基于生态系统服务空间分异的武汉市城市森林经营策略

程维金 周煜 王鹏程

摘 要： 城市森林发挥着诸多不可替代的生态系统服务，影响着区域生态安全。改善城市森林结构，提升其生态系统服务，是森林可持续经营的重要目标和趋势。本文以武汉市为例，通过城市森林生态系统服务空间分异研究，探索城市森林可持续经营策略。基于实地调查数据、森林资源调查数据和遥感数据，运用相关生态学模型，从森林植被类型、城市化梯度、功能类型间关系等方面研究武汉市森林生态系统服务的变异特征，在此基础上提出了面向生态系统服务提升的城市森林可持续经营对策。研究结果表明：武汉市森林生态系统服务在植被类型间和功能类型间存在明显分异特征，马尾松杉木常绿针叶林、落叶阔叶林、灌木林等生态系统服务价值占比较高，其中马尾松杉木常绿针叶林生态服务功能价值占总价值比例为44.30%，达97.70×108元·a-1，其他类型森林生态系统服务价值所占比例均小于5%;森林生态系统服务空间分异明显，黄陂区森林生态系统服务价值总量最高，占比为41.46%（91.43×108元·a-1），新洲和江夏次之，占总价值的20.84%和19.21%，其他区占比均低于5%。尽管近年来武汉市城市绿化投入较大，但森林面积较小，中幼龄林面积比例较大，林种结构单一，纯林面积比例较高等问题是影响武汉市森林生态系统服务供给水平的关键因素。后续森林生态系统管理中，应围绕森林面积提升、加强中幼龄林管理，改善森林群落结构，优化森林景观格局等提升森林生态系统服务的供给水平和供给结构，为武汉市城市生态安全提供重要保障。

关键词： 森林生态系统服务;城市森林;空间变異;森林经营;武汉市

中图分类号：S718.557   文献标识码：A   文章编号：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

城市森林是市区及城市近郊区以木本植物为主的植被体系，是城市生态系统的关键组分，在改善区域环境，促进居民健康、提高生活水平等方面发挥着重要的生态系统服务[1]。相对于自然森林生态系统，城市森林多处于高度人为干扰环境下，其结构和功能受人为活动影响显著[2-3]。例如城市化扩张、游憩、环境污染等都深刻影响着城市森林的結构和功能，导致城市森林“碎片化”分布，生态系统服务退化，进而影响城市生态安全。同时，随着城市发展，大量生态用地转变为发展用地，森林退化与恢复之间的矛盾逐渐加剧[4]。因此，在了解森林结构与功能分异的基础上，科学制定森林经营管理策略，有助于提升城市森林生态系统稳定性和生态系统服务功能，改善区域生态安全。

生态系统服务是人类直接或间接从生态系统中获得的各种产品与惠益[5]。联合国千年生态系统服务评估[6]极大推动了生态系统服务相关研究的开展，经过20多年的发展，生态系统服务研究逐渐由生态系统服务价值评估开始向生态系统服务管理决策进展[7]，更多的与气候变化、人类活动干扰、土地利用变化、生物多样性等因素相关联[8]。一些重要生态区域、重要生态系统类型生态系统服务成为研究热点，如森林生态系统、湿地生态系统、城市生态系统等[9-10]，特别是森林生态系统服务空间变异及其对人为活动干扰的响应受到广泛关注[11]。但目前生态系统服务决策研究仍处于探索阶段。

随着对森林生态系统服务重要性理解的深入，森林经理管理也经历了单纯采伐利用，永续利用，森林多效益永续利用和森林生态系统管理等阶段[12]，森林经营理念从单纯追求木材生产经济效益，转变为森林可持续经营，极大提高了森林质量。但随着社会经济化发展，森林有效供给与日益增长的社会需求的矛盾依然突出[13]。因此面向多生态系统服务提升的森林可持续经营成为森林经营发展的重要趋势，是各国森林可持续经营和林业科学研究的最重要内容。

