1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所长春净月潭遥感试验站, 长春 13010;
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 国家地球系统科学数据中心, 北京 100101
2020年5月27日 收稿; 2020年7月30日 收修改稿
基金项目: 国家重点研究发展计划课题（2016YFC0500201）、吉林省科技发展计划项目（20200301014RQ）和国家地球系统科学数据中心（http://www.geodata.cn）资助
通信作者: 毛德华, E-mail: maodehua@iga.ac.cn
摘要: 东北地区作为全国重要的天然林分布区，是天然林资源保护工程（天保工程）实施的重要区域。系统开展东北地区天保工程实施前后生态系统变化的评估，对于工程实施效果提升与区域生态保护具有重要的科学意义。利用Landsat和MODIS遥感数据源及InVEST模型，从生态系统结构、质量和服务3个维度，综合分析东北地区天保工程的保护成效。研究结果表明：1）天保工程实施后（2000—2015年），森林面积增加2 133 km2。2）天保工程实施后，生态系统质量得到改善，叶面积指数和植被净初级生产力呈现上升趋势。3）天保工程实施后，森林生态系统碳储量增加49 Tg，森林生态系统产水量减少3.5×109 m3，全区生境质量差的面积减少1 423 km2。4）天保工程总体上有显著的生态成效，但仍有产水量与生境质量、生态系统碳储量存在权衡等问题，区域生态系统的保护有待提升。
关键词: 森林面积生态系统质量生态系统服务天然林资源保护工程遥感
Ecological effect of Natural Forest Protection Project in Northeast China
XIANG Hengxing1,2, WANG Zongming1,3, MAO Dehua1
1. Changchun Jingyuetan Remote Sensing Experiment Station, Northeast Institute of Geography and Agroecology, Chinese Academy of Sciences, Changchun 13010;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. National Earth System Science Data Center, Beijing 100101, China
Abstract: As an important natural forest distribution area in China, Northeast China is a significant implementation area of the Natural Forest Protection Project (NFPP). The improvement of project implementation effects and regional ecological protection requires a systematic evaluation of ecosystem changes before and after the implementation of the NFPP. To achieve this aim, this study compared the changes in landscape pattern, ecosystem quality and services from 1990 to 2000 and from 2000 to 2015 by means of Landsat and MODIS data and InVEST model. Results show that 1) forest area increased by 2 133 km2 from 2000 to 2015; 2) ecosystem quality was improved after the implementation of the NFPP characterized by increasing LAI and NPP; 3) forest ecosystem carbon stocks increased by 49 Tg and habitat area in poor suitable grade decreased by 1 423 km2, while water yield of forests decreased by 3.5×109 m3. Although NFPP has achieved obvious ecological effects, there were tradeoffs between water yield and other ecosystem services such as habitat quality and ecosystem carbon sequestrations. Given the findings in this study, we argue that regional ecosystem protection needs to be further improved, and this study will be expected to provide data support and scientific basis for rational use of regional natural resources and the construction of ecological civilization.
