基于層次分析法的毛烏素沙地3種造林模式恢復(fù)成效評價

張 雷,洪光宇,2,李卓凡,高孝威,黃薩仁,王 卓,劉尚華,王曉江

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院,呼和浩特 010010；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 草原與資源環(huán)境學(xué)院,呼和浩特 010011；3.鄂爾多斯市烏審旗林業(yè)局林工站,內(nèi)蒙古 烏審旗 017300；4.鄂爾多斯市水土保持監(jiān)督執(zhí)法局,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010；5.鄂爾多斯市退耕還林工程管理中心,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010)

毛烏素沙地為我國四大沙地之一,生態(tài)環(huán)境較為脆弱,且是荒漠化等生態(tài)災(zāi)害較容易產(chǎn)生的地區(qū)之一[1-2]。為有效遏制土地荒漠化,改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和生存條件,人工造林成為植被恢復(fù)防治荒漠化的主要手段[3]。近年來,該區(qū)植被恢復(fù)取得了較大成績,土地荒漠化得到了有效遏制。然而,不同造林模式下的恢復(fù)成效如何,如固碳能力、生物多樣性保護(hù)、土壤理化性質(zhì)和防風(fēng)固沙等方面的評價,十分必要。目前,已有少量學(xué)者對該地區(qū)的不同模式進(jìn)行了總體生態(tài)效益分析[4-5],但是對于具體樹種、具體模式的綜合評價尚未見報道。

層次分析法(Analytical hierarchy process,AHP)是美國著名運(yùn)籌學(xué)家、匹茲堡大學(xué)教授Saaty在20世紀(jì)70年代創(chuàng)立的一種系統(tǒng)分析與決策的綜合評價方法[6],是在充分研究人們思維過程的基礎(chǔ)上提出的,它比較合理地解決了定性問題定量化的處理過程[7]。AHP在林業(yè)[7-8]和畜牧業(yè)[9-10]中得到了較為廣泛的應(yīng)用。本文以毛烏素沙地腹地烏審旗烏蘭陶勒蓋鎮(zhèn)已有的沙柳(Salixpsammophila)沙障、紫穗槐(Amorphafruticosa)人工林和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)人工林3種造林模式為研究對象,構(gòu)建了沙地植被恢復(fù)成效評價體系,采集了固碳能力、生物多樣性、土壤理化性質(zhì)和防風(fēng)固沙等方面的數(shù)據(jù),運(yùn)用層次分析法定量評價了3種造林模式的恢復(fù)成效,以期為該地區(qū)植被恢復(fù)成效評價以及人工植被建植提供樣板和參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地腹地。毛烏素沙地位于37°27.5′～39°22.5′N,107°20′～111°30′E,海拔1 200～1 600m。該地區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,半固定和固定沙丘廣泛分布。沙區(qū)年均溫6.0～8.5 ℃,年均降水量270～350mm,尤以8月最多,年均蒸發(fā)量1 800～2 500mm。該區(qū)常見的灌木種有油蒿(Artemisiaordosica)、沙柳、楊柴(Hedysarumlaeve)、檸條(Caraganaintermedia)和沙地柏(Sabinavulgaris)等[3,11]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置及調(diào)查

在內(nèi)蒙古烏審旗烏蘭陶勒蓋鎮(zhèn)已有的分布面積較廣的沙柳沙障、紫穗槐人工林和樟子松人工林等3種造林模式內(nèi),選擇具有代表性并且立地條件相似的迎風(fēng)坡進(jìn)行設(shè)樣調(diào)查。樣地基本情況如表1所示,造林時間均為2010年。

1) 植被數(shù)據(jù)調(diào)查與土壤取樣。沿選取的典型坡面分坡上、坡中和坡下設(shè)置樣方,4個重復(fù),該部分調(diào)查于2016年8—9月份進(jìn)行。具體包括:設(shè)置5 m×5 m灌木樣方,記錄冠幅、高度、種名、枯枝和死枝數(shù)、地徑等,并取標(biāo)準(zhǔn)株生物量用牛皮紙袋包好；設(shè)置1 m×1 m草本樣方,記錄蓋度、高度、叢(株)數(shù)、生物量以及種名等,并取地上生物量用牛皮紙袋包好,同時記錄樣地基本的生境因子(如坐標(biāo)、海拔、坡度、坡向、土壤類型等)；生物量在實驗室70 ℃下烘干48 h后用電子天平稱重。土壤在每個灌木樣方中分0～20cm,20～40cm,40～60cm分別取樣,自然風(fēng)干后在實驗室測定土壤有機(jī)質(zhì)、速效N、速效P和速效K。

