王金龍, 楊 伶 , 李亞云, 張大紅

1 北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 北京 100083 2 中南林業(yè)科技大學(xué)涉外學(xué)院, 長沙 410004

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中國縣域森林生態(tài)安全指數(shù)
——基于5省15個試點(diǎn)縣的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

王金龍1,2, 楊 伶1,2, 李亞云1, 張大紅1,*

1 北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 北京 100083 2 中南林業(yè)科技大學(xué)涉外學(xué)院, 長沙 410004

生態(tài)安全與國防安全、經(jīng)濟(jì)安全、金融安全等已具有同等重要的戰(zhàn)略地位,并成為未來社會經(jīng)濟(jì)安全的主要約束。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,其安全程度將影響地球的生態(tài)平衡,并決定人類社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和未來資源的永續(xù)利用。基于森林生態(tài)系統(tǒng)與人類社會系統(tǒng)交互的內(nèi)在機(jī)理,從森林生態(tài)的自身狀態(tài)(生態(tài)狀態(tài)指數(shù)ECI)與人類活動產(chǎn)生的壓力(生態(tài)壓力指數(shù)EPI)兩個視角全面考量森林生態(tài)系統(tǒng)的安全程度,在此基礎(chǔ)上提出森林生態(tài)安全狀態(tài)—壓力框架模型,最終設(shè)計了森林生態(tài)安全指數(shù)(ESI)的方法體系。為驗(yàn)證森林生態(tài)安全指數(shù)理論,本研究選取了5省15個縣為森林生態(tài)安全評價試點(diǎn)縣域,對其1999—2013年森林生態(tài)安全狀況進(jìn)行評價,以期為縣域森林生態(tài)安全評價以及在空間和時間維度上的對比研究提供幫助。

森林生態(tài)安全；森林生態(tài)安全指數(shù)；狀態(tài)-壓力模型；指標(biāo)體系

20世紀(jì)后半葉以來,隨著世界人口劇增和經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,全球變暖、臭氧層破壞、大氣污染與酸雨、森林資源退化、生物多樣性喪失等全球規(guī)模的環(huán)境問題越來越嚴(yán)重[1]。在全球氣候變化和人類活動的雙重作用下,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的下降和退化,將引起人類生存環(huán)境無可挽回的逆轉(zhuǎn)[2]。生態(tài)安全已經(jīng)引起社會的普遍關(guān)注[3- 4],并成為生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和地理學(xué)等相關(guān)學(xué)科的研究熱點(diǎn)之一。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,在調(diào)控全球氣候變化和碳循環(huán)方面起著重要作用[5],占陸地總面積30%的森林[6]其土壤碳儲量和森林植被分別約占陸地生態(tài)系統(tǒng)的57%[7]和77%[8]。由于森林生態(tài)系統(tǒng)相對脆弱,易受自然和人類的干擾[9],使得森林遭破壞、資源過度利用、森林生物量銳減等現(xiàn)象頻發(fā),從而嚴(yán)重影響森林生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展和自然生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)[10]。因此,森林生態(tài)系統(tǒng)的特性和森林生態(tài)問題的突顯決定了森林生態(tài)安全在生態(tài)安全中處于首要和核心地位。

目前,國內(nèi)外森林生態(tài)安全領(lǐng)域的研究主要集中于森林生態(tài)系統(tǒng)自身的健康性研究、生態(tài)安全與其他熱點(diǎn)問題的相關(guān)研究及生態(tài)安全評價研究。森林生態(tài)健康研究主要源于森林衰退現(xiàn)象(如不正常脫葉,冠層稀疏等)、自然災(zāi)害、森林火災(zāi)和病蟲害等造成的損失加劇等問題[11- 12],被寄希望于作為有效管理森林資源的方式和恢復(fù)退化森林生態(tài)系統(tǒng)的措施所在。但森林生態(tài)健康研究著眼于系統(tǒng)自身的狀況[13- 14],適用于林分尺度的微觀研究；而森林生態(tài)安全評價將自然、經(jīng)濟(jì)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[15],著眼于區(qū)域尺度的宏觀研究。國內(nèi)外學(xué)者在森林生態(tài)安全指標(biāo)體系方面進(jìn)行了大量的研究探討,目前有代表性的主要有PSR[16- 17]、DSR和DPSIR[18- 19]等框架模型,其中基于PSR模型的森林生態(tài)安全評價研究居多[20- 21]；安全評價研究則主要是在建立指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上,運(yùn)用模型進(jìn)行測度、評價和分析[22]。已有森林生態(tài)安全評價的研究主要集中于指標(biāo)體系構(gòu)建,研究范圍主要集中在某一特定區(qū)域[23- 24],時間維度較短,使得森林生態(tài)安全評價無法在空間和時間維度上進(jìn)行對比分析。本文在研究森林生態(tài)系統(tǒng)與人類社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的內(nèi)在機(jī)理的基礎(chǔ)上,全面揭示森林生態(tài)安全的內(nèi)涵構(gòu)成,并據(jù)此設(shè)計森林生態(tài)安全指數(shù)(ESI),對我國5省15縣1999 —2013年的森林生態(tài)安全進(jìn)行分析。

