基于TOPSIS法的将乐县国有林场3种典型群落综合稳定性评价

王永湘, 张 博, 左冰洁, 孙玉军

(北京林业大学资源和环境管理国家林业局重点开放性实验室，北京 100083)

生态系统受到干扰后，其群落稳定性表现为两种形式，一是干扰出现后能保持自身状态不变，二是受到影响出现变化后恢复到原状态[1].国内外主要从多样性-稳定性[2-6]、冗余假说[7]、冗余与营养结构模型[8]、年龄结构—稳定性[9]、立地因素[10]、群落演替模型演算[11]等不同角度对群落稳定性展开研究.

根据前人对于群落稳定性的研究分析，稳定性评价指标的构建和评价方法的选择一直都各有不同，存在较大的差异.就目前而言，各个学者对群落稳定性进行评价时，其评价指标都会比较偏重于某一方面，对于影响群落整体稳定性的许多因子并没有纳入评价体系，比如坡度、土层和海拔高度等，也没有构建出较完整的综合评价体系，在分析群落稳定性状态差异时也未将逼近理想解排序法应用其中.因此全面地构建稳定性的评价体系和将逼近理想解排序法应用在稳定性的分析对比上具有重大意义.

逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to ideal solution, TOPSIS法)是针对有限多个目标决策分析进行分析的一种技术，近些年被广泛应用在评价有多个指标的决策方案中[12].

目前常用于评价群落稳定性的方法主要有模糊评判法[13-15]和主成分分析法[16-18].但是模糊评判法在评价过程中，如果选定的指标之间本身存在相关性，就会造成结果不够全面准确，并且当评价体系中有多个指标时，如果将每个目标都确定下来需要大量的因子隶属度计算，工作量既大又繁琐[19]，而主成分分析法涉及到的计算步骤较多，计算较困难，并且需要大量的数据作为支撑[20].与这些方法相比较，TOPSIS法的优势是计算较为简便易行，原理比较直观，对样本的实际要求量也不大[21].TOPSIS法的应用较为广泛，何思长等[22]分别运用TOPSIS法、秩和比(RSR)法，以及将两种方法通过模糊结合的方法，对主办及县医院的待评价情况总体进行评价.陈柏杨[23]在对环境中的土壤质量进行研究时运用TOPSIS法从而更好地对土壤质量进行评价.朱珠等[24]通过使用变异系数法来确定权重，在此基础上结合TOPSIS法评估我国各地的土地使用情况和土地产出的效益情况，杜挺等[25]将熵权法与TOPSIS法相结合应用于县域经济综合评价，林敏[26]将TOPSIS法应用于高职院校院系办学质量评价，都充分说明TOPSIS法在评价中的应用范围较为广泛.群落稳定性的评价是一个较为复杂的概念，影响群落稳定性的因子有很多，因而群落稳定性需要结合多个指标进行综合评价，选用TOPSIS法能较好地综合各个指标的影响，并且运用TOPSIS能直观地在评价中反映出比较对象的相对优劣情况，对于我们选择和分析以某种杉木人工林为参考对象改善经营，提高人工林稳定性有指导作用.

本研究以福建省将乐县国有林场的人工林调查数据为基础，研究将乐县国有林场3种林型的人工林群落稳定性特征，在众多评价方法中选择结合TOPSIS法和层次分析法(AHP)对比分析不同群落之间的稳定性差异，探索影响稳定性的因子，从而为研究生态系统的稳定性打下基石，也为森林质量的进一步评价提供依据，提高森林经营质量水平.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究选取福建省三明市西北部的将乐县做为研究地.地理坐标为：117°05′—117°40′E；26°26′—27°04′N，海拔200～500 m，属于低山丘陵地貌，山矮坡陡、山势狭长.气候属中亚热带沿海海洋性季风气候区，四季分明，夏天无炎暑，冬季无酷寒，雨热同期，干湿明显，全年平均气温18.7 ℃，年均降雨量1 669 mm，年均蒸发量1 204 mm，有霜日72 d，无霜日287 d.

