基于模糊物元模型的生态公益林综合效益评价——以英德市为例

杨倩楠，石莹怡，张泽宇，王 超

（1.广州新华学院 资源与城乡规划学院，广东广州 510520；2.广东华南空间规划研究院，广东广州 510642）

随着国务院自然资源部、生态环境部的组建，国土资源管理体系进一步完善，自然资源的合理开发与统筹保护成为国家国土安全维护和生态文明建设的重要课题。生态公益林是指以维护和改善生态环境、保护生物多样性、保持生态平衡并满足社会多样化生态需求为主要目标的防护林和特种用途林[1-3]，其在涵养水源、防范土壤侵蚀的同时，可调节气候、保护林中动植物，形成动态、可持续的立体保护，进而构建稳定的生态系统，实现长期作用下森林资源的可持续利用。除了生态效益，公益林也能产生经济和社会效益，提高其经济和社会效益并为林业生态建设提供强大助力已成为社会共识。综合评价生态公益林的建设效益具有重要现实意义，可为林地可持续利用和生态环境保护提供决策支持。

国内外关于生态公益林评价的研究主要集中在生态效益补偿评估与市场化补偿、税收政策优惠和法律法规等制度建设[3-6]，生态环境价值与生态安全评价[7]，公益林管护与分类经营可持续性评价[8-10]，综合质量评价[2，11]，公益林保护对农林经济和水源涵养的影响[12-13]及公益林信息系统建设与评价[14]等方面。关于评价指标，有的研究采用经济价值或人文福利的单项指标[15-16]，有的构建生态、经济和社会综合的可持续评价指标体系[17-18]，并结合具体研究区域的特征和研究目标，整合生物多样性保护、森林生产力与活力、水土资源保持、游憩效益和项目管理等多方面指标[9，19]。在研究方法上，生态效益和生态价值评价多采用市场评估法、等效益物替代法和旅游费用法[7，20]，可持续经营和综合评价则多采用模糊综合评价和因子分析等综合指数法[11，21]。关于生态公益林评价的研究已从单一的生态效益补偿评价扩展到立地环境、区位、经营和信息系统建设等综合内容的差异化评价，且更加注重公众和社会对生态公益林价值的认可，并从效益、产权和技术等方面探索生态公益林项目可持续运营的途径。评价内涵的丰富导致现有指标体系繁杂，且各指标计算标准与评价方法不同，评价结果多倾向于生态公益林建设补偿的货币化价值，在项目成效评价和影响因素分析等方面的研究相对欠缺，难以有效地反映生态公益林建设的具体差异和区域问题，在加强评价指标选取的科学性及测算结果的多元化解读上仍有一定的研究空间。本研究引入Chrome 数据抓取扩展工具与词频分析法，统筹研究国内外森林资源评价指标，并以英德市为具体案例构建生态公益林评价指标体系，通过模糊物元模型构建和障碍因子计算，评价分析其综合效益，提出优化生态公益林建设的建议。

1 材料与方法

1.1 研究对象与数据来源

广东省是“全国荒山绿化第一省”，也是最早开展林业分类经营改革的省份之一[7]，省内的生态公益林建设已有一定成效。英德市位于广东省南岭山脉东南部，水热条件良好，林业资源丰富。2019年森林资源调查数据库统计，英德市的林木可计算植被面积为1 388.3 km2，约占广东省林木总面积的四分之一，公益林占地居全省第二，并在一定程度上带动了当地养殖业和林、果业的发展，助力当地脱贫攻坚。英德市生态公益林可分为西部国家级和省级生态公益林混合区、中部国家级生态公益林集中区和东部省级生态公益林主导区，呈现以下建设特点：多选址于西部、北部地势险峻的山地区域、河流两岸，尽可能远离人们日常生活、生产区域；英德市林业结构以毛竹（Phyllostachys edulis）、茶树（Camellia sinensis）为主，生态公益林建设除了种植传统生态树种外，也对这些具有经济、生态双重价值的树种进行了一定建设；积极在荒废耕地和石漠化严重区域种植公益林，有效利用土地资源，健全生态系统。作为粤北山区的代表性城市，英德市生态公益林建设在全市已基本得到落实，但从实际情况看仍存在质量分布不均、公众认知不足等问题。本研究对英德市生态公益林建设综合效益进行系统评价，可为优化英德市生态公益林建设及类似地区的现代林业建设规划提供建议和可借鉴的经验。

