森林是地球生态系统中的重要组成部分, 森林生态系统具有多重功能：它能够吸收二氧化碳, 减缓地球的温室效应；它能够通过光合作用生产氧气, 维持人类和各种动植物的需要^[1-3]；森林能够提供各种动植物所需要的营养和食物, 所以能维持生物多样性^[4-6]；此外, 森林还能起到防止风沙、保持水土、除尘净化的功能^[7-8]。然而, 随着人类经济与社会的迅速发展, 人类对森林的砍伐利用日益增多, 对林地的侵占也不断增加, 这就使得森林的发展面临较大压力, 森林生态系统越来越脆弱^[9]。对森林生态系统脆弱性的评价可运用森林生态安全概念, 森林生态安全是指森林生态系统的健康与完整性, 也就是指森林对生态破坏与环境污染的容忍能力。森林生态是否安全主要看它能否满足人类的生存与发展, 森林生态安全指数高, 说明森林生态系统完整程度高, 则人类的可持续发展能力强, 反之, 则人类的发展是不可持续的^[10]。由于人类活动是不断变化的, 所以森林生态安全也是动态变化的。从空间尺度来看, 因为森林生态系统面临的威胁在各地是不同的, 所以森林生态安全还具有区域性的特点。本文选择湖北省为研究对象, 湖北地处长江中游, 省内有长江三峡大坝和丹江口水库, 是南水北调工程的水源地, 生态区位非常重要, 因此本文设计森林生态安全指数, 并结合湖北省的森林现状和人类经济活动, 来动态评估该省森林生态系统的健康与完整程度。

国外对森林生态安全的研究比较早, Moraes等评估了亚马逊森林的生态安全^[11], Hayes和Landis评估了华盛顿西北区域的生态安全^[12]。目前国内对于森林生态安全的研究不多, 已有的研究中, 毛旭鹏等评价了湖南省长沙、株洲、湘潭的森林生态安全状态, 结果显示这3个地区生态安全状况一般, 但压力呈下降趋势^[13]。米锋等对31个省、市进行了森林生态安全评价^[14]。冯彦等从空间计量角度分析了吉林省各县的森林生态安全指数, 结论为各地区存在空间上的正相关性^[15], 王金龙等对5省15个试点县进行了森林生态安全评价, 结果显示浙江淳安、吉林长白县、浙江遂昌县排名前三, 而青海刚察县和湖北公安县生态安全值最差^[16]。综合上述文献, 这些研究对于自然条件的一些指标数据引用过少, 大多只运用了年降水量、年积温和年日照时间等少数指标, 而实际影响一个地区森林生态安全状态的指标还有海拔、坡度、风向等指标, 因此上述研究所计算的森林生态安全指数还不能客观的反映各地森林生态安全状况。针对这个问题, 本文将基于生态区位系数, 引入海拔、坡度、风向等指标, 以填补以上空白, 使计算的森林生态安全指数能全面反映森林生态安全状况。

目前对于森林生态安全的分析大多基于PSR模型, 但实际还可以引入更多技术方法, 以提高森林生态安全分析的研究层次。以空间重心分析为例, 目前森林生态安全在这方面的分析非常少, 已有研究中, 吴小节等运用重心方法对比研究了中国生态文明重心与经济重心^[17], 曹慧明等运用重心法分析了泸沽湖流域, 发现旅游业是各个重心变化的主要因素^[18]。为拓展研究范围, 本文将引入重心分析模型来分析湖北省森林生态安全重心的动态变化, 以更加深入地探究湖北森林生态安全的变化趋势。

1 评价指标体系构建思路与指标筛选过程

本文首先依据文献检索、频度分析法、专家咨询等方法来构建森林生态安全评价的指标体系。由于该指标体系不包含自然条件方面的基础指标, 导致该方法在评估森林生态安全方面存在缺陷, 因此本文构建了包含气象因素和地形因素的指标体系, 用来计算生态区位系数。高低不同的生态区位系数, 能够反映不同区域在植被生产力和物种分布上的差别, 而这种差异对森林生态安全有较大影响。本文通过构建生态区位模型, 来计算不同地区的生态区位系数, 并将其作为调整系数来修正和补充森林生态安全指数, 从而进一步保证森林生态安全指标评价体系的科学性。

