馮莉莉,賈志清,李清雪,何凌仙子,楊凱悅

(1.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,北京 100091;3.青海共和荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站,青海 共和 813005)

高寒沙地優(yōu)勢(shì)防護(hù)林篩選研究

馮莉莉1,2,3,賈志清2,3,李清雪2,3,何凌仙子2,3,楊凱悅2,3

(1.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院,河北 邯鄲 056038;2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所,北京 100091;3.青海共和荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位觀測(cè)研究站,青海 共和 813005)

高寒沙地優(yōu)勢(shì)防護(hù)林篩選對(duì)于治理沙化土地,減少沙漠化的危害具有重要意義?；谇嗪９埠突哪鷳B(tài)系統(tǒng)定位研究站的觀測(cè)數(shù)據(jù)和專家知識(shí),利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)對(duì)不同防護(hù)林類(lèi)型的生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)價(jià),選擇出高寒沙地主導(dǎo)生態(tài)服務(wù)功能優(yōu)化的防護(hù)林類(lèi)型,結(jié)果表明,從流動(dòng)沙丘的中間錦雞兒、檸條和沙蒿中選擇中間錦雞兒和檸條,從丘間地的賴草、檉柳、烏柳、烏柳+沙柳混交林、烏柳+小葉楊混交林中選擇烏柳和烏柳+沙柳混交林可以更好地實(shí)現(xiàn)其生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值。

高寒沙地；優(yōu)勢(shì)防護(hù)林篩選；生態(tài)服務(wù)功能；層次分析法

0 引言

高寒地區(qū)一般是指高海拔(緯度)、常年低溫、凍土常年不化的地區(qū)。高寒沙地是指處在這樣一種特殊地理氣候條件下的沙地,研究該區(qū)域優(yōu)勢(shì)防護(hù)林的篩選對(duì)于治理沙漠化土地,減少沙漠化的危害具有十分重要的意義。近年來(lái),對(duì)于高寒沙地的植被水分利用狀況、土壤及氣候狀況等研究成為熱點(diǎn)。劉海濤等[1]對(duì)高寒沙地不同林齡烏柳(Salixcheilophila)的水分生理特性及葉性狀進(jìn)行了研究；劉麗穎等[2]對(duì)高寒沙地不同林齡中間錦雞兒(Caraganaintermedia)的水分利用策略進(jìn)行了研究；于洋等[3]對(duì)高寒沙地烏柳林對(duì)土壤的影響進(jìn)行了研究；朱雅娟等[4]對(duì)高寒沙地不同類(lèi)型防護(hù)林的改善小氣候效應(yīng)進(jìn)行了研究；李海東等[5]對(duì)西藏高寒河谷沙地不同演替階段植被的高光譜特征進(jìn)行了研究。