Keywords: forest areaecosystem qualityecosystem serviceNatural Forest Protection Projectremote sensing
森林是自然界最富生物多样性的生态景观和人类最重要的生存环境之一，森林生态系统的质量好坏直接与人类的生存、繁衍、发展息息相关，这方面的研究受到全世界范围的广泛关注[1]。自20世纪80年代开始，中国人口的迅速增加和经济的快速发展，森林遭到大面积的砍伐，毁林造田、毁林开矿等现象十分严重，天然林长期过度消耗引起生态环境的迅速恶化[2]。为降低因毁林引发灾害发生的频率、保护环境，国务院2000年实施天然林资源保护工程(简称天保工程)[3]。天保工程的主要目标是解决天然林的恢复发展问题，保护环境与促进社会和谐发展[4]。天保工程被认为是在地理范围、公共投资和受影响人数方面最大的森林保护项目之一，它对保护森林生态系统和促进可持续资源管理具有深远意义[5]。
近年来，针对国内天保工程实施成效许多****做出了研究。陶蕴之等[6]选取西南4省市，从植被覆盖度、景观格局指数和人类威胁因子评估指标体系等方面得出生态成效改善明显的结论。杨全生等[7]选取祁连山自然保护区，采用样地调查和遥感技术检测到保护区天然林资源得到了有效保护。Shi等[5]选取黑龙江省10个相邻县为研究区，从土地覆被变化的角度分析天保工程带来的显著成效。传统的天然林保护成效分析多从森林覆盖率或生态系统服务价值量方向进行评估。然而，生态系统的变化多表现在多个维度，如：生态系统宏观格局变化、生态系统质量变化以及生态系统服务变化等，因此对天保工程多维度的评估对于区域可持续发展和生态系统的可持续管理具有重要的科学指导意义[8]。
东北地区天保工程区是中国生物多样性的重点地区，也是主要的木材资源战略储备基地，是天保工程实施的重点区域[9]。该区域天然林保护生态成效的判断，对于进一步改善东北地区生态环境和区域平衡具有重要的科学意义。以往研究针对东北地区天保工程的评估大多局限在土地覆被变化[5]、生态系统服务价值量变化[9]等方面，尚缺乏东北地区天保工程的综合评估。因此，本文拟采用长时间序列遥感数据，从生态系统结构、生态系统质量和生态系统服务3个方面，综合全面评估东北地区天保工程的实施生态成效，拟为该地区天保工程的生态评估建立一套完整的指标体系，并为后续工程实施计划提供科学指导。
1 研究方法与数据来源1.1 研究区概况东北地区天保工程区主要分布于大、小兴安岭、长白山脉，位于41°28′~53°36′N、118°53′~133°58′E之间，总面积约为46万km2(图 1)。行政范围涉及内蒙古自治区兴安盟、呼伦贝尔市，黑龙江省大兴安岭地区、黑河市、伊春市、绥化市、鹤岗市、佳木斯市、哈尔滨市、双鸭山市、鸡西市及牡丹江市，吉林省延边朝鲜族自治州、吉林市、白山市及通化市。该区以温带大陆性季风气候为主，年均温-2.5~6.8 ℃，年均降水量310~750 mm，75%~85%集中在6—10月。该区是中国的重点林区，有广袤的原始森林，包含寒温带针叶林、温带针阔叶混交林、温带草原3大植被区域，野生动植物生存环境优越，生物多样性丰富。
Fig. 1
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| 图 1 东北地区天保工程区位置图 Fig. 1 Geographic location of Natural Forest Protection Project Region (NFPPR) in Northeast China 图 1 东北地区天保工程区位置图 Fig. 1 Geographic location of Natural Forest Protection Project Region (NFPPR) in Northeast China --> | |
1.2 生态系统宏观结构数据集研究区生态系统类型数据来源于国家地球系统科学数据中心东北分中心共享的1990、2000和2015年东北地区土地覆被数据集。三期土地覆被数据集以Landsat Thematic Mapper (TM) and Landsat Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+)、Landsat Operational Land Imager (OLI) 和中国环境卫星HJ卫星多时相遥感影像为数据源。数据提取采用面向对象的分类方法实现，生态系统类型共分为6个一级类，包括森林、草地、农田、湿地、城镇及裸地[10]。二级类包括落叶针叶林、针阔混交林、草丛、湖泊、河流等40类。数据空间分辨率为30 m。结合大量的野外地面验证点和高空间分辨率遥感影像，1990、2000和2015年野外验证点分别为3 780、7 689、8 130个，分类精度评价结果分别为90%、92%和94%[11-12]。
