福寿国有林场杉木生态公益林多功能评价

谢肖昀，李际平，曹小玉，袁晓红，赵春燕

（中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

福寿国有林场杉木生态公益林多功能评价

谢肖昀，李际平，曹小玉，袁晓红，赵春燕

（中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004）

以湖南省福寿国有林场13年生杉木生态公益林作为研究对象，通过专家咨询，运用层次分析法，选取水土保持与水源涵养、物种多样性、固碳功能、生产力4个方面功能共16个指标，建立杉木生态公益林多功能指标体系，并对其多功能进行评价。结果表明：杉木生态公益林多功能经营评价的4个准则层指标权重由大到小分别为：水土保持与水源涵养（0.547 8）、物种多样性（0.199 7）、固碳功能（0.183 2）、生产力（0.069 3）。杉木生态公益林多功能等级为差的样地比重占83.3%；中等等级的样地只占16.7%；无优、良等级的样地。杉木生态公益林整体多功能水平偏低。影响其多功能充分发挥的主要原因为树种结构单一，林下植被盖度低、林分生物量低。

杉木生态公益林；多功能评价；指标体系；AHP法；湖南平江

森林生态系统不仅为社会提供需要的木材经济价值，而且还具有涵养水源、保持水土、净化大气环境、保护生物多样性和森林游憩等多种服务功能[1]。森林对于人类的生存、经济的发展以及社会的进步都有着重要的影响[2]。关于森林功能的研究，研究者们做了大量的工作。黄进等[3]对江宁小流域主要森林类型在不同环节、各个林分之间的水源涵养功能进行了研究，曾斌等[4]研究了不同林龄的杉木人工林物种多样性，方晰[5]分别对不同林龄、不同植被层杉木人工林碳储量进行研究，探讨了不同土地利用方式等对杉木林地碳储量的影响。但是现阶段很多国内外研究还停留在对森林单一功能的研究，对于森林的多功能评价还是以定性为主，很少采用定量方法来构建评价指标体系，对森林的多功能进行评价。本研究以福寿国有林场杉木生态公益林为研究对象，通过运用层次分析（AHP）法，定性与定量的方法相结合，选取水土保持与水源涵养、物种多样性、固碳功能和生产力4个功能指标构建评价指标体系，并对杉木生态公益林的多种功能进行综合评价，以期为福寿国有林场杉木生态公益林的多功能经营提供理论依据。

1 研究区概况

研究区为湖南省平江县福寿国有林场，位于平江县南部的福寿山上，地处 28°3′00″～28°32′30″N，113°41′15″～ 113°45′00″E之间。属罗霄山脉连云山支脉，地势南高北低，林场场部海拔1 078 m。全场土地总面积为1 274.9 hm2，其中林地面积1 265.74 hm2，占总面积的99.3%；其它土地面积9.16 hm2，占0.7%；森林覆盖率为93%。林场处于中亚热带向北亚热带过渡的气候带，属湿润的大陆性季风气候，年平均气温12.1 ℃，极端最高气温33.4 ℃，最低气温为-15 ℃，年相对湿度87%。林场内海拔800 m以下的土壤均为山地黄壤，800～1 400 m之间为山地黄棕壤，海拔在1 400 m以上的山顶和山脊有小块草甸土。

2 数据来源与研究方法

2.1 样地设置与调查

在实际踏查福寿国有林场13年生杉木生态公益林基础上，设置6块20 m×30 m的样地，样地编号为1～6，样地之间保留出相应的缓冲区域。测量时，在每个标准地内将其等分为6个10 m× 10 m的小样方，对标准地内的全部乔木个体进行每木检尺，实测记录树高、胸径、冠幅等指标。同时，对环境立地因子等基本信息进行记录。在每块标准地内，分别设置5 m×5 m的灌木样方和1 m×1 m的草本小样方在四角和中心位置，记录灌木的种类、高度、盖度、株数等，草本的种类、高度、盖度以及株数等因子。

土壤调查采用剖面取样法，在每个标准地内的上、中、下3个部位随机选择挖3个具有代表性的长宽分别为1.2 m、60 cm深的土壤剖面进行观测记录。使用环刀和密封袋分别采集0～20 cm、20～30 cm、30～45 cm、45～60 cm土层的土样，用于土壤中有机碳含量的测定。同时，用烘干法测定土壤毛管持水量，采用环刀法测定土壤的容重以及毛管孔隙度[6-7]。