武汉市地处长江经济带中部地区，是长江中游城市群的核心城市，其城市森林结构和功能提升是区域生态安全的重要保障。随着长江大保护战略实施，在评估城市森林结构与功能的基础上，探索城市森林可持续经营策略成为武汉市森林生态建设面临的重要科学问题。本文基于实地调查数据、森林资源调查数据和遥感数据，运用相关生态学模型，从森林植被类型、城市化梯度、功能类型间关系等方面研究武汉市森林生态系统服务的变异特征，并进一步提出面向生态系统服务功能提升的城市森林可持续经营对策，为提升城市森林生态系统服务的供给水平和供给结构提供科学支撑，保障武汉市城市生态安全。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区武汉市位于长江中下游江汉平原东部（113°41～115°05E、29°58～31°22N），是长江流域最大的城市之一，是长江经济带发展的重要支点（图1）。武汉属亚热带季风性湿润气候区，雨量充沛、日照充足、四季分明，夏高温、降水集中，冬季稍凉湿润。截至2019年，全市下辖13个市辖区，总面积8 569.15 km2，建成区面积950 km2，常住人口1 121.2万人，地区生产总值1.62万亿元。武汉市森林景观资源丰富，山地森林、丘陵林地、滨水滨岸防护林、交通防护林、城市景观林交错分布，城市森林布局呈明显的“水乡林城”相融合的景观特点[14]。境内东湖风景区、木兰山风景区、木兰湖风景区、九峰城市森林公园、青龙山国家森林公园、九真山国家森林公园、素山寺国家森林公园、涨渡湖湿地森林公园等众多国家级和省市级森林公园。2018年，实施“四个三重大生态工程”项目，精准灭荒0.15万hm2。造林绿化面积0.27万hm2，修复退化林0.23万hm2，抚育中幼林0.67万hm2，实施封山育林0.33万hm2。

1.2 数据来源与处理

本研究所用的数据主要包括实地调查数据、森林资源调查数据、遥感数据和定位站长期观测数据等。实地调查数据包括针对武汉市森林生态系统服务评估开展的野外样地调查和问卷访谈调查数据，样地调查在2016年6～8月和2017年6～8月开展，共设置20 m×30 m临时样地143个，记录植被覆盖类型、植物多样性、植物群落结构、立地条件因子、人为活动干扰因子，及其他环境条件因子等;问卷访谈调查在2016年4～7月开展，通过街头、公园和网络等形式开展问卷发放回收，以调查武汉市居民对城市各类型森林的使用规律分异和对游憩功能的支付意愿，共发放调查问卷510份，回收有效问卷456份。森林资源调查数据包括武汉市森林规划设计资源调查数据（2014）和武汉市林地变更数据（2017），共涉及森林小班64 000余个，涉及所有林分调查因子，包括地类、植被类型、林种、林分结构、林分立地、林分经营相关等详细信息。同时，研究采用Landsat 8卫星遥感数据（2017-07-26），用于估算武汉市植被覆盖指数特征和植被多样性特征。此外，社会经济数据通过武汉市统计年鉴（2017）。生态系统服务功能相关资源价格为2017年各要素平均交易价格。

1.3 森林生态系统服务评估指标体系

基于森林生态系统服务功能评估规范（LY/T 1721-2008）[15]，结合国内外森林生态系统服务相关研究[6，16，17]，构建了武汉市森林生态系统服务评估指标体系，共包括涵养水源、保育土壤、固碳释氧、积累营养物质、净化大气环境、多样性保护和森林游憩等7个方面12个具体生态系统服务指标（表1）。

1.4 森林生态系统服务评估

本研究参照林业行业标准（LY/T 1721-2008）确定的物质量和价值量计算方法，对森林涵养水源功能（调节水量）、保育土壤功能（固土、保肥）、固碳释氧（固碳量、释氧量）、积累营养物质（植物积累N、P营养物质量）、净化大气环境（植物吸收二氧化硫、氟化物、氮氧化物、滞尘）、多样性保护等方面的功能量和价值量进行计算。计算过程中，以林业小班为基本测算单元，按照地类、森林植被类型、林龄（组）等分类依据，分别测算统统类型小班内森林各生态系统服务功能。其中，森林植被类型以中国植被类型群丛为基本分类单位，结合植被经营类型，划分为马尾松杉木常绿针叶林、柏木常绿针叶林、落叶针叶林、针叶混交林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、阔叶混交林、针阔混交林、灌木林、经济林、幼树幼苗等;林龄组划分为幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林等5类。

2017年武汉市森林初级生产力累积数据由华中农业大学森林生态研究团队提供，该数据空间分辨率250 m，基于MODIS 植被指数产品（MOD13Q1）、温度、降水、有效光合辐射量等指标，基于修正的CASA模型[18]估算。

除森林游憩价值外，各生态系统服务指标单位价格按照科学、公允的原则，参照2017～2018年价格（表1）进行测算。而森林游憩价值可表现为居民对不同类型森林的喜好与支付意愿，本研究基于居民支付意愿调查结果，开展森林游憩功能價值评价，公式如下：

U游憩=TA

式中，U游憩为森林游憩价值（元·a-1），T为单位面积森林的居民支付意愿（元·hm-2）;A为森林面积（hm2）。

1.5 统计分析方法

森林资源数据以各类型森林小班为单元，在ArcGIS软件（ESRI）支持下，运用空间叠加计算、区域统计分析等工具，分别对武汉市城市森林总面积、各森林类型植被类型、森林生态系统服务进行统计，并在Excel中进行制图分析。

