庫布齊沙漠檸條錦雞兒灌木林健康評價

李 健,左合君,2,閆 敏,2*,李 進,柴茵超

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院,內蒙古 呼和浩特 010018;2.內蒙古自治區風沙物理與防沙治沙工程重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010018;3.杭錦旗林業和草原局 自然保護區和天然林保護工作站,內蒙古 鄂爾多斯 017400)

檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)是豆科錦雞兒屬(Caragana)植物,多生長分布于荒漠草原及沙地。在庫布齊沙漠地區也分布種植著大量的檸條錦雞兒,其具有防風固沙、改良土壤養分等特點[1-2],對當地生態環境保護起到了重要作用,但經過實地調查發現,庫布齊沙漠地區的檸條錦雞兒經過多年生長后,出現了低質低效等生態衰退現象,導致檸條錦雞兒防風固沙效果降低以及土壤養分退化等森林健康問題出現。隨著人們對森林的重視程度越來越高,森林健康問題也越來越受到關注,有關森林健康的研究也從單一分析擴展到系統研究[3-4]。

部分學者針對森林健康問題,提出了森林健康評價的研究方法[5]。健康評價是依據森林健康評價指標對森林健康狀況做出診斷和評價的研究手段[6-7],而以檸條錦雞兒為代表的灌木林健康是森林健康的延續和拓展,灌木林健康具有與森林健康相同的屬性。目前學者針對灌木林多采用模糊綜合評價法、主成分分析法、指示物種法等進行評價[8-11],但相比于喬木林,由于面積較小、在群落結構占比較低等特點,使得關于灌木林健康狀況的評價研究相對較少,且灌木林生態系統由于本身的復雜程度,對林分健康的評價難度較大,導致目前尚未有統一的評價標準方法。針對灌木林健康評價過程中選取指標的數量較少、代表性不全面、評價方法操作難度高、研究方法使用不當[12-13],使得評價結果出現差異[14],因此對灌木林健康狀況作出準確評價是十分必要的。

因此,本研究在借鑒國內外森林健康評價研究成果的基礎上,采用層次分析法(AHP)[15-16]對庫布齊沙漠檸條錦雞兒灌木林進行健康評價。以相關文獻資料作為參考,結合相關領域專家和防護林管理者建議,優選評價指標、構建檸條錦雞兒防護林健康評價指標體系,計算與分析檸條錦雞兒灌木林健康指數,對檸條錦雞兒灌木林健康狀況作出準確的綜合評價。研究結果可為庫布齊沙漠地區檸條錦雞兒的恢復提供基礎數據,也可為其他沙生灌木林的健康評價提供參考。

1 研究區概況

1.1 森林和草地調查方法

選取庫布齊沙漠檸條錦雞兒灌木林作為研究對象,研究區位于內蒙古鄂爾多斯市杭錦旗西北部庫布齊沙漠西緣(107°19′-107°34′E,40°23′- 40°33′N)。結合庫布齊沙漠地區檸條錦雞兒林的實際生長狀況,依據各區域檸條錦雞兒種植方式、分布狀態、生態環境等特點,選取13個具有代表性的檸條錦雞兒灌木林作為調查樣地(圖1)。

圖1 樣地示意

通過樣地與樣方相結合的方法,對檸條錦雞兒開展綜合性生態調查。首先在選定的各個樣地分別設置3個間距50 m的20 m×20 m的檸條錦雞兒樣方,同時在每個標準樣方內沿對角線設置3個1 m×1 m的草本樣方以及3個2 m×2 m的枯落物樣方。對每個樣方的全部檸條灌木個體進行每木檢尺,記錄樣地基本信息(表1)以及樣地內檸條植株的生態指標,整理收集土壤及枯落物樣品。

表1 樣地基本信息

1.2 指標測定

為選擇植株生態指標(分生枝條數、植株基徑、植株冠幅、植株高度、植株結實數、植株新生枝條數、新生枝條粗度、新生枝條長度、密度、蓋度、枝條長度、枝條總數)、土壤理化性質(土壤全磷、全鉀、土壤有機質、土壤pH、土壤電導率)、枯落物理化性質(木質素、纖維素、磷、鉀、碳含量)3個方面共22個指標作為檸條錦雞兒健康評價指標。

1.3 健康評價體系

健康的灌木防護林不僅具有穩定的形態結構,還應考慮對周邊生境的影響。只要是影響到灌木防護林健康狀況的因素都應考慮,然而目前還尚未有統一的評價指標體系。本試驗采用定量分析和定性分析相結合的 AHP(analytic hierarchy process)層次分析法[17-19],遵從科學性、層次性、實際性和易操作性原則,選取合適的指標建立層次結構模型。該模型結構分為3個層次,目標層用來衡量和反映林分健康的合理程度,需要定性與定量指標來反映綜合權重值;準則層作為評價的準則,措施層為準則層下屬的單項指標。其中二、三層指標評選均通過文獻資料整理法、專家評價法等,邀請專家對構建的評價指標體系的合理性進行評價,調整評價指標體系后請專家對健康評價指標做量化等級劃分和權重設置。結合研究區實際情況,為保持評價指標的數據的一致性、可比較性,對測量指標的原始數據值進行科學的數據標準化處理(本研究采用極大值法)[20]。計算出綜合健康評價指數,在森林生態系統健康評價模型基礎上建立庫布齊沙漠地區檸條錦雞兒灌木林健康評價模型,評價體系構建流程見圖2。