1 森林生態(tài)安全指數(shù)(ESI)的設(shè)計思路

迄今為止,學(xué)術(shù)界對生態(tài)安全的基本定義仍存在爭議[25],歸納相關(guān)研究成果可大體分為狹義和廣義兩種理解。狹義森林生態(tài)安全是指在整個生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部協(xié)調(diào)發(fā)展的前提下,森林生態(tài)系統(tǒng)自身的安全,即森林生態(tài)系統(tǒng)自身的健康、完整和可持續(xù)性[26]。廣義森林生態(tài)安全是指在一定的時空范圍內(nèi),森林生態(tài)系統(tǒng)在維持其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能完整的前提下,森林生態(tài)系統(tǒng)提供的生態(tài)服務(wù)能滿足人類生存和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)利用,使人類生存不受威脅的一種狀態(tài)[27]。

在目前的森林生態(tài)安全界定中,即使是廣義森林生態(tài)安全,也只考慮了森林生態(tài)系統(tǒng)為人類提供生態(tài)服務(wù)的安全性,而沒有考慮人類經(jīng)濟(jì)活動對森林生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成威脅的反向安全性[28]。同時,人類為維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)安全所作出的努力也應(yīng)納入生態(tài)安全的范疇。因此,應(yīng)從森林生態(tài)系統(tǒng)與人類社會系統(tǒng)交互的內(nèi)在機(jī)理出發(fā),全面考量森林生態(tài)安全的內(nèi)涵。森林生態(tài)系統(tǒng)與人類社會系統(tǒng)交互的內(nèi)在機(jī)理(圖1)可概括為以下3個方面：(1)森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和過程(能量流動、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞)決定森林生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能[29],根據(jù)人類社會對森林生態(tài)系統(tǒng)資源的需求,森林資源以物質(zhì)或非物質(zhì)的形式進(jìn)入人類社會系統(tǒng)(圖1中Profit箭頭所示),為人類的生存提供各種服務(wù)。(2)急速增長的社會需求和高強(qiáng)度的人類活動使得森林生態(tài)系統(tǒng)所承載的壓力不斷增加(圖1中黑色Effect箭頭所示),導(dǎo)致森林生態(tài)系統(tǒng)資源的數(shù)量或結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。(3)為緩解森林生態(tài)系統(tǒng)所承載的壓力,政府相關(guān)部門通過政策和行動來管理和保護(hù)森林資源(圖1中綠色Effect箭頭所示),如治理環(huán)境、保護(hù)森林等,但其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于森林生態(tài)系統(tǒng)所承載的壓力。

圖1 森林生態(tài)系統(tǒng)與人類社會系統(tǒng)交互的內(nèi)在機(jī)理Fig.1 The internal mechanism of interaction between forest ecosystem and human social system

依據(jù)森林生態(tài)安全與人類社會系統(tǒng)交互的內(nèi)在機(jī)理,構(gòu)建ESI-PS框架模型,其構(gòu)成如下：(1)森林生態(tài)安全狀態(tài)子系統(tǒng),從森林生態(tài)系統(tǒng)向社會系統(tǒng)提供的資源和服務(wù)功能角度出發(fā),來評價森林生態(tài)系統(tǒng)的自身安全狀態(tài)。(2)森林生態(tài)安全壓力子系統(tǒng),從人類活動對森林生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力角度出發(fā),來評價森林生態(tài)系統(tǒng)所承載的壓力,由于人類維護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)也屬于人類活動的范疇,可將人類管理和保護(hù)森林生態(tài)系統(tǒng)的各種行為視作壓力的反向指標(biāo),納入壓力范疇。

