基于地理信息系统空间量化的国有林场林地占补平衡评估研究——以云南昆明国营石林林场为例*

郝悦竹，吴明山，叶江霞

(1.西南林业大学 林学院，云南 昆明 650224；2.西南林业大学 理学院，云南 昆明 650224)

国有林场是我国森林经营的重要力量，自20世纪50年代以来，森林经营目标几经变革，由单一的木材生产转变为现今的以“培育健康稳定优质高效的森林生态系统”为核心。国有林场在新时期生态文明建设中的地位备受关注，已成为我国木材生产的重要基地、生态安全的重要屏障、生物多样性保护的重要场所和生态文明思想传播的重要阵地，也是当前乡村振兴建设的有机组成。国家林业和草原局印发及修订后的《国有林场管理办法》中明确规定国有林场在森林资源保护与监管中的职责，要求保持国有林场林地范围和用途的长期稳定。全国各地也相应提出在国有林场管理中实行“占补平衡”，即对涉及国有林场林地的建设项目在不破坏生态、保证国有林场集中连片完整性的前提下，实行占补平衡、先补后占的原则。林地占补平衡在协调林地保护与利用间的关系中发挥积极作用并引起了关注[1]。2020年8月云南省林业和草原局也颁布了《云南省国有林场管理办法》(云林规〔2020〕1号)规定在国有林场管理中实行“占补平衡”。探索国有林场林地占补平衡的评估对于有效发挥新时期国有林场地位具有重要作用。

随着遥感(remote sensing，RS)与地理信息系统(geographic information systems，GIS)的发展，森林或林地质量的精细化、定量化评估成为可能。遥感技术凭借其以不同尺度客观反映地表信息逐渐被用于各类资源监测中，现已广泛应用于森林资源监测及执法中[2]；而GIS借助其对地表信息的空间、定量化分析也逐渐应用于各类森林资源分析中。RS与GIS二者结合可快速、准确提供动态数据，为定量评估提供可靠的技术手段[3]，如有学者将其应用于森林多功能价值评估[4]、景观格局动态分析[5]、森林防火信息化[6]或森林健康评价[7]等研究中。这使借助遥感与GIS技术，对国有林场森林资源进行监测分析成为可能，但国内研究大多针对基于GIS的国有林场森林经营体系[8]，或单一考虑林场生态健康层面[7]，鲜有结合国有林场新时期战略地位制定评估体系，同时也尚未有针对占用林地与补入林地的量化对比进行系统评估。补入林地是否能替代占用林地纳入国有林场管理范围，其关键是要确定补入林地的质量不得低于占用林地，而在国有林场林地占补平衡实施过程中，评估占用或补入林地质量时往往存在主观、定性、不全面等问题。

为了客观、科学、定量评价国有林场林地占补平衡可行性，本研究综合考虑国有林场战略地位和占补平衡原则等条件，借助RS与GIS技术，选取合适指标构建评估体系，以空间定量化、精细化的方法科学评估占补林地质量，并应用于实际案例，为国有林场林地监管提供一定参考。

1 占补平衡指标体系构建及评价方法

1.1 指标约束条件

国有林场占补平衡评估体系的构建以国有林场的新时期定位为指导，依据《云南省国有林场管理办法》(云林规〔2020〕1 号)规定，从林地质量、功能效益发挥及经营管理角度考虑，遵循如下原则：(1)补入林地的林地面积不少于所占用国有林场林地；(2)补入林地林木资源质量不低于所占用国有林场林木资源；(3)补入林地立地条件不低于所占用国有林场立地条件；(4)补入林地经营基础设施不亚于所占用国有林场林地；(5)补入林地与林场林地相连，集中连片，不得斑块破碎；(6)补入林地地理空间区位便于国有林场经营管理。

国有林场占补平衡的目的是高效经营森林资源、发挥森林生态效益，因此指标选取在以往评价森林生态系统服务功能的基础上，更要突出新时期其在保护生物多样性、乡村振兴服务中的定位。

1.2 评价指标

遵循上述约束条件，分析数据的可获取性、可量化和代表性，兼顾技术经济可行性，选择森林资源质量、固碳释氧、生物多样性、乡村振兴服务为目标层指标，并下设9个二级指标，对占补林场林地质量进行空间定量化评估，并依据实际情况对三级指标进行分级。分级指标各等级按照对林场影响程度赋值，赋值范围在1～3之间，分值越高，代表对林场发展越有利。

