基于結構方程模型分析森林生態安全的影響因素

白江迪,劉俊昌,陳文匯

北京林業大學經濟管理學院,北京 100083

為平衡經濟發展和生態環境保護,生態安全成為國際社會關注的焦點。2014年中國明確將生態安全納入國家安全體系,生態安全與政治安全、軍事安全和經濟安全一樣是國家安全的重要組成部分。森林生態安全是維持國家生態安全的重要基礎,也是人類生存的必要環境。森林不僅為人類提供木材和其他林副產品等實物價值,還具有美化環境、固碳釋氧、涵養水源、防風固沙等生態服務價值,對維持生態平衡有重要作用。林業產業發展依托于森林,與森林生態安全有直接關系,林業產業發展是否危害森林生態安全,如何維持森林生態安全,如何實現林業產業與森林生態“雙贏”的局面是目前亟需解決的問題。

目前學術界對森林生態安全還沒有統一的定義,整理相關研究發現,廣義的森林生態安全是指在維持森林生態系統自身安全的前提下,人類和經濟發展不受威脅的狀態,是一個自然、經濟社會的復合系統。狹義的森林生態安全是僅指森林生態系統自身安全,即森林生態系統自身的健康、完整和可持續性[1]。有關森林生態安全的研究集中在森林生態安全評價、生態安全與經濟發展的關系兩方面。森林生態安全評價多基于廣義的森林生態安全概念和PSR(壓力-狀態-響應)理論構建評價指標體系[2- 9]。有關經濟發展與生態安全的研究有生態足跡與人均GDP關系研究[10- 11]、生態與經濟協調關系研究[12]、木材需求及林地占有與經濟關系研究[2]、林業產業與生態關系研究[13]。在林業產業與生態關系研究中,張智光[13]為避免“就生態論生態”的事后評價,提出了林業生態安全的概念,之后,張智光[14]又提出了林業生態安全的共生耦合測度模型。進一步學者們不但對產業-生態共生理論在理論上進行了擴展[15],在研究方法上也補充了實證內容[16- 19]。

依據可持續發展理論,林業產業發展與森林生態環境相協調才能實現“雙贏”發展和可持續發展。現有研究多集中在構建評價指標評價森林生態安全,針對林業生態-產業共生關系的研究,多以定性研究為主,并集中在生態與產業共生關系的探討上,但并沒有對林業產業類型進行區分,針對林業產業發展對森林生態安全的影響研究較少。本文基于狹義的森林生態安全概念,依據PSR理論,將森林生態安全的影響因素分為林業產業發展和森林生態保護,通過構建PLS結構方程模型研究林業產業發展和森林生態保護對森林生態安全的影響及其程度,并分析了各地區森林生態保護的響應活動,為林業產業發展和森林生態保護的政策制定提供依據,從而促進林業的可持續發展。

1 研究方法

1.1 理論框架

PSR(Press-State-Response)理論已廣泛應用于土地生態安全、水流域生態安全、區域生態安全、森林生態安全等評價研究上。PSR理論在認識了環境受到人類活動施加的壓力后,自然資源的質量與數量發生了變化的基礎上,歸納出了3種指標：環境壓力、環境狀態和社會反應,3種指標分別表示人類活動對環境承載力的負重、環境系統在各種作用下呈現的狀態及人類為應對環境問題實施的方針對策。結合林業產業發展、森林生態保護與森林生態安全的關系,本文將PSR理論引入到森林生態安全的影響因素分析中。

圖1 基于PSR理論的森林生態安全影響因素分析 Fig.1 The influence of forest ecological security with the PSR theory

森林生態系統是陸地上最大的生態系統,是自然生態系統的重要組成部分,在不受人類活動或自然災害干擾的狀態下可以進行自我修復,天然更新,并可長期維持一種平衡狀態,但人類的生活、生產活動都離不開林業,不可避免要對森林生態安全形成壓力。人類活動對森林生態安全形成的壓力主要體現在經濟行為上,可用林業產業發展表示(用產生經濟收益為主的指標)。而人類活動對森林生態安全問題做出相應的響應主要體現在對森林的保護行為上,可用針對森林生態保護實施的各項政策和投資得出的成果表示(用產生生態效益為主的指標)。結合PSR理論,構建如圖1所示的森林生態安全影響因素分析,即森林生態安全狀態受到了林業產業發展壓力和森林生態保護響應的影響。森林生態安全狀態是指在支持林業產業發展的背景下,森林生態系統呈現的健康、完整和可持續的狀態。林業產業發展壓力是指林業發展為追求經濟利益,通過利用森林生態系統中的森林資源,干擾森林資源組成結構和森林生態平衡,對森林生態安全形成壓力。依據對森林資源的不同利用形式,林業產業依次分為林業一產、林業二產、林業三產。三類產業對森林生態安全的影響存在差異。森林生態保護響應是指國家、組織或個人為解決當前森林生態問題而做出的努力。

