基于生態區位系數的湖北省森林生態安全評價及重心演變分析

湯 旭,馮 彥,魯莎莎,張大紅

北京林業大學經濟管理學院, 北京 100083

森林是地球生態系統中的重要組成部分,森林生態系統具有多重功能：它能夠吸收二氧化碳,減緩地球的溫室效應；它能夠通過光合作用生產氧氣,維持人類和各種動植物的需要[1- 3]；森林能夠提供各種動植物所需要的營養和食物,所以能維持生物多樣性[4- 6]；此外,森林還能起到防止風沙、保持水土、除塵凈化的功能[7-8]。然而,隨著人類經濟與社會的迅速發展,人類對森林的砍伐利用日益增多,對林地的侵占也不斷增加,這就使得森林的發展面臨較大壓力,森林生態系統越來越脆弱[9]。對森林生態系統脆弱性的評價可運用森林生態安全概念,森林生態安全是指森林生態系統的健康與完整性,也就是指森林對生態破壞與環境污染的容忍能力。森林生態是否安全主要看它能否滿足人類的生存與發展,森林生態安全指數高,說明森林生態系統完整程度高,則人類的可持續發展能力強,反之,則人類的發展是不可持續的[10]。由于人類活動是不斷變化的,所以森林生態安全也是動態變化的。從空間尺度來看,因為森林生態系統面臨的威脅在各地是不同的,所以森林生態安全還具有區域性的特點。本文選擇湖北省為研究對象,湖北地處長江中游,省內有長江三峽大壩和丹江口水庫,是南水北調工程的水源地,生態區位非常重要,因此本文設計森林生態安全指數,并結合湖北省的森林現狀和人類經濟活動,來動態評估該省森林生態系統的健康與完整程度。

國外對森林生態安全的研究比較早,Moraes等評估了亞馬遜森林的生態安全[11],Hayes和Landis評估了華盛頓西北區域的生態安全[12]。目前國內對于森林生態安全的研究不多,已有的研究中,毛旭鵬等評價了湖南省長沙、株洲、湘潭的森林生態安全狀態,結果顯示這3個地區生態安全狀況一般,但壓力呈下降趨勢[13]。米鋒等對31個省、市進行了森林生態安全評價[14]。馮彥等從空間計量角度分析了吉林省各縣的森林生態安全指數,結論為各地區存在空間上的正相關性[15],王金龍等對5省15個試點縣進行了森林生態安全評價,結果顯示浙江淳安、吉林長白縣、浙江遂昌縣排名前三,而青海剛察縣和湖北公安縣生態安全值最差[16]。綜合上述文獻,這些研究對于自然條件的一些指標數據引用過少,大多只運用了年降水量、年積溫和年日照時間等少數指標,而實際影響一個地區森林生態安全狀態的指標還有海拔、坡度、風向等指標,因此上述研究所計算的森林生態安全指數還不能客觀的反映各地森林生態安全狀況。針對這個問題,本文將基于生態區位系數,引入海拔、坡度、風向等指標,以填補以上空白,使計算的森林生態安全指數能全面反映森林生態安全狀況。

目前對于森林生態安全的分析大多基于PSR模型,但實際還可以引入更多技術方法,以提高森林生態安全分析的研究層次。以空間重心分析為例,目前森林生態安全在這方面的分析非常少,已有研究中,吳小節等運用重心方法對比研究了中國生態文明重心與經濟重心[17],曹慧明等運用重心法分析了瀘沽湖流域,發現旅游業是各個重心變化的主要因素[18]。為拓展研究范圍,本文將引入重心分析模型來分析湖北省森林生態安全重心的動態變化,以更加深入地探究湖北森林生態安全的變化趨勢。

1 評價指標體系構建思路與指標篩選過程

本文首先依據文獻檢索、頻度分析法、專家咨詢等方法來構建森林生態安全評價的指標體系。由于該指標體系不包含自然條件方面的基礎指標,導致該方法在評估森林生態安全方面存在缺陷,因此本文構建了包含氣象因素和地形因素的指標體系,用來計算生態區位系數。高低不同的生態區位系數,能夠反映不同區域在植被生產力和物種分布上的差別,而這種差異對森林生態安全有較大影響。本文通過構建生態區位模型,來計算不同地區的生態區位系數,并將其作為調整系數來修正和補充森林生態安全指數,從而進一步保證森林生態安全指標評價體系的科學性。

