經濟增長對森林破碎化的影響
——以中國京津冀地區為例

羅奕奕,李凌超,程寶棟

(北京林業大學經濟管理學院,北京 100083)

京津冀地區為中國發展綠色經濟、探索人類社會與自然環境相協調的示范區,堅持生態優先、綠色低碳的發展理念并傾力構建綠色區域經濟體,是實現京津冀地區協同發展的重要目標[1-2]。中國森林資源的第九次清查結果顯示,京津冀地區森林蓄積量、森林覆蓋率以及單位面積蓄積量指標均低于全國平均水平,區域森林生態狀況并不樂觀,經濟與生態尚未很好地實現協同發展。此外,雖然基礎設施建設是中國經濟實現快速發展的重要因素,構建區域交通基礎設施一體化又是京津冀協同發展的先行領域,但在構建區域性交通網絡一體化的過程中不可避免地會對森林生態資源的完整性造成一定的破壞,使得最初集中連片的森林被切割成為較小的獨立斑塊,連續均質的森林整體逐漸轉變為復雜而不連續的鑲嵌體[3-4]。而京津冀協同發展中對天然林的保護和防護林的建設,以及水資源的保護和治理又是其內在要求,因此,緩解經濟增長、交通一體化建設以及生態保護間的矛盾是推進京津冀地區實現可持續發展的重要任務。

關于經濟增長與森林生態資源保護的研究主題已經引起學界的重視,學者大多以森林轉型理論為基礎,驗證經濟增長對森林面積的影響,并普遍認為人類對自然資源的需求是導致森林資源被破壞的直接原因[5]。一方面,在經濟發展初期,人們對于森林資源的利用更多是借此獲取更多的林產品,毀林開荒以擴大農業和工業生產規模[6];另一方面,隨著經濟進一步發展,人們對于森林資源的需求類型逐漸轉變為對更好的自然景觀和健康生活環境的需求,表現為森林旅游和森林康養的興起[7]。同時,農業技術水平的提高和農業集約化生產的開展,有效地緩解了毀林開荒的壓力,從而實現了森林面積的增長[8-9]。然而,單純的森林面積增長無法體現森林資源質量的整體性改善,其內在的破碎化程度對于森林生態系統的穩定性更為重要。因此,探討經濟增長對于森林破碎化的影響顯得尤為重要。關于森林破碎化的研究主要包括3個方面:一是對研究區域中森林景觀破碎化現狀的靜態進行描述以及探討其動態演變過程,學者們大多以多期的衛星遙感數據對地表植被變化進行分析[10-11];而在研究區域的選擇上,也更集中于對河流兩岸尤其是兩河流域,以及自然保護區的森林破碎化演變進行分析[12-13]。二是對森林破碎化在自然生態中所產生的影響進行分析討論,學者們普遍認為森林破碎化會破壞動物的棲息地,增加植被的傳粉敗育率[14],從而降低區域物種多樣性[15];同時,森林資源的減少會降低林地的蓄水量從而導致地表徑流增大,而地表植被的減少又將導致水土流失加劇[16]。三是對森林破碎化的驅動力進行分析。雖然部分學者在研究中指出了人類活動是森林破碎化的主要動因[17],包括城鎮的擴張建設、森林采伐、工礦活動等影響因素[18-19],但鮮見對此做進一步的驗證,及深入探討經濟增長影響森林破碎化的作用機理。也有學者關注交通基礎設施對森林破碎化的影響,將研究區域中不同時期的森林分布圖與交通網絡變化圖相結合做描述性分析[20-21];而對于交通基礎設施建設與森林資源變化的因果性探討則相對較少。本研究探討京津冀地區的經濟增長對森林破碎化產生的影響,并進一步分析經濟增長影響森林破碎化的機制,以期更加全面地認識經濟發展對森林生態狀況的影響,并通過對經濟增長與森林破碎化的關系研究更深入地分析森林破碎化影響機理,豐富森林破碎化的相關研究,以期為京津冀地區更好地實現協同可持續發展提供參考。

