商洛市森林生態承載力時序變化分析

李群 樊華燁 辛云玲 張水奎 李濤 彌蕓

摘要為揭示區域森林生態發展格局，協調森林資源與社會經濟的可持續發展關系，以商洛市為研究對象，使用熵權topsis法計算商洛市全域的森林生態承載力，分析比較2010年—2020年商洛市全域森林生態承載力的分布規律。結果表明：2010—2020年間，商洛市森林病蟲害成災率、森林火災發生率、采礦業總產值、森林采伐量、工業廢水排放量及農用化肥施用量占較大權重，減少人類活動對森林生態系統的有害干擾是提高商洛市森林生態承載力的重要途徑；商洛市森林生態承載力總體呈現上升的趨勢，社會經濟壓力處于“V”字形趨勢，二者共同作用的情況下使得森林生態承載率呈現不穩定的波動上升趨勢，總體承載狀態從超載逐漸過渡到盈余。

關鍵詞森林生態承載力;評價指標體系;熵權topsis;商洛

中圖分類號：S718.55文獻標識碼：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.02.016

AnalysisoftheSequentialVariationofForestEcologicalCarryingCapacityinShangluoCity

LiQun1，FanHuaye1，XinYunling1，ZhangShuikui2，LiTao2，MiYun1

（1.ShaanxiAcademyofForestry，Xian710082，China;2.ShangluoForestryBureau，Shangluo726000，China）

AbstractInordertorevealthedevelopmentpatternofregionalforestecologyandcoordinatethesustainabledevelopmentrelationshipbetweenforestresourcesandsocialeconomy，bytakingShangluoCityastheobjectofstudy，thispaperusedtheentropyweighttopsismethodtocalculatetheforestecologicalcarryingcapacityofthewholeareaofShangluoCity，andanalyzedandcomparedthedistributionlawofforestecologicalcarryingcapacityinthewholeareaofShangluoCityfrom2010to2020.Theresultsshowedasfollows：from2010to2020，theincidenceofpestsanddiseases，theincidenceoffire，thetotaloutputvalueofminingindustry，forestlogging，industrialwastewaterdischargeandagriculturalchemicalfertilizerapplicationamountaccountedforarelativelylargeweight，soreducingtheharmfulinterferenceofhumanactivitiesonforestecosystemisanimportantwaytoimprovetheforestecologicalcarryingcapacityinShangluoCity;theforestecologicalcarryingcapacityofShangluoCitygenerallyshowedanupwardtrend，andthesocialandeconomicpressurewasina“V”-shapedtrend，underthecombinedeffectofthetwo，theforestecologicalcarryingrateshowedanunstableandfluctuatingupwardtrend，andtheoverallcarryingstatusgraduallytransferredfromanoverloadedstatustoasurplusstatus.

Keywordsforestecologicalcarryingcapacity;evaluationindexsystem;entropyweighttopsis;Shangluo

可持續發展是當今世界發展的中心議題。生態承載能力是反映人類社會和經濟活動對生態和自然資源破壞的一個重要指標，是決定地區可持續發展水平的關鍵[1]。國內外學者針對生態承載力的概念、研究方法及區域單因素承載力已進行了許多研究，然而，生態系統的復雜性使得生態承載力的內涵、外延及核算仍具挑戰。1921年Park等人將生態承載力概念引入到人類生態學中，它主要用于測量生態環境因素對人類社會發展的作用[2]。自那時以后，國內外有關生態承載能力的研究多集中在人口生態學方面。Smaal等[3]認為，在特定的時間里，生態承載量是指在特定的自然環境中所能承受的最大數量。Hudak[4]認為，在一定時期內，植物的生存能力是指植物能夠提供的最大數量。在此時期，人們對生態承載能力的認識大致一致，即在目前條件下，自然環境可以容納的最大人口數量。20世紀90年代以來，我國學術界從多個角度對生態承載力進行了較為深入的探討，并對其內涵做出了闡釋。楊賢智[5]認為，生態環境承載力是生態環境能抵抗外部干擾能力的反映，是一個生態系統的客觀特性。顧康康[6]在原有概念的基礎上進一步闡述了生態、資源、環境承載力之間的辯證關系。但從以往研究來看，對森林生態系統的承載能力進行的研究較少。國內學者中，雖然吳靜和[7]、徐德成[8]等人對森林的生態承載能力進行了一些初步的探討，但大部分都是對土壤承載能力的簡單移植，并沒有一個清晰的概念，而且更多的是定性的研究。同時，通過對國內外相關文獻的分析可以看出，在大尺度上，我國的生態承載能力已有較多的研究成果，但在中小規模上卻是比較缺乏的。森林生態承載力的研究主要集中在森林生態系統上，即在保證自然環境可持續發展的前提下，森林的生態功能能否保持本地區的社會和經濟發展。就某一時期或某一固定地區來說，首先，森林的生態結構是明確的，說明了其承受能力也是明確的;其次，人類社會經濟活動力度也是能夠明確的，也就是說，人類社會經濟活動對森林生態系統的壓力也是能夠進行描述的[9]。

