水源涵養(yǎng)林健康評價指標系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解析

李建軍，張會儒，熊志祥，王傳立 ，劉 帥

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 資源信息研究所，北京 100091；2. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；3.湘鄉(xiāng)市林業(yè)局，湖南 湘鄉(xiāng) 411400）

水源涵養(yǎng)林健康評價指標系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解析

李建軍1,2，張會儒1，熊志祥3，王傳立2，劉 帥2

（1.中國林業(yè)科學(xué)研究院 資源信息研究所，北京 100091；2. 中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004；3.湘鄉(xiāng)市林業(yè)局，湖南 湘鄉(xiāng) 411400）

針對森林健康評價指標過多、過泛、可操作性不強、含義不清的現(xiàn)狀，在深入分析西洞庭湖區(qū)水源涵養(yǎng)林結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，從系統(tǒng)活力、林分結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)恢復(fù)力、林地環(huán)境和森林經(jīng)營5個方面篩選30個指標建立林分尺度水源涵養(yǎng)林健康評價指標體系。依據(jù)系統(tǒng)科學(xué)原理，應(yīng)用改進解析結(jié)構(gòu)模型法系統(tǒng)分析了水源涵養(yǎng)林健康評價指標系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次關(guān)系和指標之間的相互關(guān)系，提出了經(jīng)結(jié)構(gòu)解析的水源涵養(yǎng)林健康評價指標系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用熵修正與AHP賦權(quán)相結(jié)合的方法對指標及因子進行定量化研究。結(jié)果表明：水源涵養(yǎng)林健康評價指標系統(tǒng)是一個5級遞階系統(tǒng)，單位面積蓄積量、林分平均樹高、林分平均胸徑、年蓄積生長量等處于第1級系統(tǒng)的指標對水源涵養(yǎng)林健康影響最大，處于第5級系統(tǒng)指標（枯死倒立木株數(shù)）對水源涵養(yǎng)林健康影響最小。經(jīng)過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解析使建立的森林健康評價指標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次關(guān)系明晰，結(jié)構(gòu)關(guān)系良好，根據(jù)遞階系統(tǒng)層次關(guān)系得到較合理的指標權(quán)重，可信度提高，且更符合實際情況，可望為水源涵養(yǎng)林健康評價和健康經(jīng)營實踐提供理論依據(jù)。

水源涵養(yǎng)林；解析結(jié)構(gòu)；改進模型；評價指標系統(tǒng)；森林健康評價

森林健康(forest health)作為可持續(xù)森林經(jīng)營的一項重要標準和指標，正日益受到林業(yè)行業(yè)人員和社會各界的廣泛關(guān)注[1-2]。森林健康評價的理論和技術(shù)方法是環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域等眾多相關(guān)學(xué)科交叉融合的平臺，已成為當前最重要和緊迫的研究課題之一[3-5]。近年來，我國森林健康評價指標和方法技術(shù)的研究仍以介紹和引用國外評價模型為主，對我國森林特點缺乏較深入的分析，評價指標體系之間相關(guān)性、重疊現(xiàn)象突出，宏觀指標界限不清，閥值難以確定，使健康評價進一步復(fù)雜化，尤其缺少對森林健康評價指標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的解析，事實上己成為有效指導(dǎo)森林健康經(jīng)營實踐的一個理論障礙[6-8]。系統(tǒng)地、科學(xué)地構(gòu)建森林健康評價指標體系，是健康評價的關(guān)鍵所在，健康評價指標之間相互影響、相互制約，關(guān)系錯綜復(fù)雜，且相對重要程度也存在差異[9-11]。本文中以在我國分布較廣泛的重要防護林之一的水源涵養(yǎng)林為研究對象，通過分析西洞庭湖水源涵養(yǎng)林結(jié)構(gòu)功能特性，挖掘水源涵養(yǎng)林健康影響因子，運用系統(tǒng)科學(xué)理論與方法，在林分層次構(gòu)建水源涵養(yǎng)林健康評價指標體系，研究改進解析結(jié)構(gòu)模型，對健康評價具體指標進行層級劃分，分析各個指標之間的相互關(guān)系，為水源涵養(yǎng)林健康評價和健康經(jīng)營實踐提供理論依據(jù)。評價指標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解析的思路是：在分析系統(tǒng)指標及其相互關(guān)系基礎(chǔ)上，引入了模糊關(guān)系處理、聚類分析方法，以改進原有的ISM建模思路，定義關(guān)聯(lián)因素強度值，并通過德爾斐專家調(diào)查法采集專家意見并進行打分，得到指標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模糊鄰接關(guān)系矩陣[12-14]；應(yīng)用隸屬度函數(shù)確定模糊關(guān)聯(lián)強度矩陣；經(jīng)過布爾化轉(zhuǎn)換關(guān)聯(lián)矩陣求得可達矩陣；分解可達矩陣，識別強連通集合；分解強連通集合，獲得多級遞階子系統(tǒng)（不同層次結(jié)構(gòu)）；根據(jù)遞階子系統(tǒng)應(yīng)用主觀賦權(quán)法中的AHP法確定不同子系統(tǒng)（層次）指標的相對重要性排序，確定出每一層次同類指標重要程度數(shù)值，即指標的權(quán)重，然后用信息論中的熵技術(shù)對其結(jié)果進行修正[8,15-17]。