綜上所述,為全面評價中國縣域森林生態(tài)安全,本研究基于ESI-PS框架模型,構(gòu)建森林生態(tài)安全指數(shù)評價體系,其中總指數(shù)為森林生態(tài)安全指數(shù)(ESI),主要評價森林生態(tài)系統(tǒng)自身狀況和所承載壓力的綜合安全表現(xiàn)。其內(nèi)容主要包括兩部分：一是森林生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)(ECI),主要評價森林生態(tài)系統(tǒng)自身的安全狀況；二是森林生態(tài)安全壓力指數(shù)(EPI),主要評價森林生態(tài)系統(tǒng)所承載的壓力及人類的維護(hù)行為。

2 研究方法

2.1 森林生態(tài)安全指數(shù)(ESI)的評價指標(biāo)體系

本文借鑒聯(lián)合國經(jīng)濟(jì)合作開發(fā)署與經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織(OECD)倡導(dǎo)的PSR模型,并將響應(yīng)(人類社會維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)安全的活動)作為逆指標(biāo)納入壓力范疇,進(jìn)行森林生態(tài)安全評價指標(biāo)的構(gòu)建。具體步驟和方法如下：首先采取頻度分析法,通過文獻(xiàn)檢索,對森林生態(tài)安全狀態(tài)子系統(tǒng)和壓力子系統(tǒng)相關(guān)的生態(tài)安全評價指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析,初步選擇那些在文獻(xiàn)中出現(xiàn)頻度較高的指標(biāo)；其次采用問卷形式進(jìn)行專家咨詢,征詢林業(yè)經(jīng)濟(jì)、林學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域多名專家；最后綜合專家意見和縣域生態(tài)安全(林業(yè))評價的特征,得到縣域森林生態(tài)安全指標(biāo)體系,如表1所示。

(1)森林生態(tài)安全狀態(tài)指標(biāo)

森林資源是評價森林生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)最直接的指標(biāo),森林面積、蓄積及其結(jié)構(gòu)對森林生態(tài)系統(tǒng)中的生物多樣性、種群大小和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)都有重要的意義。物種-面積關(guān)系描述的是物種數(shù)量隨生境面積增加而變化的規(guī)律,是群落生態(tài)學(xué)研究的一個基本問題,被認(rèn)為是生態(tài)學(xué)中少有的幾個真正的定理之一[30]。森林蓄積反映林分生產(chǎn)力,與林木的林齡、種類組成和其他生物學(xué)特征密切相關(guān)[31]。生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜性研究內(nèi)容涉及生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)不同層次上的結(jié)構(gòu)和功能,是生態(tài)系統(tǒng)作為復(fù)雜自組織適應(yīng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和必要條件,脫離了復(fù)雜性,生態(tài)系統(tǒng)將成為單一的非自適應(yīng)性系統(tǒng)[32]。為使得各指標(biāo)在各縣域之間具有可比性,本研究選取森林覆蓋率和森林單位面積蓄積量作為森林資源量指標(biāo),選取鄉(xiāng)土樹種比重、天然林比重和異齡林比重作為森林生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜性指標(biāo)。

生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)產(chǎn)生于生態(tài)系統(tǒng)的組分、過程和功能及它們之間的相互作用[29],高效生態(tài)服務(wù)的產(chǎn)出必須具備穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)作為基礎(chǔ)。穩(wěn)定性是生態(tài)系統(tǒng)安全的重要特征,表現(xiàn)為對外界干擾或者系統(tǒng)內(nèi)部擾動的抗性與自我恢復(fù)能力,本研究主要選取森林火災(zāi)受災(zāi)率和森林病蟲害受災(zāi)率等災(zāi)害指標(biāo)來描述森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表1 森林生態(tài)安全指標(biāo)體系

正指標(biāo)為單項(xiàng)指標(biāo)與森林生態(tài)安全呈正向關(guān)系；逆指標(biāo)為單項(xiàng)指標(biāo)與森林生態(tài)安全成反向關(guān)系

(2)森林生態(tài)安全壓力指標(biāo)

生態(tài)系統(tǒng)是人類控制之下為人類提供生命支持的一個最有效的利用自然資源的系統(tǒng),當(dāng)前人類對生態(tài)系統(tǒng)的利用強(qiáng)度是50a前的3.5倍,超過承載力的20%[33]。人類活動驅(qū)動下森林生態(tài)系統(tǒng)格局以及對自然資源消耗強(qiáng)度、頻度的增加,對森林生態(tài)系統(tǒng)的變化產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,已影響到生物圈的生命承載力。人類對自然界的活動具有較強(qiáng)的主動性,其驅(qū)動機(jī)制與區(qū)域的人口水平、經(jīng)濟(jì)水平、自然條件等因素緊密相關(guān)[34],產(chǎn)生了一系列資源消耗和環(huán)境污染等問題,使得森林生態(tài)系統(tǒng)承載的壓力增大。而人類活動的維護(hù)行為體現(xiàn)了人類保護(hù)自然,尊重自然的理念,一定程度上能緩解森林生態(tài)系統(tǒng)承載的壓力。本研究主要選取壓力驅(qū)動、資源消耗、環(huán)境污染和資源維護(hù)作為森林生態(tài)安全壓力指標(biāo)。