1.1 森林生态安全指标体系

本文将PSR模型中3类指标合并为状态指标和压力指标, 其中压力指标是把PSR模型中的压力指标和响应指标结合起来, 它反映的是人类对于森林的压力和人类保护森林的努力, 都属于人类行为指标。本文在构建指数的过程中经历了3轮筛选：(1)首先通过研究森林生态安全定义, 采用文献查询法和频度分析法挑选出频度较高的指标25个^[19-23], 然后征询林学、生态学等方面专家的意见, 增加了4个指标, 基本确定了29个指标, 在此基础上开展数据收集工作。(2)在收集上述29个指标的过程中, 本课题组发现有些指标的数据可获取度较低, 因此本课题组于2015年11月对湖北省利川县、神农架林区两个典型县域进行了调研, 并结合数据的实际可获取度, 对上述29个指标进行了删减, 确立了20个指标。(3)针对这20个指标, 本课题组又经过专家问卷调查、专家会议咨询和课题组内部讨论, 最后确定14个指标来计算森林生态安全指数, 其中森林状态指标5个, 森林压力指标9个。

尽管从最初的25个指标调整为最终的14个指标, 但仍有部分区县的数据不符合要求：有的区县数据大面积缺失, 有的区县数据少部分缺失。对于数据大面积缺失的区县, 本课题组将这类区县排除在研究范围之外；对于数据少量缺失的区县, 本课题组通过电话咨询与查询统计年鉴的办法对数据进行补充完善。根据数据收集的结果, 本文最终确定湖北省89个区县为本文的研究样本。

本文设计的森林生态安全指数(Ecological Security Index, ESI)由森林状态指数和社会压力指数构成。森林状态指数由资源状况和灾害类指标计算得出, 而通过一般压力指标、行为压力指标和维护活动指标可以计算出社会压力指数, 具体如表 1所示。

1.1.1 森林状态指数

资源状况类指标中, 森林覆盖率(F01)与森林生态安全正相关。森林单位面积蓄积量(F02)反映森林的质量, 蓄积量越大则森林生长情况越好, 它与森林生态安全正相关, 因此属于正向指标。森林物种丰度指数(F03)主要反映乔木、灌木和其他林地占国土面积的比重, 它也与森林发展正相关, 所以它在指标体系中属于正向指标^[24-25]。

森林经常受灾害影响, 所以本文用两个灾害指标来反应受灾情况：森林火灾致灾率(F04)与森林发展状况负相关, 其值越大则森林越脆弱；森林病虫鼠害致灾率(F05)反映有害生物(如昆虫、老鼠、细菌、真菌、杂草等)对森林的破坏情况^[26]。这两个指标都为森林生态安全的逆向指标。

1.1.2 社会压力指数

由于人类对森林的影响很大, 而且人类对森林的影响是多方面的, 所以本文归类了一般行为、行为压力和维护活动这3类指标。城镇化率(Y01)、人口密度(Y02)、单位面积GDP(Y03)、单位面积工业产值(Y04)构成一般行为指标, 说明人类发展必然会增加对森林的索取, 因此这4个指标与森林生态安全状况负相关, 所以它们都是逆向指标^[27]。行为压力指标中, 由于人类工程占用土地强度(Y05)、二氧化硫排放强度(Y06)、工业废水排放强度(Y07)与森林发展是负相关关系, 所以它们都属于逆向指标。随着人们生态保护意识的提高, 无论是政府还是个人都积极保护森林, 因此本文将森林生态建设与保护投资强度(Y08)、年度造林比例(Y09)列入维护活动类指标, 这两个指标与森林的发展有正相关关系, 因此都属于正向指标。

1.2 生态区位系数

生态区位系数是一个综合反映气象、地形等区域自然条件因素的指数, 它能够通过影响物种分布和植被的生产力来对森林生态安全发生作用, 因此可以用它来对森林生态安全指标体系进行修正和补充。生态区位系数以气象和地形类因素为基点, 并以促进森林植被生长为目标, 因此本文设计气象类指标和地形类指标来构建生态区位系数, 用来反映自然条件的天然差异, 并用来对森林生态安全指数进行调整。

