基于灰色多層次分析兩種殼斗科樹種人工林生態效益評價

鄧福春等

摘要：以廣西良鳳江國家森林公園殼斗科（Fagaceae）人工林為研究材料，選擇10個生態指標，通過灰色多層次模型及主成分分析，建立殼斗科兩種樹種人工林生態效益評價體系。在選擇的青鉤栲人工林和麻櫟人工林生態綜合評價得分中，得出青鉤栲人工林的兩個準則層指標：森林地力權重（0.567 8）和土壤權重（0.457 8）均高于麻櫟人工林；青鉤栲人工林生態效益價值得分（5.512 5）比麻櫟人工林（1.322 3）高。表明該生態系統評價體系能衡量人工林樹種直接生態價值，對森林生態系統評價具有指導意義，可為今后生態系統研究提供理論依據。

關鍵詞：殼斗科（Fagaceae）；人工林；生態效益；灰色多層次分析；生態系統評價體系

中圖分類號：S792；S718.5 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）13-3094-05

Evaluating Ecological Benefits of Two kinds of Fagaceae Species Plantation Based on Grey Hierarchy Analysis

DENG Fu-chun1，QIN De-wen2，HUANG Bao-liu1，QIN Wu-ming2，LI Dong-fan2

（1.Guangxi Liangfengjiang National Forest Park，Nanning 530031，China； 2.Forestry College，Guangxi University，Nanning 530005，China）

Abstract： Using Fagaceae species plantation of Guangxi Liangfengjiang national forest park as materials， ten ecological indexes were selected to establish ecological effect appraisal systems of the two timber plantation of Fagaceae with principal component analysis and grey hierarchy evaluation model. In comprehensive evaluation system of the two kinds of plantation， the scores of the two criteria layer indexes of Castanopsis kawakamii Hayata were the weight coefficient of woodland weights of 0.567 8 and the weight coefficient of forest soil weight of 0.357 8， higher than that of Quercus acutissima Carruth. It is indicated that the ecological value of the ecological system of C. kawakamii Hayata plantation（5.512 5） was higher than that of Q. acutissima Carruth（1.322 3）. The ecological effect appraisal system could measure ecological value and provide a theoretical basis for the future research of ecosystem.

Key words：Fagaceae； plantation； ecological benefits； grey hierarchy analysis； ecosystem appraisal system

殼斗科（Fagaceae）又名山毛櫸科，廣泛分布于溫帶、熱帶、亞熱帶森林，是北半球熱帶、亞熱帶和溫帶森林的主要樹種，并為最大的、最重要的木本植物之一，共8屬1 047種，是針闊混交林和常綠闊葉林的重要成分[1-3]，在北半球森林生態系統中有著舉足輕重的作用[4]。森林生態系統服務功能是指森林生態系統與生態過程所形成及所維持人類賴以生存的自然環境條件與效用[5]。深入研究殼斗科森林的生態系統體系，不僅對殼斗科的系統演化和生態服務功能的研究有重要意義，而且也是理解北半球森林植物區系的起源結構和森林可持續發展過程的一把鑰匙。

自19世紀50年代以來，世界多個發達國家分別開展了各自國家的森林效益評價研究，中歐國家是對森林的生態效益進行評價最早的地區，率先對森林涵養水源方面的效益進行了評價，隨后逐步擴大到防護、生活、環境效益。前蘇聯、日本等國專家對森林生態效益的公共性進行了較為深入的研究并進行了一定程度的效益評價[6-9]。我國生態效益評價起步較晚，20世紀80年代國內學者對林生態系統與環境保護關系的探討[10]拉響了森林生態系統研究熱。進入21世紀，生態系統體系評價研究得到飛速發展，國內學者就涵養水源、保護土壤中的生態功能作用，森林生態系統應對氣候變化的反饋機制，生態系統健康、生態系統管理研究等展開了探討[11-13]。近年來，隨著效益評價應用于殼斗科樹種，殼斗科樹種人工林生態系統研究引起了廣大學者的關注[14-16]。

然而國內外學者就殼斗科人工林的生態系統評價體系的研究尚未見報道。為此，以廣西良鳳江國家森林公園殼斗科樹種為研究材料，在運用青鉤栲、麻櫟兩種樹種人工林生物量、植物多樣性、碳儲量、土壤理化性質等生態指標的基礎上，采用灰色多層次模型、主成分分析法確立兩個人工林的主要生態影響因子，計算及比較評價其人工林的生態效益，以期為殼斗科人工林生態系統研究提供理論依據。

1 評價指標體系的建立

1.1 試驗地狀況

試驗地位于廣西南寧市南面，北緯22°34′31″-22°46′51″，東經108°15′14″-108°22′22″，屬南亞熱帶季風氣候，冬短夏長，年平均氣溫21.6 ℃，年均降雨量1 280 mm以上，且多集中在5～9月，年無霜期達342 d。試驗地平均海拔346 m，平均坡度約25°，以第三系、泥盆系的地層為主，土壤則由該地層中的不同母巖和母質發育而成，以赤紅壤居多，土層平均厚度80 cm以上。收集27 a生人工林野外調查數據作為試驗數據，其中試驗地種植密度均為800株/hm2，后期撫育均相同。

