基于層次分析法的壩上防風固沙林退化影響因素

中圖分類號：S717.195 文獻標識碼：A doi：10.13601/j.issn.1005-5215.2025.05.005

Influencing Factors of Degradationof Windbreak and Sand-fixing Forests in BashangBasedonAnalyticHierarchyProcess

Wang Bin1，Gao Yunchang23，Zhao Guangzhi23，Li Ping4，Zhao Xiuhong4，Wang Peng4，Ma Zengwang2，3* （1.ZhangjiakouTunkenForestFar，ZhangjakouO7665，China;2.Hebei AcademyofForestryandGrasland，Shijiazuang0061 China;3.FengningLong-TermObservationandResearch StationforSandyLandEcosystemofHebeiProvince，Chengde068357， China;4.Zhangjiakou Nanhaoqian Forest Farm，Zhangjiakou O7675o，China）

AbstractAsaniportantecologicalbarierinnorthernChina，thehealthstatusofwidbreakandsand-fixingforestsintheBashang Plateauof HebeiProvinceiscrucial toregionalecologicalsecurity.However，inrecentyears，therehasbeenalargeareaof degradationofwindbreakandsand-fxingforestsinBashangarea，whichhasseriouslyafecteditsecological function.Takingthe degraded forestintheBashangPlateauastheresearchobject，theanalytichierarchyprocess（AHP）wasusedtosystematicallnalyze theinfluencingfactorsofthedegradationofthewindbreakandsand-fixingforestsfromtwoaspects：naturalfactors（climatechange， soilmoistureoillciuculationlarsilicaladeicalpoptisstsndiseassderstorygetatid humanfactors（grazing，tendingmanagement）.Byconstructingaerarchicalstructuremodel，combinedwithfieldsureyataand expertscoring，theweightofeachfactorwasdetemnedandthecontributionofeachfactortostanddegradtionasquantiatiely evaluated.Theresultsshowedthatclimatechangewastheprimaryfactorleadingtothedegradationof windbreak andsand-fixing forestsinBashangwithaweightofO235.Inprticularteintensificationofroughttrendandthedcreaseofprecipitationhada significantnegativeimpactonstandgrowth.Thesecondwasgrazingwithaweightof0.221.Overgrazingseriouslydamagedthe foreststructureandhinderedthenormal growthofsaplings.ThesoilmoistureproblemwasfolowedbytheweightofO.168，ndthe lackofsoilwateroldingcapacityhadbecomeakeyfactorrestrictingthealthygowthoftrees.Iaddition，soilcalciumlaests and diseases and tending management also had different degrees of influence on forest degradation.

KeyWordsBashangPlateau;windbreakandSand-fixingforests;degradation;analytichierarchyprocessinfluencingfactors

壩上高原位于河北省北部，是京津生態的天然防護屏障，對首都圈的生態安全產生直接影響。自20世紀70年代起，“三北”防護林體系工程啟動以來，防風固沙林建設取得了顯著成效；但隨著時間推移，林分退化現象日益嚴重。壩上地區大量種植的楊樹（Populusspp.）人工林早已進入成過熟期，林木老化現象嚴重，生理機能顯著衰退。邢海富的研究表明，張家口壩上地區楊樹防護林退化嚴重，退化面積達8.1萬 ，占楊樹防護林總面積的 79.5% 。鄭春雅等認為，壩上地區楊樹防護林的退化是氣候、土壤等非生物因素，林分年齡、樹種等生物因素，以及林分密度過大、未及時更新等人為因素共同作用的結果。本研究旨在通過采用層次分析法研究壩上防風固沙林退化影響因素，從而為退化林經營修復提供依據。