2.2 研究方法

2.2.1 多功能指标体系的构建方法

对多功能指标进行筛选的方法有多种，例如，头脑风暴法、Delphi法、会内会外法等。但由于每个方法都有其优缺点及适用性，本研究根据杉木生态公益林的实际情况，采取几种方法相结合的方式对多功能指标进行筛选，从而构建更为科学、合理的多功能指标体系[8]。

2.2.2 指标权重的确定方法

根据所建立的多功能评价指标体系，采用层次分析法，再通过专家对各个指标重要性的比较判断，构建判断矩阵。然后通过对判断矩阵进行计算，得出各层次的权重值，经过调试与修改，通过一致性检验，最终得到各项评价指标的权重。

2.2.3 各指标评分标准

在查阅大量杉木多功能研究的基础上，结合杉木生态公益林多功能优化目标和研究区域杉木天然次生林多功能的实际情况，将多功能指标进行量化处理，构建多功能评价评分标准。评分采用十分制，得出最大值、最小值、均值以及分布梯度，从而将各指标分为优、良、差3个等级，赋予各等级一定的分值。

2.2.4 杉木生态公益林多功能的计算方法

（1）水土保持与水源涵养功能

通过剖面法取得土样，土壤容重、土壤持水量和土壤毛管孔隙度的计算公式为：

式（1）～ （3）中：Y为土壤容重（g/cm3）；W0为土壤持水量（%）；P1为土壤毛管孔隙度（%）；g为环刀内湿样质量（g）；V为环刀内容积（cm3）；W为样品含水百分数（%）；Pt为环刀内湿土质量（g）；P0为环刀内干土质量（g）。

（2）物种多样性功能指标的计算

由于多样性是一个综合量度，进行物种多样性分析时应将各个多样性测度指标进行全面考虑。本研究采用物种丰富度指数（S）、多样性指数和均匀度指数来分析物种多样性水平。其计算公式如下：

Simpson指数：

Shannon-Wiener指数：

Pielou指数：

式（4）～（6）中：pi为第i种的个体数占所有种的个体总数的比例，S指的是所在样地内物种种类的总数。

（3）固碳功能指标计算

森林的碳是以森林的生物量为载体，因此，可以根据乔木层、灌木层、草本层和枯枝落叶层的生物量计算相应的碳储量，即以森林植被的乔木层、灌木层、草本层和枯枝落叶层生物量乘以转换系数（即每克干物质的碳含量)推算而得到森林的碳储量。土壤碳储量则是根据土壤有机碳含量、土壤厚度及土壤容重3个指标间的乘积来计算。

式（7）中：TOC为土壤碳储量（t/hm2），C为土壤有机碳含量（%），D为土壤厚度（cm），θ为土壤容重（g/cm3）。

（4）生产力功能指标计算

杉木林生物量估算模型很多，大都是以胸径（D）或胸径、树高（D2H）为自变量，但一般认为在估算杉木各器官生物量中，增加树高因子会提高树高的精度，因此，相对生长方程采用D2H为变量进行全株生物量的测定。

式（8）中：W为乔木总生物量（t/hm2），D为胸径（cm），H为树高（m）。

林下植被和枯枝落叶层生物量采用样方收获法测定，即在样地中机械布设5～10个1～2 m2的样方将其中的灌木、草本全部收获称湿重，并置于105 ℃恒温下烘箱内烘干6～8 h烘干至恒重，并称量其干重，计算干重率、总的干质量，最后换算成单位面积的生物量。

2.2.5 评价模型的构建

根据以上的计算结果可得，森林多功能评价模型为：

其中，Wi≥0，ΣWi=1。式（9）中，A表示杉木生态公益林各样地的功能综合指数；i表示第i个功能指标；Wi表示第i个功能评价指标的权重；Bi代表第i个功能的得分。

