戴云山黃山松群落近自然度評(píng)價(jià)

陳遠(yuǎn)麗, 曠開金, 尤添革, 劉金福, 路春燕, 林芳芳, 林柳璇

(1.生態(tài)與資源統(tǒng)計(jì)福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；2.福建農(nóng)林大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，福建 福州 350002；3.福建農(nóng)林大學(xué)海峽自然保護(hù)區(qū)研究中心，福建 福州 350002；4.福建江夏學(xué)院金融學(xué)院,福建 福州 350002)

森林作為地球上最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型之一，為人類的生產(chǎn)和生活提供各種產(chǎn)品和服務(wù)[1-3].近年來，隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類活動(dòng)干擾加劇，森林生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞.我國森林生態(tài)系統(tǒng)25%嚴(yán)重退化，現(xiàn)存森林植被處于不同程度的退化狀態(tài)[4-6].森林生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)問題受到廣泛關(guān)注.候湖平等[7]應(yīng)用GIS技術(shù)分析徐州城北礦區(qū)生態(tài)景觀修復(fù)；姜長龍等[8]以吉林省灣溝林業(yè)局森林生態(tài)修復(fù)工程為例，闡述了實(shí)施森林生態(tài)修復(fù)工程的必要性.森林的現(xiàn)實(shí)植被群落與原生群落之間的植被特征、土壤特征差異研究是修復(fù)退化森林生態(tài)系統(tǒng)的主要依據(jù)，可見，森林的自然性評(píng)價(jià)尤為重要.

森林近自然度反映現(xiàn)實(shí)森林類型與地帶性原始頂級(jí)森林類型的差異程度，是反映森林質(zhì)量和生態(tài)狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)[9-10].森林近自然度評(píng)價(jià)是在被評(píng)價(jià)植被群落鄰近位置尋找一個(gè)幾乎未受到人類干擾、仍處于天然狀況的植被群落，比較現(xiàn)實(shí)植被群落與天然植被的差異及相似性.然而隨著人類對(duì)自然的開發(fā)與利用，理想?yún)⒄障祹缀鯚o處可尋[11-13].因此，近自然度評(píng)價(jià)多是以各林分內(nèi)指標(biāo)的最優(yōu)值為標(biāo)準(zhǔn)，得出不同林地類型的相對(duì)自然度值.趙中華等[14]以甘肅小隴山為例，從樹種組成、林分結(jié)構(gòu)、樹種多樣性、林分活力和干擾程度等5個(gè)方面建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用層次分析法計(jì)算該區(qū)自然度并進(jìn)行精度驗(yàn)證.胡麗秋等[15]基于樣地調(diào)查評(píng)價(jià)永安市洪田村森林類型及森林自然度與經(jīng)營度.郭廷棟等[16]采用層次分析法建立延安市城郊側(cè)柏純林及混交林的近自然度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，計(jì)算各林分類型的近自然度綜合指數(shù).這些方法普遍容易受到主觀因素影響，評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定偏差.

模糊綜合評(píng)判法即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多種因素制約的事物或?qū)ο笞龀鲆粋€(gè)總體的評(píng)價(jià)，具有結(jié)果清晰、系統(tǒng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能較好解決模糊、難以量化的問題[17-18].本文將熵值法與模糊綜合評(píng)判法相結(jié)合，對(duì)戴云山黃山松群落近自然度進(jìn)行綜合評(píng)判，為保護(hù)區(qū)管理與決策提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

戴云山自然保護(hù)區(qū)位于福建省德化縣境內(nèi)，包含赤水、雷峰、南埕、桂陽、上涌、大銘6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積134.724 km2.地理位置：118°5′22″—118°20′15″E，25°38′07″—25°43′40″N.保護(hù)區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，溫涼適中，四季分明，平均海拔700～1 500 m.主要保護(hù)對(duì)象為東南沿海典型的山地森林生態(tài)系統(tǒng)，重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象是中國大陸東南沿海分布最南端、面積最大、保存最完好的原生性黃山松群落，對(duì)福州、泉州乃至周邊地區(qū)具有涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化空氣等功能，具有極其重要的生態(tài)戰(zhàn)略地位[19-20].