處在高寒沙地的植被對(duì)于不同的生態(tài)服務(wù)功能的作用是有差異的,對(duì)于高寒沙地主導(dǎo)生態(tài)服務(wù)功能優(yōu)化的防護(hù)林類(lèi)型選擇定論不一,本文通過(guò)對(duì)不同防護(hù)林的生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行評(píng)價(jià),從而篩選出適宜高寒沙地種植的優(yōu)勢(shì)防護(hù)林類(lèi)型。目前,對(duì)生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)所采用的方法主要為定量與定性兩種。定量方法對(duì)于解決多目標(biāo)的問(wèn)題,需要大量數(shù)據(jù)做支撐,實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜。定性的方法完全依靠主觀評(píng)分,不能系統(tǒng)合理地對(duì)生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次,在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。該方法是匹茨堡大學(xué)教授薩蒂(美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家)于20世紀(jì)70年代初提出的一種層次權(quán)重決策分析方法[6]。在決策者做出最后的決定以前,必須需要考慮很多方面的因素或者判斷準(zhǔn)則,最終通過(guò)這些準(zhǔn)則做出選擇。因此該方法被廣泛應(yīng)用于對(duì)某一指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)的研究[7-9]。近幾年,AHP被廣泛應(yīng)用于生態(tài)環(huán)境評(píng)價(jià)領(lǐng)域,例如土地資源承載力評(píng)價(jià)、水資源承載力及配置評(píng)價(jià)、地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)、森林健康狀況評(píng)價(jià)等[10-17],但是應(yīng)用于生態(tài)服務(wù)功能綜合評(píng)價(jià)方面卻很少。本研究利用該方法對(duì)高寒沙地人工防護(hù)林的生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),從而篩選出適合高寒沙地種植的優(yōu)勢(shì)防護(hù)林類(lèi)型。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為青海共和荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究站。該站位于青藏高原東北部的共和盆地沙珠玉地區(qū),地域上屬于高原高寒沙化土地類(lèi)型區(qū),地理坐標(biāo)為36°03′～36°40′N(xiāo),99°45′～100°30′E。研究區(qū)海拔2 871～3 870m,年均氣溫為2.4℃,年均降水量為246.3mm,年蒸發(fā)量為1 716.7mm；全年大風(fēng)日數(shù)平均為50.6d,最多可達(dá)97d,風(fēng)向主要為西、西北風(fēng),年均風(fēng)速是2.7m/s,最大風(fēng)速可達(dá)40m/s；無(wú)霜期日數(shù)平均為91d。高海拔、干旱、大風(fēng)、寒冷是其顯著的地理氣候特點(diǎn),表現(xiàn)為生態(tài)環(huán)境的脆弱性,自然環(huán)境的嚴(yán)酷性。研究區(qū)有豐富的沙物質(zhì)基礎(chǔ),加之長(zhǎng)期以來(lái)不合理的土地利用形成了大面積的荒漠化土地。青海共和荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究站空間位置如圖1所示。

圖1 青海共和荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究站空間位置

2 方法

選擇恢復(fù)時(shí)間和種植密度基本一致的人工林。在流動(dòng)沙丘上,選擇恢復(fù)時(shí)間為1998年的中間錦雞兒、檸條(CaraganaKorshinskii)和沙蒿(Artemisiadesertorum)；在丘間地上,選擇恢復(fù)時(shí)間為2000年的賴草(Leymussecalinus)、1998年的檉柳(Tamarixchinensis)、2000年的烏柳、1998年的烏柳+沙柳(Salixpsammophila)混交林和2000年的烏柳+小葉楊(Populussimonii)混交林。每種植被類(lèi)型各選擇樣地4塊,樣地面積均為20m×20m。

采用AHP對(duì)高寒沙地防護(hù)林生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),分別針對(duì)流動(dòng)沙丘和丘間地的防護(hù)林類(lèi)型進(jìn)行篩選。對(duì)于AHP,薩蒂給出9個(gè)重要性等級(jí)及其賦值,將判斷語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為數(shù)值[18],具體比例標(biāo)度如表1所示。利用給出的9個(gè)重要性等級(jí),同時(shí)結(jié)合文獻(xiàn)及專家打分結(jié)果,構(gòu)造判斷矩陣并求出矩陣的最大特征值λmax。把最大特征值λmax帶入(1)式,如果CI≤0.10,認(rèn)為判斷矩陣具有一致性,證明我們賦值合理[6-7]。

表1 比例標(biāo)度

(1)

當(dāng)CI=0,有完全的一致性；CI接近于0,有滿意的一致性；CI越大,不一致越嚴(yán)重。為了衡量CI的大小,引入隨機(jī)一致性指標(biāo)RI(表2)。定義一致性比率為:

(2)

一般,當(dāng)一致性比率CR<0.1時(shí),認(rèn)為判斷矩陣的不一致程度在容許范圍之內(nèi),有滿意的一致性,通過(guò)一致性檢驗(yàn)。如果沒(méi)有通過(guò)一致性檢驗(yàn),則需要重新構(gòu)造判斷矩陣。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

3 結(jié)果及分析

3.1建立層次結(jié)構(gòu)模型

利用AHP對(duì)高寒沙地防護(hù)林生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),分別設(shè)置目標(biāo)層A、準(zhǔn)則層B和方案層C,其中目標(biāo)層A為高寒沙地防護(hù)林生態(tài)服務(wù)功能；準(zhǔn)則層B為高寒沙地防護(hù)林生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)指標(biāo),包括改善小氣候、防風(fēng)固沙、固碳釋氧、改善土壤等4項(xiàng)指標(biāo)；方案層C為研究區(qū)域流動(dòng)沙丘和丘間地上的各種防護(hù)林類(lèi)型。流動(dòng)沙丘和丘間地上防護(hù)林類(lèi)型篩選層次結(jié)構(gòu)模型如圖2、圖3所示。

