基于层次分析法和聚类分析对珍贵树种分级研究

王振一 刘满光 田 静 李志修

(1.河北省林木种苗管理站， 石家庄 050091； 2.石家庄市农林科学研究院， 石家庄 050041；3.河北科技师范学院， 河北 秦皇岛 066004； 4.河北省林业技术推广总站， 石家庄 050081；5.河北省林业科学研究院， 石家庄 050061； 6.河北省花卉协会， 石家庄 050081；7.河北省洪崖山国有林场管理局， 河北 保定 074200)

关于珍贵树种，国家环境保护局、中国科学院植物研究所发布过《中国珍稀濒危保护植物名录(第1册)》[1]、赵建成等发表了河北省珍稀濒危高等植物资源及其保护对策初探[2]、国家林业局印发《中国主要栽培珍贵树种参考名录》[3]等，但珍贵树种的评价分级研究尚未公开。

河北省林木种质资源普查自2006年12月开始，2010年1月结束。普查数据每年都进行审核、修订和补充，形成可持续的数据系统，为开展河北省种质资源研究，指导相关行业建设奠定了基础。河北省林木种质资源普查办公室(以下简称“河北普查办”)在丰富的普查数据基础上，严格按照珍贵树种定义组织专家对河北省乡土树种的数据运用运筹学层次分析法、数理统计的分类聚类法和回归分析法进行分析和分级，从392个资料上记载具有一定经济价值或科研价值的乡土树种中评选出179个珍贵树种，并将其划分为4个等级[4]，河北省林木种质资源普查办公室将树种价值评价与AHP编程和KBE技术进行了结合，结合过程发表在《林业科学研究》《林业实用技术》《中华纸业》和《2012中国科协年会第6分会场论文集》上[5-8]。河北省林木种苗管理站据此制定了河北省地方标准《珍贵树种评价方法》(DB 13/T 2833—2018)，于2018年10月21日正式实施。

1 相关数学方法简介

1.1 层次分析法及其在本研究中的应用

层次分析法(AHP法)是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础上进行定性和定量分析的一种层次权重决策分析方法[9]。应用层次分析法进行综合评价的步骤有： 1) 建立层次结构； 2) 构造判断矩阵； 3) 层次单排序； 4) 层次总排序； 5) 权重分析。其中建立层次结构主要有3层：第1层为目标层，第2层为准则(一级指标)层，第3层为评价指标(二级指标)层。

河北普查办根据种质资源普查上报资料和相关文献汇总出613个树种，根据乡土树种概念选择出472个乡土树种，经《中国树木志》、《中国植物志》、《河北树木志》、《河北植物志》及中国知网按树种名称依次查询后找出392个记载具有经济价值、科研价值的树种评定河北的珍贵树种,并归类确定出生态价值、医药价值、工业价值和食用价值4个AHP评价准则(一级指标)。建立网络核心“珍贵树种分析评价”模型(“第一梯次”层次分析模型)(见图1)，其中树种生态价值、树种医药价值、树种工业价值和树种食用价值为准则(一级指标)，每个准则(一级指标)下设4个等级的二级指标。具备这些二级指标的树种通过第二梯次的系列层次模型及其指标权重确定，当具备第二梯次的系列模型的部分二级指标树种难以确定时则由相应的第三梯次的系列层次模型及其指标权重确定，当具备第三梯次的系列模型的部分二级指标树种难以确定时则由相应的第四梯次的系列层次模型及其指标权重确定，构成层次分析网络，见图2。

图1 河北省珍贵树种分析评价模型

1.2 系统聚类法

系统聚类法是将n个样本不断聚集的方法。系统聚类法的基本思想是：先将n个样本各自看成一类，得n类；然后按性质规定类与类之间的距离，选择距离最小的一对合并成一类，得n-1类；再将距离最近的两类合并，得n-2类，这样每次减少一类直至所有的样本都成一类为止[10]。河北省普查办使用系统聚类法主要是计算出相关树种的某个层次分析模型总权重值后的树种价值情况分级。

