黃河三角洲濱海鹽堿地區(qū)主要樹種適應性評價

高 帆，彭祚登

(北京林業(yè)大學 省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室，北京 100083)

鹽堿土是不同水平的鹽化、堿化土壤以及各種鹽土和堿土的總稱[1]。土壤鹽堿化通過鹽堿脅迫抑制植物的生長發(fā)育，并導致土壤理化性質(zhì)惡化和森林質(zhì)量下降，土壤鹽堿化地區(qū)的森林營建成為困擾全球的難題之一[2]。當前，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，林業(yè)可利用土地資源不斷減少。鹽堿地作為我國重要的土地后備資源，總面積超過9 900萬hm2，亟待開發(fā)利用與修復治理[3,4]。黃河三角洲是我國濱海鹽漬土集中分布地區(qū)之一，也是國土空間生態(tài)修復、森林植被恢復與重建的重點關注區(qū)域之一。但由于濱海鹽堿地土壤鹽堿化嚴重，淡水資源缺乏，樹種適宜性差等原因，即使是鄉(xiāng)土樹種，也存在樹木成活率低、生長速度緩慢、栽培管護成本高、培育價值單一等問題，森林生態(tài)系統(tǒng)退化且可持續(xù)性差[5]，這制約了黃河三角洲地區(qū)生態(tài)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展[6]。

植被建設常被認為是改良土壤鹽堿化最有效的手段[3]，樹種選擇也關系到營林成敗，科學合理地評價樹種適應性是造林的基礎。美國、巴基斯坦、澳大利亞及我國學者認為可通過培建耐鹽植被，應對濱海地區(qū)土壤鹽堿化[7,8]。國內(nèi)對濱海鹽堿地的植物改良機理與方法也進行了大量研究[9-11]。目前，國內(nèi)針對濱海鹽堿城市森林營建樹種適應性的研究正從定性分析轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠治鯷12-14]。但針對黃河三角洲地區(qū)主要樹種適應性評價的相關研究略顯不足[5]。

東營市河口區(qū)地處黃河三角洲濱海鹽堿區(qū)，森林生態(tài)系統(tǒng)脆弱，如若開發(fā)不當，則會加重土壤鹽堿化程度。筆者以河口區(qū)現(xiàn)有森林植被為研究基礎，應用層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)構建定量化的森林營建主要樹種適應性評價體系，計算指標權重并利用線性加權法構建數(shù)學模型，最終篩選適宜本區(qū)森林營建的主要樹種，劃分等級并提出主要樹種配置模式。這對改善黃河三角洲鹽堿區(qū)土壤理化性質(zhì)、推動黃河三角洲濱海鹽堿地區(qū)生態(tài)治理與修復、提升區(qū)域生態(tài)經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

東營市河口區(qū)(118°10′-119°05′E，37°45′-38°10′N)地處黃河入?？诒眰?，渤海南岸(圖1)，屬暖溫帶半濕潤大陸性氣候，冬寒夏熱，雨熱同季。年均氣溫12.4℃，年均降水量553.9 mm，年均風速5.3 m/s。河口區(qū)鹽堿土地面積為1 294.04 km2，約占土地總面積的54.7%。受境內(nèi)成土年限和土壤含鹽量的影響，自然植被以濱海鹽生草本植被為主，鄉(xiāng)土草本植物為蘆葦(Phragmitesaustralis)、白茅(Imperatacylindrica)，自然木本植物為檉柳(Tamarixchinensis)，其余均較少。

圖1 東營市河口區(qū)區(qū)位分析Fig.1 Location analysis map ofHekou district in Dongying city

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)采集及處理

本研究于2018年9月至2019年7月，在東營市河口區(qū)開展樹種適應性評價樣地調(diào)查。數(shù)據(jù)來自3個方面：1)取區(qū)域內(nèi)20個土壤質(zhì)量監(jiān)測點的土壤樣品，分析土壤pH特性。2)處理2017年5月份河口區(qū)谷歌全色衛(wèi)星影像圖。3)依據(jù)法瑞學派的典型選樣方法[15]，在研究區(qū)的道路綠地、河岸綠地、公園綠地、生產(chǎn)綠地、防護綠地、居住區(qū)綠地內(nèi)，選取66個森林群落特征明顯的樣點(圖2)，每個樣點設置1～4個10 m×10 m的樣方，從植物種類、生長特性(成活率、生長速度)、生態(tài)適應性(耐鹽堿性、耐寒性、抗病蟲害能力)、栽培管護成本(苗木成本、栽植與養(yǎng)護成本)、培育價值(生態(tài)服務價值、景觀觀賞價值、經(jīng)濟價值、人文價值)4個方面開展植被現(xiàn)狀調(diào)查，發(fā)放調(diào)查問卷，并拍照記錄(圖3)。

