張智光

(1.南京林業(yè)大學(xué)環(huán)境與發(fā)展系統(tǒng)工程研究所，南京 210037;2.南京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，南京 210037)

生態(tài)安全是國家乃至人類安全的重要內(nèi)容，它是支持社會、經(jīng)濟、自然發(fā)展的生態(tài)與環(huán)境的安全狀態(tài)，包括土地、森林、濕地、水、大氣和生物物種等方面的生態(tài)安全。當(dāng)一個國家或地區(qū)所處的自然生態(tài)環(huán)境狀況能夠支撐其經(jīng)濟與社會的可持續(xù)發(fā)展時，其生態(tài)就是安全的;反之，則是不安全的。在上述生態(tài)安全問題中，大部分都與森林生態(tài)有關(guān)。其原因在于，森林是陸地生態(tài)環(huán)境的主體，森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地上最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、生物多樣性最豐富、功能最強大的自然生態(tài)系統(tǒng)，它具有固碳制氧、防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、凈化空氣、吸收有毒氣體、影響大氣環(huán)流、增加降水、提供國家重要戰(zhàn)略資源(木材是四大原材料中唯一的可再生資源)、維護生物多樣性、保護地球物種等多種功能。森林生態(tài)的特征決定了林業(yè)生態(tài)安全在維持國家或地區(qū)生態(tài)安全中處于首要的和基礎(chǔ)性的獨特地位。

對林業(yè)生態(tài)安全的研究，首當(dāng)其沖的、也是最為關(guān)鍵的問題是對其生態(tài)安全進行測度(包括監(jiān)測、核算、評價、分析、判定和預(yù)警等)。在生態(tài)環(huán)境狀況不斷惡化的壓力下，包括我國在內(nèi)的許多國家都意識到生態(tài)安全測度的必要性和緊迫性［1］，其中林業(yè)生態(tài)安全測度研究已成為人們新的關(guān)注焦點［2］。目前，國內(nèi)外對森林生態(tài)安全的研究比較深入，而對林業(yè)生態(tài)安全，尤其是對林業(yè)生態(tài)安全測度問題的研究，還是一個新課題?，F(xiàn)有研究存在“就生態(tài)論生態(tài)”的預(yù)警滯后性、評價指標體系及權(quán)重設(shè)定的主觀性、指標體系和特征指數(shù)難以優(yōu)勢互補、生態(tài)安全性判據(jù)缺乏客觀依據(jù)等問題。為解決這些問題，本文基于生態(tài)與產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的共生關(guān)系研究林業(yè)生態(tài)安全測度的新方法。

1 林業(yè)生態(tài)安全內(nèi)涵的構(gòu)成分析

生態(tài)安全的內(nèi)涵是對其進行測度的基礎(chǔ)。目前，國內(nèi)外學(xué)者對生態(tài)安全內(nèi)涵的界定尚有分歧，歸納起來大體可分為狹義和廣義兩類。“狹義生態(tài)安全”是指自然和半自然生態(tài)系統(tǒng)的安全，強調(diào)生態(tài)系統(tǒng)自身的健康、完整和可持續(xù)性［3］。“廣義生態(tài)安全”進一步強調(diào)生態(tài)系統(tǒng)對人類提供完善的生態(tài)服務(wù)或人類的生存安全，將自然、經(jīng)濟和社會生態(tài)安全看成一個復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的整體安全問題加以研究［4］。森林生態(tài)安全屬于狹義的生態(tài)安全，而林業(yè)生態(tài)安全則屬于廣義的生態(tài)安全。

經(jīng)分析不難看出，在目前的生態(tài)安全界定中，即使是廣義生態(tài)安全，也只考慮了生態(tài)系統(tǒng)為人類提供生態(tài)服務(wù)的安全性，而沒有同時考慮人類經(jīng)濟活動對生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅的反向安全性。實際上，生態(tài)系統(tǒng)與產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)相互作用的共生關(guān)系模式［5］對于生態(tài)安全的測度和預(yù)警更為重要。因此，應(yīng)當(dāng)把林業(yè)系統(tǒng)看作林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)(即森林生態(tài)系統(tǒng))和林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的有機整體，稱為林業(yè)生態(tài)-產(chǎn)業(yè)復(fù)合系統(tǒng);并從該復(fù)合系統(tǒng)中生態(tài)與產(chǎn)業(yè)的共生機理去考察林業(yè)生態(tài)安全。也就是說，林業(yè)生態(tài)安全的內(nèi)涵應(yīng)當(dāng)包括以下3個方面:①森林生態(tài)安全，是指森林生態(tài)系統(tǒng)自身的健康性、完整性和可持續(xù)性;②林業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)安全，是站在林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的角度來看森林生態(tài)系統(tǒng)的安全性對林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的威脅或保障的安全程度;③林業(yè)生態(tài)-產(chǎn)業(yè)共生關(guān)系安全，是指森林生態(tài)系統(tǒng)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)相互作用關(guān)系的安全性，若兩者是良性互動關(guān)系則是安全的，若是惡性循環(huán)關(guān)系則是不安全的。由于森林生態(tài)安全的威脅除了純自然因素外，主要來自人類的林業(yè)產(chǎn)業(yè)活動，因此EIS安全是森林生態(tài)安全的動因，進而也是林業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)安全的動因。

