吉林省长白县森林生态承载力评价

祝凌云, 张大红,*

吉林省长白县森林生态承载力评价

祝凌云1, 张大红1,*

北京林业大学经济管理学院, 北京 100083

自然生态状况、发展过程中受到的压力以及区位条件均会对森林生态系统造成影响。基于当今生态问题和环境追究责任制的需要, 将承载力与生态安全相结合, 沿用PSR模型, 以熵权法确定指标权重, 分析吉林省长白县森林生态承载力变化情况。结果表明长白县森林生态承载力指数变化呈递增趋势, 2013年达到峰值(0.68), 明显高于全国水平(0.55), 生态状况安全。同时其结果受状态指数和压力指数的共同影响, 但压力指数影响较小, 且一直保持较低水平,这与当地工业欠发达有关。森林生态承载力指数和状态指数曲线变化趋同, 表明在三大指标群中, 森林自身健康起着关键性作用, 其对提升森林生态承载力和保障森林生态安全有着重要意义。

森林承载力; 自然生态状况; 发展压力; 先天自然禀赋

1 前言

气候变化, 如降水、温度[1–2]、CO2浓度[3]、极端气候事件[4]的发生, 以及自然灾害[5], 如森林病虫害[6–7]、火灾[8], 以及人类自身活动[9], 如砍伐、烧毁、造林、抚育等行为正在对森林生态系统产生深刻的影响[10–11]。现今我国森林生态承载能力在县域层面上的体现是否真的超出了其承载范围, 众多学者沿用PSR模型对森林生态安全进行了评价[12–15], 但由于数据的不易获取或评价量级的难度等方面, 鲜有开展县域层级上的评价。本文基于此, 将承载力与广义生态安全[14–16]相结合, 量化生态安全这一抽象概念, 但因承载力的受体—承载物所受三个指标群的影响, 生态承载力这一概念又不完全等同于生态安全[17–18], 以指数的形式将生态系统是否超过其承载能力数理化, 并结合长白县1999—2013年森林面积、森林病虫害等统计数据, 分析当地森林生态承载力变化情况, 并对改善生态环境提出建议。

2 研究区概况

长白朝鲜族自治县位于吉林省东南部, 长白山南麓, 鸭绿江上游右岸, 素有“长白林海”之称, 是吉林省重点林业县之一。地处中纬度, 地势偏高, 属亚温带大陆性季风气候, 由于县境各地处于不同海拔高度, 因此形成了不同类型的小气候区。1999年至2014年, 年降水总量416.9 mm—863.5 mm, 年积温2191 ℃—2565.6 ℃, 年日照时数2232.3—2649.5小时。植被为温带针阔混交林带, 属于长白山植物体系。针阔叶树的比例随海拔高度呈规律性变化, 植被种属成分随海拔增高呈明显垂直规律。

3 研究方法

3.1概念界定

本研究以森林生态承载力为基础, 结合广义森林生态安全的概念, 将生态安全这一抽象概念以数理方式呈现出来。森林生态承载力指的是以森林为承载物, 承载社会发展以及社会发展过程中对其造成的影响, 这种影响状况最终反映出这种发展是安全的抑或不安全的, 是超过了它的承载极限还是在它的承载范围以内。某地区生态安全情况受三个指标群的影响:

(1)自然生态状况。指的是森林自身的发展状况如何。(2)发展过程中受到的压力。因为森林生态系统的承载对象是压力, 比如不合理的利用、由自然以及经济社会发展带来的压力, 所以要量化压力和自然生态状况之间的关系。(3)先天的生态禀赋。在中国不同区域间的自然条件是不同的, 这之间的差异是非常大的。比如“胡焕庸线”—这一人口地理分界线表明反映了我国地理、气候条件和人口密度之间具有紧密的相关性, 也代表中国自然的生态禀赋,其生态承载力在地区之间是所差异的。

