黃河流域森林生態安全等級評價與時空演變分析

王怡然,王雅暉,楊金霖,趙田野,寇 林,張大紅

北京林業大學經濟管理學院,北京 100083

森林不僅承擔著保持水土、防風固沙的重要生態保護作用,還承擔著木材供應、森林旅游等經濟發展作用。因此,保護森林資源對于保護區域生態環境、促進地區經濟可持續發展具有重要意義。但是人們為了追求片面的經濟高速發展破壞森林資源,對森林資源濫砍濫伐導致水土流失。森林生態安全狀況評價是對人類與森林生態系統之間相互作用、相互依存關系的衡量,是經濟與生態耦合程度的表現。黃河流域是我國重要的生態屏障與經濟地帶,在我國經濟發展與生態安全方面具有重要的地位。該流域生態環境一直受到廣泛關注,黃河治理也是國家重點工程。2021年中央一號文件將黃河經濟帶綜合治理與農產品綠色發展聯系起來,將黃河流域生態環境治理推到了新高度。黃河流域沿途省市提出了相關政策措施,銀川為打造成西北黃河流域生態文明先進城市,制定了《生態立市戰略三年行動計劃(2018—2020)》。河南省提出了《2020年河南省黃河流域生態保護與高質量發展工作重點》以保證黃河流域生態環境健康發展。陜西省在《陜西黃河流域生態空間治理十大行動》中指出力爭到2030年黃河流域森林覆蓋率達到41%,森林面積增加5533.33 km2,實現黃河流域全局高質量發展需要進行科學頂層設計[1—2]。因此,研究黃河流域的森林生態安全問題具有現實意義與政策意義。

國外生態安全研究較早,對生態安全的含義有三重理解,一是生態系統自身的安全是生態安全的基礎；二是生態系統在維護人類社會經濟發展過程中的生態安全中的作用；三是人類怎樣影響生態系統的安全。Norman認為生態環境的退化會導致政治經濟的不安全,認為生態安全是維持人類生存的必要條件,而人類活動對生態環境構成威脅[3], Moraes[4]、Hayes[5]等通過建立一套風險評價系統對華盛頓西北區域以及亞馬遜森林區域進行生態安全評價。Damania[6]等論述了經濟增長和生態破壞之間關系。國內近幾年逐漸展開對生態安全的研究,米峰等提出了森林生態安全的定義,認為森林生態安全既指森林生態系統的自身健康和安全,又指在受到人類行為干擾和影響時保持安全的狀態[7]。通過借鑒國外學者的研究經驗,國內學者依據PSR模型、SD模型等展開了對生態安全的研究,一般研究分為兩種類型,一是評估某一省份或者某研究區域林業生態安全狀況,如顧艷紅評估了五省的森林生態安全狀況[8],王怡然等評估了浙江省林業生態安全等級時空與空間變化[9]；二是分析對影響生態安全的影響因素,如吳潤嘉等[10]認為GDP的增長和主觀環保意識是影響森林生態安全的重要因素。相關研究逐漸擴大到水生態,尹煒提出構建流域與區域相結合的水生態環境保護體系、加快推進水生態監測監控體系和加強重點區域水生態環境保護力度[11]。另外,對森林生態安全的預警機制[12]以及經濟產業與森林生態的關系[13]也有了初步研究進展。通過上述分析可以看出相關研究集中在省域之間或者省域內部的森林生態安全研究,但是對某一區域的研究較缺乏,這也是國內外研究的主要差異。

目前關于黃河流域森林生態安全的相關研究較缺乏,為彌補相關研究的不足,本文以黃河流域9省69個地區為研究對象,通過熵權法計算得出森林生態安全指數,運用ArcGIS分級渲染圖與空間相關分析等方法分析黃河流域森林生態安全等級分布與時空變化,為改善黃河流域森林生態安全狀況提供借鑒。

1 研究區域與數據來源

1.1 研究區域

黃河流域位于東經96°—119°、北緯32°—42°之間,東西長約1900 km,南北寬約1100 km,沿途省份包括青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、陜西、山西、河南、山東9個省。干流全長5464 km,落差4480m。流域面積795000 km2(包括內流區面積42000 km),占全國面積的8.28%。其中,黃河上游流域面積428000 km2,黃河中游流域面積344000 km2,黃河下游,流域面積23000 km2。根據1995年行政區劃統計,黃河流域共涉及69個地區(州、盟、市),因此實證分析對象包括69個地區的全部區縣,如表1所示[14—15]。

