中國天然林資源保護工程綜合評價指標體系與評估方法

劉世榮,龐 勇,張會儒,王 兵,葉 兵,江澤平,謝和生,牛曉棟,王登舉,丁 易,吳水榮,宋慶豐,王曉慧,張 超

1 中國林業科學研究院,北京 100091 2 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所,北京 100091 3 中國林業科學研究院資源信息研究所,北京 100091 4 中國林業科學研究院林業科技信息研究所,北京 100091

天然林是生物多樣性最富集、結構最復雜、生態功能最強大的生態系統,是我國森林資源乃至陸地生態系統的主體和精華,在維護區域生態環境、減緩溫室效應、改善大氣環境質量、保護生物多樣性等諸多方面發揮著不可替代的作用[1]。基于2014—2018年的第九次全國森林資源清查數據顯示,全國森林覆蓋率22.96%,森林面積2.2億hm2,其中天然林面積約1.4億hm2,約占全國森林面積的64%。全國森林蓄積175.6億m3,而天然林的蓄積量約占全國森林蓄積的80.14%[2]。很多研究表明,我國的森林生態系統具有很強的固碳能力[3- 4],且天然林比人工林的固碳水分利用效率更高[5]。因此,保護和可持續利用我國天然林資源、提高天然林質量與生態系統服務功能至關重要。

天然林資源保護工程(以下簡稱天保工程)是1998年長江、松花江流域發生特大洪水災害后,黨中央、國務院做出的一項重大戰略決策,工程內容主要包括全面停止長江上游、黃河上中游地區天然林采伐,大幅調減東北、內蒙古等重點國有林區的木材產量,并加快長江上游、黃河上中游工程區宜林荒山荒地的造林綠化。天然林保護二期工程已于2020年結束,天然林資源保護轉入長期性工作階段。2019年國務院頒布了《天然林保護修復制度方案》,明確提出“要全面總結評估天然林保護二期工程實施方案執行情況,研究編制天然林保護修復中長期規劃”[6]。對天保工程建設成效進行客觀評價,量化天保工程對工程區的各方面影響對我國生態文明建設、美麗中國建設具有重要的現實意義和深遠的歷史意義,將為全面推進新時代我國天然林保護修復提供決策依據和科技支撐。

天保工程實施效果的評估首先需要構建全面、客觀、科學的評價體系,在此基礎上,對天保工程區的森林資源、生態效益、社會經濟效益、政策執行與影響和生態修復措施體系都進行定量化評估。從某些方面或局部區域已經開展了一些研究。

(1)天保工程森林資源評估

遙感技術以其觀測范圍廣、監測周期長、信息量大、精度高和速度快等特點為天保工程監測評價提供了強有力的技術手段[7]。Chen等[8]用2000—2019年的MODIS時間序列葉面積指數產品,評價了全球植被變綠的趨勢,顯示中印領先全球的植被增綠趨勢,其中中國天然林保護區域呈現出明顯的植被增加趨勢。賴家明等[9]基于1989年、2000年和2017年3個時期的Landsat系列遙感影像對近29年間川西天然林區植被覆蓋變化特征進行分析,結果表明川西天然林區植被覆蓋度在實施天保工程后呈緩慢回升趨勢,森林覆蓋率先速降后緩升,天保工程的實施有效地保護了川西天然林資源。森林生物量變化對于碳匯和應對氣候變化有著重要意義,生物量可以反映森林以及環境的健康狀況,因此,準確的估測和分析生物量是定量分析碳儲存和固定速率的關鍵組成部分。孔蕊等[10]基于1993—2012年遙感數據研究了長江流域森林地上碳儲量(Aboveground Carbon)的時空分布特征及其驅動因素,發現森林碳庫增長率由1993—2000年的3.15%提高到2001—2012年的8.01%,表明重大生態工程實施有助于加快中國植被變綠的速度。然而,現有研究主要是針對天保工程局部區域的監測,缺乏覆蓋全國天保工程區的系統監測評價,而后者存在區域范圍廣、數據量大、空間異質性強的特點,需要單期高精度和多期時空一致性的森林覆蓋產品。

