基于模糊数学的洲滩人工林复合经营模式多功能评价

王 萍， 李建军， 佘济云， 黄 静

(1.湖南省森林植物园， 湖南 长沙 410000； 2.中南林业科技大学， 湖南 长沙 410000)

基于模糊数学的洲滩人工林复合经营模式多功能评价

王 萍1， 李建军2*， 佘济云2， 黄 静2

(1.湖南省森林植物园， 湖南 长沙 410000； 2.中南林业科技大学， 湖南 长沙 410000)

在资料查询、专家咨询获取各种模式林分相关信息的基础上，选择华容县5种当地典型的杨树人工林复合经营模式，共设置20块样地，对相应指标进行实地调查，从生态效益、经济效益、社会效益三个方面筛选评价指标，构建了洲滩人工林复合经营的综合评价指标体系，运用层次分析法和模糊数学综合评判法对5种杨树人工林经营模式进行了评价。评价结果表明：5种杨树人工林复合经营模式的生态、经济、社会综合效益评价优劣排序为林-菜模式(0.6313)>林-菌模式(0.6118)>林-药模式(0.4883)>林-草模式(0.4752)>纯林模式(0.4567)。无论从生态功能、经济功能、社会功能还是从综合效益来看，研究区人工林复合经营模式都优于纯林模式。

模糊数学； 洲滩杨树人工林； 复合经营模式； 多功能经营； 综合评价

林农复合经营是指以林地资源为基础，充分利用林下特有的环境条件，选择适合林下种植和养殖的植物、动物和微生物物种，构建和谐稳定的复合林农业系统。科学得当的林农复合经营具有显著的综合效益。目前，人工林的复合经营已经得到了世界范围的广泛关注，早在二十世纪九十年代，对于受到污染的土地，瑞典学者就研究通过种植杨树人工林和杨农复合经营来吸收其放射性铯的问题；新西兰研究了杨树人工林(杨 — 草 — 牧复合经营)在预防和治理土壤污染(如对重金属镉的吸收)中的作用[1-2]。国内学者针对人工林复合经营模式的经济效益、生态效益的评价开展了广泛的研究，林培群[3]等，刘宁[4]等，黄昭平，王会利，蒋燚，曹继钊[5]等研究了桉树 — 牧草、桉树 — 农作物和桉树 — 药材等多种桉树人工林复合经营模式，并对不同生态功能进行了评价。陈养[6]等，葛乐[7]等研究浙西地区杉木复合经营对土壤理化特征的影响，其结果说明了林杉木复合经营对林地土壤的物理结构的改善有很大的作用，而且土壤养分状况逐渐好转。连营，徐娟[8]研究在半干旱山区实行林—草—菜复合种植模式，认为这种模式是一种投资少、见效快、效益高，可大面积推广实施的且有助于农业产业化和生态环境建设的行之有效的生产模式。

“湖州”、“滩地”是我国内陆江河湖泊一种特殊的地类，呈冬陆夏水状态，土壤疏松肥沃，十分有利于耐水湿植物生长[7-8]。虽然近年来国内外洲滩人工林复合经营模式的理论和实践研究有了一定进展[7-11]，但大部分在于经济效益上的研究，缺乏复合经营体系的生态环境效应及系统全面评价的研究，缺乏最优性模式选择及应用的研究。尤其针对我国滩地已发展起来的大面积人工林，适合于林下复合经营的物种优选及发展模式设计的研究更是少有。本文从滩地人工林复合经营模式生态效应着手，采用了模糊数学的综合评判方法，从经济、生态、社会效益等方面开展人工林复合经营模式综合评价，优选洞庭湖滩地人工林复合经营模式，对发展林下种植经济，充分发挥滩地人工林的经济、生态和社会效益具有重要的理论和现实意义。

1 研究区概况

研究区华容县隶属于湖南省岳阳市，位于湖南省边陲，北临长江并与湖北省相接，南滨洞庭，全县总面积1642km2，属北亚热带，为湿润性大陆季风气候。华容县地处洞庭湖凹盆地北缘，其地势南低北高，在其中部丘岗凸起，南西部平坦宽广，微倾斜于东洞庭湖。地貌分区的特征比较明显且以平原为主，其中平原总面积为1028.66km2，占56%，低山丘岗区328.2km2，占17.8%，水面255km2，占26.2%。全县湖泊除东洞庭湖外, 尚有大小湖泊21个。华容县属于典型的湖区农业大县，全县总人口约为73万，其中农业人口大概占总人口的85%，农业经济长期以来一直是国民经济的主要支柱。