1.2 研究假說

H1：林業產業發展有利于森林生態安全

林業產業發展有利于森林生態安全的影響分為以下兩方面：(1)林業產業發展從森林中獲取的木材、林產品等實物原料價值和生態旅游等非實物價值,為森林生態帶來了資源損耗,但也加快了森林資源的換代更新,促進了森林生態安全；(2)林業產業發展正在逐步進入注重經濟、生態與社會效益協調發展的現代林業階段,產業發展帶來的壓力也在促使森林生態系統的森林經營管理模式不斷優化,以達到“雙贏”。林業產業發展為實現可持續經營目標,需要促進森林生態安全。

H2a：林業一產發展促進林業產業發展

H2b：林業一產發展有利于森林生態安全

H3a：林業三產發展促進林業產業發展

H3b：林業三產發展有利于森林生態安全

H4：林業二產發展促進林業產業發展

林業一產包含林木培育和管理、木材與竹材采運等內容,林木培育和管理通過提高森林質量影響森林生態安全,而木材與竹材采運通過損耗森林資源影響森林生態安全。整體上,林業一產是循環經營活動,需保持林業經營的可持續性,因此,林業一產是對森林進行人為更新,有利于森林生態安全。林業三產的服務業,通過大量消費者對森林生態系統的干擾,影響森林生態安全,但同時林業三產發展會維持健康穩定的森林生態系統,以期有長遠的發展。因此,一般來講,第三產業的發展有利于森林生態安全。

林業二產以制造業為主,通過對林木和林產品的進一步加工,增加林木和林產品的附加值和市場價值。在林業二產生產規模既定的情況下,先進的林業加工技術可以減少對森林資源的需求,有利于森林生態安全。但在林業技術既定的情況下擴大規模會增加對森林資源的需求,不利于森林生態安全。近幾年國內對生態環境建設的加強,使木材加工業規模擴大受到限制,林業二產正在由粗加工向精加工方向轉變,因此林業二產通過林業產業發展間接有利于森林生態安全。

H5：森林生態保護有利于森林生態安全

為提高森林資源數量和質量,政府、企業和個人在經濟、社會和政策法律等方面做出了很多努力。通過投入人力和資金提高森林經營水平；通過劃定生態保護區域,尊重森林自然生長規律,減少對森林生態系統的人為干擾；通過重點區域生態建設,保護局部生態安全。森林生態保護有助于保證森林生態系統的結構完整和功能穩定,有利于森林生態安全。

1.3 結構方程模型

結構方程模型是結合因子分析和回歸分析的多元統計方法,可同時估算測量變量和潛變量(即不可觀測變量)及潛變量之間的關系,該方法已廣泛應用于社會學、心理學、管理學等領域。結構方程模型由測量模型和結構模型組成,分別估算測量變量和潛變量之間的關系、潛變量之間的關系。

測量模型：X=Λxξ+δY=Λyη+ε

結構模型：η=Bη+Γξ+ζ

式中,X、Y分別表示外生測量變量和內生測量變量,ξ、η分別為外生潛變量和內生潛變量,Λx表示X在ξ上的因子載荷矩陣,Λy表示Y在η上的因子載荷矩陣,δ、ε表示測量誤差；Β表示內生潛變量之間的作用路徑系數矩陣、Γ表示外生潛變量對內生潛變量的影響路徑系數矩陣、ζ表示隨機干擾項。

由于森林生態安全、林業產業發展和森林生態保護屬于不可觀測的變量,故本文采用結構方程模型。結構方程模型分為基于協方差矩陣估計的CB結構方程模型(硬模型)和基于偏最小二乘法估計的PLS結構方程模型(軟模型),由于PLS結構方程模型對樣本量和數據正態性的要求相對寬松,樣本量在30到100之間即可,故本文選擇PLS結構方程模型。

