文章信息
- 刘心竹, 米锋, 张爽, 苏立娟, 顾艳红, 张大红
- LIU Xinzhu, MI Feng, ZHANG Shuang, SU Lijuan, GU Yanhong, ZHANG Dahong
- 基于有害干扰的中国省域森林生态安全评价
- Research on China’s provincial forest ecological security appraisal based on the detrimental interferences
- 生态学报, 2014, 34(11): 3115-3127
- Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(11): 3115-3127
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201310132462
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文章历史
- 收稿日期:2013-10-13
- 网络出版日期:2014-02-24;
2. 中国林业科学研究院林业科技信息研究所, 北京 100091;
3. 北京林业大学理学院, 北京 100083
2. Research Institute of Forestry Science and Technology Information, the Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China;
3. Faculty of Science Institute of Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
森林作为陆地上最大的生态系统,在维护生态安全上具有根本性和不可替代性的作用[1]。近年,随着经济的高速增长,我国的森林状况和生态环境问题日益突出,森林生态系统受到各种有害干扰越来越多[2]。这些问题的显现,引起了政府的高度重视,森林生态安全问题也随之成为重点攻关的研究课题[3]。就目前国内外的研究情况而言,有关森林生态安全问题的研究尚处于探索阶段,暂无成熟的理论体系和评价方法[4],且多数学者将研究侧重点放在区域森林生态安全评价方面,针对全国角度的森林生态安全评价的研究尚未见公开报道,而从有害干扰角度对森林生态安全进行评价研究更是处于起步阶段。因此,对全国森林生态安全评价理论方法以及应用等问题开展研究,显得尤为重要。
本文在对森林生态安全和森林健康概念辨析的基础上,从对森林生态系统威胁最大的有害干扰角度出发,探索构建我国森林生态安全评价指标体系,并综合运用主成分分析和模糊数学相关思想,对我国省域森林生态安全状况进行全方位评价。研究结果有利于补充和丰富我国森林生态安全评价的研究理论,为我国森林生态安全的理论和方法体系的形成提供支持,使全面了解、掌握和及时跟踪我国森林生态安全状态成为可能,为我国的林业战略规划和林业管理、生态管理提供科学依据[4]。
1 概念辨析与研究方法 1.1 森林生态安全的概念及内涵截止到2013年8月底,在中国知网高级检索中,冠名以“森林生态安全”为标题进行研究的论文有14篇,其中:2003年1篇,2005年2篇,2008年1篇,2009年3篇,2010年4篇,2011—2013年各1篇;切换成森林生态安全“主题”显示出共有文章39篇;切换成森林生态安全“关键词”显示文章4篇;而文中含有森林生态安全思想的文章则共有367篇。
关于森林生态安全的定义,至今尚未形成完整、统一的认识。一些学者将森林生态安全同森林生态系统健康等同。洪伟,闫淑君等人认为,森林生态系统的健康和完整就是森林生态安全的全部内容[5],邓鉴锋,战国强等人也提到,森林生态安全是指森林生态系统的完整性和健康的整体水平,是区域生态安全的主体和基础,是社会、经济、环境可持续发展不可缺少的前提条件,是人与自然和谐的具体表征[6]。还有学者从某一侧面对森林生态安全进行定义,牛利民,沈文星认为森林资源安全是森林生态安全得到保证的基本条件[6]。但多数学者都是从广义和狭义两个角度对森林生态安全的内涵进行诠释,广义的森林生态安全包括森林生态系统建设、开发、生产、维护和管理等多个方面,即维持由自然生态、经济生态和社会生态组成的复合人工生态安全系统处于不受威胁的状态[7];狭义的森林生态安全是指在与其它相关生态系统协调发展的前提下,森林生态系统的自身安全[8]。相比于森林生态安全定义的模糊不清,森林生态系统健康的定义更为成熟,森林生态系统健康是指森林生态系统在维持其多样性和稳定性的同时,又能持续满足人类对森林的自然、社会和经济需求的一种状态,是实现人与自然和谐相处的必要途径[9, 10]。
综上所述,森林生态安全同森林生态系统健康的概念在本质上是一致的,都是实现森林生态系统可持续发展的重要基础。但是,二者又有较大的区别,森林健康更多是从森林自身角度考虑,重点关注森林生长、繁育以及抵抗外界干扰的能力等;而森林生态安全不仅要关注森林自身健康发展的问题,同时还需要考虑到森林生态系统与其周围环境的关系。具体来说,森林生态安全的概念要大于森林生态系统健康的概念,或者说森林生态安全是森林生态系统健康内涵基础上的外延。因此,森林生态安全是指森林自身能够提供有效的生态、社会和经济等功能,同时在外界干扰条件下能够实现自我调控和自我修复,维护森林生态系统的可持续性、复杂性、恢复性、服务性的状态。以这个森林生态安全概念为基础,对森林生态安全评价指标进行研究和筛选。
