沿海抗臺風樹種評價體系構建與選擇

許秀玉，肖 莉，王明懷，張華新

（1.中國林業科學研究院 國家林業局鹽堿地研究中心， 北京100091；2.廣東省林業科學研究院，廣東廣州510520；3.華南農業大學理學院，廣東廣州510642）

沿海抗臺風樹種評價體系構建與選擇

許秀玉1,2，肖 莉3，王明懷2，張華新1

（1.中國林業科學研究院 國家林業局鹽堿地研究中心， 北京100091；2.廣東省林業科學研究院，廣東廣州510520；3.華南農業大學理學院，廣東廣州510642）

為了對沿海地區抗臺風樹種進行合理選擇與科學評價，選取對林木抗臺風性能有重要影響的生長形態、根系與材性等3大類因素16個指標，利用層次分析法構建沿海抗臺風樹種評價指標體系，對沿海地區10個主要造林樹種（或無性系）進行優選評價。結果表明：木材材性因子是影響樹種抗臺風性能的關鍵因素，權重為0.633 3；生長形態因子次之；根系因子對樹種抗臺風性能影響最小，權重為0.106 2。木材材性因子中纖維長寬比與木材密度對樹種抗臺風性能影響最大，生長形態因子中地上部與地下部鮮質量比對林木抗臺風性貢獻率最大，根系因子中根深所占權重最大，所構建的抗臺風樹種評價指標體系為生產實踐中抗臺風樹種的選擇利用與評價提供重要參考。10個樹種（或無性系）優選評價排序為木麻黃Casuarina equisetifolia無性系W8＞K18＞P6＞G1＞A8＞瓊崖海棠Calophyllum inophyllum＞苦楝Melia azedarach＞巨尾桉Eucalyptus grandis×E.urophylla＞馬占相思Acacia mangium＞厚莢相思A.crassicarpa。該評價結果與臺風過后田間風害調查結果基本一致。表7參25

森林生態學；沿海防護林；木麻黃；抗臺風；樹種選擇；評價體系；層次分析法

中國是世界上少數受臺風嚴重影響的國家之一，平均有臺風或熱帶氣旋7個·a-1在華南沿海地區登陸。在臺風和暴雨襲擊下，林木大面積風倒風折，有些甚至攔腰折斷或連根拔起，造成嚴重的林業經濟損失。木麻黃 Casuarina equisetifolia，巨尾桉 Eucalyptus grandis×E.urophylla，馬占相思 Acacia mangium，厚莢相思A.crassicarpa，苦楝Melia azedarach和瓊崖海棠Calophyllum inophyllum等樹種在中國華南沿海地區生長快，適應性強，栽植面積大，也是該地區主要造林樹種。但是，不同品種的桉樹、木麻黃與相思等抗臺風性能有所不同，有些樹種或無性系抗風性強，有的則較易風倒或風折。如何評價樹種的抗臺風性能及如何選擇抗臺風樹種是沿海城市林業建設及城市綠化亟待解決的問題。目前，學者從生長指標、形態性狀、林帶結構、木材纖維、木材性質等方面開展了林木抗風機制的相關研究［1-6］，形成了若干關于林木風倒機理的模型［7-11］及風災模擬評估、預測體系［12-13］，但影響樹種抗臺風性能的因素眾多，如何綜合考慮林木生長形態因子、根系因子、材性因子等構建一個較為完善的綜合指標評價體系對林業生產實踐有重要的指導意義。層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）將決策有關的元素分解成目標層、準則層、指標層等層次，比較合理地解決了定性問題定量化的處理過程。近年來，在植物材料選育［14-16］、林業生態工程［17-18］、生態環境評價［19-20］及園林景觀比較評價［21］等領域都已得到廣泛應用。本研究利用層次分析法，將以人主觀判斷為主的定性分析進行量化，對樹種抗臺風性能評價指標要素進行綜合判斷，確定評價指標要素的相對權值、綜合權值的大小，并構建抗臺風樹種評價模型，為沿海地區抗臺風樹種的合理選擇提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于廣東省湛江市東海島，為典型的季風氣候，年降水量為1 500.0 mm，其中75%以上的降水集中在4-9月；年平均氣溫為25.0℃，最低氣溫在1月為2.0℃，最高氣溫在7月為38.0℃；年均相對濕度為80%，土壤為海濱潮積沙土。苦楝、馬占相思、瓊崖海棠、巨尾桉、厚莢相思和木麻黃K18， G1， W8，P6， A8等5個無性系在試驗地上隨機區組排列，40～50株·小區-1，4次重復。試驗林為2005年造林。

