基于交通环境与多级综合评价的森林管理研究

徐路毅 刘源

石家庄铁道大学，河北石家庄　 050043

摘要 【目的】评估不同森林管理决策对森林综合效益的影响，以期减缓道路交通运营对环境的影响，提升森林系统的碳封存容量，为管理者制定合理的森林管理计划提供科学依据。【方法】以经济、生态和社会三方面的效益来评价管理计划，用主成分分析 (PCA)确立了影响这三大效益的 9个指标。基于层次分析法 (AHP)构建判断矩阵计算出了指标权重，建立了多级综合评价模型。设定管理决策的变化会影响森林系统四个组分的比例。以三大效益平衡为目标函数建立非线性规划模型，基于以模拟退火算法求出的近似最优比例建立决策模型并制定管理计划。最后以美国马克吐温森林为例进行模型仿真。【结果】将管理决策模型应用于马克吐温森林，仿真结果表明其 100年后的碳封存量将达到 14289kt，且经济、生态、社会三大效益指标的得分几乎相等，占比分别为 32%、 35%、 33%。【结论】合理砍伐森林的管理方式不仅增加了森林给当地带来的经济收益，而且能在很大程度上提升森林碳封存量，减缓温室效应及交通运营对环境的影响。同时，非线性规划和模拟退火算法能够满足复杂森林管理问题的需求。 关键词：道路交通环境 ; 层次分析法；非线性规划；模拟退火；碳封存

引言

森林管理是为实现一定的森林价值观，在一定的科学原理基础之上的森林管理措施。道路交通运营对环境的影响是不可避免的，交通设施建设和车辆行驶过程中会产生大量CO₂等温室气体，引起的环境破坏越来越引起人们的重视。我国自上世纪80年代以来，众多专家在道路交通运营对环境的影响、环境保护措施等方面开展了大量的研究^[1]。据IPCC评估报告显示，大气中CO₂浓度增加是引起全球变暖最主要的原因，森林对减缓气候变化发挥了重要的作用。

森林管理研究已有较长历史，已有研究表明^[2]，如果实施积极的森林管理计划，能激发森林的碳封存潜力；胡会峰等^[3]探讨了中国的森林管理存在的优势和不足和如何发挥森林在CO₂减排中的作用；森林管理研究通常以经济效益最大化为目标函数，以采伐速率小于森林的生长速率等为约束条件，但其并未考虑森林在生态和社会方面给当地带来的效益^[4]。国内外专家在森林管理方面开展了大量的研究，可见其具有很高的研究价值和现实意义。对于交通运营，森林具有防护、防污、护坡等作用，在减缓道路交通运营对环境的影响中扮演了重要的角色。能否合理地制定森林管理计划关乎国家的发展空间，我国应着眼于中华民族的长远利益，重视对森林管理规划的研究。

我国森林经历了长达数百年的不合理采伐，森林质量发生明显退化，具有很大的净化道路交通环境的潜力。森林是可再生资源，管理者可以用科学合理的经营模式实现森林在经济、生态和社会三方面效益越来越好的格局。以美国马克吐温森林为例，将模拟退火算法作为优化求解方法，基于非线性规划和多级综合评价建立了森林管理决策模型，评价不同决策行为对森林综合效益的影响，进而为提升我国森林资源的综合效益提供理论依据和技术支撑。

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2. 森林管理决策模型

交通运营过程中除了会产生CO₂等温室气体，还会产生CO等对人体健康有直接危害作用的污染物，对环境也有不同程度的危害。以森林木材为原料制成产品除了能封存碳，还能带来一定的经济收益。合理经营森林不仅能保护生物多样性，优美的自然环境还能造福当地居民。为了量化森林所带来的综合效益，本研究将从经济、生态和社会三方面进行综合分析。