3.2评价方法

根据数据来源和计算过程的不同, 指标权重确定的方法分为三类:主观赋权法、客观赋权法、综合赋权法。本研究采用的“熵权”理论是一种客观赋权方法, 该方法根据各评价指标值所提供的信息情况,利用信息熵计算出各指标的权重—熵权, 克服了凭经验确定指标权重的弊端。某项指标值的方差越大、波动越剧烈, 信息熵越小, 表示该指标提供的有效信息量越大, 权重越大; 反之, 该指标的权重越小。当某项指标值在不同评价对象中取值完全相同时,信息熵达到最大, 该指标提供的有效信息最小, 即意味着该指标未向决策提供任何有用的信息, 可以从评价指标体系中除去。

对于森林生态承载力数据, 由于量纲不同, 因此在对这些不同质的指标数据进行综合之前需要进行类型的一致化处理。常用方法有标准差方法、极值差方法和功效系数方法。本研究采用功效系数法对指标数据进行一致化处理。对ija进行标准化,正指标, 负指标xmax表示第j个指标的最大值, xmin表示第j个指标的最小值。

a'ij表示第j个指标数据。

设第t个县的区位系数为qt, 全国所有县的区位系数的平均值为q, 全国所有县的区位系数的最小值为qmin, 全国所有县的区位系数的最大值为qmax, 则第t个县的区位系数根据以下公式标准化:

3.3评价指标

本文沿用OECD倡导的PSR模型, 但将响应部分融入到压力指标体系子系统中, 并根据前文所涉及的森林生态承载力概念及其三个指标群:自然生态状况、发展过程中受到的压力以及先天自然禀赋,构建森林生态承载力指标体系(图1)。其中前两个指标群构成森林生态系统指标体系, 后一个指标群构成区位指标体系(B3)。

森林生态系统指标体系的内部构成分为状态指标子系统(B1)和压力指标子系统(B2), 分别从森林生态系统的自身状况和所承载的压力两方面进行评价。在状态指标体系研究中, 建立以林学、生态学为基础的“生态物理结构”; 在压力指标体系研究中, 建立以统计分析为基础的“人类行为因子”。森林生态系统指标体系构建, 包括资源量指标(C1)、复杂性指标(C2)、灾害性指标(C3)和综合压力指标(C4)4个一级指标, 以充分全面地反映森林生态系统的基本特征、物质组成、服务功能等。

本文结合长白县1999—2013年森林面积、森林病虫害等实际统计数据, 将原指标体系中不可获得的指标进行了调整, 并得出了符合长白县域森林生态承载力评价的指标体系。

由表1可知, 森林状态指标子系统(B1)包括资源量指标(C1)、复杂性指标(C2)和灾害性指标(C3)3个状态层。

图1 森林生态承载力指标体系框架图Fig. 1 Frame of forest ecological carrying capacity index system

表1 森林生态承载力指标体系及指标权重Tab. 1 Index system and weight of indicators of forest ecological carrying capacity

资源量指标(C1)包括三个正指标。森林单位面积蓄积量(D1)指单位森林面积上的蓄积量, 森林总蓄积量指一定森林面积上存在着的林木树干部分的总材积。活立木单位面积蓄积量(D2)指单位林地面积上的蓄积量。活立木蓄积是单位面积的林分中所有的活立木的材积之和, 是反映森林生产力方面的因子, 较高活立木蓄积量的林分一般森林的生产力状况较好。森林覆盖率(D3)指一个国家或地区森林面积占土地总面积的百分比, 能够较为综合地反映森林资源的丰富程度和生态平衡状况。D1、D2、D3的增加会明显改善森林生态系统状况, 增加NPP、NEP等森林生产力。