表1 黃河流域涉及的69個地區分布狀況

黃河流域從西到東橫跨青藏高原、內蒙古高原、黃土高原和黃淮海平原4個地貌單元。流域地勢西高東低,西部上游地區平均海拔在4000 m以上,常年積雪,冰川地貌發育,植被生長稀少；中部地區海拔在1000—2000 m之間,為黃土地貌,水土流失嚴重,生態環境惡劣；東部海拔多不超過50 m,主要由黃河沖積平原組成。全流域草地、耕地、林地、建設用地、未利用地和水域分別占流域總面積的47.17%、27.05%、12.82%、2.31%、8.96%和1.69%[16]。黃河流域土地覆被類型主要以草地、農作物、闊葉林、稀疏植被為主,分別占流域面積的69.18%、19.79%、6%、2.73%[17]。

1.2 數據來源

本文研究樣本為黃河流域9省69個地區的區縣的數據,為保證數據的完整性,本文使用2010、2015與2017年3個年份的數據。數據來自林業生態安全課題,本課題致力于探討林業生態安全,林業生態紅線等問題,以區縣微觀數據為基礎研究數據。通過設計數據投放器、指標數據分解、數據上報、數據篩查處理等步驟來保證數據的真實性與可操作性。

2 研究方法

2.1 森林生態安全指標體系建立

根據黃河流域跨度廣、地形條件復雜、經濟發展水平不均衡的區域特征,堅持可操作性、綜合性、科學性與數據的完整性相結合的原則,黃河流域森林生態安全指標體系構建從森林生態系統承載力狀況與經濟社會壓力下森林生態系統安全情況兩方面構建。相關指標從森林生態安全與黃河流域生態安全的文獻中篩選得出,邀請經濟學、生態學、基礎數學等領域的專家對指標進行篩選與評估,從影響森林承載力、社會經濟壓力等方面構建指標,并考慮指標數據的可獲取性,最終選取了16個指標。

森林承載力的指標主要從基礎條件、森林狀態以及森林災害三方面構建。基礎條件指標是影響森林生長、生態狀況的必然條件,包括年降水量、年平均氣溫、年日照時數,是正向影響指標。森林狀態指標反映森林質量與數量狀況,包括森林覆蓋率、天然林比重、林地面積占比是正向影響指標。森林災害指標包括森林火災、森林有害生物等,森林災害指標是負向影響指標。

社會壓力的指標從一般壓力與維護活動兩方面構建。一般壓力是指社會經濟發展對森林生態安全產生的壓力影響,主要為人口密度、二氧化硫排放量、GDP總量等,這些會對林木生長構成直接威脅,為負向影響指標。維護活動是指人類為了提高森林質量與數量采取的一系列活動,包括退耕還林、造林活動、自然保護區建立以及林業政策投資等方面,這些維護活動加快林木生長與面積擴大,為正向影響指標。

2.2 森林生態安全指數測算

首先通過熵權法與專家打分法計算上述16項指標層指標權重,并通過以下公式計算森林生態安全指數。

式中,FESI表示森林生態安全指數,Yti表示第t個縣域的社會壓力指標,Cti表示第t個縣域的森林承載力指標,各個區縣的森林生態安全指數值均在[0,1]之間,數值越接近1表明森林生態狀況越好,數值越接近0,表明地區森林生態安全狀況越差。

2.3 空間相關分析模型

2.3.1全局自相關

對全局自相關的檢驗采取全局莫蘭指數(Moran′sI),該指數的取值范圍是[-1,1],其數值越接近1,表明森林生態安全指數值集聚性越高,反之則越低。公式如下：

2.3.2局部自相關

局部自相關用局部莫蘭指數(LISA)來檢驗,其取值范圍為[-1,1],其數值越高,表明該區縣與鄰近區縣的相關性越高；反之則越低,若取值為0,則不相關。公式如下：

式中,Il是局部莫蘭指數,wcd是空間權重矩陣,S2是樣本方差。

3 結果分析

3.1 森林生態安全指標體系權重結果

森林生態安全指數指標權重計算結果如表2所示。從結果中可知,森林承載力指標中天然林比重最大,天然林比重的權重為0.0800。社會經濟壓力指標中政府林業投資額占比最大,權重為0.1189,說明黃河流域各個縣域受到以上2個指標的影響最大。同時,在數據獲取的過程中發現,森林病蟲害災害主要發生在人工林區域。

