王　巧，聶　鑫，孫德浩，王華田，孟先鵬，曹桂萍，李　健，黃昌豹（1.山東省高校森林培育重點實驗室，山東　泰安271018；2.國家林業(yè)局泰山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，山東泰安271018；.泰山風景名勝區(qū)管理委員會，山東泰安271000）

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基于AHP-模糊綜合評價法的泰山油松古樹樹勢評價

王巧1,2，聶鑫1,2，孫德浩1,2，王華田1,2，孟先鵬3，曹桂萍3，李健3，黃昌豹3
（1.山東省高校森林培育重點實驗室，山東泰安271018；2.國家林業(yè)局泰山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，山東泰安271018；3.泰山風景名勝區(qū)管理委員會，山東泰安271000）

摘要：古樹名木是人類寶貴的自然遺產(chǎn)，科學準確地評價古樹健康狀況是實施古樹名木保護與復壯的基礎。選擇有代表性的15株泰山油松Pinus tabuliformis古樹，運用層次分析法（APH）和模糊綜合評價法建立AHP-模糊綜合評價模型，對泰山油松古樹樹勢狀況進行評價和分析。所調(diào)查的指標包括形態(tài)指標、生長指標、生理指標和枯死狀態(tài)等4個方面共14個指標。研究表明：15株油松古樹均呈現(xiàn)出不同程度的衰老表征，輕度衰老古樹E0051和I0001與健壯油松相比，各項指標沒有明顯下降；中度衰老古樹D0110，E0043，G0002等樹冠殘缺、枝條枯死、光合能力下降；J0008，E1108，E1097和E0002樹勢衰老情況嚴重，針葉稀疏、主枝及大枝大量枯死、細胞膜透性受到損傷。根據(jù)樹勢的不同，對油松古樹進行復壯養(yǎng)護處理。圖1表13參30

關鍵詞：森林生態(tài)學；油松；古樹；AHP-模糊綜合評價

古樹，歷經(jīng)千百年，具有珍貴的歷史價值。眾多的古樹名木，或傍倚峭壁，或佇立幽處，或點綴在古建筑的周圍，顯現(xiàn)著它的古樸與莊嚴。由于生長年代久遠，生長勢衰弱日趨明顯、病蟲害侵入、抗逆性差、枯枝死枝樹木增多、根系擴張能力萎縮等原因，古樹樹體整個外部形態(tài)及生理功能都發(fā)生衰退。由于自然衰老、各種自然或人為因素的長期干擾，古樹的健康狀況普遍存在著或多或少的問題。由于不能及時有效地評價古樹樹勢，導致古樹發(fā)生不可逆衰老并死亡。因此，研究并提出古樹樹勢評價體系，及時對古樹健康狀況做出科學準確的診斷，并有針對性地實施相應的保護措施，對提高古樹健康水平、延緩古樹衰老是十分必要的。美國早在20世紀60年代就建立Paine系統(tǒng)用于樹木的健康預測［1－2］，隨后建立分類指標評價體系對樹木健康狀況進行評價，并指出樹木的傾斜狀況、樹干和樹勢是表征樹木健康的重要指標［3－6］。以往，在古樹健康診斷和評價方面，依據(jù)樹冠及生長量確定古樹健康狀況應用較多，但缺乏準確性［7－9］；采用木材無損檢測的物理方法可以比較精確地對樹干的腐朽情況做出判斷，但針對生長勢與其樹干的腐朽程度之間的關系還缺乏系統(tǒng)的研究［10－11］。國內(nèi)有關古樹的研究主要集中在古樹名木資源調(diào)查、保護復壯技術及病蟲害防治等方面，而針對古樹健康診斷和樹勢評價方法的研究不足，尚未形成系統(tǒng)的評價體系和評價模型?，F(xiàn)有研究一般依據(jù)樹木的生長勢和生活力［12］等方面簡單地對古樹生長狀況或樹勢進行評價，或從古樹整體狀況、樹冠、樹干、根部等方面選擇數(shù)個表觀指標構(gòu)建樹木健康評價體系以劃分古樹的健康等級［13－17］，或者嘗試用應力波技術檢測樹木生長狀況［18－19］。上述研究對推動中國古樹健康診斷和樹勢評價的研究奠定了良好基礎，但多數(shù)研究工作偏重于外在表觀性狀的簡單觀測，難以從古樹衰老生理角度準確把握樹勢。本研究以泰山油松Pinus tabuliformis古樹為研究對象，總結(jié)影響古樹健康生長的各方面因素，歸納整理國內(nèi)外對古樹健康評價體系的研究，從油松外部形態(tài)、生長特征及生理特性方面運用層次分析法（AHP）-模糊綜合評價法構(gòu)建了油松樹勢評價體系，并且選擇泰山各景區(qū)15株油松古樹外觀形態(tài)及生理生態(tài)等14個指標對其進行健康評價，以期對泰山油松古樹保護提供理論基礎。

