基于景观格局与生态系统服务功能的森林生态安全研究

周亚东

摘 要 基于压力-状态-响应概念模型，从生态结构完整性出发，运用GIS和RS技术，结合生态系统服务功能价值评估与森林景观格局分析，建立包含28个指标的森林生态安全评价指标体系，以海南岛为例，运用AHP法对权重赋值，并对研究区域森林生态安全状况进行评价分析。结果表明：海南岛的中部山区市县的森林生态安全度较高，该方法进行生态安全评价科学、可行。

关键词 生态安全；压力-状态-响应；景观格局；生态系统服务功能；海南

中图分类号 F307.2 文献标识码 A

生态安全是可持续发展研究的新领域。生态安全有广义和狭义2种理解，广义的生态安全是指在人的生活、健康、安乐、基本权利、生活保障来源、必要资源、社会秩序和人类适应环境变化的能力等方面不受到威胁的状态，由自然生态安全、经济生态安全和社会生态安全组成的复合人工生态安全系统；狭义的生态安全是指自然和半自然生态系统的安全，即生态系统完整性和健康的整体水平反映[1-2]。

生态安全评价指标体系的构建是生态安全研究的基础内容[3]。国际机构组织及相关学者针对生态安全评价设计了一系列的评价模型，其中具有代表的模型有：OECD的“压力-状态-响应”（PSR）框架模型；UNCSD的“驱动力-状态-响应”（DSR）框架模型；欧洲环境署的“驱动力-压力-状态-影响-响应”（DPSIR）指标体系[4-5]；Corvailan等[6]提出驱动力-压力-状态-暴露-影响-响应（DPSEEA）概念模型。这些评价模型大都是在PSR模型的基础上进行延伸和完善的。国内生态安全研究以PSR框架扩展和改良的模型应用比较广泛。郭斌等[7]提出了由生态环境系统状态、人文社会压力、环境污染压力、人文社会响应4个部分组成的模糊多层次评价模型，并应用于铜川市的生态安全评价。程砚秋等[8]建立基于主成分分析的生态评价模型对中国10个城市的生态安全状况利用“驱动力-压力-状态-影响-响应（DPSIR）”框架进行了分析。本研究以PSR概念模型，结合景观格局和生态系统服务功能评估，构建森林生态安全评价指标体系，对海南岛森林生态安全进行评价。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

海南岛地处108°37′～111°03′E，18°10′～20°10′N之间，海南全省土地面积为3.535 4万km2，属热带季风气候和热带海洋气候。全年温暖，雨水充沛，具有较明显的干湿季节，全年长夏无冬，年平均气温为23～26 ℃，年降水量达1 600 mm，降雨量因季节而表现出分配不均匀，春冬两季干旱。动植物资源丰富，已被发现和记录的维管植物多达4 680多种，约占全国维管植物种类总数的1/6，其中海南特有植物就有630多种。

1.2 研究方法

1.2.1 指标体系的构建 基于PSR模型，从生态系统的“功能”和“结构”2个方面评价森林生态系统的完整性。以8项生态系统服务功能作为评价森林生态系统“功能”的指标，以森林景观格局指数作为评价森林生态系统“结构”的指标，并与压力-状态-响应（PSR）框架及复合生态系统理论相结合，建立指标体系。按照指标选取的科学性、可获取性、动态性、实用性、代表性等原则，结合海南省森林资源和林业管理的现状与特点，构建海南省森林生态安全评价指标体系（表1）。其中“压力”是指人类社会对森林资源造成的压力，从人口压力、社会经济压力、生态压力等方面构建；“状态”即森林在上述压力下所处的状态，本研究从生态系统的完整性出发，以生态系统的“功能”和“结构”来对状态进行评价，以森林生态系统的8项服务功能作为“功能”指标，同时，选取了8项景观格局指数作为“结构”指标；“响应”即人类措施在逆转森林所受的不利影响，提高森林资源可持续发展方面所做的努力，从经济响应、政策响应、社会响应等方面构建，选取的指标有6项（图1）。

