謝肖昀，李際平，曹小玉，袁曉紅，趙春燕

（中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004）

福壽國有林場杉木生態(tài)公益林多功能評價

謝肖昀，李際平，曹小玉，袁曉紅，趙春燕

（中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004）

以湖南省福壽國有林場13年生杉木生態(tài)公益林作為研究對象，通過專家咨詢，運用層次分析法，選取水土保持與水源涵養(yǎng)、物種多樣性、固碳功能、生產(chǎn)力4個方面功能共16個指標(biāo)，建立杉木生態(tài)公益林多功能指標(biāo)體系，并對其多功能進(jìn)行評價。結(jié)果表明：杉木生態(tài)公益林多功能經(jīng)營評價的4個準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重由大到小分別為：水土保持與水源涵養(yǎng)（0.547 8）、物種多樣性（0.199 7）、固碳功能（0.183 2）、生產(chǎn)力（0.069 3）。杉木生態(tài)公益林多功能等級為差的樣地比重占83.3%；中等等級的樣地只占16.7%；無優(yōu)、良等級的樣地。杉木生態(tài)公益林整體多功能水平偏低。影響其多功能充分發(fā)揮的主要原因為樹種結(jié)構(gòu)單一，林下植被蓋度低、林分生物量低。

杉木生態(tài)公益林；多功能評價；指標(biāo)體系；AHP法；湖南平江

森林生態(tài)系統(tǒng)不僅為社會提供需要的木材經(jīng)濟(jì)價值，而且還具有涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化大氣環(huán)境、保護(hù)生物多樣性和森林游憩等多種服務(wù)功能[1]。森林對于人類的生存、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及社會的進(jìn)步都有著重要的影響[2]。關(guān)于森林功能的研究，研究者們做了大量的工作。黃進(jìn)等[3]對江寧小流域主要森林類型在不同環(huán)節(jié)、各個林分之間的水源涵養(yǎng)功能進(jìn)行了研究，曾斌等[4]研究了不同林齡的杉木人工林物種多樣性，方晰[5]分別對不同林齡、不同植被層杉木人工林碳儲量進(jìn)行研究，探討了不同土地利用方式等對杉木林地碳儲量的影響。但是現(xiàn)階段很多國內(nèi)外研究還停留在對森林單一功能的研究，對于森林的多功能評價還是以定性為主，很少采用定量方法來構(gòu)建評價指標(biāo)體系，對森林的多功能進(jìn)行評價。本研究以福壽國有林場杉木生態(tài)公益林為研究對象，通過運用層次分析（AHP）法，定性與定量的方法相結(jié)合，選取水土保持與水源涵養(yǎng)、物種多樣性、固碳功能和生產(chǎn)力4個功能指標(biāo)構(gòu)建評價指標(biāo)體系，并對杉木生態(tài)公益林的多種功能進(jìn)行綜合評價，以期為福壽國有林場杉木生態(tài)公益林的多功能經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為湖南省平江縣福壽國有林場，位于平江縣南部的福壽山上，地處 28°3′00″～28°32′30″N，113°41′15″～ 113°45′00″E之間。屬羅霄山脈連云山支脈，地勢南高北低，林場場部海拔1 078 m。全場土地總面積為1 274.9 hm2，其中林地面積1 265.74 hm2，占總面積的99.3%；其它土地面積9.16 hm2，占0.7%；森林覆蓋率為93%。林場處于中亞熱帶向北亞熱帶過渡的氣候帶，屬濕潤的大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.1 ℃，極端最高氣溫33.4 ℃，最低氣溫為-15 ℃，年相對濕度87%。林場內(nèi)海拔800 m以下的土壤均為山地黃壤，800～1 400 m之間為山地黃棕壤，海拔在1 400 m以上的山頂和山脊有小塊草甸土。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

