庫布齊沙漠檸條錦雞兒灌木林健康評價(jià)

李 健,左合君,2,閆 敏,2*,李 進(jìn),柴茵超

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 沙漠治理學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)風(fēng)沙物理與防沙治沙工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;3.杭錦旗林業(yè)和草原局 自然保護(hù)區(qū)和天然林保護(hù)工作站,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017400)

檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)是豆科錦雞兒屬(Caragana)植物,多生長分布于荒漠草原及沙地。在庫布齊沙漠地區(qū)也分布種植著大量的檸條錦雞兒,其具有防風(fēng)固沙、改良土壤養(yǎng)分等特點(diǎn)[1-2],對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境保護(hù)起到了重要作用,但經(jīng)過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn),庫布齊沙漠地區(qū)的檸條錦雞兒經(jīng)過多年生長后,出現(xiàn)了低質(zhì)低效等生態(tài)衰退現(xiàn)象,導(dǎo)致檸條錦雞兒防風(fēng)固沙效果降低以及土壤養(yǎng)分退化等森林健康問題出現(xiàn)。隨著人們對森林的重視程度越來越高,森林健康問題也越來越受到關(guān)注,有關(guān)森林健康的研究也從單一分析擴(kuò)展到系統(tǒng)研究[3-4]。

部分學(xué)者針對森林健康問題,提出了森林健康評價(jià)的研究方法[5]。健康評價(jià)是依據(jù)森林健康評價(jià)指標(biāo)對森林健康狀況做出診斷和評價(jià)的研究手段[6-7],而以檸條錦雞兒為代表的灌木林健康是森林健康的延續(xù)和拓展,灌木林健康具有與森林健康相同的屬性。目前學(xué)者針對灌木林多采用模糊綜合評價(jià)法、主成分分析法、指示物種法等進(jìn)行評價(jià)[8-11],但相比于喬木林,由于面積較小、在群落結(jié)構(gòu)占比較低等特點(diǎn),使得關(guān)于灌木林健康狀況的評價(jià)研究相對較少,且灌木林生態(tài)系統(tǒng)由于本身的復(fù)雜程度,對林分健康的評價(jià)難度較大,導(dǎo)致目前尚未有統(tǒng)一的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方法。針對灌木林健康評價(jià)過程中選取指標(biāo)的數(shù)量較少、代表性不全面、評價(jià)方法操作難度高、研究方法使用不當(dāng)[12-13],使得評價(jià)結(jié)果出現(xiàn)差異[14],因此對灌木林健康狀況作出準(zhǔn)確評價(jià)是十分必要的。

因此,本研究在借鑒國內(nèi)外森林健康評價(jià)研究成果的基礎(chǔ)上,采用層次分析法(AHP)[15-16]對庫布齊沙漠檸條錦雞兒灌木林進(jìn)行健康評價(jià)。以相關(guān)文獻(xiàn)資料作為參考,結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜液头雷o(hù)林管理者建議,優(yōu)選評價(jià)指標(biāo)、構(gòu)建檸條錦雞兒防護(hù)林健康評價(jià)指標(biāo)體系,計(jì)算與分析檸條錦雞兒灌木林健康指數(shù),對檸條錦雞兒灌木林健康狀況作出準(zhǔn)確的綜合評價(jià)。研究結(jié)果可為庫布齊沙漠地區(qū)檸條錦雞兒的恢復(fù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),也可為其他沙生灌木林的健康評價(jià)提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 森林和草地調(diào)查方法

選取庫布齊沙漠檸條錦雞兒灌木林作為研究對象,研究區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市杭錦旗西北部庫布齊沙漠西緣(107°19′-107°34′E,40°23′- 40°33′N)。結(jié)合庫布齊沙漠地區(qū)檸條錦雞兒林的實(shí)際生長狀況,依據(jù)各區(qū)域檸條錦雞兒種植方式、分布狀態(tài)、生態(tài)環(huán)境等特點(diǎn),選取13個(gè)具有代表性的檸條錦雞兒灌木林作為調(diào)查樣地(圖1)。

