基于GM(1，1)模型的浙江省森林资源发展趋势预测

赵国华

(国家林业和草原局华东调查规划设计院, 杭州 310019)

浙江省作为全国生态文明示范区，依托良好的政策优势，森林资源呈现稳步增长态势，作为“两山理论”的发源地，“绿水青山就是金山银山”的重要思想在浙江林业发展中得到了积极探索和实践[1]。森林资源是浙江省国民经济建设，人们生产生活和保护生态环境不可缺少的重要自然资源，是林业发展的基础[2]。森林资源的结构和发展变化趋势，直接影响浙江省林业的可持续发展。近年来部分学者应用灰色理论对海南、山东、黑龙江、内蒙古等省(自治区)的森林资源的动态变化进行了分析和预测[3-6]，高兆蔚[7]对我国21 世纪森林资源发展趋势进行了灰色预测，徐军等[8]应用二次指数平滑模型对浙江省森林资源监测数据分析及预测。为更好地了解浙江省森林资源现状和动态变化趋势，本研究以浙江省1989—2014年森林资源连续清查数据为基础，应用灰色系统理论，构建森林资源动态变化的GM(1, 1)模型，对森林资源发展趋势进行预测和分析，以期为 “森林浙江”的建设提供理论依据。

1 原始数据的来源

浙江省森林资源数据来自于1989—2014年的全国森林资源清查浙江省森林资源清查成果[9]，详见表1。根据第九次全国森林资源清查浙江省森林资源清查成果(2010—2014年)，浙江省林地面积659.77万hm2,森林面积604.99万hm2，活立木总蓄积31 384.86万m3,其中森林蓄积28 114.67万m3，森林覆盖率59.43%居全国第三。

2 研究方法

灰色系统理论是由我国学者邓聚龙教授于20世纪80年代初创立的理论，以部分信息已知，部分信息未知的小数据、贫信息不确定性系统为研究对象，主要通过对已知部分信息的生成和开发，提取有价值的信息，实现对系统运行行为和演化规律的正确描述，并进而实现对其未来变化的定量预测[10]。GM(1,1)模型是基于灰色理论系统最常用的预测模型，是对一个较复杂的灰色大系统，以时间序列建立预测模型,其模型原始形式为x(0)(k)+ax(1)(k)=b，相对于传统的数据样本越大预测精度越高的统计模型，对于复杂多变的、存在许多未知因素的随机过程，灰色系统可发挥其最大的优点,即在数据量不是很大的情况下，所建立的模型预测精度较高[11]。本研究把浙江省林地面积、森林面积、活立木总蓄积、森林蓄积、林分单位面积蓄积、森林覆盖率分别作为时间序列建立模型。模型计算方法步骤如下：

1) 原始数据处理

设森林资源原始数据X(0)序列为：

X(0)={x(0)(1),x(0)(2), …,x(0)(n)},

其中,x(0)(k)≥0,k=1, 2, …,n。

对X(0)作一次累加生成X(1)的1-AGO序列：

X(1)={x(1)(1),x(1)(2),…,x(1)(n)},

由原始数据序列X(0)和累加序列X(1)得到均值生成序列：

Z(1)={z(1)(2),z(1)(3), …,z(1)(n)},

2)建立GM(1,1)的微分方程

式中： 参数a为发展系数，b为灰色作用量。A=(a,b)T,并用最小二乘法确定参数a和b，即A=(a,b)=(BTB)-1BTyn。其中:

3) 求解微分方程,得GM(1,1)预测模型

4) 通过累减还原模型得预测值

5) 对模型精度的检验

检验的方法有残差检验、关联度检验和后验差检验，在本研究中采取后验差检验。首先计算原始数列x(0)(i)的均方差S0。

由此计算方差比c和小误差概率p

根据后验比c和小误差概率p对模型进行诊断，当p>0.95 和c<0.35 时，模型拟合效果好，当p>0.80 和c<0.50 时，模型拟合效果合格,这时可根据模型进行预测。

