基于ISM的国家森林公园生态福利供给系统评价指标体系研究

黄颖利,乔振华,邹为涛,秦会艳,*,张祥华

1 东北林业大学经济管理学院, 哈尔滨 150040

2 东北林业大学信息与计算机工程学院, 哈尔滨 150040

随着2017年《建立国家公园体制总体方案》以及2019年《关于建立以国家公园为主体的自然保护地体系的指导意见》两份文件的发布,我国自然保护地体系建设进入统一规范高效的新模式。国家森林公园作为自然保护地体系的重要组成部分之一,是指以保护自然为主,同时具有生态、观赏、文化和科学价值,可持续利用的区域,是生态福利供给的主要载体之一。建立和开放国家森林公园是平衡经济社会发展和生态保护,满足我国人民日益增长的美好生活需要的重要途径。

自1997年Costanza[1]对全球生态系统服务与自然资本价值的评估以及2005年千年生态系统评估(Millennium Assessment,MA)[2]发表之后,生态环境指标纳入福利评价系统,即生态系统可以为人类提供直接或间接的收益,包括文化服务、供给服务、调节服务以及支持服务[3- 5]。随着研究深入,“生态福利”发展成为了代表生态环境与人类福利水平关系的独立概念,我国学者邓禾、刘茜等[6- 7]认为生态福利是政府向居民提供的一种新型社会公共福利,是生态化的社会福利。基于现有理论,本文认为“生态福利”反映了生态环境对人类福利水平的作用,因此将其定义为良好生态环境带给人和经济社会的一切物质及非物质、直接及间接的惠益。

现阶段,我国人民对生态福利的需求不断增长[6- 7],因此对生态福利供给提出了较高的要求。包括国家森林公园在内的良好生态环境肩负着提供高水平生态福利的功能,学者们已经从生态[8- 9]、游憩康养[10-12]、文化[13-15]、资金应用[16]、经济效益[17-18]等方面对国家森林公园进行了广泛研究,为国家森林公园的建设和发展提供了可借鉴的研究成果。国家森林公园已经与人类经济社会共同形成互有影响、互有反馈的系统,需要对国家森林公园的综合效益进行系统的研究。生态福利的供给是国家森林公园综合效益或功能的体现,因此系统研究国家森林公园的生态福利供给具有科学意义和实践价值。黑龙江省森林覆被率居全国前列,原始生态群落等自然资源非常丰富,肩负着保障国家生态安全的重任,具有提供高质量生态福利的优势。本文统合生态福利与国家森林公园的研究,利用系统学理论以黑龙江省为例构建了微系统、中系统、外系统为主的国家森林公园生态福利供给系统,并采用解释结构模型(Interpretative Structural Modeling,简称ISM)对该指标体系的层次结构进行了分析。该指标体系的构建,是研究国家森林公园生态福利供给的基础,以期为我国国家森林公园生态福利供给的研究提供坚实的基础和科学的依据,并为我国自然保护地体系的建设提供思路。

1 研究方法

1.1 理论框架

系统是相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成、具有特定功能的有机整体[19],记为：

S=〈E,R〉

(1)

式中,E为系统S中所有元素构成的集合,R为系统S中所有关系的集合[20]。国家森林公园是一个开放的复杂系统,与外界有着信息、物质、能量的交换。系统存在一定的结构层次,每一层次称为子系统。个人(微系统)指与国家森林公园有联系的个人,可以是国家森林公园的工作人员也可以是来此游憩休闲的居民；中系统是影响个人的因素如就业、收入、健康以及文化；外系统是决定中系统的环境,即制度环境、物质环境、生态环境、文化环境；宏观上,物质、信息和能量是包含一切的宏系统。系统内部一切元素(E)和关系(S)都是共生的,关联复杂密切,相互促进或制约,共同构成整体并进行运作。内在元素和关系与外界环境在经历物质、能量、信息的交换之后,从无序混乱走向有序,保持适应状态并达到最适合发展的理想状态(如图1)。

图1 国家森林公园复合系统示意图

1.2 解释结构模型

解释结构模型(Interpretative Structural Modeling,简称ISM)应用十分广泛,胡俊锋等[21]利用ISM对区域综合减灾能力评价指标体系进行分析,胡乃娟[22]采用Logistic-ISM分析了农户在稻麦轮作农田施用有机肥的影响因素及其层次结构。ISM原理是通过数学方法计算复杂系统中各要素之间的逻辑关系,创建由节点和有向边组成的结构模型,描述系统内部的递阶层次和因果关系[21],把模糊杂乱的要素关系转化为通透直观的具有良好结构关系的模型。鉴于解释结构模型广泛适用性和分析内部要素的有效性,本文采用ISM分析国家森林公园生态福利供给系统内部要素以理解该系统的内部结构性。具体分析过程如下：一般的,系统S共有n个要素：

