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基于生境质量构建森林生物多样性保育价值模型

洪宇 刘金福 涂伟豪 林志玮 谭芳林

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基于生境质量构建森林生物多样性保育价值模型

    作者简介: 洪宇。主要研究方向:统计信息技术与数据挖掘。Email:290527304@qq.com 地址:350002 福建省福州市仓山区上下店路15号福建农林大学计算机与信息学院.
    通讯作者: 刘金福,博士,教授。主要研究方向:森林生态学、生物统计学。Email:fjljf@126.com 地址:同上. 
  • 中图分类号: TP751

Construction of biodiversity protection value model for forest based on habitat quality

  • 摘要: 目的 传统的森林生物多样性保育价值缺乏统一的评估标准,不便于结果比较。目前,物种保育价值模型主要通过林分丰富度核算森林当前保育价值,但未考虑土地利用类型对树种生长的潜在影响,不能体现森林的长期保育价值。近年来,逐步完善的生物多样性价值评价新理论中,尚未出现适用于森林生物多样性保育价值评估的方法。方法 通过分析福建土地利用情况计算生境质量并划分等级,首次提出生境质量调整系数。利用生境质量和森林分布之间的地理对应关系,构建出基于生境质量的森林生物多样性保育价值模型(HQ-BPV模型),由此将土地利用的影响融入福建省森林生物多样性保育价值评估中。结果 (1)福建省生境质量分布整体呈现内北高南低、内陆高沿海低和自然保护区高非自然保护区低的态势。(2)福建主要植被类型的平均生境质量按大小排序为针阔混交林 > 竹林 > 阔叶混交林 > 阔叶林 > 灌丛 > 针叶林 > 经济林。(3)调整后栎类和栲类的物种单位面积保育价值最高,为3.58万元/hm2,调整后各优势树种(组)的物种保育总值中阔叶混交林价值最高,为658.42亿元,构建模型核算的福建省森林生物多样性保育价值为2 056.39亿元。结论 基于能够量化土地利用影响的生境质量指数,构建出HQ-BPV模型用于评价福建省森林生物多样性保育价值,为森林生物多样性的保育价值核算提供新思路,有利于森林资源监测和结构优化。
  • 图 1  研究区位置和植被覆盖示意图

    Figure 1.  Location and vegetation cover of study area

    图 2  研究区生境质量指数分布情况

    Figure 2.  Distribution of habitat quality index in study area

    图 3  各植被类型及优势树种(组)调整后单面面积保育价值

    Figure 3.  Adjusted per unit area conservation value of plant type and dominant species

    图 4  各优势树种(组)物种保育总价值

    Figure 4.  Adjusted per unit area protection value of dominant species

    表 1  研究区土地二级分类体系

    Table 1.  The two-grade land classification system of study area

    一级类型 First type二级类型 Second type一级类型 First type二级类型 Second type
    耕地 Framland水田 Paddy filed、旱地 Dry land草地 Grassland高覆盖草地 High coverage grassland、中覆盖草地 Moderate coverage grassland、低覆盖草地 Low coverage grassland
    林地 Forest land有林地 Closed forest land、灌木林 Shrubbery land、疏林地 Open forest land、其他林地 Other forest land城乡、工矿、居民用地 Construction land城镇用地 Urban land、农村居民点 Rural residential area、其他建设用地 Other construction land
    水域 Water河渠 Canal、湖泊 Lake、水库 Reservoir、滩涂 Beach、滩地 Bottomland未利用土地 Unused land裸地 Bare land、裸岩石质地 Bare rocky ground、海洋 Sea
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    表 2  生境质量等级划分

    Table 2.  Classification of habitat quality

    生境质量等级
    Habitat quality grade
    特征描述
    Feature description
    调整系数
    Adjustment coefficient

    High
    生态系统状态极好,能够为物种长期生存提供稳定场所
    The ecosystem is in excellent condition and can provide a stable place for the long-term survival of species
    2
    较高
    Relatively high
    生态系统状态良好,适合物种生存发展和实施保护
    The ecosystem is in good condition and suitable for species survival, development and protection
    1
    一般
    General
    生态系统比较稳定,能够满足物种保育基本需求
    The ecosystem is relatively stable and can meet the basic needs of species conservation
    0
    较低
    Relatively low
    生态系统部分退化,勉强满足物种保育需求
    The ecosystem is partially degraded, barely meeting the needs of species conservation
    − 1