复杂性指标(C2)包括两个正指标。天然林比重(D4)指该地区天然林面积占整个森林面积的比重。天然林又称自然林, 包括自然形成与人工促进天然更新或萌生所形成的森林。公益林比重(D5)指该地区公益林面积占整个森林面积的比重。公益林又称生态公益林, 指为维护和改善生态环境,保持生态平衡, 保护生物多样性等满足人类社会的生态、社会需求和可持续发展为主体功能, 主要提供公益性、社会性产品或服务的森林、林木、林地(包括国家、集体、个人所属公益林), 即主要用于发挥生态效益的森林。森林生态系统复杂度越高, 其抗击外界干扰的能力就越强。D4和D5的增加会提高森林生态系统抵御气候变化、自然灾害、极端天气事件等不利影响能力, 增强森林生态系统的安全。

灾害性指标(C3)包括两个逆指标。森林火灾受灾率(D6)指森林火灾受害面积与森林面积的比,反映受火灾干扰的森林面积损失程度。森林病虫鼠害发生率(D7)指森林病虫鼠害发生面积与森林面积之比。森林病虫鼠害指对森林、林木、林木种苗及木材、竹材形成的病害、虫害和鼠害。D6和D7上升均会威胁到森林生态系统, 甚至造成毁灭性的伤害。

森林压力指标子系统(B2)包括综合压力指标(C4)、人类占用森林资源的压力及强度(C5)和人类维护森林资源的压力及强度(C6)三个状态层。

综合压力指标(C4)包括4个逆指标。人口密度(D8)单位面积土地上居住的人口数, 表示人口的密集程度的指标。产业结构指数(D9)指工业生产总值的变动对森林面积变动的影响程度。单位面积GDP(D10)指GDP与行政区域面积的比值, 表征区域总体经济发展水平对森林生态系统的压力。人类工程占用土地强度(D11)指建设用地面积的增加比重导致森林面积的减少比重, 人类工程占用强度直接反映的是人类为了生存与发展对森林的侵占和影响。D9至D11数值的增加, 表明人口压力、经济压力和工程压力等人为活动对森林生态系统所造成的负面影响。

人类占用森林资源的压力及强度(C5)用森林旅游开发强度(D12)表示。D12反映人类对森林的开发利用程度。开发程度越高, 表示人类活动对森林生态系统的干扰越强, 森林生态系统受破坏的程度就越深。

人类维护森林资源的压力及强度(C6)用造林、更新、抚育完成投资强度(D13)表示。造林、更新、抚育完成投资指政府为扶持林业的发展,用于造林、森林更新和森林抚育方面的投资改善生产条件, 增加生产手段, 提高林业综合生产能力。D13越高, 则表示森林生态系统受人类保护的程度越高。

区位指标(B3)用气候指标(C7)来表示。C7下设三个正指标。全年降水量(D14)指一年降水总量。降水是植物生长和森林物种分布的重要限制性因子。降水对森林生态安全的影响主要是通过影响森林的生产力以及对物种的分布的影响而起作用。降水丰富的地方, 物种多样性指数就高,而降水少的地方,物种多样性指数相对较低。年积温(D15)年积温是指一年内日平均气温≥10℃持续期间日平均气温的总和,即活动温度总和。年积温越大, 越有利于植被的生长发育, 森林生态安全程度越高。全年日照时数(D16)指太阳实际照射地面的时数, 通常以小时为单位表示。日照时数的长短对植物的发育生长便起着很重要的作用, 是影响植被生长的外界条件。日照时数越长, 越有利于植被的生长发育, 森林生态安全程度越高。

3.4评价指标权重

根据各评价指标值提供的信息情况, 利用信息熵计算出各评价指标的权重如表1所示, 由表可得, 森林状态指标子系统权重确定中, 资源量指标(0.568)＞复杂性指标(0.268)＞灾害性指标(0.164),表明森林的自身资源状况起着基础性的作用, 也是决定森林生态承载力水平高低的关键因素。森林整体健康状况决定着状态指数的高低。在压力指标子系统权重确定中, 负向指标(0.818)大于正向指标(0.182), 表明人类活动对森林造成的主要是负面影响。

