基于TOPSIS法的鲁中南山区不同混交林水土保持效益评价

2019-01-16李亦然张兴刚李泽东张如明程甜甜张永涛

中国水土保持科学 2018年6期

李亦然，张兴刚，李泽东，张如明，程甜甜，张永涛†

(1.山东农业大学林学院,山东省土壤侵蚀与生态修复重点实验室,泰山森林生态系统定位研究站,271018,山东泰安； 2.山东省莱芜市水土保持办公室,271100,山东莱芜)

森林具有美化环境、蓄水保土、改良土壤、释氧固碳等多种效益，对森林效益进行评价研究，对我国林业资源的合理配置等方面具有重要意义。近些年来，中国对于森林资源的保护与发展已取得较好成效，人工林发展迅速，已成为世界上人工林保存面积最大的国家，但仍面临着质量不高、结构不合理等问题和考验[1]。随着山东省森林资源数量的持续增长，森林结构和质量问题也日益突出，其中“纯林多，混交林少”成为影响森林资源质量的重要因素之一[2]，而混交林作为林木产业中的重要组成部分，相对于纯林具有充分利用土地空间、较好地发挥防护效益和改善立地条件等优势；因此积极营造混交林是进一步构建完善林业生态体系的有效路径[3]。鲁中南山区主要分为石灰岩山地与砂石山地，立地条件较差，生态环境比较脆弱，是全国水土流失比较严重的地区之一，而人工造林作为生态环境治理的重要措施之一，可以有效地防治水土流失，促进区域生态平衡；因此，对于鲁中南山区，如何在“适地适树”的造林原则之上，结合水土保持效益评价结果，正确地选择混交树种，充分发挥混交林的生态优势，从而进一步提升水土流失防治效果，显得尤为重要。

大多数专家学者对于鲁中南山区林分的水土保持效益研究集中于分析单方面效益或特性，只是简单计算效益[4-6]，并没有使用较为完善、科学的综合效益评价方法。TOPSIS综合评价法是一种对多项指标、多个方案分别构造正、负理想解，使方案尽可能远离负理想解的同时接近正理想解，据此比较选择出最优方案的分析方法[7]，在国内外多个专业学术领域得到较好应用。蒋荣超等[8]将TOPSIS法作为整车动力学性能优化中变量筛选中的方法，R. K. Singh等[9]基于TOPSIS法原理对逆向供应链中的配置策略进行了分析，R. Dandage等[10]使用TOPSIS法对国际项目中的风险类别进行的排序。TOPSIS综合评价法虽然在多个学术领域有了较多应用，但在水土保持效益分析评价和树种选择评价方面，目前鲜见报道。

本研究以鲁中南山丘区典型石灰岩山地和砂石山地的山坡中上部营造的共12种混交林为研究对象，以荒草地作为对照，研究分析各混交林在蓄水保土和改良土壤2大方面的水土保持效益，选取13项指标并基于TOPSIS原理进行评价分析，筛选出适合研究区石灰岩山地和砂石山地的混交林模式，以期为鲁中南山丘区防护林生态效益评价和造林树种选择提供科学方法与理论支撑。

1 研究区概况

1) 石灰岩山地。石灰岩山地试验区位于山东省泰安市新泰市，海拔240～480 m，土壤种类为褐土，土层厚度15～30 cm，坡度15°～28°，岩石为石灰岩，属鲁中南山区。该区域属暖温带亚湿润大陆性季风气候，多年平均气温13.2 ℃，年平均日照时间2 327.3 h，无霜期195 d，多年平均降水量715.2 mm。

2) 砂石山地。砂石山地试验区位于山东省莱芜市莱城区，海拔150～360 m，土壤种类为棕壤，土层厚度15～50 cm，坡度10°～25°，岩石为片麻岩，属鲁中南山区。该区域属暖温带亚湿润大陆性季风气候，多年平均气温13.15 ℃，年平均日照时间2 654 h，无霜期189 d。多年平均降水量667.5 mm。