(2)天保工程生態效益評估

天然林生態價值定量評估主要利用森林生態站長期觀測數據、森林資源清查數據和生態服務功能模型,這方面國內外已開展了一些評價研究[11- 13],評價結果充分彰顯了我國天保工程所產生的巨大生態效益,例如：劉博杰等[14]以天保工程一期為研究對象,開展了我國天保工程溫室氣體排放及凈固碳能力的研究,結果表明：天保工程一期凈固碳量為139.77 Tg C,年均凈固碳量為12.71 Tg C/a；國政等[15- 16]定量分析天保工程實施10年(2008年與1998年)生態效益變化,研究結果表明我國西南地區天保工程區域內生態效益增長了21106.2億元；段紹光等[17]基于森林生態環境效益評價方法的研究結果表明：河南省森林總體的生態效益為201.46億元,項目區為79.89億元。但是,以上研究均存在研究指標單一或者評估方法不統一等問題,造成研究成果缺乏可比性、系統性和規范性,無法全面、客觀展現我國天保工程實施的系統成效和綜合效益,難以有效支撐各級政府的宏觀決策或者各地區相關行業管理部門的政策制定。為此,原國家林業局天保工程管理辦公室聯合國家林業局科技司,委托中國林業科學研究院開展全國天保工程二十年評估工作,構建了適用全國尺度的、標準化的天保工程生態效益監測評估體系,其中,東北和內蒙古重點國有林區的研究成果已經以國家報告的形式向社會公布[18]。

(3)天保工程經濟社會效益評估

20世紀90年代以來,很多國家采取了各種有效措施保護天然林資源[19]。2002年,巴西政府啟動了亞馬遜區域保護區項目,旨在保護熱帶雨林[20]。澳大利亞、美國和加拿大等國通過建立國家公園和自然保護區等措施來對天然林進行保護。新西蘭的木材生產已從完全依靠天然林轉變為只有1%的鋸材來自天然林[21]。1993年,美國成立了森林生態系統管理評價組,對西北太平洋沿岸區域內的天然林及其他各類森林,制定新的經營管理規劃,并對規劃方案開展生態、經濟、社會等方面的綜合影響評價。此后數年,正如FEMAT預測的那樣,即使該地區木材生產直線下降,經濟卻持續增長[22]。目前國內關于天保工程的經濟社會影響研究相對較少且主要為定性分析,如唐銘[23]為吉林省三岔子林業局建立了天保工程的社會影響評價指標體系；魏智海[24]開展了小隴山林業局天保工程社會經濟效益分析,但社會效益僅停留在定性分析上,沒有統一指標體系并量化；范琳[25]、李娜娜[26]、馬永春[27]對山西省、陜西省天保工程綜合效益進行評價,以生態效益為主,社會經濟效益為輔。

在綠色轉型發展方面,圍繞綠色發展評價指標體系國內外主要開展了綠色國民經濟核算、綠色發展多指標測度體系和綠色發展綜合指數方面的研究。閆函等[28]構建了區域綠色轉型發展的評價指標體系,對區域綠色轉型現狀進行評價[29- 32]。還有學者對區域綠色轉型發展的各種路徑進行了研究[33- 36],或者對某個產業的綠色轉型發展進行探索[37]。雖然綠色轉型發展評價方面的研究很多,但還沒有形成標準的綠色核算指標體系,也少見對林業綠色轉型發展的系統研究。

