東北森林區生態保護及生物資源開發利用技術及示范

何興元,于景華

1 中國科學院東北地理與農業生態研究所, 長春 130000 2 中國科學院沈陽應用生態研究所, 沈陽 110000

東北森林區生態保護及生物資源開發利用技術及示范

何興元1,*,于景華2

1 中國科學院東北地理與農業生態研究所, 長春 130000 2 中國科學院沈陽應用生態研究所, 沈陽 110000

由中央財政專項資助的項目(2016YFC0500300),面向東北林區天然林保護與經濟綠色轉型發展等重大需求,針對關鍵技術瓶頸開展技術研發和集成,建立森林生態系統與生物資源監測平臺,突破重要生物資源允收量控制、關鍵種保護和群落定向分類等天然林保護關鍵技術,基于品種創新、原生境生態培育和高附加值產品工藝研發,建立全產業鏈技術體系與標準,支持東北林區天然林有效保護和林區經濟的可持續發展。本項目預期建立天然林保護與生物資源利用全產業鏈技術體系與規程29套以上,育成新品種15個以上,開發生態產品16項以上,申請發明專利25項以上,生態產品全部產業轉化,項目形成的技術體系將在龍江森工的伊春林區、牡丹江林區和吉林森工的長白山林區建立三大規模化示范基地,結合周邊生態脆弱地區示范推廣,總面積達10萬hm2以上,示范區非林經濟總量提高50%、人均收入平均增長1.5倍。

東北森林區；生態保護；生物資源；綜合利用；示范

廣泛的資源開發及全球變化正在加劇生態保護與經濟發展的激烈沖突,2015年聯合國森林論壇第十一屆會議表明,森林可持續管理已經提升到事關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系統保護目標和諸多國家的基本戰略目標[1]。因此,維系森林生態與經濟多目標服務功能,成為全球可持續發展戰略的主導方向[2]。

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

探索森林資源生態、經濟功能可持續的生態保護技術,權衡和協調保護與利用關系,成為天然林保護的重要方向。其中,影響恢復演替進程的關鍵種受到強烈關注。美國和澳大利亞等國家提出“保留林業”[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研究所提出的“栽針保闊”理論[8]成為闊葉紅松林區生態恢復的主導思想,對于碳匯、生物多樣性等森林生態系統功能與生產力穩定提升、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]。基于遺傳多樣性數據和群落優先保護等級[11]合理布局,避免關鍵種、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進一步發展。

建立和完善天然林有效保護前提下生物資源全產業鏈生態利用技術體系,是實現林區經濟綠色轉型與林區人口精準扶貧的根本保障。抗性、豐產、優質新品種選育是生物資源培育產業不可或缺的基礎,在培育方式上則向短周期、復合種植方向發展,以期充分利用有限的土地資源,同時提高組成物種環境適應能力和人工群落生態服務功能[13],在利用中注重全資源生態化利用和新功能研發。例如,中國科學院武漢植物園以獼猴桃為主的品種創新,使其成為獼猴桃世界級產業研究中心,西南林區快速興起的花卉業也以種質創新為主要基礎；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[14]后,縮短培植周期3年以上,每畝成本節約1.5萬元左右；美國的Genipaamericana為傳統食用漿果,最近研發出用于飲料、食品、藥品、膳食補充劑、化妝品等多個市場的色素產品[15]。東北林區不同種類生物資源產業均存在關鍵限制因素,例如,藍莓等漿果以國外品種為主,要求強酸性環境,林地生境嚴重受損[16],土著種質受基因污染風險劇增；東北林區林藥、林菜培植多采用低效的分根技術,孢子培育、組培快繁等技術已通過小規模試生產,亟需規模化推廣；大部分資源以原料和初級產品為主,產業效益低下。

綜上所述,必須針對東北林區現有問題開展系列關鍵技術突破和技術集成,建立全產業鏈技術體系和技術標準,才能真正實現東北林區天然林有效保護和林區綠色經濟轉型,協調生態保護與經濟發展的劇烈沖突,擺脫林區經濟對東北區域經濟發展的滯后影響,服務于林農全面脫貧和生態保護戰略目標。

1 研究內容、研究方法及技術路線

1.1 研究內容

1.1.1 東北森林生態系統監測與評估技術研究

針對現有監測體系難于實現多尺度、多參數、高效率等監測要求,基于多元立體監測技術思路,研建東北森林生態系統監測技術平臺及其技術規范,實現森林生態系統空間分布與生物資源蘊藏量動態監測、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、植被等環境信息,構建面向東北森林生態保護與生物資源開發利用科學研究與生產實踐的共享數據平臺。

1.1.2 東北森林生態系統保護與恢復技術研究與示范

針對東北森林生物多樣性下降、次生林生態系統天然更新障礙、生物資源無序開發等亟需解決的關鍵問題,以原生穩定群落為參照,基于關鍵種生境分析、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途徑,以生物資源蘊藏量調查數據和空間模型模擬動態數據為基礎,研究重要野生生物資源允收量閾值標準,根據關鍵種、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系統的反饋關系,建立東北森林群落定向分類、優先保護分級技術和保護策略。

1.1.3 東北森林重要生物資源種質收集與新品種選育、高效快繁技術研究

針對東北森林區生物資源培育產業中可選品種少、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、山野菜等種質評價體系,進而收集優良種質,建立種質資源圃,選育適合東北氣候特色、宜于林下或退耕還林地規模化種植、耐貯藏高產品種或品系,建立種子、種苗等級標準。

針對東北森林區重要生物資源人工培育以野生種源為主、育苗周期長、規模化擴繁存有障礙,難于實現品種化并導致種植業經濟收益低等問題,基于休眠破解技術、孢子培育技術、組織培養技術和扦插技術,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體系。

