唐 憲，李際平，胡小飛

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004)

森林生態(tài)系統(tǒng)中人為干擾影響指標(biāo)的研究

唐 憲，李際平，胡小飛

(中南林業(yè)科技大學(xué)， 湖南 長沙 410004)

通過對干擾行為和生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過程分析，認(rèn)為自然干擾屬于自然演替的正常范疇，不作為生態(tài)完整性評價的影響因子，證實(shí)人為干擾在生態(tài)系統(tǒng)完整性評價中占有重要地位。文章分析了人為干擾對森林生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能上的影響，通過對指標(biāo)的篩選得到人為干擾壓力模型，并采用層次分析法(AHP)計(jì)算出各指標(biāo)權(quán)重。最后提出對森林生態(tài)系統(tǒng)完整性評價的新思路。

森林生態(tài)系統(tǒng)；生態(tài)系統(tǒng)完整性評價；人為干擾；指標(biāo)；層次分析法

人為干擾對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響是巨大的，直觀表現(xiàn)有毀林、采伐、修枝、砍伐下木、掃除枯落物、放牧、采集果實(shí)、開礦、旅游、工業(yè)污染等[1]，人類的許多行為都在無情地?fù)p害著森林生態(tài)系統(tǒng)。據(jù)綠色和平組織估計(jì)，100年來，全世界的原始森林有80%遭到破壞；另據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織最新報(bào)告顯示，如果用陸地總面積來算，地球的森林覆蓋率僅為26.6%。森林減少導(dǎo)致土壤流失、水災(zāi)頻繁、全球變暖、物種消失等。

上世紀(jì)末，美國森林經(jīng)營思想從傳統(tǒng)向生態(tài)優(yōu)先的轉(zhuǎn)變，使得學(xué)術(shù)界開始關(guān)注森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營。將森林生態(tài)系統(tǒng)作為研究對象，體現(xiàn)出森林經(jīng)營在宏觀層面上的要求越來越高，如何做好森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營仍是當(dāng)前學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)問題。對森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)營管理，生態(tài)系統(tǒng)完整性是其中的一個重要參考指標(biāo)。Kay[2]指出“考察完整性要考察生態(tài)系統(tǒng)的組織狀態(tài)，這包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的完整和功能的健康”。因此，評價生態(tài)系統(tǒng)完整性就是分析評價系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的完整[3-4]。鑒于人為干擾在森林生態(tài)系統(tǒng)中影響的重要性，建立人為干擾指標(biāo)體系，對人為干擾的影響進(jìn)行有效評定，成為森林生態(tài)系統(tǒng)完整性評價中的重要一環(huán)。這種研究有助于將人為干擾控制在合理范圍內(nèi)，使森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮其應(yīng)有的效能。

1 人為干擾對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響

1.1自然干擾屬于正常的生態(tài)學(xué)過程，人為干擾影響了森林生態(tài)系統(tǒng)的自然發(fā)展

生態(tài)學(xué)對干擾的研究非常多，如火干擾、洪水干擾、風(fēng)干擾等。但干擾的概念卻不統(tǒng)一。Forman和Godron將干擾定義為顯著地改變系統(tǒng)正常格局的事件。Forman( 1995)又對干擾與脅迫(stress)的區(qū)別進(jìn)行了分析，認(rèn)為在草地、針葉林或地中海類型的生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)每隔幾年就發(fā)生一次的火災(zāi)不是干擾，而防火則是一種干擾。景觀生態(tài)學(xué)中對干擾的研究非常重視，認(rèn)為干擾是景觀異質(zhì)性的一個主要來源，它既改變景觀格局同時又受制于景觀格局。干擾的后果具有雙重性，它既有建設(shè)性的一面，也有破壞性的一面[5]。