圖2 流動(dòng)沙丘上防護(hù)林類(lèi)型篩選層次結(jié)構(gòu)模型圖

圖3 丘間地上防護(hù)林類(lèi)型篩選層次結(jié)構(gòu)模型圖

3.2構(gòu)造判斷矩陣

評(píng)價(jià)人工防護(hù)林生態(tài)服務(wù)功能的時(shí)候,土壤改善占較大份額,其次考慮了它的改善小氣候的效益[19-20]。查閱文獻(xiàn)并結(jié)合專家打分,初步確定改善土壤和固碳釋氧是人工防護(hù)林生態(tài)服務(wù)功能綜合評(píng)價(jià)相對(duì)重要的指標(biāo)[21]。利用不同指標(biāo)的重要性構(gòu)造A-B判斷矩陣(表3)。采用MATLAB軟件求得判斷矩陣的最大特征值λmax,進(jìn)而利用(1)式和(2)式求出CR值。

表3 A-B判斷矩陣及其指標(biāo)權(quán)重

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取自青海共和荒漠生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,實(shí)驗(yàn)對(duì)象包括流動(dòng)沙丘上的中間錦雞兒、檸條和沙蒿,丘間地上的賴草、檉柳、烏柳、烏柳+沙柳混交林和烏柳+小葉楊混交林。2012年5月，通過(guò)測(cè)量流動(dòng)沙丘和丘間地上不同防護(hù)林內(nèi)外的風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度,以此來(lái)評(píng)價(jià)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型防護(hù)林的改善小氣候功能。流動(dòng)沙丘上的中間錦雞兒和檸條改善小氣候的功能明顯優(yōu)于沙蒿。丘間地上,烏柳+小葉楊混交林和烏柳+沙柳混交林的改善小氣候功能比較好[4]。

通過(guò)在流動(dòng)沙丘和丘間地上收集沙塵量對(duì)防護(hù)林的防風(fēng)固沙功能進(jìn)行評(píng)價(jià)。2013年10月，對(duì)風(fēng)沙儀采集到的沙塵進(jìn)行收集并稱重,結(jié)果顯示流動(dòng)沙丘樣地收集到的沙塵量為20.7g,然后依次為沙蒿樣地11.9g、烏柳+小葉楊混交樣地6.6g、烏柳純林樣地1.1g。由此可以看出,烏柳在3種防護(hù)林類(lèi)型中防風(fēng)固沙效果最好。其它樣地未得到沙塵數(shù)據(jù),所以在丘間地上僅依照烏柳純林的防風(fēng)固沙效果最好來(lái)構(gòu)造相應(yīng)的判斷矩陣。在流動(dòng)沙丘上,依照中間錦雞兒和檸條的防風(fēng)固沙效果好于沙蒿來(lái)構(gòu)造判斷矩陣。

2013年8月，對(duì)不同防護(hù)林總生物量進(jìn)行研究比較,評(píng)價(jià)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型防護(hù)林的固碳釋氧功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在流動(dòng)沙丘上中間錦雞兒和檸條的固碳釋氧效果優(yōu)于沙蒿,在丘間地上固碳釋氧效果依次為烏柳+沙柳>烏柳+小葉楊>烏柳>檉柳>賴草。

對(duì)不同防護(hù)林下土壤的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,用來(lái)評(píng)價(jià)不同類(lèi)型防護(hù)林改善土壤的功能。2013年5月，采用環(huán)刀法對(duì)土壤容重、最大持水量和最小持水量等物理指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,流動(dòng)沙丘上,中間錦雞兒和檸條的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷水平明顯高于沙蒿。在丘間地上,烏柳+沙柳、檉柳和賴草的土壤機(jī)械組成、容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、毛管孔隙度和總孔隙度都優(yōu)于烏柳純林和烏柳+小葉楊混交林，土壤水分條件和全氮水平也優(yōu)于烏柳和烏柳+小葉楊混交林，賴草和烏柳+沙柳的有機(jī)質(zhì)優(yōu)于其他人工植被類(lèi)型?？傊?烏柳+沙柳和賴草對(duì)改善土壤效果最佳[22]。

