林业生态建设工程涵盖了多门学科相关知识, 从当前自然资源环境和社会经济发展现状出发, 将生态、环境和经济可持续发展三者有效的结合起来, 形成复合型生态系统, 具有重要的经济、生态和社会复合效益^[1]。虽然我国对于林业生态工程的研究相对较晚, 但也取得了一定进展, 形成了我国的研究特色, 主要体现在：针对林业生态工程发展现状及存在问题的分析研究^[2]；针对林业生态工程建设中技术问题的研究, 如胡莽等提出的“适地适树”原则；有关生态效益补偿方面的研究等^[3-5]。而在林业生态工程综合效益评估方面的研究近年来较为集中, 通过层次分析法、专家评价、软件系统综合集成法以及GIS空间模拟法构建评价指标体系, 对林业生态工程进行综合效益评价成为目前相关研究的重点^[6-10]。

为了缓解内蒙古磴口县所处荒漠化地区日益严重的生态环境问题, 我国于20世纪70年代开展了林业生态工程建设, 先后进行了“三北”防护林、天然林保护工程、退耕还林工程、京津风沙源治理等多项重点林业生态工程建设^[11]。尤其是2000年启动天然林资源保护工程后, 京津及周边地区的生态环境得到了明显改善。近年来, 在全球气候不断变化的进程中, 生态系统健康这一与气候变化息息相关的领域也备受关注, 国内外研究人员对生态环境变化监测提出了很多研究思路及方法^[12-17], 我国研究人员更是对林业生态建设区的生态环境变化、荒漠化演变、沙尘暴治理成效等进行了多方面研究^[18-22], 主要集中在大尺度的综合效益以及部分小尺度的生态效益、经济效益等方面研究^[23-28]。然而, 针对特定地区长时间序列的综合效益评价往往由于数据的缺失而无法准确完成。

磴口县位于乌兰布和沙漠东北部, 是典型的生态脆弱区, 也是我国土地荒漠化最严重的地区之一^[26], 一直以来都是林业生态建设工程的重点地区。本文对磴口县林业生态工程实施前后的综合效益进行评价和分析, 揭示近20年来该区各项指标的发展变化, 加深对磴口县林业生态建设工程综合效益的掌握, 为地区生态环境改善及治理等进一步工作的实施提供科学依据。

本文通过分析目前已经建立的林业生态建设工程综合效益评价体系, 遵照评价指标体系的构建原则, 构建适合于磴口县的林业生态建设工程综合效益评价体系；同时, 利用时间序列分析方法补齐2000—2012年间缺失的各项评价指标, 并完成2013—2015年间各项指标的预测；最后, 将1991—2015年的各项指标数据代入体系, 完成磴口县的林业生态建设工程综合效益评价。

1 研究区概况

内蒙古巴彦淖尔市磴口县地处中国西北, 地处106°9′—107°10′E, 40°9′—40°57′N, 西邻乌兰布和沙漠, 总面积4166.6km²。按照《全国生态功能区划(2015修编版)》, 磴口县属于阴山北部防风固沙重要区。本区长期以来农牧交错经济结构带来的草地资源不合理开发利用, 导致草原生态系统严重退化, 表现为退化草地面积大、土地沙化严重、耕地土壤贫瘠化、干旱缺水, 对华北地区生态安全构成威胁。在磴口县域范围内, 河套平原与乌兰布和沙漠的同时存在使该地区形成了典型的荒漠绿洲交错区, 地形除山区外, 整体呈现从东南方向逐渐向西北方向倾斜的趋势, 境内海拔最高为2046m。地区内沙区地势略微平坦, 形成的径流较少。年总径流总量310亿m³。磴口县境内树木种类包括乔木22种, 灌木29种, 地区生态区位极为关键^[29-30], 是整个林业生态建设工程中的重点区域。磴口县位于温带大陆性季风气候区, 年平均气温7.6℃, 年平均降雨量仅为144.5mm, 且蒸发量极大, 年平均蒸发量可达2397.6mm。

《磴口县2015年统计提要》(磴口县统计局)数据显示, 到2015年, 磴口县内人口11.63万人, 其中农牧区人口7.73万人。社会生产总值达50.87亿元, 比上年增长7.9%。农业总产值14.34亿元, 占比28.23%。林地面积10.712万hm²。

2 数据与方法 2.1 数据来源

本文所用数据主要来源于《磴口县统计年鉴》(1991—2011) 及《磴口县2015年统计提要》。1991—2011年各项指标对应数据完整, 2014年、2015年两年获取到国内生产总值、林业总产值、农民人均纯收入及农民恩格尔系数4项指标数据。2012—2015年间的缺失数据利用时间序列分析进行补齐及预测。指标体系中涉及到的涵养水源价值、吸收二氧化硫年增加价值和消减粉尘年增加价值3项指标依据表 1中计算方式获取。