2 研究方法

2.1 资料查阅和走访

查阅东洞庭湖华容县林业局的统计年鉴资料以及实地走访技术员与农户，获取各模式林分相关信息。经分析，最终选取了5种当地典型的杨树人工林复合经营模式(杨树造林密度均为 6m×8m)，主要包括林 — 菜(杨树 — 芥菜，杨树 — 榨菜复合经营模式)、林 — 菌(杨树 — 蘑菇复合经营模式)、林 — 草(杨树林下套种多花黑麦草与紫花首蓓等)、林 — 药(杨树 — 蒲公英复合经营模式)、人工纯林模式(无任何间作的杨树人工纯林作为对照)。以上各模式林分均为5年生湘林系列无性系杨树人工林。

2.2 样地设置和实地调查

选择立地条件一致的5种模式建立标准样地和试验示范基地，分别与2012年6月和2013年7月在东洞庭湖洲滩岳阳华容县林 — 菜、林 — 菌 (食用)、林 — 药、林 — 草、纯林等五种杨树林经营模式中设置40m×40m的标准地各4块，共20块。在每块标准地靠中间和四个角的位置分别设置1m×1m草本样方、2m×2m的灌木样方各一个，并在每个草本样方和灌木样方中设置一个凋落物收集筐。调查内容包括标准样地所在位置的海拔、坡向、坡度、坡位和林分空间结构等基本因子。对高度大于1.3m的乔木进行每木检尺，测量其所在林分的郁闭度，同时记录乔木的种类、高度、冠幅、胸径及其生长状况，例如：风倒木株数或雷击木株数；测量收集筐里凋落物的干重、湿重和厚度；分种记录样方内灌木及草本植物的盖度、种类、株数等；同时对样方内的腐殖厚度和土层质厚度进行调查；然后更新调查，并记录幼苗和幼树的种类、株高、株数、地径等[9-12]。

2.3 多功能评价

2.3.1 层次分析法(AHP) 20世纪70年代初，美国运筹学家T.L.Satty等人提出一种层次权重决策分析方法，即层次分析法(AHP)。该方法把各种与决策有关的元素分成目标、准则、方案等多个层次，在从基础上对这些已分层的元素进行定性和定量分析。该方法目前已被广泛的应用在各个邻域来确定指标权重。详细步骤为：建立层次结构模型、构造成对比较阵、计算权向量并进行一致性检验、计算组合权向量并做组合一致性检验。该方法具有系统性、简单实用、所需定量数据信息少等优点，可用在对无结构特性的系统评价以及多目标、多准则、多时期等的系统评价。

2.3.2 模糊综合评判法 模糊综合评判法是一种应用模糊数学原理进行评价的综合评标方法。对于边界模糊、难于定量的因素，该综合评价法应用模糊关系合成原理对这些因素进行定量化分析，并对受到环境和气候等外界等多种因素制约的事物或对象做出综合性评价[13-15]。该方法具有结果清晰，系统性强的优点，能够很好地解决模糊的、难以量化的问题。具体评价步骤为：建立评价因素集和因子集、确定权重集。

设给定两个有限论域

上式中：U表示各个综合评价因素所组成的集合。V表示所有评语组成的集合。

模糊变换的公式表示为：X·R=Y

在上式中：X是U上的模糊子集，而评语结果Y是V上的模糊子集。

本文先应用AHP决策方法确定东洞庭湖洲滩的人工林复合经营模式评价的权重和评价集，然后根据权重和评价集建立单因素模糊矩阵，最后进行多级模糊综合评判。

3 结果与分析

3.1 综合评价指标体系的构建

参照国内外已有林农复合经营效果、模式等综合评价的研究成果，本文将样地调查与研究区域走访相结合开展综合评价工作，按照以人为本、定性与定量相结合原则，同时考虑到评价的目的性、全面性、可操作性、系统性、简洁性的特性要求。选取生态功能、社会功能、经济功能这三个要素为洞庭湖洲滩人工林农复合经营的一级评价指标 ，选取人员指标和易于量化的关键性指标作为主要的二级指标[13-17]。洞庭湖洲滩人工林复合经营综合评价指标体系详见表1。

表1 洞庭湖洲滩人工林复合经营综合评价指标体系Tab.1 ComprehensiveevaluationindexsystemofbeachartificialforestcompoundmanagementinDongtingLake一级指标二级指标指标说明X1涵养水源能力土壤的蓄水量/(t/hm2)生态功能X2土壤理化特性指数土壤中所含有的有机质含量/(mg/kg)X3光能综合利用率有机物质所含能量/单位土地所接受的大太阳能(完全利用为1)X4环境改善满意度人们对于环境改善的满意程度(按1～5分制计算)X5木材蓄积量单位面积森林中现存各种活立木的材积总量(m3/hm2)X6年均纯收益农林业总产值/农林复合经营总面积(元/hm2)经济功能X7产出投入比林农人均年总收入林农人均年总支出(元/hm2)X8技术投入金额指每年投入的技术指导金额(元/年)X9劳动力利用率复合经营模式从业人员数/劳动力资源总数社会功能X10对工作满意度农民对从事的复合经营模式是否满意(1～5分制)X11收益稳定性农产品价格稳定性(1～5分制)

