基于TOPSIS法的魯中南山區不同混交林水土保持效益評價

李亦然，張興剛，李澤東，張如明，程甜甜，張永濤?

(1.山東農業大學林學院,山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室,泰山森林生態系統定位研究站,271018,山東泰安； 2.山東省萊蕪市水土保持辦公室,271100,山東萊蕪)

森林具有美化環境、蓄水保土、改良土壤、釋氧固碳等多種效益，對森林效益進行評價研究，對我國林業資源的合理配置等方面具有重要意義。近些年來，中國對于森林資源的保護與發展已取得較好成效，人工林發展迅速，已成為世界上人工林保存面積最大的國家，但仍面臨著質量不高、結構不合理等問題和考驗[1]。隨著山東省森林資源數量的持續增長，森林結構和質量問題也日益突出，其中“純林多，混交林少”成為影響森林資源質量的重要因素之一[2]，而混交林作為林木產業中的重要組成部分，相對于純林具有充分利用土地空間、較好地發揮防護效益和改善立地條件等優勢；因此積極營造混交林是進一步構建完善林業生態體系的有效路徑[3]。魯中南山區主要分為石灰巖山地與砂石山地，立地條件較差，生態環境比較脆弱，是全國水土流失比較嚴重的地區之一，而人工造林作為生態環境治理的重要措施之一，可以有效地防治水土流失，促進區域生態平衡；因此，對于魯中南山區，如何在“適地適樹”的造林原則之上，結合水土保持效益評價結果，正確地選擇混交樹種，充分發揮混交林的生態優勢，從而進一步提升水土流失防治效果，顯得尤為重要。

大多數專家學者對于魯中南山區林分的水土保持效益研究集中于分析單方面效益或特性，只是簡單計算效益[4-6]，并沒有使用較為完善、科學的綜合效益評價方法。TOPSIS綜合評價法是一種對多項指標、多個方案分別構造正、負理想解，使方案盡可能遠離負理想解的同時接近正理想解，據此比較選擇出最優方案的分析方法[7]，在國內外多個專業學術領域得到較好應用。蔣榮超等[8]將TOPSIS法作為整車動力學性能優化中變量篩選中的方法，R. K. Singh等[9]基于TOPSIS法原理對逆向供應鏈中的配置策略進行了分析，R. Dandage等[10]使用TOPSIS法對國際項目中的風險類別進行的排序。TOPSIS綜合評價法雖然在多個學術領域有了較多應用，但在水土保持效益分析評價和樹種選擇評價方面，目前鮮見報道。

本研究以魯中南山丘區典型石灰巖山地和砂石山地的山坡中上部營造的共12種混交林為研究對象，以荒草地作為對照，研究分析各混交林在蓄水保土和改良土壤2大方面的水土保持效益，選取13項指標并基于TOPSIS原理進行評價分析，篩選出適合研究區石灰巖山地和砂石山地的混交林模式，以期為魯中南山丘區防護林生態效益評價和造林樹種選擇提供科學方法與理論支撐。

1 研究區概況

1) 石灰巖山地。石灰巖山地試驗區位于山東省泰安市新泰市，海拔240～480 m，土壤種類為褐土，土層厚度15～30 cm，坡度15°～28°，巖石為石灰巖，屬魯中南山區。該區域屬暖溫帶亞濕潤大陸性季風氣候，多年平均氣溫13.2 ℃，年平均日照時間2 327.3 h，無霜期195 d，多年平均降水量715.2 mm。

2) 砂石山地。砂石山地試驗區位于山東省萊蕪市萊城區，海拔150～360 m，土壤種類為棕壤，土層厚度15～50 cm，坡度10°～25°，巖石為片麻巖，屬魯中南山區。該區域屬暖溫帶亞濕潤大陸性季風氣候，多年平均氣溫13.15 ℃，年平均日照時間2 654 h，無霜期189 d。多年平均降水量667.5 mm。

2 試驗材料與方法

1) 石灰巖山地。 研究區的石灰巖山地立地條件普遍較差，典型的混交模式主要有2類：喬灌混交和針闊混交。喬灌混交類型主要有4種：10年生側柏(Platycladusorientalis)連翹(Forsythiasuspensa)混交林、側柏扶芳藤(Euonymusfortunei)混交林、側柏山杏(Armeniacasibirica)混交林和側柏黃櫨(Cotinuscoggygria)混交林，造林地位于山坡中上部、平均土層厚度25 cm、坡度10°～25°，2005年采用長、寬、深為0.4 m×0.4 m×0.3 m的穴狀整地，側柏于同年7月采用容器苗造林，連翹、扶芳藤、山杏和黃櫨于同年9月采用裸根苗造林。以附近立地條件相同的荒草地作為對照，命名為1號對照；針闊混交類型共3種：側柏五角楓(Acermono)混交林、側柏刺槐(Robiniapseudoacacia)混交林和側柏黃連木(Pistaciachinensis)混交林，造林地位于山坡中上部、平均土層厚度30 cm、坡度15°～25°。2005年采用長、寬、深為0.7 m×0.5 m×0.4 m的穴狀整地，側柏于同年7月采用容器苗造林，五角楓、刺槐和黃連木于同年4月采用裸根苗造林。以附近立地條件相同的荒草地作為對照，命名為2號對照。

