基于GIS的大兴安岭盘古林场森林生态功能等级评价与分析

袁 野，刘兆刚，董灵波

（东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

基于GIS的大兴安岭盘古林场森林生态功能等级评价与分析

袁 野，刘兆刚，董灵波

（东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

森林生态功能是指森林生态系统及其生态过程所形成的有利于人类生存与发展的生态环境条件与效用。基于GIS软件数据编辑、分析和制图功能，通过反映森林生物量、生物多样性和森林结构的有关特征因子，针对2012年大兴安岭盘古林场森林资源二类调查数据，按各评价指标的相对重要性来综合评定大兴安岭森林生态功能等级。结果表明：（1）大兴安岭盘古林场森林生态功能指数为0.599 7，其中生态功能等级为优的林分仅占7.26%，中等林分占92.74%，该地区森林生态功能整体处于中等等级；（2）从森林类型的角度分析，各林型生态功能指数排序依次为：针阔混交林（0.628 9）＞阔叶混交林（0.613 5）＞针叶相对纯林（0.602 4）＞针叶混交林（0.588 2）＞阔叶相对纯林（0.574 7）＞针叶纯林（0.552 5）＞阔叶纯林（0.543 5）；（3）从龄组的角度分析，近熟林（0.602 4）和过熟林（0.602 4）生态功能指数较大，成熟林（0.598 8）和中龄林（0.598 8）次之，幼龄林（0.588 2）最小；（4）从优势树种的角度分析，云杉（0.613 5）＞山杨（0.606 1）＞落叶松（0.598 8）＝樟子松（0.598 8）＝白桦（0.598 8）＞杨树（0.595 2）＝柳树（0.595 2）；（5）从河流的影响角度分析，距离越小，小班受到河流的影响越大，小班的生态功能越好；（6）从道路的影响角度分析：距离越小，小班受到道路的影响越大，小班的生态功能越差。研究结果可为该地区森林资源的合理分配、森林健康经营、森林内部价值外部化、林业补偿提供理论依据和技术支持。

大兴安岭；森林生态功能等级；森林生态功能指数；GIS

一直以来，受到传统林业观念的影响，林业生产和经营目标通常以森林经济效益最大化为主，人们习惯关注森林的经济功能而忽略其生态功能，因为森林带来的经济利润可以被直观的估测和享用；而看不见、摸不着的森林生态功能由于没有具体有效的估测概念和方法，一直不被人们重视[1-2]。事实上，森林生态功能是人类生存和发展的基础，森林的生态功能一直直接或间接地为人类提供着服务[3-5]。

世界上许多林业产业发展先进的国家如美国、日本等，已经意识到了森林生态功能的重要性，这些国家对森林生态功能给予了高度重视，不仅承认了森林生态产品的地位，还将其列入营林成本，使森林生态功能产品具有商品属性，实现了林业经济补偿，还为森林生态功能的概算研发了经验公式或模型，使得评价结果直观清晰，为森林资源的合理配置和林业发展提供了科学的依据，而我国有关森林生态功能评价的工作才刚刚起步，适用于我国森林生态系统的评价方法和指标还在探索中[6-7]。

我国有关森林生态功能的多数研究为理论研究与单一性评价，而影响森林生态功能的因子绝不仅仅是单方面的，利用GIS功能综合评价森林生态功能并将评价结果量化不仅能加强人们对森林生态功能的意识，还为森林资源的合理分配、森林健康经营、森林内部价值外部化、林业补偿提供理论依据和技术支持[8-10]，而将GIS强大的数据编辑、空间分析和制图功能融入综合评价的过程，将呈现出更加直观、形象、准确和信息化的评价结果。

1 研究区概况

始建于1969年的盘古林场，位于黑龙江省大兴安岭地区塔河县城西北部，52°41′57.1″N，123°51′56.5″E，林场的营林面积为 152 127 hm2，有支岔线31条，森林覆盖率高达88.9%，气候属寒温带大陆性季风气候，地势西高东低，昼夜温差较大，较干燥，年均温度为-3 ℃，年均光照总数为2 600 h，无霜期约90～110 d，年降雨量为300～450 mm，相对湿度范围是70%～75%，积雪期长达5个月，林内雪深30～50 cm。

