吉林省長白縣森林生態(tài)承載力評價

祝凌云, 張大紅,*

吉林省長白縣森林生態(tài)承載力評價

祝凌云1, 張大紅1,*

北京林業(yè)大學經濟管理學院, 北京 100083

自然生態(tài)狀況、發(fā)展過程中受到的壓力以及區(qū)位條件均會對森林生態(tài)系統(tǒng)造成影響?；诋斀裆鷳B(tài)問題和環(huán)境追究責任制的需要, 將承載力與生態(tài)安全相結合, 沿用PSR模型, 以熵權法確定指標權重, 分析吉林省長白縣森林生態(tài)承載力變化情況。結果表明長白縣森林生態(tài)承載力指數(shù)變化呈遞增趨勢, 2013年達到峰值(0.68), 明顯高于全國水平(0.55), 生態(tài)狀況安全。同時其結果受狀態(tài)指數(shù)和壓力指數(shù)的共同影響, 但壓力指數(shù)影響較小, 且一直保持較低水平,這與當?shù)毓I(yè)欠發(fā)達有關。森林生態(tài)承載力指數(shù)和狀態(tài)指數(shù)曲線變化趨同, 表明在三大指標群中, 森林自身健康起著關鍵性作用, 其對提升森林生態(tài)承載力和保障森林生態(tài)安全有著重要意義。

森林承載力; 自然生態(tài)狀況; 發(fā)展壓力; 先天自然稟賦

1 前言

氣候變化, 如降水、溫度[1–2]、CO2濃度[3]、極端氣候事件[4]的發(fā)生, 以及自然災害[5], 如森林病蟲害[6–7]、火災[8], 以及人類自身活動[9], 如砍伐、燒毀、造林、撫育等行為正在對森林生態(tài)系統(tǒng)產生深刻的影響[10–11]。現(xiàn)今我國森林生態(tài)承載能力在縣域層面上的體現(xiàn)是否真的超出了其承載范圍, 眾多學者沿用PSR模型對森林生態(tài)安全進行了評價[12–15], 但由于數(shù)據(jù)的不易獲取或評價量級的難度等方面, 鮮有開展縣域層級上的評價。本文基于此, 將承載力與廣義生態(tài)安全[14–16]相結合, 量化生態(tài)安全這一抽象概念, 但因承載力的受體—承載物所受三個指標群的影響, 生態(tài)承載力這一概念又不完全等同于生態(tài)安全[17–18], 以指數(shù)的形式將生態(tài)系統(tǒng)是否超過其承載能力數(shù)理化, 并結合長白縣1999—2013年森林面積、森林病蟲害等統(tǒng)計數(shù)據(jù), 分析當?shù)厣稚鷳B(tài)承載力變化情況, 并對改善生態(tài)環(huán)境提出建議。

2 研究區(qū)概況

長白朝鮮族自治縣位于吉林省東南部, 長白山南麓, 鴨綠江上游右岸, 素有“長白林海”之稱, 是吉林省重點林業(yè)縣之一。地處中緯度, 地勢偏高, 屬亞溫帶大陸性季風氣候, 由于縣境各地處于不同海拔高度, 因此形成了不同類型的小氣候區(qū)。1999年至2014年, 年降水總量416.9 mm—863.5 mm, 年積溫2191 ℃—2565.6 ℃, 年日照時數(shù)2232.3—2649.5小時。植被為溫帶針闊混交林帶, 屬于長白山植物體系。針闊葉樹的比例隨海拔高度呈規(guī)律性變化, 植被種屬成分隨海拔增高呈明顯垂直規(guī)律。

3 研究方法

3.1概念界定

本研究以森林生態(tài)承載力為基礎, 結合廣義森林生態(tài)安全的概念, 將生態(tài)安全這一抽象概念以數(shù)理方式呈現(xiàn)出來。森林生態(tài)承載力指的是以森林為承載物, 承載社會發(fā)展以及社會發(fā)展過程中對其造成的影響, 這種影響狀況最終反映出這種發(fā)展是安全的抑或不安全的, 是超過了它的承載極限還是在它的承載范圍以內。某地區(qū)生態(tài)安全情況受三個指標群的影響:

