基于“三生”協調的鄭州森林生態系統評價管理*

張 煜 張淑梅 何瑞珍 邢露華 王 瑩 趙曉玉 田國行

ZHANG Yu, ZHANG Shumei, HE Ruizhen, XING Luhua, WANG Ying, ZHAO Xiaoyu, TIAN Guohang

城市森林生態系統是城市地域內為促進人與自然協調，以樹木為主體的植被及其所在人文自然環境構成的森林生態系統[1-2]，具有調節氣候、涵養水源、保持水土等重要生態調節功能[3]；維持生物多樣性、固碳釋氧等生態支持功能；提供林業各類產品的生產功能；為區域城市居民提供人類活動、身心健康的文化服務功能[4]。早在1912年，美國林學家Mell就預見性地提出“林學家的陣地就在城市”。20世紀60年代，“城市森林”概念首先在北美提出、形成并得到認可。我國于20世紀80年代后期引進城市森林概念，并很快在國內得到認同，90年代后期即進入理論和實踐并重的發展階段。黨的十八大以來，以生態文明改革為指導思想，陸續開展了對國土空間規劃的探索。2018年組建自然資源部，對自然資源開發利用和保護進行監管，標志著我國實現“多規合一”、建立國土空間規劃體系的改革已進入全面系統的落實階段，與此同時，城市森林建設與發展也成為“山水林田湖草生命共同體”的重要組成部分。城市森林生態系統規劃作為國土空間規劃的專項規劃，是國土空間規劃的重要“支撐”，是生態紅線劃定的基本依據。此專項規劃如果能前置，國土空間規劃中的生態紅線的劃定就更加科學合理。圍繞國土空間統籌布局，發揮國土空間規劃對專項規劃的指導，并利用其他各類生態專項規劃實現“剛彈相濟”的治理和傳導體系，以“三類五級”的體系為綱，國家和省級管理部門嚴格控制“三生空間”的規模總量，剛性治理；市縣鄉要精準、科學、合理地進行規劃落地，通過結構的確定實現彈性傳導。

近年來，隨著鄭州市人口的持續增長、高強度的國土開發建設，早期森林資源粗放的經營管理方式以及城市空間急劇擴張對生產、生態空間的不斷侵蝕，使得部分地區森林生態系統退化嚴重。森林生態系統退化導致自然的景觀格局、植被結構及生態過程受到極大改變與破壞[5-7]，呈現森林面積減少、林分結構單一、初級生產力降低、生物多樣性下降等廣泛且多形式的森林持續退化問題，影響了鄭州生態系統服務功能[8]；并呈現人為干擾嚴重、人工景觀化、斑塊破碎化嚴重的特征[9]。同時，人類對森林生態系統服務和森林各類資源的需求不斷增長的同時也在發生轉變，既要求城市森林滿足人們的休閑游憩和文化旅游需求，又需要維護動物棲息地、保護區域生態系統穩定性與完整性。這些職能的重疊、定位的沖突、經營管理的混亂對國土空間的協調發展產生極大的負面影響。如何以森林生態系統評價為基礎，以承載、服務城市的目標為導向，進而精準地進行功能區劃、科學地開展經營管理，對“三生”協調下的區域生態建設與保護具有重要意義。

面對長期受退化威脅的城市森林生態系統，國內外學者從城市森林生態系統退化的擾動原因、退化生態系統結構與功能的動態發展、恢復目的與方式、生態系統彈性及維持其生物多樣性與生態系統結構和功能的能力等多方面[10-17]開展評價，如任海等從生態系統的自組織力、抵抗能力、適應能力為受冰雪凍災干擾下的退化亞熱帶林生態系統建立恢復力評價體系[18]；戰金艷等從生境條件和生態存儲兩方面選擇26個指標對江西省蓮花縣森林生態系統恢復力開展分析[19]1304；李麗等從氣候、土壤、地形、人類干擾、生態存儲5個方面定量評估森林生態系統自組織力、災害抵抗能力與適應能力[20]19。亦有學者從區域生態系統在遭受外界干擾時，產生生態環境問題的頻率與程度開展分析[21]103,[22-24]，如熊善高等結合生態敏感性評價與生態系統服務功能劃定南寧市生態空間[25]1；楊遠秦等基于生態敏感性及生態系統服務功能構建區域生態安全格局并提出分區建設開發建議[26]。

