中国东北国有林区林业生态安全动态变化研究生态与产业共生视角

陈 岩,张智光,廖 冰(南京林业大学 a.经济管理学院;b.环境与发展系统工程研究所,江苏 南京 210037)

中国东北国有林区林业生态安全动态变化研究生态与产业共生视角

陈 岩a,b,张智光a,b,廖 冰a,b
(南京林业大学 a.经济管理学院;b.环境与发展系统工程研究所,江苏 南京 210037)

基于生态和产业共生理论,应用林业Lotka-Volterra共生模型和算法对我国东北部内蒙古、黑龙江、吉林3个国有林区1993—2014年的林业生态安全动态变化进行测度研究。通过森林生态和林业产业间的共生度指数S(k)的大小、森林生态受力指数SE(k)和林业产业受力指数SI(k)的正负号对内蒙古、黑龙江、吉林3个省区22年来的林业生态安全情况进行动态分析。结果显示:三个省区从2000年天然保护林一期工程实施开始,经过几年的红色或橙色等预警交替出现的状态,到了2008年以后基本上都开始出现健康级绿色安全状态。通过这三个省区的动态变化趋势可见,我国实施的天然林保护工程对国有林区林业生态的恢复起到了重要的作用。

林业生态安全;生态与产业共生;Lotka-Volterra模型;国有林区;动态变化

1 引言

天然林资源是我国森林资源的主体,在维持生态平衡、保护生物多样性和提高环境质量等方面发挥着重要的作用。内蒙古自治区、黑龙江省和吉林省的国有林区地处我国大、小兴安岭和长白山脉,是我国天然林资源分布最集中、资源最丰富的国有林区,生态地位十分重要[1]。建国以来,内蒙古、黑龙江和吉林省等国有林区共向国家提供了约10亿m3的木材,为我国的经济建设做出了重大贡献。同时,由于森林资源过量采伐,国有林区的人口急剧膨胀,使国有林区的天然林资源锐减,生态环境遭受了巨大的破坏[2]。国有林区的森林资源同时为自然生态和林业产业提供了资源，当林业产业的资源需求量过大时,就会侵占生态环境利益,使国有林区的林业生态安全受到挑战。1998年国家启动了重点国有林区天然林资源保护工程,2000年国务院正式批复天然林保护工程，一期工程为2000—2010年、二期工程为2011—2020年。本文研究了内蒙古、黑龙江、吉林三个国有林区1993—2014年的林业生态安全动态变化情况,分析了这段时期国家天然林保护工程对林业生态安全起到的作用。

林业生态安全研究最早是由德国在20世纪70年代末期开始进行的,他们主要进行了森林健康内涵及其测度研究[3]。21世纪初,加拿大[4]、澳大利亚[5]、美国[6]等学者以本国森林为研究对象进行了森林生态健康测度研究。我国林业主管部门是在第七次全国森林资源清查(2004—2008年)中首次增加了森林健康、森林质量和森林生态安全等反映森林生态健康状况的指标。在学术领域,我国学者主要从森林生态系统自身的健康评价与影响因素研究开始[7],主要集中在构建森林生态健康的评价指标体系[8,9],研究贸易[10]和制度[11]等因素对森林生态安全的影响,并在一些敏感的区域[12,13]和省域[14,15]进行了森林生态安全的实证分析。近几年,一些学者对森林生态安全的内涵进行了扩展,提出了林业生态安全的概念[16],认为林业生态安全包括:林业产业安全、森林生态安全、林业产业与森林生态共生关系安全,并研究了基于此内涵角度的评价模型和测度方法[17]。从有关文献综述可见,国内外学者最初的研究内容主要是针对森林生态系统自身健康状况进行的,目前已扩展到在人类社会对林业产业活动的影响下,森林生态和林业产业共生关系方面的安全研究。

基于产业和生态共生理论,我们对2014年全国各省区的林业生态安全预警评价进行了研究[18]。本文是基于产业和生态共生的角度来分析内蒙古、黑龙江、吉林三个省份国有林区从1993—2014年的林业生态安全动态变化情况,主要目的是对这三个省区的林业生态安全进行动态变化趋势进行研究,同时也可分析在这段时期内国家启动的天然林保护工程的一期工程对林业生态安全的促进效果。