1.3 生态系统质量参数数据集本文选取植被叶面积指数(leaf area index, LAI)和植被净初级生产力(net primary productivity, NPP)两个指标评估研究区生态系统质量变化情况。2000—2015年LAI数据来源于EOS/Terra卫星的MODIS产品之一MOD15A2(第6版) (http://reverb.echo.nasa.gov/)，时间分辨率为8 d，空间分辨率为500 m。运用MODIS Reprojection Tool (MRT)对MOD15A2进行拼接处理及投影处理，重投影坐标为WGS84，然后基于ArcGIS10.3裁切出东北地区天保工程区的LAI图，格式为TIFF。2000—2015年NPP数据来源于美国EOS系列卫星的MODIS17A3数据，该数据属于L4级产品，对其进行投影转换为WGS84坐标，基于ArcGIS栅格计算器剔除异常值，裁剪出研究区范围，单位为gC/(m2·a)。
1.4 生态系统服务估算方法产水量评估所需的年降水数据、日最大、最小气温数据来源于中国气象数据网(http://data.cma.cn)，采用克里金插值法生成1 km分辨率的栅格数据。DEM数据、土壤质地数据、土壤深度数据来源于国家地球系统科学数据中心(http://www.geodata.cn)。计算生境质量所用到的归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)数据是GIMMS3g数据集，GIMMS3g NDVI数据集来源于NASA全球监测与模型研究组(Global Inventory Modeling and Mapping Studies, GIM(https://ecocast.arc.nasa.gov))。GIMMS3g数据时间分辨率为半个月，空间分辨率8 000 m，重采样成空间分辨率1 000 m后进行计算[13]。
1.4.1 生态系统碳储量InVEST碳储量模块基于生态系统类型数据和碳密度参数进行计算，4种基本碳库包括地上部分碳、地下部分碳、土壤碳、死亡有机碳，根据Xiang等[14]计算公式如下：
| $C = \sum\limits_i^n {{C_i}} \times {S_i}, $ | (1) |
1.4.2 产水量InVEST模型中的产水量模块主要是用于计算生态系统的产水量。此模块的原理是基于水量平衡，各栅格的降水量减去实际蒸散发后的水量即得该栅格产水量。具体计算公式[16]如下:
| ${Y_{xj}} = \left( {1 - \frac{{{\rm{AE}}{{\rm{T}}_{xj}}}}{{{P_x}}}} \right) \cdot {P_x}, $ | (2) |
1.4.3 生境质量适宜性因子的选择是生境质量分析的重要步骤之一，本研究选择直接影响动物觅食和休息的关键因素，包括干扰因子(道路和居民地密度)、水源状况(湖泊和河流密度)、食物丰富度(植被指数NDVI)和遮蔽物(生态系统类型和坡度)[10]。道路、居民地、湖泊和河流密度提取自生态系统类型数据，基于ArcGIS10.3采用因子层次分析法对天保工程区进行生境质量评价。各因子权重的确定参考Dong等[19]。生境质量计算公式如下：
| ${\rm{HSI}} = \sum\limits_{i = 1}^n {{w_i}} {f_i}, $ | (3) |
1.4.4 生态系统服务权衡协同度生态系统服务权衡协同度模型(ecosystem services trade-off degree，简称ESTD)用于计算东北地区天保工程区的生态系统服务之间的关系。ESTD是一种基于数据的线性拟合来揭示生态系统服务相互作用方向和程度的方法，ESTD可以进一步反映用于分析不同ESs权衡和协同的变化方向的空间异质性[20]。当ESTD为正时，表明两个生态系统服务之间存在协同作用; 当ESTD为负时，意味着两个生态系统服务之间为权衡关系。其计算公式[21]为
| ${\rm{EST}}{{\rm{D}}_{xy}} = \frac{{{\rm{ES}}{{\rm{C}}_{xb}} - {\rm{ES}}{{\rm{C}}_{xa}}}}{{{\rm{ES}}{{\rm{C}}_{yb}} - {\rm{ES}}{{\rm{C}}_{ya}}}}, $ | (4) |
2 结果与分析2.1 生态系统结构变化特征从图 2、表 1可以看出：东北地区天保工程区以森林为主，2015年森林面积占研究区总面积的66.9%，广泛分布在研究区中心部位；其次是农田面积，占研究区总面积的16.3%，广泛分布在研究区周边；湿地和草地面积也相对较多，占研究区总面积的9.3%和6.0%，广泛分布在大兴安岭地区，尤其草地，集中分布在大兴安岭南部和西南部；城镇和裸地面积相对较少，分别占研究区总面积的1.3%和0.1%，零散分布在研究区内。
Fig. 2
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| 图 2 东北地区天保工程区生态系统类型图 Fig. 2 Spatial pattern of ecosystem types in NFPPR in Northeast China 图 2 东北地区天保工程区生态系统类型图 Fig. 2 Spatial pattern of ecosystem types in NFPPR in Northeast China --> | |
Table 1
 表 1 2000—2015年东北地区天保工程区生态系统类型转移矩阵Table 1 Ecosystem type change matrix from 2000 to 2015 in NFPPR in Northeast China?
