基于DPSIR模型的森林生態安全時空間變化研究——以浙江省79個縣區為例

王怡然,張大紅,吳宇倫

北京林業大學經濟管理學院, 北京 100083

森林不僅為人類提供木材和其他林副產品,還具有涵養水源、美化環境、固碳釋氧、防風固沙等生態服務價值,對維持生態平衡有重要作用。森林生態系統是人類與森林環境之間相互作用、相互依存的有機統一體,隨著國家越來越重視環境保護建設,森林生態安全受到人們越來越多的關注[1]。森林生態安全作為國家生態安全重大發展戰略的重要組成部分受到廣泛關注,森林生態安全對于維持國家生態安全、保障人類生存[2]、維護生物多樣性、改善全球環境、經濟社會可持續發展具有重要作用[3],然而森林經營管理粗放等多種因素導致森林面積減少,林分質量下降,森林生態系統受到威脅,產生了森林生態功能減弱、溫室效應、生物多樣性減少等一系列的生態環境問題[4]。國內關于森林生態安全的研究主要集中在影響因素、安全預警、森林生態安全與產業發展的關系等方面[5-12]。研究方法主要依靠PSR(狀態-壓力-響應,Pressure-State-Responses)模型、DPSIR(驅動力-壓力-狀態-影響-響應,Driving force-Pressure-State-Impact-Responses)模型、SD(系統動力學,System dynamics)模型等,其中,使用PSR模型的研究居多,多以省份為基本單位,觀察不同省份之間的森林生態安全指數的變化[13- 14]。PSR模型是由壓力因素、響應因素與狀態因素三類因素構成,反映人類活動對生態環境造成的壓力、生態系統狀態變化以及人類對于生態系統狀態變化的響應三者之間的關系[15-16]。但是,伴隨著自然環境與社會經濟等方面的關系越來越緊密,以及自然環境的自身特征和屬性的復雜性,PSR模型不能科學而準確的反應經濟、社會、自然之間的關系與存在的問題。因此,本文在PSR模型基礎上加入了驅動力因素與影響力因素,建立了DPSIR模型,其相互作用指標涵蓋社會、經濟、資源、環境4大方面,從驅動力、壓力、狀態、影響力和響應5個方面描述眾多因素與環境之間的相互聯系[17]。

浙江省位于長江經濟帶發展地區,毗鄰上海與東海流域,經濟活動頻繁,人口流動量大,具有較為重要的區位優勢,是我國經濟最發達、人口密度最大的省份之一,省內森林全年釋放氧氣4083.17萬t,吸收二氧化碳5592.92萬t,森林生態服務功能價值3665. 44億元,可見森林對浙江省生態環境建設發揮了極其重要的作用[18],因此,本文選擇浙江省森林生態安全作為研究對象具有重要現實意義。

總體來說,森林生態安全相關研究取得了積極進展,但仍然存在一些問題：其一,基于DPSIR模型對森林生態安全問題進行的研究尚且較少,其二,根據數據獲取的困難程度,以縣區為研究單位的研究相對較少,而以縣區為單位的研究可以更直觀的反應省域森林生態安全狀況。因此,本文基于DPSIR模型,以浙江省11個地級市包含的79個縣區作為樣本,通過專家法、熵權法對數據進行處理,得出浙江省縣區的森林生態安全指數,并進行森林生態安全指數時間與空間分析,以及模型中各個指標之間的趨勢分析。從社會、經濟、資源、環境等方面考察森林生態安全情況,尋找浙江省森林生態安全的主要影響因素,以期為浙江省森林生態安全環境建設與可持續發展提供支持。

1 數據來源與模型構建

浙江省共包括90個縣區,其中本課題組獲取了79個縣區的完整數據,所以本文選擇浙江省11個地級市包含的79個縣區作為研究對象,在DPSIR模型的基礎上,從驅動力、壓力、狀態、影響力以及響應5項基準層指標方面對浙江省森林生態安全進行評價,共包括17項指標層指標。

1.1 數據來源

本文研究的所有數據均來自于2014年國家重大課題(林業)生態安全指數研究項目,在研究調研過程中,由于數據量較大,時間跨度大,通過設計數據處理器,并在林業部門的工作人員的協助下進行數據收集。