2 结果与分析

2.1 武汉市森林景观结构特征

除中心城区外，武汉市城市森林面积为1 517 km2，其中，森林面积1 222 km2，城市绿地263.56 km2。森林资源分布具有明显的空间聚集性特征，主要集中分布在黄陂区北部的木兰山地区、新洲东部大别山余脉等区域。黄陂、新洲、江夏三区森林面积占武汉市森林总面积的比例达78.86%，黄陂森林面积覆盖率最高，达25.84%，其余城区均位于10%～13%（表2）。

武汉市城市森林中，人工林占绝对主导地位，但森林植被类型存在明显差异，常绿针叶林和落叶阔叶林面积比例高达36.69%和30.11%、阔叶林所占比例也较高（17.02%），其他各植被类型均低于5%（图 3a）。森林小班平均面积偏小，洪山区和东湖高新区森林小班较完整，小班平均面积达5.94 hm2、4.73 hm2和4.07 hm2，其余城区森林小班平均面积均低于3 hm2（表 2）。

武汉市森林以中龄林和幼龄林为主，两个林龄组森林所占面积分别达到59 131.28 hm2和56 481.71 hm2，占森林总面积的比例达38.20%和36.48%，近熟林和成熟林比例仅为5.92%和4.21%（图3b）。成熟林和过熟林主要分布在黄陂北部山区、纸坊周边山区、九真桃源景区等（图2）。

2.2 武汉市森林生态系统服务及其价值的类型

分异  武汉市森林年调节水量达到2.74×108 m3·a-1。在保育土壤方面，森林生态系统每年可以减少（固持）土壤侵蚀量为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，钾元素24 824.62 t·a-1，固定土壤有机质385.21 t·a-1。森林生态系统年固定二氧化碳和释放氧气的数量达到了157.52×104 t·a-1和110.48×104 t·a-1。武汉市森林生态系统植物年积累氮元素和磷元素营养物质量分别可达7 595.28 t·a-1和506.35 t·a-1。可吸收大气中二氧化硫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，滞尘224.86×104 t·a-1，释放负离子9.64×1023个·a-1（表3）。

2017年武汉市森林生态系统服务总价值为220.54×108元·a-1，单位面积森林生态系统服务价值为14.85×104元·hm-2·a-1。不同类型生态系统服务功能价值表现出较大差异，森林游憩、生物多样性保育、涵养水源、固碳释氧等功能价值较高，均接近或超过20%，其中，森林游憩价值最高，价值贡献比达30.91%（68.18×108元·a-1），森林固碳释氧功能价值占比达24.68%（54.42×108元·a-1），森林生物多样性保育功能价值和森林涵养水源价值分别达到44.29×108元·a-1和43.31×108元·a-1，森林其它方面的生态系统服务功能所占比例低于5%（图4a）。

2.3 森林植被类型间生态系统服务分异

不同植被类型森林发挥的生态系统服务价值也存在较大差异，马尾松杉木常绿针叶林、杨树栎类等落叶阔叶林、灌木林等产生的森林生态系统服务价值所占比例较高，其中马尾松杉木常绿针叶林生态服务功能价值占总价值的44.30%，达到97.70×108元·a-1，落叶阔叶林和灌木林分别达到28.46%和13.53%，对应的价值量分别为62.76×108元·a-1和29.85×108元·a-1。其他类型森林生态系统服务价值均低于10×108元·a-1，所占比例均小于4%（图4b）。

2.4 森林生态系统服务价值的空间分异

武汉市森林生态系统服务在不同城市化梯度上有着明显空间异质性，从城市边缘到城市中心，森林小班生态系统服务价值量逐渐降低，高森林生态服务价值小班（>15 万元·hm-2·a-1）聚集性分布，在黄陂北部和新洲东北部山区集中分布，而在东湖风景区、蔡甸区、江夏区等较离散分布（图5a）。黄陂区森林对武汉森林生态系统服务价值的贡献率高达41.46%，达到91.43×108元·a-1，新洲和江夏两区森林生态系统服务价值分别占武汉市森林生态系统服务总价值的20.84%和19.21%。

单位面积森林生态系统服务价值在不同行政区之间也存在较明显差异，黄陂区单位面积森林生态系统服务价值较高，达15.68×104元·hm-2·a-1，较武汉市平均水平高5.59%（图5b）。

3 讨论与建议

明确城市森林结构及其生态系统服务特征是开展可持续森林经营的重要基础[13]，本文参照林业行业标准，综合运用森林资源调查数据和遥感数据等，对武汉市森林生态系统服务价值及其分异特征进行了研究。研究结果为揭示了武汉市城市森林结构与生态系统服务分异特征，可为武汉市森林生态系统可持续管理提供重要参考。

