中國林地綠色利用效率時空差異分析

何亞芬,謝花林

江西財經大學生態文明研究院, 南昌 330013

林地不僅能夠產出直接的經濟價值,而且具有寶貴的生態價值[1]。但這兩種價值往往會產生沖突,沖突的根源表現在經濟利益往往在短期內就能看到,而林地的生態價值形成于長期的積累,一旦遭到破壞要想恢復則非常困難。在改革開放初期,絕大多數人都沒有意識到林地的生態價值,而只看到短期的經濟利益,從而導致林地的變化。劉紀遠等[2]通過解譯1980年代末、1995年、2000年、2005年和2010年等5期遙感影像圖,基于土地利用動態區劃的方法發現在1980—2000年之間,中國的林地減少了10.89×105hm2,主要集中在東北等重點林區有林地的砍伐和農耕區擴張對林地占用。這一時期,中國人口增長較快,人們從事的各類社會經濟活動加劇,造成具有相對較高收益的種植業快速發展,伴隨著耕地的擴張,林地面積不斷縮減,而這一土地利用變化多發生在山區河谷、溝谷、坡地及丘陵崗地等水熱自然條件較好的生態脆弱地區。將生態脆弱區開發用于農業生產,常常會造成水土流失、水質污染、土壤污染等生態和環境問題。例如,長江上中游不合理的耕作方式和毀林開荒,每年輸入長江的泥沙量達2×109t,其中2/3來自坡耕地。再如山西是全國水土流失面積大、分布廣、危害最嚴重的地區之一。據調查,山西水土流失面積達1.08×107hm2,每年平均向黃河、海河輸送泥沙4.56×108t。同時,由于天然林木價值不菲,我國傳統林區出現過量采伐和亂砍濫伐等問題。這種因亂砍濫伐造成的森林破碎和損失帶來嚴重的后果之一就是生物多樣性的減少,包括珍貴的林木樹種的減少以及因生境遭到破壞而出現的動物物種的滅絕[3- 4]。

20世紀90年代我國林地面積總量減少,生態環境問題頻出,1998年長江爆發歷史性的洪水給人們敲響了警鐘。1998年8月至2000年1月、2001年初,國務院先后批準實施六大林業重點工程規劃,并將其列入“十五”計劃。六大工程分別是：天然林資源保護工程、退耕還林工程、“三北”及長江中下游等重點防護林體系建設工程、京津風沙源治理工程、野生動植物保護及自然保護區建設工程、重點地區速生豐產用材林基地建設工程。2003年國家頒布了《退耕還林條例》,退耕還林進入全面依法實施的階段。國家實施六大林業重點工程的意義在于發揮森林作為“大自然總調度室”的作用,同時提高我國森林資源的蓄積量,滿足國民經濟各部門對森林資源的需求。事實證明,六大林業工程實施卓見成效,根據劉紀遠等[2]的測算結果：2000—2010年,我國的林地面積增加2.37×105hm2,主要集中在黃土高原、南方丘陵區等。盡管林地面積有所增加,但新增林地發揮的生態功能價值如何？與林地的投入相比,林地的產出,尤其是綠色產出是否是有效率的？福建和江西是我國森林覆蓋率最高的兩個省份,然而在不少研究中,這兩個省份無論是綜合生態功能服務價值還是單項生態功能服務價值都不能完全領先于中國的其他省份,原因出在哪里？

土地資源的利用是一個多投入、多產出的系統,評價其利用效率應該把多種投入與產出進行對比,考慮其綜合效率,才能真正說明評價單元效率的高低[5]。林地更是如此,除了經濟產出外,其帶來的生態服務價值對全球生態安全意義重大。因此林地綠色利用效率可以表達為在適度的投入水平下,維持林業經濟收益不降低的前提下,發揮出更多的林地生態功能價值。因此,本文在這樣的概念背景下評價林地的綠色利用效率。

