基于AHP的城市园林植物群落生态效益评价方法

郭晨晓,范舒欣,李晓鹏,齐石茗月,董丽

北京林业大学园林学院/城乡生态环境北京实验室,北京100083

基于AHP的城市园林植物群落生态效益评价方法

郭晨晓,范舒欣,李晓鹏,齐石茗月,董丽*

北京林业大学园林学院/城乡生态环境北京实验室,北京100083

本文从中小尺度的园林绿地管理评价角度出发，分析并选取了简洁易得、可使用数字表征的生态效益评价指标，运用层次分析法定量地整合了生态效益评价的单项因子，形成清晰易用的评价模型，进而可用于对各种植物群落的综合效益评价和对比。结果表明，基于实际检测结果对园林植物群落的生态效益进行数字化计算，选择生态效益较高的植物群落搭配模式进行推广，能够对城市生态环境建设、绿化管理起到较好的指导作用。

园林植物群落;数量化评价;生态因子;层次分析法

随着城市化进程的不断加快，城市的不断扩张侵占了大量的生态绿地和森林，城市硬质化下垫面不断增加，在复杂的环境污染下城市正面临着多重多样的生态问题。近些年来，随着人类对环境问题的愈发关注，城市园林绿地作为生态系统中的重要组分，其所发挥的改善城市环境质量、保持碳氧平衡等改善城市生态环境的研究也成为园林生态学、林学等学科研究的热点之一[1]。伴随着“生态造林”“美化运动”等在很多城市如火如荼的兴起，新建成绿地除了满足美观、面积等表面指标以外，更值得管理者和设计者关心的问题是如何从数量化的角度表征新建绿地能够发挥的生态效益量[2]。很多从城市和区域尺度上对于城市绿地的生态效益研究明显的揭示出了园林植物生态效益的表现方式[3]，而繁杂多样的生态性指标和过大的研究尺度成为限制具体生态效益研究成果应用的主要因素。从植物造景的角度来看，中小尺度上的植物群落生态效益研究则更有助于良好植物模式的形成[4]。

本文从园林植物群落的生态效益评价角度出发，采用层次分析法，提出了适用于群落尺度、便于计算和统计的定量生态效益评价模型，为城市管理、绿化建设提供参考。

1 评价方法

园林植物群落的生态效益表现为植物群落对环境的改良和改善作用[5]。近些年，对园林植物生态效应的研究，多为针对单种植物的多种指标研究或在大尺度上的单一指标计量研究。从整体生态效益模型建立上，也出现了以数学计算、计算机模拟为主要流派的定量评价手法。如以数学计算为主的模型建立方法有指标模型法、评分叠加法、综合指数法、聚类分析法和模糊数学法等[6,7]；计算机模拟的主要代表方法有：采用GIS等遥感手段进行城市模拟[8]、利用CITYGREEN等生态效益评价软件进行计算等[9]，也有学者使用“支付意愿”的方法对生态效益进行经济量化[10]。

但是从实际情况上来看，计算模型往往需要长时间的数据监测和大量的模拟运算，并对科研设备、仪器的要求较高，且在中小规模的绿地生态效益测量上，步骤和过程较为繁琐，影响到具体科研、管理上应用型课题研究的展开。

层次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP），是美国运筹学家数学家Saaty T·L于20世纪70年代提出的一种简便、灵活而又实用的多目标决策方法[11]。它将复杂的问题分解成若干个清晰的层次结构，并将人们的主观判断用数量方式表达与处理，从而实现了定性、定量分析的结合，也提高了系统评价的有效性、可靠性和可行性。近年来，层次分析法在我国植物景观综合评价、花卉新优品种的选择上有着较多的应用。

将层次分析法应用到园林植物群落生态效益综合评价中，主要工作流程为确定评价指标体系、建立层次结构模型、构造比较评判矩阵，其最终目标为确定各个单项生态因子的权重，从而构建评价模型（图1）。

