李 坦,陳天宇,米 鋒,馬龍波

基于變權(quán)理論和DPSIRM的中國森林生態(tài)安全評價

李 坦1*,陳天宇1,米 鋒2,馬龍波3

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院,安徽 合肥 230036；2.北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院,北京 100083；3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟學(xué)院,山東 青島 266109)

為克服常權(quán)權(quán)重不能精準刻畫生態(tài)和經(jīng)濟復(fù)雜交互關(guān)系的缺陷,結(jié)合變權(quán)理論和DPSIRM因果框架,構(gòu)建了包含6個子系統(tǒng)、23個具體指標的中國森林生態(tài)安全評價體系. 基于2006～2018年的中國統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)、林業(yè)統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù)資料,運用K-means聚類法和變權(quán)理論對中國大陸31個省(市、自治區(qū))(不包含臺灣、香港、澳門)的森林生態(tài)安全狀況進行評價. 結(jié)果表明:(1)在研究時期內(nèi),基于DPSIRM因果框架的中國森林生態(tài)安全總指數(shù)呈現(xiàn)“W”型總體上升的小幅波動趨勢;(2)經(jīng)過變權(quán)處理后,狀態(tài)子系統(tǒng)平均權(quán)重最大達到0.0781,管理和響應(yīng)子系統(tǒng)次之,分別達到0.0728和0.0640,管理子系統(tǒng)平均得分呈“N”型變化趨勢,與其他子系統(tǒng)相互作用顯著,對森林生態(tài)安全具有全局性影響. (3)研究期內(nèi),大部分省(市、自治區(qū)) 森林生態(tài)安全綜合評估值呈現(xiàn)平穩(wěn)上升或先降后升趨勢,僅有遼寧、西藏等地區(qū)波動下降. 區(qū)域森林生態(tài)安全狀況差異明顯,西南地區(qū)平均得分最高達0.3414,西北、華東、華中地區(qū)平均得分遠低于各地區(qū)平均水平0.2794. (4)中國的森林生態(tài)安全狀況整體呈改善趨勢,但各省(市、自治區(qū))之間森林生態(tài)安全狀況呈現(xiàn)嚴重分化現(xiàn)象,傳統(tǒng)林業(yè)優(yōu)勢地區(qū)森林生態(tài)安全狀況較好,而經(jīng)濟高速發(fā)展地區(qū)的森林生態(tài)風險較大. 建議在未來的森林生態(tài)安全管理中需重點關(guān)注生態(tài)脆弱區(qū)和經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),在加強現(xiàn)有森林資源保護的基礎(chǔ)上,繼續(xù)大力實施和推進林業(yè)生態(tài)恢復(fù)工程建設(shè).

森林生態(tài)安全；變權(quán)；DPSIRM模型；K-means聚類

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地最大的生態(tài)系統(tǒng),不僅是生態(tài)環(huán)境的重要安全屏障,也是實現(xiàn)資源永續(xù)利用、人們健康生活和可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ).目前,森林生態(tài)安全已成為關(guān)系到國土安全的經(jīng)濟問題和社會問題.對森林生態(tài)安全狀況的定量估計與評價預(yù)測已日益成為自然資源可持續(xù)發(fā)展決策領(lǐng)域的重要參考依據(jù),合理評價森林生態(tài)的安全狀況對人類生存發(fā)展至關(guān)重要[1-2].近年來,在高度重視構(gòu)建全域生態(tài)文明的政策背景下,探索合理評價區(qū)域森林生態(tài)安全的新方法和新方式尤顯重要.

目前學(xué)界對森林生態(tài)安全的系統(tǒng)性共識為:對森林生態(tài)安全的合理評價、優(yōu)化與管理不是一個獨立系統(tǒng),而是一個包含如經(jīng)濟、環(huán)境等諸多子系統(tǒng)在內(nèi)的,交互耦合與協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng). 在這一復(fù)雜系統(tǒng)中,由于自然界及社會經(jīng)濟發(fā)展過程本身存在著諸多不確定因素,因此會給森林生態(tài)安全優(yōu)化評價帶來一定困難和挑戰(zhàn). 基于此,現(xiàn)有研究主要從以下4個視角展開:一是探索不同的森林生態(tài)安全評價指標體系概念模型,如傳統(tǒng)的壓力-狀態(tài)-響應(yīng)(PSR)模型[3]、壓力-狀態(tài)(PS)模型[4]、壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(PSIR)模型[5]、驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)(DPSIR)模型[6]、資源-氣候-壓力-響應(yīng)模型[7]、壓力-承壓模型[8]等;二是尋求確定指標權(quán)重的新方法,包括定量計算分析與綜合評價模型等,以變異系數(shù)法[7]、層次分析法[4]、序關(guān)系分析(G1)法[9]、熵權(quán)法[10]、主成分分析法[8]、組合權(quán)重法[11]等常權(quán)方法為代表;三是對不同空間尺度的森林生態(tài)安全進行考察,如基于省域[12]、市域[13]、縣域[9]層面的研究備受關(guān)注,全國層面[14]的研究相對較少;四是對不同時間尺度的森林生態(tài)安全進行評價,多為以時間點即某一年[15]、短暫連續(xù)周期[16]為研究時期.由于數(shù)據(jù)口徑較難統(tǒng)一,10a以上作為研究周期的研究相對不足.