| 表 1 2000—2015年东北地区天保工程区生态系统类型转移矩阵Table 1 Ecosystem type change matrix from 2000 to 2015 in NFPPR in Northeast China? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1990、2000和2015年，森林覆盖率分别为67.0%、66.5%和66.9%。1990—2000年，森林覆盖率减少0.5个百分点，2000—2015年，森林覆盖率提高0.4个百分点，2000年之前，森林面积减少2 449 km2，减少幅度为0.78%；减少面积基本是向农田转化，农田转出面积为2 559 km2，占转出总面积的92.1%。2000年以后，森林面积增加2 133 km2，增幅为0.69%；增加面积基本来源于农田，占转入总面积的67.7%(表 1、表 2)。可以得出，天保工程实施后森林每年增加142 km2，说明工程的实施，对森林面积起到了积极的恢复作用。
Table 2
表 2 1990—2000年东北地区天保工程区生态系统类型转移矩阵Table 2 Ecosystem type change matrix from 1990 to 2000 in NFPPR in Northeast China?
| 表 2 1990—2000年东北地区天保工程区生态系统类型转移矩阵Table 2 Ecosystem type change matrix from 1990 to 2000 in NFPPR in Northeast China? | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.2 生态系统质量分析由图 3和表 3可以看出，天保工程区LAI多年平均值为5.08，2000—2015年LAI变化斜率为0.028，说明LAI在工程期间呈增长趋势。2000年森林的LAI值为5.55, 2015年森林的LAI值为5.99，森林LAI值也在增长，增长7.9%，并且2000及2015年森林LAI值高于同年全区LAI平均值，表明全区及森林的生态系统质量均在变好。天保工程区NPP多年平均值为328.64 gC/(m2· a)，2000—2015年NPP变化斜率为4.327，说明NPP在工程实施期间呈上升趋势。2000年森林的NPP值为316.27 gC/(m2·a)，2015年森林的NPP值为354.99 gC/(m2· a)，森林NPP值同样在升高，升高12.2%；2000及2015年森林NPP均值均大于同年全区NPP均值，进一步表明工程实施后全区及森林的生态系统质量有所改善。
Fig. 3
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| 图 3 2000—2015年东北地区天保工程区生态系统质量指标变化特征图 Fig. 3 Characteristics of change of ecosystem quality indicators from 2000 to 2015 in NFPPR in Northeast China 图 3 2000—2015年东北地区天保工程区生态系统质量指标变化特征图 Fig. 3 Characteristics of change of ecosystem quality indicators from 2000 to 2015 in NFPPR in Northeast China --> | |
Table 3
表 3 2000—2015年东北地区天保工程区生态系统质量指标变化表Table 3 Change of ecosystem quality indicators from 2000 to 2015 in NFPPR in Northeast China
| 表 3 2000—2015年东北地区天保工程区生态系统质量指标变化表Table 3 Change of ecosystem quality indicators from 2000 to 2015 in NFPPR in Northeast China | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2.3 生态系统服务变化分析2.3.1 生态系统碳储量变化分析如表 4所示，1990、2000、2015年东北地区天保工程区总生态系统碳储量分别为10 377、10 239、10 217 Tg，全区总生态系统碳储量呈持续下降趋势，1990—2000年下降1.3%，2000—2015年下降0.2%，下降程度减缓1.1%。从图 4可以看出，2000—2015年生态系统碳储量变差的区域明显少于1990—2000年。森林生态系统碳储量呈先下降后增长趋势，1990—2000年减少39 Tg；天保工程实施后，森林生态系统碳储量下降趋势被扭转，增加49 Tg。并且2015年森林生态系统碳储量相对增长率为正值，2000年后平均每年增长3.3 Tg。说明工程实施，对生态系统碳储量起到了积极作用。