1 研究區概況

鄭州是河南省省會城市，市域總面積為7 511 km2①，截至2017年，常住人口約988.1萬人[27]，地處華北平原南部、黃河下游地帶。屬北溫帶半干旱季風型大陸性氣候，年平均氣溫為14.4℃，年平均降雨量為640.9 mm。研究區地形西部高，東部低，中部高，東北、東南低，地勢呈階梯狀，從中山—低山—丘陵—平原逐漸過渡，主要山體有嵩山、具茨山、大熊山、氓嶺等（見圖1）。研究區土壤以褐土、潮土為主，4個土類9個亞類均有。大小河流124條，流域面積較大的河流有29條，分屬于黃河和淮河兩大水系。

鄭州市在植物區系劃分上屬于暖溫帶落葉闊葉林植被型，全市綠化面積達到251 300 hm2。其中，現有綠地面積為14 400 hm2，林業用地面積為236 900 hm2，森林覆蓋率達到33.36%，活立木蓄積量為1 443.4萬m3，生態公益林面積達到133 300 hm2，占林業用地面積的56.13%，約有樹種178科、941屬、2 302種。研究區西部沿黃河分布以泡桐為主的用材林及以棗樹、核桃為主的經濟林；北部沿黃河兩側分布以歐美楊、刺槐、柏木、其他軟闊類為主的水土保持林、防風固沙林和其他防護林地，以及以石榴為主的經濟林，是研究區重要的綠色屏障；東部黃淮平原地區主要分布以歐美楊、刺槐、白蠟為主的用材林及以歐美楊、刺槐為主的防風固沙林；研究區西南部地形以低山—中山為主，植被資源豐富，主要森林資源是以油松、火炬松、櫟類、榆樹、刺槐為主的水土保持林、水源涵養林以及以山皂角、核桃為主的經濟林；在研究區南部丘陵地區主要分布以歐美楊、刺槐、柏木為主的一般用材林和以毛白楊為主的速生豐產用材林，是重要的商品林經營區。本文以鄭州市域國土空間為尺度開展城市森林生態系統經營體系研究，雖然不完全符合相關學者對城市森林的研究范圍界定，但符合現代林業理念且從政府部門保護、開發、養護、管理的實際出發，更易于統籌開展與落實。

表1 城市森林生態系統評價指標權重表

2 研究方法

2.1 數據來源及處理

本文采用的遙感影像為2017年Landsat 8 OLI_TIRS衛星遙感數據，分辨率為30 m×30 m，出自地理空間數據云網站（http://www.gscloud.cn）。通過遙感原始數據的波段組合、幾何校正及配準、圖像剪裁等方法獲得研究區遙感影像。以此為基礎，借助ENVI軟件，通過歸一化處理得到歸一化植被指數NDVI；并使用地理空間數據云網站分辨率30 m×30 m的數字高程模型DEM數據，由DEM數據計算高程、坡度、坡向指標。

通過實地考察，結合行政區劃、城市總體規劃、綠地系統規劃、郊野公園專項規劃等相關資料，以遙感影像圖為底圖，繪制現狀自然保護區、森林公園、風景名勝區等斑塊現狀位置與邊界；土壤圖為河南土壤地理編委會編制的1:1 000 000河南省土壤圖；氣候數據是通過對國家氣象站點多年監測數據進行插值而得到；基于遙感數據，結合地形、降雨、土壤等因子，使用通用土壤侵蝕方程（USLE），計算平均侵蝕模數；基于鄭州市林地變更數據庫，以符合林地變更調查規范的大量實地野外調查為補充，獲取郁閉度、齡組等數據，計算研究區生態儲存；人口空間分布數據來源于中科院資源環境科學數據中心網站（http://www.resdc.cn），該數據是基于各縣市的人口普查數據，結合土地利用類型、夜間燈光亮度、居民點密度進行空間化處理而得到[28]。

