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。
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。
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
经济效益指标 | 生态效益指标 | 社会效益指标 |
林业经济总产值( | 森林覆盖率( | 从事林下经济农民数量( |
农民人均收入( | 碳封存量( | 从事林下经济企业数量( |
林下经济产值( | 空气质量( | 旅游人数( |
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
指标 | | | | | | | | | |
权重 | 0.32 | 0.40 | 0.28 | 0.18 | 0.54 | 0.28 | 0.21 | 0.33 | 0.46 |
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。
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。
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]。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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:
| |
图3:效益得分饼图 | 图4:预测值曲线 |
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。
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。
Liski J, Perruchoud D, Karjalainen T. 2002. Increasing carbon stocks in the forest soils of Western Europe. Forest Ecology and Manage, 169: 159-175.
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.
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.
Gale, D. 1955. The law of supply and demand. Mathematica Scandinavica, 3(1), 155-169.
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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