1.2 研究方法 1.2.1 指标体系的确定方法关于森林生态系统健康的评价指标无论是传统观点还是新观点,都过于片面,指标构建不够完整、精炼,且不具有较强的实用性,不能全面客观的反应森林生态系统健康的整体水平;而森林生态安全评价的指标体系过于单一,传统的压力-状态-响应模型(P-S-R模型)制约着指标构建角度难以创新,同时难以形成一个科学合理的评价指标体系。
因此,采取将森林生态安全评价同森林生态系统健康评价相结合的指标构建方法,充分考虑到森林健康的内涵,综合森林生态安全和森林生态系统健康两套评价指标体系,全面考虑到森林自身及其生态环境的整体安全,重点考虑到森林有害干扰对森林生态系统的健康有着重要影响这一因素,构建一套相对较为完整、全面、客观、具有较强可操作性的基于有害干扰的森林生态安全评价指标体系。其中,在所构建的指标体系中,人为有害干扰、环境污染干扰等指标是重点区分森林生态安全与森林健康两者差别的关键因子。
1.2.2 指标权重的确定方法森林生态安全评价的过程中,指标权重的确定最为关键。权重是用来表示各指标变量或要素对于上一等级要素的相对重要程度[10]。主成分分析法在权重量化和指标筛选方面显示出了其独特的优势,不仅在权重的量化计算方面尽量的避免了主观性,也在指标筛选方面剔除了线性相关的指标,从而给出较为可信的计算结果。因此,选用主成分分析法确定权重,筛选指标。
1.2.3 数据规范化处理方法所用数据主要来自学术论文、统计年鉴、统计网站等。统计年鉴主要包括:2011年《中国统计年鉴》和《中国林业统计年鉴》等。统计网站主要包括:国家统计局、中国知网、中国社会经济发展统计数据库等。
在进行数据计算与分析前,对所需原始数据进行了描述性统计、相关性分析以及标准化处理等。由描述结果得知,研究所需数据均为有效数据,各项统计指标不存在异常值,因此可以进行后续数据分析和实证研究;相关性分析结果显示,经主成分分析法筛选后的指标之间相关系数较低,即所选主成分指标可以将大部分信息包含在内,增加了后续计算的真实性和可靠性;对原始数据进行无量纲化处理的方法原理为:
式中,yij为第i个指标值第j省的指标转换值;xi为第i个指标的该省数值;x
在对森林生态安全与森林生态系统健康概念进行对比分析的基础上,最终在森林生态安全评价指标体系的构建上提出了一个新的思路,即从有害干扰角度深入,选取5项有害干扰因子作为该指标体系中的二级指标,经主成分分析筛选后,最终确定16个具体三级指标,构成基于有害干扰的总体评价指标体系。该指标体系中各项指标均为表现类指标,且指标方向均为负向,即从森林生态系统受害现状反映我国各省森林生态系统所受有害干扰的胁迫强度,森林所受有害干扰胁迫度越高,森林生态系统安全水平越低,具体指标体系及权重计算结果如(表 1)所示。
一级指标 First-level Index A | 二级指标 Second-level Index B | 三级指标 Third-level Index C | 单位 Unit | 指标权重 Index Weight |
有害干扰 | 森林火灾干扰B1 | 森林火灾受灾率C1 | % | 0.1159 |
Detrimental | 森林火灾发生次数C2 | 次 | 0.1039 | |
Interferences A1 | 森林火灾损失林木成林蓄积C3 | m3 | 0.0732 | |
森林火灾损失林木幼林株数C4 | 万株 | 0.0548 | ||
有害生物干扰B2 | 森林病害受灾率C5 | % | 0.1455 | |
森林虫害受灾率C6 | % | 0.1725 | ||
森林鼠害受灾率C7 | % | 0.0480 | ||
森林病虫鼠害发生率C8 | % | 0.1734 | ||
人为有害干扰B3 | 人口密度C9 | 人/hm2 | 0.0983 | |
人类干扰指数C10 | % | 0.1087 | ||
环境污染干扰B4 | 可吸入颗粒物年日均值C11 | mg/m3 | 0.1197 | |
二氧化硫年日均值C12 | mg/m3 | 0.0926 | ||
废水排放总量C13 | 万t | 0.1266 | ||
气象灾害干扰B5 | 旱灾受灾率C14 | % | 0.1479 | |
风雹灾害受灾率C15 | % | 0.0993 | ||
低温冷冻和雪灾受灾率C16 | % | 0.0227 |
森林有害干扰对森林生态系统的安全有着重要的影响,肖风劲等通过空间相关性分析得出,森林生态系统安全指数与森林净第一生产力相关系数为0.64,与森林物种多样性指数的相关系数为0.76,与森林生态系统恢复力的相关系数为0.81[11],也就是说,我国森林生态系统安全受病虫害、酸雨、森林火灾等胁迫因子的影响最大,胁迫因子发生频度和强度大的地方,森林生态系统安全指数就小[11]。广义上讲,森林干扰是普遍、内在和不可避免的,干扰影响到森林的各个水平。多数自然干扰和人为干扰导致森林正常结构的破坏,森林生态系统平衡的失调和生态功能的退化,这些干扰就是有害干扰[11]。综合考虑各有害指标对森林干扰影响强度的大小等因素,在指标体系中将森林所受的有害干扰分为森林火灾干扰、有害生物干扰、人为有害干扰、环境污染干扰、气象灾害干扰五大类,笔者初步认为,森林火灾干扰和有害生物干扰是对森林生态系统安全威胁最大的两个方面。
2.2.1 森林火灾干扰指标火灾对森林的破坏性极大,危害极深,造成的经济损失也相当严重。随着森林火灾日益受到国内外的关注,在对森林生态系统进行安全评价时,森林火灾干扰也逐渐作为森林生态系统安全的重要评价因子之一[11]。选取了反映森林火灾的4个重要因子,相关数据可以通过统计年鉴或林业统计年鉴获得。