2.2 指標評價體系構建

評價體系以“三生空間”評價識別[25]4,[29,30]為基礎，結合森林生態系統評價體系，借鑒生態保護紅線劃定技術指南的方法與成果，從生態敏感性、生態恢復力、城市建設3個方面構建“三生”協調下的城市森林生態系統復合評價模型。

2.2.1 數據歸一化

評價指標體系中各評價因子量綱不同，因此在ArcGIS中首先對數據進行柵格化處理，將其統一轉化成30 m×30 m的柵格數據，然后進行歸一化處理。本文對正向和負向評價指標分別按公式（1）、（2）進行歸一化處理，公式如下：

式中：Xij為第i個評價指標的第j個柵格歸一化值，Xij為第i個評價指標的第j個柵格值，Xmax為i評價指標的柵格最大值，Xmin為i評價指標的柵格最小值。

2.2.2 權重計算

評價權重影響研究結果的正確程度，本文采用AHP層次分析法，結合相關文獻研究[19]1306,[20]21,[21]104,[31]以及專家打分構建判斷矩陣，確定各指標權重，并通過一致性檢驗，具體指標及權重詳見表1。

2.3 評價方法

本文采用綜合評價指數法，以30 m×30 m為柵格數據單元，使用ArcGIS軟件的地圖代數功能對柵格化的各項評價指標進行空間疊加，分別計算研究區的城市森林生態系統敏感性、生態恢復力以及城市建設評價的空間分布規律的定量化描述。

式中：a為目標層指標生態敏感性、生態恢復力、城市建設的指標值，Wi為i評價指標的權重，Xi為i評價指標歸一化值。

在ArcGIS中使用地圖代數功能，對生態敏感性、生態恢復力和城市建設進行疊加分析，采用ArcGIS自然斷點法將分析結果劃分為城市適宜建設區、近郊生態緩沖區和遠郊生態保育區。

3 結果與分析

3.1 生態敏感性評價

本文選取植被與保護區、水系、地形、水土流失4個影響因子，對生態敏感性進行綜合評價。結果顯示，最高值為0.1578，位于研究區中部嵩山、浮戲山以及北部黃河地區，最低值廣泛分布于研究區南部、東部，空間分布上呈顯著差異，敏感性空間從西南山地及北部沿黃河區域向中部鄭州市建成區遞減過渡（見圖2）。植被與保護區因子最高值為0.0844，高度敏感區主要沿黃河以及西南伏牛山脈、箕山山脈分布，包括黃河濕地自然保護區，嵩山國家森林公園、始祖山國家森林公園等森林公園以及植被繁茂地區。地形因子最高值為0.0735，高度敏感區主要沿研究區山脈分布，包括坡度25°以上以及起伏度90°以上地區。該地區生境條件極端，對外界變化活動極度敏感。水土流失因子高度敏感區主要位于研究區西南山地地區，該地區山體為土石山，受降雨影響強烈，部分地區土壤侵蝕模數較高，同時金屬礦場、煤礦場以及采石場也使得周邊地區地貌、植被遭到嚴重破壞，水土流失嚴重。將各影響因子疊加后，高敏感區主要分布于研究區北部沿黃河地區、登封市與中牟縣北部、鞏義市東部、新密市北部及南部。

