我国西部省区森林生态承载力与环境污染压力的动态关系

崔海涛，崔译丹，曾文程，望飞勇，熊 娜*

(1.广西民族大学管理学院，广西 南宁 530006；2.广西民族大学经济学院，广西 南宁 530006；3.广西农业科学院园艺研究所，广西 南宁 530007)

【研究意义】森林生态系统能吸收环境中被污染的空气，并通过光合作用产生更多氧气释放到大气中净化空气，还能针对不同气候进行适当的自动调节以维持气候稳定，为人类正常生活提供气候环境保障。但是，森林生态系统本身的承载力有限，当人类社会带来的资源环境压力超过其可承受阈值时，森林生态系统便失去自动调节功能，导致整个生态系统失衡，进而阻碍经济社会的可持续发展[1]。2018年我国SO2排放量约为516.1万t，氮氧化物排放量为1288.4万t，颗粒物排放总量为1132.3万t[2]，与2017年比分别减少15.5%、4.4%和11.9%。在国家环保政策的推动下，我国环境治理成效明显，生态环境恶化趋势有所好转，但大气污染仍是不可小觑的污染源之一。我国西部地区拥有丰富的森林资源，但由于过度砍伐植被及东部沿海地区制造业转移，导致生态环境脆弱、水土流失及土地沙漠化严重，阻碍了国家西部生态安全屏障目标的实现。因此，分析我国西部地区森林生态承载率的演变规律及其省(市、区)际间差异，对我国西部地区生态环境可持续发展及环境友好型经济社会建设具有重要意义。【前人研究进展】前人关于我国对森林生态承载力与环境污染压力的研究主要集中在森林生态承载力涵义和森林生态承载力对经济社会发展影响两方面。顾康康[1]研究认为，生态承载力是指在一定时间和空间范围内，生态系统在自我调节能力和人类正常有序生产生活条件下所能支持的环境污染程度、资源消耗程度、社会经济发展强度和一定消费水平的人口数量。森林承载力蕴含两层含义，一是森林生态系统自身调节与维持能力，二是由外界压力引起的森林生态系统内部社会和经济子系统发展能力[3-4]。祝凌云和张大红[5]研究表明，森林生态承载力是森林生态系统对社会发展过程中造成负面影响的承载能力。谷振宾[6]研究发现，随着经济增长水平的提高，森林资源增加到一定程度后会开始递减。杨洁亮等[7]从经济、社会、环境和资源4个角度探究甘肃省资源环境承载力情况，发现环境子系统对资源环境综合承载力产生基础性影响。焦雯珺等[8]、于广华等[9]从资源类型角度分别研究浙江省湖州市的水生态承载力和环渤海地区土地生态承载力，结果发现湖州市水生态承载力处于超载状态，而环渤海地区土地生态承载力整体呈持续上升趋势。王莹和郭晨星[10]研究显示，陕西省各市土地承载力差异较明显，区域发展不平衡，土地承载力总体上偏低。廖文梅等[11]运用熵权法测算长江经济带的森林生态承载力水平，结果表明，长江经济带地区整体森林生态承载水平具有良好的发展趋势。刘梦和冉清红[12]采用综合评价法，从资源环境压力和资源环境承载力两方面构建评价体系对陕西省域及其省内市区的资源环境承载状态进行了评价。王少锐[13]研究显示，京津冀地区环境污染压力较大，使得森林超过可承载范围，其中河北省的森林超载情况最明显。米锋等[14]构建森林生态承载力指标和人类行为指标体系对我国各省(市、区)森林生态安全状况进行评价，结果发现我国大部分地区森林整体状况有所好转，但一些地区出现两极分化现象。冯彦等[15]基于PSR模型计算认为，湖北省县域森林生态安全状况整体良好。李岩[16]利用熵权法与专家法确定综合权重以评估浙江省森林生态承载力，得出浙江省森林生态系统整体上处于适度可载区且有向好趋势的结论。【本研究切入点】目前，关于生态承载力的研究主要集中在海洋生态承载力、水生态承载力和土地生态承载力方面，且多数围绕浙江和京津冀等经济发展水平较高的地区展开，针对西部地区森林承载力的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】建立森林生态承载力和环境污染压力评价指标体系，运用熵权TOPSIS方法计算西部12个省(市、区)森林承载力与环境污染压力指数进而计算森林生态承载率，分析我国西部省(市、区)森林承载状态、演变规律及省际间差异，为我国生态环境保护、治理及可持续发展提供参考依据。