1 理論基礎與研究假說的提出

1.1 理論基礎

森林破碎化并非單純的森林生態問題,而是人類社會發展過程中與自然生態環境所產生的沖突和矛盾的具體表現[22]。森林轉型理論是研究社會經濟系統對森林破碎化所產生影響的主要理論基礎,通過不同的社會經濟因素研究影響森林生態的功能恢復,對探討森林破碎化的影響路徑具有重要的借鑒作用[23]。土地利用變化理論是通過多學科、多角度對既定區域內的土地利用變化過程進行研究和探討,充分詮釋了人地關系問題,亦是本研究道路建設與森林破碎化因果關系的重要依據[24]。此外,生長軸理論則是闡述經濟與交通基礎設施建設關系的重要理論,該理論指出經濟增長過程中不斷提高對人力、物力等各方面資源的需求,為加快產業、人口的集聚,需不斷投資建設更加完備的交通網絡[25]。本研究將基于上述3個重要理論探討經濟增長以及交通基礎設施建設對森林破碎化的影響機理,為建立相關的研究假說以及實證模型提供理論基礎。

1.2 研究假說的提出

經濟增長對森林破碎化所產生的影響是復雜的。一方面,根據新馬爾薩斯的人口壓力假說,經濟增長帶來的人口不斷增加導致更多的自然資源需求[26],森林中采伐薪柴成為人們獲取生活能源的主要渠道[27]。與此同時農民在為增加農業收入而擴大生產規模的過程中,強化了農林交錯帶中農地對林地的擠占作用,不斷地開墾山垅田從而壓縮了森林生態空間,加劇了森林破碎化程度[28]。另一方面,隨著經濟的進一步發展,城鎮化和消費水平的提高進一步成為影響森林破碎化的主要驅動力[29]。城鎮用地在不斷擴張邊界的過程中將直接導致原有的森林斑塊面積減小,從而加劇森林破碎化程度[30]。此外,經濟發展過程中雖然石油、天然氣以及電能有效地替代了薪柴成為人們最主要的能源消費類型,并一定程度上緩解了森林資源采伐的壓力,但建筑用材、工業用材以及木質家具等木質林產品的需求水平卻在不斷提高。因此,提出假說H1:經濟增長會提高森林破碎化水平。經濟發展對于交通運輸業的發展具有顯著的正向作用[31]。首先,基本的經濟條件是發展各項國民基礎設施的前提,隨著經濟發展水平的逐步提高,政府公共投資在交通基礎設施建設中所起到的作用也愈加明顯[32]。其次,從經濟社會的發展與交通基礎設施間的供需角度來看,企事業的發展也對公共交通提出了更高的要求,增加了對交通基礎設施建設的需求,因而其經濟發展也進一步地促進了交通基礎設施的建設[33]。最后,經濟的進步不斷提高了居民的生活質量水平,其私家車持有率的提高在加快城鄉人口流動頻率的同時也提高了對城鄉道路建設要求[34]。因此,提出假說H2:經濟增長對交通基礎設施建設具有正向影響。交通基礎設施建設中的開山架橋是對集中連片的森林最為直接的切割,導致了森林面積的縮減和破碎化程度加大,對生物多樣性和生態服務功能造成了負面影響[35]。有研究表明越靠近道路的林地其森林破碎化程度越高,主要表現為靠近道路區人們對林區的可達性增強,進一步干擾了原有的森林生態系統平衡,從而提高了森林破碎化風險[36]。同時,隨著經濟發展程度的提高對公共交通基礎設施的質量要求亦逐漸提高,路基重建、路面拓寬以及緩沖帶的建設都對森林的破碎化造成了更嚴重的影響。因而提出研究假說H3:交通基礎設施建設會加劇森林破碎化進程。綜上所述,經濟發展過程中造成森林破碎化的驅動力主要在于人為因素,其中交通基礎設施的建設對森林破碎化的影響最為直接[37]。經濟發展過程中對于公共交通基礎設施建設的需求是不斷增長的,有直接的證據表明各級道路乃至線型的基礎設施建設都將對森林破碎化造成影響[38]。交通基礎設施建設是經濟增長影響森林破碎化的一條重要路徑,因此提出研究假說H4:經濟增長可通過提高道路密度加劇森林破碎化程度。假說H1—H4闡釋了經濟增長對森林破碎化程度的影響及其影響機制,如圖1所示。