浙江省地處中國東南沿海長江三角洲南部,擁有得天獨厚的自然條件,總面積為10.18萬平方公里,氣溫、降水等自然條件較好,下轄杭州、寧波、溫州、湖州、嘉興、紹興,金華、衢州、舟山、臺州、麗水等11個地級市。浙江省位于長江經濟帶區域,具有較為重要的區位優勢,經濟發展速度快,對木材等木質林產品以及其他林副產品需求較大。研究該省的森林發展情況,對于促進浙江省生態與經濟協調發展發揮著重要作用。

1.2 模型構建

DPSIR模型從驅動力、壓力、狀態、影響力和響應5個方面描述在自然環境壓力狀態下,人類與環境的相互作用關系,可以應用到生態安全評價指標體系建設、生態安全評價技術方法研究及其在生態評估中[19]。

5個基準層指標之間相互影響,體現著自然環境、人類活動以及經濟發展之間的關系。驅動力指標發揮作用會對生態環境產生壓力,從而達到改善生態安全狀況的目的,由于狀態指標變化會對社會經濟產生各種影響,促使人們采取植樹造林等一系列響應類活動,改善生態環境,同時響應類活動可以減少人類活動對生態安全造成的壓力與影響,幫助被破壞的生態環境得到恢復。DPSIR模型將社會經濟、生態環境、人類活動(破壞性活動與恢復性活動)聯系起來,反應它們之間的相互作用。

2 研究方法

基于浙江省的自然、經濟、社會條件,按照科學性、適用性、簡潔性與可獲取性的原則建立指標,并通過功效系數法、熵權法、專家咨詢法等確定指標權重,計算浙江省FESI(森林生態安全系數,Forest Ecological Security Index)數值,通過ArcGIS軟件分析得出FESI空間分布等級圖,以此分析浙江省的森林生態安全等級。

2.1 指標體系建立

本文基于DPSIR模型設置5項基準層指標,17個指標層指標,指標內容涵蓋基礎條件、資源狀況、災害狀況、一般壓力、行為壓力與維護活動等多方面內容,從自然環境條件、人類社會活動、森林狀態等多方面進行指標的選擇,對指標數據獲取的可行性進行反復的篩選與論證,并征詢了生態學、數學、經濟學等相關領域專家的意見,最終確定了17個指標層指標,具體指標見表1。本文選擇的指標具有代表性,能夠反應環境質量狀況,是可以突出森林生態安全的關鍵指標。

表1詳細描述了影響森林生態安全的指標內容、指標性質以及指標計算公式,涉及的具體內容主要有年降水量、年平均氣溫、年日照時數、森林面積、國土面積、林地面積、森林蓄積量、森林火災受災面積、森林有害生物成災面積、二氧化硫排放量、新增造林面積、城鎮化率、政府林業投資強度、森林生態建設與保護投資強度等多項內容,指標體系覆蓋面廣,能夠充分體現自然條件與人類活動對森林生態安全的影響作用。

這些指標的選取包含了自然生態環境、人類社會活動與經濟發展三方面的相關關系。作為驅動力指標的年降水量、年平均氣溫以及年日照時數指標直接影響森林生長面積、天然林面積等,對狀態指標產生直接影響。植樹造林等響應類活動會減少壓力指標帶來的負作用,對提高森林覆蓋率、天然林比重、單位面積森林蓄積量等有積極作用,同時對改善自然環境產生積極影響。人類活動產生的各種壓力會直接影響狀態指標與影響指標的數值大小。

表1 森林生態安全指數指標體系

2.2 方法體系建立

2.2.1專家法

經過課題組的努力,邀請權威專家對數據指標打分,對重要的指標賦予較大的權重。專家法的優勢在于獲取的數據權重不用通過一致性檢驗,獲得的權重數據具有權威性。

2.2.2功效系數法

由于各類指標有不同的量綱,無法直接進行熵權法權重計算,所以需要對原始數據進行標準化處理,本文采用功效系數法對數據進行標準化處理。

其中,xi表示選擇的指標體系中的第i個指標,minxi表示樣本數量中第i個指標中的最小值,maxxi表示樣本數量中第i個指標的最大值,yi表示標準化處理后的指標值。

