基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)

彭泰來(lái),黃俊威,劉金山,齊建文

(國(guó)家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃院,長(zhǎng)沙 410014)

天然林指天然起源的森林,包括自然形成與人工促進(jìn)天然更新或者萌生所形成的地帶性森林,具有較高的生物多樣性、較復(fù)雜的群落結(jié)構(gòu)和較高的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[1]。2019年7月,中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)了《天然林保護(hù)修復(fù)制度方案》[2],要求全面落實(shí)天然林保護(hù)責(zé)任,對(duì)天然林質(zhì)量、數(shù)量和效益進(jìn)行監(jiān)測(cè)評(píng)估。加強(qiáng)天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)研究力度,得到科學(xué)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù),是反映天然林生態(tài)環(huán)境狀況,動(dòng)態(tài)掌握天然林資源質(zhì)量變化的必然要求,能夠?yàn)檫M(jìn)一步健全天然林資源監(jiān)測(cè)評(píng)估體系奠定基礎(chǔ)。

森林質(zhì)量是森林在生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益方面的全部功能和價(jià)值[3],質(zhì)量評(píng)價(jià)通常使用模糊綜合評(píng)價(jià)法[4-10]、層次分析法[11-15]、物元分析法[16-17]、因子分析法[18-19]等方法。森林質(zhì)量評(píng)價(jià)使用方法多為模糊綜合評(píng)價(jià)法,該方法能有效處理難以量化的指標(biāo),將優(yōu)勢(shì)樹(shù)種等指標(biāo)加入到指標(biāo)評(píng)價(jià)體系中。目前,森林質(zhì)量評(píng)價(jià)使用的數(shù)據(jù)大多來(lái)自于全國(guó)森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)、森林資源管理“一張圖”數(shù)據(jù)和森林長(zhǎng)期定位觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)等,因受原始數(shù)據(jù)源限制,難以有效實(shí)現(xiàn)全國(guó)各省(區(qū)、直轄市)基于相同尺度的質(zhì)量評(píng)價(jià)。隨著森林資源管理“一張圖”數(shù)據(jù)與第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“三調(diào)”)對(duì)接融合工作開(kāi)展,天然林資源數(shù)據(jù)庫(kù)的形成和天然林(公益林)資源年度監(jiān)測(cè)的實(shí)施,具備了全國(guó)各省(區(qū)、直轄市)開(kāi)展基于相同尺度的天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)的條件,本文以廣東省天然林資源數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),合理選擇評(píng)估因子,分別運(yùn)用主成分分析法、層次分析法和熵值法得到各因子權(quán)重,通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)法,以期構(gòu)建天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于2021年度廣東省天然林資源數(shù)據(jù)庫(kù)。2020年,廣東省完成天然林核定落界工作,初步建立天然林資源數(shù)據(jù)庫(kù),并融入森林資源管理“一張圖”。2021年,根據(jù)國(guó)家林業(yè)和草原局的部署,廣東省以“三調(diào)”數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),開(kāi)展林草濕數(shù)據(jù)與“三調(diào)”數(shù)據(jù)對(duì)接融合工作,進(jìn)一步健全天然林資源數(shù)據(jù)庫(kù)。本文根據(jù)廣東省構(gòu)建“一核一帶一區(qū)”的區(qū)域發(fā)展新格局思路,結(jié)合自然地理?xiàng)l件、生態(tài)環(huán)境狀況和天然林資源典型特征等因素,將全省劃分為4個(gè)區(qū)域:珠三角區(qū)域(廣州、深圳、珠海、佛山、江門(mén)、東莞、中山、惠州、肇慶等9市),粵北區(qū)域(韶關(guān)、河源、梅州、清遠(yuǎn)、云浮等5市),粵東區(qū)域(汕頭、潮州、揭陽(yáng)、汕尾等4市),粵西區(qū)域(湛江、茂名、陽(yáng)江等3市)。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

借鑒相關(guān)文獻(xiàn)[20-23],對(duì)數(shù)據(jù)的可獲得性、評(píng)價(jià)指標(biāo)的可行性和實(shí)用性綜合考慮,以廣東省天然林資源質(zhì)量為目標(biāo)層,分別由3個(gè)約束層和8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)反映。如表1所示,約束層分別為天然林資源森林生產(chǎn)力B1、穩(wěn)定性B2和立地條件B3。其中:天然林資源森林生產(chǎn)力分別由郁閉度(覆蓋度)C1、平均胸徑C2和每公頃蓄積量C3等構(gòu)成；天然林資源穩(wěn)定性分別由坡位C4和坡度級(jí)C5構(gòu)成；天然林資源立地條件分別由保護(hù)等級(jí)C6、優(yōu)勢(shì)樹(shù)種組C7和齡組C8等構(gòu)成。

