福建平潭岛沿海防护林综合生态效益评价

福建平潭岛沿海防护林综合生态效益评价

张巧黄义雄文华英钟春柳

(福建师范大学地理科学学院，福建 福州 350007)

摘要：基于平潭岛沿海防护林实地观测数据，以改良土壤、固碳释氧、调节气候和水源涵养为准则层，以降低风速、固碳量、土壤容重等10项测定数据为指标层，建立沿海防护林综合生态效益评价体系和评价模型。应用层次分析法(AHP)原理对平潭岛木麻黄、黑松、湿地松、台湾相思4个主要防护林树种的综合生态效益进行评价。结果表明，4个防护林树种均有较强的生态防护功能，但各树种综合生态效益差异明显，综合生态效益指数排序为木麻黄>湿地松>黑松>台湾相思。此研究结果将为平潭岛沿海防护林工程规划、布局、树种选择等提供理论依据。

关键词：平潭岛；沿海防护林；生态效益；评价；层次分析法

中图分类号：S727.2

文献标志码：A

文章编号：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

基金项目：昆明市林业局项目“昆明市人工林森林健康标准与经营模式优化研究”资助。

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)

沿海防护林是指沿海地区以防御自然灾害、维护基础设施、保护生产、改善环境和维持生态平衡等为主要目的，具有防风固沙、保持水土、涵养水源、调节气候、减少污染、保护物种等生态功效的天然林和人工林。防护林的生态屏障作用改善了沿海地区人民的生活环境，保障农业生产的可持续性。国内外众多学者已开展了沿海防护林生态效益评价，主要借鉴森林生态效益评价方法，从经济学和生态学角度进行评估[1-2]。苏联、美国、日本等国起步较早，研究主要侧重于树种防风消浪、水土保持、森林防护等功能。中国学者对沿海防护林生态效益评价起步较晚，重点研究单项生态效益。综合现有沿海防护林生态效益评价的文献可知：在研究对象上，侧重于单一树种的某项生态效益研究；在研究区域上，主要集中于小尺度范围；在评价方法上，没有统一的指标体系。因此，建立完善的生态效益评价体系，选取树种多方面生态效益进行大尺度的评价显得尤为重要。

平潭岛位于福建省东南部，东临台湾海峡，西濒海坛海峡，是东南沿海与台湾经济、人文交流的重要窗口，2009年7月正式建立“平潭综合试验区”，平潭岛成为积极探索海峡两岸新合作模式的示范区。近年来岛屿的生态环境备受关注，由于早期人类破坏，加之常年大风多，水资源缺乏，土壤贫瘠，植被立地条件差，岛屿生态环境十分脆弱，原生植被早已消失。自20世纪60年代起，由于成功引种黑松(Pinusthunbergii)和木麻黄(Casuarinaequisetifolia)树种，平潭岛大面积种植防风固沙和水土保持林，风沙危害基本得到控制。如今平潭岛森林覆盖率明显增加，生态环境大为改善，但对平潭岛沿海防护林生态效益及不同防护林树种贡献率的定量研究较少。因此，明确平潭岛沿海防护林的生态功能并对其进行分析评价显得尤为必要。本研究基于实测数据结合层次分析法(AHP)，开展平潭岛沿海防护林生态效益评估，建立沿海防护林生态效益评价体系，以明确不同防护林树种生态效益侧重点，为沿海防护林营造提供参考依据。

1研究区概况

平潭岛地处北纬25.25°～25.75°，东经119.53°～120.17°，中国第5大岛，福建省第1大岛，由126个岛屿构成，其中海坛岛面积最大，为全县的主岛。平潭岛属南亚热带气候，年均温19.9℃，年平均降雨量900～1200mm，主要集中在2—9月。平潭岛位于大陆与台湾岛之间“穿堂风”区域，年平均风速4m/s。岛上多为沙壤和红壤，土壤较为贫瘠。2013年底全岛森林覆盖率达32.9%，主要植被类型有黑松、湿地松(Pinuselliottii)、木麻黄、台湾相思(Acaciaconfuse)、月见草(Oenotherabiennis)、龙舌兰(Agaveamericana)、白茅(Imperatacylindrica)等。黑松为岛上造林先锋树种，主要种植于山地迎风坡或山体中上部风速较大区域。木麻黄多种植于滨海前沿和农田边，是防风固沙的重要屏障。台湾相思是岛上分布面积最广的树种，主要种植于山地及低丘的中下部。湿地松分布面积相对较小，主要种植于长江澳防护林中部。

