基于层次分析法和物元分析法的森林资源质量评价——以延川县为例

张 博，王照利，雷方隽

(国家林业和草原局 西北调查规划设计院，陕西 西安 710048)

森林不仅具有保持水土、固碳含氧、调节气候和净化空气等多重生态功能，还为国民经济建设提供木材、林果、药材和生物质能源等多种林产品[1]，在贫困地区脱贫攻坚中具有天然优势和巨大潜力。目前我国林业已进入林业高质量发展关键阶段，加强森林经营，提高林地生产力和生态服务功能，已成为建设生态文明、发展现代林业、推动科学发展的时代要求[2]。准确有效的森林资源质量评价可对一个区域的森林经营现状和可持续经营目标做出科学评估，继而采取适当的经营技术及手段，对于森林的经营有着极其重要的意义[3]。李静锐等[4]以森林活力、森林组织结构和森林恢复和更新能力为指标构建中国森林生态系统的健康评价指标；王乃江等[5]以林分结构、群落演替特征和林地生产力水平构建天然次生林森林质量评价指标体系，两者主要针对森林系统本身的健康性、稳定性和弹性等内在特征；董金茂等[6]、黄玉娟等[7]则在森林内在特征的基础上结合了土壤状况和气候条件分别对海南省及广东省森林健康状况进行评价，使森林质量与环境因子之间具有关联性，但作为县区级以上的森林评价，未能全面反映森林生态系统的效益；武高洁[8]在森林内在特征的基础上增加了生态服务效能、经济服务效能和社会文化服务效能等方面建立县级森林资源质量评价指标体系，则兼顾了森林的经济和社会效益，反映了生态系统的多功能性。

森林质量评价方法是将评价体系中量纲的统计指标转化成无量纲的评价值，结合指标权重计算出评价对象的综合值，作为其优劣程度的标准[9]。常用的方法有指数加权综合法[10]、模糊综合评价[11]、物元分析法[12]、效用函数综合评价等[8]。综合指数分析法以综合指数作为等级划分的依据，容易造成指标较低的评价值可能通过指标较高的评价值而使得综合得分趋于折中值，从而降低了评价的客观性，不能达到准确评价的目的。安慧君等[11]采用模糊评价法解决了评价对象信息模糊性，做出比较准确、合理、符合实际的量化评价；陈华等[13]采用物元分析法则可以提高指标与经典域、节域的关联性，使评价结果更为客观。本文通过建立县域森林资源评价指标体系，采用层次分析法和物元分析法相结合的评价方法，对延川县森林资源质量进行评价，总结森林资源特征，为下一步森林分类经营和林业可持续发展提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 资料收集

资料来源于2019年延川县森林资源二类调查结果，包括全县1个街道办、7个乡镇，103 829个小班。其他数据来源还包括《延川县2018国民经济和社会发展统计公报》《延川县2018年林业统计年报》、延川县退耕还林工程年度检查验收资料(2006-2017年)、延川县林地保护利用规划(2012-2020年)和第九次全国森林资源清查(2014-2018年)。

1.2 研究方法

1.2.1 评价指标体系的构建 选择评价指标时，既要体现森林生态系统健康、稳定等内在特征，又要体现其对生态、经济、社会环境的调节功能，符合森林可持续发展要求。体系构建应遵循：1)科学性原则，评价指标的意义明确，能够客观和真实地反映出森林资源；2)实用性原则，各评价指标数据应计算和统计方法简便，较易获取，可靠性高，应用较广泛；3)动态性原则，所选指标应能反映可持续发展；4)层次性原则，指标体系应根据指标功能和评价目的形成不同层次,并有明确的对应关系[8]。

