側(cè)柏古樹后備資源健康評價體系的建立與應(yīng)用

馬 嬌，王清麒，卿仕琦，于世川，趙 忠

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100)

古樹作為珍貴的“綠色文物”，見證了一個地區(qū)環(huán)境和歷史的變遷，是當(dāng)?shù)厝嗣衲酥琳麄€民族精神文化的寄托，在傳承中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化和建設(shè)美麗中國中發(fā)揮著重要作用。古樹是指樹齡在100 a以上的樹木，古樹后備資源是指樹齡在50～100 a的樹木[1-2]。目前，對古樹的保護已得到各級政府的重視，全國綠化委員會從2001年對古樹先后進行了2次全國普查工作，形成了一套完整的古樹資源檔案和古樹保護法律法規(guī)體系，并且已建立了專業(yè)的古樹保護研究隊伍和網(wǎng)絡(luò)化管理系統(tǒng)[3-4]，另外，南京、廣州和西安等市以及各地縣政府也制定了相應(yīng)的市縣古樹保護管理辦法，對市縣域內(nèi)的古樹進行了調(diào)查、登記和定級，并將古樹的科屬、拉丁學(xué)名、年齡以及保護的相關(guān)單位等信息登記在了古樹的銘牌上，且做到了“一樹一證”[5-10]。但古樹后備資源作為古樹儲備資源，其健康狀況關(guān)系著古樹的未來，卻沒有受到政府以及社會的重視。同時，古樹樹齡大，生長勢較弱，給古樹保護工作尤其是在實施古樹復(fù)壯措施時需要消耗大量人力物力及財力，并且部分古樹過于衰老，未得到及時保護，導(dǎo)致古樹提前進入死亡。因此，若在古樹后備資源時期對樹木進行保護，可有效節(jié)省保護古樹的時間和金錢，且可達到延緩樹木衰老的作用，健康評價是古樹后備資源健康管理的重要內(nèi)容，對古樹后備資源的健康評價可以明確古樹后備資源的現(xiàn)狀，有利于古樹后備資源的保護，為古樹后期保持長久健康狀況提供保障。

側(cè)柏(Platycladusorientalis)是黃河流域的鄉(xiāng)土樹種，壽命可達5 000 a以上，是重要的古樹資源。對樹木健康評價指標(biāo)的選取以及評價方法一直是國內(nèi)外研究的熱點之一[11-13]，但尚未有統(tǒng)一的評價體系。目前對古樹健康評價，指標(biāo)多集中在樹干、樹冠、樹根等表觀特征以及人為干擾等方面[14-16]，對古樹后備資源的健康評價體系尚未建立。本研究考慮到林木生長是林木適應(yīng)環(huán)境重要體現(xiàn)，為了有效反映古樹后備資源生長狀況，將樹高、胸徑年均生長量納入評價體系中，同時，考慮相鄰木影響，將競爭狀況(相鄰木遮蔭)納入評價體系中。目前，對樹木健康評價方法主要有層次分析法和主成分分析法[17-18]，層次分析法可以將復(fù)雜問題簡單化，定性指標(biāo)定量化，但是其篩選指標(biāo)時主觀性太大；主成分分析法在篩選指標(biāo)時雖然可以很大程度地排除主觀因素的影響，但是由于數(shù)據(jù)的極端化可能會出現(xiàn)主要信息丟失的現(xiàn)象[19-20]，因此考慮到層次分析法與主成分分析法的局限性，有的研究學(xué)者將二者結(jié)合起來，應(yīng)用在企業(yè)創(chuàng)新評價和人工林健康評價等方面[21-22]，但并未有人將兩者結(jié)合起來應(yīng)用于單株樹木的健康評價中。

本研究以西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)85年生側(cè)柏群為研究對象，選取形態(tài)指標(biāo)(樹干內(nèi)部腐爛和空洞程度、葉片枯損程度、枝條枯損程度、樹皮枯損程度、冠徑比、冠型、樹干傾斜程度)、生長指標(biāo)(胸徑年均生長量、樹高年均生長量、根系分布均勻程度、枝葉密度)、競爭狀況(相鄰木遮陰)，基于主成分分析和層次分析法相結(jié)合對側(cè)柏古樹后備資源的健康狀況進行評價，為側(cè)柏古樹后備資源健康評價體系建立提供依據(jù)，為古樹后備資源可以健康長久保存下來提供保障。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省咸陽市楊陵區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)，該地區(qū)地勢平坦，氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候型，年平均氣溫13.6 ℃，年日照時數(shù)2 163.8 h，無霜期150 d，年降水量635.1 mm，月極端高溫40.3 ℃，月極端低溫-17.7 ℃，多為東風(fēng)和西風(fēng)，最大風(fēng)速21.7 m/s，海拔602 m。