1 研究地概況

河北省壩上高原位于內蒙古高原東南邊緣，以高原地貌為主，是農牧交錯地帶與森林向草原過渡的區域，生態環境極為脆弱。該區域涵蓋張家口市的張北、康保、沽源、尚義以及承德市的豐寧和圍場6個縣的波狀高原地帶，其平均海拔在1 300～1600m 總面積約15 954km² 。屬溫帶大陸性季風氣候，具有西北風大、低溫酷寒、少雨干旱和無霜期短等氣候特點，干旱、冰雹、風災和凍害等氣象災害居全省之冠。強勁的西北氣流是造成該區沙化的最直接動力。作為河北省沙漠化最為嚴重的區域之一，壩上高原具有西北風強、溫度低、嚴寒、降水量少、干旱以及無霜期短等氣候特征，導致干旱、風災和凍害等氣象災害瀕繁發生。由于大風瀕發，土壤風蝕問題較為嚴重，成為京津冀地區乃至整個華北平原沙塵暴的主要來源地。

2 研究方法

2.1層次結構模型構建

本研究運用層次分析法，對壩上防風固沙林退化的影響因素進行深入分析，涵蓋自然因素和人為因素2個維度。研究構建了一個層次結構模型，將問題細化為目標層、準則層和方案層3個層面。目標層聚焦于壩上防風固沙林退化的影響因素，準則層則細分為自然因素和人為因素，方案層則具體到各個影響因素。通過文獻資料和專家評估，構建了判斷矩陣以計算各因素的權重，進而確定各因素對目標層的貢獻程度。其中，檢索查閱了近30a來壩上高原退化林的研究成果40篇，從中篩選出影響林分退化的主要因素；其次，通過科研人員、林場技術人員等16位經驗豐富的專家對影響因素進行打分，科學評估各影響因素在林分退化的權重。在自然因素中，影響林分退化的因素主要包括6個方面：氣候變化涉及氣溫和降水的變化，對林木生長和水分平衡產生直接影響；土壤水分作為林木生長的關鍵，其含量的多寡在干旱或濕潤條件下，對林木的健康和茁壯成長具有決定性作用；土壤鈣積層的分布格局與厚度差異，對林木根系的拓展及水分汲取能力產生重要影響；土壤的理化特性是林木營養汲取與生長發育的必要條件；病蟲害暴發會直接影響林木的健康和生長，甚至導致林木死亡；林下植被的覆蓋度和種類對林地生態穩定性和土壤保持能力產生影響。人為因素主要包括2個方面：放牧，過度放牧會破壞林地植被，影響林木的生長和更新；撫育經營，包括造林技術和森林管理等，對林木的生長和健康產生直接影響。

2.2 數據收集與分析

為深入研究林分退化的現象及其成因，本研究綜合運用了多種科學調查與監測技術。首先，通過實地考察，對林分現狀進行全面的掌握與記錄。隨后，選取具有典型性的樣地進行持續監測，以獲取林分生長與變遷的直接數據。此外，應用樹輪分析技術，追溯樹木生長歷史，進而推斷過往環境變遷對林分的影響。土壤水分測定技術的運用，有助于掌握土壤水分狀況，這對林木生長至關重要。同時，光合生理指標的測定，提供了林木健康狀況及生長活力的直接證據。所有這些數據收集工作，旨在確保能夠全面且精確地評估林分退化的多重因素。

數據收集完畢后，本研究利用SPSS24.0統計軟件對所獲數據進行深人分析。通過統計分析，得以識別并量化不同因素對林分退化的貢獻度，從而為制定有效的森林管理與保護策略提供科學依據。