2) 砂石山地。 研究區的砂石山地立地條件普遍較差，典型的混交模式主要有2類：針闊混交和闊闊混交。針闊混交主要有3種：10年生黑松(Pinusthunbergii)刺槐混交林、黑松麻櫟(Quercusacutissima)混交林、黑松五角楓混交林。闊闊混交主要有2種：刺槐麻櫟混交林和刺槐五角楓混交林。造林地位于山坡中上部、平均土層厚度30 cm、坡度15°～25°。2005年采用長、寬、深為0.7 m×0.5 m×0.4 m的魚鱗坑整地，黑松于6月對采用容器苗植苗造林，闊葉樹種于同年3月采用裸根苗植苗造林。以附近立地條件相同的荒草地作為對照，命名為3號對照。

每種混交類型栽植在一個小區，混交比例為5∶5，小區規格為60 m×60 m，每個小區重復3次，3個試驗地共計45個小區，試驗區面積共計16.2 hm2，各混交類型林分的立地條件大致相同。不同混交林的10年林木生長狀況，如表1所示。

2.1 試驗方法

1)在12種混交林內設置分別3個10 m×60 m的標準地，測定樹高、胸徑、冠幅和郁閉度。2)在標準地的對角線上均勻布設4個1 m×1 m的樣方，用鋼尺測量枯落物厚度，采用烘干法計算枯落物蓄積量，重復3次。3)在標準地內隨機設置3個2 m×2 m的觀測樣方，采用樣方收獲法和烘干法計算林下灌草生物量。4)在標準地內均勻選取5個測點，用鋁盒分別取0～10、10～20、和20～30 cm土壤樣品，用烘干法測定土壤含水量，用50 cm3環刀取土壤樣品，浸水法測定土壤密度、總孔隙度、毛管孔隙度、土壤最大持水率、土壤飽和貯水量等，重復3次。5)在標準地內采用單環定量加水法測定土壤的入滲速率。6)分別在標準地內于2011年末均勻插入300個鐵釬標尺，測定并記錄2012—2014年各林分和對照區內標尺因徑流沖刷而裸露的高度，采用下式分別計算平均年侵蝕模數：年侵蝕模數(t/hm2·a)=(侵蝕深度(m)×樣地平均土壤密度(g/cm3))/時間(a)，并以對照區的平均年侵蝕模數與各林分平均年侵蝕模數相減，作為減蝕量的數據。7)用重鉻酸鉀法測定土壤有機質，用堿解-擴散法測定水解氮，用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定有效磷，用火焰光度計法測定速效鉀，用凱氏消煮法測定全氮，用硫酸-高氯酸酸溶-鉬銻抗比色法測定全磷，用氫氧化鈉堿熔-火焰光度法測定全鉀。8)碳匯量的估算利用蓄積量法。計算公式為：碳匯量(t/hm2)=單株材積(m3)×林分密度(株/hm2)×吸收CO2量(t/m3)。

2.2 TOPSIS綜合評價法

TOPSIS法相對于專家評分法、綜合指數法等評價方法更為客觀、系統，相對于層次分析法、灰色系統評價法等評價方法操作更為簡便、計算步驟更為簡單，熵權法是一種客觀賦權方法，相對于其他定權方法，計算步驟較為簡單，可以有效利用指標數據，較大程度上排除主觀因素的影響。將熵權法與TOPSIS法基本原理相結合，形成本研究中所運用的熵權-TOPSIS綜合評價法。本研究中選取不同混交林分的枯落物層總蓄積量、枯落物層總厚度、林下灌草生物量、土壤飽和貯水量和土壤減蝕量作為蓄水保土效益的評價指標，選取土壤密度、非毛管孔隙度、有機質含量、全氮含量、土壤平均滲透速率、總滲透時間、土壤毛管最大持水率和碳匯量作為不同混交林分的土壤改良效益評價指標，將蓄水保土效益和土壤改良效益中的全部13項指標作為水土保持綜合效益評價的指標。熵權-TOPSIS綜合評價法具體計算步驟如下。