2.2 综合评价指标体系构建

依据林业生态建设工程以治理风沙危害、改善生态环境、提高区域经济的目标, 考虑各项评价体系构建的全面性、简易性、科学性、代表性、客观性、可行性及可比性原则, 综合可获取数据, 将整个综合评价体系分为经济效益、生态效益及社会效益三大方面。

同时, 深入分析磴口县林业生态建设工程实施以来的效益、投入产出和环境响应, 通过以下3个步骤完成与整个工程相关影响因素指标集的选择：(1) 利用文献资料查询完成指标初选。依据林业生态工程综合效益评价指标体系、中国生态林业工程综合效益评价指标体系研究相关文献, 确定包括国内生产总值(GDP)、造林面积、林木产品产出等36个指标在内的具体指标；(2) 采用专家意见法完成各项指标精选及基本体系构建。对经济、林业、生态及社会等方面专家进行咨询, 在原有的36个初选目标中, 确定指标分层并进行指标再筛选, 共得到20个指标；(3) 结合当地实际及数据获取情况, 最终筛选出11个指标构建综合效益评价指标体系。详细评价指标体系见表 1。

2.3 评价指标的时间序列分析

由于研究能够获取的主要数据集中在“三北”防护林工程实施期间及林业生态建设各项工程前期实施阶段及近期内的部分数据。为了更好地分析各项指标随时间及工程进度的变化情况, 采用时间序列分析方法, 首先对2012—2015年间缺失的指标分析预测, 然后对1991—2015年, 共计25a的数据进行趋势分析。整个数据的时间序列分析通过Matlab 2015a编程实现。

将2002—2011年各项指标数据作为基础数据, 首先绘制各项指标随时间变化的时序图, 依据时序图分析指标变化趋势。对于存在上升(下降、季节性等)趋势的指标项, 利用数据差值消除趋势, 对于无趋势的指标项则省略此步骤。此后, 采用时间序列分析中经典的移动自回归ARME(p, d, q)模型为基本分析模型, 主要依据残差序列的自相关及偏自相关系数的拖尾及截尾性质, 同时根据AIC最小准则完成最终定阶。利用极大似然估计进行模型的参数估计, 同时完成模型检验(模型残差序列为白噪声序列即通过检验)^[31-32]。

利用通过检验的ARME模型, 可对此后一定周期内(2012—2015年)的数据进行预测。考虑到如果直接预测多年之后的模型, 精度会降低, 故以1a为单位, 每预测1a, 将该年数据加入原时间序列进行下一次预测。同时, 以能够获取到的4个评价指标在2014年及2015年的数据为真值(国内生产总值、林业总产值、农民人均纯收入及农民恩格尔系数), 利用均方根误差对预测数据进行精度检验。

2.4 综合效益评价

完成1991—2015年数据的补充及整理后, 采用客观赋权法中的变异系数法, 进行各项指标权重的计算, 同时建立综合评价模型, 将选取出的11个指标进行量化, 进行最终的综合效益评价。评价公式如下：

(1)

式中, p_i表示对应第i个指标的权重, x_i表示指标数值, n表示指标个数, Y表示综合效益。

依据变异系数法, 式(1) 中权重p_i依据以下公式计算：

(2)

(3)

上式(2) 及式(3) 中, S_i和分别表示第i项指标的标准差和均值^[14]。

3 结果与分析 3.1 评价指标时间序列分析及预测

利用Matlab 2015a完成所有评价指标的时间序列分析及预测。对于2002—2011年由磴口县统计年鉴获取并计算得到的各项指标数据, 根据时序图分析其趋势性。图 1为11项指标中的4种典型时间序列变化趋势。通过分析, 国内生产总值(C1), 林业总产值(C3)、活立木价值(C6)、农民人均纯收入(C9) 及森林社会效益(C11)5个指标, 在林业生态建设初期, 总体呈现逐年递增的趋势；而人均林业增加值(C2) 和农民恩格尔系数(C10) 总体呈现下降趋势；其余包括造林面积(C4)、涵养水源价值(C5)、吸收二氧化硫年增加价值(C7) 和消减粉尘年增加价值(C8) 在内的4项指标, 均不存在明显变化趋势, 但其震荡幅度较大, 可以发现C5、C7、C8的变化趋势基本上与造林面积的变化趋势相同, 受造林面积(林地面积)的影响较大。

对以上存在上升或下降趋势的7项指标进行去趋势分析, 拟合模型并完成2012—2015年的数据预测, 结果见表 2。

依据《磴口县2015年统计提要》(磴口县统计局)中可查询的2014及2015年的数据, 对时间序列分析获得的部分预测数据, 以可直观表示的相对误差进行精度验证。验证指标及结果如表 3所示。

由表 3的相对误差可以发现, 除农民恩格尔系数预测精度相对较低外, 其他3项指标预测精度相对较高, 能够满足分析, 说明利用时间序列分析能够满足工程综合效益评价指标的预测需求。