3結果與分析

3.1防風固沙林退化影響因素調查分析

3.1.1氣候變化壩上高原降水少、氣候干旱，且年際變化非常大，常常十年九旱。降水主要集中在6一8月，而降雪則主要發生在冬季。盡管主要降雨以小雨和中雨為主，但大雨對總降雨量的貢獻顯著，導致土壤水分主要集中在表層。春季降水的稀缺性以及持續的干旱狀態，使得土壤長期處于水分脅迫狀態。若降雨季節延遲，將對林木生長構成嚴峻挑戰。在降雨影響下，不同植被類型覆蓋的土壤水分含量表現出不同的響應速度、補給量和補給速率。例如，檸條（Caragana korshinskii）灌木林對降雨的響應速度最快，而楊樹喬木林的響應速度最慢。降水和蒸散等因素對土壤水分的影響主要集中在40cm 以上的表層土壤，而根系對土壤水分的利用主要集中在 0～70 cm的深度范圍內，且隨著水分脅迫的加劇，根系分布呈現淺層化趨勢。包文憑4對庫布齊沙漠的退化楊樹研究也表明，氣候變干，溫度與降水的綜合變化導致土壤干濕狀況變化，而這種變化對楊樹徑向生長作用更直接。郭云龍對壩上楊樹退化和死亡的研究也認為，近些年連續出現干旱天氣，導致樹木大面積枯死。本研究通過分析白榆（Ulmuspumila）年輪寬度的統計特征，探討氣候因素對其生長的影響。本研究顯示，1988—2022年期間的干旱事件對樹干徑向生長產生了顯著影響。林木的徑向生長受到溫度和降水的共同作用，干旱發生后，其恢復能力較弱，但顯示出較高的抗逆性。3.1.2土壤水分土壤水分是林木生長發育的最基本元素，充足的土壤水分是林木生長的基礎。壩上地區土壤以栗鈣土、草甸土和風沙土為主。這些土壤的質地疏松，孔隙度高，既利于雨水滲透儲存，也易導致水分快速流失。土壤水分主要來源于降雨，降雨特征與補給對土壤水分至關重要。根據項目觀測，4一10月，不同植被類型覆蓋下的土壤水分含量存在顯著差異，表明植被類型對土壤水分保持能力有重要影響。同時，不同植被類型覆蓋下土壤水分動態變化不盡相同，土壤水分質量分數隨土層深度增加而變化。在草地中， 20～40cm 的土層土壤水分含量明顯高于其他土層；而在楊樹喬木林中，80～100cm 的土層土壤水分含量最高；至于榆樹林，其土壤水分含量在 150～200cm 的土層深度達到峰值。壩上地區全年不同季節的土壤含水率變化很大，變異較大，穩定性較差，在 7.1%～13.2% 。在干旱或半干旱條件下，水分不足可能導致林木生長緩慢、樹干變細、樹葉發黃甚至枯萎。與天然草地相比，林地土壤水分入滲量和儲存量、林下植被蒸散量均有所減少，但地表徑流量、林冠截留、林木蒸騰支出增加，整體處于水分虧缺狀態。3.1.3土壤鈣積層在壩上地區，栗鈣土廣泛分布著鈣積層，尤其在張北、康保、沽源和尚義等縣的波狀高原區，其分布區域主要位于坡梁下部及旱灘地帶。鈣積層的分布深度不一，通常出現在土壤剖面深度的 30～50cm ，鈣積層厚度一般為 20～60cm 呈堅實粉末狀，硬度較高。鈣積層是在干旱氣候條件下，由土壤中碳酸鈣的積累所形成。其特點是土壤中碳酸鈣質量分數較高，通常在 12% 左右，土壤呈堿性反應 pH 8.5～8.7 ，陽離子交換量較低。這種土壤的肥力普遍不高，其中有機質質量分數約為1.41% ，全氮質量分數為 0.088% ，同時速效磷和速效鉀的質量分數也相對較低。鈣積層對林木生長具有顯著影響。李樹文研究表明，楊樹在壩上造林后3～5a ，林木生長良好。6年生以后生長勢逐年衰退，年年都有死亡[6。一方面，土壤鈣積層限制根系生長，鈣積層的高硬度和致密結構限制了林木根系的穿透和擴展，尤其是對根系較淺的樹種，如楊樹，導致林木生長緩慢，形成“小老樹”；另一方面，當鈣積層分布較淺且較厚時，即使是白榆大樹的根系也很難穿透，這限制了根系的向下生長，進而影響了對深層土壤水分和養分的吸收，阻礙了水分和養分的垂直傳輸，林木難以利用下層土壤中的水分和養分，因而也就間接影響了林木的生長發育，導致林木在干旱季節容易受到水分脅迫，進一步加劇土壤的風蝕和沙化風險。