1.2 評價指標體系的建立與指標含義

不同殼斗科樹種人工林生態效益評價是通過各項生態效益指標的高低來評價生態效益平衡的一個過程。對不同殼斗科樹種人工林生態指標的選取在森林地力方面主要從生長、植物多樣性、營養元素固定等方面進行，如樹高、胸徑、生物量和植物多樣性、碳儲量等；在林地土壤性質方面選取土壤含碳量、土壤含氮量、土壤孔隙、土壤通氣和土壤持水量等指標。按照體系建立原則初選共取10個指標進行生態效益評價，兩樹種人工林生態效益評價的指標詳見表1，試驗數據均由廣西良鳳江國家森林公園野外調查提供。

2 評價模型和權重確定

2.1 建立評價模型

由于生態效益評價初選指標因素較多，可能存在因素選定的不確定性和模糊性，因此，采用灰色多層次評價模型進行生態效益評價?；疑鄬哟卧u價模型是一種多因素評價模型，其優點在于既能夠評價出綜合結果，又能得到各子系統的評價結果；另外，其評價結果能夠依據各因素數列曲線形狀的接近程度做發展態勢分析，曲線越接近，相應序列之間的關聯度越大；反之，相應序列之間的關聯度越小。

基于灰色多層次評價模型，從森林地力和林地土壤兩個方面對不同殼斗科樹種人工林生態效益進行評價。這樣組成的一組參考數據就是一組最優指標，能夠更加全面地反映人工林生態效益各指標最優值。評價過程如下[18]：

①確定參考數列P0和比較數列Pi：

P0={P0（1），P0（2），…，P0（10）}

Pi={Pi（j）|Pi=1，2，…，10}，（i=1，2，…，n）

②規范處理后得到Cij和新矩陣：

Cij=■，i=1，2，…，n；j=1，2，…，n

式中，Cij為規范處理以后第i樹種第j個指標的標準值，Pimin是第y個指標的最小值，Pimax是第j個指標的最大值。

③計算關聯系數εij：

εij=■i=1，2，…，n；j=1，2，…，10

式中，εij是第i個樹種比較曲線標準值ε與參考曲線標準值P0的相對差值，這種形式的相對差值成為ε標準值間的關聯系數。ρ為分辨系數，ρ∈[0，1]能夠減少極值對計算的影響。分辨系數ρ一般取0.5。

④計算灰色綜合評判結果：

Eki=■Wj×εij，i=1，2，…，n；j=1，2，…，10；k=1，2

Ei=■Wk（■Wj×εij），i=1，2，…，n；j=1，2，…，10；k=1，2

式中，εij表示第i樹種第j指標與參考指標的關聯系數；Wj表示第i樹種第j指標的權重；Wk表示第i樹種第k層的權重；Eki表示第i樹種當k= 1，2時森林地力、土壤的分數；Ei表示第i樹種的人工林生態效益總分值。如果Eki越大，則森林地力和土壤與最優指標P0越接近，則其水平越高；如果Ei越大，則所得總分越高，人工林生態效益也就越高。據此排列出不同殼斗科人工林生態效益的優劣次序。

2.2 確定指標權重

選擇熵值法計算各個指標權重，它是一種客觀的賦權方法；通過計算指標的信息熵，根據指標數值之間的變化規律，以指標數值之間的差異大小來衡量指標對系統的影響，其差異程度越大，則權重越重。該方法在評價對象數目較多、指標體系較復雜時具有明顯優勢，并且在確定權重時能夠減少主觀賦權帶來的主觀性，更具客觀性和科學性。

①將各指標規范化，計算第i年第j種指標值的比例Rij：

Rij=■，i=1，2，…，n；j=1，2，…，14

②計算第j項指標的熵值Hj：

Hj=■，i=1，2，…，n；j=1，2，…，10

③計算第j項指標的差異系數Gj：

Gj=1-Hj，j=1，2，…，10

④計算各指標的權重Wj：

Wj=■， j=1，2，…，10

式中，Rij是指第i樹種第j指標值所占該指標總值的比例；Pij是指第i樹種第j指標的具體值；Hj是指j個指標的熵值；Gj是指第j指標的差異性系數；Wj是指j個指標的權重。

2.3 評價標準

根據評前人評價結果，參考其他人工林的評價模式[19]等級標準進行修正，最后將研究對象林分生態效益水平劃分為4個等級（表2）。

3 評價結果分析

結合不同殼斗科人工林生態效益特征，選取10個指標值，將此10個指標值代入熵值法模型求取權重，結果見表3和表4。

經過計算，分別得到不同殼斗科樹種人工林森林地力效益、土壤效益和綜合生態效益總體分數值。不同殼斗科樹種人工林生態效益評價體系總體如表5。通過對不同殼斗科樹種人工林生態效益特征變化分析發現，不同“森林地力”效益、“土壤”效益和綜合生態效益變化態勢為青鉤栲大于麻櫟，表明青鉤栲人工林生態效益要優于麻櫟人工林。青鉤栲人工林“森林地力”效益占總體評價中權重0.567 8較高，決定性高。

