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基于灰色多層次分析兩種殼斗科樹種人工林生態(tài)效益評(píng)價(jià)

2014-08-28 19:21鄧福春等
湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年13期
關(guān)鍵詞:生態(tài)效益人工林

鄧福春等

摘要:以廣西良鳳江國(guó)家森林公園殼斗科(Fagaceae)人工林為研究材料,選擇10個(gè)生態(tài)指標(biāo),通過灰色多層次模型及主成分分析,建立殼斗科兩種樹種人工林生態(tài)效益評(píng)價(jià)體系。在選擇的青鉤栲人工林和麻櫟人工林生態(tài)綜合評(píng)價(jià)得分中,得出青鉤栲人工林的兩個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo):森林地力權(quán)重(0.567 8)和土壤權(quán)重(0.457 8)均高于麻櫟人工林;青鉤栲人工林生態(tài)效益價(jià)值得分(5.512 5)比麻櫟人工林(1.322 3)高。表明該生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系能衡量人工林樹種直接生態(tài)價(jià)值,對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義,可為今后生態(tài)系統(tǒng)研究提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:殼斗科(Fagaceae);人工林;生態(tài)效益;灰色多層次分析;生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系

中圖分類號(hào):S792;S718.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):0439-8114(2014)13-3094-05

Evaluating Ecological Benefits of Two kinds of Fagaceae Species Plantation Based on Grey Hierarchy Analysis

DENG Fu-chun1,QIN De-wen2,HUANG Bao-liu1,QIN Wu-ming2,LI Dong-fan2

(1.Guangxi Liangfengjiang National Forest Park,Nanning 530031,China; 2.Forestry College,Guangxi University,Nanning 530005,China)

Abstract: Using Fagaceae species plantation of Guangxi Liangfengjiang national forest park as materials, ten ecological indexes were selected to establish ecological effect appraisal systems of the two timber plantation of Fagaceae with principal component analysis and grey hierarchy evaluation model. In comprehensive evaluation system of the two kinds of plantation, the scores of the two criteria layer indexes of Castanopsis kawakamii Hayata were the weight coefficient of woodland weights of 0.567 8 and the weight coefficient of forest soil weight of 0.357 8, higher than that of Quercus acutissima Carruth. It is indicated that the ecological value of the ecological system of C. kawakamii Hayata plantation(5.512 5) was higher than that of Q. acutissima Carruth(1.322 3). The ecological effect appraisal system could measure ecological value and provide a theoretical basis for the future research of ecosystem.

Key words:Fagaceae; plantation; ecological benefits; grey hierarchy analysis; ecosystem appraisal system

殼斗科(Fagaceae)又名山毛櫸科,廣泛分布于溫帶、熱帶、亞熱帶森林,是北半球熱帶、亞熱帶和溫帶森林的主要樹種,并為最大的、最重要的木本植物之一,共8屬1 047種,是針闊混交林和常綠闊葉林的重要成分[1-3],在北半球森林生態(tài)系統(tǒng)中有著舉足輕重的作用[4]。森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能是指森林生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)過程所形成及所維持人類賴以生存的自然環(huán)境條件與效用[5]。深入研究殼斗科森林的生態(tài)系統(tǒng)體系,不僅對(duì)殼斗科的系統(tǒng)演化和生態(tài)服務(wù)功能的研究有重要意義,而且也是理解北半球森林植物區(qū)系的起源結(jié)構(gòu)和森林可持續(xù)發(fā)展過程的一把鑰匙。

