基于AHP和熵权法的华北落叶松林生态效应的研究_李惠丽.pdf

河北林业科技第 4 期2022 年 12 月26 何德进，邢友华，姜瑞雪，等.东平湖水体中氮磷的分布特征及其富营养化评价 J.环境科学与技术，2010，33（8）：45-48+61.27 徐杰，何萍，王钦，等.夏季白洋淀沉水植物分布与水环境因子的关系 J.湿地科学，2013，11（4）：488-494.28 任艳芹，陈开宁.巢湖沉水植物现状（2010 年）及其与环境因子的关系 J.湖泊科学，2011，23（3）：409-416.29 田翠翠，吴幸强，冯闪闪，等.东平湖沉水植物分布格局及其与环境因子的关系J.环境科学与技术，2018，41（11）：15-20.30 潘慧云，徐小花，高士祥.沉水植物衰亡过程中营养盐的释放过程及规律 J.环境科学研究，2008，21（1）：64-68.31 KIRK G J D，KRONZUCKER H J.The potential fornitrification and nitrate uptake in the rhizosphere ofwetland plants：a modelling study J.Annals of Botany，2005，96（4）：639-646.32 VILA-COSTA M，PULIDO C，CHAPPUIS E，et al.Macro-phyte landscape modulates lake ecosystem-level nitrogenlosses through tightly coupled plant-microbe interactionsJ.Limnology&Oceanography，2016，61（1）：78-88.收稿日期：2022-10-08第一作者：李惠丽（1992-），女，硕士，林业工程师。研究方向：森林资源经营与管理。E-mail：。*通讯作者：周长亮（1990-），男，硕士，林业工程师。研究方向：森林资源经营与管理。E-mail：。基于 AHP 和熵权法的华北落叶松林生态效应的研究李惠丽，徐满，巩建新，李小乐，刘凯廷，周长亮*（河北省木兰围场国有林场，河北 围场 068450）摘要：研究对象为接坝地区 3 种不同经营模式下的华北落叶松林，基于野外调查和室内试验，采用层次分析法（AHP），从乔木层、灌木层、草本层、枯落物层、土壤层 5 个层次建立生态效益评价指标体系，之后运用熵权法对 3 种经营模式下的华北落叶松林的生态效益进行综合评价。结果表明：（1）在 3 种经营模式中，均质经营下其平均胸径和平均树高最大，无干扰模式经营下其蓄积量最大且其灌木层的生物多样性最高，目标树经营下草本层的生物多样性最高。（2）枯落物层有效拦蓄量排序为目标树经营（74.41t/hm2）均质经营（63.12t/hm2）无干扰模式（31.68t/hm2）；土壤最大持水量排序为均质经营（595.55g/kg）无干扰模式（566.67g/kg）目标树经营（555.55g/kg）；水解氮含量最大的为均质经营模式（148.62mg/kg）；有效磷含量排序为均质经营目标树经营无干扰模式；速效钾含量排序为无干扰模式目标树经营均质经营。（3）不同经营模式下华北落叶松林生态效益的排序为无干扰模式（40.78）目标树经营模式（40.50）均质经营模式（36.08）。综上所述，无干扰模式经营下华北落叶松林的生态效益最好。关键词：华北落叶松；AHP；熵权法；经营模式；生态效益中图分类号：S791.22文献标识码：A文章编号：1002-3356（2022）04-0007-07Study on ecological effect of Larix principis-rupprechtii forest based on AHPand entropy weight methodLI Hui-li，XU Man，GONG Jian-xin，LI Xiao-le，LIU Kai-ting，ZHOU Chang-liang*（Hebei Mulan Paddock State Forest，Weichang，Hebei 068450）Abstract：The research object of this study is the Larix principis-rupprechtii forest under three differentmanagement modes in the dam area，based on field investigation and indoor test，Usesthe analytic hierarchyprocess（AHP），from the tree layer，shrub layer and herb layer，litter layer and soil layer 5 aspects such asestablishing