2研究方法

2.1数据来源

选取平潭岛4种主要防护林树种：木麻黄、台湾相思、黑松、湿地松，各树种选择典型地段分别布设3个20m×20m样方，调查样方内植物种类、树高、胸径等指标。样方内布设1m×1m小样方,收集林下凋落物，林内挖土壤剖面分层取土样测算各项土壤指标，并观测防护林各项气候指标。

2.2评价指标体系建立

本研究指标选取建立在大量文献阅读以及专家咨询的基础上，并遵循指标选取的综合性、科学性、可操作性等原则，在28项预选指标中选取10项指标，构建了平潭岛沿海防护林生态效益评价体系，见图1。

依照层次分析法原理，本研究建立的指标体系分为3个层次，目标层即平潭岛沿海防护林生态效益评价A，准则层包括改良土壤B1、固碳释氧B2、调节气候B3、水源涵养B4。指标层涵盖Ci(i=1，2，3…，10)10个指标。改良土壤效益包括土壤容重、孔隙度和有机质3项指标，指标稳定且易于测定；固碳释氧效益包括固碳量和释氧量；调节气候效益包括温度、湿度、风速3个典型指标；凋落物持水量和土壤蓄水量易于测定且能较好体现树种的水源涵养功能[3-6]。固沙量为防护林主要生态效益之一，但由于平潭岛的台湾相思和黑松并非种植于沙地，基于数据可得性原则，将此预选指标剔除。

2.3评价指标的调查及测定

调查研究于2013年10月在平潭县主岛海坛岛上进行。各指标的调查及测定方法如下：

1) 改良土壤效益。在每个树种典型样地内按“S”形随机设置3个采样点，采用环刀法在0～20、20～40、40～60、60～100 cm分层取土，测定土壤容重、孔隙度等指标。用自封袋分层取土样带回实验室测定土壤C、N含量，并以土壤碳含量推算土壤有机质含量。

2) 固碳释氧效益。在各树种典型样方中逐一调查样地内植被类型，测量树种的胸径、树高。分别计算树高、胸径的平均值后，在样方内选取最接近平均值的树木作为标准木，伐倒后分根、枝、叶、干采集，测定树种生物量，以生物量推算净生产力，根据公式计算植被的固碳量和释氧量[7]。

3) 调节气候效益。利用AR827型温湿计观测空旷地与林带内每日14：00左右的温度和湿度。以1min为限，出现频率最高的温度和湿度值为实测值，林带内与空旷地的差值即为防护林对温、湿度的调节量。风速测量采用DEM6型三杯风向风速仪，在林带前后各设置3个观测点，测试样地2m高度的风速。据郑达贤等[8]的研究结果，林带前10H处风速可代表旷野风速，林带1H后风速最小，因此，取林带前10H和林带后1H1min内平均风速的差值即为防护林降低风速量。

4) 水源涵养效益。在1m×1m小样方中采用全部收获方式，收集样方内凋落物，带回室内以80 ℃温度烘至恒质量，取部分凋落物干样本采用浸泡法，以浸泡24 h的持水量为最大持水量[9]，凋落物持水量为凋落物湿质量与凋落物烘干质量之差[10]。土壤蓄水量包括土壤毛管持水量和非毛管持水量两者之和[11]，由土壤孔隙度、土层厚度、水的比重等因素推算而得[12]。

2.4评价指标权重的确定

指标权重拟定方法较多，最终选取层次分析法(AHP)，结合平潭岛实际情况，咨询从事防护林、森林生态、水土保持等方面的专家，构建判断矩阵，进行两两比较，经过一致性检验，最终确定各指标权重(表1)。

表1　平潭岛主要沿海防护林树种生态效益权重及排序

2.5指标的无量纲化处理

由于各项指标量纲不同，功能差异显著，因此，各指标间不能直接进行比较，需要将指测定标数据转变成同一水平，消除量纲影响。综合对比现有的无量纲化方法，可选取“均值化”处理方法对所选指标进行无量纲化[13]。

2.6综合生态效益评价模型建立

研究采用线性加权法建立平潭岛沿海防护林综合生态效益模型，将各项生态指标标准化后进行线性加权，求出综合指数。具体的综合评价模型如下：

式中：E为综合生态效益指数；Wi为第i项指标的权重；Ci为第i项指标无量纲化的数据矩阵。在各项指标权重的基础上，按照以上数学模型，计算平潭岛沿海防护林的综合生态效益指数(表2)。

