基于生態系統服務空間分異的武漢市城市森林經營策略

程維金 周煜 王鵬程

摘 要： 城市森林發揮著諸多不可替代的生態系統服務，影響著區域生態安全。改善城市森林結構，提升其生態系統服務，是森林可持續經營的重要目標和趨勢。本文以武漢市為例，通過城市森林生態系統服務空間分異研究，探索城市森林可持續經營策略。基于實地調查數據、森林資源調查數據和遙感數據，運用相關生態學模型，從森林植被類型、城市化梯度、功能類型間關系等方面研究武漢市森林生態系統服務的變異特征，在此基礎上提出了面向生態系統服務提升的城市森林可持續經營對策。研究結果表明：武漢市森林生態系統服務在植被類型間和功能類型間存在明顯分異特征，馬尾松杉木常綠針葉林、落葉闊葉林、灌木林等生態系統服務價值占比較高，其中馬尾松杉木常綠針葉林生態服務功能價值占總價值比例為44.30%，達97.70×108元·a-1，其他類型森林生態系統服務價值所占比例均小于5%;森林生態系統服務空間分異明顯，黃陂區森林生態系統服務價值總量最高，占比為41.46%（91.43×108元·a-1），新洲和江夏次之，占總價值的20.84%和19.21%，其他區占比均低于5%。盡管近年來武漢市城市綠化投入較大，但森林面積較小，中幼齡林面積比例較大，林種結構單一，純林面積比例較高等問題是影響武漢市森林生態系統服務供給水平的關鍵因素。后續森林生態系統管理中，應圍繞森林面積提升、加強中幼齡林管理，改善森林群落結構，優化森林景觀格局等提升森林生態系統服務的供給水平和供給結構，為武漢市城市生態安全提供重要保障。

關鍵詞： 森林生態系統服務;城市森林;空間變異;森林經營;武漢市

中圖分類號：S718.557 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：1004-3020（2020）04-0001-09

Abstract： Urban forests supplies many irreplaceable ecosystem services， affecting regional ecological security. Improving the urban forest structure and enhancing its ecosystem services are important goals and trends for sustainable forest management. Here， the variations of urban forest ecosystem services were estimated to explore sustainable forest mangement stratergies for Wuhan and similar cities. Forest ecosystem services and its variations among various vegetation types， urbanization gradients and different types of ecological functions were estimated and compared based on the field surveying data and statistical data for foresrty using several ecological models. The results show that， forest ecosystem services in Wuhan have distinctive characteristics between vegetation types and functional types. The ecosystem services value of Pinus massoniana evergreen coniferous forest， deciduous broad-leaved forest， and shrub forest is relatively high. Pinus massoniana evergreen coniferous forest ecosystem services value accounts for 44.30% of the total value， reaching 97.70×108 Yuan·a-1， other types of forest ecosystem services value account for less than 5%; The spatial differentiation of forest ecosystem services is obvious. The total value of forest ecosystem services in Huangpi District is the highest， accounting for 41.46% （91.43×108 Yuan·a-1）， followed by Xinzhou and Jiangxia， accounting for 20.84% and 19.21% respectively. The area proportion of forest ecosystem services in other districts is less than 5%. In order to improve the supply level and structure of forest ecosystem services， the subsequent forest ecosystem management should focus on increasing forest area， strengthening management of young forest， improving forest community structure， and optimizing forest landscape patterns in Wuhan.

Key words： forest ecosystem services; urban forest; spatial variation; forest mangement; Wuhan

城市森林是市區及城市近郊區以木本植物為主的植被體系，是城市生態系統的關鍵組分，在改善區域環境，促進居民健康、提高生活水平等方面發揮著重要的生態系統服務[1]。相對于自然森林生態系統，城市森林多處于高度人為干擾環境下，其結構和功能受人為活動影響顯著[2-3]。例如城市化擴張、游憩、環境污染等都深刻影響著城市森林的結構和功能，導致城市森林“碎片化”分布，生態系統服務退化，進而影響城市生態安全。同時，隨著城市發展，大量生態用地轉變為發展用地，森林退化與恢復之間的矛盾逐漸加劇[4]。因此，在了解森林結構與功能分異的基礎上，科學制定森林經營管理策略，有助于提升城市森林生態系統穩定性和生態系統服務功能，改善區域生態安全。