武汉市森林生态系统服务供给存在明显的空间分异特征，高生态系统服务价值林分主要分布在远离城市的北部、东北部山区，而城市周边平原地区单位森林生态系统服務价值偏低。这与武汉市森林保护与林业生态建设布局相一致。城市周边林分受城市化扩张和基础设施建设等人类活动的影响而破碎化和退化[19]，而在城市森林建设布局中多基于土地利用价值的权衡策略，林业建设集中到山地、滩涂等区域;同时，城市周边林分受城市化环境中各类干扰影响林分质量普遍偏低。这一空间分布格局也使生态系统服务传递过程受到抑制，森林生态系统服务难以直接作用于改善城市生态环境，支撑城市可持续发展，也导致市民对森林游憩支付意愿低。

研究结果也显示，武汉市森林生态系统服务供给存在明显的类型分异特征。马尾松杉木等类型森林植被生态系统服务价值高，但其他类型植被生态系统服务价值普遍偏低。同时，虽然近年武汉市开展了退耕还林等众多造林工程，新增森林面积不断扩大。但多数新造林仍处于中幼龄林阶段，中幼林比例达森林总面积的75%，其生产力和其它生态系统服务功能较低，因此，武汉市森林整体生态系统服务功能和单位面积功能均偏低。纯林面积占比超过森林总面积的80%，杨树、马尾松等纯林面积较大，林种和林分结构较为简单。森林生物多样性是影响森林生态系统生产力和功能的关键因素[20]，单一的林分结构可能导致森林生产力和其它生态系统服务处于较低水平，并可能加剧森林病虫害发生，进一步抑制森林生态系统服务。

4 武汉市森林生态系统服务优化提升对策建议  针对森林生态系统服务及其价值的分异特征，为提升武汉市森林生态系统服务供给水平，在武汉市森林生态系统管理中，应重点采取以下几方面对策：

（1）加强森林生态系统结构与功能变化监测。森林生态系统服务供给水平和生态系统服务价值应作为核心监测内容，纳入森林监测，并作为森林生态系统管理的关键依据，尽快形成具有先行示范意义的森林生态系统监测评估体系，为长江经济带绿色发展提供有效的支撑平台和示范体系。

（2）基于森林生态系统服务的森林优先保育计划。武汉市森林生态系统表现出明显的结构和功能分异特征，森林退化与森林扩张并存。高质量森林主要分布在黄陂、新洲、东湖风景区等区的山地地区，面临着较大的森林旅游压力，而其他低质量的森林离散分布在城市各处。后续管理应给予森林生态系统的服务供给水平和森林质量制定差异化的管理战略，优先保护高质量森林生态系统，持续提升和改善敏感性森林生态系统，形成系统的保育计划。

（3）加大森林恢复与造林力度。武汉市森林面积和覆盖率均较低，宜充分结合即将实施的新一轮退耕还林工程、长江沿岸绿化工程等开展宜林地森林恢复和造林工作，提升森林覆盖面积，提高森林覆盖率，进而提升森林整体生态系统服务功能。

（4）加强低效林和幼龄林管理，提升森林郁闭度，改善森林群落结构。针对武汉市近年来形成的大面积人工纯林存在的中幼龄林广泛分布的特点和立地质量较差地区森林质量低下问题，后续森林生态系统管理中，重点围绕近年来开展的退耕还林和生态公益林建设工程区，通过混交、补植、林下管理等模式，开展中幼龄林近自然化改造和抚育管理，以提升复层林和混交林比例，增加常绿针叶林比例为关键策略开展低效林和幼龄林管理。

（5）优化森林景观格局。针对武汉市森林景观破碎化问题，应在尊重城市发展规律的基础上，结合生物多样性保护、热环境改善、水土流失控制、游憩等需求，特别是结合环线林带、绿楔、湿地生态修复和绿道等重点生态建设项目，统筹考虑城市发展目标和土地利用规划方案，围绕生物多样性保育、热岛效应环节、大气污染物防控、游憩体系建设等重点森林生态建设需求，从多尺度考虑，调整和优化武汉市森林布局结构，构建结构与功能协调的森林生态网络结构。

（6）实施多目标经营，全面提升生态服务供给水平。转变森林经营的单一目标模式，将生态公益林、防护林、人工商品林等单一目标或简单经营目标，在维持森林主导功能不下降前提下，通过改善森林结构和增加森林经营模式，积极发展林下经济，提升森林生态系统服务的多层次供给能力。

（7）加强城市群发展背景下区域生态系统整体优化。重点围绕武汉市林水相依，林城相融的生态系统空间分布与构成特征，加强森林与湿地生态系统间相互作用关系研究、森林结构功能与城市间关系研究，探索武汉市“山水林田湖草”生命共同体综合治理模式，为武汉市生态系统服务功能整体提升提供科学依据。

参 考 文 献

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（责任编辑：唐岚）