林業產業與森林生態系統耦合度測度研究

董沛武，張雪舟

(北京理工大學管理與經濟學院，北京，100081)

一、引言

隨著經濟發展，我國在向著更加堅實的小康生活水平邁進同時，在生態環境方面也付出了沉重的代價。如何系統科學地統籌林業產業經濟功能與森林資源的生態保護功能，進而實現林業產業增長模式轉變，提高林業經濟效益，促進人與生態環境協調發展，是當前社會面臨的日益迫切問題，對其進行研究具有重要的理論價值。

目前國內學者多是側重于定性方面研究，以證實生態環境與林業產業系統間存在耦合性為目的，并以分析二者間的耦合關系和結構為主要研究內容。我國生態學研究先驅馬世駿先生于上世紀80年代結合系統工程優化等方法最早提出了耦合思想［1］。之后，任繼周(1994)正式提出了系統耦合的概念，說明相似的生態系統間具有互相親和的趨勢，并指出其核心是作為原動力與反饋的能量，但未對他們之間的耦合趨勢做量化方面的測度［2］。2000年以來，王兆君(2000)認為森林生態環境與林業產業這兩大體系，在經濟建設中，既相互聯系又相互矛盾，同時分析了兩者的內涵、功能、目標以及協同條件，并提出了兩大體系協同發展的思路［3］;劉思華(2000)、王秋菊(2006)等學者則從結構的角度，分析了森林認證方面，即林業產業結構調整、林業產業管理體制與經營機制改革等對我國林業產業發展產生的影響［4-5］。總體而言，國內林業產業與生態關系研究主要集中在耦合關系和耦合機制方面，方法主要采用擬合分析和層次分析等方法，專門針對森林生態與林業產業兩個系統之間的耦合狀況，做精細測度分析的研究還較少。

本文基于現有研究已證實的生態與產業間存在的耦合關系，利用耦合原理和統計測度方法，對林業產業與森林生態的耦合度做定量研究，分析森林生態環境與林業產業之間的耦合關系，構建基于灰色關聯度的綜合評價指標體系，以伊春林業局為例，通過實地調研，進行樣本和因子分析，并對主要因子做耦合度量化分析，說明林業產業和森林生態間的協同關系和耦合狀態。

二、林業產業與森林生態系統耦合度定義

(一)耦合系統

耦合原本是物理學概念，指系統間或運動方式間通過各種內在機制互為作用，形成一體化的現象。林業產業是以經營和利用森林資源為基礎，為社會提供林產品和生態效益，涉及國民經濟第一、第二和第三產業多個門類，涵蓋范圍廣、產業鏈條長、產品種類多的復合產業群體［6］。而森林生態是一個系統，包括生物成分和非生物環境。其中的生物成分按照生物類別來說，包括動物、植物和微生物三大類;若按照在能量固定和轉化中所起的作用，則可以分為生產者、消費者和分解者［7］。由此可見，他們都同屬于林業的范疇，之間具有鮮明的因果關系和緊密的聯系，表現為林業產業系統的生存與發展極大地依賴于森林資源的持續性供給，同時林業產業發展又可進一步促進造林、營林業的發展和森林資源的數量和質量的提高。兩個系統中存在著能量、信息等的相互作用和影響，從而形成了一個相互協調和影響的系統，即耦合系統，表現出一系列特征和協同進化的發展趨勢。

(二)系統耦合度

當把耦合概念運用于自然或社會經濟兩個(或兩個以上)具有因果關系的系統通過相互作用形成一個新的整體系統時，稱之為系統耦合。耦合的系統中有物流、能量、信息流的循環，包含有錯綜復雜的因子。研究系統耦合關系的協調、反饋和發展的機理、機制，稱之為系統耦合理論。耦合的因子分析是考察系統耦合發展規律及其協同效應的重要手段和工具［8-12］。

