湯 旭,馮 彥,魯莎莎,張大紅

北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 北京 100083

森林是地球生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分,森林生態(tài)系統(tǒng)具有多重功能：它能夠吸收二氧化碳,減緩地球的溫室效應(yīng)；它能夠通過光合作用生產(chǎn)氧氣,維持人類和各種動(dòng)植物的需要[1- 3]；森林能夠提供各種動(dòng)植物所需要的營養(yǎng)和食物,所以能維持生物多樣性[4- 6]；此外,森林還能起到防止風(fēng)沙、保持水土、除塵凈化的功能[7-8]。然而,隨著人類經(jīng)濟(jì)與社會的迅速發(fā)展,人類對森林的砍伐利用日益增多,對林地的侵占也不斷增加,這就使得森林的發(fā)展面臨較大壓力,森林生態(tài)系統(tǒng)越來越脆弱[9]。對森林生態(tài)系統(tǒng)脆弱性的評價(jià)可運(yùn)用森林生態(tài)安全概念,森林生態(tài)安全是指森林生態(tài)系統(tǒng)的健康與完整性,也就是指森林對生態(tài)破壞與環(huán)境污染的容忍能力。森林生態(tài)是否安全主要看它能否滿足人類的生存與發(fā)展,森林生態(tài)安全指數(shù)高,說明森林生態(tài)系統(tǒng)完整程度高,則人類的可持續(xù)發(fā)展能力強(qiáng),反之,則人類的發(fā)展是不可持續(xù)的[10]。由于人類活動(dòng)是不斷變化的,所以森林生態(tài)安全也是動(dòng)態(tài)變化的。從空間尺度來看,因?yàn)樯稚鷳B(tài)系統(tǒng)面臨的威脅在各地是不同的,所以森林生態(tài)安全還具有區(qū)域性的特點(diǎn)。本文選擇湖北省為研究對象,湖北地處長江中游,省內(nèi)有長江三峽大壩和丹江口水庫,是南水北調(diào)工程的水源地,生態(tài)區(qū)位非常重要,因此本文設(shè)計(jì)森林生態(tài)安全指數(shù),并結(jié)合湖北省的森林現(xiàn)狀和人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng),來動(dòng)態(tài)評估該省森林生態(tài)系統(tǒng)的健康與完整程度。

國外對森林生態(tài)安全的研究比較早,Moraes等評估了亞馬遜森林的生態(tài)安全[11],Hayes和Landis評估了華盛頓西北區(qū)域的生態(tài)安全[12]。目前國內(nèi)對于森林生態(tài)安全的研究不多,已有的研究中,毛旭鵬等評價(jià)了湖南省長沙、株洲、湘潭的森林生態(tài)安全狀態(tài),結(jié)果顯示這3個(gè)地區(qū)生態(tài)安全狀況一般,但壓力呈下降趨勢[13]。米鋒等對31個(gè)省、市進(jìn)行了森林生態(tài)安全評價(jià)[14]。馮彥等從空間計(jì)量角度分析了吉林省各縣的森林生態(tài)安全指數(shù),結(jié)論為各地區(qū)存在空間上的正相關(guān)性[15],王金龍等對5省15個(gè)試點(diǎn)縣進(jìn)行了森林生態(tài)安全評價(jià),結(jié)果顯示浙江淳安、吉林長白縣、浙江遂昌縣排名前三,而青海剛察縣和湖北公安縣生態(tài)安全值最差[16]。綜合上述文獻(xiàn),這些研究對于自然條件的一些指標(biāo)數(shù)據(jù)引用過少,大多只運(yùn)用了年降水量、年積溫和年日照時(shí)間等少數(shù)指標(biāo),而實(shí)際影響一個(gè)地區(qū)森林生態(tài)安全狀態(tài)的指標(biāo)還有海拔、坡度、風(fēng)向等指標(biāo),因此上述研究所計(jì)算的森林生態(tài)安全指數(shù)還不能客觀的反映各地森林生態(tài)安全狀況。針對這個(gè)問題,本文將基于生態(tài)區(qū)位系數(shù),引入海拔、坡度、風(fēng)向等指標(biāo),以填補(bǔ)以上空白,使計(jì)算的森林生態(tài)安全指數(shù)能全面反映森林生態(tài)安全狀況。

目前對于森林生態(tài)安全的分析大多基于PSR模型,但實(shí)際還可以引入更多技術(shù)方法,以提高森林生態(tài)安全分析的研究層次。以空間重心分析為例,目前森林生態(tài)安全在這方面的分析非常少,已有研究中,吳小節(jié)等運(yùn)用重心方法對比研究了中國生態(tài)文明重心與經(jīng)濟(jì)重心[17],曹慧明等運(yùn)用重心法分析了瀘沽湖流域,發(fā)現(xiàn)旅游業(yè)是各個(gè)重心變化的主要因素[18]。為拓展研究范圍,本文將引入重心分析模型來分析湖北省森林生態(tài)安全重心的動(dòng)態(tài)變化,以更加深入地探究湖北森林生態(tài)安全的變化趨勢。