1.3 評(píng)價(jià)方法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種描述不確定性事物或?qū)ο蟮男滦蛿?shù)學(xué)方式[8]。該評(píng)價(jià)法依據(jù)模糊數(shù)學(xué)的“隸屬度”理論來(lái)表征模糊集合中的元素屬于集合的程度,即用模糊數(shù)學(xué)對(duì)受到多項(xiàng)指標(biāo)共同制約的事物或?qū)ο笞龀鼍C合評(píng)價(jià),并將制約條件量化表示,進(jìn)行數(shù)學(xué)解答,能有效處理無(wú)法量化的、不確定的問(wèn)題[9,27]。在模糊綜合評(píng)價(jià)模型中,如何設(shè)計(jì)因子權(quán)重是一項(xiàng)重要環(huán)節(jié),這對(duì)評(píng)價(jià)的最終結(jié)果有著顯著影響[24]。通過(guò)與以往的森林質(zhì)量評(píng)價(jià)研究對(duì)比[20],本文在等級(jí)劃分上更詳細(xì)、在賦權(quán)方法選擇上更多樣,分別應(yīng)用主成分分析法、層次分析法和熵值法確定權(quán)重,并進(jìn)行對(duì)比。

表1 天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及分級(jí)表Tab.1 Natural forest resources quality evaluation index system and classification table

1.3.1明確因子集C和評(píng)價(jià)指標(biāo)集V

根據(jù)廣東省天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,因子集由8項(xiàng)指標(biāo)組成,即因子集C={C1,C2,…,C8}。通過(guò)參考前人的關(guān)于森林資源綜合評(píng)價(jià)等領(lǐng)域的研究結(jié)果[25-27],擬將廣東省天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)等級(jí)劃分為4級(jí),即評(píng)價(jià)指標(biāo)集V={優(yōu),良,中,劣}。

1.3.2構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)矩陣R

使用頻率法計(jì)算隸屬度函數(shù),計(jì)算得出廣東省天然林資源數(shù)據(jù)庫(kù)中不同評(píng)價(jià)因子屬于不同評(píng)價(jià)質(zhì)量級(jí)別的比重,由此確定單個(gè)指標(biāo)的隸屬度,綜合評(píng)價(jià)隸屬度矩陣R如下:

(1)

式中:rnm表示第n個(gè)因子對(duì)應(yīng)第m個(gè)級(jí)別的相對(duì)隸屬度,n=1,2,3,…,8；m=1,2,3,4；R為綜合評(píng)價(jià)隸屬度矩陣,C為因子集。

1.3.3確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量W

構(gòu)建并標(biāo)準(zhǔn)化處理廣東省天然林資源數(shù)據(jù)矩陣后,運(yùn)用主成分分析法、層次分析法和熵值法分別進(jìn)行計(jì)算[28]。其中,覆蓋度指標(biāo)數(shù)據(jù)由公式F處理值=0.00875×F原始值+0.00125進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算[7]。主成分分析法和層次分析法使用SPSS 26軟件進(jìn)行計(jì)算。

熵值法計(jì)算步驟:

1) 求指標(biāo)j的熵值ej

(2)

式中:0≤ej≤1;指標(biāo)j的標(biāo)準(zhǔn)化值為pij;ej為指標(biāo)j的熵值;k為待定系數(shù),取值為k=1。

2) 求指標(biāo)j的效用值dj

dj=1-ej

(3)

式中:dj為指標(biāo)j的效用值;ej為指標(biāo)j的熵值。

3) 求指標(biāo)j的權(quán)重wj

(4)

式中:dj為指標(biāo)j的效用值；ej為指標(biāo)j的熵值；wj為指標(biāo)j的權(quán)重。

1.3.4確定綜合評(píng)價(jià)向量B進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)

選擇M(·,⊕)算子[29],求算得到綜合評(píng)價(jià)向量B。廣東省天然林資源質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)模型為:

B=wj°R=(b1,b2,…,bm)

(5)

式中:bm為隸屬水平；wj為指標(biāo)j的權(quán)重；R為綜合評(píng)價(jià)隸屬度矩陣；B為綜合評(píng)價(jià)向量。

在進(jìn)行有效度檢驗(yàn)后,可以運(yùn)用最大隸屬度原則確定評(píng)價(jià)結(jié)果,具體檢驗(yàn)指標(biāo)為:

(6)

式中:β=max1≤i≤m{bi}；γ= max1≤j≤m, j≠i{bj}。當(dāng)1≤α<+∞時(shí),施行最大隸屬原則達(dá)到極顯著效果；當(dāng)0.5≤α<1時(shí),施行最大隸屬原則達(dá)到顯著效果；當(dāng)0<α<0.5時(shí),施行最大隸屬原則效果不顯著。

