基于層次分析法的森林質(zhì)量評(píng)價(jià)
——以廣州流溪河林場(chǎng)為例

劉利杰,謝卓洪,雷 敏,施悅謀,李勝強(qiáng),劉 萍

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院,廣州 510642;2.廣州市流溪河林場(chǎng)，廣州 510960)

作為生態(tài)系統(tǒng)初級(jí)生產(chǎn)者,森林植被在生態(tài)基礎(chǔ)設(shè)施中占據(jù)不可替代的地位,在很大程度上制約和影響著城市群生態(tài)系統(tǒng)中其他成分的存在和發(fā)展[1]。森林資源質(zhì)量是個(gè)動(dòng)態(tài)、抽象的概念,在不同的森林資源經(jīng)營理論及不同的歷史階段,森林資源質(zhì)量有著不同的內(nèi)涵。研究者根據(jù)自身研究需要,選定符合自身研究的指標(biāo)或方面來反映森林質(zhì)量。森林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)是對(duì)森林質(zhì)量的數(shù)據(jù)直觀表現(xiàn)。全面、有效的森林資源質(zhì)量評(píng)價(jià)可以對(duì)一個(gè)區(qū)域森林的經(jīng)營現(xiàn)狀作出科學(xué)評(píng)估,根據(jù)結(jié)果調(diào)整經(jīng)營技術(shù)和手段,對(duì)于森林可持續(xù)經(jīng)營有重要的意義[2-3]。王乃江等[4]以森林結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)力和演替趨勢(shì)3個(gè)指標(biāo)建立評(píng)價(jià)體系對(duì)黃土高原蔡家川林場(chǎng)天然次生林進(jìn)行評(píng)價(jià)；郭寧等[5]構(gòu)建由森林的自然性、森林生產(chǎn)力的維持能力、森林群落組成的評(píng)價(jià)體系并且以川西林區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)試用；黃玉娟等[6]在森林的內(nèi)在特征和林分結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了土壤類指標(biāo)對(duì)廣東省各地級(jí)市森林健康狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)。

森林的評(píng)價(jià)方法直接影響森林評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性,目前常用的方法有模糊綜合評(píng)價(jià)、物元分析法、因子分析法、層次分析法等[7]。層次分析法因其能合理解決定性問題定量化的特點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于林業(yè)領(lǐng)域[8]。陳華等[9]采用物元分析法對(duì)將樂國有林場(chǎng)用材林質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)能得出更全面的結(jié)果。流溪河作為珠三角城市群中珠江水系的重要支流,同時(shí)是廣州市重要飲用水源保護(hù)區(qū)和生態(tài)保護(hù)區(qū),生態(tài)地位極高,對(duì)流溪河林場(chǎng)森林植被質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)十分必要。本文基于樣地調(diào)查數(shù)據(jù),選取與森林經(jīng)營密切相關(guān)的林分層次評(píng)價(jià)指標(biāo)建立森林質(zhì)量評(píng)價(jià)體系,采用層次分析法賦予指標(biāo)權(quán)重,對(duì)流溪河林場(chǎng)森林資源質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。以期為珠三角森林城市群森林質(zhì)量優(yōu)化和流溪河林場(chǎng)森林分類經(jīng)營和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于2022年1月流溪河林場(chǎng)(23°32～23°50′N,113°45′～113°54′E)調(diào)查樣地,依據(jù)林分樹種所組成和林分特點(diǎn)設(shè)置了10塊20m×20m的樣地(表1)。對(duì)樣地中胸徑大于5cm的喬木進(jìn)行每木檢尺,實(shí)測(cè)樹種、胸徑、樹高、冠幅和林木相對(duì)坐標(biāo),采用樣線法估算每個(gè)樣地的林分郁閉度；在喬木樣地中的不同位置隨機(jī)設(shè)置2m×2m的灌木樣方和1m×1m的草本小樣方,記錄樣方中灌木和草本的種類、高度和蓋度等因子。

表1 樣地基本信息Tab.1 Basic information of sample plots

1.2 研究方法

1.2.1評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇

遵循科學(xué)性、層次性、系統(tǒng)性和可操作性原則,通過頻度分析、文獻(xiàn)查閱和專家訪談相結(jié)合,以流溪河林場(chǎng)森林質(zhì)量為目標(biāo)層,確定林分穩(wěn)定性C1、林分空間結(jié)構(gòu)C2和林分生產(chǎn)力C3為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層；選擇單位面積喬木株數(shù)D1、均勻度D2、森林健康程度D3、郁閉度D4、大小比數(shù)D5、混交度D6、角尺度D7、平均胸徑D8、平均樹高D9、單位面積蓄積量D10等10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2.2指標(biāo)含義及計(jì)算