1　研究區(qū)域與研究對象

1.1研究區(qū)域概況

泰山地處山東省中部（36°05′～36°15′N，117°05′～117°24′E），風景區(qū)總面積為426 hm2，屬暖溫帶濕潤半濕潤季風氣候區(qū)，地勢險峻。主峰海拔為1 545 m，南部山麓海拔140 m，相對高差1 400 m，梯度變化明顯。山下年平均氣溫為12.8℃，年平均降水量為725.5 mm，山頂年均氣溫為5.3℃，年平均降水量為1 151.7 mm。泰山母巖以花崗巖、片麻巖及過渡性巖石為主，土壤以中性棕壤為主，微酸性。

1.2研究對象選擇

選取有代表性的泰山油松15株，包括玉泉寺J0008（一畝松）；后石塢E000（姊妹松），E0013，E0016，E0043，E0046及E0051；桃花峪I0001（鳳松）；對松山E1096，E1097，E1108；中天門D0110，D0111（五大夫松）；扇子崖6001（增幅松）及普照寺G0002（一品大夫），運用AHP-模糊評價模型進行樹勢綜合評價，得到15株古樹樹勢生長狀況。所調(diào)查油松古樹分布情況和基本狀況見圖1和表1。

2　研究方法

2.1指標的測定分析

選取的15株油松古樹，實測樹高誤差±0.1 m，胸徑（±0.1 cm），冠幅（±0.1 m）。目測并計數(shù)各級枝條枯死程度和主干樹皮損傷面積，其中各級枝條主要指直接從主干上分生出來的粗大枝條、主枝上分生出來的大枝和大枝末端著生的細枝。

從樹冠中上部外圍東、西、南、北4個方向各選擇1個有代表性的標準枝，高枝剪采下，立即用便攜式光合測定系統(tǒng)(CIRAS-2）測定現(xiàn)存針葉光合速率（μmol·m－2·s－1），重復3次。鋼卷尺測定標準枝連續(xù)5 a生長量（±0.1 cm），查數(shù)標準枝現(xiàn)在針葉數(shù)量。取標準枝現(xiàn)存針葉5束，鋼卷尺測定油松針葉長度（± 0.10 cm），游標卡尺測定油松針葉粗度（±0.01 mm）。取標準枝現(xiàn)存針葉30束，裝入塑料自封袋內(nèi)，置于冰盒內(nèi)帶回實驗室，其中15束采用分光光度法測定葉綠素質(zhì)量分數(shù)（TU-1900雙光束紫外可見分光光度計，mg·g－1），另外15束采用電導率儀（INESA DDSJ-308A）測定針葉的電導率并計算相對電導率（%），各重復3次。

圖1　泰山油松古樹分布Figure 1 Distribution of old Pinus tabulaeformis trees in Mount Taishan

表1　油松生長情況Table 1 Growth of the 15 old P.tabuliformis trees

2.2 AHP-模糊綜合評價模型的建立

2.2.1指標權(quán)重的確定采用層次分析法（AHP）來確定指標權(quán)重。按照所建立的指標體系，根據(jù)各指標的重要性不同，建立各個指標間的兩兩判斷矩陣，采用德爾菲法用1~9標度表對各指標的重要程度進行標度。通過對判斷結(jié)果進行整理后得到判斷矩陣，運用Matlab數(shù)學工具計算判斷矩陣的最大特征值和特征根對應的歸一化向量，并且檢驗判斷矩陣的一致性，λmax對應的歸一化特征向量w＝（w1，w2，…，wn）T的各個分量就是本準則層中各指標的相對重要性的權(quán)重值，即相應指標的單排序權(quán)重。為了檢驗判斷矩陣的一致性，需計算出一致性指標ICI和隨機一致性比率RCR。ICI＝（λmax－n）/（n－1），RCR＝ICI－IRI。IRI為平均隨機一致性指標，通過查表（表3）可得。當RCR＜0.10時，認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則對判斷矩陣的元素取值進行調(diào)整。