圖2 鄭州生態敏感性分布圖

3.2 生態恢復力評價

生態儲存與立地條件是生態恢復力的重要影響因素，研究區生態恢復力自中部向西南呈現逐步上升趨勢，最高值為0.1755，位于研究區西南部伏牛山脈及箕山山脈地區，研究表明西南部比東部地區更加穩定（見圖3），值為0.046—0.086的區域占大多面積。研究區屬北溫帶半干旱季風型大陸性氣候，氣溫自西向東呈遞減趨勢，降雨自北向南遞增，西南部海拔較高，以中山、低山地形為主，降雨充沛，雨水資源豐富，生境環境較好，利于植被生長。該地區植被覆蓋率較高，分布以油松、火炬松、櫟類、榆樹、刺槐為主的喬木林和灌木林等，植物多樣性豐富，植被類型多種多樣，樹種結構合理，林齡以幼齡、中齡、近熟林為主，生物多樣性豐富，生態系統的自我調節能力較強，在受到外界干擾后能迅速恢復。東部地區地勢平坦，城市建成區的建設開發以及農田林網受侵蝕破壞的影響使得植被覆蓋率較低，林地生態恢復力較差，值為0.001左右，無人工管理養護，極易發生退化。

3.3 城市建設評價

研究區城市建設評價結果如圖4所示，城市建設強度越大，開發建設活動越劇烈，城市森林生態系統受其影響導致的生態系統退化越容易發生。因此，城市建設干擾值越大，生態系統受到的壓力越大，反之亦然。城市建設最高值為0.1973，位于鄭州市建成區，包括中原區、二七區以及金水區，較大值地區主要位于上街區、鞏義市、滎陽市，以及新密市，評價值在0.0394—0.1006之間。該區域人口較為密集，城市化程度較高，道路密度大，交通便利，土地資源較為緊張，同時經濟水平較高，其城市建設處于較高水平（見圖4）。登封市與中牟縣產業以農業為主，農田及林地占區域面積比例較高，該區域人類活動水平較低。

3.4 分區劃定

對研究區的生態敏感性、生態恢復力、城市建設評價結果進行疊加分析，采用ArcGIS自然斷點法，對其進行城市森林生態系統空間區劃（見表2），分為適宜建設開發區、近郊生態緩沖區和遠郊生態保育區3種類型（見圖5）。

表2 研究區復合評價分區結果

圖3 鄭州生態恢復力分布圖

圖4 城市建設分布圖

圖5 研究區復合評價分區圖

3.4.1 適宜建設開發區經營管理建議

適宜建設開發區面積為2 246 km2，占研究區總面積的29.90%，主要分布于研究區中部，以鄭州中心城區為核心沿道路輻射連接各縣市的建成區，是區域的主要人類生活空間，處于“低敏感、低恢復、高壓力”狀態。該區域以天然林為代表的自然植被群落被人工園林綠化所取代，城市森林以城市綠地、人工園林樹種群落為主要存在形式，其原始的水氣通透的自然生境被大規模不透水硬質鋪裝取代，土壤板結化嚴重，生境惡劣，同時由于城市園林景觀效果、人文表達、抗性防護的功能需求，在樹種選擇過程中依賴人為選擇，其林地種類較少，結構、林分單一，生態恢復力較差，極度依賴人工養護管理，屬“高投入，低生態回報”區域。在該區域應積極改良土壤以改善植被立地條件，豐富林地種類與結構，增強生物多樣性，應保障養護管理資金投入，提高養護水平，并積極通過垂直綠化、屋頂綠化多種形式增加綠地數量、提升綠地質量、提高生態效益，形成綠地結構科學、功能完整的生態網絡體系，有效改善人居環境。