1.4 森林生態保護響應評價

為通過測量指標測算潛變量森林生態安全,需對指標進行無綱量標準化。處理方法如下：

式中,xij表示第j省的第i個指標值,xmax、xmin分布表示指標xij的最大值和最小值。

1.5 數據選取與說明

本文依據理論分析和數據的可獲得性,從森林生態安全、林業產業發展和森林生態保護三個方面選取了相關的指標。(1)森林生態安全的指標選取。評價森林生態安全最直接的指標是森林資源量[13],包括森林覆蓋率、森林面積、森林蓄積。此外,依據狹義概念,深層反映森林生態安全的指標還應包括森林生態系統健康、完整和可持續,其中,反映森林健康的指標有森林病蟲鼠害未發生率；反映完整的指標有林齡結構、天然林比重；可持續性是一種可以長久維持的過程或狀態,是森林生態系統健康和完整綜合體現的狀態,是一個動態過程,需使用時間序列數據研究,考慮本文研究方法的局限性,不考慮該項指標。(2)林業產業發展的指標選取既要反映林業產業發展水平,又要反映對森林資源的需求和干擾程度。反映林業產業發展水平最直接的指標有林業增加值、林業勞動生產率。其次,因為林業一產發展、二產發展、三產發展對森林生態安全影響的方式不同,對林業產業發展的貢獻不同,因此分別選取不同的指標,具體如表1。(3)森林生態保護的指標選取。森林生態保護的指標選取了反映人類為保護森林資源而做出的努力及得出的成果,有封山育林、自然保護區、從業人數及重點工程投資額。本文共6個潛變量29個測量變量指標,如表1所示。數據選取以第六、七、八次全國森林資源清查結束年份(2003、2008、2013年)為代表年份,對我國31 個省(市、自治區)的森林生態安全的影響因素進行研究。數據來源于《中國統計年鑒》《全國森林資源清查》(第六、七、八次)《中國林業統計年鑒》(2003、2008、2013年)《全國自然保護區名錄》及EPS全球統計數據/分析平臺。由于時間跨度較大,測量變量中涉及產值、投資、收入的數據均進行剔除物價影響處理。

表1 基于PSR理論森林生態安全的作用機制模型指標

2 實證分析

依據上述分析,運用SmartPLS 3.2.6軟件(該軟件自動對原始數據進行標準化處理)構建結構方程模型并對測量方程和結構方程的擬合效果、模型擬合程度和各種參數依次進行檢驗,結果如下。

2.1 模型檢驗

2.1.1信度檢驗

由于測量誤差的存在,需進行數據的信度進行檢驗。信度檢驗用于檢測測量數據的一致性或穩定性,包括內部一致性信度檢驗,一般采用Cronbach′s Alpha測量,和合成信度檢驗(Composite Reliability,CR)。Cronbach′s Alpha越接近1,表示信度越高,測量的誤差值越低,穩定性越好；當Cronbach′s Alpha≥0.7時,屬于高信度；當0.35≤Cronbach′s Alpha<0.7時,屬于中信度；當Cronbach′s Alpha<0.35屬于低信度。一般認為Cronbach′s Alpha大于0.7或0.6即可,CR大于0.7即可。7個潛變量的信度檢驗結果如表2所示,除第一產業發展(FPI)、第三產業發展(FTI)與森林生態保護(FEP)的Cronbach′s Alpha值小于0.7,大于0.6外,其余變量均大于0.7,滿足要求。CR值均大于0.7,均達到標準；表明各變量均通過了信度檢驗,具有良好的一致性或穩定性。

表2 信度檢驗和收斂效度檢驗結果

2.1.2效度檢驗

效度檢驗用于檢測選取的測量變量是否是測量該潛變量的工具,及能否正確測量出該潛變量。信度是效度的必要條件,而不是充分條件,需進一步檢驗[20]。效度檢驗包括判別效度和收斂效度檢驗,分別用于檢測排他性問題和周延性問題。判別效度通過比較AVE值的平方根是否大于其他潛變量之間的相關系數判斷,在表3中表現為對角線的值是否大于當列和當行其他數的絕對值。結果顯示均達到要求,表明各潛變量間具有良好的區分效度。收斂效度一般通過AVE值判斷,AVE值大于0.5即可。收斂效度檢驗結果如表2最后一列所示,均大于0.5,表示存在內斂效度。

