福建平潭島沿海防護(hù)林綜合生態(tài)效益評(píng)價(jià)

張巧黃義雄文華英鐘春柳

(福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007)

摘要：基于平潭島沿海防護(hù)林實(shí)地觀測數(shù)據(jù)，以改良土壤、固碳釋氧、調(diào)節(jié)氣候和水源涵養(yǎng)為準(zhǔn)則層，以降低風(fēng)速、固碳量、土壤容重等10項(xiàng)測定數(shù)據(jù)為指標(biāo)層，建立沿海防護(hù)林綜合生態(tài)效益評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)模型。應(yīng)用層次分析法(AHP)原理對(duì)平潭島木麻黃、黑松、濕地松、臺(tái)灣相思4個(gè)主要防護(hù)林樹種的綜合生態(tài)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，4個(gè)防護(hù)林樹種均有較強(qiáng)的生態(tài)防護(hù)功能，但各樹種綜合生態(tài)效益差異明顯，綜合生態(tài)效益指數(shù)排序?yàn)槟韭辄S>濕地松>黑松>臺(tái)灣相思。此研究結(jié)果將為平潭島沿海防護(hù)林工程規(guī)劃、布局、樹種選擇等提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：平潭島；沿海防護(hù)林；生態(tài)效益；評(píng)價(jià)；層次分析法

中圖分類號(hào)：S727.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1914(2015)02-0063-05

Abstract:Based on the data collected from coastal shelterbelt field in Pingtan Island, index system and evaluation model for the assessment of comprehensive ecological benefit was established, which consists of criterion layer (soil improvement, carbon fixation and oxygen release, climate regulation and water and soil conservation) and indicator layer (reducing wind speed, fixed carbon content, soil bulk density and etc. more than 10 indicators). Analytical Hierarchy Process (AHP) method was used to evaluate comprehensive ecological benefits of Casuarina equisetifolia , Pinus thunbergii, Pinus elliottii and Acacia confuse. The result indicated that four kinds of windbreaks have a large eco-efficiency, the order of ecological benefits index is Casuarina equisetifolia>Pinus elliottii>Pinus thunbergii>Acacia confuse. Therefore some scientific suggestions were put forwarded in this paper and which provided basic foundation for planning, overall arrangement, species selection for coastal shelterbelt project in Pingtan Island.

Keywords:Pingtan Island; coastal shelterbelt;ecological benefit;assessment;AHP

收稿日期：2014-11-24

基金項(xiàng)目：昆明市林業(yè)局項(xiàng)目“昆明市人工林森林健康標(biāo)準(zhǔn)與經(jīng)營模式優(yōu)化研究”資助。

doi:10.11929/j.issn.2095-1914.2015.02.011

Assessment on Comprehensive Ecological Benefit of the

Main Coastal Shelterbelt in Pingtan Island

ZHANG Qiao, HUANG Yi-xiong, WEN Hua-ying, ZHONG Chun-liu

(School of Geographical Sciences, Fujian Normal University, Fuzhou Fujian 350007, China)

沿海防護(hù)林是指沿海地區(qū)以防御自然災(zāi)害、維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施、保護(hù)生產(chǎn)、改善環(huán)境和維持生態(tài)平衡等為主要目的，具有防風(fēng)固沙、保持水土、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候、減少污染、保護(hù)物種等生態(tài)功效的天然林和人工林。防護(hù)林的生態(tài)屏障作用改善了沿海地區(qū)人民的生活環(huán)境，保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性。國內(nèi)外眾多學(xué)者已開展了沿海防護(hù)林生態(tài)效益評(píng)價(jià)，主要借鑒森林生態(tài)效益評(píng)價(jià)方法，從經(jīng)濟(jì)學(xué)和生態(tài)學(xué)角度進(jìn)行評(píng)估[1-2]。蘇聯(lián)、美國、日本等國起步較早，研究主要側(cè)重于樹種防風(fēng)消浪、水土保持、森林防護(hù)等功能。中國學(xué)者對(duì)沿海防護(hù)林生態(tài)效益評(píng)價(jià)起步較晚，重點(diǎn)研究單項(xiàng)生態(tài)效益。綜合現(xiàn)有沿海防護(hù)林生態(tài)效益評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)可知：在研究對(duì)象上，側(cè)重于單一樹種的某項(xiàng)生態(tài)效益研究；在研究區(qū)域上，主要集中于小尺度范圍；在評(píng)價(jià)方法上，沒有統(tǒng)一的指標(biāo)體系。因此，建立完善的生態(tài)效益評(píng)價(jià)體系，選取樹種多方面生態(tài)效益進(jìn)行大尺度的評(píng)價(jià)顯得尤為重要。

