基于PSR-熵權模糊物元模型的森林生態安全動態評價*
——以中部6省為例

黃和平，楊宗之

(1.江西財經大學生態經濟研究院，南昌 330013； 2.江西財經大學旅游與城市管理學院，南昌 330032)

0 引言

近年來，隨著人口和經濟高速增長的迫切需要，以資源和環境為代價的粗獷型經濟發展隨處可見。木材需求量的不斷增加，忽視自然規律選擇的經濟發展活動，導致水、土地和臭氧層等一系列生態資源的過度消損，引發的生態安全問題日益威脅著人類的基本生存環境[1]。森林作為陸地生態系統中重要的碳儲集層、儲能區和生物基因庫，其安全狀況與人類社會的可持續發展有著密切的關聯[2]。由于粗放經營管理和高強度的工業污染排放等，森林生態系統在很大程度上受到前所未有的威脅：森林面積的減少、質量的不斷惡化，大幅消弱了其原有的基礎生態功能，引發的全球變暖效應致使生物多樣性消減增速，森林生態環境問題開始制約著人類的生存和發展。

Norman Myer在《最后的安全》中率先提出生態安全這一概念，認為生態環境的退化會威脅經濟和政治的安全[3]。隨后，Mack Halle進一步將人類安全網絡系統細分為包括人口、政治、文化和生態在內的多個子系統[4-5]。Rapport[6]認為，生態安全應該為人類的生存和發展提供良好的生態服務功能并且穩定地供給各種資源。陳利頂等著重分析了我國景觀生態學的發展狀況，系統地闡述了我國景觀生態學研究的特點，從學科發展和理論研究、重點研究領域的實踐應用3個方面分析了我國景觀生態學未來發展的關鍵方向[7]。對于生態安全評價，一般以指標體系、模型的使用和評價方法為基礎。聯合國可持續發展委員會(UN Commission on Sustainable Development)在1989年7國集團(G7)峰會上首次啟動的生態環境指標項目的理念基礎上，開創了一種壓力—狀態—響應(PSR)模型，并基于此構建了相應的指標體系，用于評估人類活動對生態環境的壓力、壓力對生態環境的影響以及人類對影響的積極反饋幾個方面。從生態安全評價的角度來看，系統評價的模式和方法逐漸從單個維度的評價模型和方法轉向多維度的評價。

近年來，國內外許多學者使用PSR、PSIR、DSR、DPSIR、DPSER等模型構建理論框架，運用主成分分析、層次分析法、灰色關聯法和生態足跡評價模型對生態安全進行評價。其中，廖冰等在工業和生態相互共生、林業產業壓力與森林生態的交互基礎上，通過Lotka-Volterra方法計算出林業生態安全共生度指數及其判斷依據，由指標向指數耦合集成，最后對省域尺度的林業生態安全進行了實證測度[8]。根據傳統的PSR模型，米鋒等以森林生態承載力和人類行為對森林生態系統的影響進行了全方位的剖析，并基于此對中國31個省(市)的森林生態安全進行了評價[9]。劉心竹等在分析森林生態安全與森林健康概念的基礎上，基于有害干擾原則，通過主成分分析、聚類分析和模糊評價等方法，對不同省份森林生態安全水平進行實證分析[10]。顧艷紅等基于森林生態系統與自然、人類社會系統的相互作用，從森林資源、地理和氣候條件、區域社會經濟壓力和人類管理響應狀態4個方面建立了森林生態安全指數模型，進行生態安全評價與比較[11]。王金龍等基于森林生態系統與人類社會系統相互作用的內在機制，從生態狀態指數(ECI)和人類活動(生態壓力指數EPI)的角度考慮了森林生態系統的安全，設計了森林生態安全指數的方法體系[12]。馮彥[13]以湖北省85個區、縣為研究對象，根據綜合指數法計算湖北省森林生態安全指數，在GIS的技術下，對縣級森林生態模式的空間尺度進行了深層次的分析。李國偉等評價了森林生態系統的5個方面，并量化實施天然林保護項目對長白山森林生態系統服務數量和價值的影響[14]。魯莎莎等建立了基于森林生態安全情景分析和控制的SD模型，并設計了4種開發場景，對每個場景的森林生態安全進行了仿真和動態評價[15]。譚明亮[16]基于蘭州市南部和北部山區的環境綠化項目區域的GIS衛星遙感數據，從研究區域的實際情況出發，應用生態系統服務評價方法，對城市人工森林生態系統研究區的服務價值進行評估。