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定方法

在森林生態(tài)安全指數(shù)計算過程中,各指標(biāo)要素權(quán)重的確定是事關(guān)森林生態(tài)安全評價成效的關(guān)鍵。指標(biāo)權(quán)重的確定有基于功能驅(qū)動的賦權(quán)法(如層次分析法)和基于差異驅(qū)動的賦權(quán)法(如熵權(quán)法)[35]。為了得到能同時體現(xiàn)主客觀信息的權(quán)重,本研究首先分別采用熵權(quán)法和層次分析法確定指標(biāo)初始權(quán)重,之后用組合賦權(quán)法進(jìn)行綜合得到指標(biāo)的最終權(quán)重。

(1)基于熵權(quán)法的權(quán)重確定方法

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)法。在信息論中,熵是系統(tǒng)無序程度的度量,它還可以度量數(shù)據(jù)所提供的有效信息量[36]。用熵權(quán)法來確定指標(biāo)的權(quán)重時,數(shù)據(jù)序列變化較小的指標(biāo),熵值較大,說明該指標(biāo)提供的信息量較小,其權(quán)重較??；反之,數(shù)據(jù)序列變化較大的指標(biāo),熵值較小,說明該指標(biāo)提供的信息量較大,其權(quán)重較大。

第一步,定義熵。設(shè)在一個評價系統(tǒng)中,有m個評價對象和n項(xiàng)指標(biāo),Zij為第i個評價對象(試點(diǎn)縣域)在第j項(xiàng)指標(biāo)上標(biāo)準(zhǔn)化后的觀測值。第j個指標(biāo)的熵定義為：

(1)

第二步,定義熵權(quán)。第j個指標(biāo)的熵權(quán)定義為：

(2)

(2)基于層次分析法的權(quán)重確定方法

層次分析法是由美國數(shù)學(xué)家薩蒂(T. L.Satty)于20世紀(jì)70年代提出的一種實(shí)用多目標(biāo)決策分析方法。其基本思路是：

第一步,根據(jù)ESI評價指標(biāo)體系建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型。

第二步,建立權(quán)重判斷矩陣。為了保證權(quán)重獲取的客觀性,本研究根據(jù)Saaty的1—9標(biāo)度法慎重選擇多位專家對本研究的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行賦值打分[37]。在各層次指標(biāo)的因子的隸屬度確定后,在各層因子中兩兩進(jìn)行比較,構(gòu)造出比較判斷矩陣：

式中,Bj為當(dāng)前層的評價指標(biāo),bij為Bj相對于Bj的重要度。

第三步,計算單準(zhǔn)則條件下指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。運(yùn)用特征根法計算第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù),并將其歸一化得到某一層次中相應(yīng)指標(biāo)對上一層某個指標(biāo)的權(quán)重。其計算公式如下：

(3)

第四步,進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。為保證所得權(quán)重的正確性和合理性,在計算權(quán)重后應(yīng)對每個判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),沒有通過檢驗(yàn)的矩陣應(yīng)反饋給專家對指標(biāo)評分進(jìn)行適當(dāng)修改。

(3)組合權(quán)重的確定方法

本研究組合權(quán)重采用“乘法”集成法：

(4)

式中,pj、qj分別為熵權(quán)法和層次分析法計算得到的指標(biāo)j的權(quán)重,wj為組合權(quán)重。

2.3 森林生態(tài)安全評價方法

本研究采用綜合評價法(構(gòu)建森林生態(tài)安全指數(shù))來評價5省15試點(diǎn)縣的森林生態(tài)安全,森林生態(tài)安全指數(shù)(ESI)主要由森林生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)(ECI)和壓力指數(shù)(EPI)綜合而成。由此,運(yùn)用幾何平均法,ESI的計算公式如下：

(5)