ecological benefit evaluation index system，using the entropy weight method to the comprehensiveevaluation of ecological benefits of Larix principis-rupprechtii forest under three management modes，in order toprovide reference for future forest management.Among the three management modes，the average DBH and theaverage height of the three management modes were the highest under the homogeneous management mode，andthe maximum accumulation was 18.81m3under the non-interference management mode.The biodiversity of shrublayer was the highest under undisturbed management.The herbaceous layer had the greatest biodiversity under tar-7-DOI:10.16449/ki.issn1002-3356.2022.04.008河北林业科技第 4 期2022 年 12 月get tree management.The order of effective storage of litter layer is target tree management（74.41t/hm2）averagemanagement（63.12t/hm2）no interference mode（31.68t/hm2）.The order ofmaximum soil water holding capacitywasaverage management（595.55g/kg）no interference mode（566.67g/kg）target tree management（555.55 g/kg）.Thehighest content of hydrolyzed nitrogen was in the homogeneous business mode（148.62mg/kg）.The order of availablephosphorus content was average managementtarget tree management no interferencemode.The content of availablepotassium was no interference modetarget tree managementaverage management.The ecological benefits of Larixprincipis-rupprechtii forest under different management modes were ranked as no interferencemode（40.78）targettree business model（40.50）average management model（36.08）.The results showed that the ecological benefit ofLarix principis-rupprechtii forest was the best under the non-disturbance management mode.Key words：Larix principis-rupprechtii；AHP；entropy weight method；management model；ecological benefits森林经营方式对人工林生长发育以及发挥生态和经济作用具有不可忽视的影响1-3。不同的作业内容能够改变林下植被的生长状况，影响枯落物的积累和分解，而林下地被层的状态对于评估人工林的水土保持、水源涵养以及立地条件改善等生态效益又具有重要的指示作用4-6。木兰林场一直以来的经营理念是近自然经营，该场的经营模式主要分为两种，即均质经营和目标树经营。沿坝地区位于首都北京的上风口，其生态效益的好坏直接影响北京的生态环境。近年来对沿坝地区生态效益的研究较多，但对生态效益的综合分析并不多，而经营模式对林分生态效益影响的系统研究更少。本次研究主要是利用 GEF 项目建在木兰林场的标准地所获得的数据对该场 3 种经营模式下华北落叶松林的生态效益进行综合评价，以期为以后的森林经营工作提供数据支持和理论依据。