    Low
    生态系统严重退化,难以满足物种保育需求
    The ecosystem is severely degraded and it is difficult to meet the needs of species conservation
    − 2
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    表 3  威胁因子参数

    Table 3.  Parameters of threating factors

    威胁因子 Threating factor最大影响距离 Maximum impact distance /km权重 Weight衰减函数 Decay function
    水田 Paddy filed80.7指数 Exponential
    旱地 Dry land80.5线性 Linear  
    城镇用地 Urban land101 指数 Exponential
    农村居民点 Rural residential area50.7指数 Exponential
    其他建设用地 Other construction land101 指数 Exponential
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    表 4  不同土地类型对威胁因子的敏感性参数

    Table 4.  Sensitivity parameters of different land types to threating factors

    地类名称
    Land name
    生境适宜度
    Habitat suitability
    水田
    Paddy filed
    旱地
    Dry land
    城镇用地
    Urban land
    农村居民点
    Rural residential area
    其他建设用地
    Other construction land
    水田 Paddy filed 0.4 0.3 0.3 0.5 0.4 0.1
    旱地 Dry land 0.6 0.3 0.3 0.5 0.4 0.1
    有林地 Closed forest land 1 0.8 0.8 0.95 0.85 0.6
    灌木林 Shrubbery land 1 0.4 0.4 0.6 0.45 0.2
    疏林地 Open forest land 1 0.9 0.9 1 0.9 0.65
    其他林地 Other forest land 1 0.9 0.9 1 0.9 0.65
    高覆盖草地 High coverage grassland 0.8 0.4 0.4 0.6 0.5 0.2
    中覆盖草 Moderate coverage grassland 0.7 0.45 0.45 0.65 0.55 0.25
    低覆盖草地 Low coverage grassland 0.6 0.55 0.55 0.7 0.6 0.3
    河渠 Canal 1 0.7 0.7 0.9 0.8 0.5
    湖泊 Lake 1 0.7 0.7 0.9 0.8 0.5
    水库 Reservoir 1 0.7 0.7 0.9 0.8 0.6
    滩涂 Beach 0.6 0.8 0.8 0.9 0.8 0.55
    滩地 Bottomland 0.6 0.75 0.75 0.9 0.8 0.55
    城镇用地 Urban land 0 0 0 0 0 0
    农村居民点 Rural residential area 0 0 0 0 0 0
    其他建设用 Other construction land 0 0 0 0 0 0
    裸地 Bare land 0 0 0 0 0 0
    裸岩石质地 Bare rocky ground 0 0 0 0 0 0
    海洋 Sea 0 0 0 0 0 0
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    表 5  各植被类型平均生境质量

    Table 5.  Average habitat quality of each plant type

    植被类型
    Plant type
    每公顷平均生境质量
    Average habitat quality
    per hectare
    优势树种
    Dominant tree species
    生境质量等级
    Habitat quality grade
    调整系数
    Adjustment coefficient
    针叶林
    Coniferous forest
    0.63 马尾松组 Pinus massoniana、杉木组 Cunninghamia lanceolata、针叶混交林 Coniferous mixed forest 一般
    General
    0
    阔叶林
    Broadleaved forest
    0.71 栎类 Quercus spp.、槠类 Castanopsis spp.、栲类 Castanopsis spp.、木荷 Schima superba、桉树 Eucalyptus robusta、相思 Acacia confusa、木麻黄 Casuarina equisetifolia forest、其他阔叶类 Other broadleaved forest 较高
    Relatively high
    1
    针阔混交林
    Theropencedrymion
    0.77 针阔混交林 Theropencedrymion 较高
    Relatively high
    1
    阔叶混交林
    Broadleaved mixed forest
    0.74 阔叶混交林 Broadleaved mixed forest 较高
    Relatively high
    1
    经济林
    Economic forest
    0.41 乔木经济树种 Economic tree species、灌木经济树种 Shrub economic forest 较低
    Relatively low
    − 1
    竹林
    Bamboo forest
    0.72 散生型竹种 Scattered bamboo stands、丛生型竹种 Sympodial bamboo stands、混生型竹种 Mixed bamboo stands 较高
    Relatively high
    1
    灌丛
    Bushwood
    0.65 其他灌木 Other bushwood 一般
    General
    0
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-12
  • 录用日期:  2019-09-09
  • 网络出版日期:  2020-01-02
  • 刊出日期:  2020-01-01