為了從整體上判別森林生態與林業產業兩個系統耦合強度大小，我們利用數學公式定義耦合度，其度量值為兩個系統各項指標間耦合度的算術平均數。本文將利用灰色關聯度的方法計算關聯度矩陣，在此基礎上進一步構造森林生態與林業產業系統相互關聯的耦合度模型，通過該模型可以從時空兩個角度定量地評判中國林業產業與森林生態系統耦合的協調程度，其計算公式為:

式中:m、l分別為森林生態與林業產業系統的指標數，C(k)為系統耦合度。

(三)耦合度模型的選擇

為了對林業產業和森林生態的耦合關系與協調程度進行定量評價，在考慮林業產業與森林生態系統耦合作用的交錯性與復雜性同時，還考慮到兩個子系統的關聯性和時序性，因此本文采用了能較全面分析系統多因素相互作用的灰色關聯度模型。其基本原理是:通過對系統的統計序列幾何關系的比較來分清系統中多因素間的關聯程度，序列曲線的幾何形狀越接近，則它們之間的關聯度越大［13］。選擇灰色系統關聯度分析方法還基于如下考慮:

(1)林業耦合系統及其子系統是一個難以全面采集信息的灰色系統。系統的功能、產生原因及評價指標的確定是明晰的，即森林的生態功能和林業產業的經濟性，產生原因在于森林的存在，及這些指標是什么很容易確定。而問題在于指標與功能之間的過程模糊，各功能間關系復雜多樣，呈現出空間和時間的差異，系統復雜性特征顯著，表現出灰色系統的特征。

(2)生態效益評價的間接性。可以假定，森林生態的功能就是由這些全部或部分指標決定，是一定樹木和林地生態功能共同作用的結果。在評價視角選擇上，當結果難以評價的時候，可以用評價原因的方法來間接評價結果。因此，就本文的林業耦合系統而言，可以采用顯性指標來評價灰色系統的功能(顯性指標指可以得到詳盡數據的森林生態指標)，正如文獻所述，對森林相關的特征的評價在一定程度上可以代表涵養水源生態效益的評價［14］。

(3)灰色關聯度法具有較強的客觀性。當針對一地區的森林生態進行評價時，對該地區的森林類型進行較全面的調查過程中，以林種為參考研究該地區最佳生態效益與產業效益，各項指標與系統功能呈正相關，各森林類型或指標與灰色系統矩陣的關聯度評價，能夠盡量避免主觀因素［14］，具有一定的現實性和客觀性。

(4)評價方法的保序性。通過對現有灰色關聯度方法的分析與篩選，考慮到灰色關聯度現有計算方法多數不具備規范性的特點，在實際應用中，保序性尤為重要［15］。因此，在運用灰色關聯度分析森林生態系統和林業產業系統間耦合度時，采用斜率關聯度進行分析更為適用。

三、耦合度模型的建立

(一)數據的標準化處理

鑒于指標的原始數據量綱不同，為了能夠橫向對比和縱向比較，在進行關聯分析之前，首先對數據進行標準化處理。去量綱方法有初值化、均值化、中值化等。

如:極差標準化的方法對數據進行了無量綱化處理:

或者采用公式(3)的標準化方法處理數據:

初值化方法，即每個序列各個時刻的數值除以該序列的第一個數值，得出一個新的序列。即

(二)斜率灰色關聯度應用

通過與其他計算方式的比較，只有斜率關聯度在數據標準化后具有保序性的特點，其計算方法如下，

其中，Δxi(k)=xi(k+1)－Δxi(k)，i =0，1，2，┄，m;k=1，2，┄，n－1。

在求得ιi(k)之后，對其求取平均數即得新關聯度ri

實質上，斜率關聯度也是利用參考序列曲線和比較序列曲線的相對變化率(斜率)的差值來定義關聯度。對于斜率關聯度，可以對ti(k)進行化簡，其分母變為。從中可看出，在各個區間段上，若序列曲線X0與Xi變化趨勢越接近，即兩序列曲線越接近于平行，則的值越小，ιi(k)越大，ri的值越接近1。斜率關聯度與常用的一般關聯度一樣;對兩序列曲線整體相似性的度量是基于對序列曲線局部相似性的度量。從斜率關聯度的計算公式容易看出斜率關聯度滿足無量綱化處理后的保序性，均值化、初值化不會改變關聯度序集。