1研究区概况研究区位于河北省承德市围场县木兰围场国有林场，是冀北山地与蒙古高原的交界处，处于华北山石区的接坝地区，坐标为 41564215N，117441189E，海拔 7502067m，坡度 1530，属大陆性季风型高原山地气候，最高气温 38.9，最低气温-42.9，土壤种类较多，共 143 个土种7。植物种类繁多，主要乔木树种有白桦（Betula platyphylla）、油松（Pinus tabulae）、华北落叶松（Larix principis-rup-prechti）、山杨（Pobulus davidiana）、蒙古栎（Quercusmongolica）、五角枫（Acermono Maxim）等8。2研究方法2.1不同经营模式概念（1）均质经营林：主要是实生的乔林，近代萌生的矮林和中林，以及林相相对较好、增值资源较多、有培育利用价值又无法按目标树体系经营的中林或乔林；培育目标：利用其生长速度快、生长量大、经营成本低的特点，充分适应市场需求，培育中小径级木材9。（2）目标树经营林。主要包括类型：落叶松、油松等针叶乔林，以及林相较好、增值资源多、目标树分布比较均匀能够按照目标树体系经营的中林等森林类型；培育目标：培育优质大径级木材（胸径60cm 以上）、生物多样性丰富、生态功能强大的高价值林分。主要经营措施：选择目标树并修枝，及时伐除干扰树，为目标树生长创造空间，同时对全林进行经营管理9。（3）无干扰模式（对照林）。不进行任何作业，排除人类活动的干扰，林木更新完全在自然力的作用下进行，以做空白对照10。2.2样地调查本次研究样地选择在木兰林场燕格柏分场内，根据不同经营模式选择具有代表性的华北落叶松林，包括无干扰模式对照、均质经营、目标树经营 3 种经营模式。要求其立地条件相近并具有代表性，林龄不能相差太大11。在各林分类型内设置 3 块20m20m的样地，对样地进行每木检尺，测其胸径、树高；在每块样地内，随机设置 3 块 5m5m 的样方，对样地内灌木层进行调查，包括种名、高度、盖度、株数等；在每块样地内，随机沿对角线设置 3 块 1m1m 的样方，对样地内草本层进行调查，包括种名、高度、盖度、株数等；在每个草本样方内设置 1 块 0.5m0.5m 的小样方，分层收取小样方内的枯落物，分为未分解层、半分解层，并带回实验室测定其持水能力；在每块样地内挖一块40cm 深的土壤剖面，分010、1020、2040cm 三层，用环刀取土，带回实验室进行持水能力实验；在每块土壤剖面上分别8-河北林业科技第 4 期2022 年 12 月经营模式无干扰模式（对照组）目标树经营均质经营树种组成华北落叶松华北落叶松华北落叶松海拔/m125012501250坡度252525坡向北东北北郁闭度0.80.80.8平均胸径/cm15.6315.616.84平均树高/m14.3915.0316.03林龄/a212224表 1不同经营模式下华北落叶松林样地基本情况取 3 个层次的土壤，并将其混合，带回实验室测其养分含量12。样地基本情况见表 1。2.3评价指标的选择本次试验指标的选择采用的方法为层次分析法（AHP）13，层次分析法只用于评价指标的选择上。通过大量的阅读文献及征询专家意见，本次研究的评价指标体系见表 2。2.4各指标的测定及计算准则层乔木层生长量 A灌木层多样性 B草本层多样性 C枯落物层持水能力 D土壤层持水能力 E土壤层养分 F指标层胸径（cm）树高（m）乔木层蓄积量（m3）Shannon-Wiener 指数Simpson 指数Shannon-Wiener 指数Simpson 指数枯落物蓄积量（t/hm2）枯落物最大持水量（t/hm2）枯落物有效拦蓄量（t/hm2）土壤容重（g/kg）土壤最大持水量（g/kg）总孔隙度（%）水解氮（mg/kg）有效磷（mg/kg）速效钾（mg/kg）X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16指标类型正向正向正向正向正向正向正向正向正向正向负向正向正向正向正向正向表 2层次分析结构模型评价指标体系目标层生态效益2.4.1乔木层生长量计算根据每块样地的每木检尺数据进行计算，其中胸径、树高值采用测量数据的平均值。各树种单株蓄积量查看河北省二元材积表公式计算。样地总蓄积量为每株蓄积量的和。2.4.2灌木层、草本层多样性计算根据实际测得灌木层、草本层的数据，依据Shannon-Wiener 指数、Simpson 指数、均匀度指数的计算公式进行计算。计算公式如下：Shannon-Wiener 指数：H=-ni=1PilnPiSimpson 指数：p=1-ni=1Pi2均匀度指数：E=H/lnS其中，Pi为物种 i 的重要值，S 为物种 i 所在样方的物种总数。2.4.3枯落物持水能力测定枯落物的持水能力测定采用的方法为浸水法4。