新疆石河子墾區150團農田防護林生態狀況評價

摘要：干旱沙區的農田防護林是人工綠洲的重要生態屏障，在防治風沙災害、改善區域小氣候、保障人民正常生產生活等方面發揮著至關重要的作用。本研究以新疆石河子墾區150團為研究區域，構建了基于遙感生態和林學兩個層面的評價指標體系，使用Landsat 8 OLI遙感數據提取了農田防護林遙感生態指標，并采用層析分析法對該地區的農田防護林生態狀況進行等級劃分和制圖。同時，考慮了農田防護林的布局和實際樹種情況，對150團的農田防護林生態狀況進行了分析。研究結果表明，150團的農田防護林生態狀況中等，其中生態狀況表現為優的林帶占總林帶的21.2％，生態狀況表現為中等的林帶占41.8％，生態狀況表現為低的占30.9％，而生態狀況較差的占6.1％；防護林布局基本合理，連接度和環度分別為0.4307和0.1444，林帶走向合格率為61.6％。在南北方向，林網狀況存在差異；防護林樹種較少且搭配不合理。該研究成果可為農田防護林的修復、更新和改造提供參考依據，并對更大范圍的農田防護林生態狀況評價具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：農田防護林；生態狀況；評價體系；層次分析法；150團

Evaluation ecological status of farmland shelter forest in the 150 regiment of Shihezi reclamation， Xinjiang

Abstract：Farmland shelterbelts are an important ecological barrier for artificial oases in arid desert regions， and can play a key role in preventing and controlling sand and dust storms， improving regional microclimate， and ensuring normal production and living of the people. In this study， the 150th regiment of Shihezi reclamation was selected as the research area， and an evaluation index system based on remote sensing ecology and forestry was constructed. The farmland shelterbelt information was extracted using Landsat 8 OLI remote sensing data， and the ecological status of the farmland shelterbelt in the area was graded and mapped using the analytic hierarchy process. Meanwhile， taking into account the layout and actual tree species of the shelterbelts， the ecological status of the farmland shelterbelt in the 150th regiment was analyzed. The results showed that the ecological status of the farmland shelterbelt in the 150th regiment was medium， with excellent shelterbelts accounting for 21.2% of the total shelterbelts， medium-grade shelterbelts accounting for 41.8%， low-grade shelterbelts accounting for 30.9%， and poor shelterbelts accounting for only 6.1%. The layout of the shelterbelts was relatively reasonable， with connectivity and circularity of 0.4307 and 0.1444， respectively， and the pass rate of shelterbelt orientation was 61.6%. However， there were differences in the shelterbelt network in the north-south direction， and the number and combination of tree species in the shelterbelts were insufficient. The research results can provide a reference basis for the restoration， updating， and renovation of farmland shelterbelts， and have reference significance for the evaluation of the ecological status of farmland shelterbelts on a larger scale.

Keywords： farmland shelter forest; Ecology status; evaluation system; Analytic hierarchy process;150 regimental field

人工種植的農田防護林旨在防治風沙、保持水土、涵養水源、調節氣候和提高農作物產量，而截至2018年，我國農田防護林的保存面積已達165.6萬hm2錯誤！未找到引用源。，這些農田防護林在維護區域生態安全、保障工農業生產等方面發揮著至關重要的作用。遙感技術（RS）和地理信息系統（GIS）具有省時、省力、高效、快速以及信息豐富的特點，是獲取農田防護林及其生態狀況信息的有力手段，國內外眾多學者都將遙感和GIS應用于生態狀況評價。

