小陇山林区天然林林种结构优化决策研究

张丛珊，王得祥＊，刘文桢，柴宗政

（1．西北农林科技大学 林学院，陕西 杨陵 712100；2．甘肃省小陇山林业科学研究所，甘肃 天水 741022）

甘肃小陇山林区是兼有我国南北气候特点的典型天然次生林区，是全国天然林保护工程重点实施区，在维持区域生态平衡、生物多样性保护、改善生态环境、提高区域生态安全、保障社会经济的可持续发展等方面发挥重要作用［1］。众多研究及实践表明，分类经营对于森林资源的科学管理与经营提供了一种可行的模式。森林分类经营管理就是根据森林的经营目的和主导利用不同，将森林划分为公益林和商品林两大类，并实行相应的经营管理措施，以实现森林可持续经营的目的。优化林种结构，是实施科学分类经营林业，建设“两高一优”林业的基础，是科学编制林业发展规划，制定正确的产业、技术、流通等一系列经济政策的依据，对林业发展具有重要意义［2］。因而，森林分类经营首先要解决林种结构配置的问题。

小陇山林区天然林现有林种包括水源涵养林、水土保持林、风景林、自然保护林、商品林5类，划分类型较少，其中5类林种结构所占比例均不合理，主要表现在水源涵养林比重过大，占74．12%，自然保护林、风景林与商品林的比重过小，尤其是商品林所占比例仅为0．99%，严重影响人们生活、生产所需林木产品的输出，降低森林资源的经济价值。林种结构的合理分配对森林生态系统功能的发挥具有重要意义，因而亟需对小陇山天然林林种结构进行优化决策研究。目前，小陇山林区天然林的研究多集中于物种多样性、天然林结构特征、种群动态、空间分布格局分析等［1，3－5］，缺乏对该地区林种结构优化、决策的研究，因而分析现有林种结构存在的问题，并进而研究林种布局结构，明确调整的目标林种结构是迫切需要解决的问题。

本研究通过对小陇山林区21个林场二类调查数据研究分析，选用坡度、坡向、植被盖度、裸岩率和农田分布特点5个主要指标对小陇山林区生态脆弱性进行评价，应用层次分析法提出合理的林种结构优化方案，为小陇山林区天然林的分类经营与管理奠定基础，使小陇山林区天然林资源实现生态、社会及经济效益的可持续发展。

1 材料与方法

1．1 研究地自然概况

小陇山林区位于甘肃省东南部，地处我国南北气候的交汇处，属亚热带北缘暖温带山地半湿润气候区，盛行大陆性季风气候。年平均气温7～12℃，最高气温39．2℃，最低气温－23．2℃。无霜期185 d，年平均降水550 mm，50%～60%的降水集中在7、8、9月，相对湿度69%。小陇山林区的植物资源属中国－日本植物亚区，华北植物地区，黄土高原植物亚地区，区系组成具有明显的温带属性，有苔藓、蕨类、裸子、被子植物224科，945属，近2 700种。小陇山天然林面积为446 275．6 hm2，占有林地面积的68．34%。林分各龄组中幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林分别占天然林面积的9．17%、45．42%、20．81%、1．85%、0．43%。天然林分布于甘肃小陇山21个林场，其中党川、李子、百花、观音林场所占面积较大。在天然林林区中优势树种主要有锐齿栎（Quercusalienavar．acutiserrata）、辽东栎（Quercusliaotungensis）、栓皮栎（Quercusvariabilis）、漆树（Toxicodendronverniciflnum）、山杨（Populusdavidiana）、白桦（Betulaplatyphylla）、红桦（Betulaalbo－sinensis）、梾木（Swidamacrophylla）、秦岭白腊（Fraxinuspaxiana）等落叶树种；华山松（Pinusarmandii）、油松（Pinustabulaeformis）、白皮松（Pinusbungeana）、云杉（Piceaasperata）、冷杉（Abiesfabri）等常绿树种。林特产品资源丰富，有板栗（Castaneamollissima）、核桃（Juglansregia）、天麻（Gastrodiaelata）、党参（Codonopsispilosula）、黄芪（Astragalusmembranaceus）、五味子（Schisandrachinesis）、杜仲（Eucommiaulmoides）等。森林土壤以山地棕色土和山地褐色土为主，垂直带谱为褐色土、棕壤、灰棕壤、亚高山地草甸土。

