松花江干流沿岸人工防護林樹種配置方案選擇

紀文文 王立海 張廣暉 郝泉齡 張平 徐慶波 曹時凱 孫學東

摘? ? 要：松花江干流沿岸防護林存在著防護林樹種及林分結構單一、防護林質量及景觀多樣性較差、防護林模式配置不夠科學合理等問題。為此，本文調查選取適宜松花江沿岸種植的喬木、灌木及草本植物，搭配20種人工防護林配置方案。研究確定綜合評價人工防護林功能效益的3個基本準則，即防護功能、景觀功能和經濟效益，并依據3個基本準則選取7個評價指標，建立人工防護林綜合評價結構模型。運用層次分析法和熵權法對20種人工防護林配置方案進行優選。研究結果表明：多種喬木、灌木和草本植物搭配種植的方式能最大發揮防護林的綜合功能效益，依據綜合評價值確定第種方案為最優配置方式。為松花江干流沿岸人工防護林的建設提供科學支撐。

關鍵詞：防護林;層次分析法;熵權法;樹種配置;方案選擇

中圖分類號：S727.2? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-8023（2019）01-0008-08

Abstract：There are some problems in the shelter forest along the main stream of Songhua River， such as single tree species， single stand structure， poor quality， poor landscape diversity of shelter forest and unscientific allocation of shelter forest model. Based on this， after investigation， this paper selects trees， shrubs and herbs suitable for planting along the Songhua River， and matches 20 kinds of artificial shelter forest allocation schemes. Three basic criteria （protection function， landscape function and economic benefit） are determined. Seven evaluation indexes are selected according to the three basic criteria， and a comprehensive evaluation structure model of artificial shelter forest is established. The allocation schemes of 20 kinds of artificial shelter forest are optimized by analytic hierarchy process and entropy weight method. The results show that the combined planting of trees， shrubs and herbs can maximize the comprehensive functional benefits of shelter forest. According to the comprehensive evaluation values， the schemes of，，，，，andare determined as the best plans. This paper provides scientific support for the construction of artificial shelter forest along the main stream of Songhua River.

Keywords：Shelter forest; Analytic Hierarchy Process; entropy method; tree species configuration; scheme selection

0 引言

黑龍江省松花江干流沿岸邊坡、灘地在降水及江水波浪的沖刷下易造成水土流失，在邊坡及灘地植樹造林是一種有效的水土保持、生物護堤方式。但是當前松花江干流沿岸現有防護林數量偏少、林帶結構單一，群落配置也不夠合理、質量參差不齊、難以勝任多重防護任務。因此，對松花江干流沿岸防護林進行科學合理的配置顯得尤為重要，這對防護林多功能效益的充分發揮也有著重要的意義。現有的人工防護林樹種選擇的研究中主要集中于定性表述，如依據適地適樹、合理搭配和鄉土樹種為主等原則進行樹種選擇。王爽[1]通過實地調研，定性的描述了防護林樹種選擇和植物配置方面的問題，通過定性的描述對防護林進行配置，難以使防護林同時兼顧防護、景觀和經濟等多種功能效益，目前對于用定量方法科學合理的選擇樹種及配置方式的研究報道還很少。基于以上背景，筆者實際考察以后，研究選擇了20種人工防護林配置方案，并建立了人工防護林配置方案綜合評價體系，從而選出最優的配置方案，為松花江干流沿岸防護林種植提供參考。

在對人工防護林配置方案進行綜合評價的過程中，所選評價指標的權重對最終評價結果的影響較大[2]，因此較為科學準確的獲得評價指標的權重非常重要。目前確定評價指標權重的方法主要有主觀法和客觀法[2]。主觀賦權法依據專家經驗確定，容易受到專家的知識、經驗等多重人為因素的制約。客觀賦權法依據指標的具體數據確定[3]，精確度較高，但缺少專家的經驗，有時候又會與指標的實際重要程度相差很大。熵權法[4]作為一種較為常用的客觀賦權法，相對于主觀賦權法客觀性更強，精確度較高，與實際指標的重要程度又不會相差很大。本研究采用層次分析法和熵權法對人工防護林配置方案進行綜合評價，既消除了專家的主觀臆斷，又避免了客觀賦權的不真實性。