2.2.3熵值法

熵值法可以根據評價指標的固有信息測算評價指標的權重,能夠避免一些主觀確權法所帶來的結果不穩定的問題[20]。

首先,將yi轉化成比重的形式pi,其中,n表示指標數量。

其次,計算各項指標的信息熵值Mi,第i項指標的信息熵計算公式為：

其中,是一個常數,k表示樣本數量。

再次,評價指標熵權的確定。

在森林生態安全指數的評價模型中,第i項指標的熵權si可以定義為：

然后,確定森林生態安全各項指數加權綜合得分。

最后,森林生態安全指數計算公式,本文將選取的17項指標進行以下公式的計算。

其中,將上文中的Ei替換為此處的各項指標,Pti表示第t個縣域的壓力指標,Iti表示第t個縣域的影響指標,Dti表示第t個縣域的驅動力指標,Sti表示第t個縣域的狀態指標,Rti表示第t個縣域的響應指標。浙江省的各個縣域的森林生態安全指數值均在[0,1]之間,數值越大表示地區森林生態越安全。

2.2.4評價標準確定

本課題組為保證數據計算方法的科學性與謹慎性,將主觀評分與客觀得分進行加權綜合處理,得到指標的綜合權重。通過上述方法處理獲取的數據,可以得到浙江省各個縣域的森林生態安全指數,森林生態安全指數值均在0到1之間,數值越大表示森林生態安全狀況越好,森林生態系統越能發揮更大的作用。

將森林生態安全等級平均劃分為5級,將生態安全等級依次排序為不安全、臨界不安全、較安全、一般安全與安全,不同的森林生態安全等級對應不同的生態安全狀況,通過劃分不同等級能夠清晰的分辨出不同地區的森林生態狀況,森林生態安全指數越高,森林生態越安全。

3 數據分析與結果

通過上述方法對原始數據進行收集與加工處理,并將數據進行劃分,得出指標層指標的權重以及浙江省各個縣區的森林生態安全指數。

3.1 指標體系分析

通過上述的具體方法確定各項指標的權重,具體數值見表2。

指標權重占比最大的是響應類指標,雙權法權重為39.46%。響應類指標中森林生態建設與保護投資強度比重最大,響應類指標是維護森林生態安全的支持性政策,有利于森林生態安全建設。壓力類指標均為人類活動所致,對森林生態安全產生消極影響,減少人類活動帶來的森林破壞對于提高浙江省森林生態安全指數有積極意義。年降水量、年平均氣溫、年日照時數、森林覆蓋率、林地面積占比、森林物種豐度指數、森林火災受災率、森林有害生物成災率、森林單位面積蓄積量、人口密度、二氧化硫排放強度、城鎮化率等指標,專家打分權重高于通過熵權法計算得出的權重,說明專家認為這些指標對森林生態安全的影響作用更顯著。天然林比重、單位面積森林蓄積量、年度造林比例、政府林業投資強度、森林生態建設與保護投資強度等指標的熵權法權重值大于專家打分法的權重值。通過指標打分的比較可以看出,響應類指標的專家意見評估低于實際數據的影響,表明政策的實際推動作用更加明顯。驅動力指標與壓力指標的專家評分更高,表明越來越多人們的認識到經濟社會活動對森林生態環境會產生顯著的影響作用,應該減少各種由人為因素對森林生態造成的壓力。

3.2 DPSIR指標趨勢分析

DPSIR模型是由驅動力指標、狀態指標、影響指標、壓力指標與響應指標五項指標構成。在浙江省森林安全評價過程中,狀態指標與壓力指標占比最大。具體變動趨勢如圖1所示。

圖1清晰的反映出5項指標15年間的影響作用的大小以及變化趨勢。

表2 森林生態安全指標體系權重

數據來源：通過調研數據整理所得

圖1 浙江省2000—2015年各指標變化情況Fig.1 Changes in various indicators in Zhejiang Province from 2000 to 2015

天然林面積減少是造成狀態指標作用下降的主要原因。通過圖1可以看出,在浙江省森林生態安全指數的計算過程中,狀態指數的影響作用最為明顯,其次是壓力指數、影響力指數、驅動力指數與響應指數。狀態指標中各具體指標影響方向均為正,狀態指標在2014年有明顯的下降趨勢,原因在于天然林比重明顯降低,天然林面積明顯減少,森林覆蓋率與林地面積等指標數據無明顯變化,天然林的過度砍伐等社會活動對森林生態安全狀態指數產生了顯著影響。

