基于景觀格局與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的森林生態(tài)安全研究

周亞東

摘 要 基于壓力-狀態(tài)-響應(yīng)概念模型，從生態(tài)結(jié)構(gòu)完整性出發(fā)，運(yùn)用GIS和RS技術(shù)，結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評估與森林景觀格局分析，建立包含28個(gè)指標(biāo)的森林生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系，以海南島為例，運(yùn)用AHP法對權(quán)重賦值，并對研究區(qū)域森林生態(tài)安全狀況進(jìn)行評價(jià)分析。結(jié)果表明：海南島的中部山區(qū)市縣的森林生態(tài)安全度較高，該方法進(jìn)行生態(tài)安全評價(jià)科學(xué)、可行。

關(guān)鍵詞 生態(tài)安全；壓力-狀態(tài)-響應(yīng)；景觀格局；生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能；海南

中圖分類號 F307.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

生態(tài)安全是可持續(xù)發(fā)展研究的新領(lǐng)域。生態(tài)安全有廣義和狹義2種理解，廣義的生態(tài)安全是指在人的生活、健康、安樂、基本權(quán)利、生活保障來源、必要資源、社會秩序和人類適應(yīng)環(huán)境變化的能力等方面不受到威脅的狀態(tài)，由自然生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)生態(tài)安全和社會生態(tài)安全組成的復(fù)合人工生態(tài)安全系統(tǒng)；狹義的生態(tài)安全是指自然和半自然生態(tài)系統(tǒng)的安全，即生態(tài)系統(tǒng)完整性和健康的整體水平反映[1-2]。

生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建是生態(tài)安全研究的基礎(chǔ)內(nèi)容[3]。國際機(jī)構(gòu)組織及相關(guān)學(xué)者針對生態(tài)安全評價(jià)設(shè)計(jì)了一系列的評價(jià)模型，其中具有代表的模型有：OECD的“壓力-狀態(tài)-響應(yīng)”（PSR）框架模型；UNCSD的“驅(qū)動力-狀態(tài)-響應(yīng)”（DSR）框架模型；歐洲環(huán)境署的“驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)”（DPSIR）指標(biāo)體系[4-5]；Corvailan等[6]提出驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-暴露-影響-響應(yīng)（DPSEEA）概念模型。這些評價(jià)模型大都是在PSR模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸和完善的。國內(nèi)生態(tài)安全研究以PSR框架擴(kuò)展和改良的模型應(yīng)用比較廣泛。郭斌等[7]提出了由生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)狀態(tài)、人文社會壓力、環(huán)境污染壓力、人文社會響應(yīng)4個(gè)部分組成的模糊多層次評價(jià)模型，并應(yīng)用于銅川市的生態(tài)安全評價(jià)。程硯秋等[8]建立基于主成分分析的生態(tài)評價(jià)模型對中國10個(gè)城市的生態(tài)安全狀況利用“驅(qū)動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(yīng)（DPSIR）”框架進(jìn)行了分析。本研究以PSR概念模型，結(jié)合景觀格局和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估，構(gòu)建森林生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系，對海南島森林生態(tài)安全進(jìn)行評價(jià)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

海南島地處108°37′～111°03′E，18°10′～20°10′N之間，海南全省土地面積為3.535 4萬km2，屬熱帶季風(fēng)氣候和熱帶海洋氣候。全年溫暖，雨水充沛，具有較明顯的干濕季節(jié)，全年長夏無冬，年平均氣溫為23～26 ℃，年降水量達(dá)1 600 mm，降雨量因季節(jié)而表現(xiàn)出分配不均勻，春冬兩季干旱。動植物資源豐富，已被發(fā)現(xiàn)和記錄的維管植物多達(dá)4 680多種，約占全國維管植物種類總數(shù)的1/6，其中海南特有植物就有630多種。

