评估中国沿海防护林计划对生态系统服务的影响：协调机制与长期效益

《Ecological Engineering》：Assessing the impact of China’s coastal shelter forest program on ecosystem services: Coupling coordination and long-term benefits

　　摘要：海岸防护林是具有多重功能的重要生态系统，能够提供多种生态系统服务，是应对气候变化的关键自然解决方案。中国于20世纪80年代启动了海岸防护林体系建设计划，旨在稳定海岸线、改善环境质量并提升生态系统服务功能。然而，该计划对多种生态系统服务的长期效益尚未得到研究，政策制定者对此仍不清楚。本研究对2001年至2022年间海岸防护林与生态系统服务之间的耦合协调关系进行了系统评估，并进行了动态影响分析。研究结果表明，在此期间，中国的海岸防护林面积增长了6.33%（主要集中在渤海沿岸），森林覆盖率和林分年龄分别增长了47.69%和99.53%，与此同时，生态系统服务也提升了88.47%。海岸防护林与生态系统服务之间的耦合协调程度随时间逐步提高，但从2016年到2022年，这一增长速度下降了39.37%，在珠江三角洲地区下降更为明显。海岸防护林的发展显著提升了生态系统服务功能，但这些成果正逐渐被气候变化和人类活动带来的综合压力所抵消。因此，我们提出采取差异化的造林措施、基于自然的周期性规划以及分区森林管理策略，以减轻气候变异和人类活动带来的负面影响。这一方法为未来海岸防护林项目的设计、实施和推广提供了实用指导。

引言：海岸生态系统是陆地与海洋环境之间的重要过渡带，具有极高的经济和生态价值。仅沿海湿地生态系统所提供的服务，其经济价值估计每年可达20.4万亿美元（Davidson等人，2019年）。保护和恢复这些生态系统是缓解和适应气候变化最具成本效益且最为直接的方法之一。海岸防护林作为各国为增强海岸生态系统稳定性而采取的重要工程措施，是一种具备多种生态功能的人工林（Lee等人，2014年；Feagin等人，2015年；Zhu等人，2024年）。它们体现了自然生物群落与人工构建的生物群落之间紧密融合的典型案例（Hochard等人，2021年；Zhu等人，2024年）。然而，区域内的经济活动改变了森林的利用模式和结构，导致海岸防护功能丧失以及森林破碎化（Bryan-Brown等人，2020年；Rahman等人，2024年）。海岸生态系统的稳定性因此受到威胁，进而影响了区域生态系统服务的水平。所以，确保海岸防护林建设的可持续性对于维持沿海地区的稳定发展至关重要。

多样的海岸景观导致了盐度、土壤性质及气候压力因子的显著空间异质性，从而使得不同区域的生境适宜性和生态阈值也存在差异（Henud等人，2024年；Wang等人，2025年）。这种环境异质性直接影响海岸防护林的建立、生长及其生态功能发挥。根据生态位理论，只有当森林的建立与当地环境条件相适应时，海岸防护林才能实现长期存活并发挥最佳生态效益（Hutchinson，1957年；Redondo-Gómez等人，2007年；Creecy等人，2025年）。因此，识别区域性的环境限制因素对于提高造林效果至关重要。不过，现有研究大多侧重于造林实践和造林后的管理措施，而环境异质性在引发空间差异方面的作用以及其带来生态效益的机制则尚未得到充分理解（Himes-Cornell等人，2018年；Li等人，2023年；Murillo-Sandoval等人，2025年）。这种局限性可能导致管理策略趋于统一，过高估计了环境脆弱沿海地区的森林功能，同时忽视了环境压力所导致的生态功能下降。因此，需要一个系统性的评估框架，以明确海岸防护林效益的环境依赖性，从而为有针对性的海岸生态管理提供依据。

海岸防护林的建立通过改变土地覆盖特征、植被结构以及生态系统过程，影响着当地的生态环境质量，进而调控着生态系统服务功能的提供能力（Silva-Olaya等人，2022年；Qiao等人，2024年）。防护林的发展增加了植被覆盖度和生物量，改善了土壤的物理化学性质和水文调节能力，还有助于提升碳循环、土壤保持和生境维护等关键生态功能（Pereira等人，2024年；Williams等人，2024年）。然而，防护林的生态效益并非仅仅取决于其建设规模，还与林分结构、管理措施以及区域环境条件密切相关（Boyden等人，2009年）。例如，不恰当的种植密度以及单一树种构成可能会加剧对水和养分的竞争，降低资源利用效率，进而削弱森林的碳封存能力和生物多样性保护功能（Forrester，2014年；Salekin等人，2024年）。因此，仅关注防护林面积的扩大并不能全面体现其生态效益。有必要从系统协调的角度，阐明海岸防护林发展与生态系统服务之间的动态关系。耦合协调度模型被广泛用于衡量不同系统之间的相互依赖性，可用于评估海岸防护林与生态系统服务之间的和谐程度（Zhang等人，2023年；Kou等人，2024年）。同时，通过分析长期以来这种和谐关系的动态演变，可以更科学地评估环境和人类活动所造成的干扰（Zhang等人，2024b年）。

