王蕾, 孟祥江,*, 李驕, 夏鷹, 馬正銳,
1. 重慶市林業(yè)科學(xué)研究院,重慶 400036;
2. 重慶市涪陵區(qū)林業(yè)局,重慶 408099;
3. 重慶市武隆區(qū)林業(yè)局,重慶 408599
開展林分類型優(yōu)化,促進(jìn)森林可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今林業(yè)發(fā)展關(guān)注的一個焦點(diǎn)。防護(hù)林是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的生態(tài)屏障,在水源涵養(yǎng)、水土保持方面具有重要的功能,防護(hù)林的防護(hù)效能主要體現(xiàn)在森林冠層、土壤層、枯落物層的防護(hù)作用,林冠層功能受林分郁閉度、樹種組成、樹種結(jié)構(gòu)等多種因素的影響,森林防護(hù)效果因不同林分類型有明顯差異[1-3]。
梅溪河流域現(xiàn)有防護(hù)林主要為馬尾松純林、柏木純林、闊葉混交林及部分針闊混交林,其中,馬尾松、柏木純林所占比例70%以上,林分密度大、林下無亞層林木、灌草本所占比例小,同齡林中林分生長差異大,林下灌草本所占比例少,總體防護(hù)功能不強(qiáng),且景觀價值不大。小流域是治理生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ),優(yōu)化配置小流域防護(hù)林體系林分類型可以有效地提高流域植被的防護(hù)效果[4]。在小流域尺度上進(jìn)行地塊—林分類型的功能導(dǎo)向的林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化配置,總結(jié)出一套以功能導(dǎo)向的林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)尤為重要。
專家咨詢-層次分析法(簡稱Delphi-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層次權(quán)重決策分析方法[5-11]。采用層次分析法對梅溪河流域防護(hù)林體系林分類型配置進(jìn)行評價,確定該流域林分類型最優(yōu)配置,為小流域防護(hù)林林分類型優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)。
梅溪河位于三峽庫區(qū)常年回水區(qū)中部,是長江北岸的一級庫區(qū)支流,發(fā)源于重慶市巫溪縣,在奉節(jié)縣永安鎮(zhèn)由北向南注入長江,三峽蓄水后在距河口21 km 范圍內(nèi)形成常年回水區(qū)。梅溪河干流全長約 161 km(奉節(jié)縣境內(nèi)長103 km),流域面積2 001 km2,多年平均流量39. 60 m3s-1,枯水期平均流量15. 03 m3s-1[12-13]。
重慶奉節(jié)梅溪河濕地縣級自然保護(hù)區(qū)位于重慶市奉節(jié)縣境內(nèi),地處奉節(jié)縣西北部的長江一級支流梅溪河流域,流域內(nèi)土壤肥沃,氣候適宜,適合植物生長,現(xiàn)有土地類型主要為農(nóng)田果林、林地、建筑物、道路及工業(yè)用地等五大類型,林地主要分布于海拔300 m 以上,且95%以上為防護(hù)林,森林資源較為豐富。
主要來源于研究區(qū)的1∶10 000 的地形圖、遙感影像圖和2016 年的林地變更數(shù)據(jù),并于2017 年3 月份在研究區(qū)開展外業(yè)調(diào)查對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí),對有誤或缺失的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和完善。研究區(qū)域?yàn)槊废恿饔蚩禈锋?zhèn)至新政鄉(xiāng)段,長度為52.2 km,選取兩岸山地第一層山脊內(nèi),第一山脊線不明顯地區(qū)則取水平距離200 m 以內(nèi)(城區(qū)附近取 50?100 m),結(jié)合實(shí)地調(diào)查,盡最大可能收集研究區(qū)域相關(guān)材料和社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和資料,通過林地變更調(diào)查小班數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析,提出科學(xué)合理的林分經(jīng)營措施類型,使梅溪河流域防護(hù)林體系的空間配置得到較好的調(diào)整與優(yōu)化。