以县区森林资源质量为目标层，分别由2个一级指标、5个二级指标和17个单项指标来反映。如表1所示，一级指标分别为森林内在价值B1和森林服务效能B2，其中森林内在价值分别由森林生产力C1、森林结构C2和森林健康C3等构成，森林服务效能分别由生态服务效能C4，社会、经济服务效能C5构成。5个二级指标又分别以单位面积蓄积D1、林地利用率D2、单位面积森林年生长量D3、森林覆盖率D4、林分郁闭度D5、龄级结构D6、树种结构D7、林种结构D8、林业有害生物年均发生率D9、林业有害生物防止率D10、生态林面积比D11、生态林蓄积比D12、商品林面积比D13、商品林蓄积比D14、人家森林占有量D15、林业产业经济比重D16以及农林人均收入D17等17个三级指标体现，由此构建了森林资源质量评价指标体系。

表1 森林资源质量评价指标体系的层次结构

1.2.2 层次分析法 森林质量评价最常用的是层次分析法(AHP)，利用定性和定量相结合的决策方法，使复杂问题思维过程系统化、模式化和数量化[14]。采用专家评判法和层次分析法森林资源质量评价体系中的指标进行确定[15-16]。根据层次结构中上下2层指标之间存在隶属关系，以及同层次指标之间的重要性，由专家采用1～9分标度法对每一层指标进行两两比较，得到每一层指标的正互反矩阵，计算每层指标的排序权重(表2)。

表2 评价指标体系各级指标权重

各指标层权重经过一致性检验，结果如表3所示，A-B、B2-C、C3-D、C4-D为二阶判断矩阵，Ic、IR、Rc皆为0。B1-C、C1-D为3阶矩阵，λmax分别为3.074和3.054，CI值分别为0.037和0.027，CR值分别为0.063和0.046小于0.1通过一次性检验。C2-D、C5-D为5阶矩阵，λmax分别为5.042和5.308，CI值分别为0.01和0.077，CR值分别为0.009和0.069小于0.1通过一次性检验。

表3 各指标层权重一致性检验结果

1.2.3 物元分析法 物元分析法是一种解决兼容性问题的方法[13,17]，利用其建立事物多指标质量参数评定模型，使评定结果数值化、定量化，能较直观和完整地反映事物质量综合水平[18]。

1.2.3.1 物元 将研究对象记为M，M的特征记为C，M关于C的量值记为V，则物元为R=(M,C,V)的有序三元组。如果M有n个特征，并以特征C1,C2,C3,…,Cn和相应的值V1,V2,…,Vn来描述，则可表示为：

(1)

1.2.3.2 经典域与节域 当I为划分的评价标准，关于评价指标C1量值范围Vi1=[xi1，yi1]时，经典域的物元矩阵Ri可以表示为：

(2)

评价对象的评价指标在各等级标准中总取值范围组成的物元矩阵为节域Rp可以表示为：

(3)

式中：I为所划分的评价的等级；C1-Cn为评价指标；Vi1-Vij为第I评价等级下指标的取值范围(经典域Ri)；Vip-Vip为指标总取值范围(节域Rp)。

1.2.3.3 与关联函数 实际值Vj与经典域各等级范围Vij=[xij，yij]的距离公式为：

(4)

同理，实际值Vj与节域范围Vpj=[xpj，ypj]的距离公式为：

(5)

关联系数Ki(Vj)是各评价指标在相应评价等级关联程度大小的函数，计算公式为：

(6)

1.2.3.4 综合关联度 综合关联度计算公式为：

(7)

式中：Ki(p)是评价对象与第i等级的关联度；Wz为各层指标相应权重。

其中A、B、C层关联度计算公式分别为：

(8)

(9)

(10)