基于生境质量构建森林生物多样性保育价值模型

    通讯作者: 刘金福, fjljf@126.com
    作者简介: 洪宇。主要研究方向:统计信息技术与数据挖掘。Email:290527304@qq.com 地址:350002 福建省福州市仓山区上下店路15号福建农林大学计算机与信息学院
  • 1. 福建农林大学计算机与信息学院,福建 福州 350002
  • 2. 福建省高校生态与资源统计重点实验室,福建农林大学海峡自然保护区研究中心,福建 福州 350002
  • 3. 福建农林大学林学院,福建农林大学林学博士后流动站,福建 福州 350002
  • 4. 福建省林业科学研究院,福建 福州 350002

摘要: 目的传统的森林生物多样性保育价值缺乏统一的评估标准,不便于结果比较。目前,物种保育价值模型主要通过林分丰富度核算森林当前保育价值,但未考虑土地利用类型对树种生长的潜在影响,不能体现森林的长期保育价值。近年来,逐步完善的生物多样性价值评价新理论中,尚未出现适用于森林生物多样性保育价值评估的方法。方法通过分析福建土地利用情况计算生境质量并划分等级,首次提出生境质量调整系数。利用生境质量和森林分布之间的地理对应关系,构建出基于生境质量的森林生物多样性保育价值模型(HQ-BPV模型),由此将土地利用的影响融入福建省森林生物多样性保育价值评估中。结果(1)福建省生境质量分布整体呈现内北高南低、内陆高沿海低和自然保护区高非自然保护区低的态势。(2)福建主要植被类型的平均生境质量按大小排序为针阔混交林 > 竹林 > 阔叶混交林 > 阔叶林 > 灌丛 > 针叶林 > 经济林。(3)调整后栎类和栲类的物种单位面积保育价值最高,为3.58万元/hm2,调整后各优势树种(组)的物种保育总值中阔叶混交林价值最高,为658.42亿元,构建模型核算的福建省森林生物多样性保育价值为2 056.39亿元。结论基于能够量化土地利用影响的生境质量指数,构建出HQ-BPV模型用于评价福建省森林生物多样性保育价值,为森林生物多样性的保育价值核算提供新思路,有利于森林资源监测和结构优化。

English Abstract

  • 森林多样性保育价值是反映某一地区森林生态系统为各物种提供保护和繁育场所的价值,属于生物多样性的非使用价值[1],是衡量森林保护成效的依据之一。传统森林生物多样性保育价值的核算可以基于市场价格法[2]、支付意原法[3]和机会成本法[4]等实现,缺乏统一的评价标准,不利于各类核算结果间的分析比较[5]。在我国森林生态系统服务价值核算中,主要基于Shannon-Wiener指数实现[6],虽然进一步引入濒危系数[7]、龄组、起源[8]等因子改进评价,但该指数仅考虑森林生物多样性的现有价值,未将土地利用情况对森林多样性的影响纳入核算体系。近年来,结合碳储量[9]、Maxent模型[10-11]、景观生态学[12]等新理论的生物多样性价值评估研究成为热点。然而,大部分研究结果不能直接反映生物多样性的经济价值,不适用于森林多样性保育价值核算,亟需更为合理、可行和直观的评价新思路。

    生境质量是某地区各类环境因子的综合,其数值大小能够反映生态系统的生境承载力和潜在生产力[13-14],不同土地利用情况下的生境质量一般采用InVEST(integrated valuation of ecosystem services and tradeoffs)模型进行评估[14-15]。近年来,许多学者将土地变化下的生境质量引入生物多样性的科学问题探讨中,如Dhakal等[16]探讨日本森林改造对大型脊椎动物生物多样性的影响。杜世勋等[17]结合2000—2010年山西省土地变化数据和生境质量指数评价山西省生物多样性服务功能。肖洋等[18]运用生境质量指数和生物多样性指数,对渤海沿岸湿地生物多样性进行研究。以上研究均以生境质量指数作为指标,直接应用在生物多样性功能的评价中,没有进一步研究生境质量与生物多样性价值的内在联系。