2 试验材料与方法

1) 石灰岩山地。研究区的石灰岩山地立地条件普遍较差，典型的混交模式主要有2类：乔灌混交和针阔混交。乔灌混交类型主要有4种：10年生侧柏(Platycladusorientalis)连翘(Forsythiasuspensa)混交林、侧柏扶芳藤(Euonymusfortunei)混交林、侧柏山杏(Armeniacasibirica)混交林和侧柏黄栌(Cotinuscoggygria)混交林，造林地位于山坡中上部、平均土层厚度25 cm、坡度10°～25°，2005年采用长、宽、深为0.4 m×0.4 m×0.3 m的穴状整地，侧柏于同年7月采用容器苗造林，连翘、扶芳藤、山杏和黄栌于同年9月采用裸根苗造林。以附近立地条件相同的荒草地作为对照，命名为1号对照；针阔混交类型共3种：侧柏五角枫(Acermono)混交林、侧柏刺槐(Robiniapseudoacacia)混交林和侧柏黄连木(Pistaciachinensis)混交林，造林地位于山坡中上部、平均土层厚度30 cm、坡度15°～25°。2005年采用长、宽、深为0.7 m×0.5 m×0.4 m的穴状整地，侧柏于同年7月采用容器苗造林，五角枫、刺槐和黄连木于同年4月采用裸根苗造林。以附近立地条件相同的荒草地作为对照，命名为2号对照。

2) 砂石山地。研究区的砂石山地立地条件普遍较差，典型的混交模式主要有2类：针阔混交和阔阔混交。针阔混交主要有3种：10年生黑松(Pinusthunbergii)刺槐混交林、黑松麻栎(Quercusacutissima)混交林、黑松五角枫混交林。阔阔混交主要有2种：刺槐麻栎混交林和刺槐五角枫混交林。造林地位于山坡中上部、平均土层厚度30 cm、坡度15°～25°。2005年采用长、宽、深为0.7 m×0.5 m×0.4 m的鱼鳞坑整地，黑松于6月对采用容器苗植苗造林，阔叶树种于同年3月采用裸根苗植苗造林。以附近立地条件相同的荒草地作为对照，命名为3号对照。

每种混交类型栽植在一个小区，混交比例为5∶5，小区规格为60 m×60 m，每个小区重复3次，3个试验地共计45个小区，试验区面积共计16.2 hm2，各混交类型林分的立地条件大致相同。不同混交林的10年林木生长状况，如表1所示。

2.1 试验方法

1)在12种混交林内设置分别3个10 m×60 m的标准地，测定树高、胸径、冠幅和郁闭度。2)在标准地的对角线上均匀布设4个1 m×1 m的样方，用钢尺测量枯落物厚度，采用烘干法计算枯落物蓄积量，重复3次。3)在标准地内随机设置3个2 m×2 m的观测样方，采用样方收获法和烘干法计算林下灌草生物量。4)在标准地内均匀选取5个测点，用铝盒分别取0～10、10～20、和20～30 cm土壤样品，用烘干法测定土壤含水量，用50 cm3环刀取土壤样品，浸水法测定土壤密度、总孔隙度、毛管孔隙度、土壤最大持水率、土壤饱和贮水量等，重复3次。5)在标准地内采用单环定量加水法测定土壤的入渗速率。6)分别在标准地内于2011年末均匀插入300个铁钎标尺，测定并记录2012—2014年各林分和对照区内标尺因径流冲刷而裸露的高度，采用下式分别计算平均年侵蚀模数：年侵蚀模数(t/hm2·a)=(侵蚀深度(m)×样地平均土壤密度(g/cm3))/时间(a)，并以对照区的平均年侵蚀模数与各林分平均年侵蚀模数相减，作为减蚀量的数据。7)用重铬酸钾法测定土壤有机质，用碱解-扩散法测定水解氮，用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定有效磷，用火焰光度计法测定速效钾，用凯氏消煮法测定全氮，用硫酸-高氯酸酸溶-钼锑抗比色法测定全磷，用氢氧化钠碱熔-火焰光度法测定全钾。8)碳汇量的估算利用蓄积量法。计算公式为：碳汇量(t/hm2)=单株材积(m3)×林分密度(株/hm2)×吸收CO2量(t/m3)。

2.2 TOPSIS综合评价法

TOPSIS法相对于专家评分法、综合指数法等评价方法更为客观、系统，相对于层次分析法、灰色系统评价法等评价方法操作更为简便、计算步骤更为简单，熵权法是一种客观赋权方法，相对于其他定权方法，计算步骤较为简单，可以有效利用指标数据，较大程度上排除主观因素的影响。将熵权法与TOPSIS法基本原理相结合，形成本研究中所运用的熵权-TOPSIS综合评价法。本研究中选取不同混交林分的枯落物层总蓄积量、枯落物层总厚度、林下灌草生物量、土壤饱和贮水量和土壤减蚀量作为蓄水保土效益的评价指标，选取土壤密度、非毛管孔隙度、有机质含量、全氮含量、土壤平均渗透速率、总渗透时间、土壤毛管最大持水率和碳汇量作为不同混交林分的土壤改良效益评价指标，将蓄水保土效益和土壤改良效益中的全部13项指标作为水土保持综合效益评价的指标。熵权-TOPSIS综合评价法具体计算步骤如下。

