林業(yè)產(chǎn)業(yè)與森林生態(tài)系統(tǒng)耦合度測度研究

董沛武，張雪舟

(北京理工大學管理與經(jīng)濟學院，北京，100081)

一、引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，我國在向著更加堅實的小康生活水平邁進同時，在生態(tài)環(huán)境方面也付出了沉重的代價。如何系統(tǒng)科學地統(tǒng)籌林業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟功能與森林資源的生態(tài)保護功能，進而實現(xiàn)林業(yè)產(chǎn)業(yè)增長模式轉(zhuǎn)變，提高林業(yè)經(jīng)濟效益，促進人與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，是當前社會面臨的日益迫切問題，對其進行研究具有重要的理論價值。

目前國內(nèi)學者多是側(cè)重于定性方面研究，以證實生態(tài)環(huán)境與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)間存在耦合性為目的，并以分析二者間的耦合關系和結構為主要研究內(nèi)容。我國生態(tài)學研究先驅(qū)馬世駿先生于上世紀80年代結合系統(tǒng)工程優(yōu)化等方法最早提出了耦合思想［1］。之后，任繼周(1994)正式提出了系統(tǒng)耦合的概念，說明相似的生態(tài)系統(tǒng)間具有互相親和的趨勢，并指出其核心是作為原動力與反饋的能量，但未對他們之間的耦合趨勢做量化方面的測度［2］。2000年以來，王兆君(2000)認為森林生態(tài)環(huán)境與林業(yè)產(chǎn)業(yè)這兩大體系，在經(jīng)濟建設中，既相互聯(lián)系又相互矛盾，同時分析了兩者的內(nèi)涵、功能、目標以及協(xié)同條件，并提出了兩大體系協(xié)同發(fā)展的思路［3］;劉思華(2000)、王秋菊(2006)等學者則從結構的角度，分析了森林認證方面，即林業(yè)產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整、林業(yè)產(chǎn)業(yè)管理體制與經(jīng)營機制改革等對我國林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生的影響［4-5］?？傮w而言，國內(nèi)林業(yè)產(chǎn)業(yè)與生態(tài)關系研究主要集中在耦合關系和耦合機制方面，方法主要采用擬合分析和層次分析等方法，專門針對森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)兩個系統(tǒng)之間的耦合狀況，做精細測度分析的研究還較少。

本文基于現(xiàn)有研究已證實的生態(tài)與產(chǎn)業(yè)間存在的耦合關系，利用耦合原理和統(tǒng)計測度方法，對林業(yè)產(chǎn)業(yè)與森林生態(tài)的耦合度做定量研究，分析森林生態(tài)環(huán)境與林業(yè)產(chǎn)業(yè)之間的耦合關系，構建基于灰色關聯(lián)度的綜合評價指標體系，以伊春林業(yè)局為例，通過實地調(diào)研，進行樣本和因子分析，并對主要因子做耦合度量化分析，說明林業(yè)產(chǎn)業(yè)和森林生態(tài)間的協(xié)同關系和耦合狀態(tài)。

二、林業(yè)產(chǎn)業(yè)與森林生態(tài)系統(tǒng)耦合度定義

(一)耦合系統(tǒng)

耦合原本是物理學概念，指系統(tǒng)間或運動方式間通過各種內(nèi)在機制互為作用，形成一體化的現(xiàn)象。林業(yè)產(chǎn)業(yè)是以經(jīng)營和利用森林資源為基礎，為社會提供林產(chǎn)品和生態(tài)效益，涉及國民經(jīng)濟第一、第二和第三產(chǎn)業(yè)多個門類，涵蓋范圍廣、產(chǎn)業(yè)鏈條長、產(chǎn)品種類多的復合產(chǎn)業(yè)群體［6］。而森林生態(tài)是一個系統(tǒng)，包括生物成分和非生物環(huán)境。其中的生物成分按照生物類別來說，包括動物、植物和微生物三大類;若按照在能量固定和轉(zhuǎn)化中所起的作用，則可以分為生產(chǎn)者、消費者和分解者［7］。由此可見，他們都同屬于林業(yè)的范疇，之間具有鮮明的因果關系和緊密的聯(lián)系，表現(xiàn)為林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的生存與發(fā)展極大地依賴于森林資源的持續(xù)性供給，同時林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展又可進一步促進造林、營林業(yè)的發(fā)展和森林資源的數(shù)量和質(zhì)量的提高。兩個系統(tǒng)中存在著能量、信息等的相互作用和影響，從而形成了一個相互協(xié)調(diào)和影響的系統(tǒng)，即耦合系統(tǒng)，表現(xiàn)出一系列特征和協(xié)同進化的發(fā)展趨勢。