圖1 經濟增長水平、交通基礎設施建設與森林破碎化程度的關系Fig. 1 Relationship between economic development, transportation infrastructure construction and forest fragmentation

2 模型、變量與數據來源

2.1 模型的確定

通過上述關于森林破碎化形成動因的研究假說所得出的分析框架,交通基礎設施建設在經濟增長對森林破碎化的影響中存在中介效應。本研究通過借鑒經典文獻構建中介效應回歸方程[39],其中,交通基礎設施建設作為中介變量,森林破碎化程度作為被解釋變量,經濟增長水平作為解釋變量。中介效應的檢驗方法主要包括逐步回歸檢驗、Sobel檢驗以及Bootstrap檢驗,選擇逐步回歸檢驗方法驗證交通基礎設施建設在經濟增長對森林破碎化影響中存在的中介效應,使用Sobel檢驗以及Bootstrap檢驗開展穩健性檢驗。具體的回歸模型如下所示:

Pi,t=a0+a1Gi,t+a2C1+ε1;

(1)

Wi,t=b0+b1Gi,t+b2C2+ε2;

(2)

(3)

2.2 變量的選擇

本研究欲探討經濟增長是否通過交通基礎設施建設而加劇了森林破碎化程度。首先,需要對森林破碎化程度進行衡量?，F有研究中對森林破碎化程度的衡量多采用景觀格局指數作為代理變量。選取森林斑塊分散度指數(patch area mean,PAM,式中以PAM表示)作為森林破碎化程度的衡量指標[40],具體的計算公式如式(4)所示。

(4)

式中:PAM為森林斑塊分散度指數,Ai表示i縣單位面積中的斑塊密度,個/hm2,Amin表示單位面積中斑塊數量的最小值,個/hm2;Amax表示單位面積內斑塊數量的最大值,個/hm2,分散度指數值取值范圍為(0,100)。當斑塊分散度指數越高,則單位面積內斑塊數量越多,林地的平均斑塊面積越小,即意味著森林破碎化程度越高。

通過衛星遙感影像獲取不同時期的森林景觀空間分布格局及其變化的重要數據,提取其中森林斑塊的幾何形狀信息,并依托地理信息系統(GIS)和景觀結構分析軟件Fragstats實現對森林破碎化程度的測量。更具體的測度方法可參考李凌超等[41]對京津冀森林破碎化影響因素的研究。

其次,為探討交通基礎設施在經濟增長中對森林破碎化影響的中介效應,參考已有研究中對于衡量交通基礎設施建設情況的方法[42],同時考慮到京津冀地區各縣市的轄區面積存在較大差異,單純以公路里程數作為衡量指標時無法客觀表征研究結果,采取道路網絡密度(W)作為交通基礎設施的衡量指標。具體的計算公式如下:

W=(∑Li)/Sk。

(5)

式中:∑Li表示樣本縣的公路總里程,km;包含了國道、省道、縣道、鄉道以及縣域內的專用公路等;Sk表示京津冀各樣本縣的轄區面積,km2。

最后,對于經濟增長水平的衡量和相關控制變量的選取同樣參考已有研究,選擇人均GDP的對數值(G)和鄉村人均年末存款余額對數值(K)來衡量京津冀各樣本縣的經濟增長水平[43]。影響森林破碎化的因素還包括其他的相關因素:一是人口數量的差異,一個地區的人口數量的多少將直接影響對各類森林生態資源的需求水平[44],但單純的人口數量比較在實際研究中則缺乏一定的可比性,因而選取樣本縣的人口密度(O)以反映人口數量對森林破碎化所產生的影響[45];二是耕地與林地的交替,毀林開荒是壓縮林地面積轉換成山垅田的重要因素,而退耕還林工程的實施對于森林資源的保護和恢復具有一定促進作用,因此選擇三北防護林工程的實施比例(S)作為林地與農地面積變化的代理變量[46],同時,農業生產技術水平的提高使得退耕還林工程的實施不會影響原有的農業生產,因此,選擇鄉村人均農用機械總動力(N)以反映農業生產效率提升[47];三是鄉村生活能源的使用轉型,煤與電等能源的使用充分緩解了林地為近山居民供給薪柴的壓力,從而減少了近山居民對森林資源的破壞,因此,選擇農村人均用電量的對數值(D)以表征鄉村生活能源的使用情況對森林破碎化所產生的影響[48]。