1.2 研究方法

1.2.1 指標(biāo)體系的構(gòu)建 基于PSR模型，從生態(tài)系統(tǒng)的“功能”和“結(jié)構(gòu)”2個(gè)方面評價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)的完整性。以8項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能作為評價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)“功能”的指標(biāo)，以森林景觀格局指數(shù)作為評價(jià)森林生態(tài)系統(tǒng)“結(jié)構(gòu)”的指標(biāo)，并與壓力-狀態(tài)-響應(yīng)（PSR）框架及復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)理論相結(jié)合，建立指標(biāo)體系。按照指標(biāo)選取的科學(xué)性、可獲取性、動態(tài)性、實(shí)用性、代表性等原則，結(jié)合海南省森林資源和林業(yè)管理的現(xiàn)狀與特點(diǎn)，構(gòu)建海南省森林生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系（表1）。其中“壓力”是指人類社會對森林資源造成的壓力，從人口壓力、社會經(jīng)濟(jì)壓力、生態(tài)壓力等方面構(gòu)建；“狀態(tài)”即森林在上述壓力下所處的狀態(tài)，本研究從生態(tài)系統(tǒng)的完整性出發(fā)，以生態(tài)系統(tǒng)的“功能”和“結(jié)構(gòu)”來對狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)，以森林生態(tài)系統(tǒng)的8項(xiàng)服務(wù)功能作為“功能”指標(biāo)，同時(shí)，選取了8項(xiàng)景觀格局指數(shù)作為“結(jié)構(gòu)”指標(biāo)；“響應(yīng)”即人類措施在逆轉(zhuǎn)森林所受的不利影響，提高森林資源可持續(xù)發(fā)展方面所做的努力，從經(jīng)濟(jì)響應(yīng)、政策響應(yīng)、社會響應(yīng)等方面構(gòu)建，選取的指標(biāo)有6項(xiàng)（圖1）。

1.2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定 采用層次分析法結(jié)合德爾菲法、李氏九點(diǎn)量表來進(jìn)行。層次分析法（Analytical Hierarchy Process，簡稱AHP）是Saaty[9-10]提出的一種多準(zhǔn)則決策分析方法，將決策問題的有關(guān)元素分解成多個(gè)層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行定性分析和定量分析。該方法把決策的思維過程數(shù)學(xué)化，從而為求解多目標(biāo)、多準(zhǔn)則或無結(jié)構(gòu)特性的復(fù)雜決策問題提供一種簡便的決策方法。本研究的權(quán)重確定過程即采用德爾菲法的專家咨詢，經(jīng)過10位專家評判，最后取平均值來建立各層次的權(quán)重判斷矩陣。

1.2.3 數(shù)據(jù)無量綱化 不同指標(biāo)間量綱的不同，無法直接進(jìn)行綜合比較，需要無量綱化為相同區(qū)間內(nèi)的值，消除不同量綱的影響。無量綱化的公式為：

Yi=（Xij-minXj）/（maxXj-minXj） （1）

Yi=（maxXj-Xij）/（maxXj-minXj） （2）

其中，Yi為無量綱化后的指標(biāo)值，Xij為j指標(biāo)的i市縣的值，minXj為j指標(biāo)最小值，maxXj為j指標(biāo)最大值。正向指標(biāo)，即指標(biāo)值越大越好的指標(biāo)，選用公式（1）進(jìn)行無量綱化。負(fù)向指標(biāo)，即指標(biāo)值越小越好的指標(biāo)，選用公式（2）進(jìn)行無量綱化。無量綱化后指標(biāo)值yij在[0， 1]區(qū)間。

1.2.4 生態(tài)安全指數(shù) 本研究中，森林生態(tài)安全指數(shù)的數(shù)學(xué)模型為：

ESIFP=

ESIFS=

ESIFR=

ESIF=

ESIFP為森林生態(tài)安全壓力指數(shù)，ESIFS為森林生態(tài)安全狀態(tài)指數(shù)，ESIFR為森林生態(tài)安全響應(yīng)指數(shù)，ESIF為森林生態(tài)安全指數(shù)，yp為壓力指標(biāo)，ys為狀態(tài)指標(biāo)，yr為響應(yīng)指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

1.3.1 數(shù)據(jù)來源 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來自于海南省統(tǒng)計(jì)年鑒及海南省林業(yè)廳統(tǒng)計(jì)資料。森林資源的空間和屬性數(shù)據(jù)來源于海南省2011年森林資源二類調(diào)查矢量數(shù)據(jù)。影像來源于法國SPOT6衛(wèi)星（Systeme Probatoire dObservation dela Tarre）2011年拍攝的遙感影像，融合后影像的分辨率為2.5 m。所有數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)成西安80坐標(biāo)系，3度分度帶，卡拉索夫斯基橢球體，高斯-克呂格投影。在ArcGIS10.2下以2011年二類調(diào)查小班矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對比SPOT6衛(wèi)星影像以目視解譯方法對二調(diào)小班圖進(jìn)行校正。