1 研究方法

1.1 研究對象與數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)域西洞庭湖地理位置在湖南省的北部，處于長江中游荊江段的南側(cè)，湖區(qū)總面積達14 234 km2。湖區(qū)水源涵養(yǎng)林林分主導(dǎo)功能是涵養(yǎng)水源、改善水文狀況、調(diào)節(jié)濕地區(qū)域水分循環(huán)，防止河流、湖泊、水庫淤塞，以及保護飲用水水源，面積達43 595.60 hm2，占有林地面積的11%。

本文的數(shù)據(jù)主要來源于森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)、樣地調(diào)查數(shù)據(jù)和搜集的其他數(shù)據(jù)。為了避免調(diào)査有所遺漏，于2010年8月、2011年7月在西洞庭湖區(qū)常德河洑國家森林公園、桃源牯牛山、黃石、龍?zhí)逗唾芗移旱鹊剡M行了補充調(diào)査，設(shè)置水源涵養(yǎng)林典型地段面積為40 m×40 m的6塊標準地，共18塊。在每個標準地的四角和中央位置設(shè)置5個2 m×2 m的灌木樣方、5個1 m×1 m草本樣方和5個凋落物收集筐。樣地調(diào)查的主要內(nèi)容有：海拔、坡度、坡向、坡位、林分結(jié)構(gòu)特征等基本狀況。對胸徑≥5 cm的喬木進行每木檢尺，測定樹種類型、樹高、胸徑、冠幅和生長及健康狀況（枯死風(fēng)倒木株數(shù)等）；記錄樣方內(nèi)灌木及草本植物種類、株數(shù)、蓋度等；同時測量林下凋落物濕質(zhì)量、干質(zhì)量、厚度等；調(diào)查標準樣地樣方內(nèi)的土層和腐殖質(zhì)層厚度以及幼苗種類、株數(shù)、株高、地徑等。

1.2 西洞庭湖水源涵養(yǎng)林健康評價指標體系的構(gòu)建

水源涵養(yǎng)林的主導(dǎo)功能是涵養(yǎng)水源、保持水土和凈化水質(zhì)，實現(xiàn)這些功能需要有相應(yīng)的森林結(jié)構(gòu)，林木地上部分的持水量僅占森林水源涵養(yǎng)能力的15%，涵養(yǎng)水源功能絕大部分集中在林下枯落物和土壤蓄水，而枯落物層、土壤層涵蓄水分的各項因子均不同程度的表現(xiàn)出與樹高、胸徑、公頃蓄積量、年蓄積生長量、郁閉度、地被物蓋度、下木蓋度等有密切的相關(guān)關(guān)系[4,18-19]。同時，對于水源涵養(yǎng)林，混交、異齡林的穩(wěn)定性高于純林、同齡林；森林群落的垂直層次結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，物種多樣性越高，食物網(wǎng)就越復(fù)雜，生物調(diào)節(jié)能力就越強，群落的穩(wěn)定性就越高，森林就越健康。在林分尺度上水源林的理想結(jié)構(gòu)可簡單表述為復(fù)層、異齡、混交林結(jié)構(gòu)，具有比較發(fā)達的灌木層和草本層，并且具有較高的生物多樣性和生物生產(chǎn)力[5]。這樣的結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性、抗干擾性和活力，是健康森林群落的理想結(jié)構(gòu)。