(1)自然生態(tài)狀況。指的是森林自身的發(fā)展狀況如何。(2)發(fā)展過程中受到的壓力。因為森林生態(tài)系統(tǒng)的承載對象是壓力, 比如不合理的利用、由自然以及經濟社會發(fā)展帶來的壓力, 所以要量化壓力和自然生態(tài)狀況之間的關系。(3)先天的生態(tài)稟賦。在中國不同區(qū)域間的自然條件是不同的, 這之間的差異是非常大的。比如“胡煥庸線”—這一人口地理分界線表明反映了我國地理、氣候條件和人口密度之間具有緊密的相關性, 也代表中國自然的生態(tài)稟賦,其生態(tài)承載力在地區(qū)之間是所差異的。

3.2評價方法

根據(jù)數(shù)據(jù)來源和計算過程的不同, 指標權重確定的方法分為三類:主觀賦權法、客觀賦權法、綜合賦權法。本研究采用的“熵權”理論是一種客觀賦權方法, 該方法根據(jù)各評價指標值所提供的信息情況,利用信息熵計算出各指標的權重—熵權, 克服了憑經驗確定指標權重的弊端。某項指標值的方差越大、波動越劇烈, 信息熵越小, 表示該指標提供的有效信息量越大, 權重越大; 反之, 該指標的權重越小。當某項指標值在不同評價對象中取值完全相同時,信息熵達到最大, 該指標提供的有效信息最小, 即意味著該指標未向決策提供任何有用的信息, 可以從評價指標體系中除去。

對于森林生態(tài)承載力數(shù)據(jù), 由于量綱不同, 因此在對這些不同質的指標數(shù)據(jù)進行綜合之前需要進行類型的一致化處理。常用方法有標準差方法、極值差方法和功效系數(shù)方法。本研究采用功效系數(shù)法對指標數(shù)據(jù)進行一致化處理。對ija進行標準化,正指標, 負指標xmax表示第j個指標的最大值, xmin表示第j個指標的最小值。

a'ij表示第j個指標數(shù)據(jù)。

設第t個縣的區(qū)位系數(shù)為qt, 全國所有縣的區(qū)位系數(shù)的平均值為q, 全國所有縣的區(qū)位系數(shù)的最小值為qmin, 全國所有縣的區(qū)位系數(shù)的最大值為qmax, 則第t個縣的區(qū)位系數(shù)根據(jù)以下公式標準化:

3.3評價指標

本文沿用OECD倡導的PSR模型, 但將響應部分融入到壓力指標體系子系統(tǒng)中, 并根據(jù)前文所涉及的森林生態(tài)承載力概念及其三個指標群:自然生態(tài)狀況、發(fā)展過程中受到的壓力以及先天自然稟賦,構建森林生態(tài)承載力指標體系(圖1)。其中前兩個指標群構成森林生態(tài)系統(tǒng)指標體系, 后一個指標群構成區(qū)位指標體系(B3)。

森林生態(tài)系統(tǒng)指標體系的內部構成分為狀態(tài)指標子系統(tǒng)(B1)和壓力指標子系統(tǒng)(B2), 分別從森林生態(tài)系統(tǒng)的自身狀況和所承載的壓力兩方面進行評價。在狀態(tài)指標體系研究中, 建立以林學、生態(tài)學為基礎的“生態(tài)物理結構”; 在壓力指標體系研究中, 建立以統(tǒng)計分析為基礎的“人類行為因子”。森林生態(tài)系統(tǒng)指標體系構建, 包括資源量指標(C1)、復雜性指標(C2)、災害性指標(C3)和綜合壓力指標(C4)4個一級指標, 以充分全面地反映森林生態(tài)系統(tǒng)的基本特征、物質組成、服務功能等。