1.1 森林生態安全指標體系

本文將PSR模型中3類指標合并為狀態指標和壓力指標,其中壓力指標是把PSR模型中的壓力指標和響應指標結合起來,它反映的是人類對于森林的壓力和人類保護森林的努力,都屬于人類行為指標。本文在構建指數的過程中經歷了3輪篩選：(1)首先通過研究森林生態安全定義,采用文獻查詢法和頻度分析法挑選出頻度較高的指標25個[19- 23],然后征詢林學、生態學等方面專家的意見,增加了4個指標,基本確定了29個指標,在此基礎上開展數據收集工作。(2)在收集上述29個指標的過程中,本課題組發現有些指標的數據可獲取度較低,因此本課題組于2015年11月對湖北省利川縣、神農架林區兩個典型縣域進行了調研,并結合數據的實際可獲取度,對上述29個指標進行了刪減,確立了20個指標。(3)針對這20個指標,本課題組又經過專家問卷調查、專家會議咨詢和課題組內部討論,最后確定14個指標來計算森林生態安全指數,其中森林狀態指標5個,森林壓力指標9個。

盡管從最初的25個指標調整為最終的14個指標,但仍有部分區縣的數據不符合要求：有的區縣數據大面積缺失,有的區縣數據少部分缺失。對于數據大面積缺失的區縣,本課題組將這類區縣排除在研究范圍之外；對于數據少量缺失的區縣,本課題組通過電話咨詢與查詢統計年鑒的辦法對數據進行補充完善。根據數據收集的結果,本文最終確定湖北省89個區縣為本文的研究樣本。

本文設計的森林生態安全指數(Ecological Security Index,ESI)由森林狀態指數和社會壓力指數構成。森林狀態指數由資源狀況和災害類指標計算得出,而通過一般壓力指標、行為壓力指標和維護活動指標可以計算出社會壓力指數,具體如表1所示。

表1 森林生態安全指標體系

1.1.1 森林狀態指數

資源狀況類指標中,森林覆蓋率(F01)與森林生態安全正相關。森林單位面積蓄積量(F02)反映森林的質量,蓄積量越大則森林生長情況越好,它與森林生態安全正相關,因此屬于正向指標。森林物種豐度指數(F03)主要反映喬木、灌木和其他林地占國土面積的比重,它也與森林發展正相關,所以它在指標體系中屬于正向指標[24-25]。

森林經常受災害影響,所以本文用兩個災害指標來反應受災情況：森林火災致災率(F04)與森林發展狀況負相關,其值越大則森林越脆弱；森林病蟲鼠害致災率(F05)反映有害生物(如昆蟲、老鼠、細菌、真菌、雜草等)對森林的破壞情況[26]。這兩個指標都為森林生態安全的逆向指標。

1.1.2 社會壓力指數

由于人類對森林的影響很大,而且人類對森林的影響是多方面的,所以本文歸類了一般行為、行為壓力和維護活動這3類指標。城鎮化率(Y01)、人口密度(Y02)、單位面積GDP(Y03)、單位面積工業產值(Y04)構成一般行為指標,說明人類發展必然會增加對森林的索取,因此這4個指標與森林生態安全狀況負相關,所以它們都是逆向指標[27]。行為壓力指標中,由于人類工程占用土地強度(Y05)、二氧化硫排放強度(Y06)、工業廢水排放強度(Y07)與森林發展是負相關關系,所以它們都屬于逆向指標。隨著人們生態保護意識的提高,無論是政府還是個人都積極保護森林,因此本文將森林生態建設與保護投資強度(Y08)、年度造林比例(Y09)列入維護活動類指標,這兩個指標與森林的發展有正相關關系,因此都屬于正向指標。

1.2 生態區位系數

生態區位系數是一個綜合反映氣象、地形等區域自然條件因素的指數,它能夠通過影響物種分布和植被的生產力來對森林生態安全發生作用,因此可以用它來對森林生態安全指標體系進行修正和補充。生態區位系數以氣象和地形類因素為基點,并以促進森林植被生長為目標,因此本文設計氣象類指標和地形類指標來構建生態區位系數,用來反映自然條件的天然差異,并用來對森林生態安全指數進行調整。

國內已有學者的研究引用了生態區位系數,趙海鳳等運用了生態區位系數對四川省生態服務價值進行調整[28]。李英等運用14個指標來構建生態區位系數,然后運用該系數來評估了伊春林區的生態服務價值[29]。高玲等運用地貌、水域距離、城鎮距離、生態敏感點等指標來建立生態區位系數,并用該系數評估了海口市生態系統服務價值[30]。齊丹坤等運用生態區位系數對伊春林區的評估表明國家一級公益林生態區位重要程度最高[31]。

本文首先通過頻度分析法,對有關生態區位評價的文獻進行檢索,對涉及的各項指標進行統計分析,從中選出使用頻度高的指標；然后結合森林生態系統的特點,從中選擇適用性強、數據可獲取度高的指標；最后,運用專家咨詢方法,對指標進行調整,最終探索性地選取年降水量、年均積溫、年均氣溫、日照時數、日均風速、平均海拔、坡度、坡向等8個具體指標來構建生態區位系數的指標體系,其中前面5個屬于氣象類指標,后面3個屬于地形類指標。本文根據各個區位指標的特征,將每個指標分為5個級別,等級越高就越有利于森林的生長,如表2所示。