根據(jù)以上分析，本文提出的林業(yè)生態(tài)安全是站在林業(yè)生態(tài)-產(chǎn)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)的角度，從林業(yè)生態(tài)-產(chǎn)業(yè)共生關(guān)系的安全性出發(fā)，來審視森林生態(tài)安全和林業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)安全的整體水平。其內(nèi)涵可以用圖1明確地表示出來。圖1中，括號內(nèi)的術(shù)語表示與括號前的林業(yè)系統(tǒng)中的概念(如森林生態(tài)系統(tǒng))對應(yīng)的一般系統(tǒng)中的概念(如自然生態(tài)系統(tǒng))。根據(jù)圖1的原理，本文將從EIS的視角來研究林業(yè)生態(tài)安全的測度方法。

圖1 林業(yè)生態(tài)安全的內(nèi)涵構(gòu)成Fig.1 The connotational constitution of forestry ecological security

2 林業(yè)生態(tài)安全測度現(xiàn)有方法的比較分析

2.1 林業(yè)生態(tài)安全測度的方法體系

從現(xiàn)有文獻上看，國外學(xué)者對林業(yè)或森林生態(tài)安全的研究主要局限于森林生態(tài)系統(tǒng)健康方面［6-10］。20世紀70年代末期，德國針對本國森林出現(xiàn)的活力缺失問題，率先提出了森林健康狀態(tài)的概念，并對其進行測度研究，隨后迅速影響到其它國家。例如，澳大利亞［6］、加拿大［7］、美國［8］、新西蘭［9］和墨西哥［10］等國學(xué)者先后進行了森林生態(tài)系統(tǒng)健康測度的研究。我國學(xué)者對林業(yè)和森林生態(tài)安全的研究起始于21世紀初［11］;而對林業(yè)和森林生態(tài)安全測度的研究只是近5年的事情［12］，不管是從成果數(shù)量(只有約10篇論文)還是從深度上看，都處于“初探”階段［1-2］。

根據(jù)以上文獻，林業(yè)生態(tài)安全測度研究的核心問題主要有兩個方面:生態(tài)安全測度指標及其測度方法、生態(tài)安全測度標準(安全性判據(jù))。通過對這兩方面已有的相關(guān)成果進行系統(tǒng)梳理和深入分析，總結(jié)出圖2所示的林業(yè)生態(tài)安全測度的方法體系。

2.2 指標體系法和特征指數(shù)法的比較分析

生態(tài)安全測度的“指標體系法”通過多層次指標體系對林業(yè)生態(tài)安全問題進行全面評價。由于其中各單項指標具有明確的生態(tài)經(jīng)濟意義，因此便于分析導(dǎo)致生態(tài)安全問題的原因。但為了得到綜合評價值，該方法需要對各指標進行無量綱化處理，因而導(dǎo)致其綜合指標失去生態(tài)經(jīng)濟意義，不便于理解和運用。而且，在確定指標權(quán)重時，通常主觀性較大。若采用主成分分析法或因子分析法，雖然可以客觀地求取綜合指標，但是其綜合評價值同樣失去了生態(tài)經(jīng)濟意義，而且評價模型中的系數(shù)也偏離了指標權(quán)重的本意。

“特征指數(shù)法”則相反，它具有總體的生態(tài)經(jīng)濟意義(如生態(tài)足跡和能值等)，其評價值便于理解。但是，在將單項指標轉(zhuǎn)化成特征指數(shù)時，誤差較大，且失去了指標本身的生態(tài)經(jīng)濟意義，不便于原因分析。此外，目前提出的特征指數(shù)種類繁多(圖2)，每一種指數(shù)只能從某一個側(cè)面反映生態(tài)安全的狀態(tài)，缺乏綜合性，而且不能反映生態(tài)與產(chǎn)業(yè)相互作用的良性或惡性演變的趨勢。因此，需要重新構(gòu)建新的特征指數(shù)。

目前，還沒有找到一種能夠兼顧這兩類方法優(yōu)點并克服其缺陷的生態(tài)安全測度方法。

2.3 指標體系法的比較分析

在指標體系法中，用“直觀篩選法”構(gòu)建指標體系簡便易行，能夠充分發(fā)揮研究者和專家的能力，在我國的應(yīng)用比較普遍［12］。但由于缺乏理論與實證支撐，因而其科學(xué)性和準確性較差。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開始運用“結(jié)構(gòu)模型法”構(gòu)建生態(tài)安全評價指標體系。這類結(jié)構(gòu)模型是用來描述生態(tài)-產(chǎn)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)各要素之間作用機理的結(jié)構(gòu)化定性模型(又稱為框架模型、理論模型)。其中，具有代表性的結(jié)構(gòu)模型有:①聯(lián)合國經(jīng)濟合作開發(fā)署與經(jīng)濟合作發(fā)展組織推出的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)PSR結(jié)構(gòu)模型［13］;②聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展委員會提出的驅(qū)動力-狀態(tài)-響應(yīng)DSR模型;③歐洲環(huán)境委員會將以上兩個模型結(jié)合并進行改進，提出了驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)DPSIR模型［14］;④Corvalan等人把DPSIR模型進一步拓展，提出了驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-暴露-影響-響應(yīng)DPSEEA 模型［15］。

圖2 林業(yè)生態(tài)安全測度的方法體系Fig.2 The methods system of forestry ecological security measure

其中，PSR模型應(yīng)用最為廣泛，為一般生態(tài)安全［16］和林業(yè)生態(tài)安全［17］的測度提供了理論依據(jù)。但是，PSR模型過于簡單，一些對生態(tài)安全測度比較重要的因素(如生態(tài)影響因素)沒有考慮進來。另外，DSR模型也是一種比較簡潔的結(jié)構(gòu)模型，但是其中的驅(qū)動力因子與狀態(tài)因子是間接因果關(guān)系，缺少中間環(huán)節(jié)。而DPSIR模型和DPSEEA模型雖然彌補了PSR模型和DSR模型的缺陷，但又把系統(tǒng)的因果關(guān)系搞得過于復(fù)雜，有些因子偏離了生態(tài)安全測度研究的核心問題。因此，在進行林業(yè)生態(tài)安全測度時，需要根據(jù)林業(yè)生態(tài)-產(chǎn)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)的特點，結(jié)合PSR、DSR、DPSIR、DPSEEA等模型的長處，構(gòu)建或改進相應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型。

