牡丹江森林生态系统服务功能重要性评价

丛喜东 李琳 齐永峰 张东来

摘 要：為解决牡丹江森林生态系统服务功能对生态管理需求的重要性缺乏全面评估的问题，以黑龙江省牡丹江市森林生态系统为研究对象，参考《生态保护红线划定技术指南》及当地自然地理特征，通过水源涵养、水土保持、防风固沙及生物多样性维护4个生态服务功能评估指标，构建生态系统服务功能重要性评价模型。结果表明，牡丹江市森林覆盖率达67.40%，2000—2020年森林植被净初级生产力（NPP）平均为（730.06±56.64） g/（m·a），且呈现出极显著的增加趋势；单项评价表明，当地森林生态系统的重要性级别最高的为水土保持功能，综合评价表明，生态系统服务功能“极重要”等级面积最大，占森林总面积的48.74%，集中分布的区域有宁安市西南和穆棱市南部。结果可为当地优化生态保护策略，协调区域发展供科学依据。

关键词：生态系统服务功能；森林；牡丹江；评价模型；遥感

中图分类号：718.55 文献标识码：A 文章编号：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

基金项目：中央财政林业科技推广示范项目（黑[2022]TG24）；2020年度省属科研院所科研业务费支持项目（A类CZKYF2020A003）；黑龙江省重点研发计划（GA21C030）；黑龙江省重点研发计划指导类项目 （GZ20220117）。

第一作者简介：丛喜东，硕士，副研究员。研究方向为林业遥感与生态信息监测、林业信息工程、林业智能装备和林业物联网技术等。E-mail： xidongs@live.com

引文格式：丛喜东，李琳，齐永峰，等. 牡丹江森林生态系统服务功能重要性评价[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

生态系统服务代表生态系统为人类提供福祉的能力，综合评价生态系统服务功能的重要性等级，识别重要区域的空间分布和异质性特征，对于实施生态保护、促进区域可持续发展具有重要意义，森林资源开发促进人类福祉与生态系统保护之间的平衡是实现可持续发展的关键。自生态系统服务概念提出以来，国内学者就此开展了广泛研究，刘曦等、肖骁等评估了东北森林生态系统服务功能的價值量，舒航等利用价值转移模型评估了森林类保护区生态系统服务功能，黄龙生等研究了济南市森林生态系统服务功能的空间格局，殷格兰等以森林为重点，研究了土地覆盖变化对生态系统服务功能的影响。

作为陆地生态系统的主体，森林在水源涵养、水土保持和防风固沙等生态服务方面具有其他生态系统不可比拟的优势，然而气候变化、森林退化、耕地和城市侵占等诸多因素正在威胁着森林资源及其服务功能的可持续发展。牡丹江市位于长白山脉北坡，森林覆盖率超过60%，动植物资源丰富，森林生态系统功能对当地生态环境和经济社会发展意义重大，但目前当地的森林生态系统服务功能对生态管理需求的重要性尚未得到全面评估。本研究正是针对以上问题，参照《生态保护红线划定技术指南》提供的技术方法，基于遥感、气象、土壤、地形和地理信息等多源数据，通过水源涵养、水土保持、防风固沙及生物多样性维护4个生态服务功能评估指标，构建生态系统服务功能重要性评价模型，对森林生态系统服务功能重要性进行综合评价，研究结果对当地生态区划保护和分类管理具有应用价值。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

牡丹江市位于黑龙江省东南部，如图1所示，地处中、俄、朝合围的“金三角”腹地，山地和丘陵是主要地形特征，海拔平均为230 m。研究区气候特征为海洋（半湿润型）中温带季风气候，雨热同季，年平均气温4.5 ℃，年降水量563.1 mm。研究区森林覆盖率超过60%，动植物资源丰富，树种有包括红松（Pinus koraiensis）、落叶松（Larix gmelinii）、樟子松（Pinus syivestris var. mongolica）、云杉（Picea asperata）、冷杉（Abies fabri）和水曲柳（Fraxinus mandshurica Rupr.）等百余种，野生经济植物2 200余种，还有东北虎（Panthera tigris altaica）、梅花鹿（Cervus nippon）和狍子（Capreolus pygargus）等珍稀野生动物。

