逐步宽容约束法对浙东沿海防护林空间优化配置研究*

洪奕丰张震朱磊王小明

（1 国家林业局华东林业调查规划设计院 浙江杭州 310019; 2 四川省林业勘察设计研究院四川成都 610000; 3 中国林业科学研究院亚热带林业研究所 浙江富阳 311400）

逐步宽容约束法对浙东沿海防护林空间优化配置研究*

洪奕丰1张震2朱磊1王小明3

（1 国家林业局华东林业调查规划设计院 浙江杭州 310019; 2 四川省林业勘察设计研究院四川成都 610000; 3 中国林业科学研究院亚热带林业研究所 浙江富阳 311400）

以Landsat TM影像为信息源，通过选取热带气旋频数、人口密度、耕地面积密度、地均GDP和人均第三产业产值五个指标，采用层次分析法和加权综合评价法，评估浙东热带气旋的综合风险；并以此为基础，引入多目标逐步宽容约束模型，实施浙东沿海防护林的空间优化配置。研究结果发现：①沿海防护林面积明显增加，增幅达5.4%，森林覆盖率由48.7%增至51.3%；②森林结构趋于合理，针叶林、阔叶林、混交林和灌木林面积比例分别由优化前的64.77%、19.84%、8.36%、7.03%调整为40.30%、37.34%、18.06%、4.30%，有效解决了针叶林比重过大的问题；③土地利用服务价值各指标均有明显增加，生态、社会和经济效益增幅分别为3.7%、2.4%和5.5%；④实现了分区、分级、分目标的防护林优化配置，生态效益各指标均随热带气旋综合风险的增加呈明显的上升趋势，社会、经济效益正好相反。

空间优化配置； 热带气旋风险；沿海防护林；多目标逐步宽容约束模型

沿海防护林是沿海地区重要的生态屏障，是以海岸带为主线、以人工植被为主体的多林种、多树种、网片带电、多能高效的沿海人工森林生态系统，在保育水土、涵养水源、防风固沙、维持区域生态平衡等方面发挥着重要作用。自上世纪90年代初启动“沿海防护林体系工程建设”以来，浙东地区森林资源得到了有效保护，森林覆盖率快速增加，防灾减灾能力明显增强，但浙东地区沿海防护林质量整体不高，普遍存在针叶林多、阔叶林少；中幼林多、成熟林少；覆盖率高、林分质量差等问题，严重影响了生态防护功能的正常发挥。因此，如何实现防护林空间优化配置、提高林分质量，是当前浙东防护林建设亟待解决的关键问题。

防护林的优化配置是该体系建设的难点，相关学者已对其进行深入研究，取得了可喜成果[1-4]。然而，由于地域、生长环境等不同，导致研究成果的通用性较差，难以实现大范围、规模化的有效配置[5,6]。随着沿海防护林体系和功能研究的不断深入，采用空间优化技术对沿海防护林进行配置的方法日趋成熟，主要包括：层次分析法、多目标灰色局势决策法、聚类分析法、综合评价法、目标规划模型法和专家系统法[7-12]等，但多数只解决数量或结构的优化，无法实现空间对位配置。

本文以Landsat TM影像为信息源，在分析浙东热带气旋综合风险评价的基础上，采用多目标逐步宽容约束模型，研究浙东沿海防护林的空间优化配置，旨在寻求适合沿海防护林优化配置的有效方法，以期促进浙东沿海防护林综合效能的发挥，保障区域生态安全。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

以浙江东部沿海三市为研究区，包括宁波、台州和温州，三面环海，地跨东经119°～123°，北纬27°12′～ 31°30′，总面积2.97×104km2。整体地势西南高、东北低，地貌由低山丘陵和滨海平原两部分组成。浙东属亚热带季风湿润气候，四季分明、雨热同期，冬夏季风交替明显，年均降雨量在980～2000mm之间，盛行东到东南风。

沿海防护林是浙江省森林的重要组成部分，浙东三市森林覆盖率45.28%，林业用地面积1.47×104km2，浙东地处中亚热带常绿阔叶林区，森林类型多样，包括针叶林、阔叶林、混交林、灌木林等主要类型。从树种组成上看，主要有马尾松、湿地松、木麻黄、香樟、枫香和杉木等。

1.2 数据来源与处理

1.2.1 遥感数据

采用2005年覆盖浙东地区的4景Landsat TM影像作为遥感信息源，空间分辨率30m，轨道号分别为118039、118040、118041、119039。

1.2.2 土地利用数据

依据我国现行《土地利用现状分类》(GB/T21010-2007)国家标准[13]，结合研究区具体情况，将浙东地区土地覆被划分为有林地、灌木林、草地、耕地、建筑用地、水体、其它用地7个一级类，其中有林地包括针叶林、阔叶林、混交林3个二级类，共10个类型。

