商洛市森林生态承载力时序变化分析

2023-05-30李群樊华烨辛云玲张水奎李涛弥芸

防护林科技 2023年2期

李群樊华烨辛云玲张水奎李涛弥芸

摘要为揭示区域森林生态发展格局，协调森林资源与社会经济的可持续发展关系，以商洛市为研究对象，使用熵权topsis法计算商洛市全域的森林生态承载力，分析比较2010年—2020年商洛市全域森林生态承载力的分布规律。结果表明：2010—2020年间，商洛市森林病虫害成灾率、森林火灾发生率、采矿业总产值、森林采伐量、工业废水排放量及农用化肥施用量占较大权重，减少人类活动对森林生态系统的有害干扰是提高商洛市森林生态承载力的重要途径；商洛市森林生态承载力总体呈现上升的趋势，社会经济压力处于“V”字形趋势，二者共同作用的情况下使得森林生态承载率呈现不稳定的波动上升趋势，总体承载状态从超载逐渐过渡到盈余。

关键词森林生态承载力;评价指标体系;熵权topsis;商洛

中图分类号：S718.55文献标识码：Adoi：10.13601/j.issn.1005-5215.2023.02.016

AnalysisoftheSequentialVariationofForestEcologicalCarryingCapacityinShangluoCity

LiQun1，FanHuaye1，XinYunling1，ZhangShuikui2，LiTao2，MiYun1

（1.ShaanxiAcademyofForestry，Xian710082，China;2.ShangluoForestryBureau，Shangluo726000，China）

AbstractInordertorevealthedevelopmentpatternofregionalforestecologyandcoordinatethesustainabledevelopmentrelationshipbetweenforestresourcesandsocialeconomy，bytakingShangluoCityastheobjectofstudy，thispaperusedtheentropyweighttopsismethodtocalculatetheforestecologicalcarryingcapacityofthewholeareaofShangluoCity，andanalyzedandcomparedthedistributionlawofforestecologicalcarryingcapacityinthewholeareaofShangluoCityfrom2010to2020.Theresultsshowedasfollows：from2010to2020，theincidenceofpestsanddiseases，theincidenceoffire，thetotaloutputvalueofminingindustry，forestlogging，industrialwastewaterdischargeandagriculturalchemicalfertilizerapplicationamountaccountedforarelativelylargeweight，soreducingtheharmfulinterferenceofhumanactivitiesonforestecosystemisanimportantwaytoimprovetheforestecologicalcarryingcapacityinShangluoCity;theforestecologicalcarryingcapacityofShangluoCitygenerallyshowedanupwardtrend，andthesocialandeconomicpressurewasina“V”-shapedtrend，underthecombinedeffectofthetwo，theforestecologicalcarryingrateshowedanunstableandfluctuatingupwardtrend，andtheoverallcarryingstatusgraduallytransferredfromanoverloadedstatustoasurplusstatus.

Keywordsforestecologicalcarryingcapacity;evaluationindexsystem;entropyweighttopsis;Shangluo

可持续发展是当今世界发展的中心议题。生态承载能力是反映人类社会和经济活动对生态和自然资源破坏的一个重要指标，是决定地区可持续发展水平的关键[1]。国内外学者针对生态承载力的概念、研究方法及区域单因素承载力已进行了许多研究，然而，生态系统的复杂性使得生态承载力的内涵、外延及核算仍具挑战。1921年Park等人将生态承载力概念引入到人类生态学中，它主要用于测量生态环境因素对人类社会发展的作用[2]。自那时以后，国内外有关生态承载能力的研究多集中在人口生态学方面。Smaal等[3]认为，在特定的时间里，生态承载量是指在特定的自然环境中所能承受的最大数量。Hudak[4]认为，在一定时期内，植物的生存能力是指植物能够提供的最大数量。在此时期，人们对生态承载能力的认识大致一致，即在目前条件下，自然環境可以容纳的最大人口数量。20世纪90年代以来，我国学术界从多个角度对生态承载力进行了较为深入的探讨，并对其内涵做出了阐释。杨贤智[5]认为，生态环境承载力是生态环境能抵抗外部干扰能力的反映，是一个生态系统的客观特性。顾康康[6]在原有概念的基础上进一步阐述了生态、资源、环境承载力之间的辩证关系。但从以往研究来看，对森林生态系统的承载能力进行的研究较少。国内学者中，虽然吴静和[7]、徐德成[8]等人对森林的生态承载能力进行了一些初步的探讨，但大部分都是对土壤承载能力的简单移植，并没有一个清晰的概念，而且更多的是定性的研究。同时，通过对国内外相关文献的分析可以看出，在大尺度上，我国的生态承载能力已有较多的研究成果，但在中小规模上却是比较缺乏的。森林生态承载力的研究主要集中在森林生态系统上，即在保证自然环境可持续发展的前提下，森林的生态功能能否保持本地区的社会和经济发展。就某一时期或某一固定地区来说，首先，森林的生态结构是明确的，说明了其承受能力也是明确的;其次，人类社会经济活动力度也是能够明确的，也就是说，人类社会经济活动对森林生态系统的压力也是能够进行描述的[9]。