(二)系統(tǒng)耦合度

當把耦合概念運用于自然或社會經(jīng)濟兩個(或兩個以上)具有因果關系的系統(tǒng)通過相互作用形成一個新的整體系統(tǒng)時，稱之為系統(tǒng)耦合。耦合的系統(tǒng)中有物流、能量、信息流的循環(huán)，包含有錯綜復雜的因子。研究系統(tǒng)耦合關系的協(xié)調(diào)、反饋和發(fā)展的機理、機制，稱之為系統(tǒng)耦合理論。耦合的因子分析是考察系統(tǒng)耦合發(fā)展規(guī)律及其協(xié)同效應的重要手段和工具［8-12］。

為了從整體上判別森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)兩個系統(tǒng)耦合強度大小，我們利用數(shù)學公式定義耦合度，其度量值為兩個系統(tǒng)各項指標間耦合度的算術平均數(shù)。本文將利用灰色關聯(lián)度的方法計算關聯(lián)度矩陣，在此基礎上進一步構造森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)相互關聯(lián)的耦合度模型，通過該模型可以從時空兩個角度定量地評判中國林業(yè)產(chǎn)業(yè)與森林生態(tài)系統(tǒng)耦合的協(xié)調(diào)程度，其計算公式為:

式中:m、l分別為森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的指標數(shù)，C(k)為系統(tǒng)耦合度。

(三)耦合度模型的選擇

為了對林業(yè)產(chǎn)業(yè)和森林生態(tài)的耦合關系與協(xié)調(diào)程度進行定量評價，在考慮林業(yè)產(chǎn)業(yè)與森林生態(tài)系統(tǒng)耦合作用的交錯性與復雜性同時，還考慮到兩個子系統(tǒng)的關聯(lián)性和時序性，因此本文采用了能較全面分析系統(tǒng)多因素相互作用的灰色關聯(lián)度模型。其基本原理是:通過對系統(tǒng)的統(tǒng)計序列幾何關系的比較來分清系統(tǒng)中多因素間的關聯(lián)程度，序列曲線的幾何形狀越接近，則它們之間的關聯(lián)度越大［13］。選擇灰色系統(tǒng)關聯(lián)度分析方法還基于如下考慮:

(1)林業(yè)耦合系統(tǒng)及其子系統(tǒng)是一個難以全面采集信息的灰色系統(tǒng)。系統(tǒng)的功能、產(chǎn)生原因及評價指標的確定是明晰的，即森林的生態(tài)功能和林業(yè)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟性，產(chǎn)生原因在于森林的存在，及這些指標是什么很容易確定。而問題在于指標與功能之間的過程模糊，各功能間關系復雜多樣，呈現(xiàn)出空間和時間的差異，系統(tǒng)復雜性特征顯著，表現(xiàn)出灰色系統(tǒng)的特征。

(2)生態(tài)效益評價的間接性?？梢约俣?，森林生態(tài)的功能就是由這些全部或部分指標決定，是一定樹木和林地生態(tài)功能共同作用的結果。在評價視角選擇上，當結果難以評價的時候，可以用評價原因的方法來間接評價結果。因此，就本文的林業(yè)耦合系統(tǒng)而言，可以采用顯性指標來評價灰色系統(tǒng)的功能(顯性指標指可以得到詳盡數(shù)據(jù)的森林生態(tài)指標)，正如文獻所述，對森林相關的特征的評價在一定程度上可以代表涵養(yǎng)水源生態(tài)效益的評價［14］。