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

于2015年采用網(wǎng)格布點(diǎn)法對(duì)戴云山自然保護(hù)區(qū)(118°10′—118°27′E，25°65′—25°72′N)進(jìn)行樣地設(shè)置與調(diào)查，以550 m間距將工作地圖分割成等間距網(wǎng)格，若橫縱坐標(biāo)交點(diǎn)在黃山松小班內(nèi)，則在該位置設(shè)置樣地(圖1)，共設(shè)置25.82 m×25.82 m的正方形樣地86個(gè)，總面積約為5.7 hm2.用GPS和羅盤儀記錄每個(gè)樣地的經(jīng)緯度和海拔、坡度和坡向.每個(gè)樣地4個(gè)角點(diǎn)分別設(shè)置北、東、南、西4個(gè)方向，每個(gè)方向上設(shè)置4 m×4 m小樣方，每個(gè)小樣方內(nèi)設(shè)置1 m×1 m草本樣方，樣地中心埋設(shè)水泥樁.記錄樣地內(nèi)DBH>5 cm的喬木名稱、冠幅、冠下高、生活力狀況，并按順時(shí)針掛牌、編號(hào).測定小樣方內(nèi)幼樹(H>30 cm,DBH<5 cm)的名稱、高度、胸徑，并編號(hào).調(diào)查樹輪生枝數(shù)、灌木種類、相對(duì)蓋度、株數(shù)和平均高度，以及草本樣方內(nèi)草本種類、蓋度、株數(shù)和平均高度.

1.3 土壤調(diào)查及測試

在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn)，用環(huán)刀按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm挖取土壤剖面，所取土樣裝入對(duì)應(yīng)標(biāo)記的采樣袋內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室測定.土壤測定指標(biāo)及方法見表1，每個(gè)土壤樣品測試3次，取平均值.

表1 土壤測定指標(biāo)及方法Table 1 Soil indicators and test methods

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)樣地調(diào)查得到不同群落的物種數(shù)，計(jì)算各物種Shannon-winener多樣性指數(shù)指數(shù)(H)、Simpson指數(shù)(D)及Pielou均勻度指數(shù)(E).其中：

H=-∑PilnPi

(1)

(2)

E=-∑PilnPilnS

(3)

式中，Pi代表第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)占群落中總個(gè)體數(shù)的比例，S為樣方內(nèi)的物種總數(shù).

1.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選

表2 敏感度等級(jí)劃分Table 2 Classification of sensitivity levels

主要采用敏感性分析法[21]，應(yīng)用變異系數(shù)CV確定各指標(biāo)敏感度(表2).從反映群落特征的20個(gè)指標(biāo)中篩選出戴云山自然保護(hù)區(qū)自然度評(píng)價(jià)指標(biāo).

1.6 模糊綜合評(píng)判法

模糊綜合評(píng)判法是基于模糊數(shù)學(xué)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，利用多個(gè)因素對(duì)被評(píng)價(jià)事物隸屬等級(jí)狀況進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)，對(duì)多因素、多層次復(fù)雜問題的評(píng)判效果較好，且模型簡單，容易掌握.模糊綜合評(píng)判的模型和步驟[22]表示如下.

(1)確定評(píng)價(jià)因素和評(píng)價(jià)等級(jí):設(shè)U={u1，u2，…，um}為刻畫被評(píng)價(jià)對(duì)象的m種因素(評(píng)價(jià)指標(biāo))；V={v1，v2，…，vn}為刻畫每一因素所處的狀態(tài)的n種決斷(評(píng)價(jià)等級(jí)).

(2)確定權(quán)重向量:各評(píng)價(jià)因素被賦予一個(gè)權(quán)重系數(shù)，這些權(quán)重系數(shù)所組成的向量即為權(quán)重向量，則ui對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量為Ai=(ai1,ai2,…,aij,…,aim),U對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量為A=(a1,a2,…,ai,…,an).

(3)通過單因素模糊評(píng)價(jià)獲得評(píng)價(jià)矩陣:若Ui中的因素uij對(duì)評(píng)語集V中第1個(gè)元素的隸屬度為rj1，則uij的評(píng)價(jià)向量Rij=(rj1,rj2,…,rjn)，可得單因素評(píng)價(jià)矩陣為

Ri=Ri1

Ri2

?

Rim=r11r12…r1n

r21r22…r2n

????

rm1rm2…rmn

(4)建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型:所對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量Ai=(ai1,ai2,…,aij,…,aim)，由此得到一級(jí)模糊綜合的評(píng)價(jià)結(jié)果為Bi=AiRi.

由一級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果得到的綜合評(píng)價(jià)矩陣為B=(B1,B2,…,Bi).