表2 生態區位系數評級表

表2是8個指標的分級標準。在氣象類指標中：年降水量越大,則森林物種越豐富；年積溫越高,則越有利于植物的生長發育；年均氣溫越高,則越有利于植物的呼吸作用和光合作用；年日照時間越長,則可以促進植物苗木根系的生長,而且對植物開花也有明顯影響。以上4個指標的數值越大,則越有利于植物生長,因此森林生態系統將會更安全。日均風速會改變空氣的濕度和溫度,風速較高會降低植物的生長量,而且強風干擾對森林的破壞較大,因此該指標數值越低則等級越高。

在3個地形類指標中,平均海拔越低,則植被越茂盛；坡度越低,則越有利于森林植被的生長；坡向是指坡面法線在水平面上的投影方向,從坡向來看,因為湖北地處北半球,所以各區、縣地面朝南的坡向有利于植物生長,其次是朝東或偏南、朝西或偏東、偏西或偏北,最不利于植物生長的是朝北的坡向。

2 方法與模型

本文選用熵權法來計算指標權重,然后用模糊物元法與歐式貼近度來評價森林ESI。

2.1 森林生態安全指數

2.1.1 模糊物元法

依據模糊物元法,構建湖北省各縣域森林ESI的復合物元Rmn：

(1)

式中,Mj表示第j個事物(j=1,2,…,m),Ci表示第j個事物的第i項特征(i=1,2,…,n),xji(j=1,2,…,m；i=1,2,…,n)為該事物的特征量值。

首先,計算從優隸屬度。事物的特征值Ci,既有正向特征,也有負向特征,對于這些指標需要計算其相對于標準事物從優隸屬度u(xji)(j=1,2,…,m；i=1,2,…,n)[32]。計算方法為：

越大越優型指標：

(2)

越小越優型指標：

(3)

maxxji和minxji分別表示Ci中的最大值和最小值。然后計算新的模糊物元Rmn:

(4)

然后,推導標準模糊物元、差平方、差平方模糊物元。

標準模糊物元R0n由u(xji)的最大值來推導：

(5)

計算差平方：

Δji=(ux0j-uxji)2

(6)

計算差平方模糊物元RΔ：

(7)

2.1.2 歐式貼近度與森林ESI綜合評價

本文采用采用歐式貼近度M(*,+)方法來計算復合模糊物元RPH：

(8)

(9)

PHj即為未經生態區位系數修正的森林生態安全ESI值。

2.2 生態區位系數

本文運用ArcGIS軟件對8個生態區位指標做柵格化處理,再對各評價指標進行分級賦值,最后運用專家打分法來確定各指標的權重,確定氣象類系數與地形類系數的權重分別為0.625和0.375。在確定指標的權重后,再對湖北省各區縣的生態區位系數進行評估。

在計算生態區位系數時,首先應依據表2的評級標準和參評單元評價因子的現狀值,確定現狀區位系數評分空間分布圖,然后計算指標層區位系數分值：

(10)

Fij、Sijk、Wijk分別為j指標的區位系數分值、評價指標現狀值、權重值,n為指標個數。

計算準則層區位系數分值：

(11)

Fi是準則層i目標區位系數分值,Fij、Wij分別是j指標的區位系數分值、j指標相對準則層i目標的權重值,n是準則層指標個數。

計算目標層區位系數綜合分值：

(12)

F為區位系數綜合分值,Wi是準則層i目標的權重值,n是目標個數。

2.3 修正的森林ESI

在計算出森林生態安全值PHj和區位系數綜合分值F后,可以通過

(13)

2.4 重心分析模型

通過查詢統計年鑒,可得到湖北省各區縣中心的經緯度坐標(xi,yi),然后以修正的森林生態安全ESIi為權重,可求出湖北省生態安全重心的地理坐標：

(14)

由于各地區森林保護的力度不同,而且經濟與社會的發展速度也有高低差異,所以各地區森林狀態指數與社會壓力指數都會相應發生改變,這會引起全省森林生態安全的重心發生遷移,依據勾股定理,每年重心遷移的距離為：

(15)

Di-j表示重心從第i年至j年的遷移距離,R為常數,一般取值111.111。

3 研究區域與數據來源

3.1 研究區域

湖北地處長江中游,森林資源豐富。湖北省國土面積1859.00萬hm2,其中森林面積736.27萬hm2,森林覆蓋率39.61%,比全國平均水平高出17.98%。由于森林在防止洪澇災害和水土流失方面作用突出,因此湖北省森林生態系統的安全程度對本省和長江流域中下游都非常重要,所以對湖北森林生態安全指數的研究具有比較現實的意義。本文依據數據的可獲取度,以湖北省89個區縣為研究樣本。