4 结果与分析

4.1资源量指标

森林单位面积蓄积量、活立木单位面积蓄积量和森林覆盖率属于资源量指标。长白县1999年—2013年资源量指标在小范围内呈波动趋势, 在2008年有一个下降以外, 2009年开始大幅度上升。森林单位面积蓄积量1999年为98.80 m2·hm-1, 2013年为102.70 m2·hm-1,单位面积活立木蓄积量由1999年的14.66 m2·hm-1增加到2013年的102.71 m2·hm-1, 变化幅度较大; 全县森林覆盖率达84.01%。

4.2复杂性指标

天然林比重和公益林比重属于复杂性指标。长白县森林资源结构表现稳定。天然林比重较高,均在80%左右, 在2012年和2013年略有下降, 长白县是有名的林业大县, 森林类型以天然林为主,无异龄林, 原因是天然林比较多, 森林生长周期较长, 人工干预较少。公益林比重水平稳定逐步提高, 最高值出现在2009年, 为72.23%, 2013年稍有下降。

4.3灾害性指标

森林火灾受灾率和森林病虫鼠害发生率属于灾害性指标。1999年—2013年长白县灾害性指标中显示, 长白县森林区域无火灾。2013年森林病虫鼠害发生率达到最高值4.47%, 其余年份基本在4%左右徘徊, 总体波动幅度较小, 说明病虫鼠害都是在小区域范围内发生, 而长白县缺乏对此的有效控制措施。

4.4综合压力指标

人口密度、产业结构指数、单位面积GDP和人类工程占用土地强度属于森林综合压力指标。从总体上的森林综合压力指标来看, 长白县森林压力较小, 人类消耗森林资源的强度较小, 基本保持平稳状态。人口密度较低, 长白县森林资源非常多, 但单位面积人口数量指数较低; 产业结构指数大体上升, 单位面积GDP逐年升高, 人类工程占用土地强度逐年增加, 显示长白县人类活动对森林生态环境带来的压力在逐年上升。但纵观三项指标的数值, 单位面积GDP和人类占用工程强度较低, 最大值分别不超过1.27和0.71, 表明尽管压力有所上升, 但基数较小, 对森林的影响较小。产业结构指数相对较大, 但波动并不明显,基本保持平稳状态。

4.5人类占用森林资源的压力及强度

长白县是一个旅游热门县, 区域内有著名的长白山国家保护区旅游区, 这也在森林旅游开发强度上呈现出来。最高值出现在1999年, 为181.38%, 之后一直在1到2之间轻微波动, 表明长白县人类占用森林资源的压力及强度的数值和变动幅度较小。

4.6人类维护森林资源的压力及强度

人类维护森林资源的压力及强度主要用造林、更新、抚育完成投资强度表示。2009年, 单位面积投资为44 元, 随后几年逐渐增加, 2013年起伏较大, 为72 元, 表明2013年度长白县对森林维护的重视度加强。

如图2所示, 长白县1999—2013年森林生态承载力指数变化呈现递增趋势。1999年的值最小为0.6, 2013年的值最高, 为0.68。可以看出, 1999年到2000年长白县的指数有一个很明显的增幅, 之后到2007年保持着小波动同时上升; 从2008年开始到2013年一直保持一个上升的趋势。反映了长白县最近几年对森林的管理工作卓有成效。

长白县森林生态承载力指数是由状态指标和压力指标共同影响下得到的结果, 从时间维度上看,状态指数随时间变化而波动, 2013年时达到最大值0.6766, 在2002年和2003年两年间呈现出下降的趋势, 在2004年以后开始上升, 中间有一些小波动,幅度不大。压力指数随时间呈现出递减趋势, 由1999年的0.2176, 减少到2013年的0.1639。值得注意的是, 在2009年以后压力指数开始有所增加, 但增幅较小, 仍然在可接受范围内。从图2中可以看出, 森林生态承载力指数和状态指数曲线变化趋势趋同, 这说明在影响森林生态承载力的三大指标群中, 森林自然生态状况起着至关重要的作用,另外两类指标群则是在其中充当辅助性的作用。森林健康是提升森林生态系统承载能力的关键和基础, 提高森林自身安全对于保证森林生态系统均衡发展尤为重要, 同时也不能忽视人类行为和区位条件在对森林的影响, 要尽量促进森林—人类—气候的协同发展, 减小人类活动对森林的干预和损害。