    福建森林覆盖率达66.8%,在亚热带地区森林生物多样性保护起到领头作用,科学评估其森林多样性保育价值具有重要意义。文本以福建省为研究区域,基于遥感影像和文献数据,提出一个更为完善的森林物种保育价值评估新方法。首先将土地利用类型对优势树种生长的持续影响引入评估过程,通过K-Means法划分生境质量等级,设定统一的保育价值调整系数,探讨了不同优势树种的生境质量情况,由此调整了各优势树种的单位面积保育价值。基于以上,构建基于生境质量的森林多样性保育价值(biodiversity protection value for forest based on habitat quality,HQ-BPV)模型,分别讨论植被类型和优势树种(组)的保育经济价值,并对福建省森林多样性保育总价值进行核算,为合理评估森林生物多样性价值提供理论参考。

    • 福建省位于中国东南沿海,陆域介于23°33′ ~ 28°20′N和115°50′ ~ 120°40′E,陆域总面积1.2 × 107 hm2,有林地面积超过66.80%[19-20],地势呈现西北高,东南低,地形多样复杂,以山地和丘陵为主。气候温暖湿润,年平均气温17 ~ 21 ℃,年平均降雨量1 700 mm。森林资源丰富,植物种类繁多,以亚热带区系成分为主,其中有木本植物1 943种,占全国木本植物科的81%。森林平均蓄积量100.20 m3/hm2,生态功能等级达到中等以上的森林面积占95%[21]

    • 本文旨在探讨一种结合生境质量的森林多样性保育价值核算的方法。因此考虑数据的可获得性,数据以2015年为核算基准,具体数据收集如下所述。

    • 遥感影像数据均下载于中国科学院资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)。采用2015年福建省土地利用遥感监测数据(简称“土地利用数据”)和100万植被类型空间分布数据(简称“植被分类数据”),空间分辨率为1 km,其中土地利用数据依照遥感影像解译分类(表1),植被类型数据划分为针叶林、阔叶林、针阔混交林、阔叶混交林、经济林、竹林、灌丛等7种类型(图1)。为方便数据计算,将福建省划分为1 km × 1 km的栅格,共计121 764个,每个栅格包含对应位置的土地利用类型和植被类型数据,主要应用于生境质量计算。

      表 1  研究区土地二级分类体系

      Table 1.  The two-grade land classification system of study area

      一级类型 First type二级类型 Second type一级类型 First type二级类型 Second type
      耕地 Framland水田 Paddy filed、旱地 Dry land草地 Grassland高覆盖草地 High coverage grassland、中覆盖草地 Moderate coverage grassland、低覆盖草地 Low coverage grassland
      林地 Forest land有林地 Closed forest land、灌木林 Shrubbery land、疏林地 Open forest land、其他林地 Other forest land城乡、工矿、居民用地 Construction land城镇用地 Urban land、农村居民点 Rural residential area、其他建设用地 Other construction land
      水域 Water河渠 Canal、湖泊 Lake、水库 Reservoir、滩涂 Beach、滩地 Bottomland未利用土地 Unused land裸地 Bare land、裸岩石质地 Bare rocky ground、海洋 Sea

      图  1  研究区位置和植被覆盖示意图

      Figure 1.  Location and vegetation cover of study area

    • 考虑森林生长缓慢,因此分析2015年森林生物多样性情况时,可以使用临近年份数据替代[22-23]。文献数据参考福建省第八次森林连续清查资料(2013年)和陈花丹等[24]的研究成果,收集各类优势树种的面积和生态服务功能总价值,结合物种保育价值占总价值的比例,推算获取2015年优势树种的物种单位面积保育价值。

    • InVEST模型假定不同土地类型受威胁的敏感程度不同,敏感程度越高,表示该地块越容易受外界环境影响,生境退化的风险越大[25]。基于上述基本理论,生境质量Q被定义为:

      ${Q_{xj}} = {H_j}\left( {1 - \left( {\frac{{D_{xj}^2}}{{D_{xj}^2 + {k^2}}}} \right)} \right)$