研究数据来源于2019年英德市卫星影像图、英德市森林资源调查数据库、广东省森林资源在线系统数据、英德市土地资源数据统计年鉴、英德市生态保护工作报告及各镇（街道）的实地调研。采用ENVI 5.0、ArcGIS 10.4.1 和SPSS 17.0 软件对数据进行处理。

1.2 评价指标体系构建与研究方法

1.2.1 生态公益林综合效益评价指标体系构建

生态公益林评价指标主要有两种类型：国家资源调查中的指标体系，如《森林资源二类调查技术手册》中涵盖的64 项指标因子；各专家学者基于相关研究构建的多样化指标体系。为统筹分析相关指标，本研究利用Chrome 衍生插件Web Scraper，设置数据抓取模型，提取相关文献的评价指标，通过词频分析得到使用频率较高的29项指标，作为初步参考（图1）。生态公益林以生态效益为中心，以实现社会和经济效益的可持续发展为核心，因此本研究从生态、经济和社会效益3 方面构建评价指标体系。生态效益以英德市森林资源调查各项指标为基础，结合粤北地区石漠化问题，从生态系统稳定性、气候改良和水土保持等方面进行评价；经济效益通常从补偿和收益两方面考量，但英德市生态公益林补偿机制各镇不一，故主要从林业生产投入和产出两方面进行衡量；社会效益主要反映生态公益林与公众间的相互关系，从森林公益效益和公众健康两方面进行评价。

图1 评价指标词频统计图Fig.1 Word frequency statistics chart of evaluation indexes

根据评价指标体系，对应获取2019年的区域研究指标数值，并根据生态公益林项目指导手册、当前相关规范规定和文献等，结合英德市区域状况，明确各指标基本含义（表1）。采用层次分析法计算权重，数据一致性比例CR均小于0.1，权重合理。

表1 生态公益林项目效益评价指标体系及区域研究值Tab.1 Evaluation index system and regional research values of ecological public welfare forest project

续表1 Continued

1.2.2 模糊物元模型构建

模糊物元模型可将关系复杂的各因素作为单独物元建立函数关系，既能反映评估对象的整体情况，又能揭示单项评估指标的差异[22]，包括关联度和贴近度两种计算方法，已在土地生态安全和生态承载力评价中得到广泛应用[23-24]。生态公益林综合效益评价中，定性和定量指标不可分割且相互作用，根据评价指标体系，可采用模糊物元中的关联度法进行全面客观地分析与评价。模糊物元模型参考李春燕[23]、魏宁宁等[24]，构建步骤如下：

（1）构建多维复合物元模型

根据物元理论，部分评价指标对应的量值x具有模糊性，称为模糊物元（R），表示如下：

式中，M表示事物；C为事物M的特征向量；x为与事物特征向量C对应的模糊量值。

将M个事物用其共同的n个特征C1，C2…Cn及其对应的模糊量值x1i，x2i…xmi（i= 1，2…n）描述，即可构成m个对象的n维模糊物元（Rmn）:

（2）确定经典域及节域矩阵

经典域模糊物元（Roij）矩阵表示为：

式中，Moj为划分的第j个评价等级；Ci为特征向量（i=1，2…n）；Xoij为第i个特征向量j等级的量值范围（aoij，boij），即经典域，经典域矩阵表示为：

节域模糊物元（Rp）矩阵表示为：

式中，Xpi为第i个特征向量的量值范围（api，bpi），即节域，节域矩阵表示为：

（3）构建关联函数计算关联度

式中，k(ci)j为第i项指标相对于第j等级的关联度，且

式中，ρij（xi，Xoij）为点xi与对应特征向量经典域区间Xoij的距离；ρpi（xi，Xpi）为点xi与对应特征向量节域Xpi的距离；xi、Xoij和Xpi分别为评价物元的量值、经典域量值范围和节域量值范围。