圖2 檸條錦雞兒健康評價體系流程

圖3 檸條錦雞兒健康評價結構

2 結果與分析

2.1 檸條錦雞兒健康評價體系

2.1.1 評價指標篩選及結構 結合庫布齊沙漠地區實際生態環境狀況,初步篩選確定檸條錦雞兒灌木林健康評價指標,分別從植株的生長、更新、結構、功能等方面選取了30個健康評價指標。結合野外實地調查數據對準則層和措施層指標進行篩選、評價和剔除,結合檸條錦雞兒本身特性和其防護功能,最終建立檸條錦雞兒健康評價結構。該健康評價結構共分為3個層次,目標層是檸條錦雞兒灌木林健康評價綜合結果;準則層主要包括林分活力、群落結構、土壤條件、枯落物條件4個一級指標;措施層選取22個二級指標,結構見圖 3。

2.1.2 指標權重的確定與計算 權重可以顯示評價指標對結果影響的重要程度,從而利用其指標影響的大小程度進行評價,權重設置就是要從一系列評價指標中篩分出影響性較大的評價指標和影響性較小的評價指標[21-22]。對篩選的檸條錦雞兒灌木林健康評價指標做量化等級劃分和權重設置。構建評價指標的權重判斷矩陣后,結合研究區實際情況,對原始數據進行標準化處理,計算最大特征根λmax所對應的特征向量(CR),并進行判斷矩陣的一致性檢驗,當 0

表2 各指標層一致性檢驗

結合庫布齊沙漠地區的實際狀況采用等級評分法,制定了相應的評價優劣等級表,在檸條錦雞兒灌木林健康評價標準的界定方面,對所選取的指標進行量化處理,將各指標分為好、中、差3個等級。采用黃金分割法[23],分別對好、中、差3個等級賦值為:1.0、0.62、0.38,構建檸條錦雞兒灌木林健康指標評價標準。計算準則層及指標層各評價指標的權重,將準則層與指標層指標相乘即可計算得出檸條錦雞兒健康綜合權重,檸條錦雞兒健康評價各評價指標的權重值以及檸條錦雞兒各指標評價優劣標準見表3。

表3 檸條錦雞兒健康評價指標權重及評價標準

2.1.3 健康評價模型及健康等級劃分 健康評價模型是灌木防護林健康評價的關鍵,在森林健康評價研究中,多數學者使用生態系統健康綜合指數模型,并對其公式整理、延伸,擴大了模型在森林健康評價中的適用性和適用范圍。根據評價指標數據的歸一化處理與指標權重計算結果,結合本研究的實際情況,采用生態系統健康綜合指數模型對檸條錦雞兒灌木林健康狀況進行評估,最終通過健康綜合評價指數HI的大小來反映檸條林質量狀況。

(1)

結合檸條錦雞兒實際發育狀況及行業相關標準[24],參考寇志偉[22]、魯紹偉等[25]對森林健康等級劃分依據和研究方法,將檸條錦雞兒健康評價指數劃分為4個等級,制定了檸條錦雞兒健康評價的分級標準(表4)。

表4 檸條錦雞兒健康評價分級標準

2.2 檸條錦雞兒灌木林健康狀況分析

2.2.1 檸條錦雞兒灌木林現狀 檸條錦雞兒灌木林樣地一級健康指標值共4項指標,①林分活力:13號樣地狀況最好,得分為0.814,7號樣地狀態最差,得分為0.22。樣地平均得分為0.51。其余7個樣地為中等狀態,得分均在0.4～0.7,占總樣地的53.84%。②土壤條件:樣地3、4、11土壤條件較好,得分最高為0.89。而樣地8條件得分為0.4,條件較差的樣地占比15.38%,中等樣地均值分布于0.4～0.7,占總樣地的61.53%。樣地土壤條件均分為0.55。③群落結構:樣地最高得分為0.75,最低分為0.30、分別為樣地8和樣地2,中等樣地占61.53%。④枯落物狀態:共5塊樣地得分高于0.7,最高分0.89,占比38.46%,中等樣地共8塊,最低得分0.45,占比61.54%,樣地均分為0.64,一級健康指標值占比見圖4。