將關聯系數按樣本數k 求其平均值，可以得到一個關聯度矩陣γ，它反映了森林生態與林業產業耦合作用的復雜關系。通過比較各個關聯度γij的大小，可以分析出林業產業系統中哪些因素與森林生態發展關系密切，而哪些對森林生態系統作用不大。若取最大值γij=1，則說明林業產業系統某一指標Yj(k)與森林生態系統某指標Xi(k)之間關聯性大，并且說明Yj(k)與Xi(k)的變化規律完全相同，單個指標間耦合作用明顯。若0 ＜γij＜1 說明Yj(k)與Xi(k)有關聯性，γij值越大，關聯性越大，耦合性越強，反之亦然。具體地，當0 ＜γij≤0.35時，關聯度為弱，兩系統指標間耦合作用弱;當0.35 ＜γij≤0.65時，關聯度為中，兩指標耦合作用中等;當0.65 ＜γij≤0.85時，關聯度為較強，兩指標耦合作用較強;當0.85 ＜γij≤1時，關聯度為極強，兩指標相互作用的規律幾乎一樣，耦合作用極強［16］。

(三)耦合度的測算

在關聯度矩陣基礎上分別按行或列求其平均值，得到公式(7)。根據其大小及對應的值域范圍可以遴選出林業產業對森林生態最主要的脅迫因素，以及森林生態對林業產業最主要的約束因素。

其中，i=1，2，┄l;j=1，2，┄m.

為了從整體上判別森林生態與林業產業兩個系統耦合強度大小，我們在式(6)的基礎上進一步構造森林生態與林業產業系統的相互關聯的耦合度模型(8)，通過該模型可以從時空兩個角度定量評判某地區的森林生態與林業產業系統耦合的協調程度，其計算公式為:

式中:m，l分別為森林生態系統與林業產業系統的指標數，C(k)為耦合度。

四、實例分析

(一)雙豐林業局的基本概況

雙豐林業局位于我國東北小興安嶺南麓，呼蘭河上中游南岸。始建于1953年，隸屬于伊春林管局。該局現有林場4 個，經營所7 個。局下設農場、路管所、電業局、貯木場、醫院、學校、公檢法等38 個基層單位，各項基礎設施基本完備。

雙豐林業局有過輝煌歷史。自1953年建局至今，累計生產木材約1000 萬m3，總產值10 億元，上繳利稅1.1 億元，為國民經濟發展做出較大貢獻［17］。但由于計劃經濟體制以及“重采輕育、重取輕予”決策的長期影響，使雙豐林業局的森林可采資源和社會經濟曾一度陷入危困局面，需要進行產業結構調整。

(二)構建評價指標體系

本文通過對有關森林生態和相關林業產業指標設計的文獻進行統計，從中選取了近年來研究者使用頻度較高的指標，并通過與雙豐林業局的考察，初步確定森林生態系統的指標包括森林環境、森林資源、生態效益3 個方面，林業產業新系統的指標包括固定資產投資、林業產業總產值和經濟效益3 個方面的確定了一般的指標體系。通過對該林業局5年的數據先進行標準化處理，然后進行因子分析、主成分分析和獨立性分析，對指標進行篩選和檢驗，剔除不符合要求的指標，同時根據主成分提取的結果，得到最終的評價指標體系［18-26］，結果如(表1)所示:

(三)應用耦合度模型進行測算

根據上一節中耦合度模型的方法，首先對樣本數據進行標準化處理，以去掉量綱，獲得統一指標。再將森林生態和林業產業的樣本數據分別帶入斜率關聯度的計算公式，經過計算得出森林生態與林業產業各指標平均關聯系數表，如(表2)所示。