1 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建思路與指標(biāo)篩選過程

本文首先依據(jù)文獻(xiàn)檢索、頻度分析法、專家咨詢等方法來構(gòu)建森林生態(tài)安全評價(jià)的指標(biāo)體系。由于該指標(biāo)體系不包含自然條件方面的基礎(chǔ)指標(biāo),導(dǎo)致該方法在評估森林生態(tài)安全方面存在缺陷,因此本文構(gòu)建了包含氣象因素和地形因素的指標(biāo)體系,用來計(jì)算生態(tài)區(qū)位系數(shù)。高低不同的生態(tài)區(qū)位系數(shù),能夠反映不同區(qū)域在植被生產(chǎn)力和物種分布上的差別,而這種差異對森林生態(tài)安全有較大影響。本文通過構(gòu)建生態(tài)區(qū)位模型,來計(jì)算不同地區(qū)的生態(tài)區(qū)位系數(shù),并將其作為調(diào)整系數(shù)來修正和補(bǔ)充森林生態(tài)安全指數(shù),從而進(jìn)一步保證森林生態(tài)安全指標(biāo)評價(jià)體系的科學(xué)性。

1.1 森林生態(tài)安全指標(biāo)體系

本文將PSR模型中3類指標(biāo)合并為狀態(tài)指標(biāo)和壓力指標(biāo),其中壓力指標(biāo)是把PSR模型中的壓力指標(biāo)和響應(yīng)指標(biāo)結(jié)合起來,它反映的是人類對于森林的壓力和人類保護(hù)森林的努力,都屬于人類行為指標(biāo)。本文在構(gòu)建指數(shù)的過程中經(jīng)歷了3輪篩選：(1)首先通過研究森林生態(tài)安全定義,采用文獻(xiàn)查詢法和頻度分析法挑選出頻度較高的指標(biāo)25個(gè)[19- 23],然后征詢林學(xué)、生態(tài)學(xué)等方面專家的意見,增加了4個(gè)指標(biāo),基本確定了29個(gè)指標(biāo),在此基礎(chǔ)上開展數(shù)據(jù)收集工作。(2)在收集上述29個(gè)指標(biāo)的過程中,本課題組發(fā)現(xiàn)有些指標(biāo)的數(shù)據(jù)可獲取度較低,因此本課題組于2015年11月對湖北省利川縣、神農(nóng)架林區(qū)兩個(gè)典型縣域進(jìn)行了調(diào)研,并結(jié)合數(shù)據(jù)的實(shí)際可獲取度,對上述29個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了刪減,確立了20個(gè)指標(biāo)。(3)針對這20個(gè)指標(biāo),本課題組又經(jīng)過專家問卷調(diào)查、專家會議咨詢和課題組內(nèi)部討論,最后確定14個(gè)指標(biāo)來計(jì)算森林生態(tài)安全指數(shù),其中森林狀態(tài)指標(biāo)5個(gè),森林壓力指標(biāo)9個(gè)。

盡管從最初的25個(gè)指標(biāo)調(diào)整為最終的14個(gè)指標(biāo),但仍有部分區(qū)縣的數(shù)據(jù)不符合要求：有的區(qū)縣數(shù)據(jù)大面積缺失,有的區(qū)縣數(shù)據(jù)少部分缺失。對于數(shù)據(jù)大面積缺失的區(qū)縣,本課題組將這類區(qū)縣排除在研究范圍之外；對于數(shù)據(jù)少量缺失的區(qū)縣,本課題組通過電話咨詢與查詢統(tǒng)計(jì)年鑒的辦法對數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充完善。根據(jù)數(shù)據(jù)收集的結(jié)果,本文最終確定湖北省89個(gè)區(qū)縣為本文的研究樣本。

本文設(shè)計(jì)的森林生態(tài)安全指數(shù)(Ecological Security Index,ESI)由森林狀態(tài)指數(shù)和社會壓力指數(shù)構(gòu)成。森林狀態(tài)指數(shù)由資源狀況和災(zāi)害類指標(biāo)計(jì)算得出,而通過一般壓力指標(biāo)、行為壓力指標(biāo)和維護(hù)活動(dòng)指標(biāo)可以計(jì)算出社會壓力指數(shù),具體如表1所示。

表1 森林生態(tài)安全指標(biāo)體系

1.1.1 森林狀態(tài)指數(shù)

資源狀況類指標(biāo)中,森林覆蓋率(F01)與森林生態(tài)安全正相關(guān)。森林單位面積蓄積量(F02)反映森林的質(zhì)量,蓄積量越大則森林生長情況越好,它與森林生態(tài)安全正相關(guān),因此屬于正向指標(biāo)。森林物種豐度指數(shù)(F03)主要反映喬木、灌木和其他林地占國土面積的比重,它也與森林發(fā)展正相關(guān),所以它在指標(biāo)體系中屬于正向指標(biāo)[24-25]。

森林經(jīng)常受災(zāi)害影響,所以本文用兩個(gè)災(zāi)害指標(biāo)來反應(yīng)受災(zāi)情況：森林火災(zāi)致災(zāi)率(F04)與森林發(fā)展?fàn)顩r負(fù)相關(guān),其值越大則森林越脆弱；森林病蟲鼠害致災(zāi)率(F05)反映有害生物(如昆蟲、老鼠、細(xì)菌、真菌、雜草等)對森林的破壞情況[26]。這兩個(gè)指標(biāo)都為森林生態(tài)安全的逆向指標(biāo)。

1.1.2 社會壓力指數(shù)