1 材料与方法

本研究对象为我国西部12个省(市、区)(广西、四川、陕西、云南、贵州、甘肃、青海、宁夏、西藏、新疆、内蒙古和重庆)的森林生态承载力和环境污染压力指标，时间跨度为2014—2017年。

1.1 模型思想与构建

1.1.1 模型思想 采用客观赋权法和熵权法能客观描述某项指标在指标体系中的重要程度，熵越小，表示该指标的权重越大，反之，该指标的权重越小。TOPSIS(Technique for order preference by similarity to ideal solution)的基本思路是定义决策问题的正理想解和负理想解，最优结果是离正理想解最近，离负理想解最远。而将熵权法和TOPSIS模型结合构建熵权TOPSIS模型，不仅能体现各指标的重要程度，还能全面反映评价体系的动态演变趋势。

1.1.2 研究方法 标准化处理：由于指标量纲不同，因此在对指标进行综合计算前需进行标准化处理。

正指标：Rijt=(Xmax-Xijt)/(Xmax-Xmin)

负指标：Rijt=-(Xmax-Xijt)/(Xmax-Xmin)

式中，Rijt和Xijt分别为第i个省份第t年森林承载力第j个指标的标准化值与原始值，Xmax和Xmin分别为第j个指标的最大值和最小值。

熵权法计算：

式中，Pijt、eijt和Wijt分别表示第i个省份第t年森林承载力第j个指标下的比重、熵值和权重，k=1/lnm，m表示省份个数，n为指标个数。

TOPSIS模型：首先运用熵权Wijt构建加权规范化矩阵Zijt，其次确定森林承载力评价指标的正理想解(Sj+)和负理想解(Sj-)，计算森林承载力评价指标与理想解的正(sepi+)负(sepi-)欧氏距离，最后采用计算第i个省份第t年的森林承载力指数(Cit)。

Zijt=WijtRijt

Sj+=max(z1j,z2j,z3j,…zn j)

Sj-=min(z1j,z2j,z3j,…zn j)

Cit=(Sepi++Sepi-)，Ci=∈(0,1)

森林生态承载率：森林生态承载率是指以森林生态系统为承载物承载人类生产生活过程中对森林生态系统造成的影响，包括正向和负向影响及环境污染压力是否超过森林承载极限。利用前文计算出的森林承载力和环境污染压力指数，计算森林生态承载率(I)，以评价区域森林生态承载能力。森林生态承载率(I)=森林承载力(B1)/环境污染压力(B2)。式中，当I>1.0时，森林承载能力处于富余状态；0.8

1.2 指标体系构建

1.2.1 森林生态承载力评价指标体系建立 森林生态承载力子系统主要包括资源性指标、受害率指标和区位指标[5]。气候、地形、土壤、降水和光照等自然因素是影响森林数量与分布及决定森林承载力大小的重要因素[18]。参考李凯等[19]、谢剑英[20]、廖文梅等[21 ]的方法，选取森林覆盖率、森林单位面积储蓄量和林业用地面积率等11个指标构建森林生态承载力子系统。其中，森林覆盖率(X1)、森林单位面积蓄积量(X2)、林业用地面积率(X3)、自然保护区率(X4)、天然林比重(X5)和公益林比重(X6)为资源性指标，火灾受害率(X7)和病虫害受害率(X8)为受害率指标，年均降水量(X9)、平均气温(X10)和年日照时数(X11)为区位指标。森林生态承载力评价指标体系(表1)由一些与森林数量、质量和分布等问题息息相关的不同指标组成，用以充分全面地反映森林生态系统的基本特征、受害情况和区位因素等。

1.2.2 环境污染压力评价指标体系建立 参考金悦等[22]、袁菲等[23]的方法，对工厂主要污染物废水排放量(Y1)(包括工业废水和生活污水)、一般固体废物倾倒丢弃量(Y2)、SO2排放量(Y3)和烟尘(粉尘)排放量(Y4)4个指标进行分析即可掌握工厂污染物对森林承载力的影响程度。环境污染压力评价指标体系(表1)是衡量人类生产生活对森林生态系统造成环境压力的指标体系，以环境污染源作为评价指标衡量污染情况而构建。

表1中，目标层(A)为森林生态承载率，准则层(B)为森林承载力子系统(B1)和环境污染压力子系统(B2)，分别用于评价森林生态系统自身状况和所承载的压力。森林承载力子系统包括资源性指标(C1)、受害率指标(C2)和区位指标(C3)3个状态层，环境污染压力子系统以环境污染压力指标(C4)为状态层。在森林承载力子系统权重确定中，资源性指标(0.9263)>区位指标(0.2500)>受害率指标(0.1763)，总体上以林业用地面积率、天然林比重和森林单位面积蓄积量的权重较大[6]，即森林本身的资源拥有量对森林承载力更重要，也是决定森林承载力水平的关键因素。在环境污染压力指标子系统权重确定中，4个指标(Y1～Y4)的性质均为负向作用，且一般固体废物排放量和SO2排放量的权重较大，即人类活动对森林造成的影响主要为负面影响。

