相恒星，王宗明，毛德華

(1 中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長(zhǎng)春凈月潭遙感試驗(yàn)站， 長(zhǎng)春 130102； 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049；3 國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心， 北京 100101)(2020年5月27日收稿； 2020年7月30日收修改稿)

森林是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀和人類最重要的生存環(huán)境之一，森林生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量好壞直接與人類的生存、繁衍、發(fā)展息息相關(guān)，這方面的研究受到全世界范圍的廣泛關(guān)注[1]。自20世紀(jì)80年代開始，中國(guó)人口的迅速增加和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，森林遭到大面積的砍伐，毀林造田、毀林開礦等現(xiàn)象十分嚴(yán)重，天然林長(zhǎng)期過(guò)度消耗引起生態(tài)環(huán)境的迅速惡化[2]。為降低因毀林引發(fā)災(zāi)害發(fā)生的頻率、保護(hù)環(huán)境，國(guó)務(wù)院2000年實(shí)施天然林資源保護(hù)工程(簡(jiǎn)稱天保工程)[3]。天保工程的主要目標(biāo)是解決天然林的恢復(fù)發(fā)展問(wèn)題，保護(hù)環(huán)境與促進(jìn)社會(huì)和諧發(fā)展[4]。天保工程被認(rèn)為是在地理范圍、公共投資和受影響人數(shù)方面最大的森林保護(hù)項(xiàng)目之一，它對(duì)保護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)和促進(jìn)可持續(xù)資源管理具有深遠(yuǎn)意義[5]。

近年來(lái)，針對(duì)國(guó)內(nèi)天保工程實(shí)施成效許多學(xué)者做出了研究。陶蘊(yùn)之等[6]選取西南4省市，從植被覆蓋度、景觀格局指數(shù)和人類威脅因子評(píng)估指標(biāo)體系等方面得出生態(tài)成效改善明顯的結(jié)論。楊全生等[7]選取祁連山自然保護(hù)區(qū)，采用樣地調(diào)查和遙感技術(shù)檢測(cè)到保護(hù)區(qū)天然林資源得到了有效保護(hù)。Shi等[5]選取黑龍江省10個(gè)相鄰縣為研究區(qū)，從土地覆被變化的角度分析天保工程帶來(lái)的顯著成效。傳統(tǒng)的天然林保護(hù)成效分析多從森林覆蓋率或生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量方向進(jìn)行評(píng)估。然而，生態(tài)系統(tǒng)的變化多表現(xiàn)在多個(gè)維度，如：生態(tài)系統(tǒng)宏觀格局變化、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化以及生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化等，因此對(duì)天保工程多維度的評(píng)估對(duì)于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)管理具有重要的科學(xué)指導(dǎo)意義[8]。

東北地區(qū)天保工程區(qū)是中國(guó)生物多樣性的重點(diǎn)地區(qū)，也是主要的木材資源戰(zhàn)略儲(chǔ)備基地，是天保工程實(shí)施的重點(diǎn)區(qū)域[9]。該區(qū)域天然林保護(hù)生態(tài)成效的判斷，對(duì)于進(jìn)一步改善東北地區(qū)生態(tài)環(huán)境和區(qū)域平衡具有重要的科學(xué)意義。以往研究針對(duì)東北地區(qū)天保工程的評(píng)估大多局限在土地覆被變化[5]、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值量變化[9]等方面，尚缺乏東北地區(qū)天保工程的綜合評(píng)估。因此，本文擬采用長(zhǎng)時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)，從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)3個(gè)方面，綜合全面評(píng)估東北地區(qū)天保工程的實(shí)施生態(tài)成效，擬為該地區(qū)天保工程的生態(tài)評(píng)估建立一套完整的指標(biāo)體系，并為后續(xù)工程實(shí)施計(jì)劃提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