(1)森林火灾受灾率 指森林火灾受灾面积与森林面积的比,反映受火灾干扰的森林面积损失程度,是鉴定森林火灾干扰对森林生态系统威胁程度的首要指标。该指标数值越大,森林生态系统安全度越低:
森林火灾受灾率=森林火灾受灾面积/森林面积×100%
(2)森林火灾发生次数 是指发生在城市市区外的一切森林、林木和林地的火灾次数。按照受害森林面积和伤亡人数,森林火灾分为一般森林火灾、较大森林火灾、重大森林火灾和特别重大森林火灾。森林火灾发生次数越多,表明森林生态系统安全程度越差。
(3)森林火灾损失林木成林蓄积 是指森林火灾受害森林中成林蓄积量,表示森林火灾对已成林树种的影响程度,该指标数值越大,森林生态系统越不安全。
(4)森林火灾损失林木幼林株数 是指森林火灾受害森林中幼林的数量,表示森林火灾对幼林树种的影响程度,幼林损失比成林损失对森林生态系统的影响程度更大,幼林损失株数越多,森林生态系统安全度越差。
2.2.2 有害生物干扰指标林业有害生物危害程度与森林生态安全紧密相关,在对森林生态系统的安全评价中,越来越多的学者将林业有害生物中的森林病虫鼠害受害程度作为评价的重要指标[11]。因此,选取了反映有害生物干扰的4个重要因子,计算这些指标所需数据可以通过统计年鉴或林业统计年鉴获得。
(1)森林病害是指林木机体遭受真菌、细菌、病毒、寄生性种子植物和线虫等的危害,而使林木在生理机能、细胞和组织结构以及外部形态等方面发生的病理性变化[12]。森林病害受灾率:用森林病害受灾面积与森林面积的比重来表示,该指数能清楚的反映森林受病害影响的程度,森林病害受灾率越大,森林生态系统安全度越低:
森林病害受灾率=森林病害受灾面积/森林面积×100%
(2)森林虫害是指林木机体遭受松毛虫、金花虫、竹蝗、金龟子、蝼蛄等各种昆虫的危害,而造成一定面积森林的生长衰弱或死亡[12]。森林虫害受灾率:是指森林虫害受灾面积与森林面积比,该指数是反映森林受虫害影响程度的重要指标,森林虫害受灾率越大,森林生态系统受有害生物干扰越严重,森林生态系统越危险:
森林虫害受灾率=森林虫害受灾面积/森林面积×100%
(3)森林鼠害是指森林、林木、林木种苗遭受各种鼠类的危害,而造成一定程度的损失或死亡。森林鼠害受灾率:用森林鼠害受灾面积与森林面积的比值来表示,该指数清楚的反映了森林受鼠害破坏的程度,森林鼠害受灾率越大,森林生态系统受有害生物干扰越严重,森林生态系统越不安全:
森林鼠害受灾率=森林鼠害受灾面积/森林面积×100%
(4)森林病虫鼠害是指对森林、林木、林木种苗及木材、竹材形成的病害、虫害和鼠害[12]。森林病虫鼠害发生率,是反映森林受病、虫、鼠危害的综合性指标,森林病虫鼠害发生率越高,森林生态系统安全度越差。
2.2.3 人为有害干扰指标人为有害干扰从作用力和范围来说,甚至超过自然干扰,因为它可以彻底改变原来的森林生态系统状态,影响森林生态系统安全[11]。选取了反映人为有害干扰的两个重要因子,计算所需数据可以通过统计年鉴或林业统计年鉴获得。
(1)人口密度 是指单位面积土地上居住的人口数。它是表示人口的密集程度的指标,单位面积人口密度越大,资源生态环境的压力越大[12]。通常以每平方千米或每公顷内的常住人口为计算单位。人口密度与森林生态安全状况成反比,人口密度越高,森林资源生态环境的压力越大,森林生态系统安全度越低。
人口密度=年末人口总数/行政区域总面积
(2)人类干扰指数 指人类活动时耕地和建设用地对林业用地的侵占和影响程度[13]。该指标反映的是人类为了生存对生态环境系统进行改造而造成的影响。该指标数值越高,表示人类对森林生态系统的干扰越强,森林生态安全水平越低。
人类干扰指数=(耕地面积+建设用地面积)/城市行政区域面积
2.2.4 环境污染干扰指标在对森林生态系统的安全评价中,环境污染引起的森林生态系统变化被作为森林生态系统安全评价的重要指标之一。环境污染对森林的影响是多方面的,这些作用大致分为直接作用和间接作用:直接作用是指环境污染物直接作用于林冠而对林木带来生理上的影响;间接作用是指污染物通过对土壤环境的改变而对森林生长带来的影响[11]。选取反映环境污染干扰的3个重要因子,这些数据可以通过统计年鉴或林业统计年鉴直接获得。
(1)可吸入颗粒物年日均值可吸入颗粒物来源广泛,包括燃煤、机动车、施工扬尘、土壤尘等,其本身及携带的污染物可能对人体健康造成危害。该指标数值越大,森林生态系统的环境压力越大[14]。
(2)二氧化硫年日均值 作为酸雨的替代指标,该指标的数值越大,说明对环境的压力越大,森林生态安全的状态则可能相应越差[14]。
(3)废水排放总量 该数值越高,排出废水对森林生态系统造成的压力就越大,森林生态系统的安全级别就越低[14]。
2.2.5 气象灾害干扰指标气象灾害是与人类社会相存相伴的自然现象,将其作为对森林生态系统产生有害干扰的一个方面,构建了旱灾受灾率、风雹灾害受灾率、低温冷冻和雪灾受灾率3项干扰指标,旨在能较为全面地反映森林生态系统受到的各种有害干扰。
(1)旱灾受灾率 是指旱灾受灾面积占行政区域总面积的比重,该指标是反映旱灾发生情况的重要指标,是衡量旱灾对森林干扰强度的主要指标,该指标数值越大,森林生态安全的程度越低:
旱灾受灾面积/行政区域面积×100%
(2)风雹灾害受灾率 是指风雹灾害受灾面积占行政区域总面积的比重,该指标是反映风雹灾害发生情况的重要指标,是衡量风雹灾害对森林干扰强度的主要指标,该指标数值越大,森林生态安全的程度越低:
风雹灾害受灾面积/行政区域面积×100%
(3)低温冷冻和雪灾受灾率 是指低温冷冻和雪灾受灾面积占行政区域总面积的比重,该指标是反映低温冷冻和雪灾发生情况的重要指标,是衡量低温冷冻和雪灾对森林干扰强度的主要指标,该指标数值越大,森林生态安全的程度越低:
低温冷冻和雪灾受灾面积/行政区域面积×100%
3 基于有害干扰的中国省域森林生态安全评价实证分析 3.1 主要影响因子分析通过EXCEL软件SUM公式,计算求得各项二级指标的权重值(表 2)。由表 2可知,有害生物干扰指标所占权重最大,达到0.5以上;森林火灾干扰指标权重位居其次;环境污染干扰、气象灾害干扰指标权重分别排在第三、第四位,人为有害干扰指标权重最低。说明对森林生态安全威胁最大的干扰因素为有害生物和森林火灾,而环境污染对森林生态安全的威胁也相对较为严重,基本同森林火灾的威胁程度持平。人类的有害干扰对森林生态系统的安全程度影响相对较小,这与我国经济社会的不断发展,人们环保意识的不断增强密切相关。
指标 Index | 森林火灾干扰 Forest fire interference | 有害生物干扰 Detrimental biological interference | 人为有害干扰 Man-made detrimental interference | 环境污染干扰 Environmental pollution interference | 气象灾害干扰 Meteorological disaster interference |
权重Weight | 0.34781 | 0.53935 | 0.20699 | 0.33887 | 0.26991 |
根据主成分分析法确定相关指标权重后,对各干扰层的指标权重进行排序,得到(表 3)排序结果。根据排序结果,可以得到各层的主要影响因子:火灾干扰层,C1森林火灾受灾率为主要干扰因子;有害生物干扰层,C8森林病虫鼠害发生率是主要干扰因子;人为有害干扰层的主要干扰因子为C14人均国内生产总值;C19废水排放总量是环境污染干扰层的主要影响因子;C20旱灾受灾率是气象灾害干扰层的主要干扰因素。综合整体排序结果,C8森林病虫鼠害发生率是对森林生态系统安全威胁最大的影响因素。
指标权重在各层内的排名 Index weight rank in each layer | 指标名称 Index | 指标方向 Direct | 单项指标权重值 Single index weight value | 指标权重 总排序结果 Overall results of index weight sequence |
火灾干扰层排序结果Forest fire layer results | ||||
1 | C1森林火灾受灾率 | (-) | 0.1159 | 7 |
2 | C2森林火灾次数 | (-) | 0.1039 | 9 |
3 | C3森林火灾损失林木成林蓄积 | (-) | 0.0732 | 13 |
4 | C4森林火灾损失林木幼林株数 | (-) | 0.0548 | 14 |
有害生物干扰层排序结果Detrimental biological interference layer results | ||||
1 | C8森林病虫鼠害发生率 | (-) | 0.1734 | 1 |
2 | C6森林虫害受灾率 | (-) | 0.1725 | 2 |
3 | C5森林病害受灾率 | (-) | 0.1455 | 4 |
4 | C7森林鼠害受灾率 | (-) | 0.0480 | 15 |
人为有害干扰层排序结果Man-made detrimental interference results | ||||
1 | C10人类干扰指数 | (-) | 0.1087 | 8 |
2 | C9人口密度 | (-) | 0.0983 | 11 |
环境污染干扰层排序结果Environmental pollution interference layer results | ||||
1 | C13废水排放总量 | (-) | 0.1266 | 5 |
2 | C11可吸入颗粒物年日均值 | (-) | 0.1197 | 6 |
3 | C12二氧化硫年日均值 | (-) | 0.0926 | 12 |
气象灾害干扰层排序结果Meteorological disaster interference layer results | ||||
1 | C14旱灾受灾率 | (-) | 0.1479 | 3 |
2 | C15风雹灾害受灾率 | (-) | 0.0993 | 10 |
3 | C16低温冷冻和雪灾受灾率 | (-) | 0.0227 | 16 |
借助模糊数学、层次分析和模糊综合评价的有关原理[14],计算全国31个省市、自治区和直辖市的综合干扰指数,并对各地区综合干扰得分情况进行实证分析。
3.2.1 综合干扰指数计算原理结合指标权重和无量纲标准化的指标值计算森林生态安全综合评价指数:
式中,式中的 Uj 表示第j省森林生态安全综合评价指数;yij 表示无量纲化的指标值;wi表示对应指标的权重。
3.2.2 综合干扰指数计算结果应用Matlab软件计算该评价体系的总体矩阵和各单项矩阵,计算结果如下(表 4)。