2.4 特征指數(shù)法的比較分析

在特征指數(shù)法中，“生態(tài)承載力法”(如生態(tài)足跡和能值方法)與其他方法相比更適合生態(tài)安全的評價。其中，“生態(tài)足跡法”是將某區(qū)域的資源和能源消費轉(zhuǎn)化為提供這些物質(zhì)流所需生物生產(chǎn)性土地面積(即生態(tài)足跡)，并同該區(qū)域能夠提供的生物生產(chǎn)性土地面積(即生態(tài)承載力)進行比較，從而定量判斷區(qū)域生態(tài)狀況是否安全［18］。該方法主要存在以下缺陷:①未考慮土地生產(chǎn)力降低的變化;②土地功能的多重性造成了計算誤差;③土地利用類型難以劃分;④未包括生物多樣性指標;⑤不能全面反映區(qū)域環(huán)境壓力;⑥對管理決策的指導(dǎo)作用有限［19］?！澳苤捣治龇ā卑焉鷳B(tài)-產(chǎn)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)中不同種類和不可比較的能量統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成以太陽能為基準的能值，進而定量分析系統(tǒng)的生態(tài)安全［20］。其主要缺陷有:①能值轉(zhuǎn)換率計算難度大、誤差大;②有些生態(tài)流難以評估，造成測度誤差［19］。一些學(xué)者將這兩種方法進行結(jié)合，提出“能值生態(tài)足跡法”，通過能值間接計算生態(tài)足跡所需土地面積［21］。但是該方法增加了變量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，累積誤差更大。由于上述問題，目前生態(tài)承載力法還難以用于林業(yè)生態(tài)安全測度，國內(nèi)外尚未見正式發(fā)表的研究成果。

此外，也有學(xué)者將生態(tài)功能區(qū)劃分和生態(tài)規(guī)劃中的生態(tài)評價和分析方法用于區(qū)域生態(tài)安全的研究，例如區(qū)域景觀格局分析［22-24］、生態(tài)敏感性評價、生態(tài)服務(wù)功能評價等。但由于這類方法更適合測定森林生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量或選擇最優(yōu)生態(tài)規(guī)劃方案，并不能很好地回答林業(yè)或森林生態(tài)狀況是否安全的問題，因此還沒有取得令人滿意的研究結(jié)果。

2.5 測度標準確定方法的比較分析

關(guān)于生態(tài)安全測度標準的確定，目前還沒有普遍認可的定量方法或判據(jù)。多數(shù)學(xué)者根據(jù)不同區(qū)域或不同時期生態(tài)安全測度結(jié)果的對比，主觀地確立一種“安全與否”的劃分標準，這種做法缺乏科學(xué)依據(jù)。有的學(xué)者提出了確立生態(tài)底線［25］或生態(tài)閾值［26］的思路，也有學(xué)者提出了更加細化的安全等級［27］。但是，就如何客觀和定量地確定這些測度標準，目前還沒有找到合適的解決方案。

3 基于EIS的林業(yè)生態(tài)安全測度方法的基本構(gòu)想

通過以上分析可見，無論從科學(xué)意義上還是從應(yīng)用前景上看，林業(yè)生態(tài)安全測度研究已顯現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢。與此相對應(yīng)，提出了基于生態(tài)-產(chǎn)業(yè)共生關(guān)系(EIS)的林業(yè)生態(tài)安全測度新方法的下述基本構(gòu)想。

3.1 針對理論基礎(chǔ)的薄弱性，研究林業(yè)生態(tài)安全的內(nèi)涵與機理

生態(tài)安全的內(nèi)涵和機理是生態(tài)安全測度的基礎(chǔ)，這方面的研究尚不成熟，尤其是林業(yè)生態(tài)安全內(nèi)涵和機理的研究更為缺乏。因此，需要根據(jù)圖1提出的林業(yè)生態(tài)安全的內(nèi)涵構(gòu)成，運用共生理論和系統(tǒng)分析方法，在PSR、DSR、DPSIR、DPSEEA等結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，對林業(yè)生態(tài)安全的系統(tǒng)原理，尤其是對生態(tài)與產(chǎn)業(yè)相互作用的機理進行研究。

3.2 針對測度預(yù)警的滯后性，研究林業(yè)生態(tài)和產(chǎn)業(yè)的共生關(guān)系

國內(nèi)外關(guān)于林業(yè)生態(tài)安全測度的研究主要側(cè)重于森林生態(tài)安全方面，這種直接對生態(tài)安全的“結(jié)果”進行評價的做法是一種“就生態(tài)論生態(tài)”的靜態(tài)思維方式，具有較大的滯后性，難以對生態(tài)安全提出預(yù)警。為此，需要將造成生態(tài)安全問題的“原因”——林業(yè)產(chǎn)業(yè)納入生態(tài)安全測度體系中去，從森林生態(tài)安全拓展到林業(yè)生態(tài)安全，從單純自然生態(tài)系統(tǒng)問題拓展到生態(tài)與產(chǎn)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)共生發(fā)展的領(lǐng)域。