目前森林生態安全的研究規模主要集中在國家、省市、縣級尺度，在經濟區域化水平上對省級森林生態安全動態的研究較少。在此基礎上，文章從森林生態系統安全的概念出發，考量人類社會系統與森林生態系統的內部交互機制，綜合考慮影響森林生態安全元素間的相互作用，采用森林生態安全的PSR模型，以客觀評價研究區2005—2015年中部6省森林生態安全的時空變化及其壓力、狀態和響應等幾方面的影響因素和干擾程度。

1 研究區概況與數據來源

1.1 研究區概況

中部地區，包含江西、湖南、湖北、安徽、河南、山西6個省份，東部臨海，西接內陸。截止2016年底，中部地區人口約3.67億人，面積約1.028 0億hm2，GDP總量約15.910 0萬億元，人均國內生產總值約4.33萬元。中原地區土地面積占全國總量的10.7%左右，并承載著26.5%的人口，創造全國約21.4%左右的生產總值[17]。林地面積為48.86萬hm2(占全國15.63%)，森林蓄積量為1 475萬hm2(占全國9.74%)，天然林面積20.1萬hm2(占全國16.5%)。中部地區森林生態環境資源富饒，在全國有著非常重要的森林生態地位，但省域間森林覆蓋率及森林資源分布極不均衡，且各省面臨著較大差異的森林生態安全問題。

1.2 數據來源

數據主要來自2006年、2011年、2016年的《中國林業統計年鑒》《中國統計年鑒》，各省環境統計年報、環境狀況公報、統計年鑒等相關統計資料。同時，用相關部門網站所公布的數據以及其他有關資料的數據來補充部分數據。

2 評價方法

2.1 構建評價指標體系

2.1.1 選取原則和依據

為了體現森林生態系統自身的現狀和特點，并更加真實、系統地反映人類社會經濟活動對森林生態安全的影響，該文從中央及地方政策出發，考慮各區域發展的特點，以科學性、系統性、針對性、真實性、可操作性原則為導向建立PSR評價模型，通過文獻綜述，充分借鑒相關研究領域的成果[18-21]，結合相關領域專家意見對指標體系進行整合，從森林生態系統狀態、壓力和響應3個不同的角度，最終選取了18個指標構建中部地區森林生態安全評價指標體系。其中，壓力指標反映森林生態系統中人類活動的有害干擾； 狀態指標反映森林生態系統的資源情況及自然災害對其所造成的影響； 響應指標反映森林生態系統中人類活動的有益干擾。

2.1.2 指標含義

表1 中部地區森林生態安全評價指標體系

子系統層要素層指標層單位公式類型系統狀態(A1)資源狀況(B1)森林覆蓋率(C1)%森林面積/地區面積*100%+森林單位面積蓄積量(C2)m3/hm2森林蓄積量/森林面積+林分結構(C3)%天然林面積/森林面積+生物干燥指數(C4)見指標說明+自然災害(B2)森林火災受災率(C5)‰森林火災受害面積/森林面積*100%-森林病蟲鼠害致災率(C6)%森林病蟲鼠害發生面積/森林面積*100%-系統壓力(A2)一般壓力(B3)人口密度(C7)人/hm2年末人口數/地區面積-城鎮化率(C8)%城鎮人口數/省年末人口數*100%-單位GDP能耗(C9)億元/hm2GDP/地區面積-能源消耗指數(C10)萬t/hm2地區能源總消耗量/森林面積-行為壓力(B4)SO2排放強度(C11)萬t/hm2二氧化硫排放量/地區面積-工業廢水排放強度(C12)萬t/hm2工業廢水排放量/地區面積-人類干擾指數(C13)%建設用地面積/地區面積-森林采伐強度(C14)%木材產品采伐量/森林蓄積量-森林旅游開發強度(C15)%已開發的森林公園面積/森林面積-系統響應(A3)態修復(B5)新增造林比例(C16)%造林面積/森林面積*100%+單位森林面積林業投資完成額(C17)元/hm2林業投資完成額/森林面積+單位GDP工業污染治理投資額(C18)%工業污染治理完成投資/GDP+