Table 4
表 4 1990—2015年东北地区天保工程区生态系统服务变化表Table 4 Change of ecosystem service indicators in NFPPR of Northeast China during the period from 1990 to 2015
| 表 4 1990—2015年东北地区天保工程区生态系统服务变化表Table 4 Change of ecosystem service indicators in NFPPR of Northeast China during the period from 1990 to 2015 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fig. 4
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| 图 4 东北地区天保工程区各生态系统服务空间变化图 Fig. 4 Spatial pattern of ecosystem service changes in NFPPR in Northeast China 图 4 东北地区天保工程区各生态系统服务空间变化图 Fig. 4 Spatial pattern of ecosystem service changes in NFPPR in Northeast China --> | |
2.3.2 产水量变化分析如表 4所示，东北地区天保工程区1990、2000、2015年总产水量分别为378×108、309×108和316×108 m3，呈先减后增加的趋势。从图 4可以看出，2000—2015年产水量增加的区域明显多于1990—2000年。森林生态系统类型产水量呈先增加后减少的趋势，2000年之前增加5×108 m3，2000年之后减少35×108 m3，森林面积增加提高了水源涵养能力因而产水量下降。产水量的大小与降水量紧密相关，而降水量是属于自然因素，因而产水量的变化差异明显。
2.3.3 生境质量变化分析1990、2000、2015年3期生境质量均值为60.42、59.73和59.70，呈持续下降趋势，2000年前后分别减少1.14%和0.06%，下降幅度明显减少。生境适宜性等级变化图如图 5所示，1990—2015年东北地区天保工程区生境质量最好等级面积持续减少，共减少12 378 km2。1990—2015年，良好等级面积呈先减少后增加的趋势，先减少18 862 km2，后增加14 052 km2，说明工程实施后，良好等级的适宜性明显改善。1990—2000年一般等级的面积增加4 786 km2，2000—2015年减少1 827 km2。1990—2000年差等级的面积增加15 652 km2，2000年后差等级的面积减少1 423 km2，说明工程的实施有效地阻止了差等级的面积继续恶化。从图 4可以看出，2000—2015年生境质量变好的区域明显增多，并且明显好于1990—2000年之间的变化。
Fig. 5
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| 图 5 东北地区天保工程区生境适宜性面积变化图 Fig. 5 Changes in area and percentage of habitat quality in different suitable grades in NFPPR in Northeast China 图 5 东北地区天保工程区生境适宜性面积变化图 Fig. 5 Changes in area and percentage of habitat quality in different suitable grades in NFPPR in Northeast China --> | |
2.3.4 生态系统协同与权衡各生态系统服务协同与权衡如图 6所示，1990—2000年间，生态系统碳储量、产水量、生境质量之间呈协同关系，产水量与生态系统碳储量、产水量与生境质量ESTD值较高，分别为13.6和15.9，说明协同程度较高。2000—2015年，生境质量与生态系统碳储量呈协同关系，产水量与生境质量和生态系统碳储量呈权衡关系且权衡程度较高，ESTD值分别为38.3和10.7。1990—2015年，生态系统碳储量、产水量、生境质量之间呈协同关系。也就是说2000和2015年相对于1990年，生态系统服务变化具有相同的趋势。但2000年是转折点，2000—2015年生态系统服务变化较1990—2000年趋势变好。但由于2000年之后森林面积增多导致区域产水量呈下降趋势，因而产水量与生境质量和生态系统碳储量呈权衡关系。
