層次分析法在太行山中南部造林樹種選擇中的應用

趙 娟

(山西省林業科學研究院, 山西 太原 030012)

層次分析法在太行山中南部造林樹種選擇中的應用

趙 娟

(山西省林業科學研究院,山西太原030012)

[目的] 對太行山中南部不同林種樹種適宜性進行了研究，為太行山生態脆弱區造林樹種的選擇和提高植被恢復效果提供理論與技術支撐。 [方法] 應用層次分析法(AHP)對常見的17種造林樹種進行適宜性評價。依托9個評價指標，用9點數值量表法設計專家調查表，經指標篩選，建立判斷矩陣計算權重值。根據權重值，將樹種劃分為：I級(最適宜)、Ⅱ級(較適宜)、Ⅲ級(不太適宜)、Ⅳ級(不適宜)。 [結果] (1) 9個指標入選水土保持林評價指標體系，4個指標入選用材林評價指標體系； (2) 水土保持林權重值0.022 7～0.088 9； (3) 用材林權重值0.024 1～0.144 1。 [結論] 水土保持林I級樹種為側柏、檜柏、山杏、山桃；Ⅱ級樹種為：白皮松、遼東櫟、山楊、樟子松、油松、杜松、華北落葉松；Ⅲ級樹種為：白樺、刺槐、翅果油樹、火炬樹；Ⅳ級樹種為：臭椿、青楊。用材林I級樹種為：華北落葉松、油松、遼東櫟；Ⅱ級樹種為：樟子松、側柏、青楊、山楊、白樺、臭椿、白皮松；Ⅲ級樹種為:刺槐、火炬樹；Ⅳ級樹種為：檜柏、杜松、山杏、山桃、翅果油樹。

層次分析法; 樹種選擇; 水土保持林; 用材林

文獻參數： 趙娟.層次分析法在太行山中南部造林樹種選擇中的應用[J].水土保持通報，2017,37(4)：201-206.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.034； Zhao Juan. Plantation specie selection based on AHP in region of central-southern taihang mountains[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：201-206.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.034

層次分析法(AHP)是一種能夠模擬人們的思維邏輯，定量與定性相結合的、系統化、層次化的最新分析方法。由于它在處理復雜的決策問題上的實用性和有效性,很快在世界范圍得到重視。林業中許多決策問題涉及的因素很多，因此在科學研究和生產實踐中AHP都是非常重要的方法和工具。目前已有學者在宜居城市綠化評價指標體系[1-7]、森林公園選址及功能評價[8-10]、自然資源[11-12]、林場可持續發展[13-14]、森林資源管理[15-16]、生態旅游的可持續發展[17-18]等領域研究中應用了AHP方法，取得了很好的效果。這些研究所涉及的指標涵蓋了管理要素、問卷調查結果、生產流程要素等眾多方面。樹種的科學選擇是保證造林成活率和發揮樹種積極作用的先決條件。目前對樹種選擇的研究國內外已有較為完善的研究。適地適樹已成為當今樹種選擇的共識。層次分析法用于造林和綠化樹種的選擇研究開始較晚而且很少，研究的指標單一。袁菲等[13]基于樹種受害及增益兩類指標對森林生態系統健康進行了評價,涉及受害指標有森林病害、森林蟲害、森林火險及人為干擾，增益指標有樹種多樣性、林分更新狀況及近自然度；吳志華[2]在研究綠化樹種抗風性評價與分級選擇中選取了樹高、胸徑、冠幅、冠型、根系情況等指標；李蘭花[19]在對北京市低山區水土保持林評價與分級中將各類指標劃分為立地條件、林分結構、林分特征等3大類12個3級指標。目前層次分析法在樹種選擇中的應用多采用生長指標(樹高、胸徑、冠幅、蓄積量等)和主觀性較強的指標(病蟲害程度、森林火險、人為干擾等)。樹種生態功能的實現是依賴多種因子的共同作用，生理生態指標在體現樹種適應性上有著更為積極的意義，功能性指標在詮釋樹種生態功能及貢獻上有著更為直觀的表現，因此將功能指標與生理生態指標結合，進一步完善評價指標體系，有利于此類研究在生產實踐中推廣應用[20-22]。太行山中南部是太行山防護林建設工程的重要組成部分，其在造林綠化中主要營造的是水土保持林,另在立地條件較好的區域也發展用材林，因此基于各樹種所形成林分的功能及生長狀況來選擇造林綠化樹種非常重要[23-24]。本文通過對太行山中南部不同樹種林分水土保持效果、立地條件適宜性和水文功能的研究，基于AHP方法及9個因子調查對這一區域的不同林種樹種適宜性進行了研究，為太行山生態脆弱區造林樹種的選擇和提高植被恢復效果提供理論與技術支撐。