狀態類指標以森林資源的物質情況來反映森林的生態安全狀況，主要從其數量、質量、變化情況和自身及外界的有害干擾程度來衡量。其中資源狀況選取森林覆蓋率、森林單位面積蓄積量、林分結構、生物干燥指數多項指標表征森林的面積、蓄積能力和其維持自身結構和功能穩定性等方面的能力。自然災害分別選取森林火災受災率和森林病蟲害致災率兩項指標來表示地區森林資源受各類災害威脅的程度，災害的發生率越高森林生態系統則越不安全。壓力類指標包括影響森林生態作用的一般壓力和行為壓力，一般壓力從人口密度、城鎮化率、單位GDP能耗和能源消耗指數幾個方面考慮，表示施加在森林資源上的人類社會需求。行為壓力從SO2排放強度、工業廢水排放強度、人類干擾指數、森林采伐強度、森林旅游開發強度幾個方面考慮，其中包括工業廢氣廢水排放對森林資源的威脅，以及人類開發利用自然資源、改造生態系統水平的程度。響應類指標指對森林資源的生態修復，從新增造林比例、單位森林面積林業投資完成額、單位GDP工業污染治理投資額幾個方面考慮，反映了政府部門對林業建設的重視程度，以及為森林資源保護提供的資金支持，體現森林資源長久發展的能力。

指標說明：生物干燥指數BK用于描述森林的生境潮濕和干燥條件。BK值越大，相應的生境就越潮濕，同時濕度的增加也能促進植被的生長。因此，生物干燥指數BK值越大，森林的生態環境就越好。生物干燥指數BK計算如公式(1)：

(1)

式(1)中，P表示年降水量(mm)，BWI為植物溫暖指數。植物溫暖指數BWI可通過公式(2)計算得出：

(2)

其中T為10℃以上的月均氣溫(℃)，n為月均氣溫大于10℃的月數。

2.2 熵權法

該文采用熵權法計算指標權重，采用模糊物元法和歐式貼近度法對森林生態安全進行評價。熵權法彌補了專家學者對指標權重主觀賦權打分的不足，基于各指標數據提供的信息量來進行權重的計算，是一種客觀的數學加權方法[22]。權重的計算步驟如下：

(1)設共有m個研究樣本，每個樣本中存在n個評價指標，則其判斷矩陣為：

(3)

(2)數據標準化處理

正向指標的處理：

(4)

其中，xmax、xmin分別為第i個樣本的第j個指標中的最大和最小值；

負向指標的處理：

(5)

其中，xmax、xmin分別為第i個樣本的第j個指標中的最大和最小值；

(3)計算第j評價指標的信息熵(Hj)：

(6)

(4)計算第j項評價指標的權重(Wj)：

(7)

其中，Hj為第j項指標的信息熵。

2.3 模糊物元法

根據模糊物元法，構建中部地區各省森林生態安全的復合物元Rmn：

(8)

式(8)中，Mi表示第i個事物(i=1， 2,…,m)，Cj表示第i個事物的第j項特征值(j=1， 2,…,n)，xij(i=1， 2,…,m；j=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Cj，包含正向與逆向值，對于這些指標需要計算其相對于標準事物的從優隸屬度u(xij)(i=1， 2,…,m；j=1， 2,…,n)，計算方法為：

越大越優型指標：

(9)

越小越優型指標：

(10)

式中，maxxij和minxij分別表示Cj中的最大值和最小值。然后計算新的模糊物元Rmn：

(11)

標準模糊物元R0n由u(xij)的最大值推導：

(12)

計算差平方Δij：

Δij=(ux0j-uxij)2

(13)

計算差平方模糊物元RΔ：

(14)

2.4 歐式貼近度

復合模糊物元RρH由歐式貼近度M(*，+)方法計算求得：

(15)

ρHj即為森林生態安全值。

2.5 森林生態安全綜合評價

該文中子系統層的系統狀態評價結果由其2項要素層(資源狀況、自然災害)計算結果得到； 系統壓力評價結果由其2項要素層(一般壓力、行為壓力)計算結果得到； 系統響應評價結果由其1項要素層(生態修復)計算得到。森林生態安全的綜合評價結果由其3項子系統層(系統狀態、系統壓力、系統響應)計算結果得到。

