基于隶属函数的桉树人工林生态性评价

高艳芳，郑晓钟，玄祖迎，李娜，谢威,3，连辉明，陈雪梅，殷祚云

基于隶属函数的桉树人工林生态性评价

高艳芳，郑晓钟，玄祖迎，李娜，谢威，连辉明，陈雪梅，殷祚云

(1. 仲恺农业工程学院园艺园林学院，广东 广州 510225；2. 佛山市林业科学研究所，广东 佛山 528222；3. 台山市红岭种子园，广东 台山 529200；4. 广东省林业科学研究院/广东省森林培育与保护利用重点实验室，广东 广州 510520)

为拓新人工林生态性评价体系，本文基于植被多样性、植物生长量、土壤肥力3个一级指标，选取21个二级指标，采用“隶属函数”建立桉树人工林生态环境质量评价指标体系，探讨了6个桉树人工林生态环境质量差异及演替动态。结果表明：6个桉树林群落在3个一级指标层面表现不一，二级指标隶属函数平均值表明各群落生态环境质量表现为A2>A1>B1>B2>C1>C2。桉树人工林生态环境质量与植被恢复时间呈显著正相关关系，生态环境质量随植被恢复时间的加长，呈显著上升的趋势。隶属函数平均值与木本层物种数、物种总数、木本层均匀度、木本层乡土植物生物量占比呈显著或极显著相关关系。通过建立科学精准的评价体系，并将其应用于人工林生态环境质量动态监测，对以最大限度兼顾当地生物多样性保护和保持较高木材产量的栽培技术，实现可持续高产稳产的生态良性循环具有重要意义。

桉树；隶属函数；生态环境质量评价；线性回归分析

桉树()具速生、高产、质优等特点，是目前世界上最重要的纸浆原材料之一，在医学、建筑、造纸等方面具有重要的战略地位。华南地区60% ～ 70%的桉树人工林为短轮伐期，其中50% ～ 60%的林地采用连栽模式。随着种植面积不断扩大，植被多样性降低、土壤肥力衰退、水土流失等生态问题日益突出。究其根本，不在于桉树本身，而是现有政策措施不配套、缺乏技术人员支持以及不科学的掠夺式经营方式。

根据FSC(Forest Stewardship Council)森林认证原则，森林经营活动应维护或提高森林劳动者和当地社区的长期社会利益及经济利益，且森林经营应保护生物多样性及其相关的价值，并以此来保持森林的生态功能及其完整性。生态环境质量评价是评价生态系统结构和功能动态变化中的生态性。物种多样性属生物多样性在植物层次上的表现，是基于群落中物种、个体数及其分布均匀性的统计量，生物多样性改变是生态系统结构变化的集中表现，与生态环境质量息息相关。厘清各因子对人工林生态环境的贡献，构建人工林生态性评价体系，对群落的构建和稳健发展具有不可忽视的作用。目前桉树林的生态评价主要集中在物种多样性方面，却忽视了生物量指标，仅依赖简单的多样性指标比较计算，且评价结果精细度较差，不能反映桉树森林生态健康的内在模糊性。隶属函数法作为定性与定量相结合、精确与模糊推理相结合的综合性分析评价方法，又称模糊综合评价法，避免了单一指标的片面性，可作为人工林生态环境质量评价的一种行之有效的定量分析手段。本文拟以6个桉树人工林群落为例，将其作为一个复杂系统，综合考虑物种多样性、群落演变趋势、土壤养分情况，利用隶属函数分析评价3个一级指标和21个二级指标，建立综合评价体系，分析比较各群落之间的生态环境质量差异。以期为优化最大限度兼顾当地生物多样性保护与保持较高木材产量的栽培技术提供理论依据，供桉树人工林乃至各类森林的经营者和决策者参考。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

研究区位于广东省高明县西南部“中国森林体验基地”云勇林场内(22°43'N，112°40'E)，其生物多样性丰富，对当地的生态环境有重要影响。林场属于亚热带气候。年均气温22.0 ℃，最高气温34.5 ℃，最低气温3.5 ℃，偶有霜冻。雨量充沛，雨季多集中在4—8月，年均降水达2 000 mm。地势属丘陵地带，土壤为花岗岩发育的酸性赤红壤，土层深厚。

表1 云勇林场6个桉树林群落观测固定样方的基本信息

1.2 调查方法与内容

在6个桉树人工林群落内(表1)，设置20 m × 20 m样地，对样地内高于1.5 m的木本植物进行每木检尺，样地四角分别设1 m × 1 m样方4个，以调查小于1.5 m以下的灌草植物。群落调查内容包括：(1)样地基本信息：坡向、平均海拔高度、坡度；(2)群落组成：植物种类、高度、个体数和覆盖度等基本信息。