3.2 确定各指标权重

将林业专家和当地林农的建议以及样地调查数据相结合构造判断矩阵，求解洞庭湖洲滩人工林复合经营综合评价指标权重向量[16-20]。具体权重如表2所示。

表2 洞庭湖洲滩人工林复合经营综合评价指标权重Tab.2 ComprehensiveevaluationindexweightofbeachartificialforestcompoundmanagementinDongtingLake目标层准则层权重指标层权重X1涵养水源能力0.2622X2土壤理化特性指数0.2413生态功能0.4668X3光能综合利用率0.2068X4环境改善满意度0.2897X5木材蓄积量0.3102洞庭湖洲滩人工林复合经营模式评价X6年均纯收益0.2365经济功能0.2776X7产出投入比0.2143X8技术投入金额0.2300X9劳动力利用率0.3578社会功能0.2556X10工作满意度0.3127X11收益稳定性0.3195

3.3 综合评价步骤

(1) 建立评价集

根据调查数据和专家咨询意见确定研究区人工林复合经营模式11个评价指标等标准，如表3所示。基于洲滩人工林复合经营模式综合评价研究的需要，将评判标准分为 5个等级,即V={最好(1.0)、较好(0.8～0.9)、一般(0.6～0.7)、较差(0.4～0.5)、最差(0.3)}。 综合考虑复合经营模式的情况及带来的影响,为各指标的每个等级制定标准[20-22]。

表3 人工林复合经营模式评价指标等级标准Tab.3 Theevaluationindexgradestandardofartificialforestcompoundmanagementmodel等级X1涵养水源能力X2土壤理化指数X3光能利用率X4、X10、X11X5木材蓄积量X6年均纯收益(万元)X7产出投入比X8技术投入金额(万元)X9劳动力利用率(%)V1最好>2000>2015>10>2>1>5>20V2较好1600～200016～200.8～1 48～101.6～2.00.8～1 4～516～20V3一般1200～160012～160.6～0.836～8 1.2～1.60.6～0.83～412～16V4较差 900～1200 9～120.4～0.624～6 0.9～1.20.4～0.62～3 9～12V5最差<900<9<0.41<4<0.9<0.4<2 <9

(2) 将评语代入评判矩阵

上式中：u1,u2,u3分别为评判因素经济效益、生态效益和社会效益。

(3) 多级模糊综合评价

研究区人工林复合经营模式 (包括试验模式) 目前有林 — 菜、林 — 草、林 — 药、林菌 (食用)、林药菜等5种。给出各个评判因素细目的评语(见表4人工林复合经营模式综合评判评语汇总表)，然后再运用前面给定的评语论域对各个经营模式进行综合评判。

依据实地调研数据并经过标准化处理后，建立模糊矩阵，根据公式：

表4 人工林复合经营模式综合评判汇总Tab.4 Comprehensiveevaluationcollectionofartificialforestcompoundmanagementmodel项目指标经营模式评价值林菜纯林林药林菌林草X1涵养水源能力0.8630.9120.7070.8710.588X2土壤理化指数0.3750.6400.3320.4870.794生态效益0.4668X3光能利用率0.9290.5950.1510.7490.984X4环境改善程度0.4830.0230.9160.2980.340X5木材蓄积量0.2110.1420.3780.9480.220X6年均纯收益0.1790.4120.8330.9090.956经济效益0.2776X7产出投入比0.2650.3210.6830.4720.159X8技术投入金额0.2520.7330.9420.8220.583X9劳动力利用率0.0380.5000.6200.9600.283社会效益0.2556X10工作满意度0.5380.6590.7030.2210.057X11收益稳定性0.9420.1100.5960.3680.168

求得准则层模糊综合评价结果为：

因此，一级模糊综合评价结果为：

并进行优化排序。得到：(1)林 — 菜模式(0.631 3),(2)林 — 菌模式(0.611 8),(3) 林 — 药模式(0.488 3),(4)林 — 草模式(0.475 2),(5)纯林模式(0.456 7)。

从上面评判结果看出:林 — 菜、林 — 菌、林 — 药结合模式都较好。它们的优点是:缓解了长期以来的林农争夺土地的冲突，森林经营的经济效益在很大程度上得到了改善；提高了生态效益。