1.2.3 综合风险评价指标

评价指标体系的选取是综合风险评估模型构建的关键，直接影响到评估的结果和精度。本文以充分发挥沿海防护林体系生态、经济和社会效益为考虑，选取热带气旋频数（X1）、人口密度（X2）、耕地面积密度（X3）、地均GDP（X4）和人均第三产业产值（X5）作为评价指标，其中，X1采用2005年登陆浙东地区的台风以上级别的热带气旋；X2采用浙东地区第六次人口普查数据；X3、X4、X5参照浙江统计年鉴（2005）[14]。

1.3 研究方法

1.3.1 综合风险评价

综合风险评估是指通过风险分析的手段，对尚未发生的灾情程度进行评定和估计的过程。为避免使用一种方法而存在的主观性和收敛速度不一致的弊端，本文将层次分析和加权综合评价方法相结合，开展研究区热带气旋综合风险评价。

（1）层次分析法

根据返回的30份专家意见资料，比较五个指标间两两重要程度，构造判断矩阵A（表1）。

表1 指标体系权重判断矩阵Table 1 Weight judgment matrix of index

经层次单排序及总排序，W=[0.7995, 0.4568, 0.3382, 0.1769, 0.0806]，λmax=5.22，CR=0.049<0.10。认为判断矩阵具有满意的一致性。

（2）加权综合评价法

其中，V是综合风险值；Wi是指标i的权重；Di是指标i的归一化值；n是参与评估的指标个数。

1.3.2 逐步宽容约束模型

决策变量：针叶林x1、阔叶林x2、混交林x3、灌木林x4、草地x5、水体x6、建筑用地x7、耕地x8、其它用地x9。

根据热带气旋综合风险评价的结果，对生态系统服务类型中的各功能类型进行权重的调整：高风险区×2；中风险区×1.2；低风险区×1。得到不同类型单位面积生态服务价值，作为生态效益计算的基础。社会效益和经济效益，采用专家打分法，以各类型对社会、经济效益的贡献率作为决策变量的系数。

目标函数：

其中，iP为区域第i类土地利用类型生态服务价值比例得分；iα、iβ分别为区域第i类土地利用类型社会效益、经济效益贡献率系数；n为参与规划的土地利用类型总数。

约束条件：

沿海防护林功能约束：

其中，Xi为区域第i类土地利用类型面积；S为区域土地总面积；Sl为区域当前林地面积；Sg为区域耕地需求总量；Ks为粮食自给率；Fe为人均粮食消费水平；R为总人口；Fp为单位播种面积的粮食产量；Kt为粮食作物播种面积占农作物播种面积比重；Kd为粮食复种指数；Fds为需自行解决的粮食量；Sj为区域当前建筑用地面积；Sw为区域当前水资源面积；Sq为区域当前其它用地面积；Pfi为区域第i类林地类型的单位面积森林生态系统服务价值；Pf为区域当前森林生态系统服务价值；Pti为区域第i类土地利用类型的单位面积生态系统服务价值；Pt为区域当前生态系统服务总价值；Pfhi、Pfbi为区域第i类林地类型的单位面积涵养水源、保持水土服务价值；Pthi、Ptbi为区域第i类土地利用类型的单位面积涵养水源、保持水土服务价值；Pfh、Pfb为区域当前林地的涵养水源、保持水土服务总价值；Pth、Ptb为区域当前土地利用类型涵养水源、保持水土服务总价值；ε∈U [0.3,0.4]，U [0.3,0.4]为[0.3,0.4]间的一随机数。

2 结果与分析

2.1 热带气旋综合风险评价

按照上述模型，进行风险评价，并依据风险值的不同，划分为高、中和低风险三个类型（表2）。

表2 浙东热带气旋综合风险区划分及标准Table 2 Division and Standard of Comprehensive Risk in eastern Zhejiang

分析图1可知，热带气旋综合风险评价结果与台风以上级别热带气旋的路径特征有较明显的相关性。苍南的综合风险最高，为1.09；温州瓯海区综合风险最低，仅有0.36，苍南高出了202.8%。温岭、宁海、象山、乐清和玉环等地区，综合风险值也较高。

图1 浙东热带气旋综合风险图Fig.1 Comprehensive risk of tropical cyclone in eastern Zhejiang

2.2 沿海防护林优化配置模型

借助SPSS V16.0和DPS V7.05数据处理软件系统，求取最优解；之后利用ArcGIS的空间分析功能，实现空间对位配置。

表3 浙东沿海防护林优化配置前后结构对比Table 3 Comparison between coastal windbreak actuality and optimization result in eastern Zhejiang

2.3 优化配置前后结果分析

2.3.1 沿海防护林结构变化

分析表3可知，浙东地区针叶林面积比重较大，达64.77 %，阔叶林和混交林的比重偏小，分别为19.84 %和8.36%，结构不合理。配置后，针、阔、混、灌的面积比重分别为40.30%、37.34%、18.06%和4.30%，有效解决研究区针叶林比例过大的问题，保证了物种多样性，森林结构趋于合理。风险分区方面，优化配置后各个风险区森林面积均有明显增加，高、中、低风险区分别为39492 hm2、25381 hm2、13400 hm2，其中高风险区增幅最大9.6%，中、低风险区分别为3.7%、3.9%。结构方面，混交林和阔叶林面积均明显增加，针叶林和灌木林面积均显著减少的趋势，与研究区的整体趋势一致，符合热带气旋综合风险评价的规律。