1) 單位面積喬木株數(shù)。描述單位面積上的喬木數(shù)目,喬木林密度的變化會(huì)影響喬木層截留的光照和水分,從而影響各層次植被的生長情況。常用每公頃林木株數(shù)(N/hm2)表示。

2) 均勻度。反映物種個(gè)體數(shù)目在群落中的均勻程度,本研究采用Pielou指數(shù)計(jì)算,其算公式為:

(1)

式中:Pi為第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)占所有種的個(gè)體總數(shù)的比例；S為所在樣地內(nèi)物種種類的總數(shù)。

3) 森林健康程度。根據(jù)林木的生長發(fā)育、外觀表象特征及受自然災(zāi)害和病蟲災(zāi)害情況綜合評(píng)定森林健康情況,將森林健康度劃分為健康、亞健康、弱健康、不健康4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。并分別賦值10.0,7.5,5.0,2.5。

4) 郁閉度。采用樣線法測(cè)定郁閉度,即在矩形樣地中,按2個(gè)對(duì)角線布置樣線[10],根據(jù)郁閉度=樹冠冠幅總長/2個(gè)對(duì)角線總長得出結(jié)果。

5) 大小比數(shù)。胸徑大于參考樹的相鄰木的數(shù)量占相鄰木總數(shù)的比例。對(duì)常規(guī)大小比數(shù)結(jié)果進(jìn)行首尾顛倒,使其更符合人們習(xí)慣的直觀比較方式[11]。即,結(jié)果U值高,相鄰樹木比參照樹木小的數(shù)量少,參照樹優(yōu)勢(shì)度大,整個(gè)林分處于空間優(yōu)勢(shì)可能性就大；反之相鄰樹木比參照樹木小的數(shù)量多,參照樹優(yōu)勢(shì)度低。計(jì)算公式為:

(2)

6) 混交度。通過對(duì)象木與周圍鄰近林木的樹種差別比較對(duì)象木的混交情況,公式定義是對(duì)象木與4株最近相鄰木之間 的樹種差別的比較結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果采用“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示，用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，各指標(biāo)差異顯著性分析用One-way ANOVA進(jìn)行分析，用LSD法進(jìn)行多重比較。

7) 角尺度。α角小于標(biāo)準(zhǔn)角α0的個(gè)數(shù)占所考察的相鄰最近樹的比例,通過對(duì)所有參照樹的均勻性分析來評(píng)價(jià)全林分的林木分布特征。

8) 平均胸徑。反映林木粗度的基本指標(biāo)。以起測(cè)胸徑為5cm對(duì)喬木進(jìn)行每木檢尺,計(jì)算其平均胸徑。

9) 平均樹高。樹高因子在林分生長和林業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用[12],根據(jù)外業(yè)調(diào)查得到的數(shù)據(jù)通過算術(shù)平均法求得林分平均樹高。

10) 單位面積蓄積量。蓄積量的高低除了能反映活立木的生長情況,同時(shí)還是反映林分經(jīng)濟(jì)屬性的指標(biāo)[13],依據(jù)廣東省森林資源調(diào)查常用數(shù)表計(jì)算樣地單位面積蓄積。

1.2.3數(shù)據(jù)無量綱化處理

各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱不同,首先對(duì)各指標(biāo)值進(jìn)行無量綱化處理。

1) 正向指標(biāo)。Χ′=Χij/Χmax×100(Χij≤Χmax)

2) 角尺度。根據(jù)惠剛盈等[14]的研究,角尺度為0.5的單木比例所處的林分空間分布較為均衡,以0.5作為參考值對(duì)角尺度的無量綱化處理:

式中:i為第i個(gè)樣地；j為第j個(gè)指標(biāo)；Χij為實(shí)測(cè)值；Χmax為第j個(gè)指標(biāo)中所有實(shí)測(cè)值的最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 森林質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性分析

根據(jù)層次結(jié)構(gòu)中指標(biāo)之間的關(guān)系,由專家采用1—9分標(biāo)度法對(duì)采用以Q為判斷準(zhǔn)則的元素C1,C2,C3間的兩兩矩陣判斷,以C為判斷準(zhǔn)則的元素D1—D10間的兩兩矩陣判斷。剔除部分偏差較大的結(jié)果后,取各判斷值的平均值,計(jì)算出每一層次各指標(biāo)對(duì)上一層相對(duì)重要性的權(quán)重向量(表2)。