回顧已有研究[3-16]發(fā)現(xiàn):盡管森林生態(tài)安全評價在學(xué)界已經(jīng)有了豐富的積淀,但從動態(tài)角度對森林生態(tài)安全進行指數(shù)化評價研究仍存在拓展空間: (1)驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)-管理(DPSIRM)模型作為經(jīng)典的因果網(wǎng)絡(luò)模型,已廣泛用于各類國土資源安全評價,如流域水資源[17-18],但森林生態(tài)安全評價未見報道;(2)對指標體系的權(quán)重通常使用常權(quán)系數(shù)[4,7-10],過度依賴專家經(jīng)驗,主觀色彩強烈.同時,忽略了時間效應(yīng)和不確定性的影響.在隨狀態(tài)值變化而變化的權(quán)重設(shè)置的均衡發(fā)展綜合評價方面,現(xiàn)有研究涉及較少;(3)研究范圍多局限于區(qū)域[9,12-13],缺少對全國范圍森林生態(tài)安全狀況的全面系統(tǒng)研究,研究周期相對較短[15-16].

鑒于此,本文基于DPSIRM因果分析框架,構(gòu)建中國森林生態(tài)安全綜合評價體系,運用變權(quán)理論與方法對比分析中國及各區(qū)域的動態(tài)變化差異.本文有利于補充和豐富森林生態(tài)安全評價的理論,對推動森林生態(tài)理論體系的發(fā)展與指導(dǎo)現(xiàn)實中的相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)管理實踐提供一種新的思路.

1 研究框架、分析方法及數(shù)據(jù)來源

1.1 森林生態(tài)安全的DPSIRM框架及指標體系

森林生態(tài)系統(tǒng)是一個包含多種自然環(huán)境因素和社會經(jīng)濟因素的復(fù)雜系統(tǒng).隨著人類活動對森林生態(tài)系統(tǒng)有害干擾的加劇,傳統(tǒng)的動力學(xué)模型如DPSIR模型等無法完整體現(xiàn)人類社會因素的作用,也無法實現(xiàn)森林生態(tài)安全概念中對人類社會高度關(guān)注的概念內(nèi)核.為了實現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)安全這一目標,盡可能全面反映各類因素對森林生態(tài)安全的相互作用及貢獻,本研究引入了因果網(wǎng)絡(luò)模型中的DPSIRM模型來構(gòu)建指標體系. 該模型是在原有的DPSIR模型基礎(chǔ)上,引入了管理(Management)子系統(tǒng)模塊——代表人類因環(huán)境狀態(tài)改變主動采取應(yīng)對措施,所投入的成本.根據(jù)此模型框架,建立了基于DPSIRM的森林生態(tài)安全因果關(guān)系網(wǎng)絡(luò),該模型可以反映對森林生態(tài)安全產(chǎn)生影響的各類因子,體現(xiàn)各因子之間的牽制作用,有助于分析中國森林生態(tài)安全的影響機制.

根據(jù)DPSIRM因果模型框架,參考相關(guān)研究成果[5,10,14,18-25],結(jié)合森林生態(tài)系統(tǒng)各類影響因子的系統(tǒng)性要求,考慮到指標的可操作性,研究建立了包含3個結(jié)構(gòu)層次,23個具體指標的評價指標體系(表1).

驅(qū)動力指標():設(shè)立5個指標,反映森林生態(tài)安全發(fā)展的驅(qū)動力.借鑒已有研究[14],設(shè)置反映自然區(qū)位條件驅(qū)動的3個正向指標,年降水量(1)、年平均氣溫(2)和年日照時數(shù)(3);還包括反映地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展驅(qū)動的2個指標,包括1個正向指標,人均GDP(4)——能衡量地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平,經(jīng)濟發(fā)展水平影響著民眾對森林生態(tài)的保護意識,以及政府對森林生態(tài)建設(shè)的財政支持力度[19];1個逆向指標,第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重(5)——能反映地區(qū)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模,產(chǎn)值越高資源開采和環(huán)境破壞強度越大[20].

壓力指標():借鑒已有研究[20-22],通過4個逆向指標表示森林生態(tài)安全承受的壓力.包括廢水排放強度(1)——污水不僅會直接危害森林安全,還會通過改變土壤特性間接危害森林安全[21];二氧化硫排放強度(2)——指一定時期內(nèi),地區(qū)工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)過程中排放廢氣的總體強度,強度越大,對森林生態(tài)體系危害就越大[22];建設(shè)開發(fā)強度(3)——指建設(shè)用地面積占國土面積比重,能夠反映土地開發(fā)利用度,該指標值越大,人類活動對自然環(huán)境產(chǎn)生的壓力越大[20];森林旅游開發(fā)強度(4)——開發(fā)森林旅游是人類占用森林資源的主要表現(xiàn)形式,該指標反映了人類占用森林資源的壓力及強度[20].

狀態(tài)指標():借鑒已有研究[5,14,22-23],設(shè)立4個正向指標,反映地區(qū)森林生態(tài)在當前階段的承載力狀況.包含森林覆蓋率(1)[14]——指森林面積占行政區(qū)面積的百分比,可以反映森林資源覆蓋程度和實際占有率;林分每公頃林木蓄積量(2)——指單位林地面積上林木材積比率,是反映森林資源健康狀況的重要指標[23];天然林比重(3)——反映林分結(jié)構(gòu),天然林生態(tài)穩(wěn)定性強,生態(tài)功能完備,其比重越高森林生態(tài)越好[22];人均森林面積(4)——是指區(qū)域內(nèi)按人口平均每個人所占有的森林面積量,反映了各地區(qū)森林資源的豐富程度[5].