3.2 數據來源

本文所有數據來源于森林生態安全指數研究項目,涉及湖北省89個縣域從1999年至2014年的面板數據。數據收集分為一試和二試兩個階段：

(1)一試階段,本課題組于2014年10月將數據表格下發湖北省各區、縣林業局。然后對收集整理的縣域數據進行統計,將這些數據分為全部填報、部分填報、全部缺失3種類型。

(2)二試階段,對于全部缺失的縣域數據,將此縣排除在本研究范圍之外。對于填報了部分數據的縣域,本課題組再次進行了指導,并通過電話溝通和統計資料查詢,補充了缺失數據。

4 實證分析

4.1 熵權計算結果

依據熵權法,可以求出森林生態安全14個指標的權重,本文將計算結果列入表1最后一列。

表1中所有指標權重合計為1,權重的大小能夠反映各指標對總體ESI值的影響程度。從該表可以看出：工業廢水排放強度(Y07)權重最高,為0.0752。其次為單位面積工業產值(Y04)與森林火災受災率(F04),皆為0.0751。森林單位面積蓄積量(F02)權重最小,僅為0.0574。森林物種豐度指數(F03)的權重稍高于森林單位面積蓄積量,為0.0583。

4.2 生態區位系數計算結果

圖1 湖北省生態區位系數圖Fig.1 Ecological location coefficient map of Hubei Province

本文基于表2的8個指標和湖北89個區縣的數據,運用公式10到公式12,計算出湖北省區位系數。本文運用ArcGIS軟件,采用自然斷裂法將湖北省各區域的生態區位系數采用五分位圖展示出來,如圖1所示。

圖1為湖北省區位系數等級分布。本文基于自然斷裂法將區域系數分為5個等級,分別為：31.22001—32.42000、29.93001—31.22000、28.41001—29.93000、26.03001—28.41000、22.91000—26.03000。從該圖可以看出,區位系數最高(31.22001—32.42000)的區域主要分布在湖北省東部和中部少數區域,如武漢市、鄂州市、當陽市、枝江市、松滋市等。區位系數次高區域(29.93001—31.22000)主要分布在中部區域如增都區、廣水市、鐘祥市、公安縣、監利縣等地,該區域還在西部2個區縣(通山縣、黃梅縣)有所分布。區位系數最低的區域(22.91000—26.03000)主要分布在湖北西部,如神農架林區、竹溪縣、竹山縣、興山縣和保康縣。

從總體來看,湖北全省的生態區位系數平均值為29.94719。生態區位系數較高的區域主要分布在湖北省東部和中部,這些區域自然基礎條件較好,適合森林植物的生長。區位系數最高值出現在東北區域的紅安縣(區位系數值為32.42000)。而生態區位系數較差的區域主要分布在湖北省西部,以神農架林區為例,該區域的生態區位系數僅為22.91000,在湖北省排名倒數第一,說明該區域并不是最適合森林植被生長的區域。與此同時,生態區位系數較好的區域大多聚集在武漢市周邊,這些地區都是湖北省經濟最發達的區域,而生態區位系數較差的區域一般都集中在湖北省西部,這些地方交通不便,人口稀少,經濟相對比較落后,因此生態區位系數與地區經濟發展水平有一定的耦合性。

4.3 修正的森林生態安全指數

在計算出14個指標的熵權后,結合模糊物元法和歐式貼近度方法,本文計算出初步的森林生態安全指數值。

因為自然基礎條件對各地森林生態安全指數有根本性的影響,所以需要用基于坡度、風向、海拔、風速等指標的區位系數來修正前期計算的森林生態安全值。在計算出湖北省各區縣的生態區位系數后,再求出全省生態區位系數的平均值,然后用各個生態區位系數除以該平均值,得到修正系數,再分別乘以各地的森林ESI值,可得到經生態區位系數修正的森林生態安全ESI值。

基于修正的森林生態安全指數,本文將1999、2004、2009、2014年這4年的森林生態安全值用ArcGIS圖展現出來,如圖2所示。

圖2 湖北省森林生態安全分布Fig.2 Forestry ecological security distribution in Hubei Province

圖2為湖北省森林ESI在1999、2004、2009和2014年的五分位分布圖。從1999年來看,森林生態安全最高等級區域主要分布在湖北東部,還分布在北部部分區域,以及南部個別區域。森林生態安全最低等級區域零星分布在東部、中部和西部的黃州區、襄樊市、云夢縣以及神農架林區。