本文結合長白縣1999—2013年森林面積、森林病蟲害等實際統(tǒng)計數(shù)據(jù), 將原指標體系中不可獲得的指標進行了調整, 并得出了符合長白縣域森林生態(tài)承載力評價的指標體系。

由表1可知, 森林狀態(tài)指標子系統(tǒng)(B1)包括資源量指標(C1)、復雜性指標(C2)和災害性指標(C3)3個狀態(tài)層。

圖1 森林生態(tài)承載力指標體系框架圖Fig. 1 Frame of forest ecological carrying capacity index system

表1 森林生態(tài)承載力指標體系及指標權重Tab. 1 Index system and weight of indicators of forest ecological carrying capacity

資源量指標(C1)包括三個正指標。森林單位面積蓄積量(D1)指單位森林面積上的蓄積量, 森林總蓄積量指一定森林面積上存在著的林木樹干部分的總材積?；盍⒛締挝幻娣e蓄積量(D2)指單位林地面積上的蓄積量。活立木蓄積是單位面積的林分中所有的活立木的材積之和, 是反映森林生產力方面的因子, 較高活立木蓄積量的林分一般森林的生產力狀況較好。森林覆蓋率(D3)指一個國家或地區(qū)森林面積占土地總面積的百分比, 能夠較為綜合地反映森林資源的豐富程度和生態(tài)平衡狀況。D1、D2、D3的增加會明顯改善森林生態(tài)系統(tǒng)狀況, 增加NPP、NEP等森林生產力。

復雜性指標(C2)包括兩個正指標。天然林比重(D4)指該地區(qū)天然林面積占整個森林面積的比重。天然林又稱自然林, 包括自然形成與人工促進天然更新或萌生所形成的森林。公益林比重(D5)指該地區(qū)公益林面積占整個森林面積的比重。公益林又稱生態(tài)公益林, 指為維護和改善生態(tài)環(huán)境,保持生態(tài)平衡, 保護生物多樣性等滿足人類社會的生態(tài)、社會需求和可持續(xù)發(fā)展為主體功能, 主要提供公益性、社會性產品或服務的森林、林木、林地(包括國家、集體、個人所屬公益林), 即主要用于發(fā)揮生態(tài)效益的森林。森林生態(tài)系統(tǒng)復雜度越高, 其抗擊外界干擾的能力就越強。D4和D5的增加會提高森林生態(tài)系統(tǒng)抵御氣候變化、自然災害、極端天氣事件等不利影響能力, 增強森林生態(tài)系統(tǒng)的安全。

災害性指標(C3)包括兩個逆指標。森林火災受災率(D6)指森林火災受害面積與森林面積的比,反映受火災干擾的森林面積損失程度。森林病蟲鼠害發(fā)生率(D7)指森林病蟲鼠害發(fā)生面積與森林面積之比。森林病蟲鼠害指對森林、林木、林木種苗及木材、竹材形成的病害、蟲害和鼠害。D6和D7上升均會威脅到森林生態(tài)系統(tǒng), 甚至造成毀滅性的傷害。

森林壓力指標子系統(tǒng)(B2)包括綜合壓力指標(C4)、人類占用森林資源的壓力及強度(C5)和人類維護森林資源的壓力及強度(C6)三個狀態(tài)層。

綜合壓力指標(C4)包括4個逆指標。人口密度(D8)單位面積土地上居住的人口數(shù), 表示人口的密集程度的指標。產業(yè)結構指數(shù)(D9)指工業(yè)生產總值的變動對森林面積變動的影響程度。單位面積GDP(D10)指GDP與行政區(qū)域面積的比值, 表征區(qū)域總體經濟發(fā)展水平對森林生態(tài)系統(tǒng)的壓力。人類工程占用土地強度(D11)指建設用地面積的增加比重導致森林面積的減少比重, 人類工程占用強度直接反映的是人類為了生存與發(fā)展對森林的侵占和影響。D9至D11數(shù)值的增加, 表明人口壓力、經濟壓力和工程壓力等人為活動對森林生態(tài)系統(tǒng)所造成的負面影響。