1.3 环境因子调查与测定

在样地内随机选取5个点，挖取土壤剖面，用环刀(容积100 cm)和铝盒取样。样品经自然风干后，除去杂质，研磨过20目筛，常温保存待测。土壤肥力测定方法见表2。

表2 土壤肥力测定方法

1.4 分析方法

物种多样性是反映一定区域内生物资源丰富程度的客观指标。数据计算分析选用最为常用的基于信息论的Shannon-Wiener物种多样性(Diversity，sw)和均匀性(均匀度，Evenness,sw)指数、基于概率论的Simpson物种多样性(sim)和均匀性指数(sim)的计算公式；其中Simpson指数旨在度量多样性的概率，Shannon指数用于测度群落多样性的高低。各种生物多样性指数的计算公式如下：

式中：S表示物种丰富度(样方内物种总数)、p是指第i个物种多度(个体数)占所有物种总多度的比例。

1.5 隶属函数分析桉树林生态环境质量

1.5.1 确立评判因素

本文的因素集是6个桉树人工林群落生态环境质量R，分为植被多样性R1，植被生长量R2，土壤肥力R3，即R={R1,R2,R3}。剔除冗余指标后，建立4个一阶因素子集，共包含21个二级指标，分别为：R1={R11,R12,R13,…, R19}，R2={R21,R22,R23,…, R25}，R3={R31, R32, R33,…,R37}。

1.5.2 确定隶属函数

通过函数运算以确定每个指标的隶属程度。本研究所涉及的评价指标与生态环境质量状况变化分为正、逆向两种关系，正向指标表现为指标数值越大，生态环境质量越好，反之则是逆向指标。

(1)正向指标的隶属函数：

(2)逆向指标的隶属函数：

1.6 数据处理

采用Excel 2016、SPSS 2015进行数据整理分析、运用Origin 2019b和GraphPad Prism 9.0.0作图。

2 结果与分析

2.1 桉树人工林群落隶属函数差异比较

利用隶属函数分析评价3个一级指标和21个二级指标，建立了综合评价体系。根据对6个桉树人工林的3个一级指标隶属函数平均值进行排序(图1)，就植被多样性层面而言，A2>B1>A1>C1> B2> C2，A2不同层次物种丰富度均最高，C2的均匀度、物种丰富度表现为最低；生长量表现为A2>A1>B1=C1>B2>C2，C2生长量全部指标均表现为最低；在土壤肥力层面，B2>A1>A2= B1> C2>C1。B2群落的全磷、全钾含量最高，C1群落有机质、全氮、碱解氮、速效钾为最低；隶属函数平均值(表3)表明各群落生态环境质量由强到弱的顺序是A2>A1>B1>B2>C1>C2。A2、A1群落综合而言生态环境质量良好，B1、B2次之，C1、C2较差。

图1 6个桉树林的一级指标隶属函数平均值比较

表3 桉树人工林群落的隶属函数值

2.2 隶属函数影响因素分析

以植被恢复时间(1)、桉树密度(2)、坡度(3)为自变量，隶属函数平均值()为因变量，采用多元线性回归分析，建立影响因子-生态环境质量关系模型，量化人工抚育与生态环境质量之间的数量关系。其中，植被恢复时间、坡度与隶属函数值呈正相关关系，桉树密度与隶属函数平均值呈负相关关系。

=0.309+0.069 ×1−9.969E−7 ×2+0.007 ×3

相关系数=0.927。

进一步利用双变量pearson相关系数法对隶属函数平均值与植被恢复时间、坡度、桉树密度进行相关性分析(表4)，并进行线性回归分析(图2)。结果表明，植被恢复时间与隶属函数平均值显著正相关，即随着植被恢复时间的延长，隶属函数平均值逐渐增大，桉树人工林生态环境质量显著提高。桉树密度、坡度与隶属函数平均值间无显著相关关系。

表4 隶属函数与植被恢复时间、桉树密度、坡度间的相关关系

注：*表示<0.05。

图2 各影响因子与隶属函数平均值的线性回归分析图

2.3 隶属函数平均值与二级评价指标间的相关性分析

利用双变量pearson相关系数法对隶属函数平均值与21个生态性评价指标间的相关性进行分析。结果表明(表5)，隶属函数平均值与木本层物种数、物种总数、全钾含量、辛普森木本层均匀度、香浓维纳木本层均匀度、木本层乡土植物生物量占比呈显著或极显著相关关系，即以上几个指标属于核心指标，与桉树人工林生态环境质量直接相关。

3 结论

(1)根据6个桉树林群落的3个一级指标隶属函数平均值进行排序，桉树林植被多样性层面表现为A2>B1>A1>C1>B2>C2；生长量表现为A2>A1> B1=C1>B2>C2；在土壤肥力表现为B2>A1>A2= B1>C2>C1。

(2)二级指标隶属函数平均值表明各群落生态环境质量由强到弱的顺序是A2>A1>B1>B2>C1>C2。A2、A1群落综合而言生态环境质量良好，B1、B2次之，C1、C2较差。

(3)建立了影响因子-生态环境质量关系模型，且桉树人工林生态环境质量随植被恢复时间的加长，呈现出显著上升的趋势。A1、A2样地停止抚育3年，其余4个样地结束抚育时间较短，受人为活动影响较大，A1、A2样地主要以自然演替占主导。