因此,流動(dòng)沙丘上中間錦雞兒和檸條改善小氣候、防風(fēng)固沙、固碳釋氧、改善土壤的能力均優(yōu)于沙蒿。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及專家咨詢結(jié)果,構(gòu)造的判斷矩陣如表4—表7所示。丘間地上，兩種混交林(烏柳+小葉楊和烏柳+沙柳)的改善小氣候和固碳釋氧的功能比較好,烏柳的防風(fēng)固沙能力比較好,烏柳+沙柳和賴草的改善土壤的能力比較好。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及專家咨詢結(jié)果,構(gòu)造的判斷矩陣如表8—表11所示。采用MATLAB軟件求得判斷矩陣的最大特征值λmax,進(jìn)而利用公式(1)和(2)求出CR值。

表4 B1-C判斷矩陣及其指標(biāo)權(quán)重

表5 B2-C判斷矩陣及其指標(biāo)權(quán)重

表6 B3-C判斷矩陣及其指標(biāo)權(quán)重

表7 B4-C判斷矩陣及其指標(biāo)權(quán)重

表8 B1-C判斷矩陣及其指標(biāo)權(quán)重

表9 B2-C判斷矩陣及其指標(biāo)權(quán)重

表10 B3-C判斷矩陣及其指標(biāo)權(quán)重

表11 B4-C判斷矩陣及其指標(biāo)權(quán)重

3.3計(jì)算綜合權(quán)重及排名

流動(dòng)沙丘上，不同防護(hù)林類(lèi)型生態(tài)服務(wù)功能綜合權(quán)重及其排名如表12—表13所示。結(jié)果表明中間錦雞兒和檸條的生態(tài)服務(wù)功能明顯優(yōu)于沙蒿,所以在流動(dòng)沙丘上,中間錦雞兒和檸條是高寒沙地主導(dǎo)生態(tài)服務(wù)功能優(yōu)化的防護(hù)林類(lèi)型。丘間地上，不同防護(hù)林類(lèi)型生態(tài)服務(wù)功能綜合權(quán)重及其排名如表14—表15所示。結(jié)果表明烏柳+沙柳混交林的生態(tài)服務(wù)功能明顯好于其它防護(hù)林類(lèi)型,所以在丘間地上烏柳+沙柳混交林和烏柳是高寒沙地主導(dǎo)生態(tài)服務(wù)功能優(yōu)化的防護(hù)林類(lèi)型。

表12 流動(dòng)沙丘上不同防護(hù)林類(lèi)型生態(tài)服務(wù)功能綜合權(quán)重

表13 流動(dòng)沙丘上不同防護(hù)林類(lèi)型的生態(tài)服務(wù)功能綜合權(quán)重排名

表14 丘間地上不同防護(hù)林類(lèi)型的生態(tài)服務(wù)功能綜合權(quán)重

表15 丘間地上不同防護(hù)林類(lèi)型的生態(tài)服務(wù)功能綜合權(quán)重排名

4 結(jié)論與討論

高寒沙地造林需要考慮各種因素的影響,由于植被的成活率低,人工林需要很長(zhǎng)時(shí)間才能形成穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng),篩選出適合該地區(qū)種植的優(yōu)勢(shì)防護(hù)林具有重要意義。本研究利用AHP對(duì)高寒沙地防護(hù)林生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),從而篩選出適合高寒沙地種植的防護(hù)林類(lèi)型,結(jié)果表明:

1) 流動(dòng)沙丘上,中間錦雞兒和檸條改善小氣候、防風(fēng)固沙、固碳釋氧、改善土壤的能力均優(yōu)于沙蒿。在流動(dòng)沙丘上,中間錦雞兒、檸條和沙蒿的生態(tài)服務(wù)功能權(quán)重分別為0.428 6,0.428 6和0.142 8,中間錦雞兒和檸條的生態(tài)服務(wù)功能明顯優(yōu)于沙蒿,所以在流動(dòng)沙丘上選擇中間錦雞兒和檸條作為高寒沙地主導(dǎo)生態(tài)服務(wù)功能優(yōu)化的防護(hù)林類(lèi)型。