（4）计算综合关联度确定评价结果

评价结果由综合关联度确定，评价物元M（xx=1，2…m）相对于等级j的综合关联度（Kj(Mx）)。

式中，Wi为评价指标的权重。

根据最大隶属度原则确定各指标评价结果（ki）j和综合评价结果（Kjx）。

kij=max[k(ci)j]，评价对象第i项指标的评价结果为j等级；Kjx=max[Kj(Mx)]，评价对象综合评价结果为j等级。

关联度k、K值表示评价指标和对象隶属于某一等级状态的稳定程度（表2）。

表2 关联性数值含义Tab.2 Kelevance value meanings

（5）因子障碍度计算

模糊物元中，关联值评价结果主要反映指标在某一等级内的稳定状态，难以直接体现该指标在整体中距最优值的情况，可结合障碍度计算，进一步诊断指标对整体评价结果的阻碍程度，数值越大阻力越大。

从优隶属度计算时，将各指标量值统一转化为从属于标准方案中相应量值的从优隶属度（Um）i，即数据标准化，公式如下[25]：

越大越优型：

越小越优型：

式中，xmi为第m个事物第i项特征的量值；maxxmi和minxmi为最大值和最小值。

指标偏离度（Im）i计算公式为：

式中，Umi为由公式（10）和（11）得到的从优隶属度。

障碍度计算公式为：

式中，Ymi为第m个事物第i项指标的障碍度；Wi为因子贡献度，即权重。

2 英德市生态公益林综合效益评价与分析

2.1 英德市生态公益林综合效益评价

结合英德市实际，设置优、良、中、差和劣5个评价等级，确定经典域和节域矩阵（Roij、Rp）。

英德市生态公益林综合关联度最大值为（-0.056），等级良上小于0，说明整体综合效益处在向良等级转化阶段，其中生态效益已处于优等级，经济效益处于良等级，社会效益正在向中等级转化；3 个效益的关联度最大值均较接近0，说明效益等级的稳定性均较差（表3）。综合效益提升的主要障碍因子依次为C14、C16、C5、C10和C15。英德市作为“七山一水二分田”的山区（县）市，生态公益林建设初期即着重于生态保护，以打造广东省林业生态县为目标，着重进行山地造林绿化、矿口复绿和水土流失治理等生态环境保护工程，先后建立了石门台国家级森林公园和滑水山市级自然保护区等，并引进粤北林化加工厂等一批林产加工龙头企业，实现林业经济的多样化发展。经过近十年的系统性规划建设，英德市生态公益林已能基本满足生态保护、灾害防护和经济社会发展等多方面的需求，但单一的林种结构和前期粗放的经营管理模式使得公益林综合效益的长期可持续性和稳定性较差，表现为林业年收入总体增加但人均林产收入年增加率较低，植被覆盖率增加但有害物质吸收、小气候改善和石漠化区域土壤改良等效果不显著，且受以往经济产业为主的思维模式影响，公众的林业认知层面较窄，易与生态公益林长期保护产生冲突。以英德国家森林公园为例，其生态保护面积较大，但由于设立之初范围划定论证不充分，致使保护范围涵盖了诸多镇（街）建设用地和重点建设项目，并有村民种植的较大面积且连片的人工商品林，森林公园建设与经济社会间的可持续协调发展作用有限。

表3 英德市生态公益林评价指标关联度、评价等级及障碍度Tab.3 Relevance values,evaluation grades and obstacle degrees of evaluation indexes of ecological public welfare forest in Yingde city

2.2 英德市生态公益林单项指标分析

生态效益优得益于水源涵养功能（C6、C7）、保土作用（C8）和生态系统稳定性（C2、C3）。实地调研发现，在英城街道、石灰铺镇和水边镇等中部区域，经济发展的同时水土保持效果也较好；在黄花镇、九龙镇和东华镇等边缘区域，林地资源丰富，城市建设程度较低，生态系统功能较好，说明生态公益林为英德市的水源、土壤和生物保护提供了良好的生境，能有效改善水土流失和石漠化问题。温度改变（C5）和土壤容重（C10）评估等级偏低，障碍度较大，一定程度上影响了生态效益在优等级上的稳定性；特别是连江口镇、浛洸镇和英红镇等区域多种植茶树、果树等有一定经济效益的树种，使得林区蒸腾作用降低、土壤不断紧实，整体温度改变较小、土壤容重增大[26]，说明英德市公益林生态效益的长期作用机制和可持续性仍需提升。

