高寒沙地优势防护林筛选研究

冯莉莉,贾志清,李清雪,何凌仙子,杨凯悦

(1.河北工程大学 矿业与测绘工程学院,河北 邯郸 056038;2.中国林业科学研究院荒漠化研究所,北京 100091;3.青海共和荒漠生态系统定位观测研究站,青海 共和 813005)

高寒沙地优势防护林筛选研究

冯莉莉1,2,3,贾志清2,3,李清雪2,3,何凌仙子2,3,杨凯悦2,3

(1.河北工程大学 矿业与测绘工程学院,河北 邯郸 056038;2.中国林业科学研究院荒漠化研究所,北京 100091;3.青海共和荒漠生态系统定位观测研究站,青海 共和 813005)

高寒沙地优势防护林筛选对于治理沙化土地,减少沙漠化的危害具有重要意义。基于青海共和荒漠生态系统定位研究站的观测数据和专家知识,利用层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)对不同防护林类型的生态服务功能进行评价,选择出高寒沙地主导生态服务功能优化的防护林类型,结果表明,从流动沙丘的中间锦鸡儿、柠条和沙蒿中选择中间锦鸡儿和柠条,从丘间地的赖草、柽柳、乌柳、乌柳+沙柳混交林、乌柳+小叶杨混交林中选择乌柳和乌柳+沙柳混交林可以更好地实现其生态服务功能价值。

高寒沙地；优势防护林筛选；生态服务功能；层次分析法

0 引言

高寒地区一般是指高海拔(纬度)、常年低温、冻土常年不化的地区。高寒沙地是指处在这样一种特殊地理气候条件下的沙地,研究该区域优势防护林的筛选对于治理沙漠化土地,减少沙漠化的危害具有十分重要的意义。近年来,对于高寒沙地的植被水分利用状况、土壤及气候状况等研究成为热点。刘海涛等[1]对高寒沙地不同林龄乌柳(Salixcheilophila)的水分生理特性及叶性状进行了研究；刘丽颖等[2]对高寒沙地不同林龄中间锦鸡儿(Caraganaintermedia)的水分利用策略进行了研究；于洋等[3]对高寒沙地乌柳林对土壤的影响进行了研究；朱雅娟等[4]对高寒沙地不同类型防护林的改善小气候效应进行了研究；李海东等[5]对西藏高寒河谷沙地不同演替阶段植被的高光谱特征进行了研究。

处在高寒沙地的植被对于不同的生态服务功能的作用是有差异的,对于高寒沙地主导生态服务功能优化的防护林类型选择定论不一,本文通过对不同防护林的生态服务功能进行评价,从而筛选出适宜高寒沙地种植的优势防护林类型。目前,对生态服务功能进行综合评价所采用的方法主要为定量与定性两种。定量方法对于解决多目标的问题,需要大量数据做支撑,实现过程复杂。定性的方法完全依靠主观评分,不能系统合理地对生态服务功能进行综合评价。层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次,在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。该方法是匹茨堡大学教授萨蒂(美国运筹学家)于20世纪70年代初提出的一种层次权重决策分析方法[6]。在决策者做出最后的决定以前,必须需要考虑很多方面的因素或者判断准则,最终通过这些准则做出选择。因此该方法被广泛应用于对某一指标综合评价的研究[7-9]。近几年,AHP被广泛应用于生态环境评价领域,例如土地资源承载力评价、水资源承载力及配置评价、地质灾害评价、森林健康状况评价等[10-17],但是应用于生态服务功能综合评价方面却很少。本研究利用该方法对高寒沙地人工防护林的生态服务功能进行综合评价,从而筛选出适合高寒沙地种植的优势防护林类型。