采用1?9 級倒數(shù)的標(biāo)度方法,由專家對梅溪河流域不同樹種、植被類型對防護(hù)林體系的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會以及林分穩(wěn)定性4 個目標(biāo)的貢獻(xiàn)進(jìn)行逐個打分,建立判斷矩陣,見圖1。
圖 1 準(zhǔn)則層構(gòu)建Fig. 1 Construction of the guideline layer
2.2.1 評估決策判斷矩陣構(gòu)造
對于任何判斷矩陣都有:bij=1(i=j時);bij=1/bji(i 不等于j 時)。
通常,層次分析法采用Saaty 九級標(biāo)度方法1?9,駱正清[14]等對層次分析法中幾種標(biāo)度的比較證明,這種方法在標(biāo)度均勻性、可記憶性、可感知性方面表現(xiàn)較好,但一致性和權(quán)重?cái)M合性較差,綜合比較,選用該標(biāo)度進(jìn)行分析。
2.2.2 判斷矩陣一致性檢驗(yàn)
(1)在構(gòu)造成對比較判斷矩陣之后,為防止出現(xiàn)一定程度的非一致性,使矩陣A 滿足:
?i,j,k=1,2,···,n加入了對判斷矩陣一致性的檢驗(yàn),計(jì)算一致性指標(biāo)CI:
其中λmax為判斷矩陣的最大特征根。
(2)查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。n=1~9,查閱SaatyRI值表確定。
(3)計(jì)算一致性比例CR:
當(dāng)CR<0.10 時,認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的,否則應(yīng)對判斷矩陣作適當(dāng)修正。層次分析法確定權(quán)重過程由Matlab7.0 軟件完成。
研究區(qū)域有林地占總面積的85.29%(其中馬尾松純林占 29.14%、松櫟混交林占 12.75%、柏木純林占25.04%、松柏混交林占14.30%、經(jīng)濟(jì)林占4.99%、闊葉混交林占13.78%)、宜林地占 0.56%、灌木林地占 1.39%、無立木林地占 0.48%、未成林造林地占4.27%、非林地占8.01%。梅溪河流域林木起源主要為人工林和天然次生林,其中人工林的面積占有林地面積為68.95%、天然林次生林占31.05%。
表 1 判斷矩陣A?B 及權(quán)重Tab. 1 Judgment matrix and weight of layer A?B
表 2 判斷矩陣B1-C 及權(quán)重Tab. 2 Judgment matrix and weight of layer B1-C
表 3 判斷矩陣B2?C 及權(quán)重Tab. 3 Judgment matrix and weight of layer B2?C
3.2.1 判斷矩陣結(jié)果分析
(1)準(zhǔn)則層A?B 判斷矩陣及結(jié)果
相對于總體目標(biāo)層 (A)準(zhǔn)則層 (B)各因素之間的相對影響程度比較(見表1),由各因素的優(yōu)先級可以看出,總目標(biāo)防護(hù)林體系準(zhǔn)則層 (B)的排序結(jié)果為生態(tài)效益、穩(wěn)定性、社會效益、經(jīng)濟(jì)效益。符合防護(hù)林體系建設(shè)原則和小流域防護(hù)林體系營建的實(shí)際情況。
(2)準(zhǔn)則層B1?C 判斷矩陣及結(jié)果
相對于生態(tài)效益 (B1)準(zhǔn)則,各林種 (C)之間相對重要性比較(見表2),由各因素的優(yōu)先級可以看出,各林分類型的排序結(jié)果為:闊葉混交林、松櫟混交林、松柏混交林、馬尾松純林、柏木純林、經(jīng)濟(jì)林。
(3)準(zhǔn)則層B2?C 判斷矩陣及結(jié)果。
相對于經(jīng)濟(jì)效益 (B2)準(zhǔn)則,各林種 (C)之間相對重要性比較(見表3),由各因素的優(yōu)先級可以看出,各林分類型的排序結(jié)果為:經(jīng)濟(jì)林、柏木純林、馬尾松純林、松柏混交林、松櫟混交林、闊葉混交林。
(4)準(zhǔn)則層B3?C 判斷矩陣及結(jié)果
相對于社會效益 (B3)準(zhǔn)則,各林種 (C)之間相對重要性比較 (見表4),由各因素的優(yōu)先級可以看出,各林分類型的排序結(jié)果為: 闊葉混交林、松櫟混交林、松柏混交林、馬尾松純林、柏木純林、經(jīng)濟(jì)林。
(5)準(zhǔn)則層B4?C 判斷矩陣及結(jié)果