重要性標度　　說明1　2個元素相比，具有同等重要性3　2個元素相比，前者比后者稍微重要5　2個元素相比，前者比后者明顯重要7　2個元素相比，前者比后者非常重要9　2元素相比，前者比后者極其重要2，4，6，8　介于上述相鄰判斷的中間值倒數(shù)　2個元素的反比較

表3　平均隨機一致性指標IRI值Table 3 Average consistencies of random matrices

2.2.2隸屬度矩陣的確定建立評價等級標準集合Q＝｛Q1，Q2，…，Qn｝，其中n為評價標準所分的級別數(shù)目，評價標準可以是定性的描述性評語，也可以是量化值。用隸屬度分別描述各指標對于評價標準集Q的隸屬程度，得到模糊評價矩陣。Ri＝。Ri為第i個準則的隸屬度矩陣（i＝ 1，2，3，4），im表示第i個準則所含的指標數(shù)目為m。定性與定量指標隸屬程度的確定參見張麗娜［20］的方法。

2.2.3模糊綜合評價本研究選用模糊合成算子M（·，⊕）算子，逐步進行一級、二級綜合評價。①一級綜合評價：

其中：Bi為第i（i＝1,2,3,4）準則的模糊綜合評價，WCim表示第i（i＝1,2,3,4）準則層下第m個指標對于準則層i的權(quán)重值。②二級綜合評價：根據(jù)一級綜合評價的結(jié)果及準則層B相對于目標層A的權(quán)重，計算出最終的綜合評判結(jié)果。

3　研究結(jié)果

3.1樹勢評價指標體系

基于樹勢評價的內(nèi)涵、基本理論和基本原則，在綜合國內(nèi)外研究成果的基礎上，結(jié)合油松古樹的實際情況，將油松古樹樹勢評價指標體系設計分為目標層、準則層和指標層。其具體框架如表4所示。

表4　油松古樹樹勢評價指標體系Table 4 Index system for evaluating vigor of old Pinus tabulaeformis trees

3.2指標權(quán)重

根據(jù)油松古樹樹勢評價指標重要度比較調(diào)查表，對各個因素的重要程度進行兩兩比較，通過對判斷結(jié)果進行整理后得到判斷矩陣，運用Matlab數(shù)學工具計算判斷矩陣的最大特征值和特征根對應的歸一化向量，并且檢驗判斷矩陣的一致性，確定的權(quán)系數(shù)結(jié)果如表5~9所示。表5~9中一致性檢驗值CR均小于0.10，所以B1-C，B2-C，B3-C，B4-C，A-B判斷矩陣均具有滿意的一致性。

表5　B1-C判斷矩陣及權(quán)系數(shù)結(jié)果Table 5 B1-C judgment matrix and weights

表6　B2-C判斷矩陣及權(quán)系數(shù)結(jié)果Table 6 B2-C judgment matrix and weights

表7　B3-C判斷矩陣及權(quán)系數(shù)結(jié)果Table 7 B3-C judgment matrix and weights

表8　B4-C判斷矩陣及權(quán)系數(shù)結(jié)果Table 8 B4-C judgment matrix and weights

表9　A-B判斷矩陣及權(quán)系數(shù)結(jié)果Table 9 A-B judgment matrix and weights

根據(jù)各判斷矩陣層次排序與權(quán)重系數(shù)賦值的結(jié)果，可得到C層各指標對于目標層A的權(quán)重系數(shù)各指標重要性排序如表10所示，其中新梢生長量、葉綠素含量、主枝枯死狀態(tài)為評價油松古樹樹勢較為重要的指標，小枝的枯死狀況、樹干和樹皮的損傷程度對評價古樹樹勢影響不大。