1 研究地概況

本研究試驗地布設于平順縣西北部，北緯36°12′25″—36°14′34″，東經113 °21′37″—113°25′47″，海拔1 084～1 423.5 m,年均溫9.1 ℃，平均降雨608 mm。該地區位于太行山立地類型分類系統中太行山中南部立地類型亞區的腹地。亞區面積4.03×106hm2，其中低山、低中山面積為3.639×106hm2，占全亞區面積的90.3%[24]。試驗地所處山地山頂鈍圓，山坡較緩，山谷較為開闊，呈U形，是典型的低中山地貌。

2 材料與方法

2.1 研究材料

研究對象包括太行山中南部常見的17種造林樹種S1側柏(Platycladusorientalis)，S2油松(Pinustabulaefor)，S3杜松(Juniperusrigida)，S4檜柏(Sabinachinensis)，S5樟子松(Pinussylvestris)，S6華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)，S7白皮松(Pinus bungeana)，S8遼東櫟(Quercus liaotungensis)，S9臭椿(Ailanthusaltissima)，S10山桃(Prunusdavidiana)，S11山杏(Armeniacasibirica)，S12山楊(Populusdavidiana)，S13青楊(Populuscathayana)，S14火炬樹(RhusTyphina)，S15翅果油樹(Elaeagnusmollis)，S16刺槐(Robiniapseudoacacia)，S17白樺(Betulaplatyphylla)。

2.2 研究方法

2.2.1 調查樣地的選擇 對17個樹種在海拔1 120～1 132 m，坡面坡度18°～20°，坡向125°～130°的坡面實施人工造林試驗。造林地選擇在同坡向、同坡度處進行。每個樹種造林面積20 m×30 m,密度2 m×2m，造林成活后均進行3 a養護管理，然后進行樹種選擇研究。

2.2.2 各項指標數據獲取方式 為了能全面反映該地區樹種的生態功能和適應性，本研究選取9個指標：徑流系數(P1)、侵蝕模數(P2)、凋萎系數(P3)、土壤有機質臨界值(P4)、抗旱指數(P5)、單株生物量(P6)、生長勢(P7)、生態位幅度(P8)、優勢度(P9)。

(1) 徑流系數(P1)和侵蝕模數(P2)采用徑流小區法測算。徑流小區設置于17個樹種的人工林坡面下邊緣，規格為5 m×20 m。數據采集于7月10日至8月1日，在自然降雨與人工降雨相結合的基礎上，對徑流和泥沙進行測定，最終獲取徑流系數和侵蝕模數兩個指標。

(2) 凋萎系數(P3)采用稱重法測算。4月下旬將一年生苗木栽入襯有塑料袋(底部封口)的花盆內，上口敞開，每樹種9盆，每盆1株?；ㄅ鑳韧寥谰芍睆?00 mm取土器直接取自于參評樹種種植坡面的上部、中部、下部。7月初，苗木進入旺盛生長階段，當花盆土壤稍干后，停止澆水，將塑料袋上口在苗木根莖部扎緊，移入通風透光的塑料棚內待測。當苗木嫩稍及葉片發生萎蔫，翌日晨仍不能恢復原態時，即視為苗木凋萎。在其根系集中部位取土樣3個，分別裝入鋁盒，用烘干法測定凋萎土壤含水率即凋萎系數。

(3) 土壤有機質臨界值(P4)。在廣泛調查太行山中南部17個備選樹種生長狀況的基礎上(共計調查樣地306塊)，依據生長勢劃分其適生土壤，對每個樹種最不適宜(最低限度維持樹種正常生長、繁育的土壤條件為限)的5塊樣地，共85塊樣地，運用重鉻酸鉀容量法進行土壤有機質測定，取其平均值。

(5) 單株生物量(P5)采用標準地調查基礎上的平均標準木法獲得。

(6) 抗旱指數(P6)調查。在春季土壤解凍后，逐株調查幼樹的健康狀況，按表1分級程度和等級計算本樹種的抗逆等級。

表1 抗旱指等級劃分

(7) 生長勢(P7)調查。在生長季節，逐株調查幼樹的生長態勢，按表2分級程度計算每個樹種的生長勢等級。

(8) 生態位幅度(P8)調查用樣地法進行，共計調查樣地306塊，生態位幅度以各樹種可適應的立地條件數量賦分。

(9) 優勢度(P9)采用重要值計算，Iv=(Dr+Pr+Fr)/3。

式中：Dr——相對多度；Pr——相對顯著度；Fr——相對頻度。

表2 生長勢分級

2.2.3 指標篩選 本研究利用灰色統計法篩選指標,具體步驟為:

(1) 用9點數值量表法設計“太行山中南部造林樹種選擇指標專家調查表”并邀請數位專家填寫。

(2) 將專家意見進行白化函數數據處理。本研究將各評價指標的重要程度分為高、中、低3級。

(3) 決策系數：ηk(j)=∑n(ij)fk(ij)

式中：ηk(j)——第j個指標屬于第K個灰類的決策系數；fk(ij)——第j個指標其重要程度為i的白化函數值；n(ij)——評價第j個指標其重要程度為i的專家數量。本研究選擇 最大的指標，即重要程度為“高”類的指標入選。

2.2.4 基于AHP法構建矩陣與排序 運用層次分析法(AHP)，對太行山東南部17種造林樹種按照水土保持林、用材林2個林種9個評價指標，建立兩級判斷矩陣，對所有參選樹種以及評價指標的標準化數據進行兩兩比較，并最終得到不同林種下各樹種的綜合排序。

3 結果與分析

3.1 9個評價指標結果

對17個參評樹種在9個評價指標下的結果進行標準化處理，結果詳見表3。

3.2 不同林種評價指標專家篩選結果

針對水土保持林和用材林在太行山中南部造林的實際情況，應用灰色統計法對17個樹種的9個指標進行篩選。由表4可見，水土保持林與用材林在評價指標的構成上有所不同。水土保持林的評價指標體系中，對于樹種攔蓄水土能力(徑流系數、侵蝕模數)、抗逆性(土壤有機質臨界值)、適應性(生態位幅度)的要求較高，且水土保持功能的有效發揮依賴于林木多種生態功能的綜合作用，因此9項評價指標全部入選水土保持林評價體系；用材林的評價體系中，更注重的是樹種的高生長量、高蓄積量以及作為目標樹種的潛在優勢，因此生物量、萌發指數、生長勢、優勢度入選用材林評價體系，而作為在困難立地上需要著重考慮的徑流系數、侵蝕模數、凋萎系數、土壤有機質臨界值以及考察樹種廣泛適應能力的生態位幅度在用材林的評價指標體系中被淘汰。

表3 參評樹種各評價指標下的標準化值

表4 不同林種評價指標篩選結果

3.3 基于AHP法的不同林種的樹種選擇

根據指標篩選結果，水土保持林選取的評價指標是P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9；用材林選取的指標是P5，P6，P7，P9。構建兩個林種的兩個一級判斷矩陣：A-P(9×9，4×4)。

(1) 一級判斷矩陣構建。

表5 水土保持林一級判斷矩陣

表6 用材林一級判斷矩陣

(2) 二級判斷矩陣構建及樹種排序分級。構建水土保持林二級矩陣P-S(9個17×17矩陣)，用材林二級矩陣P-S(4個17×17矩陣)，均通過一致性檢驗，c<0.1。兩級矩陣兩兩相乘得到17個樹種在不同林種下的判斷矩陣，計算權重值W。水土保持林權重值0.022 7～0.088 9，用材林權重值0.024 1～0.144 1，根據權重值分布情況將17個樹種劃分為以下4級(表7)。

(3) 排序和分級結果。根據層次分析法對不同林種排序以及分級可以得出(表8—9)，太行山中南部17種主要樹種依據不同林種的需求以及自身生理生態特性可以分為4個等級，其中水土保持林一級樹種為側柏、檜柏、山杏、山桃；用材林一級樹種為華北落葉松、油松、遼東櫟。一級樹種可以在相應的林種需求下達到最大的生長期望值，發揮最大的生態功能和景觀功能。

表7 17種樹種權重分級

表8 17種樹種的水土保持林綜合排序

表9 17種樹種在用材林層次總排序計算結果

4 討 論

(1) 層次分析法由過去主要被用于管理領域逐步拓展到林業研究中來。近年來被廣泛應用于森林生態系統健康評價、樹種選擇研究[2-5，11-14]，但該方法被用于不同林種的樹種選擇以及根據林種需求進行重新組合的研究還屬首次。

(2) 本研究在實施過程中首次將通過造林試驗取得的徑流系數和侵蝕模數2個生態功能指標引入評價體系中，充分發揮其在水土保持林樹種選擇中的指向性作用，使生態功能指標和生理生化指標得到了有機的統一。本研究所選用的評價指標，除生長勢和抗旱性存在主觀判斷外，其余的7項指標均為試驗實測值。與以往大多數的樹種評價類研究相比[20-24]，大大增加了客觀指標的數量，減少了層次分析法中人為因素的干擾。