表1 森林生态承载力和环境污染压力评价指标体系

1.3 数据来源

用于计算森林承载力指数和环境污染压力指数(表1中的指标层)的数据均采用2014—2018年西部12个省(市、区)面板数据，主要来源于西部地区各省(市、区)的统计年鉴、《中国林业统计年鉴》和《中国环境统计年鉴》。但个别地区(西藏和新疆)的指标层数据不齐全且年份长短不一，而研究区域各项指标在2014—2017年变化较明显，具有一定代表性，因此，从数据的可得性和研究的合理性考虑，本研究以2014—2017年跨度的数据为主开展相关研究。

2 结果与分析

2.1 森林承载力指数评价结果

从图1可看出，宁夏、四川、陕西、云南、新疆和内蒙古的森林承载力指数呈倒“N”形三段式变化，青海省的森林承载力指数呈“N”形三段式变化。其中，宁夏的森的林承载力指数在2014—2015年和2016—2018年为下降阶段，在2015—2016年为上升阶段，森林承载力指数从0.6916降至0.6126后，又升至0.6535，再降至0.2124；四川、陕西、云南、新疆和内蒙古的森林承载力指数均在2014—2015年和2017—2018年为下降阶段，在2015—2017年为上升阶段。而贵州的森林承载力指数呈“M”形四段式变化，在2014—2015年从0.1636升至0.3511，在2015—2016年降至0.2425，在2016—2017年升至0.3528，在2017—2018年降至0.2042；甘肃的森林承载力指数呈“W”形四段式变化，在2014—2015年从0.2435降至0.2040，在2015—2016年升至0.2498，在2016—2017年降至0.1756，在2017—2018年升至0.2137；重庆的森林承载力指数也呈“W”形四段式变化，在2014—2015年从0.2681降至0.2091，在2015—2016年升至0.2786，在2016—2017年降至0.2171，在2017—2018年升至0.5936；广西和西藏的森林承载力指数呈倒“U”形两段式变化，其中广西从2014年的0.2024升至2016年的0.7126，而后降至2018年的0.1835；西藏从2014年的0.2451升至2017年的0.4624，而后降至2018年的0.1766。可见，西部12个省(市、区)的森林生态承载力变化差异较明显，其中重庆的森林生态承载力在2017年迅速增加，青海和甘肃的森林生态承载力呈增加趋势，这3个省(市)应保护好森林资源，维持较高的森林覆盖率和林业用地面积；宁夏、广西、新疆、西藏和贵州的森林生态承载力降幅较大，云南、内蒙古、陕西和四川的森林生态承载力呈下降趋势，但降幅较小，应多植树造林，增加林木资源。

2.2 环境污染压力指数评价结果

由表2可知，西部地区环境污染压力指数变化情况分化为两种类型：重庆、四川和陕西的环境污染压力指数随着年限变化呈缓慢下降趋势，而云南、贵州、广西、西藏、甘肃、青海、宁夏、新疆和内蒙古的环境污染压力指数随着年限变化呈缓慢上升趋势。在环境污染压力指数上升的省(市、区)中，甘肃、宁夏和内蒙古的环境污染压力指数升幅较大，分别上升419.12%、111.95%和103.3%，属于第一梯队；云南、贵州、青海和新疆的升幅居中，分别上升64.96%、67.65%、50.58%和39.50%，属于第二梯度；广西和西藏的环境污染压力指数升幅较小，分别上升11.52%和7.53%，属于第三梯队。

图1 2014—2018年西部12个省(市、区)的森林生态承载力动态变化趋势Fig.1 The dynamic change trend of forest ecological carrying capacity in 12 western provinces(cities，regions) from 2014 to 2018

从表2还可看出，西部地区总体的环境污染压力指数在2016年以前呈稳定上升趋势，在2017年有所下降，由2014年的0.3124升至2016年的0.5795，又降至2017年的0.4387，但仍较2014年上升40.47%。