S={ei|i=1,2,……,n}

(2)

(3)

求解可达矩阵：ei与ej之间存在传递的关系,若在有向图上存在由节点i到节点j的有向通路时,则认为ej到ei是可达的,定义：

(4)

可达矩阵可由邻接矩阵加上单位矩阵进行逻辑运算得出,公式为：M=(A+I)∪(A+I)2∪…∪(A+I)n且M满足M=A2r=A2(r+1)≠A2(r-1),r≤n。

(5)

根据可达矩阵给出先行集和可达集：

先行集：

A(ei)={ej|ej∈S,mji=1}

(6)

可达集：

R(ei)={ej|ej∈S,mij=1}

(7)

进一步的,给出底层要素：B={ei|ei∈S且R(ei)∩A(ei)=A(ei)}

(8)

如果ei是底层元素,则先行集A(ei) 包含ei它本身及与有强连接的要素；可达集R(ei)包含它本身,与ei有强连接的要素和可从ei到达的要素。如果存在要素ej在ei的下层,ej只能包含在A(ei)中而不能包含在A(ei)∩R(ei) 中,即A(ei)≠A(ei)∩R(ei)。

2 国家森林公园生态福利供给系统构建——以黑龙江省为例

本文结合图1以黑龙江省为例建立国家森林公园生态福利供给系统指标体系,因为宏系统是代表物质、能量以及信息交汇的虚系统,本文指标体系设计仅取微系统(Micro system,S1)、中系统(Medium System,S2)和外系统(External systems,S3)三个子系统,如表1所示。

表1 国家森林公园生态福利供给系统指标体系

2.1 微系统指标

微系统代表了与国家森林公园有联系的个人,国家森林公园通过健康、文化教育、收入以及就业为个人提供生态福利。

(1)健康：健康包括身体健康与心理健康。人在负氧离子丰富的森林环境中活动时会产生康养疗愈的效果[23]。其次,森林中的视觉、听觉以及触觉感受给人以放松舒缓的感受,有利于缓解精神或心理上的紧绷和不适感,达到心理保健的作用[24]。

(2)文化教育：人们可以通过娱乐消遣、精神感悟、美学欣赏和提升认知等方式获得非物质惠益,即森林文化服务(ecosystem cultural services,ECS)[14]。森林旅游等活动会加强人与土地以及人与人之间的纽带关系[14],即“社会关系”和“地方感”[15]。

(3)就业：建设和开放国家森林公园会创造大量的就业岗位,提高当地的就业率。参考国家统计局统计年鉴,2016年黑龙江省森林公园从业职工人员7537人。

(4)收入：指的是国家森林公园的就业人员的收入情况,包括各个岗位职工的薪酬以及单位福利情况。

2.2 中系统指标

中系统代表的是能直接影响该区域居民以及游客的各方面外在因素。

(1)健康：公园中能够影响居民及游客身体、心理健康的因素,包括能够帮助人们得到消除疲劳和压力等消极情绪的恢复性体验的景观[11]、游步道和人均绿地面积以及具有杀菌和预防疾病功能的负离子[23]。

(2)教育：国家森林公园在自然保护的前提下,应该为民众提供森林文化科普教育服务的机会[2]。影响国家森林公园提供科普教育的因素包括森林知识讲解员、园内植物多样性、环境教育基地以及林业相关科研和教育投入水平[13]。

(3)就业：指国家森林公园在带动周边产业发展时为该区域居民带来的就业机会。

(4)收入：指该区域因国家森林公园产生的收入,包括国家森林公园旅游收入等直接收入,以及带动其他产业产值等间接收益[25]。2016年黑龙江省森林公园直接带动其他产业产值410332万元。

2.3 外系统指标

外系统是影响国家森林公园提供生态福利的整体环境。

(1)物质环境：指国家森林公园提供生态福利的物质条件,包括资金和设备。吸引投资情况包括国投和引资[16],基础设施建设则包括床位总数、车船总数以及交通通达度[26],2016年黑龙江省国家森林公园共有车船总数3339台/艘,床位总数72574张。

(2)文化环境：指社会对森林文化和知识的认同度。公众对森林知识的了解程度、森林文化遗址资源、森林文化遗址影响力以及森林文化价值保护投资是具有代表性的指标[13],分别从民众、资源、社会以及政府等方面展现了森林文化的社会影响力,是当下森林文化环境的重要体现。