3.3 針對兩類方法的欠缺性，研究特征指數(shù)與指標體系的銜接

生態(tài)安全測度的指標體系法和特征指數(shù)法各有利弊，目前缺乏一種既能夠反映生態(tài)安全的生態(tài)經(jīng)濟內(nèi)涵，又能夠?qū)訉诱归_出具體指標項的綜合測度方法。為此，可以從以下3個方面來解決這一問題:①建立科學(xué)的林業(yè)生態(tài)安全測度指標體系;②研究能夠反映生態(tài)經(jīng)濟內(nèi)涵以及生態(tài)-產(chǎn)業(yè)共生關(guān)系的綜合性特征指數(shù);③建立指標體系與特征指數(shù)之間的銜接關(guān)系，通過兩類方法的綜合與集成，克服各自的欠缺性，并實現(xiàn)優(yōu)勢互補。這樣，使管理者既容易理解林業(yè)生態(tài)安全測度結(jié)果的生態(tài)經(jīng)濟意義，又便于找出導(dǎo)致生態(tài)不安全的原因，進而采取有效的生態(tài)監(jiān)管和控制措施。

3.4 針對測度結(jié)果的靈敏性，研究結(jié)構(gòu)化指標體系及權(quán)重設(shè)定

目前生態(tài)安全評價指標體系的構(gòu)建及指標權(quán)重的確定主要以定性方法為主，缺乏客觀依據(jù)和科學(xué)方法，導(dǎo)致測度結(jié)果的隨意性較大和靈敏性較高(指標及其權(quán)重的微小攝動都可能導(dǎo)致測度結(jié)果的較大波動)。為此，需要在上述林業(yè)生態(tài)安全結(jié)構(gòu)模型和系統(tǒng)機理研究的基礎(chǔ)上，運用結(jié)構(gòu)化數(shù)量分析方法(如結(jié)構(gòu)方程模型等方法)構(gòu)建與優(yōu)化評價指標體系，并定量計算出指標權(quán)重。

3.5 針對預(yù)警判定的主觀性，研究林業(yè)生態(tài)安全度的客觀標準

現(xiàn)有生態(tài)安全的測度方法，要么難以確定生態(tài)安全標準(例如指標體系法、區(qū)域景觀格局分析、生態(tài)敏感性評價、生態(tài)服務(wù)功能評價等)，要么測度誤差較大(例如用誤差較大的生態(tài)足跡、能值或能值生態(tài)足跡的測度值與生態(tài)承載力直接比較)。為此，需要找到一種有助于客觀地確定林業(yè)生態(tài)安全閾值和底線，并有助于判定安全度等級和預(yù)警級別的科學(xué)方法，以克服生態(tài)安全預(yù)警判定中的主觀性，使林業(yè)生態(tài)安全的實際監(jiān)控和預(yù)警成為可能。

4 基于EIS的林業(yè)生態(tài)安全測度方法的技術(shù)路線

為了實現(xiàn)上述基于EIS的林業(yè)生態(tài)安全測度方法的基本構(gòu)想，通過原理設(shè)計，找到了攻克該測度方法主要關(guān)鍵問題的具體技術(shù)。

4.1 林業(yè)生態(tài)安全的FES-PSIR結(jié)構(gòu)模型的建立

運用系統(tǒng)分析方法，對林業(yè)生態(tài)安全所涉及的生態(tài)-產(chǎn)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)分析，并與國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于PSR、DSR、DPSIR、DPSEEA模型的研究成果進行對比分析。以上分析表明，針對林業(yè)生態(tài)安全(FES)問題，構(gòu)建壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(PSIR)結(jié)構(gòu)模型(簡稱FES-PSIR結(jié)構(gòu)模型)比較合適。FES-PSIR結(jié)構(gòu)模型中各子系統(tǒng)的構(gòu)成如下:①社會經(jīng)濟壓力(FES-P)子系統(tǒng)，包含社會經(jīng)濟和林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展對森林資源需求和對生態(tài)環(huán)境破壞等壓力;②資源與環(huán)境狀態(tài)(FES-S)子系統(tǒng)，包含森林資源總量、質(zhì)量、覆蓋率、分布、類型結(jié)構(gòu)以及溫室氣體濃度等狀態(tài);③生態(tài)影響(FES-I)子系統(tǒng)，包含森林生態(tài)系統(tǒng)健康與活力、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、森林調(diào)節(jié)力、森林災(zāi)害發(fā)生率、生物多樣性、水土流失、空氣質(zhì)量、氣候變暖等影響;④人類響應(yīng)(FES-R)子系統(tǒng)，包含人類改善生態(tài)狀態(tài)的投入、人工造林、林工一體化、循環(huán)經(jīng)濟、科技支撐、法律政策保障、生態(tài)文明意識、應(yīng)對危機機制等響應(yīng)。

4.2 林業(yè)生態(tài)安全評價指標體系的建立

為避免評價指標體系構(gòu)建的主觀性和隨意性，根據(jù)FES-PSIR結(jié)構(gòu)模型等理論依據(jù)，結(jié)構(gòu)化指標體系構(gòu)建方法的具體步驟和方法如下:①通過文獻檢索，收集和整理國內(nèi)外關(guān)于FES-P、FES-S、FES-I、FES-R各子系統(tǒng)所采用過的評價指標，通過聚類分析等方法篩選出與林業(yè)生態(tài)安全測度問題關(guān)聯(lián)度較大的指標;②通過實際調(diào)研、理論分析和專家咨詢等方法，形成初步評價指標體系;③根據(jù)下述結(jié)構(gòu)方程模型方法(簡稱SEM方法)對指標體系進行定量檢驗和修正。