2.1.1 土壤pH監(jiān)測 本區(qū)土壤類型為潮土和鹽土土類，計17個土種。表層土壤以輕、中度鹽堿土為主，pH值8.5，總體趨勢由南向北，鹽化度逐漸升高?，F(xiàn)階段的土壤理化性質(zhì)可以滿足大多數(shù)耐鹽堿植物生長。

2.1.2 植被歸一化指數(shù)(NDVI) 植被顯示為紅色，紅色越明亮代表植被越茂密(圖4)。植被覆蓋空間格局總體特征為東西向中間逐漸降低，城區(qū)東西部及黃河故道沿岸植被茂密。

2.1.3 森林植被樣地調(diào)查 共調(diào)查統(tǒng)計到119種現(xiàn)有常用造林樹種，其中喬木40種，灌木28種，草本植物47種，藤本植物4種。通過樣地調(diào)查和問卷調(diào)查對樹種每項指標進行評價。

2.2 AHP評價體系構建

2.2.1 確定評價指標 調(diào)查河口區(qū)樹木應用及生長現(xiàn)狀、當?shù)鼐用褚庠讣傲謽I(yè)工作者制定的森林建設目標，結合國內(nèi)外鹽堿地樹種選擇相關文獻[15-25]中使用頻率較高的指標，發(fā)放專家咨詢問卷，最終建立包括1個目標層、4個準則層和11個指標層的3級評價體系(圖5)。

圖2 研究樣點分布Fig.2 Site distribution of the study

圖3 研究區(qū)森林植被現(xiàn)狀Fig.3 Forest vegetation status map in the study area

圖4 河口區(qū)植被歸一化指數(shù)Fig.4 Normalized vegetation index in the study area

2.2.2 制定評價標準 根據(jù)樣地調(diào)查結果、相關文獻[16-25]資料及專家意見，用定性和定量結合的模糊評價法制定評價指標的量化評分標準(表1)。

2.2.3 計算權重向量 根據(jù)1～9標度法成立判斷矩陣[24]，邀請11名林學學科專家判分。在Excel中計算每列特征向量Wi、最大特征根γmax及一致性比率CR[25-26]。一般地，當一致性比率CR<0.1時，則認為判斷矩陣的不一致的程度在可容許的范圍內(nèi)，否則需要調(diào)整判斷矩陣，重新構造對比矩陣[27]。判斷矩陣結果見表2。各評價因子相對于總目標的重要程度為層次因子權重。通過計算得到不同層次及各指標相對于總目標的排序權重。這一計算方法從上而下，逐層合成，具體公式為：

(1)

式中，P(k)=(P1(k),P2(k),……,Pn(k))，表示第k層元素對第k-1層元素的排序。權重計算及排序結果見表3。

2.2.4 建立數(shù)學模型 基于多目標線性加權法[28]，形成黃河三角洲濱海鹽堿地區(qū)森林營建主要樹種適應性評價的數(shù)學模型，計算各樹種的評價分值，公式如下：

(2)

式中，Y為樹種適應性評價的綜合得分，Xij為j評價因素中第i個次級評價因素指標的權重；Wi為第i項評價指標的評分；m為評價目標層中的指標個數(shù)。其中，Y值越大，則樹種的綜合評價越高，越適宜選在河口區(qū)做森林營建的主要樹種。利用以上模型及計算方法，并根據(jù)綜合評價值的分布情況和直觀經(jīng)驗，將Y值劃分為為Ⅰ(Y≥3.8)、Ⅱ(3.5≤Y<3.8)、Ⅲ(3.2≤Y<3.5)、Ⅳ(2.4≤Y<3.2)四級。其中，Ⅰ級樹種用作黃河三角洲濱海鹽堿地區(qū)森林營建的基調(diào)樹種，Ⅱ級樹種用作骨干樹種，Ⅲ、Ⅳ級樹種綜合得分稍低，可分別用作一般樹種和邊緣樹種[25]。

圖5 黃河三角洲濱海鹽堿地區(qū)森林營建主要樹種適應性評價體系Fig.5 Evaluation system of adaptability of the main tree species for forest construction in coastal saline-alkali areas of the Yellow River delta

3 結果與分析

3.1 指標權重分析

準則層3大指標排序：生態(tài)適應性B2(0.41)>生長特性B1(0.37)>培育價值B4(0.16)>栽培管護成本B3(0.06)，指標層的權重值及排序為：耐鹽堿性(C3)>成活率(C1)>生長速度(C2) >生態(tài)服務價值(C8)>抗病蟲害能力(C5)>經(jīng)濟價值(C10)>苗木成本(C6)=栽植與養(yǎng)護成本(C7)>耐寒性(C4)>景觀觀賞價值(C9)>人文價值(C11)。生長特性和生態(tài)適應性層下指標較大，景觀觀賞價值、人文價值等指標的權重值較小。