分别对样方内的枯落物分层测量其厚度，并采样带回实验室，称其鲜重，利用烘干箱进行烘干，温度75，烘干时间为 6h，根据相应公式，计算枯落物的蓄积量、最大持水量、最大持水率及自然含水率。要想反映枯落物对降水的实际拦蓄量，则需要计算有效拦蓄量，有效拦蓄量的计算公式为：W=（0.85Rn-R0）M，其中 W 为有效拦蓄量（t hm-2）；Rn为最大持水率（%）；R0为平均自然含水率（%）；M 为枯落物蓄积量（t hm-2）14。2.4.4土壤层持水能力和养分的测定土壤物理性质的测定采用的是环刀法，将环刀带回实验室运用烘干、环刀浸泡法测定土壤容重、孔隙度等土壤性质。土壤养分的测定，根据 土壤农化分析 中的方法进行测定。其中水解氮的测定采用扩散法；有效磷的测定采用氟化铵盐酸浸提法测定；速效钾采用乙酸铵浸提法火焰光度法测定12。2.4.5生态效益综合评价本次研究主要采用的综合评价方法为熵权法15。9-河北林业科技第 4 期2022 年 12 月3结果分析3.1乔木层生物量乔木层的群落结构对维持生态环境安全有重要作用。乔木层胸径、树高及蓄积量是评价林分生态效益的重要指标。由表 3 可以看出：不同经营模式下，华北落叶松林的乔木层平均胸径存在一定差异，其中均质经营下华北落叶松林的平均胸径最大。不同经营模式下乔木层的平均树高最大的为均质经营，其次为目标树经营模式，最小为对照组。这主要是由于林分的密度不同造成的，均质经营的目的是适应市场需求，快速培育中小径级的木材；而目标树经营是在培育高价值林分，因此产生这种现象的原因是经营时间的长短。由表 3 可看出：不同经营 模 式 下 林 分 蓄 积 量 最 大 的 为 无 干 扰 模 式（18.87m3），其次为目标经营模式（12.85m3），最小的为均质经营模式（11.45m3），主要是因为无干扰模式下，林分密度较大。经营模式无干扰模式（对照组）目标树经营均质经营Shannon-Wiener 指数3.601.00a0.760.29b0.760.23bSimpson 指数0.50.06a0.440.15a0.600.14aShannon-Wiener 指数2.040.23a2.110.26a1.760.25bSimpson 指数0.780.06a0.820.05a0.740.06a表 4不同经营模式下华北落叶松林灌木层、草本层生物多样性灌木层草本层经营模式无干扰模式（对照组）目标树经营均质经营乔木层平均胸径/cm15.630.36b15.630.52ab16.840.40a乔木层平均树高/m14.390.73b15.030.61ab16.030.16a乔木层单株蓄积量/m30.120.087a0.110.093a0.120.07a乔木层蓄积量/m318.870.88a12.850.15b11.450.45c表 3不同经营模式下华北落叶松林乔木层生长情况经营模式无干扰模式（对照组）目标树经营均质经营枯落物蓄积量/t hm-272.3714.30b84.7410.33a75.5210.81b枯落物最大持水量/t hm-2160.1518.52b238.5232.88a182.1515.94b枯落物有效拦蓄/t hm-231.689.4b74.4112.43a63.126.92a表 5不同经营模式下华北落叶松林枯落物层蓄积量及其持水能力3.2灌木层、草本层物种多样性灌木层、草本层生物多样性是评价林分生态效益的又一重要指标，其多样性越高越能维持生态系统的稳定。而反应生物多样性的指标为 Shannon-Wiener 指数和 Simpson 指数。由表 4 可以看出：不同经营模式中，灌木层物种多样性最高的为无干扰模式，其 Shannon-Wiener 指数（3.60）最高，而目标树经营 和均质 经营下 其 Shannon-Wiener 指 数（0.76）较低，相差不大。草本层中，在目标树经营模式下其草本层生物多样性最高，其 Shannon-Wiener指数（2.11）、Simpson 指数（0.82）均最高，而均质经营下其草本层生物多样性最低。综合灌木层、草本层生物多样性看出，无干扰模式下其灌木层、草本层生物多样性较高，其群落稳定性较强，受外界干扰较少；而目标树经营和均质经营对林分外界干扰较大，均会降低华北落叶松林分的生物多样性。3.3枯落物层水文效益枯落物层作为森林生态系统的重要组成部分，其在森林水文效应中具有重要影响，枯落物层持水能力的大小体现出森林水源涵养功能的强弱，因此枯落物层的水文效应是林分生态效益的重要组成部分16。枯落物蓄积量可以反映出森林养分的循环情况，由表 5 可以看出：不同经营模式下华北落叶松林枯落物的蓄积量不同，其中目标树经营下，其枯落物蓄积量最大，为 84.74t/hm2，不同经营模式下枯落物蓄积量排序为目标树经营均质经营无干扰模式。枯落物最大持水量是反应枯落物持水能力的重要指标，最大持水量越大其对水分的截持能力越强。