基于灰色關(guān)聯(lián)度的地震損毀地植被快速恢復(fù)模式篩選

吳世磊, 陳英, 張澤, 蘇宇, 張煒, 賀維

四川省林業(yè)科學(xué)研究院，森林和濕地生態(tài)恢復(fù)與保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610000

地震及次生災(zāi)害造成區(qū)域內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)、濕地生態(tài)系統(tǒng)、林業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)能力等不同程度損失和影響。韓茂云[1]通過探討茂縣“5·12”地震災(zāi)后不同植被恢復(fù)模式恢復(fù)成效，得出喬灌草模式的造林效果最佳，值得在生產(chǎn)上推廣。鄢武先[2]通過對(duì)臥龍自然保護(hù)區(qū)植被恢復(fù)調(diào)查，得出生態(tài)適應(yīng)性、地帶性、先鋒性、抗逆性和自我維持性和生物多樣性的植物種選擇的原則?？梢婇_展地震災(zāi)區(qū)快速植被恢復(fù)模式篩選對(duì)災(zāi)區(qū)植被恢復(fù)、生態(tài)環(huán)境的改善具有重要的科技支撐及示范作用。灰色關(guān)聯(lián)度分析[3-5]是一種常用的科學(xué)分析比較方法，已經(jīng)在很多領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，很多科研人員采用該方法對(duì)水稻、甜高粱、大麥、小麥、苧麻等進(jìn)行品種比較試驗(yàn)[6-16]，篩選出更多的適宜品種。林業(yè)上大多使用多層次分析法[18]開展篩選出更多的適宜模式，主要依靠專家打分法進(jìn)行篩選，主觀性強(qiáng)?；疑P(guān)聯(lián)度分析[19]同時(shí)兼顧多種指標(biāo)，對(duì)模式多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行定量的綜合分析，減少主觀因素，避免了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)法由單一指標(biāo)來判斷某個(gè)模式、品種的好壞造成的弊端，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加可靠和客觀[20]。本次研究應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析，對(duì)恢復(fù)模式多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行定量的綜合分析，篩選出適應(yīng)九寨溝地震損毀地的快速植被恢復(fù)模式，以期為地震損毀地的植被快速恢復(fù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選取的植被快速恢復(fù)模式地點(diǎn)全部位于九寨溝縣內(nèi)，以“8·8”四川九寨溝地震震中漳扎鎮(zhèn)比芒村為中心向四周選取，各試驗(yàn)地氣候、地形、土壤等外在條件基本一致，海拔在2 300～2 900 m，屬高山寒溫氣候，9 月至次年5 月為霜期；降雨量較為充沛，年降雨量500～700 mm，雨季集中在7—9月，土層淺薄，坡度在30°～50°屬于高山峽谷地帶，土壤類型以山地黃棕壤為主。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)查閱及對(duì)九寨溝地震損毀地植被快速恢復(fù)小班的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，按照地震損毀地受損程度、恢復(fù)措施、物種配置模式初步確定九寨溝地震損毀地植被快速恢復(fù)模式共計(jì)17 種，其中地震損毀地受損程度劃分為重度和中度受損，重度地震損毀地主要以各種石塊為主，含有少量的泥土和雜物，幾乎無森林植被，穩(wěn)定性差；中度地震損毀地主要為森林植被受到局部破壞，部分區(qū)域出現(xiàn)林中空地、林窗，但受損區(qū)域立地質(zhì)量基本未受破壞，具有森林植被恢復(fù)的基礎(chǔ)。重度地震損毀地采取工程措施+植苗造林的11 種措施，中度地震損毀地的采取植苗造林的6 種生態(tài)恢復(fù)措施，詳見表1。

表 1 九寨溝地震損毀地植被快速恢復(fù)模式統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Statistics of rapid vegetation restoration models in Jiuzhaigou earthquake-stricken areas

1.3 調(diào)查方法

在九寨溝地震損毀地植被快速恢復(fù)小班內(nèi)選擇不同災(zāi)害類型、受損程度、恢復(fù)類型的地點(diǎn)選取典型的調(diào)查樣地，在每個(gè)選定的樣地內(nèi)采用隨機(jī)取樣方法，設(shè)置30 m×30 m 的大樣方調(diào)查1.3 m 以上的喬木層，同時(shí)在大樣方4 個(gè)頂點(diǎn)共設(shè)置4 個(gè)5 m×5 m的樣方調(diào)查灌木層及1.3 m 以下的幼樹，在大樣方的對(duì)角線上再設(shè)置3 個(gè)1 m×1 m 的樣方調(diào)查草本層。分別在樣地中心，對(duì)樣方中的土壤、植物進(jìn)行取樣，室內(nèi)進(jìn)一步分析測(cè)定，獲取土壤理化性質(zhì)、植物生物量等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

采用灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，將所有不同植被快速恢復(fù)模式看作一個(gè)灰色系統(tǒng)，每個(gè)模式為該系統(tǒng)的一個(gè)因素，以各參試恢復(fù)模式的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建成比較數(shù)列，表示為：Xi(k) (i=1，2，3，···，n)，n 表示恢復(fù)模式種類數(shù)，k 表示各模式的指標(biāo)數(shù)。為便于比較，根據(jù)植被恢復(fù)的模式特征及評(píng)價(jià)要求，構(gòu)建一個(gè)參考植被恢復(fù)模式，由此構(gòu)成一個(gè)參考數(shù)列，用X0 表示。計(jì)算各比較數(shù)列與參考數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度，關(guān)聯(lián)度大則表示該恢復(fù)模式與參考模式較相近，綜合指標(biāo)表現(xiàn)較好，反之，則綜合指標(biāo)較差。

