中國森林生態(tài)安全時空格局演變及其障礙因子診斷

蔡秀亭，姜 鈺

（東北林業(yè)大學 經濟管理學院，哈爾濱 150040）

0 引言

森林生態(tài)系統(tǒng)對維護國家生態(tài)安全及環(huán)境安全等具有重要意義，由于經濟規(guī)模的逐步擴大，資源過度消耗和生態(tài)環(huán)境惡化等眾多問題凸顯，嚴重影響了生態(tài)系統(tǒng)平衡以及人類社會的可持續(xù)發(fā)展[1]，人們逐漸意識到問題的嚴峻性，并對此給予了高度重視，森林生態(tài)安全問題也因此成為學術界的重點研究課題。目前，國內外相關研究主要集中在森林生態(tài)安全概念的理論研究[2，3]、森林生態(tài)安全與相關問題的關系研究[4，5]以及森林生態(tài)安全的評價研究[6，7]。現(xiàn)有研究大多停留在對某地區(qū)森林生態(tài)安全現(xiàn)狀靜態(tài)評價分析為主的階段，較少從時空視角來揭示森林生態(tài)安全時空差異及其障礙因子。因此，結合相關研究成果，基于PSR模型構建森林生態(tài)安全評價指標體系，運用改進的TOPSIS模型、等級動態(tài)度模型、Markov鏈模型、GIS空間分析方法及障礙度模型對2005—2015年中國森林生態(tài)安全的時空格局及障礙因子進行分析診斷，以期全面了解中國森林生態(tài)安全狀況，為全國及各地區(qū)森林生態(tài)治理及相關政策的制定提供合理化參考。

1 研究方法與評價標準

1.1 評價指標體系構建

本文將森林生態(tài)安全界定為：在一定時空范圍內，在現(xiàn)有自然環(huán)境狀態(tài)和人類社會經濟活動等外界干擾下，森林生態(tài)系統(tǒng)在結構和功能完整的條件下，提供的生態(tài)服務功能可以滿足人類生存和社會經濟的可持續(xù)利用，使人類的生產、生活和發(fā)展等不受威脅的一種狀態(tài)[8]。基于PSR模型從表征森林生態(tài)安全的壓力（P）、狀態(tài)（S）和響應（R）三方面出發(fā)，在科學性、系統(tǒng)性及數據的可獲得性的基礎上構建森林生態(tài)安全評價指標體系見表1所示。

表1 森林生態(tài)安全評價指標體系及權重

1.2 研究方法

1.2.1 改進的TOPSIS法

TOPSIS法是一種多目標決策分析的有效方法，其原理為：構建各指標的正、負理想解，檢測評價對象與正、負理想解之間的距離，若評價對象離正理想解最近，同時離負理想解最遠，則為最優(yōu)方案。為使各指標的權重更客觀，本文采用AHP法和熵值法求解組合權重[9]，并對傳統(tǒng)的TOPSIS法進行改進，其計算步驟為：

（1）構建加權規(guī)范化決策矩陣

首先計算規(guī)范化決策矩陣rij，然后采用AHP法和熵權法計算組合權重wj，則加權規(guī)范化決策矩陣為：

其中，i為評價對象數，i=1…m，j為評價指標數，j=1…n。

（2）確定正理想解fi、負理想解Z-和虛擬最劣解Z*

J表示正向指標集，J*表示負向指標集，在Z+和Z-的反向延長線上找一個點，使Z+和Z-的距離等于Z-與該點之間的距離，這個點所對應的向量即為虛擬最劣解，，其中

（3）距離的計算

到Z+的距離為：

到Z*的距離為：

相對接近度指數：

1.2.2 等級動態(tài)度模型

運用等級動態(tài)度模型分析森林生態(tài)安全等級的變化速度及動態(tài)演變規(guī)律，計算公式為：

式中，Ua和Ub為某一森林生態(tài)安全等級期初和期末的省區(qū)數量，T為時間跨度。

1.2.3 Markov鏈

森林生態(tài)安全格局的動態(tài)演變符合Markov性質。根據其原理，用1×k的狀態(tài)概率向量Pt表示t年份森林生態(tài)安全等級的概率分布，記為，用Markov轉移概率矩陣A=(aij)mn表示不同年份森林生態(tài)安全等級之間的轉移。