1 研究區域概況

松花江干流哈爾濱段試驗區位于道里區蘇家屯附近，地理坐標位置為45.69°N、126.38°E。屬河谷平原及漫灘地貌。地處溫帶大陸性季風氣候區，夏季溫熱多雨，冬季寒冷干燥，年平均氣溫在3 ～ 5 ℃，7月溫度最高，日平均可達20 ～ 25 ℃，1月份溫度最低，月平均氣溫-20 ℃以下。該地區土壤以黑土為主，土壤pH為7.97 ～ 8.39，土壤含水率在2.04% ～ 39.18%之間，土壤容重為1.17 ～ 1.93 k/cm3，土壤毛管孔隙度為3.94% ～ 47.94%，土壤有機質含量為120.87 ～ 203.12 g/kg，土壤全氮含量為0.08 ～ 2.26 g/kg，土壤全磷含量為1.33 ～ 83.68 mg/kg，土壤全鉀含量為7.50 ～ 10.91 g/kg。該地區降雨年內集中，年平均降水量500 mm以上，降水年際變化大，洪水災害頻繁。沿岸防護林多以落葉松和楊樹為主，且林分結構單一，數量較少、質量較差，生態系統和景觀多樣性較差。

2 人工防護林配置方案

AB段為與公路相鄰的斜坡，該段區域土層較淺，且土層下為石塊護坡，不宜種植喬木、灌木，因此選取適宜東北地區生長的根系發達、固土能力強的多種草本植物種植，從而達到固土護坡的目的。BC段為河谷漫灘地段，該段區域土壤肥沃、濕潤，適宜種植防護林。CD段為雷諾護坡護墊結構，不宜種植植被。在結合哈爾濱的氣候條件、松花江干流沿岸的土壤條件以及林木種植專家的建議后，選取適宜在松花江沿岸地區種植的喬木、灌木、草本植物，并進行合理的搭配[5-6]，最終得出了20種配置方案。適于該地區種植的部分植被列于表1。

3 基于層次分析法和熵權法的人工防護林綜合評價模型

3.1 建立人工防護林評價層次結構模型

根據該地區地形、地貌以及氣候條件，松花江干流沿岸防護林首先要能實現基本的防護功能，如固土功能[7]、防風功能[8]和消浪功能[9]等。同時也要兼顧景觀功能，植被豐富、層次合理，具有一定的觀賞性，為過路行人提供別樣的視覺體驗。在此基礎上有一定的經濟產出和生態產出，改善松花江干流沿岸地區的生態環境，促進松花江沿岸的經濟發展。

人工防護林配置方案評價結構分為目標層A，準則層B，指標層C和方案層D。目標層A為人工防護林最優配置方案，準則層B為防護林的三個功能（防護功能B1、景觀功能B2、經濟效益B3）。防護功能包括固土能力C1、防風能力C2、消浪能力C3 ;景觀功能[10]包括植被豐富度C4、美觀度C5，經濟效益包括造林及維護成本C6 、防護林產出值C7，見表2。

3.2 數據來源

研究表明植被的固土能力與根系生物量有關，植物根系越發達、根系生物量越高，固土護坡效果越好[11]，因此，采用根系生物量來表示植被的固土能力。對于喬木采用經驗根系生物量模型計算根系生物量[12]，對于灌木和草本植物對比植被根系照片，采用1～5級（很少～很多）評分法，確定根系生物量，計算相應喬、灌、草植被總生物量表示每種方案固土能力。防護林帶防風能力與林帶疏透度有關，疏透度依據林帶結構又分為稀疏型、疏透型和通風型，研究表明疏透度為0.3 ～ 0.5時林帶防風效應最佳[13]，采用林帶疏透度來表示防護林帶防風能力。林帶疏透度的計算采用經驗公式[14]，公式中的枝下高、樹高數據由以下方法計算得到：對于每種樹種在松花江干流沿岸及哈爾濱現有防護林中各取20個樣本，取其枝下高、樹高的平均值，計算方案中喬木、灌木枝下高和樹高的平均值作為該方案的平均枝下高和樹高，選取最適疏透度值為0.4。防護林的消浪效果主要受到林內生物量的影響[15]，而林內生物量數據難以直接獲得，對于喬木主要依靠剛性樹干消浪;對于灌木則依靠剛性樹干及枝葉來消浪，而通常冠幅較大的，枝葉越繁茂;對于草本植物，在未被水體淹沒時才會起到一定的消浪效果 。綜合考慮，防護林的消浪能力采用方案中喬木胸徑、灌木冠幅及草本植物高度平均值的和來表示，值越高相應方案消浪能力越大。其中，方案中喬木胸徑、灌木冠幅及草本植物高度取自于各樹種20個樣本胸徑、冠幅和高度的均值。