平潭島位于福建省東南部，東臨臺(tái)灣海峽，西瀕海壇海峽，是東南沿海與臺(tái)灣經(jīng)濟(jì)、人文交流的重要窗口，2009年7月正式建立“平潭綜合試驗(yàn)區(qū)”，平潭島成為積極探索海峽兩岸新合作模式的示范區(qū)。近年來島嶼的生態(tài)環(huán)境備受關(guān)注，由于早期人類破壞，加之常年大風(fēng)多，水資源缺乏，土壤貧瘠，植被立地條件差，島嶼生態(tài)環(huán)境十分脆弱，原生植被早已消失。自20世紀(jì)60年代起，由于成功引種黑松(Pinusthunbergii)和木麻黃(Casuarinaequisetifolia)樹種，平潭島大面積種植防風(fēng)固沙和水土保持林，風(fēng)沙危害基本得到控制。如今平潭島森林覆蓋率明顯增加，生態(tài)環(huán)境大為改善，但對(duì)平潭島沿海防護(hù)林生態(tài)效益及不同防護(hù)林樹種貢獻(xiàn)率的定量研究較少。因此，明確平潭島沿海防護(hù)林的生態(tài)功能并對(duì)其進(jìn)行分析評(píng)價(jià)顯得尤為必要。本研究基于實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合層次分析法(AHP)，開展平潭島沿海防護(hù)林生態(tài)效益評(píng)估，建立沿海防護(hù)林生態(tài)效益評(píng)價(jià)體系，以明確不同防護(hù)林樹種生態(tài)效益?zhèn)戎攸c(diǎn)，為沿海防護(hù)林營造提供參考依據(jù)。

1研究區(qū)概況

平潭島地處北緯25.25°～25.75°，東經(jīng)119.53°～120.17°，中國第5大島，福建省第1大島，由126個(gè)島嶼構(gòu)成，其中海壇島面積最大，為全縣的主島。平潭島屬南亞熱帶氣候，年均溫19.9℃，年平均降雨量900～1200mm，主要集中在2—9月。平潭島位于大陸與臺(tái)灣島之間“穿堂風(fēng)”區(qū)域，年平均風(fēng)速4m/s。島上多為沙壤和紅壤，土壤較為貧瘠。2013年底全島森林覆蓋率達(dá)32.9%，主要植被類型有黑松、濕地松(Pinuselliottii)、木麻黃、臺(tái)灣相思(Acaciaconfuse)、月見草(Oenotherabiennis)、龍舌蘭(Agaveamericana)、白茅(Imperatacylindrica)等。黑松為島上造林先鋒樹種，主要種植于山地迎風(fēng)坡或山體中上部風(fēng)速較大區(qū)域。木麻黃多種植于濱海前沿和農(nóng)田邊，是防風(fēng)固沙的重要屏障。臺(tái)灣相思是島上分布面積最廣的樹種，主要種植于山地及低丘的中下部。濕地松分布面積相對(duì)較小，主要種植于長江澳防護(hù)林中部。

2研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

選取平潭島4種主要防護(hù)林樹種：木麻黃、臺(tái)灣相思、黑松、濕地松，各樹種選擇典型地段分別布設(shè)3個(gè)20m×20m樣方，調(diào)查樣方內(nèi)植物種類、樹高、胸徑等指標(biāo)。樣方內(nèi)布設(shè)1m×1m小樣方,收集林下凋落物，林內(nèi)挖土壤剖面分層取土樣測算各項(xiàng)土壤指標(biāo)，并觀測防護(hù)林各項(xiàng)氣候指標(biāo)。

2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

本研究指標(biāo)選取建立在大量文獻(xiàn)閱讀以及專家咨詢的基礎(chǔ)上，并遵循指標(biāo)選取的綜合性、科學(xué)性、可操作性等原則，在28項(xiàng)預(yù)選指標(biāo)中選取10項(xiàng)指標(biāo)，構(gòu)建了平潭島沿海防護(hù)林生態(tài)效益評(píng)價(jià)體系，見圖1。

