福建平潭島沿海防護林綜合生態效益評價

福建平潭島沿海防護林綜合生態效益評價

張巧黃義雄文華英鐘春柳

(福建師范大學地理科學學院，福建 福州 350007)

摘要：基于平潭島沿海防護林實地觀測數據，以改良土壤、固碳釋氧、調節氣候和水源涵養為準則層，以降低風速、固碳量、土壤容重等10項測定數據為指標層，建立沿海防護林綜合生態效益評價體系和評價模型。應用層次分析法(AHP)原理對平潭島木麻黃、黑松、濕地松、臺灣相思4個主要防護林樹種的綜合生態效益進行評價。結果表明，4個防護林樹種均有較強的生態防護功能，但各樹種綜合生態效益差異明顯，綜合生態效益指數排序為木麻黃>濕地松>黑松>臺灣相思。此研究結果將為平潭島沿海防護林工程規劃、布局、樹種選擇等提供理論依據。

關鍵詞：平潭島；沿海防護林；生態效益；評價；層次分析法

中圖分類號：S727.2

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1914(2015)02-0063-05

Abstract:Based on the data collected from coastal shelterbelt field in Pingtan Island, index system and evaluation model for the assessment of comprehensive ecological benefit was established, which consists of criterion layer (soil improvement, carbon fixation and oxygen release, climate regulation and water and soil conservation) and indicator layer (reducing wind speed, fixed carbon content, soil bulk density and etc. more than 10 indicators). Analytical Hierarchy Process (AHP) method was used to evaluate comprehensive ecological benefits of Casuarina equisetifolia , Pinus thunbergii, Pinus elliottii and Acacia confuse. The result indicated that four kinds of windbreaks have a large eco-efficiency, the order of ecological benefits index is Casuarina equisetifolia>Pinus elliottii>Pinus thunbergii>Acacia confuse. Therefore some scientific suggestions were put forwarded in this paper and which provided basic foundation for planning, overall arrangement, species selection for coastal shelterbelt project in Pingtan Island.

Keywords:Pingtan Island; coastal shelterbelt;ecological benefit;assessment;AHP

收稿日期：2014-11-24

基金項目：昆明市林業局項目“昆明市人工林森林健康標準與經營模式優化研究”資助。

doi:10.11929/j.issn.2095-1914.2015.02.011

Assessment on Comprehensive Ecological Benefit of the

Main Coastal Shelterbelt in Pingtan Island

ZHANG Qiao, HUANG Yi-xiong, WEN Hua-ying, ZHONG Chun-liu

(School of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou Fujian 350007, China)

沿海防護林是指沿海地區以防御自然災害、維護基礎設施、保護生產、改善環境和維持生態平衡等為主要目的，具有防風固沙、保持水土、涵養水源、調節氣候、減少污染、保護物種等生態功效的天然林和人工林。防護林的生態屏障作用改善了沿海地區人民的生活環境，保障農業生產的可持續性。國內外眾多學者已開展了沿海防護林生態效益評價，主要借鑒森林生態效益評價方法，從經濟學和生態學角度進行評估[1-2]。蘇聯、美國、日本等國起步較早，研究主要側重于樹種防風消浪、水土保持、森林防護等功能。中國學者對沿海防護林生態效益評價起步較晚，重點研究單項生態效益。綜合現有沿海防護林生態效益評價的文獻可知：在研究對象上，側重于單一樹種的某項生態效益研究；在研究區域上，主要集中于小尺度范圍；在評價方法上，沒有統一的指標體系。因此，建立完善的生態效益評價體系，選取樹種多方面生態效益進行大尺度的評價顯得尤為重要。