2) 土壤含水量長期監(jiān)測。于2015年5月在每個灌木樣方中預(yù)埋2m長TDR測量管。此后,分別于2016年4月、6月、9月和11月使用PICO-BT便攜式土壤水分速測儀分0～20cm,20～40cm,40～60cm,60～80cm,80～100cm,100～120cm,120～140cm,140～160cm和160～180cm等9層進(jìn)行土壤水分的測定,每個層次每次3個重復(fù),土壤涵養(yǎng)水源功能使用0～180cm深含水量的加權(quán)平均值,所測數(shù)據(jù)均為體積含水量,單位為%。

3) 風(fēng)蝕監(jiān)測。于2015年5月在每個灌木樣方中預(yù)埋風(fēng)蝕樁,并于2015年的11月和2016年的11月分別量取了風(fēng)蝕樁的高度,它們的差值被認(rèn)為防風(fēng)固沙的效果。

表1 樣地概況Tab.1 Basic condition of sample plots

2.2 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

考慮到沙地植被恢復(fù)的基本目標(biāo)是其各項生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的提高,因此參考《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》[12],按照層次分析法,構(gòu)建恢復(fù)成效評價指標(biāo)體系,即由1個總目標(biāo)層(A層)、5個準(zhǔn)則層(B層)和11個指標(biāo)層(C層)組成(表2)。

表2 沙地植被恢復(fù)成效評價體系Tab.2 Sand land vegetation restoration assessment system

注:“正向”意為值越大越好;“負(fù)向”意為值越大越差。

2.3 權(quán)重的確定

2.3.1問卷調(diào)查

對表2中的5個準(zhǔn)則層(B層)和11個指標(biāo)層(C層)的重要性進(jìn)行問卷調(diào)查[8,13-15]。本研究共計發(fā)放專家咨詢問卷30份,其中有效問卷30份,咨詢專家專業(yè)包括水土流失與荒漠化防治、生態(tài)學(xué)、森林培育和森林經(jīng)營等,職稱包括研究員、副研究員和助理研究員等。具體調(diào)查問卷項目包括5個準(zhǔn)則層的重要性以及11個指標(biāo)層在各自準(zhǔn)則層中的重要性。重要性采用排序制,“1”表示最重要,“2”表示次重要,以此類推,可并列。

2.3.2權(quán)重的計算

對于權(quán)重的確定[8,10,13-16]:首先,依據(jù)問卷調(diào)查的結(jié)果并結(jié)合前期研究經(jīng)驗,采用1～9標(biāo)度方法作評價因子之間兩兩重要性定量判斷,形成判斷矩陣。然后,根據(jù)判斷矩陣,運(yùn)用根法計算同一層次下各元素的相對權(quán)重向量,并計算同一層次所有因素對最高層相對重要性的權(quán)重向量(也就是本研究中的指標(biāo)層對準(zhǔn)則層的權(quán)重向量,wkj=wk×pkj,wkj為第k個準(zhǔn)則層因素中第j個指標(biāo)的組合權(quán)重,wk為第k個準(zhǔn)則層因素在本層次的相對權(quán)重,pkj為第k個準(zhǔn)則層因素中第j個指標(biāo)在同一準(zhǔn)則層的指標(biāo)層中的相對權(quán)重)(表2)。最后,進(jìn)行判斷矩陣一致性檢驗,即計算一致性指標(biāo)CI(Consistency Index)并查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI(Random Index),從而得到一致性比例CR(Consistency Ratio)=CI/RI；當(dāng)CR<0.1時,認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性,當(dāng)CR≥0.1時需要調(diào)整判斷矩陣直到滿意,一般情況對于一階、二階矩陣總是一致的,此時CR=0。本研究中,準(zhǔn)則層CI=0,RI=1.12,CR=0 < 0.1,判斷矩陣具有滿意的一致性。

2.4 數(shù)據(jù)無量綱化處理和綜合得分的計算

從表2中可知,本研究選擇的各指標(biāo)量綱不同,因此在評價前應(yīng)進(jìn)行無量綱化處理,具體公式如下[17]:

對于正向指標(biāo):

對于負(fù)向指標(biāo):

式中:i為第i種造林模式；j為第j個指標(biāo)；Xij為實測值；Xmax為第j個指標(biāo)中所有實測值的最大值；Xmin為第j個指標(biāo)中所有實測值的最小值。

2.5 數(shù)據(jù)處理分析

物種多樣性的計算按下列公式[18]:

豐富度指數(shù):R=S

Shannon-Wiener指數(shù):H=-∑PilgPi

此外,使用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理,SPSS 19.0進(jìn)行統(tǒng)計分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 3種造林模式下各指標(biāo)實測值對比

3種造林模式在研究區(qū)均較為常見,沙柳沙障為當(dāng)?shù)厣沉某Ｒ?guī)鋪設(shè)方法,紫穗槐和樟子松近年來也作為沙地植被建設(shè)的重要樹種被廣泛應(yīng)用,分析相同種植年限各指標(biāo)實測值的不同，可發(fā)現(xiàn)它們多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能的恢復(fù)快慢。從表3可以看出:1)固碳能力,單位面積喬(灌)木地上生物量沙柳沙障和紫穗槐人工林差異不顯著,但均顯著高于樟子松人工林；單位面積草本地上生物量差異均不顯著。2)生物多樣性,紫穗槐人工林均顯著高于沙柳沙障和樟子松人工林。3)土壤改良,土壤有機(jī)質(zhì)差異不顯著,速效N沙柳沙障顯著高于紫穗槐人工林,速效P沙柳沙障和樟子松人工林顯著高于紫穗槐人工林,速效K沙柳沙障和紫穗槐人工林顯著高于樟子松人工林。4)土壤涵養(yǎng)水源,差異均不顯著。5)防風(fēng)固沙,沙柳沙障顯著優(yōu)于樟子松人工林。整體上看,沙柳沙障的固碳能力、土壤改良和防風(fēng)固沙等效益恢復(fù)最好,紫穗槐人工林固碳能力和防風(fēng)固沙效益恢復(fù)次之,但是生物多樣性效益恢復(fù)最好,樟子松人工林各項效益恢復(fù)均較差。

3.2 3種造林模式恢復(fù)成效評價結(jié)果

3種造林模式下各指標(biāo)無量綱化后的值如表4所示。依據(jù)表2的組合權(quán)重和表4計算得到3種造林模式恢復(fù)成效的綜合得分(表5)。從表5中可以明顯看出,沙柳沙障>紫穗槐人工林>樟子松人工林,得分分別為75.32,67.67和37.31,也就是說沙柳沙障在該地區(qū)恢復(fù)成效最優(yōu),而對于近年來引進(jìn)并被廣泛應(yīng)用的紫穗槐和樟子松,紫穗槐人工林的恢復(fù)成效同樣良好,僅略低于沙柳沙障,而樟子松人工林恢復(fù)成效較差。

表3 3種造林模式下各指標(biāo)的實測值Tab.3 The measured values of each index in the three afforestation models

注:檢驗方法為LSD,同一行不同字母表示顯著差異(P<0.05)。

表4 3種造林模式下各指標(biāo)無量綱化后的值Tab.4 The dimensionless values of each index in the three afforestation models

表5 3種造林模式恢復(fù)成效評價結(jié)果Tab.5 Assessment results of the three afforestation models

4 結(jié)論

本研究通過構(gòu)建沙地植被恢復(fù)成效評價體系,運(yùn)用層次分析法基本原理對毛烏素沙地3種造林模式進(jìn)行了綜合評價,結(jié)果表明:1)沙柳沙障的固碳能力、土壤改良和防風(fēng)固沙等效益恢復(fù)最好,紫穗槐人工林固碳能力和防風(fēng)固沙效益恢復(fù)次之,但是生物多樣性效益恢復(fù)最好,樟子松人工林各項效益恢復(fù)均較差。2)綜合得分顯示,沙柳沙障(75.32)>紫穗槐人工林(67.67)>樟子松人工林(37.31),也就是說,沙柳沙障作為該地區(qū)的鄉(xiāng)土樹種,其常規(guī)造林方法恢復(fù)成效最優(yōu),而紫穗槐人工林的恢復(fù)成效同樣良好以及樟子松人工林恢復(fù)成效較差則表明，相比喬木林該地區(qū)更適合灌木林的營建。

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