2 数据收集与处理

2.1 数据收集

收集了2012年大兴安岭盘古地区森林资源二类调查数据、1∶50 000比例尺盘古林场地形林相图（见图1）等。

2.2 数据处理

森林生态功能是指森林生态系统与其生态过程所形成的人类赖以生存的生态环境条件与效用，包括水源涵养功能、水土保持功能、气候调节功能、环境净化功能、生物多样性保护功能等[11-13]。通过利用反映森林生物量、生物多样性和森林结构的有关特征因子：森林蓄积量、森林自然度、森林群落结构、树种结构、植被总覆盖度、郁闭度、平均树高、枯枝落叶厚度，按相对重要性来综合评定森林生态功能等级，如表1所示。

表1 森林生态功能评价因子及类型划分标准Table 1 Evaluation factors and types of forest ecological function

2.2.1 代码归类及赋值

选定的8个评价因子，其中森林蓄积量、郁闭度、平均树高可以直接按照表1赋值，森林自然度、枯枝落叶厚度等级、森林群落结构、树种结构需要按照表2～5归类并统计相应代码。

图1 盘古林场地形林相图Fig.1 Terrain forest map of Pangu forest farm

表2 自然度划分标准与代码Table 2 Natural degree classification standard and code

表3 枯枝落叶厚度划分标准与代码Table 3 The division standard of litter leaves’ thickness and code

表4 群落结构类型划分标准与代码Table 4 Classification standard of community structure and code

表5 树种结构划分标准与代码Table 5 Standard tree structure and code

植被覆盖度按照表6计算，专家打分法为下列因子赋权重后采用AHP法将各项因子对应数值与权重相乘后相加，取得数的百分数即为植被覆盖度。

表6 林分各层及权重Table 6 Stand each layer and weight

最后，按照表1的各项评价因子及分类标准，给所有因子赋值。

2.2.2 小班生态功能等级计算

将赋值后的数据按照公式（1）计算：

式（1）中：Xi为第i项评价因子的类型得分值（类型I、II、III分别取1、2、3），Wi为各评价因子的权重。将数据带入公式计算，并根据表7评定盘古林场森林生态功能等级。

得出各个小班的生态功能得分，按照林地和非林地给所有小班分类，所有非林地内的小班赋值生态功能得分为0，然后按照下表给林地内各个小班的生态功能划分等级。

表7 森林生态功能等级评定标准与代码Table 7 Rating standards of forest ecological function and code

2.3 建立数据库

分别在小班属性表和外部数据库（各小班赋值数据和生态功能得分表格），建立共同字段FID，然后以FID为公共属性将两个表连接到一起，加载到Arcgis中作为新的数据库（见图2）。

图2 属性表连接Fig.2 Attribute table connection

2.4 计算盘古林场生态功能指数

将公式（1）得出的结果带入公式（2）计算森林生态功能指数（该指数值小于等于1，数值越大，表明森林生态功能越好）。

式（2）中：Y为公式（1）得出的结果。

3 结果与分析

经计算得出盘古林场森林生态功能指数是0.599 7，森林生态功能处于中等状态。利用GIS的编辑、制图功能对小班属性数据库中的生态功能得分项进行分级色彩表示，如图3所示：橘色显示的小班的森林生态功能等级为优，占总林分的7.26%，蓝色显示的是森林生态功能等级中等的小班，占总林分的92.74%。结合GIS强大的空间分析功能，从以下5个方面：森林类型、龄组、优势树种、河流和道路的影响对盘古林场的森林生态功能进行分析。

从森林类型的角度分析，各林型生态功能指数排序依次为：针阔混交林（0.628 9）＞阔叶混交林（0.613 5）＞针叶相对纯林（0.602 4）＞针叶混交林（0.588 2）＞阔叶相对纯林（0.574 7）＞针叶纯林（0.552 5）＞阔叶纯林（0.543 5），如图4所示。较之纯林，混交林充分发挥了种间互补作用，较合理分配了生长空间并充分利用了光照、水分、土壤等因子，更好的发挥了森林的生态功能[14]。森林的生态功能在幼龄时最低，在近熟时达到顶峰，成熟林时变平稳，而后又有增长趋势，可见，

图3 盘古林场各小班森林生态功能等级分级显示Fig.3 Each subcompartments’ forest ecological function grade display in Pangu forest farm