東北地區(qū)天保工程區(qū)主要分布于大、小興安嶺、長(zhǎng)白山脈，位于 41°28′～53°36′N、118°53′～133°58′E 之間，總面積約為46萬(wàn)km2(圖1)。行政范圍涉及內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟、呼倫貝爾市，黑龍江省大興安嶺地區(qū)、黑河市、伊春市、綏化市、鶴崗市、佳木斯市、哈爾濱市、雙鴨山市、雞西市及牡丹江市，吉林省延邊朝鮮族自治州、吉林市、白山市及通化市。該區(qū)以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?，年均?2.5～6.8 ℃，年均降水量310～750 mm，75%～85%集中在6—10月。該區(qū)是中國(guó)的重點(diǎn)林區(qū)，有廣袤的原始森林，包含寒溫帶針葉林、溫帶針闊葉混交林、溫帶草原3大植被區(qū)域，野生動(dòng)植物生存環(huán)境優(yōu)越，生物多樣性豐富。

圖1 東北地區(qū)天保工程區(qū)位置圖Fig.1 Geographic location of Natural Forest Protection Project Region (NFPPR) in Northeast China

1.2 生態(tài)系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集

研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心東北分中心共享的1990、2000和2015年?yáng)|北地區(qū)土地覆被數(shù)據(jù)集。三期土地覆被數(shù)據(jù)集以Landsat Thematic Mapper (TM) and Landsat Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+)、 Landsat Operational Land Imager (OLI) 和中國(guó)環(huán)境衛(wèi)星HJ衛(wèi)星多時(shí)相遙感影像為數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)提取采用面向?qū)ο蟮姆诸惙椒▽?shí)現(xiàn)，生態(tài)系統(tǒng)類型共分為6個(gè)一級(jí)類，包括森林、草地、農(nóng)田、濕地、城鎮(zhèn)及裸地[10]。二級(jí)類包括落葉針葉林、針闊混交林、草叢、湖泊、河流等40類。數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m。結(jié)合大量的野外地面驗(yàn)證點(diǎn)和高空間分辨率遙感影像，1990、2000和2015年野外驗(yàn)證點(diǎn)分別為3 780、7 689、8 130個(gè)，分類精度評(píng)價(jià)結(jié)果分別為90%、92%和94%[11-12]。

1.3 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)集

本文選取植被葉面積指數(shù)(leaf area index,LAI)和植被凈初級(jí)生產(chǎn)力(net primary productivity,NPP)兩個(gè)指標(biāo)評(píng)估研究區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量變化情況。2000—2015年LAI數(shù)據(jù)來(lái)源于EOS/Terra衛(wèi)星的MODIS產(chǎn)品之一MOD15A2(第6版) (http:∥reverb.echo.nasa.gov/)，時(shí)間分辨率為8 d，空間分辨率為500 m。運(yùn)用MODIS Reprojection Tool (MRT)對(duì)MOD15A2進(jìn)行拼接處理及投影處理，重投影坐標(biāo)為WGS84，然后基于ArcGIS10.3裁切出東北地區(qū)天保工程區(qū)的LAI圖，格式為TIFF。2000—2015年NPP數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)EOS系列衛(wèi)星的MODIS17A3數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)屬于L4級(jí)產(chǎn)品，對(duì)其進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換為WGS84坐標(biāo)，基于ArcGIS柵格計(jì)算器剔除異常值，裁剪出研究區(qū)范圍，單位為gC/(m2·a)。

1.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)估算方法

產(chǎn)水量評(píng)估所需的年降水?dāng)?shù)據(jù)、日最大、最小氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)，采用克里金插值法生成1 km分辨率的柵格數(shù)據(jù)。DEM數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)、土壤深度數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)中心 (http:∥ www.geodata.cn)。計(jì)算生境質(zhì)量所用到的歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index,NDVI)數(shù)據(jù)是GIMMS3g數(shù)據(jù)集，GIMMS3g NDVI數(shù)據(jù)集來(lái)源于NASA全球監(jiān)測(cè)與模型研究組(Global Inventory Modeling and Mapping Studies, GIM(https:∥ecocast. arc. nasa.gov))。 GIMMS3g數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為半個(gè)月，空間分辨率8 000 m，重采樣成空間分辨率1 000 m后進(jìn)行計(jì)算[13]。

1.4.1 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量

InVEST碳儲(chǔ)量模塊基于生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)和碳密度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，4種基本碳庫(kù)包括地上部分碳、地下部分碳、土壤碳、死亡有機(jī)碳，根據(jù)Xiang 等[14]計(jì)算公式如下：

(1)