在實際踏查福壽國有林場13年生杉木生態(tài)公益林基礎(chǔ)上，設(shè)置6塊20 m×30 m的樣地，樣地編號為1～6，樣地之間保留出相應(yīng)的緩沖區(qū)域。測量時，在每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)將其等分為6個10 m× 10 m的小樣方，對標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的全部喬木個體進(jìn)行每木檢尺，實測記錄樹高、胸徑、冠幅等指標(biāo)。同時，對環(huán)境立地因子等基本信息進(jìn)行記錄。在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，分別設(shè)置5 m×5 m的灌木樣方和1 m×1 m的草本小樣方在四角和中心位置，記錄灌木的種類、高度、蓋度、株數(shù)等，草本的種類、高度、蓋度以及株數(shù)等因子。

土壤調(diào)查采用剖面取樣法，在每個標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)的上、中、下3個部位隨機(jī)選擇挖3個具有代表性的長寬分別為1.2 m、60 cm深的土壤剖面進(jìn)行觀測記錄。使用環(huán)刀和密封袋分別采集0～20 cm、20～30 cm、30～45 cm、45～60 cm土層的土樣，用于土壤中有機(jī)碳含量的測定。同時，用烘干法測定土壤毛管持水量，采用環(huán)刀法測定土壤的容重以及毛管孔隙度[6-7]。

2.2 研究方法

2.2.1 多功能指標(biāo)體系的構(gòu)建方法

對多功能指標(biāo)進(jìn)行篩選的方法有多種，例如，頭腦風(fēng)暴法、Delphi法、會內(nèi)會外法等。但由于每個方法都有其優(yōu)缺點及適用性，本研究根據(jù)杉木生態(tài)公益林的實際情況，采取幾種方法相結(jié)合的方式對多功能指標(biāo)進(jìn)行篩選，從而構(gòu)建更為科學(xué)、合理的多功能指標(biāo)體系[8]。

2.2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定方法

根據(jù)所建立的多功能評價指標(biāo)體系，采用層次分析法，再通過專家對各個指標(biāo)重要性的比較判斷，構(gòu)建判斷矩陣。然后通過對判斷矩陣進(jìn)行計算，得出各層次的權(quán)重值，經(jīng)過調(diào)試與修改，通過一致性檢驗，最終得到各項評價指標(biāo)的權(quán)重。

2.2.3 各指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)

在查閱大量杉木多功能研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合杉木生態(tài)公益林多功能優(yōu)化目標(biāo)和研究區(qū)域杉木天然次生林多功能的實際情況，將多功能指標(biāo)進(jìn)行量化處理，構(gòu)建多功能評價評分標(biāo)準(zhǔn)。評分采用十分制，得出最大值、最小值、均值以及分布梯度，從而將各指標(biāo)分為優(yōu)、良、差3個等級，賦予各等級一定的分值。

2.2.4 杉木生態(tài)公益林多功能的計算方法

（1）水土保持與水源涵養(yǎng)功能

通過剖面法取得土樣，土壤容重、土壤持水量和土壤毛管孔隙度的計算公式為：

式（1）～ （3）中：Y為土壤容重（g/cm3）；W0為土壤持水量（%）；P1為土壤毛管孔隙度（%）；g為環(huán)刀內(nèi)濕樣質(zhì)量（g）；V為環(huán)刀內(nèi)容積（cm3）；W為樣品含水百分?jǐn)?shù)（%）；Pt為環(huán)刀內(nèi)濕土質(zhì)量（g）；P0為環(huán)刀內(nèi)干土質(zhì)量（g）。

（2）物種多樣性功能指標(biāo)的計算

由于多樣性是一個綜合量度，進(jìn)行物種多樣性分析時應(yīng)將各個多樣性測度指標(biāo)進(jìn)行全面考慮。本研究采用物種豐富度指數(shù)（S）、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)來分析物種多樣性水平。其計算公式如下：

Simpson指數(shù)：

Shannon-Wiener指數(shù)：

Pielou指數(shù)：

式（4）～（6）中：pi為第i種的個體數(shù)占所有種的個體總數(shù)的比例，S指的是所在樣地內(nèi)物種種類的總數(shù)。

（3）固碳功能指標(biāo)計算

森林的碳是以森林的生物量為載體，因此，可以根據(jù)喬木層、灌木層、草本層和枯枝落葉層的生物量計算相應(yīng)的碳儲量，即以森林植被的喬木層、灌木層、草本層和枯枝落葉層生物量乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)（即每克干物質(zhì)的碳含量)推算而得到森林的碳儲量。土壤碳儲量則是根據(jù)土壤有機(jī)碳含量、土壤厚度及土壤容重3個指標(biāo)間的乘積來計算。