国内已有学者的研究引用了生态区位系数, 赵海凤等运用了生态区位系数对四川省生态服务价值进行调整^[28]。李英等运用14个指标来构建生态区位系数, 然后运用该系数来评估了伊春林区的生态服务价值^[29]。高玲等运用地貌、水域距离、城镇距离、生态敏感点等指标来建立生态区位系数, 并用该系数评估了海口市生态系统服务价值^[30]。齐丹坤等运用生态区位系数对伊春林区的评估表明国家一级公益林生态区位重要程度最高^[31]。

本文首先通过频度分析法, 对有关生态区位评价的文献进行检索, 对涉及的各项指标进行统计分析, 从中选出使用频度高的指标；然后结合森林生态系统的特点, 从中选择适用性强、数据可获取度高的指标；最后, 运用专家咨询方法, 对指标进行调整, 最终探索性地选取年降水量、年均积温、年均气温、日照时数、日均风速、平均海拔、坡度、坡向等8个具体指标来构建生态区位系数的指标体系, 其中前面5个属于气象类指标, 后面3个属于地形类指标。本文根据各个区位指标的特征, 将每个指标分为5个级别, 等级越高就越有利于森林的生长, 如表 2所示。

表 2是8个指标的分级标准。在气象类指标中：年降水量越大, 则森林物种越丰富；年积温越高, 则越有利于植物的生长发育；年均气温越高, 则越有利于植物的呼吸作用和光合作用；年日照时间越长, 则可以促进植物苗木根系的生长, 而且对植物开花也有明显影响。以上4个指标的数值越大, 则越有利于植物生长, 因此森林生态系统将会更安全。日均风速会改变空气的湿度和温度, 风速较高会降低植物的生长量, 而且强风干扰对森林的破坏较大, 因此该指标数值越低则等级越高。

在3个地形类指标中, 平均海拔越低, 则植被越茂盛；坡度越低, 则越有利于森林植被的生长；坡向是指坡面法线在水平面上的投影方向, 从坡向来看, 因为湖北地处北半球, 所以各区、县地面朝南的坡向有利于植物生长, 其次是朝东或偏南、朝西或偏东、偏西或偏北, 最不利于植物生长的是朝北的坡向。

2 方法与模型

本文选用熵权法来计算指标权重, 然后用模糊物元法与欧式贴近度来评价森林ESI。

2.1 森林生态安全指数 2.1.1 模糊物元法

依据模糊物元法, 构建湖北省各县域森林ESI的复合物元R_mn：

(1)

式中, M_j表示第j个事物(j=1, 2, …, m), C_i表示第j个事物的第i项特征(i=1, 2, …, n), x_ji(j=1, 2, …, m；i=1, 2, …, n)为该事物的特征量值。

首先, 计算从优隶属度。事物的特征值C_i, 既有正向特征, 也有负向特征, 对于这些指标需要计算其相对于标准事物从优隶属度u(x_ji)(j=1, 2, …, m；i=1, 2, …, n)^[32]。计算方法为：

越大越优型指标：

(2)

越小越优型指标：

(3)

maxx_ji和minx_ji分别表示C_i中的最大值和最小值。然后计算新的模糊物元R_mn:

(4)

然后, 推导标准模糊物元、差平方、差平方模糊物元。

标准模糊物元R_0n由u(x_ji)的最大值来推导：

(5)

计算差平方：

(6)

计算差平方模糊物元R_Δ：

(7)

2.1.2 欧式贴近度与森林ESI综合评价

本文采用采用欧式贴近度M(*, +)方法来计算复合模糊物元R_PH：

(8)

(9)

PH_j即为未经生态区位系数修正的森林生态安全ESI值。

2.2 生态区位系数

本文运用ArcGIS软件对8个生态区位指标做栅格化处理, 再对各评价指标进行分级赋值, 最后运用专家打分法来确定各指标的权重, 确定气象类系数与地形类系数的权重分别为0.625和0.375。在确定指标的权重后, 再对湖北省各区县的生态区位系数进行评估。

在计算生态区位系数时, 首先应依据表 2的评级标准和参评单元评价因子的现状值, 确定现状区位系数评分空间分布图, 然后计算指标层区位系数分值：

(10)

F_ij、S_ijk、W_ijk分别为j指标的区位系数分值、评价指标现状值、权重值, n为指标个数。

计算准则层区位系数分值：

(11)

F_i是准则层i目标区位系数分值, F_ij、W_ij分别是j指标的区位系数分值、j指标相对准则层i目标的权重值, n是准则层指标个数。

计算目标层区位系数综合分值：

(12)