表3 判別效度檢驗結果

2.1.3模型擬合結果檢驗

采用Bootstrapping算法對模型進行顯著性檢驗,結果如表4。假說H1、H3b沒有達到顯著性檢驗,不支持原假說,其余假說均達到了顯著性檢驗。PLS結構方程與一般回歸分析一樣,通過R2結果判斷方程的解釋能力,圖2顯示,對森林生態安全有50.3%的解釋程度,對林業產業發展有81.7%的解釋程度,其中R2的t檢驗結果分別為18.648、7.381,均在1%的統計水平上顯著。

2.2 模型結果分析

林業產業發展對森林生態安全的影響。(1)林業產業發展對森林生態安全的影響未達到顯著性水平,不支持假說H1。表明林業產業發展的模式對森林生態安全未形成壓力。原因可能是一方面從人們利用森林的歷史來看,林業產業發展經歷了毀林開荒的原始林業、以木材利用為主的傳統林業和以生態利用為主的現代

表4 模型擬合結果

“→”代表路徑方向；H1：假說1,Hypothesis 1；H2a：假說2a,Hypothesis 2a；H2b：假說2b,Hypothesis2b；H3a：假說3a,Hypothesis3a；H3b：假說3b,Hypothesis3b；H4：假說4,Hypothesis4；H5：假說5,Hypothesis5

圖2 PLS結構方程模型擬合結果Fig.2 The fitting result of PLS structural equation model圖中“[+]”表示隱藏了測量變量,即未顯示測量變量與潛變量的載荷系數；PLS：偏最小二乘算法,Partial least squares algorithm

林業三個階段,對森林生態安全形成的壓力程度逐步降低。另一方面林業產業發展并未實現對森林生態安全中的森林資源進行可持續利用,因為若林業產業發展已經達到了可持續經營水平,便可實現森林資源的循環利用,呈現一種平衡狀態,將促進森林生態安全。林業產業發展與森林生態安全要共同實現“雙贏”,還需不斷調節林業的資源要素配置和產業結構,達到最優經營水平。(2)林業一產發展對林業產業發展和森林生態安全的直接影響路徑系數分別為0.204、0.175,在10%統計水平上顯著,支持假說H2a、H2b；由于林業產業發展對森林生態安全的影響不顯著,因此林業一產發展對森林生態安全的間接影響也不顯著。表明林業一產的發展不僅促進林業產業發展,還直接有利于森林生態安全,形成了正向壓力。原因可能是近幾年國內一直加大對林業的保護政策,限制林木的采伐,基本取消了皆伐形式,不斷優化森林經營模式,以實現經濟效益、生態效益和社會效益三大綜合效益為目標,對森林生態安全起到了保護作用。在傳統林業階段,林業經營者注重提高森林資源數量,多種植純種林,并采用皆伐形式采伐,造成森林生態安全不穩定。在林業現代化進程中,隨著森林生態安全的不穩定性增加,林業經營者逐步注重林業的可持續經營,開始種植混交林,并采用擇伐形式采伐,維護了森林生態安全的穩定。林業一產可通過對森林資源的干擾直接影響森林生態安全,但通過促進產業發展間接影響森林生態安全的作用不明顯。(3)林業三產發展對林業產業發展的直接影響路徑系數為0.151,在5%統計水平上顯著,支持假說H3a；對森林生態安全的直接影響未達到顯著性水平,不支持假說H3b；同樣,由于林業產業發展對森林生態安全的影響不顯著,因此林業三產發展對森林生態安全的間接影響也不顯著。表明林業三產的發展有利于林業產業發展,但并不對森林生態安全產生直接和間接壓力。原因可能是林業三產的發展并不以森林資源的直接利用為依托,對森林生態的干擾程度較小。(4)林業二產發展對林業產業發展的直接影響路徑系數為0.636,在1%統計水平上顯著,支持假說H4；同樣,由于林業產業發展對森林生態安全的影響不顯著,因此林業二產發展對森林生態安全的間接影響也不顯著。林業二產是通過對林木和林產品等森林資源的需求,間接影響森林生態安全,而結果顯示間接影響不顯著,表明林業二產的發展對森林生態安全沒有形成一定的壓力。林業二產的發展有利于林業產業發展,從結果的數值看,林業二產對林業產業發展的影響最大(0.636),其次是林業一產(0.204)、林業三產(0.151)；林業二產的發展對森林生態安全不產生壓力。原因可能是林業二產對森林資源的需求不但依賴國內,還有一半依賴國外,降低了林業二產發展對森林生態的干擾。