3.3樹勢評價標準

本研究針對泰山油松古樹的實際情況，借鑒有關歷史資料及相關文獻，并結(jié)合專家評判等方法來確定指標評價標準（表11~12）。

表10　油松古樹樹勢評價指標體系及其權(quán)重Table 10 Pinus tabulaeformis vigor assessment indicator system and relevant weight

表11　定量指標評價標準Table 11 Criterions for quantitative evaluation indicators

表12　定性指標評價標準Table 12 Criterions for qualitative evaluation indicators

3.4模糊綜合評價結(jié)果

對15株油松古樹進行綜合評價后可知：不同健康程度的油松古樹數(shù)量所占的比例表現(xiàn)為中度衰弱＞輕度衰弱＞重度衰弱＞健壯古樹，無瀕危古樹。所調(diào)查油松古樹的年齡均在200 a以上，由于長時間的生長，自然環(huán)境及人類活動對其造成的不利影響也不斷積累，因此，15株油松古樹樹勢均存在一定程度上的衰弱表征。E0051和I0001樹勢無明顯的衰弱，樹冠生長旺盛，葉片顏色濃綠、鮮亮；主枝、大枝及小枝枯死量較少；針葉中葉綠素質(zhì)量分數(shù)高，光合作用旺盛，積累大量的有機物，供給油松古樹的生長需求。G0736，D0110，E0043和G0002與健壯樹相比，有明顯的衰弱表征，樹冠生長狀況良好，葉色正常；主枝及大枝有部分枯死情況，小枝枯枝率＜30%；光合能力較強，生長狀況尚好。E0016，D0111，E0013，E1096，E0046和J0008屬中度衰弱古樹，樹冠殘缺較嚴重，針葉顏色偏淺；小枝枯死率＞30%，＜50%；葉綠素質(zhì)量分數(shù)低，光合作用能力弱，細胞膜透性大，易受損傷。E1108，E1097，E0002均重度衰弱，枝葉稀疏，葉片稀少；針葉細短，枝梢連年生長量不足健壯樹的30%，萌芽率低甚至不能萌芽；光合作用減弱，異化作用加強，大量有機物質(zhì)分解；大量枝條枯死，各項指標均處于較低的水平，急需采取措施對其進行復壯管理。

4　討論與結(jié)論

樹勢評價是古樹名木管護與復壯的前提和基礎［21－22］。科學合理地診斷和評價古樹生長勢，并采取有針對性的復壯技術措施，才能延緩古樹衰老進程，提高古樹名木的景觀效果。本研究在野外調(diào)查和監(jiān)測的基礎上，選擇合理的指標，構(gòu)建評價體系，運用層次評價（AHP）-模糊綜合評價方法對泰山古油松樹勢進行了樹勢評價，評價結(jié)果與野外調(diào)查時對油松古樹的表觀生長勢基本一致，其中E0051和I0001生長狀況良好，屬于較健壯的古樹；G0736，D0110，E0043和G0002有明顯的衰弱表征，屬于輕度衰弱古樹；E0016，D0111，E1096，E0013，E0046和J0008樹冠殘缺、枝條枯死，屬于中度衰弱古樹；E1097，E1108和E0002主枝和大枝枯死嚴重，生長勢較弱，屬于重度衰弱古樹。說明本研究所選擇的評價指標和構(gòu)建的評價指標體系以及所采用的綜合評價方式是可行的。通過樹勢評價和定期監(jiān)測診斷古樹生長狀況，采取措施改善油松古樹生境，維持、恢復和復壯樹勢，以延緩古樹的衰老。對于重點油松名木古樹，一旦出現(xiàn)異常衰老或瀕危現(xiàn)象，應及時邀請有關專家進行現(xiàn)場會診，參照以往的日常管護復壯方案及實施效果，采取有針對性或搶救性的復壯措施。