對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，采用標(biāo)準(zhǔn)差法，按 公 式Xi(K)=[Xi’(K)?Xi]/Si將 原 始 數(shù) 據(jù) 標(biāo)準(zhǔn)化。

在此基礎(chǔ)上求主要指標(biāo)與模式的灰色關(guān)聯(lián)度r(X0，Xi)稱為X0，Xi 的灰色關(guān)聯(lián)度記為ri。計(jì)算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選和體系建立

采用問卷調(diào)查法對(duì)模式的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)篩選建立指標(biāo)體系，問卷調(diào)查對(duì)象為科研單位專家、基層林業(yè)局工程技術(shù)人員等[17]。對(duì)初步建立的指標(biāo)體系通過敏感性法對(duì)備選的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行篩選，具體來說，就是利用某一指標(biāo)在研究范圍內(nèi)的變異系數(shù)和相對(duì)極差作為敏感性指標(biāo)進(jìn)行判斷，變異系數(shù)和相對(duì)極差越大，敏感性也就越大，盡量按照敏感度從大到小的順序，篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立九寨溝地震災(zāi)區(qū)植被快速恢復(fù)模式評(píng)價(jià)指標(biāo)體系（見表2）。

表 2 九寨溝地震損毀地植被快速恢復(fù)模式評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab. 2 Evaluation index system of rapid vegetation restoration models in Jiuzhaigou earthquake-stricken areas

2.2 參考植被恢復(fù)模式確定

根據(jù)建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，植被恢復(fù)模式的主要指標(biāo)分別為成活率(k1)、地徑(k2)、株高(k3)、豐富度指數(shù)(k4)、生物量(k5)、覆蓋度(k6)、土壤有機(jī)質(zhì)含量(k7)、土壤容重(k8)、土壤最大持水率(k9)。原始數(shù)據(jù)見表3。

2.3 數(shù)據(jù)無量綱化處理

因模式的各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)量單位各不相同，使得原始數(shù)據(jù)在量綱和數(shù)量級(jí)上存在差異，難于比較以及保證比較的客觀性和正確性。因此，采用初值化處理對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理，結(jié)果見表4。

表 3 九寨溝地震損毀地植被快速恢復(fù)各指標(biāo)——原始數(shù)據(jù)Tab. 3 Index of rapid vegetation restoration models in Jiuzhaigou earthquake-stricken areas — raw data

2.4 求關(guān)聯(lián)度及排序

利用Grey Modelling Software(GM 3.0)軟件對(duì)無量綱化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5。由表5 可以看出，針對(duì)重度受損地采用關(guān)聯(lián)度排序前4 位a-1、a-6、a-5、a-8，即云杉+紅樺+連香樹、云杉+紅樺+花楸、云杉+紅樺+疏花槭、油松+連香樹+青榨槭；由表5 可以看出，針對(duì)中度受損地的生境恢復(fù)模式采用關(guān)聯(lián)度排序前2 位的是b-3、b-1，即云杉+紅樺、云杉+花楸?？傮w來說排序靠前的模式表現(xiàn)出成活率、土壤有機(jī)質(zhì)含量、生物量、覆蓋度高等特點(diǎn)。

根據(jù)地震損毀地、關(guān)聯(lián)度等相關(guān)性，可得出其對(duì)應(yīng)關(guān)系如表6。

表 4 九寨溝地震生境修復(fù)植被快速恢復(fù)各指標(biāo)——數(shù)據(jù)無量綱化處理Tab. 4 Index of rapid vegetation restoration models in Jiuzhaigou earthquake-stricken areas — nondimensionalize data

表 5 生境修復(fù)模式關(guān)聯(lián)度及位次Tab. 5 Correlation degree and ranking of ecological restoration models

3 分析與討論

根據(jù)地震損毀地生境狀況、恢復(fù)措施、恢復(fù)模式篩選結(jié)果，在九寨溝地震損毀地植被快速恢復(fù)中：針對(duì)以各種石塊為主，含有少量的泥土和雜物，幾乎無森林植被的受損地震損毀地，主要采用工程措施+植苗造林的方式，植被恢復(fù)模式以云杉+紅樺+連香樹、云杉+紅樺+花楸、云杉+紅樺+疏花槭、油松+連香樹+青榨槭表現(xiàn)為最優(yōu)，配置物種皆為針闊混交模式；針對(duì)森林植被受到局部破壞，部分區(qū)域出現(xiàn)林中空地、林窗，但受損區(qū)域立地質(zhì)量基本未受破壞的受損地震損毀地，主要采用植苗造林的方式，植被恢復(fù)模式以云杉+紅樺、云杉+花楸表現(xiàn)較好，配置物種皆為云杉搭配闊葉樹種。本次篩選出來植被快速恢復(fù)模式均表現(xiàn)出成活率、土壤有機(jī)質(zhì)含量、生物量、覆蓋度高等特點(diǎn)。

本試驗(yàn)嘗試基于灰色關(guān)聯(lián)度分析法對(duì)九寨溝地震損毀地的快速恢復(fù)模式進(jìn)行分析，對(duì)多個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，但只進(jìn)行了一個(gè)生長(zhǎng)年度的試驗(yàn)，如果能有更多模式、更多年度的試驗(yàn)將為地震損毀地植被快速恢復(fù)模式篩選提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。由于本試驗(yàn)?zāi)Ｊ街饕诰耪瘻峡h內(nèi)進(jìn)行，在實(shí)際推廣應(yīng)用中，也應(yīng)充分結(jié)合治理點(diǎn)微生境、小氣候[21]等特點(diǎn)，才能讓地震損毀地植被快速恢復(fù)取得事半功倍的效果。

表 6 九寨溝地震損毀地林草植被快速恢復(fù)模式篩選表Tab. 6 Screening table of rapid forest and grass restoration models in Jiuzhaigou earthquake-stricken areas