三峽庫區(qū)梅溪河小流域防護林體系林分類型優(yōu)化配置研究

王蕾, 孟祥江,*, 李驕, 夏鷹, 馬正銳,

1. 重慶市林業(yè)科學研究院，重慶 400036；

2. 重慶市涪陵區(qū)林業(yè)局，重慶 408099；

3. 重慶市武隆區(qū)林業(yè)局，重慶 408599

開展林分類型優(yōu)化，促進森林可持續(xù)發(fā)展是當今林業(yè)發(fā)展關注的一個焦點。防護林是區(qū)域經濟發(fā)展的生態(tài)屏障，在水源涵養(yǎng)、水土保持方面具有重要的功能，防護林的防護效能主要體現在森林冠層、土壤層、枯落物層的防護作用，林冠層功能受林分郁閉度、樹種組成、樹種結構等多種因素的影響，森林防護效果因不同林分類型有明顯差異[1-3]。

梅溪河流域現有防護林主要為馬尾松純林、柏木純林、闊葉混交林及部分針闊混交林，其中，馬尾松、柏木純林所占比例70%以上，林分密度大、林下無亞層林木、灌草本所占比例小，同齡林中林分生長差異大，林下灌草本所占比例少，總體防護功能不強，且景觀價值不大。小流域是治理生態(tài)環(huán)境的基礎，優(yōu)化配置小流域防護林體系林分類型可以有效地提高流域植被的防護效果[4]。在小流域尺度上進行地塊—林分類型的功能導向的林分結構優(yōu)化配置，總結出一套以功能導向的林分結構優(yōu)化技術尤為重要。

專家咨詢-層次分析法(簡稱Delphi-AHP)是將與決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的層次權重決策分析方法[5-11]。采用層次分析法對梅溪河流域防護林體系林分類型配置進行評價，確定該流域林分類型最優(yōu)配置，為小流域防護林林分類型優(yōu)化配置提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

梅溪河位于三峽庫區(qū)常年回水區(qū)中部，是長江北岸的一級庫區(qū)支流，發(fā)源于重慶市巫溪縣，在奉節(jié)縣永安鎮(zhèn)由北向南注入長江，三峽蓄水后在距河口21 km 范圍內形成常年回水區(qū)。梅溪河干流全長約 161 km（奉節(jié)縣境內長103 km），流域面積2 001 km2，多年平均流量39. 60 m3s-1，枯水期平均流量15. 03 m3s-1[12-13]。

重慶奉節(jié)梅溪河濕地縣級自然保護區(qū)位于重慶市奉節(jié)縣境內，地處奉節(jié)縣西北部的長江一級支流梅溪河流域，流域內土壤肥沃，氣候適宜，適合植物生長，現有土地類型主要為農田果林、林地、建筑物、道路及工業(yè)用地等五大類型，林地主要分布于海拔300 m 以上，且95%以上為防護林，森林資源較為豐富。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源

主要來源于研究區(qū)的1∶10 000 的地形圖、遙感影像圖和2016 年的林地變更數據，并于2017 年3 月份在研究區(qū)開展外業(yè)調查對收集的數據進行核實，對有誤或缺失的數據進行修正和完善。研究區(qū)域為梅溪河流域康樂鎮(zhèn)至新政鄉(xiāng)段，長度為52.2 km，選取兩岸山地第一層山脊內，第一山脊線不明顯地區(qū)則取水平距離200 m 以內（城區(qū)附近取 50?100 m），結合實地調查，盡最大可能收集研究區(qū)域相關材料和社會經濟統(tǒng)計數據和資料，通過林地變更調查小班數據進行綜合分析，提出科學合理的林分經營措施類型，使梅溪河流域防護林體系的空間配置得到較好的調整與優(yōu)化。

2.2 研究方法

采用1?9 級倒數的標度方法，由專家對梅溪河流域不同樹種、植被類型對防護林體系的生態(tài)、經濟、社會以及林分穩(wěn)定性4 個目標的貢獻進行逐個打分，建立判斷矩陣，見圖1。