表13　油松古樹樹勢評價結(jié)果Table 13 Result of the Pinus tabulaeformis vigor assessment

AHP-模糊綜合評價方法將層次分析法與模糊綜合評價法相結(jié)合，運用了定量與定性相結(jié)合的系統(tǒng)分析和模糊數(shù)學與模糊統(tǒng)計的方法，對解決復雜的具有模糊性的問題更可信、可靠更具客觀性，廣泛應用于植物景觀美感評價［23］、島礁戰(zhàn)略價值的評價［24］、林業(yè)專業(yè)合作組織滿意度評價［25］、野生動物新發(fā)傳染病虹彩病毒的風險評估［26］等各個領域。AHP-模糊綜合評價法易于實現(xiàn)程序化、可操作性強、直觀易懂，具有較好的應用價值，在油松古樹樹勢評價過程中應用AHP-模糊綜合評價法實現(xiàn)了非量化因素的可量化研究，客觀全面地分析評價了油松古樹樹勢，是一個正確的選擇。

古樹樹勢評價指標選擇和評價指標體系的構(gòu)建要有針對性。以油松的整體形態(tài)［27］、針葉及枝梢的生長量、枯枝數(shù)量、光合速率、葉綠素含量［28－29］等生理指標所構(gòu)建的油松古樹樹勢評價指標體系，綜合考慮了指標獲取的難易程度，體現(xiàn)了光合碳同化能力對油松古樹樹勢的決定性影響，因此能夠科學而準確地評價油松古樹的樹勢狀況。

今后研究工作中，為了彌補古樹健康狀況評價體系定量指標較少、定性描述較多導致的古樹樹勢評價局限性這一缺陷，應加強監(jiān)測指標選取的針對性、定性指標數(shù)量化、增加定量指標數(shù)量等方面開展研究［21,30］，并通過構(gòu)建完善的評價體系，提高古樹名木樹勢評價的針對性和準確性，為采取及時有效的管護復壯措施提供依據(jù)。

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Vigor of old Pinus tabuliformis using the AHP-fuzzy comprehensive evaluation model

WANG Qiao1,2,NIE Xin1,2,SUN Dehao1,2,WANG Huatian1,2,MENG Xianpeng3,CAO Guiping3,LI Jian3,HUANG Changbao3
（1.Key Laboratory of Silviculture of Shandong Province,Tai’an 271018,Shandong,China;2.Taishan Forest Ecological Research Station of the State Forestry Administration,Tai’an 271018,Shandong,China;3.Taishan Scenic Area Management Committee,Tai’an 271000,Shandong,China）

Abstract:In response to concern for negative effects of air pollution and destroyed environment,a serious worry is now increasing in China.Monitoring forest health is important for the protection of plants.Old and famous trees are a natural human heritage.So,to scientifically and accurately assess the health status of old trees for better protection is necessary for managing the forest,fifteen old Pinus tabuliformis trees in Taishan were chosen,and an analytic hierarchy process AHP-fuzzy comprehensive evaluation model was used.Fourteen indexes were studied in total including morphological index,growth index,physiological index,and deadwood states.Field investigations were took in the research along with laboratory experiments.Three of the fourteen indexes were studied in the laboratory including the content of chlorophyll,photosynthetic rate and cell membrane permeability.The rest were investigated in the outside.Results showed that all fifteen old P.tabuliformis trees had aging characteristics.Compared to healthy trees,two had low grade senescence with only slight decreases in indexes,higher chlorophyll content，photosynthetic rate and cell membrane permeability,luxuriant foliage,intact bark and several dead shoots.Six showed moderate senescence with an incomplete canopy,dead branches,and decreased photosynthetic capability.Four were unhealthy with sparse needles,a large number of dead main branches and limbs,and damaged cell membrane permeability.According to the vigor of old P.tabuliformisbook=138,ebook=141trees,a series of protection measures were put forward including pest control,setting the fences,spreading fertilizer,pruning.［Ch，1 fig.13 tab.30 ref.］

Key words:forest ecology;Pinus tabuliformis;old trees;AHP-fuzzy comprehensive evaluation

作者簡介：王巧，從事風景林與城市林研究。E-mail:1029379692@qq.com。通信作者：王華田：教授，博士生導師，從事森林培育與森林生態(tài)等研究。E-mail:wanght@sdau.edu.cn

基金項目：國家林業(yè)公益行業(yè)科研專項（201104002-6）；山東省泰安市科技計劃項目（2011-40）

收稿日期：2015-02-14；修回日期：2015-04-03

doi:10.11833/j.issn.2095-0756.2016.01.019

中圖分類號：S718.54

文獻標志碼：A

文章編號：2095-0756（2016）01-0137-10