1 研究区概况

研究区为青海共和荒漠生态系统定位研究站。该站位于青藏高原东北部的共和盆地沙珠玉地区,地域上属于高原高寒沙化土地类型区,地理坐标为36°03′～36°40′N,99°45′～100°30′E。研究区海拔2 871～3 870m,年均气温为2.4℃,年均降水量为246.3mm,年蒸发量为1 716.7mm；全年大风日数平均为50.6d,最多可达97d,风向主要为西、西北风,年均风速是2.7m/s,最大风速可达40m/s；无霜期日数平均为91d。高海拔、干旱、大风、寒冷是其显著的地理气候特点,表现为生态环境的脆弱性,自然环境的严酷性。研究区有丰富的沙物质基础,加之长期以来不合理的土地利用形成了大面积的荒漠化土地。青海共和荒漠生态系统定位研究站空间位置如图1所示。

图1 青海共和荒漠生态系统定位研究站空间位置

2 方法

选择恢复时间和种植密度基本一致的人工林。在流动沙丘上,选择恢复时间为1998年的中间锦鸡儿、柠条(CaraganaKorshinskii)和沙蒿(Artemisiadesertorum)；在丘间地上,选择恢复时间为2000年的赖草(Leymussecalinus)、1998年的柽柳(Tamarixchinensis)、2000年的乌柳、1998年的乌柳+沙柳(Salixpsammophila)混交林和2000年的乌柳+小叶杨(Populussimonii)混交林。每种植被类型各选择样地4块,样地面积均为20m×20m。

采用AHP对高寒沙地防护林生态服务功能进行综合评价,分别针对流动沙丘和丘间地的防护林类型进行筛选。对于AHP,萨蒂给出9个重要性等级及其赋值,将判断语言转化为数值[18],具体比例标度如表1所示。利用给出的9个重要性等级,同时结合文献及专家打分结果,构造判断矩阵并求出矩阵的最大特征值λmax。把最大特征值λmax带入(1)式,如果CI≤0.10,认为判断矩阵具有一致性,证明我们赋值合理[6-7]。

表1 比例标度

(1)

当CI=0,有完全的一致性；CI接近于0,有满意的一致性；CI越大,不一致越严重。为了衡量CI的大小,引入随机一致性指标RI(表2)。定义一致性比率为:

(2)

一般,当一致性比率CR<0.1时,认为判断矩阵的不一致程度在容许范围之内,有满意的一致性,通过一致性检验。如果没有通过一致性检验,则需要重新构造判断矩阵。

表2 随机一致性指标RI

3 结果及分析

3.1建立层次结构模型

利用AHP对高寒沙地防护林生态服务功能进行综合评价,分别设置目标层A、准则层B和方案层C,其中目标层A为高寒沙地防护林生态服务功能；准则层B为高寒沙地防护林生态服务功能评价指标,包括改善小气候、防风固沙、固碳释氧、改善土壤等4项指标；方案层C为研究区域流动沙丘和丘间地上的各种防护林类型。流动沙丘和丘间地上防护林类型筛选层次结构模型如图2、图3所示。

图2 流动沙丘上防护林类型筛选层次结构模型图

图3 丘间地上防护林类型筛选层次结构模型图

3.2构造判断矩阵

评价人工防护林生态服务功能的时候,土壤改善占较大份额,其次考虑了它的改善小气候的效益[19-20]。查阅文献并结合专家打分,初步确定改善土壤和固碳释氧是人工防护林生态服务功能综合评价相对重要的指标[21]。利用不同指标的重要性构造A-B判断矩阵(表3)。采用MATLAB软件求得判断矩阵的最大特征值λmax,进而利用(1)式和(2)式求出CR值。

表3 A-B判断矩阵及其指标权重

实验数据取自青海共和荒漠生态系统定位研究站,实验对象包括流动沙丘上的中间锦鸡儿、柠条和沙蒿,丘间地上的赖草、柽柳、乌柳、乌柳+沙柳混交林和乌柳+小叶杨混交林。2012年5月，通过测量流动沙丘和丘间地上不同防护林内外的风速、气温、相对湿度,以此来评价不同结构类型防护林的改善小气候功能。流动沙丘上的中间锦鸡儿和柠条改善小气候的功能明显优于沙蒿。丘间地上,乌柳+小叶杨混交林和乌柳+沙柳混交林的改善小气候功能比较好[4]。