式中：C表示總碳儲(chǔ)量(t)，Ci表示生態(tài)系統(tǒng)類型i的碳密度(t/hm2)，Si為生態(tài)系統(tǒng)類型i的面積(hm2);n為生態(tài)系統(tǒng)類型的數(shù)量。各生態(tài)系統(tǒng)類型碳密度參數(shù)來(lái)自文獻(xiàn)[15]。

1.4.2 產(chǎn)水量

InVEST模型中的產(chǎn)水量模塊主要是用于計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)的產(chǎn)水量。此模塊的原理是基于水量平衡，各柵格的降水量減去實(shí)際蒸散發(fā)后的水量即得該柵格產(chǎn)水量。具體計(jì)算公式[16]如下:

(2)

1.4.3 生境質(zhì)量

適宜性因子的選擇是生境質(zhì)量分析的重要步驟之一，本研究選擇直接影響動(dòng)物覓食和休息的關(guān)鍵因素，包括干擾因子(道路和居民地密度)、水源狀況(湖泊和河流密度)、食物豐富度(植被指數(shù)NDVI)和遮蔽物(生態(tài)系統(tǒng)類型和坡度)[10]。道路、居民地、湖泊和河流密度提取自生態(tài)系統(tǒng)類型數(shù)據(jù)，基于ArcGIS10.3采用因子層次分析法對(duì)天保工程區(qū)進(jìn)行生境質(zhì)量評(píng)價(jià)。各因子權(quán)重的確定參考Dong等[19]。生境質(zhì)量計(jì)算公式如下：

(3)

式中：HSI為生境質(zhì)量；n為指標(biāo)因子個(gè)數(shù)；wi為權(quán)重；fi為指標(biāo)因子計(jì)算值。為便于對(duì)1990、2000和2015年生境質(zhì)量比較，將3期生境質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并按照實(shí)際情況及參考文獻(xiàn)，將生境質(zhì)量分為適宜性最好(100～>75)、適宜性良好(75～>50)、適宜性一般(50～>25)、適宜性差(25～0)等4個(gè)等級(jí)[19]。

1.4.4 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)權(quán)衡協(xié)同度模型(ecosystem services trade-off degree，簡(jiǎn)稱ESTD)用于計(jì)算東北地區(qū)天保工程區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的關(guān)系。ESTD是一種基于數(shù)據(jù)的線性擬合來(lái)揭示生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)相互作用方向和程度的方法，ESTD可以進(jìn)一步反映用于分析不同ESs權(quán)衡和協(xié)同的變化方向的空間異質(zhì)性[20]。當(dāng)ESTD為正時(shí)，表明兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間存在協(xié)同作用;當(dāng)ESTD為負(fù)時(shí)，意味著兩個(gè)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間為權(quán)衡關(guān)系。其計(jì)算公式[21]為

(4)

式中: ESTDxy表示第x和y種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡協(xié)同度; ESCxb表示b時(shí)刻第x種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化量; ESCxa表示a時(shí)刻第x種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的變化量;ESCya和ESCyb同理如此。

2 結(jié)果與分析

2.1 生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化特征

從圖2、表1可以看出：東北地區(qū)天保工程區(qū)以森林為主，2015年森林面積占研究區(qū)總面積的66.9%，廣泛分布在研究區(qū)中心部位；其次是農(nóng)田面積，占研究區(qū)總面積的16.3%，廣泛分布在研究區(qū)周邊；濕地和草地面積也相對(duì)較多，占研究區(qū)總面積的9.3%和6.0%，廣泛分布在大興安嶺地區(qū)，尤其草地，集中分布在大興安嶺南部和西南部；城鎮(zhèn)和裸地面積相對(duì)較少，分別占研究區(qū)總面積的1.3%和0.1%，零散分布在研究區(qū)內(nèi)。

1990、2000和2015年，森林覆蓋率分別為67.0%、66.5%和66.9%。1990—2000年，森林覆蓋率減少0.5個(gè)百分點(diǎn)，2000—2015年，森林覆蓋率提高0.4個(gè)百分點(diǎn)，2000年之前，森林面積減少2 449 km2，減少幅度為 0.78%；減少面積基本是向農(nóng)田轉(zhuǎn)化，農(nóng)田轉(zhuǎn)出面積為2 559 km2，占轉(zhuǎn)出總面積的92.1%。2000年以后，森林面積增加2 133 km2，增幅為0.69%；增加面積基本來(lái)源于農(nóng)田，占轉(zhuǎn)入總面積的67.7%(表1、表2)。可以得出，天保工程實(shí)施后森林每年增加142 km2，說(shuō)明工程的實(shí)施，對(duì)森林面積起到了積極的恢復(fù)作用。