2.3 數據來源

京津冀地區森林資源清查數據顯示,該地區森林資源主要分布于西部和北部。因此,考慮到數據的可得性和代表性,共選取包括3個縣級市/區和2個區的38個縣(市/區)(井陘縣、靈壽縣、贊皇縣、平山縣、青龍滿族自治縣、遷西縣、涉縣、磁縣、武安市、邢臺縣、臨城縣、內丘縣、沙河市、阜平縣、唐縣、淶源縣、易縣、曲陽縣、宣化區、張北縣、沽源縣、尚義縣、蔚縣、陽原縣、懷安縣、萬全區、懷來縣、涿鹿縣、赤城縣、崇禮區、承德縣、興隆縣、平泉區、灤平縣、隆化縣、豐寧滿族自治縣、寬城滿族自治縣、圍場滿族蒙古族自治縣)作為研究樣本。此外,受限于數據的可得性,基于Landsat5和Landsat8計5期的衛星遙感影像數據(2000、2005、2010、2015和2018年),用以測量京津冀樣地區樣本縣的森林破碎化程度,共計190個樣本數據。衛星遙感影像的空間分辨率為30 m×30 m,各像元的空間位置與各地的真實位置的匹配具有較高的準確度,其誤差范圍在10 m以內。此外,原始影像數據選取各年份中云層遮擋量較低的6—8月的遙感影像。所有樣本縣對應的年份數據均取自《河北省農村統計年鑒》《北京統計年鑒》《天津統計年鑒》以及《中國縣域統計年鑒》等。此外,對于可能受價格波動影響的變量均根據CPI指標做平減處理和調整。

3 實證檢驗

3.1 描述性統計

對本研究所使用的各變量描述性統計結果如表1所示。根據描述性統計,在研究期內,京津冀地區的經濟發展水平有明顯提高。同時,森林破碎化指數(PAM)由3.434升至10.240,即森林的平均斑塊面積明顯減少,其森林破碎化程度明顯加劇。在研究時期內,樣本縣公路密度也由2000年的0.329 km/km2提升至2018年的0.847 km/km2。此外,從能源利用轉型的角度來看,農村的人均用電量有明顯的提升。人口密度經歷了先升后降的趨勢,2000—2015年略有提升,而2015—2018年則呈下降趨勢。從經濟發展水平來看,2000—2018年,樣本縣的人均GDP的對數值呈上升趨勢,年末人均存款余額逐年增高,從2000年的8.098增長至2018年的10.525。而退耕還林工程則于2005年全部完成,工程實施比例達到100%。從農業的生產效率的代理變量來看,人均農用機械總動力從2000—2018年有明顯降低的趨勢。

表1 主要變量的描述性統計

3.2 實證結果

1)多重共線性檢驗?？紤]到本研究使用的解釋變量及控制變量數量較多,變量間可能存在多重共線性,因此采用方差膨脹因子(VIF)進行檢驗。檢驗結果發現VIF值最大為3.50,最小值為1.07,均值為2.30,均小于方差膨脹因子檢驗的VIF閾值10,表明變量之間不存在嚴重的多重共線性問題,可以進行回歸。

2)異方差檢驗。模型中存在異方差會使得回歸結果的解釋效率降低,因此,對回歸模型做懷特(White)檢驗,根據檢驗結果顯示P值為0.003,即拒絕同方差的原假設,數據的回歸結果存在異方差,為此,在后續的計量回歸中加入穩健標準誤,以解決模型因為異方差而導致的變量解釋效力下降的問題。

通過Hausman檢驗,在5%的顯著性水平上拒絕原假設,因此選擇固定效應模型對數據進行回歸分析。進一步考慮到時間趨勢和個體差異可能對森林破碎化程度產生的影響,分別使用基準回歸和雙向固定效應對式(1)—(3)進行估計,估計結果如表2所示。

