北京市森林生態安全預警時空差異及其驅動機制

陳 妮,魯莎莎,*,關興良

1 北京林業大學經濟管理學院, 北京 100083 2 全國市長研修學院, 北京 100029

生態安全預警是指通過對生態系統破壞、環境污染和資源消耗等警兆進行識別,以及分析警源的變化,采用定性和定量相結合的預警模型提前對某種隱蔽存在或突發性警情進行預報[1],以達到提前預防和控制不安全因素的目的[2],對生態安全的維護具有重要意義,引起了國內外學者的關注。國外的生態安全預警評價主要集中在生態風險評價[3]和生態系統穩定性評價[4]兩方面,評價模型主要有PSR[3]、DPSEEA[5]和ECCO[6],已具有較為完整的概念體系和系統的操作方法。相對而言,國內的相關研究起步較晚,始于20世紀90年代后期,研究內容涉及水系統承載力監測與預警[7]、土地生態安全狀態預警[8]、濕地系統分析和預測[9]等方面；研究尺度涉及城市[10]、旅游地[11]及自然保護區[12]等方面。在預測預警方法上,灰色GM(1,1)模型[13]、能值分析[14]、BP神經網絡[15]等方法在生態安全領域均有應用。目前,關于森林生態安全預警的研究尚處在發展階段,學術界為促進該領域的發展開展了相應的研究。譬如,毛旭鵬等[16]基于PSR模型,采用BP神經網絡對長株潭森林生態安全進行預警研究,預測2012—2014年森林生態安全狀況都將處于“輕警”狀態。

總的來說,生態安全預警相關研究取得了積極進展,但針對森林生態安全預警的研究尚存在諸多不足：(1)基于SD模型的森林生態安全預警研究理論體系尚未構建；(2)實例研究中很少綜合運用數理模型及地理信息系統(GIS)等空間分析技術；(3)缺乏開展森林生態安全預警動態監測、預警演變及調控、驅動力機制的綜合性研究；(4)已有研究大多集中在區域尺度,很少涉及區縣,對森林生態安全預警的區域內部差異分析則更少,無法為一個區域制定差異化的政策提供支撐。為此,本文以國際大都市北京為例,嘗試運用SD模型對其森林生態安全的發展趨勢進行預測預警分析,并從綜合視角考察其驅動機制,以期豐富森林生態安全研究的相關方法和模型,為促進北京森林生態環境建設與林業可持續發展提供支持。

1 研究方法

1.1 森林生態安全預警系統仿真模型構建

1.1.1 系統仿真模型因果反饋圖的構建

森林生態安全預警系統是由若干個內部關系錯綜復雜、相互聯系緊密的子系統所組成的森林-社會經濟-環境復合系統。本研究根據森林生態安全預警系統各子系統的相互影響、相互作用的關系,研究SD模型因果關系流程圖,并在此基礎上,建立森林生態安全仿真預警模型的因果反饋流程圖(圖1),子系統因果反饋流程圖參見魯莎莎等人[17]研究。

圖1 森林生態安全系統仿真預警模型的因果反饋流程圖Fig.1 The causal feedback flowchart of simulation warning model for forest ecological security system

1.1.2 系統仿真模型參數設定

模型中的參數選取依據統計數據來確定,其中人口增長率、森林蓄積量增長率、工業污染治理系數、環保投資系數等較為穩定的指標,按照歷史數據2009—2015年間的算術平均值加以確定；而變量間關系不明顯或隨時間變化的變量采用表函數的方式予以定義,如人均GDP、對環境的社會關注度等。本文使用的森林資源數據來源于2010—2016年的首都園林綠化政務網和《第八次森林資源清查》；社會經濟數據來源于《北京市統計年鑒》和《北京區域統計年鑒》；氣象統計數據來源于《北京市環境保護局環境狀況公報》；其他相關數據來源于相關文獻資料、文件以及研究報告。

1.1.3 系統仿真模型檢驗

為了驗證模型的運算結果與客觀實際的吻合程度,運用北京市生態安全預警的歷史數據(2009—2015年)對模型進行檢驗(圖2)。首先選取3個子系統主要狀態變量作為檢驗參數,參數分別為年末人口數量、森林總蓄積量和空氣質量二級以上天數；然后以2009年為基準年,1年時間為步長,模擬2009—2015年主要變量值；最后對比分析模擬數據與實際數據并計算相對誤差。通過比較可知,模擬數值與實際數值誤差小于10%,符合一致性要求,因此用此模型來預測2016—2030年北京市森林生態安全預警數據是較為可靠的。