Fig. 6
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| 图 6 东北地区天保工程区各生态系统服务协同权衡度 Fig. 6 The ecosystem services trade-off and synergies degree values in NFPPR in Northeast China 图 6 东北地区天保工程区各生态系统服务协同权衡度 Fig. 6 The ecosystem services trade-off and synergies degree values in NFPPR in Northeast China --> | |
3 讨论东北地区实施天然林资源保护工程以来，天然林的休养生息问题有所缓解，森林资源恢复和发展问题得到保障，森林覆盖率显著提高，森林面积呈增长趋势，部分森林生态系统服务能力得到提升。根据森林资源清查数据统计和黄龙生等[9]的研究结果可知东北天然林保护工程区森林的有林地面积从2000年实施天然林资源保护初期到2015年呈增加趋势，与本论文相一致。其中幼龄林、成熟林、过熟林面积呈下降趋势，而中龄林和近熟林面积呈增加趋势。按照各龄级面积分布来看，东北天然林资源保护工程区的森林主要以中幼林为主。与其他地区天保工程生态成效结果做对比，东北地区天保工程区森林面积增长0.69%，小于小陇山地区森林面积增长率(2.11%)，可能由于东北地区气温较低，森林生长缓慢造成的；LAI变化斜率(0.028)与小陇山地区LAI变化斜率(0.022)相当[8]。虽然天保工程实施后，生态状况有一定好转，但相较于1990年，2015年还远未恢复到1990年的水平。2015年较1990年森林面积仍减少316 km2。2015年的生态系统碳储量、产水量和生境质量均低于1990年，分别相差160 Tg、62×108 m3和0.72。毛德华等[22]研究结果表明，大兴安岭1990年年均NPP值高于550 gC/(m2·a)，而本文研究结果2015年为347 gC/(m2·a)，仍相差颇多。目前，天保工程仍然存在一些问题，如森林生态系统服务局部不平衡比较严重。如图 4所示，1990—2000年，生态系统碳储量大部分区域呈现下降趋势，主要分布在大兴安岭南部，小兴安岭东部还有虎林县；同期，生境质量变化剧烈，整个大兴安岭区域除东北部几乎全部呈现下降趋势，小兴安岭同样下降范围广，长白山地区仅西部有部分区域呈现变好趋势。2000—2015年，与图 2相对应，森林生态系统碳储量虽然增加，但长白山地区中部碳储量仍存在集中减少的现象。而2000年以后，生境质量变差的区域主要集中在长白山地区、大兴安岭的北部及小兴安岭的中部，局部不平衡较为明显。针对产水量变化，由于受降水量因素影响较大，产水量变化空间差异最为不平衡，森林面积的增多是导致森林生态系统产水量下降的原因之一，产水量的减少可能会影响周边植被的生长[23]。
根据我们的结果，1990—2015年，3种生态系统服务彼此存在协同关系，与王蓓等[24]在石羊河流域开展的生态系统服务协同与权衡研究结果相一致。2000—2015年天保工程区生态系统碳储量与产水量呈权衡关系，生态系统碳储量的下降主要是由于高碳储量湿地生态系统面积的减少。同期生境质量与产水量呈权衡关系，最好等级的生境适宜性面积的减少与人类活动干扰具有较大的关系[19]。如果没有天保工程的实施，森林面积得不到保护，森林碳储量也会下降剧烈，最好等级的生境适宜性面积也会加剧减少。因此，森林管理中考虑生态系统服务之间的权衡与协同是非常重要的，要想更好地采取有效措施，增加生物多样性，保护和恢复生态环境，建议政策制定者在接下来的天保工程管理方案中，应认真考虑生态系统服务之间的权衡度来实施规划。针对本文的结果，提出几点建议：首先，在保护森林的同时也要保护湿地，同时加强退耕还湿等项目的实施，可以有效的提高碳储量；其次，在生境适宜性差的区域设计生态保护网络，保护重要生境和物种[16]；此外要将公众参与纳入天保工程实施中，以实现东北地区的全面可持续发展[12]。
4 结论本文基于GIS和InVEST模型从生态系统结构、生态系统质量和生态系统服务变化3个方面分析东北地区天保工程的生态成效。结果表明，随着天保工程的实施，工程区内的森林面积增长0.7%，森林生态系统碳储量增加0.6%，工程区内良好等级的生境适宜性面积增加5.5%，这些都说明天保工程的实施有一定的积极成效。但目前仍然存在最好等级的生境适宜性面积持续减少，森林生态系统产水量下降等问题，我们应该持续推行天保工程的实施，以更快的促进天然林的恢复，同时保障东北地区生态系统服务功能。今后还应考虑社会经济等其他因素，使评价更加全面，使评价结果能更好地反映天保工程的实际效果。
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