回歸結果顯示,不論是否進行雙向固定效應回歸分析,系數a1、b1、c1和c2均在5%的顯著性水平上顯著,即交通基礎設施在經濟增長對森林破碎化的影響中存在中介效應。在控制個體效應和時間效應后,經濟增長對森林破碎化的影響程度高于基準回歸的結果。在基準回歸中,控制其他相關因素的影響后,經濟增長水平每提高1%,將促使森林破碎化程度提高3.496%。在雙向固定效應回歸中,經濟增長水平每提高1%,將促使森林破碎化程度提高4.024%?；貧w結果驗證了研究假說H1,即經濟增長對森林破碎化具有顯著的正向影響。由回歸結果中可以看出,經濟增長水平每提高1%,則基準回歸和雙向固定效應公路密度分別提高0.179%和0.125%,即經濟增長能夠有效地提高交通基礎設施建設水平,驗證了研究假說H2?；貧w結果顯示,公路密度會顯著提高森林破碎化的水平,在基準回歸和雙向固定效應檢驗中,每提高1個單位的公路密度將分別導致原有森林增加4.536和4.120個森林斑塊,從而驗證了假說H3。綜合整個實證回歸結果,經濟增長能夠通過提高交通基礎設施水平,從而加劇森林破碎化程度,驗證了假說H4。

此外,通過對回歸結果中控制變量的回歸系數和顯著性差異進行分析可以看出:三北防護林工程的實施對緩解京津冀地區的森林破碎化程度具有顯著的影響。而新舊農村生活能源的使用轉型中,雖然農村人均用電量對于緩解京津冀地區的森林破碎化程度具有正向影響,但未通過顯著性檢驗。在農業生產技術水平上,農用機械總動力對京津冀地區的森林破碎化影響為負,即隨著農用機械化程度的提高能夠在一定程度上緩解森林破碎化程度,但這一作用并不顯著,可能的原因是退耕還林過程實施后使得森林面積得以提高,且天然林保護工程等森林資源保護的相關政策實施導致農用機械所帶來的農業生產效率提升對森林破碎化產生的影響被稀釋。

3.3 穩健性檢驗

表3 Sobel檢驗和Bootstrap檢驗結果

2) Bootstrap檢驗。本研究中,以38個森林資源相對豐富的縣市區作為研究樣本,能夠較好地代表京津冀地區的總體情況,因而滿足Bootstrap檢驗的前提條件,即樣本能夠較好地代表總體。Bootstrap檢驗將容量較大的樣本作為總體并從中進行有放回的抽樣檢驗,從而得到更為準確的標準誤[51]。通過對京津冀38個樣本縣的研究樣本做500次有放回的抽樣檢驗,檢驗結果如表3所示。P值為0.039,在5%的顯著性上拒絕H0:ab=0的原假設,即存在中介效應。

3)替換關鍵變量。人均年末存款余額能夠反映地區金融服務水平,也從側面體現出當地的經濟發展程度,因此,選擇人均年末存款余額作為經濟增長水平的代理變量,取對數以降低異方差問題[52],并通過逐步回歸方法對其中介效應進行檢驗。檢驗結果如表4所示,表4中(1)為檢驗人均年末存在余額的對數值對森林破碎化的影響;(2)為檢驗經濟增長對公路密度的影響;(3)為加入中介變量(公路密度)后的回歸結果。在替換關鍵變量后發現,經濟增長對森林破碎化程度的加深具有顯著的正向影響,同時經濟的增長也將促進交通基礎設施的建設,同時根據回歸模型(3)的結果顯示,經濟增長與交通基礎設施均對森林破碎化存在顯著的影響,同時也驗證了交通基礎設施建設在經濟增長對森林破碎化的影響中存在顯著的中介效應。

表4 替換關鍵變量逐步回歸檢驗結果

4 討 論

經濟與生態協調發展是實現可持續發展的重要途徑。本研究以中介效應模型檢驗了京津冀地區經濟增長對森林破碎化產生的影響,并分析了交通基礎設施建設的中介作用,豐富和拓展了對森林破碎化驅動力的相關研究。