1.2 研究数据及方法

1.2.1 气象数据

利用中国科学院资源环境科学与数据中心（https：//www.resdc.cn/Default.aspx）获取气象数据，用于水源涵养功能、防风固沙功能和生物多样性维护功能的重要性评价。研究区内包括7个观测站，观测站分布如图1所示。气象要素为气温、降水量、相对湿度和平均风速，本研究采用1991—2020年逐月平均值参与生态系统服务功能重要性评价。利用ARCGIS 10.2软件的IDW工具对观测站的各气象要素进行空间分辨率为500 m的插值处理，得到各气象要素的空间分布图。

1.2.2 数字高程模型

通过中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站（http：//www.gscloud.cn）获取空间分辨率为90 m数字高程模型（DEM），数据版本为SRTM地形产品V4.1。

1.2.3 土壤性质数据

通过中国科学院地理科学与资源研究所资源环境数据云平台（http：//www.resdc.cn/），获取土壤质地、土壤有机质含量等土壤性质数据。

1.2.4 遥感数据

本研究收集4景2020年Landsat8/OLI数据用于研究区土地覆盖分类，OLI传感器的空间分辨率为15～30 m。本研究将第2、4、5波段（30 m分辨率）数据和归一化差异植被指数（NDVI）相结合，参考国家标准《土地利用现状分类》（GB/T 21010—2017）中的分类体系，采用随机森林模型，提取研究区森林的空间分布。将目视解译提取的28 546个验证点用于精度验证，利用误差矩阵法（Error Matrix）和Kappa的分析方法计算的总体分类精度为92.58%，Kappa系数为0.914 7。

同时，本研究应用MODIS数据产品——MOD17A3的植被净初级生产力（NPP）数据参与生态系统服务功能重要性评价，通过美国NASA LPDAAC（The Land Processes Distributed Active Archive Center）EOS数据中心获取植被指数数据及其对应的质量信息数据集，选取植被净初级生产力（NPP）和植被初级生产力（GPP）代表植被指数。

以上数据在ENVI软件的支持下进行数据重采样，设置空间分辨率为500 m，投影转换为Albers投影。

1.2.5 生态系统服务功能重要性评价指标

参照《生态保护红线划定技术指南》提供的技术方法，基于遥感、气象、土壤、地形和地理信息等多源数据，在Arcgis、ENVI和Origion等软件的支持下，利用NPP定量指标评价法，从水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性保护4个维度，构建生态系统服务功能重要性评价模型，对生态系统服务功能重要性进行评价。

水源涵养功能重要性评价，计算公式如下

W=N×F×F×（1-F）。    （1）

式中：W为生态系统水源涵养服务能力指数；N为区域多年生态系统净初级生产力平均值；F为评价区域坡度；F为常年降水量；F为土壤渗流能力因子。

水土保持功能重要性评价，计算公式如下

S=N×（1-K）×（1-F）。    （2）

式中：S为水土保持服务能力指数；K为土壤可蚀性因子；F为评价区域坡度。

防风固沙功能重要性评价，计算公式如下

S=（1-N）×（1-K）×F×（1-D）。    （3）

式中：S为防风固沙服务能力指数；F为多年平均气候侵蚀力；D为地表粗糙度因子。

生物多样性保护功能重要性评价，计算公式如下

S=N×F×F×（1-F）。    （4）

式中：S为生物多样性保护服务能力指数；F为常年降水量；F为常年平均气温；F为海拔。

1.2.6 生态系统服务功能重要性评价模型构建

以生态系统服务功能（水源涵养、水土保持、防风固沙和生物多样性保护）重要性评价指标为基础，构建重要性评价模型

E=w·W+w·S+w·S+w·S。    （5）

式中：E為生态系统功能重要性指数；w为权重，利用层次分析法确定，w=0.344 7，w=0.249 5，w=0.157 3，w=0.248 5。由于各评价指标的量纲不一致，因此本研究将各指标归一化处理到0～1区间再计算E。