通过在流动沙丘和丘间地上收集沙尘量对防护林的防风固沙功能进行评价。2013年10月，对风沙仪采集到的沙尘进行收集并称重,结果显示流动沙丘样地收集到的沙尘量为20.7g,然后依次为沙蒿样地11.9g、乌柳+小叶杨混交样地6.6g、乌柳纯林样地1.1g。由此可以看出,乌柳在3种防护林类型中防风固沙效果最好。其它样地未得到沙尘数据,所以在丘间地上仅依照乌柳纯林的防风固沙效果最好来构造相应的判断矩阵。在流动沙丘上,依照中间锦鸡儿和柠条的防风固沙效果好于沙蒿来构造判断矩阵。

2013年8月，对不同防护林总生物量进行研究比较,评价不同结构类型防护林的固碳释氧功能。实验结果显示，在流动沙丘上中间锦鸡儿和柠条的固碳释氧效果优于沙蒿,在丘间地上固碳释氧效果依次为乌柳+沙柳>乌柳+小叶杨>乌柳>柽柳>赖草。

对不同防护林下土壤的各项指标进行测定,用来评价不同类型防护林改善土壤的功能。2013年5月，采用环刀法对土壤容重、最大持水量和最小持水量等物理指标进行了测定。实验结果表明,流动沙丘上,中间锦鸡儿和柠条的土壤有机质、全氮和全磷水平明显高于沙蒿。在丘间地上,乌柳+沙柳、柽柳和赖草的土壤机械组成、容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、毛管孔隙度和总孔隙度都优于乌柳纯林和乌柳+小叶杨混交林，土壤水分条件和全氮水平也优于乌柳和乌柳+小叶杨混交林，赖草和乌柳+沙柳的有机质优于其他人工植被类型。总之,乌柳+沙柳和赖草对改善土壤效果最佳[22]。

因此,流动沙丘上中间锦鸡儿和柠条改善小气候、防风固沙、固碳释氧、改善土壤的能力均优于沙蒿。结合实验数据及专家咨询结果,构造的判断矩阵如表4—表7所示。丘间地上，两种混交林(乌柳+小叶杨和乌柳+沙柳)的改善小气候和固碳释氧的功能比较好,乌柳的防风固沙能力比较好,乌柳+沙柳和赖草的改善土壤的能力比较好。结合实验数据及专家咨询结果,构造的判断矩阵如表8—表11所示。采用MATLAB软件求得判断矩阵的最大特征值λmax,进而利用公式(1)和(2)求出CR值。

表4 B1-C判断矩阵及其指标权重

表5 B2-C判断矩阵及其指标权重

表6 B3-C判断矩阵及其指标权重

表7 B4-C判断矩阵及其指标权重

表8 B1-C判断矩阵及其指标权重

表9 B2-C判断矩阵及其指标权重

表10 B3-C判断矩阵及其指标权重

表11 B4-C判断矩阵及其指标权重

3.3计算综合权重及排名

流动沙丘上，不同防护林类型生态服务功能综合权重及其排名如表12—表13所示。结果表明中间锦鸡儿和柠条的生态服务功能明显优于沙蒿,所以在流动沙丘上,中间锦鸡儿和柠条是高寒沙地主导生态服务功能优化的防护林类型。丘间地上，不同防护林类型生态服务功能综合权重及其排名如表14—表15所示。结果表明乌柳+沙柳混交林的生态服务功能明显好于其它防护林类型,所以在丘间地上乌柳+沙柳混交林和乌柳是高寒沙地主导生态服务功能优化的防护林类型。

表12 流动沙丘上不同防护林类型生态服务功能综合权重

表13 流动沙丘上不同防护林类型的生态服务功能综合权重排名

表14 丘间地上不同防护林类型的生态服务功能综合权重

表15 丘间地上不同防护林类型的生态服务功能综合权重排名

4 结论与讨论

高寒沙地造林需要考虑各种因素的影响,由于植被的成活率低,人工林需要很长时间才能形成稳定的生态系统,筛选出适合该地区种植的优势防护林具有重要意义。本研究利用AHP对高寒沙地防护林生态服务功能进行综合评价,从而筛选出适合高寒沙地种植的防护林类型,结果表明:

1) 流动沙丘上,中间锦鸡儿和柠条改善小气候、防风固沙、固碳释氧、改善土壤的能力均优于沙蒿。在流动沙丘上,中间锦鸡儿、柠条和沙蒿的生态服务功能权重分别为0.428 6,0.428 6和0.142 8,中间锦鸡儿和柠条的生态服务功能明显优于沙蒿,所以在流动沙丘上选择中间锦鸡儿和柠条作为高寒沙地主导生态服务功能优化的防护林类型。

2) 丘间地上,两种混交林(乌柳+小叶杨和乌柳+沙柳)的改善小气候和固碳释氧的功能比较好,乌柳的防风固沙能力比较好,乌柳+沙柳和赖草的改善土壤的能力比较好。在丘间地上,乌柳+沙柳混交林、乌柳、乌柳+小叶杨混交林、赖草、柽柳的生态服务功能权重分别为0.402 7,0.181 3,0.164 3,0.145 1和0.106 6,乌柳+沙柳混交林的生态服务功能明显优于其它防护林类型,所以在丘间地上选择乌柳+沙柳混交林和乌柳纯林作为高寒沙地主导生态服务功能优化的防护林类型。

单纯地依赖某一指标筛选适合高寒沙地种植的优良防护林不具备合理性,综合的生态服务功能评价指标才能使高寒沙地的防护林筛选更具有合理性。利用AHP对生态服务功能进行综合评价时,指标和指标权重对结果影响比较大。结合当地的实际情况,本研究选择改善小气候、防风固沙、固碳释氧和改善土壤这4个指标来实现该地区的生态服务功能综合评价。其中土壤改善功能主要考虑其水土效益,是从根本上优化当地造林条件,提高造林成活率的重要原因,所以占较大比重。总之,分析结果表明，在青海共和盆地流动沙丘上栽植中间锦鸡儿和柠条,在丘间地上栽植乌柳+沙柳混交林和乌柳可以更好地实现其生态服务功能价值,它们可以作为针对高寒沙地治理的优化防护林类型进行推广。

[1] 刘海涛,贾志清,朱雅娟,等.高寒沙地不同林龄乌柳的水分生理特性及叶性状[J].应用生态学报,2012,23(9):2370-2376.

[2] 刘丽颖,贾志清,朱雅娟,等.高寒沙地不同林龄中间锦鸡儿的水分利用策略[J].干旱区资源与环境,2012,26(5):119-125.

[3] 于洋,贾志清,朱雅娟,等.高寒沙地植被恢复区乌柳人工防护林对土壤的影响[J].林业科学,2013,49(11):9-15.

[4] 朱雅娟,李虹,赵淑伶,等.共和盆地不同类型防护林的改善小气候效应[J].中国沙漠,2014(34):841-848.

[5] 李海东,沈渭寿,刘波,等.西藏高寒河谷沙地不同演替阶段植被的高光谱特征[J].生态与农村环境学报,2014,30(4):521-525.

[6] Saaty T L.The analytic hierarchy process:planning,priority setting,resources allocation[J].New York:McGraw,1980.

[7] 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.

[8] Ismail W K W,Abdullah L,Zhang J,et al.A new environmental performance index using analytic hierarchy process:A case of ASEAN countries[J].Environmental Skeptics and Critics,2012.

[9] Bottero M,Comino E,Riggio V.Application of the analytic hierarchy process and the analytic network process for the assessment of different wastewater treatment systems[J].Environmental Modelling & Software,2011,26(10):1211-1224.

[10] 舒丹丹,杜青辉.层次分析法在沙颍河流域水量分配中的应用[J].河南水利与南水北调,2017(5):87-88.