(3)制度环境：指该区域辅助国家森林公园提供生态福利的制度支持。政府提供的制度环境是国家森林公园生态福利供给的重要影响因素。城市环境的好坏影响着国家森林公园的环境,因此环境的建设与保护投入、治理环境污染投入以及水土流失治理情况都是关系国家森林公园生态福利供给能力的重要因素。

(4)生态环境：指国家森林公园整体的生态状况,生态环境是一切生态福利的基础。生态效益的提高主要通过扩大森林的面积来实现,其次净化水质、固碳释氧、固土保肥以及保护生物多样性是基本的森林生态系统服务功能[2,27],保证了良好的生态环境。

3 模型应用及结果分析

3.1 解释结构模型(ISM)应用

将ISM 应用于以黑龙江省为例建立的国家森林公园生态福利供给系统中。在判断矩阵A时参考相关文献,如：1、在判断影响(S01)身体健康因素时,森林中大量的负离子会对健康产生积极的作用[23],而人均公园绿地面积是体现这一康养环境质量的因素,其次游步道在国家森林公园中发挥生活健身和日常休闲的基本功能[28]。结合本组内专家的意见确定影响身体健康的因素包括：S09游步道总数、S10平均负离子浓度、S11人均公园绿地面积和S32固碳释氧功能。2、在判断S10负离子浓度的影响因素时,通过查阅文献,影响负离子浓度的因素包括树种类型(负离子浓度从高到低排序为:阔叶林>针阔叶混交林>针叶林)、天气情况(负离子浓度雷雨天>晴天>阴天>雾霾天)以及人类活动(空气负离子浓度与人流量车流量均呈负相关)等[29],另外与气温、氧气、湿度、降水量等气象因子也存在一定相关性[30],确定本系统中影响负离子浓度的因素有：S11人均公园绿地面积、S14森林公园植物多样性、S28环境污染治理投资占GDP比重、S30当年植树造林面积、S31净化水质功能、S32固碳释氧功能。

最终通过查阅文献以及组内专家多轮讨论,确定了系统中各要素之间的关系,建立邻接矩阵A。由于指标过多,矩阵A庞大,以指向图的形式呈现如图2。

3.2 模型结果

根据1.3中ISM的求解公式,对可达矩阵进行级位划分,可将影响路径分为5个层级：一级因素：L1 ={S01,S02,S04,S06,S20,S23,S25,S29};二级因素为：L2 ={S03,S05,S07,S08,S10,S12,S19,S24,S26,S33,S34}；三级因素：L3 ={S11,S13,S15,S17,S18,S21,S22,S28,S31,S32}；四级因素：L4 ={S09,S14,S16,S30}；五级因素：L5={S27}。如表2所示：

黑龙江省国家森林公园生态福利供给系统内部要素横向主观划分为微系统、中系统以及外系统3个子系统,纵向由ISM结果划分为五级递阶结构,本文根据要素的横纵向影响关系将五个层级再次划分为表层因素、中层因素以及深层因素。其中,表层因素指一级因素{S01,S02,S04,S06,S20,S23,S25,S29},中层因素包括二级因素和三级因素,即{S03,S05,S07,S08,S10,S11,S12,S13,S15,S17,S18,S19,S21,S22,S24,S26,S28,S31,S32,S33,S34},深层原因包括四级因素和五级因素,即{S09,S14,S16,S27,S30}。根据该层次划分,将矩阵A以指向图形式呈现如图2,表层要素、中层要素、深层要素节点(○)面积依次减小。

图2 国家森林公园生态福利供给系统内部因素影响指向图

3.3 结果分析

利用解释结构模型(ISM)对国家森林公园生态福利供给系统进行层次结构的分析,主要得出如下结论：

3.3.1表层影响因素分析

国家森林公园生态福利供给系统表层因素主要包括8个内部要素,是影响国家森林公园生态福利供给的直接原因。S01身体健康和S02心理健康直接表征了居民及游客的身心健康状态；S04地方感表征国家森林公园满足人类与土地情感联系的因素,可以直接被居民或游客感受；S06国家森林公园职工工资和S20森林公园带动就业人数两个指标直接反映了国家森林公园在提供该区域居民稳定收入来源的贡献；S23公众对森林知识的了解程度和S25森林文化遗址影响力反映了国家森林公园通过文化教育实现生态福利供给；S29水土流失治理面积则衡量了该区域整体生态环境的因素。8个表层影响因素均可以直接为居民或游客享受或感知,与福利供给有直接的联系。