1.2.1 森林资源质量指标

(1)立地条件

坡度 坡度是植物生长过程中具有重要作用的地形因子之一，通常坡度越大，水分流失越严重，土壤易变贫瘠，不利于植物生长[9]。一般而言，平坡(5°以下)土壤肥沃，宜于喜肥树种生长；缓斜坡(6°～25°)土壤较肥沃，排水良好，最适宜树木生长；陡坡(26°～35°)土层薄，水分供应不足，树木生长较差；急坡(36°～45°)常发生坍塌，树木长势稀疏、低矮[9]。故考虑使用坡度为评价立地条件的指标之一，按其是否适合作物生长分为平缓坡、斜坡、急陡坡3级，分别赋予3、2、1的分值。

土壤厚度 土壤中富含多种营养元素，能涵养水源，是植被生长的根基。对林地生产力而言，在同一个土壤亚类及相同坡向的立地条件下，土壤厚度明显影响生产力，同时土壤过厚，深层供水不足，会影响林木发育[10]。有研究发现土壤厚度对林分平均高的最大值和生长速率、林分活立木蓄积生长速率均有影响[11]。因此选定土壤厚度作为立地条件中指示土壤的指标之一，并根据森林资源规划设计调查规范对土壤厚度划分等级及量化。

土壤湿度 土壤水分是植物和微生物的重要能源[12]。有研究表明，土壤湿度对土壤呼吸速率有较大影响，进而影响碳循环进程[13]。同时，土壤湿度是对气候变化非常敏感的因子，通过与植被、大气之间交换能量影响着气候变化和生态系统的分布[14]，对指示环境具有重要作用。考虑到小区域土壤湿度观测及格局分析的困难，借助遥感影像特征对潜在信息的表达，研究对Landsat8 OLI卫星影像进行K—T变换，获取第三分量的土壤湿度表征指标，以此反映土壤水分条件，并进行归一化、分级量化(表1)。

(2)林木质量

森林提供木材生产的能力是森林价值的根本，也是人们关注的重点[15]。蓄积量是森林资源调查的重要指标，直观反映了森林林木质量，也是最易获取、最基础的指标之一。国有林场占补平衡中，在保证占用和补入林地面积相等的基础上，借助每公顷蓄积量指标更能客观反映林地林木质量。

1.2.2 固碳释氧指标

森林作为陆地上最大的生态系统，具有涵养水源、固碳释氧、保育土壤等功能，其中森林通过光合作用固定CO2来减缓气候变暖趋势的固碳能力成为近年研究热点，特别是双碳目标下的林业碳汇研究。大量学者利用遥感和GIS对森林的碳储能力及动态进行了探索[16]。研究根据《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T 1721—2008)植被年固碳量指标对占、补林地固碳能力进行了评估，评估如下：

G植被固碳=1.63R碳AB年

G氧气=1.19AB年

式中：G植被固碳为植被年固碳量，G氧气为林分年释氧量，B年为林分净生产力，A为林分面积，R碳为CO2碳含量(27.27%)。

1.2.3 生物多样性保护指标

在当前全球生态文明建设推进、生物多样性威胁和保护备受国内外关注的大背景下[23-24]，国有林场凭借其丰富的森林资源承担着生物多样性保护重任。因此，在评估国有林场占补平衡时应充分考虑生物多样性承载能力。生物多样性包含4个层次[17]，景观的异质性意味着物种有更多的生存可能性，也就存在更丰富的生物多样性。此外，对景观格局的研究有利于森林资源的合理利用、生物多样性保护以及增强区域森林景观的完整性和稳定性[18]。故选取香农多样性指数SHDI和景观破碎度C共同评价林场景观异质性：SHDI在景观级别上等于各拼块类型的面积比乘以其值的自然对数之后的和的负值；C在一定程度上反映了景观的复杂性和人类对景观的干扰程度。公式如下：

