逐步寬容約束法對(duì)浙東沿海防護(hù)林空間優(yōu)化配置研究*

洪奕豐張震朱磊王小明

（1 國(guó)家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 浙江杭州 310019; 2 四川省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院四川成都 610000; 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所 浙江富陽 311400）

逐步寬容約束法對(duì)浙東沿海防護(hù)林空間優(yōu)化配置研究*

洪奕豐1張震2朱磊1王小明3

（1 國(guó)家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院 浙江杭州 310019; 2 四川省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院四川成都 610000; 3 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所 浙江富陽 311400）

以Landsat TM影像為信息源，通過選取熱帶氣旋頻數(shù)、人口密度、耕地面積密度、地均GDP和人均第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值五個(gè)指標(biāo)，采用層次分析法和加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法，評(píng)估浙東熱帶氣旋的綜合風(fēng)險(xiǎn)；并以此為基礎(chǔ)，引入多目標(biāo)逐步寬容約束模型，實(shí)施浙東沿海防護(hù)林的空間優(yōu)化配置。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①沿海防護(hù)林面積明顯增加，增幅達(dá)5.4%，森林覆蓋率由48.7%增至51.3%；②森林結(jié)構(gòu)趨于合理，針葉林、闊葉林、混交林和灌木林面積比例分別由優(yōu)化前的64.77%、19.84%、8.36%、7.03%調(diào)整為40.30%、37.34%、18.06%、4.30%，有效解決了針葉林比重過大的問題；③土地利用服務(wù)價(jià)值各指標(biāo)均有明顯增加，生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益增幅分別為3.7%、2.4%和5.5%；④實(shí)現(xiàn)了分區(qū)、分級(jí)、分目標(biāo)的防護(hù)林優(yōu)化配置，生態(tài)效益各指標(biāo)均隨熱帶氣旋綜合風(fēng)險(xiǎn)的增加呈明顯的上升趨勢(shì)，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益正好相反。

空間優(yōu)化配置； 熱帶氣旋風(fēng)險(xiǎn)；沿海防護(hù)林；多目標(biāo)逐步寬容約束模型

沿海防護(hù)林是沿海地區(qū)重要的生態(tài)屏障，是以海岸帶為主線、以人工植被為主體的多林種、多樹種、網(wǎng)片帶電、多能高效的沿海人工森林生態(tài)系統(tǒng)，在保育水土、涵養(yǎng)水源、防風(fēng)固沙、維持區(qū)域生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著重要作用。自上世紀(jì)90年代初啟動(dòng)“沿海防護(hù)林體系工程建設(shè)”以來，浙東地區(qū)森林資源得到了有效保護(hù)，森林覆蓋率快速增加，防災(zāi)減災(zāi)能力明顯增強(qiáng)，但浙東地區(qū)沿海防護(hù)林質(zhì)量整體不高，普遍存在針葉林多、闊葉林少；中幼林多、成熟林少；覆蓋率高、林分質(zhì)量差等問題，嚴(yán)重影響了生態(tài)防護(hù)功能的正常發(fā)揮。因此，如何實(shí)現(xiàn)防護(hù)林空間優(yōu)化配置、提高林分質(zhì)量，是當(dāng)前浙東防護(hù)林建設(shè)亟待解決的關(guān)鍵問題。

防護(hù)林的優(yōu)化配置是該體系建設(shè)的難點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者已對(duì)其進(jìn)行深入研究，取得了可喜成果[1-4]。然而，由于地域、生長(zhǎng)環(huán)境等不同，導(dǎo)致研究成果的通用性較差，難以實(shí)現(xiàn)大范圍、規(guī)模化的有效配置[5,6]。隨著沿海防護(hù)林體系和功能研究的不斷深入，采用空間優(yōu)化技術(shù)對(duì)沿海防護(hù)林進(jìn)行配置的方法日趨成熟，主要包括：層次分析法、多目標(biāo)灰色局勢(shì)決策法、聚類分析法、綜合評(píng)價(jià)法、目標(biāo)規(guī)劃模型法和專家系統(tǒng)法[7-12]等，但多數(shù)只解決數(shù)量或結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，無法實(shí)現(xiàn)空間對(duì)位配置。