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   2. 森林效益综合评价模型

1.1.1 PCA降维确定指标

共总结出了24种能够反映经济、生态和社会三方面效益的指标。经研究发现，指标之间存在很强的相关性，所以使用PCA对指标进行降维，最终确立各效益指标如表1所示。

表1：降维后的效益指标

1.1.2 AHP确定指标权重

用层次分析法构建判断矩阵，层次结构图如图1所示。

图1：层次结构图

分别以算术平均法、几何平均法和特征值法计算指标权重，并以三者平均值作为指标最终的权重，计算结果均通过了一致性检验。各级指标权重如表2所示：

表2：指标权重计算结果

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   3. 决策模型的建立

1.2.1森林管理决策影响机理

能反映森林效益的因素是多方面的，所以在管理森林时要充分考虑决策所带来的价值变化。最直观的反映就是新决策会导致子准则层9个指标的标准值发生变化。可以使用综合效益评价模型进行计算，来评价决策的优劣，寻找效益平衡点来正确地决策。

1.2.2管理决策范围的衡量

只有在了解效益及其指标变化形式的基础上，才能做出正确的森林管理计划。本文将对三大效益指标两两之间分别进行分析。

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• 经济效益和生态效益

直观来看，经济效益就是由农产品和木制品的销售价格所决定的。产品销量越高，所带来的经济效益越多。但产品市场收益与市场中供需关系有关，供大于求，价格上涨，供不应求，价格下跌。

当市场需求过大时，林制品价格上涨，森林能带来的经济效益增加。管理者可能为了经济效益而增加对森林的砍伐。森林面积减少，生态系统被破坏，导致空气质量等生态效益指标急速下降。由此看来，经济效益指标和生态效益指标之间存在相互制约关系，不能协同增加，需要寻找两者之间的平衡点^[5]。

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• 生态效益和社会效益

在衡量生态效益和社会效益平衡时发现两者存在两种不同的关系。

派生协同发展关系

保护森林将其打造为景色优美的森林公园景区可以吸引大量游客。带动当地居民投入该行业，并吸引企业投资。从该方面看，社会效益是由生态效益衍生出来且共同提高的。

派生制约发展关系

对于用于木材开发的人造林而言，林下木制品和农产品可能会带动一部分人在该行业投资。当投资企业过多时，若不加以科学管理，生态系统极有可能遭到破坏，可以看出社会效益过高会导致生态效益降低。

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• 经济效益和社会效益

林业生产总值提高时，可带动部分企业经济发展。而当行业发展不景气时，其产生的社会效益也随之降低。可以看出两者之间存在正相关性。

1.2.3森林管理决策的确立

科学管理意味着森林在经济、生态、社会三方面协调可持续发展^[6]。三大效益之间的关系十分复杂，而某一特定森林系统的各效益指标是确定的。若效益指标得分之间相差很大，说明对该森林的管理不科学，管理计划需要进行改进。

森林系统主要由生态保护、旅游业、木材开发、种植业等组成，这些直接决定了一个森林系统所能带来的经济、生态、社会效益。决策的原则就是通过改变森林系统内部各成分所占比重，在未来使其三大效益得分达到平衡。

确定最优决策的关键在于确定森林系统结构组分的最优比例，使三大效益指标得分达到平衡。本文以此为目标函数建立非线性规划模型，表达式如下：

其中 、 、 分别代表经济、生态和社会效益得分。计算时采取加权平均法，三者效益得分分别表示为：

模型求解采用模拟退火算法，目的在于求出森林系统中各组分的最优比例。根据最优比例可以科学制定决策管理计划，并预测未来的碳封存量。

二结果与分析

模型考虑了森林系统结构中四种成分的比例，可适用于大部分森林。对于特殊的案例，只需要调整森林系统的结构。这些组分需符合实际，重新建立模型求解并确立决策行为即可。

马克吐温森林位于美国密苏里州的南半部，该森林覆盖面积广，但其中荒地较多。本文选取了其中占地面积47881英亩的森林，搜集了森林在2001年的各项指标数据，将模型实际应用于马克吐温森林并进行分析。

2.1数据预处理

在计算森林系统各效益得分时，因为指标之间量纲相差很大，需要进行预处理。例如在2001年农民人均收入是18399美元，森林覆盖率为72.89%，量纲影响过大。为了消除影响，我们定义指标的标准值形式为：