表2 流溪河林場(chǎng)森林質(zhì)量評(píng)價(jià)體系各級(jí)指標(biāo)權(quán)重Tab.2 Weight at layers of forest quality evaluation in Liuxihe Forest Farm

矩陣一致性檢驗(yàn)要滿足一致性比例CR<0.1,當(dāng)CR<0.1時(shí),認(rèn)為矩陣具有滿意的一致性。Q-C,C1-D,C3-D為3階矩陣,λmax分別為3.053 6,3.003 7和3.038 5,CR值分別為0.046 2,0.003 2和0.033 2,均小于0.1,通過一致性檢驗(yàn)；C2-D為4階矩陣,λmax為4.260 6,CR值為0.096 5,通過一致性檢驗(yàn)。結(jié)果如表3所示。

表3 各指標(biāo)層權(quán)重一致性檢驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Heterogeneity test results of index weight

從表2可知,在準(zhǔn)則層中,林分生產(chǎn)力>林分穩(wěn)定性>林分空間結(jié)構(gòu)的權(quán)重值,說明指標(biāo)層中平均樹高、平均胸徑和單位面積蓄積量這3個(gè)指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層的影響最大,這與張博等[15]的研究結(jié)論一致。因此,在最大程度保護(hù)現(xiàn)有自然林和生物多樣性的前提下,制定合理的森林經(jīng)營方案,加強(qiáng)施肥和間伐撫育等精細(xì)化管理、中大徑材培育,增加林地利用率和單位面積蓄力量,以提高森林資源質(zhì)量水平。

2.2 森林質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

為了便于對(duì)流溪河林場(chǎng)森林質(zhì)量綜合評(píng)價(jià),每個(gè)樣地的綜合得分為指標(biāo)無量綱化處理后的值乘組合權(quán)重之和。無量綱化后的值如表4所示,根據(jù)表2求出組合權(quán)重再計(jì)算各樣地的綜合評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)。從表5中可明顯看出,最高分是樣地10,得分在80以上有3個(gè)樣地,得分最低的是樣地1,得分低于70的有樣地1、樣地3和樣地8。結(jié)合表1樣地信息可看出,這3個(gè)樣地分別處于中、高、高坡位,不利于喬木生長,導(dǎo)致樣地林分郁閉度和喬木平均胸徑皆處于中下水平,從而單位面積蓄積較低。這與劉帥成等[16]對(duì)福建柏的生長研究一致。對(duì)于樣地3和樣地8,存在混交度較低的情況,可采取在相同樹種間增加不同種的相鄰木,提升樹種之間的隔離程度。而對(duì)于樣地1,則嚴(yán)格限制采伐,培育中大徑材,逐步提高郁閉度和林地單產(chǎn)量,合理促進(jìn)單位面積蓄積量增長。對(duì)比分析樣地3和樣地7,這2個(gè)樣地分別代表著喬木密度最高和最低的值,而其平均胸徑分別為倒數(shù)第2和最高,且樣地3在樹木株數(shù)最多的資源狀況下沒有達(dá)到較高水平的郁閉度,進(jìn)而可推斷喬木密度過大或許是樣地3喬木生長狀況不好的原因之一。

表4 不同樣地各評(píng)價(jià)指標(biāo)無量綱化得分值Tab.4 The scores in dimensionless values of each index in different sample plots

表5 不同樣地森林質(zhì)量評(píng)價(jià)綜合得分Tab.5 Comprehensive assessment score of forest quality in different sample plots

2.3 森林質(zhì)量等級(jí)劃分

將林分穩(wěn)定性、林分空間結(jié)構(gòu)、林分生產(chǎn)力3個(gè)準(zhǔn)則層各指標(biāo)的的得分與權(quán)重相乘,然后將每準(zhǔn)則層內(nèi)的指標(biāo)得分相加,得到各準(zhǔn)則層的綜合得分情況(圖1)。林分生產(chǎn)力由于權(quán)重高,所以整體得分最高,森林生產(chǎn)力的維護(hù)是貫穿森林經(jīng)營的重要方向。有60%樣地單位面積蓄積量低于樣地均值,林分生產(chǎn)力整體水平不高,而且林分生產(chǎn)力兩端極值差距明顯,樣地1和樣地8單位面積蓄積還有很大的提升幅度,在后續(xù)森林經(jīng)營中需要以提升蓄積量為主。林分空間結(jié)構(gòu)整體波動(dòng)不大,但個(gè)別樣地在某項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)極低的水平,說明樣地中存在明顯不合理的空間格局,如,樣地2單株林木優(yōu)勢(shì)度低,樣地3在局部空間單元中樹種重復(fù)度高。林分穩(wěn)定性的起伏主要源于指標(biāo)層的喬木密度,這主要源于樣地選取的隨機(jī)性,部分樣地處在地形陡峭,坡向以及光照不適合喬木生長的區(qū)域。