平潭島位于福建省東南部，東臨臺灣海峽，西瀕海壇海峽，是東南沿海與臺灣經濟、人文交流的重要窗口，2009年7月正式建立“平潭綜合試驗區”，平潭島成為積極探索海峽兩岸新合作模式的示范區。近年來島嶼的生態環境備受關注，由于早期人類破壞，加之常年大風多，水資源缺乏，土壤貧瘠，植被立地條件差，島嶼生態環境十分脆弱，原生植被早已消失。自20世紀60年代起，由于成功引種黑松(Pinusthunbergii)和木麻黃(Casuarinaequisetifolia)樹種，平潭島大面積種植防風固沙和水土保持林，風沙危害基本得到控制。如今平潭島森林覆蓋率明顯增加，生態環境大為改善，但對平潭島沿海防護林生態效益及不同防護林樹種貢獻率的定量研究較少。因此，明確平潭島沿海防護林的生態功能并對其進行分析評價顯得尤為必要。本研究基于實測數據結合層次分析法(AHP)，開展平潭島沿海防護林生態效益評估，建立沿海防護林生態效益評價體系，以明確不同防護林樹種生態效益側重點，為沿海防護林營造提供參考依據。

1研究區概況

平潭島地處北緯25.25°～25.75°，東經119.53°～120.17°，中國第5大島，福建省第1大島，由126個島嶼構成，其中海壇島面積最大，為全縣的主島。平潭島屬南亞熱帶氣候，年均溫19.9℃，年平均降雨量900～1200mm，主要集中在2—9月。平潭島位于大陸與臺灣島之間“穿堂風”區域，年平均風速4m/s。島上多為沙壤和紅壤，土壤較為貧瘠。2013年底全島森林覆蓋率達32.9%，主要植被類型有黑松、濕地松(Pinuselliottii)、木麻黃、臺灣相思(Acaciaconfuse)、月見草(Oenotherabiennis)、龍舌蘭(Agaveamericana)、白茅(Imperatacylindrica)等。黑松為島上造林先鋒樹種，主要種植于山地迎風坡或山體中上部風速較大區域。木麻黃多種植于濱海前沿和農田邊，是防風固沙的重要屏障。臺灣相思是島上分布面積最廣的樹種，主要種植于山地及低丘的中下部。濕地松分布面積相對較小，主要種植于長江澳防護林中部。

2研究方法

2.1數據來源

選取平潭島4種主要防護林樹種：木麻黃、臺灣相思、黑松、濕地松，各樹種選擇典型地段分別布設3個20m×20m樣方，調查樣方內植物種類、樹高、胸徑等指標。樣方內布設1m×1m小樣方,收集林下凋落物，林內挖土壤剖面分層取土樣測算各項土壤指標，并觀測防護林各項氣候指標。

2.2評價指標體系建立

本研究指標選取建立在大量文獻閱讀以及專家咨詢的基礎上，并遵循指標選取的綜合性、科學性、可操作性等原則，在28項預選指標中選取10項指標，構建了平潭島沿海防護林生態效益評價體系，見圖1。

依照層次分析法原理，本研究建立的指標體系分為3個層次，目標層即平潭島沿海防護林生態效益評價A，準則層包括改良土壤B1、固碳釋氧B2、調節氣候B3、水源涵養B4。指標層涵蓋Ci(i=1，2，3…，10)10個指標。改良土壤效益包括土壤容重、孔隙度和有機質3項指標，指標穩定且易于測定；固碳釋氧效益包括固碳量和釋氧量；調節氣候效益包括溫度、濕度、風速3個典型指標；凋落物持水量和土壤蓄水量易于測定且能較好體現樹種的水源涵養功能[3-6]。固沙量為防護林主要生態效益之一，但由于平潭島的臺灣相思和黑松并非種植于沙地，基于數據可得性原則，將此預選指標剔除。

2.3評價指標的調查及測定

調查研究于2013年10月在平潭縣主島海壇島上進行。各指標的調查及測定方法如下：

1) 改良土壤效益。在每個樹種典型樣地內按“S”形隨機設置3個采樣點，采用環刀法在0～20、20～40、40～60、60～100 cm分層取土，測定土壤容重、孔隙度等指標。用自封袋分層取土樣帶回實驗室測定土壤C、N含量，并以土壤碳含量推算土壤有機質含量。