影響指標():借鑒已有研究[10,14,18],設(shè)立 4個逆向指標,反映森林生態(tài)變化產(chǎn)生的影響.包括自然災(zāi)害直接經(jīng)濟損失占GDP比重(1)——反映森林生態(tài)對氣候環(huán)境的影響,指標值越小,表明森林生態(tài)越好,氣候調(diào)節(jié)作用顯著[18];土地沙化面積比重(2)——反映森林生態(tài)對地質(zhì)形態(tài)的影響,指標值越小說明森林生態(tài)越好,水土保持作用顯著[10];森林病蟲鼠害發(fā)生率(3)和森林火災(zāi)受災(zāi)率(4)——反映森林生態(tài)對自身生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響,病蟲鼠害和火災(zāi)是森林主要自生災(zāi)害,是導(dǎo)致林業(yè)損失的重要因素,指標值越小說明森林生態(tài)越好,生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越強[14].

響應(yīng)指標():借鑒已有研究[5,10,24],設(shè)立3個正向指標,反映人類社會在森林生態(tài)系統(tǒng)受到威脅或破壞后被動采取的補救性措施. 包括新增水土流失治理面積比重(1)——指地區(qū)在水土流失地域,通過植樹造林等各種人工治理措施,所成功治理的土地面積占國土面積的比重,指標越高反映森林生態(tài)治理情況越好[24];自然保護區(qū)面積比重(2)——指地區(qū)為了保護脆弱自然生態(tài)系統(tǒng)和瀕危動植物所劃定的自然保護區(qū)面積占國土面積的比重,反映了政府對生態(tài)系統(tǒng)保護建設(shè)的重視程度和保護力度[10];造林總面積比重(3)——指地區(qū)在宜林荒山荒地或退耕地上,人工營造的森林面積占地區(qū)國土面積的比重,反映了人工造林力度和綠色發(fā)展狀況[5].

管理指標():管理指標是人類更加主動實施積極的干預(yù)和恢復(fù)森林生態(tài)秩序的表現(xiàn).借鑒已有研究[25],設(shè)立3個正向指標,反映人類社會為應(yīng)對生態(tài)環(huán)境變化而主動采取的管理措施.包括林業(yè)投資強度(1)——反映地區(qū)林業(yè)各項建設(shè)資金投入總規(guī)模,充足的投資是加強林業(yè)建設(shè)和保障森林安全的重要基礎(chǔ)[25];工業(yè)污染治理投資強度(2)——反映了地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展中投入的污染治理成本,是地區(qū)污染治理力度的重要體現(xiàn),指標值越高污染治理力度越大[17];林業(yè)管理人力投入強度(3)——指地區(qū)林業(yè)系統(tǒng)從業(yè)人員數(shù)量與森林面積之比,能夠反映地區(qū)林業(yè)建設(shè)和管理人力規(guī)模.

表1 森林生態(tài)安全評價體系

續(xù)表1

注:“+”表示正向指標,“-”表示負向指標.

1.2 變權(quán)綜合評價方法

森林生態(tài)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的、動態(tài)的自適應(yīng)系統(tǒng),具有非線性反饋、閾值、滯后效應(yīng),動態(tài)性明顯.在森林生態(tài)安全的綜合評價問題中,一般用權(quán)重表示各類指標的重要程度.已有研究[11-15]通常以常權(quán)方法為主,不能實現(xiàn)整個指標體系發(fā)展的均衡性和動態(tài)性,變權(quán)方法可以有效解決這一問題.具體原理和計算過程如下:

1.2.1 變權(quán)原理 變權(quán)理論最早由汪培莊[26]提出,其主要原理為:指標權(quán)重隨著指標狀態(tài)值的變化而變化,從而使該指標在綜合評價中更好地體現(xiàn)其重要程度.變權(quán)向量由指標的常權(quán)向量和狀態(tài)變權(quán)向量的Hadamard乘積構(gòu)成,因此,計算指標變權(quán)向量,應(yīng)確定該指標對應(yīng)的常權(quán),再利用變權(quán)函數(shù)進行變權(quán)處理.

變權(quán)方法通過動態(tài)調(diào)整權(quán)向量,不僅考慮了評價指標的相對重要性,而且考慮了評價指標狀態(tài)值的組間水平對評價指標權(quán)重的影響,即評價指標的權(quán)重隨各評價指標狀態(tài)值的變化而變化[27].變權(quán)理論在評價森林生態(tài)安全指標體系權(quán)重設(shè)置方面具有以下意義:

(1)當進行省域森林生態(tài)安全的DPSIRM因果分析時,需綜合考慮整個系統(tǒng)的均衡發(fā)展.結(jié)合變權(quán)方法特點,建立懲罰占主導(dǎo)的混合型變權(quán)函數(shù),對基礎(chǔ)權(quán)重進行重新分配.根據(jù)K-means聚類、專家打分和經(jīng)驗判斷給定指標區(qū)間容許閾值,對指標接近“最優(yōu)閾值”時加大權(quán)重(激勵),對指標接近“最差閾值”時降低權(quán)重(懲罰),對指標處于“上下閾值”區(qū)間內(nèi)時不做處理,視同常權(quán),凸顯各項指標內(nèi)部差異性對森林生態(tài)安全整體的綜合影響,以測量森林生態(tài)安全的均衡發(fā)展.