4.3 林業(yè)生態(tài)安全測度的結(jié)構(gòu)方程模型的建立

收集我國林業(yè)生態(tài)安全相關(guān)數(shù)據(jù)，依據(jù)上述FES-PSIR結(jié)構(gòu)模型和初步評價指標體系，可以建立林業(yè)生態(tài)安全測度的結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)。具體步驟和方法如下:①根據(jù)上述FES-PSIR結(jié)構(gòu)模型的內(nèi)生和外生隱變量的因果關(guān)系，以及這些隱變量與評價指標體系中的顯變量的關(guān)聯(lián)，構(gòu)建林業(yè)生態(tài)安全的SEM理論模型;②建立描述顯變量與隱變量之間關(guān)系的SEM測量模型;③建立描述隱變量之間關(guān)系的SEM結(jié)構(gòu)模型;④收集數(shù)據(jù)，對SEM理論模型及其測量模型和結(jié)構(gòu)模型進行參數(shù)估計和模型檢驗;⑤通過修正SEM理論模型的路徑和指標來達到最優(yōu)擬合，得到更加貼近現(xiàn)實的SEM;⑥根據(jù)SEM，反過來修正FES-PSIR結(jié)構(gòu)模型和評價指標體系，同時SEM還將給出各指標的權(quán)重系數(shù)。

4.4 林業(yè)生態(tài)-產(chǎn)業(yè)共生關(guān)系的動態(tài)系統(tǒng)模型的建立

共生是兩個或多個不同種類的有機體存在緊密和長期相互作用和相互依存關(guān)系的共同生存現(xiàn)象。林業(yè)生態(tài)和產(chǎn)業(yè)構(gòu)成了典型的共生系統(tǒng)，它們之間的共生關(guān)系可以分為共生(互利共生和偏利共生)與非共生(弱單害、偏害、競爭、寄生、捕食)兩類［5］。這些關(guān)系不僅反映了林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)安全與否的現(xiàn)狀，還預(yù)示著未來的演變趨勢。也就是說，即使某區(qū)域林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀還沒有惡化，但如果生態(tài)與產(chǎn)業(yè)之間的關(guān)系屬于非共生的惡性循環(huán)關(guān)系，那么其生態(tài)系統(tǒng)也是不安全的。因此，考察林業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的安全性不能僅看生態(tài)系統(tǒng)本身，而且更要關(guān)注林業(yè)生態(tài)和產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)之間的共生關(guān)系。為此，首先要運用共生理論建立林業(yè)生態(tài)-產(chǎn)業(yè)共生關(guān)系的動態(tài)系統(tǒng)模型。

20世紀40年代，Lotka和Volterra對邏輯斯蒂模型進行拓展，構(gòu)建了兩物種種群的種間共生關(guān)系的微分方程動態(tài)系統(tǒng)模型(稱為Lotka-Volterra模型)，該模型對現(xiàn)代生態(tài)學(xué)理論與共生理論的發(fā)展產(chǎn)生了重大的影響。根據(jù)林業(yè)生態(tài)-產(chǎn)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)和生態(tài)安全問題的特點，對一般Lotka-Volterra模型進行改進，可以構(gòu)建描述林業(yè)生態(tài)-產(chǎn)業(yè)復(fù)合系統(tǒng)共生關(guān)系的動態(tài)系統(tǒng)模型(以下簡稱林業(yè)Lotka-Volterra模型)［28］:

式中，I(t)為產(chǎn)業(yè)水平指數(shù)，對應(yīng)于社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展子系統(tǒng)(包含社會經(jīng)濟壓力子系統(tǒng)和人類響應(yīng)子系統(tǒng))，由FES-P壓力和FES-R響應(yīng)指標體系通過模糊綜合評判方法計算得到，反映林業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展水平;C(t)為環(huán)境容量指數(shù)，對應(yīng)于資源環(huán)境狀態(tài)子系統(tǒng)，由FES-S狀態(tài)指標體系計算得到，反映林業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間和森林生態(tài)的改善基礎(chǔ);E(t)為生態(tài)水平指數(shù)，對應(yīng)于生態(tài)影響子系統(tǒng)，由FES-I影響指標體系計算得到，反映森林生態(tài)系統(tǒng)受到影響的程度;α(t)為林業(yè)生態(tài)對產(chǎn)業(yè)競爭系數(shù);β(t)為林業(yè)產(chǎn)業(yè)對生態(tài)競爭系數(shù);r1為林業(yè)產(chǎn)業(yè)水平增長率;r2為森林生態(tài)水平增長率;p為環(huán)境容量全部用于林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的環(huán)境貢獻系數(shù);q為環(huán)境容量全部用于森林生態(tài)發(fā)展的環(huán)境貢獻系數(shù)。

4.5 林業(yè)生態(tài)安全特征指數(shù)的計算

運用控制理論求解林業(yè)Lotka-Volterra模型的穩(wěn)定性條件，可以得到生態(tài)對產(chǎn)業(yè)競爭系數(shù)a(t)，以及產(chǎn)業(yè)對生態(tài)競爭系數(shù)b(t)。由此，可以構(gòu)造生態(tài)-產(chǎn)業(yè)共生度指數(shù)S(t)［28］:

可見，共生度是能夠有效測度生態(tài)安全并具有明確生態(tài)經(jīng)濟意義的特征指數(shù)，它通過生態(tài)與產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的共生關(guān)系反映了生態(tài)安全演變趨勢的性質(zhì)。但是僅僅靠共生度一個特征指數(shù)是不夠的，因為它不能反映生態(tài)與產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的發(fā)展水平，即不能反映這種生態(tài)安全性處于較低的水平還是較高的水平。為此，根據(jù)產(chǎn)業(yè)水平指數(shù)I(t)和生態(tài)水平指數(shù)E(t)，運用聚類分析方法可以得出另一個反映生態(tài)安全發(fā)展程度的輔助性特征指數(shù)——生態(tài)-產(chǎn)業(yè)成熟度M(t)，并將成熟度劃分為成熟和不成熟兩類。

4.6 林業(yè)生態(tài)安全度的劃分

根據(jù)以上2個特征指數(shù)，可以構(gòu)建圖3所示的林業(yè)生態(tài)安全度的雙特征判斷矩陣。圖3中，橫坐標為共生度S，屬于生態(tài)安全的性質(zhì)指數(shù);縱坐標為成熟度M，屬于生態(tài)安全的程度指數(shù)。在橫坐標上，根據(jù)生態(tài)安全閾值和底線，可將生態(tài)安全度劃分為3個區(qū)間:安全區(qū)(互利共生狀態(tài)，生態(tài)安全趨于健康)、不安全區(qū)(競爭、偏害、寄生、捕食狀態(tài)，生態(tài)安全趨于惡化)和轉(zhuǎn)折區(qū)(弱單害狀態(tài)，生態(tài)安全存在風(fēng)險)。在縱坐標上，可將上述3個生態(tài)安全區(qū)進一步劃分成6個安全度等級(健康、亞健康、風(fēng)險、高風(fēng)險、退化和惡化)和4個預(yù)警級別。

圖3 林業(yè)生態(tài)安全度的雙特征判斷矩陣Fig.3 The bicharacteristic judgment matrix of forestry ecological security degree

5 基于EIS的林業(yè)生態(tài)安全測度方法的整體框架

為使基于EIS的林業(yè)生態(tài)安全測度方法成為可操作的實用測度方法，還需要在上述研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建其整體的運作框架，包括該方法整體的目標-手段樹和技術(shù)路線。

5.1 目標-手段樹

根據(jù)以上的基本構(gòu)想和關(guān)鍵技術(shù)，運用目標-手段鏈工具得出圖4所示的目標-手段樹。圖4的最高層是該測度方法的總體目標，第二層是實現(xiàn)總體目標的兩個方面的手段，第三層是將第二層的手段作為目標而應(yīng)采取的進一步的手段……如此下去，最后一層是實現(xiàn)總體目標的可操作的具體手段。

圖4 基于EIS的林業(yè)生態(tài)安全測度方法的目標-手段樹Fig.4 The means-ends tree of measure methodology for forestry ecological security based on ecology-industry symbiosis

5.2 技術(shù)路線

圖4從目標與手段的層層遞進關(guān)系上構(gòu)建了基于EIS的林業(yè)生態(tài)安全測度方法完整的邏輯思路。在此基礎(chǔ)上，還需要描述各項手段之間的“操作流程”。根據(jù)該測度方法的基本原理，設(shè)計出圖5所示的技術(shù)路線。由圖5可見，林業(yè)生態(tài)安全測度研究的主要步驟如下:首先進行林業(yè)生態(tài)安全測度的理論與模型研究;據(jù)此構(gòu)建社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展子系統(tǒng)、資源環(huán)境狀態(tài)子系統(tǒng)和生態(tài)影響子系統(tǒng)的壓力、狀態(tài)、影響、響應(yīng)指標體系;為實現(xiàn)指標體系和特征指數(shù)的銜接，通過計算各子系統(tǒng)所對應(yīng)的產(chǎn)業(yè)水平指數(shù)、環(huán)境容量指數(shù)和生態(tài)水平指數(shù)，構(gòu)建林業(yè)Lotka-Volterra模型;通過生態(tài)-產(chǎn)業(yè)共生度和成熟度特征指數(shù)，建立林業(yè)生態(tài)安全度的雙特征判斷矩陣;對我國林業(yè)生態(tài)安全的時間演化和空間格局進行實證測度研究，判定各種情況下的生態(tài)安全度和預(yù)警級別(若出現(xiàn)不合理結(jié)果，需反饋修正);分析我國林業(yè)生態(tài)安全的問題，并通過追溯單項指標的方法，分析其原因;依此構(gòu)建多維林業(yè)生態(tài)安全戰(zhàn)略體系。

其中，多維林業(yè)生態(tài)安全戰(zhàn)略體系由以下幾個維度構(gòu)成:①林業(yè)生態(tài)安全的營建體系，包括生態(tài)公益林和防護林體系、綠色共生型林業(yè)產(chǎn)業(yè)體系等;②林業(yè)生態(tài)安全的測度與決策體系，包括林業(yè)生態(tài)安全的監(jiān)測體系、評價與分析體系、預(yù)警與決策體系等;③林業(yè)生態(tài)安全的防控體系，包括林業(yè)生態(tài)安全的行政監(jiān)管體系、維護與控制體系、應(yīng)急處理體系等;④林業(yè)生態(tài)安全的支撐體系，包括林業(yè)生態(tài)安全的技術(shù)支持體系、信息系統(tǒng)、政策法律保障體系、林業(yè)生態(tài)文明支撐體系(包括公眾參與、媒體宣傳和監(jiān)督等)、林業(yè)生態(tài)補償體系等。