表2　4种防护林树种综合生态效益指数

3综合生态效益评价结果

根据表2计算得到平潭岛4种沿海防护林树种各项生态效益指标，结合已构建的指标体系，得到平潭岛沿海4种主要防护林树种综合生态效益指数，见图2。

由表2及图2分析结果表明：

1) 平潭岛4种沿海防护林树种都具有较强的生态防护功能，但各树种综合生态效益仍存在明显差异，其综合生态效益排序为：木麻黄>湿地松>黑松>台湾相思。

2) 4种防护林树种改良土壤、固碳释氧、调节气候、水源涵养效益的贡献率各不相同。改良土壤效益的排序为：台湾相思>黑松>木麻黄>湿地松；固碳释氧效益的排序为：湿地松>木麻黄>黑松>台湾相思；调节气候效益的排序为：木麻黄>黑松>湿地松>台湾相思；水源涵养效益的排序为：湿地松>黑松>台湾相思>木麻黄。

3) 防护林不同树种各项生态指标对综合生态效益贡献率也不相同。由图3可知:木麻黄贡献率大小为调节气候>固碳释氧>改良土壤>水源涵养；黑松为调节气候>固碳释氧>水源涵养>改良土壤；台湾相思为调节气候>水源涵养>固碳释氧>改良土壤；湿地松为调节气候>固碳释氧>水源涵养>改良土壤。

4结论与讨论

1) 本研究所采用的生态效益评价方法是对平潭岛4种主要沿海防护林树种改良土壤、固碳释氧、水源涵养、调节气候效益深入分析的基础上，运用数学模型对其量化，评价结果具有一定的准确性。

2) 所选指标在降低风速、固碳量、土壤蓄水量等方面赋有较高的权重值，表明平潭岛沿海防护林在此方面有较强的生态功能。由于台湾岛与大陆之间的“狭管效益”和台风的影响，使平潭岛风害严重。此外，岛屿地形走向与区域常年盛行风向一致，加剧了平潭岛的风速。因此，降低风速是平潭岛防护林的首要任务，也是最主要生态效益指标之一，专家学者赋予了较高的权重值。

3) 所选4个防护林树种都具有明显的生态效益，在调节气候方面表现特别突出。一方面，4个树种均为多年生乔木，对平潭岛气候适应力强，另一方面，在构建评价体系时，将“降低风速”指标归于调节气候效益。沿海防护林最主要的生态效益依旧是降低风速[14-16]，改良土壤功能与其他生态功能相比较为薄弱，由于平潭岛土壤多为红壤和沙壤，有机质含量少，土壤本身比较贫瘠。但台湾相思和黑松的改良土壤效果较好，这与树种根部的根瘤菌密切相关，其根瘤菌有良好的固氮功能，很大程度上改善了林下贫瘠土壤。而木麻黄根部的根瘤菌仅能维持树种在贫瘠的沙地上生长，改土效果并不显著。此外，台湾相思和黑松林下多灌木和草本，生物量大，产生的代谢较多，有机质相对丰富，而木麻黄和湿地松多为纯林，林下灌草缺乏。在固碳释氧功能上，湿地松和木麻黄树种年净生产力较大，可将二者作为吸碳释氧的主要树种栽培，增强树种的碳汇功能，这对增加平潭岛的植被碳储量具有重要意义。

4) 4个防护林树种综合生态效益的排序为：木麻黄>湿地松>黑松>台湾相思，这一结果说明木麻黄的生态效益非常显著，是沿海防护林不可缺少的树种。综合生态效益是各项生态指标叠加的结果，本研究建立的生态效益评价体系所选指标数量有限，影响了综合生态效益的评价结果，对树种的选择还需要进一步研究。

5) 此研究结果对平潭岛防护林树种的布设具有一定的指导意义。平潭岛地貌类型多样，包括丘陵、台地、平原等，不同地形区适宜种植不同树种。在滨海风力强劲地区，造林树种可选择防风效益较好的木麻黄；平潭岛北部的君山为岛上最高峰，该区域自然环境恶劣，适宜种植木材密度大，结构紧凑，土壤蓄水能力较好的黑松；在一些土壤比较贫瘠的台地可种植改良土壤效果较好的台湾相思，其生长速度快，生物量高，根部的根瘤菌可改善区域土壤；在平原地区可种植固碳量较大且蓄水能力较好的湿地松。有研究表明[17]，树种的混交更利于防护林生态效益的提高，但本研究未涉及混交树种的生态效益，对混交树种生态效益的评价为将来需要进一步研究的方向。

6) 本研究所建立的平潭岛沿海防护林生态效益指标评价体系，参考了大量文献、统计数据，虽然经过专家严格筛选，仍具有一定的主观性，指标体系仍需不断地通过实践检验完善。此研究意义不在于强调各树种生态效益的排序，而在于发现沿海防护林树种存在的不足，不断改进和提升沿海防护林生态效益，充分发挥树种的生态防护功能，为建立平潭岛乃至整个福建沿海地区健康的防护林体系提供理论依据。

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(责任编辑韩明跃)

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

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