水源涵養(yǎng)林健康評價指標體系的構(gòu)建需要遵循科學(xué)性、可操作性及靈敏性原則，所用的指標要有科學(xué)依據(jù)，同時要容易監(jiān)測，計算簡單，具有技術(shù)和經(jīng)濟可行性，這樣的指標體系才有可能在實踐中推廣應(yīng)用[6,18,20-21]；同時所建立的指標體系要能對不同健康狀況的水源林得到客觀靈敏的評價結(jié)果。另外針對水源涵養(yǎng)林健康特點，還要重點考慮指標的差異性、階段性、系統(tǒng)性、層次性、流域尺度性以及臨界性[21]。

目前森林健康評價評價指標的篩選方法眾多，如特爾菲法、層次分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、灰色關(guān)聯(lián)度等，不同的方法都有各自的優(yōu)缺點以及適用性，因此，針對西洞庭湖水源涵養(yǎng)林的特征，采取幾種方法相結(jié)合的辦法，以求使所建立的評價指標體系更加完善和科學(xué)。本文通過搜集整理國內(nèi)外森林健康評價相關(guān)研究方面的文獻，結(jié)合森林健康研究的內(nèi)容，應(yīng)用頭腦風(fēng)暴法、Delphi法、會內(nèi)會外法3種方法相結(jié)合，研究構(gòu)建水源涵養(yǎng)林健康評價指標體系[12,16,22-23]。在考慮水源涵養(yǎng)林主導(dǎo)功能的基礎(chǔ)上，基于西洞庭湖二類森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)，整合國內(nèi)外森林健康和水源涵養(yǎng)林新研究成果，結(jié)合洞庭湖區(qū)自然條件和森林植被的具體情況，同時咨詢相關(guān)森林健康專家，對水源涵養(yǎng)林功能與各影響因子進行系統(tǒng)分析，從系統(tǒng)活力、林分結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)恢復(fù)力、林地環(huán)境和森林經(jīng)營5個方面描述水源涵養(yǎng)林健康狀況。

最后確定的水源涵養(yǎng)林健康評價指標體系基本框架，包括系統(tǒng)活力、林分結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)恢復(fù)力、林地環(huán)境和森林經(jīng)營5個一級指標30個二級指標。

（1）系統(tǒng)活力指標

包括單位面積蓄積量C1、年凋落物量C2、林分平均樹高C3、林分平均胸徑C4、年蓄積生長量C5、活立木生物量C6。

（2）林分結(jié)構(gòu)指標

包括灌木蓋度C7、草本蓋度C8、枯落物蓋度C9、喬木郁閉度C10、灌木豐富度C11、草本豐富度C12、喬木Simpson指數(shù)C13、灌木Simpson指數(shù)C14、草本Simpson指數(shù)C15。

（3）系統(tǒng)恢復(fù)力指標

包括水源涵養(yǎng)功能C16、火災(zāi)發(fā)生程度C17、抗病蟲害能力C18、枯死倒立木株數(shù)C19、幼苗更新株數(shù)C20、枯木、落葉、泥炭、土壤碳C21、人為干擾強度C22。

（4）林地環(huán)境指標

包括土壤厚度C23、腐殖質(zhì)層厚度C24。

（5）森林經(jīng)營指標

包括政策完善度C25、產(chǎn)權(quán)明晰度C26、林農(nóng)參與度C27、森林采伐C28、森林保護C29、監(jiān)測管理水平C30。

1.3 水源涵養(yǎng)林健康評價指標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解析

1.3.1 解析結(jié)構(gòu)模型法

解析結(jié)構(gòu)模型(Interpretative structural modeling 簡稱ISM)是系統(tǒng)工程學(xué)中用來分析復(fù)雜系統(tǒng)的一種有效方法，其基本理論是圖論的重構(gòu)理論，通過一些基本假設(shè)和圖、矩陣的有關(guān)運算，可以得到可達性矩陣；分解可達性矩陣，使復(fù)雜的系統(tǒng)分解成多級遞階結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)結(jié)構(gòu)圖形與結(jié)構(gòu)矩陣之間的一一對應(yīng)關(guān)系，通過對矩陣的演算和變換，把不清楚、不條理、錯綜復(fù)雜的系統(tǒng)變成簡單、易理解和直觀的遞階結(jié)構(gòu)模型。它的優(yōu)點在于集中表示系統(tǒng)相互間如何關(guān)聯(lián)，但不表示量的關(guān)系，具有很強的解釋功能。