由于人類對森林的影響很大,而且人類對森林的影響是多方面的,所以本文歸類了一般行為、行為壓力和維護(hù)活動(dòng)這3類指標(biāo)。城鎮(zhèn)化率(Y01)、人口密度(Y02)、單位面積GDP(Y03)、單位面積工業(yè)產(chǎn)值(Y04)構(gòu)成一般行為指標(biāo),說明人類發(fā)展必然會增加對森林的索取,因此這4個(gè)指標(biāo)與森林生態(tài)安全狀況負(fù)相關(guān),所以它們都是逆向指標(biāo)[27]。行為壓力指標(biāo)中,由于人類工程占用土地強(qiáng)度(Y05)、二氧化硫排放強(qiáng)度(Y06)、工業(yè)廢水排放強(qiáng)度(Y07)與森林發(fā)展是負(fù)相關(guān)關(guān)系,所以它們都屬于逆向指標(biāo)。隨著人們生態(tài)保護(hù)意識的提高,無論是政府還是個(gè)人都積極保護(hù)森林,因此本文將森林生態(tài)建設(shè)與保護(hù)投資強(qiáng)度(Y08)、年度造林比例(Y09)列入維護(hù)活動(dòng)類指標(biāo),這兩個(gè)指標(biāo)與森林的發(fā)展有正相關(guān)關(guān)系,因此都屬于正向指標(biāo)。

1.2 生態(tài)區(qū)位系數(shù)

生態(tài)區(qū)位系數(shù)是一個(gè)綜合反映氣象、地形等區(qū)域自然條件因素的指數(shù),它能夠通過影響物種分布和植被的生產(chǎn)力來對森林生態(tài)安全發(fā)生作用,因此可以用它來對森林生態(tài)安全指標(biāo)體系進(jìn)行修正和補(bǔ)充。生態(tài)區(qū)位系數(shù)以氣象和地形類因素為基點(diǎn),并以促進(jìn)森林植被生長為目標(biāo),因此本文設(shè)計(jì)氣象類指標(biāo)和地形類指標(biāo)來構(gòu)建生態(tài)區(qū)位系數(shù),用來反映自然條件的天然差異,并用來對森林生態(tài)安全指數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

國內(nèi)已有學(xué)者的研究引用了生態(tài)區(qū)位系數(shù),趙海鳳等運(yùn)用了生態(tài)區(qū)位系數(shù)對四川省生態(tài)服務(wù)價(jià)值進(jìn)行調(diào)整[28]。李英等運(yùn)用14個(gè)指標(biāo)來構(gòu)建生態(tài)區(qū)位系數(shù),然后運(yùn)用該系數(shù)來評估了伊春林區(qū)的生態(tài)服務(wù)價(jià)值[29]。高玲等運(yùn)用地貌、水域距離、城鎮(zhèn)距離、生態(tài)敏感點(diǎn)等指標(biāo)來建立生態(tài)區(qū)位系數(shù),并用該系數(shù)評估了海口市生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值[30]。齊丹坤等運(yùn)用生態(tài)區(qū)位系數(shù)對伊春林區(qū)的評估表明國家一級公益林生態(tài)區(qū)位重要程度最高[31]。

本文首先通過頻度分析法,對有關(guān)生態(tài)區(qū)位評價(jià)的文獻(xiàn)進(jìn)行檢索,對涉及的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,從中選出使用頻度高的指標(biāo)；然后結(jié)合森林生態(tài)系統(tǒng)的特點(diǎn),從中選擇適用性強(qiáng)、數(shù)據(jù)可獲取度高的指標(biāo)；最后,運(yùn)用專家咨詢方法,對指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整,最終探索性地選取年降水量、年均積溫、年均氣溫、日照時(shí)數(shù)、日均風(fēng)速、平均海拔、坡度、坡向等8個(gè)具體指標(biāo)來構(gòu)建生態(tài)區(qū)位系數(shù)的指標(biāo)體系,其中前面5個(gè)屬于氣象類指標(biāo),后面3個(gè)屬于地形類指標(biāo)。本文根據(jù)各個(gè)區(qū)位指標(biāo)的特征,將每個(gè)指標(biāo)分為5個(gè)級別,等級越高就越有利于森林的生長,如表2所示。

表2 生態(tài)區(qū)位系數(shù)評級表

表2是8個(gè)指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)。在氣象類指標(biāo)中：年降水量越大,則森林物種越豐富；年積溫越高,則越有利于植物的生長發(fā)育；年均氣溫越高,則越有利于植物的呼吸作用和光合作用；年日照時(shí)間越長,則可以促進(jìn)植物苗木根系的生長,而且對植物開花也有明顯影響。以上4個(gè)指標(biāo)的數(shù)值越大,則越有利于植物生長,因此森林生態(tài)系統(tǒng)將會更安全。日均風(fēng)速會改變空氣的濕度和溫度,風(fēng)速較高會降低植物的生長量,而且強(qiáng)風(fēng)干擾對森林的破壞較大,因此該指標(biāo)數(shù)值越低則等級越高。

在3個(gè)地形類指標(biāo)中,平均海拔越低,則植被越茂盛；坡度越低,則越有利于森林植被的生長；坡向是指坡面法線在水平面上的投影方向,從坡向來看,因?yàn)楹钡靥幈卑肭?所以各區(qū)、縣地面朝南的坡向有利于植物生長,其次是朝東或偏南、朝西或偏東、偏西或偏北,最不利于植物生長的是朝北的坡向。

2 方法與模型

本文選用熵權(quán)法來計(jì)算指標(biāo)權(quán)重,然后用模糊物元法與歐式貼近度來評價(jià)森林ESI。

2.1 森林生態(tài)安全指數(shù)