图4 不同森林类型的生态功能指数Fig.4 Index of ecological function of different forest types

从龄组的角度分析：近熟林（0.602 4）和过熟林（0.602 4）生态功能指数较大，成熟林（0.598 8）和中龄林（0.598 8）次之，幼龄林（0.588 2）最小。森林的合理的龄组结构是森林永续利用的基础，是实现森林资源良性循环的保障[15]。由图5可见，树木在达到近熟林状态前后，其生态功能得到了最好的发挥。

从优势树种的角度分析：云杉（0.613 5）＞山杨（0.606 1）＞落叶松（0.598 8）=樟子松（0.598 8）=白桦（0.598 8）＞杨树（0.595 2）=柳树（0.595 2）。由图6可见，以云杉和山杨为优势树种的小班生态功能指数最好，次之为樟子松和落叶松，最差是杨树和柳树。在充分考虑了森林类型和适当调节龄组结构的基础上，调整树种，森林生态功能可以得到一定的提高。

图5 不同龄组的生态功能指数Fig.5 Index of ecological function in different age groups

图6 不同优势树种的生态功能指数Fig.6 Index of ecological function of different dominant species

强大的空间分析功能是GIS的重要组成部分，利用缓冲区分析和叠加分析功能可以直观、有效地为用户解决多种问题[16-18]。其中缓冲区指的是目标或工程规划项目的一定影响范围或区域规划范围，缓冲区分析是根据对象的点、线、面实体，根据输入的参数，自动在目标区附近建立一定距离的带状区域，以表明对象的影响程度或辐射范围，以便为某项分析或决策提供依据[19-21]。叠加分析指的是将同一地区或同一框架下的多组专题信息进行叠加，建立一个新的专题图或建立多重属性的地理空间分布，从而提取地理空间的隐藏信息并满足用户需求[22-23]。

从河流的影响角度分析：首先以河流要素为对象，分别进行20 m、40 m的缓冲区分析。并将2个缓冲区分别与小班图层相交，得到一个新的要素层即在缓冲区范围内受到影响的小班。每个新的要素层都具有相交前的所有属性，分别统计20 m、40 m范围内受到影响的小班的生态功能等级，并比较生态功能等级好的小班占范围内所有小班的比例大小，结果如表8所示，缓冲区和叠加结果显示：距河流20 m到40 m的距离中，受到影响的小班增加了259个，然而其中生态功能等级优的小班仅增加了12个，等级优的小班比例从6.04%降低到了5.91%。数据显示，距离越小，小班受到河流的影响越大，小班的生态功能越好。在河流附近的森林不仅起到了涵养水源的功能，自身的生态功能也得到了更好的提高。

表8 缓冲区范围内森林生态功能等级好的小班所占比例Table 8 Proportion of excellent forest ecological function class in the buffer range

从道路的影响角度分析：操作与河流相同，结果如表9所示。缓冲区和叠加结果显示：距道路20 m到40 m的距离中，受到影响的小班增加了117个，其中生态功能等级优的小班增加了10个，等级优的小班比例从7.30%增加到了7.39%。数据显示，距离越小，小班受到道路的影响越大，小班的生态功能越差。

表9 缓冲区范围内森林生态功能等级好的小班所占比例Table 9 Proportion of excellent forest ecological function class in the buffer range

4 讨论与结论

量化是评价成功的关键[4,24]。由于我国没有具体的森林生态功能评价方法，没有统一的标准，使得多数评价趋于理论研究。建议配合国家林业部门的经营目标，从实际出发，量化评价结果，使其可以为林业产业的发展决策提供数据支持。

我国森林生态功能的评价多为土壤或涵养水源方面的单一评价，事实上，影响森林生态功能的因素是多样化的，但要构建非常完整的指标体系，很多指标之间会有重叠，还有一些因子的可加性也有待考证[8]。本研究选取了8个特征因子，可以充分的反应森林的生物量、生物多样性、森林结构方面的信息，从森林自身出发综合评价其生态功能的角度有一定的创新，但同时也缺少了一些外部因子如防风固沙、固碳释氧、减噪除尘等指标的影响作用，因此在指标的全面性和重复性选择方面还有待进一步研究。