1.3.2 森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的計(jì)算 以森林資源空間和屬性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，森林小班根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能及海南森林資源的特點(diǎn)，分為原始林、次生林、橡膠林、經(jīng)濟(jì)林、用材林、灌木林6種類型，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能計(jì)算主要參考國家林業(yè)局《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范CLY/T1721-2008》，各項(xiàng)參數(shù)均采用本地區(qū)值。

1.3.3 景觀格局指數(shù)的計(jì)算 矢量數(shù)據(jù)以地類、林種、優(yōu)勢樹種、起源為依據(jù)，劃分為以下6個(gè)景觀類型：天然林、人工林、灌木林、農(nóng)地、水域、無林地。二調(diào)矢量數(shù)據(jù)在ArcGIS下轉(zhuǎn)換為5 m×5 m的grid柵格格式，最后導(dǎo)出為GeoTiff格式。導(dǎo)出的數(shù)據(jù)在ArcGIS 10.2下運(yùn)用Fragstats 4.1進(jìn)行景觀格局指數(shù)的計(jì)算。PLAND、MPS、MPI、FD、LPI作為類型級別上的景觀格局指數(shù)，分別計(jì)算出各個(gè)景觀類型的指數(shù)，然后根據(jù)咨詢專家的意見，天然林、人工林、灌木林以0.625 ∶ 0.250 ∶ 0.125的權(quán)重進(jìn)行綜合，作為相應(yīng)的森林景觀格局指數(shù)。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)上述指標(biāo)體系及評價(jià)方法，計(jì)算出海南島各市縣生態(tài)安全評價(jià)的結(jié)果（表2）。

2.1 壓力安全評價(jià)

在PSR框架中，壓力（Pressure）是指由于人類活動對森林造成的壓力。由表1可以看出，在人口因素等壓力的作用下，各個(gè)市縣的壓力指數(shù)分布較為均勻，壓力最大的是三亞和?？?，壓力指數(shù)大于0.4，這與這2個(gè)地級市較高的人口密度及較高的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平相關(guān)，城市建設(shè)的擴(kuò)張及城市人口的增加造成了?？诤腿齺唭墒猩炙艿降膲毫^大。由于文昌、昌江、澄邁、陵水、儋州等市縣開發(fā)建設(shè)力度比較大，壓力指標(biāo)也較高。處于中部山區(qū)的瓊中縣，由于近年來森林有害生物發(fā)生面積較大，森林生態(tài)系統(tǒng)也處于較大的壓力之下。白沙、保亭和五指山3個(gè)市縣的分值是海南省所有市縣中最低的，源于這3個(gè)市縣處于海南島的中部腹地，所受到的來自人口及森林破壞方面的壓力較小，但森林火災(zāi)和森林健康狀況還有待重視?？傮w來講，海南島森林生態(tài)在外界壓力上以海南省中部山區(qū)各市縣的分值較低；而沿海市縣所受壓力較大。

2.2 狀態(tài)安全評價(jià)

狀態(tài)（State）指森林當(dāng)前所處的狀態(tài)或趨勢。由于歷史以來海南島對土地的開發(fā)利用模式，中部山區(qū)仍一定程度上保持較為原始的狀態(tài)，白沙、五指山、瓊中、保亭的分值最高，表明這幾個(gè)市縣的森林生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)較為優(yōu)良，生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能較好，森林景觀破碎化程度低。雖然由于近年來發(fā)展向中部地區(qū)擴(kuò)張，造成森林一定程度上功能的減弱和結(jié)構(gòu)上的退化，但森林生態(tài)功能和結(jié)構(gòu)仍處于優(yōu)良水平。而定安、臨高與?？诘纳指采w率低，長期以來人類活動的干擾造成森林破碎化，多與農(nóng)地和水域混雜有關(guān)，從而造成景觀格局指數(shù)分值不高；另一方面因森林林分質(zhì)量不高，影響了森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，故整體狀態(tài)指標(biāo)較低。

2.3 響應(yīng)安全評價(jià)