大尺度極端類型干擾(如冰川活動、滑坡、嚴(yán)重侵蝕、大面積嚴(yán)重火災(zāi)、火山地震等地殼運(yùn)動)在森林生態(tài)系統(tǒng)中屬于不可抗的自然干擾，除此外，自然干擾是一種生態(tài)演替過程，是生態(tài)系統(tǒng)功能的一部分。森林生態(tài)系統(tǒng)通常受自然干擾的作用，影響森林環(huán)境，使森林結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變，進(jìn)而成為森林生態(tài)系統(tǒng)演替變化的驅(qū)動力之一[6]。生物干擾也屬于自然干擾的一部分，同樣發(fā)揮著驅(qū)動力作用。自然干擾的所有行為都遵循自然規(guī)律演替發(fā)展，唯獨(dú)人類行為除外，在野蠻社會時期，人類對生態(tài)系統(tǒng)的干擾可以歸于自然干擾范疇，當(dāng)人類文明達(dá)到一定程度以后，人為干擾就應(yīng)視為獨(dú)立于自然干擾的一種存在。

1.2人為干擾對森林生態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)影響因子

1.2.1 森林面積的減少 森林面積的日漸減少是影響生態(tài)系統(tǒng)完整性的最大隱患。自工業(yè)革命以來，由于人口的增長而帶來森林景觀的破壞已經(jīng)引發(fā)全球性的生態(tài)危機(jī)。目前全球森林面積43億hm2，約為地球陸地總面積的29%。大量數(shù)據(jù)顯示，在城市化和工業(yè)化飛速發(fā)展的今天，森林面積除遭到自然災(zāi)害如火災(zāi)、火山、海嘯等威脅外，主要就是各方面的人為威脅：非法和破壞性的采伐；林地濫伐，改造成農(nóng)田和牧場；修路和其他基礎(chǔ)建設(shè)，例如新的村落、管道、水道等；開采金屬、石油和天然氣；修筑大壩以建造電站；過量地破壞植被(薪柴、建筑材料、過度放牧)；過度捕獵和進(jìn)行野生動物肉制品貿(mào)易等。聯(lián)合國糧農(nóng)組織最近公布的報(bào)告中指出在1990—2000年間，全球每年森林凈損失面積約8.9萬km2，2000—2005年中，森林面積每年凈損失約7.3萬km2。據(jù)查，熱帶森林被砍伐的區(qū)域還在日漸擴(kuò)大，自2000年以來，每年約有12.95萬km2的熱帶森林遭砍伐，其中超過一半是以前人跡罕至的區(qū)域。保護(hù)環(huán)境，遏制森林減少的趨勢已刻不容緩。

1.2.2 對木材等各類林產(chǎn)品的需求增大 由于處在食物鏈的頂端，人類缺少天敵，社會和經(jīng)濟(jì)在高速發(fā)展，人口得以不斷增長，人類對木材、食物、水等資源的需求越來越大，食物供應(yīng)短缺，水源不足,給森林帶去更多的危害。隨著人類生活質(zhì)量的提高，人類對能量的需求也越來越高，人均耗能逐年增大，同樣給森林帶來了不可承受的壓力(如圖1)。隨著人類社會和經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，新的人為干擾不斷出現(xiàn)，干擾強(qiáng)度也日益增大，構(gòu)成對森林的嚴(yán)重威脅。

圖1 食物、水資源需求量[7]

1.2.3 污染物排放量上升,給森林健康造成危害 人類生活所帶來的各類污染物以及工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的廢渣、廢水、廢氣，通過各種方式進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)，給森林生態(tài)系統(tǒng)帶來各種理化性質(zhì)上的干擾。此外,人們焚燒化石礦物、砍伐或焚燒森林產(chǎn)生的CO2等溫室氣體帶來的全球氣候變暖問題正進(jìn)一步加劇。持續(xù)升高的溫度將土壤和樹葉烘干，引發(fā)了更多的野火，越來越熱的空氣又導(dǎo)致閃電頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年排入大氣中的CO幾乎有30%來自樹木焚燒，這些氣體所引起的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致海平面上升，細(xì)菌、病菌變異以及海嘯、地震增多等[8]，這種人為干擾與自然干擾的相互作用，引起惡性循環(huán)，隨著頻率和強(qiáng)度的增加，結(jié)果就是整個地球生態(tài)系統(tǒng)的惡化甚至崩潰。

