松花江干流沿岸人工防护林树种配置方案选择

纪文文 王立海 张广晖 郝泉龄 张平 徐庆波 曹时凯 孙学东

摘    要：松花江干流沿岸防护林存在着防护林树种及林分结构单一、防护林质量及景观多样性较差、防护林模式配置不够科学合理等问题。为此，本文调查选取适宜松花江沿岸种植的乔木、灌木及草本植物，搭配20种人工防护林配置方案。研究确定综合评价人工防护林功能效益的3个基本准则，即防护功能、景观功能和经济效益，并依据3个基本准则选取7个评价指标，建立人工防护林综合评价结构模型。运用层次分析法和熵权法对20种人工防护林配置方案进行优选。研究结果表明：多种乔木、灌木和草本植物搭配种植的方式能最大发挥防护林的综合功能效益，依据综合评价值确定第种方案为最优配置方式。为松花江干流沿岸人工防护林的建设提供科学支撑。

关键词：防护林;层次分析法;熵权法;树种配置;方案选择

中图分类号：S727.2              文献标识码：A               文章编号：1006-8023（2019）01-0008-08

Abstract：There are some problems in the shelter forest along the main stream of Songhua River， such as single tree species， single stand structure， poor quality， poor landscape diversity of shelter forest and unscientific allocation of shelter forest model. Based on this， after investigation， this paper selects trees， shrubs and herbs suitable for planting along the Songhua River， and matches 20 kinds of artificial shelter forest allocation schemes. Three basic criteria （protection function， landscape function and economic benefit） are determined. Seven evaluation indexes are selected according to the three basic criteria， and a comprehensive evaluation structure model of artificial shelter forest is established. The allocation schemes of 20 kinds of artificial shelter forest are optimized by analytic hierarchy process and entropy weight method. The results show that the combined planting of trees， shrubs and herbs can maximize the comprehensive functional benefits of shelter forest. According to the comprehensive evaluation values， the schemes of，，，，，andare determined as the best plans. This paper provides scientific support for the construction of artificial shelter forest along the main stream of Songhua River.

Keywords：Shelter forest; Analytic Hierarchy Process; entropy method; tree species configuration; scheme selection

0 引言

黑龍江省松花江干流沿岸边坡、滩地在降水及江水波浪的冲刷下易造成水土流失，在边坡及滩地植树造林是一种有效的水土保持、生物护堤方式。但是当前松花江干流沿岸现有防护林数量偏少、林带结构单一，群落配置也不够合理、质量参差不齐、难以胜任多重防护任务。因此，对松花江干流沿岸防护林进行科学合理的配置显得尤为重要，这对防护林多功能效益的充分发挥也有着重要的意义。现有的人工防护林树种选择的研究中主要集中于定性表述，如依据适地适树、合理搭配和乡土树种为主等原则进行树种选择。王爽[1]通过实地调研，定性的描述了防护林树种选择和植物配置方面的问题，通过定性的描述对防护林进行配置，难以使防护林同时兼顾防护、景观和经济等多种功能效益，目前对于用定量方法科学合理的选择树种及配置方式的研究报道还很少。基于以上背景，笔者实际考察以后，研究选择了20种人工防护林配置方案，并建立了人工防护林配置方案综合评价体系，从而选出最优的配置方案，为松花江干流沿岸防护林种植提供参考。

在对人工防护林配置方案进行综合评价的过程中，所选评价指标的权重对最终评价结果的影响较大[2]，因此较为科学准确的获得评价指标的权重非常重要。目前确定评价指标权重的方法主要有主观法和客观法[2]。主观赋权法依据专家经验确定，容易受到专家的知识、经验等多重人为因素的制约。客观赋权法依据指标的具体数据确定[3]，精确度较高，但缺少专家的经验，有时候又会与指标的实际重要程度相差很大。熵权法[4]作为一种较为常用的客观赋权法，相对于主观赋权法客观性更强，精确度较高，与实际指标的重要程度又不会相差很大。本研究采用层次分析法和熵权法对人工防护林配置方案进行综合评价，既消除了专家的主观臆断，又避免了客观赋权的不真实性。

