三峡库区梅溪河小流域防护林体系林分类型优化配置研究

王蕾, 孟祥江,*, 李骄, 夏鹰, 马正锐,

1. 重庆市林业科学研究院，重庆 400036；

2. 重庆市涪陵区林业局，重庆 408099；

3. 重庆市武隆区林业局，重庆 408599

开展林分类型优化，促进森林可持续发展是当今林业发展关注的一个焦点。防护林是区域经济发展的生态屏障，在水源涵养、水土保持方面具有重要的功能，防护林的防护效能主要体现在森林冠层、土壤层、枯落物层的防护作用，林冠层功能受林分郁闭度、树种组成、树种结构等多种因素的影响，森林防护效果因不同林分类型有明显差异[1-3]。

梅溪河流域现有防护林主要为马尾松纯林、柏木纯林、阔叶混交林及部分针阔混交林，其中，马尾松、柏木纯林所占比例70%以上，林分密度大、林下无亚层林木、灌草本所占比例小，同龄林中林分生长差异大，林下灌草本所占比例少，总体防护功能不强，且景观价值不大。小流域是治理生态环境的基础，优化配置小流域防护林体系林分类型可以有效地提高流域植被的防护效果[4]。在小流域尺度上进行地块—林分类型的功能导向的林分结构优化配置，总结出一套以功能导向的林分结构优化技术尤为重要。

专家咨询-层次分析法(简称Delphi-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层次权重决策分析方法[5-11]。采用层次分析法对梅溪河流域防护林体系林分类型配置进行评价，确定该流域林分类型最优配置，为小流域防护林林分类型优化配置提供科学依据。

1 研究区概况

梅溪河位于三峡库区常年回水区中部，是长江北岸的一级库区支流，发源于重庆市巫溪县，在奉节县永安镇由北向南注入长江，三峡蓄水后在距河口21 km 范围内形成常年回水区。梅溪河干流全长约 161 km（奉节县境内长103 km），流域面积2 001 km2，多年平均流量39. 60 m3s-1，枯水期平均流量15. 03 m3s-1[12-13]。

重庆奉节梅溪河湿地县级自然保护区位于重庆市奉节县境内，地处奉节县西北部的长江一级支流梅溪河流域，流域内土壤肥沃，气候适宜，适合植物生长，现有土地类型主要为农田果林、林地、建筑物、道路及工业用地等五大类型，林地主要分布于海拔300 m 以上，且95%以上为防护林，森林资源较为丰富。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

主要来源于研究区的1∶10 000 的地形图、遥感影像图和2016 年的林地变更数据，并于2017 年3 月份在研究区开展外业调查对收集的数据进行核实，对有误或缺失的数据进行修正和完善。研究区域为梅溪河流域康乐镇至新政乡段，长度为52.2 km，选取两岸山地第一层山脊内，第一山脊线不明显地区则取水平距离200 m 以内（城区附近取 50−100 m），结合实地调查，尽最大可能收集研究区域相关材料和社会经济统计数据和资料，通过林地变更调查小班数据进行综合分析，提出科学合理的林分经营措施类型，使梅溪河流域防护林体系的空间配置得到较好的调整与优化。

2.2 研究方法

采用1−9 级倒数的标度方法，由专家对梅溪河流域不同树种、植被类型对防护林体系的生态、经济、社会以及林分稳定性4 个目标的贡献进行逐个打分，建立判断矩阵，见图1。

图 1 准则层构建Fig. 1 Construction of the guideline layer

2.2.1 评估决策判断矩阵构造

对于任何判断矩阵都有：bij=1（i=j时）；bij=1/bji（i 不等于j 时）。

通常，层次分析法采用Saaty 九级标度方法1−9，骆正清[14]等对层次分析法中几种标度的比较证明，这种方法在标度均匀性、可记忆性、可感知性方面表现较好，但一致性和权重拟合性较差，综合比较，选用该标度进行分析。

2.2.2 判断矩阵一致性检验

（1）在构造成对比较判断矩阵之后，为防止出现一定程度的非一致性，使矩阵A 满足：

∀i,j,k=1,2,···,n加入了对判断矩阵一致性的检验，计算一致性指标CI：

其中λmax为判断矩阵的最大特征根。

（2）查找相应的平均随机一致性指标RI。n=1～9，查阅SaatyRI值表确定。

（3）计算一致性比例CR：

当CR＜0.10 时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的，否则应对判断矩阵作适当修正。层次分析法确定权重过程由Matlab7.0 软件完成。

3 结果与分析

3.1 梅溪河流域防护林体系空间配置的现状分析

研究区域有林地占总面积的85.29%（其中马尾松纯林占 29.14%、松栎混交林占 12.75%、柏木纯林占25.04%、松柏混交林占14.30%、经济林占4.99%、阔叶混交林占13.78%）、宜林地占 0.56%、灌木林地占 1.39%、无立木林地占 0.48%、未成林造林地占4.27%、非林地占8.01%。梅溪河流域林木起源主要为人工林和天然次生林，其中人工林的面积占有林地面积为68.95%、天然林次生林占31.05%。