3 評價結果

3.1 評價指標權重值

通過熵權法對中部各省的森林生態安全評價指標進行權重分配，得到指標權重的計算結果(表2)。

表2 中部地區森林生態安全評價各指標權重

系統層子系統層要素層指標層森林生態安全系統狀態(A1)(0.386 7)資源狀況(B1)(0.082 1)森林覆蓋率(C1)(0.030 9)森林單位面積蓄積量(C2)(0.009 6)林分結構(C3)(0.007 9)生物干濕度指數(C4)(0.033 7)自然災害(B2)(0.304 7)森林火災受災率(C5)(0.252 1)森林病蟲鼠害致災率(C6)(0.052 6)系統壓力(A2)(0.305 6)一般壓力(B3)(0.093 3)人口密度(C7)(0.016 5)城鎮化率(C8)(0.003 2)單位GDP能耗(C9)(0.053 3)能源消耗指數(C10)(0.020 3)行為壓力(B4)(0.212 3)SO2排放強度(C11)(0.028 1)工業廢水排放強度(C12)(0.015 9)人類干擾指數(C13)(0.017 5)森林采伐強度(C14)(0.082 5)森林旅游開發強度(C15)(0.068 3)系統響應(A3)(0.307 7)生態修復(B5)(0.307 7)新增造林比例(C16)(0.087)單位森林面積林業投資完成額(C17)(0.157 3)單位GDP工業污染治理投資額(C18)(0.063 4)

由表2可知，指標權重表中3項子系統層的權重值較為接近，該指標體系可以較為客觀地反映中部地區的森林生態安全情況。子系統層中，生態修復指標(0.307 7)所占權重值最大，說明森林生態安全主要取決于人類對森林資源的投資修復，其次為自然災害指標(0.304 68)，說明森林所處地理位置的氣候、干燥程度及人類的破壞活動也是影響森林生態安全的重要因素。指標層中森林火災受災率和單位森林面積林業投資完成額兩項指標權重值較大，進一步說明了人類活動和森林自身狀態對其生態安全的影響程度巨大，其中森林生態安全的壓力主要來源于森林旅游開發及森林采伐強度。

3.2 各省森林生態安全評價結果

根據模糊物元法，計算中部地區各省森林生態安全的復合物元，采用歐式貼近度方法求得最終復合模糊物元值。如表3所示，評價結果為各省子系統層得分、綜合評價得分及排名。為了評價結果的直觀及統一，對其中系統壓力數據進行負向處理，其分數結果越高，森林系統壓力則越??； 綜合評價得分越高，森林生態安全水平則越高。依據表3評價中部地區森林生態安全狀況。

表3 2005年、2010年、2015年中部地區森林安全生態安全評價結果

省份系統狀態2005排名2010排名2015排名河南0.435 7 50.434 050.735 9 1山西0.41860.430 3 60.432 1 6湖北0.463 5 30.469 5 30.562 2 2安徽0.453 4 40.455 8 40.523 5 3湖南0.475 5 20.480 6 20.497 7 5江西0.497 1 10.491 010.504 2 4省份系統壓力2005排名2010排名2015排名河南0.592 6 60.555 8 60.551 2 6山西0.716 3 10.687 7 10.641 8 2湖北0.647 5 50.612 9 50.611 6 4安徽0.663 6 40.623 8 40.606 5湖南0.690 9 30.637 3 30.629 6 3江西0.698 6 20.665 4 20.644 3 1省份系統響應2005排名2010排名2015排名河南0.585 5 20.589 1 20.602 3 2山西0.674 9 10.8510.861 4 1湖北0.532 7 30.557 5 30.548 9 4安徽0.502 8 50.508 7 40.619 5 3湖南0.522 1 40.502 8 50.558 3 5江西0.489 4 60.495 60.498 4 6省份綜合評價2005排名2010排名2015排名河南0.189 9 50.171 5 60.344 8 1山西0.275 4 10.333 2 10.314 4 2湖北0.206 0 40.208 1 30.261 1 4安徽0.188 1 60.176 050.274 03湖南0.226 1 20.194 7 40.235 4 5江西0.222 5 30.208 7 20.210 1 6