景觀功能以植被豐富度和美觀度兩個指數來評價。植被豐富度是指所選人工防護林配置方案內的植被種類。美觀度表示配置方案的美觀程度，具體操作方法為：首先將20種方案的植被照片準備好，選擇具有風景園林研究、防護林研究背景的專業人員及非專業人員進行問卷調查，讓評價人員憑直觀印象對每種組合方案進行評價打分，分值采用百分制（1～20分表示觀賞性很差、21～40分表示觀賞性差、41～60表示觀賞性一般、61～80表示觀賞性好、81～100分表示觀賞性很好）。計算各方案得分平均值，作為各方案的美觀度。

造林及維護成本每種方案單株總價，由于人工防護林維護人工成本一致，因此不計算在內。防護林的經濟效益主要來自于防護林木材及林副產品的產量等產生的經濟價值，但松花江干流沿岸防護林作為公益防護林，不宜進行大面積采伐獲取收益。而植被可以在生長過程中將大氣中的CO2固定在植物體和土壤中，使森林成為陸地生態系統中最重要的碳匯，該地區人工防護林作為一個小型的森林生態系統對全球碳循環也具有重要意義。森林的固碳釋氧也會產生一定的經濟價值，現有研究中多采用造林成本法、碳稅率法和工業制氧價格的平均值法來研究森林固碳釋氧產生的經濟價值。本研究中防護林直接經濟價值難以直接獲得，因此采用方案中植被固碳釋氧量作為方案的經濟產出值，來分析防護林的經濟效益。喬木和灌木采用單位葉面積固碳量表示、草本植物采用每平方米固碳量表示，計算每種方案固碳量總和[18-24]。

3.3 確定指標權重

3.3.1 運用層次分析法確定指標主觀權重

采用薩迪提出的1 ～ 9標度法來構造各指標層相對于上一層的判斷矩陣[25]，采用幾何平均法[26]計算指標權重，見公式（1）。

為了避免由于專家的知識、經驗不足，而造成極強的個人主觀性，研究選取10位具有防護林研究、風景園林、生態學和林木養護等知識背景的專家進行評定，取其平均值作為最終判斷矩陣。

為了保證判斷思維的一致性，避免誤差過大，需要對構造的判斷矩陣進行一致性檢驗：

3.3.2 熵權法確定客觀權重

指標分為正向指標、適度指標和逆向指標，對適度指標和逆向指標采用減法一致化方法[27]進行同趨化處理，即轉為正向指標。數據無量綱化的方法也有很多，如極差化法、線性比例變換法、均值化法和向量歸一化法等，采用極大值化方法將指標正向化后的數據進行無量綱化處理[28]。見公式（4）～公式（6）。

3.3.3 確定組合權重及各方案綜合評價值

依據最小信息熵原理，用拉格朗日乘子法優化確定組合權重[29-30]：

通過以上方法即可獲得人工防護林配置方案選擇體系中各指標的綜合權重，見表4。各配置方案綜合評價值Zi由組合權重值Wi及無量綱化處理后的數據Yij得到，見公式（10），綜合評價值越高，說明該配置方案越好。

4 結果及分析

綜合評定之后，由人工防護林配置方案評價結果（表5）可以看出，綜合評價最優的配置方案依次為第、、、、、、方案，綜合評價值介于0.652 4 ～ 0.820 0之間，其中第種方案綜合評價值最高。以上7種配置方案均采用喬木、灌木及草本植物搭配種植方式，喬木種類均在兩種以上，植被種類豐富，有利于松花江干流哈爾濱段人工防護林生物多樣性的增加;喬、灌、草合理搭配使群落空間結構不再單一，增加了對水分、光和營養的利用率，也為其他動物、鳥類和微生物等提供了生存環境，形成了一個復雜的人工防護林生態系統;同時也改善了土壤肥力[31]，增強了人工防護林水土保持能力，也有利于減少病蟲害的發生;高大翠綠的喬木、枝繁葉茂的灌木和花色優美的草木植物合理搭配，提高了人工防護林的觀賞性。以上7種配置方案中喬木都有旱柳，旱柳自古以來就用作重要的綠化樹種，也是作防護林及荒漠地區主要防風固沙樹種[32]，且旱柳根系發達、根孽性強，具有極強的固土防沖能力[33]，因此也提高了配置方案整體的防護功能。