響應(yīng)（Response）是指人類對森林生態(tài)系統(tǒng)改善所做的主觀能動性反映。海南較早就認(rèn)識到森林對維系生態(tài)平衡的重要性，1984年海南島部分地區(qū)開始封山育林，1994年起全省全面停止天然林商業(yè)性采伐，1999年開始實(shí)施國家天然林保護(hù)工程，截至2012年，海南島森林覆蓋率達(dá)到了61.5%，其中天然林覆蓋率提高到了19.17%，熱帶天然林面積已經(jīng)恢復(fù)到了65.9萬hm2。從響應(yīng)分值可以看出，各個(gè)市縣在響應(yīng)上分布不均勻。樂東、瓊中、三亞3個(gè)市縣的分值最高，一方面源于這些地區(qū)的公益林和保護(hù)區(qū)的比重較高，林業(yè)從業(yè)人員也較多；另一方面在于該地區(qū)森林面積較大，林業(yè)投入因此也較高。而定安、瓊海的分值較低，最主要原因在于該地區(qū)因城市建設(shè)與社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成公益林和保護(hù)區(qū)面積所占的比值很低。林業(yè)人員結(jié)構(gòu)不合理，高學(xué)歷、高職稱的林業(yè)從業(yè)少在一定程度上也限制了林業(yè)的經(jīng)營管理水平。

2.4 生態(tài)安全綜合指數(shù)分析

根據(jù)對生態(tài)安全綜合指數(shù)的分析，森林生態(tài)安全度最高的市縣為五指山、瓊中、白沙3個(gè)市縣，其綜合指數(shù)大于0.5，表明海南島中部山區(qū)腹地的森林是維系全島森林生態(tài)安全的核心，森林景觀格局與服務(wù)功能水平都較高，但也不能忽視森林承載力閥值與人為因素對其所造成的影響，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)丶右员Ｗo(hù)與利用，以維護(hù)海南島整體的森林生態(tài)安全。?？?、文昌、定安主要的用地類型為農(nóng)地、其他非林地及人工林。農(nóng)地小斑塊化及其他非林地造成景觀破碎化程度高，是森林生態(tài)系統(tǒng)面臨的最大問題。

3 討論與結(jié)論

本研究采用PSR概念模型，從生態(tài)完整性出發(fā)，將生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和景觀格局分析分別作為“功能”與“結(jié)構(gòu)”指標(biāo)融合到PSR框架中，建立了包含28個(gè)指標(biāo)的海南島森林生態(tài)安全評價(jià)指標(biāo)體系，采用層次分析法結(jié)合專家評分，對指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值并綜合進(jìn)行指數(shù)計(jì)算，在不同區(qū)域之間進(jìn)行對比。通過實(shí)例證明，該方法邏輯嚴(yán)密、過程科學(xué)、結(jié)論清晰，將生態(tài)安全狀況以簡潔明了的形式呈現(xiàn)；該方法能很好地把定量分析與定性分析相結(jié)合，在強(qiáng)調(diào)森林生態(tài)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的同時(shí)，又能考慮社會與經(jīng)濟(jì)因素，在森林生態(tài)安全評價(jià)中具有可行性與很高的實(shí)用價(jià)值。

通過分析結(jié)果表明，海南島的中部山區(qū)市縣的森林生態(tài)安全度較高，森林結(jié)構(gòu)合理，原始植被豐富，森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能強(qiáng)，天然林景觀斑塊面積大，是維護(hù)海南省整體生態(tài)安全的重要保障；而沿海地區(qū)由于歷史以來人類活動頻繁，森林面積小而破碎，破碎的景觀斑塊造成生態(tài)系統(tǒng)功能的嚴(yán)重下降，同時(shí)又受到人為與社會經(jīng)濟(jì)水平的多重壓力，森林生態(tài)安全度偏低。

森林生態(tài)安全評價(jià)，數(shù)據(jù)的易獲性、時(shí)效性和準(zhǔn)確性是評價(jià)的基礎(chǔ)。然而，在實(shí)際研究過程當(dāng)中，一些更能反映森林生態(tài)安全狀況的指標(biāo)數(shù)據(jù)不容易獲取，數(shù)據(jù)的欠缺直接影響評價(jià)的系統(tǒng)性和準(zhǔn)確性，對評價(jià)的質(zhì)量有影響。

森林的消長是一個(gè)動態(tài)過程，由于海南島只有一期的森林資源二類調(diào)查矢量數(shù)據(jù)，在本研究中無法在時(shí)間序列上進(jìn)行分析，在今后的研究中，應(yīng)收集不同時(shí)期的森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)，對森林生態(tài)安全的動態(tài)進(jìn)行評價(jià)，更好地揭示森林生態(tài)安全的變化趨勢。

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