3 结果与分析

3.1 杉木生态公益林多功能评价指标体系

根据科学性、可操作性和层次性原则，首先明确评价的目标是杉木生态公益林多功能。根据头脑风暴法、Delphi法、会内会外法等相结合的指标筛选方法，选取4类功能作为准则层指标，即为水土保持与水源涵养功能[9]（B1）、物种多样性功能[10-11]（B2）、固碳功能[12-13]（B3）、生产力功能（B4）。在水土保持与水源涵养功能（B1）方面，选取土壤持水量（S1）、土壤毛管孔隙度（S2）和土壤容重（S3），因为3者均是反映土壤物理性质的参数[14]；在物种多样性方面选取均匀度指数（S4）、丰富度（S5）、辛普森指数（S6）、香农威纳指数（S7）作为指标；在固碳方面选取土壤、乔木层、灌木层、草本层以及枯枝落叶层的碳储量作为评价指标；在生产力功能方面选取乔木层、灌木层、草本层以及枯枝落叶层的生物量作为评价功能的指标，共选取了16项指标因子作为措施层指标。下图1即为杉木生态公益林多功能评价体系。

3.2 杉木生态公益林评价结果

3.2.1 指标权重确定结果

图1 杉木生态公益林多功能评价指标体系Fig.1 Assessment index system of multi-function of C.lanceolata ecological forest

通过AHP层次分析法的计算，福寿国有林场杉木生态公益林多功能经营评价的4个准则层指标权重分别为：水土保持与水源涵养功能（0.547 8）、物种多样性功能（0.199 7）、固碳功能（0.183 2）、生产力功能（0.069 3），措施层指标权重见表1。

表1 杉木生态公益林多功能评价指标因子权重Table 1 Weight values of multi-function assessment indexes for C.lanceolata ecological forest

由表可看出：水土保持与水源涵养功能对福寿国有林场杉木生态公益林多功能发挥的影响最大，这是由于林场的杉木生态公益林是以缓解地表径流、防止水土流失、保持和恢复土地肥力为主要经营目的水土保持林；物种多样性功能占20%的权重，这是判断杉木生态公益林的生态系统稳定性的指标；固碳功能占18%的权重；生产力功能仅占6%，虽然是杉木生态公益林，但依旧是衡量该林分健康成长的指标。

在次一级的指标层中，根据所得的权重可知，土壤毛管孔隙度和土壤容重所占权重比较大，说明土壤结构对于林分生长会产生一定的影响作用。香农威纳指数和辛普森指数对于林分的生长有一定的影响，土壤持水量可以影响森林内土壤的蓄水能力，会在一定程度上促进植物的生长。碳储量和生物量的权重相对较小，是根据当地的环境立地因子而决定。

3.2.2 指标评分值

根据下表2的评分标准，将各指标分为优、良、差3个等级，对各个功能二级指标赋予一定的分值，以便对杉木生态公益林的多功能指标进行计算。

根据二级指标的评价得分，将其与各指标权重相乘，得到各二级指标评价值，最后将其相加，得到各个功能评价得分。见下图2。由图所示，水土保持与水源涵养功能评价得分偏低，物种多样性功能整体偏高，固碳功能和生产力功能处于中等水平，但整体功能没有充分发挥。

表2 杉木生态公益林多功能评价指标评分标准Table 2 Grading standards of forest multifunction assessment indexes for C.lanceolata ecological forest

图2 杉木生态公益林不同样地的各个功能评价得分Fig.2 Evaluating scores of each function of different sample plots for C.lanceolata ecological forest

根据指标权重的确定，得到杉木生态公益林多功能评价模型为：

式（10）中，A为杉木生态公益林各样地功能综合指数；Wi≥ 0，ΣWi=1。式中，B1，B2，B3，B4分别为水土保持与水源涵养、物种多样性、固碳功能和生产力4个功能指标评价得分。

下表3为通过上式计算所得的杉木生态公益林不同样地之间的多功能评价综合指数。根据结果显示，在13年生的杉木生态公益林中，多功能评价指数普遍处于2～4之间。

表3 杉木生态公益林不同样地的多功能评价指数Table 3 Multi-function assessment indexes for different sample plots in C.lanceolata ecological forest

