陜西省森林生態承載力與環境污染壓力動態關系研究

彌蕓 吳普俠 翟曉江 慈順 董強 張麥芳 趙國平

摘 要 基于可持續發展理念，研究分析2008—2017年陜西省森林生態的承載狀態和承載力，并通過熵權TOPSIS法對環境污染現狀進行測算，分析及比較2008—2017年陜西省省域森林生態承載力的時空分布規律。研究結果發現：2008—2011年，陜西省的森林生態承載力及環境污染壓力波動較大，2011年之后森林生態承載力開始呈現上升狀態，尤其在2017年有了大幅度的上升;環境污染壓力在2011年之后呈穩定下降的趨勢;兩方面的共同效應使森林承載率逐漸改善到良好的狀態，并且呈現出逐年改善的趨勢。基于此，提出加強森林生態承載力建設、降低環境污染能耗總量等相關措施，以確保森林生態承載率水平穩步提升。

關鍵詞 森林生態承載力;環境污染壓力;熵權TOPSIS;森林生態承載率

中圖分類號：S718.5;X24 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.21.082

森林作為陸地上最大的生態系統，不僅擁有強大的生態功能，也為人類社會經濟發展提供了持續動力。森林對大氣污染具有凈化能力，對環境中產生的污染有一定的吸收和凈化作用。而森林的自然生態狀況、發展過程中受到的壓力以及區位條件均會對森林生態系統造成影響。近年來，影響現今社會人類發展與生存的根本原因為地球環境的日益惡化以及資源的過度。人類以環境破壞為代價進行發展，使森林調節能力喪失，對生態系統的平衡造成嚴重影響，阻礙人類社會的可持續發展，對生態安全的平衡性造成極大影響。所以，人類在發展的同時應更加注重生態上的平衡。

森林承載力是森林可持續性評價中的一個重要指標，是規劃和實施林業可持續發展戰略的前提條件[2]。森林生態承載力的內容應為2個方面：森林生態系統可以給外界的支撐力以及外界給予森林生態系統的壓力[3]。

由于社會發展等各種因素，人類對森林生態承載力不具備充分的認識，為了發展經濟而大面積破壞生態環境，認為自然界的資源是取之不盡的，不重視對生態環境的不利影響[4]。現如今，越來越多關于森林生態承載力的文獻發表，這說明相關學者在此方面的研究加大了投入力度，使得森林生態承載力的研究越來越完善。但是，將森林生態承載力與環境污染壓力聯系起來進行研究的文獻較為少見。因此筆者從環境壓力維度，以指數比的形式，將森林生態系統是否超過其承載能力數理化，并結合2008—2017年間陜西省森林覆蓋率、森林對CO2和SO2的吸收量、工業三廢排放等統計數據，分析陜西省森林生態承載力與環境壓力的變化情況及聯系。

1 研究區概況

陜西省地域狹長，跨越3個氣候帶，南北氣候差異較大。全省氣溫自西向東、自北向南遞增，陜北

7～12 ℃，關中12～14 ℃，陜南14～16 ℃。年平均氣溫9～14 ℃，年平均降水量340～1 240 mm。降水南多北少，陜南為濕潤區，關中為半濕潤區，陜北為半干旱區。2017年，全省森林覆蓋率43.06%，活立木總蓄積量5.1億立方米，林地面積1 236.79萬公頃，生態環境在2017年發生了由“整體惡化、局部好轉”向“總體好轉、局部良性循環”的根本轉變。

2 研究方法

2.1 評價方法

基于可持續發展理念，以環境污染壓力和森林生態承載力子系統作為指標體系，選擇針對性較強的指標，對環境污染壓力以及森林生態承載力綜合指數運用熵權TOPSIS法進行計算，將陜西省2008—2017年的整體狀態作為研究對象，對森林生態承載率差異趨勢以及演變規律進行研究，為陜西省的可持續發展和環境友好型經濟社會的建設提供科學數據。

2.1.1 基于熵權修正的topsis模型的建立

2.1.1.1熵權模型建立

①數據標準化。采用熵值法，利用極差標準化方法對參評指標進行量化統一。正向指標按照式1進行量化，逆向指標按照式2進行量化

式1和式2中，Zij、Xij為陜西省第i年森林生態承載力的第j個指標下的標準化值與原始值，xmax、xmin分別為陜西省森林生態承載力的第j個指標下的最大值和最小值。當指標數值與森林生態承載力正相關時，將采用式1，即數據值越大，指數得分越高，表示森林生態承載力越高;當指標數值與森林生態承載力呈負相關時，則采用式2，即數據值越大，指標得分越低，表示森林生態承載力也越低。

②指標信息熵值e和信息效用值d。陜西省第i年第j項指標的信息熵如式3所示。

式3中，常數k與陜西省各指標的不同時間段有關。對于一個信息完全無序的系統，有序度為零，其熵值最大，n個樣本處于完全無序狀態分布時，Xij=1/n。此時，k值根據公式4計算得出。