1．2 研究方法

生态脆弱性是指森林生态系统一经破坏后就难以恢复良性生态环境的地段以及生态环境极易因自然条件改变而造成偶发或多发性自然灾害的地段［6］，其体现生态系统的稳定性、生态弹性力、生态承载能力等特点［7］。不同学者针对所研究的对象建立了不同的生态脆弱性评价指标体系［8－11］，在分类经营中选用衡量某一具体地段的生态脆弱程度的指标有坡度、海拔、植被盖度、土壤厚度、土壤质地、农田牧场分布特点等［6］。本研究选用坡度、坡向、植被盖度、裸岩率、农田分布特点5个指标作为分析小陇山天然林生态脆弱性的主要指标，并将其划分为4个等级：一般脆弱（一级）、比较脆弱（二级），非常脆弱（三级）和极端脆弱（四级）4个等级，从而分析小陇山天然林适宜的林种比例。

依据生态脆弱性的指标划分，运用AHP结构层次分析法，结合小陇山现有的林种组成，确定小陇山林区较为合理的林种结构比例。层次分析法是一种定性与定量相结合的系统分析方法。其主要思路是构建一个递阶层次结构，在设定标度的原则下确定相关因素的权重，通过一致性检验，进行子目标下因素的排序汇总，从而得出总排序。采用较广泛的标度是1～9标度，其赋值意义为：1、3、5、7、9分别表示2个因素相比下，一个因素比另一个因素的重要性是同等重要、稍微重要、明显重要、很重要、绝对重要；2、4、6、8为2相邻数值判断的中指。CI为检验矩阵一致性的指标，CI值越大，矩阵的一致性就越差。RI为平均随机一致性指标，当阶数＞2时，以矩阵随机一致性比例CR值为准则。若CR＜0．10，则判断矩阵具有满意的一致性，CR＞0．10，则判断矩阵需要进行调整［12－13］。

2 结果与分析

2．1 生态脆弱性划分

以甘肃小陇山林区二类调查数据为基础资料，参考《甘肃省森林资源规划设计调查技术操作细则》，结合小陇山林区实际状况，选用坡度、坡向、植被盖度、裸岩率、农田分布5个主要分析指标，评价小陇山天然林生态脆弱性（表1、表2）。

表1 小陇山生态脆弱性等级划分Table 1 Ecological frangibility classification in Xiaolongshan

表2 小陇山天然林各生态脆弱性等级面积分布Table 2 Natural forest area distribution of each level of ecological frangibility in Xiaolongshan

由表2知，小陇山生态脆弱性为一般脆弱性等级的面积占天然林总面积的5．12%，比较脆弱等级林区占到24．62%，小陇山生态脆弱性为三级和四级，即非常脆弱和极端脆弱的共占天然林总面积的70．25%。说明小陇山天然林林区的生态脆弱性强。

小陇山林区属于天保工程实施的范围，管护好现有森林资源是天保工程的核心，增加森林资源总量是天保工程的目标［14］。定性分析结果表明：一级生态脆弱区域坡度＜35°，水土保持与水源涵养功能较强，植被分布较密，盖度＞0．8，因而一级地区易于作业，需多发展商品林，作为经济用途，其有利于经营者通过林产品的市场交易获取经济回报；二级、三级、四级区域中坡度大，均为急坡和险坡，裸岩率＞6%，盖度依次降低，因而在二级、三级、四级地区发展生态公益林，发挥生态保护的功能，其利于天保工程的有效实施和公益林的建设。因此，以生态公益林为主、商品林为辅的林种划分原则下，小陇山林区生态公益林占天然林小班总面积的94．87%，商品林占5．12%，由此为下一步细化林种结构，运用层次分析法定量优化各个林种所占比例作为理论依据。

2．2 林种结构优化决策

2．2．1 构造AHP模型 小陇山林场天然林林种结构需要调整为结构合理、功能优化的生态系统，经营的主要目的是最大限度发挥天然林的生态效益、经济效益和社会效益，以水源涵养林、水土保持林、风景林、商品林和自然保护林5个林种作为指标层，建立递阶层次结构体系（图1）。