F为区位系数综合分值, W_i是准则层i目标的权重值, n是目标个数。

2.3 修正的森林ESI

在计算出森林生态安全值PH_j和区位系数综合分值F后, 可以通过

(13)

ESI为经生态区位系数修正后的森林生态安全值, PH_j为最初的森林生态安全值, F为区位系数综合分值, 为全省区位系数的平均值。

2.4 重心分析模型

通过查询统计年鉴, 可得到湖北省各区县中心的经纬度坐标(x_i, y_i), 然后以修正的森林生态安全ESI_i为权重, 可求出湖北省生态安全重心的地理坐标：

(14)

由于各地区森林保护的力度不同, 而且经济与社会的发展速度也有高低差异, 所以各地区森林状态指数与社会压力指数都会相应发生改变, 这会引起全省森林生态安全的重心发生迁移, 依据勾股定理, 每年重心迁移的距离为：

(15)

D_i－j表示重心从第i年至j年的迁移距离, R为常数, 一般取值111.111。

3 研究区域与数据来源 3.1 研究区域

湖北地处长江中游, 森林资源丰富。湖北省国土面积1859.00万hm², 其中森林面积736.27万hm², 森林覆盖率39.61%, 比全国平均水平高出17.98%。由于森林在防止洪涝灾害和水土流失方面作用突出, 因此湖北省森林生态系统的安全程度对本省和长江流域中下游都非常重要, 所以对湖北森林生态安全指数的研究具有比较现实的意义。本文依据数据的可获取度, 以湖北省89个区县为研究样本。

3.2 数据来源

本文所有数据来源于森林生态安全指数研究项目, 涉及湖北省89个县域从1999年至2014年的面板数据。数据收集分为一试和二试两个阶段：

(1) 一试阶段, 本课题组于2014年10月将数据表格下发湖北省各区、县林业局。然后对收集整理的县域数据进行统计, 将这些数据分为全部填报、部分填报、全部缺失3种类型。

(2) 二试阶段, 对于全部缺失的县域数据, 将此县排除在本研究范围之外。对于填报了部分数据的县域, 本课题组再次进行了指导, 并通过电话沟通和统计资料查询, 补充了缺失数据。

4 实证分析 4.1 熵权计算结果

依据熵权法, 可以求出森林生态安全14个指标的权重, 本文将计算结果列入表 1最后一列。

表 1中所有指标权重合计为1, 权重的大小能够反映各指标对总体ESI值的影响程度。从该表可以看出：工业废水排放强度(Y07)权重最高, 为0.0752。其次为单位面积工业产值(Y04)与森林火灾受灾率(F04), 皆为0.0751。森林单位面积蓄积量(F02)权重最小, 仅为0.0574。森林物种丰度指数(F03)的权重稍高于森林单位面积蓄积量, 为0.0583。

4.2 生态区位系数计算结果

本文基于表 2的8个指标和湖北89个区县的数据, 运用公式10到公式12, 计算出湖北省区位系数。本文运用ArcGIS软件, 采用自然断裂法将湖北省各区域的生态区位系数采用五分位图展示出来, 如图 1所示。

图 1为湖北省区位系数等级分布。本文基于自然断裂法将区域系数分为5个等级, 分别为：31.22001—32.42000、29.93001—31.22000、28.41001—29.93000、26.03001—28.41000、22.91000—26.03000。从该图可以看出, 区位系数最高(31.22001—32.42000)的区域主要分布在湖北省东部和中部少数区域, 如武汉市、鄂州市、当阳市、枝江市、松滋市等。区位系数次高区域(29.93001—31.22000)主要分布在中部区域如增都区、广水市、钟祥市、公安县、监利县等地, 该区域还在西部2个区县(通山县、黄梅县)有所分布。区位系数最低的区域(22.91000—26.03000)主要分布在湖北西部, 如神农架林区、竹溪县、竹山县、兴山县和保康县。