2 珍贵树种评价方法研究——河北省珍贵乡土树种评价案例

2.1 根据层次分析法网络构架图第四梯次、第三梯次和第二梯次进行权重运算汇总

根据层次分析法网络构架图(图2)第四梯次、第三梯次和第二梯次，构建准则(一级指标)和二级指标判断矩阵，将准则(一级指标)与二级指标权重值相乘，得到每个二级指标的最终权重值。给每个具有二级指标价值的树种赋予相应最终权重值，并将每个树种的所有赋予的二级指标权重值求和，获得该树种第四梯次、第三梯次和第二梯次各评价分析模型的总权重值，后按表1所列总权重值范围分级，据分级结果参与上一梯次相关二级指标的代入。因篇幅所限，树种具备何种条件才能被赋予二级指标权重值的内容见河北省地方标准《珍贵树种评价方法》(DB 13/T 2833-2018)附录A～D。

表1 层次分析法网络构架图第四梯次、第三梯次和第二梯次各评价分级表

梯次归类 总权重值范围等级第四梯次景观生态类树种价格分类评价≥0.2630.199～0.2620.072～0.198<0.072一级二级三级四级木材直接利用价格情况评价≥0.2020.129～0.2010.086～0.128<0.086 一级二级三级四级造纸价值评价≥0.3030.132～0.302<0.132一级二级三级纺织编织价值评价分析≥0.7470.669～0.746<0.669一级二级三级工业油类价值评价≥0.4390.313～0.438<0.313一级二级三级第三梯次景观生态类树种经济价值评价≥0.2960.227～0.2950.200～0.226<0.200一级二级三级四级人用医药价值评价≥0.3450.249～0.3440.219～0.248<0.219一级二级三级四级木材直接利用价值评价≥0.3340.289～0.3330.179～0.288<0.179一级二级三级四级木纤维加工利用价值评价≥0.2520.210～0.2510.106～0.209<0.106一级二级三级四级树木提取物价值评价≥0.1740.065～0.1730.037～0.064<0.037一级二级三级四级第二梯次生态价值评价≥0.2100.119～0.2090.036～0.118<0.036一级二级三级四级医药价值评价≥0.2960.227～0.2950.200～0.226<0.200一级二级三级四级工业价值评价≥0.2370.071～0.2360.045～0.070<0.045一级二级三级四级食用价值评价≥0.1870.128～0.1860.061～0.127<0.061一级二级三级四级

表2 珍贵树种分析评价准则(一级指标)间相互权重

评价医药价值食用价值生态价值工业价值相对权重评价排序医药价值11.641.711.860.3651食用价值1/1.6411.221/1.290.2123生态价值1/1.711/1.2211/1.030.2004工业价值1/1.861.291.0310.2232

注：CI=0.008 55<0.1，符合要求。

表3 医药价值二级指标间相互权重

评价一级药用价值二级药用价值三级药用价值四级药用价值相对权重评价排序一级医药价值11.351.461.70.3321二级医药价值1/1.3511.041.290.2452三级医药价值1/1.461/1.0411.040.2233四级医药价值1/1.71/1.291/1.0410.2004

注：CI=0.001 08<0.1，符合一致性检验要求。

表4 食用价值二级指标间相互权重

评价一级食用价值二级食用价值三级食用价值四级食用价值相对权重评价排序一级食用价值11.262.343.950.4041二级食用价值1/1.2611.812.940.3142三级食用价值1/2.341/1.8112.110.1843四级食用价值1/3.951/2.941/2.1110.0984

注：CI=0.002 9<0.1，符合一致性检验要求。

表5 生态价值二级指标间相互权重

评价一级生态价值二级生态价值三级生态价值四级生态价值相对权重评价排序一级生态价值11.983.177.860.4751二级生态价值1/1.9813.097.620.3332三级生态价值1/3.171/3.0914.550.1483四级生态价值1/7.861/7.621/4.5510.0444

注：CI=0.04<0.1，符合一致性检验要求。

2.2 层次分析网络核心“河北省珍贵树种分析评价”模型的指标权重确定

在日常生活中，药物用以维持生物的生命，治疗和缓解生物的病痛；工业是国民经济的重要支柱，是日常生活的重要内容；可持续发展的生态环境日益受到重视，是宝贵的无形资产；树种食用材料作为农作物的补充，可提高人们的生活质量。根据层次分析法的要求，准则(一级指标)建立判断矩阵获得的权重结果详见表2。经过对层次分析网络第四梯次、第三梯次和第二梯次的评价后的总体情况判断，医药价值、食用价值、生态价值和工业价值内二级指标建立判断矩阵后权重结果详见表3、表4、表5和表6。