人類占用森林資源的壓力及強度(C5)用森林旅游開發(fā)強度(D12)表示。D12反映人類對森林的開發(fā)利用程度。開發(fā)程度越高, 表示人類活動對森林生態(tài)系統(tǒng)的干擾越強, 森林生態(tài)系統(tǒng)受破壞的程度就越深。

人類維護森林資源的壓力及強度(C6)用造林、更新、撫育完成投資強度(D13)表示。造林、更新、撫育完成投資指政府為扶持林業(yè)的發(fā)展,用于造林、森林更新和森林撫育方面的投資改善生產條件, 增加生產手段, 提高林業(yè)綜合生產能力。D13越高, 則表示森林生態(tài)系統(tǒng)受人類保護的程度越高。

區(qū)位指標(B3)用氣候指標(C7)來表示。C7下設三個正指標。全年降水量(D14)指一年降水總量。降水是植物生長和森林物種分布的重要限制性因子。降水對森林生態(tài)安全的影響主要是通過影響森林的生產力以及對物種的分布的影響而起作用。降水豐富的地方, 物種多樣性指數(shù)就高,而降水少的地方,物種多樣性指數(shù)相對較低。年積溫(D15)年積溫是指一年內日平均氣溫≥10℃持續(xù)期間日平均氣溫的總和,即活動溫度總和。年積溫越大, 越有利于植被的生長發(fā)育, 森林生態(tài)安全程度越高。全年日照時數(shù)(D16)指太陽實際照射地面的時數(shù), 通常以小時為單位表示。日照時數(shù)的長短對植物的發(fā)育生長便起著很重要的作用, 是影響植被生長的外界條件。日照時數(shù)越長, 越有利于植被的生長發(fā)育, 森林生態(tài)安全程度越高。

3.4評價指標權重

根據(jù)各評價指標值提供的信息情況, 利用信息熵計算出各評價指標的權重如表1所示, 由表可得, 森林狀態(tài)指標子系統(tǒng)權重確定中, 資源量指標(0.568)＞復雜性指標(0.268)＞災害性指標(0.164),表明森林的自身資源狀況起著基礎性的作用, 也是決定森林生態(tài)承載力水平高低的關鍵因素。森林整體健康狀況決定著狀態(tài)指數(shù)的高低。在壓力指標子系統(tǒng)權重確定中, 負向指標(0.818)大于正向指標(0.182), 表明人類活動對森林造成的主要是負面影響。

4 結果與分析

4.1資源量指標

森林單位面積蓄積量、活立木單位面積蓄積量和森林覆蓋率屬于資源量指標。長白縣1999年—2013年資源量指標在小范圍內呈波動趨勢, 在2008年有一個下降以外, 2009年開始大幅度上升。森林單位面積蓄積量1999年為98.80 m2·hm-1, 2013年為102.70 m2·hm-1,單位面積活立木蓄積量由1999年的14.66 m2·hm-1增加到2013年的102.71 m2·hm-1, 變化幅度較大; 全縣森林覆蓋率達84.01%。

4.2復雜性指標

天然林比重和公益林比重屬于復雜性指標。長白縣森林資源結構表現(xiàn)穩(wěn)定。天然林比重較高,均在80%左右, 在2012年和2013年略有下降, 長白縣是有名的林業(yè)大縣, 森林類型以天然林為主,無異齡林, 原因是天然林比較多, 森林生長周期較長, 人工干預較少。公益林比重水平穩(wěn)定逐步提高, 最高值出現(xiàn)在2009年, 為72.23%, 2013年稍有下降。

4.3災害性指標

森林火災受災率和森林病蟲鼠害發(fā)生率屬于災害性指標。1999年—2013年長白縣災害性指標中顯示, 長白縣森林區(qū)域無火災。2013年森林病蟲鼠害發(fā)生率達到最高值4.47%, 其余年份基本在4%左右徘徊, 總體波動幅度較小, 說明病蟲鼠害都是在小區(qū)域范圍內發(fā)生, 而長白縣缺乏對此的有效控制措施。