1.3.2 解析結(jié)構(gòu)模型法的改進

水源涵養(yǎng)林健康評價指標系統(tǒng)(Water conservation forest health evaluation index system，WFHI)是由一系列相互聯(lián)系并為完成某些特定功能的諸多要素組成的復(fù)雜系統(tǒng)，各要素之間耦合關(guān)系復(fù)雜，現(xiàn)有的ISM都是將元素間的關(guān)系映射為二元布爾矩陣后進行分析，僅能表達兩關(guān)聯(lián)因素存在交互關(guān)聯(lián)，無法表示關(guān)聯(lián)的程度。為更準確地實現(xiàn)水源涵養(yǎng)林健康影響因子關(guān)聯(lián)關(guān)系的信息化表達，根據(jù)影響因子關(guān)聯(lián)特征，本文引入模糊關(guān)系處理、聚類分析、信息保留法定量分析WFHI體系結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的二元ISM模型改進為量化解析結(jié)構(gòu)模型(Numerical-ISM，NISM)，具體方案將水源涵養(yǎng)林健康影響因子之間的關(guān)聯(lián)因素強度用相對衡量數(shù)值1.0、0.75、0.5、0.25、0來刻畫，分別表示不可缺、強、中、弱或無關(guān)系，量化健康評價指標的關(guān)聯(lián)程度，表1為自定義各因子之間的關(guān)聯(lián)因素強度值[24-26]。

表1 水源涵養(yǎng)林健康評價指標系統(tǒng)關(guān)聯(lián)因素強度值定義Table 1 Related factor intensity value definition of health evaluation index system of water conservation forest

1.3.3 水源涵養(yǎng)林健康評價指標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解析

根據(jù)ISM，可將指標結(jié)構(gòu)系統(tǒng)看成是由點代表的指標因子和邊代表的因子間相互關(guān)聯(lián)組成的有向圖。設(shè)指標系統(tǒng)由n個因子組成，其編號為c={c1，c2，…，cn}，改進量化解析結(jié)構(gòu)模型關(guān)聯(lián)矩陣形成的步驟如下：

（1）模糊鄰接關(guān)系矩陣的建立

為適應(yīng)WFHI結(jié)構(gòu)解析建模需求，引入了模糊關(guān)系處理、聚類分析等方法以改進原有的ISM建模思路，包括通過專家組討論（如采用頭腦風(fēng)暴法、德爾菲法等），分析水源涵養(yǎng)林健康涵義及各影響要素，得到ISM各指標要素，應(yīng)用ISM對于水源林健康評價的具體指標進行結(jié)構(gòu)解析，對各指標進行編號，畫出有向連接圖，分析30項水源涵養(yǎng)林健康評價指標之間的相互影響，選取20位森林健康經(jīng)營專家按照表1對這30項評價指標關(guān)聯(lián)因素強度值打分，得到模糊鄰接關(guān)系矩陣A（見表2）。

表2 模糊鄰接關(guān)系矩陣ATable 2 Fuzzy adjacency relation matrix (A)

（2）模糊關(guān)聯(lián)強度矩陣的建立

選取隸屬度函數(shù)bij=aij/(ai.+aj.-aij)，得到模糊關(guān)聯(lián)強度矩陣（見表3）。定義任意兩個因子i，j之間各關(guān)聯(lián)因素隸屬度值bij為兩指標因子的綜合關(guān)聯(lián)度：

式（1）中：bij為指標因子i對因子j的模糊關(guān)聯(lián)強度；ai.為模糊鄰接關(guān)系矩陣aij第i行的和；aj.為模糊鄰接關(guān)系矩陣aij第j列的和。由此建立NISM模糊關(guān)聯(lián)強度矩陣Bn=[bij]N×N，N為健康評價指標數(shù)目。指標評價系統(tǒng)的綜合關(guān)聯(lián)度構(gòu)成了NISM關(guān)聯(lián)矩陣，它量化了系統(tǒng)因子聚合的相關(guān)信息。