本文的数据来源为: 1993—2014年的《林业统计年鉴》、《中国统计年鉴》、《中国环境统计年鉴》、《内蒙古自治区统计年鉴》、《黑龙江省统计年鉴》和《吉林省统计年鉴》。

2 林业生态安全L-V共生模型及其算法

2.1 林业生态安全测度的L-V共生模型

本文运用前期研究构建的林业产业—森林生态复合系统Lotka-Volterra共生模型(简称“林业L-V共生模型”),结合指标体系法和特征指数法两种方法,构建了林业产业—森林生态复合系统的共生度指数S(k)[16,17],作为林业生态安全的综合特征指数,对林业生态安全状况进行定量测度。

共生度指数S(k)公式为(限于篇幅,具体推导过程见有关文献[17]):

(1)

式中,SI(k)为林业产业共生受力指数,SE(k)为森林生态共生受力指数。

共生度指数S(k)的生态经济意义主要是反映林业产业与森林生态子系统的共生关系的优劣程度。在林业产业—森林生态复合系统中,两个子系统SI(林业产业子系统)与SE(森林生态子系统)具有资源竞争特性,相互之间会产生作用力[19],并且生存条件都依赖于森林资源。

SI(k)=-[φI(k)C(k)-I(k)]/E(k)

SE(k)=-[φE(k)C(k)-E(k)]/I(k)

(2)

式中,φI(k)表示林业产业子系统的稳定性系数,φE(k)是森林生态子系统的稳定性系数,分别反映两个子系统达到稳定状态的程度,其计算公式为:

φI(k)=1-rI(k+1)/rI(k)

φE(k)=1-rE(k+1)/rE(k)

(3)

式中,rI(t)表示第t年的林业产业水平增长率,本文采用产业水平指数增长率计算;rE(t)表示第t年的森林生态水平增长率,本文采用生态水平指数增长率计算。

2.2 基本指数的评价指标体系构建

本文运用林业L-V共生模型进行林业生态安全测度,需要计算出3个基本指数(林业产业水平指数I、森林生态水平指数E、森林环境容量指数C)、2个共生受力指数(SI(k)和SE(k))、林业产业和森林生态之间的共生度指数S(k)。

根据林业生态安全(FES)的内涵[20],运用压力—状态—影响—响应[21](PSIR)模型,并结合专家咨询和实地调研等方法,进行各项指数的评价指标的筛选,形成林业生态安全中反映林业产业水平、森林生态水平和环境容量水平的评价指标体系[22],具体的评价指标体系见表1。

表1 基本指数的评价指标权重计算结果

2.3 基于熵权法的指标权重测算

本文运用熵权法对三类指数的评价指标体系进行权重的计算。熵权法是一种客观的指标权重确定方法[23],通过搜集各个指标的客观数据,并根据各指标数据传递给决策者的信息量的多少来确定其权重,评价结果能从客观上反映被评价对象在发展速度和发展水平上的状态[24]。然后,在有关统计年鉴上查找指标数据,并运用熵权法计算得到各个指标的权重(表1)。各评价指标权重主要是按照林业产业水平指数I、森林生态水平指数E、森林环境容量指数C分别进行归一化调整后的计算结果,见表1中权重一列所示。

2.4 基本指数的合成算法

首先将各统计年鉴上收集到的各项评价指标数据先进行标准化和归一化处理,再运用式(4)计算出3个基本指数最终的综合评价值:

(4)

式中,Z分别代表三个省区的林业产业水平指数I、森林生态水平指数E、森林环境容量指数C;wj为各项指标的权重;yij为第i省第j个指标经过标准化处理后的数值。

2.5 林业生态安全级别的判断标准

本文采用双特征指数法对林业产业—森林生态复合系统的林业生态安全性进行判断,即采用森林生态安全受力指数SE和共生度指数S两个指数联合判断。双特征指数判断标准见表2(限于篇幅,具体原理见相关参考文献[17])。