式（7）中：TOC為土壤碳儲量（t/hm2），C為土壤有機(jī)碳含量（%），D為土壤厚度（cm），θ為土壤容重（g/cm3）。

（4）生產(chǎn)力功能指標(biāo)計算

杉木林生物量估算模型很多，大都是以胸徑（D）或胸徑、樹高（D2H）為自變量，但一般認(rèn)為在估算杉木各器官生物量中，增加樹高因子會提高樹高的精度，因此，相對生長方程采用D2H為變量進(jìn)行全株生物量的測定。

式（8）中：W為喬木總生物量（t/hm2），D為胸徑（cm），H為樹高（m）。

林下植被和枯枝落葉層生物量采用樣方收獲法測定，即在樣地中機(jī)械布設(shè)5～10個1～2 m2的樣方將其中的灌木、草本全部收獲稱濕重，并置于105 ℃恒溫下烘箱內(nèi)烘干6～8 h烘干至恒重，并稱量其干重，計算干重率、總的干質(zhì)量，最后換算成單位面積的生物量。

2.2.5 評價模型的構(gòu)建

根據(jù)以上的計算結(jié)果可得，森林多功能評價模型為：

其中，Wi≥0，ΣWi=1。式（9）中，A表示杉木生態(tài)公益林各樣地的功能綜合指數(shù)；i表示第i個功能指標(biāo)；Wi表示第i個功能評價指標(biāo)的權(quán)重；Bi代表第i個功能的得分。

3 結(jié)果與分析

3.1 杉木生態(tài)公益林多功能評價指標(biāo)體系

根據(jù)科學(xué)性、可操作性和層次性原則，首先明確評價的目標(biāo)是杉木生態(tài)公益林多功能。根據(jù)頭腦風(fēng)暴法、Delphi法、會內(nèi)會外法等相結(jié)合的指標(biāo)篩選方法，選取4類功能作為準(zhǔn)則層指標(biāo)，即為水土保持與水源涵養(yǎng)功能[9]（B1）、物種多樣性功能[10-11]（B2）、固碳功能[12-13]（B3）、生產(chǎn)力功能（B4）。在水土保持與水源涵養(yǎng)功能（B1）方面，選取土壤持水量（S1）、土壤毛管孔隙度（S2）和土壤容重（S3），因為3者均是反映土壤物理性質(zhì)的參數(shù)[14]；在物種多樣性方面選取均勻度指數(shù)（S4）、豐富度（S5）、辛普森指數(shù)（S6）、香農(nóng)威納指數(shù)（S7）作為指標(biāo)；在固碳方面選取土壤、喬木層、灌木層、草本層以及枯枝落葉層的碳儲量作為評價指標(biāo)；在生產(chǎn)力功能方面選取喬木層、灌木層、草本層以及枯枝落葉層的生物量作為評價功能的指標(biāo)，共選取了16項指標(biāo)因子作為措施層指標(biāo)。下圖1即為杉木生態(tài)公益林多功能評價體系。

3.2 杉木生態(tài)公益林評價結(jié)果

3.2.1 指標(biāo)權(quán)重確定結(jié)果

圖1 杉木生態(tài)公益林多功能評價指標(biāo)體系Fig.1 Assessment index system of multi-function of C.lanceolata ecological forest

通過AHP層次分析法的計算，福壽國有林場杉木生態(tài)公益林多功能經(jīng)營評價的4個準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重分別為：水土保持與水源涵養(yǎng)功能（0.547 8）、物種多樣性功能（0.199 7）、固碳功能（0.183 2）、生產(chǎn)力功能（0.069 3），措施層指標(biāo)權(quán)重見表1。

表1 杉木生態(tài)公益林多功能評價指標(biāo)因子權(quán)重Table 1 Weight values of multi-function assessment indexes for C.lanceolata ecological forest