式中：SHDI为香农多样性指数，Pi为景观斑块类型i所占比例。在一个景观系统中，土地利用类型越丰富，破碎化程度越高，SHDI值越高。

式中：Ci为占、补林地的景观破碎度；Ni为占、补林地的斑块数，这里指小班数；Ai为景观i的总面积，这里指占、补林地总面积。

1.2.4 乡村振兴服务指标

新时期的国有林场改革以经济效益为原动力，加强发展森林旅游业、林业产业，充分发挥社会效益，承担乡村振兴的责任[19]。而林场可以发挥上述功能的前提是人类到达林场的便捷性和可及性。有研究表明城镇居民可沿主道路进入林区深处，乡村居民可到达3 km范围内的几乎所有地方[20]，城市居民可承受最长的出行时间在30 min以内[21]。

近年来人类活动对森林产生的负面干扰加剧。有学者研究山东省森林火灾时发现，森林火点频次与居民点距离成反比，≥5 km时火点频次只有5%[22]。而道路会影响当地现存的生态平衡和植物竞争力，其对生态的影响范围远超自身面积[31-32]，因此对林场保持适当的距离才能合理利用和保护林场，使其更好地发挥乡村振兴服务作用。因此，林场可及性应同时考虑道路和居民点的位置，为此引入N和L两个新参数量化该指标，公式如下。

Ni=di×ni

Li=di×li

式中：Ni和Li分别是第i个缓冲区的值；di是第i个缓冲区距林场的距离；ni和li分别是第i个缓冲区内的居民点个数和道路总长度。

表1 相关因子等级量化Tab.1 Correlation factor rank quantification

1.3 构建指标体系

本文在结合国内外森林生态功能评估体系实践基础上，考虑到数据的可获取性、代表性、可量化性和科学性[23]，通过层次分析法确定各指标权重。层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)可对定性问题进行定量评价，建立的判断矩阵须通过一致性检验(表2)。

表2 评价因子与权重Tab.2 Evaluation factor and weight

景观破碎度(C8)是负向指标，是丧失生物多样性的重要原因。此外，由于各指标量纲与单位不同，在比较之前需通过最大值法对数据进行标准化处理。

当指标为正向指标时，其标准化公式为：

当指标为负向指标时，其标准化公式为：

2 案例研究

2.1 研究区概况

2021年11月12日，云南省宜良县发展和改革局同意“昆明市生活垃圾卫生填埋场 ”项目建设，该项目对维护城市清洁的环境卫生面貌，保证地方经济可持续发展，全面实现绿色发展战略具有十分重要的意义。因项目区涉及昆明国营石林林场用地范围，依据《云南省国有林场管理办法》(云林规〔2020〕1 号)，国有林场林地需实施占补平衡评估。以地方拟补入的林地与占用的国有林场林地为研究对象，根据占补平衡评估体系，以反映补入林地与占用林地的质量关系,占用林地和补入林地的面积均为18.267 6 hm2。

占用林地位于宜良县境内的石林彝族自治县国营石林林场的青山营林区，分为两部分，地理位置103°11′48″～103°13′31″E、24°52′44″～24°53′21″N，其中乔木林地面积7.633 3 hm2，灌木林地面积5.535 7 hm2，未成林地面积1.711 1 hm2，其他林地面积6.098 6 hm2，总蓄积量316 m3。地形起伏较大，主要树种有云南松(Pinusyunnanensis)、桉树(Eucalyptusspp.)和板栗(Castaneamollissima)。

补入林地位于石林彝族自治县鹿阜街道办事处上蒲草村委会，地理位置103°19′53″～103°20′14″E、24°45′55″～24°46′8.7″N，其中乔木林地面积18.049 9 hm2，其他林地面积0.217 7 hm2，总蓄积量2 048 m3。区域地形起伏不大，主要树种为云南松，结构相对单一。

2.2 数据来源及处理

研究所需数据有占、补林地高分辨率无人机遥感影像，用以计算景观异质性指数；Landsat-8 OLI卫星影像，来源于地理空间数据云(https://www.gscloud.cn/)，时间为2015年5月28日3时34分，用以提取土壤湿度指标；占用及拟补入林地界线矢量数据。

对获取的Landsat-8 OLI影像利用数字地形模型进行几何精校正、辐射定标和大气校正[24]，在ENVI中进行K—T变换获取湿度分量，代替土壤湿度指标。并在ArcGIS10.2中利用区域统计工具根据占、补林地小班区划进行裁剪，得到占、补林地土壤湿度分布图。

