侧柏古树后备资源健康评价体系的建立与应用

马 娇，王清麒，卿仕琦，于世川，赵 忠

(西北农林科技大学 林学院，陕西 杨陵 712100)

古树作为珍贵的“绿色文物”，见证了一个地区环境和历史的变迁，是当地人民乃至整个民族精神文化的寄托，在传承中华优秀传统文化和建设美丽中国中发挥着重要作用。古树是指树龄在100 a以上的树木，古树后备资源是指树龄在50～100 a的树木[1-2]。目前，对古树的保护已得到各级政府的重视，全国绿化委员会从2001年对古树先后进行了2次全国普查工作，形成了一套完整的古树资源档案和古树保护法律法规体系，并且已建立了专业的古树保护研究队伍和网络化管理系统[3-4]，另外，南京、广州和西安等市以及各地县政府也制定了相应的市县古树保护管理办法，对市县域内的古树进行了调查、登记和定级，并将古树的科属、拉丁学名、年龄以及保护的相关单位等信息登记在了古树的铭牌上，且做到了“一树一证”[5-10]。但古树后备资源作为古树储备资源，其健康状况关系着古树的未来，却没有受到政府以及社会的重视。同时，古树树龄大，生长势较弱，给古树保护工作尤其是在实施古树复壮措施时需要消耗大量人力物力及财力，并且部分古树过于衰老，未得到及时保护，导致古树提前进入死亡。因此，若在古树后备资源时期对树木进行保护，可有效节省保护古树的时间和金钱，且可达到延缓树木衰老的作用，健康评价是古树后备资源健康管理的重要内容，对古树后备资源的健康评价可以明确古树后备资源的现状，有利于古树后备资源的保护，为古树后期保持长久健康状况提供保障。

侧柏(Platycladusorientalis)是黄河流域的乡土树种，寿命可达5 000 a以上，是重要的古树资源。对树木健康评价指标的选取以及评价方法一直是国内外研究的热点之一[11-13]，但尚未有统一的评价体系。目前对古树健康评价，指标多集中在树干、树冠、树根等表观特征以及人为干扰等方面[14-16]，对古树后备资源的健康评价体系尚未建立。本研究考虑到林木生长是林木适应环境重要体现，为了有效反映古树后备资源生长状况，将树高、胸径年均生长量纳入评价体系中，同时，考虑相邻木影响，将竞争状况(相邻木遮荫)纳入评价体系中。目前，对树木健康评价方法主要有层次分析法和主成分分析法[17-18]，层次分析法可以将复杂问题简单化，定性指标定量化，但是其筛选指标时主观性太大；主成分分析法在筛选指标时虽然可以很大程度地排除主观因素的影响，但是由于数据的极端化可能会出现主要信息丢失的现象[19-20]，因此考虑到层次分析法与主成分分析法的局限性，有的研究学者将二者结合起来，应用在企业创新评价和人工林健康评价等方面[21-22]，但并未有人将两者结合起来应用于单株树木的健康评价中。

本研究以西北农林科技大学北校区85年生侧柏群为研究对象，选取形态指标(树干内部腐烂和空洞程度、叶片枯损程度、枝条枯损程度、树皮枯损程度、冠径比、冠型、树干倾斜程度)、生长指标(胸径年均生长量、树高年均生长量、根系分布均匀程度、枝叶密度)、竞争状况(相邻木遮阴)，基于主成分分析和层次分析法相结合对侧柏古树后备资源的健康状况进行评价，为侧柏古树后备资源健康评价体系建立提供依据，为古树后备资源可以健康长久保存下来提供保障。

1 研究区概况

研究区位于陕西省咸阳市杨陵区西北农林科技大学北校区，该地区地势平坦，气候属于暖温带半湿润大陆性季风气候型，年平均气温13.6 ℃，年日照时数2 163.8 h，无霜期150 d，年降水量635.1 mm，月极端高温40.3 ℃，月极端低温-17.7 ℃，多为东风和西风，最大风速21.7 m/s，海拔602 m。

2 材料与方法

2.1 研究对象

本研究对西北农林科技大学侧柏古树后备资源进行调查，共23株，根据校史馆记载，侧柏树龄在85 a，其位置分布见图1。记录每株树的树高、胸径、冠幅、树干内部腐烂和空洞程度、叶片枯损程度、枝条枯损程度、树皮枯损程度、冠型、树干倾斜程度、根系分布均匀程度、枝叶密度、相邻木遮阴等情况，其中树干内部腐烂和空洞程度以及根系分布均匀程度，是采用由TreeRadar(美国)公司开发的树木雷达探测系统，主要利用雷达波技术对树干的空洞和腐烂情况以及地下根系的分布情况进行无损伤的检测，并利用TreewinTM软件对数据进行分析[23-25]。