1.2 評價指標的選取

根據層次分析法的要求和抗臺風樹種選擇的特點，在參考相關研究資料的基礎上［2-9］，以專家座談和個別咨詢結合的方法，確定了以樹種的生長形態因子、根系因子、材性因子等3個因子為評價主要特性，相應地選擇樹高、胸徑、冠幅、冠高與樹高比值、一級分枝長度、總葉量、地上部與地下部鮮質量比、根總長、根總表面積、根深、根幅、絕干密度、纖維長寬比、順紋剪切強度、沖擊韌性、抗彎強度等16個指標作為綜合評價的依據。

1.3 標準木的選取

2012年13級強臺風 “啟德”過后，在初植密度為2.0 m×2.5 m的木麻黃、苦楝、馬占相思、瓊崖海棠、巨尾桉、厚莢相思等試驗林中開展每木調查，根據各樹種（或無性系）平均樹高與平均胸徑，選取3株·樹種-1具代表性的標準木并進行各項指標的調查，取其平均值后用于統計分析。

1.4 評價指標的調查

1.4.1 生長形態指標的調查 將標準木砍倒，分別測其樹高、胸徑、冠幅、冠高與樹高的比值、一級分枝平均長度等指標。總葉量及根系鮮質量的測定采用 “直接收獲法”， 實測單株葉片鮮質量并將其根系全部挖出，實測標準木地上部與地下部的鮮質量，并計算其鮮質量比。

1.4.2 根系指標的調查 根系調查是通過人工挖根后再進行根深、根幅、根直徑和根系數量大小分布等方面的詳細調查。采用LA-S型多功能根系測量與分析系統對每株標準木的所有根系進行掃描分析，測定每株標準木的根總長、根總表面積。

1.4.3 木材性質的測定 將選定的標準木伐倒，截取原木試材。具體方法參考國家標準GB/T 1927-1991《木材物理力學試材采集方法》。試樣的截取參考國家標準GB/T 1929-1991《木材物理力學試材鋸解及試樣截取方法》。試樣制作、含水率的調整、試驗結果的計算等參考國家標準GB/T 1928-1991《木材物理力學試驗方法總則》。參考國家相應標準［22］，測定各樹種絕干密度、纖維長寬比、順紋抗剪強度、沖擊韌性、抗彎強度等5個材性指標。

1.5 評價指標標準化

由于指標間量綱不統一，缺乏可比性，故采用隸屬函數法對指標數值進行標準化。指標與目的性狀正相關，則si=（xi-xmin）/（xmax-xmin）；如指標與目的性狀負相關，則si=1-（xi-xmin）/（xmax-xmin）。其中：si為參評因子標準化值，xi為參評因子實測值，xmax為實測最大值，xmin為實測最小值［18］。

1.6 評價指標權重的確定

采用層次分析法（AHP）構造判斷矩陣后，用高斯迭代法求解各層次上的評價因子判斷矩陣的最大特征根以及對應的特征向量，各矩陣經一致性檢驗后，得到各層次指標的權重值。確定評價指標權重時，只有當構造的判斷矩陣的總體隨機一致性比率（RCR）小于0.10時，才滿足層次分析法的一致性檢驗要求，矩陣計算的權重才具有實際意義，否則應重新構建判斷矩陣。RCR=ICI/IRI，其中ICI為一致性指標，IRI為平均隨機一致性指標，ICI=（λmax-n）/（n-1），所構造的各層判斷矩陣通過 SAS系統軟件運算。

1.7 樹種綜合評價方法

2 結果與分析

2.1 評價指標體系的建立

根據篩選的16個指標，利用AHP的基本原理和各評價因子之間的支配關系，將評價指標體系劃分成目標層（A），準則層（B）和指標層（C）等3個層次，形成了抗臺風樹種評價的遞階層次結構（表1）。

2.2 指標權重的確定

根據遞階層次，用1～9標度法對上級指標與下屬指標的重要性進行兩兩比較，分別構造第1層次判斷矩陣和第2層次判斷矩陣（表2～表5）。1，3，5，7，9分別表示2個因素具有同等重要性、稍微重要、明顯重要、強烈重要和極端重要，2，4，6，8則表示上述兩相鄰判斷的中值。各指標的重要性標度根據調研數據、文獻資料及專家意見綜合權衡后得出。各層次判斷矩陣構建后求解矩陣最大特征根λmax及其對應向量，各矩陣經一致性檢驗后，得到各層次指標的權重值。