图1 评价步骤图Fig.1 Basic steps establishing evaluation model

2 确定评价指标体系

园林植物群落综合生态效益评价中，指标应当依据具体的单项生态效益值的大小进行选择。在近些年的研究[12-15]中，关于园林植物群落生态效益的研究主要集中在以下几个方面：（1）绿地结构性指标：包括植物群落的物种多样性、丰富度、生态廊道宽度、绿地斑块大小等表征植物群落自身性质的生态学指标[16,17]。正面反映了群落的固有属性，一般通过样地调查得出结果；（2）绿地功能性指标：以实际使用仪器测量或者实验的指标进行表征，如空气微生物浓度[18,19]、降温增湿能力[20]、降噪能力[21]、空气负离子浓度[22]、空气温湿度[23]等，这类指标在中小尺度的园林绿地研究中有较好的应用价值；（3）植物个体的生物性指标：通过计算植物个体的生物生理学指标推断整体群落能力，如单体植物的光合速率[24]、有机质产量等，一般需要较为精密和昂贵的仪器设备进行监测。

在实际应用中，有些指标的测定过为繁琐，为了达到快速对整体生态效益评价的目的，结合AHP计算方法以及考虑到实际应用的方便，规定了评价指标的选取遵循如下原则：（1）实用性原则。评价指标的获取必须简便易得，易于使用仪器或者人工进行测定；（2）重点性原则。选取的指标必须对整体生态效益评价影响较大，避免舍本逐末；（3）全面性原则。综合评价中，指标选取需要全面有序，注重对生态效益指标的全方位体现；（4）均一性原则。采用平均值代替瞬时值，使用群落周边城市下垫面进行对照得出数据。

通过对选取指标原则的分析和以往研究成果的考量，选取了降噪能力、固碳释氧能力、增湿能力、降温能力、生物多样性指数、净化大气污染能力六个单项指标，各个指标从植物群落的固有属性、生态系统作用、单项生态效益等方面构成了群落的整体生态效益，各个指标平级之间无交叉作用，从数据获取的方法上来看，都可以使用相关的环境参数测量仪器取得（如温湿度测量仪、O2测量仪、噪声测量仪等）或者人工调查得出，满足指标选取条件。因此六项单项指标可以作为反映群落整体生态效益的主要因子，易于应用在生态评价中。

2.1 降噪能力

城市生活中因为大量的交通运输、生活生产等活动产生大量的环境噪声，并影响到城镇居民的身心健康。植物群落因为其软质景观的特性而可以吸收一定量的声波，使得噪声减弱。这一点在城市主要道路周边的带状公园中体现较为明显。在实际测量中，一般使用便携式声级计，测量声波通过群落后的衰减值，得出群落降噪数值相对值。

2.2 固碳释氧能力

园林植物群落在生态系统中起到重要的底层作用，是生态系统中有机质的来源。植物群落从空气中获取CO2并将其转化为氧气的过程是生态系统中必不可少的一环，同时提升周边环境的氧气浓度。在实际调查中，可以用空气含氧量测定仪测定群落周边氧气浓度表征。

2.3 增湿能力

在城市生物群落中，主要通过园林植物的蒸腾作用降低周边环境温度和提高周围环境的湿度，可以形成良好的城市小气候，并增加人体舒适程度。园林植物群落的增湿能力可以通过干湿度计进行测定，与周边城市用地对照样点相比得出增湿数值相对值。

2.4 降温能力

随着城市化的快速发展，城市规模不断扩大，城市原有自然下垫面被彻底改变，加之人类活动和工业生产，极大地改变了城区近地面的物质和能量平衡，使得城市气温普遍高于周围郊区或农村，形成“城市热岛”效应。绿色植物可以通过遮阴和蒸散作用降低周围环境空气温度，从而在微观和宏观尺度上降低城市热岛效应。通过便携式温度计可以容易测量到植物群落降温能力的具体数值。