圖4 檸條錦雞兒灌木林一級指標健康值及健康等級

2.2.2 檸條錦雞兒灌木林健康評價 通過構建健康評價體系,結合樣方實地調查基礎數據、標準化后數據、指標權重值和健康評價模型可計算得到庫布齊沙漠地區檸條錦雞兒灌木林各樣地健康指數。由圖5可見,健康狀態的樣地有1個,占比7.69%,有5個樣地處于輕度低質低效狀況,占樣地總數的38.46%,有6塊樣地健康程度為中度低質低效,占比46.16%。有1個重度低質低效樣地,占比7.69%。研究區灌木林樣方健康指數最大值為0.691 1,最小值為0.426 8,相差0.264 2;樣地13的檸條錦雞兒健康質量最佳,樣地2最差,檸條錦雞兒灌木林健康指數平均值為0.538 7,樣方健康指數標準差為6.38%,健康指數絕大部分位于0.55～0.60。目前庫布齊沙漠檸條錦雞兒健康指數普遍較低,中度退化的灌木林地占到1/2以上。庫布齊沙漠地區大部分檸條錦雞兒林分活力不足、防護效能較低,當地生長生境條件較弱。從總體趨勢上看,庫布齊沙漠地區檸條錦雞兒整體處于中度低質低效狀態。

圖5 檸條錦雞兒灌木林健康指數頻率分布

2.2.3 檸條錦雞兒林分健康因素的影響 由圖6可見,檸條錦雞兒健康評價一級指標分別為:林分活力(0.353 6)、土壤條件(0.295 9)、群落結構(0.251 8)、枯落物條件(0.098 6),4項一級指標分別占比35.4%、29.6%、25.2%、9.9%。其中,林分活力影響最大,枯落物條件影響最小。在二級指標中:土壤有機質含量、檸條錦雞兒枝條總數、植株高度、蓋度、冠幅等是檸條錦雞兒健康狀況重要影響因素。平茬、放牧等人為活動會影響檸條錦雞兒灌木株高、冠幅、蓋度等,在一定程度上也降低了檸條錦雞兒灌木林防護效能。

圖6 健康評價指標權重占比

3 討論

層次分析法在林木健康評價中的指標選擇和指標權重確立的可操作性及完整性方面具備優勢,王建軍等[26]、賈大鵬等[27]、張博等[28]都利用該方法對森林生態系統進行了健康評價。本研究基于Delphi-AHP法構建了檸條錦雞兒灌木林健康評價體系,提出了檸條錦雞兒灌木林健康評價模型,與寇志偉[22]、于金濤[29]對灌木及防護林健康影響主要因素的研究結果相比,本模型選取檸條錦雞兒生長、更新等功能指標的同時還結合檸條錦雞兒的特點增加了土壤條件、枯落物條件等生態環境指標,考慮到了植株生長環境等影響因素,從多方面綜合評價,彌補了只根據灌木林形態特征進行健康評價的不足。相比于前人針對某一區域的防護林健康狀況評價,單一的評價客體使本評價體系主要針對較小尺度的評價研究,評價精確度較高,若將其用于范圍較大的尺度評價時,則應充分考慮選取指標的適用性。

本研究參考行業標準、歸納防護林相關研究成果以及國內防護林的相關文獻,進行防護林健康評價指標優劣等級劃分,在一定程度上降低了采用專家打分獲取指標及進行指標量化帶來的主觀性誤差。健康評價顯示庫布齊沙漠檸條錦雞兒灌木林整體處于中度低質低效狀態,得到的健康等級評價結果與檸條錦雞兒灌木林的實際生長狀況一致,相比于傳統的健康評價研究,專家打分及測量指標標準量化相結合的方法使健康評價結果更具有實用性及科學性,因此同樣可以應用于其他地區的檸條錦雞兒健康評價。在評價體系實際應用過程中,應從植株林分活力、土壤條件、群落結構、枯落物條件4個方面對評價指標準確篩選和測量。

健康評價體系能夠有效反映及評價檸條錦雞兒灌木林目前的健康狀態,但灌木林健康狀態是一個動態發展的過程,未來的研究可以對整個區域檸條錦雞兒健康狀態進行長期的監測。

4 結論

1)利用層次分析法,基于4-22(4個一級指標和22個二級指標)系統化結構框架,構建了庫布齊沙漠檸條錦雞兒灌木林健康評價體系,其中土壤有機質、植株高度、植株枝條總數、植株新生枝條粗度、枝條長度等影響因素貢獻度較大。

2)庫布齊沙漠檸條錦雞兒灌木林樣地平均健康指數為0.538 7,健康狀態樣地占比7.69%,處于輕度低質低效狀態的樣地占比38.46%,中度低質低效狀態的樣地占比46.16%,重度低質低效的樣地占比7.69%,檸條錦雞兒灌木林整體處于中度低質低效狀態,有進一步發展為重度低質低效的可能,研究得到的健康等級評價結果與檸條錦雞兒灌木林的實際生長狀況一致。

3)應用健康體系評價檸條錦雞兒健康狀態應結合林分活力(0.353 6)、土壤條件(0.295 9)、群落結構(0.251 8)、枯落物條件(0.098 6)4個層面綜合判斷。健康評價應用還需要結合不同地區生境劃分健康指標評分閾值,考慮指標適用性,對應不同自然條件的地區的健康指數值。