2.1.1 模糊物元法

依據(jù)模糊物元法,構(gòu)建湖北省各縣域森林ESI的復(fù)合物元Rmn：

(1)

式中,Mj表示第j個(gè)事物(j=1,2,…,m),Ci表示第j個(gè)事物的第i項(xiàng)特征(i=1,2,…,n),xji(j=1,2,…,m；i=1,2,…,n)為該事物的特征量值。

首先,計(jì)算從優(yōu)隸屬度。事物的特征值Ci,既有正向特征,也有負(fù)向特征,對于這些指標(biāo)需要計(jì)算其相對于標(biāo)準(zhǔn)事物從優(yōu)隸屬度u(xji)(j=1,2,…,m；i=1,2,…,n)[32]。計(jì)算方法為：

越大越優(yōu)型指標(biāo)：

(2)

越小越優(yōu)型指標(biāo)：

(3)

maxxji和minxji分別表示Ci中的最大值和最小值。然后計(jì)算新的模糊物元Rmn:

(4)

然后,推導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)模糊物元、差平方、差平方模糊物元。

標(biāo)準(zhǔn)模糊物元R0n由u(xji)的最大值來推導(dǎo)：

(5)

計(jì)算差平方：

Δji=(ux0j-uxji)2

(6)

計(jì)算差平方模糊物元RΔ：

(7)

2.1.2 歐式貼近度與森林ESI綜合評價(jià)

本文采用采用歐式貼近度M(*,+)方法來計(jì)算復(fù)合模糊物元RPH：

(8)

(9)

PHj即為未經(jīng)生態(tài)區(qū)位系數(shù)修正的森林生態(tài)安全ESI值。

2.2 生態(tài)區(qū)位系數(shù)

本文運(yùn)用ArcGIS軟件對8個(gè)生態(tài)區(qū)位指標(biāo)做柵格化處理,再對各評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級賦值,最后運(yùn)用專家打分法來確定各指標(biāo)的權(quán)重,確定氣象類系數(shù)與地形類系數(shù)的權(quán)重分別為0.625和0.375。在確定指標(biāo)的權(quán)重后,再對湖北省各區(qū)縣的生態(tài)區(qū)位系數(shù)進(jìn)行評估。

在計(jì)算生態(tài)區(qū)位系數(shù)時(shí),首先應(yīng)依據(jù)表2的評級標(biāo)準(zhǔn)和參評單元評價(jià)因子的現(xiàn)狀值,確定現(xiàn)狀區(qū)位系數(shù)評分空間分布圖,然后計(jì)算指標(biāo)層區(qū)位系數(shù)分值：

(10)

Fij、Sijk、Wijk分別為j指標(biāo)的區(qū)位系數(shù)分值、評價(jià)指標(biāo)現(xiàn)狀值、權(quán)重值,n為指標(biāo)個(gè)數(shù)。

計(jì)算準(zhǔn)則層區(qū)位系數(shù)分值：

(11)

Fi是準(zhǔn)則層i目標(biāo)區(qū)位系數(shù)分值,Fij、Wij分別是j指標(biāo)的區(qū)位系數(shù)分值、j指標(biāo)相對準(zhǔn)則層i目標(biāo)的權(quán)重值,n是準(zhǔn)則層指標(biāo)個(gè)數(shù)。

計(jì)算目標(biāo)層區(qū)位系數(shù)綜合分值：

(12)

F為區(qū)位系數(shù)綜合分值,Wi是準(zhǔn)則層i目標(biāo)的權(quán)重值,n是目標(biāo)個(gè)數(shù)。

2.3 修正的森林ESI

在計(jì)算出森林生態(tài)安全值PHj和區(qū)位系數(shù)綜合分值F后,可以通過

(13)

2.4 重心分析模型

通過查詢統(tǒng)計(jì)年鑒,可得到湖北省各區(qū)縣中心的經(jīng)緯度坐標(biāo)(xi,yi),然后以修正的森林生態(tài)安全ESIi為權(quán)重,可求出湖北省生態(tài)安全重心的地理坐標(biāo)：

(14)

由于各地區(qū)森林保護(hù)的力度不同,而且經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展速度也有高低差異,所以各地區(qū)森林狀態(tài)指數(shù)與社會壓力指數(shù)都會相應(yīng)發(fā)生改變,這會引起全省森林生態(tài)安全的重心發(fā)生遷移,依據(jù)勾股定理,每年重心遷移的距離為：

(15)

Di-j表示重心從第i年至j年的遷移距離,R為常數(shù),一般取值111.111。

3 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

3.1 研究區(qū)域

湖北地處長江中游,森林資源豐富。湖北省國土面積1859.00萬hm2,其中森林面積736.27萬hm2,森林覆蓋率39.61%,比全國平均水平高出17.98%。由于森林在防止洪澇災(zāi)害和水土流失方面作用突出,因此湖北省森林生態(tài)系統(tǒng)的安全程度對本省和長江流域中下游都非常重要,所以對湖北森林生態(tài)安全指數(shù)的研究具有比較現(xiàn)實(shí)的意義。本文依據(jù)數(shù)據(jù)的可獲取度,以湖北省89個(gè)區(qū)縣為研究樣本。

3.2 數(shù)據(jù)來源

本文所有數(shù)據(jù)來源于森林生態(tài)安全指數(shù)研究項(xiàng)目,涉及湖北省89個(gè)縣域從1999年至2014年的面板數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)收集分為一試和二試兩個(gè)階段：