      (1)

      式中:Qxj表示第j种地类下栅格x的生境质量,Hj为第j种地类的生境适宜度,k为半饱和常数,在生物多样性分析中一般设为0.5,第j种地类下栅格x的总威胁水平为Dxj

      总威胁水平Dxj可用公式表示为:

      ${D_{xj}} = \sum\limits_{r = 1}^R {\sum\limits_{y = 1}^{{Y_r}} {\Bigg( {\frac{{{w_r}}}{{\displaystyle\sum\limits_{r = 1}^R {{w_r}} }}} \Bigg)} } \;{r_y}{i_{rxy}}{\beta _x}{S_{jr}}$

      (2)

      式中:y为威胁因子r下的栅格;ry用于判断栅格y是否提供威胁源rwr为威胁因子r具有的威胁权重;βx为栅格x在社会、法律和物理保护水平下,威胁因子的可接近水平,取值在0 ~ 1之间,取值越大表明可接近水平越高;Sjr为地类j对威胁因子r的敏感系数,取值介于0和1,取值越接近1表示越敏感;irxy为来源于栅格x的威胁因子r对栅格y的影响。

      由于不同威胁因子产生的威胁影像不同,irxy的空间衰减变化存在线性和指数两种情况,公式如下:

      ${i_{rxy}} = 1 - \left( {\frac{{{d_{xy}}}}{{{d_{r\;\max }}}}} \right)$

      (3)

      ${i_{rxy}} = \exp \left( { - \left( {\frac{{2.99}}{{{d_{r\;\max }}}}} \right){d_{xy}}} \right)$

      (4)

      式中:dxy是栅格xy之间的线性距离;dr max是威胁r的最大作用距离;式(3)表示线性空间衰减变化;式(4)表示指数空间衰减变化。

    • 福建省森林辽阔,森林分布存在明显的地域性差异,不同土地利用类型对森林生物多样性保护的响应效果不同,所能提供的保护能力也存在差异[26]。参考王兵等[6,27]对森林物种多样性保育价值评估方法的多种修正研究,本文提出一个基于生境质量的森林生物多样性保育价值评估模型,即HQ-BPV(biodiversity protection value for forest based on habitat quality)模型。该模型通过划分生境质量等级,将土地质量对生物多样性发展的支持潜力纳入评价,使模型更切合森林生态系统的长期动态变化。HQ-BPV模型的具体公式如下:

      ${U_q} = \left( {{\rm{1}} + {\rm{0}}{\rm{.1}} {\alpha _j}} \right) \cdot {S_I} \cdot A$

      (6)

      式中:Uq为考虑生境质量指数下,某一栅格的森林年物种保育价值;αj表示第j种林分的生境质量调整系数,由本文首次提出,其数值根据K-Means法对式(1)计算得到的生境质量进行分级从而赋值(表2);SI是Shannon-Wiener指数下的林分单位面积保育价值,A为林分面积。

      表 2  生境质量等级划分

      Table 2.  Classification of habitat quality

      生境质量等级
      Habitat quality grade
      特征描述
      Feature description
      调整系数
      Adjustment coefficient

      High
      生态系统状态极好,能够为物种长期生存提供稳定场所
      The ecosystem is in excellent condition and can provide a stable place for the long-term survival of species
      2
      较高
      Relatively high
      生态系统状态良好,适合物种生存发展和实施保护
      The ecosystem is in good condition and suitable for species survival, development and protection
      1
      一般
      General
      生态系统比较稳定,能够满足物种保育基本需求
      The ecosystem is relatively stable and can meet the basic needs of species conservation
      0
      较低
      Relatively low
      生态系统部分退化,勉强满足物种保育需求
      The ecosystem is partially degraded, barely meeting the needs of species conservation
      − 1