本文以Landsat TM影像為信息源，在分析浙東熱帶氣旋綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，采用多目標(biāo)逐步寬容約束模型，研究浙東沿海防護(hù)林的空間優(yōu)化配置，旨在尋求適合沿海防護(hù)林優(yōu)化配置的有效方法，以期促進(jìn)浙東沿海防護(hù)林綜合效能的發(fā)揮，保障區(qū)域生態(tài)安全。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

以浙江東部沿海三市為研究區(qū)，包括寧波、臺(tái)州和溫州，三面環(huán)海，地跨東經(jīng)119°～123°，北緯27°12′～ 31°30′，總面積2.97×104km2。整體地勢(shì)西南高、東北低，地貌由低山丘陵和濱海平原兩部分組成。浙東屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，四季分明、雨熱同期，冬夏季風(fēng)交替明顯，年均降雨量在980～2000mm之間，盛行東到東南風(fēng)。

沿海防護(hù)林是浙江省森林的重要組成部分，浙東三市森林覆蓋率45.28%，林業(yè)用地面積1.47×104km2，浙東地處中亞熱帶常綠闊葉林區(qū)，森林類型多樣，包括針葉林、闊葉林、混交林、灌木林等主要類型。從樹種組成上看，主要有馬尾松、濕地松、木麻黃、香樟、楓香和杉木等。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 遙感數(shù)據(jù)

采用2005年覆蓋浙東地區(qū)的4景Landsat TM影像作為遙感信息源，空間分辨率30m，軌道號(hào)分別為118039、118040、118041、119039。

1.2.2 土地利用數(shù)據(jù)

依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行《土地利用現(xiàn)狀分類》(GB/T21010-2007)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[13]，結(jié)合研究區(qū)具體情況，將浙東地區(qū)土地覆被劃分為有林地、灌木林、草地、耕地、建筑用地、水體、其它用地7個(gè)一級(jí)類，其中有林地包括針葉林、闊葉林、混交林3個(gè)二級(jí)類，共10個(gè)類型。

1.2.3 綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的選取是綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型構(gòu)建的關(guān)鍵，直接影響到評(píng)估的結(jié)果和精度。本文以充分發(fā)揮沿海防護(hù)林體系生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益為考慮，選取熱帶氣旋頻數(shù)（X1）、人口密度（X2）、耕地面積密度（X3）、地均GDP（X4）和人均第三產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值（X5）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中，X1采用2005年登陸浙東地區(qū)的臺(tái)風(fēng)以上級(jí)別的熱帶氣旋；X2采用浙東地區(qū)第六次人口普查數(shù)據(jù)；X3、X4、X5參照浙江統(tǒng)計(jì)年鑒（2005）[14]。

1.3 研究方法

1.3.1 綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是指通過風(fēng)險(xiǎn)分析的手段，對(duì)尚未發(fā)生的災(zāi)情程度進(jìn)行評(píng)定和估計(jì)的過程。為避免使用一種方法而存在的主觀性和收斂速度不一致的弊端，本文將層次分析和加權(quán)綜合評(píng)價(jià)方法相結(jié)合，開展研究區(qū)熱帶氣旋綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

（1）層次分析法

根據(jù)返回的30份專家意見資料，比較五個(gè)指標(biāo)間兩兩重要程度，構(gòu)造判斷矩陣A（表1）。

表1 指標(biāo)體系權(quán)重判斷矩陣Table 1 Weight judgment matrix of index

經(jīng)層次單排序及總排序，W=[0.7995, 0.4568, 0.3382, 0.1769, 0.0806]，λmax=5.22，CR=0.049<0.10。認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性。

（2）加權(quán)綜合評(píng)價(jià)法

其中，V是綜合風(fēng)險(xiǎn)值；Wi是指標(biāo)i的權(quán)重；Di是指標(biāo)i的歸一化值；n是參與評(píng)估的指標(biāo)個(gè)數(shù)。