2.5 净化空气污染能力

大气污染在我国以北京为代表的大城市已经成为影响区域环境的最重要的因素之一。在我国，大气污染的代表性污染物为烟尘、二氧化硫、氮氧化物等。植物通过结合固定、代谢解毒、分室作用等过程将污染物在体内富集、解毒，起到净化空气的作用，研究表明，城市绿地的净化大气功能与植物种类、植物的生长规律有密切关系。园林植物群落净化大气污染的能力可以通过便携式空气悬浮物测量仪进行检测。

2.6 生物多样性指数

生物多样性指数在数量上表征了城市公园绿地作为栖息地功能的重要性。一个生态体系良好，物种丰富的园林植物群落为城市生态系统内部的动物植物提供了生长繁育的空间，对于维持系统稳定性，增强缓冲能力有重要的作用。常用的物种多样性指数有物种丰富度指数（Margalef指数）、物种多样性指数（Shannon-Wiener和Simpson指数）和均匀度指数（Pielou指数）。该项指标可以通过群落普查获取。

3 建立层次模型结构

评价模型概括了因子在总体评价标准中的相关性和重要程度，在园林植物群落生态效益的评价指标体系已经确定的基础上，基于AHP层次分析法流程，建立评价模型。

3.1 因子数据标准化处理

由于各个单项生态参数原始数据的来源、类型、描述存在差异，所处数量级不同，可比性差，因此首先对原始数据用级差标准化法进行量化处理。将降噪能力、固碳释氧能力、增湿能力、降温能力、生物多样性指数、抗污染能力进行标准化处理。

其中：Bij—第i个植物群落第j指标的原值；

B’ij—第i个植物群落第j指标的标准化后的数值；

Bjmax—第j指标的最大值；

Bjmin—第j指标的最小值。

3.2 通过AHP确定各因子权重

3.2.1 建立评价矩阵在选取评价指标的基础上，将园林植物群落的综合生态效益作为目标层（A），将降噪能力、固碳释氧能力、增湿能力、降温能力、生物多样性指数、抗污染能力等作为多层次模型中的指标层（B），以供评价的园林植物群落作为最底层（C），由此，建立了AHP法三层递阶层次结构模型，各层次间互不相交（见表1）。

表1 基于AHP的园林植物群落综合生态效益指标体系Table 1 Comprehensive eco-effect evaluation system of landscape plant community

3.2.2 建立判断矩阵在建立递阶层次结构后，需成对比较因子相对重要性取得判断的aij值，对指标层（C）同一层次各元素关于上一层次某个准则的重要性进行两两比较，并以此判断值构成判断矩阵。判断矩阵元素的值反映了人们对各因素相对重要性的认识，一般采用1、3、5、7、9分别表示两个因素相比，一个因素与另一个因素同样重要、稍微重要、明显重要、强烈重要、极端重要，2、4、6、8分别表示1和3，3和5，5和7，7和9的中间值。按照上述层次结构关系，通过专家进行判断比较。

表2 判断矩阵标度及其含义Table 2 Scale and meaning of judgment matrix

表3 B层因子判断矩阵Table 3 The judgment matrix of B factor

3.2.3 层次单排序以及一致性检验运用和积法求解各判断矩阵，得出单一准则下被比较元素的相对权重，即层次单排序。用算术平均法计算出各矩阵的最大特征根λmax及其相应的特征向量W，并用CR=CI/RI进行一致性检验，具体步骤如下：

1)首先将判断矩阵的每一列元素作归一化处理，其元素的一般项为:

2)将各列归一化后的判断矩阵按行相加

4)计算判断矩阵的最大特征根为:

5)检验矩阵的一致性，公式为:

6)由表4查找相应的平均随机一致性指标RI

表4 RI修正值表Table 4 Corrected value of RI

7)计算随机一致性指标CR=CI/RI

式中，CI为一致性指标，n为矩阵阶数，RI为平均随机一致性指标，当判断矩阵的维数n越大，判断的一致性将越差，故应放宽对高维判断矩阵一致性的要求，引入修正值法。一般而言CR愈小，判断矩阵的一致性愈好，则可以将得出的W值作为B层因子评判权重指数，通常认为CR＞0.1时，判断矩阵满足一致性检验；否则，应对判断矩阵进行适当调整。