从图2-A可看出，重庆、陕西和四川的环境污染压力指数呈倒“N”形变化，其中，2014—2015年和2016—2017年为下降阶段，2015—2016年为上升阶段。从图2-B可看出，云南、广西、西藏、新疆、内蒙古和贵州的环境污染压力指数呈现倒“U”形变化，其中，贵州、新疆、内蒙古、广西和云南的环境污染压力指数在2014—2016年处于上升阶段，在2016—2017年处于下降阶段，而西藏的环境污染压力指数在2015年之前为上升阶段，2015年之后为下降阶段。从图2-C可看出，宁夏和甘肃的环境污染压力指数一直呈现上升趋势，其中，2014—2015年宁夏的环境污染压力指数增长速度高于甘肃，2015—2016年甘肃的环境污染压力指数增长速度高于宁夏，但宁夏的增幅大于甘肃，而2016—2017年两省(区)的环境污染压力指数增速相当。从图2-D可看出，青海的环境污染压力指数呈“N”形变化，其中，在2014—2015年和2016—2017年均为上升阶段，在2015—2016年为下降阶段。可见，在2014—2017年期间，西部12个省(市、区)的环境污染压力指数存在较大差异，其中甘肃、宁夏和青海的环境污染压力指数呈折线上升趋势，这3个省(区)应减少工业废气废水排放；重庆、四川和陕西的环境污染压力指数开始下降，应继续保持下降趋势；云南、贵州、广西、西藏、新疆和内蒙古的环境污染压力指数达峰值后递减，应继续维持下降趋势，防止工业废水废气排放再次增加。

2.3 森林生态承载力与环境污染压力的动态关系

2.3.1 基于时序演变的特征分析 从图3可看出，西部地区12个省(市、区)的森林生态承载率在2014—2017年间呈“U”形变化趋势。其中，在2014—2016年为下降阶段，森林生态承载率由大于1.00状态向小于1.00状态转变，且持续下降；在2016—2017年为上升阶段，但仍处于小于1.00状态。说明西部地区2014—2015年的森林生态承载率从富余状态逐渐过渡到超载状态，2015年以前森林生态系统在自我维持更新的同时能承受环境污染带来的压力，而2015年后森林系统无法承受环境污染压力，至2017年，森林资源的持续增加使得森林生态承载率提高，环境污染压力下降，进而使得森林生态承载能力逐渐升高，但森林生态承载率仍未恢复到富余状态。具体到各省(市、区)，2014年宁夏、甘肃和云南的森林生态承载率较高，分别为2.75、2.37和1.22，重庆、青海和西藏的森林生态承载率较低，分别为0.42、0.48和0.63；2017年广西、陕西和四川的森林生态承载率较高，分别为2.17、1.20和1.13，甘肃、重庆和青海的森林生态承载率较低，分别为0.33、0.40和0.74；12个省(市、区)中森林生态承载率上升较快的是广西和西藏，2017年分别较2014年增加1.40和0.48，而青海和重庆的森林生态承载率一直较低，其他省(市、区)每年的森林生态承载率都围绕西部地区平均值上下波动，最终广西、四川、陕西、云南、西藏和新疆的森林生态承载率高于12个省(市、区)森林生态承载率的平均值，贵州、甘肃、青海、宁夏、内蒙古和重庆的森林生态承载率低于12个省(市、区)森林生态承载率的平均值。可见，西部地区各省(市、区)的森林生态承载率在2014—2017年间总体上波动变化较明显，其中贵州、陕西、甘肃、青海、宁夏、内蒙古和重庆等省(市、区)应通过造林和护林措施提高森林资源覆盖率以增强森林生态系统的承载能力；四川、云南、新疆、内蒙古和广西等省(区)应继续提高森林系统的承载能力。

表2 2014—2017年西部12个省(市、区)的环境污染压力指数变化情况

图2 2014—2017年西部12个省(市、区)的环境污染压力指数变化情况Fig.2 Changes in the environmental pollution pressure index of the 12 western provinces(cities，regions) from 2014 to 2017

图3 2014—2017年西部12个省(市、区)的森林生态承载率动态变化趋势Fig.3 The dynamic change trend of forest ecological carrying rate in 12 western provinces(cities，regions) from 2014 to 2017