表2是準則層對目標層的權重，其中λmax≤3.038 7，ICI=0.019 4，A層和B層評價因子的判斷矩陣總體隨機一致性比率RCR=0.033 4，RCR＜0.10，判斷矩陣具有滿意的一致性，可以用于權重的計算。計算結果表明：木材材性指標是影響樹種抗臺風性能的關鍵因素，權重為0.633 3；生長形態因子權重為0.260 5；根系指標對樹種抗臺風性能影響最小，權重為0.106 0。

表3是指標層對生長形態因子的權重，其中λmax=7.324 6，ICI=0.054 1，RCR=0.041 0，RCR＜0.10，滿足層次分析法的一致性檢驗要求，可以用于權重的計算。在影響樹木抗臺風性能的生長形態因子中，地上部與地下部鮮質量比權重最大，為0.382 9；其次是樹高與冠高比，分別為0.189 1和0.185 0；葉總量對其影響最小，權重為0.025 3。

表1 沿海抗臺風樹種評價指標體系Table 1 Comprehensive evaluation system of anti-typhoon trees in coastal areas

表4是指標層對根系因子的權重，其中λmax≤4.073 0，ICI＝0.024 3，RCR＝0.027 0，RCR＜0.10，可用于權重的計算。結果表明：根總長、根總表面積、根深和根幅等4個因子中，根深對樹種抗臺風性能影響最大，權重為0.535 6；根總表面積次之，權重為0.249 4；根總長影響最小，權重為0.078 7。

表2 A～B層判斷矩陣權重Table 2 Weight of determining matrix of A layer to B layer

表3 B1～C層判斷矩陣權重Table 3 Weight of determining matrix of B1layer to C layer

表5是指標層對材性因子的權重，其中λmax＝5.068 3，ICI＝0.017 1，RCR＝0.015 3，RCR＜0.10，可用于權重的計算。結果表明：材性因子中木材纖維長寬比對樹種的抗臺風性能影響最大，權重為0.416 2；其次是絕干密度，權重為0.261 8；順紋剪切強度、沖擊韌性及抗彎強度等木材力學指標對樹種抗臺風性能影響較小。

表4 B2～C層判斷矩陣權重Table 4 Weight of determining matrix of B2layer to C layer

各判斷矩陣的RCR均小于0.10， 通過一致性檢驗。表1為根據結果構建出的抗臺風樹種綜合評價體系。可以看出：材性因子的權重最大，生長形態因子次之，最后為根系因子。表明選擇抗臺風樹種時，首先考慮樹種的材性因子，特別是纖維長寬比與木材密度；其次考慮樹種地上部與地下部鮮質量比及根系分布深度等因子。各評價指標具體權重見表1。

2.3 樹種優選綜合評價結果與分析

2.3.1 參試樹種性狀調查 選擇苦楝、馬占相思、瓊崖海棠、巨尾桉、厚莢相思，木麻黃K18，G1，W8，P6，A8等5個無性系等樹種作為調查對象，具體數據見表6。

表5 B3～C層判斷矩陣權重Table 5 Weight of determining matrix of B3layer to C layer

2.3.2 樹種優選綜合評價結果 計算出各參選樹種綜合評價值N，然后根據綜合評價值對參選樹種進行排序，排序值反映了樹種抗臺風性能的好壞。排序值越前，說明該樹種的抗臺風性能越高。運用層次分析法模型對10樹種（或無性系）進行排序（表7），排序值依次為木麻黃無性系W8，K18，P6，G1，A8，瓊崖海棠，苦楝，巨尾桉，馬占相思和厚莢相思。此結論與沿海地區臺風過后田間風害調查結果相一致［23］，也表明利用AHP法對林木生長形態、根系、材性等16個指標構建的評價指標體系是有效可靠的。