3.3 建立评价模型

由上文所确定的生态效应评价指标以及模型多因子排序过程可以得出园林植物综合生态效应的计算模型：

其中V为综合得分，B’为修正后的指标得分，ω为指标权重分(即特征向量值)。根据各指标的权重得分ω，将归一化的单项生态效益测量值B’代入上述公式后，则可直接计算出所评判群落的生态效益指标量值。至此，园林植物生态效益评价模型建立完成。

4 结论与讨论

依照本次建立的评价模型，通过问卷形式就两两比较矩阵征求了10名北京林业大学园林学院的教师以及研究生的意见，从而得到本次综合生态效益评价指标权重，得出结果如下：

表5 生态效益权重指标Table 5 Evaluation of eco-effect factor

数据表明CR远小于0.1，一致性较好。权重值的大小反映了评判者对各项评价指标的重视程度，在指标层（B）对目标层（A）的单排序权值中，园林植物群落生态效益中抗污染能力以及固碳释氧能力在整体生态效益中显示为最重要（权重值＞0.025），生物多样性指数较重要（权重值＞0.015），而降噪以及增湿能力一般重要（权重值＜0.015）。在本模型中，可以粗略的看出园林工作者对于园林植物群落的抗污染能力和固碳释氧能力较为重视。而值得注意的是本次评价所选取的主要六个指标出于并不能全面细致的对园林群落的整体特性进行描述，在更进一步的深层次研究中，还需要根据研究需求下对评价指标进行细化[25]，如在风景区中加入美景度评价[7]，在建设行业中加入造价成本等指标体系进行综合考评等。且在不同地域的研究中，评价指标的选择也应当有所侧重[26]。

通过AHP建立的评价模型有其操作简便易行、结果易于比较的优点，同时也有其缺陷，如建立评判矩阵时人的主观性影响较大，不同评价系统间不易共用等。但从整体上来说，通过AHP层次分析法建立城市绿地植物群落综合生态效益评价模型的过程较为清晰，得出的模型为城市管理人员提供了对植物群落生态效益进行表述的重要工具，而将生态效益综合评价模型的概念运用到园林行业，还可对园林植物景观营造进行评价、优选，对发展城市园林事业、切实改良城市环境、开展城市数字化建设具有很强的实践意义。

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The Evaluation on the Eco-effect of Urban Landscape Plant Communities Based on Analytic Hierarchy Process(AHP)

GUO Chen-xiao,FAN Shu-xin,LI Xiao-peng,QISHI ming-yue,DONG Li*
Beijing Laboratory of Urban and Rural Ecological Environment/College of Landscape Architecture/Beijing Forestry University,Beijing100083,China

This study selected quantitative ecological factors of the evaluation of small and medium-scale landscape plant communities’ecology effect to form a comprehensive evaluation model.The Analytic Hierarchy Process was applied in the evaluation process.Comparing with traditional evaluation method,the evaluation model based on AHP has the advantage of easy-to-use and can be easily quantified.According to actual test result and the application of AHP,an objective selection of higher ecological benefit plant communities could do more help for the guiding of urban landscape design and city management.

Landscape plant community;quantitative evaluation;ecology factor;Analytic Hierarchy Process

S731.2

:A

:1000-2324(2015)06-0941-06

2015-03-09

:2015-06-05

“十二五”农村领域国家科技计划课题(2012BAJ24B05-2);北京市朝阳区社区绿化评价体系建设项目(2014HXFWYL003)

郭晨晓(1990-),男,硕士研究生,主要研究方向为植物造景与园林生态.E-mail:guochenxiaobjfu@163.com

*通讯作者:Author for correspondence.E-mail:dongli@bjfu.edu.cn