表2 森林生態安全指數指標體系

3.2 森林生態安全指數時空變化分析

根據表2計算的結果以及上述公式計算黃河流域9省69個地區的森林生態安全指數,結果如表3所示。

表3 黃河流域9省2010、2015、2017年森林生態安全指數值

通過數據對比可以看出,陜西省、山西省、河南省與青海省2017年森林生態安全指數與2015年相比呈現下降態勢,這與計偉等[18]和劉晶等[19]的研究結論大體相同。主要原因在于,2006年黃河流域度數中心度形成“一片兩中心”式高值集聚區,形成了以山東半島城市群與中原城市群為核心區域向外圍層級遞減的片狀高值區,太原、西安成為了兩個局部高值中心,這就使得山西省與陜西省成為區域經濟發展的中心[15],之后隨著區域內部經濟聯絡加強,形成了以鄭州、濟南、太原、西安為中心的區域經濟網絡結構。現階段黃河流域中心城市處于綠色經濟發展轉型時期,相關研究也指出生態保護工程存在一階滯后效應[20]。青海省土地退化情況呈現先減少后增加態勢,整體退化面積呈增加態勢[21]。青海省作為黃河中上游地區重要省份,是我國重要的能源、化工產業基地,其經濟增長多以“高能源、高污染”的產業為主,導致該區域生態環境承載能力由于經濟的快速發展不斷下降,生態環境受到了嚴重的污染。

從總體上看,黃河流域9省69個地區森林生態安全指數值呈現增長趨勢。2010年森林生態安全指數平均值為0.4236,2015年的平均值為0.5118,2017年的平均值為0.4914。森林生態安全指數出現波動性增長趨勢。從平均值來看,寧夏指數值最高,而青海指數值最低。主要原因在于,寧夏大部分地區位于河套平原,水源豐富,土壤肥沃、地形平坦、氣候濕潤,屬于濕潤半濕潤地區,有利于林木生長,提高了林木覆蓋率。青海省森林生態安全指數值最低,主要原因在于青海省地勢較高,平均氣溫較低,且有山區常年積雪覆蓋,自然環境較差,不利于林木生長,林木覆蓋率較低,森林生態安全指數值較低。從7年間的漲幅趨勢上來看,大部分地區的漲幅在10%以上,主要原因在于實施了黃河源頭治理相關工程,退耕還林、三北防護林等工程的實施擴大了人工林面積,提高了森林覆蓋率的增加。

通過上述得出的黃河流域區縣的森林生態安全指數繪制出2010年、2015年與2017年自然斷裂分級渲染圖,如圖1所示。去除數據空缺的區縣,依據時間來看所有省份森林生態安全指數的最高值與最低值得出：2010年,最低值的三個區縣分別為青海省甘德縣(0.1546),青海省玉樹市(0.1704)和青海省久治縣(0.1735)；最高值的三個區縣分別是山東省的慶云縣(0.8257),甘肅省的西峰區(0.7935)與甘肅省的兩當縣(0.7676)。2015年,最低值的三個區縣分別是山東省的定陶區(0.2682),山西省的原平市(0.3059)和河南省的洛龍區(0.3065),最高值的三個區縣分別是山西省朔城區(0.8362),山西省平定縣(0.8111)和河南省洛龍區(0.8021)。2017年,最低值的三個區縣分別是河南省沁陽市(0.2287),河南省惠濟區(0.2359)和青海省稱多縣(0.2526),最高值的三個區縣分別是甘肅省臨夏縣(0.7953),甘肅省安寧區(0.8040)和甘肅省紅古區(0.8221)。

