森林生态系统中人为干扰影响指标的研究

唐 宪，李际平，胡小飞

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

森林生态系统中人为干扰影响指标的研究

唐 宪，李际平，胡小飞

(中南林业科技大学， 湖南 长沙 410004)

通过对干扰行为和生态系统的生态过程分析，认为自然干扰属于自然演替的正常范畴，不作为生态完整性评价的影响因子，证实人为干扰在生态系统完整性评价中占有重要地位。文章分析了人为干扰对森林生态系统在结构和功能上的影响，通过对指标的筛选得到人为干扰压力模型，并采用层次分析法(AHP)计算出各指标权重。最后提出对森林生态系统完整性评价的新思路。

森林生态系统；生态系统完整性评价；人为干扰；指标；层次分析法

人为干扰对森林生态系统的影响是巨大的，直观表现有毁林、采伐、修枝、砍伐下木、扫除枯落物、放牧、采集果实、开矿、旅游、工业污染等[1]，人类的许多行为都在无情地损害着森林生态系统。据绿色和平组织估计，100年来，全世界的原始森林有80%遭到破坏；另据联合国粮农组织最新报告显示，如果用陆地总面积来算，地球的森林覆盖率仅为26.6%。森林减少导致土壤流失、水灾频繁、全球变暖、物种消失等。

上世纪末，美国森林经营思想从传统向生态优先的转变，使得学术界开始关注森林生态系统经营。将森林生态系统作为研究对象，体现出森林经营在宏观层面上的要求越来越高，如何做好森林生态系统经营仍是当前学术界的热点问题。对森林生态系统进行经营管理，生态系统完整性是其中的一个重要参考指标。Kay[2]指出“考察完整性要考察生态系统的组织状态，这包括系统结构的完整和功能的健康”。因此，评价生态系统完整性就是分析评价系统结构和功能的完整[3-4]。鉴于人为干扰在森林生态系统中影响的重要性，建立人为干扰指标体系，对人为干扰的影响进行有效评定，成为森林生态系统完整性评价中的重要一环。这种研究有助于将人为干扰控制在合理范围内，使森林生态系统发挥其应有的效能。

1 人为干扰对森林生态系统的影响

1.1自然干扰属于正常的生态学过程，人为干扰影响了森林生态系统的自然发展

生态学对干扰的研究非常多，如火干扰、洪水干扰、风干扰等。但干扰的概念却不统一。Forman和Godron将干扰定义为显著地改变系统正常格局的事件。Forman( 1995)又对干扰与胁迫(stress)的区别进行了分析，认为在草地、针叶林或地中海类型的生态系统内每隔几年就发生一次的火灾不是干扰，而防火则是一种干扰。景观生态学中对干扰的研究非常重视，认为干扰是景观异质性的一个主要来源，它既改变景观格局同时又受制于景观格局。干扰的后果具有双重性，它既有建设性的一面，也有破坏性的一面[5]。

大尺度极端类型干扰(如冰川活动、滑坡、严重侵蚀、大面积严重火灾、火山地震等地壳运动)在森林生态系统中属于不可抗的自然干扰，除此外，自然干扰是一种生态演替过程，是生态系统功能的一部分。森林生态系统通常受自然干扰的作用，影响森林环境，使森林结构和功能发生改变，进而成为森林生态系统演替变化的驱动力之一[6]。生物干扰也属于自然干扰的一部分，同样发挥着驱动力作用。自然干扰的所有行为都遵循自然规律演替发展，唯独人类行为除外，在野蛮社会时期，人类对生态系统的干扰可以归于自然干扰范畴，当人类文明达到一定程度以后，人为干扰就应视为独立于自然干扰的一种存在。

1.2人为干扰对森林生态系统的相关影响因子

1.2.1 森林面积的减少 森林面积的日渐减少是影响生态系统完整性的最大隐患。自工业革命以来，由于人口的增长而带来森林景观的破坏已经引发全球性的生态危机。目前全球森林面积43亿hm2，约为地球陆地总面积的29%。大量数据显示，在城市化和工业化飞速发展的今天，森林面积除遭到自然灾害如火灾、火山、海啸等威胁外，主要就是各方面的人为威胁：非法和破坏性的采伐；林地滥伐，改造成农田和牧场；修路和其他基础建设，例如新的村落、管道、水道等；开采金属、石油和天然气；修筑大坝以建造电站；过量地破坏植被(薪柴、建筑材料、过度放牧)；过度捕猎和进行野生动物肉制品贸易等。联合国粮农组织最近公布的报告中指出在1990—2000年间，全球每年森林净损失面积约8.9万km2，2000—2005年中，森林面积每年净损失约7.3万km2。据查，热带森林被砍伐的区域还在日渐扩大，自2000年以来，每年约有12.95万km2的热带森林遭砍伐，其中超过一半是以前人迹罕至的区域。保护环境，遏制森林减少的趋势已刻不容缓。