3.2 樹種綜合評價分析

40種樹種的綜合評價結果見表4。其中，Ⅰ級(Y≥3.8)樹種2種，均為落葉喬木，用作黃河三角洲濱海鹽堿地區(qū)森林營建的基調(diào)樹種；Ⅱ級(3.5≤Y<3.8)樹種21種，包括喬木16種，灌木5種，用作骨干樹種；Ⅲ級(3.2≤Y<3.5)樹種12種，包括喬木9種，灌木3種，用作輕度鹽堿區(qū)域營林的一般樹種；Ⅳ級(2.4≤Y<3.2)樹種5種，包括喬木2種，灌木3種，用作城市客土營林的邊緣樹種。

表1 鹽堿地區(qū)森林營建的樹種選擇評價指標量化標準Table 1 Quantification standards for evaluation indexes of tree species selection for forest construction in saline-alkali areas

3.3 森林營建的主要樹種配置模式

河口區(qū)森林營建主要樹種配置模式見表5。其中：道路綠地3種模式，河岸綠地4種，公園綠地6種，生產(chǎn)綠地1種，防護綠地1種，居住區(qū)綠地3種。

4 討論

現(xiàn)有樹種適應性評價研究中，多強調(diào)樹種的景觀觀賞價值，而較少考慮植物的生態(tài)學特性和其他培育價值[27-29]，說服力較差。而本研究利用層次分析法建立的森林營建主要樹種適應性評價體系，具有定量評價的優(yōu)勢和一定的可推廣性，可為我國北方濱海鹽堿地區(qū)樹木資源的最優(yōu)配置和森林質(zhì)量的提升提供技術支撐。

濱海鹽堿地區(qū)的森林營建工作涉及到多學科，是一項綜合性研究工作。需將后期的維護管理納入考慮，具有前瞻性。本研究尚且存在一些不足之處：對指標進行賦值可能會受主觀因素影響；在城市尺度上開展研究可能忽略了內(nèi)部樹木生境的異質(zhì)性等。在今后的相關研究中，可針對一些評分易受主觀因素影響、且較綜合的指標，進一步細化其標準。針對城市內(nèi)部具體的生境可進行二次評價，突出城市內(nèi)部生境異質(zhì)性的主導因子如不同區(qū)塊的鹽堿程度等。使得每一個樹種的生態(tài)學特性、功能作用等都得到充分的考慮。

5 結論

適應性評價體系包括1個目標層、4個準則層、11個指標層。其中，準則層的生態(tài)適應性權重最大，因此它是實現(xiàn)目標層的首要考慮條件。其次為生長特性，在森林營建時，樹木能否成活、生長速度快慢都是當?shù)厣稚鷳B(tài)系統(tǒng)恢復和重建的重要影響因素，這也符合河口區(qū)短期內(nèi)提升森林數(shù)量及質(zhì)量、盡快發(fā)揮森林生態(tài)效益的營林意愿。培育價值低于前兩種因子，在森林營建樹種選擇時可酌情考慮樹木培育的生態(tài)服務價值、景觀觀賞價值等因子。

篩選出40個河口區(qū)森林營建的主要樹種。排名前十的樹種為：檉柳、白蠟、珠美海棠、沙棗、小葉女貞、紫穗槐、金葉女貞、歐美楊、山桃和刺槐，其綜合評分結果均在3.4分之上。這些樹種的特征為：耐鹽堿性強，在改良鹽堿、涵養(yǎng)水源、固堤護岸、凈化大氣環(huán)境等方面有較高的生態(tài)服務價值，且景觀觀賞價值、經(jīng)濟價值、人文價值均較高。

根據(jù)景觀生態(tài)學理論，將綠地劃分為道路綠地、河岸綠地，公園綠地、生產(chǎn)綠地、防護綠地和居住區(qū)綠地6種森林綠地類型，得到不同綠地類型的主要樹種配置模式。

將本研究結果與營林目標和研究區(qū)土壤改良方案相結合，以期為黃河三角洲濱海鹽堿地區(qū)森林質(zhì)量的提升、多重效益的發(fā)揮提供科學依據(jù)。

表2 判斷矩陣及檢驗結果Table 2 Judgment matrix and test results

表3 森林營建主要樹種的適應性評價體系及權重Table 3 Adaptability evaluation system and weight of main tree species for forest construction

表4 植物綜合評價Table 4 Tree species comprehensive score and ranking

表5 不同綠地類型主要樹種配置模式Table 5 Configuration modes of main tree species for different types of green spaces