基于隸屬函數(shù)的桉樹人工林生態(tài)性評價

高艷芳，鄭曉鐘，玄祖迎，李娜，謝威,3，連輝明，陳雪梅，殷祚云

基于隸屬函數(shù)的桉樹人工林生態(tài)性評價

高艷芳，鄭曉鐘，玄祖迎，李娜，謝威，連輝明，陳雪梅，殷祚云

(1. 仲愷農業(yè)工程學院園藝園林學院，廣東 廣州 510225；2. 佛山市林業(yè)科學研究所，廣東 佛山 528222；3. 臺山市紅嶺種子園，廣東 臺山 529200；4. 廣東省林業(yè)科學研究院/廣東省森林培育與保護利用重點實驗室，廣東 廣州 510520)

為拓新人工林生態(tài)性評價體系，本文基于植被多樣性、植物生長量、土壤肥力3個一級指標，選取21個二級指標，采用“隸屬函數(shù)”建立桉樹人工林生態(tài)環(huán)境質量評價指標體系，探討了6個桉樹人工林生態(tài)環(huán)境質量差異及演替動態(tài)。結果表明：6個桉樹林群落在3個一級指標層面表現(xiàn)不一，二級指標隸屬函數(shù)平均值表明各群落生態(tài)環(huán)境質量表現(xiàn)為A2>A1>B1>B2>C1>C2。桉樹人工林生態(tài)環(huán)境質量與植被恢復時間呈顯著正相關關系，生態(tài)環(huán)境質量隨植被恢復時間的加長，呈顯著上升的趨勢。隸屬函數(shù)平均值與木本層物種數(shù)、物種總數(shù)、木本層均勻度、木本層鄉(xiāng)土植物生物量占比呈顯著或極顯著相關關系。通過建立科學精準的評價體系，并將其應用于人工林生態(tài)環(huán)境質量動態(tài)監(jiān)測，對以最大限度兼顧當?shù)厣锒鄻有员Ｗo和保持較高木材產(chǎn)量的栽培技術，實現(xiàn)可持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的生態(tài)良性循環(huán)具有重要意義。

桉樹；隸屬函數(shù)；生態(tài)環(huán)境質量評價；線性回歸分析

桉樹()具速生、高產(chǎn)、質優(yōu)等特點，是目前世界上最重要的紙漿原材料之一，在醫(yī)學、建筑、造紙等方面具有重要的戰(zhàn)略地位。華南地區(qū)60% ～ 70%的桉樹人工林為短輪伐期，其中50% ～ 60%的林地采用連栽模式。隨著種植面積不斷擴大，植被多樣性降低、土壤肥力衰退、水土流失等生態(tài)問題日益突出。究其根本，不在于桉樹本身，而是現(xiàn)有政策措施不配套、缺乏技術人員支持以及不科學的掠奪式經(jīng)營方式。

根據(jù)FSC(Forest Stewardship Council)森林認證原則，森林經(jīng)營活動應維護或提高森林勞動者和當?shù)厣鐓^(qū)的長期社會利益及經(jīng)濟利益，且森林經(jīng)營應保護生物多樣性及其相關的價值，并以此來保持森林的生態(tài)功能及其完整性。生態(tài)環(huán)境質量評價是評價生態(tài)系統(tǒng)結構和功能動態(tài)變化中的生態(tài)性。物種多樣性屬生物多樣性在植物層次上的表現(xiàn)，是基于群落中物種、個體數(shù)及其分布均勻性的統(tǒng)計量，生物多樣性改變是生態(tài)系統(tǒng)結構變化的集中表現(xiàn)，與生態(tài)環(huán)境質量息息相關。厘清各因子對人工林生態(tài)環(huán)境的貢獻，構建人工林生態(tài)性評價體系，對群落的構建和穩(wěn)健發(fā)展具有不可忽視的作用。目前桉樹林的生態(tài)評價主要集中在物種多樣性方面，卻忽視了生物量指標，僅依賴簡單的多樣性指標比較計算，且評價結果精細度較差，不能反映桉樹森林生態(tài)健康的內在模糊性。隸屬函數(shù)法作為定性與定量相結合、精確與模糊推理相結合的綜合性分析評價方法，又稱模糊綜合評價法，避免了單一指標的片面性，可作為人工林生態(tài)環(huán)境質量評價的一種行之有效的定量分析手段。本文擬以6個桉樹人工林群落為例，將其作為一個復雜系統(tǒng)，綜合考慮物種多樣性、群落演變趨勢、土壤養(yǎng)分情況，利用隸屬函數(shù)分析評價3個一級指標和21個二級指標，建立綜合評價體系，分析比較各群落之間的生態(tài)環(huán)境質量差異。以期為優(yōu)化最大限度兼顧當?shù)厣锒鄻有员Ｗo與保持較高木材產(chǎn)量的栽培技術提供理論依據(jù)，供桉樹人工林乃至各類森林的經(jīng)營者和決策者參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于廣東省高明縣西南部“中國森林體驗基地”云勇林場內(22°43'N，112°40'E)，其生物多樣性豐富，對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境有重要影響。林場屬于亞熱帶氣候。年均氣溫22.0 ℃，最高氣溫34.5 ℃，最低氣溫3.5 ℃，偶有霜凍。雨量充沛，雨季多集中在4—8月，年均降水達2 000 mm。地勢屬丘陵地帶，土壤為花崗巖發(fā)育的酸性赤紅壤，土層深厚。