1.2.2 对木材等各类林产品的需求增大 由于处在食物链的顶端，人类缺少天敌，社会和经济在高速发展，人口得以不断增长，人类对木材、食物、水等资源的需求越来越大，食物供应短缺，水源不足,给森林带去更多的危害。随着人类生活质量的提高，人类对能量的需求也越来越高，人均耗能逐年增大，同样给森林带来了不可承受的压力(如图1)。随着人类社会和经济的高速发展，新的人为干扰不断出现，干扰强度也日益增大，构成对森林的严重威胁。

图1 食物、水资源需求量[7]

1.2.3 污染物排放量上升,给森林健康造成危害 人类生活所带来的各类污染物以及工业生产产生的废渣、废水、废气，通过各种方式进入森林生态系统循环，给森林生态系统带来各种理化性质上的干扰。此外,人们焚烧化石矿物、砍伐或焚烧森林产生的CO2等温室气体带来的全球气候变暖问题正进一步加剧。持续升高的温度将土壤和树叶烘干，引发了更多的野火，越来越热的空气又导致闪电频发。据统计，每年排入大气中的CO几乎有30%来自树木焚烧，这些气体所引起的温室效应，导致海平面上升，细菌、病菌变异以及海啸、地震增多等[8]，这种人为干扰与自然干扰的相互作用，引起恶性循环，随着频率和强度的增加，结果就是整个地球生态系统的恶化甚至崩溃。

1.2.4 生态旅游热给森林生态系统造成巨大的破坏 随着大众旅游时代的到来，旅游业为一个国家或地区的经济发展、文化繁荣、社会进步做出了不可磨灭的贡献，但同时也给生态环境、自然资源造成了不同程度的影响。旅游业对森林生态系统的影响有：① 景观破碎化程度增加，植物生境条件发生变化，原始景观遭到破坏，整个区域表现出不完整和不协调；② 旅游开发和游憩活动增加旅游地的水资源需求量，带来的污染令旅游地淡水资源遭受严重破坏；③ 导致旅游地局部植被破坏、土壤结构和性质变化；④ 对植被造成完整性破坏，还有对野生动物生境的干扰致使野生动物种群数量下降；⑤ 旅游带来的工业化和污染问题导致区域小气候产生变化[9]。

研究表明：旅游活动带来的污染物会增加空气中细菌、灰尘、废气的含量，导致雨雾酸化。人类不同形式的活动，不但影响了CO2日进程变化，而且使CO2在森林中的垂直分布发生了改变。随着世界经济的不断发展，旅游需求将持续增长，旅游开发建设活动和旅游者的游憩活动更加频繁，旅游业对森林生态系统影响的广度与深度越来越强，显然生态旅游已成为人为干扰的重要组成因素[9]。

2 人为干扰指标体系的建立

2.1指标体系

通过对森林干扰的众多影响因子分析，参考国内外人为干扰和生态系统完整性研究成果，从百余个评价指标中，以精炼、实用、易获取、代表性强等原则选取指标，指标的选取应符合以下基本原则：

(1) 整体性原则：指标体系要做到总体目标一致，结构合理，层次分明。使评价目标和评价指标有机地联系起来，组成一个层次分明的整体。

(2) 因地制宜原则：指标的确定具有代表性，根据地方要求和特色选取指标，避免产生没有评价意义的指标。

(3) 科学性原则：指标能全面合理地反映人为干扰生态系统完整性的主要特征，各指标的选取要有科学依据，定义正确，目的明确，计算方法科学。

(4) 独立性原则：指标的选取要有其独立性，对于互相间有因果联系的指标，选取主要因子，避免产生重复性计算和评估。

(5) 可评价性原则：指标具有可测性，在数据方面易于收集，计算方面易于掌握，整体评价可操作性强。

根据森林生态系统中人为干扰的特性，采用自上而下、逐层展开的方法，将森林生态系统中的人为干扰分解为资源的消耗、污染物的排放以及隐形压力三个要素层，针对要素层实际情况，采用主成分分析法和专家咨询法及9项指标(如表1)构成指标层，建立人为干扰指标体系(图2)。

2.2权重的计算

采用层次分析法完成对人为干扰指标权重的计算。层次分析法(AHP)是美国T . L. Saaty于20世纪70年代初提出的一种灵活、简便的多准则决策方法。它把一个复杂的问题按一定原则分而治之，即分解为若干子问题，对每一个问题作同样的处理，由此得到按支配关系形成的多层次结构，对同一层的各元素进行两两比较，并用矩阵运算确定出该元素对上层支配元素的相对重要性，进而确定出每个子问题对目标的重要性。采用层次分析法首先应该构造矩阵模型，再进行层次单排序，采用特征向量法(EM)求取判断矩阵权重排序向量，由方根法近似计算判断矩阵特征向量W和最大特征根λmax。各评价因子的权数即为判断矩阵特征向量的各分量。判断矩阵的一致性指标：