從2004年的分布圖來看,最好區域主要分布在湖北省西北部和西南部,與1999年相比,減少了浠水縣、曾都區、來鳳縣和宜都市。而生態安全等級最差的區域沒有變化。生態安全等級排名其次的區域與2004年相比有了明顯擴大,北部增加了丹江口市和曾都區,西部增加了浠水縣。

從2009年來看,大悟縣已退出生態安全的最好區域,但新增了丹江口市和松滋市。神農架林區的生態安全值有所上升,從最差等級的區域已上升為較差區域。

從2014年來看,最好區域新增了5個縣,但是生態安全最差區域也大幅上升,在湖北東部新增了武漢市、華容區,北部新增了襄陽縣、老河口縣,西部新增興山縣、竹溪縣、張灣區、茅箭區等8個縣,與1999年相比的增幅為100%。

從這4個年份的森林生態安全的等級變化來看,在這16年間,丹江口市、松滋市一直保持上升趨勢,丹江口市森林生態安全值在1999年還屬于五級分類中的中間區域,但它在2004年和2009年分別上升一個等級直到2014年的最高等級。丹江口市森林ESI值的持續上升在于該地區非常重視植樹造林,1999年該地區造林面積為2553hm2,接下來幾年每年造林面積持續上升,在2003年達到最高值,該年度造林面積為11000hm2。正因為該地區重視林業保護,所以該地區的森林ESI等級持續上升。松滋市森林ESI的上升主要體現在2004年到2009年,主要在于該地區森林投資與保護強度持續上升,1999年該地區森林投資與保護強度為669.5元/km2,經過幾年持續追加投入,2009年達到2802元/km2的峰值。這16年的另一個重大變化是森林生態安全最差區域在2014年大幅上升。以武漢市為例,2009年該市森林ESI值還處在五級分類中的中間區域,但到了2014年則直接跌落到最差等級區域,這主要是因為武漢市在這些年份經濟發展速度太快,從而給森林造成太多壓力。

4.4 森林生態安全狀態指數

為了更加清楚地分析湖北省森林生態安全值的變化,本文將森林生態安全指數分解為狀態指數與壓力指數。本文首先計算各區縣從1999年到2014年的狀態指數,然后將1999年、2004年、2009年和2014年狀態指數的變化用ArcGIS軟件制圖,如圖3所示。

圖3 湖北省森林生態安全狀態指數Fig.3 Forestry ecological safety status index in Hubei Province

圖3反映了湖北省森林狀態指數的變化。從以上4個圖來看,狀態指數最高區域比較集中,主要分布在湖北省西部區域。從狀態指數最高等級區域來看,1999年主要分布在湖北西部的11個縣,還分布在西南的4個縣。2004年該區域增加了建始縣。2009年西部3個縣下降了一個等級。2014年狀態指數和2009年相比,變化不大。

從狀態指數最差區域來看,主要集中在云夢縣和黃州區,除了2009年增加了部分區域外,其他年份基本沒有變化。該指數的較好區域主要分布在湖北西部和東南、東北及北部幾個縣域,而且在這4個年份變化不大。

4.5 森林生態安全壓力指數

由于本文對壓力指數中的逆向指標做了標準化處理,所以壓力指數越大,說明森林面臨的壓力越小；反之,則森林發展的壓力越大。本文計算了湖北省森林生態安全的壓力指數,并將1999年、2004年、2009年和2014年的壓力指數體現在GIS圖上,如圖4所示。

圖4 湖北森林生態安全壓力指數Fig.4 Forestry ecological security pressure index in Hubei Province

圖4反映了湖北省森林壓力指數的變化。顏色最淺區域為壓力最小區域,從該區域的變化來分析,1999年主要分布在湖北中部和北部的京山縣、曾都區,西部的竹山縣和西南的恩施市、來鳳縣。2004年該區域有所擴大,西北新增了鄖縣、丹江口市兩個縣,中部新增了南漳縣、宜城市兩個縣,西南新增了3個縣,南部也新增了3個縣,東南新增了通山縣,減少了來鳳縣。從2009年來看,壓力最小區域大幅減少,具體來看,西南區域減少了3個縣(利川市、恩施市、巴東縣),西北減少了兩個縣(老河口縣、鄖縣)、中部減少了1個縣(宜昌縣)。從2014年來看,竹山縣、保康縣、咸安區因為壓力上升而從該等級區域消失,北部的廣安市和宜城市壓力下降所以壓力指數落在該區域。

圖4中顏色最深的部分即為壓力最大區域。從壓力最大區域來看,1999年、2004年和2009年壓力最大區域都為東部下陸區,但到了2014年壓力最大區域急劇擴大,西北新增了2個縣(張灣區、茅箭區),北部增加了襄陽縣,中南部增加了兩個區縣,東部新增了武漢市、華容區、黃州區和鄂城區。該等級區域的的迅速擴大說明最近幾年經濟的發展給森林增加了太多壓力,需要適度放緩經濟發展步伐,減少污染排放,以為森林發展創造有利條件。