经济效益中，林业生产投入（C11）等级为良且障碍度较小，说明英德市林业建设投入资金较充裕。产出效益较差（C12、C13），且在当前等级上的关联度较大，等级提升有一定难度；整体经济产出主要依赖英红镇的茶产业和石灰铺镇、连江口镇的“农-林”“农-园”和“林-园”产业模式，波罗镇、大湾镇和沙口镇等区域的资源开发难度大，经济效益难以提升。如何在加强自然环境保护的基础上合理提升生产效率是英德市生态公益林未来发展需关注的问题。

社会效益（C14、C15和C16）整体等级偏低，障碍度较大，但当前等级上的关联度较小，说明指标等级提升较容易。英德市生态公益林数量较多，但由于长期生态效益未显现、部分资源开发难度大和人口不断增加等原因，区域整体林业生产功能提升较慢，影响人均林产收入年增加率。英德市南、北部以阔叶林为主，东、中部以人工针叶林为主，西部为石灰岩山区，生产条件较差；整体上阔叶林占比较高，部分林区为人工改造林，林木需进一步养育，SO2吸收总量有限。英红镇、英城街道等区域经济发展水平较高，公众对生态公益林的认知较清晰、全面；沙口镇、大洞镇和黎溪镇等区域经济发展水平较低，公众对生态公益林的认知多停留在实际收益层面，社会效益认知偏低，需着力提升。

根据以上效益测算结果，可将英德市划分为5个区域。九龙-黄花区包含九龙、黄花两镇，有一定林地资源，物种较丰富，但石灰岩的地质特征导致土壤不宜耕作，经济效益较差；英西综合发展区包含波罗、大湾、西牛、水边和大洞5 镇，以林地为主，物种丰富，有一定生产水平，区域生态公益林发展潜力较大；英西农业区包含石牯塘、浛洸、石灰铺、连江口和黎溪5 镇，林地资源充足，以农业发展为主，林种结构单一，未起到生态效益带动作用；英中经济区包含横石塘、英城、英红、沙口、望埠和大站6镇（街道），林地资源有限，生态公益林多建立在现有果园上，生态效益中等，林副产品带来的经济效益较高，公众认知全面，社会效益良好；英东建设区包含东华、横石水、桥头、青塘、白沙和下镇6 镇，经济、社会效益稳定在良好等级，但生态效益易受城市建设冲击，生态公益林建设时需注意多维度可持续发展。

2.3 英德市生态公益林建设现状分析

英德市生态公益林综合效益趋向于良等级，但各指标等级有差异，且效益状态不稳定。

2.3.1 物种多样且资源丰富，生态效益优，但总体质量偏低，生态效益优等级稳定性较差

英德市生态公益林系统包含国家级保护植物20余种、野生动物300余种，整体为以桉树（Eucalyp⁃tusspp.）、香樟（Cinnamomum camphora）、毛竹、茶树和果树为主的林业结构，生产力较强，也可为各种野生动植物提供良好的生长环境。但缺少专项调整，整体质量偏低，特别是英西农业区，林种结构单一，单层林多、复层林少，层次丰富性较差；建设位置多为石漠化和撂荒耕地，土壤质量差，养分含量较低，郁闭度有限，公益林稳定性和抗灾害能力较差；整体经营粗放，缺乏集约化和精细化管理，难以形成高质量集聚效应。

2.3.2 水土保持能力较好，但投资回报率低，经济效益等级提升有一定难度

基于自然地理特征，调度较灵活的省级生态公益林主要分布在英东建设区的平缓区域；不可随意变更的国家级生态公益林主要分布在英西、英中的边缘丘陵区；合理的生态公益林区划可提高区域森林蓄水量、方便水资源调度和维护，还可控制土壤侵蚀、进行生态修复。木材、林副产品等林业投资的经济回报整体较差，主要原因在于林地经营周期长、显效慢，且前期英西、英东区域生态环境较脆弱的林地被用于厂房建设、房地产开发等，生态环境恢复所需时间较长，经济效益短期内难以提升至优良等级。