从表 5 中可以看出：不同经营模式中，枯落物最大持水能力排序为目标树经营模式均质经营模式无干扰模式，因此在目标树经营模式下华北落叶松林枯落物层最大持水量最大，为 238.52t/hm2。枯落物有效拦蓄量反应在实际降水中枯落物对水分的实际截持能力17。由表 5 可知：枯落物有效拦蓄量最大的经营模式为目标树经营，为 74.41t/hm2，最小的为无干扰模式，为31.68t/hm2。出现以上情况的10-河北林业科技第 4 期2022 年 12 月编号X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16无干扰模式（对照组）15.6314.3918.873.600.52.040.7872.37160.1531.680.97566.6756.67104.7518.57628.32目标树经营15.6315.0312.850.760.442.110.8284.74238.5274.411.01555.5555.56115.0523460.88均质经营16.8416.0311.450.760.601.760.7475.52182.1563.120.72595.55659.56148.6223.24410.22表 7不同经营模式下华北落叶松林生态效益评价指标数据编号X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16无干扰模式（对照组）0.320.320.440.700.320.350.330.310.280.190.360.330.330.280.290.42目标树经营0.320.330.300.150.290.360.350.360.410.440.370.320.320.310.350.31均质经营0.350.350.270.150.390.300.320.320.310.370.270.350.350.400.360.27表 8不同经营模式下华北落叶松林生态效益评价指标数据标准化值营模式（148.62mg/kg），最小为无干扰模式（104.75mg/kg）。有效磷含量排序为均质经营（23.24mg/kg）目标树经营（23.00mg/kg）无干扰模式（18.57mg/kg）。速效钾含量排序为无干扰模式（628.32mg/kg）目标树经营（460.88mg/kg）均质经营（410.22mg/kg）。4生态效益综合评价4.1构建指标判断矩阵根据所选指标构建指标判断矩阵 A=（aij）mn，其中 m=16，n=3，见表 7。4.2构建指标判断矩阵根据贡献度形成标准化矩阵，即每个指标在每个经营模式下的贡献度。先计算出每行的和，再用每列的指数除以和，形成标准矩阵 A=（aij）mn，见表 8。4.3计算熵值和权重依据以下公式计算各指标的熵值和权重 Wi，其中权重见表 9。经营模式无干扰模式（对照组）目标树经营均质经营土壤容重/g kg-10.970.05a1.010.068a0.720.055a土壤物理性质最大持水量/g kg-1566.6718.36b555.5518.99b595.5534.44a总孔隙度/%56.671.84a55.561.90a59.563.44a水解氮/mg kg-1104.7513.13b115.0511.69b148.6215.70a土壤养分有效磷/mg kg-118.572.37b23.001.63a23.2424.23a速效钾/mg kg-1628.3261.1a460.8860.36b410.229.25b表 6不同经营模式下华北落叶松林土壤层物理性质及其养分含量原因，主要是经营模式不同，华北落叶松的生长情况不同，其林下灌木层和草本层生长情况及组成都会不同，进而影响枯落物的输入质量及数量，从而导致不同经营模式下，枯落物的蓄积量和持水能力的差异。3.4土壤层物理性质及养分含量土壤层作为森林水文效应的第三个层次，其容重越小，对水分的保持能力越强；土壤孔隙度越大，其水土保持能力越强18。由表 6 可知：在不同经营模式下，华北落叶松林的土壤容重存在一定差距，其中在目标树经营模式下土壤容重最大（1.01g/kg），均质经营下土壤容重最小（0.72g/kg），但差异都不显著。不同经营模式下土壤总孔隙度排序为均质经营（59.56%）无干扰模式（56.67%）目标树经营（55.56%），无显著差异。土壤最大持水量排序为均质经营（595.55g/kg）无干扰模式（566.67g/kg）目标树经营（555.55g/kg）。从土壤养分含量看，水解氮含量最大的为均质经11-河北林业科技第 4 期2022 年 12 月指标权重指标权重X10.001X90.032X20.002X100.127X30.055X110.024X40.648X120.001X50.019X130.001X60.007X140.026X70.002X150.012X80.005X160.039表 9各指标权重值Hi=-knj=1fijlnfij，其中 fij=aijnj=1aij，k=1lnn（当 fij=0时，fijlnfij=0）wi=1-Himi=1Hi，i=1，m根据计算结果（表 10）：生态效益评价最高的为无 干 扰 模 式（40.7811），其 次 为 目 标 树 经 营（40.4979），均质经营模式最低（36.0757）。