2 材料與方法

2.1 研究對象

本研究對西北農(nóng)林科技大學(xué)側(cè)柏古樹后備資源進行調(diào)查，共23株，根據(jù)校史館記載，側(cè)柏樹齡在85 a，其位置分布見圖1。記錄每株樹的樹高、胸徑、冠幅、樹干內(nèi)部腐爛和空洞程度、葉片枯損程度、枝條枯損程度、樹皮枯損程度、冠型、樹干傾斜程度、根系分布均勻程度、枝葉密度、相鄰木遮陰等情況，其中樹干內(nèi)部腐爛和空洞程度以及根系分布均勻程度，是采用由TreeRadar(美國)公司開發(fā)的樹木雷達探測系統(tǒng)，主要利用雷達波技術(shù)對樹干的空洞和腐爛情況以及地下根系的分布情況進行無損傷的檢測，并利用TreewinTM軟件對數(shù)據(jù)進行分析[23-25]。

2.2 研究方法

2.2.1 建立側(cè)柏古樹后備資源健康評價體系 為了全面快速評價側(cè)柏古樹后備資源健康狀況，本研究選擇形態(tài)指標(biāo)(樹干內(nèi)部腐爛和空洞程度、葉片枯損程度、枝條枯損程度、樹皮枯損程度、冠徑比、冠型、樹干傾斜程度)、生長指標(biāo)(胸徑年均生長量、樹高年均生長量、根系分布均勻程度、枝葉密度)、競爭狀況(相鄰木遮陰)3個方面共12個指標(biāo)作為側(cè)柏古樹后備資源的評價指標(biāo)。其中，胸徑年均生長量=胸徑/樹齡；樹高年均生長量=樹高/樹齡；冠徑比=樹冠直徑/胸徑。

2.2.2 側(cè)柏健康評價方法 本研究利用主成分分析法(principal component analysis,PCA)與層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)建立側(cè)柏古樹后備資源健康評價體系。首先應(yīng)用主成分分析法對側(cè)柏古樹后備資源健康評價指標(biāo)進行篩選，利用主成分分析在篩選指標(biāo)時可以很大程度地排除主觀因素的影響，獲得具有可靠性的健康評價指標(biāo)[19]；然后利用層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，最后應(yīng)用健康綜合評價法計算每株樹健康狀況得分。

具體步驟為：1)結(jié)合12個指標(biāo)實際調(diào)查情況，依據(jù)《古樹保護理論與技術(shù)》[26]中的劃分方法，將各指標(biāo)劃分4個區(qū)間，表示4個質(zhì)量等級，質(zhì)量等級依次用好、較好、較差、差表示，對應(yīng)的得分值依次為0，1，2，3(表1)。應(yīng)用主成分分析法對評價指標(biāo)進行篩選，主成分分析法具體步驟如下：

表1 側(cè)柏健康評價指標(biāo)等級及評分標(biāo)準(zhǔn)

采集p維隨機向量x=(x1，x2,…，xp)T，n個樣本xi=(xi1，xi2,…，xip)T，i=1,2,…,n。n>p，構(gòu)造樣本矩陣Z

2)利用層次分析法確定健康評價指標(biāo)的權(quán)重。首先請5位古樹相關(guān)專家學(xué)者對同一層次中兩兩元素之間進行相對重要性判斷，按照Ai元素與Aj元素同等重要、Ai比Aj元素稍微重要、Ai比Aj元素明顯重要、Ai比Aj元素非常重要、Ai比Aj元素極其重要，分別以 1、3、5、7、9 作為判斷矩陣標(biāo)度值，以 2、4、6、8表示判斷的中間值，用這些值的倒數(shù)表示Ai比Aj元素的不重要程度，建立判斷矩陣[29-32]，并求出矩陣最大特征值λmax及其權(quán)重值，進行一致性檢驗(CR)，若各CR均小于0.1，則表示所有的判斷矩陣均通過一致性檢驗。

3)通過健康綜合評價得分法，即:

得出綜合健康評價分值并對健康等級進行劃分。其中，V表示側(cè)柏古樹后備資源健康綜合評價得分；xi表示第i個指標(biāo)的權(quán)重值；yi表示第i個指標(biāo)所對應(yīng)的專家打分值；n為指標(biāo)數(shù)。