植被十分丰富，常见冠层树种有杉木(Cunninghamialanceolata)、马尾松(Pinusmassoniana)、毛竹(Phyllostachysedulis)、火力楠(Micheliamacclurei)、泡桐(Paulowniafortunei)、樟树(Cinnamomumcamphora)；林下灌木主要有粗叶榕(Ficushirta)、檵木(Loropetalumchinensis)、黄瑞木(Cornusstolonifera)；草本植物主要有福建莲座蕨(Angiopterisfokiensis)、鸭跖草(Commelinacommunis)、乌蕨(Stenolomachusanum)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)等[27].

1.2 方法

1.2.1 数据收集 (1)样地设置:在选取的样地里采用典型样本抽样的方法设置标准地，根据研究区域实际情况在将乐县国有林场内的杉木马尾松混交林、杉木毛竹混交林和杉木阔叶混交林群落中分别设置6、5和7块20 m×20 m标准样地.GPS测定详细位置、海拔，然后记录样地的坡度、坡向、坡位等基本情况.在调查区域中对所研究的每种乔木都实行每木检尺，主要记录乔木的物种和数量、树高、胸径以及冠幅和树龄.并且记录下样方内优势树种的幼苗种类和数量；选取林下情况分布均匀的样地，挖土壤剖面；记录土层厚度、腐殖质层的深度；记录林下枯枝落叶层厚度.

主要采取网格法检尺调查定位乔木的样地位置(确定坐标)，记录标准地内乔木层各种植物的种名、林分年龄、胸径、树高、郁闭度、冠幅、枯木、枯落物厚度、灌木高度、盖度和种名、草本层盖度、海拔、坡度等.同时在调查样地4个角落位置和中央划出5个2 m×2 m的灌木样方和5个1 m×1 m的草本样方，详细记录划出的小样方中灌木及草本层的种类、数量、平均高度和盖度.

(2)样地特征

杉木马尾松混交林、杉木毛竹混交林和杉木阔叶混交林群落的基本信息(表1).

表1 样地基本特征1)Table 1 Basic characteristics of plots

1)A：杉木马尾松混交林；B：杉木毛竹混交林；C：杉木阔叶混交林.

1.2.2 评价体系的构建与数据处理方法 (1)评价体系构建:评价指标的筛选应具有可操作性、系统性、对比性、真实性、分层次性、实用性和独立性[28].TOPSIS是多指标决策的方法，根据此特点，从已有研究中挑选出影响群落稳定性的郁闭度、物种多样性、优势树种更新潜力、Godron指数、坡度、腐殖质层厚度、土层厚度、立地质量、树种组成、平均胸径、龄组、空间配置[14,29-32]共12个因子，构建将乐县国有林场3种杉木混交林的群落稳定性综合评价指标体系.具体如下：

图1 稳定性评价体系Fig.1 Stability evaluation system

(2)数据处理方法:(1)优势树种种群更新潜力.根据研究区域内的样地实测数据，将幼苗定义为胸径(DBH)小于2.5 cm的个体，幼树定义为胸径(DBH)在2.5～7.5 cm(包括2.5 cm，不包括7.5 cm)的个体[33].统计各个调查样地中优势树种的幼苗和幼树的数量，并计算幼苗和幼树各自占优势树种总株数的比例，将同种群落各样地计算出的平均值作为衡量群落优势树种种群更新潜力的指标[34].

(2)M-Godron指数.根据稳定性指数的定义作图求交点[35].M-Godron指数点的求值可将直线方程与曲线的模拟方程联立求解，最后所求的x/y的值与20/80相比较，值越接近就越稳定，该点就是所求的该群落的M-Godron指数[36].

(3)树种组成系数.林分的树种组成情况是该树种在林分中的蓄积量(也可以是胸高断面积)占林分总蓄积量(或者总的胸高断面积)的比重，求算结果常用十分法表示.引入树种组成系数[37]的概念，通过求算该系数，将林分内的树种组成情况综合反映在某个数值上，能够直观地进行比较分析，同时也能反映出林分之间的树种构成情况的差异.

(4)立地质量.主要用林分的立木蓄积量、平均树高和枯落物厚度3个因素计算立地质量[16,34,38]，其中立木蓄积量的计算方法较多，本研究通过资料查找乔木的形数，然后用平均试验形数法计算立木蓄积量，将同种群落综合后对立木蓄积量求算平均值作为该因子的参评值，平均树高和枯落物厚度的计算同理.