在后续分析中, 对于能够获取统计真值的指标, 用真值进行分析, 而未能得到的评价指标, 用时间序列分析的结果进行评价。

综合1991—2015年各项评价指标进行变化趋势分析, 图 2为各个评价指标随时间变化的趋势分析。可以发现, C1及C6、C9的3个评价指标呈直线上升趋势, 但在2002年之前上升趋势不明显, 2002年斜率增加, 说明对应指标数值提高速度增大。

C3、C5及C11的3个评价指标总体上也呈现出上升趋势, 但在整个时间序列过程中, 并不是稳步提升, 在特定年份会有较大起伏。可以发现, 在2002年工程实施开始时, 林业总产值及涵养水源价值都达到一个较高水平。

C2、C4、C7和C8的4个评价指标趋向于近似正态分布形式, 表示对应指标的增长达到最大值, 但在2002年林业生态建设工程启动以来, 才出现急剧变化现象, 并呈现出饱和, 在2012年1期工程结束后, 又趋于稳定, 但较工程实施之前(“三北”防护林工程实施期间)有所提高；C10是唯一一个呈现震荡的指标, 说明林业生态工程不是影响综合效益的唯一指标。

综合11项评价指标, 除农民恩格尔系数(C11) 在整个过程中没有出现增长外, 其他10项指标较1991—1999年, 在工程实施后均不同幅度的提升；但与林地面积相关的3项指标(C4、C7、C8) 在一期工程结束后均大幅度降低, 二期工程开始后保持平稳。

3.2 综合效益评价

利用变异系数法对各个指标赋权重, 完成1991—1999及2000年林业生态建设工程启动以来至今的各项数据进行分析统计。由表 4各项评价指标对应的权重可以发现, 在整个林业生态建设工程中, 国民生产总值、造林面积、吸收二氧化硫年增加价值、削减粉尘年增加价值及农民人均纯收入5项指标在综合效益评价中权重比例较大, 均达到10%以上。

表 5为“三北”防护林工程、林业生态建设工程前期及近期工程阶段的综合评价效益指数。可以发现, 在“三北”防护林工程实施的9年间, 综合指标在逐步上升, 在1997年达到最高为1398.6401×10⁵。而在一期工程治理开始后的第一阶段, 2007年综合效益出现最大值, 达到2151.7710×10⁵, 同时发现, 2002年综合效益与其极为接近(2151.5602×10⁵)。在一期工程结束、二期工程开始后, 综合效益趋于稳定。由图 3可以更为直观的发现, 整个综合效益呈现出一种近似正态分布的趋势, 在一期工程实施阶段, 变化浮动较大。但是, 可以明显发现, 林业生态建设工程实施后, 地区综合效益较之前有所提高, 且逐步趋于稳定。综合各项指标变化趋势, 发现对于磴口县的京津风沙治理工程综合效益评价趋势分析, 其综合效益受林业相关指标影响较大, 随着人均林业增加值及林业总产值的突发性增加, 综合效益呈现突发性变化。在2005年后, 研究区综合效益趋势较最优阶段有所下降, 分析原因, 可能集中在一期工程中, 各项措施综合使用, 虽综合效益呈大幅度提升, 但并未找到适用于研究区的发展方式, 故整个趋势并不稳定, 有大幅度震荡。而此后, 在逐步形成有效的发展模式后, 主要方向明确, 虽然综合效益有所下降, 但整体趋势趋于稳定。

4 结论与讨论

本文构建了内蒙古磴口县林业生态建设工程综合评价指标体系, 并对其中各项指标进行分析及预测。综合考虑各项指标权重, 发现国内生产总值、造林面积、吸收二氧化硫年增加价值、削减粉尘年增加价值及农民人均纯收入五项指标, 对治理工程的综合效益影响较大。

在1999年之前的“三北”防护林工程阶段, 磴口县林业生态建设工程综合效益呈现出明显的上升趋势, 说明这一工程的实施给当地带来的包括经济及社会效益在内的稳步提升；从2000年开始, 直至2012年, 这一时间段内, 磴口县林业生态建设工程的综合效益出现了最值, 即通过多个林业生态工程的实施, 综合效益基本达到最优, 但整个过程中综合效益并不稳定, 波动较大；2013年以来, 综合效益评价指标趋于平稳上升阶段。同时发现, 最终综合效益评价指标的整个发展趋势与造林面积在这一时间段内的发展趋势非常一致, 说明在研究区域生态建设工程中, 林业发展对其影响较大。

工程前期, 综合指标变化浮动较大, 说明针对生态治理过程中各项政策的调整, 对当地经济、生态及社会各方面效益的影响较大。整体综合效益评价趋势说明了在林业生态建设工程中, 有针对性地、因地制宜地进行生态建设, 更有利于整体效益的稳步提升。总体而言, 内蒙古磴口县林业生态建设工程在改善区域生态环境、遏制沙化土地扩展等方面的成效相对显著, 工程建设有效促进了地区经济发展。