将所有珍贵树种分析评价的准则(一级指标)与二级指标权重值相乘，得到每个二级指标的最终权重值，对其进行权重总排序，详见表7。

2.3 珍贵树种的确定

2.3.1根据层次分析法网络构架图第一梯次进行权重运算汇总

将所有候选树种的价值情况根据获取表7中各分项的权重值并相加，获得各个树种的总权重值情况。所有树种权重值以“一级食用价值”的权重值“0.085 648”为参照，大于此值者暂列为珍贵树种，并进行珍贵树种聚类分级，其余权重值小于0.085 648的树种列为具有一定经济价值的树种，不再列为珍贵树种。通过聚类分析综合确定权重值在0.274 385以上的为一级珍贵树种，权重值在0.136 513～0.258 471之间的为二级珍贵树种，权重值在0.118 499～0.125 322之间的为三级珍贵树种，权重值在0.085 648～0.110 122之间的为四级珍贵树种，权重值在0.085 648以下的为具有一定经济价值的树种。

一级珍贵树种即极具经济价值和科研价值的树种种类，主要包括在药用价值、工业价值、生态价值和食用价值中的三类或三类以上的价值，而每一类价值都十分突出。代表树种有柘树、北枳椇、核桃楸、黄檗、侧柏、垂柳、槐树、花椒、沙枣、柿、葛藤、香椿、月季、水榆花楸、秋子梨和山楂共16个树种。

二级珍贵树种即具有极大经济价值和科研价值的树种种类，主要包括在药用价值、工业价值、生态价值和食用价值中的二类或二类以上的价值，其中有一类以上的价值表现十分突出，且多类价值现象较多。列入河北省二级珍贵树种的有天女花、沙棘、桑、刺五加、水曲柳、青檀等共120种，详见表8。

三级珍贵树种即具有很大经济价值和科研价值的树种种类，主要包括在药用价值、工业价值、生态价值和食用价值中的二类或二类以上的价值，其中有一类以上的价值表现十分突出，代表树种有红桦、无梗五加、铁脚铁线莲、草麻黄、毛山楂、尖叶白腊、西北栒子、多花胡枝子和旱榆共计9种。

表6 工业价值二级指标间相互权重

评价一级工业价值二级工业价值三级工业价值四级工业价值相对权重评价排序一级工业价值11.985.196.780.5191二级工业价值1/1.9813.735.130.3172三级工业价值1/5.191/3.7312.010.1023四级工业价值1/6.781/5.131/2.0110.0624

注：CI=0.01<0.1，符合一致性检验要求。

表7 权重总排序

指标相对权重评价排序指标相对权重评价排序一级医药价值0.1211801一级生态价值0.0950003二级医药价值0.0894254二级生态价值0.0666009三级医药价值0.0813956三级生态价值0.02960012四级医药价值 0.0730007四级生态价值0.00880016一级食用价值0.0856485一级工业价值0.1157372二级食用价值0.06656810二级工业价值0.0706918三级食用价值0.03900811三级工业价值0.02274613四级食用价值0.02077614四级工业价值0.01382615