表3 模糊關(guān)聯(lián)強度矩陣BTable 3 Fuzzy correlation intensity matrix B

(3)關(guān)聯(lián)矩陣的布爾化

選取一截值λ，根據(jù)公式

對NISM關(guān)聯(lián)矩陣進行布爾轉(zhuǎn)化得到布爾鄰接關(guān)系矩陣C=cij，若cij=1，則認為指標i對指標j有直接影響；反之cij=0，則認為指標i對指標j無直接影響。根據(jù)水源涵養(yǎng)林健康涵義及多次實驗分析驗證，本文選取閥值λ=0.04，得到鄰接矩陣C（見表4）。

表4 鄰接矩陣CTable 4 Adjacency relation matrix C

(4)根據(jù)布爾化后的關(guān)聯(lián)矩陣求得可達矩陣

設(shè)AK=(I∪A)K(其中I為單元矩陣)，當k＞n0時若有Ak=Ak+1=…=An，則可達矩陣Rr=Ak+r。其中算子∪為邏輯和；算子∩為邏輯乘。在圖論中，可達矩陣Rr指有向圖中從某一單元節(jié)點出發(fā)可能到達哪些單元節(jié)點的關(guān)系矩陣。在指標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中表示某個指標與指標之間直接或間接的影響關(guān)系。

C是布爾矩陣，滿足布爾運算規(guī)則。對C+I的結(jié)果進行自乘運算，取自乘系數(shù)ω=5，可得到可達矩陣D（見表5）。

(5)分解可達矩陣，識別強連通集合

假設(shè)有可達矩陣Rr=(rj)n×n的等價矩陣為R， 則 有R=R∩=n×n =(r,r,…,r)Teer12n，其中ri為n維行向量(i=1，2，…，n)。矩陣中的行向量里互不相等的所有行向量組成的集合列 為 {r′1，r′2， …，r′m}（1 ≤ m ≤ n）， 如 果 r′i是包含一個以上分量值為1的行向量，假設(shè)r′i（1≤i≤m′） 中所有值為1的分量是rik1，rik2，…，rikt，2 ≤ i≤ n，則子系統(tǒng) c′={rk1，rk2，…，rkt} 是一強連通子集。如對Re作行列交換可使結(jié)果更為直觀。這種強連通關(guān)系表明各指標之間的相互影響關(guān)系，通過對強連通集合的識別，可分解各個指標之間相互影響的關(guān)系。

表5 可達矩陣DTable 5 Reachability matrix D

(6) 形成初始分層

根據(jù)信息論原理，各包含信息的元素進行聚類分析，為了找出指標間的相互影響，通過分解關(guān)聯(lián)矩陣以便識別強連通集合形成回路的子系統(tǒng)，具體步驟是，通過強連通子集中的各指標因子編號，得到一指標組合，其余指標歸并另一組合，劃分出初始模塊。上述步驟構(gòu)成以截值λ為水平的指標初始組合。

包括30個要素的指標體系之間的可達關(guān)系如表5所示。在D矩陣中其對角線為“滿陣”，其它子陣元素為0，為強連通陣，這就意味著要素間關(guān)聯(lián)強度比較高。除了對角線“滿陣”外，如果其它部分還存在滿陣，表明在劃分子系統(tǒng)后，各子系統(tǒng)包含的元素之間仍存在聯(lián)系，這就需要對任意可達要素間關(guān)系作重點分析，以揭示要素間“輸入/輸出”的聯(lián)系，在系統(tǒng)構(gòu)造中予以考慮[27-28]。

分析表明，D矩陣30個功能要素均屬于同一區(qū)域，同時聚合成5個強連通子集，每個強連通子集的各個元素存在于同一個級別中。因此30個功能要素可劃分為5大子系統(tǒng)：

S1={ C1， C3，C4，C5，C6，C10，C13，C22，C27}；

S2={C7，C11，C14}；

S3={C17，C18，C20，C25，C26，C28，C29，C30}；

S4={C2，C8，C9，C12，C15，C21，C16，C23，C24}；

S5={C19}。

這5大子系統(tǒng)就是對30種功能元素（健康評價指標因子）聚類分析后，通過ISM建模所得到的多級遞階子系統(tǒng)。因此，結(jié)構(gòu)模型為圖1所示映射關(guān)系。

圖1 WFHI 要素結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Architecture of WFHI’s elements