圖 1 準則層構建Fig. 1 Construction of the guideline layer

2.2.1 評估決策判斷矩陣構造

對于任何判斷矩陣都有：bij=1（i=j時）；bij=1/bji（i 不等于j 時）。

通常，層次分析法采用Saaty 九級標度方法1?9，駱正清[14]等對層次分析法中幾種標度的比較證明，這種方法在標度均勻性、可記憶性、可感知性方面表現較好，但一致性和權重擬合性較差，綜合比較，選用該標度進行分析。

2.2.2 判斷矩陣一致性檢驗

（1）在構造成對比較判斷矩陣之后，為防止出現一定程度的非一致性，使矩陣A 滿足：

?i,j,k=1,2,···,n加入了對判斷矩陣一致性的檢驗，計算一致性指標CI：

其中λmax為判斷矩陣的最大特征根。

（2）查找相應的平均隨機一致性指標RI。n=1～9，查閱SaatyRI值表確定。

（3）計算一致性比例CR：

當CR＜0.10 時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應對判斷矩陣作適當修正。層次分析法確定權重過程由Matlab7.0 軟件完成。

3 結果與分析

3.1 梅溪河流域防護林體系空間配置的現狀分析

研究區(qū)域有林地占總面積的85.29%（其中馬尾松純林占 29.14%、松櫟混交林占 12.75%、柏木純林占25.04%、松柏混交林占14.30%、經濟林占4.99%、闊葉混交林占13.78%）、宜林地占 0.56%、灌木林地占 1.39%、無立木林地占 0.48%、未成林造林地占4.27%、非林地占8.01%。梅溪河流域林木起源主要為人工林和天然次生林，其中人工林的面積占有林地面積為68.95%、天然林次生林占31.05%。

表 1 判斷矩陣A?B 及權重Tab. 1 Judgment matrix and weight of layer A?B

表 2 判斷矩陣B1-C 及權重Tab. 2 Judgment matrix and weight of layer B1-C

表 3 判斷矩陣B2?C 及權重Tab. 3 Judgment matrix and weight of layer B2?C

3.2 梅溪河流域體系林分類型優(yōu)化配置研究

3.2.1 判斷矩陣結果分析

（1）準則層A?B 判斷矩陣及結果

相對于總體目標層 (A)準則層 (B)各因素之間的相對影響程度比較（見表1），由各因素的優(yōu)先級可以看出，總目標防護林體系準則層 (B)的排序結果為生態(tài)效益、穩(wěn)定性、社會效益、經濟效益。符合防護林體系建設原則和小流域防護林體系營建的實際情況。

（2）準則層B1?C 判斷矩陣及結果

相對于生態(tài)效益 (B1)準則，各林種 (C)之間相對重要性比較（見表2），由各因素的優(yōu)先級可以看出，各林分類型的排序結果為：闊葉混交林、松櫟混交林、松柏混交林、馬尾松純林、柏木純林、經濟林。

（3）準則層B2?C 判斷矩陣及結果。

相對于經濟效益 (B2)準則，各林種 (C)之間相對重要性比較(見表3)，由各因素的優(yōu)先級可以看出，各林分類型的排序結果為：經濟林、柏木純林、馬尾松純林、松柏混交林、松櫟混交林、闊葉混交林。

（4）準則層B3?C 判斷矩陣及結果

相對于社會效益 (B3)準則，各林種 (C)之間相對重要性比較 (見表4)，由各因素的優(yōu)先級可以看出,各林分類型的排序結果為: 闊葉混交林、松櫟混交林、松柏混交林、馬尾松純林、柏木純林、經濟林。

（5）準則層B4?C 判斷矩陣及結果

相對于穩(wěn)定性(B4)準則，各林種(C)之間相對重要性比較(見表5)由各因素的優(yōu)先級可以看出，各林分類型的排序結果為：松櫟混交林、闊葉混交林、松柏混交林、馬尾松純林、柏木純林、經濟林。