1.2.4 障礙度模型

通過引入因子貢獻度（Rj）、指標偏離度（Pj）和障礙度（Aj），對中國森林生態(tài)安全的障礙因子進行診斷分析，公式為：

式中：rj為第j項單項指標權重，wj為第j項單項指標所屬的要素權重。

式中：aj為第j項單項指標標準化值。

準則層森林生態(tài)安全障礙度的計算公式為：

1.3 評價標準的確定

在參考相關文獻的基礎上[10，11]，將森林生態(tài)安全評價標準劃分為惡劣級、風險級、敏感級、臨界安全級、一般安全級、比較安全級和安全級7個檔次（表2）。Ci越接近于1說明森林生態(tài)安全狀況越好；反之，說明森林生態(tài)安全狀況越差。

表2 森林生態(tài)安全評價標準

2 結果與分析

2.1 森林生態(tài)安全的時間變化特征

運用改進的TOPSIS模型計算2005—2015年中國森林生態(tài)安全壓力指數、狀態(tài)指數、響應指數和綜合指數，并探討其時間變化特征。

2.1.1 森林生態(tài)安全壓力指數

由圖1中的壓力指數圖得：壓力指數始終在0.2～0.6之間，表明中國森林生態(tài)安全的壓力較大，且無明顯改善；社會壓力指數由2005年的0.588下降到2006年的0.237，2007年以后（2008年除外）均在0.2～0.4之間，表明研究期內中國森林生態(tài)安全的社會壓力較大，且無緩解趨勢；資源壓力指數從2005年的1下降到2015年的0.034，表明中國森林生態(tài)安全的資源壓力逐年增加；環(huán)境壓力指數波動上升，表明隨著人們環(huán)保意識的提高，中國森林生態(tài)安全的環(huán)境壓力有所緩解。

圖1 2005—2015年中國森林生態(tài)安全壓力指數、狀態(tài)指數、響應指數和綜合指數的變化

2.1.2 森林生態(tài)安全狀態(tài)指數

由圖1中的狀態(tài)指數圖得：狀態(tài)指數由2005年的0.302下降到2006年的0.030，2006—2015年狀態(tài)指數逐步增加；資源狀態(tài)指數波動上升，2005—2009年資源狀態(tài)較差，2009年以后逐步改善；由于森林火災受災率的急劇增加導致森林生態(tài)安全健康狀態(tài)指數由2005年的0.80驟降到2006年的0.30，2007—2015年健康狀態(tài)逐步好轉，表明近年由于森林火災和森林病蟲害預防工作的開展中國森林生態(tài)安全健康狀態(tài)有所改善。

2.1.3 森林生態(tài)安全響應指數

由圖1中的響應指數圖得：響應指數由2005年的0.274波動上升到2013年的0.729，2013—2015年略有下降；投入響應指數波動上升；治理響應指數由2005年的0.06上升到2015年的0.758；保護響應指數由2005年的0.715下降到2007年的0.574之后上升到2008年的0.792，2008年以后波動下降，表明環(huán)保政策的實施與完善對中國森林生態(tài)安全水平的提高起到了促進作用。

2.1.4 森林生態(tài)安全綜合指數

由圖1中的綜合指數圖得：中國森林生態(tài)安全綜合指數先下降后上升，2005—2006年森綜合指數由0.322下降到0.097，安全等級由第Ⅱ等級（風險級）下降到第Ⅰ等級（惡劣級），2006—2015年綜合指數波動上升，安全等級在2007—2008年、2009—2012年和2013—2015年分別處于第Ⅱ（風險級）、Ⅳ（臨界安全級）、Ⅵ等級（比較安全級）。2006年以來中國森林生態(tài)安全狀況逐步改善，但速度緩慢，森林生態(tài)安全仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

2.2 森林生態(tài)安全的空間變化特征

選取2005年、2008年、2011年和2015年為時間節(jié)點，分別運用等級動態(tài)度模型、Markov鏈模型和GIS空間分析方法對中國森林生態(tài)安全的空間類型變化、空間轉移特征和空間格局演變等空間變化特征進行分析。