3.2.3 评价结果

采用等距划分法，对杉木生态公益林多功能评价指数结果划分为5级。通过6块样地评价指数A的计算结果，见下表4，杉木生态公益林多功能等级为差的样地有5个，等级为中等的样地有1个，等级为优、良、极差的样地为0，差和中等等级的样地比重分别为83.3%和16.7%。结果表明，福寿国有林场13年生的杉木生态公益林多功能主要处于差等级，整体多功能水平偏低，该区域多种功能发挥受到限制，这是由生态公益林所处的环境以及该研究区域为杉木纯林等各种原因相互影响而产生的。

表4 杉木生态公益林多功能等级分布情况Table 4 Distribution of forest multifunction grades in C.lanceolata ecological forest

4 结论与讨论

本研究以湖南岳阳福寿国有林场13年生的杉木生态公益林为对象，运用头脑风暴法、Delphi法、会内会外法等相结合的指标筛选方法，选取水土保持与水源涵养、物种多样性、固碳功能、生产力4类功能、16个评价指标，运用层次分析法对指标赋予权重，并构建评价指标体系，对13年生的杉木生态公益林的功能进行评价。旨在选择比较简明、易于操作且较为合理的指标因子，为准确反映杉木生态公益林的现状，以及为森林的可持续经营管理奠定科学依据。

在各功能指标评价得分中，水土保持与水源涵养功能评分相比其他3个功能稍低，整体仍处于较低层次。其原因首先是由于单一杉木林的种植比例较大，不利于水土保持与水源涵养功能的实施；而水土保持与水源涵养功能会影响该区域的水土流失情况，水土流失严重使林木种子、土壤种子随之损耗，导致林下植被盖度较低，物种多样性功能脆弱。制约固碳功能和生产力功能发挥的原因是林分生长缺乏所必须的营养不足，导致林分生物量较低。

森林功能的高低是由多个因子相互影响、相互作用而得出的结果。因此，在13年生的杉木生态公益林中，评价等级为差的样地占整体的83.3%，中等等级只占16.7%，没有多功能评价等级为优、良、极差的样地，多功能整体水平处于偏低状态。要将杉木生态公益林的多功能发挥到最大化，就需要确保空间结构和非空间结构的合理性。而在将来的经营管理中，建议林场采取合适的经营措施与手段，例如加大针阔比例、人为恢复林下植被等，从而提高杉木生态公益林的多种功能。

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Multi-functional evaluation ofCunninghamia lanceolataecological forest in Fushou State-owned Forest Farm

XIE Xiao-yun, LI Ji-ping, CAO Xiao-yu, YUAN, Xiao-hong, ZHAO Chun-yan
(School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The research took 13-year-oldCunninghamia lanceolataecological forest in Fushou State-owned Forest Farm, Hunan Province as the object. The index system of multi-function forC.lanceolatapublic welfare ecological forest was set up through experts consultation and by the way of analytic hierarchy process, including 16 factors indices of soil and water conservation, diversity of species, carbon sequestration function, productivity function etc. And the multi-functional evaluation forC lanceolataecological forests in Fushou Stateowned Forest Farm was carried out. The results show as follows. The four criterion level index weight of multi-functional management evaluation ofC. lanceolataecological forest were in order from big to small: soil and water conservation (0.547 8), diversity of species (0.199 7), carbon sequestration function (0.183 2), productivity (0.069 3). The proportion of sample plots, which was at poor level in multi-function grade, was 83.3%, the percentage of sample plots at middle multi-function level was only 16.7%, and there was no one sample plot at excellent and good level. Overall multi-functional ofC.lanceolataecological forest was at the low level. The main limiting factors affecting the multi-function into full play were unitary structure of tree species, low understory coverage, and low stand biomass.

Cunninghamia lanceolataecological forest; ecological public welfare forest; multi-functional evaluation; index system;analytic hierarchy process; Pinjgiang county of Hunan province

S791.27

A

1673-923X(2015)04-0014-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.04.003

2014-12-03

国家 “十二五”科技支撑项目（2012BAD22B0505）

谢肖昀, 硕士研究生 通讯作者：李际平，教授，博士； E-mail：lijp0625@qq.com

谢肖昀,李际平,曹小玉,等. 福寿国有林场杉木生态公益林多功能评价[J].中南林业科技大学学报,2015,35(4):14-18,26.

[本文编校：文凤鸣]