(3)灰色關聯(lián)度法具有較強的客觀性。當針對一地區(qū)的森林生態(tài)進行評價時，對該地區(qū)的森林類型進行較全面的調(diào)查過程中，以林種為參考研究該地區(qū)最佳生態(tài)效益與產(chǎn)業(yè)效益，各項指標與系統(tǒng)功能呈正相關，各森林類型或指標與灰色系統(tǒng)矩陣的關聯(lián)度評價，能夠盡量避免主觀因素［14］，具有一定的現(xiàn)實性和客觀性。

(4)評價方法的保序性。通過對現(xiàn)有灰色關聯(lián)度方法的分析與篩選，考慮到灰色關聯(lián)度現(xiàn)有計算方法多數(shù)不具備規(guī)范性的特點，在實際應用中，保序性尤為重要［15］。因此，在運用灰色關聯(lián)度分析森林生態(tài)系統(tǒng)和林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)間耦合度時，采用斜率關聯(lián)度進行分析更為適用。

三、耦合度模型的建立

(一)數(shù)據(jù)的標準化處理

鑒于指標的原始數(shù)據(jù)量綱不同，為了能夠橫向?qū)Ρ群涂v向比較，在進行關聯(lián)分析之前，首先對數(shù)據(jù)進行標準化處理。去量綱方法有初值化、均值化、中值化等。

如:極差標準化的方法對數(shù)據(jù)進行了無量綱化處理:

或者采用公式(3)的標準化方法處理數(shù)據(jù):

初值化方法，即每個序列各個時刻的數(shù)值除以該序列的第一個數(shù)值，得出一個新的序列。即

(二)斜率灰色關聯(lián)度應用

通過與其他計算方式的比較，只有斜率關聯(lián)度在數(shù)據(jù)標準化后具有保序性的特點，其計算方法如下，

其中，Δxi(k)=xi(k+1)－Δxi(k)，i =0，1，2，┄，m;k=1，2，┄，n－1。

在求得ιi(k)之后，對其求取平均數(shù)即得新關聯(lián)度ri

實質(zhì)上，斜率關聯(lián)度也是利用參考序列曲線和比較序列曲線的相對變化率(斜率)的差值來定義關聯(lián)度。對于斜率關聯(lián)度，可以對ti(k)進行化簡，其分母變?yōu)?。從中可看出，在各個區(qū)間段上，若序列曲線X0與Xi變化趨勢越接近，即兩序列曲線越接近于平行，則的值越小，ιi(k)越大，ri的值越接近1。斜率關聯(lián)度與常用的一般關聯(lián)度一樣;對兩序列曲線整體相似性的度量是基于對序列曲線局部相似性的度量。從斜率關聯(lián)度的計算公式容易看出斜率關聯(lián)度滿足無量綱化處理后的保序性，均值化、初值化不會改變關聯(lián)度序集。

將關聯(lián)系數(shù)按樣本數(shù)k 求其平均值，可以得到一個關聯(lián)度矩陣γ，它反映了森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)耦合作用的復雜關系。通過比較各個關聯(lián)度γij的大小，可以分析出林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中哪些因素與森林生態(tài)發(fā)展關系密切，而哪些對森林生態(tài)系統(tǒng)作用不大。若取最大值γij=1，則說明林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)某一指標Yj(k)與森林生態(tài)系統(tǒng)某指標Xi(k)之間關聯(lián)性大，并且說明Yj(k)與Xi(k)的變化規(guī)律完全相同，單個指標間耦合作用明顯。若0 ＜γij＜1 說明Yj(k)與Xi(k)有關聯(lián)性，γij值越大，關聯(lián)性越大，耦合性越強，反之亦然。具體地，當0 ＜γij≤0.35時，關聯(lián)度為弱，兩系統(tǒng)指標間耦合作用弱;當0.35 ＜γij≤0.65時，關聯(lián)度為中，兩指標耦合作用中等;當0.65 ＜γij≤0.85時，關聯(lián)度為較強，兩指標耦合作用較強;當0.85 ＜γij≤1時，關聯(lián)度為極強，兩指標相互作用的規(guī)律幾乎一樣，耦合作用極強［16］。

(三)耦合度的測算

在關聯(lián)度矩陣基礎上分別按行或列求其平均值，得到公式(7)。根據(jù)其大小及對應的值域范圍可以遴選出林業(yè)產(chǎn)業(yè)對森林生態(tài)最主要的脅迫因素，以及森林生態(tài)對林業(yè)產(chǎn)業(yè)最主要的約束因素。

其中，i=1，2，┄l;j=1，2，┄m.