圖1 樣地示意

通過樣地與樣方相結(jié)合的方法,對檸條錦雞兒開展綜合性生態(tài)調(diào)查。首先在選定的各個(gè)樣地分別設(shè)置3個(gè)間距50 m的20 m×20 m的檸條錦雞兒樣方,同時(shí)在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣方內(nèi)沿對角線設(shè)置3個(gè)1 m×1 m的草本樣方以及3個(gè)2 m×2 m的枯落物樣方。對每個(gè)樣方的全部檸條灌木個(gè)體進(jìn)行每木檢尺,記錄樣地基本信息(表1)以及樣地內(nèi)檸條植株的生態(tài)指標(biāo),整理收集土壤及枯落物樣品。

表1 樣地基本信息

1.2 指標(biāo)測定

為選擇植株生態(tài)指標(biāo)(分生枝條數(shù)、植株基徑、植株冠幅、植株高度、植株結(jié)實(shí)數(shù)、植株新生枝條數(shù)、新生枝條粗度、新生枝條長度、密度、蓋度、枝條長度、枝條總數(shù))、土壤理化性質(zhì)(土壤全磷、全鉀、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤pH、土壤電導(dǎo)率)、枯落物理化性質(zhì)(木質(zhì)素、纖維素、磷、鉀、碳含量)3個(gè)方面共22個(gè)指標(biāo)作為檸條錦雞兒健康評價(jià)指標(biāo)。

1.3 健康評價(jià)體系

健康的灌木防護(hù)林不僅具有穩(wěn)定的形態(tài)結(jié)構(gòu),還應(yīng)考慮對周邊生境的影響。只要是影響到灌木防護(hù)林健康狀況的因素都應(yīng)考慮,然而目前還尚未有統(tǒng)一的評價(jià)指標(biāo)體系。本試驗(yàn)采用定量分析和定性分析相結(jié)合的 AHP(analytic hierarchy process)層次分析法[17-19],遵從科學(xué)性、層次性、實(shí)際性和易操作性原則,選取合適的指標(biāo)建立層次結(jié)構(gòu)模型。該模型結(jié)構(gòu)分為3個(gè)層次,目標(biāo)層用來衡量和反映林分健康的合理程度,需要定性與定量指標(biāo)來反映綜合權(quán)重值;準(zhǔn)則層作為評價(jià)的準(zhǔn)則,措施層為準(zhǔn)則層下屬的單項(xiàng)指標(biāo)。其中二、三層指標(biāo)評選均通過文獻(xiàn)資料整理法、專家評價(jià)法等,邀請專家對構(gòu)建的評價(jià)指標(biāo)體系的合理性進(jìn)行評價(jià),調(diào)整評價(jià)指標(biāo)體系后請專家對健康評價(jià)指標(biāo)做量化等級劃分和權(quán)重設(shè)置。結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,為保持評價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)的一致性、可比較性,對測量指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)值進(jìn)行科學(xué)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理(本研究采用極大值法)[20]。計(jì)算出綜合健康評價(jià)指數(shù),在森林生態(tài)系統(tǒng)健康評價(jià)模型基礎(chǔ)上建立庫布齊沙漠地區(qū)檸條錦雞兒灌木林健康評價(jià)模型,評價(jià)體系構(gòu)建流程見圖2。

圖2 檸條錦雞兒健康評價(jià)體系流程

圖3 檸條錦雞兒健康評價(jià)結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與分析

2.1 檸條錦雞兒健康評價(jià)體系

2.1.1 評價(jià)指標(biāo)篩選及結(jié)構(gòu) 結(jié)合庫布齊沙漠地區(qū)實(shí)際生態(tài)環(huán)境狀況,初步篩選確定檸條錦雞兒灌木林健康評價(jià)指標(biāo),分別從植株的生長、更新、結(jié)構(gòu)、功能等方面選取了30個(gè)健康評價(jià)指標(biāo)。結(jié)合野外實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)對準(zhǔn)則層和措施層指標(biāo)進(jìn)行篩選、評價(jià)和剔除,結(jié)合檸條錦雞兒本身特性和其防護(hù)功能,最終建立檸條錦雞兒健康評價(jià)結(jié)構(gòu)。該健康評價(jià)結(jié)構(gòu)共分為3個(gè)層次,目標(biāo)層是檸條錦雞兒灌木林健康評價(jià)綜合結(jié)果;準(zhǔn)則層主要包括林分活力、群落結(jié)構(gòu)、土壤條件、枯落物條件4個(gè)一級指標(biāo);措施層選取22個(gè)二級指標(biāo),結(jié)構(gòu)見圖 3。