种植的芥菜、榨菜及菌药类等收获后地力有明显增强，这有利于树木的生长，而且植被会迅速覆盖裸露的地表。这样，水土流失的情况能够得到很好的控制，土地和光能的利用率也会在很大程度上得到提高，并且还可以多次收获食用菜蔬和菌类以及药材，为当地农业发展带来生机。当然，除了林菜、林菌、林药复合经营模式之外还存在很多其他的经营模式，在实际的过程中，要依据当地实际情况和所具备的生产条件选择适宜的经营模式来提高经营效率。例如在适当的条件下，可以在人工林适宜地段种植经济价值较高的林下野菜和林下中草药等。

总之，人工林复合经营模式的推广需符合湖区经济发展的方向，同时这种经营模式为湖区人民脱贫致富提供了很大的帮助，成为提高他们经济收入的有利方式。然而要促进人工林林下经济发展同时必须遵循以下几个基本准则：在保护生态环境的基础上，利用洞庭湖州滩大面积杨树人工林林下宜农地资源，尽量保证该资源能够得到永续利用；遵循水土保持原则，发展农林复合经营已减少水土流失；建立洞庭湖州滩林菜草等多种复合经营结合的生态经营模式，提高州滩农林生态系统的总体功能。

4 结论与讨论

(1) 5种人工林经营模式综合效益评价结果表明，位于洞庭湖洲滩的岳阳华容县的杨树人工林林 — 菜复合经营模式优于其它经营模式，由于该经营模式收获芥菜、榨菜等蔬菜后有多种渠道进入市场，如新鲜蔬菜进入市场、通过腌制等加工成泡菜等，已经过多年的市场积累，形成了较为稳定的市场，其价格波动幅度较小，这在很大程度上提高了林农种植蔬菜的积极性。同时，4种人工林复合经营模式均优于纯杨树的种植模式。当地林农可以根据实际的需求选择适宜的复合经营模式，最大化利用林地资源，发挥生态效益，提高经济收入。

(2) 研究中通过实地走访调查东洞庭湖州滩华容县的人工林复合经营状况，发现当地的杨农复合经营存在较多问题，例如大部分的经营方式是家庭式经营，其规模偏小，缺乏管理经验，得不到统一管理，主要靠农民的体力劳动，机械化程度低，且林农的科学理论指导匮乏。建议政府部门在调查研究基础上规划好洞庭湖州滩已有人工林林地资源，增加资金投放，在一定程度上放宽林权抵押贷款的政策，加大机械化程度，逐步扩大该州滩林农复合经营的规模；同时注重科技指导，选择科学的经营模式，加大对农村的技术扶持力度，组织农民学习新技术，大力推广杨农复合经营，为实现林业可持续发展奠定基础。

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(文字编校：杨 骏)

Beachartificialforestcompoundmanagementmodelevaluationbasedonthetheoryoffuzzymathematics

WANG Ping1, LI Jianjun2*, SHE Jiyun2, HUANG Jing2

(1.Hunan Forest Botanical Garden, Changsha 410000, China;2.Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410000, China)

By the data query,expert consultation and data survey of 20 pieces of sample of five kinds of model in Huarong County, screening evaluation index from three aspects of ecological benefit,economic benefit and social benefit,the comprehensive evaluation index system of the beach artificial forest compound managementare were established.The analytic hierarchy process (AHP) and fuzzy mathematics comprehensive evaluation methods are used to evaluate five kinds of poplar plantation management model.Evaluation results show that the pros and cons of sort of ecological,economic and social comprehensive benefit evaluation of the five species of poplar plantation compound management mode are forest-vegetable mode(0.6313)>forest-bacteria mode (0.6118)>forest-medicine mode 0.4883>forest-grass model (0.4752)>pure forest model (0.4567).From the perspective of ecological function, economic function, social function, and comprehensive benefit,the artificial forest compound management model of Huarong county is superior to the pure forest model.

fuzzy mathematics; beach poplar plantation; compound management model; multi-functionality management; comprehensive evaluation

2015-07-03

湖南省科技计划项目“洞庭湖洲滩人工林复合经营模式与关键技术研究(2014NK3091) ”；湖南省教育厅重点科研课题“洞庭湖洲滩人工林复合经营模式及其生态效应(13A122)”；中南林业科技大学研究生科技创新基金项目“基于进化算法的人工林复合经营多目标优化模型(CX2015B18)”。

王 萍(1966-)，女，湖南省安化县人，湖南省森林植物园工程师、科研处副处长，主要从事森林资源管理、园林规划设计工作。

* 为通讯作者

S 718.55+7

A

1003 — 5710(2015)04 — 0073 — 06

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2015. 04. 016