基于层次分析法的毛乌素沙地3种造林模式恢复成效评价

张 雷,洪光宇,2,李卓凡,高孝威,黄萨仁,王 卓,刘尚华,王晓江

(1.内蒙古自治区林业科学研究院,呼和浩特 010010；2.内蒙古农业大学 草原与资源环境学院,呼和浩特 010011；3.鄂尔多斯市乌审旗林业局林工站,内蒙古 乌审旗 017300；4.鄂尔多斯市水土保持监督执法局,内蒙古 鄂尔多斯 017010；5.鄂尔多斯市退耕还林工程管理中心,内蒙古 鄂尔多斯 017010)

毛乌素沙地为我国四大沙地之一,生态环境较为脆弱,且是荒漠化等生态灾害较容易产生的地区之一[1-2]。为有效遏制土地荒漠化,改善当地的生态环境和生存条件,人工造林成为植被恢复防治荒漠化的主要手段[3]。近年来,该区植被恢复取得了较大成绩,土地荒漠化得到了有效遏制。然而,不同造林模式下的恢复成效如何,如固碳能力、生物多样性保护、土壤理化性质和防风固沙等方面的评价,十分必要。目前,已有少量学者对该地区的不同模式进行了总体生态效益分析[4-5],但是对于具体树种、具体模式的综合评价尚未见报道。

层次分析法(Analytical hierarchy process,AHP)是美国著名运筹学家、匹兹堡大学教授Saaty在20世纪70年代创立的一种系统分析与决策的综合评价方法[6],是在充分研究人们思维过程的基础上提出的,它比较合理地解决了定性问题定量化的处理过程[7]。AHP在林业[7-8]和畜牧业[9-10]中得到了较为广泛的应用。本文以毛乌素沙地腹地乌审旗乌兰陶勒盖镇已有的沙柳(Salixpsammophila)沙障、紫穗槐(Amorphafruticosa)人工林和樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)人工林3种造林模式为研究对象,构建了沙地植被恢复成效评价体系,采集了固碳能力、生物多样性、土壤理化性质和防风固沙等方面的数据,运用层次分析法定量评价了3种造林模式的恢复成效,以期为该地区植被恢复成效评价以及人工植被建植提供样板和参考。

1 研究区概况

研究区位于毛乌素沙地腹地。毛乌素沙地位于37°27.5′～39°22.5′N,107°20′～111°30′E,海拔1 200～1 600m。该地区属于温带半干旱大陆性季风气候,半固定和固定沙丘广泛分布。沙区年均温6.0～8.5 ℃,年均降水量270～350mm,尤以8月最多,年均蒸发量1 800～2 500mm。该区常见的灌木种有油蒿(Artemisiaordosica)、沙柳、杨柴(Hedysarumlaeve)、柠条(Caraganaintermedia)和沙地柏(Sabinavulgaris)等[3,11]。

2 研究方法

2.1 样地设置及调查

在内蒙古乌审旗乌兰陶勒盖镇已有的分布面积较广的沙柳沙障、紫穗槐人工林和樟子松人工林等3种造林模式内,选择具有代表性并且立地条件相似的迎风坡进行设样调查。样地基本情况如表1所示,造林时间均为2010年。

1) 植被数据调查与土壤取样。沿选取的典型坡面分坡上、坡中和坡下设置样方,4个重复,该部分调查于2016年8—9月份进行。具体包括:设置5 m×5 m灌木样方,记录冠幅、高度、种名、枯枝和死枝数、地径等,并取标准株生物量用牛皮纸袋包好；设置1 m×1 m草本样方,记录盖度、高度、丛(株)数、生物量以及种名等,并取地上生物量用牛皮纸袋包好,同时记录样地基本的生境因子(如坐标、海拔、坡度、坡向、土壤类型等)；生物量在实验室70 ℃下烘干48 h后用电子天平称重。土壤在每个灌木样方中分0～20cm,20～40cm,40～60cm分别取样,自然风干后在实验室测定土壤有机质、速效N、速效P和速效K。

2) 土壤含水量长期监测。于2015年5月在每个灌木样方中预埋2m长TDR测量管。此后,分别于2016年4月、6月、9月和11月使用PICO-BT便携式土壤水分速测仪分0～20cm,20～40cm,40～60cm,60～80cm,80～100cm,100～120cm,120～140cm,140～160cm和160～180cm等9层进行土壤水分的测定,每个层次每次3个重复,土壤涵养水源功能使用0～180cm深含水量的加权平均值,所测数据均为体积含水量,单位为%。

