基于层次分析法的江苏宁镇山脉乡土树种评价

谢春平，方 彦，刘大伟，南程慧

(南京森林警察学院刑事科学技术学院／野生动植物物证技术国家林业和草原局重点实验室，江苏 南京 210023)

随着我国城市化进程的不断推进与高速发展，构建生态型森林城市已被许多大城市列为重要的发展目标。但是，在城市绿化树种的选择上存在一定的偏差，主要是乡土树种运用比例偏低而倾向于外来树种，由此导致城市景观雷同，城市缺乏自身的绿化特色与乡土气息[1]。城市化进程改变了城市原有的格局与面貌，城市的生物多样性结构也受到冲击和改变。外来种与乡土种在城市绿地中运用的争议从未停止过[2]；但乡土树种在长期的自然进化过程中已与当地的气候、土壤等形成了天然的平衡，具有较强的适应性，其优势不言而喻。许多城市规划、城市林业和城市生态领域的学者均主张尽可能多地应用乡土树种，减少外来种[3]。英国、美国、瑞典等发达国家均有专门的城市乡土树种运用引导项目，强调乡土树种的优势[4]。同时，城市绿化树种不恰当运用所导致的后果亦给我们带来过深刻的教训，如日本东京雪松花粉导致的过敏、美国爱荷华市银杏的恶臭等[5]。在城市绿化建设中，树种的选择与运用不仅是林业技术要素，更是直接影响城市森林建设成败的关键性问题[6]。因此，基于每个城市自然环境条件的乡土树种优选与推广应用是当前城市森林建设的核心问题之一。层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是将复杂问题分解为若干个层次，通过分析、比较、量化、排序，形成多层次的分析结构模型[7]，可对人为主观判断定性和定量分析，提高系统评价的有效性、可靠性和可行性[8]，该方法已在林业领域广泛应用[5,9—17]。

在南京城区，乡土树种占行道树总数的33%[18]，在居住区仅占约17%[19]。由此不难看出，乡土树种在南京地区的运用仍相对匮乏。因此，积极挖掘和开发利用乡土树种资源，并加以优选，对构建生态型的森林城市、促进城市物种多样性、稳定城市生态系统、提升居民生活环境水平，具有重要的现实意义。本文拟在野外调查的基础上，结合AHP 方法对宁镇山脉的乡土树种资源进行全面、客观地评价，构建南京地区乡土树种评价体系，分析本区域乡土树种的现状及存在问题，为南京地区乡土树种的开发利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

宁镇山脉是江苏省南京与镇江之间的山系，地处长江中下游平原丘陵区，沿长江南岸呈东西向北凸出的弧形山脉，绵延上百公里。该山脉分为三个支系，主要由北侧的栖霞山、幕府山及龙潭山组成；中间有钟山、宝华山；南侧有青龙山、汤山、牛首山等[20]。其中多数山体均被城市包围，受人为干扰较大；宝华山是城市近郊中北亚热带植被保存最完整的区域。研究区域内年均温15.4 ℃，1 月均温1.4 ℃，7 月均温29.7 ℃，极端低温-13 ℃，极端高温40 ℃。全年无霜期233 d，年降水量约960 mm，以7～8 月居多。土壤为在石灰岩、砂岩和页岩上发育形成的棕壤土。地带植被类型为落叶阔叶林、落叶阔叶与常绿阔叶混交林、竹林等。

1.2 研究方法

1.2.1野外调查在宁镇山脉地区选取植被保存较为完好的钟山、宝华山、青龙山和栖霞山为调查地，每处选取6 条10 m×50 m 的样带进行木本植物调查，共调查24 条样带1.2×104m2。对样带内出现的乔木和灌木进行全面调查，记录种名、株数、频度、高度、盖度、生长状况等，同时采集凭证标本(存于南京森林警察学院植物标本室)。树种鉴定以《中国植物志》和《江苏植物志》为主要参考依据。

1.2.2层次分析方法运用层次分析法对宁镇山脉分布的乡土树种资源进行评价分析，构建评价模型(图1)。该模型分为4 层，目标层OB(对宁镇山脉主要乡土树种进行综合评价)、准则层A(综合评价乡土树种的4 种特性，包括美学价值、抗逆性、生态价值和生物学特性)、指标层B(对乡土树种综合评价的具体17 项指标)和方案层C(待评价的乡土树种)。

图1 宁镇山脉乡土树种综合评价模型Fig.1 Comprehensive evaluation model of native tree species in Ningzhen mountain