图1 递阶层次结构Fig．1 Hierarchy structure

A是经营天然林的总目标，确保天然林经营能够发挥最佳效益；B1是生态效益：涵养水源，保持水土，调节气候，净化空气，防风固沙等；B2是经济效益：经营管理之后的天然林，经过市场转化增值而获得的效益；B3是社会效益：为人类社会创造关于精神文化、科研教育等社会服务方面的效益。

2．2．1 判断矩阵运算及一致性检验 各单排层次相对重要性权值及层次总排序层见表3～表6。

表3 A－B层Table 3 A－B hierarchy

表4 B 1－C层Table 4 B 1－C hierarchy

表5 B 2－C层Table 5 B 2－C hierarchy

表6 B 3－C层Table 6 B 3－C hierarchy

表7 B－C层次总排序及一致性检验Table 7 General ranking in B－C level and consistency text

CI＝0．018 4×0．634 8＋0．105 4×0．078 0＋0．012 2×0．287 2＝0．023 4

RI＝1．12

CR＝0．020 9＜0．10

λmax为判断矩阵的最大特征根，CI为一致性或判断可靠性的度量，CR为一致性比例，结果表明各层判断矩阵的CR值均＜0．1，一致性是可以接受的（表3～表6）。小陇山现有林种及面积分别为水源涵养林330 759．5 hm2、水土保持林91 349．8 hm2、自然保护林13 007．3 hm2、风景林6 750．4 hm2、商品林4 408．6 hm2，各占天然林总面积74．12%、20．47%、2．91%、1．51%、0．99%。经过优化调整之后，适宜发展的林种结构比例为：水源涵养林比重为49．10%，水土保持林比重为14．65%，自然保护林比重为18．60%，风景林比重为8．66%，商品林比重为8．99%，相应面积为水源涵养林为219 111．5 hm2，水土保持林为65 385．77 hm2，自然保护林为83 028．27 hm2，风景林为38 668．55 hm2，商品林为40 109．82 hm2。由图2所示，优化过程中整体降低了水源涵养林和水土保持林的面积比例，提高自然保护林、风景林和商品林的比例。

图2 林种结构调整前后比例分布Fig．2 Proportional distribution of forest species before and after restructuring

2．3 基于生态脆弱等级下林种结构调整对比分析

在二类调查数据及生态脆弱性划分基础上，水源涵养林、水土保持林、自然保护林、风景林、商品林5类林种面积在各生态脆弱性等级中所占比例如表8所示。

依据AHP结构层次分析法得到的林种优化方案，并综合当前各林种在生态脆弱等级中的面积分布结果，对各部分所占面积比例进行重新细化，提出规划性调整决策。

表8 现有林种各生态脆弱性等级中的面积比例分布Table 8 Existing forest area proportion of each forest type in ecological fragility grade distribution%

水源涵养林和水土保持林在各生态脆弱等级区域比重最大（图2），经过调整，适当降低2类林种的面积比例以求增加其他林种的经营范围。商品林在4个等级中占有比例均小。针对环境脆弱、系统稳定性差、生态承载能力较弱的三级、四级区域，商品林面积比例仅占0．13%、0．01%，因而在这2个区域内商品林不需再做调整，增加其在一级、二级区域中的比例更加适宜。风景林在一级、四级中所占比例很低，即0．04%和0．15%，二级、三级中分别为0．36%和0．97%，在调整规划中，增加风景林在二级、三级区域中的面积分布。自然保护林所占比例在生态脆弱等级二级、三级、四级均加以提升，在一级区域中的0．06%则保持不变（图3）。

图3 生态脆弱等级下各林种面积调整前后比例（规划性建议）Fig．3 Proportions each forest type before and after adjustment based on ecologically fragile area level（planning proposals）

3 结论与讨论

3．1 结论

通过对小陇山林区天然林进行生态脆弱性分析，确定坡度、坡向、植被盖度、裸岩率、农田分布5个指标划分生态脆弱等级，根据各等级面积分布比例得出该区生态脆弱性强。通过构建的AHP结构层次分析模型计算得出小陇山现有林种结构的优化方案，总体降低了水源涵养林和水土保持林的面积分布，提高自然保护林、风景林和商品林的面积比例。

林种结构的调整实际上是一个动态规划的过程，其结果仅针对特定时间及特定环境而言。随着时间的推移、环境的变化及人们对森林效能的转变和林区总体的发展规划等诸多方面的因素，林种的相对重要性也会发生变化。因而，在长期的森林资源管理中，需要不断进行调整，使林种结构更趋合理，以充分发挥森林的多种效益。本研究未对小陇山林区林种划分更多种类型并进行优化决策，但基于现有数据做出的调整方案为经营和保护天然林提供了一定的理论依据。