從現有的文獻看,國內外學者運用不同的分析方法對林業效率進行評價,從投入角度,有對勞動投入要素—伐木工人的生產技術效率進行評價和分析[6],有對資金使用效率的分析評價[7- 9]以及對作為投入要素之一的土地的利用效率進行評價[1];從研究層次來看,學者們已經對特定的林木類型、產品、行業、區域等的林業效率開展了大量研究[10- 14],為林業效率的評價奠定了基礎。這些研究所考察的側重點各有不同,但他們的模型產出指標都是基于林業經濟效益設定的。對于林業這一產業來說,投入要素除了勞動和資本投入外,土地投入也是必要的,而林地作為一種土地利用類型,其利用過程會產生諸如氣候調節、土壤保持等的生態服務價值,在實際研究中,由于生態系統服務價值估算還沒有成熟的定價方法,多數學者都是采用一些替代法計算,但由于不同人對參數選取的差異,所得結果往往差異很大,從而限制了對林地生態系統服務功能及其價值的客觀認識[15-16],因此現階段將林地的生態服務功能價值納入到效率評價指標體系的研究較少。目前,在生態系統服務價值評估方面,國際上較為有影響力的是Costanza等[17]在Nature上發表的關于生態系統服務價值核算和聯合國資助的千年生態系統評估項目(MA)[18],謝高地團隊在兩者的基礎上對中國700位具有生態學背景的專業人員進行問卷調查,于2008年發布了符合中國實際情況的生態系統服務評估單價體系—當量因子表,該表于2015年被進一步改進,其評價結果更加客觀實用[16,19]。改進后的當量因子表被眾多學者廣泛用于國內生態系統服務價值的評估[20-22]并取得良好效果,因此本文嘗試基于當量因子表考察各研究年份的林地生態系統服務價值,將它們作為林地的綠色產出納入到效率評價中。

從效率的評價方法來看,DEA(數據包絡分析法)是應用最廣泛的效率計算模型,自1978年第一個DEA模型建立以來,理論研究不斷深入,應用領域也日漸廣泛,目前已成為管理科學和系統工程領域一種重要而有效的分析工具[23]。但作為傳統的效率計算模型,DEA也存在一些致命的缺點,它在評價效率時沒有考慮投入和產出的松弛問題,且可能會由于徑向及角度的選擇而帶來效率的測算偏差[24]。為了克服這一缺陷,Tone[25]提出了非徑向、非角度的SBM模型,該模型可以把松弛變量直接放入目標函數,從而可以全面考慮每個決策單元的輸入和輸出。Zhang等[24]、潘丹等[26]、謝花林等[27]將此方法應用到能源、農業產出和工業用地等的效率可持續性評價中并取得較好的研究成果。因此,本文選取SBM模型作為林地綠色利用效率的評價方法。

1 研究方法和數據

1.1 林地生態價值當量

根據千年生態系統評估(MA)[18]的方法,將生態系統服務分為供給服務、調節服務、支持服務和文化服務4大類[28],并進一步細分為食物生產、原料生產、水資源供給、氣體調節、氣候調節、凈化環境、水文調節、土壤保持、維持養分循環、生物多樣性和美學景觀等11種服務功能[19]。根據千年生態計劃(MA)[18]給出的定義,食物生產是指將太陽能轉化為能食用的植物和動物產品。原材料生產是指將太陽能轉化為生物能,給人類作建筑物或其他用途。水資源供給是指由各生態系統提供的、為居民生活、農業(灌溉)、工業過程等使用的水資源。氣體調節是指生態系統維持大氣化學組分平衡,吸收SO2、吸收氟化物、吸收氮氧化物。氣候調節是指對區域氣候的調節作用,如增加降水、降低氣溫等。水文調節功能是指生態系統截留、吸收和貯存降水,調節徑流,調蓄洪水、降低旱澇災害。凈化環境功能是指植被和生物去除和講解多余養分和化合物,滯留灰塵、除污等,包括凈化水質和空氣等。維持養分循環功能是指對N、P等元素與養分的儲存、內部循環、處理和獲取。保持土壤是指有機質積累及植被根物質和生物在土壤保持中的作用,養分循環和累積。美學景觀功能是指生態系統具有(潛在)娛樂用途、文化和藝術價值的景觀。林地兼具以上生態服務功能,本文采用價值當量法計算林地的生態功能價值當量,其中林地供給服務中的食物生產、原料生產和水資源供給的生態功能價值被計算在林地經濟產出中,為避免重復計算,這里僅考慮除食物生產、原料生產和水資源供給以外的8種生態服務功能。具體的林地生態系統服務價值當量因子對照表見表1。

表1 單位面積生態系統服務價值當量

該表部分摘自謝高地等[19]于2015年發表在《自然資源學報》第8期第30卷《基于單位面積價值當量因子的生態系統服務價值化方法改進》的文章上

1.2 林地綠色利用效率評價方法

作為DEA(數據包絡分析)模型的改進,SBM模型增加了投入或產出要素的松弛變量,從而使得在評價投入或產出存在非零松弛問題方面的效率時更客觀更準確。該模型的基本形式為：