层次分析法一般分为3 个步骤，分别是构建评价模型、建立判断矩阵和确定指标权重、以及赋值各指标进行综合评价[21]。因此，在广泛征集19 位具有林学专业背景的专家意见基础上，采用1～9 比率标度构建判断矩阵，由此得出OB-A(第二层因素相对于第一层的比较判断)、A-B(第三层因素相对于第二层的比较判断)共5 个矩阵(表1)。其中，λmax为判断矩阵相应行列式的非零最大特征根，一致性指标CI(Consistency Index)=(λmax-n)/(n-1)，随机一致性比率CR(Consistency Ratio)=CI/RI；RI(Radom Index)为判断矩阵的平均随机一致性指标；1～9 阶的判断矩阵的RI 值分别为0、0、0.52、0.89、1.12、1.26、1.36、1.41 和1.46。根据迈实软件(Version 1.82)完成相应的计算与检验，该软件可生成相应的专家调查表格，并可实现数据的批量处理，高效、简单、便捷，具有较强的实用性与数据可靠性。

表1 判断矩阵及一致性检验Table 1 Judgment matrix and identical test

1.2.3乡土树种综合评价根据宁镇山脉分布的乡土树种的美学价值、抗逆性、生态价值和生物学特性，并基于其他学者的研究成果[22—23]，对调查样地内出现的41 种乔木树种采用5 级评分制进行赋值(表2)，最终得出各树种17 个指标的得分Ci(i=1, 2, …, 17)。同时采用层次分析法和加权平均法获得各影响因素的平均权重(Wi)，运用以下公式计算各乡土树种的综合评价值(Tj)：

表2 宁镇山脉乡土树种评价指标及评分标准Table 2 Evaluation index system and evaluation criteria of native tree species in Ningzhen mountain

2 结果与分析

2.1 乡土树种资源

调查表明，样地内出现的乡土木本植物共计94 种，隶属于37 科51 属，其中乔木层有55 种，灌木层有71 种(含乔木树种的幼树幼苗)，以蔷薇科Rosaceae、壳斗科Fagaceae、榆科Ulmaceae、槭树科Aceraceae、蝶形花科Fabaceae、樟科Lauraceae、山茱萸科Cornaceae 等所含物种较多。此外，朴树Celtis sinensis、黄连木Pistacia chinensis、枫香树Liquidambar formosana、榔榆Ulmus parvifolia、白栎Quercus fabri等种类出现的频率较高。从生活型看，以落叶树种居多，说明该地属北亚热带植被区系。根据专家投票，投票率高于60%的乡土树种选入本次研究分析，其中针叶树1 种，常绿阔叶树9 种，落叶阔叶树31 种。

2.2 层次分析

对构造的5 个判断矩阵进行一致性检验(表1)。当判断矩阵的CR＜0.1 时或λmax=n，CI=0 时，认为判断矩阵具有满意的一致性，否则需调整矩阵中的元素以使其具有满意的一致性。表1 中的CR 值分别为0.070、0.085、0.026、0.040 和0.077，均小于0.1，故5 个矩阵的一致性较好。

在计算出各具体评价指标(B)相对于其所属的指标准则(A)的权重值后，再与该准则(A)的权重值加权综合，最后计算出各评价指标因素(B)相对于综合评价值(OB)的权重值，从而得到层次总排序[8]。由表3 可知，OB-A 层中权重值最高的为抗逆性(0.375)，其次为生态价值(0.323)、美学价值(0.219)，最低为生物学特性(0.083)。说明乡土树种在城市引种时，首先考虑的是对城市环境的适应，因为城市的热岛效应、生境破碎化、空气污染、土壤板结等问题比其天然生境恶劣，因此生存问题成为乡土树种成功引种的首要考虑因素。其次，生态价值与抗逆性的权重接近，说明发挥城市森林的生态效益也应是人工植被营造重点考虑的问题。一味地追求景观效果而忽视生态功能是当前城市植物景观设计的一个误区，应给予重视纠正。最后，生物学特性权重较低，是因为乡土树种与本地自然条件，尤其是气候、土壤条件达成稳定平衡，能较好地融入当地的自然生态系统中，因此专家在权重考虑时给予较低值。

在准则层抗逆性A2的指标层B6～B9评价因子中，抗污染(B7)和抗病虫害(B6)所占权重值分别为0.455 和0.372，说明两因子对城市绿化树种具有较大的影响。一方面，城市化进程使各类污染情况日趋严重；另一方面，由于城市群落生物多样性低、结构简单，同时热岛效应明显，为病虫害的爆发提供了温床。宁镇山脉地区的南京、镇江均属于北亚热带湿润气候，四季分明、雨水充沛；因此抗污染和抗病虫害的重要性要比抗贫瘠、抗盐碱、抗旱等重要。此外，由于园林栽培技术的进步，人为干预下的城市树木均能在一定程度上减缓土壤不良所造成的影响。