3) 风蚀监测。于2015年5月在每个灌木样方中预埋风蚀桩,并于2015年的11月和2016年的11月分别量取了风蚀桩的高度,它们的差值被认为防风固沙的效果。

表1 样地概况Tab.1 Basic condition of sample plots

2.2 评价指标体系的构建

考虑到沙地植被恢复的基本目标是其各项生态系统服务功能的提高,因此参考《森林生态系统服务功能评估规范》[12],按照层次分析法,构建恢复成效评价指标体系,即由1个总目标层(A层)、5个准则层(B层)和11个指标层(C层)组成(表2)。

表2 沙地植被恢复成效评价体系Tab.2 Sand land vegetation restoration assessment system

注:“正向”意为值越大越好;“负向”意为值越大越差。

2.3 权重的确定

2.3.1问卷调查

对表2中的5个准则层(B层)和11个指标层(C层)的重要性进行问卷调查[8,13-15]。本研究共计发放专家咨询问卷30份,其中有效问卷30份,咨询专家专业包括水土流失与荒漠化防治、生态学、森林培育和森林经营等,职称包括研究员、副研究员和助理研究员等。具体调查问卷项目包括5个准则层的重要性以及11个指标层在各自准则层中的重要性。重要性采用排序制,“1”表示最重要,“2”表示次重要,以此类推,可并列。

2.3.2权重的计算

对于权重的确定[8,10,13-16]:首先,依据问卷调查的结果并结合前期研究经验,采用1～9标度方法作评价因子之间两两重要性定量判断,形成判断矩阵。然后,根据判断矩阵,运用根法计算同一层次下各元素的相对权重向量,并计算同一层次所有因素对最高层相对重要性的权重向量(也就是本研究中的指标层对准则层的权重向量,wkj=wk×pkj,wkj为第k个准则层因素中第j个指标的组合权重,wk为第k个准则层因素在本层次的相对权重,pkj为第k个准则层因素中第j个指标在同一准则层的指标层中的相对权重)(表2)。最后,进行判断矩阵一致性检验,即计算一致性指标CI(Consistency Index)并查找相应的平均随机一致性指标RI(Random Index),从而得到一致性比例CR(Consistency Ratio)=CI/RI；当CR<0.1时,认为判断矩阵具有满意的一致性,当CR≥0.1时需要调整判断矩阵直到满意,一般情况对于一阶、二阶矩阵总是一致的,此时CR=0。本研究中,准则层CI=0,RI=1.12,CR=0 < 0.1,判断矩阵具有满意的一致性。

2.4 数据无量纲化处理和综合得分的计算

从表2中可知,本研究选择的各指标量纲不同,因此在评价前应进行无量纲化处理,具体公式如下[17]:

对于正向指标:

对于负向指标:

式中:i为第i种造林模式；j为第j个指标；Xij为实测值；Xmax为第j个指标中所有实测值的最大值；Xmin为第j个指标中所有实测值的最小值。

2.5 数据处理分析

物种多样性的计算按下列公式[18]:

丰富度指数:R=S

Shannon-Wiener指数:H=-∑PilgPi

此外,使用Excel 2007进行数据的整理,SPSS 19.0进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 3种造林模式下各指标实测值对比

3种造林模式在研究区均较为常见,沙柳沙障为当地沙柳的常规铺设方法,紫穗槐和樟子松近年来也作为沙地植被建设的重要树种被广泛应用,分析相同种植年限各指标实测值的不同，可发现它们多种生态系统服务功能的恢复快慢。从表3可以看出:1)固碳能力,单位面积乔(灌)木地上生物量沙柳沙障和紫穗槐人工林差异不显著,但均显著高于樟子松人工林；单位面积草本地上生物量差异均不显著。2)生物多样性,紫穗槐人工林均显著高于沙柳沙障和樟子松人工林。3)土壤改良,土壤有机质差异不显著,速效N沙柳沙障显著高于紫穗槐人工林,速效P沙柳沙障和樟子松人工林显著高于紫穗槐人工林,速效K沙柳沙障和紫穗槐人工林显著高于樟子松人工林。4)土壤涵养水源,差异均不显著。5)防风固沙,沙柳沙障显著优于樟子松人工林。整体上看,沙柳沙障的固碳能力、土壤改良和防风固沙等效益恢复最好,紫穗槐人工林固碳能力和防风固沙效益恢复次之,但是生物多样性效益恢复最好,樟子松人工林各项效益恢复均较差。