(3) 由層次分析法獲得的排序可以看出不同林種下樹種的排序情況實際生產中也得到了很好的驗證。例如：水土保持林要求樹種有很好的抗旱性，側柏為山西優質的抗旱造林樹種，其在水土保持林中的排序也居于首位，青楊、白樺等樹種對水分的要求較高，因此其排序位于較靠后的位置；用材林要求樹種有較高的生物量積累及優良材質，因此以華北落葉松為主的較高材積蓄積量的樹種居于首位，以遼東櫟為主的材質優良樹種有較前的排序。

(4) 太行山中南部可應用于造林的樹種尚有很多，并不局限于上述17種樹種，而影響樹種造林適宜性的也不止徑流系數、侵蝕模數、凋萎系數等因素。由于人工營林技術尚未完善，許多樹種的生物學特性與營林特性尚未為人們所掌握，所以如何將AHP法更為合理與更為廣泛地應用于造林樹種的選擇與營林決策尚有待于進一步研究。

5 結 論

(1) 水土保持林I級(最適宜)樹種為側柏、檜柏、山杏、山桃；Ⅱ級(適宜)樹種為：白皮松、遼東櫟、山楊、樟子松、油松、杜松、華北落葉松；Ⅲ級(不太適宜)樹種為：白樺、刺槐、翅果油樹、火炬樹；Ⅳ級(不適宜)樹種為：臭椿、青楊。

(2) 用材林I級(最適宜)樹種為：華北落葉松、油松、遼東櫟；Ⅱ級(適宜)樹種為：樟子松、側柏、青楊、山楊、白樺、臭椿、白皮松；Ⅲ級(不太適宜)樹種為:刺槐、火炬樹；Ⅳ級(不適宜)樹種為：檜柏、杜松、山杏、山桃、翅果油樹。

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Plantation Specie Selection Based on AHP in Region of Central-Southern Taihang Mountains

ZHAO Juan

(Shanxi Academy of Forestry Science, Taiyuan, Shanxi 030012, China)

[Objective ] Suitability of plantation species in the central-southern region of Taihang mountains were studied to provide theoretical and technical supports to improve vegetation restoration in Taihang Mountainous ecological fragile area. [Methods] Suitability of 17 common plantation species were evaluated using analytic hierarchy process(AHP). Based on nine evaluating indicators, we used 9 point scaling expert questionnaire to screen indicators and to calculate weight with judgment matrix. According to the weight scores, species were divided into four levels: level I(most suitable), level Ⅱ(suitable), level Ⅲ(not very suitable), level Ⅳ(not suitable). [Results] (1) There were nine indicators that were recognized included in the evaluation index system of soil and water conservation plantation, and four indicators in the evaluation index system of timber plantation. (2) Weight values of soil and water conservation plantation ranged between 0.022 7～0.088 9. (3) Weight values of tree species on timber between 0.024 1～0.1441. [Conclusion] Tree species that possibly can be used for soil and water conservation were graded as followings: I-Platycladusorientalis，Sabinachinensis，Armeniacasibirica，Amygdalusdavidiana; Ⅱ-Pinusbungeana，Quercusliaotungensis，Populusdavidiana，Pinussylvestris，Pinustabulaefor，Juniperuscommunis，Larixprincipis-rupprechtii; Ⅲ-Betulaplatyphylla，Robiniapseudoacacia，Elaeagnusmollis,RhusTyphina; Ⅳ-Ailanthusaltissima，Populuscathayana; For timber plantation, tree species had: I-Larixprincipis-rupprechtii，Pinustabulaeformis，Quercusliaotungensis;Ⅱ-Sabinachinensis，Platycladusorientalis，Populuscathayana，Populusdavidiana，Betulaplatyphylla,Ailanthusaltissima，Pinusbungeana; Ⅲ-Robiniapseudoacacia，RhusTyphinaⅣ-Sabinachinensis，Juniperuscommunis，Armeniacasibirica，Amygdalusdavidiana，Elaeagnusmollis.

AHP;treespeciesselection;soilandwaterconservationplantation;timberplantation

B

： 1000-288X(2017)04-0201-06

： S757

2016-01-19

：2017-02-15

國家科技支撐計劃項目“困難立地植被恢復技術研究與示范”(2015B0D07B02)

趙娟(1982—),女(漢族),山西省陽泉市人,博士研究生,工程師,主要從事森林培育、植被恢復方面的研究。E-mail:sxndzj@163.com。