1.2.2 指标权重的确定 采用层次分析法结合德尔菲法、李氏九点量表来进行。层次分析法（Analytical Hierarchy Process，簡称AHP）是Saaty[9-10]提出的一种多准则决策分析方法，将决策问题的有关元素分解成多个层次，在此基础上进行定性分析和定量分析。该方法把决策的思维过程数学化，从而为求解多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供一种简便的决策方法。本研究的权重确定过程即采用德尔菲法的专家咨询，经过10位专家评判，最后取平均值来建立各层次的权重判断矩阵。

1.2.3 数据无量纲化 不同指标间量纲的不同，无法直接进行综合比较，需要无量纲化为相同区间内的值，消除不同量纲的影响。无量纲化的公式为：

Yi=（Xij-minXj）/（maxXj-minXj） （1）

Yi=（maxXj-Xij）/（maxXj-minXj） （2）

其中，Yi为无量纲化后的指标值，Xij为j指标的i市县的值，minXj为j指标最小值，maxXj为j指标最大值。正向指标，即指标值越大越好的指标，选用公式（1）进行无量纲化。负向指标，即指标值越小越好的指标，选用公式（2）进行无量纲化。无量纲化后指标值yij在[0， 1]区间。

1.2.4 生态安全指数 本研究中，森林生态安全指数的数学模型为：

ESIFP=

ESIFS=

ESIFR=

ESIF=

ESIFP为森林生态安全压力指数，ESIFS为森林生态安全状态指数，ESIFR为森林生态安全响应指数，ESIF为森林生态安全指数，yp为压力指标，ys为状态指标，yr为响应指标。

1.3 数据来源与预处理

1.3.1 数据来源 统计数据来自于海南省统计年鉴及海南省林业厅统计资料。森林资源的空间和属性数据来源于海南省2011年森林资源二类调查矢量数据。影像来源于法国SPOT6卫星（Systeme Probatoire dObservation dela Tarre）2011年拍摄的遥感影像，融合后影像的分辨率为2.5 m。所有数据均转成西安80坐标系，3度分度带，卡拉索夫斯基椭球体，高斯-克吕格投影。在ArcGIS10.2下以2011年二类调查小班矢量数据为基础，对比SPOT6卫星影像以目视解译方法对二调小班图进行校正。

1.3.2 森林生态系统服务功能的计算 以森林资源空间和属性数据为基础，森林小班根据生态系统服务功能及海南森林资源的特点，分为原始林、次生林、橡胶林、经济林、用材林、灌木林6种类型，生态系统服务功能计算主要参考国家林业局《森林生态系统服务功能评估规范CLY/T1721-2008》，各项参数均采用本地区值。

1.3.3 景观格局指数的计算 矢量数据以地类、林种、优势树种、起源为依据，划分为以下6个景观类型：天然林、人工林、灌木林、农地、水域、无林地。二调矢量数据在ArcGIS下转换为5 m×5 m的grid栅格格式，最后导出为GeoTiff格式。导出的数据在ArcGIS 10.2下运用Fragstats 4.1进行景观格局指数的计算。PLAND、MPS、MPI、FD、LPI作为类型级别上的景观格局指数，分别计算出各个景观类型的指数，然后根据咨询专家的意见，天然林、人工林、灌木林以0.625 ∶ 0.250 ∶ 0.125的权重进行综合，作为相应的森林景观格局指数。

2 结果与分析

根据上述指标体系及评价方法，计算出海南岛各市县生态安全评价的结果（表2）。

2.1 压力安全评价

在PSR框架中，压力（Pressure）是指由于人类活动对森林造成的压力。由表1可以看出，在人口因素等压力的作用下，各个市县的压力指数分布较为均匀，压力最大的是三亚和海口，压力指数大于0.4，这与这2个地级市较高的人口密度及较高的经济社会发展水平相关，城市建设的扩张及城市人口的增加造成了海口和三亚两市森林所受到的压力较大。由于文昌、昌江、澄迈、陵水、儋州等市县开发建设力度比较大，压力指标也较高。处于中部山区的琼中县，由于近年来森林有害生物发生面积较大，森林生态系统也处于较大的压力之下。白沙、保亭和五指山3个市县的分值是海南省所有市县中最低的，源于这3个市县处于海南岛的中部腹地，所受到的来自人口及森林破坏方面的压力较小，但森林火灾和森林健康状况还有待重视。总体来讲，海南岛森林生态在外界压力上以海南省中部山区各市县的分值较低；而沿海市县所受压力较大。

