中国森林生态安全时空格局演变及其障碍因子诊断

蔡秀亭，姜 钰

（东北林业大学 经济管理学院，哈尔滨 150040）

0 引言

森林生态系统对维护国家生态安全及环境安全等具有重要意义，由于经济规模的逐步扩大，资源过度消耗和生态环境恶化等众多问题凸显，严重影响了生态系统平衡以及人类社会的可持续发展[1]，人们逐渐意识到问题的严峻性，并对此给予了高度重视，森林生态安全问题也因此成为学术界的重点研究课题。目前，国内外相关研究主要集中在森林生态安全概念的理论研究[2，3]、森林生态安全与相关问题的关系研究[4，5]以及森林生态安全的评价研究[6，7]。现有研究大多停留在对某地区森林生态安全现状静态评价分析为主的阶段，较少从时空视角来揭示森林生态安全时空差异及其障碍因子。因此，结合相关研究成果，基于PSR模型构建森林生态安全评价指标体系，运用改进的TOPSIS模型、等级动态度模型、Markov链模型、GIS空间分析方法及障碍度模型对2005—2015年中国森林生态安全的时空格局及障碍因子进行分析诊断，以期全面了解中国森林生态安全状况，为全国及各地区森林生态治理及相关政策的制定提供合理化参考。

1 研究方法与评价标准

1.1 评价指标体系构建

本文将森林生态安全界定为：在一定时空范围内，在现有自然环境状态和人类社会经济活动等外界干扰下，森林生态系统在结构和功能完整的条件下，提供的生态服务功能可以满足人类生存和社会经济的可持续利用，使人类的生产、生活和发展等不受威胁的一种状态[8]。基于PSR模型从表征森林生态安全的压力（P）、状态（S）和响应（R）三方面出发，在科学性、系统性及数据的可获得性的基础上构建森林生态安全评价指标体系见表1所示。

表1 森林生态安全评价指标体系及权重

1.2 研究方法

1.2.1 改进的TOPSIS法

TOPSIS法是一种多目标决策分析的有效方法，其原理为：构建各指标的正、负理想解，检测评价对象与正、负理想解之间的距离，若评价对象离正理想解最近，同时离负理想解最远，则为最优方案。为使各指标的权重更客观，本文采用AHP法和熵值法求解组合权重[9]，并对传统的TOPSIS法进行改进，其计算步骤为：

（1）构建加权规范化决策矩阵

首先计算规范化决策矩阵rij，然后采用AHP法和熵权法计算组合权重wj，则加权规范化决策矩阵为：

其中，i为评价对象数，i=1…m，j为评价指标数，j=1…n。

（2）确定正理想解fi、负理想解Z-和虚拟最劣解Z*

J表示正向指标集，J*表示负向指标集，在Z+和Z-的反向延长线上找一个点，使Z+和Z-的距离等于Z-与该点之间的距离，这个点所对应的向量即为虚拟最劣解，，其中

（3）距离的计算

到Z+的距离为：

到Z*的距离为：

相对接近度指数：

1.2.2 等级动态度模型

运用等级动态度模型分析森林生态安全等级的变化速度及动态演变规律，计算公式为：

式中，Ua和Ub为某一森林生态安全等级期初和期末的省区数量，T为时间跨度。

1.2.3 Markov链

森林生态安全格局的动态演变符合Markov性质。根据其原理，用1×k的状态概率向量Pt表示t年份森林生态安全等级的概率分布，记为，用Markov转移概率矩阵A=(aij)mn表示不同年份森林生态安全等级之间的转移。

1.2.4 障碍度模型

通过引入因子贡献度（Rj）、指标偏离度（Pj）和障碍度（Aj），对中国森林生态安全的障碍因子进行诊断分析，公式为：

式中：rj为第j项单项指标权重，wj为第j项单项指标所属的要素权重。

式中：aj为第j项单项指标标准化值。

准则层森林生态安全障碍度的计算公式为：

1.3 评价标准的确定

在参考相关文献的基础上[10，11]，将森林生态安全评价标准划分为恶劣级、风险级、敏感级、临界安全级、一般安全级、比较安全级和安全级7个档次（表2）。Ci越接近于1说明森林生态安全状况越好；反之，说明森林生态安全状况越差。

表2 森林生态安全评价标准

2 结果与分析

2.1 森林生态安全的时间变化特征

运用改进的TOPSIS模型计算2005—2015年中国森林生态安全压力指数、状态指数、响应指数和综合指数，并探讨其时间变化特征。

2.1.1 森林生态安全压力指数

由图1中的压力指数图得：压力指数始终在0.2～0.6之间，表明中国森林生态安全的压力较大，且无明显改善；社会压力指数由2005年的0.588下降到2006年的0.237，2007年以后（2008年除外）均在0.2～0.4之间，表明研究期内中国森林生态安全的社会压力较大，且无缓解趋势；资源压力指数从2005年的1下降到2015年的0.034，表明中国森林生态安全的资源压力逐年增加；环境压力指数波动上升，表明随着人们环保意识的提高，中国森林生态安全的环境压力有所缓解。