表1 評價指標體系表

表2 森林生態與林業產業各指標平均關聯系數表

各主成分之間的耦合如(表3-5)所示:

表3 森林生態系統的各指標對整個林業產業系統耦合系數表

表4 林業產業系的各指標對整個森林生態系統耦合系數表

表5 森林生態與林業產業各主成分耦合系數表

從以上的3 個表中可以看出，各指標間的結果范圍為［0.1887，0.6185］，低于0.35 的指標值說明它們兩者之間的耦合關系很弱，將是提高關聯度和改進林業產業政策的重點。尤其是X11，森林面積和所有的林業指標值都偏低，其中X11 森林面積對映指標Y14 成本費用利潤率、指標Y15 第三產業(多種經營)以及指標Y16 第二產業(加工)的耦合度是最低的，應當對他們進行高度關注，將是提高耦合度和進行政策指導的重點。

森林生態系統中第一主成分的耦合度為0.4809，其中指標X13 活立木總蓄積量和指標X14人的行為，這2 個指標的耦合度較高，說明受其影響較大;第二主成分的耦合度為0.451，小于第一主成分，其中各指標的耦合度較為接近。

林業產業系統對森林生態系統的耦合度，第一主成分的耦合度為0.462，其中指標Y14 成本費用利潤率和指標Y15 第三產業(多種經營)，這2個指標的耦合度水平較低，分別為0.383 和0.381，其余接近均值，則說明第一主成分受該2 個指標的影響較大，提高關聯度可以從這2 個方面入手，同時在之后的政策意見是也從該方面入手;第二主成分的耦合度較高為0.512，高于其他部分，且其中各指標的耦合度較為接近，說明在第二主成分中的各個指標對于森林生態系統的影響程度較為接近，且有較強的相關關系。總的來說，森林生態系統中的第一主成分與林業產業系統中第二主成之間的耦合度為0.5355 較高，高于總體的耦合度，說明它們具有非常強的相關關系。

通過該模型，可以從定量評判該區域的森林生態與林業產業系統耦合的協調程度，計算公式(8)為:

根據表2 的數據，帶入公式求得系統耦合度C(k)=0.47，說明雙豐林業局林區的森林生態與林業產業系統耦合關系為中等，說明兩個系統相互影響的作用一般。

(四)基于耦合度測度的林區發展對策

通過上述分析，林業局應以增強生態功能、提升生態效益為基本目標，以“生態主導、保護優先”為基本原則，從可持續發展的角度，對森林生態與林業產業耦合系統如何達到良性互動平衡采取行動。按照保護優先、分區施策、分類經營的原則，通過人工造林、封山育林、森林經營、濕地恢復等措施，對森林生態系統、濕地生態系統實施全面、全方位保護，提高生態功能，促進林區生態持續好轉。

堅持以經濟轉型促進生態保護，加快轉變經濟發展方式，大力調整產業結構。充分發揮林區自然資源稟賦條件好、生態環境優良、勞動力資源豐富的優勢，積極發展綠色、生態和大量吸納就業的產業，構筑以生態為主導的現代林區綠色產業體系，實現林區由林業經濟向林區經濟轉型。同時充分發揮現有相關政策的效能，進一步改革創新，研究制定促進林區生態保護與經濟轉型的新政策，保障規劃目標和重點任務的實現。

五、結束語

森林生態與林業產業系統的耦合研究對我國的林業發展具有重要意義。本文從定量的角度，對森林生態與林業產業系統的耦合度進行研究，分析了林業產業及森林生態系統的要素、功能和關系，以此為基礎，構建了森林生態系統和林業產業系統的耦合度評價指標體系，并結合灰色關聯度中的斜率關聯度方法，建立了森林生態系統與林業產業系統的耦合度評價模型。最后，運用伊春市雙豐林業局近年來的數據資料，測得該地區的森林生態系統與林業產業系統間的耦合度，討論了二者間的耦合關系，并提出了以增加森林面積和調整產業結構為主的政策建議。

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