圖2 東北地區(qū)天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型圖Fig.2 Spatial pattern of ecosystem types in NFPPR in Northeast China

2.2 生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量分析

由圖3和表3可以看出，天保工程區(qū)LAI多年平均值為5.08，2000—2015年LAI變化斜率為0.028，說(shuō)明LAI在工程期間呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

表1 2000—2015年?yáng)|北地區(qū)天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 1 Ecosystem type change matrix from 2000 to 2015 in NFPPR in Northeast China km2

表2 1990—2000年?yáng)|北地區(qū)天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)類型轉(zhuǎn)移矩陣Table 2 Ecosystem type change matrix from 1990 to 2000 in NFPPR in Northeast China km2

2000年森林的LAI值為5.55,2015年森林的LAI值為5.99，森林LAI值也在增長(zhǎng)，增長(zhǎng)7.9%，并且2000及2015年森林LAI值高于同年全區(qū)LAI平均值，表明全區(qū)及森林的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量均在變好。天保工程區(qū)NPP多年平均值為328.64 gC/(m2· a)， 2000—2015年NPP變化斜率為4.327，說(shuō)明NPP在工程實(shí)施期間呈上升趨勢(shì)。2000年森林的NPP值為316.27 gC/(m2·a)，2015年森林的NPP值為354.99 gC/(m2· a)，森林NPP值同樣在升高，升高12.2%；2000及2015年森林NPP均值均大于同年全區(qū)NPP均值，進(jìn)一步表明工程實(shí)施后全區(qū)及森林的生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量有所改善。

圖3 2000—2015年?yáng)|北地區(qū)天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)變化特征圖Fig.3 Characteristics of change of ecosystem quality indicators from 2000 to 2015 in NFPPR in Northeast China

表3 2000—2015年?yáng)|北地區(qū)天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量指標(biāo)變化表Table 3 Change of ecosystem quality indicators from 2000 to 2015 in NFPPR in Northeast China

2.3 生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化分析

2.3.1 生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化分析

如表4所示，1990、2000、2015年?yáng)|北地區(qū)天保工程區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量分別為10 377、10 239、10 217 Tg，全區(qū)總生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量呈持續(xù)下降趨勢(shì)，1990—2000年下降1.3%，2000—2015年下降0.2%，下降程度減緩1.1%。從圖4可以看出，2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變差的區(qū)域明顯少于1990—2000年。森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量呈先下降后增長(zhǎng)趨勢(shì)，1990—2000年減少39 Tg；天保工程實(shí)施后，森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量下降趨勢(shì)被扭轉(zhuǎn)，增加49 Tg。并且2015年森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量相對(duì)增長(zhǎng)率為正值，2000年后平均每年增長(zhǎng)3.3 Tg。說(shuō)明工程實(shí)施，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量起到了積極作用。

圖4 東北地區(qū)天保工程區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)空間變化圖Fig.4 Spatial pattern of ecosystem service changes in NFPPR in Northeast China

2.3.2 產(chǎn)水量變化分析

如表4所示，東北地區(qū)天保工程區(qū)1990、2000、2015年總產(chǎn)水量分別為378×108、309×108和316×108m3，呈先減后增加的趨勢(shì)。從圖4可以看出，2000—2015年產(chǎn)水量增加的區(qū)域明顯多于1990—2000年。森林生態(tài)系統(tǒng)類型產(chǎn)水量呈先增加后減少的趨勢(shì)，2000年之前增加5×108m3，2000年之后減少35×108m3，森林面積增加提高了水源涵養(yǎng)能力因而產(chǎn)水量下降。產(chǎn)水量的大小與降水量緊密相關(guān)，而降水量是屬于自然因素，因而產(chǎn)水量的變化差異明顯。