图1 2005—2015年中国森林生态安全压力指数、状态指数、响应指数和综合指数的变化

2.1.2 森林生态安全状态指数

由图1中的状态指数图得：状态指数由2005年的0.302下降到2006年的0.030，2006—2015年状态指数逐步增加；资源状态指数波动上升，2005—2009年资源状态较差，2009年以后逐步改善；由于森林火灾受灾率的急剧增加导致森林生态安全健康状态指数由2005年的0.80骤降到2006年的0.30，2007—2015年健康状态逐步好转，表明近年由于森林火灾和森林病虫害预防工作的开展中国森林生态安全健康状态有所改善。

2.1.3 森林生态安全响应指数

由图1中的响应指数图得：响应指数由2005年的0.274波动上升到2013年的0.729，2013—2015年略有下降；投入响应指数波动上升；治理响应指数由2005年的0.06上升到2015年的0.758；保护响应指数由2005年的0.715下降到2007年的0.574之后上升到2008年的0.792，2008年以后波动下降，表明环保政策的实施与完善对中国森林生态安全水平的提高起到了促进作用。

2.1.4 森林生态安全综合指数

由图1中的综合指数图得：中国森林生态安全综合指数先下降后上升，2005—2006年森综合指数由0.322下降到0.097，安全等级由第Ⅱ等级（风险级）下降到第Ⅰ等级（恶劣级），2006—2015年综合指数波动上升，安全等级在2007—2008年、2009—2012年和2013—2015年分别处于第Ⅱ（风险级）、Ⅳ（临界安全级）、Ⅵ等级（比较安全级）。2006年以来中国森林生态安全状况逐步改善，但速度缓慢，森林生态安全仍面临严峻挑战。

2.2 森林生态安全的空间变化特征

选取2005年、2008年、2011年和2015年为时间节点，分别运用等级动态度模型、Markov链模型和GIS空间分析方法对中国森林生态安全的空间类型变化、空间转移特征和空间格局演变等空间变化特征进行分析。

2.2.1 空间类型变化

由空间类型变化分析得：2005—2008年森林生态安全处于风险级的比重较大，森林生态安全水平普遍较低；2008—2011年，恶劣级不存在，风险级的数量由19个减少到8个，敏感级比重上升到51.61%，临界安全级的数量不变，同时，出现两个一般安全级；2011—2015年，风险级和敏感级的数量不断减少，临界安全级和一般安全级的数量持续增加，并出现一个比较安全级。说明中国森林生态安全状况有所改善，但总体形势仍比较严峻（表3）。

表3 2005—2015年中国森林生态安全空间类型变化

2.2.2 变化速度

由空间类型变化速度分析得：2005—2008年，临界安全级以133.33%的年变化速度增加，恶劣级以20.83%的年变化速度减少；2008—2011年，敏感级以100%的年变化速度增加，风险级和恶劣级分别以52.63%和33.33%的年变化速度减少，临界安全级不变；2011—2015年，临界安全级和一般安全级分别以60%和33.33%的年变化速度增加，敏感级和风险级分别以31.25%和12.50%的年变化速度减少。结果表明：研究期中国森林生态安全等级动态度随安全等级水平的提高而逐步变大，说明中国森林生态安全状况有所改善（表4）。

表4 2005—2015年中国森林生态安全等级类型变化速度

2.2.3 空间转移特征

运用Markov链模型构建2005—2008年、2008—2011年和2011—2015年中国森林生态安全等级的Markov转移概率矩阵。其中，对角线上元素代表森林生态安全等级保持不变的概率，而非对角线上元素代表不同等级之间的转移概率。

表5 2005—2015年中国森林生态安全等级的Markov转移概率矩阵

由表5得，在2005—2008年的转移概率矩阵中，绝大多数的对角线元素大于非对角线元素，其中，恶劣级、风险级和临界安全级不发生转移的概率均大于0.5，表明各省区森林生态安全水平相对比较稳定，但森林生态安全等级普遍较低。恶劣级向风险级和敏感级的转移概率分别为0.42和0.05，风险级向恶劣级、敏感级和临界安全级的转移概率分别为0.08、0.09和0.06，敏感级向风险级的转移概率0.50，向临界安全级的转移概率为0.08，临界安全级向风险级的转移概率为0.11，表明中国森林生态安全存在不同等级间的跳跃式发展；与2005—2008年相比，2008—2011年对角线元素有所减小，恶劣级、风险级、敏感级和临界安全级保持原等级的概率分别下降了0.53、0.43、0.02和0.57，同时，出现了一般安全级和比较安全级，二者保持原等级的概率相等，仅为0.25，表明跳跃式发展依然存在；与2008—2011年相比，2011—2015年的对角线元素有所增加，但一般安全级和比较安全级的对角线元素仍小于非对角线元素，说明森林生态安全等级的跳跃式发展仍旧存在，森林生态安全的空间差异日益显著。