      Low
      生态系统严重退化,难以满足物种保育需求
      The ecosystem is severely degraded and it is difficult to meet the needs of species conservation
      − 2
    • 在森林生态系统中,耕地、建设用地和居民用地等实施人为活动的用地都被视为可能的威胁源,生境质量受到的外界影响主要有威胁源的开发强度和威胁源与地块的空间距离。参考Rands等[28],Ribeiro等[29]对森林生物多样性威胁因素的研究,结合刘智方等[20]、徐丹丹等[30]、白健等[31]对InVEST模型中生境质量的应用实例,得到威胁因子相关参数(表3)和威胁敏感度(表4),与土地利用影像和威胁可达性矢量图同时输入InVEST模型,其中半饱和系数使用默认参数0.5,得到可视化结果如图2所示。

      图  2  研究区生境质量指数分布情况

      Figure 2.  Distribution of habitat quality index in study area

      表 3  威胁因子参数

      Table 3.  Parameters of threating factors

      威胁因子 Threating factor最大影响距离 Maximum impact distance /km权重 Weight衰减函数 Decay function
      水田 Paddy filed80.7指数 Exponential
      旱地 Dry land80.5线性 Linear  
      城镇用地 Urban land101 指数 Exponential
      农村居民点 Rural residential area50.7指数 Exponential
      其他建设用地 Other construction land101 指数 Exponential

      表 4  不同土地类型对威胁因子的敏感性参数

      Table 4.  Sensitivity parameters of different land types to threating factors

      地类名称
      Land name
      生境适宜度
      Habitat suitability
      水田
      Paddy filed
      旱地
      Dry land
      城镇用地
      Urban land
      农村居民点
      Rural residential area
      其他建设用地
      Other construction land
      水田 Paddy filed 0.4 0.3 0.3 0.5 0.4 0.1
      旱地 Dry land 0.6 0.3 0.3 0.5 0.4 0.1
      有林地 Closed forest land 1 0.8 0.8 0.95 0.85 0.6
      灌木林 Shrubbery land 1 0.4 0.4 0.6 0.45 0.2
      疏林地 Open forest land 1 0.9 0.9 1 0.9 0.65
      其他林地 Other forest land 1 0.9 0.9 1 0.9 0.65
      高覆盖草地 High coverage grassland 0.8 0.4 0.4 0.6 0.5 0.2
      中覆盖草 Moderate coverage grassland 0.7 0.45 0.45 0.65 0.55 0.25
      低覆盖草地 Low coverage grassland 0.6 0.55 0.55 0.7 0.6 0.3
      河渠 Canal 1 0.7 0.7 0.9 0.8 0.5
      湖泊 Lake 1 0.7 0.7 0.9 0.8 0.5
      水库 Reservoir 1 0.7 0.7 0.9 0.8 0.6
      滩涂 Beach 0.6 0.8 0.8 0.9 0.8 0.55
      滩地 Bottomland 0.6 0.75 0.75 0.9 0.8 0.55
      城镇用地 Urban land 0 0 0 0 0 0
      农村居民点 Rural residential area 0 0 0 0 0 0
      其他建设用 Other construction land 0 0 0 0 0 0
      裸地 Bare land 0 0 0 0 0 0
      裸岩石质地 Bare rocky ground 0 0 0 0 0 0
      海洋 Sea 0 0 0 0 0 0

      从颜色分布情况看,福建省生境质量分布整体呈现北高南低、内陆高沿海低和自然保护区高非自然保护区低的态势。其中南平地区,特别是武夷山自然保护区的生境质量最高,表明该地区森林生态系统质量良好,能够为植物长期生长提供稳定场所,具有更高的物种多样性保育价值。此外,由于生境质量数值分布与植被遥感解译影像存在地理位置对应关系,将图像划分为1 km × 1 km的网格,共获得121 764条“植被类型−生境质量”数据,其中包含各植被类型生态值。基于K-Means法进行分类,生境质量处于1 ~ 0.86、0.86 ~ 0.68、0.68 ~ 0.53、0.53 ~ 0.37、0.37 ~ 0.00分别对应等级高、较高、一般、较低、低,得到各植被类型的整体生长环境情况(表5)。