從公式中可以看出：SBM模型將投入和產出的松弛量直接放入目標函數中,不僅能測算出各個決策單元的綠色利用效率值,還能得出特定決策單元與最優決策單元相比較的期望產出不足率和投入冗余率,從而為各地區提供相應的綠色利用效率改善方向。當生產單元存在效率損失(即ρ< 1)時,基于松弛變量,可以將綠色效率損失的來源分解為：(1)投入冗余,表示投入要素的可縮減比例;(2)期望產出不足,表示期望產出的可擴張比例。

1.3 數據和變量

考慮到林地的投入產出,最終選取了林業用地面積、林業從業人員人數、固定資產完成額作為投入指標,林業總產出作為經濟產出指標,調節功能價值、支持功能價值和景觀功能價值作為林地利用的綠色產出指標。從第五次全國森林資源清查(1994—1998年)開始采用修訂后的技術規定和技術標準,為保持數據的統一性,本文選取中國31省市(不包括香港特別行政區、澳門特別行政區和臺灣地區)1998年及以后的數據進行林地綠色利用效率評價,為了觀察林地綠色利用效率的時空變化,具體的研究年份分別為1998年、2003年、2008年景觀功能價值不包括森林旅游產值以及2013年,其中涉及到的林業用地面積(km2)、林業從業人員人數(人)、固定資產完成額(104元)以及林業總產出(104元)數據主要來源于對應年份的中國林業統計年鑒,其中固定資產完成額和林業總產出分別以固定資產價格指數和GDP平減指數以1998年為基期進行折算,而計算各類生態功能價值所需的各個區域的森林資源狀態主要來源于全國森林資源清查資料。

表2 林地綠色利用效率投入產出指標

2 林地綠色利用效率測算結果分析

2.1 林地綠色利用效率趨勢變化

以DEA-SOLBER PRO軟件為計算平臺,使用SBM模型測算中國31省市1998年、2003年、2008年和2013年的林地綠色利用效率,結果見圖1。

圖1 中國林地綠色利用效率變動趨勢 Fig.1 The trend of green utilization efficiency of forested land in China

圖1表明：1998年到2013年間中國31省市的林地綠色利用效率經歷了一個先下降后上升的過程。在1998—2008年期間,林地綠色利用效率持續下降,而在2008—2013年期間,林地綠色利用效率回升,從圖1上可以看出到2013年,中國31省市的林地綠色利用效率基本恢復到1998年的水平?？偟膩碚f,中國31省市的林地綠色利用效率都保持在相對較高的水平。分析林地綠色利用效率的變化趨勢,可能的原因是：一直以來,政府對林地的管制并不嚴格,毀林開荒、對天然林的亂砍濫伐一直存在,從而導致林地的質量和數量的雙重下降,這無疑導致了林地生態功能的削弱。而國家層面的六大林業工程于2000年左右經國務院正式批準,但從國家到地方,政策的實施需要一個過程,并且林木的生長也需要一定年限,因此林地綠色利用效率的恢復出現在2008年左右。

2.2 林地綠色利用效率的空間分布

根據計算結果,將4個時期的31個省市林地綠色利用效率均值制成圖2,圖3為31省市的林地綠色利用效率的時空分布圖。

圖2 中國31個省市的林地綠色利用效率Fig.2 Green utilization efficiency of forested land of 31 provinces and cities in China

圖3 中國31省市林地綠色利用效率時空分布圖Fig.3 Spatiotemporal distribution of forested land green use efficiency of 31 provinces and cities in China

首先,從圖2中可知,天津、內蒙古、黑龍江、上海、江蘇、浙江、山東、海南、云南以及西藏的林地綠色利用效率均值為1。這表明這10個省市的林地綠色利用是處在中國31省市的前沿面上,相對于其他21個省市,它們的林地綠色利用是有效率的。從空間區位上,除了黑龍江、內蒙古、西藏和云南,其余六省市都為東部沿海省市。一般來說,這些東部區域以其特有的區位優勢占據經濟有利位置,同時它們都屬于濕潤的海洋性氣候,雨量充沛,光溫條件好,有利于林木的生長,并且這些地區的森林資源主要為生態價值較高的闊葉林。而黑龍江、內蒙古、西藏以及云南的林地綠色利用優勢在于它們擁有中國主要的傳統林區：東北針葉林及針闊葉混交林和西南高山針葉林及針闊葉混交林。這些傳統林區森林質量好,物種豐富,生態價值極高。