(2)由于森林生態(tài)系統(tǒng)具有自我修復(fù)的能力,因此如人類各項活動在森林生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的容許閾值內(nèi)可認為對森林生態(tài)安全影響較小.但如果對森林生態(tài)安全的脅迫累積超過其自身恢復(fù)的閾值時,就可能造成不可逆的影響.結(jié)合變化趨勢,變權(quán)方法可以細分為指標激勵型、指標懲罰型變權(quán)和激勵-懲罰混合型3種類型[28](表2).為體現(xiàn)森林生態(tài)安全的不可逆特征,本文采用了激勵-懲罰混合型方法,具體設(shè)置為降低權(quán)重的幅度比增加權(quán)重的幅度略大,構(gòu)建混合型變權(quán)的效用函數(shù).需要指出的是,懲罰-激勵變權(quán)僅指根據(jù)變權(quán)原理和安全閾值對數(shù)據(jù)本身的權(quán)重進行動態(tài)處理,不具備相應(yīng)的字面含義.

表2 變權(quán)模式與效用函數(shù)

基于變權(quán)方法的森林生態(tài)安全綜合評價的基本思路是:首先,制定反映省域森林生態(tài)安全的DPSIRM因果框架的指標體系和指標容許閾值區(qū)間;其次,通過確定各因子的常權(quán)權(quán)重,根據(jù)閾值區(qū)間,對指標權(quán)重進行調(diào)整制定出各因子的“變權(quán)”;最后,將DPSIRM因果評價框架內(nèi)的各指標整合成一個整體的綜合評價值.具體操作如下:

1.2.2 運用熵權(quán)法確定常權(quán)權(quán)重 在構(gòu)造變權(quán)權(quán)重之前,先使用熵權(quán)法確定常權(quán)權(quán)重,可以有效避免主觀因素影響.計算步驟為:

(1)計算指標下,評價對象的標準化值v:

正指標:

逆指標:

式中:=1,…,,=1,…,,x為指標的實際值,min(x)、max(x)為指標最小和最大的實際值.

(2)計算指標的熵值e:

(3)確定指標的靜態(tài)權(quán)重W0:

式中:W0是指標體系的起始權(quán)重,代入變權(quán)公式(7)中.

1.2.3 運用變權(quán)方法確定動態(tài)權(quán)重 在變權(quán)方法的指導(dǎo)下,森林生態(tài)安全評價體系中各類具體指標的功能效用都具有邊際遞減性.為更好地反映自然條件限制和約束人類行為,應(yīng)當采取嚴格否定的模式即否定幅度高于肯定幅度,從而避免限制性指標在優(yōu)勢指標作用下被掩蓋.基于此,本次研究構(gòu)造了懲罰占主導(dǎo)的混合型變權(quán)函數(shù),具體計算過程為:

(1)根據(jù)上文定義,構(gòu)建指數(shù)型狀態(tài)變權(quán)函數(shù):

式中:v為原始數(shù)據(jù)經(jīng)過標準化處理后的值;d1,d2,d3∈[0,1]表示各變權(quán)區(qū)間的閾值,其中d1為最差閾值,d2為中間閾值,d3為最優(yōu)閾值,故d2即代表否定水平,d3即代表肯定水平;e≈2.17為自然對數(shù)的底數(shù);表示權(quán)重變化水平,其取值越高,變權(quán)效果越顯著[29];反映總的權(quán)重變化程度,越小,否定(肯定)的程度反而越大[28].

借助MATLAB軟件進行100多次賦值測試,在保證變權(quán)效果顯著,且不發(fā)生權(quán)重降低(增加)過度的情況下,本研究的參數(shù)項最佳取值范圍為0￡￡1, 1￡￡2,且經(jīng)測試=0.8,=1.5的效果最好.

(2)確定變權(quán)區(qū)間:

運用變權(quán)方法,首先需要確定各個指標的變權(quán)區(qū)間.參考文獻[30],本研究以-means聚類法為主,輔以專家打分法、數(shù)據(jù)對比法(與其他地區(qū)平均水平橫向?qū)Ρ?與本地區(qū)歷年水平縱向?qū)Ρ?進行判定和修正,來共同確定變權(quán)區(qū)間(圖1).森林生態(tài)安全各指標在空間分布上具有關(guān)聯(lián)性和差異性,這種關(guān)聯(lián)和差異性不僅體現(xiàn)在氣溫、降水等自然環(huán)境指標上,在社會經(jīng)濟指標上也有體現(xiàn),并最終體現(xiàn)在森林生態(tài)安全狀況的空間相關(guān)性上[9-10].-means聚類法能夠很好利用和反映這一特征,其原理就是把每個變量看成是多維空間上的一點,定義點與點、類與類間的距離,利用空間距離遠近來對變量進行分類.此外,-means聚類可以自主選定聚類數(shù)量和迭代次數(shù),在確保區(qū)間結(jié)果客觀可靠的同時,具有較強可控性.