表8 二级珍贵树种

序号树种 权重序号树种 权重序号树种 权重序号树种 权重1天女花0.258471 31爬山虎 0.206168 61榛0.16513891山花椒0.1507562山合欢0.258471 32山荆子0.20385962黑枣0.16513992欧李0.1483683盐肤木0.258471 33核桃0.20138563枸杞0.16479393海州常山0.1479954圆柏0.255337 34卫矛 0.200671 64中麻黄0.16470294楤木0.1436915郁李0.254348 35海棠果0.19503365六道木0.16234695扁担木0.1436916五角枫0.249745 36旱柳0.194067 66杜松0.16234696大叶铁线莲0.1436917梓树0.24929937刺楸0.19406767毛樱桃0.16231497灰栒子0.1436918小叶锦鸡儿0.249299 38杭子梢0.191871 68华北葡萄0.16231498茶条槭0.1436919灰楸0.249299 39苦参0.191914 69绣线菊0.16037699山皂荚0.14369110沙棘0.247994 40毛泡桐0.191871 70软枣猕猴桃0.160376100漆树0.14369111大果榆0.24571741黄荆0.19187171合欢0.160116101马棘0.14369112蒙古栎0.239859 42牡荆0.19187172花红0.158648102冻绿0.14369113荚蒾0.239859 43胡枝子0.19019473暴马丁香0.158067103野漆0.14369114桑0.23813944美蔷薇0.19019474紫椴0.158067104五味子0.14177115楝树0.23691745荆条0.18971675刺榆0.158067105蜡梅0.13960016臭椿0.232259 46皂荚0.18969276文冠果0.156754106迎红杜鹃0.13960017刺玫蔷薇0.231067 47金丝桃0.18778077黄连木0.156339107锦鸡儿0.13960018天目琼花0.231067 48栓皮栎0.18593978枣(含无刺枣)0.156339108辽宁山楂0.13960019稠李0.231067 49楸树0.18269979流苏树0.155914109花木蓝0.13929920麻栎0.229339 50山杨0.17629980葛藟0.153394110鹅耳枥0.13929921刺梨0.225248 51小叶白蜡0.17352681刺五加0.152726111小叶杨0.13929922黄刺玫0.222939 52省沽油0.17329182乌苏里鼠李0.152491112牛迭肚0.13799423大叶白蜡树0.22147153接骨木0.17074183蒙椴0.152491113青杨0.13729124杏0.220694 54鼠李0.16891684蒙桑0.152491114黄栌0.13729125山葡萄0.219059 55南蛇藤0.16891685圆叶鼠李0.152491115水曲柳0.13729126柽柳0.21868656槲栎0.16685986构树0.152491116青檀0.13729127黑桦0.218313 57蒿柳0.16685987牛奶子0.152248117树锦鸡儿0.13729128辽东楤木0.212647 58油松0.16269188板栗0.152086118青榨槭0.13729129毛白杨0.212299 59栾树0.16569189榔榆0.152086119华桑0.13725930绣球绣线菊0.206168 60毛榛0.16513990连翘0.150780120枫杨0.136513

四级珍贵树种即具有较大经济价值和科研价值的树种种类，主要包括在药用价值、工业价值、生态价值和食用价值中的一类或一类以上的价值，其中有一类以上的价值表现十分突出。列入河北省四级珍贵树种的有河北核桃、槲树、一叶荻、苦木等共计33种，详见表9。

2.3.2数据准确性的核实

为保证判断数据的准确性，从整个珍贵树种层次分析网络中选取不同层级的园林综合价值、木材直接利用价值、造纸价值和医药价值的数据作为网络节点数据进行验证并将结果发表在《林业科学研究》 《林业实用技术》 《中华纸业》和《2012中国科协年会第6分会场论文集》上。

3 结 论

通过计算机编程实现的层次分析法模块，对珍贵树种的指标权重进行分析评价，并通过普查数据结合KBE技术获得当前179种河北省野生乡土树种珍贵情况的综合权重值，应用SPSS软件对其进行综合数据聚类分析，得出了分为四级时各野生乡土树种的分类情况，为下一步对河北省野生珍贵植物种质资源的保护利用和珍稀濒危评价奠定基础。随着对河北省野生乡土树种的珍贵情况研究的不断深入和KBE技术的智能推理功能逐渐完善，河北省野生乡土珍贵树种将会得到更多更好的体现，野生乡土树种的各种用途将会得到跨越式的可持续发展。

表9 四级珍贵树种

序号树种 权重序号树种 权重序号树种 权重1太平花0.11012212杜梨0.10029123鸡桑0.0914672水栒子0.11012213葛萝槭0.10029124朝鲜柳0.0914673河北核桃0.10969914小红柳0.10029125青麸杨0.0914674短梗胡枝子0.10969915大叶小檗0.09822526茅莓0.0894255锦带花0.10560816一叶荻0.09574627小叶丁香0.0893466毛梾0.10560817皂柳0.09574628河北杨0.0893467蝙蝠葛0.10260018绒毛胡枝子0.09574629桦叶荚蒾0.0893148美丽胡枝子0.10260019苦木0.09574630豆梨0.0893149小青杨0.10029120大花溲疏0.09500031金露梅0.08919410槲树0.10029121野花椒0.09377632石蚕叶绣线菊0.08737611虎榛子0.10029122粉枝柳0.09146733北京忍冬0.087376