2.2.1 空間類型變化

由空間類型變化分析得：2005—2008年森林生態(tài)安全處于風險級的比重較大，森林生態(tài)安全水平普遍較低；2008—2011年，惡劣級不存在，風險級的數量由19個減少到8個，敏感級比重上升到51.61%，臨界安全級的數量不變，同時，出現(xiàn)兩個一般安全級；2011—2015年，風險級和敏感級的數量不斷減少，臨界安全級和一般安全級的數量持續(xù)增加，并出現(xiàn)一個比較安全級。說明中國森林生態(tài)安全狀況有所改善，但總體形勢仍比較嚴峻（表3）。

表3 2005—2015年中國森林生態(tài)安全空間類型變化

2.2.2 變化速度

由空間類型變化速度分析得：2005—2008年，臨界安全級以133.33%的年變化速度增加，惡劣級以20.83%的年變化速度減少；2008—2011年，敏感級以100%的年變化速度增加，風險級和惡劣級分別以52.63%和33.33%的年變化速度減少，臨界安全級不變；2011—2015年，臨界安全級和一般安全級分別以60%和33.33%的年變化速度增加，敏感級和風險級分別以31.25%和12.50%的年變化速度減少。結果表明：研究期中國森林生態(tài)安全等級動態(tài)度隨安全等級水平的提高而逐步變大，說明中國森林生態(tài)安全狀況有所改善（表4）。

表4 2005—2015年中國森林生態(tài)安全等級類型變化速度

2.2.3 空間轉移特征

運用Markov鏈模型構建2005—2008年、2008—2011年和2011—2015年中國森林生態(tài)安全等級的Markov轉移概率矩陣。其中，對角線上元素代表森林生態(tài)安全等級保持不變的概率，而非對角線上元素代表不同等級之間的轉移概率。

表5 2005—2015年中國森林生態(tài)安全等級的Markov轉移概率矩陣

由表5得，在2005—2008年的轉移概率矩陣中，絕大多數的對角線元素大于非對角線元素，其中，惡劣級、風險級和臨界安全級不發(fā)生轉移的概率均大于0.5，表明各省區(qū)森林生態(tài)安全水平相對比較穩(wěn)定，但森林生態(tài)安全等級普遍較低。惡劣級向風險級和敏感級的轉移概率分別為0.42和0.05，風險級向惡劣級、敏感級和臨界安全級的轉移概率分別為0.08、0.09和0.06，敏感級向風險級的轉移概率0.50，向臨界安全級的轉移概率為0.08，臨界安全級向風險級的轉移概率為0.11，表明中國森林生態(tài)安全存在不同等級間的跳躍式發(fā)展；與2005—2008年相比，2008—2011年對角線元素有所減小，惡劣級、風險級、敏感級和臨界安全級保持原等級的概率分別下降了0.53、0.43、0.02和0.57，同時，出現(xiàn)了一般安全級和比較安全級，二者保持原等級的概率相等，僅為0.25，表明跳躍式發(fā)展依然存在；與2008—2011年相比，2011—2015年的對角線元素有所增加，但一般安全級和比較安全級的對角線元素仍小于非對角線元素，說明森林生態(tài)安全等級的跳躍式發(fā)展仍舊存在，森林生態(tài)安全的空間差異日益顯著。

2.2.4 空間格局演變

運用Arc Gls10.4分別繪制了2005年、2008年2001年和2015年中國森林生態(tài)安全的空間分布圖，結果表明：惡劣級由2005年的點狀分布到2008年趨于帶狀分布，2011年惡劣級已經不存在，風險級先后依次呈片狀-點狀-帶狀分布，敏感級和臨界安全級由點狀分布趨于帶狀分布，一般安全級和比較安全級呈零星點狀分布，表明中國森林生態(tài)安全存在“兩極分化”趨勢。