省市 Provinces and municipalities | 综合干扰指数 Comprehensive interference index | 森林火灾干扰指数 Forest fire interference index | 有害生物干扰指数 Detrimental biological interference index | 人为有害干扰指数 Man-made detrimental interference index | 环境污染干扰指数 Environmental pollution interference index | 气象灾害干扰指数 Meteorological disaster interference index |
表中数据为标准化数据计算结果 | ||||||
北京 | -0.040 | -0.192 | -0.117 | 0.342 | 0.009 | -0.080 |
天津 | 1.656 | -0.157 | 1.746 | 0.364 | -0.079 | -0.217 |
河北 | 0.541 | -0.102 | 0.264 | -0.041 | 0.167 | 0.253 |
山西 | 0.664 | 0.632 | -0.108 | -0.076 | 0.037 | 0.179 |
内蒙古 | -0.550 | -0.150 | -0.235 | 0.052 | -0.079 | -0.138 |
辽宁 | 0.285 | -0.155 | 0.434 | 0.045 | 0.157 | -0.195 |
吉林 | -0.690 | -0.158 | -0.306 | -0.045 | -0.143 | -0.039 |
黑龙江 | -0.549 | -0.173 | -0.349 | -0.088 | 0.011 | 0.050 |
上海 | 0.180 | -0.195 | 0.018 | 0.731 | -0.120 | -0.254 |
江苏 | 0.625 | -0.149 | -0.083 | 0.179 | 0.279 | 0.399 |
浙江 | -0.086 | 0.246 | -0.398 | 0.129 | 0.160 | -0.222 |
安徽 | 0.264 | -0.040 | 0.158 | -0.079 | 0.046 | 0.179 |
福建 | 0.205 | 0.973 | -0.350 | 0.027 | -0.218 | -0.227 |
江西 | -0.371 | -0.034 | -0.247 | -0.101 | 0.072 | -0.062 |
山东 | 1.558 | -0.044 | 0.891 | 0.070 | 0.303 | 0.337 |
河南 | 1.159 | 0.206 | 0.482 | -0.044 | 0.257 | 0.258 |
湖北 | 0.321 | 0.098 | -0.146 | -0.049 | 0.107 | 0.311 |
湖南 | 0.264 | 0.463 | -0.266 | -0.075 | 0.008 | 0.135 |
广东 | -0.122 | 0.054 | -0.277 | 0.084 | 0.227 | -0.210 |
广西 | -0.671 | 0.051 | -0.320 | -0.117 | -0.170 | -0.115 |
海南 | -1.464 | -0.149 | -0.452 | -0.088 | -0.589 | -0.185 |
重庆 | -0.057 | -0.061 | 0.013 | -0.043 | -0.056 | 0.091 |
四川 | -0.416 | 0.011 | -0.221 | -0.116 | 0.048 | -0.139 |
贵州 | 0.101 | 0.112 | -0.210 | -0.168 | -0.110 | 0.477 |
云南 | -0.788 | -0.072 | -0.365 | -0.163 | -0.205 | 0.017 |
西藏 | -1.583 | -0.193 | -0.349 | -0.174 | -0.611 | -0.256 |
陕西 | -0.378 | -0.115 | -0.239 | -0.068 | 0.096 | -0.052 |
甘肃 | -0.284 | -0.187 | -0.093 | -0.167 | 0.196 | -0.032 |
青海 | -0.641 | -0.182 | -0.074 | -0.118 | -0.043 | -0.225 |
宁夏 | 0.753 | -0.187 | 0.941 | -0.085 | -0.114 | 0.198 |
新疆 | 0.123 | -0.152 | 0.261 | -0.113 | 0.361 | -0.235 |
标准化综合干扰指数计算结果(图 1)所示,根据正态分布相关原理,假定全国森林生态安全平均干扰水平为0,正值表示有害干扰高于全国平均水平,且绝对值越大,受有害干扰越严重,森林生态安全水平越低;负值表示有害干扰低于全国平均水平,且绝对值越大,有害干扰程度越低,森林生态系统安全程度越高(后续各单项干扰指数评价原理与此相同)。由图 1可知,天津、山东、河南三省的森林生态安全水平较全国其它省份相比较低,且三省的综合干扰指数均大于1,森林生态系统所受威胁较为严重。西藏的森林生态系统受有害干扰程度最低,海南次之,且二省的综合干扰指数均小于-1,森林生态安全水平较高。除此之外,其余各省的综合干扰指数均处于(-1,1)之间,没有异常变动,森林生态安全在中等水平上下浮动。