圖2 參數校正檢驗圖Fig.2 Parameter correction test for 2009—2015

1.2 森林生態安全預警綜合評價模型

1.2.1 指標體系確立與權重計算

森林生態安全是指在一定的時空范圍內,在一定外界環境和人為社會經濟活動等影響下,森林生態系統能夠實現自我調控和自我修復,維護自身生態系統可持續性、復雜性、恢復性、服務性的狀態[17- 18]。研究基于森林生態安全的內涵,依據數據可獲性、代表性和易操作性原則,采用文獻歸納法和層次分析法構建森林生態安全預警評價指標體系。采用AHP法和熵權法相結合進行權重賦值[19],其優勢是能把復雜系統的決策思維進行層次化,將決策過程中的定性和定量因素有機結合起來。首先采用極差標準化方法將所有指標的原始數據進行歸一化處理,使所有指標無量綱化；然后分別通過熵權法和AHP法得到各評價指標的權重；最后利用WAA算子[20]加權匯總確定各指標綜合權重值Wi。計算公式為：

Wi=aW1i+(1-a)W2i

(1)

式中,Wi為i指標的綜合權重；W1i和W2i分別為采用AHP法和熵權法計算得出的該項指標i的權重值；a為該項指標的WAA算子。權重計算結果見表1。

表1 北京森林生態安全評價指標

1.2.2 森林生態安全警度區間確定

依據上述模型,計算出北京市14個區縣2009—2030年的森林生態安全預警指數,基于ArcMap自然斷裂點的分類情況,結合專家咨詢意見,確定0.35、0.50、0.65、0.75為分類臨界點,將生態系統安全綜合指數劃分為5個等級(表2),分別對應5個預警警度區間：巨警(很不安全)、重警(較不安全)、中警(不安全)、輕警(較安全)、無警(安全)。

表2 北京市森林生態安全預警警度劃分

2 北京市森林生態安全預警值的時空演變特征

2.1 北京市森林生態安全預警值的時序演變特征

2.1.1 北京市整體演變特征

北京市森林生態安全預警指數整體雖呈現波動增長態勢,但生態安全仍面臨“中警”威脅(圖3)。2009—2015年,預警指數呈略有下降態勢,但幅度不大,由0.5217下降到0.5158；警度由“中警”降為“重警”,然后再上升為“中警”,并最終維持在“中警”狀態。根據預警結果可知,2016—2030年,北京市森林生態安全的警度仍將保持這一趨勢,維持在“中警”狀態,預警指數呈上升態勢,森林生態安全狀況呈現改善態勢,但不明顯,需要采取措施加以改善和調控。

圖3 北京市2000—2030年森林生態安全預警指數變化趨勢Fig.3 The change trend of early warning index of forest ecological security of Beijing in 2000—2030

2.1.2 四大功能區演變特征

2006年北京城市總體規劃將北京市域劃分為首都功能核心區(東城、西城),功能拓展區(朝陽、海淀、豐臺、石景山),城市發展新區(昌平、順義、房山、大興、通州),生態涵養區(延慶、密云、懷柔、平谷、門頭溝)。由于首都功能核心區森林蓄積量為零,因此只研究其他3個區域(表3)。14個區縣中,延慶森林生態安全預警指數最高,3個時期均在0.7以上,預警指數最低的是石景山,在0.35以下。總體上,功能拓展區森林生態安全水平最低,3個時期平均值在0.4以下,其次是城市發展新區,預警指數均在0.5以上,生態安全水平最高的生態涵養區,預警指數穩定在0.65以上。2009—2015年,城市發展新區和生態涵養區的預警指數平均值呈現不同程度的上升，而功能拓展區的平均值則呈現下降趨勢。2016—2030年,各區域的平均值均有所提升,森林生態安全狀況得到改善。

2.1.3 各區縣時序演變特征

研究區14個區縣森林生態安全預警指數的變化可以分為3種類型：一是持續上升型：包括延慶、密云、懷柔、平谷、門頭溝、昌平、順義、房山和石景山區；二是先降后升型：包括朝陽、大興、豐臺、通州；三是持續下降型：海淀區。2009—2015年,僅海淀、朝陽、豐臺、石景山和大興區的森林生態安全預警指數有所下降,其他9個區縣皆有所增加。其中,海淀區的預警指數降低幅度最大,為0.0821。2016—2030年,除海淀外,其他區縣的預警指數均有所上升,森林生態安全狀況有所改善,但改善幅度較小。