4.6 重心分析

依據重心分析模型中的公式14,并結合歷年森林生態安全ESI值,可以計算出從1999年至2014年的森林生態安全重心坐標,如表3所示。

表3反映了最近16年森林生態安全重心的變化,從該表可以看出,歷年重心基本在112°45′34″E和112°47′2″E之間、30°50′1″N和30°50′42″N之間波動。

本文將歷年重心的坐標標記在坐標圖上,如圖5所示,通過該圖可以分析重心演變的軌跡。

圖5反映了1999年至2014年湖北省森林生態安全重心的演變軌跡,從該圖可以看出,重心演變基本可以分為兩個階段：第一階段(1999年至2007年)從西北區域向東南區域遷移；第二階段(2007年至2014年)從東往西遷移。第一階段的重心遷移說明湖北省東南區域的森林生態安全指數改善較大,第二階段的重心遷移說明湖北省西部的森林生態安全指數提升較大,從而帶動重心向西遷移。

第一階段重心向東南遷移的原因在于北部和西部幾個縣域的森林ESI值下降較大(如曾都區、宜都市、來鳳縣),而南部的赤壁市在此階段由于退耕還林和植樹造林工作做得較好,因此當地的森林ESI值上升較大,從而促進了森林生態安全重心向東南方向的遷移。

表3 湖北省森林生態安全重心

第二階段重心向西遷移的原因在于東部的武漢市各區、華容區和鄂城區的森林ESI值都有下降,而中西部南漳和沙洋這兩個縣的ESI值改善明顯。南漳縣2014年的森林覆蓋率與2011年相比提高了3.1個百分點,達到61.79%,而沙洋縣在此期間每年完成造林面積都在2000hm2以上,這些都使得兩個縣的森林生態安全指數得到迅速提升,從而帶動森林生態安全重心自東向西遷移。

為更加全面地掌握這兩個階段的重心遷移方向、距離及速度,本文統計了這兩個階段的重心演變數據,如表4所示。

表4 1999年至2014年重心演變統計

圖5 1999年至2014年的重心演變軌跡Fig.5 Transfer map of gravity center from 1999 to 2014

從表4來看,森林生態安全重心在第一階段(1999年至2007年)的南北方向遷移了0.67km,東西方向遷移了1.46km,總體移動方向為從西北到東南,移動距離為1.6km,這8年年均移動距離為0.2km。第二階段(2007年至2014年)的重心在南北方向遷移了0.2km,東西方向遷移距離為1.74km,總體移動方向為從東至西,總距離為1.75km,年均移動距離為0.25km,遷移速度比第一階段有所加快,反湖北省西部區域的森林ESI指數在第二階段進步較大。

5 結論與討論

5.1 結論

本文首先運用熵權法和模糊物元法計算出湖北省各區縣的森林ESI指數,然后計算湖北各區縣的生態區位系數,并用來修正森林ESI,得到修正后的森林生態安全指數。本文還運用了ArcGIS和重心模型來分析湖北各區縣的森林ESI指數,結論如下：

(1)生態區位系數最高(31.22001—32.42000)的區域主要分布在湖北省西部和中部少數區域,如武漢市、鄂州市、當陽市、枝江市、松滋市等。區位系數最低的區域(22.91000—26.03000)主要分布在湖北西部。

(2)從1999年到2014年森林生態安全指數的變化來看,ESI指數最差等級區域增加明顯,尤其是從2009到2014年間,在湖北東部新增了武漢市、華容區,北部新增了襄陽縣、老河口縣,西部新增了興山縣、竹溪縣、張灣區、茅箭區等8個區縣,與1999年相比的增幅為100%,說明湖北省森林生態安全形勢不太樂觀。

(3)從狀態指數來看,最高等級區域主要分布在湖北省西部區域,反映西部森林狀態較好,而最差區域主要集中在云夢縣和黃州區。從壓力指數來看,1999年、2004年和2009年壓力最大區域都為東部下陸區,但到了2014年壓力最大區域急劇擴大。以武漢市及周邊區域為代表,該地區壓力迅速上升,妨礙了當地森林生態安全指數的提升。

(4)湖北省森林生態安全重心演變分為兩個階段：第一階段(1999年至2007年)從西北向東南遷移距離了1.6km,年均遷移0.2km；第二階段(2007年至2014年)從東往西遷移了1.75km,年均移動0.25km,移動速度較快。第一階段的重心遷移說明湖北省東南幾個區縣森林保護工作做得較好,從而帶動森林生態安全值的提升,而第二階段的重心遷移說明湖北西部區縣森林生態建設的成效較好,使得森林生態安全值提升較大,從而帶動重心向西遷移。