基于SPSS軟件,運用-means算法對數(shù)據(jù)進行迭代分類,為了得到最差閾值、中間閾值、最優(yōu)閾值3個變權(quán)區(qū)間閾值,將不同年份的各類指標劃分為4個變權(quán)區(qū)間,設(shè)定對應(yīng)的分類類別為4類,設(shè)置迭代次數(shù)為10次.具體操作過程為:

首先確定初始聚類中心,然后不斷迭代,直至類中心不再發(fā)生變化,從而停止迭代,得到最終聚類中心和聚類成員信息.根據(jù)聚類成員信息對聚類結(jié)果進行分析,可得到各指標與4個分類類別對應(yīng)的6個分類臨界值.在確定分類臨界值的基礎(chǔ)上,依據(jù)下式確定所需的3個變權(quán)區(qū)間閾值:

式中:d表示第個指標的第個變權(quán)區(qū)間閾值;f表示第個指標的第個分類臨界值.

圖1 變權(quán)區(qū)間確定流程

對每年的每項指標按照相同步驟重復(fù)操作,可以獲取各年份各項指標的區(qū)間閾值,從而得到完整的變權(quán)區(qū)間. 整個過程共需處理115列指標數(shù)據(jù),最終計算得到345個區(qū)間閾值,組合得到460個初始區(qū)間,再結(jié)合專家打分法和數(shù)據(jù)對比法,對不合理區(qū)間結(jié)果進行修正,得到最終變權(quán)區(qū)間(表3).

表3 指標值變權(quán)區(qū)間

注:平均最差、中間和最優(yōu)閾值的參考依據(jù)為:①為通過均值聚類法確定;②為通過林學(xué)、生態(tài)學(xué)、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域?qū)＜掖蚍中拚?③與其它地區(qū)平均水平橫向?qū)Ρ刃拚? ④與本地區(qū)歷年水平縱向?qū)Ρ刃拚?

(3)計算森林生態(tài)安全的動態(tài)權(quán)重W:

式中:=1,…,,=1,…,,指標體系的靜態(tài)權(quán)重0已由熵權(quán)法計算得到.

(4)計算省域森林生態(tài)安全綜合評價得分Z:

1.3 研究對象與數(shù)據(jù)來源

本文以中國大陸地區(qū)31個省(市、自治區(qū))(不包含臺灣、香港、澳門)為研究對象,鑒于統(tǒng)計資料口徑的變化,依據(jù)指標最早可追溯年份,將研究時期確定為2005～2017年.本研究所使用的數(shù)據(jù)資料主要來源為:(1)各類生態(tài)環(huán)境指標均來自于相應(yīng)年份的《中國林業(yè)統(tǒng)計年鑒》[31]、《中國環(huán)境統(tǒng)計年鑒》[32]和中國國家氣象局公開數(shù)據(jù); (2)各類經(jīng)濟社會指標均來自于相應(yīng)年份的《中國統(tǒng)計年鑒》[33]及各省統(tǒng)計年鑒、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報. 所有數(shù)據(jù)操作均在MATLAB和SPSS軟件中進行.考慮到森林的生長周期,為了提高數(shù)據(jù)的準確性,本研究以3a為間隔,選取2005, 2008, 2011, 2014和2017年作為代表年份,評價全國及各省域的森林生態(tài)安全動態(tài)變化及差異.

2 結(jié)果與分析

2.1 變權(quán)方法下的各子系統(tǒng)權(quán)重變化

一般來說,指標權(quán)重越大,對評價結(jié)果的影響也越大.通過將變權(quán)權(quán)重和常權(quán)權(quán)重進行對比,可以發(fā)現(xiàn):

經(jīng)變權(quán)處理后,各指標平均變動幅度約6.58%,最大變動幅度約13.13%(表4).從指標層次來看,驅(qū)動力、響應(yīng)、管理子系統(tǒng)權(quán)重總體增大,壓力、狀態(tài)、影響子系統(tǒng)權(quán)重總體減小;其中,狀態(tài)子系統(tǒng)平均權(quán)重最大,管理和響應(yīng)次之.這表明,目前森林自身健康狀況是造成各地區(qū)森林生態(tài)安全存在差異的主要因素,在政府財政支持下實施的森林生態(tài)治理和林業(yè)建設(shè)措施影響顯著.驅(qū)動力子系統(tǒng)中,經(jīng)濟類指標(4、5)平均權(quán)重要高于自然類指標(1、2、3),表明經(jīng)濟因素已經(jīng)成為森林生態(tài)安全的主要驅(qū)動力.

從指標性質(zhì)來看(表4),逆向指標權(quán)重普遍減小;正向指標中,除了管理子系統(tǒng),驅(qū)動力和響應(yīng)子系統(tǒng)中的部分指標(1、4、1)外,指標權(quán)重普遍減小.逆向指標中,第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重(5)的平均權(quán)重最大,森林旅游開發(fā)強度(4)和土地沙化面積(2)的平均權(quán)重次之,是森林生態(tài)安全的主要威脅.正向指標中,人均森林面積(4)平均權(quán)重最大,林業(yè)投資強度(1)和水土流失治理面積(1)的平均權(quán)重次之,是維護森林生態(tài)安全的主要因素.

表4 權(quán)重變化

2.2 中國森林生態(tài)安全動態(tài)評價

2.2.1 森林生態(tài)安全總體演變特征 中國的森林生態(tài)安全綜合評價值整體呈現(xiàn)“W”型總體上升的小幅波動趨勢(圖2).整體發(fā)展可以分為4個階段:2005～2008年處于下降階段,原因在于這一時期經(jīng)濟快速發(fā)展帶來的環(huán)境污染問題嚴重,森林生態(tài)受到破壞;2008～2011年呈上升趨勢,2011～2014年有所回落,可能的原因是經(jīng)濟發(fā)展放緩,財政扶持相對力度下降.2014～2017年大幅提升,可能的原因在于以大氣污染防治為代表的環(huán)境治理措施成效顯著,森林生態(tài)發(fā)展壓力減小,同時政府加大林業(yè)投資,開展國土綠化行動,森林生態(tài)安全得到改善.