1.7 熵值法

熵值法是一種客觀賦權(quán)方法，它是通過計(jì)算指標(biāo)的信息熵，根據(jù)指標(biāo)的相對(duì)變化程度對(duì)系統(tǒng)整體的影響來決定指標(biāo)的權(quán)重.與其他方法相比，熵值法確定權(quán)重能夠消除人為因素的干擾，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加科學(xué)合理.熵值法計(jì)算步驟[23]：

(1)評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化.為了消除不同指標(biāo)間量綱的差異，采用極差變換法對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化.對(duì)于正向指標(biāo)，取

yij=xij-minxijmaxxij-minxij

對(duì)于逆向指標(biāo)，取

yij=maxxij-xijmaxxij-minxij

經(jīng)過極差變換后，指標(biāo)值為0～1，正、逆向指標(biāo)均轉(zhuǎn)化為正向指標(biāo)，最優(yōu)值為1，最劣值為0.

(2)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)下，第i個(gè)樣地占該指標(biāo)的比重(pij)：

pij=yij∑ni=1yij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)

式中，n為樣本個(gè)數(shù)，m為指標(biāo)個(gè)數(shù).

(3)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)熵值(ej)：

ej=-k∑ni=1pijlnpij

式中，k=1lnn，ej≥0.

(4)計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的差異系數(shù)(gj)：

gj=1-ej

(5)對(duì)差異系數(shù)進(jìn)行歸一化，計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重(wj)：

wj=gj∑mj=1gj

2 結(jié)果與分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

遵循系統(tǒng)性、典型性、科學(xué)性、可操作性等原則，采用敏感性分析法，利用各因子指標(biāo)變異系數(shù)(表3)，在反映群落特征的20個(gè)指標(biāo)中，共篩選出13個(gè)反映戴云山自然保護(hù)區(qū)近自然度的評(píng)價(jià)指標(biāo).建立保護(hù)區(qū)近自然度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用熵值法確定各指標(biāo)權(quán)重，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與指標(biāo)權(quán)重如圖2所示.

表3 各指標(biāo)敏感性分級(jí)及評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇Table 3 Sensitivity indexes and selection of evaluation indicators

圖2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Evaluation system

從圖2可知，植被特征是影響近自然度綜合指數(shù)的主要因素，其中坡度影響最大，其次是郁閉度和林齡.坡度的緩急會(huì)形成小氣候的變化，并且對(duì)水土的流失和積聚都有影響，因此可直接或間接地影響植物的生長和分布.一般土壤肥沃、排水良好的斜坡，對(duì)植物生長有利.郁閉度反映林分的密度，因此，是評(píng)判森林近自然度等級(jí)的一個(gè)重要指標(biāo).近自然度等級(jí)越高，郁閉度越高.同理，森林近自然度等級(jí)越高，平均林齡越大，該區(qū)越接近原始森林.有效磷對(duì)近自然度評(píng)價(jià)等級(jí)的影響最大，其次是速效鉀和全氮.植被越茂盛，氮磷鉀含量越高.因此，近自然度等級(jí)越高，氮磷鉀含量越高.而土壤有機(jī)碳是微生物作用后形成的腐殖質(zhì)、動(dòng)植物殘?bào)w與微生物體結(jié)合的產(chǎn)物，原始森林土壤的碳含量較高，因此，全碳對(duì)近自然度評(píng)價(jià)也有一定影響，全磷的影響最小.

2.2 模糊綜合評(píng)判

借鑒前人研究結(jié)果[24]，根據(jù)等間距法，將近自然度分為5個(gè)等級(jí)，確定評(píng)價(jià)等級(jí)V={人工，近人工，遠(yuǎn)天然，半天然，天然}.對(duì)各因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到如下評(píng)判矩陣：

R1=00.150.350.30.400.150.05

0.10.150.250.250.30.10.150.1

0.20.20.20.20.150.10.20.15

0.30.250.150.150.10.30.250.25

0.40.250.050.10.050.50.250.45，R2=0.050.150.20.250.35

0.050.150.20.250.35

0.350.250.150.150.1

0.10.150.20.250.3

0.10.150.20.250.3

通過對(duì)各子因素進(jìn)行一級(jí)評(píng)判可得：

B1=A1·R1=(0.142 6 0.153 7 0.179 3 0.241 7 0.283 7)

B2=A2·R2=(0.085 9 0.150 6 0.199 7 0.249 4 0.314 4)

由此得到二級(jí)綜合評(píng)判：

B=A·R=(0.140 3 0.153 6 0.180 1 0.242 0 0.285 0)

根據(jù)最大隸屬度原則可知，戴云山自然保護(hù)區(qū)近自然度評(píng)價(jià)為近人工.