1.3.2 逐步寬容約束模型

決策變量：針葉林x1、闊葉林x2、混交林x3、灌木林x4、草地x5、水體x6、建筑用地x7、耕地x8、其它用地x9。

根據(jù)熱帶氣旋綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的結(jié)果，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)類型中的各功能類型進(jìn)行權(quán)重的調(diào)整：高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)×2；中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)×1.2；低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)×1。得到不同類型單位面積生態(tài)服務(wù)價(jià)值，作為生態(tài)效益計(jì)算的基礎(chǔ)。社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，采用專家打分法，以各類型對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益的貢獻(xiàn)率作為決策變量的系數(shù)。

目標(biāo)函數(shù)：

其中，iP為區(qū)域第i類土地利用類型生態(tài)服務(wù)價(jià)值比例得分；iα、iβ分別為區(qū)域第i類土地利用類型社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益貢獻(xiàn)率系數(shù)；n為參與規(guī)劃的土地利用類型總數(shù)。

約束條件：

沿海防護(hù)林功能約束：

其中，Xi為區(qū)域第i類土地利用類型面積；S為區(qū)域土地總面積；Sl為區(qū)域當(dāng)前林地面積；Sg為區(qū)域耕地需求總量；Ks為糧食自給率；Fe為人均糧食消費(fèi)水平；R為總?cè)丝?；Fp為單位播種面積的糧食產(chǎn)量；Kt為糧食作物播種面積占農(nóng)作物播種面積比重；Kd為糧食復(fù)種指數(shù)；Fds為需自行解決的糧食量；Sj為區(qū)域當(dāng)前建筑用地面積；Sw為區(qū)域當(dāng)前水資源面積；Sq為區(qū)域當(dāng)前其它用地面積；Pfi為區(qū)域第i類林地類型的單位面積森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Pf為區(qū)域當(dāng)前森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Pti為區(qū)域第i類土地利用類型的單位面積生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值；Pt為區(qū)域當(dāng)前生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)總價(jià)值；Pfhi、Pfbi為區(qū)域第i類林地類型的單位面積涵養(yǎng)水源、保持水土服務(wù)價(jià)值；Pthi、Ptbi為區(qū)域第i類土地利用類型的單位面積涵養(yǎng)水源、保持水土服務(wù)價(jià)值；Pfh、Pfb為區(qū)域當(dāng)前林地的涵養(yǎng)水源、保持水土服務(wù)總價(jià)值；Pth、Ptb為區(qū)域當(dāng)前土地利用類型涵養(yǎng)水源、保持水土服務(wù)總價(jià)值；ε∈U [0.3,0.4]，U [0.3,0.4]為[0.3,0.4]間的一隨機(jī)數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱帶氣旋綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

按照上述模型，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值的不同，劃分為高、中和低風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)類型（表2）。

表2 浙東熱帶氣旋綜合風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分及標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Division and Standard of Comprehensive Risk in eastern Zhejiang

分析圖1可知，熱帶氣旋綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與臺(tái)風(fēng)以上級(jí)別熱帶氣旋的路徑特征有較明顯的相關(guān)性。蒼南的綜合風(fēng)險(xiǎn)最高，為1.09；溫州甌海區(qū)綜合風(fēng)險(xiǎn)最低，僅有0.36，蒼南高出了202.8%。溫嶺、寧海、象山、樂清和玉環(huán)等地區(qū)，綜合風(fēng)險(xiǎn)值也較高。

圖1 浙東熱帶氣旋綜合風(fēng)險(xiǎn)圖Fig.1 Comprehensive risk of tropical cyclone in eastern Zhejiang

2.2 沿海防護(hù)林優(yōu)化配置模型

借助SPSS V16.0和DPS V7.05數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，求取最優(yōu)解；之后利用ArcGIS的空間分析功能，實(shí)現(xiàn)空間對(duì)位配置。

表3 浙東沿海防護(hù)林優(yōu)化配置前后結(jié)構(gòu)對(duì)比Table 3 Comparison between coastal windbreak actuality and optimization result in eastern Zhejiang