1 研究区域概况

松花江干流哈尔滨段试验区位于道里区苏家屯附近，地理坐标位置为45.69°N、126.38°E。属河谷平原及漫滩地貌。地处温带大陆性季风气候区，夏季温热多雨，冬季寒冷干燥，年平均气温在3 ～ 5 ℃，7月温度最高，日平均可达20 ～ 25 ℃，1月份温度最低，月平均气温-20 ℃以下。该地区土壤以黑土为主，土壤pH为7.97 ～ 8.39，土壤含水率在2.04% ～ 39.18%之间，土壤容重为1.17 ～ 1.93 k/cm3，土壤毛管孔隙度为3.94% ～ 47.94%，土壤有机质含量为120.87 ～ 203.12 g/kg，土壤全氮含量为0.08 ～ 2.26 g/kg，土壤全磷含量为1.33 ～ 83.68 mg/kg，土壤全钾含量为7.50 ～ 10.91 g/kg。该地区降雨年内集中，年平均降水量500 mm以上，降水年际变化大，洪水灾害频繁。沿岸防护林多以落叶松和杨树为主，且林分结构单一，数量较少、质量较差，生态系统和景观多样性较差。

2 人工防护林配置方案

AB段为与公路相邻的斜坡，该段区域土层较浅，且土层下为石块护坡，不宜种植乔木、灌木，因此选取适宜东北地区生长的根系发达、固土能力强的多种草本植物种植，从而达到固土护坡的目的。BC段为河谷漫滩地段，该段区域土壤肥沃、湿润，适宜种植防护林。CD段为雷诺护坡护垫结构，不宜种植植被。在结合哈尔滨的气候条件、松花江干流沿岸的土壤条件以及林木种植专家的建议后，选取适宜在松花江沿岸地区种植的乔木、灌木、草本植物，并进行合理的搭配[5-6]，最终得出了20种配置方案。适于该地区种植的部分植被列于表1。

3 基于层次分析法和熵权法的人工防护林综合评价模型

3.1 建立人工防护林评价层次结构模型

根据该地区地形、地貌以及气候条件，松花江干流沿岸防护林首先要能实现基本的防护功能，如固土功能[7]、防风功能[8]和消浪功能[9]等。同时也要兼顾景观功能，植被丰富、层次合理，具有一定的观赏性，为过路行人提供別样的视觉体验。在此基础上有一定的经济产出和生态产出，改善松花江干流沿岸地区的生态环境，促进松花江沿岸的经济发展。

人工防护林配置方案评价结构分为目标层A，准则层B，指标层C和方案层D。目标层A为人工防护林最优配置方案，准则层B为防护林的三个功能（防护功能B1、景观功能B2、经济效益B3）。防护功能包括固土能力C1、防风能力C2、消浪能力C3 ;景观功能[10]包括植被丰富度C4、美观度C5，经济效益包括造林及维护成本C6 、防护林产出值C7，见表2。

3.2 数据来源

研究表明植被的固土能力与根系生物量有关，植物根系越发达、根系生物量越高，固土护坡效果越好[11]，因此，采用根系生物量来表示植被的固土能力。对于乔木采用经验根系生物量模型计算根系生物量[12]，对于灌木和草本植物对比植被根系照片，采用1～5级（很少～很多）评分法，确定根系生物量，计算相应乔、灌、草植被总生物量表示每种方案固土能力。防护林带防风能力与林带疏透度有关，疏透度依据林带结构又分为稀疏型、疏透型和通风型，研究表明疏透度为0.3 ～ 0.5时林带防风效应最佳[13]，采用林带疏透度来表示防护林带防风能力。林带疏透度的计算采用经验公式[14]，公式中的枝下高、树高数据由以下方法计算得到：对于每种树种在松花江干流沿岸及哈尔滨现有防护林中各取20个样本，取其枝下高、树高的平均值，计算方案中乔木、灌木枝下高和树高的平均值作为该方案的平均枝下高和树高，选取最适疏透度值为0.4。防护林的消浪效果主要受到林内生物量的影响[15]，而林内生物量数据难以直接获得，对于乔木主要依靠刚性树干消浪;对于灌木则依靠刚性树干及枝叶来消浪，而通常冠幅较大的，枝叶越繁茂;对于草本植物，在未被水体淹没时才会起到一定的消浪效果 。综合考虑，防护林的消浪能力采用方案中乔木胸径、灌木冠幅及草本植物高度平均值的和来表示，值越高相应方案消浪能力越大。其中，方案中乔木胸径、灌木冠幅及草本植物高度取自于各树种20个样本胸径、冠幅和高度的均值。