圖1 2010年、2015年、2017年黃河流域區縣森林生態安全指數空間分布

從總體上看,全域森林生態安全等級不均衡。黃河南岸森林生態安全指數值高于黃河北岸,黃河流域中東部地區森林生態安全值高于黃河流域西部地區。以黃河干流為界,黃河南岸森林生態安全狀況較好的省份主要有四川省部分地區、寧夏回族自治區與陜西省,黃河北岸森林生態安全狀況較差的省份較為明顯的是青海省與內蒙古自治區。生態環境沿上中下游遞減規律明顯,呈現“上游優質,中游改善,下游滯后”的分布特征[22—23]。寧夏回族自治區部分地區位于河套平原,處于黃河“幾字彎”,降水豐富,土壤肥沃,有利于林木生長。黃河流域中下游地區各級政府應積極調整產業結構和優化財政支出項目。一是大力發展綠色產業,可以通過大力發展清潔度高的產業占比,降低“高能耗、高污染”產業占比。二是加大對生態文明戰略建設的財政支出,提高生態環境保護和節能減排等方面的補貼和支持力度。三是促進并形成生產要素在全流域的流動和應用的市場環境,提高下游地區綠色技術和資金向中上游溢出和流動,實現全流域的生態環境保護和清潔高效發展[24]。青海省地勢較高,氣溫低,處于我國第三階梯,有常年凍土,不利于林木生長,內蒙古自治區降水量少,蒸發量大,多生長為灌木叢等,如阿拉善盟年降水量32.8—208.1 mm,年蒸發量1555.7—2808.5 mm,不利于林木生長,草地覆蓋率也較低。

針對上述空間分布特征,應采取以下措施：(1)從全域上看,地區森林生態安全等級不均衡,均衡區域發展成為重要任務。黃河南岸森林生態安全較好,需要防范森林火災、森林病蟲害等,同時可以適當發展林產品貿易與森林旅游等產業；黃河北岸森林生態狀況較差,應加強植樹造林與三北防護林建設等,增強森林覆蓋率,減少水土流失。同時人工林建設要加強病蟲害防治。(2)從時間上看,2017年森林生態安全指數高于2010年,呈現波動上升的趨勢。因此,穩定黃河流域森林生態狀況成為以后的工作重點,實施退耕還林等工程的同時也要加強自然保護區建設,維護退耕還林成果,同時加強森林撫育工作。

3.3 森林生態安全空間自相關結果分析

依據全局自相關的公式,得到三個年度的檢驗結果,如表4所示。

表4 黃河流域森林生態安全指數全局自相關檢驗

從檢驗結果看,都通過了P≤0.01的檢驗,表明全局自相關在99%置信度下是顯著的。2010年、2015年與2017年3個年份,全局莫蘭指數分別為0.235、0.326、0.524。從時間變化來看,全局莫蘭指數從2010年到2017年呈上升趨勢,表明黃河流域區縣之間的集聚狀況有所上升。

圖2反應了黃河流域森林生態安全指數局部集聚區情況。成片低-低聚集區,如四川省區域與內蒙古東北部地區數值為0,不屬于黃河流域地區,不在本文研究范圍內。

圖2 黃河流域區縣森林生態安全指數LISA聚類圖

通過圖2可以看出：(1)高-高類型集聚區占主導地位,表現出較強的空間依賴性。也就是森林生態安全等級較高的區縣相互集聚,高值區縣集聚表明各縣之間能夠相互促進, 高-高集聚區主要集中在黃河“幾字彎”處,位于中部地區與東部山東地區,主要覆蓋的省份是陜西省,山西省,寧夏回族自治區與山東部分地區。低-低集聚區表示低值區縣相互集聚,低值區縣集聚說明各縣區會形成一個相互的負向影響作用,進入惡性循環。去除掉數值為0的區域,低-低集聚區主要分布青海省西部地區。這與青海省森林生態安全指數較低,發展化工產業以及“高污染、高能耗”產業相關。(2)通過時間對比分析,2017年高-高集聚區與2010年相比集聚程度更強,但是低-低集聚區包含的區縣數量并沒有明顯減少,這說明高值區縣集聚、區縣之間能夠相互促進的同時,低值區縣也在集聚,并進入惡性循環。表明人們越來越多的重視提高高值區縣的林木種植、林木撫育、病蟲害防治等工作,而低值集聚區縣的林木管控不足。高-低集聚區主要分布在四川省少部分地區與山東省的少部分地區,高-低集聚區與低-高集聚區包含的區縣數量較少。