令Xij为第i个评价对象(林分类型)的第j项指标值(评价指标)，i=1,2,3…,n，j=1,2,3…,m。

1)将各项指标数值同趋势化处理。高优指标(越大越好)保持数值不变，低优指标(越小越好)采用“取倒数”方法转化为高优指标，形成矩阵Yij。本研究中所选取的13项指标均为高优指标，因此不做同趋势化处理。

2)同趋化数据的规范化。对Yij进行规范化处理，形成Zij，为

(1)

3)熵值的计算。计算第j项指标的熵值bj，为

(2)

式中：i=1,2,3,…,n，j=1,2,3…,m，0≤bj≤1且规定Zij=0时，ZijlnZij=0。

4)计算第j项指标的熵权

(3)

式中：j=1,2,3,…,m，0≤wj≤1且w1+w2+w3+…wn=1。

3)确定最优方案和最劣方案。以评价对象的第j项指标的最大值Zjmax和最小值Zjmin作为各评价对象的最优方案和最劣方案。

(4)

(5)

5)计算各评价对象与最优方案的接近程度

(6)

6)将Ci值按照大小排序，其值越大表示评价对象的综合评价越高。

2.3 数据处理

本研究中所列数据均为各重复实测值的均值，运用Microsoft Excel 2016软件对各项数据进行处理。

3 结果与分析

3.1 不同混交林的蓄水保土效益

林分有减少土壤侵蚀的作用，林下枯落物层可以起到吸持和拦截降水、抑制降雨侵蚀力和减少径流冲刷的作用[5]，同时林下灌草层对降雨的截留作用可以避免降雨对土壤的直接冲刷，灌草和草本植物根系可以增强土壤的抗冲性和抗蚀性[4]。表2为各混交林蓄水保土效益指标基础数据。依据TOPSIS原理进行效益评价分析，为修正因立地条件等因素导致的误差，以各混交林分与所对应的对照的各项指标差值的绝对值作为评价数据。

TOPSIS法计算结果如表3所示。石灰岩山地中，乔灌混交林以侧柏山杏混交林的蓄水保土效益最佳，针阔混交林以侧柏刺槐混交林最佳，且侧柏山杏混交林要优于侧柏刺槐混交林；砂石山地中，针阔混交林以黑松刺槐混交林的蓄水保土效益最佳，阔阔混交林以刺槐麻栎混交林最佳，且刺槐麻栎混交林要优于黑松刺槐混交林。所有混交林中侧柏山杏混交林的蓄水保土效益最佳，侧柏连翘混交林次之。

3.2 不同混交林的土壤改良效益

林分对于土壤具有一定的改良作用，改良效益一方面直接体现在林分土壤理化性质中，另一方面则间接体现在土壤的水文效益和渗透能力，土壤理化性状、土壤水文效益和土壤渗透性三者之间相互反映、相互影响。土壤的渗透能力可以表现出土壤物理性状的优良状况[11]，土壤理化性状的优劣会直接影响到土壤的渗透能力和持水能力，同时土壤水文效应也主要取决于土壤物理性状[6]。而林分对于土壤的改良效益会反作用于林分自身，使林分的碳汇量发生变化，林分碳汇对降低大气中温室气体浓度、减缓全球气候变暖都具有重要意义[12]。本研究选取的林分均为10年生，对于研究区土壤在一定程度上已经进行了改良，各混交林土壤改良效益指标如表4所示。依据TOPSIS原理，以各混交林分与所对应的对照组的各项指标差值的绝对值作为评价数据，对不同混交林分的土壤改良效益进行评价分析。

表2 不同混交林蓄水保土效益指标Tab.2 Benefit indexes of soil and water conservation in different mixed forests

表3 不同混交林Ci值等与蓄水保土效益最终排序结果Tab.3 Ci, other values, and ranking results of soil and water conservation benefits in different mixed forests

注：D+为每一个评价对象与最优方案的欧式距离，D-为每一个评价对象与最劣方案的欧氏距离，Ci各评价对象与最优方案的接近程度，下同。Notes:D+is the Euclidean distance from the positive ideal alternative.D-is the Euclidean distance from the negative ideal alternative.Ciis the closeness coefficient of each evaluated object to the ideal solution. The same below.