2.2.3 數(shù)據(jù)處理 采用Excel軟件對調(diào)查的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計制表，通過SPASS軟件進行數(shù)據(jù)分析處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析

從表2可以看出，前4個主成分的特征值都大于1，可以認(rèn)為前4個主成分包含了原始數(shù)據(jù)的大部分信息，因子分析效果較為理想。用4個因子的載荷矩陣對主成分進行解釋，提取主要的評價指標(biāo)(表3)。

表2 主成分總方差解釋

一般情況下認(rèn)為，因子負荷大于0.4時可以抽取主成分[22]。由表3可知,各個指標(biāo)的因子負荷均大于0.4，因此，篩選的樹干內(nèi)部腐爛和空洞程度、葉片枯損程度、枝條枯損程度、樹皮枯損程度、冠徑比、冠型、樹干傾斜程度、胸徑年均生長量、樹高年均生長量、根系分布均勻程度、枝葉密度、相鄰木遮陰等12個指標(biāo)均可以作為側(cè)柏古樹后備資源健康評價指標(biāo)。

表3 因子(主成分)負荷矩陣

3.2 層次分析法

3.2.1 建立側(cè)柏古樹后備資源健康評價體系 結(jié)合層次分析法的基本原則以及側(cè)柏的生長特點設(shè)置目標(biāo)層(A)、結(jié)構(gòu)層(B)，指標(biāo)層(C)3個層次(表4)。目標(biāo)層是綜合結(jié)果；結(jié)構(gòu)層主要包括形態(tài)指標(biāo)、生長指標(biāo)、競爭狀況等方面；指標(biāo)層是由12個指標(biāo)構(gòu)成。

表4 側(cè)柏健康評價層次分析結(jié)構(gòu)

3.2.2 構(gòu)造判斷矩陣及一致性檢驗 本研究通過邀請專家對每個層次的重要性以及各指標(biāo)的重要性兩兩比較，進行打分，將結(jié)果整理后得到判斷矩陣，進行一致性檢驗。一般認(rèn)為，當(dāng)CR<0.1時，即通過檢驗，否則重新調(diào)整判斷矩陣，直至通過一致性檢驗，然后確定指標(biāo)體系權(quán)重(表5～表7)。

表5 結(jié)構(gòu)層的判斷矩陣及一致性檢驗

表6 形態(tài)指標(biāo)的判斷矩陣及一致性檢驗

表7 生長指標(biāo)的判斷矩陣及一致性檢驗

3.2.3 評價指標(biāo)權(quán)重 計算各指標(biāo)對于最高層次的權(quán)重值(表8)。可以看出，結(jié)構(gòu)層B各指標(biāo)權(quán)重由大到小順序為:生長指標(biāo)(0.637 0)、形態(tài)指標(biāo)(0.258 3)、競爭狀況(0.104 7)，說明生長指標(biāo)對側(cè)柏古樹后備資源健康狀況的影響最大，形態(tài)指標(biāo)對側(cè)柏古樹后備資源健康狀況有一定影響，競爭狀況對側(cè)柏古樹后備資源健康狀況影響較小。指標(biāo)層C各指標(biāo)權(quán)重由大到小順序為:胸徑、樹高年均生長量(0.385 4)、樹干內(nèi)部腐爛和空洞程度(0.105 4)、相鄰木遮蔭(0.104 7)、根系分布均勻程度(0.090 6)、葉片枯損程度(0.056 0)、枝葉密度(0.055 4)、枝條枯損程度(0.037 7)、樹皮枯損程度(0.024 8)、冠徑比(0.016 2)、冠型(0.010 8)、樹干傾斜程度(0.007 4)，胸徑年均生長量、樹高年均生長量、樹干內(nèi)部腐爛和空洞程度和相鄰木遮蔭對側(cè)柏古樹后備資源健康狀況影響較大，根系分布均勻程度、葉片枯損程度和枝葉密度對側(cè)柏古樹后備資源健康狀況影響一般，枝條枯損程度、樹皮枯損程度、冠徑比、冠型和樹干傾斜程度對側(cè)柏古樹后備資源健康狀況影響較小。