依照層次分析法原理，本研究建立的指標(biāo)體系分為3個(gè)層次，目標(biāo)層即平潭島沿海防護(hù)林生態(tài)效益評(píng)價(jià)A，準(zhǔn)則層包括改良土壤B1、固碳釋氧B2、調(diào)節(jié)氣候B3、水源涵養(yǎng)B4。指標(biāo)層涵蓋Ci(i=1，2，3…，10)10個(gè)指標(biāo)。改良土壤效益包括土壤容重、孔隙度和有機(jī)質(zhì)3項(xiàng)指標(biāo)，指標(biāo)穩(wěn)定且易于測定；固碳釋氧效益包括固碳量和釋氧量；調(diào)節(jié)氣候效益包括溫度、濕度、風(fēng)速3個(gè)典型指標(biāo)；凋落物持水量和土壤蓄水量易于測定且能較好體現(xiàn)樹種的水源涵養(yǎng)功能[3-6]。固沙量為防護(hù)林主要生態(tài)效益之一，但由于平潭島的臺(tái)灣相思和黑松并非種植于沙地，基于數(shù)據(jù)可得性原則，將此預(yù)選指標(biāo)剔除。

2.3評(píng)價(jià)指標(biāo)的調(diào)查及測定

調(diào)查研究于2013年10月在平潭縣主島海壇島上進(jìn)行。各指標(biāo)的調(diào)查及測定方法如下：

1) 改良土壤效益。在每個(gè)樹種典型樣地內(nèi)按“S”形隨機(jī)設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn)，采用環(huán)刀法在0～20、20～40、40～60、60～100 cm分層取土，測定土壤容重、孔隙度等指標(biāo)。用自封袋分層取土樣帶回實(shí)驗(yàn)室測定土壤C、N含量，并以土壤碳含量推算土壤有機(jī)質(zhì)含量。

2) 固碳釋氧效益。在各樹種典型樣方中逐一調(diào)查樣地內(nèi)植被類型，測量樹種的胸徑、樹高。分別計(jì)算樹高、胸徑的平均值后，在樣方內(nèi)選取最接近平均值的樹木作為標(biāo)準(zhǔn)木，伐倒后分根、枝、葉、干采集，測定樹種生物量，以生物量推算凈生產(chǎn)力，根據(jù)公式計(jì)算植被的固碳量和釋氧量[7]。

3) 調(diào)節(jié)氣候效益。利用AR827型溫濕計(jì)觀測空曠地與林帶內(nèi)每日14：00左右的溫度和濕度。以1min為限，出現(xiàn)頻率最高的溫度和濕度值為實(shí)測值，林帶內(nèi)與空曠地的差值即為防護(hù)林對(duì)溫、濕度的調(diào)節(jié)量。風(fēng)速測量采用DEM6型三杯風(fēng)向風(fēng)速儀，在林帶前后各設(shè)置3個(gè)觀測點(diǎn)，測試樣地2m高度的風(fēng)速。據(jù)鄭達(dá)賢等[8]的研究結(jié)果，林帶前10H處風(fēng)速可代表曠野風(fēng)速，林帶1H后風(fēng)速最小，因此，取林帶前10H和林帶后1H1min內(nèi)平均風(fēng)速的差值即為防護(hù)林降低風(fēng)速量。

4) 水源涵養(yǎng)效益。在1m×1m小樣方中采用全部收獲方式，收集樣方內(nèi)凋落物，帶回室內(nèi)以80 ℃溫度烘至恒質(zhì)量，取部分凋落物干樣本采用浸泡法，以浸泡24 h的持水量為最大持水量[9]，凋落物持水量為凋落物濕質(zhì)量與凋落物烘干質(zhì)量之差[10]。土壤蓄水量包括土壤毛管持水量和非毛管持水量兩者之和[11]，由土壤孔隙度、土層厚度、水的比重等因素推算而得[12]。

2.4評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

指標(biāo)權(quán)重?cái)M定方法較多，最終選取層次分析法(AHP)，結(jié)合平潭島實(shí)際情況，咨詢從事防護(hù)林、森林生態(tài)、水土保持等方面的專家，構(gòu)建判斷矩陣，進(jìn)行兩兩比較，經(jīng)過一致性檢驗(yàn)，最終確定各指標(biāo)權(quán)重(表1)。