林地綠色利用效率相對較高,也即效率值在0.6—0.9之間的的省市有：遼寧、吉林、安徽、福建、江西、河南、湖南、廣東、廣西和四川。這些地區在1998—2013年期間都經歷了林地綠色利用效率的變化,并且變化趨勢基本上都是先下降而后恢復。從區位上看,這些區域大都屬于季風氣候區,有較好的雨熱條件,利于林木的生長和恢復,但也是農業發展的優勢區域,所以容易發生林地向耕地轉變的情況。值得一提的是,福建、江西一直是我國森林覆蓋率最高的省份,但它們的林地綠色利用效率表現卻不是最好的,主要的原因是盡管這兩地的森林面積占比高,但他們森林質量整體不高,生態功能價值較高的森林資源較少。

林地綠色利用效率相對較低的地區主要分布在西北半干旱、干旱地帶,這些地區的森林資源稟賦較為稀缺,氣候條件也并不利于林木的繁殖和恢復,因此,這些區域的林地綠色利用效率較低。

林地綠色利用效率最低的為青海省,青海省地處高原,屬高原大陸性氣候,雨量偏少,森林資源稀缺,作為西部省份,其經濟發展較為落后,從而導致林地綠色利用效率偏低。此外,西部一些省份如陜西、甘肅和貴州的林地綠色利用效率在研究期內經歷了先下降后回升的發展趨勢,在20世紀90年代末到21世紀初,這幾個省份在追求經濟發展的過程中無計劃地亂砍盜伐森林(尤其是天然林)現象嚴重,盡管在2000年以后,天然林資源保護、退耕還林、三北防護林等各項林業工程相繼建設,但短期內依托工程建設的人工林的生態功能價值遠遠達不到天然林所提供的,這就是圖3中呈現的陜西、甘肅和貴州等省在1998—2008年期間林地綠色利用效率下降的原因;隨著林業工程二期、三期的繼續推進,林地面積在擴大,而早期林業工程的效果也逐漸顯現,這是圖3中陜西、甘肅和貴州等省在2008—2013年期間林地綠色利用效率回升的主要原因。同時,需要注意的是這幾個省份都是重要的生態脆弱區,一旦重要的關鍵生態用地被破壞,其恢復的難度非常大。

2.3 林地綠色利用效率的改善方向

根據SBM模型,當林地綠色利用效率值小于1時,松弛變量的大小可以反映林地綠色利用效率損失的原因。本文將2013年我國31省市投入變量除以對應的投入指標值得到投入冗余率,將林地產出松弛量除以相應的產出值得到林地產出不足率,以期得到林地綠色利用效率的改善方向,計算結果見表3所示。

表3 2013年林地綠色利用效率投入和產出的優化結果

(1)我國香港特別行政區、澳門特別行政區和臺灣省的數據尚沒有統計;(2)天津、內蒙古、吉林、黑龍江、上海、江蘇、浙江、山東、廣東、廣西、海南、云南和西藏的林地綠色利用效率值為1,為綠色利用效率有效區,因此,本表不包含這13個地區;(3)按照冗余率和不足率進行排序,*對林地綠色利用效率損失影響的最主要要素,**第二影響要素,***第三影響要素

從生產過程看,各省的林地面積投入的冗余率都為零,表3中絕大多數省份的勞動力投入和固定資產投入都是它們林地綠色利用效率損失的第一影響要素或第二影響要素,寧夏林地綠色利用效率損失的主要影響要素雖然沒表現在投入要素上,從數據結果看,其勞動力投入和固定資產投入也存在相當比例的冗余,說明導致我國林地綠色利用效率損失的原因主要集中在非自然資源要素投入上,一方面,由于林地獨特的自然屬性,區域地理及光、溫、水、熱、土壤營養等自然環境因素對林木生長有著不容忽視的作用;另一方面,當期的資本和勞動投入所產生的效果并不會完全在當年反映出來,林木的生長需要一個過程,其生態功能價值的產生也需要完整的生態系統結構,新生林木發展為成熟的森林生態系統需要較長的時間。對應到表3中可知,勞動力投入和資本投入冗余的省份大都在國家“六大林業工程”的實施范圍內,國家的重大林業工程一般在實施之初都會投入了大量的財力和人力,但總體林地綠色利用效率的回升卻在2008年左右(時間節點上可能比2008年更早)(圖2和圖3)。從另一個角度來看,相比于林地綠色利用效率值為1的13個省市區(不少省份也在“六大林業工程”的實施范圍內,如內蒙古、黑龍江和云南),表3中的省份確實存在資金和勞動力投入冗余的情況,過量投入實際上造成了資源的浪費。從林地綠色利用效率的改善方向來看,國家和地區的林業管理部門應分清林地綠色利用效率損失的本質原因,是資金和勞動力投入確實冗余還是生態功能價值的發揮存在滯后效應,對于資金和勞動力投入確實過剩的情況,相關部分應加大林業投入的重視,做到有的放矢,提高從業人員的積極性和技術素養。在產出方面,寧夏的美學景觀功能價值、支持功能價值和調節功能價值都嚴重影響了該區的林地綠色利用效率;安徽和江西的林地綠色利用效率則因調節功能價值和美學景觀功能價值的不足而受到影響;青海的林地綠色利用效率受林業經濟產出不足的影響較大;新疆則表現出林地的美學景觀功能和支持功能的不足。此外,北京、河北、山西、遼寧和新疆主要表現出支持功能價值的不足;福建、河南、湖北、湖南、重慶、四川、貴州和陜西主要表現在調節功能價值的匱乏;青海和寧夏則表現出美學景觀價值的不足。出現上述現象的原因是復雜的,一方面與區域的資源稟賦有很大關系,另一方面也說明了這些區域的森林資源質量存在問題或者說是森林生態系統服務功能還未完全表現出來。從上述結果看,表現出的林地生態功能價值的不足意味著這些區域林地在遭遇某些危機時的脆弱性。因此,從林地綠色利用效率改善的角度,區域林業部門可以在林種搭配上發揮功效,針對地區林地生態功能價值缺失情況,合理規劃森林類型和林木種類,同時加大對區域森林生態系統的構建和維護。