(4)天然林生態系統動態及保護修復措施研究進展

我國天保工程是人類森林經營管理史上開創性的龐大工程,稱為“天字號”工程。對天保工程建設過程中的各種技術問題進行深入地研究和探索非常必要。目前,我國在天然林保護與修復技術體系的研究方面已經趕超世界發達國家。整合生態系統保護及功能主導修復思想已經成為當前生態恢復的統一認識[38- 41]。一些發達國家已從概念和政策的宣傳,進入了技術試驗和推廣示范階段,特別是美國、加拿大和瑞典等國,已在不同的區域和森林類型中建立了一定規模的示范區或示范林分,如美國的太平洋西海岸針葉林的保護與生態系統經營技術,加拿大的Fundy森林保護模式示范林分(model forest),瑞典具體到林班或小班水平上的生物多樣性保護與可持續經營規劃技術等已比較成熟。但是,這方面的技術模式和研究成果并不能直接簡單套用我國的天然林保護修復實踐。國內學者近年來在天然林生態恢復的原理與技術開展了富有成效的研究,并取得了具有國際影響的的研究進展[42]。當前國際上的天然林修復還是主要以依靠生態系統自然演替為主,而我國正在積極探索以生態保護優先,自然恢復為主,在充分借助自然演替與天然更新的前提下,實施針對性人工輔助措施,例如撫育擇伐、林窗和保留木調控等方式加速目的樹種的更新、生物多樣性和生態功能的快速修復[43- 44]。然而多數的生態撫育修復以工程項目的形式開展,缺乏長期的定位監測和系統研究。同時,這些生態修復措施主要集中在森林群落層次,缺乏生態系統、景觀和區域等多時空尺度上對不同生態修復措施進行系統評估。此外,新技術的應用將有助于評估全球變化背景下森林樹木恢復潛力和生態系統韌性、抵抗力[45]。

(5)天保工程政策研究進展

天保工程是一個復雜的社會系統工程,實施過程中出臺了一系列的規定和政策。天保工程不只是對天然林資源實施嚴格保護,還包括木材產量調減、企業富余人員分流安置、以及地方政府財政減收等問題[46]。天保工程的實施對工程區的生態、經濟和社會產生了諸多影響,同時也與利益相關者(地方部門、林區社區、林業職工、林農等)產生了一些矛盾和沖突。天保工程實施后,針對天保工程發展現狀、存在問題和采取對策等方面開展了大量研究,從不同角度充分肯定了天保工程取得的積極成效,但同時認為現有天保政策落實、天然林保護的合理尺度、天然林生態補償機制、退化天然林修復及可持續經營等方面還有待進一步研究[16,47]。

總體來說,以往天保工程實施效果評估主要是單一方面或個別省(區)、局部區域性范疇,尚未建立覆蓋整個工程區的多個維度評估體系,缺乏整體性和系統性的評估方法,需要構建1套科學、合理、完整的工程評估體系。

1 天保工程實施效果評估的內容和指標體系

本文構建了1套系統的評估體系,包括森林資源監測評估、生態效益監測評估、社會經濟效益綜合評估、天然林生態系統動態及保護修復技術措施評估和新時期天然林保護政策框架體系5個方面,技術路線見圖1。

圖1 天然林資源保護工程實施效果評估技術路線圖Fig.1 The framework for the implementation evaluation of the Natural Forest Protection Program

5個評估體系層層遞進,只有諸如森林面積、生物量等指標恢復了才有可能實現生態系統服務功能的提升,在評估生態系統服務功能的同時需要兼顧評估社會和經濟效益。評估天然林生態系統動態變化及保護修復措施可以結合天然林長期演替規律,全面總結分析過去兩期工程中不同生態修復措施的效果,進而優化和改進天然林保護修復措施。最后,政策建議則需要在總結前面4個的評估結果之后,并結合天保工程一期、二期的政策執行情況,以及利益相關者關于全面保護天然林政策的認知、態度和潛在行為,進一步梳理、歸納和總結,提出新時期推進天然林保護的政策建議。這5方面的評估雖然是層層遞進的關系,但是在具體實施操作中也可以同時進行,籍以提高評估工作效率。

1.1 森林資源評估

為獲得我國天保工程區森林資源數量和質量上的變化數據信息,選取了天保工程區森林的類型、面積、覆蓋率、森林蓄積量、生物量、碳儲量和植被覆蓋度等作為評估指標,用來評價天保工程實施以來森林資源動態變化和成效。技術指標如表1。