自19世紀(jì)50年代以來,世界多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家分別開展了各自國(guó)家的森林效益評(píng)價(jià)研究,中歐國(guó)家是對(duì)森林的生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)最早的地區(qū),率先對(duì)森林涵養(yǎng)水源方面的效益進(jìn)行了評(píng)價(jià),隨后逐步擴(kuò)大到防護(hù)、生活、環(huán)境效益。前蘇聯(lián)、日本等國(guó)專家對(duì)森林生態(tài)效益的公共性進(jìn)行了較為深入的研究并進(jìn)行了一定程度的效益評(píng)價(jià)[6-9]。我國(guó)生態(tài)效益評(píng)價(jià)起步較晚,20世紀(jì)80年代國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)林生態(tài)系統(tǒng)與環(huán)境保護(hù)關(guān)系的探討[10]拉響了森林生態(tài)系統(tǒng)研究熱。進(jìn)入21世紀(jì),生態(tài)系統(tǒng)體系評(píng)價(jià)研究得到飛速發(fā)展,國(guó)內(nèi)學(xué)者就涵養(yǎng)水源、保護(hù)土壤中的生態(tài)功能作用,森林生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)氣候變化的反饋機(jī)制,生態(tài)系統(tǒng)健康、生態(tài)系統(tǒng)管理研究等展開了探討[11-13]。近年來,隨著效益評(píng)價(jià)應(yīng)用于殼斗科樹種,殼斗科樹種人工林生態(tài)系統(tǒng)研究引起了廣大學(xué)者的關(guān)注[14-16]。

然而國(guó)內(nèi)外學(xué)者就殼斗科人工林的生態(tài)系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系的研究尚未見報(bào)道。為此,以廣西良鳳江國(guó)家森林公園殼斗科樹種為研究材料,在運(yùn)用青鉤栲、麻櫟兩種樹種人工林生物量、植物多樣性、碳儲(chǔ)量、土壤理化性質(zhì)等生態(tài)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,采用灰色多層次模型、主成分分析法確立兩個(gè)人工林的主要生態(tài)影響因子,計(jì)算及比較評(píng)價(jià)其人工林的生態(tài)效益,以期為殼斗科人工林生態(tài)系統(tǒng)研究提供理論依據(jù)。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

1.1 試驗(yàn)地狀況

試驗(yàn)地位于廣西南寧市南面,北緯22°34′31″-22°46′51″,東經(jīng)108°15′14″-108°22′22″,屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,冬短夏長(zhǎng),年平均氣溫21.6 ℃,年均降雨量1 280 mm以上,且多集中在5~9月,年無霜期達(dá)342 d。試驗(yàn)地平均海拔346 m,平均坡度約25°,以第三系、泥盆系的地層為主,土壤則由該地層中的不同母巖和母質(zhì)發(fā)育而成,以赤紅壤居多,土層平均厚度80 cm以上。收集27 a生人工林野外調(diào)查數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù),其中試驗(yàn)地種植密度均為800株/hm2,后期撫育均相同。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立與指標(biāo)含義

不同殼斗科樹種人工林生態(tài)效益評(píng)價(jià)是通過各項(xiàng)生態(tài)效益指標(biāo)的高低來評(píng)價(jià)生態(tài)效益平衡的一個(gè)過程。對(duì)不同殼斗科樹種人工林生態(tài)指標(biāo)的選取在森林地力方面主要從生長(zhǎng)、植物多樣性、營(yíng)養(yǎng)元素固定等方面進(jìn)行,如樹高、胸徑、生物量和植物多樣性、碳儲(chǔ)量等;在林地土壤性質(zhì)方面選取土壤含碳量、土壤含氮量、土壤孔隙、土壤通氣和土壤持水量等指標(biāo)。按照體系建立原則初選共取10個(gè)指標(biāo)進(jìn)行生態(tài)效益評(píng)價(jià),兩樹種人工林生態(tài)效益評(píng)價(jià)的指標(biāo)詳見表1,試驗(yàn)數(shù)據(jù)均由廣西良鳳江國(guó)家森林公園野外調(diào)查提供。

2 評(píng)價(jià)模型和權(quán)重確定

2.1 建立評(píng)價(jià)模型

由于生態(tài)效益評(píng)價(jià)初選指標(biāo)因素較多,可能存在因素選定的不確定性和模糊性,因此,采用灰色多層次評(píng)價(jià)模型進(jìn)行生態(tài)效益評(píng)價(jià)?;疑鄬哟卧u(píng)價(jià)模型是一種多因素評(píng)價(jià)模型,其優(yōu)點(diǎn)在于既能夠評(píng)價(jià)出綜合結(jié)果,又能得到各子系統(tǒng)的評(píng)價(jià)結(jié)果;另外,其評(píng)價(jià)結(jié)果能夠依據(jù)各因素?cái)?shù)列曲線形狀的接近程度做發(fā)展態(tài)勢(shì)分析,曲線越接近,相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度越大;反之,相應(yīng)序列之間的關(guān)聯(lián)度越小。