(5)物种多样性.结合样地调查的数据，计算各层次物种的重要值，然后在此基础上，计算出3种群落各层次的多样性指数，最后用模糊数学中隶属函数的方法求算出物种多样性的值[14,34].采用的多样性指数为:Shannon-Wiener指数(H)、Margalef指数R[29]和Pielou均匀度指数(JSW)[39].

H=-∑Si=1PilnPi

(1)

JSW=-∑Si=1PilnPilnS

(2)

R=(S-1)lnN

(3)

式中:Pi=Ni/N；S为物种数；i=1、2、3、…、S；N为样地内物种个体总数；Ni为第i种的个体数[40].

(6)林分空间结构指数.群落的空间结构是指林木在群落生境内的分布位置和相互构成的立体空间的特性[41]，主要用3个参数来表征林分的空间结构：混交度(反映不同种林木之间的隔离程度)、大小比数(反映邻近木个体大小情况)和角尺度(反映林分在水平方向上分布的特性)[42].

在群落中，当研究群落空间结构的3个常用参数满足平均混交度为1，平均大小比数为0，平均角尺度为0.5的状态时，林分空间结构是最理想的.借鉴微观经济学的相关知识构建出空间结构指数如下[43]：

FSSI=[M(100-U)×2W]0.333 3,W≤50

[M(100-U)×2(100-W)]0.333 3,W>50

(4)

1.2.3 评价方法 通过层次分析法(AHP)确定指标权重[44]，使用TOPSIS法对群落稳定性进行排序.TOPSIS法是根据一定数量的研究对象计算结果同较为理想化的结果相比较得出实际差距的评价方法，最终得出评价对象之间的排序情况.TOPSIS法排序的方法步骤如下：

(1)同趋势化：使用TOPSIS法时，构建的评价体系中，各个具体指标的计算值都需要经过处理以消除单位计量差异的影响.一般的处理方法是将所有的低优指标进行方向变换使其变为高优指标[45]，主要分为2种方式，即：对绝对数低优指标使用倒数法(1/x)，其他情况则使用差值法(1-x)处理低优指标.

(2)指标无量纲化：因为计量单位的不同，指标之间一般不具有可比性，在使用TOPSIS法评价之前，需要通过处理将各个指标的单位影响消除.设(Xij)n×m经过第1步处理后的指标矩阵，(Zij)n×m为归一化后的数据矩阵，则：

(5)

式中：j=1，2，…,m.

(6)

(7)

式中：Wj为各指标权重i=1，2……n)然后求算所需要评价的目标与定义的最优方案的靠近水平Ci.

(8)

Ci∈[0,1]，Ci的值越趋近1，最后的评价结果越优，表示评价对象的状况也越趋近于最好；反之，Ci的值越趋近于0，最终的评价结果越差.

2 结果与分析

2.1 各指标权重

通过层次分析法(AHP)计算各指标所占权重(表2)，结果表明，物种多样性、立地质量和空间配置3个指标权重值略高于其他指标，分别为0.14、0.11和0.14，而树种组成、坡度和郁闭度的权重较低，分别为0.04、0.05和0.04.

2.2 优势树种种群更新潜力

在1个群落中，乔木优势树种更新能力反映了林分的发展走向，某种程度上表明了群落稳定性的情况，

表2 权重总分配Table 2 Weight allocation

由表3可知，人工林幼树更新潜力是杉木毛竹混交林最优，其次为杉木马尾松混交林，杉木阔叶混交林最差，杉木毛竹混交林树木密度较大，幼树比例也较大，更新潜力最强.3种混交林分中，幼苗比较匮乏，几乎没有.

2.3 M-Godron指数

在Origin上以种倒数累计为横坐标，相对频度累计为纵坐标作图，最后求算直线与平滑曲线的交点值(图2).

M-Gordon测定法常用来计算群落稳定性指数，该方法将群落中各个层次的植物种类和频度考虑在内，综合了当前群落的情况.由图2可知：3种典型群落中的R值杉木阔叶混交林0.938，杉木马尾松混交林0.890，杉木毛竹混交林0.863.对点做趋势线图，最后方程显著性检验结果表明回归方程极显著(P<0.01)，可以使用该曲线方程模拟两者的回归关系(表4).