2.2 北京市森林生態安全預警值的空間演變特征

從空間分布特征看(圖4),預警指數的等級處于Ⅱ級以下區縣位于北京市功能拓展區和城市發展新區部分地區(如房山區),Ⅳ、Ⅴ級集中位于生態涵養部分地區。從分級變動看,2009—2015年,有11個區縣的級別未發生變化,3個區縣的級別發生了升降：其中懷柔由Ⅲ級升為Ⅳ級,延慶由Ⅳ級升為Ⅴ級,朝陽則由Ⅱ級降為I級,是唯一級別下降的區縣。2016—2030年,朝陽由I級升為Ⅱ級,房山由Ⅱ級升為Ⅲ級,門頭溝由Ⅲ級升為Ⅳ級,其他區縣級別未發生變化。

表3 北京市分區縣不同年份森林生態安全預警指數及警級

圖4 北京市森林生態安全預警指數的空間格局Fig.4 Spatial pattern of the early warning index of forest ecological security in Beijing

3 北京市森林生態安全預警值變化的機制分析

3.1 森林自身狀態是森林生態安全預警變化的內在因素

森林生態系統自身的生態承載力情況,主要通過森林生態系統自身的物質資源狀況、系統結構、物種多樣性、系統自身恢復性(或者抗干擾能力)和生態服務功能多樣性等方面來表現,以衡量系統自我調節和自我修復的能力,能力越強則表明森林生態系統越安全。一般而言,森林資源總量是森林生態系統支撐能力的基礎；森林資源質量是提升森林生態系統穩定性和安全性的關鍵,高質量的森林資源抗干擾能力強,能夠有效抵抗外界攻擊,使森林生態系統免受威脅；森林物種組成越多樣,其物質的循環、能量的流動和信息的傳遞越復雜,生態系統多樣性越高,自我恢復的能力越強,反過來為森林中的物種提供了更優越的生境,為生物進化和新物種的產生奠定了基礎；森林生態系統的安全性越高,越能最大限度地發揮其物產功能、生態服務功能和森林文化功能。

就北京市而言,森林生態系統自身的生態承載力在研究期內逐漸提升。從時間差異上講,2010—2015年北京市森林覆蓋率由37.0%增加到41.60%,森林蓄積由1435.39萬m3增加到1701.06萬m3,森林數量和質量短期內得到提升,使得預警指數由0.4591上升到0.5158。從地區差異上講,全市森林主要分布在密云、懷柔、延慶、平谷等區縣,森林面積最大的是密云縣,占全市森林面積的19.12%。石景山森林面積最小,僅占全市森林面積的0.32%。山區林地面積比重大,占全市林地面積的84.2%,平原林地面積比例小,僅占全市林地面積的15.8%。這在一定程度上造成了區域森林生態安全的差異性。另一方面,實地調查發現,由于自然、社會和歷史原因,北京地區森林資源結構不合理,人工純林面積高達80%以上,中幼林比重大,樹種單一；林業建設長期以來“重兩頭輕中間”,導致過密過疏林分多、密度適宜林分少,林分穩定性差,給病蟲害防治和森林防火等帶來不利影響,例如楊樹害蟲、美國白蛾等森林病蟲害受害面積大。這些負向因素不可避免地降低了森林資源的質量,削弱了北京市森林生態安全預警值上升的趨勢。

3.2 經濟發展是影響森林生態安全預警值變動的重要外力因素

在市場經濟條件下,經濟發展是影響北京市森林生態安全預警指數變動最主要的動力因素。社會經濟發展對森林生態安全的影響主要體現：一方面,生態旅游在促進社會經濟發展的同時也會對森林生態環境造成一定影響。研究表明,不合理的旅游活動如對植物的踐踏、花朵枝葉的采集、外來物種的帶入、用火及垃圾堆放不當等會對林地造成破壞,驅動森林生態安全預警值下降。另一方面,快速的工業化和城市化使得城市土地利用和森林景觀格局發生變化,進而導致森林生態系統質量降低。其主要體現在：城市化過程中,城市森林破碎化和孤島化現象日益嚴重,景觀連通性降低,影響生物體遷移擴散等生態學過程；隨著人口密度和交通密度的增大,汽車尾氣排放及城市垃圾逐漸增多,使得森林土壤中Cu、Ni等重金屬含量逐漸增加,影響植物生長；伴隨著快速城市化進程,不透水面取代了具有生態功能的自然和半自然景觀,阻礙地下水回補過程,造成植被固碳水平的降低；建成區面積快速擴張,直接擠占了周邊的生態系統用地,導致森林面積和植被減少；人類活動引起濕島、熱島、干島效應,改變了對流層大氣水分和熱量狀況,進而對區域森林生態安全產生影響。