3 森林生態(tài)安全指數(shù)試點(diǎn)研究

3.1 數(shù)據(jù)來源及處理

3.1.1 試點(diǎn)縣的選取與數(shù)據(jù)的來源

基于中國森林生態(tài)系統(tǒng)空間分布格局圖和中國生態(tài)功能區(qū)劃綜合方案圖,并結(jié)合各縣(市、區(qū))相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)部門的管理協(xié)調(diào)能力與科學(xué)研究水平,本研究選取既具有重要生態(tài)服務(wù)功能,又具有較強(qiáng)管理能力和較高科研水平的縣(市、區(qū)),作為森林生態(tài)安全指數(shù)評價的試點(diǎn)區(qū)域。本研究選取5個省的15個試點(diǎn)縣分別為：吉林省長嶺縣、柳河縣和長白縣；浙江省淳安縣、遂昌縣和三門縣；湖北省羅田縣、京山縣和公安縣；貴州省修文縣、黎平縣和安龍縣；青海省樂都縣、都蘭縣和剛察縣,基本涵蓋中國東北地區(qū)、東南沿海地區(qū)、中部偏南地區(qū)、云貴高原地區(qū)、西北地區(qū),形成圈狀分布。

本文依據(jù)森林生態(tài)系統(tǒng)與人類社會系統(tǒng)交互的內(nèi)在機(jī)理和國內(nèi)外相關(guān)的生態(tài)安全評價方法,構(gòu)建的森林生態(tài)安全指數(shù)(ESI),并對所選取的試點(diǎn)縣域進(jìn)行森林生態(tài)安全評價。所有數(shù)據(jù)主要來源于《中國林業(yè)生態(tài)安全指數(shù)研究》課題組試點(diǎn)研究階段,數(shù)據(jù)收集過程主要包括：

(1)通過整理指標(biāo)確定原始數(shù)據(jù)指標(biāo),所需數(shù)據(jù)內(nèi)容涉及林業(yè)局、統(tǒng)計局、環(huán)保局、氣象局、國土局等多個部門,明確各個數(shù)據(jù)的來源部門,于2014年10月發(fā)給各試點(diǎn)縣林業(yè)主管部門進(jìn)行為期兩周的數(shù)據(jù)收集。數(shù)據(jù)主要來源于我國歷次森林資源清查、各試點(diǎn)縣域統(tǒng)計年鑒及林業(yè)局、環(huán)保局、氣象局和國土局等部門的工作年報等。

(2)針對前期反饋的數(shù)據(jù)情況,課題組于2014年11—12月對5省15試點(diǎn)縣進(jìn)行林業(yè)生態(tài)安全調(diào)研,走訪林業(yè)局、統(tǒng)計局、環(huán)保局等相關(guān)部門。一方面對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí),確保其準(zhǔn)確無誤,另一方面針對缺失數(shù)據(jù),進(jìn)行逐一收集,如：鄉(xiāng)土樹種林分面積、異齡林林分面積、和林業(yè)投資額等原始指標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.1.2 原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣

通過對5省15試點(diǎn)縣的1999年—2013年數(shù)據(jù)資料的整理,計算出ESI評價指標(biāo)體系(如表1所示)中的各項(xiàng)指標(biāo)。設(shè)ESI評價體系有m個待評價對象(本文中m= 255),指標(biāo)體系包含n項(xiàng)指標(biāo)(本文中n= 14),由試點(diǎn)縣域數(shù)據(jù)可以得到一個m×n階的原始指標(biāo)數(shù)據(jù)矩陣：

3.1.3 指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

對于森林的狀態(tài)(壓力)指標(biāo)數(shù)據(jù),為了消除指標(biāo)數(shù)據(jù)量綱的影響,用功效系數(shù)對所有指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理。對于第j項(xiàng)指標(biāo)的m個樣本數(shù)據(jù)Xij(i=1,2,…,m),功效系數(shù)的計算公式為：

(6)

式中,Xh和Xs分別為各項(xiàng)指標(biāo)的滿意值和不允許值。本研究中,對狀態(tài)指標(biāo)中的正指標(biāo),滿意值是最大值,不允許值是最小值；而逆指標(biāo)則相反。對于壓力指標(biāo)中的正指標(biāo),滿意值是最小值,不允許值是最大值；而逆指標(biāo)則相反。這樣得到的功效系數(shù)的取值范圍是： 0≤Xij≤1。