森林生態保護對森林生態安全的影響。森林生態保護對森林生態安全的直接影響路徑系數為0.619,且在1%的統計水平上顯著,支持假說H5。表明加大森林生態的保護響應有助于提高森林生態安全。森林是一個復雜的生態系統,一旦失去平衡,很難恢復。人類對森林生態的保護行為從最初的植樹造林向更先進的方向發展,如改進森林經營模式、提出更符合林木自然生長規律的經營理論、依據區域生態需求實施保護政策等,并取得了一定的成效。對森林生態安全有影響的只有林業一產發展和森林生態保護,從系數的絕對值判斷,森林生態保護的影響大于林業一產發展,表明加大保護力度對森林生態安全的影響大于合理利用的影響。

2.3 森林生態保護響應的空間分布

圖3 森林生態保護響應活動的空間分布 Fig.3 Spatial distribution of the activities about forest ecological protection responseFEP：森林生態保護,Forest ecological protection

在上述分析的基礎上,進一步分析各地區的森林生態保護響應情況。基于結構方程模型測算的森林生態保護的載荷系數,推算各個測量指標的權重。由于森林生態保護的測量指標均為正向指標,只需依照正向指標的標準化處理公式計算即可。最后將標準化后的測量指標進行加權求和即可得出森林生態安全的評價值。為直觀顯示2003、2008和2013年的森林生態保護響應活動在區域的分布情況,利用ArcGIS軟件作圖,結果如圖3。結果顯示,(1)東北部、西南部和部分南部地區的森林生態保護活動最活躍,這些地區都屬于森林資源豐富的區域。(2)西部地區和中部地區的森林生態保護活動最不積極,也是少林或生態脆弱地區。(3)大部分地區森林生態保護力度在加強,而廣西出現了下降趨勢,可能的原因是近幾年廣西鼓勵開展林下經濟,開放部分保護的林區。但這并沒有對廣西的森林生態安全造成威脅,相反,森林資源的合理利用為廣西農戶帶來了經濟收益,促使農戶對森林資源有了更強的保護意愿。對于森林生態脆弱的西部區域,應加強森林生態保護,只有森林生態得到恢復,才有林業產業發展的基礎,才能夠為林區附近的農民提供收益。

3 結論與討論

本文基于PSR理論分析林業一產發展、林業二產發展、林業三產發展、林業產業發展、森林生態保護對森林生態安全的影響,利用31個省(市、自治區)3年的林業統計數據和PLS結構方程進行了定量驗證,得出如下結論：

(1)林業產業發展對森林生態安全未形成壓力,且林業二產與林業三產也對森林生態安全沒有壓力作用,但林業一產發展對森林生態安全產生正壓力。林業產業發展要與森林生態安全實現“雙贏”,還需進一步加強林業產業結構的調整,實現林業的可持續經營目標。研究結果顯示三類產業對林業產業的影響大小依次是林業二產、林業一產、林業三產,從產業發展和提高森林生態安全的角度分析,林業二產已經實現“數量”上的要求,下一步應向采用高端技術發向發展；林業一產應在現有的發展模式基礎上,逐步改進森林經營模式；林業三產發展應得到重點關注,提高其在產業結構中的作用。

(2)加大保護響應力度對森林生態安全的影響大于合理利用的正壓力。政府近幾年對森林生態實施的保護響應措施起到了正向作用,提高了森林生態安全,林業一產的發展對森林資源的利用處于合理化階段,有助于提高森林生態安全。林業的經濟功能和生態功能同時得到了良好的發揮,但森林生態安全產生的正外部性還需繼續依靠政府制定相關政策和發放相關補貼進行解決。

(3)森林生態脆弱的西部區域需加強森林生態保護。西部的森林生態安全問題已不單單是由林業產業發展帶來的壓力引起的,更重要的是自然因素和歷史原因導致的問題。因此對于西部的森林資源,首先要關注地是如何保護好森林生態,只有森林生態得到恢復,才有可能實現林業產業發展。

為建設良好的森林生態安全環境,提出如下的建議：應繼續調整林業產業結構,重點發展林業三產；繼續加強現有的森林生態保護政策,提高森林生態安全,尤其是西部地區。此外,森林生態安全是一個動態過程,雖然本文采用的是面板數據,但限于結構方程模型使用的局限性,未能進行動態分析。