3.3 各单项干扰因子分析旨在得出对各省森林生态安全影响较大的主要干扰因子,以及为综合干扰指数的评价结果做进一步的解释。
3.3.1 火灾干扰因子分析由图 2可知,福建省火灾干扰指数最高,逼近1;山西次之;湖南位居第三。以上三省2011年森林火灾受灾率分别为8.48%、15.36%和3.8%,是导致3省森林火灾干扰指数位居全国前三位的主要原因。由此可见,福建、山西、湖南三省森林生态安全的主要威胁因素为森林火灾干扰。除此之外,浙江、河南、贵州三省的森林火灾干扰指数也相对较高,超过0.1。其余各省份的森林火灾干扰指数均在0.1以下且相对较为集中,处于全国中等水平。原本森林火灾多发的东北地区,2011年的森林火灾干扰指数却相对较低,且黑、吉、辽三省的森林火灾干扰指数均为负值,可见,东北地区近年来森林防火工作取得了较为显著的成效。
3.3.2 有害生物干扰因子分析观察图 3统计结果,天津、宁夏、山东三省的有害生物干扰指数在全国处于较高水平,其中天津异军突起,有害生物干扰指数高达1.746,分析具体三级评价指标发现,天津市2011年森林病害受灾率为6.41%,森林虫害受灾率为41.94%,森林病虫鼠害发生率为22.37%,各单项指标均排名全国第一,由此可见,天津市2011年森林生态系统受有害生物干扰较为严重,这也是导致其综合干扰指数在全国排名最高的首要原因。除以上三省有害生物干扰指数较高外,其余大部分省份的有害生物干扰指数均处于-0.5到+0.5之间,且分布较为集中,受有害生物干扰程度相似性较高。海南省的有害生物干扰指数最低,受有害生物干扰最小,这与海南地处热带、亚热带,气候湿润,降雨量较高,森林物种丰富多样有较大关系。
3.3.3 人为有害干扰因子分析观察图 4可知,上海、天津、北京三大直辖市的人为有害干扰指数位居全国前三位;江苏、浙江、山东、广东等沿海城市的人为有害干扰指数也相对较高,对森林生态系统人为干扰、迫害程度较大。相比东部沿海城市,西部内陆地区诸如西藏、贵州、甘肃等地的人为有害干扰指数较低,森林生态系统受人为有害干扰较小,森林生态系统自然状态较好,可恢复性较高,森林生态系统安全程度较高。
3.3.4 环境污染干扰因子分析对比图 4和图 5,发现环境污染干扰指数分布情况同人为有害干扰指数分布情况大体类似,总体上均呈现出东部沿海地区干扰指数较高,西部内陆地区相对较低的特点。
3.3.5 气象灾害干扰因子分析由图 6可以看到,贵州、江苏两省的气象灾害受灾指数最大,具体分析三级指标可以发现,2011年两省旱灾、风雹、低温冷冻和雪灾的受灾率均较高,发生气象灾害的频率也较高,森林生态系统受气象灾害干扰强度较大。其次,山东、湖北、河北、河南等地的干扰指数也较高,均在0.2以上。相比之下,上海、广东、西藏等地的气象灾害干扰指数相对较低,近年来,该地区发生气象灾害的次数较少,森林生态系统受气象灾害威胁较小。
3.4 聚类分析通过SPSS13.0软件对2011年我国31个省级行政区域(含直辖市)的综合干扰指数进行聚类。在距离运算中,为使分类后组内距离最小、同组地区具有最大的相似性,采用组内距离最小法(Within-groups linkage);从组内与组间方差的角度考虑,采用离差平方和法(Ward′s method)。数据标准化中,由于所选变量中存在个别样本的突出值,而且信息重要,需要保留,因此极值化一类的方法不可取;经数据考察所选变量数据并不全为正态分布,因此标准化方法也不可取;而均值化方法可以保留各个变量的变异程度,使区域聚类效果更为理想,因此最终选择均值化法。
聚类结果(图 7)。为更好地比较全国31个省级行政区域的综合干扰指数情况,将聚类结果分为六类进行讨论(表 5)。
分类Category | 省市Provinces and municipalities | 均值Mean value | 安全级别Security level |
第1类The first category | 天津、山东 | 1.6071 | 极不安全 |
第2类The second category | 河南 | 1.1586 | 不安全 |
第3类The third category | 河北、山西、辽宁、上海、江苏、安徽、福建、湖北、湖南、贵州、宁夏、新疆 | 0.3603 | 较不安全 |
第4类The fourth category | 北京、浙江、江西、广东、重庆、四川、陕西、甘肃 | -0.2192 | 较安全 |
第5类The fifth category | 内蒙古、吉林、黑龙江、广西、云南、青海 | -0.6482 | 安全 |
第6类The sixth category | 海南、西藏 | -1.5235 | 极安全 |
聚类结果表明:天津、山东两省均在第一或第二步被单独归为一类,经计算,该类综合干扰指数的平均值为1.6071,在6类中最高,说明天津和山东两省的森林生态安全水平最低,是我国森林生态系统极不安全省份的代表。
河南在本次聚类分析中被单独归为一类,其综合干扰指数为1.1586,仅次于第1类。因此河南省森林生态系统安全程度在全国范围内排名也相对靠后,属于不安全水平。
河北、山西、辽宁、上海、江苏、安徽、福建、湖北、湖南、贵州、宁夏、新疆12省属于第3类,该类综合干扰指数平均值为0.3603,处于较不安全级别。
北京、浙江、江西、广东、重庆、四川、陕西、甘肃8省属于第4类,该类综合干扰指数均值为-0.2192,低于全国平均水平,森林生态系统受干扰程度相对较小,较为安全。