2) 固碳釋氧效益。在各樹種典型樣方中逐一調查樣地內植被類型，測量樹種的胸徑、樹高。分別計算樹高、胸徑的平均值后，在樣方內選取最接近平均值的樹木作為標準木，伐倒后分根、枝、葉、干采集，測定樹種生物量，以生物量推算凈生產力，根據公式計算植被的固碳量和釋氧量[7]。

3) 調節氣候效益。利用AR827型溫濕計觀測空曠地與林帶內每日14：00左右的溫度和濕度。以1min為限，出現頻率最高的溫度和濕度值為實測值，林帶內與空曠地的差值即為防護林對溫、濕度的調節量。風速測量采用DEM6型三杯風向風速儀，在林帶前后各設置3個觀測點，測試樣地2m高度的風速。據鄭達賢等[8]的研究結果，林帶前10H處風速可代表曠野風速，林帶1H后風速最小，因此，取林帶前10H和林帶后1H1min內平均風速的差值即為防護林降低風速量。

4) 水源涵養效益。在1m×1m小樣方中采用全部收獲方式，收集樣方內凋落物，帶回室內以80 ℃溫度烘至恒質量，取部分凋落物干樣本采用浸泡法，以浸泡24 h的持水量為最大持水量[9]，凋落物持水量為凋落物濕質量與凋落物烘干質量之差[10]。土壤蓄水量包括土壤毛管持水量和非毛管持水量兩者之和[11]，由土壤孔隙度、土層厚度、水的比重等因素推算而得[12]。

2.4評價指標權重的確定

指標權重擬定方法較多，最終選取層次分析法(AHP)，結合平潭島實際情況，咨詢從事防護林、森林生態、水土保持等方面的專家，構建判斷矩陣，進行兩兩比較，經過一致性檢驗，最終確定各指標權重(表1)。

表1　平潭島主要沿海防護林樹種生態效益權重及排序

2.5指標的無量綱化處理

由于各項指標量綱不同，功能差異顯著，因此，各指標間不能直接進行比較，需要將指測定標數據轉變成同一水平，消除量綱影響。綜合對比現有的無量綱化方法，可選取“均值化”處理方法對所選指標進行無量綱化[13]。

2.6綜合生態效益評價模型建立

研究采用線性加權法建立平潭島沿海防護林綜合生態效益模型，將各項生態指標標準化后進行線性加權，求出綜合指數。具體的綜合評價模型如下：

式中：E為綜合生態效益指數；Wi為第i項指標的權重；Ci為第i項指標無量綱化的數據矩陣。在各項指標權重的基礎上，按照以上數學模型，計算平潭島沿海防護林的綜合生態效益指數(表2)。

表2　4種防護林樹種綜合生態效益指數

3綜合生態效益評價結果

根據表2計算得到平潭島4種沿海防護林樹種各項生態效益指標，結合已構建的指標體系，得到平潭島沿海4種主要防護林樹種綜合生態效益指數，見圖2。

由表2及圖2分析結果表明：

1) 平潭島4種沿海防護林樹種都具有較強的生態防護功能，但各樹種綜合生態效益仍存在明顯差異，其綜合生態效益排序為：木麻黃>濕地松>黑松>臺灣相思。

2) 4種防護林樹種改良土壤、固碳釋氧、調節氣候、水源涵養效益的貢獻率各不相同。改良土壤效益的排序為：臺灣相思>黑松>木麻黃>濕地松；固碳釋氧效益的排序為：濕地松>木麻黃>黑松>臺灣相思；調節氣候效益的排序為：木麻黃>黑松>濕地松>臺灣相思；水源涵養效益的排序為：濕地松>黑松>臺灣相思>木麻黃。

3) 防護林不同樹種各項生態指標對綜合生態效益貢獻率也不相同。由圖3可知:木麻黃貢獻率大小為調節氣候>固碳釋氧>改良土壤>水源涵養；黑松為調節氣候>固碳釋氧>水源涵養>改良土壤；臺灣相思為調節氣候>水源涵養>固碳釋氧>改良土壤；濕地松為調節氣候>固碳釋氧>水源涵養>改良土壤。