本文从森林生态支撑力、社会经济压力这2个维度入手，使用熵权topsis模型对2010-2020年商洛市11年的森林生态承载力指数进行测算，目的是对商洛市森林承载力变化趋势进行基本判断，为商洛市森林生态状况评价和制定可持续发展战略提供参考。

1研究区概况

商洛市位于陕西省南部，隶属秦岭山区陕南地区，位于陕西省顶级生态空间腹地，同时也是我国森林城市之一。全市共划分7个区县，其中洛南、镇安、柞水三地被列为国家重点生态功能区，商南、山阳和丹凤部分乡镇被列为省级重点生态功能区，是全省生态空间治理体系中的典型区域。因境内有商山、洛水而得名，是秦岭腹地的重要山地城市之一，在其西北侧与西安市相邻，与鄂豫两省交界，东西长约229km，南北宽约138km，总面积19292km2，占全省总面积的9.36%。商洛市北接蟒岭，南边与流岭相连，汉江发源地丹江横贯全境，下辖6个县和1个地区，其区位特点十分突出，是西安市、安康市和十堰市的重要运输枢纽，在区位上有着明显的发展优势。由此可见，森林对商洛市乃至整个陕西省生态环境建设发挥了极其重要的作用，而“森林生态承载力”的研究对生态空间的分区施策、空间耦合、生态文明建设和生态安全预警等方面具有重要意义。

2研究设计

2.1数据来源

本研究的样本为商洛市2010—2020年11个年份的数据，所有数据均来自面板数据及“商洛市森林生态承载力评价研究”项目。资料的采集和填报是由商洛市林业局和陕西省林业勘查设计院完成，又经陕西省林业科学院审查，并经过项目组的专家和学者修改，于2022年4月完成。

2.2森林生态承载力指标体系的构建

森林生态承载力需要综合考虑资源环境子系统和社会经济子系统的共同影响。

2.2.1森林生态系统支撑力（X）指标体系的构建

森林生态支撑力指标体系应具有森林生态系统的生态本底现状和物质、能量的循环所呈现的特点，主要反映森林生态系统的特征状况，包含自然驱动力（X1）、生态结构（X2）及生态功能（X3）3个准则层。即分别从森林生态系统的属性、结构和功能三方面来描述。

2.2.2社会经济压力（Y）指标体系的构建

社会经济压力主要反映生态系统在人类社会活动作用下的资源供给能力和环境污染的容纳能力。主要包含资源能源消耗准则层（Y1）和环境污染排放准则层（Y2）。

针对部分指标数据年份连续性差或统计口径不一致等问题，剔除了相关性强而可获得性差的指标，最终确定了22个评价森林生态承载力的具体指标。通过文献综述，结合课题组专家意见，根据科学性、可操作性原则及商洛市森林生态与社会经济发展状况，选取了11个针对性较强且内涵丰富的指标，形成2个评价子系统，如表1所示。

2.3研究方法

2.3.1建立熵权模型

（1）数据标准化。本评价采用熵值法，利用极差标准化方法对参评指标进行量化统一。

对于正向指标：Zij=Xij-XminXmax-Xmin（1）

对于逆向指标：Zij=Xmax-XijXmax-Xmin（2）

式（1）和式（2）中，Zij、Xij为商洛市第i年森林生态支撑力的第j个指标下的标准化值与原始值，Xmax、Xmin分别为商洛市森林生态支撑力的第j个指标下的最大值和最小值。若各指标与森林生态支撑力存在显著的正相关关系，则可选用式（1），也就是数值越大指数越高，则说明森林生态支撑力愈强。反之，在各指数与森林生态支撑力存在显著的负相关系时，就应当选用式（2），即指数愈大指标愈小，说明其支持能力愈弱。