如采用加權(quán)平均原則,綜合評(píng)價(jià)值為:

(7)

式中:B*為綜合評(píng)價(jià)值；μ(vi)為評(píng)價(jià)等級(jí)值變量；本研究中“優(yōu)”,“良”,“中”,“劣”等級(jí)分別取4,3,2,1；k為待定系數(shù),取值為k=1。

2 結(jié)果與分析

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度

基于廣東省天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算得到廣東省天然林資源質(zhì)量不同評(píng)價(jià)指標(biāo)在各個(gè)評(píng)價(jià)級(jí)別上的比重(表2),從而確定單一指標(biāo)隸屬度,確定隸屬度矩陣。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

運(yùn)用主成分分析法、層次分析法和熵值法3種賦權(quán)方式,分別計(jì)算出不同評(píng)價(jià)因子的權(quán)重(表3)。其中,主成分分析KMO值為0.655 0,顯著性小于0.05,表明數(shù)據(jù)適合使用主成分分析法；層次分析法判斷矩陣最大特征值為8.571 7,CI值為0.081 7,RI值為1.404,CR值為0.058 2,一致性驗(yàn)證通過(guò)?？梢钥闯?熵值法所確定的權(quán)重離散度更高,主成分分析法和層次分析法計(jì)算得到的因子權(quán)重分布較為均衡。在部分評(píng)價(jià)指標(biāo)(C2,C5,C6,C8)上,熵值法、層次分析法和主成分分析法計(jì)算得出的權(quán)重表現(xiàn)趨于一致,但部分指標(biāo)(C1,C3,C4)表現(xiàn)出較大差異。通過(guò)參考過(guò)往的森林資源質(zhì)量指標(biāo)體系研究結(jié)果[30],C3指標(biāo)表現(xiàn)尤為關(guān)鍵,是主要區(qū)分指標(biāo)。因此,選用熵值法得到的權(quán)重更接近評(píng)價(jià)要求。

表2 廣東省天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度Tab.2 Subordinate degree of evaluation index of natural forest resources quality in Guangdong Province

2.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和隸屬度矩陣,計(jì)算得到廣東省天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果(表4)。通過(guò)最大隸屬原則有效度檢驗(yàn),顯示熵值法、主成分分析法和層次分析法計(jì)算的評(píng)價(jià)結(jié)果有效度分別為0.364 3,0.155 5和0.348 7,由此得出熵值法有效度更好。因此,建議廣東省天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)選取熵值法計(jì)算得到的權(quán)重,通過(guò)加權(quán)平均原則得出綜合評(píng)價(jià)分值(表5)。

表3 不同方法確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重Tab.3 Weight of evaluation indexes using different methods

表4 廣東省天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Evaluation results of natural forest resource quality in Guangdong Province

表5 廣東省天然林資源質(zhì)量分區(qū)域 生態(tài)區(qū)位綜合評(píng)價(jià)值Tab.5 Comprehensive evaluation value of sub-regions,and sub-ecological location of natural forest resources quality branch in Guangdong Province

2.4 相關(guān)性分析

將質(zhì)量評(píng)估結(jié)果Z和8項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(圖1),結(jié)果表明質(zhì)量評(píng)估結(jié)果與郁閉度(覆蓋度)、齡組具有顯著正相關(guān)(a=0.01),相關(guān)系數(shù)分別為0.551和0.565,說(shuō)明當(dāng)郁閉度(覆蓋度)、齡組指標(biāo)表現(xiàn)越好時(shí),質(zhì)量評(píng)估結(jié)果越高。另外,質(zhì)量評(píng)估結(jié)果與坡度級(jí)的相關(guān)系數(shù)最低,為0.189,說(shuō)明8項(xiàng)指標(biāo)中天然林所處坡度對(duì)質(zhì)量評(píng)估結(jié)果的影響最小。

2.5 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算得到的權(quán)重,廣東省天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)分值為2.381 8,通過(guò)參考過(guò)往的廣東省公益林質(zhì)量指標(biāo)體系研究結(jié)果[6],總體質(zhì)量水平高于“中”級(jí),表明廣東省天然林資源質(zhì)量水平處于中等偏上區(qū)間。各分區(qū)中,粵北區(qū)域的天然林資源質(zhì)量最優(yōu)(2.421 4),粵東區(qū)域天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)分值相對(duì)較低(2.041 6),并且處于臨界值,如果未來(lái)對(duì)其保護(hù)修復(fù)不當(dāng),一定程度上可能向更低等級(jí)發(fā)展?？傮w評(píng)價(jià)分值從大到小排序依次為粵北區(qū)域>珠三角區(qū)域>粵西區(qū)域>粵東區(qū)域。按生態(tài)區(qū)位對(duì)總體評(píng)價(jià)分值進(jìn)行排序,國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、世界自然遺產(chǎn)>重要水庫(kù)>江河兩岸>荒漠化和水土流失嚴(yán)重地區(qū)>沿?；闪謳?。