从总体来看, 湖北全省的生态区位系数平均值为29.94719。生态区位系数较高的区域主要分布在湖北省东部和中部, 这些区域自然基础条件较好, 适合森林植物的生长。区位系数最高值出现在东北区域的红安县(区位系数值为32.42000)。而生态区位系数较差的区域主要分布在湖北省西部, 以神农架林区为例, 该区域的生态区位系数仅为22.91000, 在湖北省排名倒数第一, 说明该区域并不是最适合森林植被生长的区域。与此同时, 生态区位系数较好的区域大多聚集在武汉市周边, 这些地区都是湖北省经济最发达的区域, 而生态区位系数较差的区域一般都集中在湖北省西部, 这些地方交通不便, 人口稀少, 经济相对比较落后, 因此生态区位系数与地区经济发展水平有一定的耦合性。

4.3 修正的森林生态安全指数

在计算出14个指标的熵权后, 结合模糊物元法和欧式贴近度方法, 本文计算出初步的森林生态安全指数值。

因为自然基础条件对各地森林生态安全指数有根本性的影响, 所以需要用基于坡度、风向、海拔、风速等指标的区位系数来修正前期计算的森林生态安全值。在计算出湖北省各区县的生态区位系数后, 再求出全省生态区位系数的平均值, 然后用各个生态区位系数除以该平均值, 得到修正系数, 再分别乘以各地的森林ESI值, 可得到经生态区位系数修正的森林生态安全ESI值。

基于修正的森林生态安全指数, 本文将1999、2004、2009、2014年这4年的森林生态安全值用ArcGIS图展现出来, 如图 2所示。

图 2为湖北省森林ESI在1999、2004、2009和2014年的五分位分布图。从1999年来看, 森林生态安全最高等级区域主要分布在湖北东部, 还分布在北部部分区域, 以及南部个别区域。森林生态安全最低等级区域零星分布在东部、中部和西部的黄州区、襄樊市、云梦县以及神农架林区。

从2004年的分布图来看, 最好区域主要分布在湖北省西北部和西南部, 与1999年相比, 减少了浠水县、曾都区、来凤县和宜都市。而生态安全等级最差的区域没有变化。生态安全等级排名其次的区域与2004年相比有了明显扩大, 北部增加了丹江口市和曾都区, 西部增加了浠水县。

从2009年来看, 大悟县已退出生态安全的最好区域, 但新增了丹江口市和松滋市。神农架林区的生态安全值有所上升, 从最差等级的区域已上升为较差区域。

从2014年来看, 最好区域新增了5个县, 但是生态安全最差区域也大幅上升, 在湖北东部新增了武汉市、华容区, 北部新增了襄阳县、老河口县, 西部新增兴山县、竹溪县、张湾区、茅箭区等8个县, 与1999年相比的增幅为100%。

从这4个年份的森林生态安全的等级变化来看, 在这16年间, 丹江口市、松滋市一直保持上升趋势, 丹江口市森林生态安全值在1999年还属于五级分类中的中间区域, 但它在2004年和2009年分别上升一个等级直到2014年的最高等级。丹江口市森林ESI值的持续上升在于该地区非常重视植树造林, 1999年该地区造林面积为2553hm², 接下来几年每年造林面积持续上升, 在2003年达到最高值, 该年度造林面积为11000hm²。正因为该地区重视林业保护, 所以该地区的森林ESI等级持续上升。松滋市森林ESI的上升主要体现在2004年到2009年, 主要在于该地区森林投资与保护强度持续上升, 1999年该地区森林投资与保护强度为669.5元/km², 经过几年持续追加投入, 2009年达到2802元/km²的峰值。这16年的另一个重大变化是森林生态安全最差区域在2014年大幅上升。以武汉市为例, 2009年该市森林ESI值还处在五级分类中的中间区域, 但到了2014年则直接跌落到最差等级区域, 这主要是因为武汉市在这些年份经济发展速度太快, 从而给森林造成太多压力。

4.4 森林生态安全状态指数

为了更加清楚地分析湖北省森林生态安全值的变化, 本文将森林生态安全指数分解为状态指数与压力指数。本文首先计算各区县从1999年到2014年的状态指数, 然后将1999年、2004年、2009年和2014年状态指数的变化用ArcGIS软件制图, 如图 3所示。

图 3反映了湖北省森林状态指数的变化。从以上4个图来看, 状态指数最高区域比较集中, 主要分布在湖北省西部区域。从状态指数最高等级区域来看, 1999年主要分布在湖北西部的11个县, 还分布在西南的4个县。2004年该区域增加了建始县。2009年西部3个县下降了一个等级。2014年状态指数和2009年相比, 变化不大。