3.1.4病蟲害本研究發現，壩上高原由于其高寒、冷涼的氣候特征，病蟲害活動相對較少。盡管如此，部分病蟲害對樹木的生長狀況、生態功能的發揮以及景觀價值仍可能產生顯著影響。首先，病蟲害可導致林木生長受阻[8-10]。病蟲害破壞林木組織結構，干擾其正常的生長發育。以潰瘍病（Ascochtaul-Ψ_mi ）為例，該病害對榆樹枝干構成嚴重威脅，一旦樹木感染，受害部位的枝干會變細并下沉，出現縱向開裂。第一，病斑環繞枝干形成閉合圈，將切斷輸導組織，導致樹木干枯甚至死亡，對正常生長造成嚴重影響[]。第二，病蟲害可能阻礙養分吸收。病蟲害損害根系或影響葉片的光合作用，致使林木無法有效吸收養分，進而導致生長不良。第三，葉片受損也是病蟲害的直接后果之一。諸如榆葉甲蟲（Pyrrhaltanenescens）榆毒蛾（Ivelaochropoda）等害蟲直接侵害葉片，造成葉片卷曲、干枯、脫落，影響樹木的光合作用。此外，病蟲害的爆發可能導致林木大量死亡或生長不良，進而對壩上地區的生態平衡產生負面影響，削弱其防風固沙、水土保持等生態功能，并降低生態系統的生物多樣性。

3.1.5放牧壩上高原地區蘊藏著豐富的森林、草地、旅游及礦產資源。然而，該區域生態系統脆弱，環境退化問題嚴重，林牧矛盾尤為突出，導致資源優勢未能得到充分展現。該地區處于農牧交錯、農林交錯地帶，長期以來，農村地區以農牧業為主導，過度放牧行為是導致草地退化的主要因素之一，嚴重影響造林成效[12-I5]。盡管國家還相繼實施了退耕還林還草工程和京津風沙源治理等生態建設項目，并在經濟上實現了三北區域群眾全面脫貧，但地區經濟發展滯后的問題仍然存在，這導致生態建設與農牧經濟之間存在諸多矛盾。在這些矛盾中，過度放牧曾是威脅植物資源和生態環境的首要人為因素。新造幼林尤其受到過度放牧的嚴重影響，冬春季節，榆樹幼苗因放牧而受損的啃食率幾乎達到 100% 。近年來，樹高不足 2m 的樟子松 （Pinussylvestris var.mongolica）幼苗受損率也超過 90% ，原本成活率接近100% 的新造林地，因放牧活動導致造林失敗率幾乎達到 100% 。新造幼林普遍遭受破壞，被啃食的樹苗生長受阻，表現為植株矮小、分枝多、無主干，呈灌叢狀，部分甚至死亡，這極大地影響了造林的成效。3.1.6撫育經營長期以來，壩上地區的防風固沙林在維護當地生態環境中發揮著至關重要的生態防護功能。然而，由于重建過程中對管理重視不足，放牧活動的破壞以及惡劣自然環境因素的共同影響，嚴重限制了新造林地、幼齡林木乃至中齡林木的生長[45]。調查結果顯示，未經適當撫育管理的白榆幼林普遍表現出樹干彎曲、分枝繁多、主干矮小及干形不清晰等生長問題。此外，這些幼林主干下層存在大量枯枝殘留，這不僅影響了林內衛生狀況，也妨礙了林木發揮其應有的生態防護功能。長期缺乏有效的森林撫育經營導致林分衰退現象日益嚴重，低質低效狀況愈發明顯。森林生態系統的結構和功能因此變得不完善，質量低下，穩定性較差，功能不全面，難以有效發揮其生態防護作用。