景观功能以植被丰富度和美观度两个指数来评价。植被丰富度是指所选人工防护林配置方案内的植被种类。美观度表示配置方案的美观程度，具体操作方法为：首先将20种方案的植被照片准备好，选择具有风景园林研究、防护林研究背景的专业人员及非专业人员进行问卷调查，让评价人员凭直观印象对每种组合方案进行评价打分，分值采用百分制（1～20分表示观赏性很差、21～40分表示观赏性差、41～60表示观赏性一般、61～80表示观赏性好、81～100分表示观赏性很好）。计算各方案得分平均值，作为各方案的美观度。

造林及维护成本每种方案单株总价，由于人工防护林维护人工成本一致，因此不计算在内。防护林的经济效益主要来自于防护林木材及林副产品的产量等产生的经济价值，但松花江干流沿岸防护林作为公益防护林，不宜进行大面积采伐获取收益。而植被可以在生长过程中将大气中的CO2固定在植物体和土壤中，使森林成为陆地生态系统中最重要的碳汇，该地区人工防护林作为一个小型的森林生态系统对全球碳循环也具有重要意义。森林的固碳释氧也会产生一定的经济价值，现有研究中多采用造林成本法、碳税率法和工业制氧价格的平均值法来研究森林固碳释氧产生的经济价值。本研究中防护林直接经济价值难以直接获得，因此采用方案中植被固碳释氧量作为方案的经济产出值，来分析防护林的经济效益。乔木和灌木采用单位叶面积固碳量表示、草本植物采用每平方米固碳量表示，计算每种方案固碳量总和[18-24]。

3.3 确定指标权重

3.3.1 运用层次分析法确定指标主观权重

采用萨迪提出的1 ～ 9标度法来构造各指标层相对于上一层的判断矩阵[25]，采用几何平均法[26]计算指标权重，见公式（1）。

为了避免由于专家的知识、经验不足，而造成极强的个人主观性，研究选取10位具有防护林研究、风景园林、生态学和林木养护等知识背景的专家进行评定，取其平均值作为最终判断矩阵。

为了保证判断思维的一致性，避免误差过大，需要对构造的判断矩阵进行一致性检验：

3.3.2 熵权法确定客观权重

指标分为正向指标、适度指标和逆向指标，对适度指标和逆向指标采用减法一致化方法[27]进行同趋化处理，即转为正向指标。数据无量纲化的方法也有很多，如极差化法、线性比例变换法、均值化法和向量归一化法等，采用极大值化方法将指标正向化后的数据进行无量纲化处理[28]。见公式（4）～公式（6）。

3.3.3 确定组合权重及各方案综合评价值

依据最小信息熵原理，用拉格朗日乘子法优化确定组合权重[29-30]：

通过以上方法即可获得人工防护林配置方案选择体系中各指标的综合权重，见表4。各配置方案综合评价值Zi由组合权重值Wi及无量纲化处理后的数据Yij得到，见公式（10），综合评价值越高，说明该配置方案越好。

4 结果及分析

综合评定之后，由人工防护林配置方案评价结果（表5）可以看出，综合评价最优的配置方案依次为第、、、、、、方案，综合评价值介于0.652 4 ～ 0.820 0之间，其中第种方案综合评价值最高。以上7种配置方案均采用乔木、灌木及草本植物搭配种植方式，乔木种类均在两种以上，植被种类丰富，有利于松花江干流哈尔滨段人工防护林生物多样性的增加;乔、灌、草合理搭配使群落空间结构不再单一，增加了对水分、光和营养的利用率，也为其他动物、鸟类和微生物等提供了生存环境，形成了一个复杂的人工防护林生态系统;同时也改善了土壤肥力[31]，增强了人工防护林水土保持能力，也有利于减少病虫害的发生;高大翠绿的乔木、枝繁叶茂的灌木和花色优美的草木植物合理搭配，提高了人工防护林的观赏性。以上7种配置方案中乔木都有旱柳，旱柳自古以来就用作重要的绿化树种，也是作防护林及荒漠地区主要防风固沙树种[32]，且旱柳根系发达、根孽性强，具有极强的固土防冲能力[33]，因此也提高了配置方案整体的防护功能。