為了從整體上判別森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)兩個系統(tǒng)耦合強度大小，我們在式(6)的基礎上進一步構造森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的相互關聯(lián)的耦合度模型(8)，通過該模型可以從時空兩個角度定量評判某地區(qū)的森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)耦合的協(xié)調(diào)程度，其計算公式為:

式中:m，l分別為森林生態(tài)系統(tǒng)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的指標數(shù)，C(k)為耦合度。

四、實例分析

(一)雙豐林業(yè)局的基本概況

雙豐林業(yè)局位于我國東北小興安嶺南麓，呼蘭河上中游南岸。始建于1953年，隸屬于伊春林管局。該局現(xiàn)有林場4 個，經(jīng)營所7 個。局下設農(nóng)場、路管所、電業(yè)局、貯木場、醫(yī)院、學校、公檢法等38 個基層單位，各項基礎設施基本完備。

雙豐林業(yè)局有過輝煌歷史。自1953年建局至今，累計生產(chǎn)木材約1000 萬m3，總產(chǎn)值10 億元，上繳利稅1.1 億元，為國民經(jīng)濟發(fā)展做出較大貢獻［17］。但由于計劃經(jīng)濟體制以及“重采輕育、重取輕予”決策的長期影響，使雙豐林業(yè)局的森林可采資源和社會經(jīng)濟曾一度陷入危困局面，需要進行產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整。

(二)構建評價指標體系

本文通過對有關森林生態(tài)和相關林業(yè)產(chǎn)業(yè)指標設計的文獻進行統(tǒng)計，從中選取了近年來研究者使用頻度較高的指標，并通過與雙豐林業(yè)局的考察，初步確定森林生態(tài)系統(tǒng)的指標包括森林環(huán)境、森林資源、生態(tài)效益3 個方面，林業(yè)產(chǎn)業(yè)新系統(tǒng)的指標包括固定資產(chǎn)投資、林業(yè)產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值和經(jīng)濟效益3 個方面的確定了一般的指標體系。通過對該林業(yè)局5年的數(shù)據(jù)先進行標準化處理，然后進行因子分析、主成分分析和獨立性分析，對指標進行篩選和檢驗，剔除不符合要求的指標，同時根據(jù)主成分提取的結果，得到最終的評價指標體系［18-26］，結果如(表1)所示:

(三)應用耦合度模型進行測算

根據(jù)上一節(jié)中耦合度模型的方法，首先對樣本數(shù)據(jù)進行標準化處理，以去掉量綱，獲得統(tǒng)一指標。再將森林生態(tài)和林業(yè)產(chǎn)業(yè)的樣本數(shù)據(jù)分別帶入斜率關聯(lián)度的計算公式，經(jīng)過計算得出森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)各指標平均關聯(lián)系數(shù)表，如(表2)所示。

表1 評價指標體系表

表2 森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)各指標平均關聯(lián)系數(shù)表

各主成分之間的耦合如(表3-5)所示:

表3 森林生態(tài)系統(tǒng)的各指標對整個林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)耦合系數(shù)表

表4 林業(yè)產(chǎn)業(yè)系的各指標對整個森林生態(tài)系統(tǒng)耦合系數(shù)表

表5 森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)各主成分耦合系數(shù)表

從以上的3 個表中可以看出，各指標間的結果范圍為［0.1887，0.6185］，低于0.35 的指標值說明它們兩者之間的耦合關系很弱，將是提高關聯(lián)度和改進林業(yè)產(chǎn)業(yè)政策的重點。尤其是X11，森林面積和所有的林業(yè)指標值都偏低，其中X11 森林面積對映指標Y14 成本費用利潤率、指標Y15 第三產(chǎn)業(yè)(多種經(jīng)營)以及指標Y16 第二產(chǎn)業(yè)(加工)的耦合度是最低的，應當對他們進行高度關注，將是提高耦合度和進行政策指導的重點。