2.3.2 土地利用服务价值变化

图2 浙东土地利用优化前后服务价值比较Fig.2 Comparison between land use actuality and optimization result in eastern Zhejiang

通过分析配置前后各土地利用服务价值变化情况发现（图2a），研究区各土地利用服务价值均有不同程度的提升。生态服务总价值（tP）方面，表现为由413.44亿元·hm-2·a-1增至428.79亿元·hm-2·a-1，增幅达3.7%。其中森林生态服务价值（Pf）增幅最大，达23.5%；其次是林地涵养水源价值（Pfh）和保持水土价值（Pfb），分别增加了15.02亿元·hm-2·a-1和11.60亿元·hm-2·a-1，增幅同为23.8%；涵养水源总价值（Pth）和保持水土总价值（Ptb）则增幅较小，仅为1.8%和3.4%。社会效益和经济效益方面，增幅分别为3.7%和7.0%。

分析图2b、2c、2d可知，三个风险区生态服务总价值均呈上升趋势，其中高风险区增幅最大（7.7%），其次是中风险区3.8%，低风险区贡献率最小（2.3%），表现为随着热带气旋综合风险的增加呈明显上升趋势。社会效益和经济效益方面，高、中、低风险区分别为1.8%、1.9%、3.7%和4.3%、5.4%、7.0%，均表现出随着热带气旋风险的上升呈下降趋势。

3 结论与讨论

（1）浙东森林面积增加明显，增幅达5.4%，森林覆盖率由48.7%调整至51.3%。优化后浙东地区阔叶林和混交林面积比重分别增加了17.50%和9.70%，针叶林和灌木林面积比重分别减少了24.47%和2.73%。说明阔叶林和混交林比其他树种稳定性高，能发挥更大的生态效益，这与何友军[45]、于志民[46]等人的研究结论一致。因此，应大力改造灌木林和针叶纯林，通过补植补造针阔混交林，提高浙东沿海防护林体系的水源保护和土壤侵蚀防治功能，增加森林生态系统的物种多样性，改善林分质量。

（2）防护林优化配置结果与热带气旋综合风险评估结果具有良好的一致性，符合自然规律，说明以沿海防护林防台减灾为核心的综合效益驱动下，基于多目标逐步宽容约束的方法适用于浙东宏观尺度下沿海防护林的空间优化配置。

（3）多目标逐步宽容约束方法在土地利用优化配置等方面已有成熟应用，同时为宏观水平沿海防护林的空间优化配置提供了有效的方法和途径。但是，沿海防护林体系的研建及优化是极其复杂的问题，涉及不确定因素众多。因此，在模型的应用、指标的筛选、约束条件的取舍以及阈值的设定等方面均需进行更深入的研究。

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Spatial optimization allocation of coastal shelterbelt forest based on gradual easy constraint method

HONG Yi-feng1Zhangzhen2ZHU Lei1WANG Xiao-ming3
（1East China Monitoring Center of the Forest Resources, State Forestry Administration, Hangzhou, 310019;2Sichuan Forestry Inventory and Planning Institute, Chengdu, 610000;3Research Institute of Subtropical Forestry, CAF, Fuyang 311400, Zhejiang, China;）

As the important ecological barriers, Coastal shelter forest plays a key role in the aspect of soil and water conservation, wind prevention, sand-fixation and regional ecological security. Based on the 2005 Landsat TM images, by using the method of analytic hierarchy process and weighted comprehensive evaluation, five indices including frequency of tropical cyclone, population density, and density of arable land, real GDP and the per capita output value of the tertiary industry were selected to carry out the tropical cyclone risk assessment. Meanwhile, gradual easy constraint method was adopted to build a multi-objective programming model to make the spatial optimum allocation of coastal shelterbelt forest in Eastern Zhejiang province. The main conclusions are as follows: ① The area of coastal shelterbelt forest increased significantly with an increase of 5.4%, and the forest coverage rate increased form 48.70% to 51.30%; ②The forest structure would be more reasonable, and the proportion of coniferous, broadleaf forest, mixed forest and shrub changed from 64.77%、19.84%、8.36%、7.03% to 40.30%、37.34%、18.06%、4.30%, which solve the problem of large-proportion coniferous forest effectively; ③ The whole index of land-use servicevalues increased substantially, the ecological, social and economic benefits increased by3.7%, 2.4% and 5.5%, respectively; ④ Optimization was realized according to different Risk area, different grade and different objective. For tropical cyclone risk, economic benefit is positive related apparently, social and economic benefits are just the opposite.

Spatial optimization allocation, Tropical cyclone risk, Coastal shelterbelt forest, Gradual Easy Constraint Method

S718.55

A

1004-7743（2014）04-0051-06

国家“十一五”科技支撑专题（2009BADB2B03）

2014-10-11