祉與生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)之間的平衡是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。自生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)概念提出以來，國內(nèi)學(xué)者就此開展了廣泛研究，劉曦等、肖驍?shù)仍u估了東北森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的價(jià)值量，舒航等利用價(jià)值轉(zhuǎn)移模型評估了森林類保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，黃龍生等研究了濟(jì)南市森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的空間格局，殷格蘭等以森林為重點(diǎn)，研究了土地覆蓋變化對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的影響。

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林在水源涵養(yǎng)、水土保持和防風(fēng)固沙等生態(tài)服務(wù)方面具有其他生態(tài)系統(tǒng)不可比擬的優(yōu)勢，然而氣候變化、森林退化、耕地和城市侵占等諸多因素正在威脅著森林資源及其服務(wù)功能的可持續(xù)發(fā)展。牡丹江市位于長白山脈北坡，森林覆蓋率超過60%，動植物資源豐富，森林生態(tài)系統(tǒng)功能對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展意義重大，但目前當(dāng)?shù)氐纳稚鷳B(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能對生態(tài)管理需求的重要性尚未得到全面評估。本研究正是針對以上問題，參照《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》提供的技術(shù)方法，基于遙感、氣象、土壤、地形和地理信息等多源數(shù)據(jù)，通過水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙及生物多樣性維護(hù)4個(gè)生態(tài)服務(wù)功能評估指標(biāo)，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價(jià)模型，對森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性進(jìn)行綜合評價(jià)，研究結(jié)果對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)區(qū)劃保護(hù)和分類管理具有應(yīng)用價(jià)值。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

牡丹江市位于黑龍江省東南部，如圖1所示，地處中、俄、朝合圍的“金三角”腹地，山地和丘陵是主要地形特征，海拔平均為230 m。研究區(qū)氣候特征為海洋（半濕潤型）中溫帶季風(fēng)氣候，雨熱同季，年平均氣溫4.5 ℃，年降水量563.1 mm。研究區(qū)森林覆蓋率超過60%，動植物資源豐富，樹種有包括紅松（Pinus koraiensis）、落葉松（Larix gmelinii）、樟子松（Pinus syivestris var. mongolica）、云杉（Picea asperata）、冷杉（Abies fabri）和水曲柳（Fraxinus mandshurica Rupr.）等百余種，野生經(jīng)濟(jì)植物2 200余種，還有東北虎（Panthera tigris altaica）、梅花鹿（Cervus nippon）和狍子（Capreolus pygargus）等珍稀野生動物。

1.2 研究數(shù)據(jù)及方法

1.2.1 氣象數(shù)據(jù)

利用中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)與數(shù)據(jù)中心（https：//www.resdc.cn/Default.aspx）獲取氣象數(shù)據(jù)，用于水源涵養(yǎng)功能、防風(fēng)固沙功能和生物多樣性維護(hù)功能的重要性評價(jià)。研究區(qū)內(nèi)包括7個(gè)觀測站，觀測站分布如圖1所示。氣象要素為氣溫、降水量、相對濕度和平均風(fēng)速，本研究采用1991—2020年逐月平均值參與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價(jià)。利用ARCGIS 10.2軟件的IDW工具對觀測站的各氣象要素進(jìn)行空間分辨率為500 m的插值處理，得到各氣象要素的空間分布圖。

1.2.2 數(shù)字高程模型

通過中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http：//www.gscloud.cn）獲取空間分辨率為90 m數(shù)字高程模型（DEM），數(shù)據(jù)版本為SRTM地形產(chǎn)品V4.1。

1.2.3 土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)

通過中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺（http：//www.resdc.cn/），獲取土壤質(zhì)地、土壤有機(jī)質(zhì)含量等土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)。

1.2.4 遙感數(shù)據(jù)

本研究收集4景2020年Landsat8/OLI數(shù)據(jù)用于研究區(qū)土地覆蓋分類，OLI傳感器的空間分辨率為15～30 m。本研究將第2、4、5波段（30 m分辨率）數(shù)據(jù)和歸一化差異植被指數(shù)（NDVI）相結(jié)合，參考國家標(biāo)準(zhǔn)《土地利用現(xiàn)狀分類》（GB/T 21010—2017）中的分類體系，采用隨機(jī)森林模型，提取研究區(qū)森林的空間分布。將目視解譯提取的28 546個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)用于精度驗(yàn)證，利用誤差矩陣法（Error Matrix）和Kappa的分析方法計(jì)算的總體分類精度為92.58%，Kappa系數(shù)為0.914 7。