表3 优势树种更新潜力特征1)Table 3 Potential characteristics of dominant tree species

1)A：杉木马尾松混交林；B：杉木毛竹混交林；C：杉木阔叶混交林.

图2 3种典型群落稳定性Fig.2 Stability of 3 typical community

根据各个群落的曲线交点坐标与20/80比较可知，3种典型群落的稳定性为杉木马尾松混交林>杉木毛竹混交林>杉木阔叶混交林.杉木马尾松混交林和杉木毛竹混交林比较接近20/80的点，稳定性较高，杉木阔叶混交林离稳定点较远，处于较不稳定的状态.由稳定性指数的定义可知，与稳定性指数相关的是群落内物种数和频度.在杉木阔叶混交林中，总的物种数为23个，少于其它两种混交林，这可能是造成杉木阔叶混交林的稳定性指数离20/80的值较远的原因.

表4 群落稳定性分析1)Table 4 Community stability analysis

1)A：杉木马尾松混交林；B：杉木毛竹混交林；C：杉木阔叶混交林.

2.4 树种组成

树种组成指数可以定量分析群落内树种的多样性，它的值与林分中树种类的个数和各树种分布的均匀程度有关，能定量反映树种多样性水平[37].树种指数取值范围是0～1.纯林为0，绝对混交林为1，通常取值在0与1之间.如表5所示，树种组成指数杉木马尾松混交林最优，杉木毛竹混交林次之，最后是杉木阔叶混交林.3种群落中的乔木树种数都相同，所以在这里树种组成指数的差异主要是树种多样性的差异.在杉木阔叶混交林中，杉木树种所占比例较大，阔叶树种所占比例较小，蓄积量的分布不均匀是杉木阔叶混交林树种组成指数较低的原因[37].

表5 树种组成指数1)Table 5 Tree species indices

1)A：杉木马尾松混交林；B：杉木毛竹混交林；C：杉木阔叶混交林.

2.5 立地质量

用立木蓄积量、平均树高和枯落物厚度3项因子评价群落立地质量，经过标准化处理后计算平均值如表6.由表可知，3种群落中，杉木阔叶混交林立地质量最优，杉木毛竹混交林次之，杉木马尾松混交林最差.

表6 典型群落立地质量1)Table 6 Stand quality characteristics of typical communities

1)A：杉木马尾松混交林；B：杉木毛竹混交林；C：杉木阔叶混交林.

2.6 空间结构指数

表7 空间结构指数1)Table 7 Space structure indices

1)A：杉木马尾松混交林；B：杉木毛竹混交林；C：杉木阔叶混交林.

空间结构指数反映了树木在空间上的分布格局，可用来反映群落稳定性的特征，通过R语言的代码，可以计算出各群落的混交度、角尺度、胸径比数，最后计算出空间结构指数，由表7可知：杉木马尾松混交林和杉木毛竹混交林的空间结构指数相等，两种群落的空间结构特征基本相似，而杉木阔叶混交林的空间结构指数较大，说明杉木阔叶混交林的空间结构的特性更适宜于林分的生长发育.从表8可知，杉木阔叶混交林的乔木层物种多样性大于杉木毛竹混交林和杉木马尾松混交林，符合空间结构指数反映物种多样性丰富度的结论.

2.7 物种多样性

表8 典型群落物种多样性指数1)Table 8 Typical community species diversity indices

1)H为Shannon-Weiner多样性指数，R为Margalef丰富度指数，JSW为Pielou均匀度指数.A：杉木马尾松混交林；B：杉木毛竹混交林；C：杉木阔叶混交林.