3 結論與討論

3.1 結論

本文基于SBM模型將林地的生態服務功能價值作為綠色產出測算了中國31個省(自治區、直轄市)在1998年、2003年、2008年和2013年的林地綠色利用效率,并分析了它們的時空差異,在2013年效率結果測算的基礎上給出了基于投入和產出的林地綠色利用效率改善途徑。

(1)從1998年、2003年、2008年以及2013年4個年份的結果看,中國31省市的林地綠色利用效率經歷了先下降后回升的過程。整體來說,中國31省市的林地綠色利用效率處在較好的狀態。從區域角度,林地綠色利用效率表現較好的主要是東部沿海經濟發達省市以及傳統森林資源豐富的地區。中部大部分省市在四個時期都經歷了效率下降而后回升的態勢,主要原因是這些區域的氣候條件既有利于森林的生長又有利于農業的發展,因此,在無監管或監管不嚴的情況下,林地容易轉變為耕地;而在有林地恢復工程的情況下,森林又有較快的恢復能力。

(2)在林地綠色利用效率改善方面,國內不少省份(包括北京、河北、山西、遼寧、安徽、福建、江西、河南、湖北、湖南、重慶、四川、貴州、陜西、甘肅、青海和新疆)存在勞動力和固定資產投入過剩的情況,原因可能是森林生態功能發揮滯后,也可能確實存在固定資產和勞動力的投入過剩,即存在資源浪費的情況;在產出方面,上述省份或多或少都存在某一類或幾類森林生態功能價值產出不足的情況。為此,林地綠色利用效率改善需要相關部門認清林地綠色利用效率損失的本質原因,對癥下藥,對確實存在投入冗余的情況,要加大重視程度,精簡人員,資金做到有的放矢。針對區域生態功能薄弱環節,應合理規劃森林類型和林木種類,同時注意對區域森林生態系統的構建和維護。

3.2 討論

在全球氣候變化和生態系統服務功能退化的大背景下,研究最重要的生態用地—林地的綠色利用效率顯得尤為關鍵。林地綠色利用效率不僅考慮了一般的投入產出,也將林地在利用過程中所提供的生態功能服務價值考慮在內,統一的價值當量法讓林地的生態功能價值與其經濟產出有了可比性,這填補了林業效率研究中無法納入生態功能價值這一產出的空白,也完善了土地利用綠色效率的相關理論。應當指出的是,文中林地生態功能價值估算采用的當量因子法是一種靜態的評估方法,對生態系統類型、質量狀況的時空差異缺乏考慮。同時,林業不同于農業,其當年投入后未必有產出,文中用5年的間隔來評價不同時期的林地綠色利用效率,也是希望能反映出林地產出滯后的效果,但這可能還不夠,林業產業的發展也會受到氣候、地域等一系列自然要素的限制,進一步林地綠色利用效率的滯后效應,區域的自然地理、氣候、土壤等影響因素考慮到林地綠色利用效率的評價模型中,將有助于提出科學的林地綠色利用效率改善的相關政策建議,這是未來重要的研究方向。