表1　平潭島主要沿海防護(hù)林樹種生態(tài)效益權(quán)重及排序

2.5指標(biāo)的無量綱化處理

由于各項(xiàng)指標(biāo)量綱不同，功能差異顯著，因此，各指標(biāo)間不能直接進(jìn)行比較，需要將指測定標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成同一水平，消除量綱影響。綜合對(duì)比現(xiàn)有的無量綱化方法，可選取“均值化”處理方法對(duì)所選指標(biāo)進(jìn)行無量綱化[13]。

2.6綜合生態(tài)效益評(píng)價(jià)模型建立

研究采用線性加權(quán)法建立平潭島沿海防護(hù)林綜合生態(tài)效益模型，將各項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行線性加權(quán)，求出綜合指數(shù)。具體的綜合評(píng)價(jià)模型如下：

式中：E為綜合生態(tài)效益指數(shù)；Wi為第i項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重；Ci為第i項(xiàng)指標(biāo)無量綱化的數(shù)據(jù)矩陣。在各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的基礎(chǔ)上，按照以上數(shù)學(xué)模型，計(jì)算平潭島沿海防護(hù)林的綜合生態(tài)效益指數(shù)(表2)。

表2　4種防護(hù)林樹種綜合生態(tài)效益指數(shù)

3綜合生態(tài)效益評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表2計(jì)算得到平潭島4種沿海防護(hù)林樹種各項(xiàng)生態(tài)效益指標(biāo)，結(jié)合已構(gòu)建的指標(biāo)體系，得到平潭島沿海4種主要防護(hù)林樹種綜合生態(tài)效益指數(shù)，見圖2。

由表2及圖2分析結(jié)果表明：

1) 平潭島4種沿海防護(hù)林樹種都具有較強(qiáng)的生態(tài)防護(hù)功能，但各樹種綜合生態(tài)效益仍存在明顯差異，其綜合生態(tài)效益排序?yàn)椋耗韭辄S>濕地松>黑松>臺(tái)灣相思。

2) 4種防護(hù)林樹種改良土壤、固碳釋氧、調(diào)節(jié)氣候、水源涵養(yǎng)效益的貢獻(xiàn)率各不相同。改良土壤效益的排序?yàn)椋号_(tái)灣相思>黑松>木麻黃>濕地松；固碳釋氧效益的排序?yàn)椋簼竦厮?木麻黃>黑松>臺(tái)灣相思；調(diào)節(jié)氣候效益的排序?yàn)椋耗韭辄S>黑松>濕地松>臺(tái)灣相思；水源涵養(yǎng)效益的排序?yàn)椋簼竦厮?黑松>臺(tái)灣相思>木麻黃。

3) 防護(hù)林不同樹種各項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)對(duì)綜合生態(tài)效益貢獻(xiàn)率也不相同。由圖3可知:木麻黃貢獻(xiàn)率大小為調(diào)節(jié)氣候>固碳釋氧>改良土壤>水源涵養(yǎng)；黑松為調(diào)節(jié)氣候>固碳釋氧>水源涵養(yǎng)>改良土壤；臺(tái)灣相思為調(diào)節(jié)氣候>水源涵養(yǎng)>固碳釋氧>改良土壤；濕地松為調(diào)節(jié)氣候>固碳釋氧>水源涵養(yǎng)>改良土壤。

4結(jié)論與討論

1) 本研究所采用的生態(tài)效益評(píng)價(jià)方法是對(duì)平潭島4種主要沿海防護(hù)林樹種改良土壤、固碳釋氧、水源涵養(yǎng)、調(diào)節(jié)氣候效益深入分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)其量化，評(píng)價(jià)結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性。

2) 所選指標(biāo)在降低風(fēng)速、固碳量、土壤蓄水量等方面賦有較高的權(quán)重值，表明平潭島沿海防護(hù)林在此方面有較強(qiáng)的生態(tài)功能。由于臺(tái)灣島與大陸之間的“狹管效益”和臺(tái)風(fēng)的影響，使平潭島風(fēng)害嚴(yán)重。此外，島嶼地形走向與區(qū)域常年盛行風(fēng)向一致，加劇了平潭島的風(fēng)速。因此，降低風(fēng)速是平潭島防護(hù)林的首要任務(wù)，也是最主要生態(tài)效益指標(biāo)之一，專家學(xué)者賦予了較高的權(quán)重值。