相對于穩(wěn)定性(B4)準(zhǔn)則,各林種(C)之間相對重要性比較(見表5)由各因素的優(yōu)先級可以看出,各林分類型的排序結(jié)果為:松櫟混交林、闊葉混交林、松柏混交林、馬尾松純林、柏木純林、經(jīng)濟(jì)林。
表 4 判斷矩陣B3?C 及權(quán)重Tab. 4 Judgment matrix and weight of layer B3?C
表 5 判斷矩陣B4?C 及權(quán)重Tab. 5 Judgment matrix and weight of layer B4?C
表 6 判斷矩陣A?C 及權(quán)重Tab. 6 Judgment matrix and weight layer A?C
(6)準(zhǔn)則層A?C 判斷矩陣及結(jié)果
在準(zhǔn)則層A?B 和措施層B1?C、B2?C、B3?C、B4?C 的計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上,可以構(gòu)建措施層總權(quán)重值,結(jié)果見表6。
對表1?表6 計(jì)算最大特征根及隨機(jī)一致性比率,每個矩陣都具有單排序滿意一致性,結(jié)論是可靠的。
3.2.2 樹種優(yōu)化結(jié)果
通過層次分析法對梅溪河小流域防護(hù)林體系進(jìn)行優(yōu)化,得出如下結(jié)果:
(1)生態(tài)效益(B1)準(zhǔn)則各林分類型生態(tài)效益由優(yōu)到劣依次為闊葉混交林、松櫟混交林、松柏混交林、馬尾松純林、柏木純林、經(jīng)濟(jì)林,目前生態(tài)效益已成為森林的主要功能,適當(dāng)增加闊葉混交林的比例,對提高土壤肥力、增加林分穩(wěn)定性起到很好的作用,而混交林在水土保持、水源涵養(yǎng)、凈化大氣、防風(fēng)固沙、固碳釋氧、修復(fù)退化生態(tài)系統(tǒng)等方面的效益是更為顯著;
(2)經(jīng)濟(jì)效益(B2)準(zhǔn)則林分類型的排序由優(yōu)到劣依次為經(jīng)濟(jì)林、柏木純林、馬尾松純林、松柏混交林、松櫟混交林、闊葉混交林。近年來,經(jīng)濟(jì)林效益顯著,在林業(yè)產(chǎn)業(yè)體系中起到首要作用,利用山地資源發(fā)展林木經(jīng)濟(jì),既不與農(nóng)業(yè)爭耕地,又能綠化國土,防風(fēng)固沙,還能提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品,可謂一舉多得;
(3)社會效益(B3)準(zhǔn)則林分類型優(yōu)劣依次為闊葉混交林、松櫟混交林、松柏混交林、馬尾松純林、柏木純林、經(jīng)濟(jì)林,混交林在提供別致的景觀滿足社會效益的同時也具有較好的生態(tài)效益,在小流域防護(hù)林體系林分類型中所占比例應(yīng)適當(dāng)增加;
(4)穩(wěn)定性(B4)準(zhǔn)則林分類型優(yōu)劣依次為松櫟混交林、闊葉混交林、松柏混交林、馬尾松純林、柏木純林、經(jīng)濟(jì)林。其中混交林結(jié)構(gòu)作為梅溪河流域的頂級森林群落結(jié)構(gòu),它能充分利用環(huán)境物質(zhì),物質(zhì)循環(huán)功能和能量流動最高,可以形成一個良好的生態(tài)系統(tǒng),有利于野生動植物棲息繁衍,提高生物多樣性。
在綜合考慮各因素條件下,各類植被類型按權(quán)重為闊葉混交林(32.19%)>松櫟混交林(28.67%)>松柏混交林(17.57%)>馬尾松純林(8.36%)>柏木純林(7.31%)>經(jīng)濟(jì)林(5.91%)。馬尾松純林、柏木純林都大幅度下降,闊葉混交林、松櫟混交林、松柏混交林面積有所增加,經(jīng)濟(jì)林略有增加,樹種分布達(dá)到了均衡。這樣一種優(yōu)化結(jié)構(gòu),充分反映了試驗(yàn)區(qū)自然、社會、經(jīng)濟(jì)以及穩(wěn)定性條件,既能保證森林生態(tài)系統(tǒng)的防護(hù)效能的充分發(fā)揮,又能保證森林產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量,達(dá)到“青山常在,永續(xù)利用”的目的。
優(yōu)化后樹種結(jié)構(gòu)為純林的林分由原來的54.2%下降到15.7%,而混交林林分由原來的40.8%上升到78.4%,森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng),從而可以克服純林不利于土壤改良的缺點(diǎn),提高了林地的土壤肥力,增強(qiáng)了林分防病蟲、防火能力,因此優(yōu)化后的樹種結(jié)構(gòu)更趨于合理。