表4 不同混交林的土壤改良效益指标Tab.4 Soil improvement benefit indexes in different mixed forests

根据式(1)～(3)，可求得不同混交林的各评价指标在土壤改良效益方面所占权重，据式(4)～(6)即可求得评价结果如表5所示。石灰岩山地中，乔灌混交林以侧柏黄栌混交林土壤改良效益最佳，针阔混交林以侧柏刺槐混交林最佳，且侧柏刺槐混交林要优于侧柏黄栌混交林；砂石山地中，针阔混交林以黑松刺槐混交林的土壤改良效益最佳，阔阔混交林以刺槐麻栎混交林最佳，且刺槐麻栎混交林要优于黑松刺槐混交林。所有混交林中，刺槐麻栎混交林的土壤改良效益最佳。

3.3 基于熵权-TOPSIS法的综合评价体系

由上述可知，各混交林的表现排序结果在蓄水保土效益和改良土壤效益中的评价结果并不相同，为了更加全面、综合地对比分析不同混交林的水土保持效益，对其进行综合评价是最为客观全面的。本研究将蓄水保土效益和土壤改良效益中的全部13项指标纳入水土保持综合效益评价过程中，并基于熵权-TOPSIS原理进行评价。依据式(1)～(6)进行计算，13项评价指标在水土保持综合效益评价中所占熵值与权重如表6所示，不同混交林水土保持综合效益最终评价结果如表7所示。

表5 不同混交类型林分Ci值等与土壤改良效益最终排序结果Tab.5 Ci, other values, and ranking results of soil improvement benefits in different mixed forests

表6 水土保持综合效益评价指标的熵值与权重Tab.6 Entropy values and weights of comprehensive benefit evaluation indexes of soil and water conservation

表7 不同混交类型林分Ci值与水土保持效益最终排序结果Tab.7 Final ranking results of Ci value and soil and water conservation benefits for different mixed forests

在石灰岩山地，乔灌混交模式中，侧柏黄栌混交林排序最佳，针阔混交模式中，侧柏刺槐混交林排序最佳，且侧柏刺槐混交林要优于侧柏黄栌混交林，总体来看针阔混交林要优于乔灌混交林。

在砂石山地，针阔混交模式中，黑松刺槐混交林排序位置最为靠前，阔阔混交模式中，刺槐麻栎混交林排序位置最为靠前，且刺槐麻栎混交林要优于黑松刺槐混交林，总体来看阔阔混交林要优于针阔混交林。

在所有混交类型中，刺槐麻栎混交林的效益评价结果最好，在砂石山地的表现要优于石灰岩山地。总体来看，在修正因立地条件等因素导致的误差后的评价结果排序为：阔阔混交林(砂石山地)>针阔混交林(砂石山地)>乔灌混交林(石灰岩山地)>针阔混交林(砂石山地)。

4 讨论

目前，部分专家学者引入TOPSIS法作为评价方法，应用效果较好。张霞等[13]基于TOPSIS原理对陕西省秦岭生态功能区的水土保持治理效益进行评价；尤立等[14]运用TOPSIS法对黄河水土保持生态工程综合效益进行评价；崔亮等[15]运用熵权法对齐家川示范区设计年限内的水土保持工程的水补偿效益进行评价，说明TOPSIS法运用于水土保持领域是可行的。大多数专家学者在研究对象上集中于水土保持工程措施或水土保持治理，在尺度上集中于生态功能区尺度或流域尺度，对于混交林水土保持综合效益方面的报道尚未见到。本研究将其运用于混交林水土保持效益评价以及树种选择方面也是一次探索和尝试。

对于鲁中南山区林分的水土保持效益方面，也有专家学者针对混交林的蓄水保土效益进行了研究，在评价时选用的方法为是将各研究对象的评价指标量纲一化后直接相加，在评价指标的选取方面也与本研究有所不同，也有其他评价方法的报道；但从研究结果来看与本研究有一定的一致性。例如：杨菲等[4]针对鲁中南片麻岩地区的针阔混交林蓄水保土效益进行研究并评价，所得结果与本研究相似；张国庆[16]针对鲁中南砂石山退化山地的3种混交模式林分分别进行效益评价，所得结果也有本研究相似。进一步说明基于TOPSIS的评价方法可以运用于混交林水土保持效益评价，计算过程较为严谨，所得结果可信，在其他水土保持效益评价方面可以期待有更广泛的应用。