表1 森林資源評估的技術指標

1.2 森林生態效益評估

生態效益評估的內容主要包括：構建全國天保工程生態系統服務連續觀測與清查體系(簡稱：森林生態連清),依托工程區內現有的森林生態站、林業生態工程生態效益監測點、長期固定監測樣地等,采用長期定位觀測技術和分布式測算方法,,并與工程區內森林資源數據相耦合,評估一定時期的天保工程生態效益(圖2)。生態效益監測指標體系包括支持服務、調節服務、供給服務和文化服務4種服務類別,保育土壤、林木養分固持、涵養水源、固碳釋氧、凈化大氣環境、森林防護、生物多樣性、林木產品供給和森林康養9類功能20項指標,詳見中華人民共和國國家標準《森林生態系統服務功能評估規范》(GB/T 38582—2020)。

圖2 全國天保工程生態連清框架Fig.2 The frame of Forest Ecosystem Inventory System for Natural Forest Protection Program

1.3 社會經濟效益綜合評估

評估的內容主要包括：社會效益,經濟效益,政策影響和對生態文明建設貢獻分析。技術指標：從天保工程的社會效益、經濟效益及其對生態文明建設貢獻等方面分別提出評估指標與方法(表2)。

表2 天保工程社會經濟效益綜合評價指標體系

1.4 天然林生態系統動態及保護修復技術評估

評估的內容主要包括：天然林生態系統演替動態評估；天然林修復措施評估和天然林修復后續利用潛力評估(表3)。天然林生態系統動態和保護修復措施評價采用基于典型生態系統結構和功能的特征參數分析。根據中國天然林保護工程區域基礎數據的可獲得性和便捷性,現有生態站監測的時空差異性以及局域生態學研究的時效性和范圍,主要選擇四類生態系統結構指標(表4)開展評估,即：(1) 林分結構；(2) 生物多樣性；(3) 環境特征；(4) 生態系統特征。運用這些指標來評估不同保護和修復方式下天然林生態系統的變化特征。

表3 天保工程對生態文明建設貢獻的評價指標體系

表4 生態系統動態評價指標體系

1.5 天保工程政策評估

在采用政策系統分析方法梳理天然林保護一系列政策的基礎上,開展天然林保護政策執行評估與問題成因分析,政策效果及延續性評價分析,以及利益相關者對全面保護天然林的政策認知、態度與行為分析,在此基礎上融合其他評估組的成果,研建新時期天然林保護政策框架體系。評價指標體系的內容主要包括天然林保護政策執行情況的評價,根據各期的天保政策文件和兩期天保工程實施方案,及其具體的天然林保護政策內容來進行歸類,從停伐減產政策、森林管護政策、公益林與后備資源培育政策、中幼林撫育政策和社會民生與改革政策等5個方面設定39個指標(表5),通過層次分析,功效系數等系統方法來分項和綜合評價天保政策的執行情況。

表5 天然林保護政策執行情況評價指標體系

2 評估的技術途徑和方法

2.1 森林資源評估的技術途徑和方法

鑒于森林生態系統具有高度的異質性,只有采取合理的抽樣和尺度轉換方法才能夠實現森林資源數量和質量評估的準確性和可靠性。迄今,我國已經完成了9次全國范圍內的森林資源清查,積累了大量系統布設、連續測量的固定樣地數據；同時,中國森林生態系統研究網絡建設了106個長期連續運行的觀測臺站,這些地面樣地測量數據可用于森林資源數量和質量的動態評估。

相對于基于地面樣地系統的抽樣調查,高分辨率遙感技術可以獲得高空間、高時間分辨率的空間連續覆蓋數據,尤其是形成了1999年以來的中高分辨率時間序列樣數據,為全面刻畫森林資源數量和質量分布及動態提供了必備的條件[48]。