表 1 判断矩阵A−B 及权重Tab. 1 Judgment matrix and weight of layer A−B

表 2 判断矩阵B1-C 及权重Tab. 2 Judgment matrix and weight of layer B1-C

表 3 判断矩阵B2−C 及权重Tab. 3 Judgment matrix and weight of layer B2−C

3.2 梅溪河流域体系林分类型优化配置研究

3.2.1 判断矩阵结果分析

（1）准则层A−B 判断矩阵及结果

相对于总体目标层 (A)准则层 (B)各因素之间的相对影响程度比较（见表1），由各因素的优先级可以看出，总目标防护林体系准则层 (B)的排序结果为生态效益、稳定性、社会效益、经济效益。符合防护林体系建设原则和小流域防护林体系营建的实际情况。

（2）准则层B1−C 判断矩阵及结果

相对于生态效益 (B1)准则，各林种 (C)之间相对重要性比较（见表2），由各因素的优先级可以看出，各林分类型的排序结果为：阔叶混交林、松栎混交林、松柏混交林、马尾松纯林、柏木纯林、经济林。

（3）准则层B2−C 判断矩阵及结果。

相对于经济效益 (B2)准则，各林种 (C)之间相对重要性比较(见表3)，由各因素的优先级可以看出，各林分类型的排序结果为：经济林、柏木纯林、马尾松纯林、松柏混交林、松栎混交林、阔叶混交林。

（4）准则层B3−C 判断矩阵及结果

相对于社会效益 (B3)准则，各林种 (C)之间相对重要性比较 (见表4)，由各因素的优先级可以看出,各林分类型的排序结果为: 阔叶混交林、松栎混交林、松柏混交林、马尾松纯林、柏木纯林、经济林。

（5）准则层B4−C 判断矩阵及结果

相对于稳定性(B4)准则，各林种(C)之间相对重要性比较(见表5)由各因素的优先级可以看出，各林分类型的排序结果为：松栎混交林、阔叶混交林、松柏混交林、马尾松纯林、柏木纯林、经济林。

表 4 判断矩阵B3−C 及权重Tab. 4 Judgment matrix and weight of layer B3−C

表 5 判断矩阵B4−C 及权重Tab. 5 Judgment matrix and weight of layer B4−C

表 6 判断矩阵A−C 及权重Tab. 6 Judgment matrix and weight layer A−C

（6）准则层A−C 判断矩阵及结果

在准则层A−B 和措施层B1−C、B2−C、B3−C、B4−C 的计算结果基础上，可以构建措施层总权重值，结果见表6。

对表1−表6 计算最大特征根及随机一致性比率，每个矩阵都具有单排序满意一致性，结论是可靠的。

3.2.2 树种优化结果

通过层次分析法对梅溪河小流域防护林体系进行优化，得出如下结果：

（1）生态效益（B1）准则各林分类型生态效益由优到劣依次为阔叶混交林、松栎混交林、松柏混交林、马尾松纯林、柏木纯林、经济林，目前生态效益已成为森林的主要功能，适当增加阔叶混交林的比例，对提高土壤肥力、增加林分稳定性起到很好的作用，而混交林在水土保持、水源涵养、净化大气、防风固沙、固碳释氧、修复退化生态系统等方面的效益是更为显著；

（2）经济效益（B2）准则林分类型的排序由优到劣依次为经济林、柏木纯林、马尾松纯林、松柏混交林、松栎混交林、阔叶混交林。近年来，经济林效益显著，在林业产业体系中起到首要作用，利用山地资源发展林木经济，既不与农业争耕地，又能绿化国土，防风固沙，还能提供优质的产品，可谓一举多得；

（3）社会效益（B3）准则林分类型优劣依次为阔叶混交林、松栎混交林、松柏混交林、马尾松纯林、柏木纯林、经济林，混交林在提供别致的景观满足社会效益的同时也具有较好的生态效益，在小流域防护林体系林分类型中所占比例应适当增加；

（4）稳定性（B4）准则林分类型优劣依次为松栎混交林、阔叶混交林、松柏混交林、马尾松纯林、柏木纯林、经济林。其中混交林结构作为梅溪河流域的顶级森林群落结构，它能充分利用环境物质，物质循环功能和能量流动最高，可以形成一个良好的生态系统，有利于野生动植物栖息繁衍，提高生物多样性。

在综合考虑各因素条件下，各类植被类型按权重为阔叶混交林（32.19%）＞松栎混交林（28.67%）＞松柏混交林（17.57%）＞马尾松纯林（8.36%）＞柏木纯林（7.31%）＞经济林（5.91%）。马尾松纯林、柏木纯林都大幅度下降，阔叶混交林、松栎混交林、松柏混交林面积有所增加，经济林略有增加，树种分布达到了均衡。这样一种优化结构，充分反映了试验区自然、社会、经济以及稳定性条件，既能保证森林生态系统的防护效能的充分发挥，又能保证森林产品的质量和产量，达到“青山常在，永续利用”的目的。

优化后树种结构为纯林的林分由原来的54.2%下降到15.7%，而混交林林分由原来的40.8%上升到78.4%，森林生态系统稳定性增强，从而可以克服纯林不利于土壤改良的缺点，提高了林地的土壤肥力，增强了林分防病虫、防火能力，因此优化后的树种结构更趋于合理。