張彩霞利用AHP（Analytic Hierarchy Process）法建立了評價指標，并用該指數評價了民勤綠洲防護林的生態效益錯誤！未找到引用源。。葛玉祥對黑龍江主要縣域的楊樹農田防護林進行了實地調查和測定，計算了楊樹林帶的疏透度，并通過分析對現有的楊樹防護林帶的生態功能進行了評價，提出了修復和改進意見錯誤！未找到引用源。。Nguyen等人研究了越南的防護林對于保護區域免受風害和固定沙丘的效果，結果表明防護林的防風固沙效果顯著錯誤！未找到引用源。。在韓國，由于黑松林防護林的種植，濱海地區的風速得到了顯著降低，流沙得到了控制錯誤！未找到引用源。。這些研究結果表明，防護林在不同的自然環境和地理條件下，都能夠發揮重要的生態和經濟效益。Wynet等人利用遙感和地理信息系統技術，對Batemi河谷的生態狀況進行了評估錯誤！未找到引用源。。Ochoa-Gaona S和Sullivan C A利用遙感技術支持的評價指標對森林和草地生態系統進行了監測和評價錯誤！未找到引用源。。Basso F等人基于遙感和GIS技術，對Agri流域的生態環境進行了評估錯誤！未找到引用源。。此外，Ham等人使用隨機森林算法進行土地覆蓋分類，并提出了改進方法錯誤！未找到引用源。。這些研究表明，利用遙感和GIS兩項技術的優勢，可以快速、高效、便捷地評估生態狀況。李旭文等利用Landsat 8數據反演區域的部分生態環境錯誤！未找到引用源。，而張彬等基于RS和GIS技術建立了生態環境評價的模型，繪制出研究區的生態環境質量的等級分布圖，同時揭示了其時空變化的特征錯誤！未找到引用源。。劉瑞等依賴于遙感影像構建了一個生態環境狀況評價的模型，并確立了一套評價指標體系，最后結合模型和指標體系，又對欽南區的生態環境質量進行了評價錯誤！未找到引用源。。劉金珍等利用RS技術對淋溪河流域的生態環境質量進行了研究錯誤！未找到引用源。。徐涵秋等綜合考慮了4種生態要素，提出了一個完全基于遙感數據計算的指數，以此來反映城市的生態環境變化情況，同時對長汀縣的生態環境進行了評價錯誤！未找到引用源。-錯誤！未找到引用源。。羅春運用Landsat-8影像，選取了四個遙感生態指數來監測與評估區域的生態變化錯誤！未找到引用源。。《生態環境狀況評價技術規范》中明確了生態環境狀況評價的方法及生態環境狀況等級劃分標準錯誤！未找到引用源。。李昭陽運用TM與MODIS數據，對松嫩平原的生態變化進行了研究，并揭示了其演變規律及特征錯誤！未找到引用源。。孟巖等運用遙感技術反演了能反映墾利縣生態環境的指標，從而實現對其的定量評價錯誤！未找到引用源。。王思遠等充分利用RS和GIS技術的優勢，采用了主成分分析的方法實現了對湖北省生態環境質量的評價錯誤！未找到引用源。。另外，高懋芳等基于遙感與地理信息技術，構建了符合我國農業實際狀況的生態評價指標體系錯誤！未找到引用源。。

準噶爾盆地是新疆北部風沙活動較頻繁的區域，該區營造的防護林對于改善區域環境、保障綠洲內居民的正常生產生活起到了巨大的作用。然而，近年來受到節水灌溉技術推廣的影響，該地區部分防護林出現了一定程度的衰退情況。有研究表明準噶爾盆地南緣150團的防護林主副林帶間距過大，部分林網殘缺不全，衰退現象普遍存在，不僅使農戶遭受經濟上的損失，而且還對農戶承包經營防護林的積極性造成了消極影響錯誤！未找到引用源。。對農田防護林的生態狀況進行評價，旨在發現其存在的主要問題，選擇具有科學性、代表性和可操作性的評價指標和方法，對防護林的優劣程度進行定性和定量評估，以幫助林業主管部門全面了解當前防護林經營中的問題，并提出相應的保護建議和措施。石河子墾區的150團處于古爾班通古特沙漠腹地，自然生態環境較惡劣，因此，本研究基于RS和地面調查數據，應用層次分析法對此區域的農田防護林進行生態狀況的定量評價，以期可為干旱半干旱區農田防護林的修復、更新提供參考依據。