（2）指标信息熵值e和信息效用值d。商洛市第i年的第j项指标的信息熵为：

ej=-k∑ni=1ZijlnZij（i=1，2，3…n；j=1，2，3…m）（3）

式（3）中，常数k与商洛市各指标的不同时间段有关。对一个信息完全无序的系统，有序度为0，其熵值最大，n个样本处于完全无序状态分布时，Xij=1/n，此时：

k=1lnn（4）

某项指标的信息效用值d取决于该指标的信息熵与1之间的差值，计算公式为：

dj=1-ej（5）

（3）指标权重。利用熵权法估算各指标权重，可以得到第j个指标的权重为：

wj=dj∑mj=1dj（6）

2.3.2基于熵权法的topsis模型建立

（1）运用熵权ω构建加权规范化矩阵Z′ij，计算公式为：

Z′ij=ωjzij（i=1，2，3…n;j=1，2，3…m）（7）

（2）确定森林生态系统现状评价指标的正理想解和負理想解，分别构成森林生态系统现状的正理想解向量Z+和负理想解向量Z-，其计算公式为：

Z′+=（max{Z′11，Z′21…Z′n1}，max{Z′12，Z′22…Z′n2}…max{Z′1m，Z′2m…Z′nm}）（8）

Z′-=（min{Z′11，Z′21…Z′n1}，min{Z′12，Z′22…Z′n2}…min{Z′1m，Z′2m…Z′nm}）（9）

（3）计算森林生态系统现状评价指标与理想解的欧氏距离，为商洛市第i年的森林生态系统现状评价指标与正理想解的距离或为商洛市第i年的森林生态系统现状评价指标与负理想解的距离，其计算公式为：

D+i=∑mi=1wj（Z′+j-Z′ij）2（10）

D-i=∑mi=1wj（Z′-j-Z′ij）2（11）

（4）计算商洛市第i年的森林生态支撑力评价指数，其计算公式为：

Si=D-iD+i+D-iSi∈[0，1]（12）

社会经济压力评价指数的计算过程与森林生态支撑力计算方法一致，此处不再复述。

2.3.3森林生态承载力计算评估森林承载力的关键是揭示人类社会经济活动是否在森林生态系统承受范围内，并通过衡量人类活动实际影响形成的压力来描述承载力。因此，本文利用承载指数法，即将一定时期人类社会经济活动对森林的实际压力与森林承载力阈值进行比较，并将得到的相对数作为该指标的评价值来评价森林承载力。根据森林生态支撑力和社会经济压力的综合评价指数，得到森林生态承载率，其计算公式为：

I=森林生态支撑力指数X/环境污染压力指数Y（13）

式（13）中，当森林生态承载率I>1时，森林承载状态处于富余状态；当森林生态承载率I=1时，森林处于临界状态；当森林生态承载率I<1时，森林处于超载状态。通过该评价公式来评价商洛市的森林生态承载力状态。

3结果及分析

3.1森林生态承载力指标权重

本文采用基于指标变异性确定客观权重的“熵权法”计算权重。该方法的优点是在确定指标权重时不受主观因素的影响，使评价结果更加客观、准确和科学，各指标权重见表2。

在以上两个准则层中权重较大的指标有：森林火灾成灾率、森林病虫害成灾率、森林采伐量、采矿业总产值、农用化肥使用量等，这表明这些指标在不同年份的数据之间存在较大差距，并紧密影响着森林生态承载力的变化。由此可见，减少人类社会经济活动对环境的破坏、对森林生态系统的干扰及提高对森林火灾和病虫害的防范是加强商洛市森林生态承载力的关键。同时，区间型指标降水量和年均温的权重为0.0001，森林覆盖率权重为0.0011，说明该类指标几乎没有影响到商洛市的森林生态承载力，也显示了商洛市优越的水、热等生态区位条件及较高的区域森林覆盖率。而商洛市森林生态承载力下降的主要原因是人类经济活动带来的巨大压力。

3.2商洛市森林生态承载力指数与社会经济压力

利用Matlab软件，根据森林生态支撑力和社会经济压力子系统的各项指标权重及数据计算出商洛市2010—2020年各项指标得分，11年间森林生态支撑力指数和社会经济压力指数的变化趋势如图1所示。