图2 1999—2013年吉林长白县森林生态承载力指数变化情况Fig. 2 Changes of forest ecological carrying capacity index in Jilin Changbai County in 1999-2013

5 结论与讨论

本文将承载力与生态安全相结合, 量化生态安全这一抽象概念, 以指数的形式将生态系统是否超过其承载能力数理化, 并结合长白县1999—2013年森林面积、森林病虫害等统计数据, 分析当地森林生态承载力变化情况, 结论如下:

1) 森林生态承载力指数变化呈现递增趋势,表明长白县森林生态状况有所改善, 2013年达到峰值0.68, 同时明显高于全国平均值0.546[19], 表明长白县森林生态承载力状况良好, 未达到超载水平。

2) 森林生态承载力指数由状态指标和压力指标共同影响, 状态指数在2002年和2003年两年间呈现出下降的趋势, 主要是由于这两年森林病虫害的加剧。其中2003年落叶松毛虫发生面积达5865公顷, 鼠害面积达1517公顷, 单从鼠害这一项来看, 就增长了2倍之多。压力指数一直保持较低水平, 且随时间呈现出递减趋势, 2009年后有所增加, 但增幅小, 这与长白县工业产业欠发达有关。

3) 森林生态承载力指数和状态指数曲线变化趋同, 表明在影响森林生态承载力的三大指标群中,森林自然生态状况起着至关重要的作用, 另外两类指标群则是在其中充当辅助性的作用。加强森林自身健康对于提升森林生态承载力和保障森林生态安全起着基础性和关键性作用。

针对长白县森林生态承载力总体平稳增长,偶尔出现下降情况的计算结果, 长白县当地政府应当注重一下几点:一、退耕还林政策后期调整,科学平衡生态与经济效益; 二、推进保护区建设,完善保护区网络; 三、加强森林病虫害、火灾等自然灾害的预警和防护; 四、积极建设林场, 关注职工生活。

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Forest ecological carrying capacity evaluation on Changbai County in Jilin Province

ZHU Lingyun1, ZHANG Dahong1,*
School of Economics and Management,Beijing Forestry University,Beijing100083,China

The forest ecosystem is affected by natural ecological conditional, economic development stress and geographical conditions. In this paper, we used PSR model and entropy weight method to evaluate the forest ecological carrying capacity in Changbai County in Jilin Province. The result showed that the forest ecological carrying capacity in Changbai County was increasing and reached its peak at 2013(0.68), which was significantly higher than the national average of 0.55. Meanwhile, the forest ecological carrying capacity was affected by the state and pressure index jointly, but the effect induced by pressure index was little and it remained low. The result also showed that forest ecological carrying capacity and status index curve had a similar trend, which indicated that forest health was of important significance in promoting forest ecological carrying capacity and protecting the safety of forest ecology.

forest carrying capacity; natural ecological condition; development stress; innate natural endowment

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.024

S178.55

A

1008-8873(2016)05-176-07

祝凌云, 张大红. 吉林省长白县森林生态承载力评价[J]. 生态科学, 2016, 35(5): 176-182.

ZHU Lingyun, ZHANG Dahong. Forest ecological carrying capacity evaluation on Changbai County in Jilin Province[J]. Ecological Science, 2016, 35(5): 176-182.

2015-10-28;

2016-02-26

国家林业局2014年林业重大问题调研课题(ZDWT201415)

祝凌云(1992—), 女, 河北石家庄人, 硕士研究生, 主要从事林业经济方面的研究, E-mail: 13126538218@163.com

*通信作者: 张大红, 男, 博士, 教授, 主要从事林业技术与经济研究, E-mail: zhangdahong591120@163.com