基于层次分析法的森林质量评价——以广州流溪河林场为例

刘利杰,谢卓洪,雷 敏,施悦谋,李胜强,刘 萍

(1.华南农业大学 林学与风景园林学院,广州 510642;2.广州市流溪河林场，广州 510960)

作为生态系统初级生产者,森林植被在生态基础设施中占据不可替代的地位,在很大程度上制约和影响着城市群生态系统中其他成分的存在和发展[1]。森林资源质量是个动态、抽象的概念,在不同的森林资源经营理论及不同的历史阶段,森林资源质量有着不同的内涵。研究者根据自身研究需要,选定符合自身研究的指标或方面来反映森林质量。森林资源质量评价是对森林质量的数据直观表现。全面、有效的森林资源质量评价可以对一个区域森林的经营现状作出科学评估,根据结果调整经营技术和手段,对于森林可持续经营有重要的意义[2-3]。王乃江等[4]以森林结构、生产力和演替趋势3个指标建立评价体系对黄土高原蔡家川林场天然次生林进行评价；郭宁等[5]构建由森林的自然性、森林生产力的维持能力、森林群落组成的评价体系并且以川西林区进行评价试用；黄玉娟等[6]在森林的内在特征和林分结构的基础上增加了土壤类指标对广东省各地级市森林健康状况进行评价。

森林的评价方法直接影响森林评价结果的准确性,目前常用的方法有模糊综合评价、物元分析法、因子分析法、层次分析法等[7]。层次分析法因其能合理解决定性问题定量化的特点,已广泛应用于林业领域[8]。陈华等[9]采用物元分析法对将乐国有林场用材林质量进行评价能得出更全面的结果。流溪河作为珠三角城市群中珠江水系的重要支流,同时是广州市重要饮用水源保护区和生态保护区,生态地位极高,对流溪河林场森林植被质量进行评价十分必要。本文基于样地调查数据,选取与森林经营密切相关的林分层次评价指标建立森林质量评价体系,采用层次分析法赋予指标权重,对流溪河林场森林资源质量进行评价。以期为珠三角森林城市群森林质量优化和流溪河林场森林分类经营和可持续发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

数据来源于2022年1月流溪河林场(23°32～23°50′N,113°45′～113°54′E)调查样地,依据林分树种所组成和林分特点设置了10块20m×20m的样地(表1)。对样地中胸径大于5cm的乔木进行每木检尺,实测树种、胸径、树高、冠幅和林木相对坐标,采用样线法估算每个样地的林分郁闭度；在乔木样地中的不同位置随机设置2m×2m的灌木样方和1m×1m的草本小样方,记录样方中灌木和草本的种类、高度和盖度等因子。

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

1.2 研究方法

1.2.1评价指标选择

遵循科学性、层次性、系统性和可操作性原则,通过频度分析、文献查阅和专家访谈相结合,以流溪河林场森林质量为目标层,确定林分稳定性C1、林分空间结构C2和林分生产力C3为评价准则层；选择单位面积乔木株数D1、均匀度D2、森林健康程度D3、郁闭度D4、大小比数D5、混交度D6、角尺度D7、平均胸径D8、平均树高D9、单位面积蓄积量D10等10个评价指标。

1.2.2指标含义及计算

1) 单位面积乔木株数。描述单位面积上的乔木数目,乔木林密度的变化会影响乔木层截留的光照和水分,从而影响各层次植被的生长情况。常用每公顷林木株数(N/hm2)表示。

2) 均匀度。反映物种个体数目在群落中的均匀程度,本研究采用Pielou指数计算,其算公式为:

(1)

式中:Pi为第i个物种的个体数占所有种的个体总数的比例；S为所在样地内物种种类的总数。

3) 森林健康程度。根据林木的生长发育、外观表象特征及受自然灾害和病虫灾害情况综合评定森林健康情况,将森林健康度划分为健康、亚健康、弱健康、不健康4个标准。并分别赋值10.0,7.5,5.0,2.5。