生態系統服務是人類直接或間接從生態系統中獲得的各種產品與惠益[5]。聯合國千年生態系統服務評估[6]極大推動了生態系統服務相關研究的開展，經過20多年的發展，生態系統服務研究逐漸由生態系統服務價值評估開始向生態系統服務管理決策進展[7]，更多的與氣候變化、人類活動干擾、土地利用變化、生物多樣性等因素相關聯[8]。一些重要生態區域、重要生態系統類型生態系統服務成為研究熱點，如森林生態系統、濕地生態系統、城市生態系統等[9-10]，特別是森林生態系統服務空間變異及其對人為活動干擾的響應受到廣泛關注[11]。但目前生態系統服務決策研究仍處于探索階段。

隨著對森林生態系統服務重要性理解的深入，森林經理管理也經歷了單純采伐利用，永續利用，森林多效益永續利用和森林生態系統管理等階段[12]，森林經營理念從單純追求木材生產經濟效益，轉變為森林可持續經營，極大提高了森林質量。但隨著社會經濟化發展，森林有效供給與日益增長的社會需求的矛盾依然突出[13]。因此面向多生態系統服務提升的森林可持續經營成為森林經營發展的重要趨勢，是各國森林可持續經營和林業科學研究的最重要內容。

武漢市地處長江經濟帶中部地區，是長江中游城市群的核心城市，其城市森林結構和功能提升是區域生態安全的重要保障。隨著長江大保護戰略實施，在評估城市森林結構與功能的基礎上，探索城市森林可持續經營策略成為武漢市森林生態建設面臨的重要科學問題。本文基于實地調查數據、森林資源調查數據和遙感數據，運用相關生態學模型，從森林植被類型、城市化梯度、功能類型間關系等方面研究武漢市森林生態系統服務的變異特征，并進一步提出面向生態系統服務功能提升的城市森林可持續經營對策，為提升城市森林生態系統服務的供給水平和供給結構提供科學支撐，保障武漢市城市生態安全。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區武漢市位于長江中下游江漢平原東部（113°41～115°05E、29°58～31°22N），是長江流域最大的城市之一，是長江經濟帶發展的重要支點（圖1）。武漢屬亞熱帶季風性濕潤氣候區，雨量充沛、日照充足、四季分明，夏高溫、降水集中，冬季稍涼濕潤。截至2019年，全市下轄13個市轄區，總面積8 569.15 km2，建成區面積950 km2，常住人口1 121.2萬人，地區生產總值1.62萬億元。武漢市森林景觀資源豐富，山地森林、丘陵林地、濱水濱岸防護林、交通防護林、城市景觀林交錯分布，城市森林布局呈明顯的“水鄉林城”相融合的景觀特點[14]。境內東湖風景區、木蘭山風景區、木蘭湖風景區、九峰城市森林公園、青龍山國家森林公園、九真山國家森林公園、素山寺國家森林公園、漲渡湖濕地森林公園等眾多國家級和省市級森林公園。2018年，實施“四個三重大生態工程”項目，精準滅荒0.15萬hm2。造林綠化面積0.27萬hm2，修復退化林0.23萬hm2，撫育中幼林0.67萬hm2，實施封山育林0.33萬hm2。

1.2 數據來源與處理

本研究所用的數據主要包括實地調查數據、森林資源調查數據、遙感數據和定位站長期觀測數據等。實地調查數據包括針對武漢市森林生態系統服務評估開展的野外樣地調查和問卷訪談調查數據，樣地調查在2016年6～8月和2017年6～8月開展，共設置20 m×30 m臨時樣地143個，記錄植被覆蓋類型、植物多樣性、植物群落結構、立地條件因子、人為活動干擾因子，及其他環境條件因子等;問卷訪談調查在2016年4～7月開展，通過街頭、公園和網絡等形式開展問卷發放回收，以調查武漢市居民對城市各類型森林的使用規律分異和對游憩功能的支付意愿，共發放調查問卷510份，回收有效問卷456份。森林資源調查數據包括武漢市森林規劃設計資源調查數據（2014）和武漢市林地變更數據（2017），共涉及森林小班64 000余個，涉及所有林分調查因子，包括地類、植被類型、林種、林分結構、林分立地、林分經營相關等詳細信息。同時，研究采用Landsat 8衛星遙感數據（2017-07-26），用于估算武漢市植被覆蓋指數特征和植被多樣性特征。此外，社會經濟數據通過武漢市統計年鑒（2017）。生態系統服務功能相關資源價格為2017年各要素平均交易價格。