3.4.2 近郊生態緩沖區經營管理建議

近郊生態緩沖區面積為3 707 km2，占研究區總面積的49.36%，比例最高，主要位于鞏義西部、滎陽北部以及中牟、新鄭、新密的平原地區，以生產空間為主，位于適宜建設開發區以及遠郊生態保育區之間。該區域處于“中敏感、中恢復、中壓力”狀態。區域內林地圍繞斑塊分散的城鎮及農業用地，以農田林網及四旁樹為主要存在形式，長期以來受農業活動、村鎮建設、城市擴張的嚴重威脅，較容易受到城市建設干擾，是區域森林生態系統的重要緩沖區，屬“中投入，中生態回報”區域。該區域應在基本農田保護的基礎上，以保護四旁樹、完善農田林網體系為出發點，重建復合農林業生態系統，同時圍繞用地緊張的建成區，在生活空間外部建生態廊道體系、滿足居民休閑需求，結合郊野公園、森林公園體系，構建國土空間尺度下綠色基礎設施網絡體系。

3.4.3 遠郊生態保育區經營管理建議

遠郊生態保育區面積為1 558 km2，占研究區總面積的20.74%，位于區域中部伏牛山脈的嵩山—浮戲山以及位于區域西北部的氓嶺山地，包括西南箕山山脈的大熊山—香山—始祖山，是區域的重要生態涵養源地。該區域分布大量以自然山體為依托的森林公園、自然保護區、風景名勝區等，植被覆蓋度較高、結構復雜、生物多樣性豐富，水土條件優渥，生境條件良好，具有較強的生態恢復力，處于“高敏感、高恢復、低壓力”狀態。受益于良好的生境條件與林地結構，該區域為“低投入，高生態回報”區域，在該區域應當嚴格控制土地管理與有關政策法規，原則上禁止一切建設活動，針對區域存在的大量天然林斑塊，應當實行嚴格的封禁措施，采取封山育林等措施，維持林分結構異質性，對區域輕度退化的天然次生林，應當使其依托自身良好的恢復能力，在沒有外界干擾的條件下自然恢復或自然演替為地帶性森林植被，使其在自然條件下增加森林覆蓋率、提升森林質量、保護森林生態系統的完整性，強化森林生態系統水源涵養、保持水土、生物多樣性保護功能，構建鄭州綠色屏障。

4 結論與討論

運用ArcGIS軟件的層次分析法，建立“三生”空間協調分布下的森林生態系統復合評價體系，開展評價，劃定適宜建設開發區、近郊生態緩沖區、遠郊生態保育區。適宜建設開發區位于研究區中部平原，以鄭州中心城區為核心，以生活空間為主，屬“高投入，低生態回報”區域，森林生態系統建設應積極改善林地生境、增加綠量、增強養護管理保障、構建科學生態網絡體系，有效改善宜居環境；近郊生態緩沖區以西北部及東部平原地區的生產空間為主，是城市空間的外部延伸，是森林生態系統的重要緩沖區，屬“中投入，中生態回報”區域，可進行適度開發，控制建設強度；遠郊生態保育區位于研究區西南山地，以生態空間為主，是區域重要的生態涵養源地，為以城市空間為核心的區域發展提供生態承載支持，屬“低投入，高生態回報”區域，應當實行嚴格的封禁措施，使其自然恢復與演替。城市森林生態系統結構與功能較為復雜，不同角度的評價指標選擇有所差異。本文在前人研究的基礎上，選擇25個指標，這在一定程度上影響了評價結果。

鄭州中心城區建成區面積從1999年的124.5 km2增長到2017年的500.8 km2，城市尺度的不斷擴張對區域生產、生態空間產生重要影響，鄭州目前已被國務院確認為國家中心城市，在未來城市化率繼續增長、生態空間發展受限的背景下，森林生態系統的承載能力、服務功能如何以協調鄭州大都市區發展為目標導向，構建自然森林空間與城市空間耦合的空間關系，是研究的重要立足點。在接下來的工作中，應結合國土空間規劃的“雙評價體系”，從不同尺度、不同空間類型統籌開展，使森林生態系統結構、格局、規模發展與規劃建設相結合，發揮其生態系統最大效益。

注釋① 該面積含原鄭州市域7 446 km2 以及原屬開封市尉氏縣，現劃交鄭州市的部分區域，合計7 511 km2。