与遥感和地理信息系统技术相结合，实现数据的动态监测，运用GIS强大的功能对时间数据和空间数据进行一体化管理和空间分析，以得到更加科学的评价结果[25-26]。对动态监测数据进行分析，不仅可以更客观地比较各个指标对森林生态功能的影响程度，还能对经过一定调整和经营后的森林生态功能的改善效果进行评价，因此在指标的动态监测上还有待进一步研究。

通过对评价指标的一系列计算，得到如下结果：针叶混交林的森林生态功能远大于纯林；近熟林的森林生态功能最优；以云杉和山杨为优势树种的小班森林生态功能指数最高，落叶松、樟子松、白桦中等，杨树和柳树最低；从缓冲区和叠加分析的结果显示，距离河流越近的小班，森林生态功能指数越高，道路则恰恰相反。总体看来，大兴安岭盘古林场森林生态功能处于中等状态，生态功能等级为优的林分仅占7.26%。建议盘古林场以针阔混交林经营为主，以云杉、山杨、落叶松等森林生态指数较高的树种为优选，合理调整森林的龄组结构，提高对森林生态功能贡献较高的近熟林的比例，并在调整森林本体的同时，关注空间的合理分配，考虑外部环境如河流、道路等因子对森林生态功能的影响，最大程度的提高盘古林场森林生态功能以实现森林的永续利用，并为盘古林场森林资源的合理分配、森林健康经营、森林内部价值外部化、林业补偿提供一定的理论依据和技术支持。

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Evaluation and analysis of forest ecological function level in Greater Khingan Mountains Pangu forest farm based on GIS

YUAN Ye, LIU Zhao-gang, DONG Ling-bo
(College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

Forest ecological function refers to the formation of forest ecosystem and its ecological processes is conducive to ecological environmental conditions and effectiveness for the survival and development of human. Based on the GIS software functions of data editing, analysis and mapping, using forest inventory data of Greater Khingan Mountains Range Pangu forest farm in 2012 to comprehensive evaluate Greater Khingan Mountains forest ecological function according to the relative importance of the factors which re fl ect forest biomass, biodiversity andforeststructure.The results showed that: (1) Greater Khingan Range forest Pangu area ecological function index was 0.599 7, ecological function class for excellent stand only accounted for 7.26%, moderate stand 92.74%, forest ecological function in the region as a whole was in the medium level; (2) the analysis from the forest type point, sort of contribution degree of each forest type on the regional ecological function was as follows: the coniferous and broad-leaved mixed forest (0.628 9) ＞broad-leaved mixed forest (0.613 5) ＞ coniferous relatively pure forest (0.602 4) ＞ mixed coniferous forest (0.588 2) ＞ broad-leaved relatively pure forest (0.574 7) ＞ pure coniferous forest (0.552 5) ＞ broad-leaved forests (0.543 5); (3) the analysis from the age group,the ecological function index of near mature forest (0.602 4) and mature forest (0.602 4) is largest, the mature forest (0.598 8) and middle age forest (0.598 8) take the second place, young forest (0.588 2)is minimum;(4) the analysis from the perspective of dominant tree species, Picea (0.613 5) ＞Populusdavidiana (0.606 1) ＞ Larch (0.598 8) = Pinussylvestris (0.598 8) = birch (0.598 8) ＞ poplar (0.595 2)= willow (0.595 2); (5) from the perspective of river in fl uence, the smaller the distance, the greater the effect of subcompartment by the river, the ecological function of subcompartment is better; (6) from the perspective of the road, the smaller the distance, the greater the effect of subcompartment by the river, the ecological function of subcompartment is worse.The research results can be used for rational allocation of forest resources, forest health management, the internal value of forest environment, forestry compensation in the area to provide a theoretical basis and technical support.

Greater Khingan Mountains; forest ecological function level; forest ecological function index; GIS

S718.5；S757

A

1673-923X(2016)12-0108-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.12.019

http: //qks.csuft.edu.cn

2015-07-01

国家“十二五”科技支撑计划课题东北碳汇林优化培育关键技术与示范（2011BAD37B02）；黑龙江大兴安岭过伐林的多功能优化经营技术研究与示范（2012BAD22B0202）

袁 野，硕士研究生

刘兆刚，教授，博士；E-mail：lzg19700602@163.com

袁 野，刘兆刚，董灵波.基于GIS的大兴安岭盘古林场森林生态功能等级评价与分析[J].中南林业科技大学学报，2016,36(12): 108-114.

[本文编校：文凤鸣]