5.2 討論

從本文分析結果來看,處于生態區位系數最高等級的中部和東部區域的森林ESI值卻屬于最差等級區域,說明人口、經濟、廢水和廢氣的排放抑制了該區域森林的發展。以武漢市及周邊地區為例,盡管生態區位系數的等級最高,但從森林生態安全值來看,卻屬于湖北省最差等級的區域。因此,本文建議該地區政府、企業和居民高度重視植樹造林、森林維護和環境治理工作,并盡量減少對森林生態系統的破壞,為促進該地區森林的發展創造出良好條件。

從森林生態安全的研究方法來看,目前指標賦權大多運用層次分析法和專家打分法,它們的優點是能判斷各指標在生態上的重要性,缺點是對各指標的差異性重視不夠。本文熵權法與之相反,對各指標的差異性較為重視,但無法分辨各指標的生態重要程度[33-34],因此本文將在以后的研究中引入組合賦權法,即將客觀賦權法與主觀賦權法綜合起來[35- 38]。除此之外,其他學者對各指標之間的相關性作了較為深入地分析,因此本文將加以借鑒,并引入主成分分析方法來進行指標篩選。本文生態區位系數僅考慮了氣象類指標和地形類指標,但在影響森林植被的自然因素中,還有地質、土壤、水文等因素沒有考慮進來[39- 41]。地質因素中,地質構造能夠影響地貌格局從而影響森林的群落分布,巖石中的礦物質成分對森林植物生長有較大影響。土壤能夠給森林植物提供大量的養分,其中的有機質、微生物和水分等是植物生長的必要條件。水文因素中,汛期、徑流量等對流域內的地表水和地下水有較大影響,而這些水源是植物生長的重要因素。今后將在地質類指標中引入巖性-巖相、綜合地層、地質構造等指標,在土壤類指標中引入土壤有機質、土壤類型、微生物、水分等指標,在水文類指標中引入汛期、結冰期、徑流量等指標。

[1] 劉心竹,米鋒,張爽,蘇立娟,顧艷紅,張大紅.基于有害干擾的中國省域森林生態安全評價.生態學報,2014,34(11):3115- 3127.

[2] 侯鵬,楊旻,翟俊,劉曉曼,萬華偉,李靜,蔡明勇,劉慧明.論自然保護地與國家生態安全格局構建.地理研究,2017,36(3)：420- 428.

[3] 馮繼廣,丁陸彬,王景升,姚萍萍,姚帥臣,王志凱.基于案例的中國森林生態系統服務功能評價.應用生態學報,2016,27(5):1375- 1382.

[4] 劉婷婷,孔越,吳葉,祝凌云,張大紅.我國省域森林生態安全研究——基于熵權模糊物元模型.生態學報,2017,37(15):1- 10.

[5] 吳霜,延曉冬,張麗娟.中國森林生態系統能值與服務功能價值的關系.地理學報,2014,69(3):334- 342.

[6] 馮彥,鄭潔,祝凌云,辛姝玉,孫博,張大紅.基于PSR模型的湖北省縣域森林生態安全評價及時空演變.經濟地理,2017,37(2)：171- 178.

[7] 汪有奎,郭生祥,汪杰,袁虹,徐柏林,王多堯.甘肅祁連山國家級自然保護區森林生態系統服務價值評估.中國沙漠,2013,33(6):1905- 1911.

[8] 李國偉,趙偉,魏亞偉，方向民，高波，代力民.天然林資源保護工程對長白山林區森林生態系統服務功能的影響.生態學報,2015,35(4):984- 992.

[9] 陳巖,張智光,謝煜,彭森.中國省域林業生態安全格局的預警性測度——生態與產業共生的視角.農林經濟管理學報,2015,14(5)：480- 489.

[10] 褚家佳,張智光.森林生態安全與森林食品安全相互作用機理模型研究.林業經濟問題,2014,34(2):107- 112,192.

[11] Moraes R,Landis W G,Molander S.Regional risk assessment of a Brazilian Rain Forest reserve.Human and Ecological Risk Assessment,2002,8(7):1779- 1803.

[12] Hayes E H,Landis W G.Regional ecological risk assessment of a near shore marine environment:Cherry Point,WA.Human and Ecological Risk Assessment,2004,10(2):299- 325.

[13] 毛旭鵬,陳彩虹,郭霞,周丹華,胡煥香.基于PSR模型的長株潭地區森林生態安全動態評價.中南林業科技大學學報,2012,32(6)：82- 86.

[14] 米鋒,譚曾豪迪,顧艷紅,魯莎莎,張大紅.我國森林生態安全評價及其差異化分析.林業科學,2015,51(7)：107- 115.