同時(shí)，本研究應(yīng)用MODIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品——MOD17A3的植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）數(shù)據(jù)參與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價(jià)，通過美國NASA LPDAAC（The Land Processes Distributed Active Archive Center）EOS數(shù)據(jù)中心獲取植被指數(shù)數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的質(zhì)量信息數(shù)據(jù)集，選取植被凈初級生產(chǎn)力（NPP）和植被初級生產(chǎn)力（GPP）代表植被指數(shù)。

以上數(shù)據(jù)在ENVI軟件的支持下進(jìn)行數(shù)據(jù)重采樣，設(shè)置空間分辨率為500 m，投影轉(zhuǎn)換為Albers投影。

1.2.5 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價(jià)指標(biāo)

參照《生態(tài)保護(hù)紅線劃定技術(shù)指南》提供的技術(shù)方法，基于遙感、氣象、土壤、地形和地理信息等多源數(shù)據(jù)，在Arcgis、ENVI和Origion等軟件的支持下，利用NPP定量指標(biāo)評價(jià)法，從水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙和生物多樣性保護(hù)4個(gè)維度，構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價(jià)模型，對生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性進(jìn)行評價(jià)。

水源涵養(yǎng)功能重要性評價(jià)，計(jì)算公式如下

W=N×F×F×（1-F）。??? （1）

式中：W為生態(tài)系統(tǒng)水源涵養(yǎng)服務(wù)能力指數(shù)；N為區(qū)域多年生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力平均值；F為評價(jià)區(qū)域坡度；F為常年降水量；F為土壤滲流能力因子。

水土保持功能重要性評價(jià)，計(jì)算公式如下

S=N×（1-K）×（1-F）。??? （2）

式中：S為水土保持服務(wù)能力指數(shù)；K為土壤可蝕性因子；F為評價(jià)區(qū)域坡度。

防風(fēng)固沙功能重要性評價(jià)，計(jì)算公式如下

S=（1-N）×（1-K）×F×（1-D）。??? （3）

式中：S為防風(fēng)固沙服務(wù)能力指數(shù)；F為多年平均氣候侵蝕力；D為地表粗糙度因子。

生物多樣性保護(hù)功能重要性評價(jià)，計(jì)算公式如下

S=N×F×F×（1-F）。??? （4）

式中：S為生物多樣性保護(hù)服務(wù)能力指數(shù)；F為常年降水量；F為常年平均氣溫；F為海拔。

1.2.6 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價(jià)模型構(gòu)建

以生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能（水源涵養(yǎng)、水土保持、防風(fēng)固沙和生物多樣性保護(hù)）重要性評價(jià)指標(biāo)為基礎(chǔ)，構(gòu)建重要性評價(jià)模型

E=w·W+w·S+w·S+w·S。??? （5）

式中：E為生態(tài)系統(tǒng)功能重要性指數(shù)；w為權(quán)重，利用層次分析法確定，w=0.344 7，w=0.249 5，w=0.157 3，w=0.248 5。由于各評價(jià)指標(biāo)的量綱不一致，因此本研究將各指標(biāo)歸一化處理到0～1區(qū)間再計(jì)算E。

1.2.7 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)重要性等級劃分

采用自然斷點(diǎn)法對各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性指標(biāo)進(jìn)行分類操作，按生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)值劃分為一般重要、中等重要、重要和極重要4個(gè)等級。

2 結(jié)果與分析

2.1 牡丹江森林分布空間特征

全市森林總面積為26 127.22 km，森林覆蓋率達(dá)67.40%，見表1，其中海林市和東寧市森林面積較大，綏芬河和牡丹江市較??；從森林覆蓋率角度分析，東寧市森林覆蓋率最高，其次是海林市，林口縣和牡丹江市最低。結(jié)合圖1和圖2分析可見，牡丹江森林主要分布在海拔相對較高的區(qū)域，如海林市、東寧市和綏芬河市的大部，寧安市的南部和東部，林口縣的西北部，以及穆棱市的南部區(qū)域。