此外，像海岸防护林建设这样的长期生态项目，涉及到生态系统服务提升过程中从量变到质变的渐进过程（Salekin等人，2024年；Pereira等人，2024年）。生态恢复理论认为，生态系统功能的发展不仅依赖于植被的恢复，还与植物群落结构、土壤性质以及生态系统过程的长期调整有关（Laughlin，2014年；Reid，2018年）。因此，海岸防护林的生态效益通常具有累积性和时间依赖性。生态功能的提升往往滞后于植被的恢复（Kolus等人，2019年；Pereira等人，2024年；Zhu等人，2025年）。Salekin等人（2024年）的研究表明，由于树木生长周期和碳积累过程的限制，森林的碳封存能力需要较长时间才能逐渐增加并达到稳定状态。对于海岸防护林而言，生态功能的发展是一个持续的演化过程，从幼龄林分的建立和群落结构的发展，一直到生态系统功能的成熟。所以，仅通过短期观察生态系统服务的变化，可能无法完全把握其长期的贡献。仅基于单个时间点的评估，可能会低估海岸防护林建设对生态系统服务提升的长期影响。相比之下，基于长期时间序列的动态评估能够揭示生态效益演变的时空规律，为长期管理和优化生态恢复项目的布局提供理论依据。

总之，随着气候变化和人为压力的加剧，基于自然的解决方案已成为全球沿海生态保护的重要途径。国际上的研究主要聚焦于红树林恢复和沿海湿地修复等自然生态系统，探讨了它们在碳封存、生境维护和海岸保护方面的作用（Yasmeen等人，2024年；Marino等人，2025年）。然而，与基于自然生态系统的措施相比，大规模人工海岸防护林的长期生态效益及其区域差异尚不完全清楚（Triest和Van der Stocken，2021年）。现有研究多以局部案例研究或对单一生态功能的评估为主，难以全面了解不同环境梯度下海岸防护林效益的时空变化及其长期演化趋势。此外，林分结构、环境条件以及人类活动如何影响海岸防护林的生态效益，这些机制也亟待进一步研究。因此，从长期动态和多区域分析的角度，阐明海岸防护林效益的演化规律及其驱动机制十分必要。

许多沿海生态恢复项目主要依靠自然恢复。而中国的海岸防护林工程则具有广阔的空间覆盖范围、较长的实施周期以及多样化的环境梯度，这些特点为研究大规模人工生态项目对生态系统服务的长期影响提供了独特的案例。本研究以该工程所建设的海岸防护林为对象，基于生态系统服务的长期变化，构建了一个生态效益评估框架。通过运用耦合协调度模型，揭示了海岸防护林发展与生态系统服务提升之间的协同演化关系；同时结合多元线性回归、SHapley加性解释以及地理时间加权回归模型，分析了22年间影响生态系统服务变化的时空机制。该框架将海岸防护林的发展、生态系统服务的变化及其驱动机制有机结合起来，从而展现了大规模海岸防护林的生态效益，为优化沿海生态恢复项目的管理和长期规划提供了科学依据。

研究区域：海岸防护林体系建设计划覆盖了中国的整个沿海地区，横跨广阔的南北地带，涵盖了热带、亚热带和温带气候区（图1）。研究区域包括11个沿海省份和5个具有独立规划权的城市中的344个县。本研究以《国家海岸防护林体系建设规划（2016 – 2025年）》中划分的13个子区域作为分析单元。

海岸防护林发展的时空动态：在该计划实施区域内，北部沿海防护林面积的增长幅度大于南部（图3a）。森林面积大幅增长的区域主要集中在长江以北。长江以北地区的造林率为5.02% – 12.01%。13个子区域中有6个区域的海岸防护林面积占比达到了60.48%。尤其是在WLEHR、BBR和SPR这三个区域，其造林率是最高值的1.41倍 – 1.59倍。

主要研究发现：本研究探讨了海岸防护林与生态系统服务之间的协调发展关系，同时量化了土地利用变化、气候变异以及人类活动对生态系统服务可持续性的长期影响，从而明确了海岸防护林作为关键驱动因素的作用。主要研究结果如下：首先，海岸防护林的发展与生态系统服务的变化之间存在空间相关性。在22年的研究期间……

结论：本研究通过建立耦合协调度及影响机制评估体系，探讨了海岸防护林工程及其他因素在沿海生态系统服务时间动态变化中的作用。这一方法弥补了目前在大空间尺度上关于海岸防护林生态效益方面实证研究的不足。研究结果表明，在过去的22年里，沿海防护林与生态系统服务之间的耦合协调程度总体上呈阶段性提升态势。

作者贡献声明：张丽雪：撰写——初稿、可视化、软件应用、方法学、研究实施、正式分析、数据整理。杨阳：撰写——审阅与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金申请、数据整理、概念构思。黄宇：撰写——审阅与编辑、监督、正式分析。孙晓：撰写——审阅与编辑、监督、正式分析、数据整理。任强：撰写——审阅与编辑、监督、方法学。杨帆：撰写。

利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了山东省自然科学基金（项目编号：ZR2026MS0607）、河北省高等学校人文社会科学研究基地项目（项目编号：HYZD202502）、山东省重大海洋政策研究项目（项目编号：SDGP370000000202602002185）以及国家自然科学基金（项目编号：42401318）的支持。

张丽雪|杨阳|黄宇|孙晓|任强|杨帆|Ju鸿润
中国海洋大学国际事务与公共管理学院，青岛266100