1.2.7 生态系统服务重要性等级划分

采用自然断点法对各生态系统服务功能重要性指标进行分类操作，按生态系统服务值划分为一般重要、中等重要、重要和极重要4个等级。

2 结果与分析

2.1 牡丹江森林分布空间特征

全市森林总面积为26 127.22 km，森林覆盖率达67.40%，见表1，其中海林市和东宁市森林面积较大，绥芬河和牡丹江市较小；从森林覆盖率角度分析，东宁市森林覆盖率最高，其次是海林市，林口县和牡丹江市最低。结合图1和图2分析可见，牡丹江森林主要分布在海拔相对较高的区域，如海林市、东宁市和绥芬河市的大部，宁安市的南部和东部，林口县的西北部，以及穆棱市的南部区域。

2.2 森林生态系统NPP变化特征

2000—2020年牡丹江森林NPP平均为（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））。年际间呈极显著增加趋势，如图3所示，平均每年增加7.78 g/（m·a），尤其在经历了2011—2012年低谷期以后，从2013年开始以13.48 g/（m·a）的速度显著增长（线性拟合为y=13.48x-26 373.95，R=0.550 1，P=0.035）。

2000年以来研究区森林NPP平均值为297.43～808.09 g/（m·a），NPP值分布频数呈明显的单峰曲线，如图4（b）所示，峰值在747 g/（m·a）。结合图4（a）和图4（b）分析可见，NPP在700～750 g/（m·a）

的面积最大，占研究区森林总面积的48.33%，集中分布的区域在海林市西部和穆棱市南部；其次是NPP>750 g/（m·a）的区域，占34.15%，集中分布的区域在海林市西南部、宁安市大部和东宁市大部。

2.3 森林生态系统功能重要性

2.3.1 单项服务功能指标的重要性评价

根据生态系统服务功能重要性评价方法，确定各个服务功能的重要性等级，如图5所示，总体上看处于最重要等级的为水土保持功能，水源涵养和生物多样性保护2个功能的重要性级别略低，防风固沙重要性级别最低。分别各单项指标分析可见，水源涵养功能重要性以“重要”和“中等重要”级别为主，分别占研究区森林总面积的47.50%和35.20%，穿插分布在研究区大部分区域；“极重要”级别最少，占7.78%，集中分布在西南部山区；水土保持功能重要性也以“重要”和“中等重要”级别为主，分别占研究区森林总面积的40.44%和43.75%，但分布格局与水源涵养重要性级别不同，“重要”级别分布更为集中；防风固沙功能以“一般重要”级别为主，占研究区森林总面积的90.68%；在生物多样性保护重要性方面，“中等重要”和“重要”级别占比分别为31.64%和39.36%，“极重要”级别占比略小，为21.52%。

2.3.2 生态系统功能重要性综合评价

对牡丹江森林生态系统功能重要性进行综合评价，结果如图6所示，“极重要”等级面积最大，占森林总面积的48.74%，集中分布的区域有宁安市西南和穆棱市南部；“重要”等级的区域占森林总面积的36.40%，集中分布的地块在穆棱市东北部与绥芬河北部交界处；“中等重要”等级区域占13.07%，主要分布在海林市西部和穆棱市部分区域；“一般重要”等级区域占比最小，为1.78%，呈零星分布状态。

3 结论

本研究通过构建生态系统服务功能重要性评价模型，对牡丹江森林生态系统服务功能重要性进行综合评价，主要结论如下：全市森林总面积为26 127.22 km，其中海林市和东宁市森林面积较大，森林覆盖率较高；2000年以来森林NPP呈极显著的线性增加趋势，平均每年增加7.78 g/（m·a）；森林生态系统服务功能“极重要”等级中，以水土保持功能为主，占森林总面积的48.74%，集中分布的区域有宁安市西南和穆棱市南部。

另外，本研究虽然分析了2000年以来森林NPP的變化趋势，但未对NPP增加的驱动因素进行深入分析，因此明确气候、大气CO浓度变化、氮沉降和森林扰动等因子对NPP动态变化的贡献是今后研究的重要内容之一。

【参 考 文 献】

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