2.3 黃山松群落近自然度評(píng)價(jià)

依據(jù)對(duì)戴云山自然保護(hù)區(qū)近自然度的評(píng)價(jià)結(jié)果，得到各鄉(xiāng)鎮(zhèn)近自然度評(píng)價(jià)等級(jí)(表4).由表4、圖3可知，上涌鎮(zhèn)近自然度評(píng)價(jià)等級(jí)最高.上涌鎮(zhèn)總共18個(gè)樣地，其中，5個(gè)樣地評(píng)價(jià)等級(jí)為近人工，占27.78%；11個(gè)為遠(yuǎn)天然，占61.11%；2個(gè)為半天然，占11.11%.大銘鄉(xiāng)評(píng)價(jià)等級(jí)最低，3個(gè)樣地中2個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)為近人工，占66.67%；1個(gè)為遠(yuǎn)天然.赤水鎮(zhèn)共選取42個(gè)樣地對(duì)其近自然度等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中26個(gè)樣地評(píng)價(jià)等級(jí)為近人工，占61.90%；16個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)為遠(yuǎn)天然，占38.10%.桂陽鄉(xiāng)僅選取1個(gè)樣地，評(píng)價(jià)等級(jí)為遠(yuǎn)天然.雷鋒鎮(zhèn)共選取12個(gè)樣地對(duì)其近自然度等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，5個(gè)為近人工，占41.67%；7個(gè)為遠(yuǎn)天然，占58.33%.南埕鎮(zhèn)共選取10個(gè)樣地對(duì)其近自然度等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中2個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)為人工，占20%；4個(gè)為近人工，占40%；4個(gè)為遠(yuǎn)天然.

表4 戴云山自然保護(hù)區(qū)近自然度評(píng)價(jià)等級(jí)Table 4 Naturalness evaluation grades of Daiyunshan Nature Reserve

根據(jù)戴云山近自然度評(píng)價(jià)結(jié)果，黃山松群落總體近自然度屬于中等，遠(yuǎn)天然及以上等級(jí)占48.84%，其中40個(gè)評(píng)價(jià)結(jié)果為遠(yuǎn)天然，占46.51%；2個(gè)為半天然；2個(gè)為近人工，占48.84%；2個(gè)為半天然，占2.33%.其中78號(hào)樣地與81號(hào)樣地評(píng)價(jià)等級(jí)為人工，主要原因是該樣地坡度較陡，水土容易流失，不利于植被生存，植被種類少，生物多樣性低，且該地海拔低，受人為干擾較為嚴(yán)重，因此該地郁閉度和平均林齡均較低，評(píng)價(jià)等級(jí)較低.而上涌鎮(zhèn)境內(nèi)的1號(hào)樣地，坡度緩，水土易于保持，海拔高，不易受人為干擾，且該地土壤肥沃，因此該地植被生長茂盛，生物多樣性高，郁閉度和平均林齡均較大，評(píng)價(jià)等級(jí)高.遠(yuǎn)天然樣地相對(duì)半天然樣地來說，坡度陡，郁閉度低，土壤肥力不充足，生物多樣性也差，因此評(píng)價(jià)等級(jí)低.近人工樣地普遍位于高海拔地區(qū)，該地區(qū)氣溫低，氣候寒冷，不利于植被生存，因此該地平均林齡、郁閉度與生物多樣性均低，評(píng)價(jià)等級(jí)也低.

3 小結(jié)

本研究結(jié)果表明，戴云山黃山松群落總體近自然度屬于近人工等級(jí)，其中，上涌鎮(zhèn)等級(jí)最高，其余依次為桂陽鄉(xiāng)、大銘鄉(xiāng)、赤水鎮(zhèn)、雷鋒鎮(zhèn)、南埕鎮(zhèn).總體來說，遠(yuǎn)天然及以上等級(jí)樣地僅占調(diào)查樣地的48.84%，主要分布在坡度較緩地區(qū)，海拔1 200～1 400 m；自然度等級(jí)較低和最低的樣地占總樣地的51.16%，主要分布在低海拔(900～1 200 m)與高海拔(1 400～1 700 m)區(qū)域，分布地區(qū)坡度較陡，受人為干擾較為嚴(yán)重，氣候寒冷.

從評(píng)價(jià)結(jié)果可知，坡度、林齡、喬木層H值，以及速效鉀、有效磷、全氮含量是評(píng)價(jià)戴云山黃山松群落近自然度的重要指標(biāo).本研究結(jié)果表明低海拔地區(qū)及高海拔地區(qū)的自然度等級(jí)較低，主要是由于低海拔地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)流失嚴(yán)重，不利于植被生長；而高海拔地區(qū)的黃山松群落受到大風(fēng)、土壤等自然因素影響，生長緩慢，小徑木數(shù)量居多，因此該地自然度等級(jí)低.