第5类主要包括内蒙古、吉林、黑龙江、广西、云南、青海6省,其均值为-0.6482,森林生态系统安全程度处于第4类与第6类之间,安全级别较高。
海南、西藏两省被归为第六类,两省综合干扰指数均值为-1.5235,全国排名最低,森林生态系统在全国范围内安全级别最高。
4 结论与讨论 4.1 研究结论本研究综合运用林学、生态学、生物学、经济学相关理论,结合森林健康和森林生态系统相关研究成果,基于有害干扰角度构建一套综合评价我国各省级行政区域森林生态系统安全程度的指标体系,应用主成分分析方法进行指标筛选和客观赋权,对我国森林生态安全主要影响因子分析结果如下。
(1)影响我国森林生态安全的主要干扰因子为有害生物与森林火灾,其次为环境污染与气象灾害因子,人为破坏对森林生态安全的影响相对较低,这与我国经济社会的不断发展,人们环保意识的不断增强密切相关。
(2)从全国角度看,我国森林生态安全整体水平喜忧参半。在研究所涉及的31个省份中,16个省级行政区域的森林生态安全水平较高,森林生态系统受有害干扰较小,整体水平较为乐观。但仍然有接近一半的省份森林生态系统处于不安全状态。其中,河北、山西、辽宁、上海、江苏、安徽、福建、湖北、湖南、贵州、宁夏、新疆12省处于基本不安全状态;河南属于中等不安全状态;天津、山东两省处于极不安全状态。
(3)在森林生态系统不安全省份中,天津、山东、河南三省森林生态安全水平较低主要由于三省森林生态系统受有害生物干扰较为严重,尤其是受森林病害、虫害的干扰极为严重;而天津,除受有害生物影响较大外,受人为有害干扰程度也较高,导致天津森林生态安全水平位于全国最低;福建、山西、湖南、河北、贵州等省份的森林生态系统受火灾威胁较大,导致其森林生态安全水平不高;河北、辽宁、上海、江苏、安徽、湖北、宁夏、新疆等地的森林生态系统不安全受制于多种影响因素,在各单项统计指标中没有较为突出的影响因素,但是五类干扰因子得分均较高,说明以上各地区森林生态安全水平较低是多种因素综合干扰所致。
(4)作为全国经济、政治、文化中心的首都北京,其各项干扰指数,除人为有害干扰和环境污染干扰高于全国平均水平外,其它各单项指标均比全国平均水平低。因此,总体来看,北京的森林生态系统安全状况较好,这与北京近年来对森林生态系统的保护重视程度有较大关系。
4.2 政策启示(1)从全国整体来看,我国森林生态系统安全水平较高,但是不排除局部地区森林生态系统受有害威胁较为严重的情况。根据因地制宜、对症下药的原则,不同地区要结合自身所受的主要干扰因素采取相应的解决对策。
(2)天津、山东、河南三省受有害生物干扰较为严重,因此,以上三省应注重对有害生物的防治,尤其要注重对森林病害和虫害的防治工作。定期、定点监察森林病虫害情况,严格监管,积极防御,对未受病虫损害的森林加强保护;同时,对已发生病虫鼠害的森林,要查明受害原因,并对症下药,最大限度的减少可能发生的损失。
(3)福建、山西、湖南、河北、贵州等省份的森林生态系统受火灾威胁较大,因此,加强森林防火是以上各省应做的首要工作。森林防火,最主要工作就是要做好监测和预警,通过卫星定位等高科技手段对森林生态系统进行严格监管,同时要做好森林防火宣传工作,避免人为原因森林火灾的发生。在森林火灾多发季节,尤其要做好森林管护,避免自然原因所致的森林火灾的发生。
综上所述,各省要结合自身实际情况,针对自身主要干扰因素采取相应措施。除此之外,还应同时做好其他有害干扰因素的防治工作,避免其日后发展成为主要影响因子,尤其受多种有害因子干扰的省份更需如此。相信,只要积极应对,因地制宜,通力合作,我国整体的森林生态安全水平将会取得显著提高。
[1] | Shan Y H. Study on Ecological Security in Regional Urbanization[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2002. |
[2] | Fang Y, Wang S J. Establishment of ecological security assessment system: a case study of forest ecosystems in Shandong Province. Journal of Northeast Forestry University: Natural Science Edition, 2007, 35(11): 77-82. |
[3] | Jiang X F. Challenge of entering WTO to China's ecological security and strategic countermeasures. Ecology and Natural Conservation, 2000, (10): 23-25. |
[4] | Huang L L, Mi F, Sun F J. Preliminary study on the evaluation of forest ecosystem ecological security. Forestry Economics, 2009, (12): 64-68. |
[5] | Hong W, Yan S J, Wu C Z. Ecological security and ecological effect of forest ecosystem in Fujian Province. Journal of Fujian Agriculture and Forestry University: Natural Science Edition, 2003, 32(1): 79-83. |