2.2.4 空间格局演变

运用Arc Gls10.4分别绘制了2005年、2008年2001年和2015年中国森林生态安全的空间分布图，结果表明：恶劣级由2005年的点状分布到2008年趋于带状分布，2011年恶劣级已经不存在，风险级先后依次呈片状-点状-带状分布，敏感级和临界安全级由点状分布趋于带状分布，一般安全级和比较安全级呈零星点状分布，表明中国森林生态安全存在“两极分化”趋势。

2005年中国森林生态安全水平普遍较低，北京和安徽等众多省区的森林生态安全等级均处于风险级，甚至有天津和上海等个别省区处于恶劣级；2008年恶劣级仅剩江西、广东和广西三个省区，风险级和临界安全级的省区数量不断增加；2011年恶劣级已经不存在，风险级的省区数量急剧减少，敏感级和临界安全级的省区数量不断增加，并出现了呈点状分布的一般安全级；2015年上海和西藏等五个省区为风险级，敏感级主要以带状分布在新疆和内蒙古等省区，临界安全级则集中带状分布在浙江和福建等省区，一般安全级零星分布于黑龙江和河北等省区，同时，江苏和广西达到了比较安全级。综上所述，研究期中国森林生态安全水平有所改善，但效果并不明显，且“两级分化”现象比较严重。

2.3 障碍因子诊断

运用障碍度模型分别对2005—2015年中国森林生态安全的准则层和指标层进行障碍因子诊断。

2.3.1 准则层障碍因子

准则层障碍因子诊断结果表明：从时间上看，社会压力、资源压力和健康状态的障碍度呈上升趋势，资源状态的障碍度不断减小，环境压力和投入响应的障碍度呈下降-上升-下降的波动态势，治理响应和保护响应的障碍度先下降后上升；从数值上看，资源状态和健康状态的障碍度较大，因此，提高森林生态安全水平需加强森林资源保护和森林火灾、森林病虫害的预防工作（表6）。

表6 2005—2015年中国森林生态安全准则层指标障碍度

2.3.2 指标层障碍因子

根据障碍度大小列出排序前五的指标层障碍因子，结果显示：森林覆盖率（C8）、活立木蓄积量（C9）和有林地面积（C10）分别占据2005年、2008年和2011年障碍因子的前三位，说明其对森林生态安全具有重要影响。森林病虫害发生率（C12）由2011年的第四位跃居2015年的第一位，说明近年森林病虫害发生率对森林生态安全的影响急剧增加（表7）。

表7 2005—2015年中国森林生态安全指标层主要障碍因子障碍度

研究期指标层障碍因子出现频率最高的是森林覆盖率（C8）、活立木蓄积量（C9）、有林地面积（C10）和森林病虫害发生率（C12），其出现频率均为72.7%，其次是出现频率为63.6%的人类干扰指数（C1）和二氧化硫排放指数（C7），森林火灾受灾率（C11）和污水处理率（C15）的出现频率为36.4%；从层级分布看，这8个主要障碍因子中，有5个属于状态层，分别为资源状态和健康状态，有2个属于压力层，分别为社会压力和环境压力，响应层占1个，属于治理响应，可以看出森林生态安全的主要障碍因子集中于资源状态和健康状态，与准则层障碍因子分析结果相吻合（表8）。

表8 2005—2015年中国森林生态安全指标层主要障碍因子出现频率

3 结论

通过对中国森林生态安全的时空格局及障碍因子分析得到如下结论：

（1）中国森林生态安全综合指数先下降后上升，由2005年的风险级下降到2006年的恶劣级之后上升到2015年的比较安全级，研究期内中国森林生态安全有所改善，但发展缓慢，森林生态安全仍面临严峻挑战。

（2）中国森林生态安全等级存在跳跃式发展，空间差异日益显著，森林生态安全状况改善不明显，“两级分化”现象日益显著。

（3）从准则层来看，资源状态和健康状态的障碍度较大，从指标层来看，森林覆盖率、活立木蓄积量、有林地面积和森林病虫害发生率是影响中国森林生态安全的主要障碍因子。