牡丹江森林生態系統服務功能重要性評價

叢喜東 李琳 齊永峰 張東來

摘 要：為解決牡丹江森林生態系統服務功能對生態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系統為研究對象，參考《生態保護紅線劃定技術指南》及當地自然地理特征，通過水源涵養、水土保持、防風固沙及生物多樣性維護4個生態服務功能評估指標，構建生態系統服務功能重要性評價模型。結果表明，牡丹江市森林覆蓋率達67.40%，2000—2020年森林植被凈初級生產力（NPP）平均為（730.06±56.64） g/（m·a），且呈現出極顯著的增加趨勢；單項評價表明，當地森林生態系統的重要性級別最高的為水土保持功能，綜合評價表明，生態系統服務功能“極重要”等級面積最大，占森林總面積的48.74%，集中分布的區域有寧安市西南和穆棱市南部。結果可為當地優化生態保護策略，協調區域發展供科學依據。

關鍵詞：生態系統服務功能；森林；牡丹江；評價模型；遙感

中圖分類號：718.55 文獻標識碼：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

基金項目：中央財政林業科技推廣示范項目（黑[2022]TG24）；2020年度省屬科研院所科研業務費支持項目（A類CZKYF2020A003）；黑龍江省重點研發計劃（GA21C030）；黑龍江省重點研發計劃指導類項目 （GZ20220117）。

第一作者簡介：叢喜東，碩士，副研究員。研究方向為林業遙感與生態信息監測、林業信息工程、林業智能裝備和林業物聯網技術等。E-mail： xidongs@live.com

引文格式：叢喜東，李琳，齊永峰，等. 牡丹江森林生態系統服務功能重要性評價[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

生態系統服務代表生態系統為人類提供福祉的能力，綜合評價生態系統服務功能的重要性等級，識別重要區域的空間分布和異質性特征，對于實施生態保護、促進區域可持續發展具有重要意義，森林資源開發促進人類福祉與生態系統保護之間的平衡是實現可持續發展的關鍵。自生態系統服務概念提出以來，國內學者就此開展了廣泛研究，劉曦等、肖驍等評估了東北森林生態系統服務功能的價值量，舒航等利用價值轉移模型評估了森林類保護區生態系統服務功能，黃龍生等研究了濟南市森林生態系統服務功能的空間格局，殷格蘭等以森林為重點，研究了土地覆蓋變化對生態系統服務功能的影響。

作為陸地生態系統的主體，森林在水源涵養、水土保持和防風固沙等生態服務方面具有其他生態系統不可比擬的優勢，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功能的可持續發展。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，森林生態系統功能對當地生態環境和經濟社會發展意義重大，但目前當地的森林生態系統服務功能對生態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《生態保護紅線劃定技術指南》提供的技術方法，基于遙感、氣象、土壤、地形和地理信息等多源數據，通過水源涵養、水土保持、防風固沙及生物多樣性維護4個生態服務功能評估指標，構建生態系統服務功能重要性評價模型，對森林生態系統服務功能重要性進行綜合評價，研究結果對當地生態區劃保護和分類管理具有應用價值。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

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。研究區氣候特征為海洋（半濕潤型）中溫帶季風氣候，雨熱同季，年平均氣溫4.5 ℃，年降水量563.1 mm。研究區森林覆蓋率超過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，野生經濟植物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 研究數據及方法

1.2.1 氣象數據

利用中國科學院資源環境科學與數據中心（https：//www.resdc.cn/Default.aspx）獲取氣象數據，用于水源涵養功能、防風固沙功能和生物多樣性維護功能的重要性評價。研究區內包括7個觀測站，觀測站分布如圖1所示。氣象要素為氣溫、降水量、相對濕度和平均風速，本研究采用1991—2020年逐月平均值參與生態系統服務功能重要性評價。利用ARCGIS 10.2軟件的IDW工具對觀測站的各氣象要素進行空間分辨率為500 m的插值處理，得到各氣象要素的空間分布圖。

1.2.2 數字高程模型

通過中國科學院計算機網絡信息中心國際科學數據鏡像網站（http：//www.gscloud.cn）獲取空間分辨率為90 m數字高程模型（DEM），數據版本為SRTM地形產品V4.1。

1.2.3 土壤性質數據

通過中國科學院地理科學與資源研究所資源環境數據云平臺（http：//www.resdc.cn/），獲取土壤質地、土壤有機質含量等土壤性質數據。

1.2.4 遙感數據

本研究收集4景2020年Landsat8/OLI數據用于研究區土地覆蓋分類，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）數據和歸一化差異植被指數（NDVI）相結合，參考國家標準《土地利用現狀分類》（GB/T 21010—2017）中的分類體系，采用隨機森林模型，提取研究區森林的空間分布。將目視解譯提取的28 546個驗證點用于精度驗證，利用誤差矩陣法（Error Matrix）和Kappa的分析方法計算的總體分類精度為92.58%，Kappa系數為0.914 7。