森林生態(tài)系統(tǒng)中第一主成分的耦合度為0.4809，其中指標X13 活立木總蓄積量和指標X14人的行為，這2 個指標的耦合度較高，說明受其影響較大;第二主成分的耦合度為0.451，小于第一主成分，其中各指標的耦合度較為接近。

林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)對森林生態(tài)系統(tǒng)的耦合度，第一主成分的耦合度為0.462，其中指標Y14 成本費用利潤率和指標Y15 第三產(chǎn)業(yè)(多種經(jīng)營)，這2個指標的耦合度水平較低，分別為0.383 和0.381，其余接近均值，則說明第一主成分受該2 個指標的影響較大，提高關聯(lián)度可以從這2 個方面入手，同時在之后的政策意見是也從該方面入手;第二主成分的耦合度較高為0.512，高于其他部分，且其中各指標的耦合度較為接近，說明在第二主成分中的各個指標對于森林生態(tài)系統(tǒng)的影響程度較為接近，且有較強的相關關系?？偟膩碚f，森林生態(tài)系統(tǒng)中的第一主成分與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)中第二主成之間的耦合度為0.5355 較高，高于總體的耦合度，說明它們具有非常強的相關關系。

通過該模型，可以從定量評判該區(qū)域的森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)耦合的協(xié)調(diào)程度，計算公式(8)為:

根據(jù)表2 的數(shù)據(jù)，帶入公式求得系統(tǒng)耦合度C(k)=0.47，說明雙豐林業(yè)局林區(qū)的森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)耦合關系為中等，說明兩個系統(tǒng)相互影響的作用一般。

(四)基于耦合度測度的林區(qū)發(fā)展對策

通過上述分析，林業(yè)局應以增強生態(tài)功能、提升生態(tài)效益為基本目標，以“生態(tài)主導、保護優(yōu)先”為基本原則，從可持續(xù)發(fā)展的角度，對森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)耦合系統(tǒng)如何達到良性互動平衡采取行動。按照保護優(yōu)先、分區(qū)施策、分類經(jīng)營的原則，通過人工造林、封山育林、森林經(jīng)營、濕地恢復等措施，對森林生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)實施全面、全方位保護，提高生態(tài)功能，促進林區(qū)生態(tài)持續(xù)好轉(zhuǎn)。

堅持以經(jīng)濟轉(zhuǎn)型促進生態(tài)保護，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，大力調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構。充分發(fā)揮林區(qū)自然資源稟賦條件好、生態(tài)環(huán)境優(yōu)良、勞動力資源豐富的優(yōu)勢，積極發(fā)展綠色、生態(tài)和大量吸納就業(yè)的產(chǎn)業(yè)，構筑以生態(tài)為主導的現(xiàn)代林區(qū)綠色產(chǎn)業(yè)體系，實現(xiàn)林區(qū)由林業(yè)經(jīng)濟向林區(qū)經(jīng)濟轉(zhuǎn)型。同時充分發(fā)揮現(xiàn)有相關政策的效能，進一步改革創(chuàng)新，研究制定促進林區(qū)生態(tài)保護與經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的新政策，保障規(guī)劃目標和重點任務的實現(xiàn)。

五、結束語

森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的耦合研究對我國的林業(yè)發(fā)展具有重要意義。本文從定量的角度，對森林生態(tài)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的耦合度進行研究，分析了林業(yè)產(chǎn)業(yè)及森林生態(tài)系統(tǒng)的要素、功能和關系，以此為基礎，構建了森林生態(tài)系統(tǒng)和林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的耦合度評價指標體系，并結合灰色關聯(lián)度中的斜率關聯(lián)度方法，建立了森林生態(tài)系統(tǒng)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)的耦合度評價模型。最后，運用伊春市雙豐林業(yè)局近年來的數(shù)據(jù)資料，測得該地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)與林業(yè)產(chǎn)業(yè)系統(tǒng)間的耦合度，討論了二者間的耦合關系，并提出了以增加森林面積和調(diào)整產(chǎn)業(yè)結構為主的政策建議。

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