      表 5  各植被类型平均生境质量

      Table 5.  Average habitat quality of each plant type

      植被类型
      Plant type
      每公顷平均生境质量
      Average habitat quality
      per hectare
      优势树种
      Dominant tree species
      生境质量等级
      Habitat quality grade
      调整系数
      Adjustment coefficient
      针叶林
      Coniferous forest
      0.63 马尾松组 Pinus massoniana、杉木组 Cunninghamia lanceolata、针叶混交林 Coniferous mixed forest 一般
      General
      0
      阔叶林
      Broadleaved forest
      0.71 栎类 Quercus spp.、槠类 Castanopsis spp.、栲类 Castanopsis spp.、木荷 Schima superba、桉树 Eucalyptus robusta、相思 Acacia confusa、木麻黄 Casuarina equisetifolia forest、其他阔叶类 Other broadleaved forest 较高
      Relatively high
      1
      针阔混交林
      Theropencedrymion
      0.77 针阔混交林 Theropencedrymion 较高
      Relatively high
      1
      阔叶混交林
      Broadleaved mixed forest
      0.74 阔叶混交林 Broadleaved mixed forest 较高
      Relatively high
      1
      经济林
      Economic forest
      0.41 乔木经济树种 Economic tree species、灌木经济树种 Shrub economic forest 较低
      Relatively low
      − 1
      竹林
      Bamboo forest
      0.72 散生型竹种 Scattered bamboo stands、丛生型竹种 Sympodial bamboo stands、混生型竹种 Mixed bamboo stands 较高
      Relatively high
      1
      灌丛
      Bushwood
      0.65 其他灌木 Other bushwood 一般
      General
      0

      福建主要植被类型的平均生境质量按大小排序为针阔混交林 > 竹林 > 阔叶混交林 > 阔叶林 > 灌丛 > 针叶林 > 经济林。阔叶林、针阔混交林、阔叶混交林和竹林分散分布于福建中部和西北部地区,对应各地市的城市化扩张速度较慢,生态保护基础较好,故生境质量水平较高,对森林生物多样性的发展起到促进作用。针叶林和灌丛的生境质量等级为一般,其中针叶林是福建省主要植被类型,分布范围广,北部地区的针叶林生境质量远远高于南部和沿海地区,受到低生态质量区域的影响,针叶林总体等级为一般。经济林由于其生产目的,主要分布在福建沿海等人类活动较为频繁的地域,此类地区生境质量较差,且植物生长大多受到人为控制,不适合生物多样性的保护。

    • 根据生境质量等级,对福建省第八次森林资源调查中各优势树种单位面积保育价值进行调整,并评估各树种的生物多样性保育总价值,结果如图34所示。

      图  3  各植被类型及优势树种(组)调整后单面面积保育价值

      Figure 3.  Adjusted per unit area conservation value of plant type and dominant species

      图  4  各优势树种(组)物种保育总价值

      Figure 4.  Adjusted per unit area protection value of dominant species

      图3以累计条形图的形式展示各植被类型及优势树种(组)的调整后单位面积保育价值(以下简称为:单位价值),包含基础单价、增加部分和减少部分。其中,若某植被类型或树种对应的累计条形图仅包含基础单价,则调整后单价 = 基础单价(如针叶林、马尾松(Pinus massoniana));若包含基础单价和增加部分,则调整后价格 = 基础单价 + 增加部分(如阔叶林、栎类(Quercus sp.));若包含基础单价和减少部分,则调整后价格 = 基础单价(如经济林、乔木经济树种)。从图3a可以看出,阔叶林、针阔混交林、阔叶混交林和竹林的单位价值增加,针叶林和灌丛不变,仅有经济林的单位价值减少。其中,针阔混交林单位价值最高,为2.75万元/hm2,而经济林单位价值仅为1.44万元/hm2图3b表明,栎类和栲类(Castanopsis spp.)单位价值最高,达到3.58万元/hm2,槠类(Castanopsis spp.)单位价值为3.56万元/hm2,以上树种在HQ-BPV模型下单位价值都有明显的提升。主要由于福建从20世纪50年代开始建设自然保护区,对青冈栎(Cyclobalanopsis glauca)、格氏栲(Castanopsis kawakamii)和米槠(Castanopsis carlesii)等具有地域代表性的林分进行长期保护,因此栎类、栲类和槠类的生物多样性保护基础较好,单位价值较高。而受到种植目的和分布位置等人为因素的影响,乔木经济树种和灌木经济树种的生境承载力不足以满足基本的保育需求,因此对应的生境调整系数为负数,单位价值减少。其中,灌木经济树种单位价值最低,仅为1.35万元/hm2图3结果综合表明,使用生境质量调整系数的HQ-BPV模型与Shannon-Wiener指数下评价得到单位价值不完全一致,其中,HQ-BPV模型会提升位于保护区等人为干扰较小地区的树种单位价值,并且降低用于生产或生长环境遭受破坏的树种的单位价值,体现出HQ-BPV模型的实际适用性。