4結論與討論

1) 本研究所采用的生態效益評價方法是對平潭島4種主要沿海防護林樹種改良土壤、固碳釋氧、水源涵養、調節氣候效益深入分析的基礎上，運用數學模型對其量化，評價結果具有一定的準確性。

2) 所選指標在降低風速、固碳量、土壤蓄水量等方面賦有較高的權重值，表明平潭島沿海防護林在此方面有較強的生態功能。由于臺灣島與大陸之間的“狹管效益”和臺風的影響，使平潭島風害嚴重。此外，島嶼地形走向與區域常年盛行風向一致，加劇了平潭島的風速。因此，降低風速是平潭島防護林的首要任務，也是最主要生態效益指標之一，專家學者賦予了較高的權重值。

3) 所選4個防護林樹種都具有明顯的生態效益，在調節氣候方面表現特別突出。一方面，4個樹種均為多年生喬木，對平潭島氣候適應力強，另一方面，在構建評價體系時，將“降低風速”指標歸于調節氣候效益。沿海防護林最主要的生態效益依舊是降低風速[14-16]，改良土壤功能與其他生態功能相比較為薄弱，由于平潭島土壤多為紅壤和沙壤，有機質含量少，土壤本身比較貧瘠。但臺灣相思和黑松的改良土壤效果較好，這與樹種根部的根瘤菌密切相關，其根瘤菌有良好的固氮功能，很大程度上改善了林下貧瘠土壤。而木麻黃根部的根瘤菌僅能維持樹種在貧瘠的沙地上生長，改土效果并不顯著。此外，臺灣相思和黑松林下多灌木和草本，生物量大，產生的代謝較多，有機質相對豐富，而木麻黃和濕地松多為純林，林下灌草缺乏。在固碳釋氧功能上，濕地松和木麻黃樹種年凈生產力較大，可將二者作為吸碳釋氧的主要樹種栽培，增強樹種的碳匯功能，這對增加平潭島的植被碳儲量具有重要意義。

4) 4個防護林樹種綜合生態效益的排序為：木麻黃>濕地松>黑松>臺灣相思，這一結果說明木麻黃的生態效益非常顯著，是沿海防護林不可缺少的樹種。綜合生態效益是各項生態指標疊加的結果，本研究建立的生態效益評價體系所選指標數量有限，影響了綜合生態效益的評價結果，對樹種的選擇還需要進一步研究。

5) 此研究結果對平潭島防護林樹種的布設具有一定的指導意義。平潭島地貌類型多樣，包括丘陵、臺地、平原等，不同地形區適宜種植不同樹種。在濱海風力強勁地區，造林樹種可選擇防風效益較好的木麻黃；平潭島北部的君山為島上最高峰，該區域自然環境惡劣，適宜種植木材密度大，結構緊湊，土壤蓄水能力較好的黑松；在一些土壤比較貧瘠的臺地可種植改良土壤效果較好的臺灣相思，其生長速度快，生物量高，根部的根瘤菌可改善區域土壤；在平原地區可種植固碳量較大且蓄水能力較好的濕地松。有研究表明[17]，樹種的混交更利于防護林生態效益的提高，但本研究未涉及混交樹種的生態效益，對混交樹種生態效益的評價為將來需要進一步研究的方向。

6) 本研究所建立的平潭島沿海防護林生態效益指標評價體系，參考了大量文獻、統計數據，雖然經過專家嚴格篩選，仍具有一定的主觀性，指標體系仍需不斷地通過實踐檢驗完善。此研究意義不在于強調各樹種生態效益的排序，而在于發現沿海防護林樹種存在的不足，不斷改進和提升沿海防護林生態效益，充分發揮樹種的生態防護功能，為建立平潭島乃至整個福建沿海地區健康的防護林體系提供理論依據。

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(責任編輯韓明躍)

第1作者：徐世芳(1989—)，女，碩士生。研究方向：水土保持與荒漠化防治。Email：738405587@qq.com。

通信作者：李小英(1967—)，女，副教授。研究方向：水土保持生態修復。Email：lxying92@126.com。