4.4綜合壓力指標

人口密度、產業(yè)結構指數(shù)、單位面積GDP和人類工程占用土地強度屬于森林綜合壓力指標。從總體上的森林綜合壓力指標來看, 長白縣森林壓力較小, 人類消耗森林資源的強度較小, 基本保持平穩(wěn)狀態(tài)。人口密度較低, 長白縣森林資源非常多, 但單位面積人口數(shù)量指數(shù)較低; 產業(yè)結構指數(shù)大體上升, 單位面積GDP逐年升高, 人類工程占用土地強度逐年增加, 顯示長白縣人類活動對森林生態(tài)環(huán)境帶來的壓力在逐年上升。但縱觀三項指標的數(shù)值, 單位面積GDP和人類占用工程強度較低, 最大值分別不超過1.27和0.71, 表明盡管壓力有所上升, 但基數(shù)較小, 對森林的影響較小。產業(yè)結構指數(shù)相對較大, 但波動并不明顯,基本保持平穩(wěn)狀態(tài)。

4.5人類占用森林資源的壓力及強度

長白縣是一個旅游熱門縣, 區(qū)域內有著名的長白山國家保護區(qū)旅游區(qū), 這也在森林旅游開發(fā)強度上呈現(xiàn)出來。最高值出現(xiàn)在1999年, 為181.38%, 之后一直在1到2之間輕微波動, 表明長白縣人類占用森林資源的壓力及強度的數(shù)值和變動幅度較小。

4.6人類維護森林資源的壓力及強度

人類維護森林資源的壓力及強度主要用造林、更新、撫育完成投資強度表示。2009年, 單位面積投資為44 元, 隨后幾年逐漸增加, 2013年起伏較大, 為72 元, 表明2013年度長白縣對森林維護的重視度加強。

如圖2所示, 長白縣1999—2013年森林生態(tài)承載力指數(shù)變化呈現(xiàn)遞增趨勢。1999年的值最小為0.6, 2013年的值最高, 為0.68。可以看出, 1999年到2000年長白縣的指數(shù)有一個很明顯的增幅, 之后到2007年保持著小波動同時上升; 從2008年開始到2013年一直保持一個上升的趨勢。反映了長白縣最近幾年對森林的管理工作卓有成效。

長白縣森林生態(tài)承載力指數(shù)是由狀態(tài)指標和壓力指標共同影響下得到的結果, 從時間維度上看,狀態(tài)指數(shù)隨時間變化而波動, 2013年時達到最大值0.6766, 在2002年和2003年兩年間呈現(xiàn)出下降的趨勢, 在2004年以后開始上升, 中間有一些小波動,幅度不大。壓力指數(shù)隨時間呈現(xiàn)出遞減趨勢, 由1999年的0.2176, 減少到2013年的0.1639。值得注意的是, 在2009年以后壓力指數(shù)開始有所增加, 但增幅較小, 仍然在可接受范圍內。從圖2中可以看出, 森林生態(tài)承載力指數(shù)和狀態(tài)指數(shù)曲線變化趨勢趨同, 這說明在影響森林生態(tài)承載力的三大指標群中, 森林自然生態(tài)狀況起著至關重要的作用,另外兩類指標群則是在其中充當輔助性的作用。森林健康是提升森林生態(tài)系統(tǒng)承載能力的關鍵和基礎, 提高森林自身安全對于保證森林生態(tài)系統(tǒng)均衡發(fā)展尤為重要, 同時也不能忽視人類行為和區(qū)位條件在對森林的影響, 要盡量促進森林—人類—氣候的協(xié)同發(fā)展, 減小人類活動對森林的干預和損害。

圖2 1999—2013年吉林長白縣森林生態(tài)承載力指數(shù)變化情況Fig. 2 Changes of forest ecological carrying capacity index in Jilin Changbai County in 1999-2013