      统计图4结果可知,HQ-BPV模型下2015年福建省森林生物多样性保育总值为1 986.135亿元,修正误差后为2 056.39亿元。其中,阔叶混交林面积约占森林覆盖面积的24.57%,因此物种保育价值最高,为658.42亿元;其次是杉木组(Cunninghamia lanceolata),森林覆盖占有率为16.96%,物种保育总价值为268.32亿元。此外,调整后针阔混交林、木荷(Schima superba)和栲类的保育总值超过马尾松组、其他灌木和丛生型竹种,这些优势树种都有面积较小且单位价值相似的特点,因此单位价值的部分调整,就会对物种保育总价值排名产生明显的影响。在进行林分调整时,应适当种植一些单位价值高但面积小的树种,以提高保育总值。

    • 本文提出了一种结合生境质量的HQ-BPV模型,该模型以“长期保育价值”为核心概念,对2015年福建省森林多样性保育价值进行核算,结果如下。

      (1)受到经济发展和土地开发强度的影响,福建沿海地区生境质量数值较低,生态系统退化严重,不能满足生物多样性的保育需求;内陆特别是武夷山脉等地区的生境质量等级较高,能够为森林生物多样性的发展提供足够的资源空间。因此,在福建省森林生物多样性的保护过程中,要加强土地扩张速度监控和森林资源监管。

      (2)福建省主要植被类型的平均生境质量按大小排序为针阔混交林 > 竹林 > 阔叶混交林 > 阔叶林 > 灌丛 > 针叶林 > 经济林,而影响平均生境质量大小的因素除地理分布外,种植目的是不可忽略的,如经济林主要用于生产活动,植物种类以及生长受人为因素控制,生物多样性保育能力较弱。因此,对于天然林应尽可能保护其原有生态系统功能,而对于经济林等人工种植的森林,应侧重于发挥生态和经济的双重效益。

      (3)调整后的物种单位面积保育价值中,栎类和栲类价值最高,为3.58万元/hm2,而受到覆盖面积的影响,栎类和栲类的保育总价值远小于排名首位阔叶混交林,仅为10.33亿元和5.88亿元。若要进一步提升福建省森林生物多样性保育价值,需要从森林面积和林分结构两方面进行优化。

    • 在构建生物多样性价值评估模型时,应注重模型的全面性和可比性。通过InVEST模型和K-Means法量化土地利用的持续影响,并将量化指标引入森林多样性保育价值模型中,首次构建HQ-BPV模型,克服以往模型中缺乏统一评价标准,未考虑土地利用对生物多样性的潜在影响以及评价结果不直观的缺点。但生物多样性是较为复杂的生态过程,HQ-BPV模型对价值指标的涵盖仍不够全面,如没有核算对应林分内对濒危树种的保护价值,后续研究可以进一步丰富模型指标。

      HQ-BPV模型是基于遥感影像数据和文献数据实现的。其中,遥感影像数据需目视解译研究区的土地利用和植被类型,解译精度是模型评价准确性的关键,如以50 m × 50 m为单位进行解译土地利用类型能够更好的反映人类活动情况。文献数据来源于森林清查的样方数据,该类数据不易获取,通常以抽样调差的方式获取大尺度区域的森林数据,存在难以避免的抽样误差。

      比较HQ-BPV模型和Shannon-Wiener指数的评价结果发现,分布在内陆、保护区等人类活动强度较低地区的植被单位价值增加,而主要分布在沿海地区或是出于经济目的种植的植被评估单价减小,说明HQ-BPV模型能够较好的反映出生境质量对森林生长的潜在影响,可以为森林多样性保护提供科学的参考依据。因此,在森林生物多样性的保护过程中,不仅要监控土地扩张速度,预防森林土地被侵占,也要加强森林资源的监管力度,保持并提升现有生物多样性。

参考文献 (31)

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