1 材料與方法

1.1研究區概況

石河子墾區150團地處天山北麓，位于準噶爾盆地南緣，含22個行政單位（21個連部、1個團部），南北長33.57 km，東西寬17.66 km。本區是典型的干旱半干旱大陸氣候，平均氣溫為6.1℃，最高氣溫為43.1℃，最低氣溫為-42.8℃。年平均降水量為117 mm，年平均蒸發量為1945 mm，蒸發量為降水量的16倍。團場地勢由東南向西北傾斜，土壤主要是灰漠土，占團場面積的67.7%，植被主要以胡楊（Populus euphratica）、榆樹（Ulmus pumila）、沙拐棗（Calligonum mongolicum）、梭梭（Haloxylon ammodendron）、檉柳（Tamarix chinensis）、駱駝刺（Alhagi camelorum）為。

1.2 研究方法

本研究采用層次分析法對石河子墾區150團的農田防護林進行生態狀況評價，同時應用防護林布局指標其對空間格局進行評價。

1.2.1農田防護林生態狀況評價

（1）指標體系構建

選擇評價指標應滿足以下要求：能較全面描述農田防護林的生態狀況；能突出150團農田防護林的地域特色和自身特點。由于農田防護林生態狀況受多種因素的影響，且未形成統一的指標體系，因此結合150團農田防護林的特點，參考其他學者建立的評價體系，按照指標體系建立的原則，初步確定了評價體系的3個層級（目標層、準則層、指標層），并確定了9項指標（圖1）。

考慮到農田防護林的自身特點，并綜合其他學者的研究，本研究在基于遙感的生態評價中選擇了植被指數、植被覆蓋度、溫度植被干旱指數和熱度指標四項指標。農田防護林的生態效益，可以根據許多指標進行度量。根據第八師150團的農田防護林特點，選取了具有代表性的五項指標，分別是：每公頃蓄積、胸徑、郁閉度、每公頃株樹及齡組。

（2）指標權重確定

為保證評價指標的科學性，邀請12位專家學者和林業從業人員打分，對評價因子的重要程度兩兩比較，計算得到權重判斷矩陣，通過幾何平均法，求各指標的權重，計算結果都通過了一致性檢驗（CR0.1）（表1）。

（3）評分方法及評價等級

通過對指標的量化采用等級評分的方法，在農田防護林體系生態狀況評價的界定方面，將結合150團的實際情況，將每個評價劃分為三個等級，分別是：優等、中等、較差，并采用黃金分割法分別對各個等級賦分，分別1.0、0.62、0.38錯誤！未找到引用源。。各評價指標等級劃分的標準見表2。綜合各個指標的權重以及等級劃分，將第八師150團農田防護林生態狀況劃分為四個等級，分別是優（[0.80，1.00]）、中（[0.65，0.80））、低（[0.50，0.65））、差（[0，0.50）]。

（4）評價指標的獲取方法

遙感生態指標和林學指標具體計算公式見表3。

1.2.2 農田防護林空間布局

防護林評價指標分為理想態指標和現實態指標，其中理想態指標值根據營林規程中防護林的結構參數以及對各團場進行防護林規劃算出，現實態指標值以防護林布局的理想態為標準，衡量現有防護林0。常用的指標包括總量指標、均勻度指標、成型度指標和林帶走向合格率00。防護林布局評價選取了帶斑比、連接度、環度、林帶均衡度和林帶走向合格率等五項指標（表4）。

1.2.3防護林樹種

在農田防護林建設中，樹種的選擇和搭配至關重要。它不僅影響到林帶幼樹的成活和生長以及林帶的生產力和經濟價值，而且對林帶的結構和防護效益以及效益的持久性具有決定性意義0。所以，為保證林帶的長期穩定性、發揮最大的防護效果，并獲得最佳經濟效益，需要綜合考慮樹種的生物學和生態學特性，以及當地氣候條件和農田防護林的主要目的，進行樹種的綜合評價0。在本評價中，優勢樹種也是一個重要的方面。