響應類指標上升趨勢明顯,受其他指標相互作用的影響。根據DPSIR模型各指標層指標的相關關系,由于狀態類指標的改變會促使影響類指標發生變化,而影響類指標會激勵響應類指標發生作用,響應指標又可以使狀態指標的作用得到恢復與提高,并且達到改善驅動力指標影響的作用。2015年狀態類指標數值回升,影響類指標、響應類指標以及驅動力指標呈現上升趨勢。響應類指標上升趨勢最明顯,隨著人們意識的提高,對生態環境質量的要求越來越高,政策林業投資強度與森林生態建設與保護投資強度的增強,提高了對森林生態安全的保護力度。

壓力指數的數值較高主要因為人類活動、經濟建設、社會發展對自然環境與資源狀況的消耗對森林生態安全產生負面影響。2013年壓力類指標有下降的趨勢,主要原因在于2013年城鎮化率的數值有所下降。2015年壓力類指標帶來的負作用降低,表明人們逐步認識到社會經濟活動對森林生態安全產生的各種不利影響,保護生態環境的意識在逐步提高。

3.3 省域FESI時間變化分析

通過將數據收集器收集的數據進行處理,得到2000年至2015年森林生態安全指數(FESI)的趨勢變化圖,如圖2所示。

浙江省位于長江經濟帶下游地區,有得天獨厚的資源環境與自然環境條件,作為東部沿海發展速度較快的城市,木質林產品需求較多,對森林的需求量大。由于樹木生長以及生態環境變化的長期性特點,需要對浙江省森林生態安全進行長期的數據追蹤與收集。

圖2 浙江省2000—2015年森林生態安全指數變化情況Fig.2 Changes in the forest ecological security index of Zhejiang Province from 2000 to 2015

浙江省森林生態安全指數值均值集中在0.4—0.5范圍內,屬于較安全的森林生態安全等級。浙江省位于長江流域下游地區,年降水量、年日照時數等自然環境較好,同時受到相關政策大力支持,在造林投資、森林生態建設等方面扶持力度較大,為經濟與生態的可持續發展提供保障。

浙江省整體森林生態安全指數變化呈上升趨勢,但存在一定的波動。在15年的變化過程中,2014年森林生態安全指數下降較為明顯,2014年的下降變化主要體現在單位面積森林蓄積量的變化上,單位面積森林蓄積量較2015年與2013年相比明顯降低,森林砍伐等活動較多。2015年森林生態安全指數均值升高主要受政策的影響,環境治理問題受到越來越多的關注,“兩山”理論的提出使更多的人們意識到綠水青山的重要性,對森林與生態的保護意識提高。植樹造林的面積擴大,年度造林比例與往年相比增幅較大,森林生態建設與保護力度提高使得浙江省森林生態安全指數呈現波動式上升的趨勢。

3.4 森林生態安全指數縣區空間分布分析

根據上述的研究方法計算浙江省各縣域的森林生態安全指數,運用ArcGIS軟件,按照自然斷裂的方法,得出浙江省森林生態安全指數的空間分析圖,如圖3所示,為保證顏色整齊劃一,同色系最淺顏色表示該地區數據缺失。

2015年浙江省森林生態安全指數高于2010年森林生態安全指數,一般安全等級較高的縣區較少,縣區指數差異明顯。2000年森林生態安全指數最大值為0.5522,最小值為0.2440,均值為0.4305,2015年浙江省各縣區森林生態安全指數最大值為0.5789,最小值為0.3060,均值為0.4591,不論是從最值上看,還是從均值上看,2015年浙江省森林生態安全狀況得到了進一步的改善。但2000年各縣區指數分布更平均一些,2015年森林生態安全指數地區不平衡現象加劇,從圖中可以看出西南地區森林生態安全指數高于東北地區,東北部縣區應加大森林生態維護。

圖3 2000年與2015年浙江省縣區森林生態安全指數分布圖Fig.3 Distribution of forest ecological security index of districts and counties in Zhejiang Province in 2000 and 2015