1.2.4 生態(tài)旅游熱給森林生態(tài)系統(tǒng)造成巨大的破壞 隨著大眾旅游時代的到來，旅游業(yè)為一個國家或地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、文化繁榮、社會進(jìn)步做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)，但同時也給生態(tài)環(huán)境、自然資源造成了不同程度的影響。旅游業(yè)對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響有：① 景觀破碎化程度增加，植物生境條件發(fā)生變化，原始景觀遭到破壞，整個區(qū)域表現(xiàn)出不完整和不協(xié)調(diào)；② 旅游開發(fā)和游憩活動增加旅游地的水資源需求量，帶來的污染令旅游地淡水資源遭受嚴(yán)重破壞；③ 導(dǎo)致旅游地局部植被破壞、土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)變化；④ 對植被造成完整性破壞，還有對野生動物生境的干擾致使野生動物種群數(shù)量下降；⑤ 旅游帶來的工業(yè)化和污染問題導(dǎo)致區(qū)域小氣候產(chǎn)生變化[9]。

研究表明：旅游活動帶來的污染物會增加空氣中細(xì)菌、灰塵、廢氣的含量，導(dǎo)致雨霧酸化。人類不同形式的活動，不但影響了CO2日進(jìn)程變化，而且使CO2在森林中的垂直分布發(fā)生了改變。隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，旅游需求將持續(xù)增長，旅游開發(fā)建設(shè)活動和旅游者的游憩活動更加頻繁，旅游業(yè)對森林生態(tài)系統(tǒng)影響的廣度與深度越來越強(qiáng)，顯然生態(tài)旅游已成為人為干擾的重要組成因素[9]。

2 人為干擾指標(biāo)體系的建立

2.1指標(biāo)體系

通過對森林干擾的眾多影響因子分析，參考國內(nèi)外人為干擾和生態(tài)系統(tǒng)完整性研究成果，從百余個評價指標(biāo)中，以精煉、實(shí)用、易獲取、代表性強(qiáng)等原則選取指標(biāo)，指標(biāo)的選取應(yīng)符合以下基本原則：

(1) 整體性原則：指標(biāo)體系要做到總體目標(biāo)一致，結(jié)構(gòu)合理，層次分明。使評價目標(biāo)和評價指標(biāo)有機(jī)地聯(lián)系起來，組成一個層次分明的整體。

(2) 因地制宜原則：指標(biāo)的確定具有代表性，根據(jù)地方要求和特色選取指標(biāo)，避免產(chǎn)生沒有評價意義的指標(biāo)。

(3) 科學(xué)性原則：指標(biāo)能全面合理地反映人為干擾生態(tài)系統(tǒng)完整性的主要特征，各指標(biāo)的選取要有科學(xué)依據(jù)，定義正確，目的明確，計(jì)算方法科學(xué)。

(4) 獨(dú)立性原則：指標(biāo)的選取要有其獨(dú)立性，對于互相間有因果聯(lián)系的指標(biāo)，選取主要因子，避免產(chǎn)生重復(fù)性計(jì)算和評估。

(5) 可評價性原則：指標(biāo)具有可測性，在數(shù)據(jù)方面易于收集，計(jì)算方面易于掌握，整體評價可操作性強(qiáng)。

根據(jù)森林生態(tài)系統(tǒng)中人為干擾的特性，采用自上而下、逐層展開的方法，將森林生態(tài)系統(tǒng)中的人為干擾分解為資源的消耗、污染物的排放以及隱形壓力三個要素層，針對要素層實(shí)際情況，采用主成分分析法和專家咨詢法及9項(xiàng)指標(biāo)(如表1)構(gòu)成指標(biāo)層，建立人為干擾指標(biāo)體系(圖2)。