2.2 森林生態(tài)系統(tǒng)NPP變化特征

2000—2020年牡丹江森林NPP平均為（730.06±56.64） g/（m·a），其中2020年最高（903.43 g/（m·a）），2011年最低（572.42 g/（m·a））。年際間呈極顯著增加趨勢，如圖3所示，平均每年增加7.78 g/（m·a），尤其在經(jīng)歷了2011—2012年低谷期以后，從2013年開始以13.48 g/（m·a）的速度顯著增長（線性擬合為y=13.48x-26 373.95，R=0.550 1，P=0.035）。

2000年以來研究區(qū)森林NPP平均值為297.43～808.09 g/（m·a），NPP值分布頻數(shù)呈明顯的單峰曲線，如圖4（b）所示，峰值在747 g/（m·a）。結(jié)合圖4（a）和圖4（b）分析可見，NPP在700～750 g/（m·a）

的面積最大，占研究區(qū)森林總面積的48.33%，集中分布的區(qū)域在海林市西部和穆棱市南部；其次是NPP>750 g/（m·a）的區(qū)域，占34.15%，集中分布的區(qū)域在海林市西南部、寧安市大部和東寧市大部。

2.3 森林生態(tài)系統(tǒng)功能重要性

2.3.1 單項(xiàng)服務(wù)功能指標(biāo)的重要性評價(jià)

根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價(jià)方法，確定各個(gè)服務(wù)功能的重要性等級，如圖5所示，總體上看處于最重要等級的為水土保持功能，水源涵養(yǎng)和生物多樣性保護(hù)2個(gè)功能的重要性級別略低，防風(fēng)固沙重要性級別最低。分別各單項(xiàng)指標(biāo)分析可見，水源涵養(yǎng)功能重要性以“重要”和“中等重要”級別為主，分別占研究區(qū)森林總面積的47.50%和35.20%，穿插分布在研究區(qū)大部分區(qū)域；“極重要”級別最少，占7.78%，集中分布在西南部山區(qū)；水土保持功能重要性也以“重要”和“中等重要”級別為主，分別占研究區(qū)森林總面積的40.44%和43.75%，但分布格局與水源涵養(yǎng)重要性級別不同，“重要”級別分布更為集中；防風(fēng)固沙功能以“一般重要”級別為主，占研究區(qū)森林總面積的90.68%；在生物多樣性保護(hù)重要性方面，“中等重要”和“重要”級別占比分別為31.64%和39.36%，“極重要”級別占比略小，為21.52%。

2.3.2 生態(tài)系統(tǒng)功能重要性綜合評價(jià)

對牡丹江森林生態(tài)系統(tǒng)功能重要性進(jìn)行綜合評價(jià)，結(jié)果如圖6所示，“極重要”等級面積最大，占森林總面積的48.74%，集中分布的區(qū)域有寧安市西南和穆棱市南部；“重要”等級的區(qū)域占森林總面積的36.40%，集中分布的地塊在穆棱市東北部與綏芬河北部交界處；“中等重要”等級區(qū)域占13.07%，主要分布在海林市西部和穆棱市部分區(qū)域；“一般重要”等級區(qū)域占比最小，為1.78%，呈零星分布狀態(tài)。

3 結(jié)論

本研究通過構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性評價(jià)模型，對牡丹江森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能重要性進(jìn)行綜合評價(jià)，主要結(jié)論如下：全市森林總面積為26 127.22 km，其中海林市和東寧市森林面積較大，森林覆蓋率較高；2000年以來森林NPP呈極顯著的線性增加趨勢，平均每年增加7.78 g/（m·a）；森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能“極重要”等級中，以水土保持功能為主，占森林總面積的48.74%，集中分布的區(qū)域有寧安市西南和穆棱市南部。

另外，本研究雖然分析了2000年以來森林NPP的變化趨勢，但未對NPP增加的驅(qū)動因素進(jìn)行深入分析，因此明確氣候、大氣CO濃度變化、氮沉降和森林?jǐn)_動等因子對NPP動態(tài)變化的貢獻(xiàn)是今后研究的重要內(nèi)容之一。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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