景观异质性指数利用无人机影像在ArcGIS10.2中目视解译，划分景观类型，然后在Fragstats4.2软件中计算SHDI和C指数。

2.3 结果分析

2.3.1 森林资源质量评价

(1)立地条件 统计占、补林地各指标不同等级下的面积所占总面积百分比与分值相乘的求和，得到立地条件结果见表3。

表3 占、补林地森林资源质量指标得分Tab.3 Scores of quality index of forest resources in replenished forest land and occupied forest land

坡度、土壤厚度和土壤湿度标准化后数据分别乘以各自权重，得立地条件指标补入林地得分0.255 7，占用林地得分0.195 3。占、补林地整体土层厚度均为中层，分值相等。在占补林地中，云南松为主要树种。已有学者研究表明云南松在平缓坡林木生长量整体优于陡坡[10]，因此补入林地均为平缓坡适宜云南松生长，而占用林地有部分急陡坡，不利于云南松生长，得分相对较低。土壤湿度方面，补偿林地整体土壤湿度高，土壤因此蕴含更多有机质，相较占用林地更有助于云南松的生长。

(2)林木质量 经计算补入林地的蓄积量为112.11 m3/hm2，占用林地17.30 m3/hm2，分别乘以权重0.167 1，补入林地得分0.167 1，占用林地得分0.025 8。补入林地中乔木林地面积占比99%，占用林地中乔木林地面积仅占41.8%，未成林和灌木林地面积占40.7%，整体蓄积量少。

森林资源质量上，补入林地总得分0.422 8，占用林地得分0.221 1。结果表明，占补之后森林资源质量提高，便于林场经营管理，可使森林发挥更多的生态功能和经济效益，实现对森林资源的永续利用。

占补之后，林地总蓄积量增加1 732 m3，乔木林地面积增加10.416 6 hm2，乔木林单位面积蓄积量增加72 m3/hm2，乔木林平均郁闭度提高0.31。

2.3.2 固碳释氧能力评价

因占、补林地主要树种均为云南松，故在计算时只考虑了云南松的固碳释氧能力。云南松的林分年平均净生产力值引用前人研究数据[25]，为9.735 t/(hm2·a)。绿色植物通过光合作用吸收CO2，释放氧气，减少大气中CO2浓度，对调节气候平衡和合理开展人类活动具有重要意义。通过计算植被年固碳量和年释氧量再乘以权重0.108 1，补入林地得分0.216 2优于占用林地0.145 8(表4)。结果表明，林地固碳释氧能力随着蓄积量的增大而增强，对气候温度和降低CO2浓度贡献也就越大，林地碳汇进程也更为活跃，便于人类开展各项生产生活活动。

表4 占、补林地固碳释氧指标值Tab.4 Index of Carbon fixation and oxygen release in replenished forest land and occupied forest land

2.3.3 生物多样性评价

生物多样性与景观多样性息息相关，景观的多样更有利于物种的生存繁衍。人和动物均需要2种以上的景观要素更证明了景观异质性存在的必要[26]。在研究中通过实地调查和无人机影像，将占用林地分为乔木林、一般灌木林、特殊灌木林、未成林和其他林地共5种景观类型，将补入林地分为乔木林和其他林地共2种景观类型。然而，并不是每一种景观都适宜物种生存，因此引入景观破碎度C共同反映林地景观在生物多样性保护层面的价值。景观破碎度C在一定程度上反映了人类活动对景观破碎化进程的影响。景观斑块越破碎，越易引起外来物种入侵，隔离种群间基因交流，降低生物多样性，甚至引起人类社会经济结构的变化[27]。因此景观破碎度不同于香农多样性指数，并不是越大越好。

表5 占、补林地生物多样性保护得分Tab.5 Scores of Biodiversity Conservation in replenished forest land and occupied forest land

将SHDI和C标准化(表5)之后指数分别乘以权重。结果表明，补入林地得分0.148 5，占用林地0.066 2。占用林地具有多种林地类型，景观更多样，可为生物生存创造更大的生存空间和可能性，然而景观破碎度指数过高，代表人类干扰程度较高，其影响超过了SHDI指数，容易对物种间基因交流产生障碍，不利于物种生存。补入林地虽然景观类型不丰富，但质量较高且集中连片，人类干扰较轻，更利于生物多样性保护。

2.3.4 乡村振兴服务

新时期的国有林场改革立足于成为乡村振兴的重要基地，为乡村文化教育发展贡献力量，充分发挥社会效益。利用Arc GIS 10.2中多环缓冲区工具在占、补林地周围设置宽度为1 km的5个缓冲区，统计各缓冲区内居民点个数和道路长度并打分，结果如表6所示：占用林地2分，优于补入林地的0.690 8分。