2.2 状态安全评价

状态（State）指森林当前所处的状态或趋势。由于历史以来海南岛对土地的开发利用模式，中部山区仍一定程度上保持较为原始的状态，白沙、五指山、琼中、保亭的分值最高，表明这几个市县的森林生态系统状态较为优良，生态系统服务功能较好，森林景观破碎化程度低。虽然由于近年来发展向中部地区扩张，造成森林一定程度上功能的减弱和结构上的退化，但森林生态功能和结构仍处于优良水平。而定安、临高与海口的森林覆盖率低，长期以来人类活动的干扰造成森林破碎化，多与农地和水域混杂有关，从而造成景观格局指数分值不高；另一方面因森林林分质量不高，影响了森林生态系统服务功能，故整体状态指标较低。

2.3 响应安全评价

响应（Response）是指人类对森林生态系统改善所做的主观能动性反映。海南较早就认识到森林对维系生态平衡的重要性，1984年海南岛部分地区开始封山育林，1994年起全省全面停止天然林商业性采伐，1999年开始实施国家天然林保护工程，截至2012年，海南岛森林覆盖率达到了61.5%，其中天然林覆盖率提高到了19.17%，热带天然林面积已经恢复到了65.9万hm2。从响应分值可以看出，各个市县在响应上分布不均匀。乐东、琼中、三亚3个市县的分值最高，一方面源于这些地区的公益林和保护区的比重较高，林业从业人员也较多；另一方面在于该地区森林面积较大，林业投入因此也较高。而定安、琼海的分值较低，最主要原因在于该地区因城市建设与社会经济的发展造成公益林和保护区面积所占的比值很低。林业人员结构不合理，高学历、高职称的林业从业少在一定程度上也限制了林業的经营管理水平。

2.4 生态安全综合指数分析

根据对生态安全综合指数的分析，森林生态安全度最高的市县为五指山、琼中、白沙3个市县，其综合指数大于0.5，表明海南岛中部山区腹地的森林是维系全岛森林生态安全的核心，森林景观格局与服务功能水平都较高，但也不能忽视森林承载力阀值与人为因素对其所造成的影响，应当适当地加以保护与利用，以维护海南岛整体的森林生态安全。海口、文昌、定安主要的用地类型为农地、其他非林地及人工林。农地小斑块化及其他非林地造成景观破碎化程度高，是森林生态系统面临的最大问题。

3 讨论与结论

本研究采用PSR概念模型，从生态完整性出发，将生态系统服务功能和景观格局分析分别作为“功能”与“结构”指标融合到PSR框架中，建立了包含28个指标的海南岛森林生态安全评价指标体系，采用层次分析法结合专家评分，对指标进行权重赋值并综合进行指数计算，在不同区域之间进行对比。通过实例证明，该方法逻辑严密、过程科学、结论清晰，将生态安全状况以简洁明了的形式呈现；该方法能很好地把定量分析与定性分析相结合，在强调森林生态系统功能和结构的同时，又能考虑社会与经济因素，在森林生态安全评价中具有可行性与很高的实用价值。

通过分析结果表明，海南岛的中部山区市县的森林生态安全度较高，森林结构合理，原始植被丰富，森林生态系统服务功能强，天然林景观斑块面积大，是维护海南省整体生态安全的重要保障；而沿海地区由于历史以来人类活动频繁，森林面积小而破碎，破碎的景观斑块造成生态系统功能的严重下降，同时又受到人为与社会经济水平的多重压力，森林生态安全度偏低。

森林生态安全评价，数据的易获性、时效性和准确性是评价的基础。然而，在实际研究过程当中，一些更能反映森林生态安全状况的指标数据不容易获取，数据的欠缺直接影响评价的系统性和准确性，对评价的质量有影响。

森林的消长是一个动态过程，由于海南岛只有一期的森林资源二类调查矢量数据，在本研究中无法在时间序列上进行分析，在今后的研究中，应收集不同时期的森林资源调查数据，对森林生态安全的动态进行评价，更好地揭示森林生态安全的变化趋势。

参考文献

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