1.1.4 東北森林重要生物資源生態培育技術研究

針對生物資源培育傳統技術破壞森林生境,木本生物資源產量低下、資源規模銳減等現實問題,以林分結構調整、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化、定向化、高產化種植技術體系研究,結合表觀性狀與關鍵成分指標的采收體系研究,以林農過渡區為代表的生態脆弱區灌木型生物資源規模化種植及豐產技術研究,在國家林業局森林撫育政策框架內,研建喬木、灌木等果用林可持續采收生物資源冠層管理促產技術體系。

1.1.5 東北森林重要生物資源產品開發技術研究

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

1.1.6 東北森林監測、保護與生物資源開發利用技術集成與綜合示范

遵循森林生態系統恢復原理,集成上述研究結論,以黑龍江和吉林森工林區為主,開展森林生態系統監測信息平臺、蘊藏量與允收量監測和評估技術、新品種、生態培育技術與產品加工技術集中示范,特別是研究建立不同森林生物資源間復合種植技術以充分利用土林地資源。

1.2 研究方法

1.2.1 生態系統監測與評估

集成現有地面樣地調查數據集和遙感、空地雷達、森林結構重建技術,構建生態系統多元數據監測平臺,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、森林健康評價體系。

1.2.2 天然林保護技術

基于生物多樣性維持機制、關鍵種更新、允收量空間動態預測模型、群落定向分類與優先保護等手段,建立協調生態系統結構、功能和生物資源可持續利用的天然林保護技術體系。

1.2.3 優良品種選育技術

基于土著種質,利用雜交育種、誘變育種和分子育種技術進行。

1.2.4 種苗高效繁育技術

利用破休眠、組培、扦插和微根繁殖等技術實現難繁育物種規模化快繁。

1.2.5 生態化培育技術

對于人工培植物種,基于生境適宜性,應用微環境恢復與構建、原生境模擬技術實現生物資源的優質、高產生態培植。

1.2.6 產品加工技術

以超微粉、納米、酶解和膜技術等為核心,建立高生物利用度、高附加值產品生態工藝。

1.3 技術路線

如圖1所示。

圖1 項目技術路線Fig.1 Technical line of the project

2 項目目標和考核指標

2.1 項目目標

面向東北林區天然林保護與經濟綠色轉型發展重大需求,針對天然林與生物資源保護、快速恢復,以及生物資源生態利用全產業鏈關鍵技術瓶頸,開展技術研發和集成,建立森林生態系統與生物資源監測平臺,突破重要生物資源允收量控制,以關鍵種保護、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,以品種創新、快速繁育、原生境生態培育和高附加值產品工藝為核心的重要生物資源開發利用技術,建立全產業鏈技術體系與技術標準,支持東北林區天然林保護和林區經濟可持續發展。

2.2 考核指標

(1)建立森林生態系統與生物資源監測平臺1個,天然林生態保護技術體系1套,技術規程4套以上。

(2)收集重要生物資源優異種質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5%以上。

(3)建立重要生物資源快速繁育技術體系10項以上,生態化種植技術體系15項以上,技術規程25套以上。

(4)開發重要生物資源高附加值產品16項以上,建立聯盟產品標準。

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

(6)技術體系在鐵力、牡丹江、露水河等森工林區示范推廣10 萬hm2以上,生態產品全部產業轉化,示范區非林經濟總量提高50%,人均收入平均增長1.5 倍。

3 項目成果的呈現形式及描述

(1)東北森林生態系統與生物資源監測平臺

基于地面數據、遙感數據結合,集成不同尺度監測手段,實現森林生態系統與生物資源蘊藏量高精度、近實時監測。

(2)東北森林生態保護技術體系

基于關鍵種恢復的林分結構優化、重要生物資源允收量控制、森林定向分類、定向培育與優先保護等技術。

(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新

收集優異種質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、新品種權為呈現形式。

(5)技術規程與產品標準

建立生態系統監測、保護、生物資源培育技術規程29套以上,加工產品聯盟標準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

建一支設區域和國內有影響的森林生態系統監測、保護與生物資源開發利用研究團隊,在第一層次培養在國內外有較大影響的學科帶頭人8—15人,在第二層次培養中青年學術骨干30人以上,培養研究生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)知識產權

發明專利和軟件著作權36項以上,SCI論文45篇以上。

4 結語

本項目的實施,將基于東北森林區生態系統監測與天然林保護技術實現野生生物資源原生境恢復,基于品種選育和生態培植技術實現人工資源產量顯著提升,進一步基于產品創新技術帶動全產業鏈效益,全面促進區域林業經濟轉型和復蘇,以生態經濟林形式支撐生態脆弱區生態改善、經濟發展。項目技術成果示范、推廣10萬hm2以上,累計新增直接經濟效益25億元以上,產品創新將使低值原料效益顯著提升,預期新增效益10億元以上,示范區非林經濟總量提高50%、人均收入平均增長1.5 倍；上述技術后續5年內累計推廣可達2000萬畝以上,將實現累計經濟效益增收450億元以上。

本項目從生態系統整體性視角出發,在區域尺度上開展森林生態系統監測、保護與區域特色生物資源生態化、產業化利用技術的大規模集成示范,發展體現區域生態特點的生態產業集群,將強力支持我國“兩屏三帶”中唯一的森林帶——東北森林區天然林有效恢復和林農、林企經濟增收,在自然-經濟-社會復合系統重建中促進區域社會經濟發展、產業綠色轉型和民生改善,保障國家“十三五”期間生態文明建設與扶貧攻堅總體戰略目標的實現,進而維護國家生態安全和區域經濟可持續發展。

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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.東北森林區生態保護及生物資源開發利用技術及示范.生態學報,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.