3.2.1 森林生態安全狀態評價

在2000—2005年區間，各省森林生態安全壓力評價中，河南、山西、安徽省得分較低，森林資源狀態較差。2015年，各省生態安全狀態值都有所增加，其中河南、湖北兩省資源狀態提升迅猛，且歸咎于河南過高的安全狀態值，同年只有河南、湖北兩省達到地區平均值(0.542 6)。

結果表明，評價期內森林生態安全狀態提升較為緩慢，且近年來省份之間的森林生態安全狀態存在較大差別。進一步分析可知，森林火災受災率、森林病蟲鼠害致災率兩值表現優良致使河南、湖北兩省生態安全狀態提升穩健。森林覆蓋率、單位面積蓄積量、林分結構等指標成為阻礙地區平衡的關鍵因素。

3.2.2 森林生態安全壓力評價

在2000—2005年區間，各省森林生態安全壓力評價中，河南、湖北、安徽得分較低，森林資源承受的壓力較大。2015年，江西省壓力評價值超越山西省，但同年各省壓力評價值存在整體下降趨勢。

結果表明，河南、湖北、安徽3省承受了較大的森林生態安全壓力，并且壓力評價結果值逐年下降。通過對具體指標的分析可知，3省擁有較大的人口密度，人均森林及土地資源量不足，人類干擾指數也處于地區平均水平之上，同時快速的經濟發展和工業產業導致了工業廢水排放量大、GDP能耗高等問題，使得這些地區森林生態安全壓力較大。

3.2.3 森林生態安全響應評價

在各省森林生態安全響應評價中，北部地區(河南、山西、安徽)得分較高，響應度較好，南部地區(湖北、湖南、江西)評價期內響應等級平穩，沒有出現大幅度的提升。同時地區內省份差異比較大。

結果表明，河南、山西兩省優勢在于新增造林面積、單位森林面積林業投資完成額兩項指標良好，但是單位GDP工業污染治理投資額普遍偏低，成為阻礙地區森林生態安全響應的主要因素。

3.2.4 森林生態安全綜合評價

通過GIS技術分析模塊，將森林生態安全指數評價結果分為優秀(0.30～0.35)、良好(0.25～0.30)、一般(0.20～0.25)、和較差(0.15～0.20)4個評價等級(表4)，并制成空間分布圖(圖1)。

表4 中部地區森林安全生態安全評價等級

等級森林生態安全狀況特征0.15～0.20較差森林生態功能開始退化森林生態系統已經處于不穩定的狀態0.20～0.25一般森林生態系統尚穩定可以發揮基本的森林生態功能0.25～0.30良好森林生態系統處于較穩定狀態0.30～0.35優秀森林生態系統處于穩定狀態

圖1 2005年、2010年和2015年中部地區森林生態安全動態變化

如圖1所示， 2005年各省森林生態安全綜合評價中，處于良好等級的省份有山西、湖南省，處于一般等級的省份有湖北、江西省，處于較差等級的省份有安徽、河南省。該年綜合評價平均值為0.218，高于平均值的省份有山西、湖南、江西省。低于平均值的省份中，河南省的限制因素為森林生態系統狀態，安徽省3項系統排名均靠后，其中影響最大的因素為系統響應指標。

2010年各省森林生態安全綜合評價中，處于優秀等級的省份有山西省，處于一般等級的省份有湖北、江西省，處于較差等級的省份有河南、安徽、湖南省，較2005年增長1個優秀等級省份，河南、安徽、湖北、江西4省評價等級不變，較差等級增加1個省份，湖南省由一般等級降至較差等級。山西省等級提升原因在于系統狀態和系統響應指標，湖南省等級降低的原因在于系統響應指標。

2015年各省森林生態安全綜合評價中，處于優秀等級的省份有山西省、河南省，處于良好等級的省份有湖北省、安徽省，處于一般等級的省份有湖南省、江西省，較2010年增長1個優秀等級省份，增長2個良好等級省份，其中江西省評價等級保持不變，河南省由良好等級提升至優秀等級，湖北省、安徽省分別由一般、較差等級提升至良好等級，湖南省由較差等級提升至一般等級。河南省等級提升原因在于系統狀態指標，湖北省等級提升原因在于系統狀態、系統壓力指標，安徽省等級提升原因在于系統狀態、系統響應指標，湖南省提升原因在于系統狀態、系統響應指標。