由表可看出：水土保持與水源涵養(yǎng)功能對福壽國有林場杉木生態(tài)公益林多功能發(fā)揮的影響最大，這是由于林場的杉木生態(tài)公益林是以緩解地表徑流、防止水土流失、保持和恢復(fù)土地肥力為主要經(jīng)營目的水土保持林；物種多樣性功能占20%的權(quán)重，這是判斷杉木生態(tài)公益林的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標(biāo)；固碳功能占18%的權(quán)重；生產(chǎn)力功能僅占6%，雖然是杉木生態(tài)公益林，但依舊是衡量該林分健康成長的指標(biāo)。

在次一級的指標(biāo)層中，根據(jù)所得的權(quán)重可知，土壤毛管孔隙度和土壤容重所占權(quán)重比較大，說明土壤結(jié)構(gòu)對于林分生長會產(chǎn)生一定的影響作用。香農(nóng)威納指數(shù)和辛普森指數(shù)對于林分的生長有一定的影響，土壤持水量可以影響森林內(nèi)土壤的蓄水能力，會在一定程度上促進(jìn)植物的生長。碳儲量和生物量的權(quán)重相對較小，是根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境立地因子而決定。

3.2.2 指標(biāo)評分值

根據(jù)下表2的評分標(biāo)準(zhǔn)，將各指標(biāo)分為優(yōu)、良、差3個等級，對各個功能二級指標(biāo)賦予一定的分值，以便對杉木生態(tài)公益林的多功能指標(biāo)進(jìn)行計算。

根據(jù)二級指標(biāo)的評價得分，將其與各指標(biāo)權(quán)重相乘，得到各二級指標(biāo)評價值，最后將其相加，得到各個功能評價得分。見下圖2。由圖所示，水土保持與水源涵養(yǎng)功能評價得分偏低，物種多樣性功能整體偏高，固碳功能和生產(chǎn)力功能處于中等水平，但整體功能沒有充分發(fā)揮。

表2 杉木生態(tài)公益林多功能評價指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Grading standards of forest multifunction assessment indexes for C.lanceolata ecological forest

圖2 杉木生態(tài)公益林不同樣地的各個功能評價得分Fig.2 Evaluating scores of each function of different sample plots for C.lanceolata ecological forest

根據(jù)指標(biāo)權(quán)重的確定，得到杉木生態(tài)公益林多功能評價模型為：

式（10）中，A為杉木生態(tài)公益林各樣地功能綜合指數(shù)；Wi≥ 0，ΣWi=1。式中，B1，B2，B3，B4分別為水土保持與水源涵養(yǎng)、物種多樣性、固碳功能和生產(chǎn)力4個功能指標(biāo)評價得分。

下表3為通過上式計算所得的杉木生態(tài)公益林不同樣地之間的多功能評價綜合指數(shù)。根據(jù)結(jié)果顯示，在13年生的杉木生態(tài)公益林中，多功能評價指數(shù)普遍處于2～4之間。

表3 杉木生態(tài)公益林不同樣地的多功能評價指數(shù)Table 3 Multi-function assessment indexes for different sample plots in C.lanceolata ecological forest

3.2.3 評價結(jié)果

采用等距劃分法，對杉木生態(tài)公益林多功能評價指數(shù)結(jié)果劃分為5級。通過6塊樣地評價指數(shù)A的計算結(jié)果，見下表4，杉木生態(tài)公益林多功能等級為差的樣地有5個，等級為中等的樣地有1個，等級為優(yōu)、良、極差的樣地為0，差和中等等級的樣地比重分別為83.3%和16.7%。結(jié)果表明，福壽國有林場13年生的杉木生態(tài)公益林多功能主要處于差等級，整體多功能水平偏低，該區(qū)域多種功能發(fā)揮受到限制，這是由生態(tài)公益林所處的環(huán)境以及該研究區(qū)域為杉木純林等各種原因相互影響而產(chǎn)生的。

表4 杉木生態(tài)公益林多功能等級分布情況Table 4 Distribution of forest multifunction grades in C.lanceolata ecological forest