由不同殼斗科樹種人工林生態效益評價標準等級能夠判斷人工林生態效益水平。胸徑和碳儲量兩個森林地力指標在不同殼斗科樹種人工林總體生態效益都處于中等水平，森林地力指標樹高、生物量和植物多樣性均處于高水平。而土壤的5個生態指標的效益衡量指數均大于0.5達到較高水平。表明土壤指標在不同殼斗科樹種人工林生態效益評價標準體系中準確度較高，評價水平較高。

4 人工林生態效益的影響因素

確定27 a生的青鉤栲人工林和麻櫟人工林的生態效益影響因子，主要通過主成分分析找到一個包含最佳變量的子集合，使其所包含的變量能反映總體的結構，并通過因子簡化塑造出合理的規律和有效的模型。

4.1 殼斗科兩樹種人工林綜合效益指標主成分分析

主成分分析是把多個指標化為少數幾個綜合指標的一種統計方法[20]。由表6可知，第一主成分的貢獻率為52.292%，第二主成分為24.774%，累計貢獻率達到了77.066%，第三主成分貢獻率為12.657%，累計貢獻率達到了89.723%。因此，可以得到第一主成分、第二主成分和第三主成分較能體現研究林分的各項指標與綜合效益之間的關系。

由表7可以看出，第一主成分主要包括胸徑、碳儲量、土壤含碳量、土壤含氮量、土壤孔隙、土壤通氣，它們具有較大的載荷，分別為0.976 8、0.951 9、0.986 2、0.997 9、0.803 9、0.968 7。第二主成分是樹高和生物量，其載荷分別為0.917 0和0.982 6。第三主成分在土壤持水量上的載荷為0.586 9。三個主成分用y1、y2、y3表示，則表達式分別為：

y1=-0.338 3x1+0.976 8x2-0.169 7x3-0.702 8x4+0.951 9x5+0.986 2x6+0.997 9x7+0.803 9x8+0.968 7x9+0.494 7x10

y2=0.917 0x1+0.144 6x2+0.982 6x3-0.059 5x4+0.248 8x5+0.079 9x6-0.060 4x7+0.590 3 x8-0.122 7x9-0.640 9x10

y3=0.211 2x1+0.158 0x2+0.075 7x3+0.708 8x4+0.178 8x5+0.144 7x6-0.025 1x7+0.073 5 x8-0.215 8x9+0.586 9x10

4.2 林分效益主成分綜合評價

殼斗科兩樹種人工林的生態效益受到了眾多因素制約，且每個因素之間都存在相關性。因此，要綜合評價這兩種人工林的綜合效益必須運用多個指標，才能使綜合評價的結果更符合實際。結合分析過程中選定的特征值，對主成分進行評分。

根據表6得知，在前三個成分中已包含了總數據量的89.723%，表明在主成分分析過程中已經將所有影響成分歸類為三個主成分進行比較評價。因此，僅需要對三個主成分展開綜合評價，且此次主成分分析可靠度達到了89.723%。依據主成分評價得分（表8），結合主成分分析結果，構建綜合評價方程[21]：

IFI=■

式中，IFI為評價指標綜合得分；aj為主成分貢獻率；yj為主成分得分。

27 a生青鉤栲人工林和麻櫟人工林生態效益綜合評價結果見表9。生態效益結果為青鉤栲>麻櫟。其中，青鉤栲人工林第一主要成分得分值均高于第二和第三主成分，表現出了第一主成分因子對其的決定系數較高，決定性強，IFI高。因此，得出青鉤栲人工林在27 a人工經營期內生態效益高于人麻櫟工林，更適于當地種植，生態價值較高。

5 小結

通過主成分分析及灰色多層次模型，對包含兩個準則層的10個生態指標建立殼斗科兩樹種人工林生態效益評價體系。兩種人工林生態綜合評價中，青鉤栲人工林的總生物量、森林地力權重（0.567 8）、土壤權重（0.457 8）和碳儲量（132.26 t/hm2）均高于麻櫟人工林；青鉤栲人工林生態效益評價得分（5.512 5）高于麻櫟人工林，青鉤栲人工林在水源涵養功能上較好。

在對研究的兩樹種人工林生態效益評價中，通過灰色多層次模型對樹高、胸徑、生物量和土壤理化性質等多個生態指標進行分析，得出青鉤栲人工林的森林地力和土壤兩個準則層指標均高于麻櫟人工林，同時，青鉤栲人工林綜合評價得分也高于麻櫟人工林，表明青鉤栲人工林生態系統生態價值較高，種植青鉤栲在防護、水源涵養功能上發揮較好，在生態效益用途上，青鉤栲林分較麻櫟林分高，青鉤栲人工林能更較好地促進生態平衡，提高生態效益。同時，表明該生態效益評價系統具有較高的科學理論依據。

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