生态价值A3的指标层B10～B13评价因子中，权重排序依次为降噪(0.310)＞降温(0.304)＞除尘(0.261)＞杀菌(0.080)＞固碳(0.045)。随着城市的不断发展，城市污染日益加重，已经威胁到城市区域内的动植物乃至人类的健康和生存[6]。城市绿化已从早期的简单美化、休闲等功能逐步发展到更高层次的生态综合效益功能。利用绿化树种营造良好的居住环境是各类绿地规划首要考虑因素，因此改善城市噪音、热岛效应、空气污染等问题的评价因子所占权重值较大。

美学价值A1的指标层B1～B5各评价因子中，排序依次为花形(0.359)＞季相(0.326)＞果形(0.174)＞叶形(0.113)＞树形(0.027)。从美学评价因子的权重值可知，“春花秋叶”对树种的选择有较大影响，即能够通过城市绿化树种让居民感知季节的更替，实现人与环境的自然和谐。最后，生物学特性A4的指标层B15～B17评价因子中，适应性所占权重值最大(0.777)，其次是树种的分布范围和根系的表现。

表3 宁镇山脉乡土树种评价指标及其权重Table 3 Evaluation indexes and weights of native tree species in Ningzhen mountain

2.3 树种综合评价

根据专家意见及综合权重计算的结果，可大致将宁镇山脉乡土树种划分为4 类：Ⅰ类(Tj≥3.7)，Ⅱ类(3.7＞Tj≥3.2)，Ⅲ类(3.2＞Tj≥2.5)和Ⅳ类(Tj＜2.5)。由表4 可知，Ⅰ类乡土树种有13 种，综合评价值前5 名的依次为黄连木、全缘叶栾树Koelreuteria bipinnata var.integrifoliola、枫香树、珊瑚朴Celtis julianae和乌桕Sapium sebiferum，其得分均大于4.3，在城市绿化中均有较佳表现，在本区域分布范围较广。此外，枫香树、黄连木、乌桕等不仅具有较强的环境适应性，而且季相变化明显，具有较高的美学价值。其次，朴树、榔榆、五角枫Acer pictum subsp.mono、三角槭Acer buergerianum等也在城市绿化中综合表现良好。因此，Ⅰ类乡土树种在后续城市绿化中应作为重点乡土树种进行推广。该类乡土树种中，仅冬青Ilex chinensis为常绿阔叶树种，其余均为落叶阔叶树种，在后续乡土树种的开发利用中，应加大常绿乡土树种的培育与挖掘。

Ⅱ类乡土树种有11 种，其中常绿阔叶树种仅有紫楠Phoebe sheareri和苦槠Castanopsis sclerophylla两种，其他均为落叶阔叶树种。从表4 所列的Ⅱ类树种中，仅有檫木Sassafras tzumu在南京以南地区作为造林树种出现，其他树种多数呈野生状态或未开发利用。这些乡土树种中，刺楸Kalopanax septemlobus、栓皮栎Quercus variabilis、紫楠、响叶杨Populus adenopoda、灯台树Cornus controversa等树种树干通直、树形优美，与其近缘的一些树种有成功引种的经验，因此可作为丰富城市森林生物多样性或补充树种资源加以开发。

Ⅲ类乡土树种有11 种，其中除野核桃Juglans cathayensis作为经济果树开发外，其余多数树种极少用于城市绿化，在城市绿化中的表现一般。从前期城市绿化树种生长状况调查发现，青冈Cyclobalanopsis glauca、红楠Machilus thunbergii、薄叶润楠M.leptophylla和石栎Lithocarpus glaber虽为常绿树种，但对城市环境适应性较差。南京椴Tilia miqueliana和光叶糯米椴Tilia henryana var.subglabra虽然在野外生长表现良好，但受其生物学特性制约，在城市推广应用仍有一定的难度[25]。

Ⅳ类乡土树种有米槠Castanopsis carlesii、宝华玉兰Magnolia zenii、马尾松Pinus massoniana、羽叶泡花树Meliosma pinnata、小叶青冈Cyclobalanopsis myrsinaefolia和黄檀Dalbergia hupeana等6 种，这些树种不论是对环境的适应还是因其生物学特性的限制，均不宜作为宁镇山脉周边城市的绿化树种进行大面积推广。

表4 宁镇山脉乡土树种综合评价值Table 4 Comprehensive evaluation values of native tree species for Ningzhen mountain