4 結(jié)論與討論

本研究以湖南岳陽福壽國有林場13年生的杉木生態(tài)公益林為對象，運用頭腦風(fēng)暴法、Delphi法、會內(nèi)會外法等相結(jié)合的指標(biāo)篩選方法，選取水土保持與水源涵養(yǎng)、物種多樣性、固碳功能、生產(chǎn)力4類功能、16個評價指標(biāo)，運用層次分析法對指標(biāo)賦予權(quán)重，并構(gòu)建評價指標(biāo)體系，對13年生的杉木生態(tài)公益林的功能進(jìn)行評價。旨在選擇比較簡明、易于操作且較為合理的指標(biāo)因子，為準(zhǔn)確反映杉木生態(tài)公益林的現(xiàn)狀，以及為森林的可持續(xù)經(jīng)營管理奠定科學(xué)依據(jù)。

在各功能指標(biāo)評價得分中，水土保持與水源涵養(yǎng)功能評分相比其他3個功能稍低，整體仍處于較低層次。其原因首先是由于單一杉木林的種植比例較大，不利于水土保持與水源涵養(yǎng)功能的實施；而水土保持與水源涵養(yǎng)功能會影響該區(qū)域的水土流失情況，水土流失嚴(yán)重使林木種子、土壤種子隨之損耗，導(dǎo)致林下植被蓋度較低，物種多樣性功能脆弱。制約固碳功能和生產(chǎn)力功能發(fā)揮的原因是林分生長缺乏所必須的營養(yǎng)不足，導(dǎo)致林分生物量較低。

森林功能的高低是由多個因子相互影響、相互作用而得出的結(jié)果。因此，在13年生的杉木生態(tài)公益林中，評價等級為差的樣地占整體的83.3%，中等等級只占16.7%，沒有多功能評價等級為優(yōu)、良、極差的樣地，多功能整體水平處于偏低狀態(tài)。要將杉木生態(tài)公益林的多功能發(fā)揮到最大化，就需要確?？臻g結(jié)構(gòu)和非空間結(jié)構(gòu)的合理性。而在將來的經(jīng)營管理中，建議林場采取合適的經(jīng)營措施與手段，例如加大針闊比例、人為恢復(fù)林下植被等，從而提高杉木生態(tài)公益林的多種功能。

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Multi-functional evaluation ofCunninghamia lanceolataecological forest in Fushou State-owned Forest Farm

XIE Xiao-yun, LI Ji-ping, CAO Xiao-yu, YUAN, Xiao-hong, ZHAO Chun-yan
(School of Forestry, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

The research took 13-year-oldCunninghamia lanceolataecological forest in Fushou State-owned Forest Farm, Hunan Province as the object. The index system of multi-function forC.lanceolatapublic welfare ecological forest was set up through experts consultation and by the way of analytic hierarchy process, including 16 factors indices of soil and water conservation, diversity of species, carbon sequestration function, productivity function etc. And the multi-functional evaluation forC lanceolataecological forests in Fushou Stateowned Forest Farm was carried out. The results show as follows. The four criterion level index weight of multi-functional management evaluation ofC. lanceolataecological forest were in order from big to small: soil and water conservation (0.547 8), diversity of species (0.199 7), carbon sequestration function (0.183 2), productivity (0.069 3). The proportion of sample plots, which was at poor level in multi-function grade, was 83.3%, the percentage of sample plots at middle multi-function level was only 16.7%, and there was no one sample plot at excellent and good level. Overall multi-functional ofC.lanceolataecological forest was at the low level. The main limiting factors affecting the multi-function into full play were unitary structure of tree species, low understory coverage, and low stand biomass.

Cunninghamia lanceolataecological forest; ecological public welfare forest; multi-functional evaluation; index system;analytic hierarchy process; Pinjgiang county of Hunan province

S791.27

A

1673-923X(2015)04-0014-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.04.003

2014-12-03

國家 “十二五”科技支撐項目（2012BAD22B0505）

謝肖昀, 碩士研究生 通訊作者：李際平，教授，博士； E-mail：lijp0625@qq.com

謝肖昀,李際平,曹小玉,等. 福壽國有林場杉木生態(tài)公益林多功能評價[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2015,35(4):14-18,26.

[本文編校：文鳳鳴]