3.2 指標(biāo)權(quán)重的賦值

本研究采用組合權(quán)重賦權(quán)法對各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行賦值。首先,為剔除某些極端數(shù)據(jù)的影響,本研究選取5省15試點(diǎn)縣標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)數(shù)據(jù)的歷年(1999—2013年)平均值作為熵權(quán)法的計算數(shù)據(jù),根據(jù)上述計算步驟分別得到各項(xiàng)指標(biāo)的熵值及熵權(quán)(如表2中的ej和pj)。其次,本研究利用層次分析法軟件yaahp0.5.3,根據(jù)森林生態(tài)安全指數(shù)的評價指標(biāo)建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型,確定各層次指標(biāo)的因子的隸屬度,進(jìn)行兩兩比較并構(gòu)造出比較判斷矩陣,并通過數(shù)學(xué)運(yùn)算可計算出最低層相對于最高總目標(biāo)相對優(yōu)劣的排序權(quán)值,與此同時進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。鑒于本文篇幅所限,對層次分析法的計算過程不一一羅列,其結(jié)果如表2中的qj。最后,根據(jù)“乘法”集成法將熵權(quán)法權(quán)重和層次分析法權(quán)重進(jìn)行組合,得到最終的組合權(quán)重(如表2中的wj)。

表2 指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

3.3 森林生態(tài)安全評價結(jié)果及分析

3.3.1 試點(diǎn)縣森林生態(tài)安全評價結(jié)果

各試點(diǎn)縣域歷年平均的森林生態(tài)安全指數(shù)(ESI)的差異顯著(如圖2所示),介于0.39-0.8之間,最高水平為浙江省淳安縣(ESI均值為0.7929),最低水平為湖北省公安縣(ESI均值為0.4126),各試點(diǎn)縣的綜合平均為0.5970,高于0.5。各試點(diǎn)縣域的森林生態(tài)安全指數(shù)平均水平由高到低的順序依次為：淳安縣>長白縣>三門縣>遂昌縣>羅田縣>柳河縣>樂都縣>京山縣>安龍縣>都蘭縣>黎平縣>修文縣>長嶺縣>剛察縣>公安縣。其中,淳安縣、長白縣、遂昌縣和三門縣四個試點(diǎn)縣的森林生態(tài)安全指數(shù)(ESI)均值達(dá)到0.7以上,占試點(diǎn)縣個數(shù)的26.67%。羅田縣、柳河縣、樂都縣、京山縣、安龍縣、都蘭縣、黎平縣、修文縣和長嶺縣九個試點(diǎn)縣的森林生態(tài)安全指數(shù)(ESI)均值分布在0.6-0.7之間,占試點(diǎn)縣個數(shù)的60%。剛察縣和公安縣三個試點(diǎn)縣的森林生態(tài)安全指數(shù)(ESI)均值分布在0.5-0.6之間,占試點(diǎn)縣個數(shù)的13.33%。

圖2 試點(diǎn)縣域森林生態(tài)安全指數(shù)結(jié)果Fig.2 The ESI results of experimental unit countries

3.3.2 試點(diǎn)縣生態(tài)安全等級的劃分

由于森林生態(tài)安全沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn),本研究采用聚類法對森林生態(tài)系統(tǒng)的安全等級進(jìn)行劃分。聚類分析方法是研究“物以類聚”的一種統(tǒng)計分析方法,能夠?qū)⒁慌鷺颖緮?shù)據(jù)或變量按照性質(zhì)上的親疏程度在沒有先驗(yàn)知識的情況下自動分類,每一個類是具有相似性質(zhì)的個體的集合,不同類之間有著明顯的異質(zhì)性。系統(tǒng)聚類法是目前在實(shí)際中運(yùn)用最廣的一種聚類方法。其基本思想是：首先將n個樣本分成n類,每個樣本自成一類,然后每次將具有最小距離的兩類合并,合并后重新計算類與類之間的距離,這一過程一直持續(xù)直到所有的樣本歸為一類為止。確定類與類之間的距離有多種方法,常見的有最短距離法、最長距離法、類平均法、重心法、中間距離法和離差平方和法。

圖3 各試點(diǎn)縣域森林生態(tài)安全綜合指數(shù)聚類圖Fig.3 The dendrogram of ESI for experimental unit countries