物种多样性通过功能复杂性影响群落稳定性，它们之间存在十分紧密的联系.由表8可知，3种典型群落中Shannon-Wiener指数(H)都是灌木和草本层贡献最大，乔木最小.Margalef丰富度指数R同样表现出乔木最小，灌木和草本层贡献值最大，Pielou均匀度指数杉木阔叶混交林和杉木马尾松混交林乔木灌木草本相差较小，在杉木毛竹混交林中，乔木的均匀度指数最低，它的丰富度指数也较低，说明杉木和毛竹呈现不均匀分布的状态.在一个群落内，当丰富度指数R和Pielou均匀度指数的计算值都较高时，多样性指数H也较高；相应的，也会出现当2个指标的计算值都较低时，即群落中物种丰富程度和分布情况都较差时，此时计算的多样性指数H的值也会较低.因此，当一个群落物种丰富度指数R低而Pielou均匀度指数高，另一个物种丰富度指数R高，但Pielou均匀度指数低，它们的物种多样性指数可能是相同的，需要综合3个指标进行分析，标准化处理后结果如表9.

表9 物种多样性指标的标准化值1)Table 9 Standardized index of species diversity

1)H为Shannon-Weiner多样性指数，R为Margalef丰富度指数，JSW为Pielou均匀度指数；A：杉木马尾松混交林，B：杉木毛竹混交林，C：杉木阔叶混交林.

2.8 群落稳定性评价

表10 TOPSIS排名1)Table 10 TOPSIS ranking

TOPSIS法是综合评价出最优方案的一种方法，将TOPSIS法在Excel中写入代码进行计算[46].由表10可知，群落稳定性排名为杉木毛竹混交林>杉木马尾松混交林>杉木阔叶混交林，综合评定结果是杉木毛竹混交林的评价结果最优.

3 结论

在将乐县国有林场的杉木人工林群落中运用层次分析法和TOPSIS法对3种典型群落进行稳定性评价.由表9可知，群落的稳定性排序结果为杉木毛竹混交林为最优，杉木马尾松混交林次之，杉木阔叶混交林的综合评价结果最差.物种多样性的排序则是杉木马尾松混交林>杉木阔叶混交林>杉木毛竹混交林，与群落稳定性综合评价结果存在差异，这也说明多样性只是通过功能复杂性表现出稳定性一方面的特性，如果只单一地使用物种多样性以说明群落的稳定性是不合适的，群落的稳定性应该是群落中多种因素的综合表现，包括立地条件、气候条件、林分自身条件等.研究表明[5]，多样性影响群落稳定性并不是一种简单的线性影响关系，多样性可能有临界值，小于该值的时候稳定性随多样性增大而增大，当多样性到达临界值的时候，多样性和丰富度的继续增加对稳定性的影响较小，所以在研究物种稳定性的时候，物种多样性是必须考虑的因素之一，但不能完全代表稳定性本身，不能直接将两者之间的关系等同.

杉木毛竹混交林群落稳定性较其它两种群落类型更优的原因是在林地中毛竹的分布量所占比例较马尾松和阔叶树种的比例大，并且毛竹是多年生常绿树种，竹杆生长快，生长量比较大，但毛竹的叶片生长量较少，林下透光量较多，保证了林下的灌草的生长需要，保证了一定量的生物多样性，且毛竹在群落中的总体分布也较为均匀，空间结构虽然不及杉木阔叶混交林，但综合群落稳定性却高于其余2种群落类型.由此可知，在杉木人工林经营过程中，保证树种的均匀分布和林下的透光透气性，使得生物多样性和空间结构保持在一个较适宜的水平，群落才能更稳定.

本研究运用TOPSIS法和层次分析法，通过选取12个指标构成评价3种群落的稳定性的体系，根据评价结果得出，常见的物种多样性不能完全反映一个群落的稳定性情况，只能表现出当前群落的相对稳定强弱[47]，空间结构指数不能单独反映林分稳定性的强弱，而是反映了树木生长过程中在空间上形成的相互影响的，这种关系使得植被的生长或者相互促进或者相互抑制，M-Godron指数的计算结果为杉木毛竹混交林接近于杉木马尾松混交林优于杉木阔叶混交林，更接近群落稳定性的综合评价结果，但也不完全相同.所以最终还需要结合其他影响因素才能综合反映群落的稳定性，在森林经营中应当充分考虑到这些因素，对提高森林经营质量有较好的指导性作用.

在人工林群落稳定性评价中，由于实际林分的生长情况，在样地设置中仅考虑了中龄林的样地设置，未加入其他龄林的数据，从而增加各个龄组的数据对照，这也是下一步稳定性评价中需要扩展的.