基于层次分析法的生态指标优化研究

王昕怡 牛子瑶

东北大学秦皇岛分校经济学院，河北 秦皇岛 066004

0 引言

森林培育主要起到保护水源、保持水土、防风固沙、避免土地荒漠化、吸收固化二氧化碳、提高当地居民经济效益、保护物种资源和多样性的作用。现在我国很多地区都采用大规模造林来控制水土流失，做好森林培育工作可以有效避免沙尘暴对土地的侵蚀，即使在沙尘暴多发地区，建设好林带也可以有效降低风速，甚至改变风向。大面积的森林培育工作可以使森林吸收大量的二氧化碳，并将其释放为氧气，有效缓解温室效应。森林属于天然的氧气库，提高森林覆盖率可以非常有效地解决我国目前的环境问题，降低空气中有害物质的含量。结合生态文明建设的可持续发展理念，保证物种多样性已经成为一项非常重要的工作。我国大部分生物以森林为主要栖息地，并在此繁衍。森林的价值是综合性的，包括但不限于潜在的碳封存、保护生物多样性、林木价值、育肥价值等，为量化评估带来了很大难度。但为充分发挥森林培育的生态效益、经济效益、社会效益，达到建设生态区的定量目标，森林管理者需根据森林的综合价值做出量化森林管理决策，达到最佳的生态水平，包括确定生态区面积、种植物种等。

本文通过建立评价模型，量化生态区综合效益，并评估生态区建设价值。计算生态区采取最差指标建立生态区，根据最差指标和最佳指标的差异确定生态尺度，使其达到最佳生态指标的水平。

1 模型构建

常见的生态环境影响评价指标包括：水资源保护价值、林木价值、保土育肥价值、气候价值、抗干扰能力、生物多样性价值、经济价值等。采用层次分析法，计算水源涵养价值、林木价值、水土保持育肥价值、气候价值、抗干扰能力、生物多样性价值、经济价值对生态功能的比重。计算各指标对生态功能的重要性和影响。计算覆盖率、年蓄积量、净增长率、森林丰富度、森林物种结构变化、防风固沙对森林价值、碳固定价值、氧释放价值、二氧化硫吸收、污染指数，气候调节权重采用信息熵法对气候价值进行计算。计算水源保护价值、森林价值、土壤保护价值、育肥价值、气候价值、抗干扰性、生物多样性价值，运用经济价值指数法（包括市场价格法、费用法等），计算各指标对生态功能的重要性和影响。对指标进行灰度预测和灰度分析，预测未来指标的发展趋势，考察生态系统功能的稳定性和发展性，并分析所选指标的优良程度，即生态功能与最终评价指标的相关程度。相关性越大说明该指标越好，越有代表性。生态环境评价如图1所示。

图1 生态环境评价

多重生态区主要是指生态环境的相对恶化程度，考虑植被分布、降水、土地利用、水体分布、碳排放、空气质量、经济状况等。根据全国生态环境的总体分布情况，按照华北、东北、华东、华中、华南、西南、西北的生态区，计算几个地区的相关指标，取最差的指标建立生态区，根据最差指标与最优指标的差值确定生态规模，使其达到最优生态指标的水平。生态环境地域分布评价如图2所示。

图2 生态环境地域分布评价

水资源调控值的基本公式为：

土壤保持值的基本公式为：

肥料保存价值的基本公式为：

生物多样性价值的基本公式为：

立木产品价值的基本公式为：

固碳价值的基本公式为：

氧气产值的基本公式为：

二氧化硫价值的基本公式为：

耕地保护价值的基本公式为：

然后选取具有类似生态状况的现存防护林带，计算其生态功能指数，假定每多建立一个该防护林带生态区，可以带来相应大小的指数增加，从而确定达到最佳指数所需的新防护林带的生态区规模。

2 模型结果

本文首先通过对生态系统的一级指标和二级指标分开求解，然后根据结果对二级指标进行了相关性分析，结果如表1所示。

如表1所示，塞罕坝机械林场生态系统的总生态服务价值为279 544.90万元。在涵养水源、调节气候和抵御环境干扰方面发挥了巨大作用，权重分别为0.22、0.22、0.24。林场的林木价值和经济价值较低，远远低于其他指标，说明塞罕坝机械林场森林的生态调节服务价值远远大于其林木和林产品本身的价值。