(4)隶属函数平均值与木本层物种数、物种总数、全钾含量、辛普森木本层均匀度、香浓维纳木本层均匀度、木本层乡土植物生物量占比呈显著或极显著相关关系。

表5 隶属函数平均值与各二级评价指标间的相关性分析

注：*表示显著相关(<0.05)，**表示极显著相关(<0.01)。

4 讨论

人工林生态性评价是了解林内生态环境质量的重要手段，在评价过程中，建立一个准确的指标体系是评价人工林生态性的首要任务，由于群落生态系统的复杂性，目前在人工林生态性评价存在片面单一、不精准、不系统等问题。黄国胜等基于林分活力、森林恢复能力与抵抗力、林分结构3方面，利用层次分析法进行定量评价，建立了森林健康评价指标体系；张磊等从结构和功能指标出发，以林分结构、物种多样性和土壤理化性质为主要评价指标，采用基于信息熵的多级模糊评价法来构建杉木生态系统稳定性评价模型；王楚彪等采用专家咨询法确定桉树人工林生态目标定量评价指标，并运用层次分析法和德尔菲法确定指标权重。最后构建了5个一级指标、18个二级指标和36个三级指标的指标体系。以上提及的评价方法均具有一定的局限性和主观性。本文提出以隶属函数模型对桉树人工林生态性进行评判，通过对二级评价指标的量化研究，实现一级评价指标的直观表征。与上文所述各评价方法相比，模型可操作性强、直观易懂，且数据基于样方法每木检尺，分析兼顾物种多样性、生物量及土壤肥力等多个维度，全面精准，让桉树人工林生态质量数字化、可视化。可用于评价指标复杂的体系，还可判别生态环境质量优劣，并及时发现生态环境主要问题，实际应用价值更大。

桉树人工林生态系统的生态环境质量受到自然因素和人为因素两方面的共同影响，相较于抚育措施等为可控因素，自然因素影响难以控制。研究样地初始密度相近，但由于不同地形桉树林受2018年“山竹”台风影响的程度不同，造成3个样地之间保存密度差异较大。A1、B1位于山顶受灾严重，密度分别较A2、B2低，C1、C2群落几乎是平地，C2较C1群落密度低可能是因为C2群落在路边，受人为活动影响更大。本研究结果表明，桉树密度与隶属函数平均值间无显著相关关系，原因可归结为桉树枝叶稀疏、林内透光；与坡度相关性不显著，可能是因为各样地的土壤理化性质差别不大。植被恢复时间与桉树林生态环境质量显著相关，抚育营林时应避免抚育中贯穿全期的全林割灌除草习惯，适当保留林下本土树种，兼顾目标木材产量与物种多样性的保护，加大对森林生态性抚育的研究，实现从单纯保护向保育并举转变。

未来的研究应集中在指标体系的完善和应用上。在保证样本充分和数据可靠的前提下，可以根据实际需要不断完善评价指标体系，避免指标冗余，让评价体系能够更好地反映桉树人工林生态性。此外，评价体系的推广应用也是未来研究的重点。

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Evaluation of Ecological Management ofPlantations Based on Subordinate Function

GAO Yanfang, ZHENG Xiaozhong, XUAN Zuyin, LI Na,XIE Wei, LIAN Huiming, CHEN Xuemei, YIN Zuoyun

(1.2.3.4.)

In order to establish a revised ecological evaluation system for plantations, a new evaluation system combining 21 single indices covering the dimensionality of species diversity, growth and soil fertility was examined in this study. Evaluation of ecological quality ofplantation through the ‘subordinate function value’ method was concluded and the differences of ecological quality and succession dynamics ofplantations under 6 forest communities is discussed. The results showed that: 6plantation communities perform differently in the three primary indices; the subordinate function value showed that the ecological quality of each community was A2>A1>B1>B2>C1>C2. The ecological quality ofplantations was positively correlated with vegetation restoration time, and the ecological quality showed a significant upward trend as vegetation restoration time increased. There was a significant or highly significant correlation among the subordinate function value, the number of species, the evenness and proportion of the biomass of native plants in the woody layer. Establishing an accurate, scientific evaluation system and then applying this for dynamic monitoring of the ecological quality of plantation forests will be of great significance for maximizing the protection of local biodiversity and maintenance of high wood yields. Thus, it will facilitate realization of an ecologically virtuous cycle of sustainably high plantation yields.

;subordinate function; evaluation of ecological and environmental quality; linear regression analysis

10.13987/j.cnki.askj.2021.04.003

S750

A

广东省林业科技创新专项项目“低效桉树林物种丰富度与群落结构精准提升技术研究”(2020KJCX012)；广东省教育厅省级重大项目“边坡近自然植被恢复之乡土乔灌草种子混播”(2016KZDXM002)

高艳芳(1997— )，女，硕士研究生，森林培育专业， E-mail:15171987446@163.com

殷祚云(1966— )，男，博士，教授，主要从事生态学、林学和生物统计学研究，E-mail:yinzuoyun@163.com

本研究在野外调查和资料收集整理中得到了华南植物园安伟莉，仲恺农业工程学院梁晴，佛山市林业科学研究所林玮、涂智金，广东省林业科学研究院高伟健的大力支持，谨此表示衷心感谢！