3) 所選4個(gè)防護(hù)林樹種都具有明顯的生態(tài)效益，在調(diào)節(jié)氣候方面表現(xiàn)特別突出。一方面，4個(gè)樹種均為多年生喬木，對(duì)平潭島氣候適應(yīng)力強(qiáng)，另一方面，在構(gòu)建評(píng)價(jià)體系時(shí)，將“降低風(fēng)速”指標(biāo)歸于調(diào)節(jié)氣候效益。沿海防護(hù)林最主要的生態(tài)效益依舊是降低風(fēng)速[14-16]，改良土壤功能與其他生態(tài)功能相比較為薄弱，由于平潭島土壤多為紅壤和沙壤，有機(jī)質(zhì)含量少，土壤本身比較貧瘠。但臺(tái)灣相思和黑松的改良土壤效果較好，這與樹種根部的根瘤菌密切相關(guān)，其根瘤菌有良好的固氮功能，很大程度上改善了林下貧瘠土壤。而木麻黃根部的根瘤菌僅能維持樹種在貧瘠的沙地上生長，改土效果并不顯著。此外，臺(tái)灣相思和黑松林下多灌木和草本，生物量大，產(chǎn)生的代謝較多，有機(jī)質(zhì)相對(duì)豐富，而木麻黃和濕地松多為純林，林下灌草缺乏。在固碳釋氧功能上，濕地松和木麻黃樹種年凈生產(chǎn)力較大，可將二者作為吸碳釋氧的主要樹種栽培，增強(qiáng)樹種的碳匯功能，這對(duì)增加平潭島的植被碳儲(chǔ)量具有重要意義。

4) 4個(gè)防護(hù)林樹種綜合生態(tài)效益的排序?yàn)椋耗韭辄S>濕地松>黑松>臺(tái)灣相思，這一結(jié)果說明木麻黃的生態(tài)效益非常顯著，是沿海防護(hù)林不可缺少的樹種。綜合生態(tài)效益是各項(xiàng)生態(tài)指標(biāo)疊加的結(jié)果，本研究建立的生態(tài)效益評(píng)價(jià)體系所選指標(biāo)數(shù)量有限，影響了綜合生態(tài)效益的評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)樹種的選擇還需要進(jìn)一步研究。

5) 此研究結(jié)果對(duì)平潭島防護(hù)林樹種的布設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。平潭島地貌類型多樣，包括丘陵、臺(tái)地、平原等，不同地形區(qū)適宜種植不同樹種。在濱海風(fēng)力強(qiáng)勁地區(qū)，造林樹種可選擇防風(fēng)效益較好的木麻黃；平潭島北部的君山為島上最高峰，該區(qū)域自然環(huán)境惡劣，適宜種植木材密度大，結(jié)構(gòu)緊湊，土壤蓄水能力較好的黑松；在一些土壤比較貧瘠的臺(tái)地可種植改良土壤效果較好的臺(tái)灣相思，其生長速度快，生物量高，根部的根瘤菌可改善區(qū)域土壤；在平原地區(qū)可種植固碳量較大且蓄水能力較好的濕地松。有研究表明[17]，樹種的混交更利于防護(hù)林生態(tài)效益的提高，但本研究未涉及混交樹種的生態(tài)效益，對(duì)混交樹種生態(tài)效益的評(píng)價(jià)為將來需要進(jìn)一步研究的方向。

6) 本研究所建立的平潭島沿海防護(hù)林生態(tài)效益指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，參考了大量文獻(xiàn)、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，雖然經(jīng)過專家嚴(yán)格篩選，仍具有一定的主觀性，指標(biāo)體系仍需不斷地通過實(shí)踐檢驗(yàn)完善。此研究意義不在于強(qiáng)調(diào)各樹種生態(tài)效益的排序，而在于發(fā)現(xiàn)沿海防護(hù)林樹種存在的不足，不斷改進(jìn)和提升沿海防護(hù)林生態(tài)效益，充分發(fā)揮樹種的生態(tài)防護(hù)功能，為建立平潭島乃至整個(gè)福建沿海地區(qū)健康的防護(hù)林體系提供理論依據(jù)。

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(責(zé)任編輯韓明躍)

第1作者：徐世芳(1989—)，女，碩士生。研究方向：水土保持與荒漠化防治。Email：738405587@qq.com。

通信作者：李小英(1967—)，女，副教授。研究方向：水土保持生態(tài)修復(fù)。Email：lxying92@126.com。