2.3.3 生境質(zhì)量變化分析

1990、2000、2015年3期生境質(zhì)量均值為60.42、59.73和59.70，呈持續(xù)下降趨勢(shì)，2000年前后分別減少1.14%和0.06%，下降幅度明顯減少。生境適宜性等級(jí)變化圖如圖5所示，1990—2015年?yáng)|北地區(qū)天保工程區(qū)生境質(zhì)量最好等級(jí)面積持續(xù)減少，共減少12 378 km2。1990—2015年，良好等級(jí)面積呈先減少后增加的趨勢(shì)，先減少18 862 km2，后增加14 052 km2，說(shuō)明工程實(shí)施后，良好等級(jí)的適宜性明顯改善。1990—2000年一般等級(jí)的面積增加4 786 km2，2000—2015年減少1 827 km2。1990—2000年差等級(jí)的面積增加15 652 km2，2000年后差等級(jí)的面積減少1 423 km2，說(shuō)明工程的實(shí)施有效地阻止了差等級(jí)的面積繼續(xù)惡化。從圖4可以看出，2000—2015年生境質(zhì)量變好的區(qū)域明顯增多，并且明顯好于1990—2000年之間的變化。

圖5 東北地區(qū)天保工程區(qū)生境適宜性面積變化圖Fig.5 Changes in area and percentage of habitat quality in different suitable grades in NFPPR in Northeast China

2.3.4 生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同與權(quán)衡

各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同與權(quán)衡如圖6所示，1990—2000年間，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量、產(chǎn)水量、生境質(zhì)量之間呈協(xié)同關(guān)系，產(chǎn)水量與生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量、產(chǎn)水量與生境質(zhì)量ESTD值較高，分別為13.6和15.9，說(shuō)明協(xié)同程度較高。2000—2015年，生境質(zhì)量與生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量呈協(xié)同關(guān)系，產(chǎn)水量與生境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量呈權(quán)衡關(guān)系且權(quán)衡程度較高，ESTD值分別為38.3和10.7。1990—2015年，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量、產(chǎn)水量、生境質(zhì)量之間呈協(xié)同關(guān)系。也就是說(shuō)2000和2015年相對(duì)于1990年，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化具有相同的趨勢(shì)。但2000年是轉(zhuǎn)折點(diǎn)，2000—2015年生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化較1990—2000年趨勢(shì)變好。但由于2000年之后森林面積增多導(dǎo)致區(qū)域產(chǎn)水量呈下降趨勢(shì)，因而產(chǎn)水量與生境質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量呈權(quán)衡關(guān)系。

圖6 東北地區(qū)天保工程區(qū)各生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同權(quán)衡度Fig.6 The ecosystem services trade-off and synergies degree values in NFPPR in Northeast China

3 討論

東北地區(qū)實(shí)施天然林資源保護(hù)工程以來(lái)，天然林的休養(yǎng)生息問(wèn)題有所緩解，森林資源恢復(fù)和發(fā)展問(wèn)題得到保障，森林覆蓋率顯著提高，森林面積呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，部分森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力得到提升。根據(jù)森林資源清查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和黃龍生等[9]的研究結(jié)果可知東北天然林保護(hù)工程區(qū)森林的有林地面積從2000年實(shí)施天然林資源保護(hù)初期到2015年呈增加趨勢(shì)，與本論文相一致。其中幼齡林、成熟林、過(guò)熟林面積呈下降趨勢(shì)，而中齡林和近熟林面積呈增加趨勢(shì)。按照各齡級(jí)面積分布來(lái)看，東北天然林資源保護(hù)工程區(qū)的森林主要以中幼林為主。與其他地區(qū)天保工程生態(tài)成效結(jié)果做對(duì)比，東北地區(qū)天保工程區(qū)森林面積增長(zhǎng)0.69%，小于小隴山地區(qū)森林面積增長(zhǎng)率(2.11%)，可能由于東北地區(qū)氣溫較低，森林生長(zhǎng)緩慢造成的；LAI變化斜率(0.028)與小隴山地區(qū)LAI變化斜率(0.022)相當(dāng)[8]。雖然天保工程實(shí)施后，生態(tài)狀況有一定好轉(zhuǎn)，但相較于1990年，2015年還遠(yuǎn)未恢復(fù)到1990年的水平。2015年較1990年森林面積仍減少316 km2。2015年的生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量、產(chǎn)水量和生境質(zhì)量均低于1990年，分別相差160 Tg、62×108m3和0.72。毛德華等[22]研究結(jié)果表明，大興安嶺1990年年均NPP值高于550 gC/(m2·a)，而本文研究結(jié)果2015年為347 gC/(m2·a)，仍相差頗多。目前，天保工程仍然存在一些問(wèn)題，如森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)局部不平衡比較嚴(yán)重。如圖4所示，1990—2000年，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量大部分區(qū)域呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，主要分布在大興安嶺南部，小興安嶺東部還有虎林縣；同期，生境質(zhì)量變化劇烈，整個(gè)大興安嶺區(qū)域除東北部幾乎全部呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，小興安嶺同樣下降范圍廣，長(zhǎng)白山地區(qū)僅西部有部分區(qū)域呈現(xiàn)變好趨勢(shì)。2000—2015年，與圖2相對(duì)應(yīng)，森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量雖然增加，但長(zhǎng)白山地區(qū)中部碳儲(chǔ)量仍存在集中減少的現(xiàn)象。而2000年以后，生境質(zhì)量變差的區(qū)域主要集中在長(zhǎng)白山地區(qū)、大興安嶺的北部及小興安嶺的中部，局部不平衡較為明顯。針對(duì)產(chǎn)水量變化，由于受降水量因素影響較大，產(chǎn)水量變化空間差異最為不平衡，森林面積的增多是導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水量下降的原因之一，產(chǎn)水量的減少可能會(huì)影響周邊植被的生長(zhǎng)[23]。