針對該空間分布特征,不同類型的區域采取不同的發展方式達到均衡發展的目的,提出以下對策建議：(1)高-高集聚區區縣要嚴格限制高污染、高能耗產業,做好森林撫育工作。在不破壞森林資源的前提下,應充分利用當地較好的林木資源發展林下經濟,包括林下養殖、林下種植、林產品貿易以及森林旅游和森林康養等,實現生態與經濟耦合發展。(2)低-低集聚區的區縣,應該以生態恢復、森林資源保護等工作為主,加快人工林建設與病蟲害防治,加強退耕還林、天然林保護、三北防護林建設等工程實施力度,降低人為因素對森林資源的破壞,通過建立生態保護區等措施,保障地區森林生態安全。(3)高-低集聚區與低-高集聚區的區縣,應當加強高值區的輻射功能,低-高集聚區加快自然保護區的建設,高-低集聚區因地制宜發展林產品加工以及林產品貿易產業。但是經濟發展與生態保護不應放在完全對立的位置,實現經濟與生態的可持續發展可以通過提高清潔度高的產業占比,降低“高能耗、高污染”產業占比實現。促進并形成生產要素在全流域的流動和應用的市場環境,提高下游地區綠色技術和資金向中上游溢出和流動,實現全流域的生態環境保護和清潔高效發展,實現經濟發展與生態保護的雙贏[24—26]。

4 討論與結論

4.1 討論

盡管本文在分析黃河流域森林生態安全方面得出了一些結論,但仍然存在一些不足：(1)仍然有一些區縣的數據不齊全,導致該區域森林生態安全指數計算有偏差,所以應該進一步完善數據。(2)由于區縣數據收集的困難,導致指標體系需要進一步完善,地形、地質條件復雜,地質狀況、海拔、風速、環境敏感性等自然環境狀況[27—29]、土壤狀況、生態當量問題以及自然保護區的分類管理[30]等均會對森林生態安全帶來影響,但是由于數據獲取困難、不完整,本文未對此進行分析。因此,后續研究的多維度數據獲取是影響日后研究是否順利展開的關鍵。(3)黃河流域跨度廣、地形復雜、氣候條件差異大,不同的生態工程實施產生的效果會不同,因此可以建立林業工作指數與生態紅線,目的在于衡量林業工作效率與區域生態安全底線,與森林生態安全指數相輔相成,成為衡量黃河流域區域生態安全的重要內容,也成為下一步的工作重點。(4)在本文分析的基礎上,可以繼續對各類指標對森林生態安全的影響路徑與影響機制進行深入分析與探討。

4.2 結論

為全面掌握黃河流域森林生態安全狀況,本文通過指標權重確定計算黃河流域各區縣森林生態安全等級,從時間與空間兩個角度對黃河流域森林生態安全等級分布情況進行分析,得出以下結論：

(1)通過熵權法與專家法得出的指標綜合權重發現,社會經濟壓力指標占比大于森林承載力指標,其中政府林業投資額占比最大。表明社會經濟發展對森林生態產生的壓力遠大于森林自身基礎條件、森林質量與數量對生態產生的正向影響。

(2)從森林生態安全指數時間分布上看,2017年黃河流域森林生態安全等級較2010年有所提高,尤其是黃河流域上游省份森林生態安全得到明顯改善。依據平均值9省排名依次是：寧夏>陜西>山西>四川>甘肅>內蒙古>山東>河南>青海。其中,陜西省森林生態安全指數增幅最大,山東省增幅最小。2010年、2015年與2017年這3個年份中,森林生態安全等級分布不均勻,等級較高的區域集中在山西省、陜西省以及寧夏回族自治區,等級較低的省份主要集中在青海省。黃河流域南岸比黃河流域北岸森林生態安全指數高。

(3)從森林生態安全指數空間相關性來看,全局自相關在99%置信度下是顯著的,黃河流域森林生態安全指數具有較強的集聚性。從時間變化來看,全局莫蘭指數從2010年到2017年呈上升趨勢,黃河流域區縣之間的集聚狀況有所上升。黃河流域南岸森林生態安全狀況優于黃河流域北岸。高-高和低-低類型集聚區占主導地位。黃河流域高-高集聚區主要分布在黃河流域中部地區與山東省西部部分地區,低-低集聚區主要分布在青海省西部地區。