3 预测结果和分析

3.1 模型建立

以1989—2014年间的全国森林资源清查浙江省森林资源清查数据为基础，根据GM(1,1)模型的分析步骤，运用DPS数据处理系统软件，采用最小二乘法估算GM(1,1)模型参数a,b值，建立浙江省森林资源发展趋势预测模型如下：

1) 林地面积预测模型：

2) 森林面积预测模型：

3) 活立木总蓄积预测模型：

4) 森林蓄积预测模型：

5) 林分单位面积蓄积预测模型：

6) 森林覆盖率预测模型：

依据GM(1,1)预测模型分别求出林地面积、森林面积、活立木总蓄积、森林蓄积、林分单位面积蓄积、森林覆盖率，结果见表2。

3.2 模型精度检验

森林资源发展趋势预测模型精度检验按照后验差检验方法，求得各检验项目的方差比c和小误差概率p：林地面积的后验差检验c=0.36<0.5，小误差概率p=1，预测精度等级为合格；森林面积后验差检验c=0.16<0.35，小误差概率p=1，预测精度等级为好；活立木总蓄积的后验差检验c=0.09<0.35，小误差概率p=1，预测精度等级为好；森林蓄积的后验差检验c=0.09<0.35，小误差概率p=1，预测精度等级为好；林分单位面积蓄积后验差检验c=0.13<0.35，小误差概率p=1，预测精度等级为好；森林覆盖率后验差检验c=0.18<0.35，小误差概率p=1，预测精度等级为好。预测精度等级划分详见表3。

表2 预测值与实际值的相对误差一览表年份林地面积/万hm2森林面积/万hm2活立木总蓄积/万m3实际值预测值相对误差实际值预测值相对误差实际值预测值相对误差1989615.69615.60437.59437.59011 245.6511 245.6501994639.66647.46-1.22517.18529.25-2.3312 660.411 613.329.081999654.79652.020.42553.92549.990.7113 846.7514 821.27-5.032004667.97656.511.72584.42571.562.219 382.9318 915.422.412009660.7661.15-0.06601.36593.961.2324 224.9324 140.520.352014659.77665.77-0.09604.99617.25-2.0331 384.8630 808.951.83年份森林蓄积/万m3林分单位面积蓄积/m3森林覆盖率/%实际值预测值相对误差实际值预测值相对误差实际值预测值相对误差19899 461.399 461.39031.9631.96049.149.10199411 122.009 960.0810.4532.2630.046.8954.654.160.81199911 535.8512 856.65-11.4431.9134.77-8.9754.4155.53-2.06200417 223.1416 595.563.6543.7644.26-1.1457.4156.950.81200921 679.7521 421.831.252.8753.23-0.6859.0758.391.15201428 114.6727 651.661.6565.8665.141.0959.4359.87-0.75

表3 预测精度等级划分方差比c小误差概率p预测精度等级< 0.3>0.95好<0.5>0.80合格<0.6>0.70勉强合格≤0.70≥0.65不合格

3.3 发展趋势预测

应用所建的森林资源灰色动态GM(1，1)模型,可得到浙江省2019年、2024年和2029年的林地面积、森林面积、活立木总蓄积、森林蓄积、林分单位面积蓄积和森林覆盖率预测值，预测结果如表4。

表4 森林资源发展趋势预测数据年份林地面积/万hm2森林面积/万hm2活立木总蓄积/万m3森林蓄积/万m3林分单位面积蓄积/m3森林覆盖率/%2019670.43641.4439 319.4635 676.1079.7361.402024675.13666.5950 180.8546 090.5097.5762.962029679.85692.7264 042.559 472.29119.4164.56

3.4 结果分析

根据GM(1，1)模型与检验结果, 浙江省森林资源呈现良好发展趋势,预测结果表明：森林资源发展趋势在2019年、2024年和2029年的预测值(表4)，与2014年相比，林地面积5年增长率为0.70%，森林面积5年增长率为3.92%，森林覆盖率5年增长率为2.56%。浙江省通过平原绿化、创建森林城市和森林城镇，一定程度上增加了非林地转入林地的面积，但由于农地等非林地转为林地的来源日趋减少，未来通过外延式扩张增加林地面积难度增大。而由于建设工程项目使用林地，土地整理和种植结构调整使森林面积大幅减少，林地面积也同步减少，由此给森林面积和森林覆盖率的持续上升增加很大难度。同时，与2014年相比，活立木总蓄积量5年增长率为27.62%，森林蓄积量5年增长率为29.02%，林分单位面积蓄积量5年增长率为22.39%，在未来活立木总蓄积量、森林蓄积量、林分单位面积蓄积继续呈现高速增长态势。