第种配置方案综合评价值最高，主要由于第种配置方案搭配了4种乔木，其它配置方案为2 ～ 3种乔木，综合而言乔木防护功能、景观功能和经济效益要优于灌木及草本，且该种配置方案也搭配有防护功能极强的旱柳，因此该种配置方案最优。次优配置方案为、、、，综合评价值在0.309 8 ～ 0.347 5之间，其余配置方案综合评价值较低，在0.107 0 ～ 0.294 2之间，其中最差方案为和，究其原因两种方案均只有两种乔木，且暴马丁香多灌木或小乔木，防护功能相对于乔木要弱一些。

由表6可以看出，20种配置方案中防护功能最优的方案依次为第、、、、、种方案，综合评价值在0.579 0 ～ 0.659 2之间。以上6种配置方案，均采用多种乔木、灌木、草本的搭配方式，都选择有根系发达、萌孽能力强、固土防风性能好的旱柳和水曲柳，较单一结构人工防护林从各方面都加强了防护功能。第种配置方案综合评价值为0.018 8，防护功能最差。这是由于选择的乔木主要为小乔木水冬瓜赤杨和暴马丁香，树木高度、根系发达程度要弱于高大的乔木，因此防护功能比其他方案要差很多。第、种方案防护功能几乎没有差别，主要是因为这两种搭配方式只有草本搭配不相同，第种方案采用花草搭配，第②种只采用草本搭配，两种方案均能形成独特的白桦林景观，但防护功能差别不大。

第、、、种方案防护功能几乎相同，原因在于搭配方式主要是灌木及草本种类不同，且灌木之间及草本之间固土、防风和消浪能力区别不大，因此对防护功能影响不大，主要是形成了风格不同的人工防护林景观。

由表7可以看出，人工防护林配置方案景观功能评价结果区别不大，综合评价值在0.005 9 ～ 0.015 8之间。第① ～ ⑥种配置方案综合评价值均低于其他种配置方案，究其原因，由于这6种方案乔木只选择了一种，意在白桦树干通直、洁白雅致，可以形成独特的白桦林景观，但种类单一也影响了整体的美观性能。

由人工防護林配置方案经济效益评价结果（表8）可以看出，第①、②、③、④、⑤、⑥、⑧、种方案综合评价值在0.011 5 ～ 0.014 8之间，为最优配置，其余方案综合评价值在0.000 1 ～ 0.009 8之间，为次优配置，各方案经济效益整体差异不大。

5    结论与建议

松花江干流沿岸地区是水土流失较为严重区域，且当地防护林林分结构单一、质量差，为了固土护堤、减少洪涝灾害发生，亟需对当地防护林进行科学合理的配置。通过对20种人工防护林配置方案的防护功能、景观功能以及经济效益进行综合评价，选出最优配置方案，为松花江干流沿岸哈尔滨段防护林种植提供一定参考。

（1）综合考虑防护功能、景观功能、生态效益之后，可选择第、、、、、、种方案种植，既能保持水土、防风固沙和削减波浪，又改善了林分结构单一、种类少的不足，同时使得整体景观层次分明、错落有致、色彩搭配适宜，具备一定的观赏性能，还有一定的经济效益，能够很好的改善当地的生态环境，带动当地生态及经济的发展。

（2）单独考虑防护功能时，可选择第、、、、、种方案种植;单独考虑景观功能时，第～种方案均可种植;单独考虑经济效益时，可选择第、、、、、、、种方案种植，但经济效益整体差异不大，也可以考虑防护功能、景观功能，选择其余方案种植。

（3）该地土壤湿润肥沃、呈碱性，需要根据当地气候、地理等因素因地制宜、适地适树的选择乔木、灌木及草本植物种植。经过综合评价，多种乔木、灌木和草本植物搭配种植的方式可以有效的发挥防护林多种多样的功能效益，并加强松花江干流沿岸堤防作用。

（4）依据综合评价结果，该地人工防护林种植提出以下建议：调查更多本土乔木、灌木及草本植物的特点和生活习性，选择根系发达的深根植被并进行合理的搭配。在进行人工防护林种植时，选择合理的种植密度及水平结构配置方式，最大程度的发挥防护林的多重功能。

参    考    文    献

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