本文從森林生態支撐力、社會經濟壓力這2個維度入手，使用熵權topsis模型對2010-2020年商洛市11年的森林生態承載力指數進行測算，目的是對商洛市森林承載力變化趨勢進行基本判斷，為商洛市森林生態狀況評價和制定可持續發展戰略提供參考。

1研究區概況

商洛市位于陜西省南部，隸屬秦嶺山區陜南地區，位于陜西省頂級生態空間腹地，同時也是我國森林城市之一。全市共劃分7個區縣，其中洛南、鎮安、柞水三地被列為國家重點生態功能區，商南、山陽和丹鳳部分鄉鎮被列為省級重點生態功能區，是全省生態空間治理體系中的典型區域。因境內有商山、洛水而得名，是秦嶺腹地的重要山地城市之一，在其西北側與西安市相鄰，與鄂豫兩省交界，東西長約229km，南北寬約138km，總面積19292km2，占全省總面積的9.36%。商洛市北接蟒嶺，南邊與流嶺相連，漢江發源地丹江橫貫全境，下轄6個縣和1個地區，其區位特點十分突出，是西安市、安康市和十堰市的重要運輸樞紐，在區位上有著明顯的發展優勢。由此可見，森林對商洛市乃至整個陜西省生態環境建設發揮了極其重要的作用，而“森林生態承載力”的研究對生態空間的分區施策、空間耦合、生態文明建設和生態安全預警等方面具有重要意義。

2研究設計

2.1數據來源

本研究的樣本為商洛市2010—2020年11個年份的數據，所有數據均來自面板數據及“商洛市森林生態承載力評價研究”項目。資料的采集和填報是由商洛市林業局和陜西省林業勘查設計院完成，又經陜西省林業科學院審查，并經過項目組的專家和學者修改，于2022年4月完成。

2.2森林生態承載力指標體系的構建

森林生態承載力需要綜合考慮資源環境子系統和社會經濟子系統的共同影響。

2.2.1森林生態系統支撐力（X）指標體系的構建

森林生態支撐力指標體系應具有森林生態系統的生態本底現狀和物質、能量的循環所呈現的特點，主要反映森林生態系統的特征狀況，包含自然驅動力（X1）、生態結構（X2）及生態功能（X3）3個準則層。即分別從森林生態系統的屬性、結構和功能三方面來描述。

2.2.2社會經濟壓力（Y）指標體系的構建

社會經濟壓力主要反映生態系統在人類社會活動作用下的資源供給能力和環境污染的容納能力。主要包含資源能源消耗準則層（Y1）和環境污染排放準則層（Y2）。

針對部分指標數據年份連續性差或統計口徑不一致等問題，剔除了相關性強而可獲得性差的指標，最終確定了22個評價森林生態承載力的具體指標。通過文獻綜述，結合課題組專家意見，根據科學性、可操作性原則及商洛市森林生態與社會經濟發展狀況，選取了11個針對性較強且內涵豐富的指標，形成2個評價子系統，如表1所示。

2.3研究方法

2.3.1建立熵權模型

（1）數據標準化。本評價采用熵值法，利用極差標準化方法對參評指標進行量化統一。

對于正向指標：Zij=Xij-XminXmax-Xmin（1）

對于逆向指標：Zij=Xmax-XijXmax-Xmin（2）

式（1）和式（2）中，Zij、Xij為商洛市第i年森林生態支撐力的第j個指標下的標準化值與原始值，Xmax、Xmin分別為商洛市森林生態支撐力的第j個指標下的最大值和最小值。若各指標與森林生態支撐力存在顯著的正相關關系，則可選用式（1），也就是數值越大指數越高，則說明森林生態支撐力愈強。反之，在各指數與森林生態支撐力存在顯著的負相關系時，就應當選用式（2），即指數愈大指標愈小，說明其支持能力愈弱。