表1 人为干扰指标计算方法指标层(Cj)计算方法木材消耗木材收获量/区域林地面积林地占用区域人为用地面积/区域土地面积生态旅游年均旅游人数/旅游林区面积林产品消耗各类林产品总量/区域林地面积废气排放废气排放总量/区域人为用地面积液态垃圾排放液态垃圾排放总量/区域人为用地面积固态垃圾排放固态垃圾排放总量/区域人为用地面积人口密度区域人口总量/区域土地面积工业化程度高污染型工厂、矿区数量/工厂、矿区数量 注：区域人为用地面积指各类建设用地面积。

图2 人为干扰定量分析指标结构图

判断矩阵的随机一致性比率：

判断矩阵的随机一致性比率CR均小于0.1，说明判断矩阵具有满意的一致性[10-11]。

根据层次关系建立判断矩阵，采用问卷的方式邀请多位林学、生态学方面的专家对各指标进行1～9标度的两两比较打分，根据打分结果构造判断矩阵。在森林生态系统中人为干扰这一总目标(A)下，建立的判断矩阵如下：

在(Bi)要素层下，构造各评价级别中指标层指标C的相对重要性的两两比较判断矩阵(Bi-C)，分别为：

(B1为资源消耗层)

(B2为污染物层)

(B3为隐形压力层)

通过对判断矩阵的排序和随机一致性检验，结果为：

CR[(A-B),(B1-C),(B2-C),(B3-C)]

= (0.0171, 0.0207, 0.0043, 0)

各单排序和总排序的一致性检验结果均为CR﹤0.1，说明判断矩阵具有满意的一致性，得到各指标权重如表2。

表2 人为干扰指标体系各层次指标权重指标权重木材消耗01323林地占用02293生态旅游00802其他森林产品01030废气排放00911液态污染物排放01189固态污染物排放00698人口密度00704工业化程度01050

2.3指数模型的建立

从权重结果上看，林地破坏、木材消耗、液态污染物排放、工业化程度、其他森林产品是森林生态系统中人为干扰的主要因子。通过对指标权重的计算，建立人为干扰指数模型：

(1)

P越高，表示人为干扰压力越大，反之，则越低。标准化公式为：

(2)

3 结论与讨论

人为干扰作为森林生态系统的人为压力，无时无刻不在威胁着森林生态系统，一旦压力过大，完整性将遭到巨大破坏，系统随之面临崩溃，或者说这就是一种不可持续性。通过对人为干扰指标体系的研究，建立人为干扰指数模型，实现了人为干扰在森林生态系统中影响程度以及主要影响成分的量化，不仅可以为完整性评价提供定量参考，更起到人为干扰有效控制的标尺作用，达到实现森林生态系统可持续经营的目的。

对生态系统完整性的评价首先考虑人类干扰对生态系统完整性的压力。通过对人为干扰相关指标的分析，评定人为干扰对森林生态系统的压力影响，本研究在参考相关森林资源和环境等方面承载力评价指标的基础上，主要从森林资源功能及人类社会经济活动特征、景观生态功能破坏的表现与特征入手，在遵循科学性、可操作性等原则的基础上，通过理论分析及频度分析，得出人为干扰指标体系。使人为干扰的强度得到具体量化，给系统完整性评价提供了基石。但是，在森林生态系统完整性的研究中，人为干扰强度的量化还没有具体可参照的理论体系和参照标准，因此，需要在具体案例的实践分析中，对指标体系进行不断检验和修正，而标准的本底状态的量度和资料采集也需要进行进一步的考证和研究。要评价生态系统完整性，首先需要给出一个标准，即“未退化的、健康的生境”模型。Karr指出，完整性包含了“相应于自然的或者原始的状态而言”的意思。设定这个标准状态下的基本值，然后测量系统偏离这个标准的程度。因此，在对生态系统完整性的评价模型建立的思路上，我们可以设定一般原始状态为人口增长率大幅升高前，没有工业化活动的状态和自然状态(例如, 在一个区域生态系统中最接近自然生境的状态)两种基准，通过对现状结构上的指标计算得出偏离值，分析现状结构指标与人为干扰的互为因果的指标因子，再综合人为干扰指标体系的权重得出完整性评价结果。

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(责任编辑：谭著明)

Theimpactsofhuman-causeddisturbanceonindicatorsofforestecosystem

TANG Xian, LI Jiping, HU Xiaofei

(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

By analysis of the disturbance behavior and ecological process of ecosystem, it was confirmed that human-caused disturbance played an important role in assessment of ecosystem integrity. And it was considered that natural disturbance could not be taken as impact factor for assessment of ecosystem integrity but belonged to the normal scope of natural succession. In this paper, the impacts of human-caused disturbance on structure and function of forest ecosystem were analyzed. A human-caused disturbance pressure model was formed through screening indicators, and the indicators weights were figured out using analytic hierarchy process (AHP). Finally a new idea on assessment of ecosystem integrity was put forward.

forest ecosystem; assessment of ecosystem integrity; human-caused disturbance; indicators; analytic hierarchy process (AHP)

2010-03-14

2010-03-18

唐 宪(1985-)，男，安徽太湖人，硕士研究生，从事林业系统工程方向的研究。

S 718.55

A

1003-5710(2010)02-0043-05