6 結(jié)語

(1)FES-PSIR結(jié)構(gòu)模型、SEM和指標體系的集成優(yōu)勢

林業(yè)生態(tài)安全測度的指標體系法雖能克服特征指數(shù)法的一些缺點，但存在理論依據(jù)不足、指標權(quán)重主觀性大等問題。在本文的測度方法中，通過對一般生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型進行改進，構(gòu)建林業(yè)生態(tài)安全的壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)FES-PSIR結(jié)構(gòu)模型，并與結(jié)構(gòu)方程模型SEM和評價指標體系進行綜合與集成，能夠取得以下成效:①FES-PSIR結(jié)構(gòu)模型為指標體系和SEM的構(gòu)建提供了理論依據(jù)和邏輯框架;②SEM反過來又為FES-PSIR結(jié)構(gòu)模型和指標體系的檢驗和完善，以及指標權(quán)重的確定，提供客觀的定量分析方法;③以上方法再與聚類分析、理論分析、實際調(diào)研和專家咨詢等方法相結(jié)合，形成了結(jié)構(gòu)化的指標體系構(gòu)建方法，最大限度地降低了主觀隨意性。

圖5 基于EIS的林業(yè)生態(tài)安全測度方法的技術(shù)路線Fig.5 The technology roadmap of measure methodology for forestry ecological security based on ecology-industry symbiosis

(2)結(jié)構(gòu)化指標體系和特征指數(shù)的集成優(yōu)勢

特征指數(shù)法雖能克服指標體系法的一些缺點，但是它以測度難度大、誤差大、喪失原始指標涵義，來換取指標值的可加性，可謂“得不償失”。為保留這兩類方法的優(yōu)點，克服其缺陷，本文方法對指標體系和特征指數(shù)進行綜合與集成，能夠取得以下成效:①林業(yè)Lotka-Volterra模型的3個基本指數(shù)(產(chǎn)業(yè)水平指數(shù)I、環(huán)境容量指數(shù)C、生態(tài)水平指數(shù)E)能夠與結(jié)構(gòu)化指標體系實現(xiàn)合理對接，從而為指標體系與特征指數(shù)的銜接與集成，掃清了關(guān)鍵障礙;②測度數(shù)據(jù)直接來自各指標實際值，無需換算成面積、貨幣或能量等量值，使測度結(jié)果比較準確;③一方面共生度和成熟度特征指數(shù)的綜合性較強且具有明確的生態(tài)經(jīng)濟意義，另一方面又便于追溯到各單項指標的原始值，有利于分析產(chǎn)生生態(tài)安全問題的原因，便于制定具體有效的管理措施。

(3)共生度和成熟度雙特征判斷矩陣的集成優(yōu)勢林業(yè)生態(tài)安全測度需要克服“就生態(tài)論生態(tài)”、特征指標種類繁多而片面等缺陷。本文方法從林業(yè)生態(tài)與產(chǎn)業(yè)共生關(guān)系的視角，通過評價指標體系得到生態(tài)-產(chǎn)業(yè)共生度和成熟度2個綜合性較強的特征指數(shù)，并由此構(gòu)建林業(yè)生態(tài)安全度的雙特征判斷矩陣，能夠取得以下成效:①共生度和成熟度2個特征指數(shù)分別通過生態(tài)-產(chǎn)業(yè)的共生關(guān)系和可持續(xù)發(fā)展水平，體現(xiàn)林業(yè)生態(tài)安全變化趨勢的性質(zhì)及其程度，便于管理者和公眾更加完整地理解和運用林業(yè)生態(tài)安全的測度結(jié)果;②經(jīng)過成熟度細化的共生度指數(shù)能夠更好地反映林業(yè)生態(tài)安全狀態(tài)的動因，有利于克服測度的滯后性，達到預(yù)警的目的;③根據(jù)林業(yè)生態(tài)安全動態(tài)系統(tǒng)模型的穩(wěn)定性條件和共生理論，可以科學(xué)地確定林業(yè)生態(tài)安全的閾值和底線;④再參照成熟度，可將林業(yè)生態(tài)安全度分為3個安全區(qū)間、6個安全等級和4個預(yù)警級別，便于林業(yè)生態(tài)安全的監(jiān)控和管理。

［1］Huang L L，Mi F，Sun F J.Preliminary study on the evaluation of forest ecosystem ecological security.Forestry Economics，2009，(12):64-68.

［2］Li S Z，Yu Y L.Preliminary study on forestry ecological security.Energy Saving and Environmental Protection in Traffic，2008，(1):1-3.

［3］Kullenberg G.Regional co-development and security:a comprehensive approach.Ocean and Coastal Management，2002，45(11/12):761-776.

［4］Falkenmark M.Human livelihood security versus ecological security—An ecohydrological perspective//Proceedings of SIWI Seminar，Balancing Human Security and Ecological Security Interests in a Catchment-Towards Upstream/Downstream Hydrosolidarity.Stockholm:Stockholm International Water Institute，2002:29-36.

［5］Zhang Z G.Research on the mode of forestry green supply chain for mutualism between industry and ecology.Journal of Nanjing Forestry University:Natural Science Edition，2012，36(2):3-10.

［6］Stone C，Old K，Kite G，Coopst N.Forest health monitoring in australia:national and regional commitments and operational realities.Ecosystem Health，2001，7(1):48-57.

［7］Allen E.Forest health assessment in Canada.Ecosystem Health，2001，7(1):28-34.

［8］Woodall C W，Morin R S，Steinman J R，Perry C H.Comparing evaluations of forest health based on aerial surveys and field inventories:Oak forests in the Northern United States.Ecological Indicators，2010，10(3):713-718.

［9］Bentley T A，Parker R J，Ashby L，Moore D J，Tappin D C.The role of the New Zealand forest industry injury surveillance system in a strategic ergonomics，safety and health research programme.Applied Ergonomics，2002，33(5):395-403.