一方面,從森林資源的景觀破碎化角度探討了社會經濟與生態保護之間的關系,豐富了森林破碎化的驅動力研究。雖然,就京津冀地區的協同發展這一研究主題,學者們著重探討了京津冀地區生態環境的現狀及其保護的重要性,既包括京津冀地區各類植被的分布情況和變遷趨勢,也描述了森林覆蓋率等與生態相關的統計數據與社會經濟之間的關系,這一類研究成果更側重于對生態系統的保護,并未定量分析社會經濟發展與自然生態之間的關系[53],未能解答長時期的社會經濟發展與森林資源空間變化之間的關系[54]。而本研究通過對京津冀地區各樣本縣2000—2018年經濟增長與森林破碎化程度之間的關系進行研究,并考慮了衡量森林生態的時空變化,所得到的結論將更具可靠性。

另一方面,是對京津冀地區森林破碎化動因探討研究的拓展和深入。雖然已有研究探討了影響京津冀地區森林破碎化的各類因素,但并未對具體的影響路徑進行分析[41]。且既有研究成果中僅指出經濟發展能夠有效緩解森林生態壓力[55],而通過中介效應模型實證檢驗了交通基礎設施建設是經濟增長引發森林破碎化的具體傳導路徑,明確了京津冀地區交通基礎設施這一中介效應在總效應中所占的比例。證實了京津冀地區在實現經濟快速增長過程中,應該注重其對森林破碎化和森林生態系統的影響,以更好地實現可持續發展的目標。因此,經濟增長與森林生態保護確實存在一定的矛盾,也表明了需對經濟與生態協同發展這一研究命題做更加深入的分析和探討。

通過構建中介效應模型,實證分析了2000—2018年京津冀地區經濟增長、交通基礎設施建設以及森林破碎化三者間的關系,并綜合上述討論,得出以下結論:①經濟增長水平的提高在一定程度上加劇津京冀地區森林破碎化程度,同一時期內,經濟增長水平每提高1%,將帶來超過3%的森林破碎化程度的加深。②經濟增長水平的提高對京津冀地區的交通基礎設施建設具有顯著的促進作用,經濟增長水平每提高1%,將為京津冀地區提高超過1%的公路密度。③交通基礎設施建設對京津冀地區的森林完整性具有顯著的負面影響,即每提高1個單位的公路密度將使得該地區增加超過4個森林斑塊。④在經濟增長對森林破碎化產生影響的過程中,交通基礎設施產生了顯著的中介作用,中介程度為23.255%。

根據研究結論提出以下建議:一方面,經濟發展的同時應更加關注對生態環境保護反哺作用。森林資源保護并非單純的不作為和放任生長,合理的擇伐、間伐等管護手段不僅能夠在一定程度上改善原有的生態環境,更是實現森林資源的剩余價值貨幣化的有效途徑。因此,將取得的經濟收益轉入造林、營林等活動中能夠實現經濟與生態相互協調的良性循環中。另一方面,合理規劃交通路線,提高道路沿線的森林資源保護水平。發展交通基礎設施建設時應盡量在原有路基的基礎之上進行拓寬和改建,盡量避免過度的交通網絡建設對森林資源的完整性產生影響,同時,道路規劃的新舊更替應關注廢棄道路恢復林地的相關工程,使得原本分割的森林斑塊恢復成完整的森林面積。

本研究也存在一定的不足:一方面,本研究數據的完備性有待提高,雖然通過中介效應檢驗了2000—2018年期間京津冀地區的經濟增長、交通基礎設施建設對森林破碎化程度所產生的影響,但由于研究數據的局限性使得能夠納入研究范圍的樣本量較少,若以更加完善的研究樣本進行研究并以不同要素差異做異質性分析,相信能夠得到更加貼近實際的研究結論。期望在未來的研究中能夠找到更加完備的森林景觀變遷的相關數據,且不局限于京津冀地區,而是能夠拓展至全國范圍,探討全國范圍內森林破碎化變遷及其動因,并根據不同要素進行異質性探討,相信能夠更加深入地分析經濟與生態環境之間協同關系,并得出更具普遍意義的研究結論和建議。另一方面,本研究對象還有待進一步完善,研究中雖然探討了傳統意義上的森林面積的破碎化及其形成的動因,但忽略了城市建設過程中所造成的城區內森林景觀結構的變遷。因而,在未來的研究中需要對二者進行兼顧,經濟增長對城市與山區的森林景觀結構變遷所產生的影響可能會有較大的差異,山區的森林資源保護雖然更貼近于自然,而城區內的綠色資源卻更加貼近生活。