从表2可见,我们把林业生态安全性划分为8个安全区/级,从低到高依次为:危险级、高风险级、风险级、低康复级、中康复级、高康复级、亚健康级、健康级。8个安全区级对应的8个预警等级分别为:红色预警、橙色预警、黄色预警、转折橙色预警、转折黄色预警、转折蓝色预警、蓝色预警、绿色安全状态。

表2 林业生态安全级别的双特征指数判断标准

3 林业生态安全测度结果及指标回溯

本部分计算出内蒙古、黑龙江、吉林三个省区的测度指数SI(k)、SE(k)和S(k)的值,并根据表2中的双特征动态判断标准对三个省区(1993—2014年)进行林业生态安全进行动态测度和预警判断,分析内蒙古、黑龙江、吉林三个国有林区从1993—2014年的林业生态安全动态变化趋势,并对个别年份的波动原因进行指标回溯分析,针对不同级别的林业生态安全情况采取相应的措施[25],不断加强对林业生态系统的管理，使林业生态安全控制在安全范围内。

3.1 内蒙古自治区林业生态安全测度分析

内蒙古自治区的林业概况:内蒙古自治区地处祖国北部边疆,生态区位十分重要。内蒙古自治区的国土面积为118.3万km2。根据2013年全国森林资源清查统计,内蒙古自治区的林业用地面积43.93万km2、森林面积24.87万km2,均居全国第一位;天然林面积为14.01万km2,居全国第二位;活立木总蓄积14.8亿km3居全国第五位,区域内森林覆盖率达到21.03%。境内有大兴安岭原始森林和11片次生林区,中部高原有大面积的人工林和天然次生林。内蒙古自治区既是森林资源大省区,又是荒漠化大省区,生态保护和建设任务艰巨、责任重大,正在实施包括天然林保护工程在内的国家六大林业重点工程,生态环境得到了一定的改善。

测度结果分析:经过具体的计算,内蒙古自治区1993—2014年的产业水平指数I、生态水平指数E、环境容量指数C、林业产业受力指数SI(k)、森林生态受力指数SE(k)和产业生态共生度指数S(k)见表3。从表3可见,内蒙古自治区在1993—2008年期间,林业生态安全状况基本上属于高风险级和危险级等交替存在的现象,2009—2014年基本保持健康级的绿色安全状况。

表3 内蒙古1993—2014年林业生态安全测度指数值及评价结果

原因回溯分析:针对内蒙古自治区林业生态安全的发展趋势,以及在2009年后个别年份出现的波动情况,这里对部分指标进行了趋势和原因分析,具体见图1、2。从图1可见,自内蒙古自治区自从天然保护林工程实施以来,林业第二产业的比重逐年下降,但从2005—2008年又有几年出现回升势头。

图1 内蒙古自治区1993—2014年林业第二产业比重趋势

从图2可见,内蒙古自治区森林消长比呈逐年下降趋势,但在2004—2006年出现了回升的势头。综上所述,2004—2006年内蒙古自治区在生态恢复过程中的林业第二产业比重和森林消长比出现波动,所以这几年内蒙古自治区林业和生态安全状态也呈现出高风险的橙色预警和危险的红色预警。

图2 内蒙古自治区1993—2014年林业森林消长比趋势

3.2 黑龙江省的林业生态安全测度分析

黑龙江省林业概况:黑龙江省土地面积为45.4万km2、林地面积24.53万km2,活立木总蓄积量17.6亿km3,森林覆盖率45.7%,省内湿地面积8.84万km2,居全国第一。黑龙江省森林资源丰富,是我国北方重要的天然生态屏障,在维护国家生态安全、粮食安全等方面发挥着重要的作用。自实施林业重点生态工程以来,黑龙江省逐步进行了产业结构优化,形成了森林培育、木材加工、森林生态旅游、森林绿色食品和医药等多产业并举的发展格局。