就北京市整體而言,2009—2015年,北京市GDP總值由12153億元增長到23041.6億元,年均增速為11.25%；第二產業呈明顯的上升趨勢,由2804.2億元增長到4542.6億元,年均增速為8.37%；與此同時,城鎮人口以每年49.43萬的速度增長。就地區差異而言,森林生態安全高集聚區主要分布在懷柔、密云、平谷和延慶等“外圍區”,而顯著低聚集區主要分布在石景山、朝陽、豐臺、海淀等“核心區”和房山一帶。總之,經濟發展所引起的森林生態旅游業迅猛發展、城鎮人口迅速增長及建設用地擴張速度加劇等,將不可避免地影響到自然生態環境的穩定,社會經濟發展的強負反饋機制作用對北京市森林生態安全造成巨大壓力。

3.3 自然環境是影響森林生態安全的第二個外力因素

自然生態環境中的大氣成分是森林生長直接或間接必需的成分,影響到森林的生長量。人類對自然的利用和改造,容易對環境造成破壞和污染,推動預警值負向變動。具體表現為：隨著人口的不斷增加及社會經濟活動的發展必然會導致大氣環境的變化,嚴重時會引起污染。大氣污染物的來源主要包括：由含碳燃料的不完全燃燒、排放的尾氣廢氣、內燃機廠和電廠的污染物排放而產生的O3、氮氧化物、SO2和顆粒狀污染物等。例如：當SO2濃度在閾值之上時,植物生長發育受阻,葉片將枯焦脫落,直到枯萎死亡；O3則主要傷害植物細胞膜,導致植株出現減產；顆粒狀污染物則能擦傷葉面,阻礙陽光,妨礙光合作用,影響植物正常生長等。

北京市統計數據顯示,從時間上來看,2009—2015年,NO2、SO2以及可吸入顆粒物年日均值總體呈下降趨勢,NO2和SO2的年日均值由2009年的0.053 mg/m3和0.034 mg/m3分別減少到2015年的0.050 mg/m3和0.014 mg/m3；可吸入顆粒物年日均值從2009年的0.121 mg/m3下降至2015年的0.102 mg/m3。大氣O3問題日益嚴重,近3年北京大氣O3濃度水平高、增長速度快,尤其是2015年,北京O3超標天數較2014年上升17%。年降雨量呈現下降趨勢,由2009年的480.6 mm下降到2015年的458.5 mm。從空間上來看,北京地區西部、北部和東北部的污染物濃度明顯低于西南部、南部和東南部；從西北部山區到東南部平原,大氣污染程度一般呈遞增的趨勢。許多研究表明,森林對大氣污染的凈化具有一定限度,當超過其限度—閾值后,大氣污染就會對森林產生危害,使得森林的凈化能力減弱,進而可能導致森林物種的喪失或滅絕。

3.4 林業政策是驅動森林生態安全演化的第三個外力因素

林業政策的有效實施是森林生態安全穩步提升的正向驅動力。具體來看：自2000年以來,北京市林業進入發展新階段,由粗放發展走向治理大于破壞、人與自然和諧相處,林業發展戰略確定為以生態建設為主。“三北”防護林工程第二階段四期工程自2001年啟動,涉及大興、通州、順義、朝陽4個區,到2010年全面完成營造林6.43萬hm2。2002年市政府在全國率先實施中幼林撫育工程,截止2005年完成了20.00萬hm2中幼林撫育任務,有效地調整了林分結構,促進了林木生長[21],改善了山區生態景觀。2007年,北京市園林綠化局大力推進大地景觀建設,截至2010年營造彩葉林6700hm2,使全市彩葉林面積達到2.13萬hm2。2008年,首鋼的搬遷在一定程度上緩解了廢氣排放問題,為首都森林生態安全的發展帶來重大機遇。受上述原因,森林生態安全在2000—2009年得到明顯改善。但受奧運后機動車激增以及快速城鎮化的綜合影響,2009—2010年森林生態安全急劇惡化。從2010年起,北京市通過加大生態補償和森林健康經營管理資金投入,鼓勵、支持山區農民參與生態公益林保護、建設和經營管理,以有效推動實現“養山增效、興林富民、科學經營、協調發展”的目標,截至2010年末,全市森林資產總價值達到6148億元,生態服務總價值達到5539億元,年固定二氧化碳992萬t,釋放氧氣724萬t,森林生態服務功能有顯著提升。2012年,市委開始實施平原百萬畝造林工程的重大決策,大幅增加林業投資額,單位投資額高達2.49×104元/hm2。截至2015年,北京市完成人工造林1.69萬hm2,封山育林8.33萬hm2,平原地區森林覆蓋率提高到25.6%,山區森林覆蓋率提高到56.65%,顯著提升了城市生態承載能力,完善了首都生態空間布局。受此影響,2010—2015期間北京市森林生態安全惡化態勢出現明顯扭轉并逐年上升,預警指數上漲了12.33%,森林生態安全呈現改善狀態。2015年,市政府制定了《北京市國有林場改革實施方案》,并配合市有關部門建立國家公園體制試點工作,逐步開展國有林場的改革建設,為森林生態安全系統的進一步完善開啟了新篇章。