1.3 森林生態系統服務評估指標體系

基于森林生態系統服務功能評估規范（LY/T 1721-2008）[15]，結合國內外森林生態系統服務相關研究[6，16，17]，構建了武漢市森林生態系統服務評估指標體系，共包括涵養水源、保育土壤、固碳釋氧、積累營養物質、凈化大氣環境、多樣性保護和森林游憩等7個方面12個具體生態系統服務指標（表1）。

1.4 森林生態系統服務評估

本研究參照林業行業標準（LY/T 1721-2008）確定的物質量和價值量計算方法，對森林涵養水源功能（調節水量）、保育土壤功能（固土、保肥）、固碳釋氧（固碳量、釋氧量）、積累營養物質（植物積累N、P營養物質量）、凈化大氣環境（植物吸收二氧化硫、氟化物、氮氧化物、滯塵）、多樣性保護等方面的功能量和價值量進行計算。計算過程中，以林業小班為基本測算單元，按照地類、森林植被類型、林齡（組）等分類依據，分別測算統統類型小班內森林各生態系統服務功能。其中，森林植被類型以中國植被類型群叢為基本分類單位，結合植被經營類型，劃分為馬尾松杉木常綠針葉林、柏木常綠針葉林、落葉針葉林、針葉混交林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、闊葉混交林、針闊混交林、灌木林、經濟林、幼樹幼苗等;林齡組劃分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過熟林等5類。

2017年武漢市森林初級生產力累積數據由華中農業大學森林生態研究團隊提供，該數據空間分辨率250 m，基于MODIS 植被指數產品（MOD13Q1）、溫度、降水、有效光合輻射量等指標，基于修正的CASA模型[18]估算。

除森林游憩價值外，各生態系統服務指標單位價格按照科學、公允的原則，參照2017～2018年價格（表1）進行測算。而森林游憩價值可表現為居民對不同類型森林的喜好與支付意愿，本研究基于居民支付意愿調查結果，開展森林游憩功能價值評價，公式如下：

U游憩=TA

式中，U游憩為森林游憩價值（元·a-1），T為單位面積森林的居民支付意愿（元·hm-2）;A為森林面積（hm2）。

1.5 統計分析方法

森林資源數據以各類型森林小班為單元，在ArcGIS軟件（ESRI）支持下，運用空間疊加計算、區域統計分析等工具，分別對武漢市城市森林總面積、各森林類型植被類型、森林生態系統服務進行統計，并在Excel中進行制圖分析。

2 結果與分析

2.1 武漢市森林景觀結構特征

除中心城區外，武漢市城市森林面積為1 517 km2，其中，森林面積1 222 km2，城市綠地263.56 km2。森林資源分布具有明顯的空間聚集性特征，主要集中分布在黃陂區北部的木蘭山地區、新洲東部大別山余脈等區域。黃陂、新洲、江夏三區森林面積占武漢市森林總面積的比例達78.86%，黃陂森林面積覆蓋率最高，達25.84%，其余城區均位于10%～13%（表2）。

武漢市城市森林中，人工林占絕對主導地位，但森林植被類型存在明顯差異，常綠針葉林和落葉闊葉林面積比例高達36.69%和30.11%、闊葉林所占比例也較高（17.02%），其他各植被類型均低于5%（圖 3a）。森林小班平均面積偏小，洪山區和東湖高新區森林小班較完整，小班平均面積達5.94 hm2、4.73 hm2和4.07 hm2，其余城區森林小班平均面積均低于3 hm2（表 2）。

武漢市森林以中齡林和幼齡林為主，兩個林齡組森林所占面積分別達到59 131.28 hm2和56 481.71 hm2，占森林總面積的比例達38.20%和36.48%，近熟林和成熟林比例僅為5.92%和4.21%（圖3b）。成熟林和過熟林主要分布在黃陂北部山區、紙坊周邊山區、九真桃源景區等（圖2）。