2.3 優(yōu)化配置前后結(jié)果分析

2.3.1 沿海防護(hù)林結(jié)構(gòu)變化

分析表3可知，浙東地區(qū)針葉林面積比重較大，達(dá)64.77 %，闊葉林和混交林的比重偏小，分別為19.84 %和8.36%，結(jié)構(gòu)不合理。配置后，針、闊、混、灌的面積比重分別為40.30%、37.34%、18.06%和4.30%，有效解決研究區(qū)針葉林比例過大的問題，保證了物種多樣性，森林結(jié)構(gòu)趨于合理。風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)方面，優(yōu)化配置后各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)森林面積均有明顯增加，高、中、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分別為39492 hm2、25381 hm2、13400 hm2，其中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)增幅最大9.6%，中、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分別為3.7%、3.9%。結(jié)構(gòu)方面，混交林和闊葉林面積均明顯增加，針葉林和灌木林面積均顯著減少的趨勢(shì)，與研究區(qū)的整體趨勢(shì)一致，符合熱帶氣旋綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的規(guī)律。

2.3.2 土地利用服務(wù)價(jià)值變化

圖2 浙東土地利用優(yōu)化前后服務(wù)價(jià)值比較Fig.2 Comparison between land use actuality and optimization result in eastern Zhejiang

通過分析配置前后各土地利用服務(wù)價(jià)值變化情況發(fā)現(xiàn)（圖2a），研究區(qū)各土地利用服務(wù)價(jià)值均有不同程度的提升。生態(tài)服務(wù)總價(jià)值（tP）方面，表現(xiàn)為由413.44億元·hm-2·a-1增至428.79億元·hm-2·a-1，增幅達(dá)3.7%。其中森林生態(tài)服務(wù)價(jià)值（Pf）增幅最大，達(dá)23.5%；其次是林地涵養(yǎng)水源價(jià)值（Pfh）和保持水土價(jià)值（Pfb），分別增加了15.02億元·hm-2·a-1和11.60億元·hm-2·a-1，增幅同為23.8%；涵養(yǎng)水源總價(jià)值（Pth）和保持水土總價(jià)值（Ptb）則增幅較小，僅為1.8%和3.4%。社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益方面，增幅分別為3.7%和7.0%。

分析圖2b、2c、2d可知，三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)生態(tài)服務(wù)總價(jià)值均呈上升趨勢(shì)，其中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)增幅最大（7.7%），其次是中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)3.8%，低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)貢獻(xiàn)率最小（2.3%），表現(xiàn)為隨著熱帶氣旋綜合風(fēng)險(xiǎn)的增加呈明顯上升趨勢(shì)。社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益方面，高、中、低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分別為1.8%、1.9%、3.7%和4.3%、5.4%、7.0%，均表現(xiàn)出隨著熱帶氣旋風(fēng)險(xiǎn)的上升呈下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論與討論

（1）浙東森林面積增加明顯，增幅達(dá)5.4%，森林覆蓋率由48.7%調(diào)整至51.3%。優(yōu)化后浙東地區(qū)闊葉林和混交林面積比重分別增加了17.50%和9.70%，針葉林和灌木林面積比重分別減少了24.47%和2.73%。說明闊葉林和混交林比其他樹種穩(wěn)定性高，能發(fā)揮更大的生態(tài)效益，這與何友軍[45]、于志民[46]等人的研究結(jié)論一致。因此，應(yīng)大力改造灌木林和針葉純林，通過補(bǔ)植補(bǔ)造針闊混交林，提高浙東沿海防護(hù)林體系的水源保護(hù)和土壤侵蝕防治功能，增加森林生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性，改善林分質(zhì)量。

（2）防護(hù)林優(yōu)化配置結(jié)果與熱帶氣旋綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果具有良好的一致性，符合自然規(guī)律，說明以沿海防護(hù)林防臺(tái)減災(zāi)為核心的綜合效益驅(qū)動(dòng)下，基于多目標(biāo)逐步寬容約束的方法適用于浙東宏觀尺度下沿海防護(hù)林的空間優(yōu)化配置。

（3）多目標(biāo)逐步寬容約束方法在土地利用優(yōu)化配置等方面已有成熟應(yīng)用，同時(shí)為宏觀水平沿海防護(hù)林的空間優(yōu)化配置提供了有效的方法和途徑。但是，沿海防護(hù)林體系的研建及優(yōu)化是極其復(fù)雜的問題，涉及不確定因素眾多。因此，在模型的應(yīng)用、指標(biāo)的篩選、約束條件的取舍以及閾值的設(shè)定等方面均需進(jìn)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

國(guó)家“十一五”科技支撐專題（2009BADB2B03）

2014-10-11