4 結論與建議

4.1 主要結論

(1)2009—2030年,北京市森林生態安全整體呈改善趨勢,預警指數從2009年0.522增加到2030年的0.53。從區域角度來看,生態涵養區的森林生態安全狀況明顯優于其他地區,發展新區的森林生態安全改善顯著,功能拓展區個別地區則有退化跡象。

(2)森林生態安全預警結果隨時間的變動存在地區差異。2009—2015年,除朝陽、海淀、豐臺、大興和通州區的森林生態安全預警指數下降外,其他區縣均呈上升趨勢,其中以海淀下降幅度最大。比較而言,2016—2030年,除海淀外,其他區縣預警指數小幅上升；石景山區仍為巨警,海淀和朝陽區為重警,森林生態安全狀況仍處于較差水平,應是今后關注重點。因而,未來在提高當地森林生態安全水平時,應因地制宜,根據不同情況采取相應的措施。

(3)預警結果也存在空間分布差異。森林生態安全預警指數較好區域主要在懷柔、密云、平谷和延慶等縣域聚集；處于中等區域的門頭溝、昌平和順義等地森林生態安全狀況逐步上升；預警指數顯著低聚集區,主要分布在北京市中心的石景山、朝陽、豐臺、海淀和房山。森林生態安全預警指數從城市功能拓展區到城市發展新區及生態涵養區,呈現出由低而高的變化趨勢,其低值區隨著城市化進程的加快而逐漸擴大。

(4)根據當前森林生態安全現狀及未來預警情況,北京市部分區縣森林生態安全發展態勢未得到顯著改善。森林生態安全的形成和演變主要是森林資源、社會經濟、自然環境和林業政策相互疊加的結果,其演變特征和驅動機制,仍有待今后結合典型案例進行深入研究。

4.2 幾點建議

(1)總體看,各區縣應調整和優化林分樹種結構、齡組結構,優先營造混交林,加強低產林改造,加強林業有害生物防控,全面保護森林資源生態安全。此外,要加大林業投資力度,優化投資結構,確保森林質量投資比例,建立健全林業財務管理制度和會計核算制度,對林業投入資金實行全程監督控制,提高首都森林生態安全。

(2)對于經濟增長較快、森林資源相對缺乏的朝陽、海淀和石景山等區縣,應嚴格落實生態紅線管理機制,以資源環境承載力為硬約束,減小人類活動對森林生態系統施加的壓力。加大森林可持續經營培育,提高混交林比重,增強森林生態系統自身的承載力。

(3)對于森林資源較豐富、經濟相對落后的山區,應繼續強化山區重要生態源地和生態屏障功能,堅持把增強生態服務功能放在第一位,培育和撫育中幼林、保護現有天然林資源,人工促進天然更新和森林演替,提升森林資源的質量,進一步擴大生態環境容量；大力發展綠色經濟,實現產業的生態鏈接,走經濟與生態并重、綠色可持續之路。

(4)對于大氣污染程度較高的西南部、南部和東南部,應該適當控制人口、機動車的增長及污水的排放,加強廢氣管理,減少環境壓力,改善生態環境質量。

需要指出,本研究主要基于分區縣的人口和社會經濟統計數據,統計數據固有的不確定性會對森林生態安全預警指數測度的準確性產生影響；已有研究大多從區域整體視角研究生態安全預警,本文從區縣尺度研究了北京市森林生態安全預警指數的空間差異,可為首都制定差異化和有針對性的對策措施提供支撐,下一步應從林場、小班和景觀等微觀尺度開展更精細化的研究。