3 結論與討論

本研究從樹種生長形態特征、根系特征和材性特征等3個方面選取樹高、一級分枝長度、葉總量、地上部與地下部鮮質量比、根總長、根總表面積、根深、木材絕干密度、木材纖維長寬比、沖擊韌性等16個指標構建沿海抗臺風樹種評價指標體系，建立樹種抗臺風綜合評價數學模型，對沿海地區主要造林樹種的抗臺風性能進行量化評價。馬占相思、厚莢相思、巨尾桉、苦楝、瓊崖海棠和木麻黃作等為中國東南沿海地區主要造林樹種，抗臺風性能從強到弱依次為木麻黃無性系W8＞K18＞P6＞G1＞A8＞瓊崖海棠＞苦楝＞巨尾桉＞馬占相思＞厚莢相思。該評價結果與臺風過后田間風害調查結果基本一致［23］，與王志潔等［24］研究發現木麻黃抗臺風的能力強于各種相思樹種、陳勝［25］研究發現厚莢相思抗強風能力較弱等的研究結果基本一致，可為沿海抗臺風樹種的選擇利用提供重要的參考，評價指標體系和模型在該地區具有普適性，可運用到生產實踐中。

表6 參試樹種性狀調查Table 6 Investigation for 16 indexes of five species and five Casuarina equisetifolia clones

研究表明：材性因子是影響樹種抗臺風性能的關鍵因素，其次是生長形態因子、根系因子。材性因子中纖維長寬比、絕干密度所占權重最大，生長形態因子中地上部與地下部鮮質量比所占權重最大，根系因子中根深對樹種抗臺風性能影響最大。在生產實踐中選擇抗臺風樹種時，應首先考慮樹種木材纖維長寬比與絕干密度等材性因子，其次是地上部與地下部鮮質量比、樹高、冠高比、根深等因子。

表7 樹種（或無性系）綜合評價計算結果Table 7 Calculating results of each evaluating indexes weight for tree species（or clones）

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A comprehensive evaluation system for anti-typhoon performance of trees in coastal areas

XU Xiuyu1,2，XIAO Li3，WANG Minghuai2， ZHANG Huaxin1
（1.Research Centre on Saline and Alkali Lands of State Forestry Administration，Chinese Academy of Forestry，Beijing 100091，China；2.Guangdong Academy of Forestry，Guangzhou 510520，Guangdong,China；3.Faculty of Science,South China Agricultural University，Guangzhou 510642，Guangdong,China）

To effectively evaluate and select trees in coastal areas for protection against typhoons,16 traits from three categories including 1）growth and properties of 2）roots and of 3）wood types were chosen to establish a comprehensive evaluation system using the analytic hierarchy process （AHP）.Then 10 trees（Casuarina equisetifolia ‘W8’,Casuarina equisetifolia ‘K18’,Casuarina equisetifolia ‘P6’,Casuarina equisetifolia ‘G1’,Casuarina equisetifolia ‘A8’,Calophyllum inophyllum,Melia azedarach,Eucalyptus grandis×Eucalyptus urophylla,Acacia mangium,and Acacia crassicarpa）were selected and evaluated using the comprehensive evaluation system.Results of tree performance in resisting typhoons showed that wood property was the key factor with a weight of 0.633 3,growth was second,and root traits had a minimal influence （weight of 0.106 2）.Wood property traits of 1）wood density and 2）ratio of fiber length to width had the greatest influence on anti-typhoon performance.For growth traits,the ratio of aboveground to belowground fresh weight had the largest contribution,and for root traits,root depth had the largest weight.Thecomprehensive evaluation system ranked the 10 trees as：Casuarina equisetifolia ‘W8’ ＞ Casuarina equisetifolia ‘K18’ ＞ Casuarina equisetifolia ‘P6’ ＞ Casuarina equisetifolia ‘G1’ ＞ Casuarina equisetifolia ‘A8’ ＞ Calophyllum inophyllum＞ Melia azedarach＞ Eucalyptus grandis×Eucalyptus urophylla＞ Acacia mangium＞ Acacia crassicarpa.Evaluation results were consistent with typhoon damage investigations,so this comprehensive evaluation system could provide an important reference when selecting and evaluating trees for anti-typhoon performance.［Ch,7 tab.25 ref.］

forest ecology;coastal protection forest；Casuarinn equiestifolia；anti-typhoon performance；tree species selection；evaluation system；analytic hierarchy process（AHP）

S718.55

A

2095-0756（2015）04-0516-07

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.04.004

2014-10-30；

2014-12-25

廣東省科技創新項目（2013KJCX018-03）； “十一五”國家林業科技支撐計劃專題項目（2009BADB2B0101）

許秀玉，高級工程師，博士研究生，從事林木遺傳育種及森林生態研究。E-mail：81250908@163. com。通信作者：張華新，研究員，博士，博士生導師，從事植物抗逆育種研究。E-mail：13601283540@126.com