根据美国农业部林务局统计，马克吐温森林在2001年森林生态保护占比72.89%，种植业占比26.25%，并未进行旅游以及木材加工的开发。通过搜集数据，计算效益得分占比如图2所示。

图2：效益得分饼图

2.2制定管理计划

以当地人文、环境等条件为约束，以效益平衡为目标函数建立非线性规划模型，用模拟退火算法求解近似最优的森林系统结构，组分比例为：生态保护47.62%、种植业15.67%、木材开发21.25%、旅游业10.07%、其它5.39%。将最优森林系统结构与2001年时森林系统结构作对比，我们做出如下森林管理决策推荐。

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• 开发部分森林用于旅游及木材加工等，完善结构体系

由计算结果可知，森林覆盖率高，生态效益高，但是经济效益低。多层次的结构有助于森林持续发展。

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• 适度减少种植业比例

种植业带来的收益较小，耕地比例过高不利于效益高效化，所以应适当降低耕地比例。

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• 改善树木种类结构，提升物种多样性

由2001年森林数据可知，马克吐温森林的树木以橡树为主，占比98.56%，松树占比为1.3%。树木种类过于单一，生态稳定性较差。生物多样性能提高生态系统的稳定性，但需注意外来物种的入侵。

2.3预测决策结果

改变森林结构在短期内无法完成，只能看长期效果。结合碳封存模型和森林管理决策模型预测未来100年最终的碳封存量及效益得分如下：

由于森林覆盖率降低，碳封存量增量在初始时小于零。适度砍伐森林的管理方式却使曲线逐渐上升，这是由碳封存模型可以论证的，进一步说明该方式有利于碳封存。在未来100年，碳封存增量达到6846kt，总量达到14289kt，且三种效益得分近似相等，说明已接近平衡。

马克吐温森林在2005年的森林管理计划中已做出了打造旅游景区的决议，且2011年的森林覆盖率只有57.99%，相较2001年降低了15%，与模型做出的决策相近。如今马克吐温森林在美国所带来的效益反映良好，侧面证明了本文模型的正确性。

三结论

本研究以美国马克吐温森林最优管理决策问题为例，以启发式算法中的模拟退火算法进行仿真模拟，并用Matlab软件绘制不同决策行为的碳封存量曲线来比较各决策的优劣。结果显示，管理决策模型与当地政府决策相比较稳定且良好，森林管理计划可以得到持续性优化，从而改善道路交通环境。决策模型考虑了森林结构体系的变化，可应用于任一森林，具有广泛的应用前景。

最优森林管理计划表明，100年后森林的碳封存增量达到6846kt，总量可达14289kt，经济、生态和社会效益得分占比分别为32%、35%和33%。任一效益得分与三者算术平均值之差均小于均在的5%，可认为三方面效益已接近平衡。但当前决策模型也存在不足之处，只考虑了森林结构组分的变化，模拟结果精确度还需进一步提高，在预测时未考虑森林火灾、金融危机等潜在风险的影响。今后该模型在森林管理中实际应用时应充分研究森林系统特征，从而展开更精确、更科学的管理决策研究来为人们提供更宜人的道路交通环境。

参考文献(reference)

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2. 王晓宁, 王建. 道路交通环境影响评价[M]. 北京: 人民交通出版社股份有限公司, 2016.

3. Liski J, Perruchoud D, Karjalainen T. 2002. Increasing carbon stocks in the forest soils of Western Europe. Forest Ecology and Manage, 169: 159-175.

4. 胡会峰, 刘国华. 2006. 森林管理在全球CO₂减排中的作用. 应用生态学报, 17(4): 709-714.

5. 孙云霞, 刘兆刚, 董灵波. 2019. 基于模拟退火算法逆转搜索的森林空间经营规划. 林业科学, 55(11): 52-62.

6. Gale, D. 1955. The law of supply and demand. Mathematica Scandinavica, 3(1), 155-169.

7. Guthrie, G., & Kumareswaran, D. 2009. Carbon subsidies, taxes and optimal forest management. Environmental and Resource Economics, 43(2), 275-293.

作者简介：徐路毅（2001.1-），男，汉族，本科在读，河北唐山人，研究方向/主要从事于：城市交通工程。

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