由圖1模型可知：影響西洞庭湖水源涵養(yǎng)林健康指標結(jié)構(gòu)是一個5級的多級遞階系統(tǒng)。不同的層次對森林健康影響的不同，處于第一層的指標要比第二層的指標對總體水平的影響更為直接，在綜合評價中所占的比重也更大。其中，直接影響因素包括單位面積蓄積量、林分平均樹高、林分平均胸徑、年蓄積生長量、活立木生物量、喬木郁閉度、喬木Simpson指數(shù)、人為干擾強度、林農(nóng)參與度，可見在水源涵養(yǎng)林喬木生物量、生長量及相關(guān)因子對生態(tài)系統(tǒng)（林分）的健康至關(guān)重要。

再從第2級、第3級和第4級的因素分析可知：第2級健康影響指標包括灌木蓋度、灌木豐富度、灌木Simpson指數(shù)。林分中灌木生物量和生長量對水源涵養(yǎng)功能健康影響僅次于森林喬木層。第3級健康影響指標主要是火災(zāi)發(fā)生程度、抗病蟲害能力、幼苗更新株數(shù)、政策完善度、產(chǎn)權(quán)明晰度、森林采伐、森林保護、監(jiān)測管理水平。第4級健康影響指標是年凋落物量、草本蓋度、枯落物蓋度、草本豐富度、草本Simpson指數(shù)、枯木、落葉、泥炭、土壤碳、水源涵養(yǎng)功能、土壤厚度、腐殖質(zhì)層厚度，可見在健康評價中， 草本和土壤指標也不容忽視。在森林健康經(jīng)營中應(yīng)給予一定的重視。第5級健康影響指標只有枯死倒立木株數(shù)一個，對生態(tài)系統(tǒng)（林分）的健康影響相對最小[27-28]。

2 指標權(quán)重的確定

指標權(quán)重對水源涵養(yǎng)林林分健康評價結(jié)果具有顯著影響。本文中將在通過水源涵養(yǎng)林評價指標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解析形成的多級遞階子系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用AHP法結(jié)合熵權(quán)法確定評價指標的權(quán)重。應(yīng)用主觀賦權(quán)AHP法確定指標體系中5個一級指標和30個二級指標，構(gòu)成兩個層次的權(quán)重，采用專家群民主決策的賦權(quán)方法確定二級指標中經(jīng)過結(jié)構(gòu)解析的5級遞階層次（子系統(tǒng)）的30個指標的權(quán)重。然后用信息論中的熵技術(shù)對其結(jié)果進行修正。具體步驟如下：

（1）對由指標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解析得到的5級遞階層次（子系統(tǒng)）應(yīng)用AHP法構(gòu)建判斷矩陣R={rij}m×m，按公式作歸一化處理，得到標準指標fi輸出的熵

（2）求指標fi的偏差度di，di=1-Ej，確定指標 fi的信息權(quán)重

（3）利用信息權(quán)重μi修正由AHP法得出的水源涵養(yǎng)林健康評價指標權(quán)重w=（w1，w2， …，w30）， 得 到 修 正 后 的 指 標 權(quán) 重 λi，因此獲得各指標較合理的權(quán)重的向量（λ1，λ2，…，λ30）。修正后的權(quán)重信息量增大，可信度較修正前有所提高，且更符合實際情況，修正結(jié)果見表6。

表6 C級指標相當于總目標A的權(quán)重Table 6 Weight coefficients of C-level indicator relative to general goal A

應(yīng)用本文通過指標系統(tǒng)結(jié)構(gòu)解析建立的指標體系對西洞庭湖水源涵養(yǎng)林進行健康評價，結(jié)果顯示該指標體系具有一定的實用性和可操作性，利用熵技術(shù)修正層次分析法與專家群決策賦權(quán)法相結(jié)合，較單純使用層次分析法更為客觀、準確[28-31]。