表6 占、补林地可及性得分Tab.6 Scores of accessibility in replenished forest land and occupied forest land

图1 占、补林地可及性示意图Fig.1 Sketch map of accessibility in replenished forest land and occupied forest land

由图1可知，占用林地周边道路和居民点较多，且多聚集在适宜距离缓冲区内。部分道路穿过林场，虽对林场生态环境有一定影响，但整体而言可及性水平高大于不利影响，居民更易到达林场附近，更易占用林场发挥乡村振兴服务作用。补入林地在地理区位上虽然与清水塘营林区集中连片，便于资源调配和管护，但相对居民区位置较偏远，可及性水平低，不利于为乡村振兴服务。

3 讨论与结论

3.1 讨论

在人们注重森林文化环境资源[28]的背景下，重视经济效益的林场评估体系[29]已不能囊括人类需要。本研究提出的国有林场占补平衡评估体系，综合多种手段，空间定量化反映占、补林地质量关系，可减少违法占用林地行为，实现国有林场新时期肩负的多重使命。

本研究利用GIS和RS技术，考虑指标获取的多重原则，结合国有林场占补平衡原则和任务建立评估体系。以最大值法对指标进行标准化，涵盖了负向指标，从森林资源质量、固碳释氧能力、生物多样性以及社会效益层面评估占、补林地质量。研究以云南省昆明国营石林林场项目为案例，经过计算，验证了该项目可行性，反映了评估体系具有实践意义。引入2个新参数N和L，对定性问题进行定量评价，具象反映了国有林场发挥乡村振兴服务的功能强度，发挥GIS在空间定量化评价中的优势，为今后基于缓冲区分析的研究提供新思路和借鉴。在选取评价指标和打分时尽量遵循科学客观原则，也难免有主观干扰，导致评价指标选取不够全面，数量不够多。在评价林地固碳释氧能力时，只考虑了主要树种，忽略了其他树种和土壤的贡献。如何更全面评估占、补林地的质量关系将是研究的重点。

3.2 结论

国有林场占补平衡评估体系在森林生态系统服务功能的基础上，充分考虑了国有林场占补平衡原则和新时期承担的任务，本研究通过GIS空间定量化技术获取指标，并用AHP-最大值法确定指标权重和标准化，综合评估云南省昆明国营石林林场占补平衡项目中占补林地的质量，可得结论：

(1)评估方法充分发挥GIS技术在空间分析上和RS技术在宏观尺度监测上的优势获取指标，以空间定量化的手段反映了占、补林地的质量关系，为项目提供建设依据。通过层次分析法确定指标权重，又因各指标量纲单位不同，且景观破碎度(C)对林地而言为负向指标，因此采用最大值法分别为正向和负向指标进行标准化。标准化后数据更加科学客观，这一手段可使评估体系全方位涵盖各项指标，所得评估结果更全面、真实、可信。

(2)提出了基于多环缓冲区的空间定量分析乡村振兴服务作用的方法。对0～5 km各缓冲区内道路长度和居民点数量进行统计、分级和赋值，定量评价了乡村振兴服务，使抽象问题具象化，更客观。距离过近，人类干扰力度变大，易引发森林火灾等问题，削弱林场生态系统稳定性；过远，可及性降低，不利于林场发挥社会效益和监管。其中，2～3 km缓冲区内得分最高，这一距离在林场发挥社会效益时，人类对生态系统干扰最小，不会破坏林场发挥生态效益的作用；同时，道路和居民区的存在，方便林场监管措施的落实，有利于林场林木质量的提升。

(3)补入林地得分0.843 5分，占用林地0.595 4分，补入林地质量高于占用林地，该项目可行。虽然占用林地在乡村振兴服务上具有一定优势，但林地景观破碎，地形起伏较大，蓄积量低，整体质量不高，不利于林场发展。而补入林地的地形起伏不大，土壤厚度和湿度适中，适宜植被生长；乔木林蓄积量大，植被固碳释氧能力更高，有助于林业碳汇的发展；景观类型虽单一但完整，有利于生物多样性保护和发挥林场新时期的使命。同时，补入林地与营林区更集中连片。