[6] | Deng J F, Zhan G Q, Jiang J. Study on building stable forest eco-system of Pearl River Delta Zone. Guangdong Forestry Science and Technology, 2010, 26(5): 83-87. |
[7] | Allen E. Forest health assessment in Canada. Ecosystem Health, 2001, 7(1): 28-34. |
[8] | Gao C B. Quantitative Evaluation of Ecological Security Status and Trends A Case Study on Guangzhou Provincep[D]. Guangzhou: Zhong Shan University, 2006. |
[9] | Li X Y. Pilot Study and Application on the Indicators for Forest Health Assessment[D]. Beijing: Research Institute of Forest Ecological Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, 2006. |
[10] | Yuan F, Zhang X Y, Liang J. Assessment indicators system of forest ecosystem health based on the harmful disturbance. Acta Ecologica Sinica, 2012, 32(3): 964-973. |
[11] | http://www.baike.com[EB/OL]. 2009-08-07/2013-09-21. |
[12] | Xiao F J, Ouyang H, Zhang Q, Bojie F, Zhang Z C. Firest ecosystem health assessment and analysis in China. Journal of Geographical Sciences (English Edition), 2004, 14(1): 18-24. |
[13] | Mi F, Huang L L, Sun F J. Evaluation of ecological security for the Jiufeng National Forest Park in Beijing. Scientia Silvae Science, 2010, 46(11): 70-76. |
[14] | Mi F, Pan W J, Zhu N, Li H J. Application of fuzzy comprehensive evaluation in frest ecological security warning. Journal of Northeast Forestry University: Natural Science Edition, 2013, 41(6): 66-71, 75-75. |
[1] | 单宜虎. 区域城镇化进程中的生态安全研究 [D]. 南京: 南京农业大学, 2002. |
[2] | 房用, 王淑军. 生态安全评价指标体系的建立——以山东省森林生态系统为例. 东北林业大学学报: 自然科学版, 2007, 35(11): 77-82. |
[3] | 蒋信福. 入世对我国生态安全的挑战与战略对策. 环境保护, 2000, (10): 23-25. |
[4] | 黄莉莉, 米锋, 孙丰军. 森林生态安全评价初探. 林业经济, 2009, (12): 64-68. |
[5] | 洪伟, 闫淑君, 吴承祯. 福建森林生态系统安全和生态响应. 福建农林大学学报: 自然科学版, 2003, 32(1): 79-83. |
[6] | 邓鉴锋, 战国强, 姜杰. 构建珠江三角洲地区稳定森林生态安全体系的探讨. 广东林业科技, 2010, 26(5): 83-87. |
[8] | 高长波. 区域生态安全状态及发展趋势研究——以广东省为例[D]. 广州: 中山大学, 2006. |
[9] | 李秀英. 森林健康评价指标体系初步研究与应用[D]. 北京: 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 2006. |
[10] | 袁菲, 张星耀, 梁军. 基于有害干扰的森林生态系统健康评价指标体系的构建. 生态学报, 2012, 32(3): 964-973. |
[11] | http://www.baike.com [EB/OL]. (2009-08-07) [2013-09-21]. |
[12] | 肖风劲, 欧阳华, 张强, Bojie F, Zhang Z C. 森林生态系统健康评价指标在中国的应用. 地理学报(英文版), 2004, 14(1): 18-24. |
[13] | 米锋, 黄莉莉, 孙丰军. 北京鹫峰国家森林公园生态安全评价. 林业科学, 2010, 46(11): 70-76. |