令Xij為第i個評價對象(林分類型)的第j項指標值(評價指標)，i=1,2,3…,n，j=1,2,3…,m。

1)將各項指標數值同趨勢化處理。高優指標(越大越好)保持數值不變，低優指標(越小越好)采用“取倒數”方法轉化為高優指標，形成矩陣Yij。本研究中所選取的13項指標均為高優指標，因此不做同趨勢化處理。

2)同趨化數據的規范化。對Yij進行規范化處理，形成Zij，為

(1)

3)熵值的計算。計算第j項指標的熵值bj，為

(2)

式中：i=1,2,3,…,n，j=1,2,3…,m，0≤bj≤1且規定Zij=0時，ZijlnZij=0。

4)計算第j項指標的熵權

(3)

式中：j=1,2,3,…,m，0≤wj≤1且w1+w2+w3+…wn=1。

3)確定最優方案和最劣方案。以評價對象的第j項指標的最大值Zjmax和最小值Zjmin作為各評價對象的最優方案和最劣方案。

(4)

(5)

5)計算各評價對象與最優方案的接近程度

(6)

6)將Ci值按照大小排序，其值越大表示評價對象的綜合評價越高。

2.3 數據處理

本研究中所列數據均為各重復實測值的均值，運用Microsoft Excel 2016軟件對各項數據進行處理。

3 結果與分析

3.1 不同混交林的蓄水保土效益

林分有減少土壤侵蝕的作用，林下枯落物層可以起到吸持和攔截降水、抑制降雨侵蝕力和減少徑流沖刷的作用[5]，同時林下灌草層對降雨的截留作用可以避免降雨對土壤的直接沖刷，灌草和草本植物根系可以增強土壤的抗沖性和抗蝕性[4]。表2為各混交林蓄水保土效益指標基礎數據。依據TOPSIS原理進行效益評價分析，為修正因立地條件等因素導致的誤差，以各混交林分與所對應的對照的各項指標差值的絕對值作為評價數據。

TOPSIS法計算結果如表3所示。石灰巖山地中，喬灌混交林以側柏山杏混交林的蓄水保土效益最佳，針闊混交林以側柏刺槐混交林最佳，且側柏山杏混交林要優于側柏刺槐混交林；砂石山地中，針闊混交林以黑松刺槐混交林的蓄水保土效益最佳，闊闊混交林以刺槐麻櫟混交林最佳，且刺槐麻櫟混交林要優于黑松刺槐混交林。所有混交林中側柏山杏混交林的蓄水保土效益最佳，側柏連翹混交林次之。

3.2 不同混交林的土壤改良效益

林分對于土壤具有一定的改良作用，改良效益一方面直接體現在林分土壤理化性質中，另一方面則間接體現在土壤的水文效益和滲透能力，土壤理化性狀、土壤水文效益和土壤滲透性三者之間相互反映、相互影響。土壤的滲透能力可以表現出土壤物理性狀的優良狀況[11]，土壤理化性狀的優劣會直接影響到土壤的滲透能力和持水能力，同時土壤水文效應也主要取決于土壤物理性狀[6]。而林分對于土壤的改良效益會反作用于林分自身，使林分的碳匯量發生變化，林分碳匯對降低大氣中溫室氣體濃度、減緩全球氣候變暖都具有重要意義[12]。本研究選取的林分均為10年生，對于研究區土壤在一定程度上已經進行了改良，各混交林土壤改良效益指標如表4所示。依據TOPSIS原理，以各混交林分與所對應的對照組的各項指標差值的絕對值作為評價數據，對不同混交林分的土壤改良效益進行評價分析。

表2 不同混交林蓄水保土效益指標Tab.2 Benefit indexes of soil and water conservation in different mixed forests

表3 不同混交林Ci值等與蓄水保土效益最終排序結果Tab.3 Ci, other values, and ranking results of soil and water conservation benefits in different mixed forests

注：D+為每一個評價對象與最優方案的歐式距離，D-為每一個評價對象與最劣方案的歐氏距離，Ci各評價對象與最優方案的接近程度， 下同。Notes:D+is the Euclidean distance from the positive ideal alternative.D-is the Euclidean distance from the negative ideal alternative.Ciis the closeness coefficient of each evaluated object to the ideal solution. The same below.