圖2 全國森林生態(tài)安全指數(shù)

由各子系統(tǒng)指數(shù)(子系統(tǒng))計算結(jié)果(圖3)可知,驅(qū)動力和狀態(tài)子系統(tǒng)的得分最高,影響和壓力子系統(tǒng)得分最低.其中,驅(qū)動力子系統(tǒng)自2011年后逐年提升趨勢明顯,主要受到人均GDP指標大幅提高,第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重下降的雙重影響,表明我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型成效顯著,經(jīng)濟發(fā)展水平和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)合理性不斷提升,為森林生態(tài)安全發(fā)展提供了經(jīng)濟支持.壓力子系統(tǒng)總體呈現(xiàn)上升趨勢,原因在于隨著經(jīng)濟發(fā)展,人類活動對森林生態(tài)影響持續(xù)擴大,具體表現(xiàn)為建設(shè)開發(fā)強度和廢水排放強度的提升.狀態(tài)子系統(tǒng)中,雖然各項造林護林措施促進了森林覆蓋率、林分每公頃林木蓄積量等指標的增長,但是受新增林面積增加和人口增長影響,天然林比重降低,人均森林面積也未得到顯著提升,雙重影響下狀態(tài)子系統(tǒng)總體呈現(xiàn)平穩(wěn)波動趨勢.

影響子系統(tǒng)呈波動上升趨勢,主要原因是隨著森林生態(tài)環(huán)境改善,森林的氣候調(diào)節(jié)功能和自身生態(tài)穩(wěn)定性提升,表現(xiàn)為自然災(zāi)害直接經(jīng)濟損失占GDP比重、森林病蟲鼠害和森林火災(zāi)發(fā)生率指標的降低.響應(yīng)子系統(tǒng)得分較高,說明各項林業(yè)工程和生態(tài)治理措施有效促進了造林面積比重和自然保護區(qū)比重等指標的提升,對森林生態(tài)安全影響顯著.管理子系統(tǒng)呈“N”型波動趨勢. 2008年的管理指數(shù)為研究期內(nèi)最高值,可能的原因是2008年,在舉辦北京奧運會的背景下,全國投入了大量財政資金治理環(huán)境污染.而2008年后,國家環(huán)境治理投資增加速度遠落后于GDP增長速度,環(huán)境污染治理投資占GDP總量指標大幅下降,導(dǎo)致管理指數(shù)在2014年達到最低值,隨著近年來社會環(huán)保意識增強,各項新型環(huán)境規(guī)制政策如河長制、林長制的相繼出臺,管理指數(shù)有所回升.

圖3 DPSIRM模型各子系統(tǒng)指數(shù)變化情況

2.2.2 地區(qū)森林生態(tài)安全演變特征 為研究中國森林生態(tài)安全的時空變化趨勢,本文將中國劃分為華中、華北、華東、華南、西北、東北、西南7個地區(qū),并進行對比分析.

地區(qū)森林生態(tài)安全指數(shù)(地區(qū))均值呈南部地區(qū)顯著較高的特征(圖4).西南(0.3414)、華南(0.2946)、東北(0.2877)、華北(0.2854)地區(qū)平均得分較高. 西北(0.2712)、華東(0.2427)、華中(0.2421)地區(qū)的平均得分較低,低于全國平均(0.2794).從變化趨勢上看,各地區(qū)的綜合指數(shù)基本呈現(xiàn)持續(xù)增加或先降后增趨勢.華南地區(qū)上升趨勢最為明顯,這表明在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),隨著產(chǎn)業(yè)升級和發(fā)展方式轉(zhuǎn)變,對森林資源的粗獷利用和破壞逐漸減少,同時社會環(huán)保意識不斷提升,在資金和技術(shù)支持下,森林生態(tài)安全狀況有所改善.

圖4 地區(qū)森林生態(tài)安全指數(shù)

通過對三大重點林區(qū)(東北林區(qū)、西南林區(qū)和南方林區(qū))森林生態(tài)安全得分(林區(qū))進行對比分析,可以發(fā)現(xiàn),西南林區(qū)平均得分最高(0.3814)、東北林區(qū)次之(0.2926)、南方林區(qū)最低(0.2696).從變化趨勢上看,西南林區(qū)綜合得分呈先降后升趨勢;東北林區(qū)綜合得分呈平穩(wěn)波動趨勢;南方林區(qū)綜合得分上升趨勢最為明顯,表明在綠色經(jīng)濟的高速發(fā)展下,各項林業(yè)生態(tài)工程順利開展,三大林區(qū)的森林生態(tài)安全得到了有效的管理與保護,對我國的林業(yè)生態(tài)安全具有重要的支持和代表意義.