(1)一試階段,本課題組于2014年10月將數(shù)據(jù)表格下發(fā)湖北省各區(qū)、縣林業(yè)局。然后對收集整理的縣域數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),將這些數(shù)據(jù)分為全部填報(bào)、部分填報(bào)、全部缺失3種類型。

(2)二試階段,對于全部缺失的縣域數(shù)據(jù),將此縣排除在本研究范圍之外。對于填報(bào)了部分?jǐn)?shù)據(jù)的縣域,本課題組再次進(jìn)行了指導(dǎo),并通過電話溝通和統(tǒng)計(jì)資料查詢,補(bǔ)充了缺失數(shù)據(jù)。

4 實(shí)證分析

4.1 熵權(quán)計(jì)算結(jié)果

依據(jù)熵權(quán)法,可以求出森林生態(tài)安全14個(gè)指標(biāo)的權(quán)重,本文將計(jì)算結(jié)果列入表1最后一列。

表1中所有指標(biāo)權(quán)重合計(jì)為1,權(quán)重的大小能夠反映各指標(biāo)對總體ESI值的影響程度。從該表可以看出：工業(yè)廢水排放強(qiáng)度(Y07)權(quán)重最高,為0.0752。其次為單位面積工業(yè)產(chǎn)值(Y04)與森林火災(zāi)受災(zāi)率(F04),皆為0.0751。森林單位面積蓄積量(F02)權(quán)重最小,僅為0.0574。森林物種豐度指數(shù)(F03)的權(quán)重稍高于森林單位面積蓄積量,為0.0583。

4.2 生態(tài)區(qū)位系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖1 湖北省生態(tài)區(qū)位系數(shù)圖Fig.1 Ecological location coefficient map of Hubei Province

本文基于表2的8個(gè)指標(biāo)和湖北89個(gè)區(qū)縣的數(shù)據(jù),運(yùn)用公式10到公式12,計(jì)算出湖北省區(qū)位系數(shù)。本文運(yùn)用ArcGIS軟件,采用自然斷裂法將湖北省各區(qū)域的生態(tài)區(qū)位系數(shù)采用五分位圖展示出來,如圖1所示。

圖1為湖北省區(qū)位系數(shù)等級分布。本文基于自然斷裂法將區(qū)域系數(shù)分為5個(gè)等級,分別為：31.22001—32.42000、29.93001—31.22000、28.41001—29.93000、26.03001—28.41000、22.91000—26.03000。從該圖可以看出,區(qū)位系數(shù)最高(31.22001—32.42000)的區(qū)域主要分布在湖北省東部和中部少數(shù)區(qū)域,如武漢市、鄂州市、當(dāng)陽市、枝江市、松滋市等。區(qū)位系數(shù)次高區(qū)域(29.93001—31.22000)主要分布在中部區(qū)域如增都區(qū)、廣水市、鐘祥市、公安縣、監(jiān)利縣等地,該區(qū)域還在西部2個(gè)區(qū)縣(通山縣、黃梅縣)有所分布。區(qū)位系數(shù)最低的區(qū)域(22.91000—26.03000)主要分布在湖北西部,如神農(nóng)架林區(qū)、竹溪縣、竹山縣、興山縣和?？悼h。

從總體來看,湖北全省的生態(tài)區(qū)位系數(shù)平均值為29.94719。生態(tài)區(qū)位系數(shù)較高的區(qū)域主要分布在湖北省東部和中部,這些區(qū)域自然基礎(chǔ)條件較好,適合森林植物的生長。區(qū)位系數(shù)最高值出現(xiàn)在東北區(qū)域的紅安縣(區(qū)位系數(shù)值為32.42000)。而生態(tài)區(qū)位系數(shù)較差的區(qū)域主要分布在湖北省西部,以神農(nóng)架林區(qū)為例,該區(qū)域的生態(tài)區(qū)位系數(shù)僅為22.91000,在湖北省排名倒數(shù)第一,說明該區(qū)域并不是最適合森林植被生長的區(qū)域。與此同時(shí),生態(tài)區(qū)位系數(shù)較好的區(qū)域大多聚集在武漢市周邊,這些地區(qū)都是湖北省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的區(qū)域,而生態(tài)區(qū)位系數(shù)較差的區(qū)域一般都集中在湖北省西部,這些地方交通不便,人口稀少,經(jīng)濟(jì)相對比較落后,因此生態(tài)區(qū)位系數(shù)與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平有一定的耦合性。

4.3 修正的森林生態(tài)安全指數(shù)

在計(jì)算出14個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)后,結(jié)合模糊物元法和歐式貼近度方法,本文計(jì)算出初步的森林生態(tài)安全指數(shù)值。

因?yàn)樽匀换A(chǔ)條件對各地森林生態(tài)安全指數(shù)有根本性的影響,所以需要用基于坡度、風(fēng)向、海拔、風(fēng)速等指標(biāo)的區(qū)位系數(shù)來修正前期計(jì)算的森林生態(tài)安全值。在計(jì)算出湖北省各區(qū)縣的生態(tài)區(qū)位系數(shù)后,再求出全省生態(tài)區(qū)位系數(shù)的平均值,然后用各個(gè)生態(tài)區(qū)位系數(shù)除以該平均值,得到修正系數(shù),再分別乘以各地的森林ESI值,可得到經(jīng)生態(tài)區(qū)位系數(shù)修正的森林生態(tài)安全ESI值。