第種配置方案綜合評價值最高，主要由于第種配置方案搭配了4種喬木，其它配置方案為2 ～ 3種喬木，綜合而言喬木防護功能、景觀功能和經濟效益要優于灌木及草本，且該種配置方案也搭配有防護功能極強的旱柳，因此該種配置方案最優。次優配置方案為、、、，綜合評價值在0.309 8 ～ 0.347 5之間，其余配置方案綜合評價值較低，在0.107 0 ～ 0.294 2之間，其中最差方案為和，究其原因兩種方案均只有兩種喬木，且暴馬丁香多灌木或小喬木，防護功能相對于喬木要弱一些。

由表6可以看出，20種配置方案中防護功能最優的方案依次為第、、、、、種方案，綜合評價值在0.579 0 ～ 0.659 2之間。以上6種配置方案，均采用多種喬木、灌木、草本的搭配方式，都選擇有根系發達、萌孽能力強、固土防風性能好的旱柳和水曲柳，較單一結構人工防護林從各方面都加強了防護功能。第種配置方案綜合評價值為0.018 8，防護功能最差。這是由于選擇的喬木主要為小喬木水冬瓜赤楊和暴馬丁香，樹木高度、根系發達程度要弱于高大的喬木，因此防護功能比其他方案要差很多。第、種方案防護功能幾乎沒有差別，主要是因為這兩種搭配方式只有草本搭配不相同，第種方案采用花草搭配，第②種只采用草本搭配，兩種方案均能形成獨特的白樺林景觀，但防護功能差別不大。

第、、、種方案防護功能幾乎相同，原因在于搭配方式主要是灌木及草本種類不同，且灌木之間及草本之間固土、防風和消浪能力區別不大，因此對防護功能影響不大，主要是形成了風格不同的人工防護林景觀。

由表7可以看出，人工防護林配置方案景觀功能評價結果區別不大，綜合評價值在0.005 9 ～ 0.015 8之間。第① ～ ⑥種配置方案綜合評價值均低于其他種配置方案，究其原因，由于這6種方案喬木只選擇了一種，意在白樺樹干通直、潔白雅致，可以形成獨特的白樺林景觀，但種類單一也影響了整體的美觀性能。

由人工防護林配置方案經濟效益評價結果（表8）可以看出，第①、②、③、④、⑤、⑥、⑧、種方案綜合評價值在0.011 5 ～ 0.014 8之間，為最優配置，其余方案綜合評價值在0.000 1 ～ 0.009 8之間，為次優配置，各方案經濟效益整體差異不大。

5? ? 結論與建議

松花江干流沿岸地區是水土流失較為嚴重區域，且當地防護林林分結構單一、質量差，為了固土護堤、減少洪澇災害發生，亟需對當地防護林進行科學合理的配置。通過對20種人工防護林配置方案的防護功能、景觀功能以及經濟效益進行綜合評價，選出最優配置方案，為松花江干流沿岸哈爾濱段防護林種植提供一定參考。

（1）綜合考慮防護功能、景觀功能、生態效益之后，可選擇第、、、、、、種方案種植，既能保持水土、防風固沙和削減波浪，又改善了林分結構單一、種類少的不足，同時使得整體景觀層次分明、錯落有致、色彩搭配適宜，具備一定的觀賞性能，還有一定的經濟效益，能夠很好的改善當地的生態環境，帶動當地生態及經濟的發展。

（2）單獨考慮防護功能時，可選擇第、、、、、種方案種植;單獨考慮景觀功能時，第～種方案均可種植;單獨考慮經濟效益時，可選擇第、、、、、、、種方案種植，但經濟效益整體差異不大，也可以考慮防護功能、景觀功能，選擇其余方案種植。

（3）該地土壤濕潤肥沃、呈堿性，需要根據當地氣候、地理等因素因地制宜、適地適樹的選擇喬木、灌木及草本植物種植。經過綜合評價，多種喬木、灌木和草本植物搭配種植的方式可以有效的發揮防護林多種多樣的功能效益，并加強松花江干流沿岸堤防作用。

（4）依據綜合評價結果，該地人工防護林種植提出以下建議：調查更多本土喬木、灌木及草本植物的特點和生活習性，選擇根系發達的深根植被并進行合理的搭配。在進行人工防護林種植時，選擇合理的種植密度及水平結構配置方式，最大程度的發揮防護林的多重功能。

參? ? 考? ? 文? ? 獻

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