3.2 3种造林模式恢复成效评价结果

3种造林模式下各指标无量纲化后的值如表4所示。依据表2的组合权重和表4计算得到3种造林模式恢复成效的综合得分(表5)。从表5中可以明显看出,沙柳沙障>紫穗槐人工林>樟子松人工林,得分分别为75.32,67.67和37.31,也就是说沙柳沙障在该地区恢复成效最优,而对于近年来引进并被广泛应用的紫穗槐和樟子松,紫穗槐人工林的恢复成效同样良好,仅略低于沙柳沙障,而樟子松人工林恢复成效较差。

表3 3种造林模式下各指标的实测值Tab.3 The measured values of each index in the three afforestation models

注:检验方法为LSD,同一行不同字母表示显著差异(P<0.05)。

表4 3种造林模式下各指标无量纲化后的值Tab.4 The dimensionless values of each index in the three afforestation models

表5 3种造林模式恢复成效评价结果Tab.5 Assessment results of the three afforestation models

4 结论

本研究通过构建沙地植被恢复成效评价体系,运用层次分析法基本原理对毛乌素沙地3种造林模式进行了综合评价,结果表明:1)沙柳沙障的固碳能力、土壤改良和防风固沙等效益恢复最好,紫穗槐人工林固碳能力和防风固沙效益恢复次之,但是生物多样性效益恢复最好,樟子松人工林各项效益恢复均较差。2)综合得分显示,沙柳沙障(75.32)>紫穗槐人工林(67.67)>樟子松人工林(37.31),也就是说,沙柳沙障作为该地区的乡土树种,其常规造林方法恢复成效最优,而紫穗槐人工林的恢复成效同样良好以及樟子松人工林恢复成效较差则表明，相比乔木林该地区更适合灌木林的营建。

[1] 任兰英.毛乌素沙地荒漠化景观演变特征研究[D].呼和浩特:内蒙古师范大学,2014.

[2] 张新时.毛乌素沙地的生态背景及其草地建设的原则与优化模式[J].植物生态学报,1994,18(1):1-3.

[3] 张雷,王晓江,洪光宇,等.毛乌素沙地不同飞播年限杨柴根系分布特征[J].生态学杂志,2017,36(1):29-34.

[4] 牛兰兰.毛乌素沙地植被恢复模式及生态功能评价[D].北京:北京林业大学,2007.

[5] 安云.毛乌素沙地4种典型植被恢复模式生态效益分析[D].北京:北京林业大学,2013.

[6] Saaty T L.The Analytic Hierarchy Process[M].New York:Mcgraw-Hill Inc,1980.

[7] 杨斌,杨国州,张延东.运用层次分析法优选临夏北塬农田防护林树种[J].林业科学,2006,42(6):49-55.

[8] 童丽丽,吴祝慧,王哲宇,等.层次分析法与熵技术评价在南京城市绿化生态树种选择中的应用[J].东北林业大学学报,2010,38(9):58-61.

[9] 刘振虎,卢欣石,葛军.利用层次分析法综合评价9个草坪品种的耐盐性[J].草地学报,2002,10(3):207-211.

[10] 吴道义,顾明.层次分析法在畜牧业循环经济综合评价中的应用[J].家畜生态学报,2010,31(1):50-53.

[11] 张军红.毛乌素沙地油蒿群落土壤水分分布与动态[D].北京:中国林业科学研究院,2013.

[12] LY/T1721-2008,森林生态系统服务功能评估规范[S].

[13] 王莲芬,许树柏.层次分析法引论[M].北京:中国人民大学出版社,1990.

[14] 万年峰,蒋杰贤,徐建祥,等.层次分析法在上海市农田有害生物治理中的应用[J].生态学报,2005,25(11):2997-3002.

[15] 高蓓,卫海燕,郭彦龙,等.基于层次分析法和GIS的秦岭地区魔芋潜在分布研究[J].生态学报,2015,35(21):7108-7116.

[16] Ramanathan R.A note on the use of the analytic hierarchy process for environmental impact assessment[J].Journal of Environmental Management,2001,63(1):27-35.

[17] 龚元圣,王晓春,陈贤.标准差权重法在番茄果实商品性状评价上的应用分析[J].安徽农业科学,2008,36(31):13600-13602.

[18] 李博.生态学[M].北京:高等教育出版社,2003:343-346.