表8 側(cè)柏評價指標(biāo)層次總排序

3.3 側(cè)柏古樹后備資源健康評價結(jié)果

結(jié)合側(cè)柏古樹后備資源健康綜合評價得分情況，將其劃分為3級(表9)，本研究中23株側(cè)柏健康狀況得分及健康等級如表10。其中以亞健康為主有19棵，編號為E1 E2 E4 E5 W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W9 W10 W11 W12 W13 W15 W18；健康側(cè)柏有1棵，編號為E3，不健康側(cè)柏有3棵，編號為W14 W16 W17。結(jié)合調(diào)查結(jié)果，健康側(cè)柏E3號生長勢良好，胸徑、樹高年均生長量較高；樹干無明顯損傷，根系分布較均勻；枝葉密度較大；葉片、枝條和樹皮枯損程度較低；相鄰木遮蔭較少。而不健康的W14號W16號W17號等側(cè)柏生長勢較差；胸徑和樹高年均生長量較低；葉片，枝條和樹皮枯損程度較大；相鄰木遮蔭較為嚴(yán)重。

表9 側(cè)柏(50～99年生)健康等級

表10 側(cè)柏健康評價結(jié)果

4 結(jié)論與討論

本研究選取12個指標(biāo)，應(yīng)用主成分分析和層次分析法建立側(cè)柏古樹后備資源健康評價體系，并將側(cè)柏古樹后備資源健康評價結(jié)果分為健康、亞健康、不健康等3級，得出每株側(cè)柏古樹后備資源健康等級，其中，19株處于亞健康，1株健康，3株不健康。本研究建立的側(cè)柏古樹后備資源健康評價體系可以為古樹后備資源健康管理提供科學(xué)依據(jù)，也為其他樹種古樹后備資源健康評價提供參考。

健康評價對于掌握側(cè)柏古樹后備資源健康狀況十分必要，同時能為科學(xué)保護側(cè)柏古樹后備資源提供理論依據(jù)，其中指標(biāo)體系和評價方法的選擇是林木健康評價的關(guān)鍵。評價指標(biāo)體系應(yīng)該能夠科學(xué)地、綜合地反映出林木的健康狀況，盡量選擇與林木生長相關(guān)的指標(biāo)，同時控制指標(biāo)的數(shù)量，可以節(jié)省外業(yè)調(diào)查的工作量，并采用主成分分析和層次分析相結(jié)合的方法避免評價指標(biāo)之間的信息重疊，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本研究選擇形態(tài)指標(biāo)(樹干內(nèi)部腐爛和空洞程度、葉片枯損程度、枝條枯損程度、樹皮枯損程度、冠徑比、冠型、樹干傾斜程度)；生長指標(biāo)(胸徑年均生長量、樹高年均生長量、根系分布均勻程度、枝葉密度)；競爭狀況(相鄰木遮陰)等12個基本指標(biāo)，應(yīng)用主成分分析和層次分析法對西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)內(nèi)側(cè)柏古樹后備資源健康狀況進行評價，研究結(jié)果表明，生長指標(biāo)對側(cè)柏古樹后備資源健康狀況影響最大，形態(tài)指標(biāo)次之，競爭狀況最小，說明生長指標(biāo)對側(cè)柏古樹后備資源健康狀況起主要作用，其生長指標(biāo)的質(zhì)量狀況越好，其生長勢越好。在12個指標(biāo)中，胸徑年均生長量、樹高年均生長量、樹干內(nèi)部腐爛和空洞程度和相鄰木遮蔭對側(cè)柏古樹后備資源健康狀況影響起主要作用，側(cè)柏胸徑、樹高年均生長量越大，樹干內(nèi)部明顯空洞越小，周圍樹木對其遮蔭較少，健康狀況越好。

評價結(jié)果顯示，不健康的W14、W16、W17側(cè)柏生長勢較差，其中W14和W16側(cè)柏的葉片枯損程度和相鄰木遮蔭最為嚴(yán)重，其葉片枯損可能是由相鄰木遮陰，影響其光合作用，導(dǎo)致其葉片失綠而形成大面積枯葉；同時也可能是受側(cè)柏葉枯病危害，造成葉片枯死。因此需對W14和W16枯枝葉進行修剪處理，同時及時對側(cè)柏葉枯病進行防治；為了不影響其生長空間，要對相鄰木進行適當(dāng)修枝。W17側(cè)柏樹高、胸徑年均生長量最差，因此應(yīng)該對W17側(cè)柏加強水肥管理，定期進行割灌除草等措施。

由于古樹后備資源與古樹資源相比，年齡較短，導(dǎo)致研究人員對古樹后備資源的健康評價研究較少，所以目前尚未有一套完整的古樹后備資源健康評價指標(biāo)體系和評價方法。因此，本研究所建立的側(cè)柏古樹后備資源健康評價體系，可以為建立其他樹種的古樹后備資源健康評價體系提供借鑒，為古樹后備資源的保護提供依據(jù)。