2.2 武漢市森林生態系統服務及其價值的類型

分異 ?武漢市森林年調節水量達到2.74×108 m3·a-1。在保育土壤方面，森林生態系統每年可以減少（固持）土壤侵蝕量為171.2×104 t·a-1，保持土壤N元素7 875.4 t·a-1，磷元素975.86 t·a-1，鉀元素24 824.62 t·a-1，固定土壤有機質385.21 t·a-1。森林生態系統年固定二氧化碳和釋放氧氣的數量達到了157.52×104 t·a-1和110.48×104 t·a-1。武漢市森林生態系統植物年積累氮元素和磷元素營養物質量分別可達7 595.28 t·a-1和506.35 t·a-1。可吸收大氣中二氧化硫13 384.41 t·a-1，吸收氟化物364.06 t·a-1，吸收氮氧化物695.99 t·a-1，滯塵224.86×104 t·a-1，釋放負離子9.64×1023個·a-1（表3）。

2017年武漢市森林生態系統服務總價值為220.54×108元·a-1，單位面積森林生態系統服務價值為14.85×104元·hm-2·a-1。不同類型生態系統服務功能價值表現出較大差異，森林游憩、生物多樣性保育、涵養水源、固碳釋氧等功能價值較高，均接近或超過20%，其中，森林游憩價值最高，價值貢獻比達30.91%（68.18×108元·a-1），森林固碳釋氧功能價值占比達24.68%（54.42×108元·a-1），森林生物多樣性保育功能價值和森林涵養水源價值分別達到44.29×108元·a-1和43.31×108元·a-1，森林其它方面的生態系統服務功能所占比例低于5%（圖4a）。

2.3 森林植被類型間生態系統服務分異

不同植被類型森林發揮的生態系統服務價值也存在較大差異，馬尾松杉木常綠針葉林、楊樹櫟類等落葉闊葉林、灌木林等產生的森林生態系統服務價值所占比例較高，其中馬尾松杉木常綠針葉林生態服務功能價值占總價值的44.30%，達到97.70×108元·a-1，落葉闊葉林和灌木林分別達到28.46%和13.53%，對應的價值量分別為62.76×108元·a-1和29.85×108元·a-1。其他類型森林生態系統服務價值均低于10×108元·a-1，所占比例均小于4%（圖4b）。

2.4 森林生態系統服務價值的空間分異

武漢市森林生態系統服務在不同城市化梯度上有著明顯空間異質性，從城市邊緣到城市中心，森林小班生態系統服務價值量逐漸降低，高森林生態服務價值小班（>15 萬元·hm-2·a-1）聚集性分布，在黃陂北部和新洲東北部山區集中分布，而在東湖風景區、蔡甸區、江夏區等較離散分布（圖5a）。黃陂區森林對武漢森林生態系統服務價值的貢獻率高達41.46%，達到91.43×108元·a-1，新洲和江夏兩區森林生態系統服務價值分別占武漢市森林生態系統服務總價值的20.84%和19.21%。

單位面積森林生態系統服務價值在不同行政區之間也存在較明顯差異，黃陂區單位面積森林生態系統服務價值較高，達15.68×104元·hm-2·a-1，較武漢市平均水平高5.59%（圖5b）。

3 討論與建議

明確城市森林結構及其生態系統服務特征是開展可持續森林經營的重要基礎[13]，本文參照林業行業標準，綜合運用森林資源調查數據和遙感數據等，對武漢市森林生態系統服務價值及其分異特征進行了研究。研究結果為揭示了武漢市城市森林結構與生態系統服務分異特征，可為武漢市森林生態系統可持續管理提供重要參考。

武漢市森林生態系統服務供給存在明顯的空間分異特征，高生態系統服務價值林分主要分布在遠離城市的北部、東北部山區，而城市周邊平原地區單位森林生態系統服務價值偏低。這與武漢市森林保護與林業生態建設布局相一致。城市周邊林分受城市化擴張和基礎設施建設等人類活動的影響而破碎化和退化[19]，而在城市森林建設布局中多基于土地利用價值的權衡策略，林業建設集中到山地、灘涂等區域;同時，城市周邊林分受城市化環境中各類干擾影響林分質量普遍偏低。這一空間分布格局也使生態系統服務傳遞過程受到抑制，森林生態系統服務難以直接作用于改善城市生態環境，支撐城市可持續發展，也導致市民對森林游憩支付意愿低。