某項指標的信息效用值d取決于該指標的信息熵與1之間的差值，如公式5所示。

③指標權重。利用熵權法估算各指標權重，可以得到第j個指標的權重如式6所示。

2.1.1.2基于熵權法的topsis模型建立

①運用熵權ωj構建加權規范化矩陣Zij，計算公式如式7所示。

②確定森林生態系統現狀評價指標的正理想解和負理想解，分別構成森林生態系統現狀的正理想解向量S+和負理想解向量S-，其公式如式8和式9所示。

③計算森林生態生態系統現狀評價指標與理想解的歐氏距離，為陜西省第i年的森林生態系統現狀評價指標與正理想解的距離，為陜西省第i年的森林生態系統現狀評價指標與負理想解的距離，其計算公式如式10和式11所示。

④計算陜西省第i年的森林生態承載力評價指數，其計算公式如式12所示。環境污染壓力評價指數的計算過程與森林生態承載力計算方法一致。

2.1.2 森林生態承載率

根據森林生態承載力和環境污染壓力的綜合評價指數，得到森林生態承載率，其定義如公式13所示。

（13）

式13中，當森林生態承載率I>1時，森林承載狀態處于富余狀態;當森林生態承載率I=1時，森林處于臨界狀態;當森林生態承載率I<1時，森林處于超載狀態，通過該評價公式來評價陜西省的森林承載力狀態。

2.2 指標體系的構建

森林的功能不僅體現在森林承載力方面，更是人類與森林間互利的另一種反應特征。就某一時期、某一特定區域而言，森林的數量、結構、功能等狀態是確定的，表明其森林承載力也是確定的;人類社會經濟活動強度是可以確定的，也就是說人類社會經濟活動對森林的壓力可以用一定的量來表示[5]。衡量森林承載力的關鍵在于解釋人類社會經濟活動是否處于森林承載力的范圍內，并著重于通過衡量人類活動的實際影響所形成的壓力來表達承載力。因此，可以使用承載指數法，即將某一時期森林實際承受人類社會經濟活動的壓力量值與森林承載閾值進行比較，將求得相對數作為該指標的評價值對森林承載力進行評價。根據科學性和可操作性原則，筆者構建了以下10個指標組成的2個評價子系統。

2.2.1 森林生態系統承載力指數指標體系的構建

除懸浮顆粒物外，大氣污染物處于一定濃度范圍內時，森林不僅具有一定程度的抵抗力，還具有相當程度的吸收能力[5]。因此，根據已有文獻研究，選取5個針對性較強的森林生態系統服務類指標，組成森林生態系統承載力指數的子系統，如表1所示。1）年均CO2吸收量：據有關研究表明，植物生產1 g生物量（干物質）大約吸收固定1.84 g CO2[6]。因此，可采用公式14計算森林可吸收的CO2總量。2）SO2吸收量：據估計，每公頃森林每年能吸收SO2 700 kg[7]，從而可推算出森林可吸收的SO2總量。3）煙（粉）粉塵吸收量：森林能阻滯、吸收的最大煙（粉）塵量。按照每公頃森林每年能截留過濾空氣粉塵、煙塵、懸浮物量達21 t[8]，可算出森林能阻滯吸收的最大煙（粉）塵量。4）造林面積比重：每年的造林面積與當年森林面積的比值。5）森林覆蓋率：與造林面積比重同屬于可以反映森林數量和質量的指標。

2.2.2 環境污染壓力評價指標體系的構建

關于環境治理主要為工業三廢方面的問題，森林對大氣污染的減輕有極大的作用，主要方式為對工業三廢的過濾、吸附、吸收和阻擋作用;以生態安全以及環境承載力等相關文獻作為參考，以徐青等關于環境污染綜合指數研究作為借鑒，從工業方面選取了5個環境污染指標組成環境污染壓力指標子系統，包括工業廢水排放量、一般固體廢物排放量、SO2排放量、煙（粉塵）排放量和廢氣排放量，具體如表2所示。

2.3 數據來源

使用的森林生態承載力和環境污染壓力指數（表1、表2中的二級指標）均采用“2008—2017”年的陜西省省級面板數據，數據主要來源于《中國林業統計年鑒》（2008—2017年），《陜西省統計年鑒》（2008—2017）和《中國環境統計年鑒》（2008—2017）[9-11]。通過熵權計算各二級指標的權重如表1、表2所示，結合表1和表2中各指標的權重值來看，陜西省森林生態承載力中權重比例更加偏重于“CO2的吸收量”以及當年的“造林面積比重”這兩項指標，而CO2的吸收量則取決于森林面積、結構以及蓄積量的增長。環境污染壓力中“SO2排放量”和“工業廢氣排放量”的權重大于其他指標的權重。