2.3.3 公众认知整体一般，社会效益等级较低

随着生态公益林的不断建设，林地能吸收一定的有害气体、降解污染并生产林副产品，起到维护公众健康、提升人均收入的作用。但林地培育周期较长，上述作用的发生整体滞后于社会发展，生态公益林潜在的社会效益需进一步凸显。经济发展水平较低区域的居民对生态公益林的认知大多停留在实际经济价值产出层面，对生态和社会价值认知不足，且部分公益林界址不明确，常被村民误占、误用为商品经济林，进一步阻碍了区域的生态环境修复。

2.4 英德市生态公益林综合效益提升建议

2.4.1 分类经营，改善结构，提升质量

统一规划生态公益林和商品经济林建设，生态营林。明确划分区域界线，建立林权档案，分类制定建设细则，实现精细管理，着重发挥英西农业区的林地质量优势，提升其整体带动作用；适当调整生态公益林树种结构，提高造林质量和郁闭度，营造复层多龄混合林，维护并提高地力，使生态公益林建立长期自我修复和自然调节机制，着重提升九龙-黄花区和英西、英中区的气候、土壤改良效益，促进整体生态效益优等级的长期稳定。

2.4.2 结合区域特点，开发旅游、休憩等新型林业模式

木材、林副产品等传统林业产出提升难度较大且易影响生态效益。结合产业转型和经济结构优化等要求，依托各区域特色林业资源，着力开展游憩公园等第三产业，在潜力较大的英西综合发展区打造生态旅游区；进一步强化生态公益林补偿机制，在提升经济收益的同时培育林地环境，实现生态和经济的协调发展。

2.4.3 强化常态保护机制，多渠道普及林业知识

制定林政执法规程，建立林地违规使用动态监测机制，减少误用、误占生态公益林等违法行为的发生，使生态保护常态化，保证林木能长期培育，凸显潜在效益；在推进英西公益林高质量发展的同时，避免英中经济区和英东建设区的公益林发展受经济和城市建设挤压，防止社会发展侵占林地建设；通过建立科普基地、建设线上林业咨询平台和开展专题培训课程等方式，积极、深入宣传相关知识。

3 结论

研究表明，模糊物元模型结合障碍度计算，能较好地评估生态公益林建设总体和单项指标效益。结合评价结果和区域特征，英德市生态公益林综合效益处于向良等级转化阶段，但整体等级不稳定、易变化；这一阶段生态效益较显著，并取得了一定经济效益，但经济效益提升缓慢，社会效益较差。影响综合效益提升的主要障碍因子为人均林产收入年增加率、吸收SO2量、温度改变、土壤容重和公众普及度等长期效益指标，说明英德市生态公益林各维度的长效协调促进机制尚未形成。结合指标分析及实地调研，将英德市生态公益林建设划分为九龙-黄花区、英西综合发展区、英西农业区、英中经济区和英东建设区5 个不同的林业发展区域，实行差异化发展建设。英德市生态公益林建设存在总体质量提升困难、经济结构有待优化和社会效益有限等问题，需通过差异化分类经营、林下经济及生态旅游发展和林业知识多渠道普及等方法实现长期、可持续综合效益的提升。本研究以广东省较为典型的英德市生态公益林建设项目为例，在项目成效评价、影响因素分析等方面进行相关分析，该研究方法可反映生态公益林建设的整体成效、具体指标差异和区域问题，可为相关项目建设提供一定可借鉴的经验。

生态公益林建设是一项综合且长期的系统工程，为更深入、全面地探究生态公益林建设成效，在考虑数据可获得性的基础上，可进一步丰富空间格局、补偿资金来源和管理机制等方面的内容，与当前生态保护红线划定、生态补偿资金的区域转移支付和林长制工作推进相结合，从国土空间优化、区域平衡发展和长效机制建立等维度出发，进行相关探讨，使生态公益林建设能真正推动区域优质发展；可进行纵向上的时间演变分析和横向上的区域对比分析，探讨效益建设的趋势变化和空间集聚效应，实现区域大环境质量的提升优化；可对综合效益中各维度的相互影响关系进行研究，着眼内部机制的优化。