基于灰色多層次評(píng)價(jià)模型,從森林地力和林地土壤兩個(gè)方面對(duì)不同殼斗科樹種人工林生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。這樣組成的一組參考數(shù)據(jù)就是一組最優(yōu)指標(biāo),能夠更加全面地反映人工林生態(tài)效益各指標(biāo)最優(yōu)值。評(píng)價(jià)過程如下[18]:

①確定參考數(shù)列P0和比較數(shù)列Pi:

P0={P0(1),P0(2),…,P0(10)}

Pi={Pi(j)|Pi=1,2,…,10},(i=1,2,…,n)

②規(guī)范處理后得到Cij和新矩陣:

Cij=■,i=1,2,…,n;j=1,2,…,n

式中,Cij為規(guī)范處理以后第i樹種第j個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值,Pimin是第y個(gè)指標(biāo)的最小值,Pimax是第j個(gè)指標(biāo)的最大值。

③計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)εij:

εij=■i=1,2,…,n;j=1,2,…,10

式中,εij是第i個(gè)樹種比較曲線標(biāo)準(zhǔn)值ε與參考曲線標(biāo)準(zhǔn)值P0的相對(duì)差值,這種形式的相對(duì)差值成為ε標(biāo)準(zhǔn)值間的關(guān)聯(lián)系數(shù)。ρ為分辨系數(shù),ρ∈[0,1]能夠減少極值對(duì)計(jì)算的影響。分辨系數(shù)ρ一般取0.5。

④計(jì)算灰色綜合評(píng)判結(jié)果:

Eki=■Wj×εij,i=1,2,…,n;j=1,2,…,10;k=1,2

Ei=■Wk(■Wj×εij),i=1,2,…,n;j=1,2,…,10;k=1,2

式中,εij表示第i樹種第j指標(biāo)與參考指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù);Wj表示第i樹種第j指標(biāo)的權(quán)重;Wk表示第i樹種第k層的權(quán)重;Eki表示第i樹種當(dāng)k= 1,2時(shí)森林地力、土壤的分?jǐn)?shù);Ei表示第i樹種的人工林生態(tài)效益總分值。如果Eki越大,則森林地力和土壤與最優(yōu)指標(biāo)P0越接近,則其水平越高;如果Ei越大,則所得總分越高,人工林生態(tài)效益也就越高。據(jù)此排列出不同殼斗科人工林生態(tài)效益的優(yōu)劣次序。

2.2 確定指標(biāo)權(quán)重

選擇熵值法計(jì)算各個(gè)指標(biāo)權(quán)重,它是一種客觀的賦權(quán)方法;通過計(jì)算指標(biāo)的信息熵,根據(jù)指標(biāo)數(shù)值之間的變化規(guī)律,以指標(biāo)數(shù)值之間的差異大小來衡量指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)的影響,其差異程度越大,則權(quán)重越重。該方法在評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)目較多、指標(biāo)體系較復(fù)雜時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì),并且在確定權(quán)重時(shí)能夠減少主觀賦權(quán)帶來的主觀性,更具客觀性和科學(xué)性。

①將各指標(biāo)規(guī)范化,計(jì)算第i年第j種指標(biāo)值的比例Rij:

Rij=■,i=1,2,…,n;j=1,2,…,14

②計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的熵值Hj:

Hj=■,i=1,2,…,n;j=1,2,…,10

③計(jì)算第j項(xiàng)指標(biāo)的差異系數(shù)Gj:

Gj=1-Hj,j=1,2,…,10

④計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重Wj:

Wj=■, j=1,2,…,10

式中,Rij是指第i樹種第j指標(biāo)值所占該指標(biāo)總值的比例;Pij是指第i樹種第j指標(biāo)的具體值;Hj是指j個(gè)指標(biāo)的熵值;Gj是指第j指標(biāo)的差異性系數(shù);Wj是指j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)評(píng)前人評(píng)價(jià)結(jié)果,參考其他人工林的評(píng)價(jià)模式[19]等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正,最后將研究對(duì)象林分生態(tài)效益水平劃分為4個(gè)等級(jí)(表2)。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