表1 生态系统一级指标价值

机械林场的覆盖率、蓄水能力、固碳价值和释氧价值都有稳定的提高，具有较强的可持续性。接着对部分二级评价指标进行了灰度相关分析，如表2所示。

表2 生态系统二级指标价值

结果表明，所选指标性能良好，能有效地估算出塞罕坝机械林场生态系统的生态服务价值，其性能具有代表性，相关性较高，如表3所示。

表3 生态系统二级指标相关性

如表4，根据全国生态环境的总体分布情况，按华北、东北、华东、华中、华南、西南、西北等几个区域的生态指标进行计算，结果如表4所示。结果表明，华南地区的生态状况最好，西北地区最差。为确定在西北地区建立生态防护林区，在宁夏现有生态功能指标的基础上，计算出反映每多建立一个现有规模的防护林生态区所引起的指标增长的模型指数值，从而确定达到最佳指标所需的新防护林生态区的规模。

表4 不同地区的生态价值

从表5的结果可知，在同等规模和分布的情况下，每增加一个林场生态区，可增加生态价值5 714 512万元。在计算中要达到现有的最佳生态价值，即华南地区的生态功能指标值，应确定华南地区新防护林生态区的规模应为938 500 hm。

表5 华南地区新防护林生态价值

宁夏三北防护林带吸收二氧化碳的贡献率=每立方米二氧化碳量×森林面积/总面积=500×0.082×25.3/40 690=0.0255 （kg/m）。因此，在同等规模和分布的情况下，每个新建林场都可以增加二氧化碳的吸收量。

3 模型优化

（1）由于图1、图2中涉及的因素较多，因此对各指标进行灰度相关性分析，相关性越好。如果多个指标有较强的相关性，可以认为是重复指标，那么保留一个指标可以达到相同的评价目的。调查多个未转化为市场价值的指标的绝对量，并直接观察行动量的差异和行动能力的大小，以协助评价和分析。以下指标可以用绝对值来评价，也可以作为替代指标：年储蓄以森林储蓄面积（m）来衡量，以反映树木储蓄总额；以大型物种（种数超过20种）占全部物种的比例反映生态能力的趋势；蓄水能力(m）；通过二氧化碳吸收量（t）、氧气释放量（t）和空气质量的比例作为污染指数。

（2）由于主题要求和解决问题的方便性，我们只选择了少量的指标进行评价。为了进一步完善模型，我们应该选择尽可能多的指标，使整个评价体系更加全面、更有说服力，消除不同选择指标带来的差异。

（3）由于数据源的局限性，使用的间接数据较多，缺乏更直接的评价数据。模型的进一步改进需要整合更多的更新、更直接的数据，使评价系统和预测更有说服力。

4 敏感度分析

对我国7个地区的原始数据进行预处理后，纳入模型，得到其定量指标，进行统计排序，并与实际排序进行比较（表6）。

表 6 我国7个地区模型结果和实际排名

从表6可以看出，考虑到国家环境质量指数的综合排名，计算结果与实际情况有一定的偏差，但总体趋势是一致的，可以确定该模型相对可靠。

5 结语

本文通过层次分析法，选取指标构建综合评价体系，收集相关数据量化评价森林生态区对生态环境的影响，综合考虑森林的生态效益、经济效益、社会效益。此外，本文采取最差指标建立生态区，根据最差指标和最佳指标的差异确定生态尺度，确定拟建生态区的规模，并评估其对实现中国碳中和目标的影响。在模型优化上，本文的模型分析了指标间的相关性，消除了重复指标的影响，简化了模型。结果表明，机械林场的覆盖率、蓄水能力、固碳价值和释氧价值随着年份的推移呈现出稳定的改善趋势，具有很强的可持续性。在同等规模和分布的情况下，每增加一个林场生态区，可增加生态价值5 714 512万元。可以计算出要达到现有的最佳生态价值，即华南地区的生态功能指标值，应建立93 850 hm的林场生态区。宁夏三北防护林带吸收二氧化碳的贡献率为0.0255 kg/m。在同等规模和分布的情况下，每个新建林场都可以增加吸收二氧化碳的能力。

本文根据现有宁夏防护林带生态区的生态效益计算尺度，确定了西北地区生态区的建立，方法简单易行，可行性高。但是由于反映生态文明建设的指标很多，所以可能会产生不同的评价结果。由于数据来源的限制，特别是要求数据具有可持续性、范围广，有些数据难以获得，影响了结果的准确性。未来工作可以考虑指标的模糊性，用模糊层次分析或其他综合评价模型，提高模型精确度，或采用因子分析、主成分分析等方法降维，对指标进行筛选，使指标共线性下降。此外，指标的选择可以根据森林生态区建设目标改变，符合实际应用需要。