2.2 研究方法

2.2.1 建立侧柏古树后备资源健康评价体系 为了全面快速评价侧柏古树后备资源健康状况，本研究选择形态指标(树干内部腐烂和空洞程度、叶片枯损程度、枝条枯损程度、树皮枯损程度、冠径比、冠型、树干倾斜程度)、生长指标(胸径年均生长量、树高年均生长量、根系分布均匀程度、枝叶密度)、竞争状况(相邻木遮阴)3个方面共12个指标作为侧柏古树后备资源的评价指标。其中，胸径年均生长量=胸径/树龄；树高年均生长量=树高/树龄；冠径比=树冠直径/胸径。

2.2.2 侧柏健康评价方法 本研究利用主成分分析法(principal component analysis,PCA)与层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)建立侧柏古树后备资源健康评价体系。首先应用主成分分析法对侧柏古树后备资源健康评价指标进行筛选，利用主成分分析在筛选指标时可以很大程度地排除主观因素的影响，获得具有可靠性的健康评价指标[19]；然后利用层次分析法确定各指标的权重，最后应用健康综合评价法计算每株树健康状况得分。

具体步骤为：1)结合12个指标实际调查情况，依据《古树保护理论与技术》[26]中的划分方法，将各指标划分4个区间，表示4个质量等级，质量等级依次用好、较好、较差、差表示，对应的得分值依次为0，1，2，3(表1)。应用主成分分析法对评价指标进行筛选，主成分分析法具体步骤如下：

表1 侧柏健康评价指标等级及评分标准

采集p维随机向量x=(x1，x2,…，xp)T，n个样本xi=(xi1，xi2,…，xip)T，i=1,2,…,n。n>p，构造样本矩阵Z

2)利用层次分析法确定健康评价指标的权重。首先请5位古树相关专家学者对同一层次中两两元素之间进行相对重要性判断，按照Ai元素与Aj元素同等重要、Ai比Aj元素稍微重要、Ai比Aj元素明显重要、Ai比Aj元素非常重要、Ai比Aj元素极其重要，分别以 1、3、5、7、9 作为判断矩阵标度值，以 2、4、6、8表示判断的中间值，用这些值的倒数表示Ai比Aj元素的不重要程度，建立判断矩阵[29-32]，并求出矩阵最大特征值λmax及其权重值，进行一致性检验(CR)，若各CR均小于0.1，则表示所有的判断矩阵均通过一致性检验。

3)通过健康综合评价得分法，即:

得出综合健康评价分值并对健康等级进行划分。其中，V表示侧柏古树后备资源健康综合评价得分；xi表示第i个指标的权重值；yi表示第i个指标所对应的专家打分值；n为指标数。

2.2.3 数据处理 采用Excel软件对调查的数据进行统计制表，通过SPASS软件进行数据分析处理。

3 结果与分析

3.1 主成分分析

从表2可以看出，前4个主成分的特征值都大于1，可以认为前4个主成分包含了原始数据的大部分信息，因子分析效果较为理想。用4个因子的载荷矩阵对主成分进行解释，提取主要的评价指标(表3)。

表2 主成分总方差解释

一般情况下认为，因子负荷大于0.4时可以抽取主成分[22]。由表3可知,各个指标的因子负荷均大于0.4，因此，筛选的树干内部腐烂和空洞程度、叶片枯损程度、枝条枯损程度、树皮枯损程度、冠径比、冠型、树干倾斜程度、胸径年均生长量、树高年均生长量、根系分布均匀程度、枝叶密度、相邻木遮阴等12个指标均可以作为侧柏古树后备资源健康评价指标。

表3 因子(主成分)负荷矩阵

3.2 层次分析法

3.2.1 建立侧柏古树后备资源健康评价体系 结合层次分析法的基本原则以及侧柏的生长特点设置目标层(A)、结构层(B)，指标层(C)3个层次(表4)。目标层是综合结果；结构层主要包括形态指标、生长指标、竞争状况等方面；指标层是由12个指标构成。

表4 侧柏健康评价层次分析结构

3.2.2 构造判断矩阵及一致性检验 本研究通过邀请专家对每个层次的重要性以及各指标的重要性两两比较，进行打分，将结果整理后得到判断矩阵，进行一致性检验。一般认为，当CR<0.1时，即通过检验，否则重新调整判断矩阵，直至通过一致性检验，然后确定指标体系权重(表5～表7)。