2.1.2 指標(biāo)權(quán)重的確定與計(jì)算 權(quán)重可以顯示評價(jià)指標(biāo)對結(jié)果影響的重要程度,從而利用其指標(biāo)影響的大小程度進(jìn)行評價(jià),權(quán)重設(shè)置就是要從一系列評價(jià)指標(biāo)中篩分出影響性較大的評價(jià)指標(biāo)和影響性較小的評價(jià)指標(biāo)[21-22]。對篩選的檸條錦雞兒灌木林健康評價(jià)指標(biāo)做量化等級劃分和權(quán)重設(shè)置。構(gòu)建評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重判斷矩陣后,結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況,對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,計(jì)算最大特征根λmax所對應(yīng)的特征向量(CR),并進(jìn)行判斷矩陣的一致性檢驗(yàn),當(dāng) 0

表2 各指標(biāo)層一致性檢驗(yàn)

結(jié)合庫布齊沙漠地區(qū)的實(shí)際狀況采用等級評分法,制定了相應(yīng)的評價(jià)優(yōu)劣等級表,在檸條錦雞兒灌木林健康評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的界定方面,對所選取的指標(biāo)進(jìn)行量化處理,將各指標(biāo)分為好、中、差3個(gè)等級。采用黃金分割法[23],分別對好、中、差3個(gè)等級賦值為:1.0、0.62、0.38,構(gòu)建檸條錦雞兒灌木林健康指標(biāo)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算準(zhǔn)則層及指標(biāo)層各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,將準(zhǔn)則層與指標(biāo)層指標(biāo)相乘即可計(jì)算得出檸條錦雞兒健康綜合權(quán)重,檸條錦雞兒健康評價(jià)各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值以及檸條錦雞兒各指標(biāo)評價(jià)優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 檸條錦雞兒健康評價(jià)指標(biāo)權(quán)重及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.3 健康評價(jià)模型及健康等級劃分 健康評價(jià)模型是灌木防護(hù)林健康評價(jià)的關(guān)鍵,在森林健康評價(jià)研究中,多數(shù)學(xué)者使用生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)模型,并對其公式整理、延伸,擴(kuò)大了模型在森林健康評價(jià)中的適用性和適用范圍。根據(jù)評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的歸一化處理與指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果,結(jié)合本研究的實(shí)際情況,采用生態(tài)系統(tǒng)健康綜合指數(shù)模型對檸條錦雞兒灌木林健康狀況進(jìn)行評估,最終通過健康綜合評價(jià)指數(shù)HI的大小來反映檸條林質(zhì)量狀況。

(1)

結(jié)合檸條錦雞兒實(shí)際發(fā)育狀況及行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[24],參考寇志偉[22]、魯紹偉等[25]對森林健康等級劃分依據(jù)和研究方法,將檸條錦雞兒健康評價(jià)指數(shù)劃分為4個(gè)等級,制定了檸條錦雞兒健康評價(jià)的分級標(biāo)準(zhǔn)(表4)。

表4 檸條錦雞兒健康評價(jià)分級標(biāo)準(zhǔn)