5讨论3 种经营模式中，华北落叶松林在均质经营下平均胸径和树高最大，主要是因为均质经营的目的是快速培育中小径级的木材，所以在经营初期其树高和胸径较大。生长量是在无干扰模式下最大，是由其林分密度较大造成的。就乔木层生长量看，经营模式对乔木层的影响还需分林龄进行进一步的研究探讨。无干扰模式下，灌木层的生物多样性最大；目标树经营模式下，草本层的生物多样性最大。主要是在目标树经营下，凡是干扰目标树生长的乔木或灌木都会被伐除，从而草本层得到充足阳光和生长空间。因此，其在目标树经营模式下灌木层多样性较低，草本层多样性较高。目标树经营模式下，华北落叶松林枯落物层的持水能力最强，主要是因为在目标树经营中，乔木层的生长情况、林下灌木层和草本层的生长情况及组成发生变化，进而影响枯落物层的输入数量和质量。生态效益最好的为无干扰模式，无干扰模式和目标树经营模式生态效益相差不大，而生态效益最差的为均质经营模式。说明接坝地区实行的近自然经营模式取得了一定的成效，均质经营是为了在短时间内培育市场所需的中小径级木材，是以经济效益为目的，因此其生态效益较差。而无干扰模式和目标树经营模式相差不大，但长期实行目标树经营其生态效益的好坏还有待验证，因此，今后对不同林龄的华北落叶松林在不同经营模式下的生态效益还需进行进一步的探讨和研究。6结论（1）不同经营模式下，华北落叶松林的乔木层平均胸径存在一定差异，其中均质经营下华北落叶松林的平均胸径最大，而对照林和目标树经营下其平均胸径较小。乔木层的平均树高最大的为均质经营，其次为目标树经营模式，最小为对照组。林分蓄积量排序为无干扰模式（18.87m3）目标树经营模式（12.85m3）均质经营模式（5.301m3）。（2）不同经营模式中，灌木层物种多样性最高的为无干扰模式，其 Shannon-Wiener 指数（3.60）最高。而目标树经营和均质经营下其 Shannon-Wiener指数较低并相差不大。草本层中，在目标树经营模式下其草本层生物多样性最高，其Shannon-Wiener指数（2.11）、Simpson 指数（0.82）均最高，而均质经营下其草本层生物多样性最低。（3）不同经营模式下枯落物蓄积量排序为目标树经营均质经营无干扰模式，枯落物最大持水能力排序为目标树经营模式均质经营模式无干扰模式。枯落物有效拦蓄量最大的经营模式为目标树经营，最小的为无干扰模式。编号X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16生态效益评价值无干扰模式（对照组）0.02230.03241.03742.33120.00930.01390.00160.37325.18584.02230.02330.55640.05562.70940.214124.193140.7811目标树经营0.02230.03380.70640.49210.00820.01440.00160.43697.72359.44750.02420.54550.05452.97580.265117.745940.4979均质经营0.02400.03610.62950.49210.01120.01200.00150.38945.89828.01400.01730.58470.05853.84410.267915.795336.0757表 10生态效益能力评价值12-河北林业科技第 4 期2022 年 12 月（4）在不同经营模式下，华北落叶松林的土壤容重存在一定差距，但差异并不显著。不同经营模式下土壤总孔隙度排序为均质经营无干扰模式目标树经营，土壤最大持水量排序为均质经营无干扰模式目标树经营。从土壤养分含量看，水解氮含量最大的为均质经营模式、最小为无干扰模式。有效磷含量排序为均质经营目标树经营无干扰模式。速效钾含量排序为无干扰模式目标树经营均质经营。（5）不同经营模式下华北落叶松林生态效益的排序为无干扰模式目标树经营模式均质经营模式，生态效益最好的为无干扰模式，无干扰模式和目标树经营模式生态效益相差不大，而生态效益最差的为均质经营模式。参考文献1 陆元昌，WERNIER S，刘宪钊，等.多功能目标下的近自然森林经营作业法研究J.西南林业大学学报，2011，31（4）：1-6，11.2 沈照仁.浅谈现代林业与传统林业、自然保护之间的关系J.世界林业研究，1998（5）：2-6.3 李荣，张文辉，何景峰，等.不同间伐强度对辽东栎林群落稳定性的影响 J.应用生态学报，2011，22（1）：14-20.4 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