1.3 數據處理

本研究利用2021年8月18日的Landsat8 OLI衛星影像作為基礎數據，并對其進行大氣校正、輻射定標等處理，最終裁剪出研究區的影像。

根據已有的150團林地一張圖數據，通過林種分析提取了農田防護林數據，包括農田牧場防護林、護路林和其他防護林三個類型。為了確保準確性，還結合實際勘測和遙感影像對其形狀和地理位置進行了確認，排除了水源涵養林、水土保持林和護岸林等其他類型，最終導出農田防護林數據（圖2）。

2021年8月，通過實地調查與走訪，對150團的農田防護林進行了隨機采樣，共調查樣地24個，對林學指標進行測算，主要測量的數據包括平均胸徑、平均樹高、林帶長度、海拔等，并記錄其優勢樹種（表5），用于后續分析對比。

2 結果分析

2.1 石河子墾區150團農田防護林生態狀況分析

本研究共提取到150團的農田防護林林帶789條。根據上文的評分細則、各指標所占權重，每條林帶的綜合得分為根據評分細則所得出的各指標的相應數值乘以各指標的權重。綜合得分在0～1之間，其中1為最高分，0為最低分，再根據上文所提到的生態狀況等級的劃分，將林帶劃分為四個等級，分別為優、中、低、差（表6）。

石河子墾區150團的農田防護林中生態狀況為優的林帶占總林帶的21.2%，生態狀況中等的林帶占總林帶的41.8%，生態狀況為低的占30.9%，而生態狀況差的林帶僅占6.1%，總體生態狀況中等。從空間分布上看，150團北部，即靠近古爾班通古特沙漠南緣，農田防護林生態狀況較差，而中部的林帶生態狀況較好，其南部的林帶生態狀況也較差，斷帶情況嚴重（圖3）。150團南部的農田防護林生態狀況表現為優的分布最少，北部分布也較少，中部分布最多且比較集中。生態狀況評價為中等的防護林與評價為優的林帶空間分布相似。從綜合表現為優的林帶分布狀況可以說明，在中部位置農田防護林的生態狀況最佳，對農田的防護效果最好。根據生態狀況為低的具體分布表明，150團南部和北部的農田防護林生態狀況表現為差的分布最多，而在150團的中部分布最少，說明150團防護林南北兩部分的生態狀況不佳，防護效果不好。生態狀況差的防護林分布較均勻，沒有呈現明顯聚集。

樹種在農田防護林防護效益方面具有重要作用。本研究中，防護林的生態狀況表現為優的林帶中優勢樹種多為榆屬樹種。具體表現為，在生態狀況表現為優的農田防護林中，優勢樹種為榆屬的占63.47%，楊屬占31.74%，柳屬占4.79%。生態狀況表現為中的農田防護林中，優勢樹種為榆屬的占61.21%，楊屬占35.45%，其他共占3.34%。綜合上述分析可知，對石河子墾區150團來說，榆屬為防護林最佳樹種，楊屬樹種次之。

2.2 石河子墾區農田防護林布局分析

對150團農田防護林網進行宏觀度量，可分為合理狀態和現實狀態下的林網布局各參數。150團位于瑪納斯河流域，對于該區域團場的農田防護林的帶斑比、連接度和環度的合理值分別確定為0.0448、0.7580和0.8155，相對誤差的閾值設定為0.15。

通過提取農田防護林數據，得出節點和連接點分別為276和354。150團的農田防護林合格性差，相對誤差均大于0.15，其中環度的相對誤差最大（表7），其實際值僅為0.1444，對農田的防護效果低，不能起到很好的防風固沙的作用。

干旱半干旱區農田防護林主林帶合格角度范圍應為25°-60°之間，副林帶合格角度范圍為120°-150°之間，而150團主副林帶走向合格率計算中，符合合理范圍的林帶共有486條，占總林帶的61.6%。因此可以認為150團農田防護林的走向布局是合理的（表8）。