4) 郁闭度。采用样线法测定郁闭度,即在矩形样地中,按2个对角线布置样线[10],根据郁闭度=树冠冠幅总长/2个对角线总长得出结果。

5) 大小比数。胸径大于参考树的相邻木的数量占相邻木总数的比例。对常规大小比数结果进行首尾颠倒,使其更符合人们习惯的直观比较方式[11]。即,结果U值高,相邻树木比参照树木小的数量少,参照树优势度大,整个林分处于空间优势可能性就大；反之相邻树木比参照树木小的数量多,参照树优势度低。计算公式为:

(2)

6) 混交度。通过对象木与周围邻近林木的树种差别比较对象木的混交情况,公式定义是对象木与4株最近相邻木之间 的树种差别的比较结果。

试验结果采用“平均数±标准误”表示，用SPSS 17.0软件进行数据分析，各指标差异显著性分析用One-way ANOVA进行分析，用LSD法进行多重比较。

7) 角尺度。α角小于标准角α0的个数占所考察的相邻最近树的比例,通过对所有参照树的均匀性分析来评价全林分的林木分布特征。

8) 平均胸径。反映林木粗度的基本指标。以起测胸径为5cm对乔木进行每木检尺,计算其平均胸径。

9) 平均树高。树高因子在林分生长和林业生产中得到广泛应用[12],根据外业调查得到的数据通过算术平均法求得林分平均树高。

10) 单位面积蓄积量。蓄积量的高低除了能反映活立木的生长情况,同时还是反映林分经济属性的指标[13],依据广东省森林资源调查常用数表计算样地单位面积蓄积。

1.2.3数据无量纲化处理

各项评价指标量纲不同,首先对各指标值进行无量纲化处理。

1) 正向指标。Χ′=Χij/Χmax×100(Χij≤Χmax)

2) 角尺度。根据惠刚盈等[14]的研究,角尺度为0.5的单木比例所处的林分空间分布较为均衡,以0.5作为参考值对角尺度的无量纲化处理:

式中:i为第i个样地；j为第j个指标；Χij为实测值；Χmax为第j个指标中所有实测值的最大值。

2 结果与分析

2.1 森林质量评价指标重要性分析

根据层次结构中指标之间的关系,由专家采用1—9分标度法对采用以Q为判断准则的元素C1,C2,C3间的两两矩阵判断,以C为判断准则的元素D1—D10间的两两矩阵判断。剔除部分偏差较大的结果后,取各判断值的平均值,计算出每一层次各指标对上一层相对重要性的权重向量(表2)。

表2 流溪河林场森林质量评价体系各级指标权重Tab.2 Weight at layers of forest quality evaluation in Liuxihe Forest Farm

矩阵一致性检验要满足一致性比例CR<0.1,当CR<0.1时,认为矩阵具有满意的一致性。Q-C,C1-D,C3-D为3阶矩阵,λmax分别为3.053 6,3.003 7和3.038 5,CR值分别为0.046 2,0.003 2和0.033 2,均小于0.1,通过一致性检验；C2-D为4阶矩阵,λmax为4.260 6,CR值为0.096 5,通过一致性检验。结果如表3所示。

表3 各指标层权重一致性检验结果Tab.3 Heterogeneity test results of index weight

从表2可知,在准则层中,林分生产力>林分稳定性>林分空间结构的权重值,说明指标层中平均树高、平均胸径和单位面积蓄积量这3个指标对目标层的影响最大,这与张博等[15]的研究结论一致。因此,在最大程度保护现有自然林和生物多样性的前提下,制定合理的森林经营方案,加强施肥和间伐抚育等精细化管理、中大径材培育,增加林地利用率和单位面积蓄力量,以提高森林资源质量水平。

2.2 森林质量综合评价

为了便于对流溪河林场森林质量综合评价,每个样地的综合得分为指标无量纲化处理后的值乘组合权重之和。无量纲化后的值如表4所示,根据表2求出组合权重再计算各样地的综合评价分数。从表5中可明显看出,最高分是样地10,得分在80以上有3个样地,得分最低的是样地1,得分低于70的有样地1、样地3和样地8。结合表1样地信息可看出,这3个样地分别处于中、高、高坡位,不利于乔木生长,导致样地林分郁闭度和乔木平均胸径皆处于中下水平,从而单位面积蓄积较低。这与刘帅成等[16]对福建柏的生长研究一致。对于样地3和样地8,存在混交度较低的情况,可采取在相同树种间增加不同种的相邻木,提升树种之间的隔离程度。而对于样地1,则严格限制采伐,培育中大径材,逐步提高郁闭度和林地单产量,合理促进单位面积蓄积量增长。对比分析样地3和样地7,这2个样地分别代表着乔木密度最高和最低的值,而其平均胸径分别为倒数第2和最高,且样地3在树木株数最多的资源状况下没有达到较高水平的郁闭度,进而可推断乔木密度过大或许是样地3乔木生长状况不好的原因之一。