從地理區(qū)位上看,長江流域、黃河流域和珠江流域由于面積廣闊、資源豐富,流域林業(yè)生態(tài)安全一直被高度關(guān)注.研究發(fā)現(xiàn),三大流域的森林生態(tài)安全指數(shù)(流域)總體差異不大,其中珠江流域平均得分最高(0.2891)、長江流域次之(0.2870)、黃河流域最低(0.2745).從變化趨勢上看,珠江流域綜合得分逐年上升趨勢明顯;長江流域綜合得分呈現(xiàn)波動上升趨勢;黃河流域綜合得分呈先降后升趨勢.以上結(jié)果充分體現(xiàn)了近年來“構(gòu)建山水林田湖草生命共同體”生態(tài)修復(fù)理念對推動與提升三大流域林業(yè)生態(tài)安全的積極作用.

圖5 省域森林生態(tài)安全指數(shù)

2.2.3 省域森林生態(tài)安全演變特征 從省域森林生態(tài)安全得分(省域)均值來看(圖5),西藏(0.5442)、北京(0.3963)、廣西(0.3403)較高;天津(0.2084)、安徽(0.1971)、新疆(0.1962)較低,遠低于全國平均水平(0.2794).前者中,西藏地區(qū)先天自然環(huán)境優(yōu)越,森林資源豐富,并且地廣人稀,人類活動對自然環(huán)境影響輕微;北京排名較高主要由于其經(jīng)濟發(fā)達,人均GDP等經(jīng)濟指標較高,并且產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以高新產(chǎn)業(yè)為主,經(jīng)濟活動對環(huán)境影響小;廣西省水熱條件優(yōu)越,森林覆蓋率排名全國前列,森林質(zhì)量較好,災(zāi)害發(fā)生率低,同時政府大力扶持林業(yè)建設(shè),林業(yè)投資強度指標較高.這些因素共同作用使得它們綜合得分較高.后者中,各項社會經(jīng)濟指標是天津和安徽森林生態(tài)安全得分較低的主要因素.天津工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)達,工業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境污染嚴重,二氧化硫排放強度等指標較高,此外天津森林資源不豐富,森林覆蓋率等指標處于全國末尾,且森林病蟲鼠害嚴重;安徽經(jīng)濟發(fā)展較差,產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以第二產(chǎn)業(yè)為主,人均GDP較低,同時對環(huán)境問題和林業(yè)發(fā)展重視度不足,污染治理和林業(yè)建設(shè)投入較低;新疆深據(jù)西北內(nèi)陸,水熱條件較差,森林資源先天不足,沙化土地廣布,自然因素是其排名較低的主要因素,此外新疆經(jīng)濟發(fā)展較為落后,對林業(yè)建設(shè)和環(huán)境治理的財政支持力度有限.從變化趨勢上看,大部分省域森林生態(tài)安全指數(shù)呈現(xiàn)平穩(wěn)上升或先降后升趨勢.僅遼寧、西藏地區(qū)波動下降.這表明我國省域森林生態(tài)發(fā)展狀況良好,森林生態(tài)安全總體水平逐步改善.

表5 省域森林生態(tài)安全指數(shù)排名

從各省歷年森林生態(tài)安全指數(shù)排名變化看(表5),北京、西藏、安徽等大部分省(市、自治區(qū))排名較為穩(wěn)定.寧夏、陜西、福建等省(市、自治區(qū))排名有大幅波動,一方面可能是受到統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)的準確性影響,另一方面可能受到可變性較大的壓力、響應(yīng)和管理子系統(tǒng)中某些指標影響,如政府財政投入變化,導(dǎo)致林業(yè)投資強度和工業(yè)污染治理投資強度指標大幅變化.也可能是由于林業(yè)工程和生態(tài)治理措施執(zhí)行情況發(fā)生變化,導(dǎo)致造林總面積比重和水土流失治理面積比重指標發(fā)生較大變化.

3 討論

通過與已有研究[11-15]的評價結(jié)果進行對比分析發(fā)現(xiàn):

(1)由于在計算時采取變權(quán)的評價模式,和已有研究[14]相比,本研究計算的省域森林生態(tài)安全指數(shù)總得分較低,但總體排名趨同;(2)本研究結(jié)果顯示中國森林生態(tài)安全狀況整體呈現(xiàn)“W”型總體上升的小幅波動趨勢,與已有研究結(jié)論基本一致[14,25].西南、華南、東北地區(qū)的森林生態(tài)安全評價評分較高,呈現(xiàn)趨優(yōu)趨勢,與已有研究[21,34-35]結(jié)果一致,充分體現(xiàn)了三大重點林區(qū)森林生態(tài)安全的屏障作用;(3)從省域森林生態(tài)安全排名上看,本研究結(jié)果顯示西藏、北京和廣西較高.其中,北京常年位居第2名(常權(quán)與變權(quán)結(jié)果一致),與現(xiàn)有研究如劉心竹等[15]研究結(jié)論一致.天津、安徽、新疆較低,其中,新疆、天津森林生態(tài)安全狀況與已有研究[8,15,25]結(jié)果一致;而安徽省森林生態(tài)安全狀況與已有研究[15]的結(jié)果存在差異,可能的原因是受到了近年來經(jīng)濟高速發(fā)展過程中第二產(chǎn)業(yè)占比過高和財政投入不合理的影響. 綜合來看,變權(quán)方法的引入進一步凸顯了地區(qū)森林生態(tài)安全狀況的不足,明晰了地區(qū)間生態(tài)安全狀況的差異,為科學(xué)評價中國的森林生態(tài)安全工作提供了新的思路與借鑒.