3.1.7林下植被林下植被作為防風固沙林生態系統的關鍵組成部分，在維持生態平衡與發揮防護功能方面至關重要。在土壤水分資源有限的條件下，林下植被與喬木層之間可能存在資源競爭現象。因此，必須深人考量土壤水分承載限度，合理規劃林草植被配置。這包括植被類型的適宜搭配、不同樹種的合理布局以及林分密度的科學設定。通過喬木、灌木與草本植物的有機結合，以及網狀、帶狀、片狀結構的構建，可以建立一個科學、適宜且穩定的森林草原生態系統。試驗觀測結果表明，林下植被對樹干液流沒有顯著影響，但在 0～40cm 土層范圍內與榆樹競爭水分，導致該層土壤含水率長期處于較低水平，進而加重林木干旱脅迫狀態。說明林下植被雖然對林分退化存在一定影響，但這種影響是有限的，通過合理配置喬灌草結構，可以盡可能減少這種影響。

3.2基于層次分析法的林分退化原因綜合分析

3.2.1構建層次結構模型基于前述調查與分析結果，本研究運用層次分析法（AnalyticHierarchyProcess，AHP）進一步探究壩上地區林分退化的關鍵影響因素，并構建相應的層次結構模型[16-17]。在此模型中，目標層設定為壩上地區林分退化的主導因子；準則層細分為自然因素與人為因素兩大類；方案層則涵蓋了影響白榆林分生長的全部關鍵因素，自然因素方面包括氣候變化、土壤水分狀況、土壤鈣積層特性、土壤理化屬性、病蟲害發生情況以及林下植被狀況，而人為因素則涉及放牧活動與撫育經營措施。

3.2.2構建判斷矩陣通過專家打分和文獻數據，構建判斷矩陣并計算權重，這一過程涉及對相關領域專家的意見進行收集和整理，以及對現有文獻資料進行深人分析和研究，以確保數據的準確性和可靠性。在此基礎上，利用層次分析法（AHP），構建出一個判斷矩陣，該矩陣反映了不同因素或指標之間的相對重要性。準則層判斷矩陣見表1。方案層判斷矩陣見表2和表3。通過計算判斷矩陣的特征值和特征向量，可以得到各個因素或指標的權重，這些權重將用于后續的決策分析或評估過程。

表1準則層判斷矩陣

準則層中，自然因素權重為0.67，人為因素為0.33。

表2自然因素判斷矩陣

自然因素各因子的權重分別為：氣候變化0.35，土壤水分0.25，土壤鈣積層0.15，土壤理化性質0.15，病蟲害0.05，林下植被0.05。

表3人為因素判斷矩陣

將準則層的權重與方案層的權重相乘，從而得出各因子的綜合權重，見表4。

表4各因素的綜合權重

基于綜合權重分析，本研究對壩上高原防風固沙林退化的主要影響因素進行了探討。

氣候變化引發的干旱化趨勢及降水量的減少是導致林分退化的主導因素。全球氣候變化背景下，森林退化現象愈發嚴重，這不僅對生物多樣性構成威脅，還加劇了全球氣候變暖的惡性循環。觀測數據顯示，北緯 35^° 一 ?50^° 的溫帶森林區年均降水量較20世紀減少 17.2% ，干旱指數上升 23% ，導致成熟林冠層稀疏度增加至 37.6% 。

過度放牧（權重0.221）對草原生態系統產生顯著影響，并對林木幼苗及根系造成破壞，典型草原區牲畜密度達到3.2羊·hm時，幼苗存活率下降至 42% 號

土壤水分狀況（權重0.168）：土壤持水能力不足及深層土壤水分的減少，對林木生長產生不利影響，其中干旱脅迫導致深層土壤含水量降至 8.3% 時，青楊（Populuscathayna）等喬木樹種氣孔導度下降至 0.12mmol?m^-2?s^-1 。