3 結果與分析

3.1 森林生態承載力指數與環境污染壓力指數評價結果

將2008—2017年的森林生態承載力指標賦權計算后得到各指標得分即為森林生態承載力指數。陜西省森林生態承載力指數變化趨勢如圖1所示。2008年，陜西省森林生態承載力為0.02，到2017年增長到0.29，有了很大幅度的提升。這是源于2008年我國全面實施了集體林權制，調動了廣大農民耕山致富的積極性，同時在“十二五”期間，我國進一步加強了森林生態建設，使得森林資源質量得到了提升。2008—2012年呈波動上升，2012—2016年承載力狀態較為平穩;2011—2012年，2016—2017年期間有了較大幅度上升。進一步觀察發現，造成2009—2011年承載力下降的原因主要是因為這期間的造林面積比重相對有所下降;2011—2012年，承載力明顯上升則是由于森林覆蓋率的提升，由之前的37.26%提升至41.42%，隨著森林面積以及蓄積量的增加，吸收有害氣體及空氣懸塵的能力得到了大幅度加強。上述特點的累積效應造成了2008—2012年的波動趨勢。2012年之后，森林生態承載力狀況一直比較穩定，因為年均蓄積量的增加和森林面積等處于較穩定的狀態，造林面積比重變化亦不明顯。2016—2017年，承載力的明顯上升則是由于占權重最大的CO2吸收量這一指標的明顯增高。森林覆蓋率進一步提升，由之前的41.42%提升至43.06%，因此吸收有害氣體及空氣懸塵的數量也得到了大幅度提高。

將2008—2017年的森林環境污染壓力指標賦權計算后得到各指標得分即為環境污染壓力指數。指數越高表明環境污染壓力越大，環境污染越嚴重。陜西省環境污染壓力指數變化趨勢如圖1所示，總體呈現下降狀態，從2008年的0.06下降到2017年的0.02。2008—2012年，環境污染壓力呈現較大幅度的波動，在2012年之后處于穩定下降的狀態。其中，2009年環境污染壓力達到最大值0.41。通過進一步的觀察發現，工業廢水和固體廢物的排放量為十年當中最高量，這是造成2009年環境污染壓力指數最高的主要原因，因此造成了較為嚴重的環境污染。而2017年的各項數據顯示，除工業廢氣、廢水排放外，其他指標均為十年之間的最低值，固體廢物排放量為0.08萬噸，煙粉塵排放量為13.9萬噸，SO2排放量為15.8萬噸。

3.2 森林生態承載力與環境污染力的動態關系

根據森林生態承載力指數和環境污染壓力指數，通過公式13計算可得陜西省2008—2017年的森林生態承載率，十年間陜西省森林生態承載率動態變化趨勢如圖2所示。

由圖2可知，2008—2017年陜西省的森林生態承載率總體呈上升趨勢。尤其在2015年之后有了非常大的提升。2008—2011年陜西省生態承載率都處于超載狀態，這說明環境污染的壓力已經超過森林生態的承載力，森林在維持自我更新的同時已經不能承擔超負荷的環境污染壓力。2012年，開始出現富余狀態，森林覆蓋率及森林蓄積量都在持續上升，這是一個累積的過程。森林資源的不斷增加使得森林生態承載力得到持續提高。與此同時，環境污染壓力也在不斷下降，使得森林生態承載力逐漸由超載轉變為富余。因此，通過造林、護林等措施來提高森林資源覆蓋率并豐富森林結構，可以保證陜西省森林資源高質量發展。同時，森林生態承載率從超載到盈余的狀態亦說明了陜西省環境污染問題越來越受到重視，并堅持綠色、低碳、循環的發展模式，最終實現可持續發展的目標。

4 結論與建議

4.1 結論

1）從總體情況看，2008—2017年陜西省的森林生態承載力、森林生態承載率總體呈上升趨勢，環境污染壓力呈下降趨勢;環境污染壓力在2008—2012年波動較大，森林生態承載力及承載率在2016—2017年上升幅度明顯。2）分別從兩個子系統的各項指標來看，森林生態承載力中的森林覆蓋率，CO2、SO2和空氣懸塵吸收能力都在穩定上升，這些屬于累積效果。因此在各指標相對穩定上升的情況下，造林面積比率就成為了權重較大的指標。從環境污染壓力子系統指標來看，2009年的固體廢棄物排放量、工業廢水排放量在十年中顯得尤為突出，成為了在環境污染壓力中得分最高的一年，其次是2011年的工業排放，各項指標均屬于中上水平，而這一子系統得分越高實際污染情況愈加嚴重。

4.2 建議

改善森林承載率是支撐社會經濟可持續發展的有效途徑。因此，對于陜西省森林生態承載率的提升需要降低環境的污染程度和相關多方面的建設。具體方案由如下6點：1）通過林業防護和植樹造林等相關方法繼續加強森林資源保護和管護，使森林生態功能更為穩定穩固;2）提高天然林比例以豐富森林結構，嚴守生態紅線，保障森林生態安全;3）加大生態文明宣傳力度，提高全社會的森林生態保護意識，確保森林生態系統健康;4）推進森林由數量型向質量型轉變，增強自然生態系統的保護與修復;5）建立森林生態系統安全預警體系，做好森林生態風險防范工作，在森林生態的安全預警方面進一步探索[12]，為可持續發展及陜西森林高質量發展提供保障;6）積極發展環境友好型經濟，實現工業三廢及空氣懸塵等污染物的減少及無害化和循環利用。

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（責任編輯：趙中正）