基于此,本文得到以下啟示:在進行森林生態(tài)安全管理時,需重點關(guān)注各省重點林區(qū)如生態(tài)脆弱區(qū),物盡其用,合理布局,運用基于自然的解決方案做好生態(tài)修復(fù),進一步健全森林生態(tài)安全保護紅線制度和林長制制度,繼續(xù)扶持與推進各項林業(yè)生態(tài)工程,建立健全林業(yè)政策體系,完善森林生態(tài)安全評估配套保障體系,建立大數(shù)據(jù)森林生態(tài)安全發(fā)布平臺;對人口密集,產(chǎn)業(yè)發(fā)達的地區(qū),要合理規(guī)劃土地利用方案,鼓勵營造城市綠地,因地制宜打造森林城市,做好污染防治工作,加大對森林的投資與保護,保護與利用相結(jié)合,實現(xiàn)經(jīng)濟與生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展.

4 結(jié)論

4.1 根據(jù)變權(quán)處理后的權(quán)重系數(shù)可知,狀態(tài)子系統(tǒng)平均權(quán)重最大,管理子系統(tǒng)和響應(yīng)子系統(tǒng)次之.表明森林自身健康狀況是造成各地區(qū)森林生態(tài)安全存在差異的主要因素,同時森林生態(tài)治理和林業(yè)建設(shè)措施等管理因素的影響顯著.驅(qū)動力子系統(tǒng)中,經(jīng)濟類指標平均權(quán)重大于自然類指標,表明盡管自然區(qū)位條件是決定森林生態(tài)安全的基礎(chǔ),但經(jīng)濟因素也是森林生態(tài)安全發(fā)展的主要驅(qū)動力.逆向指標中,第二產(chǎn)業(yè)占GDP比重、森林旅游開發(fā)強度等經(jīng)濟指標平均權(quán)重最高,森林病蟲鼠害發(fā)生率等自然災(zāi)害指標次之,是威脅我國森林生態(tài)安全的主要壓力來源.

4.2 在DPSIRM因果模型中各子系統(tǒng)的綜合評價得分中,驅(qū)動力和狀態(tài)子系統(tǒng)的得分最高.在研究期內(nèi),驅(qū)動力子系統(tǒng)上升趨勢明顯,顯著推動了森林生態(tài)安全指數(shù)的提高,反映了隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平不斷提升,在強大經(jīng)濟基礎(chǔ)支持下實施的各項林業(yè)生態(tài)治理措施取得了顯著成效.管理子系統(tǒng)呈“N”型變化趨勢,與其他子系統(tǒng)相互作用顯著,對森林生態(tài)安全具有全局影響.

4.3 根據(jù)DPSIRM因果模型的中國森林生態(tài)安全得分可知,我國森林生態(tài)安全得分雖然總體呈現(xiàn)先減后增的小幅波動趨勢,但是地區(qū)分布差異顯著,呈現(xiàn)南部高北部低分布趨勢.值得關(guān)注的是,盡管多數(shù)省域森林生態(tài)安全得分呈現(xiàn)波動上升趨勢,但遼寧、西藏等省(市、自治區(qū))的森林生態(tài)安全狀況仍呈逐漸惡化趨勢.

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Evaluation of China's forest ecological security based on variable weight theory and DPSIRM.

LI Tan1*, CHEN Tian-yu1, MI Feng2, MA Long-bo3

(1.School of Economics & Management, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China；2.College of Economics and Management, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China；3.College of Economics Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)., 2021,41(5)：2411～2422

This study combined the variable weight theory and the DPSIRM causality framework to construct an evaluation system with 6subsystems and 23 indicators for forest ecological security in China. The constructed system was applied to evaluate the status of forest ecological security of 31 provinces (cities, autonomous regions) in China during 2005～2017, drawing on data collected mainly from 2006～2018 China Statistical Yearbook and forestry statistical yearbook and using the K-means clustering method guided by the variable weight theory. The results showed that: (1) During the study period, China's forest ecological security measured by the DPSIRM-based index exhibited an overall increasing yet slightly W-shaped fluctuating trend. (2) The mean value of the variable weight was found to be the highest for the State subsystem (0.0781), followed by the Management (0.0728) and Response (0.0640) subsystems. The mean score of the Management subsystem showed an N-shaped changing trend, significantly interacting with the other subsystems and substantially affecting overall forest ecological security. (3) The comprehensive value of forest ecological security in most provinces showed either a steady increase or a fluctuating upward trend, while the values in Liaoning, Tibet and the other areas fluctuated and declined. There were evident differences in the status of regional forest ecological security, as the mean score of Southwest China was as high as 0.3414 but the mean scores of Northwest China, East China and Central China were much lower than the national average level of 0.2794. (4) The overall situation of forest ecological security in China revealed an improving trend at the national level, albeit with a serious divergence phenomenon across regions at the provincial level. Specifically, areas with traditional forestry advantages possessed relatively benign situation of forest ecological security, while those with rapid economic development entailed higher ecological risk. It was suggested that forest ecological restoration projects should be vigorously implemented and promoted by prioritizing ecologically fragile areas and economically developed areas to strengthen the protection of existing forest resources.

forest ecological security；variable weights；DPSIRM model；K-means;

X171,S718.5

A

1000-6923(2021)05-2411-12

李 坦(1986-),女,安徽銅陵人,博士,副教授,主要從事自然資源評價方面研究.發(fā)表論文30余篇.

2020-10-14

國家自然科學(xué)基金資助項目(71873003);國家自然科學(xué)基金資助項目(71503004)

* 責任作者, 副教授, litan@ahau.edu.cn