2.2 檸條錦雞兒灌木林健康狀況分析

2.2.1 檸條錦雞兒灌木林現(xiàn)狀 檸條錦雞兒灌木林樣地一級健康指標(biāo)值共4項(xiàng)指標(biāo),①林分活力:13號樣地狀況最好,得分為0.814,7號樣地狀態(tài)最差,得分為0.22。樣地平均得分為0.51。其余7個(gè)樣地為中等狀態(tài),得分均在0.4～0.7,占總樣地的53.84%。②土壤條件:樣地3、4、11土壤條件較好,得分最高為0.89。而樣地8條件得分為0.4,條件較差的樣地占比15.38%,中等樣地均值分布于0.4～0.7,占總樣地的61.53%。樣地土壤條件均分為0.55。③群落結(jié)構(gòu):樣地最高得分為0.75,最低分為0.30、分別為樣地8和樣地2,中等樣地占61.53%。④枯落物狀態(tài):共5塊樣地得分高于0.7,最高分0.89,占比38.46%,中等樣地共8塊,最低得分0.45,占比61.54%,樣地均分為0.64,一級健康指標(biāo)值占比見圖4。

圖4 檸條錦雞兒灌木林一級指標(biāo)健康值及健康等級

2.2.2 檸條錦雞兒灌木林健康評價(jià) 通過構(gòu)建健康評價(jià)體系,結(jié)合樣方實(shí)地調(diào)查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)據(jù)、指標(biāo)權(quán)重值和健康評價(jià)模型可計(jì)算得到庫布齊沙漠地區(qū)檸條錦雞兒灌木林各樣地健康指數(shù)。由圖5可見,健康狀態(tài)的樣地有1個(gè),占比7.69%,有5個(gè)樣地處于輕度低質(zhì)低效狀況,占樣地總數(shù)的38.46%,有6塊樣地健康程度為中度低質(zhì)低效,占比46.16%。有1個(gè)重度低質(zhì)低效樣地,占比7.69%。研究區(qū)灌木林樣方健康指數(shù)最大值為0.691 1,最小值為0.426 8,相差0.264 2;樣地13的檸條錦雞兒健康質(zhì)量最佳,樣地2最差,檸條錦雞兒灌木林健康指數(shù)平均值為0.538 7,樣方健康指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為6.38%,健康指數(shù)絕大部分位于0.55～0.60。目前庫布齊沙漠檸條錦雞兒健康指數(shù)普遍較低,中度退化的灌木林地占到1/2以上。庫布齊沙漠地區(qū)大部分檸條錦雞兒林分活力不足、防護(hù)效能較低,當(dāng)?shù)厣L生境條件較弱。從總體趨勢上看,庫布齊沙漠地區(qū)檸條錦雞兒整體處于中度低質(zhì)低效狀態(tài)。

圖5 檸條錦雞兒灌木林健康指數(shù)頻率分布

2.2.3 檸條錦雞兒林分健康因素的影響 由圖6可見,檸條錦雞兒健康評價(jià)一級指標(biāo)分別為:林分活力(0.353 6)、土壤條件(0.295 9)、群落結(jié)構(gòu)(0.251 8)、枯落物條件(0.098 6),4項(xiàng)一級指標(biāo)分別占比35.4%、29.6%、25.2%、9.9%。其中,林分活力影響最大,枯落物條件影響最小。在二級指標(biāo)中:土壤有機(jī)質(zhì)含量、檸條錦雞兒枝條總數(shù)、植株高度、蓋度、冠幅等是檸條錦雞兒健康狀況重要影響因素。平茬、放牧等人為活動(dòng)會(huì)影響檸條錦雞兒灌木株高、冠幅、蓋度等,在一定程度上也降低了檸條錦雞兒灌木林防護(hù)效能。