基于修正的森林生態(tài)安全指數(shù),本文將1999、2004、2009、2014年這4年的森林生態(tài)安全值用ArcGIS圖展現(xiàn)出來,如圖2所示。

圖2 湖北省森林生態(tài)安全分布Fig.2 Forestry ecological security distribution in Hubei Province

圖2為湖北省森林ESI在1999、2004、2009和2014年的五分位分布圖。從1999年來看,森林生態(tài)安全最高等級區(qū)域主要分布在湖北東部,還分布在北部部分區(qū)域,以及南部個(gè)別區(qū)域。森林生態(tài)安全最低等級區(qū)域零星分布在東部、中部和西部的黃州區(qū)、襄樊市、云夢縣以及神農(nóng)架林區(qū)。

從2004年的分布圖來看,最好區(qū)域主要分布在湖北省西北部和西南部,與1999年相比,減少了浠水縣、曾都區(qū)、來鳳縣和宜都市。而生態(tài)安全等級最差的區(qū)域沒有變化。生態(tài)安全等級排名其次的區(qū)域與2004年相比有了明顯擴(kuò)大,北部增加了丹江口市和曾都區(qū),西部增加了浠水縣。

從2009年來看,大悟縣已退出生態(tài)安全的最好區(qū)域,但新增了丹江口市和松滋市。神農(nóng)架林區(qū)的生態(tài)安全值有所上升,從最差等級的區(qū)域已上升為較差區(qū)域。

從2014年來看,最好區(qū)域新增了5個(gè)縣,但是生態(tài)安全最差區(qū)域也大幅上升,在湖北東部新增了武漢市、華容區(qū),北部新增了襄陽縣、老河口縣,西部新增興山縣、竹溪縣、張灣區(qū)、茅箭區(qū)等8個(gè)縣,與1999年相比的增幅為100%。

從這4個(gè)年份的森林生態(tài)安全的等級變化來看,在這16年間,丹江口市、松滋市一直保持上升趨勢,丹江口市森林生態(tài)安全值在1999年還屬于五級分類中的中間區(qū)域,但它在2004年和2009年分別上升一個(gè)等級直到2014年的最高等級。丹江口市森林ESI值的持續(xù)上升在于該地區(qū)非常重視植樹造林,1999年該地區(qū)造林面積為2553hm2,接下來幾年每年造林面積持續(xù)上升,在2003年達(dá)到最高值,該年度造林面積為11000hm2。正因?yàn)樵摰貐^(qū)重視林業(yè)保護(hù),所以該地區(qū)的森林ESI等級持續(xù)上升。松滋市森林ESI的上升主要體現(xiàn)在2004年到2009年,主要在于該地區(qū)森林投資與保護(hù)強(qiáng)度持續(xù)上升,1999年該地區(qū)森林投資與保護(hù)強(qiáng)度為669.5元/km2,經(jīng)過幾年持續(xù)追加投入,2009年達(dá)到2802元/km2的峰值。這16年的另一個(gè)重大變化是森林生態(tài)安全最差區(qū)域在2014年大幅上升。以武漢市為例,2009年該市森林ESI值還處在五級分類中的中間區(qū)域,但到了2014年則直接跌落到最差等級區(qū)域,這主要是因?yàn)槲錆h市在這些年份經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度太快,從而給森林造成太多壓力。

4.4 森林生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)

為了更加清楚地分析湖北省森林生態(tài)安全值的變化,本文將森林生態(tài)安全指數(shù)分解為狀態(tài)指數(shù)與壓力指數(shù)。本文首先計(jì)算各區(qū)縣從1999年到2014年的狀態(tài)指數(shù),然后將1999年、2004年、2009年和2014年?duì)顟B(tài)指數(shù)的變化用ArcGIS軟件制圖,如圖3所示。

圖3 湖北省森林生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)Fig.3 Forestry ecological safety status index in Hubei Province

圖3反映了湖北省森林狀態(tài)指數(shù)的變化。從以上4個(gè)圖來看,狀態(tài)指數(shù)最高區(qū)域比較集中,主要分布在湖北省西部區(qū)域。從狀態(tài)指數(shù)最高等級區(qū)域來看,1999年主要分布在湖北西部的11個(gè)縣,還分布在西南的4個(gè)縣。2004年該區(qū)域增加了建始縣。2009年西部3個(gè)縣下降了一個(gè)等級。2014年?duì)顟B(tài)指數(shù)和2009年相比,變化不大。

從狀態(tài)指數(shù)最差區(qū)域來看,主要集中在云夢縣和黃州區(qū),除了2009年增加了部分區(qū)域外,其他年份基本沒有變化。該指數(shù)的較好區(qū)域主要分布在湖北西部和東南、東北及北部幾個(gè)縣域,而且在這4個(gè)年份變化不大。

4.5 森林生態(tài)安全壓力指數(shù)

由于本文對壓力指數(shù)中的逆向指標(biāo)做了標(biāo)準(zhǔn)化處理,所以壓力指數(shù)越大,說明森林面臨的壓力越??；反之,則森林發(fā)展的壓力越大。本文計(jì)算了湖北省森林生態(tài)安全的壓力指數(shù),并將1999年、2004年、2009年和2014年的壓力指數(shù)體現(xiàn)在GIS圖上,如圖4所示。