表1 云勇林場6個桉樹林群落觀測固定樣方的基本信息

1.2 調查方法與內容

在6個桉樹人工林群落內(表1)，設置20 m × 20 m樣地，對樣地內高于1.5 m的木本植物進行每木檢尺，樣地四角分別設1 m × 1 m樣方4個，以調查小于1.5 m以下的灌草植物。群落調查內容包括：(1)樣地基本信息：坡向、平均海拔高度、坡度；(2)群落組成：植物種類、高度、個體數(shù)和覆蓋度等基本信息。

1.3 環(huán)境因子調查與測定

在樣地內隨機選取5個點，挖取土壤剖面，用環(huán)刀(容積100 cm)和鋁盒取樣。樣品經(jīng)自然風干后，除去雜質，研磨過20目篩，常溫保存待測。土壤肥力測定方法見表2。

表2 土壤肥力測定方法

1.4 分析方法

物種多樣性是反映一定區(qū)域內生物資源豐富程度的客觀指標。數(shù)據(jù)計算分析選用最為常用的基于信息論的Shannon-Wiener物種多樣性(Diversity，sw)和均勻性(均勻度，Evenness,sw)指數(shù)、基于概率論的Simpson物種多樣性(sim)和均勻性指數(shù)(sim)的計算公式；其中Simpson指數(shù)旨在度量多樣性的概率，Shannon指數(shù)用于測度群落多樣性的高低。各種生物多樣性指數(shù)的計算公式如下：

式中：S表示物種豐富度(樣方內物種總數(shù))、p是指第i個物種多度(個體數(shù))占所有物種總多度的比例。

1.5 隸屬函數(shù)分析桉樹林生態(tài)環(huán)境質量

1.5.1 確立評判因素

本文的因素集是6個桉樹人工林群落生態(tài)環(huán)境質量R，分為植被多樣性R1，植被生長量R2，土壤肥力R3，即R={R1,R2,R3}。剔除冗余指標后，建立4個一階因素子集，共包含21個二級指標，分別為：R1={R11,R12,R13,…, R19}，R2={R21,R22,R23,…, R25}，R3={R31, R32, R33,…,R37}。

1.5.2 確定隸屬函數(shù)

通過函數(shù)運算以確定每個指標的隸屬程度。本研究所涉及的評價指標與生態(tài)環(huán)境質量狀況變化分為正、逆向兩種關系，正向指標表現(xiàn)為指標數(shù)值越大，生態(tài)環(huán)境質量越好，反之則是逆向指標。

(1)正向指標的隸屬函數(shù)：

(2)逆向指標的隸屬函數(shù)：

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016、SPSS 2015進行數(shù)據(jù)整理分析、運用Origin 2019b和GraphPad Prism 9.0.0作圖。

2 結果與分析

2.1 桉樹人工林群落隸屬函數(shù)差異比較

利用隸屬函數(shù)分析評價3個一級指標和21個二級指標，建立了綜合評價體系。根據(jù)對6個桉樹人工林的3個一級指標隸屬函數(shù)平均值進行排序(圖1)，就植被多樣性層面而言，A2>B1>A1>C1> B2> C2，A2不同層次物種豐富度均最高，C2的均勻度、物種豐富度表現(xiàn)為最低；生長量表現(xiàn)為A2>A1>B1=C1>B2>C2，C2生長量全部指標均表現(xiàn)為最低；在土壤肥力層面，B2>A1>A2= B1> C2>C1。B2群落的全磷、全鉀含量最高，C1群落有機質、全氮、堿解氮、速效鉀為最低；隸屬函數(shù)平均值(表3)表明各群落生態(tài)環(huán)境質量由強到弱的順序是A2>A1>B1>B2>C1>C2。A2、A1群落綜合而言生態(tài)環(huán)境質量良好，B1、B2次之，C1、C2較差。