2) 丘間地上,兩種混交林(烏柳+小葉楊和烏柳+沙柳)的改善小氣候和固碳釋氧的功能比較好,烏柳的防風(fēng)固沙能力比較好,烏柳+沙柳和賴草的改善土壤的能力比較好。在丘間地上,烏柳+沙柳混交林、烏柳、烏柳+小葉楊混交林、賴草、檉柳的生態(tài)服務(wù)功能權(quán)重分別為0.402 7,0.181 3,0.164 3,0.145 1和0.106 6,烏柳+沙柳混交林的生態(tài)服務(wù)功能明顯優(yōu)于其它防護(hù)林類(lèi)型,所以在丘間地上選擇烏柳+沙柳混交林和烏柳純林作為高寒沙地主導(dǎo)生態(tài)服務(wù)功能優(yōu)化的防護(hù)林類(lèi)型。

單純地依賴某一指標(biāo)篩選適合高寒沙地種植的優(yōu)良防護(hù)林不具備合理性,綜合的生態(tài)服務(wù)功能評(píng)價(jià)指標(biāo)才能使高寒沙地的防護(hù)林篩選更具有合理性。利用AHP對(duì)生態(tài)服務(wù)功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí),指標(biāo)和指標(biāo)權(quán)重對(duì)結(jié)果影響比較大。結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況,本研究選擇改善小氣候、防風(fēng)固沙、固碳釋氧和改善土壤這4個(gè)指標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)該地區(qū)的生態(tài)服務(wù)功能綜合評(píng)價(jià)。其中土壤改善功能主要考慮其水土效益,是從根本上優(yōu)化當(dāng)?shù)卦炝謼l件,提高造林成活率的重要原因,所以占較大比重。總之,分析結(jié)果表明，在青海共和盆地流動(dòng)沙丘上栽植中間錦雞兒和檸條,在丘間地上栽植烏柳+沙柳混交林和烏柳可以更好地實(shí)現(xiàn)其生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值,它們可以作為針對(duì)高寒沙地治理的優(yōu)化防護(hù)林類(lèi)型進(jìn)行推廣。

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TheSelectionoftheMostSuitableShelterForestTypesforAlpineSandyLand

FENG Lili1,2,3,JIA Zhiqing2,3,LI Qingxue2,3,HE Lingxianzi2,3,YANG Kaiyue2,3

(1.SchoolofMiningandGeomaticsEngineering,HebeiUniversityofEngineering,HebeiHandan,056038,China;2.InstituteofDesertificationStudies,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China;3.QinghaiGongheDesertEcosystemResearchStation,QinghaiGonghe813005,China)

The selection of the most suitable shelter forest types for alpine sandy land has great significance to controlling sandy land in this region.In this study,ecological service function assessment of different alpine sandy land shelter forest types was conducted in order to select the most suitable shelter forest type for this special area.Analytic Hierarchy Process(AHP)was used to evaluate the ecological service function of alpine sandy land shelter forest based on data obtained from Qinghai Gonghe Desert Ecosystem Research Station and expert knowledge.Selections of Caragana intermedia and Caragana Korshinskii from Artemisia desertorum,Caragana intermedia and Caragana Korshinskii on moving sand dune and Salix cheilophila and mixed forest of Salix cheilophila with Salix psammophila from Leymus secalinus,Tamarix chinensis,Salix cheilophila,mixed forest of Salix cheilophila with Salix psammophila and mixed forest of Salix cheilophila with Populus simonii on the interdune were taken as the most suitable shelter forest types for alpine sandy land.

alpine sandy land,selection of the most suitable shelter forest types,ecological service function,Analytic Hierarchy Process

S727.23

A

1002-6622(2017)05-0045-07

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.05.009

2017-07-24；

2017-09-27

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“青海共和盆地典型固沙植物根系特征及功能研究”(201504420)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31670706,31600585)

馮莉莉(1986-),女,吉林四平人,博士,主要從事水土保持與荒漠化防治研究。Email:fenglili_caf@163.com

賈志清(1968-),女,北京人,博士,研究員,主要從事水土保持與荒漠化防治研究。Email:jiazq@caf.ac.cn