研究結果也顯示，武漢市森林生態系統服務供給存在明顯的類型分異特征。馬尾松杉木等類型森林植被生態系統服務價值高，但其他類型植被生態系統服務價值普遍偏低。同時，雖然近年武漢市開展了退耕還林等眾多造林工程，新增森林面積不斷擴大。但多數新造林仍處于中幼齡林階段，中幼林比例達森林總面積的75%，其生產力和其它生態系統服務功能較低，因此，武漢市森林整體生態系統服務功能和單位面積功能均偏低。純林面積占比超過森林總面積的80%，楊樹、馬尾松等純林面積較大，林種和林分結構較為簡單。森林生物多樣性是影響森林生態系統生產力和功能的關鍵因素[20]，單一的林分結構可能導致森林生產力和其它生態系統服務處于較低水平，并可能加劇森林病蟲害發生，進一步抑制森林生態系統服務。

4 武漢市森林生態系統服務優化提升對策建議 ?針對森林生態系統服務及其價值的分異特征，為提升武漢市森林生態系統服務供給水平，在武漢市森林生態系統管理中，應重點采取以下幾方面對策：

（1）加強森林生態系統結構與功能變化監測。森林生態系統服務供給水平和生態系統服務價值應作為核心監測內容，納入森林監測，并作為森林生態系統管理的關鍵依據，盡快形成具有先行示范意義的森林生態系統監測評估體系，為長江經濟帶綠色發展提供有效的支撐平臺和示范體系。

（2）基于森林生態系統服務的森林優先保育計劃。武漢市森林生態系統表現出明顯的結構和功能分異特征，森林退化與森林擴張并存。高質量森林主要分布在黃陂、新洲、東湖風景區等區的山地地區，面臨著較大的森林旅游壓力，而其他低質量的森林離散分布在城市各處。后續管理應給予森林生態系統的服務供給水平和森林質量制定差異化的管理戰略，優先保護高質量森林生態系統，持續提升和改善敏感性森林生態系統，形成系統的保育計劃。

（3）加大森林恢復與造林力度。武漢市森林面積和覆蓋率均較低，宜充分結合即將實施的新一輪退耕還林工程、長江沿岸綠化工程等開展宜林地森林恢復和造林工作，提升森林覆蓋面積，提高森林覆蓋率，進而提升森林整體生態系統服務功能。

（4）加強低效林和幼齡林管理，提升森林郁閉度，改善森林群落結構。針對武漢市近年來形成的大面積人工純林存在的中幼齡林廣泛分布的特點和立地質量較差地區森林質量低下問題，后續森林生態系統管理中，重點圍繞近年來開展的退耕還林和生態公益林建設工程區，通過混交、補植、林下管理等模式，開展中幼齡林近自然化改造和撫育管理，以提升復層林和混交林比例，增加常綠針葉林比例為關鍵策略開展低效林和幼齡林管理。

（5）優化森林景觀格局。針對武漢市森林景觀破碎化問題，應在尊重城市發展規律的基礎上，結合生物多樣性保護、熱環境改善、水土流失控制、游憩等需求，特別是結合環線林帶、綠楔、濕地生態修復和綠道等重點生態建設項目，統籌考慮城市發展目標和土地利用規劃方案，圍繞生物多樣性保育、熱島效應環節、大氣污染物防控、游憩體系建設等重點森林生態建設需求，從多尺度考慮，調整和優化武漢市森林布局結構，構建結構與功能協調的森林生態網絡結構。

（6）實施多目標經營，全面提升生態服務供給水平。轉變森林經營的單一目標模式，將生態公益林、防護林、人工商品林等單一目標或簡單經營目標，在維持森林主導功能不下降前提下，通過改善森林結構和增加森林經營模式，積極發展林下經濟，提升森林生態系統服務的多層次供給能力。

（7）加強城市群發展背景下區域生態系統整體優化。重點圍繞武漢市林水相依，林城相融的生態系統空間分布與構成特征，加強森林與濕地生態系統間相互作用關系研究、森林結構功能與城市間關系研究，探索武漢市“山水林田湖草”生命共同體綜合治理模式，為武漢市生態系統服務功能整體提升提供科學依據。

參 考 文 獻

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（責任編輯：唐嵐）