結(jié)合不同殼斗科人工林生態(tài)效益特征,選取10個(gè)指標(biāo)值,將此10個(gè)指標(biāo)值代入熵值法模型求取權(quán)重,結(jié)果見表3和表4。

經(jīng)過計(jì)算,分別得到不同殼斗科樹種人工林森林地力效益、土壤效益和綜合生態(tài)效益總體分?jǐn)?shù)值。不同殼斗科樹種人工林生態(tài)效益評(píng)價(jià)體系總體如表5。通過對(duì)不同殼斗科樹種人工林生態(tài)效益特征變化分析發(fā)現(xiàn),不同“森林地力”效益、“土壤”效益和綜合生態(tài)效益變化態(tài)勢(shì)為青鉤栲大于麻櫟,表明青鉤栲人工林生態(tài)效益要優(yōu)于麻櫟人工林。青鉤栲人工林“森林地力”效益占總體評(píng)價(jià)中權(quán)重0.567 8較高,決定性高。

由不同殼斗科樹種人工林生態(tài)效益評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)能夠判斷人工林生態(tài)效益水平。胸徑和碳儲(chǔ)量?jī)蓚€(gè)森林地力指標(biāo)在不同殼斗科樹種人工林總體生態(tài)效益都處于中等水平,森林地力指標(biāo)樹高、生物量和植物多樣性均處于高水平。而土壤的5個(gè)生態(tài)指標(biāo)的效益衡量指數(shù)均大于0.5達(dá)到較高水平。表明土壤指標(biāo)在不同殼斗科樹種人工林生態(tài)效益評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系中準(zhǔn)確度較高,評(píng)價(jià)水平較高。

4 人工林生態(tài)效益的影響因素

確定27 a生的青鉤栲人工林和麻櫟人工林的生態(tài)效益影響因子,主要通過主成分分析找到一個(gè)包含最佳變量的子集合,使其所包含的變量能反映總體的結(jié)構(gòu),并通過因子簡(jiǎn)化塑造出合理的規(guī)律和有效的模型。

4.1 殼斗科兩樹種人工林綜合效益指標(biāo)主成分分析

主成分分析是把多個(gè)指標(biāo)化為少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的一種統(tǒng)計(jì)方法[20]。由表6可知,第一主成分的貢獻(xiàn)率為52.292%,第二主成分為24.774%,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了77.066%,第三主成分貢獻(xiàn)率為12.657%,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了89.723%。因此,可以得到第一主成分、第二主成分和第三主成分較能體現(xiàn)研究林分的各項(xiàng)指標(biāo)與綜合效益之間的關(guān)系。

由表7可以看出,第一主成分主要包括胸徑、碳儲(chǔ)量、土壤含碳量、土壤含氮量、土壤孔隙、土壤通氣,它們具有較大的載荷,分別為0.976 8、0.951 9、0.986 2、0.997 9、0.803 9、0.968 7。第二主成分是樹高和生物量,其載荷分別為0.917 0和0.982 6。第三主成分在土壤持水量上的載荷為0.586 9。三個(gè)主成分用y1、y2、y3表示,則表達(dá)式分別為:

y1=-0.338 3x1+0.976 8x2-0.169 7x3-0.702 8x4+0.951 9x5+0.986 2x6+0.997 9x7+0.803 9x8+0.968 7x9+0.494 7x10

y2=0.917 0x1+0.144 6x2+0.982 6x3-0.059 5x4+0.248 8x5+0.079 9x6-0.060 4x7+0.590 3 x8-0.122 7x9-0.640 9x10

y3=0.211 2x1+0.158 0x2+0.075 7x3+0.708 8x4+0.178 8x5+0.144 7x6-0.025 1x7+0.073 5 x8-0.215 8x9+0.586 9x10

4.2 林分效益主成分綜合評(píng)價(jià)

殼斗科兩樹種人工林的生態(tài)效益受到了眾多因素制約,且每個(gè)因素之間都存在相關(guān)性。因此,要綜合評(píng)價(jià)這兩種人工林的綜合效益必須運(yùn)用多個(gè)指標(biāo),才能使綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果更符合實(shí)際。結(jié)合分析過程中選定的特征值,對(duì)主成分進(jìn)行評(píng)分。