3 结论与讨论

3.1 适地适树，充分考虑乡土树种应用

乡土树种是与当地环境长期适应、选择、竞争的产物，对当地灾害性气候有较强的抵御能力[26]；同时，乡土树种是当地的特色植物，能形成自然的生态林，建立具有地方特色的、稳定的植物群落，从而构建具有当地特色的城市绿地景观，成为城市特征识别的重要标志[27]。因此，在城市绿化建设中挖掘和充分应用乡土树种对城市森林的构建、促进绿化造林、丰富城市生物多样性、构造地域性城市植物景观具有重要意义。从本研究来看，宁镇山脉的Ⅰ类乡土树种中，虽然枫香树、乌桕、朴树、五角枫等在城市中均有一定的应用，但均未形成规模；而黄连木、珊瑚朴、麻栎Quercus acutissima、冬青等在城市绿地出现频率更低。乡土树种的推广应形成“政府—规划—施工”三者的有机结合，使乡土树种在城市绿地的设计之初即获得重视。在《南京市行道树树种规划》(2014—2026 年)中已明确提出“坚持以人为本、生态优先的行道树树种规划理念”，其推荐的24 种骨干树种中包含本研究Ⅰ类树种多数种类。因此，由政府相关部门牵头建立乡土树种的生产、研究与推广应用体系，是正确认识适地适树与乡土树种得以普遍推广的关键。

3.2 生态效益优先，合理制定树种选用标准

城市绿地景观的营造与维护成本较高，因此科学合理地选用树种，对于降低绿化成本、提高成活率、提升景观效果是至关重要的。多数城市在选用树种时主要根据原有的种植经验进行筛选，并未形成普适的方法。此外，每个城市在选用绿化树种时，也多从其自然环境的实际情况出发。如美国西雅图市，选用树种主要考虑其水土保持能力，而犹他州主要考虑树种的抗旱性、抗寒性、抗盐碱性和抗病虫害能力[5]。香樟Cinnamomum camphora虽然是我国的乡土树种，但是对环境的变化较为敏感，同时也易发生黄化病和其他病虫害。目前，南京以香樟为骨干的行道树景观，是与本区域自然环境特征不相符合的。因此在城市绿化树种选用时应尽可能遵循“就近原则、适地适树原则”，制定与当地环境相适应的树种评价标准。本研究基于城市环境的考量，从抗逆性、美学价值、生态价值和生物学特性进行分析，建立乡土树种选用的标准；但是，其抗逆性中并未考虑抗寒、抗旱、抗高温等因素，这也是后续研究需要进一步补充完善的。

城市树种的选用不仅需要与城市历史文化、景观特色相吻合，更应注重生态效益。本研究的Ⅰ类和Ⅱ类乡土树种中，朴树、麻栎、栓皮栎、枫香树、三角枫、五角枫等不仅能在景观上“出彩”，在水土保持、滞尘、降噪、固碳释氧等方面也具有较高的生态效益。因此，城市森林的营造应加大对此类树种的选用。

3.3 结论

本研究选取美学价值、抗逆性、生态价值和生物学特性等4 个准则层指标，包括树形、季相、抗污染、抗贫瘠、除尘、降温、适应性、根系等17 个指标层指标，应用层次分析法确定各指标的权重，对宁镇山脉分布的41 种乡土树种进行定性和定量综合评价分析。结果表明，参与评价的41 种乡土树种可分为4 个类群，其中黄连木、全缘叶栾树、枫香树、珊瑚朴等Ⅰ类乡土树种可大力推广和应用；刺楸、栓皮栎、紫楠、檫木等Ⅱ类乡土树种可作为森林城市树种多样性的有益补充；Ⅲ类和Ⅳ类乡土树种作为城市绿化树种仍有一定的差距。本研究基于AHP 法对宁镇山脉乡土树种进行综合评价，能够较好地筛选出符合当地实际情况的优良乡土树种，也印证了该方法的科学性、实用性和客观性。但是，不可否认的是在矩阵构建、树种打分的过程中，或多或少带有评价者的主观意愿，或受生产应用经验不足等因素的影响[28]。因此，为避免打分过程中的偏差，应尽可能邀请多位专家进行评分，通过群决策的结果消除偏差；另一方面，对AHP 法获得的结果，也应与实际生产应用相结合，由此获得更优的选择方案。

致 谢：南京林业大学、江苏城市职业学院、江苏农牧科技职业学院、环境保护部南京环境科学研究所等为问卷调查提供支持与帮助，南京途牛科技有限公司马朋飞工程师在研究方法分析上给予支持，特此致谢。