（2）指標信息熵值e和信息效用值d。商洛市第i年的第j項指標的信息熵為：

ej=-k∑ni=1ZijlnZij（i=1，2，3…n；j=1，2，3…m）（3）

式（3）中，常數k與商洛市各指標的不同時間段有關。對一個信息完全無序的系統，有序度為0，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=1lnn（4）

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，計算公式為：

dj=1-ej（5）

（3）指標權重。利用熵權法估算各指標權重，可以得到第j個指標的權重為：

wj=dj∑mj=1dj（6）

2.3.2基于熵權法的topsis模型建立

（1）運用熵權ω構建加權規范化矩陣Z′ij，計算公式為：

Z′ij=ωjzij（i=1，2，3…n;j=1，2，3…m）（7）

（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Z+和負理想解向量Z-，其計算公式為：

Z′+=（max{Z′11，Z′21…Z′n1}，max{Z′12，Z′22…Z′n2}…max{Z′1m，Z′2m…Z′nm}）（8）

Z′-=（min{Z′11，Z′21…Z′n1}，min{Z′12，Z′22…Z′n2}…min{Z′1m，Z′2m…Z′nm}）（9）

（3）計算森林生態系統現狀評價指標與理想解的歐氏距離，為商洛市第i年的森林生態系統現狀評價指標與正理想解的距離或為商洛市第i年的森林生態系統現狀評價指標與負理想解的距離，其計算公式為：

D+i=∑mi=1wj（Z′+j-Z′ij）2（10）

D-i=∑mi=1wj（Z′-j-Z′ij）2（11）

（4）計算商洛市第i年的森林生態支撐力評價指數，其計算公式為：

Si=D-iD+i+D-iSi∈[0，1]（12）

社會經濟壓力評價指數的計算過程與森林生態支撐力計算方法一致，此處不再復述。

2.3.3森林生態承載力計算評估森林承載力的關鍵是揭示人類社會經濟活動是否在森林生態系統承受范圍內，并通過衡量人類活動實際影響形成的壓力來描述承載力。因此，本文利用承載指數法，即將一定時期人類社會經濟活動對森林的實際壓力與森林承載力閾值進行比較，并將得到的相對數作為該指標的評價值來評價森林承載力。根據森林生態支撐力和社會經濟壓力的綜合評價指數，得到森林生態承載率，其計算公式為：

I=森林生態支撐力指數X/環境污染壓力指數Y（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商洛市的森林生態承載力狀態。

3結果及分析

3.1森林生態承載力指標權重

本文采用基于指標變異性確定客觀權重的“熵權法”計算權重。該方法的優點是在確定指標權重時不受主觀因素的影響，使評價結果更加客觀、準確和科學，各指標權重見表2。

在以上兩個準則層中權重較大的指標有：森林火災成災率、森林病蟲害成災率、森林采伐量、采礦業總產值、農用化肥使用量等，這表明這些指標在不同年份的數據之間存在較大差距，并緊密影響著森林生態承載力的變化。由此可見，減少人類社會經濟活動對環境的破壞、對森林生態系統的干擾及提高對森林火災和病蟲害的防范是加強商洛市森林生態承載力的關鍵。同時，區間型指標降水量和年均溫的權重為0.0001，森林覆蓋率權重為0.0011，說明該類指標幾乎沒有影響到商洛市的森林生態承載力，也顯示了商洛市優越的水、熱等生態區位條件及較高的區域森林覆蓋率。而商洛市森林生態承載力下降的主要原因是人類經濟活動帶來的巨大壓力。

3.2商洛市森林生態承載力指數與社會經濟壓力

利用Matlab軟件，根據森林生態支撐力和社會經濟壓力子系統的各項指標權重及數據計算出商洛市2010—2020年各項指標得分，11年間森林生態支撐力指數和社會經濟壓力指數的變化趨勢如圖1所示。