根據(jù)我們的結(jié)果，1990—2015年，3種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)彼此存在協(xié)同關(guān)系，與王蓓等[24]在石羊河流域開展的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)協(xié)同與權(quán)衡研究結(jié)果相一致。2000—2015年天保工程區(qū)生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量與產(chǎn)水量呈權(quán)衡關(guān)系，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的下降主要是由于高碳儲(chǔ)量濕地生態(tài)系統(tǒng)面積的減少。同期生境質(zhì)量與產(chǎn)水量呈權(quán)衡關(guān)系，最好等級(jí)的生境適宜性面積的減少與人類活動(dòng)干擾具有較大的關(guān)系[19]。如果沒(méi)有天保工程的實(shí)施，森林面積得不到保護(hù)，森林碳儲(chǔ)量也會(huì)下降劇烈，最好等級(jí)的生境適宜性面積也會(huì)加劇減少。因此，森林管理中考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡與協(xié)同是非常重要的，要想更好地采取有效措施，增加生物多樣性，保護(hù)和恢復(fù)生態(tài)環(huán)境，建議政策制定者在接下來(lái)的天保工程管理方案中，應(yīng)認(rèn)真考慮生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)之間的權(quán)衡度來(lái)實(shí)施規(guī)劃。針對(duì)本文的結(jié)果，提出幾點(diǎn)建議：首先，在保護(hù)森林的同時(shí)也要保護(hù)濕地，同時(shí)加強(qiáng)退耕還濕等項(xiàng)目的實(shí)施，可以有效的提高碳儲(chǔ)量；其次，在生境適宜性差的區(qū)域設(shè)計(jì)生態(tài)保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)重要生境和物種[16]；此外要將公眾參與納入天保工程實(shí)施中，以實(shí)現(xiàn)東北地區(qū)的全面可持續(xù)發(fā)展[12]。

4 結(jié)論

本文基于GIS和InVEST模型從生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、生態(tài)系統(tǒng)質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)變化3個(gè)方面分析東北地區(qū)天保工程的生態(tài)成效。結(jié)果表明，隨著天保工程的實(shí)施，工程區(qū)內(nèi)的森林面積增長(zhǎng)0.7%，森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量增加0.6%，工程區(qū)內(nèi)良好等級(jí)的生境適宜性面積增加5.5%，這些都說(shuō)明天保工程的實(shí)施有一定的積極成效。但目前仍然存在最好等級(jí)的生境適宜性面積持續(xù)減少，森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)水量下降等問(wèn)題，我們應(yīng)該持續(xù)推行天保工程的實(shí)施，以更快的促進(jìn)天然林的恢復(fù)，同時(shí)保障東北地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能。今后還應(yīng)考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)等其他因素，使評(píng)價(jià)更加全面，使評(píng)價(jià)結(jié)果能更好地反映天保工程的實(shí)際效果。