本研究通過R程序?qū)?999—2013年15個試點(diǎn)縣的森林生態(tài)安全指數(shù)(ESI)進(jìn)行系統(tǒng)聚類。將15個試點(diǎn)縣作為15個樣本,歷年數(shù)據(jù)作為觀測值,為使同類縣域具有最大的相似性,不同類縣域具有明顯的異質(zhì)性,運(yùn)用離差平方和法計算各樣本之間的距離,并將距離最小的縣域合并,得到聚類結(jié)果(圖3)。結(jié)合試點(diǎn)縣森林生態(tài)安全狀況,本次研究選擇域值等于1時為分類界限,將試點(diǎn)縣域分為三類(表4)。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本研究基于森林生態(tài)系統(tǒng)和社會系統(tǒng)之間交互的內(nèi)在機(jī)理,設(shè)計了森林生態(tài)安全指數(shù)體系,建立了縣域森林生態(tài)安全指標(biāo)體系,運(yùn)用了組合賦權(quán)法進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán),并根據(jù)15個試點(diǎn)縣域的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用綜合評價法對森林生態(tài)安全指數(shù)進(jìn)行計算和分析。

表4 聚類結(jié)果分析表

(1)1999年—2013年森林生態(tài)安全狀況較好的縣域是浙江淳安縣、吉林長白縣、浙江遂昌縣和浙江三門縣,森林生態(tài)安全指數(shù)歷年均值為0.7343,安全等級為三級,這與浙江省和吉林省森林資源的豐富程度密切相關(guān)。具體來看,浙江淳安縣、浙江三門縣、吉林長白縣森林生態(tài)安全指數(shù)整體高于0.65,淳安縣ESI更是高于0.78,浙江遂昌縣除2006年ESI低于0.65之外,其他年份均高于0.65。淳安縣森林生態(tài)安全指數(shù)最高的原因在于該縣已列為浙江省重點(diǎn)生態(tài)功能區(qū)示范區(qū)建設(shè)試點(diǎn),優(yōu)越的林業(yè)資源和強(qiáng)有力的保護(hù)措施使得其森林生態(tài)安全情況有較穩(wěn)定的保障和發(fā)展趨勢。

(2)森林生態(tài)安全狀況一般的縣域包括9個試點(diǎn)縣,分別是吉林長嶺縣、貴州黎平縣、貴州修文縣、貴州安龍縣、青海都蘭縣、湖北羅田縣、青海樂都縣、吉林柳河縣、湖北京山縣,森林生態(tài)安全綜合指數(shù)歷年均值為0.5731,安全等級為二級。具體而言,湖北羅田縣和吉林柳河縣ESI處于(0.58—0.66)區(qū)間,其中羅田縣指數(shù)值高于柳河縣；青海樂都縣年際波動較大,2011年以前ESI處于(0.60—0.62)區(qū)間,2011年之后ESI開始低于0.60；青海都蘭縣、貴州安龍縣、貴州黎平縣和湖北京山縣ESI整體處于0.55水平,年際波動較小,特別是都蘭縣年際微小波動；吉林長嶺縣和貴州修文縣ESI處于(0.52—0.54)區(qū)間,但修文縣自2010年指數(shù)明顯增高,指數(shù)值超過0.59。青海兩試點(diǎn)縣能歸為此類的原因在于都蘭縣和樂都縣有大面積的灌木林(按中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒的統(tǒng)計口徑,森林面積含國家特別規(guī)定的灌木林面積),使得兩試點(diǎn)縣的森林資源豐富程度大幅增加。

(3)森林生態(tài)安全狀況較差的縣域是青海剛察縣和湖北公安縣,森林生態(tài)安全指數(shù)歷年均值為0.4369,安全等級為一級。青海剛察縣和湖北公安縣ESI總體處于(0.39—0.48)水平,年際有小幅波動,其中剛察縣指數(shù)值高于公安縣。湖北公安縣森林生態(tài)安全綜合指數(shù)靠后的原因在于該縣森林資源相對匱乏,且所承載的壓力較大。

4.2 討論

本文利用森林生態(tài)系統(tǒng)與人類社會系統(tǒng)之間交互的內(nèi)在機(jī)理,將森林生態(tài)安全指數(shù)分為狀態(tài)和壓力子系統(tǒng),并據(jù)此來構(gòu)建森林生態(tài)安全指標(biāo)體系。不過,該指標(biāo)體系應(yīng)進(jìn)一步完善,如沒有考慮影響森林生態(tài)安全的“人類活動產(chǎn)生的壓力”以外的因素(如氣候變化)。生態(tài)學(xué)過程往往跨越很大的空間和時間尺度,并且不同的時間和空間尺度差異很大,同時系統(tǒng)與過程的性質(zhì)及其對各種驅(qū)動力的敏感性在不同尺度上可能并不一致,不能假定在某一尺度上得到的結(jié)果會自然的在另一尺度上有效[38- 39]。因此,下一步的研究應(yīng)進(jìn)一步探討如何全面的構(gòu)建評價指標(biāo)體系和充分考慮指標(biāo)尺度(時間分別率和空間分辨率)的問題,從而構(gòu)建具有實(shí)際應(yīng)用價值的縣域森林生態(tài)安全指標(biāo)體系。