2.2權(quán)重的計(jì)算

采用層次分析法完成對人為干擾指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算。層次分析法(AHP)是美國T . L. Saaty于20世紀(jì)70年代初提出的一種靈活、簡便的多準(zhǔn)則決策方法。它把一個復(fù)雜的問題按一定原則分而治之，即分解為若干子問題，對每一個問題作同樣的處理，由此得到按支配關(guān)系形成的多層次結(jié)構(gòu)，對同一層的各元素進(jìn)行兩兩比較，并用矩陣運(yùn)算確定出該元素對上層支配元素的相對重要性，進(jìn)而確定出每個子問題對目標(biāo)的重要性。采用層次分析法首先應(yīng)該構(gòu)造矩陣模型，再進(jìn)行層次單排序，采用特征向量法(EM)求取判斷矩陣權(quán)重排序向量，由方根法近似計(jì)算判斷矩陣特征向量W和最大特征根λmax。各評價因子的權(quán)數(shù)即為判斷矩陣特征向量的各分量。判斷矩陣的一致性指標(biāo)：

表1 人為干擾指標(biāo)計(jì)算方法指標(biāo)層(Cj)計(jì)算方法木材消耗木材收獲量/區(qū)域林地面積林地占用區(qū)域人為用地面積/區(qū)域土地面積生態(tài)旅游年均旅游人數(shù)/旅游林區(qū)面積林產(chǎn)品消耗各類林產(chǎn)品總量/區(qū)域林地面積廢氣排放廢氣排放總量/區(qū)域人為用地面積液態(tài)垃圾排放液態(tài)垃圾排放總量/區(qū)域人為用地面積固態(tài)垃圾排放固態(tài)垃圾排放總量/區(qū)域人為用地面積人口密度區(qū)域人口總量/區(qū)域土地面積工業(yè)化程度高污染型工廠、礦區(qū)數(shù)量/工廠、礦區(qū)數(shù)量 注：區(qū)域人為用地面積指各類建設(shè)用地面積。

圖2 人為干擾定量分析指標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率：

判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率CR均小于0.1，說明判斷矩陣具有滿意的一致性[10-11]。

根據(jù)層次關(guān)系建立判斷矩陣，采用問卷的方式邀請多位林學(xué)、生態(tài)學(xué)方面的專家對各指標(biāo)進(jìn)行1～9標(biāo)度的兩兩比較打分，根據(jù)打分結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣。在森林生態(tài)系統(tǒng)中人為干擾這一總目標(biāo)(A)下，建立的判斷矩陣如下：

在(Bi)要素層下，構(gòu)造各評價級別中指標(biāo)層指標(biāo)C的相對重要性的兩兩比較判斷矩陣(Bi-C)，分別為：

(B1為資源消耗層)

(B2為污染物層)

(B3為隱形壓力層)

通過對判斷矩陣的排序和隨機(jī)一致性檢驗(yàn)，結(jié)果為：

CR[(A-B),(B1-C),(B2-C),(B3-C)]

= (0.0171, 0.0207, 0.0043, 0)

各單排序和總排序的一致性檢驗(yàn)結(jié)果均為CR﹤0.1，說明判斷矩陣具有滿意的一致性，得到各指標(biāo)權(quán)重如表2。

表2 人為干擾指標(biāo)體系各層次指標(biāo)權(quán)重指標(biāo)權(quán)重木材消耗01323林地占用02293生態(tài)旅游00802其他森林產(chǎn)品01030廢氣排放00911液態(tài)污染物排放01189固態(tài)污染物排放00698人口密度00704工業(yè)化程度01050

2.3指數(shù)模型的建立

從權(quán)重結(jié)果上看，林地破壞、木材消耗、液態(tài)污染物排放、工業(yè)化程度、其他森林產(chǎn)品是森林生態(tài)系統(tǒng)中人為干擾的主要因子。通過對指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算，建立人為干擾指數(shù)模型：

(1)

P越高，表示人為干擾壓力越大，反之，則越低。標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

(2)