测度结果分析:经过具体的分析计算,黑龙江省1993—2014年的产业水平指数I、生态水平指数E、环境容量指数C、林业产业受力指数SI(k)、森林生态受力指数SE(k)和产业生态共生度指数S(k)见表4。从表4可见,黑龙江省1993—2003年基本上是高风险的橙色预警、风险级黄色预警和亚健康级的蓝色预警状态。从2004年开始黑龙江省基本上是生态和产业互利共赢的共生状态,在2006年和2011年等个别年份出现了橙色和红色预警。

表4 黑龙江省1993—2014年林业生态安全测度指数值及评价结果

原因回溯分析:本文针对黑龙江省的共生评价指标进行了深入分析,分析结果见图3、图4。

图3 黑龙江省1993—2014年林业第二产业比重趋势

图4 黑龙江省1993—2014年生态林面积比重趋势

从图3、图4可见,黑龙江省的林业第二产业比重在2003—2005年间有一个断崖式的下跌,而生态林面积比重在这几年也有一个跳跃式的回升,这两种因素使2004年和2005年黑龙江省的的林业产业和生态之间产生互利共赢共生,呈现健康级绿色状态。而在2006年和2011年黑龙江省的生态林面积比重出现了回落,导致出现了生态或产业获利的单利模式,出现高风险级橙色预警和危险级的红色预警。

3.3 吉林省林业生态安全测度分析

吉林省的林业概况:吉林省是全国重点林业省份之一,全省林业用地总面积9.3万km2,森林覆盖率达到43.9%,活立木总蓄积量9.7亿km3。吉林省东部的长白山区素有“长白林海”之称,是全国重要的木材生产基地,也是吉林省松花江、鸭绿江、图们江三大水系的发源地,在整个东北乃至东北亚地区的生态系统中占有非常重要的位置。从2000年开始，吉林省全面推进天然林重点生态工程建设,生态环境得到了较大改善。

测度结果分析:经地具体的计算,吉林省1993—2014年的产业水平指数I、生态水平指数E、环境容量指数C、林业产业受力指数SI(k)、森林生态受力指数SE(k)和产业生态共生度指数S(k)见表5。从表5可见,吉林省的产业和生态共生状况在1993—2004年期间是危险级的红色预警、风险级的黄色预警和亚健康级蓝色预警相互交替出现的情况,2000—2004年吉林省为亚健康状态,已趋于好转,但在2005年、2006年和2012年又分别出现了危险级红色预警，这值得引起我们的高度重视。

表5 吉林省1993—2014年林业生态安全测度指数值及评价结果

图5 吉林省1993—2014年生态林面积比重趋势

原因回溯分析:为了探究吉林省2005年、2006年和2012年分别出现了危险级红色预警的原因,我们对有关指标进行了原因分析,见图5和图6。从图5可见,吉林省生态林面积比重趋势基本上是一个上升的良好趋势,但在2006年和2012年出现了阶段性的低点。从图6中可见,吉林省森林消长比是一个下降的好转趋势,但在2005年和2006年出现了回升。此外,从其他指标可看出在这两年存在着产业侵占生态的状况,这也应引起我们的高度重视。由于篇幅原因,不再赘述。

图6 吉林省1993—2014年森林消长比趋势

4 结论

基于林业生态与产业共生的视角,本文研究了林业生态安全的测度问题,运用林业生态安全测度的林业共生L-V模型和算法对内蒙古、黑龙江和吉林3个省区在1993—2014年的林业生态安全状况进行了动态趋势分析。

林业生态安全动态变化趋势分析:1993—2007年内蒙古、黑龙江和吉林三个省区的林业安全状况都处于亚健康级、风险级、高风险级和危险级交替出现的状况,2008年之后这三个省区的生态安全状态逐渐都转为绿色安全的健康级,但有个别年份仍存在一些波动,如内蒙古自治区在2013年出现了蓝色预警,黑龙江省在2011年、2013年出现了危险级的红色预警,吉林省在2012年出现了危险级的红色预警。