表 4 判斷矩陣B3?C 及權重Tab. 4 Judgment matrix and weight of layer B3?C

表 5 判斷矩陣B4?C 及權重Tab. 5 Judgment matrix and weight of layer B4?C

表 6 判斷矩陣A?C 及權重Tab. 6 Judgment matrix and weight layer A?C

（6）準則層A?C 判斷矩陣及結果

在準則層A?B 和措施層B1?C、B2?C、B3?C、B4?C 的計算結果基礎上，可以構建措施層總權重值，結果見表6。

對表1?表6 計算最大特征根及隨機一致性比率，每個矩陣都具有單排序滿意一致性，結論是可靠的。

3.2.2 樹種優(yōu)化結果

通過層次分析法對梅溪河小流域防護林體系進行優(yōu)化，得出如下結果：

（1）生態(tài)效益（B1）準則各林分類型生態(tài)效益由優(yōu)到劣依次為闊葉混交林、松櫟混交林、松柏混交林、馬尾松純林、柏木純林、經濟林，目前生態(tài)效益已成為森林的主要功能，適當增加闊葉混交林的比例，對提高土壤肥力、增加林分穩(wěn)定性起到很好的作用，而混交林在水土保持、水源涵養(yǎng)、凈化大氣、防風固沙、固碳釋氧、修復退化生態(tài)系統(tǒng)等方面的效益是更為顯著；

（2）經濟效益（B2）準則林分類型的排序由優(yōu)到劣依次為經濟林、柏木純林、馬尾松純林、松柏混交林、松櫟混交林、闊葉混交林。近年來，經濟林效益顯著，在林業(yè)產業(yè)體系中起到首要作用，利用山地資源發(fā)展林木經濟，既不與農業(yè)爭耕地，又能綠化國土，防風固沙，還能提供優(yōu)質的產品，可謂一舉多得；

（3）社會效益（B3）準則林分類型優(yōu)劣依次為闊葉混交林、松櫟混交林、松柏混交林、馬尾松純林、柏木純林、經濟林，混交林在提供別致的景觀滿足社會效益的同時也具有較好的生態(tài)效益，在小流域防護林體系林分類型中所占比例應適當增加；

（4）穩(wěn)定性（B4）準則林分類型優(yōu)劣依次為松櫟混交林、闊葉混交林、松柏混交林、馬尾松純林、柏木純林、經濟林。其中混交林結構作為梅溪河流域的頂級森林群落結構，它能充分利用環(huán)境物質，物質循環(huán)功能和能量流動最高，可以形成一個良好的生態(tài)系統(tǒng)，有利于野生動植物棲息繁衍，提高生物多樣性。

在綜合考慮各因素條件下，各類植被類型按權重為闊葉混交林（32.19%）＞松櫟混交林（28.67%）＞松柏混交林（17.57%）＞馬尾松純林（8.36%）＞柏木純林（7.31%）＞經濟林（5.91%）。馬尾松純林、柏木純林都大幅度下降，闊葉混交林、松櫟混交林、松柏混交林面積有所增加，經濟林略有增加，樹種分布達到了均衡。這樣一種優(yōu)化結構，充分反映了試驗區(qū)自然、社會、經濟以及穩(wěn)定性條件，既能保證森林生態(tài)系統(tǒng)的防護效能的充分發(fā)揮，又能保證森林產品的質量和產量，達到“青山常在，永續(xù)利用”的目的。

優(yōu)化后樹種結構為純林的林分由原來的54.2%下降到15.7%，而混交林林分由原來的40.8%上升到78.4%，森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性增強，從而可以克服純林不利于土壤改良的缺點，提高了林地的土壤肥力，增強了林分防病蟲、防火能力，因此優(yōu)化后的樹種結構更趨于合理。