結果表明，商洛市的森林生態支撐力總體呈現上升趨勢，在2018年達到了最高值，其指數值為0.1778。這主要由于當年較高的天然林面積占比和森林覆蓋率，以及在固碳釋氧的生態功能方面優良表現。由表3可看出，在2011年，商洛市的森林生態支撐力為11年間的最低點，指數值僅為0.0348，主要由于受當年較高的火災成災率及蟲害成災率的影響，在2019年這一時間出現了急劇下降也是該原因所致。而社會經濟壓力總體呈現的是先下降后上升的“V”字形趨勢：2010年，社會經濟壓力為最大指數值0.1142，該年度化肥施用量、廢水的排放量均處于較高水平的同時，城鎮化率和林業總產值、林產品總產卻均為11年來最低；2015年社會經濟壓力指數下降到了最低，主要是由于多數壓力因素逐年下降的同時，當年有了較高的林業總產值和木材采運量。由此進一步能夠看出，雖然商洛市的森林生態支撐力總體處于上升狀態，但因社會經濟的加速發展，極大增加了對當地生態環境的壓力。

3.3森林生態支撐力與社會經濟壓力動態分析

3.3.1森林生態承載率通過公式（13），根據森林生態支撐力指數和社會經濟壓力指數計算并按年進行比較，得到2010—2020年商洛市森林生態承載率指數（表3）。從各年份情況看，2010—2014年及2019年森林生態承載率較低，狀態均為超載。2015—2018年及2020的生態承載率較高，狀態均為盈余。

3.3.2基于時序演變的特征分析

分析圖2可知，森林承載力雖有小幅波動但總體處于上升趨勢，由最低點2011年的0.34上升到2018的2.06，7年間增加了1.72。2015—2018年商洛市森林生態承載率持續上升并且處于盈余狀態，說明2014年以前及2019年當年，社會經濟發展形成的壓力超過了當年當地森林系統的承受范圍，森林生態系統已經不能再進行自我更新的基礎上提供更多的資源支撐和清潔環境；2014年后，森林資源的持續增加使得森林生態承載力持續升高，資源消耗及環境污染壓力的持續下降使得森林生態現狀可以承載當前社會經濟發展狀態，且商洛市林業產業發展及環境污染問題越來越受到重視，承載狀態由超載逐漸變為盈余。由此可看出，實現商洛市可持續發展的目標，就要繼續堅持綠色友好型的發展模式，促進生態文明建設及經濟發展模式轉型，建立健全森林生態安全預警系統，高效防治森林火災及蟲害等。

4結論與討論

4.1森林火災發生率、蟲害致災率、林木采伐量、采礦業產值、工業廢水排放量、農用化肥使用量等指標權重較大，分別為0.6533、0.2374、0.1619、0.1970、0.1483和0.1707。因此，減少人類活動對森林生態系統的有害干擾，是提高商洛市森林生態承載力的重要途徑。同時，應加強對森林火災、蟲害等災害的防控措施，建立生態安全預警系統，以提高森林生態系統穩定性。

4.2從時間序列分布上較全面準確地掌握了整個商洛市的核心生態空間的森林生態承載力。從時間上看，2015、2018、2020年森林生態承載力相比有顯著提高，分別為1.64、2.06和1.72。森林生態承載力不斷提高。這表明，近年來商洛市社會經濟發展快速推進，森林生態系統建設進度也日趨提速，二者的協調性日益增強。商洛市林業主管單位積極參與和推動的植被恢復項目、植樹造林工程和生態富民工程，使林業經濟得到快速發展，為商洛市生態文明建設及經濟社會可持續發展奠定了良好基礎。

4.3通過長時間序列對商洛市的森林生態承載力進行了定性加定量評估，以期區域森林生態承載力的評價分析技術與指標體系的構建能為未來陜西省其他地區及不同生態空間提供分析框架與技術路線。但本文的評價指標及評價體系尚有不足之處，由于在調查中缺少實地考察，在實際中除了年平均氣溫、年降雨量外，還有地質、氣候等諸多因素對森林的生態環境產生一定的影響。其次，由于沒有對縣域進行詳細的劃分，無法進行橫向的空間對比和分析。在未來的研究過程中，將會逐漸加入具體的指標和實際資料，從而使得森林的生態容量評估體系更為科學、合理和系統。

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收稿日期：2022-07-11

基金項目：陜西省林業科學院科技創新計劃專項大秦嶺智庫建設項目“商洛市森林生態承載力評價研究”（SXLK2021-05）

作者簡介：李群（1990-），男，陜西銅川人，博士，從事林業區域經濟與可持續發展研究，E-mail：sin0@vip.qq.com

通信作者：彌蕓，E-mail：133225500@qq.com.