3．2 讨论

众多研究均表明［15－19］，层次分析方法对林种结构的优化切实可行，能够作为林种结构规划与决策的依据。本研究利用层次分析方法对小陇山林区天然林林种结构进行优化，也取得了较为理想的结果。小陇山林区天然林林种应包括5个方面，其重要程度依次为水源涵养林、水土保持林、自然保护林、商品林、风景林。小陇山林区对森林的保护和经营是以公益林建设为主，森林功能主要侧重于水源涵养和水土保持。结合地方现状，小陇山林区林业发展应遵循“生态主导－景观跟进－木材兼顾”的发展模式。众多学者［19－21］研究林种结构优化的结果表明调整后的生态公益林均比商品林比重大，地方生态、经济等实际现状成为各研究地区林种结构调整比重不一致的影响因素之一。因而，小陇山林区生态保护方面的林种比例占到80%以上，其中水源涵养林为49．10%，水土保持林为14．65%，自然保护林为18．60%。其次，小陇山林区天然林有油松、白桦、红桦、白皮松、华山松等优势树种，大面积形成的针阔混交林、针叶混交林、阔叶混交林及以栎类为顶级群落等构成了独特美丽的森林景观，可以将其发展为风景林，因而，在原有基础上将比例提升至8．66%。商品林区主要选择自然条件优越，立地条件较好，地势较为平缓，森林采伐不易造成水土流失及生态作用一般的区域划定［22］。小陇山商品林在生态、经济、社会效益方面根据层次分析法贡献的相对重要性权值得出的比例为8．99%，依据生态脆弱性划分的因子可知一般脆弱等级的商品林比例占到5．12%。因此调整后的商品林林种比例是较为理想的。

基于各生态脆弱等级下林种结构调整结果分析，一级、二级区域在水源涵养和水土保持功能方面状况良好，适宜集中发展商品林。伴随小陇山林区工作中心由以木材生产为主转向生态建设为主，为更好形成林场对实行严格公益林的自我约束机制和对商品林经营开发的激励机制，需要扩大商品林林种的经营范围，从而解决当地在承担生态建设任务条件下并行满足市场经济的需求。小陇山林区现有1处国家级自然保护区、2处省级自然保护区及5处省级森林公园，大部分位于二级、三级、四级区域中。部分天然林由于历次的自然灾害和长期的不合理利用，导致多代萌生，林分密度相对较大，且分布不均匀，处于生境条件较差的林木，易发生病虫害和森林火灾［23］。因而在规划性建议中扩增自然保护林在二级、三级、四级区域中的核心区和缓冲区面积，同时，在未来森林管理中小陇山自然保护区和森林公园的数量增加也是势在必行。以生态公益林保护为主的林区建设，需从社会、景观尺度上实现森林多功能服务，其风景林是以发挥景观功能为主，具有一定稳定性的人工或自然森林群落［24］。生态脆弱性二级、三级地区的生态系统稳定性适中，适宜风景林的发展，并且增加风景林的面积对丰富林区林分景观多样性和物种多样性具有重要意义。在确定合理林种比例的基础上，可以进一步探讨关于风景林系统的经营抚育措施。总体来讲，自然保护林和风景林比例的提升能够使小陇山林区天然林的结构、功能、效益三者关系协调发展。

森林分类是手段，而不是目的，关键在于森林分类后的实施［25］。分类经营存在的主要问题是把多功能的森林简单地分隔成单一功能的经营对象，从而难以实现在确保森林主导功能的前提下同时发挥森林的其他功能［26］。当前多目标经营的研究较热，在天然林经营具体的措施中，分类经营的思想可以服务于多目标经营，为了提高林地生产力和生产效率，综合考虑森林的多种功能，生态公益林发挥其生态功能的同时兼顾林副产品的生产功能，商品林发挥木材生产功能并兼顾具有生态效益的发挥［27］。因而，小陇山林区在未来森林经营与管理中，应在现有林种结构的基础上划分出更多的林种类型，实现林区林种的多样化，以便于提出森林多功能、多效益、多目标的经营技术和管理模式，进而有效实现森林可持续发展。

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