圖1 6個桉樹林的一級指標隸屬函數(shù)平均值比較

表3 桉樹人工林群落的隸屬函數(shù)值

2.2 隸屬函數(shù)影響因素分析

以植被恢復時間(1)、桉樹密度(2)、坡度(3)為自變量，隸屬函數(shù)平均值()為因變量，采用多元線性回歸分析，建立影響因子-生態(tài)環(huán)境質量關系模型，量化人工撫育與生態(tài)環(huán)境質量之間的數(shù)量關系。其中，植被恢復時間、坡度與隸屬函數(shù)值呈正相關關系，桉樹密度與隸屬函數(shù)平均值呈負相關關系。

=0.309+0.069 ×1?9.969E?7 ×2+0.007 ×3

相關系數(shù)=0.927。

進一步利用雙變量pearson相關系數(shù)法對隸屬函數(shù)平均值與植被恢復時間、坡度、桉樹密度進行相關性分析(表4)，并進行線性回歸分析(圖2)。結果表明，植被恢復時間與隸屬函數(shù)平均值顯著正相關，即隨著植被恢復時間的延長，隸屬函數(shù)平均值逐漸增大，桉樹人工林生態(tài)環(huán)境質量顯著提高。桉樹密度、坡度與隸屬函數(shù)平均值間無顯著相關關系。

表4 隸屬函數(shù)與植被恢復時間、桉樹密度、坡度間的相關關系

注：*表示<0.05。

圖2 各影響因子與隸屬函數(shù)平均值的線性回歸分析圖

2.3 隸屬函數(shù)平均值與二級評價指標間的相關性分析

利用雙變量pearson相關系數(shù)法對隸屬函數(shù)平均值與21個生態(tài)性評價指標間的相關性進行分析。結果表明(表5)，隸屬函數(shù)平均值與木本層物種數(shù)、物種總數(shù)、全鉀含量、辛普森木本層均勻度、香濃維納木本層均勻度、木本層鄉(xiāng)土植物生物量占比呈顯著或極顯著相關關系，即以上幾個指標屬于核心指標，與桉樹人工林生態(tài)環(huán)境質量直接相關。

3 結論

(1)根據(jù)6個桉樹林群落的3個一級指標隸屬函數(shù)平均值進行排序，桉樹林植被多樣性層面表現(xiàn)為A2>B1>A1>C1>B2>C2；生長量表現(xiàn)為A2>A1> B1=C1>B2>C2；在土壤肥力表現(xiàn)為B2>A1>A2= B1>C2>C1。

(2)二級指標隸屬函數(shù)平均值表明各群落生態(tài)環(huán)境質量由強到弱的順序是A2>A1>B1>B2>C1>C2。A2、A1群落綜合而言生態(tài)環(huán)境質量良好，B1、B2次之，C1、C2較差。

(3)建立了影響因子-生態(tài)環(huán)境質量關系模型，且桉樹人工林生態(tài)環(huán)境質量隨植被恢復時間的加長，呈現(xiàn)出顯著上升的趨勢。A1、A2樣地停止撫育3年，其余4個樣地結束撫育時間較短，受人為活動影響較大，A1、A2樣地主要以自然演替占主導。

(4)隸屬函數(shù)平均值與木本層物種數(shù)、物種總數(shù)、全鉀含量、辛普森木本層均勻度、香濃維納木本層均勻度、木本層鄉(xiāng)土植物生物量占比呈顯著或極顯著相關關系。

表5 隸屬函數(shù)平均值與各二級評價指標間的相關性分析

注：*表示顯著相關(<0.05)，**表示極顯著相關(<0.01)。

4 討論

人工林生態(tài)性評價是了解林內生態(tài)環(huán)境質量的重要手段，在評價過程中，建立一個準確的指標體系是評價人工林生態(tài)性的首要任務，由于群落生態(tài)系統(tǒng)的復雜性，目前在人工林生態(tài)性評價存在片面單一、不精準、不系統(tǒng)等問題。黃國勝等基于林分活力、森林恢復能力與抵抗力、林分結構3方面，利用層次分析法進行定量評價，建立了森林健康評價指標體系；張磊等從結構和功能指標出發(fā)，以林分結構、物種多樣性和土壤理化性質為主要評價指標，采用基于信息熵的多級模糊評價法來構建杉木生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性評價模型；王楚彪等采用專家咨詢法確定桉樹人工林生態(tài)目標定量評價指標，并運用層次分析法和德爾菲法確定指標權重。最后構建了5個一級指標、18個二級指標和36個三級指標的指標體系。以上提及的評價方法均具有一定的局限性和主觀性。本文提出以隸屬函數(shù)模型對桉樹人工林生態(tài)性進行評判，通過對二級評價指標的量化研究，實現(xiàn)一級評價指標的直觀表征。與上文所述各評價方法相比，模型可操作性強、直觀易懂，且數(shù)據(jù)基于樣方法每木檢尺，分析兼顧物種多樣性、生物量及土壤肥力等多個維度，全面精準，讓桉樹人工林生態(tài)質量數(shù)字化、可視化。可用于評價指標復雜的體系，還可判別生態(tài)環(huán)境質量優(yōu)劣，并及時發(fā)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境主要問題，實際應用價值更大。