估計方法包括國家森林資源清查總體的抽樣估計和格網剖分的遙感建模估計。將天保工程區按100 km×100 km的網格單元進行劃分,綜合利用樣地數據、高分辨率遙感產品與全面覆蓋的中分辨率遙感數據,對森林資源數量和質量的空間分布進行建模和估計。對于滿足森林資源清查總體的天保工程區,使用時點標準化處理后的樣地數據進行森林資源數量和質量的估計,同時對遙感估計產品進行統一化處理。對于不滿足森林資源清查總體的天保工程區,利用遙感估計產品進行分析、評價。

2.2 生態效益評價的技術途徑和方法

森林生態連清技術體系是生態效益監測評估的核心技術和方法[49],因此需要構建全國天保工程森林生態連清技術體系。首先,依據鄭度院士的溫濕度區劃、吳中倫院士的中國森林分區和土壤侵蝕分區等,再結合重點生態功能區、兩屏三帶[50]、全國天保工程區等,基于GIS平臺,采用逐級疊置分析方法進行天保工程生態功能監測分區；然后,根據生態功能監測分區和通過國家林草局的100多個管轄的森林生態站,確定生態連清數據的來源；再次,依據森林生態系統長期定位觀測標準體系和生態效益監測指標體系(其中包括2項國家標準：《森林生態系統長期定位觀測指標體系》GB/T 35377—2017和《森林生態系統長期定位觀測方法》GB/T 33027—2016)開展各指標的標準化觀測工作,包括獲取指標的觀測設備設施、觀測方法、數據管理等方面；最后,依據國家標準《森林生態系統服務功能評估規范》GB/T 38582—2020中規定的評估公式及模型開展天保工程生態效益監測評估工作。生態效益評估方法是基于分布式測算方法進行的,分布式測算體系是生態效益評估結果精度保證體系,可以解決森林生態系統結構復雜、森林類型多樣、森林生態狀況測算難度大、觀測指標體系不統一和尺度轉化困難等問題。

2.3 天保工程社會經濟效益評價

在系統收集并整理分析天保工程相關文獻和數據資料的基礎上,分別梳理社會效益、綠色轉型發展、鄉村振興和生態文明建設等相關文獻,對現有評估案例中的指標進行重要性評價,并結合國家發布的相關標準、規劃等重要政策文件中的相關指標,構建了天保工程社會經濟效益綜合評價指標體系,其中監測指標數據主要來自于1998—2020年的《中國統計年鑒》《中國林業統計年鑒》《中國環境統計年鑒》《中國農村統計年鑒》《中國農村統計資料》《中國能源統計年鑒》等公開出版的統計資料,部分數據來源于全國森林資源清查數據以及省統計年鑒資料。數據錄入整理完成后,先對缺失值進行處理,然后采用極差法或標準差法對評價指標數據進行無量綱化處理,基于主成分分析法、熵值法對評價指標進行賦權處理,在此基礎上,建立社會效益、綠色轉型發展、鄉村振興和生態文明建設成效的綜合指數模型,根據綜合得分情況分析天保工程實施的社會經濟綜合效益變化趨勢。

另外,經濟效益評估部分還包括森林資源自然資本價值評估(本研究主要考慮林地資產、立木資產)。林地資產價值評估方法主要有：市場成交價法、效益轉移法。林木資產價值評估方法主要有：市場交易價法(木材市場價倒算法、市場成交價法)、收益法(收益現值法、收獲現值法、年金資本化法、周期收益資本化法)、以及成本法。

對于天保工程國內外政策影響部分,主要從中國知網、Web of Science等數據庫收集相關文獻,開展國內外對天保工程實施政策影響的文獻回顧分析；利用數據爬蟲技術收集國內外對天保工程實施政策影響的媒體報道、聯合國糧農組織林業統計數據及中國林業統計年鑒等,輔以調查問卷,全面揭示天保工程的國內外輿論影響及對木材市場的影響。