同時，本研究應用MODIS數據產品——MOD17A3的植被凈初級生產力（NPP）數據參與生態系統服務功能重要性評價，通過美國NASA LPDAAC（The Land Processes Distributed Active Archive Center）EOS數據中心獲取植被指數數據及其對應的質量信息數據集，選取植被凈初級生產力（NPP）和植被初級生產力（GPP）代表植被指數。

以上數據在ENVI軟件的支持下進行數據重采樣，設置空間分辨率為500 m，投影轉換為Albers投影。

1.2.5 生態系統服務功能重要性評價指標

參照《生態保護紅線劃定技術指南》提供的技術方法，基于遙感、氣象、土壤、地形和地理信息等多源數據，在Arcgis、ENVI和Origion等軟件的支持下，利用NPP定量指標評價法，從水源涵養、水土保持、防風固沙和生物多樣性保護4個維度，構建生態系統服務功能重要性評價模型，對生態系統服務功能重要性進行評價。

水源涵養功能重要性評價，計算公式如下

W=N×F×F×（1-F）。??? （1）

式中：W為生態系統水源涵養服務能力指數；N為區域多年生態系統凈初級生產力平均值；F為評價區域坡度；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，計算公式如下

S=N×（1-K）×（1-F）。??? （2）

式中：S為水土保持服務能力指數；K為土壤可蝕性因子；F為評價區域坡度。

防風固沙功能重要性評價，計算公式如下

S=（1-N）×（1-K）×F×（1-D）。??? （3）

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

生物多樣性保護功能重要性評價，計算公式如下

S=N×F×F×（1-F）。??? （4）

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

1.2.6 生態系統服務功能重要性評價模型構建

以生態系統服務功能（水源涵養、水土保持、防風固沙和生物多樣性保護）重要性評價指標為基礎，構建重要性評價模型

E=w·W+w·S+w·S+w·S。??? （5）

式中：E為生態系統功能重要性指數；w為權重，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。由于各評價指標的量綱不一致，因此本研究將各指標歸一化處理到0～1區間再計算E。

1.2.7 生態系統服務重要性等級劃分

采用自然斷點法對各生態系統服務功能重要性指標進行分類操作，按生態系統服務值劃分為一般重要、中等重要、重要和極重要4個等級。

2 結果與分析

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小；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域。

2.2 森林生態系統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年以來研究區森林NPP平均值為297.43～808.09 g/（m·a），NPP值分布頻數呈明顯的單峰曲線，如圖4（b）所示，峰值在747 g/（m·a）。結合圖4（a）和圖4（b）分析可見，NPP在700～750 g/（m·a）

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

2.3 森林生態系統功能重要性

2.3.1 單項服務功能指標的重要性評價

根據生態系統服務功能重要性評價方法，確定各個服務功能的重要性等級，如圖5所示，總體上看處于最重要等級的為水土保持功能，水源涵養和生物多樣性保護2個功能的重要性級別略低，防風固沙重要性級別最低。分別各單項指標分析可見，水源涵養功能重要性以“重要”和“中等重要”級別為主，分別占研究區森林總面積的47.50%和35.20%，穿插分布在研究區大部分區域；“極重要”級別最少，占7.78%，集中分布在西南部山區；水土保持功能重要性也以“重要”和“中等重要”級別為主，分別占研究區森林總面積的40.44%和43.75%，但分布格局與水源涵養重要性級別不同，“重要”級別分布更為集中；防風固沙功能以“一般重要”級別為主，占研究區森林總面積的90.68%；在生物多樣性保護重要性方面，“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 生態系統功能重要性綜合評價

對牡丹江森林生態系統功能重要性進行綜合評價，結果如圖6所示，“極重要”等級面積最大，占森林總面積的48.74%，集中分布的區域有寧安市西南和穆棱市南部；“重要”等級的區域占森林總面積的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”等級區域占13.07%，主要分布在海林市西部和穆棱市部分區域；“一般重要”等級區域占比最小，為1.78%，呈零星分布狀態。

3 結論

本研究通過構建生態系統服務功能重要性評價模型，對牡丹江森林生態系統服務功能重要性進行綜合評價，主要結論如下：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）；森林生態系統服務功能“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增加的驅動因素進行深入分析，因此明確氣候、大氣CO濃度變化、氮沉降和森林擾動等因子對NPP動態變化的貢獻是今后研究的重要內容之一。

【參 考 文 獻】

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