表4 不同样地各评价指标无量纲化得分值Tab.4 The scores in dimensionless values of each index in different sample plots

表5 不同样地森林质量评价综合得分Tab.5 Comprehensive assessment score of forest quality in different sample plots

2.3 森林质量等级划分

将林分稳定性、林分空间结构、林分生产力3个准则层各指标的的得分与权重相乘,然后将每准则层内的指标得分相加,得到各准则层的综合得分情况(图1)。林分生产力由于权重高,所以整体得分最高,森林生产力的维护是贯穿森林经营的重要方向。有60%样地单位面积蓄积量低于样地均值,林分生产力整体水平不高,而且林分生产力两端极值差距明显,样地1和样地8单位面积蓄积还有很大的提升幅度,在后续森林经营中需要以提升蓄积量为主。林分空间结构整体波动不大,但个别样地在某项指标出现极低的水平,说明样地中存在明显不合理的空间格局,如,样地2单株林木优势度低,样地3在局部空间单元中树种重复度高。林分稳定性的起伏主要源于指标层的乔木密度,这主要源于样地选取的随机性,部分样地处在地形陡峭,坡向以及光照不适合乔木生长的区域。

图1 不同样地的各准则层评价结果Fig.1 Assessment results of every criterion layer in different sample plots

采用等距划分法,通过评价体系对10个样地以Q为目标层的最终得分值,对流溪河林场森林质量评价结果划分为4级,结果如下表6所示。本研究中没有质量等级为差的样地,样地分布集中在“良”这一等级,占样地数量的40%,质量等级为中等和优的各占3个,均占样地比重的30%。综合结果表明,流溪河林场森林质量整体处于优良级别,但部分区域林地利用率不高和林分空间结构存在明显不合理的分布格局,林分中大部分林木生长受到不同程度的限制,这是由于流溪河林场中地形变化复杂以及该区域作为森林公园需要接待游客等各种原因相互影响造成的。

表6 流溪河林场森林质量等级分布情况Tab.6 Distribution of forest quality grades in Liuxihe Forest Farm

3 结论与讨论

本次建立的评价体系中林分生产力是评价森林质量的主导因子,森林质量高低是由多个因子或者因子组合相互影响,从本次调研分析可直观看到林分稳定性与林分空间结构对林分生产力的影响,只从林分稳定性或者林分空间结构分析都不能得出对林分生产力有特定方向的影响。从指标层进一步分析可知乔木密度在一定程度上影响林木胸径的生长,在林分密度增大的情况下,会加剧树木间对光照、水资源、营养物质等之间竞争,竞争的后果则会导致单木胸径生长量的减少,造成林木生长缓慢。这与之前学者们的结论是一致的[17],同时结合郁闭度分析，能进一步反映出林分生长情况的好坏。而在适宜的种植比例下,高林分郁闭度和树木混交度的增大能促进单位面积蓄积的增加,这是因为林分所处的微环境会直接影响树木的生长状态和有机物积累,林场管理者在调整空间结构时不能单一局限在林分状态上,而要侧重于空间结构与林分生产力及生态功能之间的联系[18],以达到理论上最优值。

通过计算森林质量得分发现,样地综合质量等级分化并不明显,样地多数质量为良级别,占比为40%。样地平均得分为73.89,综合结果表明,流溪河林场整体森林质量为良。体现为林分稳定性不足,林分空间结构不合理,森林覆盖率和林地利用率分化度高等方面。针对本次评价中发现的问题,流溪河林场需在往后的森林经营工作中,严格维持现有的森林保有量,积极开展林场范围内的宜林荒山荒地人工造林,增加森林资源总量的同时充分提高林地利用率,评价结果对流溪河林场森林质量状况有一定的揭示作用,可为珠三角森林城市群高质量发展提供方向和思路。