3 結(jié)論與討論

林分尺度的森林健康評價及健康經(jīng)營涉及的因子多，評價指標系統(tǒng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)層次不明確。目前水源涵養(yǎng)林健康主要評價其生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力水平、結(jié)構(gòu)狀態(tài)、抗外界干擾能力及生態(tài)服務(wù)功能等多方面的綜合能力，評價系統(tǒng)多方面評價指標是否完善是關(guān)系評價結(jié)果的關(guān)鍵所在。結(jié)構(gòu)模型是一種描述系統(tǒng)的各個組成部分要索之間以及系統(tǒng)與環(huán)境之間相互關(guān)系的模型。本文中通過分析西洞庭湖水源涵養(yǎng)林結(jié)構(gòu)功能特征以及其生態(tài)系統(tǒng)健康概念和健康評價實踐，確定水源涵養(yǎng)林生態(tài)系統(tǒng)健康不是簡單的線性關(guān)系。遵循評價指標體系構(gòu)建原則，建立了水源涵養(yǎng)林健康評價指標體系，提出了應(yīng)用了改進結(jié)構(gòu)解析模型分析水源涵養(yǎng)林健康評價指標系統(tǒng)，并對30個水源涵養(yǎng)林健康評價指標進行系統(tǒng)分析，通過建立指標的模糊關(guān)系矩陣、鄰接矩陣、可達矩陣，并進行區(qū)域分解和級間分解，最終繪制成了健康評價包含的30個具體指標的系統(tǒng)五層遞階結(jié)構(gòu)圖，明確了30個具體指標的不同影響關(guān)系。通過NISM的解釋結(jié)構(gòu)模型分析，對影響水源涵養(yǎng)林健康的各因素進行了層級劃分，根據(jù)結(jié)構(gòu)解析劃分的5級遞階層次，采用AHP法結(jié)合熵權(quán)法確定處于不同層次的評價指標權(quán)重，得到較理想、合理的權(quán)重值，使水源涵養(yǎng)林健康評價更為客觀、有效。

采用解釋結(jié)構(gòu)模型方法分析森林健康評價指標系統(tǒng)，最大的問題是推移律的假定，即指標各級要素之間只是一種遞階結(jié)構(gòu)關(guān)系。而在實際情況下，各指標要素之間的 “關(guān)系”較含糊，其松緊耦合由專家小組的主觀討論來確定，有時會造成客觀結(jié)果的偏差很大，本研究引入模糊關(guān)系處理、聚類分析、信息保留法定量分析WFHI體系結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的二元ISM模型改進為量化解析結(jié)構(gòu)模型(NISM)，優(yōu)化了建模結(jié)果，避免了要素關(guān)系專家難以達成一致的現(xiàn)象發(fā)生。

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Structure analysis of forest ecosystem health assessment indicators system of water conservation forest

LI Jian-jun1,2, ZHANG Hui-ru1, XIONG Zhi-xiang3, WANG Chuan-li2, LIU Shuai2
(1. Institute of Forest Resource Information Techniques, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 2. Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 3. Forestry Burean of Xiangxiang, Xiangxiang 411400, Hunan, China)

For the status of forest health indicators too much, too inundant, lack of operability and ambiguous, a water conservation forest health assessment indicator system has been established from fi ve aspects such as vitality of system, structure, system resilience,woodland and forest management, screening out 30 indicators in stand scale. According to the principles of systems science, the structure and hierarchy of the correlation between the indexes of water conservation forest health evaluation index system were analyzed by applying the improved analytic structural model. After the structure analysis, and the water conservation forest health assessment index system was set up. On this basis, the indexes and factors of the system were quantitatively studied by adopting the combination entropy correction with AHP weight combined method. The results show that the water conservation forest health assessment indicator system is a fi ve-echelon system, the effects of volume of the unit area, height of average tree, average DBH and on annual volume growth in the fi rst level system indicators of water conservation forest health were the biggest fi ve indexes, and the effect of dead inverted wood number on the water conservation forest health in fi fth level of the system was the minimum. Through the forest health assessment, the indicator system was established with hierarchy clear and well-structured relations. According to the hiberarchy of hierarchical system,the more reasonable, credibility and more consistent with the actual situation index weight were obtained. The findings will be an academic basis for the water conservation forest health assessment and health management practice.

forest for conservation of water supply; analytic structure; improved model; evaluation index system; forest health assessment

S757.1

A

1673-923X(2014)07-0019-08

2013-12-10

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目“我國典型森林類型健康經(jīng)營關(guān)鍵技術(shù)研究(201004002)”；國家自然科學(xué)基金“洞庭湖濕地森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營的空間途徑研究(31070568)”；湖南省教育廳重點科研項目“基于復(fù)雜約束的次生林多目標結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究(11A128)”；長沙市科技計劃資助項目（k1106201-11）

李建軍（1970-），男，湖南沅江人，教授，博士，博士后，主要研究方向：林業(yè)系統(tǒng)工程和計算機應(yīng)用

張會儒（1964-），男，研究員，博導(dǎo)，主要從事森林可持續(xù)經(jīng)營研究；E-mail：huiru@caf.ac.cn

[本文編校：謝榮秀]