林业生态安全变化趋势的指标回溯分析:内蒙古、黑龙江和吉林三个省区的林业总产值虽然呈现出逐年上升的趋势,但林业第二产业的比重、森林消长比重要指标(逆向指标)呈现逐年下降趋势,而且这三个省区的森林覆盖率、生态林面积比重、人均绿地面积、单位造林面积和林业资源投资占比(正向指标)等指标均呈现逐年上升趋势,这些都对我国东北国有林区的森林生态健康安全的恢复起着重要的作用。同时,由于森林消长比、生态林面积比重、林业资源投资占比等指标的波动,造成了内蒙古自治区在2013年、黑龙江省在2011年、吉林省在2012年等个别年份出现了不同程度的预警。

林业生态安全变化趋势的政策作用分析:1998年我国做出了实施天然林资源保护工程的重大决策,同年开展了试点工作。国务院于2000年10月批准了《东北、内蒙古等重点国有林区天然林资源保护工程实施方案》,天然林保护工程一期的期限为2000—2010年。通过对内蒙古、黑龙江和吉林三个省区林业生态安全状况和重要指标的分析可见,2000年之后这三个省区各项指标对林业生态的恢复均起到了较大的作用,但资源环境的恢复需要一定的时间,所以三个省区在2000—2007年期间生态环境状况逐渐好转,到了2008年之后基本上都达到了林业产业和生态安全共生的健康发展态势。通过三个省区的林业生态安全动态趋势可见,我国的天然林一期保护工程取得了较好的成果。目前国家林业局下达了从2016年开始所有天然林全部停伐的决定,天然林资源保护工程二期工程也开始启动(2011—2020年),这些政策的提出对我国东北国有林区的生态恢复都具有进一步的推动作用。但针对三个省区个别年份出现波动预警的情况，在一定程度上反映出在政策执行过程中要始终坚持不懈，确保这三个省区国有林区的生态恢复。

林业生态安全测度方法的特点分析:本文通过实证分析进一步验证了我们提出的林业共生L-V模型和算法具有两个优势:指标体系法和特征指数法相结合有利于回溯分析林业生态安全状况所产生的原因，运用双特征动态判断矩阵可进行前因性预警和后果性预测。

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StudyonDynamicChangesofForestEcologicalSecurityofStated-ownedForestAreasinNortheastChinaBasedonEcology-IndustrySymbiosis

CHEN Yana,b,ZHANG Zhi-guanga,b,LIAO Binga,b
(Nanjing Forestry University a.College of Economics and Management;b.System Engineering Institute for Environment and Development,Nanjing 210037,China)

This paper used the forestry L-V symbiosis model to study on the dynamic changes of forest ecological security of the stated-owned forest areas of Inner Mongolia,Heilongjiang and Jilin Provinces in Northeast China based on ecology-industry symbiosis.We could judge dynamic changes of forestry ecological security of each stated-owned forest areas by measuring the size of S(k),also by the plus or minus of SI(k) and SE(k).The calculation results showed that the red alert and orange alert appeared alternately during 1993-2007,and health level green situation appeared during 2008-2014.Through the analysis of the dynamic change trend of the 3 provinces,we could conclude that the natural forest protection project in our country played an important role in the restoration of the forest ecology.

forestry ecological security;ecology-industry symbiosis;Lotka-Volterra model;state-owned forest areas;dynamic changes

10.3969/j.issn.1005-8141.2017.04.006

F320；S718.55+7

A

1005-8141(2017)04-0411-06

2017-02-15；

2017-03-24

国家自然科学基金项目(编号:71173107);教育部高等学校博士点基金博导类课题项目(编号:20113204110005);国家林业局软科学研究项目(编号:2013-R07);国家自然科学基金项目(编号:71403122);教育部人文社科基金青年项目(编号:14YJC630018);江苏省自然基金青年项目(编号:BK20140980)。

陈岩(1977-)，女,吉林省农安人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事管理科学与工程、生态管理工程、水资源管理、生态经济等研究。

张智光(1958-),男,福建省福州人,博士,教授,博士生导师,主要从事林业与环境经济系统工程研究。