5 結論與討論

本文將承載力與生態(tài)安全相結合, 量化生態(tài)安全這一抽象概念, 以指數(shù)的形式將生態(tài)系統(tǒng)是否超過其承載能力數(shù)理化, 并結合長白縣1999—2013年森林面積、森林病蟲害等統(tǒng)計數(shù)據(jù), 分析當?shù)厣稚鷳B(tài)承載力變化情況, 結論如下:

1) 森林生態(tài)承載力指數(shù)變化呈現(xiàn)遞增趨勢,表明長白縣森林生態(tài)狀況有所改善, 2013年達到峰值0.68, 同時明顯高于全國平均值0.546[19], 表明長白縣森林生態(tài)承載力狀況良好, 未達到超載水平。

2) 森林生態(tài)承載力指數(shù)由狀態(tài)指標和壓力指標共同影響, 狀態(tài)指數(shù)在2002年和2003年兩年間呈現(xiàn)出下降的趨勢, 主要是由于這兩年森林病蟲害的加劇。其中2003年落葉松毛蟲發(fā)生面積達5865公頃, 鼠害面積達1517公頃, 單從鼠害這一項來看, 就增長了2倍之多。壓力指數(shù)一直保持較低水平, 且隨時間呈現(xiàn)出遞減趨勢, 2009年后有所增加, 但增幅小, 這與長白縣工業(yè)產業(yè)欠發(fā)達有關。

3) 森林生態(tài)承載力指數(shù)和狀態(tài)指數(shù)曲線變化趨同, 表明在影響森林生態(tài)承載力的三大指標群中,森林自然生態(tài)狀況起著至關重要的作用, 另外兩類指標群則是在其中充當輔助性的作用。加強森林自身健康對于提升森林生態(tài)承載力和保障森林生態(tài)安全起著基礎性和關鍵性作用。

針對長白縣森林生態(tài)承載力總體平穩(wěn)增長,偶爾出現(xiàn)下降情況的計算結果, 長白縣當?shù)卣畱斪⒅匾幌聨c:一、退耕還林政策后期調整,科學平衡生態(tài)與經濟效益; 二、推進保護區(qū)建設,完善保護區(qū)網絡; 三、加強森林病蟲害、火災等自然災害的預警和防護; 四、積極建設林場, 關注職工生活。

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Forest ecological carrying capacity evaluation on Changbai County in Jilin Province

ZHU Lingyun1, ZHANG Dahong1,*
School of Economics and Management,Beijing Forestry University,Beijing100083,China

The forest ecosystem is affected by natural ecological conditional, economic development stress and geographical conditions. In this paper, we used PSR model and entropy weight method to evaluate the forest ecological carrying capacity in Changbai County in Jilin Province. The result showed that the forest ecological carrying capacity in Changbai County was increasing and reached its peak at 2013(0.68), which was significantly higher than the national average of 0.55. Meanwhile, the forest ecological carrying capacity was affected by the state and pressure index jointly, but the effect induced by pressure index was little and it remained low. The result also showed that forest ecological carrying capacity and status index curve had a similar trend, which indicated that forest health was of important significance in promoting forest ecological carrying capacity and protecting the safety of forest ecology.

forest carrying capacity; natural ecological condition; development stress; innate natural endowment

10.14108/j.cnki.1008-8873.2016.05.024

S178.55

A

1008-8873(2016)05-176-07

祝凌云, 張大紅. 吉林省長白縣森林生態(tài)承載力評價[J]. 生態(tài)科學, 2016, 35(5): 176-182.

ZHU Lingyun, ZHANG Dahong. Forest ecological carrying capacity evaluation on Changbai County in Jilin Province[J]. Ecological Science, 2016, 35(5): 176-182.

2015-10-28;

2016-02-26

國家林業(yè)局2014年林業(yè)重大問題調研課題(ZDWT201415)

祝凌云(1992—), 女, 河北石家莊人, 碩士研究生, 主要從事林業(yè)經濟方面的研究, E-mail: 13126538218@163.com

*通信作者: 張大紅, 男, 博士, 教授, 主要從事林業(yè)技術與經濟研究, E-mail: zhangdahong591120@163.com