[15] 馮彥,祝凌云,鄭潔,辛姝玉,張大紅.基于PSR模型和GIS的吉林省縣域森林生態安全評價及時空分布.農林經濟管理學報,2016,15(5):546- 556.

[16] 王金龍,楊伶,李亞云,張大紅.中國縣域森林生態安全指數——基于5省15個試點縣的經驗數據.生態學報,2016,36(20)：6636- 6645.

[17] 吳小節,曾華,汪秀瓊,陳修德.中國生態文明發展重心與經濟重心軌跡對比分析.華東經濟管理,2016,30(2):34- 41.

[18] 曹慧明,董仁才,鄧紅兵,余麗軍,劉建軍,王豪偉,馬赫.區域生態系統重心指標的概念與應用.生態學報,2016,36(12):3639- 3645.

[19] 鄭永賢,薛菲,張智光.森林旅游景區生態安全IRDS模型實證研究.資源科學,2015,37(12)：2350- 2361.

[20] 蘇子友,潘發明,唐慶良,盛興軍.川西南山地區主要森林類型生態安全評價研究.資源科學,2016,37(6):27- 31.

[21] 周亞東.基于景觀格局與生態系統服務功能的森林生態安全研究.熱帶作物學報,2015,36(4):768- 772.

[22] 陳道軍,瞿王龍,李育才,吳小舟,茍樹屏.甘肅省森林生態安全動態評價研究.草業學報,2016,25(12)：188- 193.

[23] 趙筱青,王興友,謝鵬飛,張龍飛.基于結構與功能安全性的景觀生態安全時空變化——以人工園林大面積種植區西盟縣為例.地理研究.2015,34(8):1581- 1590.

[24] 尹新哲,李菁華,雷瑩.森林公園旅游環境承載力評估——以重慶黃水國家森林公園為例.人文地理,2013,130(2):154- 158.

[25] 張俊霞,段文軍,趙立祿,朱磊.漓江流域森林生態旅游承載力三重矢量評價模型的構建.西北林學院學報,2013,28(3):245- 249.

[26] 宋靜波,李婷婷,吳黎,齊闖.大小興安嶺地區森林災害承載力評價.湖北農業科學,2015,54(23):6043- 6046.

[27] 許紅紅,李小梅,張江山,吳明珠.基于PSR-TOPSIS模型的閩侯縣生態安全動態評價.亞熱帶資源與環境學報,2013,8(2):72- 79.

[28] 趙海鳳,劉川源,魯莎莎,張大紅.基于區位模型的四川森林生態服務價值核算研究.河南農業大學學報,2015,49(6)：831- 837.

[29] 李英,齊丹坤.基于生態區位測度的伊春林區森林生態服務功能價值評估.林業科學,2013,49(8):140- 147.

[30] 高玲,趙智杰,張浩,關學斌,肖明.基于生境質量與生態區位的海口市生態系統服務價值估算.北京大學學報：自然科學版,2012,48(5):833- 840.

[31] 齊丹坤,李曉,張懷,李英.基于古林法的伊春林區不同等級森林生態區位測度研究.林業經濟問題,2014,34(2):145- 148.

[32] 張頻,張邦文,蔡海生,金蘇蓉,韓天一.江西省林業生態安全物元分析評價.江西農業大學學報,2013,35(4)：791- 797.

[33] 祝凌云,張大紅.吉林省長白縣森林生態承載力評價.生態科學,2016,36(5)：176- 182.

[34] 謝余初,鞏杰,張玲玲.基于PSR模型的白龍江流域景觀生態安全時空變化.地理科學,2015,35(6)：790- 797.

[35] 趙金龍,王濼鑫,韓海榮,康峰峰,張彥雷.森林生態系統服務功能價值評估研究進展與趨勢.生態學雜志,2013,32(8):2229- 2237.

[36] 張智光.基于生態-產業共生關系的林業生態安全測度方法構想.生態學報,2013,33(4)：1326- 1336.

[37] 任光前,李鐵松,曹帆,李成明.南充市森林承載力評價研究.新疆環境保護,2015,37(1)：13- 17.

[38] 米鋒,潘文婧,朱寧,李華晶.模糊綜合評價法在森林生態安全預警中的應用.東北林業大學學報,2013,41(6)：66- 75.

[39] 沈文星,李鋒,牛利民.我國木質林產品貿易與森林生態安全耦合度研究.世界林業研究,2013,26(1):69- 73.

[40] 秦曉楠,盧小麗,武春友.國內生態安全研究知識圖譜——基于Citespace的計量分析.生態學報,2014,34(13)：3693- 3703.

[41] 丁國強,劉文英,肖彩虹,高崗.呼和浩特市森林承載力綜合評價研究.內蒙古林業科技,2016,42(4)：49- 53.