按照浙江省委、省政府《关于加快推进林业改革发展全面实施五年绿化平原水乡、十年建成森林浙江的意见》要求，到2020年，浙江省森林覆盖率稳定在6l%以上，森林保有量达到600万hm2，林地保有量达到660万hm2，林木蓄积量达到42 000万m3[12]。按照目前的发展规律，浙江省森林覆盖率、森林保有量、林地保有量均能达到阶段性“森林浙江” 的建设目标。另外，按照模型预测的2019年到2024年期间活立木总蓄积增加10 861.39万m3，年均增加2172.278万m3，可推测2020年活立木总蓄积为41491.738万m3，还不能达到2020年林木蓄积量达到42 000万m3以上的“森林浙江”建设阶段性目标。这一定程度上说明浙江省在今后的林业发展规划中，应该加大林业投入，在增加森林面积的同时，大力提升林分质量。

4 结语

本研究以浙江省森林资源连续清查数据为基础，以1989—2014年浙省林地面积、森林面积、活立木总蓄积、森林蓄积、林分单位面积和森林覆盖率为时间数据序列，建立GM(1，1)灰色预测模型，对浙江省森林资源主要指标进行拟合和发展趋势预测，经后验差检验方法对模型进行精度等级检验，林地面积预测精度等级为合格，其它森林资源指标预测精度等级为好。为了全面建成“森林浙江”，加强全国生态文明示范区建设，对实现森林资源可持续经营做如下建议：

1) 以“增绿增质增效”为抓手，实现森林资源面积、蓄积和效益三增长。在增加森林资源面积方面，实施森林城市和美丽乡村建设工程，提升人居环境质量，加大生态移民后的旧村落废弃用地的植被恢复力度，强化“四边”绿化和拆后绿化，拓展林业的发展空间，同时，要严格执行建设项目使用林地定额管理和规范土地整理项目，避免林地面积的逆转，确保浙江省林地和森林面积稳中有升。

在提高森林资源质量和效益方面，一是转变森林资源经营利用方式，推动采伐利用由轮伐、皆伐等向渐伐、择伐等转变，确保森林恒续覆盖，提升森林生态系统的的质量和稳定性[13]；二是积极推进彩色健康森林建设，打造“美丽林相”，通过抽针补阔、补植造林、疏伐改造、抚育间伐抚育等综合措施，优化树种组成，改善森林结构，提升森林景观[1]；三是以国家储备林建设工程、大径材培育工程、珍贵树种发展工程等项目为载体，大力培育和储备珍稀树种及大径级用材等森林资源，全面提升浙江省森林资源质量[14]。

2) 深化集体林权制度改革，提高林地资源配置效率。全面深化集体林权制度改革，建立农村集体林地所有权、承包权、经营权“三权分置” 的运行机制，实现集体林地所有权、承包权和经营权相分离，发挥集体林地“三权”的整体功能和效用[15]；通过转包、出租、入股、抵押等形式进行林地流转，提高林地经营规模和林地资源配置效率。

3) 依托森林资源优势，培育健康的林业产业，实现林业的可持续发展。 一是继续做精做深木竹产业，推进安吉、余杭、临安、德清、遂昌等县(市、区) 木竹加工业集群的发展，引导木竹企业优化产品结构，不断拓宽木竹产业发展空间；二是积极发展生态旅游业,按照“绿水青山就是金山银山”现代林业发展的思路，充分挖掘森林、湿地景观资源，培育丰富多样的生态旅游产品；三是大力发展香榧、山核桃、油茶、茶叶等特色经济林，促进山区农民脱贫增收，实现现代林业的可持续发展。