圖1 質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果與指標(biāo)因子間相關(guān)系數(shù)Fig.1 Correlation coefficient between the quality evaluation results and the index factors

3 討論與結(jié)論

1) 根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法,既能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)目標(biāo)對(duì)象,又能延伸出不同級(jí)別和層次的評(píng)價(jià)內(nèi)容。如,粵北區(qū)域天然林資源面積最為廣袤,保護(hù)狀況較理想；同時(shí)天然林位于自然保護(hù)區(qū)、森林公園等自然保護(hù)地或重要水庫(kù)周邊,能得到更為嚴(yán)格的保護(hù)。各評(píng)價(jià)對(duì)象的總體評(píng)價(jià)在一定程度上可以相互驗(yàn)證,證明本評(píng)價(jià)方法對(duì)廣東省天然林資源質(zhì)量的評(píng)價(jià)結(jié)果符合常識(shí)規(guī)律,具有客觀性和可行性。

2) 對(duì)天然林資源質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明,影響天然林資源質(zhì)量的關(guān)鍵因素是每公頃蓄積量、齡組和平均胸徑,與綜合評(píng)價(jià)結(jié)果相關(guān)性最高的2個(gè)指標(biāo)分別是郁閉度(覆蓋度)和齡組。依據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,廣東省天然林資源質(zhì)量各區(qū)域總體評(píng)價(jià)值均高于“中”級(jí)。不同區(qū)域之間,粵北區(qū)域綜合評(píng)價(jià)分值最高,粵東區(qū)域天然林資源相對(duì)較低；不同生態(tài)區(qū)位之間,國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)、世界自然遺產(chǎn)最優(yōu),沿?；闪謳鄬?duì)較低。通過(guò)對(duì)天然林資源評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析,影響天然林資源質(zhì)量的因素主要有:一是齡組結(jié)構(gòu)以中幼齡林為主,在喬木林中,中幼齡林面積占比超過(guò)6成。受天然林的管控要求,天然林改造活動(dòng)強(qiáng)度不得過(guò)高。二是每公頃蓄積量不高。廣東省天然林資源數(shù)據(jù)庫(kù)部分小班,尚處于群落演替早期階段,尚未形成復(fù)層林、異齡林、混交林等相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),降低了平均蓄積量。綜上,需要以自然修復(fù)為主,恢復(fù)林草植被；人工促進(jìn)自然修復(fù)為輔,采取森林撫育、封山育林、后備資源培育等措施,人工促進(jìn)自然恢復(fù),營(yíng)造復(fù)層林、異齡林、混交林等相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；嚴(yán)格控制對(duì)低產(chǎn)低效天然林實(shí)施改造,合理設(shè)計(jì)改造方式和強(qiáng)度。此外,在天然林保護(hù)范圍內(nèi)以造林方式開(kāi)展生態(tài)保護(hù)與修復(fù)工作,應(yīng)當(dāng)保留原生植被。

3) 天然林資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系還需要進(jìn)一步健全。a.天然林資源在不同地區(qū)之間存在差異,需進(jìn)一步健全天然林保護(hù)修復(fù)的政策保障體系和監(jiān)督評(píng)價(jià)體系,建立健全天然林補(bǔ)償政策和機(jī)制,提升天然林資源質(zhì)量；b.天然林資源評(píng)價(jià)指標(biāo)尚不完善,仍有部分可參與質(zhì)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)未被納入,如缺少自然恢復(fù)難易性、生態(tài)環(huán)境脆弱性、物種珍稀性、群落完整性等,尚需健全天然林資源評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；c.運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)廣東省天然林資源質(zhì)量開(kāi)展監(jiān)測(cè)評(píng)估,能夠高效、科學(xué)、精確地產(chǎn)出評(píng)價(jià)結(jié)果,同時(shí)能對(duì)全國(guó)各省(區(qū)、直轄市)基于相同尺度開(kāi)展監(jiān)測(cè)評(píng)估提供參考,具有良好的應(yīng)用潛力,如何利用天然林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)更好地促進(jìn)天然林保護(hù)修復(fù)工作開(kāi)展,發(fā)揮出天然林最佳生態(tài)功能是未來(lái)的研究重點(diǎn)之一。