3.3.2中层影响因素分析

国家森林公园生态福利供给中层因素主要包括：微系统{S03社会关系,S05源于森林的灵感所引发的文化活动或文艺作品数量,S07国家森林公园提供岗位},中系统{S08恢复性自然景观,S10平均负离子浓度,S11人均公园绿地面积,S12森林知识讲解员,S13环境教育基地,S15森林所有者、林业从业者平均参与培训的天数,S17森林公园旅游收入,S18带动其他产业产值,S19木材产值收入},外系统{S21吸引投资情况,S22基础设施建设,S24森林文化遗址资源,S26森林文化价值保护投资,S28环境污染治理投资占GDP比重,S31净化水质功能,S32固碳释氧功能,S33固土保肥功能,S34生物多样性保护功能},共21个内部因素。中层是“承下递上”的中间层次,该层次的内部因素受深层因素的影响,同时向上递进影响表层因素。结合图2可以看到影响路径在中层因素交集汇聚,由深层向表层传递。

但是中层因素分为两类,一类是人力不易控制因素,如S10负离子浓度、S31净化水质功能,S32固碳释氧功能,S33固土保肥功能,S34生物多样性保护功能等,因此需要对深层因素进行控制,达到控制中层影响因素的效果。另一类是可以人为直接控制的因素,如S07国家森林公园提供岗位、S11人均公园绿地面积、S12森林知识讲解员等。中层作为可直接影响表层因素的存在,对可控制因素进行直接干预是提高生态福利供给的重要路径之一,如：增加对森林所有者、林业从业者的培训(S15),提高职业素养以及职工森林文化知识的储备,进而提高(S23)公众对森林知识的了解程度(微系统),实现生态福利供给。

3.3.3深层影响因素分析

国家森林公园生态福利供给的深层因素包括：中系统{S09游步道总数,S14森林公园植物多样性,S16林业相关科研和教育的投入},外系统{S27环境建设与保护投入,S30当年植树造林面积}。深层因素是根本影响因素,通过诸多路径对国家森林公园生态福利供给产生重要作用,同时均是人为可控的。如增加S14森林公园内部植物多样性,既可以通过植物的多样和独特性增强游客和居民与土地的情感联系,对表层因素S04地方感产生直接影响；又可以通过植物多样性产生大量负离子,对中层因素S10负离子浓度产生影响,进而影响表层因素S01身体健康,从文化和健康两个方面向游客及居民提供生态福利。路径如下：

直接影响路径：S14森林公园内部植物多样性(深层因素)→S04地方感(表层因素)

间接影响路径：S14森林公园内部植物多样性(深层因素)→S10负离子浓度(中层因素)→S01身体健康(表层因素)

因此,鉴于深层因素的可控制性以及多路径影响性,可以通过对深层因素的规划和建设提供高质量生态福利,满足人们对生态产品多方位的需求。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文针对森林生态福利供给和国家森林公园综合效益的研究空白,有效结合系统学理论,以黑龙江省为例构建了国家森林公园生态福利供给系统,以期丰富现有理论研究,并为我国自然保护事业提供研究基础和建设思路。研究得出：(1)国家森林公园生态福利供给表层影响因素主要包括身体健康(S01),心理健康(S02),地方感(S04)等8个内部要素；国家森林公园生态福利供给中层影响因素包括21个内部因素；深层影响因素包括游步道总数(S09),森林公园植物多样性(S14),林业相关科研和教育的投入(S16),环境建设与保护投入(S27),当年植树造林面积(S30)五个内部因素。(2)表层影响因素可以直接为民众所享受或感知,是影响森林公园生态福利的直接原因。(3)中层影响因素可以直接作用于表层因素,对其中可人为控制的因素进行干预是提高生态福利供给的重要路径之一。(4)深层影响因素可通过中层影响因素作用于表层,亦有部分可以直接作用于表层,具有多途径影响性和可控性,对其进行规划是国家森林公园提供高质量生态福利的主要手段。

4.2 讨论

国家森林公园是一个开放的复杂系统,与人类经济社会通过物质、能量与信息地交换形成互有影响、互相反馈的大系统,将系统学理论应用于国家森林公园生态福利供给研究中,提供了具有示范性和可参考的分析方法。此外解释结构模型(ISM)能够很好的体现国家森林公园生态福利供给系统内部要素之间的作用关系,通透直观的展示出福利供给的影响路径。本文作为对国家森林公园生态福利供给的有益初步探索,在参考国内外相关文献的基础上,尽可能全面的覆盖生态福利供给指标,为国家森林公园生态福利供给提供了框架性的研究依据。生态福利的供给与需求在地域上是否相匹配,在对国家森林公园在微系统、中系统以及外系统的生态福利供给能力的实证研究时如何处理各个指标,三个系统的生态福利供给是否存在协同效应等问题都有待后续研究。