表4 不同混交林的土壤改良效益指標Tab.4 Soil improvement benefit indexes in different mixed forests

根據式(1)～(3)，可求得不同混交林的各評價指標在土壤改良效益方面所占權重，據式(4)～(6)即可求得評價結果如表5所示。石灰巖山地中，喬灌混交林以側柏黃櫨混交林土壤改良效益最佳，針闊混交林以側柏刺槐混交林最佳，且側柏刺槐混交林要優于側柏黃櫨混交林；砂石山地中，針闊混交林以黑松刺槐混交林的土壤改良效益最佳，闊闊混交林以刺槐麻櫟混交林最佳，且刺槐麻櫟混交林要優于黑松刺槐混交林。所有混交林中，刺槐麻櫟混交林的土壤改良效益最佳。

3.3 基于熵權-TOPSIS法的綜合評價體系

由上述可知，各混交林的表現排序結果在蓄水保土效益和改良土壤效益中的評價結果并不相同，為了更加全面、綜合地對比分析不同混交林的水土保持效益，對其進行綜合評價是最為客觀全面的。本研究將蓄水保土效益和土壤改良效益中的全部13項指標納入水土保持綜合效益評價過程中，并基于熵權-TOPSIS原理進行評價。依據式(1)～(6)進行計算，13項評價指標在水土保持綜合效益評價中所占熵值與權重如表6所示，不同混交林水土保持綜合效益最終評價結果如表7所示。

表5 不同混交類型林分Ci值等與土壤改良效益最終排序結果Tab.5 Ci, other values, and ranking results of soil improvement benefits in different mixed forests

表6 水土保持綜合效益評價指標的熵值與權重Tab.6 Entropy values and weights of comprehensive benefit evaluation indexes of soil and water conservation

表7 不同混交類型林分Ci值與水土保持效益最終排序結果Tab.7 Final ranking results of Ci value and soil and water conservation benefits for different mixed forests

在石灰巖山地，喬灌混交模式中，側柏黃櫨混交林排序最佳，針闊混交模式中，側柏刺槐混交林排序最佳，且側柏刺槐混交林要優于側柏黃櫨混交林，總體來看針闊混交林要優于喬灌混交林。

在砂石山地，針闊混交模式中，黑松刺槐混交林排序位置最為靠前，闊闊混交模式中，刺槐麻櫟混交林排序位置最為靠前，且刺槐麻櫟混交林要優于黑松刺槐混交林，總體來看闊闊混交林要優于針闊混交林。

在所有混交類型中，刺槐麻櫟混交林的效益評價結果最好，在砂石山地的表現要優于石灰巖山地。總體來看，在修正因立地條件等因素導致的誤差后的評價結果排序為：闊闊混交林(砂石山地)>針闊混交林(砂石山地)>喬灌混交林(石灰巖山地)>針闊混交林(砂石山地)。

4 討論

目前，部分專家學者引入TOPSIS法作為評價方法，應用效果較好。張霞等[13]基于TOPSIS原理對陜西省秦嶺生態功能區的水土保持治理效益進行評價；尤立等[14]運用TOPSIS法對黃河水土保持生態工程綜合效益進行評價；崔亮等[15]運用熵權法對齊家川示范區設計年限內的水土保持工程的水補償效益進行評價，說明TOPSIS法運用于水土保持領域是可行的。大多數專家學者在研究對象上集中于水土保持工程措施或水土保持治理，在尺度上集中于生態功能區尺度或流域尺度，對于混交林水土保持綜合效益方面的報道尚未見到。本研究將其運用于混交林水土保持效益評價以及樹種選擇方面也是一次探索和嘗試。

對于魯中南山區林分的水土保持效益方面，也有專家學者針對混交林的蓄水保土效益進行了研究，在評價時選用的方法為是將各研究對象的評價指標量綱一化后直接相加，在評價指標的選取方面也與本研究有所不同，也有其他評價方法的報道；但從研究結果來看與本研究有一定的一致性。例如：楊菲等[4]針對魯中南片麻巖地區的針闊混交林蓄水保土效益進行研究并評價，所得結果與本研究相似；張國慶[16]針對魯中南砂石山退化山地的3種混交模式林分分別進行效益評價，所得結果也有本研究相似。進一步說明基于TOPSIS的評價方法可以運用于混交林水土保持效益評價，計算過程較為嚴謹，所得結果可信，在其他水土保持效益評價方面可以期待有更廣泛的應用。

5 結論

1)基于熵權-TOPSIS原理，石灰巖山地和砂石山地各混交林的表現排序結果在蓄水保土效益和土壤改良效益并不相同。

2)對于石灰巖山地，喬灌混交類型中側柏黃櫨混交林表現最優，針闊混交類型中側柏刺槐混交林表現最優，后者水土保持效益高于前者；對于砂石山地，喬灌混交類型中黑松刺槐混交林表現最優，闊闊混交類型中刺槐麻櫟混交林表現最優，刺槐麻櫟混交林的水土保持效益高于黑松刺槐混交林。

3)基于熵權-TOPSIS原理的評價結果與其他研究得到的結果研究有較大一致性，該評價方法在混交林水土保持效益評價中值得推薦。