评价对象与哪个等级的关联度最大，其就隶属于该等级[13]。

2 评价方法在延川县森林资源评价的应用

2.1 研究区概况

延川县位于延安市东北部、黄河西岸、清涧河下游，属陕北黄土丘陵沟壑区，是黄河流域水土流失重点县之一。丘陵沟壑区，是黄河流域水土流失重点县之一。地理坐标109°36′20″-110°26′44″E，36°37′15″-37°05′55″N，属温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季炎热，降雨集中。地貌特点为由残原梁峁组成的沟涧地和沟壑系统，且峁梁沟壑属于主导地位。全县东西长74.25 km，南北宽51.50 km。延川县全县总面积198 500 hm2，乔木类用材树种主要有杨树(Populus)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、侧柏(Platycladusorientalis)、油松(Pinustabuliformis)、榆树(Ulmuspumila)、楸树(Catalpabungei)、柳树(Salixsp.)、泡桐(Paulowniafortunei)等，经济树种主要是核桃(Juglansregia)、枣树(Ziziphusjujuba)、桑树(Morusalba)、苹果(Maluspumila)、桃(Amygdaluspersica)等，庭院观赏树种有银杏(Ginkgobiloba)、刺柏(Juniperusformosana)、合欢(Albiziajulibrissin)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、樱桃(Cerasusspp.)和龙柏(Sabinachinensis)等。

2.2 评价标准分级

如表4所示，从延川县森林资源二类调查结果、《延川县2018国民经济和社会发展统计公报》以及《延川县2018年林业统计年报》中直接获取指标值。其中，单位面积蓄积(D1)为森林每公顷蓄积量；林地利用率(D2)为有林地面积占林地面积的百分比；单位面积森林年生长量(D3)为每年森林蓄积增长量；森林覆盖率(D4)为森林面积占土地总面积的百分比；林分郁闭度(D5)为森林中乔木冠幅与面积的比值；龄级结构中幼林占乔木林面积的百分比(D6)，越接近50%则表示林分趋于平衡；树种结构(D7)为阔叶林纯林占乔木林面积的百分比，越接近50%表示树种发展越区域平衡；林种结构(D8)为公益林占乔木林面积的百分比，越接近50%表示林种生态保护和产品生产功能越趋于平衡[8]；林业有害生物年均发生率(D9)为年均病虫害发生面积占林分面积的百分比，无公害防治率(D10)为无公害防治面积占林分面积的百分比；生态林面积比(D11)和生态林蓄积比(D12)为生态林面积和蓄积占森林面积、蓄积的百分比；商品林面积比(D13)和商品林蓄积比(D14)为商品林面积、蓄积占森林面积、蓄积的百分比；人均森林占有量(D15)为2018年人均森林面积；林业产业经济比重(D16)为2018年林业生产总值占国民经济生产总值的百分比；农林收入水平(D17)为2018年乡村居民人均可支配收入。

表4 延川县森林质量指数和分级评价

分级参考D1-D3参考第九次全国森林资源清查(2014-2018年)[19]，D5、D9、D10参考《延安市森林资源规划设计调查操作细则》，D17参考2018年全国各省市区统计年报，其他指标参考武高洁[8]关于县级森林质量评价指标参照值。分级标准为按照各参考来源选取最优值作为上限值，结合各县市数据分布和专家意见选取下限值，依照梯度变化进行分级并根据实际情况做出调整。对分级数值和指标值进行无量纲化处理，正指标计算采用式(11)，逆指计算采用式(12)，林龄、林种、树种结构计算采用式(13)。通过计算后各标准化指标值如表5所示。

Ci=xi/max(xi)

(11)

Ci=1.0-(xi-min(xi))/max(xi)

(12)

Ci=2×50-xi/50

(13)

2.3 经典域和节域的确定

根据标准化结果和式(1)-式(3)，得到物元分析法经典域R1-R4，节域Rp，以及待判物元R0。

2.4 关联函数和关联度计算结果

利用式(4)-式(6)计算各个指标与各个等级之间的关联函数Ki(Vj)，结果如表5所示。并根据表2通过式(8)-式(10)求得的各层次关联度Ki(p)，结果如表6所示。

表5 不同等级指标标准化及关联函数

由表6所示，延川县森林资源质量综合等级为“中”，其中森林内在价值等级为“中”，森林服务效能等级为“优”。另外，森林生产力和社会、经济服务效能等级为“中”，森林结构表现为“良”，森林健康和生态服务效能为“优”。