從圖3的空間分布圖可以看出,整體上浙江省森林生態安全指數呈現出由西南地區向東北地區遞減的趨勢。自然條件方面,浙江省西南部地區降水明顯高于東北部地區,西南地區的降水在1600毫米等降水量線范圍內,而東北部地區為800毫米等降水量線范圍內,降水量的差異影響森林生長狀況,作為驅動力基準層的重要指標會直接影響森林生態系統安全狀況。經濟發展方面,東北部地區毗鄰上海,背靠東海,是全省進出口貿易發展的樞紐地區,東北部地區由于經濟發展需要帶來的對森林生態安全的破壞作用明顯高于西南地區,上述原因導致浙江省森林生態安全空間分布呈現出有西南地區向東北地區遞減的趨勢。

4 結論與建議

本文通過計算浙江省2000—2015年森林生態安全指數并對浙江省森林生態安全指數進行時間與空間上的分析,得到以下結論。

4.1 主要結論

(1)政府政策作用顯著,財政支持效果明顯。通過前文的數據分析與結果的觀察,響應類指標的權重最大,其中包括政府林業投資額、森林生態建設與保護投資額等,表明政府林業投資力度大。2000年與2015年相比,政府財政支持力度的改變是導致森林生態安全指數變化的重要原因。在時間變化趨勢圖上也可以明顯看出2015年財政支持力度的加大,政策支持效果顯著,政策的支持對浙江省森林生態安全建設具有積極影響。

(2)經濟發展在一定程度上抑制了浙江省森林生態安全環境的改善與指數的提高。在森林生態安全指數計算過程中,狀態指標以及由人為因素決定的壓力指數的影響作用較明顯,浙江省作為長江流域經濟最發達的省份之一,為維持經濟的快速發展,需要大量的木質林產品以及其他林副產品,對森林的消耗較大,同時伴隨著高能耗、高排放量、高污染等一系列問題,不利于森林生態安全環境的改善,并對地區生態安全帶來了進一步的威脅與挑戰。

(3)浙江省森林生態安全指數地區分布不均勻,受自然環境與經濟發展的雙重影響。通過前文對森林生態安全進行空間分析,西南部地區森林生態安全狀況優于東北部地區的分布態勢主要受降水量等自然環境與經濟活動的影響,雖然森林生態安全指數呈上升趨勢,可是地區間的分布不均衡情況加劇,縣域之間的森林生態安全差距依舊明顯。

4.2 建議

針對上述結論,對浙江省的森林生態發展提出以下建議。

(1)加大政策的扶持力度,增加森林生態建設投資。通過對指標體系、縣區森林安全指數時間變化的分析發現,政府的政策干預效果顯著,政府對于改善浙江省森林生態安全指數起到推動作用,政府增加林業生態投資,加大森林生態建設與保護力度,對于改善森林生態安全環境、提高森林生態安全指數具有積極意義,這也符合生態文明建設的基本要求。

(2)要加快產業轉型,實行循環經濟,延長企業產業鏈。由于經濟、社會發展需要大量的木質林產品,對森林的需求量大,加快產業的轉型升級,減少能源消耗,限制高能耗、高污染企業的發展,對減少森林生態環境壓力、改善森林生態安全環境有積極影響。循環經濟是解決資源過度利用的有效途徑,實行循環經濟,可以提高森林承載能力與資源利用效率,發揮森林生態系統的生態作用。在森林生態安全指數較高的地區可以實施林產品的初級加工以及深加工,利用當地的資源優勢,因地制宜,延長企業產業鏈,降低企業交易費用,增加企業利潤,提高經濟發展水平。

(3)要加強森林保護區的建設力度,制定相關條例規范人們行為。為改善森林生態安全指數分布不均勻的狀況,在森林生態安全指數較低的地區加強森林保護區的建設力度,增加造林投入,積極開展植樹造林、封山育林等活動,提高森林覆蓋率,增加單位面積森林蓄積量,并制定相關條例規范人們的行為,減少人類活動對森林生態安全產生的破壞,增強人們對森林生態安全的保護意識。逐步縮減地區間的不平衡、不均勻的分布情況,改善地區森林生態環境狀況,提高全省森林生態安全指數,促進全省森林生態與經濟協調發展,實現經濟、社會與生態的和諧發展。