桉樹人工林生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境質量受到自然因素和人為因素兩方面的共同影響，相較于撫育措施等為可控因素，自然因素影響難以控制。研究樣地初始密度相近，但由于不同地形桉樹林受2018年“山竹”臺風影響的程度不同，造成3個樣地之間保存密度差異較大。A1、B1位于山頂受災嚴重，密度分別較A2、B2低，C1、C2群落幾乎是平地，C2較C1群落密度低可能是因為C2群落在路邊，受人為活動影響更大。本研究結果表明，桉樹密度與隸屬函數(shù)平均值間無顯著相關關系，原因可歸結為桉樹枝葉稀疏、林內透光；與坡度相關性不顯著，可能是因為各樣地的土壤理化性質差別不大。植被恢復時間與桉樹林生態(tài)環(huán)境質量顯著相關，撫育營林時應避免撫育中貫穿全期的全林割灌除草習慣，適當保留林下本土樹種，兼顧目標木材產(chǎn)量與物種多樣性的保護，加大對森林生態(tài)性撫育的研究，實現(xiàn)從單純保護向保育并舉轉變。

未來的研究應集中在指標體系的完善和應用上。在保證樣本充分和數(shù)據(jù)可靠的前提下，可以根據(jù)實際需要不斷完善評價指標體系，避免指標冗余，讓評價體系能夠更好地反映桉樹人工林生態(tài)性。此外，評價體系的推廣應用也是未來研究的重點。

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Evaluation of Ecological Management ofPlantations Based on Subordinate Function

GAO Yanfang, ZHENG Xiaozhong, XUAN Zuyin, LI Na,XIE Wei, LIAN Huiming, CHEN Xuemei, YIN Zuoyun

(1.2.3.4.)

In order to establish a revised ecological evaluation system for plantations, a new evaluation system combining 21 single indices covering the dimensionality of species diversity, growth and soil fertility was examined in this study. Evaluation of ecological quality ofplantation through the ‘subordinate function value’ method was concluded and the differences of ecological quality and succession dynamics ofplantations under 6 forest communities is discussed. The results showed that: 6plantation communities perform differently in the three primary indices; the subordinate function value showed that the ecological quality of each community was A2>A1>B1>B2>C1>C2. The ecological quality ofplantations was positively correlated with vegetation restoration time, and the ecological quality showed a significant upward trend as vegetation restoration time increased. There was a significant or highly significant correlation among the subordinate function value, the number of species, the evenness and proportion of the biomass of native plants in the woody layer. Establishing an accurate, scientific evaluation system and then applying this for dynamic monitoring of the ecological quality of plantation forests will be of great significance for maximizing the protection of local biodiversity and maintenance of high wood yields. Thus, it will facilitate realization of an ecologically virtuous cycle of sustainably high plantation yields.

;subordinate function; evaluation of ecological and environmental quality; linear regression analysis

10.13987/j.cnki.askj.2021.04.003

S750

A

廣東省林業(yè)科技創(chuàng)新專項項目“低效桉樹林物種豐富度與群落結構精準提升技術研究”(2020KJCX012)；廣東省教育廳省級重大項目“邊坡近自然植被恢復之鄉(xiāng)土喬灌草種子混播”(2016KZDXM002)

高艷芳(1997— )，女，碩士研究生，森林培育專業(yè)， E-mail:15171987446@163.com

殷祚云(1966— )，男，博士，教授，主要從事生態(tài)學、林學和生物統(tǒng)計學研究，E-mail:yinzuoyun@163.com

本研究在野外調查和資料收集整理中得到了華南植物園安偉莉，仲愷農業(yè)工程學院梁晴，佛山市林業(yè)科學研究所林瑋、涂智金，廣東省林業(yè)科學研究院高偉健的大力支持，謹此表示衷心感謝！