在縣域森林生態(tài)安全指數(shù)的計算過程中,本文采用綜合評價法對5省15試點(diǎn)縣的森林生態(tài)安全進(jìn)行評價,但這并不是唯一的評價方法,還有其他方法可以考慮,如生態(tài)學(xué)模型[40]。本次縣域森林生態(tài)安全研究原始數(shù)據(jù)主要來源于各試點(diǎn)縣的森林資源清查數(shù)據(jù)和統(tǒng)計年鑒等統(tǒng)計數(shù)據(jù)。森林生態(tài)安全需進(jìn)一步森林生態(tài)系統(tǒng)與人類社會系統(tǒng)之間交互的內(nèi)在機(jī)理,倚重單一的學(xué)科難以達(dá)到研究目的,因而構(gòu)建跨學(xué)科或多學(xué)科的森林生態(tài)安全科學(xué)研究體系勢在必行。在此過程中,兼具綜合性和區(qū)域性特質(zhì)且具有“3S”信息獲取與空間分析方法的地理學(xué)必將發(fā)揮重要作用[41]。下一步的研究應(yīng)從地理學(xué)角度,在運(yùn)用統(tǒng)計數(shù)據(jù)評價的基礎(chǔ)上考慮遙感數(shù)據(jù),以期更科學(xué)地評價縣域森林生態(tài)安全,同時也使評價結(jié)果的檢驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)。

最后,由于人類對森林生態(tài)系統(tǒng)的重要性缺乏充分認(rèn)識,對生態(tài)系統(tǒng)的長期壓力和破壞,導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力退化[9]。聯(lián)合國千年生態(tài)系統(tǒng)評估發(fā)現(xiàn),全球生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)在評估的24項(xiàng)生態(tài)服務(wù)中,有15項(xiàng)(約占評估的60%)正在退化,生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)能力的喪失和退化將對人類福祉產(chǎn)生重要影響,威脅人類的安全與健康,直接威脅著區(qū)域乃至全球的生態(tài)安全[42]。生態(tài)安全與可持續(xù)發(fā)展,乃至人類福祉有著密切的關(guān)系。所以,下一步的研究應(yīng)該從人類福祉角度來分析森林生態(tài)安全的影響,以便建立一套有效的生態(tài)安全與人類福祉協(xié)同發(fā)展的策略體系。

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The country forest ecological security index of china: empirical data from fifteen experimental unit countries in five provinces

WANG Jinlong1,2, YANG Ling1,2, LI Yayun1, ZHANG Dahong1,*

1CollegeofEconomicsandManagement,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China2CollegeofSwan,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410004,China

Ecological security is as important as national security, economic security, and financial security, and it has become the main constraint of future socio-economic security. The security of the forest, as the main part of a terrestrial ecosystem, has a significant influence on ecological balance and determines the sustainability of the social economy of humans and the availability of future resources. Based on the interaction between the forest ecosystem and human society, this paper evaluated the security of the forest ecosystem from two perspectives: the condition of forest ecology (Ecological Condition Index, ECI) and pressure from human activities (Ecological Pressure Index, EPI). We used a forest ecological security state-pressure model, and employed the forest ecological security index (ESI) methodology, to verify ESI theory from fifteen experimental unit countries in five provinces.. The annual forest ecological security index (1999—2003) was evaluated and applied to relevant studies, such as the evaluation of the Country Forest Ecological Security Index, and the comparative analysis of temporal and spatial patterns.

forest ecological security; ecological security index; state-pressure model; index system

國家林業(yè)局2014年林業(yè)重大問題調(diào)研課題(ZDWT201415)；北京市園林綠化局專項(xiàng)基金(2013HXFWJGXY010)；北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院研究生專項(xiàng)基金(201307)

2015- 02- 22;

日期:2016- 01- 22

10.5846/stxb201502220376

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangdahong591120@163.com

王金龍, 楊伶, 李亞云, 張大紅.中國縣域森林生態(tài)安全指數(shù)——基于5省15個試點(diǎn)縣的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù).生態(tài)學(xué)報,2016,36(20):6636- 6645.

Wang J L, Yang L, Li Y Y, Zhang D H.The country forest ecological security index of china: empirical data from fifteen experimental unit countries in five provinces.Acta Ecologica Sinica,2016,36(20):6636- 6645.