3 結(jié)論與討論

人為干擾作為森林生態(tài)系統(tǒng)的人為壓力，無時無刻不在威脅著森林生態(tài)系統(tǒng)，一旦壓力過大，完整性將遭到巨大破壞，系統(tǒng)隨之面臨崩潰，或者說這就是一種不可持續(xù)性。通過對人為干擾指標(biāo)體系的研究，建立人為干擾指數(shù)模型，實(shí)現(xiàn)了人為干擾在森林生態(tài)系統(tǒng)中影響程度以及主要影響成分的量化，不僅可以為完整性評價提供定量參考，更起到人為干擾有效控制的標(biāo)尺作用，達(dá)到實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營的目的。

對生態(tài)系統(tǒng)完整性的評價首先考慮人類干擾對生態(tài)系統(tǒng)完整性的壓力。通過對人為干擾相關(guān)指標(biāo)的分析，評定人為干擾對森林生態(tài)系統(tǒng)的壓力影響，本研究在參考相關(guān)森林資源和環(huán)境等方面承載力評價指標(biāo)的基礎(chǔ)上，主要從森林資源功能及人類社會經(jīng)濟(jì)活動特征、景觀生態(tài)功能破壞的表現(xiàn)與特征入手，在遵循科學(xué)性、可操作性等原則的基礎(chǔ)上，通過理論分析及頻度分析，得出人為干擾指標(biāo)體系。使人為干擾的強(qiáng)度得到具體量化，給系統(tǒng)完整性評價提供了基石。但是，在森林生態(tài)系統(tǒng)完整性的研究中，人為干擾強(qiáng)度的量化還沒有具體可參照的理論體系和參照標(biāo)準(zhǔn)，因此，需要在具體案例的實(shí)踐分析中，對指標(biāo)體系進(jìn)行不斷檢驗(yàn)和修正，而標(biāo)準(zhǔn)的本底狀態(tài)的量度和資料采集也需要進(jìn)行進(jìn)一步的考證和研究。要評價生態(tài)系統(tǒng)完整性，首先需要給出一個標(biāo)準(zhǔn)，即“未退化的、健康的生境”模型。Karr指出，完整性包含了“相應(yīng)于自然的或者原始的狀態(tài)而言”的意思。設(shè)定這個標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的基本值，然后測量系統(tǒng)偏離這個標(biāo)準(zhǔn)的程度。因此，在對生態(tài)系統(tǒng)完整性的評價模型建立的思路上，我們可以設(shè)定一般原始狀態(tài)為人口增長率大幅升高前，沒有工業(yè)化活動的狀態(tài)和自然狀態(tài)(例如, 在一個區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)中最接近自然生境的狀態(tài))兩種基準(zhǔn)，通過對現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)上的指標(biāo)計(jì)算得出偏離值，分析現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)指標(biāo)與人為干擾的互為因果的指標(biāo)因子，再綜合人為干擾指標(biāo)體系的權(quán)重得出完整性評價結(jié)果。

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(責(zé)任編輯：譚著明)

Theimpactsofhuman-causeddisturbanceonindicatorsofforestecosystem

TANG Xian, LI Jiping, HU Xiaofei

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

By analysis of the disturbance behavior and ecological process of ecosystem, it was confirmed that human-caused disturbance played an important role in assessment of ecosystem integrity. And it was considered that natural disturbance could not be taken as impact factor for assessment of ecosystem integrity but belonged to the normal scope of natural succession. In this paper, the impacts of human-caused disturbance on structure and function of forest ecosystem were analyzed. A human-caused disturbance pressure model was formed through screening indicators, and the indicators weights were figured out using analytic hierarchy process (AHP). Finally a new idea on assessment of ecosystem integrity was put forward.

forest ecosystem; assessment of ecosystem integrity; human-caused disturbance; indicators; analytic hierarchy process (AHP)

2010-03-14

2010-03-18

唐 憲(1985-)，男，安徽太湖人，碩士研究生，從事林業(yè)系統(tǒng)工程方向的研究。

S 718.55

A

1003-5710(2010)02-0043-05