表5 结构层的判断矩阵及一致性检验

表6 形态指标的判断矩阵及一致性检验

表7 生长指标的判断矩阵及一致性检验

3.2.3 评价指标权重 计算各指标对于最高层次的权重值(表8)。可以看出，结构层B各指标权重由大到小顺序为:生长指标(0.637 0)、形态指标(0.258 3)、竞争状况(0.104 7)，说明生长指标对侧柏古树后备资源健康状况的影响最大，形态指标对侧柏古树后备资源健康状况有一定影响，竞争状况对侧柏古树后备资源健康状况影响较小。指标层C各指标权重由大到小顺序为:胸径、树高年均生长量(0.385 4)、树干内部腐烂和空洞程度(0.105 4)、相邻木遮荫(0.104 7)、根系分布均匀程度(0.090 6)、叶片枯损程度(0.056 0)、枝叶密度(0.055 4)、枝条枯损程度(0.037 7)、树皮枯损程度(0.024 8)、冠径比(0.016 2)、冠型(0.010 8)、树干倾斜程度(0.007 4)，胸径年均生长量、树高年均生长量、树干内部腐烂和空洞程度和相邻木遮荫对侧柏古树后备资源健康状况影响较大，根系分布均匀程度、叶片枯损程度和枝叶密度对侧柏古树后备资源健康状况影响一般，枝条枯损程度、树皮枯损程度、冠径比、冠型和树干倾斜程度对侧柏古树后备资源健康状况影响较小。

表8 侧柏评价指标层次总排序

3.3 侧柏古树后备资源健康评价结果

结合侧柏古树后备资源健康综合评价得分情况，将其划分为3级(表9)，本研究中23株侧柏健康状况得分及健康等级如表10。其中以亚健康为主有19棵，编号为E1 E2 E4 E5 W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W9 W10 W11 W12 W13 W15 W18；健康侧柏有1棵，编号为E3，不健康侧柏有3棵，编号为W14 W16 W17。结合调查结果，健康侧柏E3号生长势良好，胸径、树高年均生长量较高；树干无明显损伤，根系分布较均匀；枝叶密度较大；叶片、枝条和树皮枯损程度较低；相邻木遮荫较少。而不健康的W14号W16号W17号等侧柏生长势较差；胸径和树高年均生长量较低；叶片，枝条和树皮枯损程度较大；相邻木遮荫较为严重。

表9 侧柏(50～99年生)健康等级

表10 侧柏健康评价结果

4 结论与讨论

本研究选取12个指标，应用主成分分析和层次分析法建立侧柏古树后备资源健康评价体系，并将侧柏古树后备资源健康评价结果分为健康、亚健康、不健康等3级，得出每株侧柏古树后备资源健康等级，其中，19株处于亚健康，1株健康，3株不健康。本研究建立的侧柏古树后备资源健康评价体系可以为古树后备资源健康管理提供科学依据，也为其他树种古树后备资源健康评价提供参考。

健康评价对于掌握侧柏古树后备资源健康状况十分必要，同时能为科学保护侧柏古树后备资源提供理论依据，其中指标体系和评价方法的选择是林木健康评价的关键。评价指标体系应该能够科学地、综合地反映出林木的健康状况，尽量选择与林木生长相关的指标，同时控制指标的数量，可以节省外业调查的工作量，并采用主成分分析和层次分析相结合的方法避免评价指标之间的信息重叠，保证结果的准确性。

本研究选择形态指标(树干内部腐烂和空洞程度、叶片枯损程度、枝条枯损程度、树皮枯损程度、冠径比、冠型、树干倾斜程度)；生长指标(胸径年均生长量、树高年均生长量、根系分布均匀程度、枝叶密度)；竞争状况(相邻木遮阴)等12个基本指标，应用主成分分析和层次分析法对西北农林科技大学北校区内侧柏古树后备资源健康状况进行评价，研究结果表明，生长指标对侧柏古树后备资源健康状况影响最大，形态指标次之，竞争状况最小，说明生长指标对侧柏古树后备资源健康状况起主要作用，其生长指标的质量状况越好，其生长势越好。在12个指标中，胸径年均生长量、树高年均生长量、树干内部腐烂和空洞程度和相邻木遮荫对侧柏古树后备资源健康状况影响起主要作用，侧柏胸径、树高年均生长量越大，树干内部明显空洞越小，周围树木对其遮荫较少，健康状况越好。

评价结果显示，不健康的W14、W16、W17侧柏生长势较差，其中W14和W16侧柏的叶片枯损程度和相邻木遮荫最为严重，其叶片枯损可能是由相邻木遮阴，影响其光合作用，导致其叶片失绿而形成大面积枯叶；同时也可能是受侧柏叶枯病危害，造成叶片枯死。因此需对W14和W16枯枝叶进行修剪处理，同时及时对侧柏叶枯病进行防治；为了不影响其生长空间，要对相邻木进行适当修枝。W17侧柏树高、胸径年均生长量最差，因此应该对W17侧柏加强水肥管理，定期进行割灌除草等措施。

由于古树后备资源与古树资源相比，年龄较短，导致研究人员对古树后备资源的健康评价研究较少，所以目前尚未有一套完整的古树后备资源健康评价指标体系和评价方法。因此，本研究所建立的侧柏古树后备资源健康评价体系，可以为建立其他树种的古树后备资源健康评价体系提供借鉴，为古树后备资源的保护提供依据。