2.4 天然林生態系統動態及保護修復措施評估的技術途徑和方法

生態系統動態評估的基本途徑是在獲取中國天保工程實施期間的中國森林資源清查一類數據的基礎上,獲得各工程區內不同天然林森林類型及其不同年齡階段的群落結構、立地環境數據和生態系統功能基本特征數據。構建天然林在不同時期內各個參數的基本數據庫,完善可獲取樣地在群落結構、物種、生境和生態系統功能方面的各項指標。主要方法是按照“天然林保護工程區森林資源監測和評估示范”課題劃分的天然林類型,結合不同林齡階段、工程實施區域等,利用廣義線性模型、混合效應模型等數學方法,分析不同時期內各項生態系統參數的動態變化特征。

天然林保護和修復措施評估的基本途徑是選擇典型示范區,利用生態站監測和長期科學試驗數據,運用近自然法、健康距離法、多元統計等定量分析不同修復措施對不同林分類型和林齡生態系統結構的影響。主要方法是利用異速生長模型、廣義線性回歸模型、基于排序回歸(ORBA,ordination-regression based approach)等方法,基于天然林物種組成、生態系統結構與功能參數的演替規律和發展趨勢,以老齡林為最終參考修復目標,建立生態系統結構演替模型,預測不同修復方式下天然林的恢復速度和方向。根據不同植被類型在不同修復措施下與老齡林的差異程度,提出天然林資源合理利用的參考時間節點。按照達到老齡林40%、60%、80%的恢復水平,設定相應的保護和利用目標。

2.5 天保工程政策評估的技術途徑和方法

天保工程政策評估的方法包括文獻統計法,系統評價法,比較分析法,實證分析法和總體設計法。數據獲取主要包括天保工程一期、二期的數據,以天保工程的17個省(自治區)的天然林保護政策實施單位為研究對象,收集數據。此外,還要根據項目其他組分的研究成果,通過分別走訪調查天保工程區、非天保工程區、重點國有林區、集體林區的典型的天保政策實施單位,通過問卷調查,小組訪談、半結構訪談,以及其他參與式方法等與核心利益相關者對天保政策實施情況與問題進行快速評估,并征求利益相關者的關于新時期天然林保護政策取向的意見。

圖3 天保工程政策評估的技術實施路線圖Fig.3 The framework of policy evaluation of the Natural Forest Protection Program

3 結語

本文系統分析了天保工程實施效果評估需求,構建了基于森林資源、生態效益、社會經濟效益、天然林生態系統動態及保護修復措施、政策成效等五個方面的科學評估方法體系,研建了定性和定量因子相結合的評價指標體系及評估技術途徑,為開展我國天保工程效益提供了可借鑒的方法體系。具體結論如下：

(1) 采用森林資源調查、遙感觀測和模型模擬等多種技術手段對天保工程實施后的森林資源數量和質量進行定量分析和評估,可以全面系統、及時準確地了解我國天保工程區的森林資源時空動態變化規律。

(2) 采用森林資源清查和生態連清相結合的技術體系,并利用生態系統功能評估模型、天保工程資源數據和社會公共數據,評估全國天保工程的生態系統服務的物質量和價值量,分析不同生態服務類型動態變化及其影響因素。

(3) 采用長期定位觀測和樣地調查方法研究天然林恢復演替過程中樹種多樣性和功能的動態變化,有助于闡明天然林面積和蓄積量變化對天然林生態系統恢復的影響,篩選不同區域或干擾體系下天然林保護修復的優化方案。

(4) 構建天然林保護政策框架體系適用于系統評價天然林保護政策的執行情況和效果,梳理政策執行存在的問題、成因和影響因素,為天然林保護修復政策修訂提供決策依據。

致謝：感謝“天然林保護實施效果評估技術及方案示范”項目咨詢專家的指導和項目組成員(李勇、覃先林、李海奎、蒙詩櫟、余濤、劉建峰、陸霽、李婷婷、程中倩、王林龍、孟貴等)的付出。