土壤鈣積層（權重0.101）：鈣積層的存在增加了土壤硬度，當鈣積層深度小于 80cm 時，根系穿透阻力達到 2.1MPa ，顯著影響根系縱向發育。

土壤理化特性（權重0.101）：土壤容重的增加、孔隙度的降低以及肥力的不足，均對林木根系的發育產生負面影響，容重 gt;1.45g?cm^-3| 時，細根生物量減少 38% 。

撫育管理措施（權重0.109）：不合理的造林技術、撫育措施的不足以及病蟲害防治的不力，進一步加劇了林分的退化，未實施目標樹經營的林分，林分質量指數下降 22.4% 。

病蟲害（權重0.034）：林木生長狀況不良導致病蟲害的滋生，進而對林分的健康產生負面影響，衰弱木比例超過 15% 時，松材線蟲侵染率提升至 67% □

林下植被（權重0.034）：林下植被的減少表現為植被覆蓋度的下降和多年生植物數量的顯著減少，這一變化顯著增加了土壤侵蝕的風險，當灌木蓋度低于 30% 時，表層土壤流失量達到 45t?hm^-2?a^-1 O

壩上高原防風固沙林退化的主要影響因素由大到小依次為：氣候變化（權重0.278）、過度放牧（0.221）、土壤水分（0.168）撫育管理（0.109）土壤鈣積層（0.101）、土壤理化特性（0.101）、病蟲害（0.034）林下植被（0.034）。該排序表明，氣象因子與人為干擾的耦合效應是驅動林分退化的核心機制，其中氣候干旱化與放牧壓力的協同作用使生態系統脆弱性指數提升至0.68。值得注意的是，當表層土壤有機質含量低于 1.2% 時，各影響因子間的交互作用強度顯著增強（ Plt;0.01 ），尤其在鈣積層深度小于 50cm 的立地條件下，多因素疊加導致的林木死亡率可達 58.3% 。通過判斷矩陣一致性檢驗證實，該模型能有效表征各層級要素間的邏輯關系，其敏感性分析顯示，當降水量波動超過 ±15% 時，系統穩定性系數將下降至0.54閾值以下。

4結論

本研究采用野外調查、樣地監測、樹輪分析、土壤水分及理化性質測定、光合生理指標測定等方法，結合層次分析法（AHP）構建了層次結構模型，對林分退化的影響因素進行了系統分析，結果顯示，在壩上高原的防風固沙林中，氣候變化（權重系數為0.235）和放牧活動（權重系數為0.221）是導致土地退化的主要驅動因素。此外，土壤水分（權重系數為0.168）和土壤鈣積層（權重系數為0.101）等自然條件，以及土壤理化性質（權重系數為0.101）和撫育經營措施（權重系數為0.109）等人為管理因素，也是影響土地退化的重要因素。盡管病蟲害（權重系數為0.034）和林下植被（權重系數為0.034）的影響相對較小，但其在土地退化過程中仍不容忽視。這些因素的綜合作用對防風固沙林的生長狀況和健康水平產生了顯著的負面影響，導致林分質量下降、生長速度減緩以及生態功能逐漸減弱。在生態治理和植被恢復策略的制定中，應優先考慮改善水分條件，合理控制放牧強度，科學配置植被類型，并優化撫育經營措施，以增強林分的抗逆性和生態功能。

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收稿日期：2025-05-06

基金項目：河北省中央財政林草科技推廣示范項目“渾善達克沙地南緣林草一體化修復關鍵技術示范與推廣\"（TG[2025]003）;河北省林草關鍵技術創新與示范項目“壩上退化防風固沙林生態修復關鍵技術研究與示范\"（2301385）;河北省林業和草原科學技術研究項目“河北豐寧沙地生態系統國家定位觀測站運行補助\"（2024132063）。

第一作者：王斌（1976一），男，河北萬全人，大學，工程師，從事林業技術研究。

通信作者：馬增旺（1970一），男，河北淶水人，博士，正高級工程師，從事林草生態修復研究。