表6 各指标层在不同等级上的关联度

3 延川县森林资源特征

3.1 林地未充分利用，森林生产力仍较低

延川县自实施退耕还林工程、天然林资源保护工程和三北防护林工程后，人工林规模不断扩大，森林经营活动以森林管护、抚育、森林资源培育为主，人工林规模不断扩大，蓄积大幅增加。延川县上一期森林资源规划设计调查时间是2005年，本期森林资源二类调查成果与2005年调查成果比较，乔木林蓄积量增加1 120 904.0 m3，连年生长率为4.82%，年净生长率4.78%，高于全国平均水平(3.2%)。但单位面积蓄积量(18.7 m3/hm2)，远低于全国水平(94.83%)。主要原因是中幼龄林多，近成过熟林少，林分平均胸径(8.2 cm)较小。另外延川县林地利用率较低，如图1所示，有林地面积仅占林地面积的44.27%，而宜林地面积占林地面积40.72%，即大量的林地未充分利用，未发挥森林生产力。

3.2 森林覆盖率较低，森林结构仍不合理

根据延川县退耕还林工程年度检查验收资料(2006-2017年)及延川县林地保护利用规划(2012-2020 年)统计显示，延川县自实施退耕还林工程，至2018年底已达到有林地标准的面积38 137.95 hm2，占退耕还林面积的79.81%，但森林覆盖率仅为30.55%，与陕西省(43.06%)相比较低，且与全国排名首位的福建省(66.8%)[20]相距甚远。且根据本期森林资源二类调查成果，如图2所示，延川县幼龄林、中龄林占森林面积的97.89%，近、成、过熟林面积和蓄积都很低。如图3所示，树种结构方面，阔叶林占森林面积的93.43%，且落叶阔叶树种偏多，常绿树种偏少，冬春季防护能力弱小。混交林面积较低，人工纯林多而混交林少，单层林多而复层林少，高质量发展能力不强，不利于森林生态系统生物多样性功能的充分和持续发挥。

3.3 生态区位重要，生态服务效能较好

黄河流域是我国重要的生态屏障，是我国重要的经济地带，延川县是黄河中游水土流失最为严重的地段。延川县地处黄土高原丘陵沟壑区、黄河沿岸和清涧河两岸重要生态区位，发挥着森林保持水土、涵养水源、保护生物多样性等功能[21]。根据本期森林资源二类调查成果，如图4、图5所示，全县公益林面积占林地面积的83.05%，公益林地占绝对优势。防护林面积54 372.14 hm2，其中，水土保持林面积51 598.8 hm2，占防护林面积的94.90%，水源涵养林面积2 773.34 hm2，占防护林面积的5.10%。

3.4 社会、经济效能较低，林业产业发展滞后

根据《延川县2018年林业统计年报》统计显示(图6)，延川县2018年林业总产值11.51亿元，第1产业66 155万元，占林业总产值57.48%；第2产业45 915万元，占39.89%；第3产业3 023万元，占2.63%。其中，第1产业以发展经济林为主，根据二类调查数据显示，延川县主要经济树种枣树7 313.76 hm2、苹果44.05 hm2、核桃面积7.16 hm2，分别占经济林面积的99.30%、0.60%和0.10%。全县林产业发展相对整体滞后，处于“小资源、小产业、小效益”的状况，林产业结构不合理，生态产品开发滞后，产品附加值不高，林业产值较低，仅占全县国民经济总产值的10.06%。

4 结论

延川县森林资源质量综合等级为“中”，其中森林服务效能表现较好，等级为“优”，而森林内在价值表现较弱，等级为“中”，体现为林地利用率和森林覆盖率较低，林龄结构和树种结构不合理，林业产业结构不合理等方面。针对森林资源质量评价中发现的问题，延川县需在往后的林业工作中，严格保护现有森林资源，积极开展流域范围内宜林荒山荒地人工造林，增加资源总量；积极开展森林可持续经营，提升森林质量，充分发挥森林多功能效益；发展特色林果产业，培育森林旅游服务产业，通过结构性调整，提高林业产业收入。