圖4 湖北森林生態(tài)安全壓力指數(shù)Fig.4 Forestry ecological security pressure index in Hubei Province

圖4反映了湖北省森林壓力指數(shù)的變化。顏色最淺區(qū)域?yàn)閴毫ψ钚^(qū)域,從該區(qū)域的變化來分析,1999年主要分布在湖北中部和北部的京山縣、曾都區(qū),西部的竹山縣和西南的恩施市、來鳳縣。2004年該區(qū)域有所擴(kuò)大,西北新增了鄖縣、丹江口市兩個(gè)縣,中部新增了南漳縣、宜城市兩個(gè)縣,西南新增了3個(gè)縣,南部也新增了3個(gè)縣,東南新增了通山縣,減少了來鳳縣。從2009年來看,壓力最小區(qū)域大幅減少,具體來看,西南區(qū)域減少了3個(gè)縣(利川市、恩施市、巴東縣),西北減少了兩個(gè)縣(老河口縣、鄖縣)、中部減少了1個(gè)縣(宜昌縣)。從2014年來看,竹山縣、?？悼h、咸安區(qū)因?yàn)閴毫ι仙鴱脑摰燃墔^(qū)域消失,北部的廣安市和宜城市壓力下降所以壓力指數(shù)落在該區(qū)域。

圖4中顏色最深的部分即為壓力最大區(qū)域。從壓力最大區(qū)域來看,1999年、2004年和2009年壓力最大區(qū)域都為東部下陸區(qū),但到了2014年壓力最大區(qū)域急劇擴(kuò)大,西北新增了2個(gè)縣(張灣區(qū)、茅箭區(qū)),北部增加了襄陽縣,中南部增加了兩個(gè)區(qū)縣,東部新增了武漢市、華容區(qū)、黃州區(qū)和鄂城區(qū)。該等級區(qū)域的的迅速擴(kuò)大說明最近幾年經(jīng)濟(jì)的發(fā)展給森林增加了太多壓力,需要適度放緩經(jīng)濟(jì)發(fā)展步伐,減少污染排放,以為森林發(fā)展創(chuàng)造有利條件。

4.6 重心分析

依據(jù)重心分析模型中的公式14,并結(jié)合歷年森林生態(tài)安全ESI值,可以計(jì)算出從1999年至2014年的森林生態(tài)安全重心坐標(biāo),如表3所示。

表3反映了最近16年森林生態(tài)安全重心的變化,從該表可以看出,歷年重心基本在112°45′34″E和112°47′2″E之間、30°50′1″N和30°50′42″N之間波動(dòng)。

本文將歷年重心的坐標(biāo)標(biāo)記在坐標(biāo)圖上,如圖5所示,通過該圖可以分析重心演變的軌跡。

圖5反映了1999年至2014年湖北省森林生態(tài)安全重心的演變軌跡,從該圖可以看出,重心演變基本可以分為兩個(gè)階段：第一階段(1999年至2007年)從西北區(qū)域向東南區(qū)域遷移；第二階段(2007年至2014年)從東往西遷移。第一階段的重心遷移說明湖北省東南區(qū)域的森林生態(tài)安全指數(shù)改善較大,第二階段的重心遷移說明湖北省西部的森林生態(tài)安全指數(shù)提升較大,從而帶動(dòng)重心向西遷移。

第一階段重心向東南遷移的原因在于北部和西部幾個(gè)縣域的森林ESI值下降較大(如曾都區(qū)、宜都市、來鳳縣),而南部的赤壁市在此階段由于退耕還林和植樹造林工作做得較好,因此當(dāng)?shù)氐纳諩SI值上升較大,從而促進(jìn)了森林生態(tài)安全重心向東南方向的遷移。

表3 湖北省森林生態(tài)安全重心

第二階段重心向西遷移的原因在于東部的武漢市各區(qū)、華容區(qū)和鄂城區(qū)的森林ESI值都有下降,而中西部南漳和沙洋這兩個(gè)縣的ESI值改善明顯。南漳縣2014年的森林覆蓋率與2011年相比提高了3.1個(gè)百分點(diǎn),達(dá)到61.79%,而沙洋縣在此期間每年完成造林面積都在2000hm2以上,這些都使得兩個(gè)縣的森林生態(tài)安全指數(shù)得到迅速提升,從而帶動(dòng)森林生態(tài)安全重心自東向西遷移。

為更加全面地掌握這兩個(gè)階段的重心遷移方向、距離及速度,本文統(tǒng)計(jì)了這兩個(gè)階段的重心演變數(shù)據(jù),如表4所示。

表4 1999年至2014年重心演變統(tǒng)計(jì)

圖5 1999年至2014年的重心演變軌跡Fig.5 Transfer map of gravity center from 1999 to 2014

從表4來看,森林生態(tài)安全重心在第一階段(1999年至2007年)的南北方向遷移了0.67km,東西方向遷移了1.46km,總體移動(dòng)方向?yàn)閺奈鞅钡綎|南,移動(dòng)距離為1.6km,這8年年均移動(dòng)距離為0.2km。第二階段(2007年至2014年)的重心在南北方向遷移了0.2km,東西方向遷移距離為1.74km,總體移動(dòng)方向?yàn)閺臇|至西,總距離為1.75km,年均移動(dòng)距離為0.25km,遷移速度比第一階段有所加快,反湖北省西部區(qū)域的森林ESI指數(shù)在第二階段進(jìn)步較大。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