根據(jù)表6得知,在前三個(gè)成分中已包含了總數(shù)據(jù)量的89.723%,表明在主成分分析過程中已經(jīng)將所有影響成分歸類為三個(gè)主成分進(jìn)行比較評(píng)價(jià)。因此,僅需要對(duì)三個(gè)主成分展開綜合評(píng)價(jià),且此次主成分分析可靠度達(dá)到了89.723%。依據(jù)主成分評(píng)價(jià)得分(表8),結(jié)合主成分分析結(jié)果,構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)方程[21]:

IFI=■

式中,IFI為評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合得分;aj為主成分貢獻(xiàn)率;yj為主成分得分。

27 a生青鉤栲人工林和麻櫟人工林生態(tài)效益綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表9。生態(tài)效益結(jié)果為青鉤栲>麻櫟。其中,青鉤栲人工林第一主要成分得分值均高于第二和第三主成分,表現(xiàn)出了第一主成分因子對(duì)其的決定系數(shù)較高,決定性強(qiáng),IFI高。因此,得出青鉤栲人工林在27 a人工經(jīng)營(yíng)期內(nèi)生態(tài)效益高于人麻櫟工林,更適于當(dāng)?shù)胤N植,生態(tài)價(jià)值較高。

5 小結(jié)

通過主成分分析及灰色多層次模型,對(duì)包含兩個(gè)準(zhǔn)則層的10個(gè)生態(tài)指標(biāo)建立殼斗科兩樹種人工林生態(tài)效益評(píng)價(jià)體系。兩種人工林生態(tài)綜合評(píng)價(jià)中,青鉤栲人工林的總生物量、森林地力權(quán)重(0.567 8)、土壤權(quán)重(0.457 8)和碳儲(chǔ)量(132.26 t/hm2)均高于麻櫟人工林;青鉤栲人工林生態(tài)效益評(píng)價(jià)得分(5.512 5)高于麻櫟人工林,青鉤栲人工林在水源涵養(yǎng)功能上較好。

在對(duì)研究的兩樹種人工林生態(tài)效益評(píng)價(jià)中,通過灰色多層次模型對(duì)樹高、胸徑、生物量和土壤理化性質(zhì)等多個(gè)生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行分析,得出青鉤栲人工林的森林地力和土壤兩個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)均高于麻櫟人工林,同時(shí),青鉤栲人工林綜合評(píng)價(jià)得分也高于麻櫟人工林,表明青鉤栲人工林生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)價(jià)值較高,種植青鉤栲在防護(hù)、水源涵養(yǎng)功能上發(fā)揮較好,在生態(tài)效益用途上,青鉤栲林分較麻櫟林分高,青鉤栲人工林能更較好地促進(jìn)生態(tài)平衡,提高生態(tài)效益。同時(shí),表明該生態(tài)效益評(píng)價(jià)系統(tǒng)具有較高的科學(xué)理論依據(jù)。

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[16] 覃德文,云朝光,韋中綿.青鉤栲人工林生態(tài)效益評(píng)價(jià)[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2013,44(9):1524-1528.

[17] 趙建民.基于生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)理論的水土保持綜合效益評(píng)價(jià)研究[D].陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2010.

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[19] 覃德文.青鉤栲、麻櫟人工林生長(zhǎng)與經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比研究[D].南寧:廣西大學(xué),2013.

[20] 吳玉紅,田霄鴻,同延安.基于主成分分析的土壤肥力綜合指數(shù)評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2010,29(1):173-180.

[21] 吳慶梅,黃寶靈,呂成群,等.不同松林根際促生菌的數(shù)量研究[J].廣西農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,40(5):521-525.

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[19] 覃德文.青鉤栲、麻櫟人工林生長(zhǎng)與經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比研究[D].南寧:廣西大學(xué),2013.

[20] 吳玉紅,田霄鴻,同延安.基于主成分分析的土壤肥力綜合指數(shù)評(píng)價(jià)[J].生態(tài)學(xué)雜志,2010,29(1):173-180.

[21] 吳慶梅,黃寶靈,呂成群,等.不同松林根際促生菌的數(shù)量研究[J].廣西農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,40(5):521-525.

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