[11] 王弛.层次分析法在水资源承载力评估中的应用[J].东北水利水电,2017,35(3):47-50.

[12] 邓须军,黄芷妍.基于层次分析法的海南森林资源健康评价研究[J].生态经济,2017,33(6):201-204.

[13] 刘宇恒,邓辉,熊倩莹.基于层次分析法的茂县斜坡地质灾害易发性评价[J].长江科学院院报,2017,34(5):31-35.

[14] 温亮,游珍,林裕梅,等.基于层次分析法的土地资源承载力评价——以宁国市为例[J].中国农业资源与区划,2017,38(3):1-6.

[15] 文光菊,邓文杰,杨乐,等.基于层次分析法的重庆山区矿山泥石流潜势度评价[J].中国地质灾害与防治学报,2017,28(2):92-96.

[16] 张成凤,粟晓玲,蔡焕杰.基于区间层次分析法的榆阳区水资源配置系统和谐性评价研究[J].自然资源学报,2017,32(6):1053-1063.

[17] 梁存利.模糊层次分析法在西藏草地退化研究中的应用[J].草地学报,2017(1):172-177.

[18] Saaty T L.Fundamentals of decision making and priority theory with the analytic hierarchy process[M].Rws Publications,2000.

[19] 王晓光,王珠娜,余雪标,等.退耕还林生态效益评价指标体系研究[J].防护林科技,2006(6):51-53.

[20] 刘军利,秦富仓,岳永杰,等.内蒙古伊金霍洛旗风沙区退耕还林还草生态效益评价[J].水土保持研究,2013,20(5):104-107.

[21] Feng H R,Lim C W,Chen L Q,et al.Sustainable Deforestation Evaluation Model and System Dynamics Analysis[J].The Scientific World Journal,2014.

[22] 李清雪.共和盆地沙漠化土地典型人工植被的土壤改良效应[D].北京:中国林业科学研究院,2014.

TheSelectionoftheMostSuitableShelterForestTypesforAlpineSandyLand

FENG Lili1,2,3,JIA Zhiqing2,3,LI Qingxue2,3,HE Lingxianzi2,3,YANG Kaiyue2,3

(1.SchoolofMiningandGeomaticsEngineering,HebeiUniversityofEngineering,HebeiHandan,056038,China;2.InstituteofDesertificationStudies,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China;3.QinghaiGongheDesertEcosystemResearchStation,QinghaiGonghe813005,China)

The selection of the most suitable shelter forest types for alpine sandy land has great significance to controlling sandy land in this region.In this study,ecological service function assessment of different alpine sandy land shelter forest types was conducted in order to select the most suitable shelter forest type for this special area.Analytic Hierarchy Process(AHP)was used to evaluate the ecological service function of alpine sandy land shelter forest based on data obtained from Qinghai Gonghe Desert Ecosystem Research Station and expert knowledge.Selections of Caragana intermedia and Caragana Korshinskii from Artemisia desertorum,Caragana intermedia and Caragana Korshinskii on moving sand dune and Salix cheilophila and mixed forest of Salix cheilophila with Salix psammophila from Leymus secalinus,Tamarix chinensis,Salix cheilophila,mixed forest of Salix cheilophila with Salix psammophila and mixed forest of Salix cheilophila with Populus simonii on the interdune were taken as the most suitable shelter forest types for alpine sandy land.

alpine sandy land,selection of the most suitable shelter forest types,ecological service function,Analytic Hierarchy Process

S727.23

A

1002-6622(2017)05-0045-07

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.05.009

2017-07-24；

2017-09-27

林业公益性行业科研专项“青海共和盆地典型固沙植物根系特征及功能研究”(201504420)；国家自然科学基金项目(31670706,31600585)

冯莉莉(1986-),女,吉林四平人,博士,主要从事水土保持与荒漠化防治研究。Email:fenglili_caf@163.com

贾志清(1968-),女,北京人,博士,研究员,主要从事水土保持与荒漠化防治研究。Email:jiazq@caf.ac.cn