本文首先運(yùn)用熵權(quán)法和模糊物元法計(jì)算出湖北省各區(qū)縣的森林ESI指數(shù),然后計(jì)算湖北各區(qū)縣的生態(tài)區(qū)位系數(shù),并用來修正森林ESI,得到修正后的森林生態(tài)安全指數(shù)。本文還運(yùn)用了ArcGIS和重心模型來分析湖北各區(qū)縣的森林ESI指數(shù),結(jié)論如下：

(1)生態(tài)區(qū)位系數(shù)最高(31.22001—32.42000)的區(qū)域主要分布在湖北省西部和中部少數(shù)區(qū)域,如武漢市、鄂州市、當(dāng)陽市、枝江市、松滋市等。區(qū)位系數(shù)最低的區(qū)域(22.91000—26.03000)主要分布在湖北西部。

(2)從1999年到2014年森林生態(tài)安全指數(shù)的變化來看,ESI指數(shù)最差等級區(qū)域增加明顯,尤其是從2009到2014年間,在湖北東部新增了武漢市、華容區(qū),北部新增了襄陽縣、老河口縣,西部新增了興山縣、竹溪縣、張灣區(qū)、茅箭區(qū)等8個(gè)區(qū)縣,與1999年相比的增幅為100%,說明湖北省森林生態(tài)安全形勢不太樂觀。

(3)從狀態(tài)指數(shù)來看,最高等級區(qū)域主要分布在湖北省西部區(qū)域,反映西部森林狀態(tài)較好,而最差區(qū)域主要集中在云夢縣和黃州區(qū)。從壓力指數(shù)來看,1999年、2004年和2009年壓力最大區(qū)域都為東部下陸區(qū),但到了2014年壓力最大區(qū)域急劇擴(kuò)大。以武漢市及周邊區(qū)域?yàn)榇?該地區(qū)壓力迅速上升,妨礙了當(dāng)?shù)厣稚鷳B(tài)安全指數(shù)的提升。

(4)湖北省森林生態(tài)安全重心演變分為兩個(gè)階段：第一階段(1999年至2007年)從西北向東南遷移距離了1.6km,年均遷移0.2km；第二階段(2007年至2014年)從東往西遷移了1.75km,年均移動(dòng)0.25km,移動(dòng)速度較快。第一階段的重心遷移說明湖北省東南幾個(gè)區(qū)縣森林保護(hù)工作做得較好,從而帶動(dòng)森林生態(tài)安全值的提升,而第二階段的重心遷移說明湖北西部區(qū)縣森林生態(tài)建設(shè)的成效較好,使得森林生態(tài)安全值提升較大,從而帶動(dòng)重心向西遷移。

5.2 討論

從本文分析結(jié)果來看,處于生態(tài)區(qū)位系數(shù)最高等級的中部和東部區(qū)域的森林ESI值卻屬于最差等級區(qū)域,說明人口、經(jīng)濟(jì)、廢水和廢氣的排放抑制了該區(qū)域森林的發(fā)展。以武漢市及周邊地區(qū)為例,盡管生態(tài)區(qū)位系數(shù)的等級最高,但從森林生態(tài)安全值來看,卻屬于湖北省最差等級的區(qū)域。因此,本文建議該地區(qū)政府、企業(yè)和居民高度重視植樹造林、森林維護(hù)和環(huán)境治理工作,并盡量減少對森林生態(tài)系統(tǒng)的破壞,為促進(jìn)該地區(qū)森林的發(fā)展創(chuàng)造出良好條件。

從森林生態(tài)安全的研究方法來看,目前指標(biāo)賦權(quán)大多運(yùn)用層次分析法和專家打分法,它們的優(yōu)點(diǎn)是能判斷各指標(biāo)在生態(tài)上的重要性,缺點(diǎn)是對各指標(biāo)的差異性重視不夠。本文熵權(quán)法與之相反,對各指標(biāo)的差異性較為重視,但無法分辨各指標(biāo)的生態(tài)重要程度[33-34],因此本文將在以后的研究中引入組合賦權(quán)法,即將客觀賦權(quán)法與主觀賦權(quán)法綜合起來[35- 38]。除此之外,其他學(xué)者對各指標(biāo)之間的相關(guān)性作了較為深入地分析,因此本文將加以借鑒,并引入主成分分析方法來進(jìn)行指標(biāo)篩選。本文生態(tài)區(qū)位系數(shù)僅考慮了氣象類指標(biāo)和地形類指標(biāo),但在影響森林植被的自然因素中,還有地質(zhì)、土壤、水文等因素沒有考慮進(jìn)來[39- 41]。地質(zhì)因素中,地質(zhì)構(gòu)造能夠影響地貌格局從而影響森林的群落分布,巖石中的礦物質(zhì)成分對森林植物生長有較大影響。土壤能夠給森林植物提供大量的養(yǎng)分,其中的有機(jī)質(zhì)、微生物和水分等是植物生長的必要條件。水文因素中,汛期、徑流量等對流域內(nèi)的地表水和地下水有較大影響,而這些水源是植物生長的重要因素。今后將在地質(zhì)類指標(biāo)中引入巖性-巖相、綜合地層、地質(zhì)構(gòu)造等指標(biāo),在土壤類指標(biāo)中引入土壤有機(jī)質(zhì)、土壤類型、微生物、水分等指標(biāo),在水文類指標(biāo)中引入汛期、結(jié)冰期、徑流量等指標(biāo)。

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