从状态指数最差区域来看, 主要集中在云梦县和黄州区, 除了2009年增加了部分区域外, 其他年份基本没有变化。该指数的较好区域主要分布在湖北西部和东南、东北及北部几个县域, 而且在这4个年份变化不大。

4.5 森林生态安全压力指数

由于本文对压力指数中的逆向指标做了标准化处理, 所以压力指数越大, 说明森林面临的压力越小；反之, 则森林发展的压力越大。本文计算了湖北省森林生态安全的压力指数, 并将1999年、2004年、2009年和2014年的压力指数体现在GIS图上, 如图 4所示。

图 4反映了湖北省森林压力指数的变化。颜色最浅区域为压力最小区域, 从该区域的变化来分析, 1999年主要分布在湖北中部和北部的京山县、曾都区, 西部的竹山县和西南的恩施市、来凤县。2004年该区域有所扩大, 西北新增了郧县、丹江口市两个县, 中部新增了南漳县、宜城市两个县, 西南新增了3个县, 南部也新增了3个县, 东南新增了通山县, 减少了来凤县。从2009年来看, 压力最小区域大幅减少, 具体来看, 西南区域减少了3个县(利川市、恩施市、巴东县), 西北减少了两个县(老河口县、郧县)、中部减少了1个县(宜昌县)。从2014年来看, 竹山县、保康县、咸安区因为压力上升而从该等级区域消失, 北部的广安市和宜城市压力下降所以压力指数落在该区域。

图 4中颜色最深的部分即为压力最大区域。从压力最大区域来看, 1999年、2004年和2009年压力最大区域都为东部下陆区, 但到了2014年压力最大区域急剧扩大, 西北新增了2个县(张湾区、茅箭区), 北部增加了襄阳县, 中南部增加了两个区县, 东部新增了武汉市、华容区、黄州区和鄂城区。该等级区域的的迅速扩大说明最近几年经济的发展给森林增加了太多压力, 需要适度放缓经济发展步伐, 减少污染排放, 以为森林发展创造有利条件。

4.6 重心分析

依据重心分析模型中的公式14, 并结合历年森林生态安全ESI值, 可以计算出从1999年至2014年的森林生态安全重心坐标, 如表 3所示。

表 3反映了最近16年森林生态安全重心的变化, 从该表可以看出, 历年重心基本在112°45′34″E和112°47′2″E之间、30°50′1″N和30°50′42″N之间波动。

本文将历年重心的坐标标记在坐标图上, 如图 5所示, 通过该图可以分析重心演变的轨迹。

图 5反映了1999年至2014年湖北省森林生态安全重心的演变轨迹, 从该图可以看出, 重心演变基本可以分为两个阶段：第一阶段(1999年至2007年)从西北区域向东南区域迁移；第二阶段(2007年至2014年)从东往西迁移。第一阶段的重心迁移说明湖北省东南区域的森林生态安全指数改善较大, 第二阶段的重心迁移说明湖北省西部的森林生态安全指数提升较大, 从而带动重心向西迁移。

第一阶段重心向东南迁移的原因在于北部和西部几个县域的森林ESI值下降较大(如曾都区、宜都市、来凤县), 而南部的赤壁市在此阶段由于退耕还林和植树造林工作做得较好, 因此当地的森林ESI值上升较大, 从而促进了森林生态安全重心向东南方向的迁移。

第二阶段重心向西迁移的原因在于东部的武汉市各区、华容区和鄂城区的森林ESI值都有下降, 而中西部南漳和沙洋这两个县的ESI值改善明显。南漳县2014年的森林覆盖率与2011年相比提高了3.1个百分点, 达到61.79%, 而沙洋县在此期间每年完成造林面积都在2000hm²以上, 这些都使得两个县的森林生态安全指数得到迅速提升, 从而带动森林生态安全重心自东向西迁移。

为更加全面地掌握这两个阶段的重心迁移方向、距离及速度, 本文统计了这两个阶段的重心演变数据, 如表 4所示。

从表 4来看, 森林生态安全重心在第一阶段(1999年至2007年)的南北方向迁移了0.67km, 东西方向迁移了1.46km, 总体移动方向为从西北到东南, 移动距离为1.6km, 这8年年均移动距离为0.2km。第二阶段(2007年至2014年)的重心在南北方向迁移了0.2km, 东西方向迁移距离为1.74km, 总体移动方向为从东至西, 总距离为1.75km, 年均移动距离为0.25km, 迁移速度比第一阶段有所加快, 反湖北省西部区域的森林ESI指数在第二阶段进步较大。