總體來看，從2005—2015期間，中部地區森林生態安全等級提升穩健，大部分地區均有提升，但湖南、江西兩省安全等級提升不明顯； 由地理位置來看，北部省份(山西、河南省)處于優秀等級，中部省份(湖北、安徽省)處于良好等級，南部省份(湖南、江西省)處于一般等級。今后南部省份提升安全等級的方向主要在于系統響應指標，要逐步提高造林面積，加大工業污染治理投資額。

4 結論與討論

4.1 結論與建議

該文首先在PSR模型的基礎上，建立中部地區森林生態安全評價指標體系，其中包含5類指標，共18項具體指標。然后運用熵權法對每個指標賦予權重，最后森林生態安全指數運用綜合評價法計算，得出結論。

(1)新增造林比例、林業投資完成額、森林火災受災率、森林旅游開發、森林采伐強度等指標擁有較大權重值，因此，減輕人類活動對森林環境的負面干擾，提高森林資源的質量和數量，增強森林的營造、管護力度是提升中部地區森林生態安全的重要途徑。

(2)評價期內中部地區森林生安全水平總體上呈現良好的狀況，并且提升較為穩健，但南部地區(安徽、江西省)提升不明顯，限制因素在于系統相應指標，要增加對森林的投入和養育； 安全狀態方面，中部地區森林生態安全狀態提升緩慢，且省份之間差異較大。河南、湖北兩省生態安全狀態優勢在于森林火災受災率、森林病蟲鼠害致災率。阻礙地區平衡的關鍵因素在于森林覆蓋率、單位面積蓄積量、林分結構。在森林狀態方面，加大對森林資源保護和可持續發展的公眾教育工作，樹立全民護林的安全意識，對于濫砍濫伐及惡意破壞森林資源的行為進行嚴格打擊和懲處，鼓勵植樹植草等行為活動； 安全壓力方面，人口密度較大導致人均資源量的相對不足，同時人類干擾指數強，并且較高的經濟發展水平和發達的工業導致GDP能耗高，工業廢水排放大是中部地區森林安全壓力的主要來源。在森林壓力方面，努力控制對森林資源的過度需求，鼓勵支持研發新技術來替代森林資源的大量消耗； 安全響應方面，問題在于整體單位GDP工業污染治理投資額普遍偏低。在森林響應方面，加強對森林資源的保護，繼續護林造林工作。對于森林資源相對薄弱地區，重點提高其森林資源水平和質量，培育林業發展的可持續能力。

(3)中部地區森林生態安全等級發展不均衡，具體而言，中部各省的森林生態安全呈現不同的區域特點，北部及中部省份的森林生態安全狀態較好，南部省份森林生態安全狀態有待提升。南部省份雖然擁有較強的森林資源，但是缺乏后期的管護和投入，需要權衡經濟利益與生態效益、生態建設與基礎建設的關系，防止以犧牲森林資源環境為代價換取經濟增長的短期行為。各省還要加強森林地區人類活動的控制管理，約束非法采伐和毀林行為； 積極培育新興技術及替代性產品，加大維護管理力度，增強森林抗蟲害能力，完善森林生態安全預警機制。

4.2 討論

該文基于森林生態系統與人類社會系統的交互關系，考量森林資源自身的現狀和特點，從資源狀況、自然災害、一般壓力、行為壓力、生態修復5個方面構建了森林生態安全評價模型，包含18項具體的相關指標。指標體系全面考慮了森林生態安全狀況的影響因素，同時較為精簡，保證了數據的可獲取性。今后可以加強對更小尺度范圍區域的研究，并對具體研究對象探討其不同時間段的森林生態安全，同時平衡各地區間森林生態安全的評判標準，使研究結果具有更加針對性的應用價值。

該文采用熵權法對各指標客觀地賦予權重，一定程度上降低了人為賦權的主觀性。在此基礎上使用模糊物元模型得到的評價結果與相關研究較為吻合，表明該方法具有一定的科學性和可行性，能夠較好地適應研究區的森林生態安全研究。今后可以加入對同一研究區域，不同研究方法間的橫向比較，增加評價結果的全面性及參考性。