對防護林均衡度的判斷時，在經緯兩個方向將研究區劃分為2、4、8份。劃分之后，理論上林帶分布均勻時，每個分區內林帶數相等或相近，以平均林帶數為標準的相對誤差應該在±20%范圍內。研究區內徑向均衡度始終維持在較均衡的水平；緯向二等分時均衡，隨著區域劃分塊數的增加，林帶均衡程度逐漸下降；但是總體來看，林帶是比較均衡的（表9）。

2.3 石河子墾區農田防護林生態狀況評價對比分析

在隨機選取的24個樣地中，通過定位將利用層次分析法得的到農田防護林生態狀況情況與外業實地調查數據對比，初步驗證層次分析法打分的合理性。在隨機樣地中，有九個樣地評分合理，十五個樣地評分不盡合理（表10）。

3 討論

岳新建[33]應用層次分析法對新疆昌吉國家農業科技園區的農田防護林進行綜合評價時，建議指標體系與現有資源監測體系要有效銜接。為能在更大空間和時間尺度上進行農田防護林生態狀況的評價和預測，本研究基于遙感數據選擇了植被指數、植被覆蓋度、溫度植被干旱指數和熱度指標，其中前兩個是遙感監測中常用的兩個指標，能直接反映出農田防護林的情況，可用性強；溫度植被干旱指數和熱度指數同樣可以反映植被的生長情況，尤其是150團處于古爾班通古特沙漠南緣，東西北三面環沙，而干旱指數和熱度指標能在一定程度上反映農田防護林的生態效益。

石河子墾區150團農田防護林帶斑比、連接度和環度分別為0.0278、0.4307和0.1444，與團場的合理值相比均沒有達到理想狀態。而與楊書雅等0利用2013年高分1號數據計算該區域的農田防護林帶斑比、連接度和環度，分別為0.0108、0.2378、0.4122，兩者相比較可以看出帶斑比和連接度有了十分明顯的提升，而環度有所下降，可能是由于防護林管理不到位，林帶斷帶情況越發嚴重。

根據研究的結果可以看出，通過層次分析法得出的農田防護林的生態狀況與實地調查得出的防護林衰退程度匹配度不是很高，分析其中的原因主要是層次分析法的評分是遙感數據和林學指標綜合評分的結果，而退化程度是通過實地勘測得出的結果。實際調查地點分布不均勻，有許多樣點十分集中且多處于林帶的邊緣，合理猜測為采樣時僅注意局部，沒有對整個林帶進行觀測，其得到的衰退結論具有一定的主觀性，從而造成匹配的差異，林帶斷帶情況實地調查時會被忽略，因此評分結果與實地勘測得出的結果有一定的出入。

4 結論

石河子墾區150團地處沙漠腹地，風沙活動頻發，因此生態安全對團場的農業生產、經濟發展和生活環境具有至關重要的作用。

（1）石河子墾區150團農田防護林生態狀況整體表現為中等，其中生態狀況中等和優秀的林帶數量占總數的63.0%，生態狀況差的僅占6.1%。

（2）150團的農田防護林在布局上，因林帶斷帶情況嚴重，導致連接度和環度相對較低，可能會影響到農田防護林的防護效能，尤其是團場南部區域林帶斷帶情況較為突出。

（3）150團的農田防護林的走向與均衡度較為合理。防護林在走向上合理度大于60%，處于合理狀態。就主林帶走向而言，團場北部合理度大，而團場南部合理度較低；就副林帶而言合格率更低，同樣存在南北差異。林帶均衡度在徑向和緯向分布不均勻，但都在合理范圍內。緯向均衡度隨著分割的塊數增多，均衡度有明顯的下降趨勢，說明緯向林帶分布不均勻，林網狀況好的和差的差別大，應在生態狀況差的區域增加林帶數。

（4）150團的農田防護林樹種主要是楊屬樹種、榆屬樹種和柳屬樹種，防護林的樹種較少，應該增加防護林樹種多樣性。

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