5 结论与讨论 5.1 结论

本文首先运用熵权法和模糊物元法计算出湖北省各区县的森林ESI指数, 然后计算湖北各区县的生态区位系数, 并用来修正森林ESI, 得到修正后的森林生态安全指数。本文还运用了ArcGIS和重心模型来分析湖北各区县的森林ESI指数, 结论如下：

(1) 生态区位系数最高(31.22001—32.42000)的区域主要分布在湖北省西部和中部少数区域, 如武汉市、鄂州市、当阳市、枝江市、松滋市等。区位系数最低的区域(22.91000—26.03000)主要分布在湖北西部。

(2) 从1999年到2014年森林生态安全指数的变化来看, ESI指数最差等级区域增加明显, 尤其是从2009到2014年间, 在湖北东部新增了武汉市、华容区, 北部新增了襄阳县、老河口县, 西部新增了兴山县、竹溪县、张湾区、茅箭区等8个区县, 与1999年相比的增幅为100%, 说明湖北省森林生态安全形势不太乐观。

(3) 从状态指数来看, 最高等级区域主要分布在湖北省西部区域, 反映西部森林状态较好, 而最差区域主要集中在云梦县和黄州区。从压力指数来看, 1999年、2004年和2009年压力最大区域都为东部下陆区, 但到了2014年压力最大区域急剧扩大。以武汉市及周边区域为代表, 该地区压力迅速上升, 妨碍了当地森林生态安全指数的提升。

(4) 湖北省森林生态安全重心演变分为两个阶段：第一阶段(1999年至2007年)从西北向东南迁移距离了1.6km, 年均迁移0.2km；第二阶段(2007年至2014年)从东往西迁移了1.75km, 年均移动0.25km, 移动速度较快。第一阶段的重心迁移说明湖北省东南几个区县森林保护工作做得较好, 从而带动森林生态安全值的提升, 而第二阶段的重心迁移说明湖北西部区县森林生态建设的成效较好, 使得森林生态安全值提升较大, 从而带动重心向西迁移。

5.2 讨论

从本文分析结果来看, 处于生态区位系数最高等级的中部和东部区域的森林ESI值却属于最差等级区域, 说明人口、经济、废水和废气的排放抑制了该区域森林的发展。以武汉市及周边地区为例, 尽管生态区位系数的等级最高, 但从森林生态安全值来看, 却属于湖北省最差等级的区域。因此, 本文建议该地区政府、企业和居民高度重视植树造林、森林维护和环境治理工作, 并尽量减少对森林生态系统的破坏, 为促进该地区森林的发展创造出良好条件。

从森林生态安全的研究方法来看, 目前指标赋权大多运用层次分析法和专家打分法, 它们的优点是能判断各指标在生态上的重要性, 缺点是对各指标的差异性重视不够。本文熵权法与之相反, 对各指标的差异性较为重视, 但无法分辨各指标的生态重要程度^[33-34], 因此本文将在以后的研究中引入组合赋权法, 即将客观赋权法与主观赋权法综合起来^[35-38]。除此之外, 其他学者对各指标之间的相关性作了较为深入地分析, 因此本文将加以借鉴, 并引入主成分分析方法来进行指标筛选。本文生态区位系数仅考虑了气象类指标和地形类指标, 但在影响森林植被的自然因素中, 还有地质、土壤、水文等因素没有考虑进来^[39-41]。地质因素中, 地质构造能够影响地貌格局从而影响森林的群落分布, 岩石中的矿物质成分对森林植物生长有较大影响。土壤能够给森林植物提供大量的养分, 其中的有机质、微生物和水分等是植物生长的必要条件。水文因素中, 汛期、径流量等对流域内的地表水和地下水有较大影响, 而这些水源是植物生长的重要因素。今后将在地质类指标中引入岩性-岩相、综合地层、地质构造等指标, 在土壤类指标中引入土壤有机质、土壤类型、微生物、水分等指标, 在水文类指标中引入汛期、结冰期、径流量等指标。