［10］Tkacz B，Moody B，Castillo J V，F(xiàn)enn M E.Forest health conditions in North America.Environmental Pollution，2008，155(3):409-425.

［11］Hong W，Yan S J，Wu C Z.Ecological security and ecological effect of forest ecosystem in Fujian Province.Journal of Fujian Agricultural and Forestry University:Natural Science Edition，2003，32(1):79-83.

［12］Fang Y，Wang S J.Establishment of ecological security assessment system:a case study of forest ecosystems in Shandong Province.Journal of Northeast Forestry University，2007，35(11):77-82.

［13］Wolfslehner B，Vacik H.Evaluating sustainable forest management strategies with the analytic network process in a pressure-state-response framework.Journal of Environmental Management，2008，88(1):1-10.

［14］Spangenberg J H，Martinez-Alier J，Omann I，Omann Ines，Monterroso I，Binimelis R.The DPSIR scheme for analysing biodiversity loss and developing preservation strategies.Ecological Economics，2009，69(1):9-11.

［15］Waheed B，Khan F，Veitch B.Linkage-based frameworks for sustainability assessment:making a case for driving force-pressure-state-exposureeffect-action(DPSEEA)Frameworks.Sustainability，2009，1(3):441-463.

［16］Bai X R，Tang J C.Ecological security assessment of Tianjin by PSR model.Procedia Environmental Sciences，2010，2:881-887.

［17］Chen Z Z，Huang G N.A dynamic assessment of forest ecological security on region-scale in application of PSR model and analytic hierarchy process.Tropical Forestry，2010，38(3):42-45.

［18］Huang Q，Wang R，Ren Z，Li J，Zhang H Z.Regional ecological security assessment based on long periods of ecological footprint analysis.Resources，Conservation and Recycling，2007，51(1):24-41.

［19］Ouyang Z Y，Huang B R，Zheng H.Evaluation methods of regional ecological environment quality.［2006-05-11］.http://wenku.baidu.com/view/d48e9f40be1e650e52ea9988.html.

［20］Jiang M M，Zhou J B，Chen B，Yang Z F，Ji X，Zhang L X，Chen G Q.Ecological evaluation of Beijing economy based on emergy indices.Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation，2009，14(5):2482-2494.

［21］Siche R，Pereira L，Agostinho F，Ortega E.Convergence of ecological footprint and emergy analysis as a sustainability indicator of countries:Peru as case study.Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation，2010，15(10):3182-3192.

［22］Styers D M，Chappelka A H，Marzen L J，Somers G L.Developing a land-cover classification to select indicators of forest ecosystem health in a rapidly urbanizing landscape.Landscape and Urban Planning，2010，94(3/4):158-165.

［23］Zhang Z L，Liu S L，Dong S K.Ecological security assessment of Yuan River watershed based on landscape pattern and soil erosion.Procedia Environmental Sciences，2010，2:613-618.

［24］Li Z X，Xu L Y.Evaluation indicators for urban ecological security based on ecological network analysis.Procedia Environmental Sciences，2010，2:1393-1399.

［25］Falkenmark M.Human security versus ecological security——Compatible or non-compatible goals?//Proceedings of SIWI Seminar，Balancing Human Security and Ecological Security Interests in a Catchment-Towards Upstream/Downstream Hydrosolidarity.Stockholm:Stockholm International Water Institute，2002:6-13，11-11.

［26］Schaeffer D J，Cox D K.Establishing ecosystem threshold criteria//Costanza R，Norton B G，Haskell B D，eds.Ecosystem Health:New Goals for Environmental Management.Washington DC:Island Press，1992:157-169.

［27］Zou C M，Hu X D，Zhang Y L，Xue L L，Anjum S A，Wang L C.Study on ecological safety under high temperature and summer drought based on energy ecological footprint model— A case study in Jiangjin District of Chongqing.Agricultural Research in the Arid Areas，2010，28(6):201-205，216-216.

［28］Zhang Z G.Green China(Ⅱ):Mode of Green Symbiosis Supply Chain.Beijing:China Environmental Science Press，2011.

參考文獻:

［1］黃莉莉，米鋒，孫豐軍.森林生態(tài)安全評價初探.林業(yè)經(jīng)濟，2009，(12):64-68.

［2］李雙作，于亞玲.林業(yè)生態(tài)安全評價初探.交通節(jié)能與環(huán)保，2008，(1):1-3.

［5］張智光.實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)與生態(tài)互利共生的林業(yè)綠色供應(yīng)鏈模式研究.南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，36(2):3-10.

［11］洪偉，閆淑君，吳承禎.福建森林生態(tài)系統(tǒng)安全和生態(tài)響應(yīng).福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2003，32(1):79-83.

［12］房用，王淑軍.生態(tài)安全評價指標體系的建立——以山東省森林生態(tài)系統(tǒng)為例.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，35(11):77-82.

［17］陳宗鑄，黃國寧.基于PSR模型與層次分析法的區(qū)域森林生態(tài)安全動態(tài)評價.熱帶林業(yè)，2010，38(3):42-45.

［19］歐陽志云，黃寶榮，鄭華.區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量評價方法.［2006-05-11］.http://wenku.baidu.com/view/d48e9f40be1e650e52ea9988.html.

［27］鄒聰明，胡小東，張云蘭，薛蘭蘭，Anjum S A，王龍昌.基于能值生態(tài)足跡模型的高溫伏旱區(qū)生態(tài)安全研究——以重慶市江津區(qū)為例.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2010，28(6):201-205，216-216.

［28］張智光.綠色中國(第二卷):綠色共生型供應(yīng)鏈模式.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.