2005年中國森林生態(tài)安全水平普遍較低，北京和安徽等眾多省區(qū)的森林生態(tài)安全等級均處于風險級，甚至有天津和上海等個別省區(qū)處于惡劣級；2008年惡劣級僅剩江西、廣東和廣西三個省區(qū)，風險級和臨界安全級的省區(qū)數量不斷增加；2011年惡劣級已經不存在，風險級的省區(qū)數量急劇減少，敏感級和臨界安全級的省區(qū)數量不斷增加，并出現(xiàn)了呈點狀分布的一般安全級；2015年上海和西藏等五個省區(qū)為風險級，敏感級主要以帶狀分布在新疆和內蒙古等省區(qū)，臨界安全級則集中帶狀分布在浙江和福建等省區(qū)，一般安全級零星分布于黑龍江和河北等省區(qū)，同時，江蘇和廣西達到了比較安全級。綜上所述，研究期中國森林生態(tài)安全水平有所改善，但效果并不明顯，且“兩級分化”現(xiàn)象比較嚴重。

2.3 障礙因子診斷

運用障礙度模型分別對2005—2015年中國森林生態(tài)安全的準則層和指標層進行障礙因子診斷。

2.3.1 準則層障礙因子

準則層障礙因子診斷結果表明：從時間上看，社會壓力、資源壓力和健康狀態(tài)的障礙度呈上升趨勢，資源狀態(tài)的障礙度不斷減小，環(huán)境壓力和投入響應的障礙度呈下降-上升-下降的波動態(tài)勢，治理響應和保護響應的障礙度先下降后上升；從數值上看，資源狀態(tài)和健康狀態(tài)的障礙度較大，因此，提高森林生態(tài)安全水平需加強森林資源保護和森林火災、森林病蟲害的預防工作（表6）。

表6 2005—2015年中國森林生態(tài)安全準則層指標障礙度

2.3.2 指標層障礙因子

根據障礙度大小列出排序前五的指標層障礙因子，結果顯示：森林覆蓋率（C8）、活立木蓄積量（C9）和有林地面積（C10）分別占據2005年、2008年和2011年障礙因子的前三位，說明其對森林生態(tài)安全具有重要影響。森林病蟲害發(fā)生率（C12）由2011年的第四位躍居2015年的第一位，說明近年森林病蟲害發(fā)生率對森林生態(tài)安全的影響急劇增加（表7）。

表7 2005—2015年中國森林生態(tài)安全指標層主要障礙因子障礙度

研究期指標層障礙因子出現(xiàn)頻率最高的是森林覆蓋率（C8）、活立木蓄積量（C9）、有林地面積（C10）和森林病蟲害發(fā)生率（C12），其出現(xiàn)頻率均為72.7%，其次是出現(xiàn)頻率為63.6%的人類干擾指數（C1）和二氧化硫排放指數（C7），森林火災受災率（C11）和污水處理率（C15）的出現(xiàn)頻率為36.4%；從層級分布看，這8個主要障礙因子中，有5個屬于狀態(tài)層，分別為資源狀態(tài)和健康狀態(tài)，有2個屬于壓力層，分別為社會壓力和環(huán)境壓力，響應層占1個，屬于治理響應，可以看出森林生態(tài)安全的主要障礙因子集中于資源狀態(tài)和健康狀態(tài)，與準則層障礙因子分析結果相吻合（表8）。

表8 2005—2015年中國森林生態(tài)安全指標層主要障礙因子出現(xiàn)頻率

3 結論

通過對中國森林生態(tài)安全的時空格局及障礙因子分析得到如下結論：

（1）中國森林生態(tài)安全綜合指數先下降后上升，由2005年的風險級下降到2006年的惡劣級之后上升到2015年的比較安全級，研究期內中國森林生態(tài)安全有所改善，但發(fā)展緩慢，森林生態(tài)安全仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)。

（2）中國森林生態(tài)安全等級存在跳躍式發(fā)展，空間差異日益顯著，森林生態(tài)安全狀況改善不明顯，“兩級分化”現(xiàn)象日益顯著。

（3）從準則層來看，資源狀態(tài)和健康狀態(tài)的障礙度較大，從指標層來看，森林覆蓋率、活立木蓄積量、有林地面積和森林病蟲害發(fā)生率是影響中國森林生態(tài)安全的主要障礙因子。