结果表明，商洛市的森林生态支撑力总体呈现上升趋势，在2018年达到了最高值，其指数值为0.1778。这主要由于当年较高的天然林面积占比和森林覆盖率，以及在固碳释氧的生态功能方面优良表现。由表3可看出，在2011年，商洛市的森林生态支撑力为11年间的最低点，指数值仅为0.0348，主要由于受当年较高的火灾成灾率及虫害成灾率的影响，在2019年这一时间出现了急剧下降也是该原因所致。而社会经济压力总体呈现的是先下降后上升的“V”字形趋势：2010年，社会经济压力为最大指数值0.1142，该年度化肥施用量、废水的排放量均处于较高水平的同时，城镇化率和林业总产值、林产品总产却均为11年来最低；2015年社会经济压力指数下降到了最低，主要是由于多数压力因素逐年下降的同时，当年有了较高的林业总产值和木材采运量。由此进一步能够看出，虽然商洛市的森林生态支撑力总体处于上升状态，但因社会经济的加速发展，极大增加了对当地生态环境的压力。

3.3森林生态支撑力与社会经济压力动态分析

3.3.1森林生态承载率通过公式（13），根据森林生态支撑力指数和社会经济压力指数计算并按年进行比较，得到2010—2020年商洛市森林生态承载率指数（表3）。从各年份情况看，2010—2014年及2019年森林生态承载率较低，状态均为超载。2015—2018年及2020的生态承载率较高，状态均为盈余。

3.3.2基于时序演变的特征分析

分析图2可知，森林承载力虽有小幅波动但总体处于上升趋势，由最低点2011年的0.34上升到2018的2.06，7年间增加了1.72。2015—2018年商洛市森林生态承载率持续上升并且处于盈余状态，说明2014年以前及2019年当年，社会经济发展形成的压力超过了当年当地森林系统的承受范围，森林生态系统已经不能再进行自我更新的基础上提供更多的资源支撑和清洁环境；2014年后，森林资源的持续增加使得森林生态承载力持续升高，资源消耗及环境污染压力的持续下降使得森林生态现状可以承载当前社会经济发展状态，且商洛市林业产业发展及环境污染问题越来越受到重视，承载状态由超载逐渐变为盈余。由此可看出，实现商洛市可持续发展的目标，就要继续坚持绿色友好型的发展模式，促进生态文明建设及经济发展模式转型，建立健全森林生态安全预警系统，高效防治森林火灾及虫害等。

4结论与讨论

4.1森林火灾发生率、虫害致灾率、林木采伐量、采矿业产值、工业废水排放量、农用化肥使用量等指标权重较大，分别为0.6533、0.2374、0.1619、0.1970、0.1483和0.1707。因此，减少人类活动对森林生态系统的有害干扰，是提高商洛市森林生态承载力的重要途径。同时，应加强对森林火灾、虫害等灾害的防控措施，建立生态安全预警系统，以提高森林生态系统稳定性。

4.2从时间序列分布上较全面准确地掌握了整个商洛市的核心生态空间的森林生态承载力。从时间上看，2015、2018、2020年森林生态承载力相比有显著提高，分别为1.64、2.06和1.72。森林生态承载力不断提高。这表明，近年来商洛市社会经济发展快速推进，森林生态系统建设进度也日趋提速，二者的协调性日益增强。商洛市林业主管单位积极参与和推动的植被恢复项目、植树造林工程和生态富民工程，使林业经济得到快速发展，为商洛市生态文明建设及经济社会可持续发展奠定了良好基础。

4.3通过长时间序列对商洛市的森林生态承载力进行了定性加定量评估，以期区域森林生态承载力的评价分析技术与指标体系的构建能为未来陕西省其他地区及不同生态空间提供分析框架与技术路线。但本文的评价指标及评价体系尚有不足之处，由于在调查中缺少实地考察，在实际中除了年平均气温、年降雨量外，还有地质、气候等诸多因素对森林的生态环境产生一定的影响。其次，由于没有对县域进行详细的划分，无法进行横向的空间对比和分析。在未来的研究过程中，将会逐漸加入具体的指标和实际资料，从而使得森林的生态容量评估体系更为科学、合理和系统。

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