圖6 健康評價(jià)指標(biāo)權(quán)重占比

3 討論

層次分析法在林木健康評價(jià)中的指標(biāo)選擇和指標(biāo)權(quán)重確立的可操作性及完整性方面具備優(yōu)勢,王建軍等[26]、賈大鵬等[27]、張博等[28]都利用該方法對森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行了健康評價(jià)。本研究基于Delphi-AHP法構(gòu)建了檸條錦雞兒灌木林健康評價(jià)體系,提出了檸條錦雞兒灌木林健康評價(jià)模型,與寇志偉[22]、于金濤[29]對灌木及防護(hù)林健康影響主要因素的研究結(jié)果相比,本模型選取檸條錦雞兒生長、更新等功能指標(biāo)的同時(shí)還結(jié)合檸條錦雞兒的特點(diǎn)增加了土壤條件、枯落物條件等生態(tài)環(huán)境指標(biāo),考慮到了植株生長環(huán)境等影響因素,從多方面綜合評價(jià),彌補(bǔ)了只根據(jù)灌木林形態(tài)特征進(jìn)行健康評價(jià)的不足。相比于前人針對某一區(qū)域的防護(hù)林健康狀況評價(jià),單一的評價(jià)客體使本評價(jià)體系主要針對較小尺度的評價(jià)研究,評價(jià)精確度較高,若將其用于范圍較大的尺度評價(jià)時(shí),則應(yīng)充分考慮選取指標(biāo)的適用性。

本研究參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、歸納防護(hù)林相關(guān)研究成果以及國內(nèi)防護(hù)林的相關(guān)文獻(xiàn),進(jìn)行防護(hù)林健康評價(jià)指標(biāo)優(yōu)劣等級劃分,在一定程度上降低了采用專家打分獲取指標(biāo)及進(jìn)行指標(biāo)量化帶來的主觀性誤差。健康評價(jià)顯示庫布齊沙漠檸條錦雞兒灌木林整體處于中度低質(zhì)低效狀態(tài),得到的健康等級評價(jià)結(jié)果與檸條錦雞兒灌木林的實(shí)際生長狀況一致,相比于傳統(tǒng)的健康評價(jià)研究,專家打分及測量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)量化相結(jié)合的方法使健康評價(jià)結(jié)果更具有實(shí)用性及科學(xué)性,因此同樣可以應(yīng)用于其他地區(qū)的檸條錦雞兒健康評價(jià)。在評價(jià)體系實(shí)際應(yīng)用過程中,應(yīng)從植株林分活力、土壤條件、群落結(jié)構(gòu)、枯落物條件4個(gè)方面對評價(jià)指標(biāo)準(zhǔn)確篩選和測量。

健康評價(jià)體系能夠有效反映及評價(jià)檸條錦雞兒灌木林目前的健康狀態(tài),但灌木林健康狀態(tài)是一個(gè)動(dòng)態(tài)發(fā)展的過程,未來的研究可以對整個(gè)區(qū)域檸條錦雞兒健康狀態(tài)進(jìn)行長期的監(jiān)測。

4 結(jié)論

1)利用層次分析法,基于4-22(4個(gè)一級指標(biāo)和22個(gè)二級指標(biāo))系統(tǒng)化結(jié)構(gòu)框架,構(gòu)建了庫布齊沙漠檸條錦雞兒灌木林健康評價(jià)體系,其中土壤有機(jī)質(zhì)、植株高度、植株枝條總數(shù)、植株新生枝條粗度、枝條長度等影響因素貢獻(xiàn)度較大。

2)庫布齊沙漠檸條錦雞兒灌木林樣地平均健康指數(shù)為0.538 7,健康狀態(tài)樣地占比7.69%,處于輕度低質(zhì)低效狀態(tài)的樣地占比38.46%,中度低質(zhì)低效狀態(tài)的樣地占比46.16%,重度低質(zhì)低效的樣地占比7.69%,檸條錦雞兒灌木林整體處于中度低質(zhì)低效狀態(tài),有進(jìn)一步發(fā)展為重度低質(zhì)低效的可能,研究得到的健康等級評價(jià)結(jié)果與檸條錦雞兒灌木林的實(shí)際生長狀況一致。

3)應(yīng)用健康體系評價(jià)檸條錦雞兒健康狀態(tài)應(yīng)結(jié)合林分活力(0.353 6)、土壤條件(0.295 9)、群落結(jié)構(gòu)(0.251 8)、枯落物條件(0.098 6)4個(gè)層面綜合判斷。健康評價(jià)應(yīng)用還需要結(jié)合不同地區(qū)生境劃分健康指標(biāo)評分閾值,考慮指標(biāo)適用性,對應(yīng)不同自然條件的地區(qū)的健康指數(shù)值。