圖1 不同樣地的各準(zhǔn)則層評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.1 Assessment results of every criterion layer in different sample plots

采用等距劃分法,通過評(píng)價(jià)體系對(duì)10個(gè)樣地以Q為目標(biāo)層的最終得分值,對(duì)流溪河林場(chǎng)森林質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為4級(jí),結(jié)果如下表6所示。本研究中沒有質(zhì)量等級(jí)為差的樣地,樣地分布集中在“良”這一等級(jí),占樣地?cái)?shù)量的40%,質(zhì)量等級(jí)為中等和優(yōu)的各占3個(gè),均占樣地比重的30%。綜合結(jié)果表明,流溪河林場(chǎng)森林質(zhì)量整體處于優(yōu)良級(jí)別,但部分區(qū)域林地利用率不高和林分空間結(jié)構(gòu)存在明顯不合理的分布格局,林分中大部分林木生長受到不同程度的限制,這是由于流溪河林場(chǎng)中地形變化復(fù)雜以及該區(qū)域作為森林公園需要接待游客等各種原因相互影響造成的。

表6 流溪河林場(chǎng)森林質(zhì)量等級(jí)分布情況Tab.6 Distribution of forest quality grades in Liuxihe Forest Farm

3 結(jié)論與討論

本次建立的評(píng)價(jià)體系中林分生產(chǎn)力是評(píng)價(jià)森林質(zhì)量的主導(dǎo)因子,森林質(zhì)量高低是由多個(gè)因子或者因子組合相互影響,從本次調(diào)研分析可直觀看到林分穩(wěn)定性與林分空間結(jié)構(gòu)對(duì)林分生產(chǎn)力的影響,只從林分穩(wěn)定性或者林分空間結(jié)構(gòu)分析都不能得出對(duì)林分生產(chǎn)力有特定方向的影響。從指標(biāo)層進(jìn)一步分析可知喬木密度在一定程度上影響林木胸徑的生長,在林分密度增大的情況下,會(huì)加劇樹木間對(duì)光照、水資源、營養(yǎng)物質(zhì)等之間競爭,競爭的后果則會(huì)導(dǎo)致單木胸徑生長量的減少,造成林木生長緩慢。這與之前學(xué)者們的結(jié)論是一致的[17],同時(shí)結(jié)合郁閉度分析，能進(jìn)一步反映出林分生長情況的好壞。而在適宜的種植比例下,高林分郁閉度和樹木混交度的增大能促進(jìn)單位面積蓄積的增加,這是因?yàn)榱址炙幍奈h(huán)境會(huì)直接影響樹木的生長狀態(tài)和有機(jī)物積累,林場(chǎng)管理者在調(diào)整空間結(jié)構(gòu)時(shí)不能單一局限在林分狀態(tài)上,而要側(cè)重于空間結(jié)構(gòu)與林分生產(chǎn)力及生態(tài)功能之間的聯(lián)系[18],以達(dá)到理論上最優(yōu)值。

通過計(jì)算森林質(zhì)量得分發(fā)現(xiàn),樣地綜合質(zhì)量等級(jí)分化并不明顯,樣地多數(shù)質(zhì)量為良級(jí)別,占比為40%。樣地平均得分為73.89,綜合結(jié)果表明,流溪河林場(chǎng)整體森林質(zhì)量為良。體現(xiàn)為林分穩(wěn)定性不足,林分空間結(jié)構(gòu)不合理,森林覆蓋率和林地利用率分化度高等方面。針對(duì)本次評(píng)價(jià)中發(fā)現(xiàn)的問題,流溪河林場(chǎng)需在往后的森林經(jīng)營工作中,嚴(yán)格維持現(xiàn)有的森林保有量,積極開展林場(chǎng)范圍內(nèi)的宜林荒山荒地人工造林,增加森林資源總量的同時(shí)充分提高林地利用率,評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)流溪河林場(chǎng)森林質(zhì)量狀況有一定的揭示作用,可為珠三角森林城市群高質(zhì)量發(fā)展提供方向和思路。