2.3.2 基于省域层面的均值分析 分别将西部12个省(市、区)的森林生态承载力、环境污染压力和森林生态承载率指数逐年加总平均，得到2014—2017年各省(市、区)总体平均指数。由表3可知，总体平均森林生态承载率指数从高至低依次为宁夏、广西、西藏、青海、陕西、云南、甘肃、四川、新疆、内蒙古、贵州和重庆，其中，平均森林生态承载率指数较高的是宁夏和广西，分别为1.56和1.16，较低的是贵州和重庆，分别为0.56和0.46，其他各省(市、区)的平均森林生态承载率指数依次为0.92(西藏)、0.86(青海)、0.83(陕西)、0.82(云南)、0.70(甘肃)、0.68(四川)、0.61(新疆)和0.60(内蒙古)。从森林可持续状态来看，广西和宁夏的森林生态系统承载水平处于富余状态(参考谷振宾[6]的研究结果，其森林覆盖率、单位面积森林蓄积量、天然林比重都较高)，云南、陕西、青海和西藏的森林生态系统承载水平处于平衡状态，重庆、四川、贵州、甘肃、内蒙古和新疆的森林生态系统承载水平处于超载状态。可见，重庆、四川、贵州、甘肃、内蒙古和新疆的环境污染压力超过了森林承载力，森林在维持自我更新的同时已不能承担超负荷的环境污染压力，云南、陕西、甘肃和西藏的森林生态承载水平应保持平衡状态并尽可能由平衡转为富裕状态；广西和宁夏应继续保护森林资源，并维持其富余状态。

表3 西部12个省(市、区)的森林生态承载率及森林承载状态

3 讨 论

本研究结果表明，从总体上看，2014—2017年西部地区森林承载力呈上升趋势，而环境污染压力在2016年以前呈上升趋势，且上升速度大于森林承载力的上升速度，在2016年以后呈下降趋势，二者的共同作用使西部地区森林承载率呈“U”型变化趋势，从富余状态演变为超载状态，再过度到平衡状态；从各省(市、区)份情况来看，2014—2017年森林生态承载率指数由高至低依次为宁夏、广西、西藏、青海、陕西、云南、甘肃、四川、新疆、内蒙古、贵州和重庆，其中，广西和宁夏的森林处于富余状态，云南、陕西、青海和西藏的森林处于平衡状态，重庆、四川、贵州、甘肃、内蒙古和新疆的森林处于超载状态。

本研究中，森林承载力和环境污染压力是相互影响的两个系统，当环境污染压力小于森林承载力时，森林在维持自我更新的同时能承担人类行为带来的环境污染；当环境污染压力大于森林承载力时，森林不能承担超负荷的环境污染压力。当森林承载力上升、环境污染压力下降时，森林的可持续状态即转为富余状态；反之，当森林承载力下降、环境污染压力上升时，森林承载状态处于超载状态。同时，在森林承载力系统中，重点控制的指标为林业用地面积率、天然林比重和森林单位面积蓄积量；而在环境污染压力系统中，重点控制的指标为一般固体废物排放量和SO2排放量。2014—2017年，重庆、四川、陕西和西藏的环境污染压力指数呈缓慢下降趋势，云南、贵州、广西、甘肃、青海、宁夏、新疆和内蒙古的环境污染压力指数呈缓慢上升趋势，且甘肃、宁夏和新疆的环境污染压力指数升幅较大，说明这3个省(区)的环境污染程度加重，对森林生态系统功能的负面影响较大，可能出现恶化趋势，与米锋等[14]研究认为内蒙古、甘肃和新疆等省(区)的森林生态承载力评估值呈下降趋势的观点吻合。西部12个省(市、区)森林承载力指数的变化趋势与森林生态承载率变化趋势相同，森林承载力较大的省份其森林生态承载率也较高，与祝凌云和张大红[5]、张志杰等[24]的研究结果一致，表明森林生态承载率指标系统中，表示森林本身生态状况资源性指标的作用最重要，森林生态压力的影响次之[25]。由此判断，仅依靠1个系统的承载力推动整个生态系统向好发展作用有限，森林承载能力的提高不仅需要提高森林系统本身的生态功能，更需要减少环境污染压力[26]。

改善森林承载力是支撑西部地区经济可持续发展的有效途径。我国西部地区大部分省份生态环境脆弱，森林保护力度薄弱，导致森林生态系统功能弱化，人类生产生活对环境造成的污染愈加严重。今后，对于西部地区森林生态承载率的提升应从丰富森林资源(通过造林、护林等相关措施继续加强现有森林资源保护和管护，提高天然林比重以丰富森林结构，保障森林生态安全)和减少环境污染(贯彻环境保护政策导向，积极发展环境友好型经济)两方面着手，以保证西部地区森林资源高质量发展，实现西部经济和生态文明建设可持续发展目标。

4 结 论

我国西部12个省(市、区)的森林承载水平总体上已由富余状态演变为超载状态再转为平衡状态，但省(市、区)际间存在差异。提升西部地区森林生态承载率要从丰富森林资源和减少环境污染两个方面平行展开。