20世纪50年代末以来, 我国东南沿海已建立起绵延数千里的木麻黄(Casuarina equisetifolia)防护林带, 从根本上改善了沿海地区的生态环境。作为沿海防护林第一道防护屏障的木麻黄基干林带, 在防风固沙、防御海潮、防御风暴潮等严重自然灾害方面发挥了重大作用。但是, 目前木麻黄基干林带已进入自然衰老阶段, 生长速度减慢, 林木出现枯梢、断干、枯干和风倒, 甚至全株枯死, 大部分老林带已进入更新期(张水松等, 2000a; 2000b; 林武星, 2000)。随着林带立木的逐渐衰老或死亡, 林带缺株严重, 立木结构和林冠结构变得稀疏, 以致出现林中空地, 极大地影响着基干林带综合效益发挥。为保持林带生态、经济和社会效益的永续性, 于1997年在福建省东山县赤山林场开展木麻黄基干林带5种更新方式研究。希望通过比较, 从中找出最佳的更新模式。

层次分析法(AHP)是一种将定性与定量分析相结合的系统分析方法, 是分析多目标、多准则复杂大系统的有力工具(赵焕臣, 1986; 洪伟等, 1993; 孙启祥等, 2001; 林思祖等, 2001)。本文采用该方法, 对木麻黄基干林带5种不同更新方式的经济、生态和社会效益进行了分析, 为木麻黄基干林带更新方式的最佳选择提供依据。

1 试验地自然概况

福建省东山县赤山防护林场位于东经117°23', 北纬23°35′, 属南亚热带海洋性季风气候, 年平均气温20.8 ℃, 最高气温36.6 ℃, 极端最低气温3.8 ℃, 全年无霜冻, 年平均降水量1 103.8 mm, 年蒸发量2 027.9 mm, 蒸发量远大于降水量, 台风年平均5.1次, 秋冬季盛行东北风, 平均风速7.0 m·s^-1, 大风天数121 d, 干旱少雨。沙地植被稀少, 常见有少量厚藤(Ipomoea pescaprae)、老鼠矢(Symplocos stellaris)、单叶蔓荆(Vitex trifolia var. simplicifolia)、海边月见草(Oenothera littoralis)等。

供试基干林带系1963年造林, 林带基本上与潮水线相连, 地势开阔, 地形平坦, 基干林带所处土壤条件为风积粗沙土, 底土层常有粗粒黄沙夹有砾石, 持水保肥性能差, 长期干旱时, 40 cm底土层含水率＜1 %, 低于20 cm土层含水率, 底土干旱缺水, 常导致2~3 a生幼树因缺水干枯死亡。林带低矮, 多呈屋脊形, 现有密度约1 200~1 300株·hm^-2, 平均高度4~8 m, 平均胸径9~11 cm, 蓄积量30~50 m³·hm^-2, 郁闭度0.2~0.5, 疏透度0.33~0.55, 属低矮屋脊形稀疏或疏透结构林带。

2 研究方法 2.1 试验设计和处理

1997年5月对赤山林场强海风区木麻黄基干林带采用5种方式进行更新。方式1:保留最前沿30~50 m老林带, 采伐带宽度10 m, 带间保留20m宽老林带, 更新树种为木麻黄优良无性系601;方式2:保留最前沿30~50 m老林带, 采伐带宽度20 m, 带间保留20 m宽老林带, 更新树种为木麻黄优良无性系601;方式3:保留最前沿30~50 m老林带, 采伐带宽度30 m, 带间保留20 m宽老林带, 更新树种为木麻黄优良无性系601;方式4:采用木麻黄无性系601、湿地松(Pinus elliottii)、厚荚相思(Acacia Crassicarpa)、纹荚相思(Acacia aulacocarpa)等树种在林内空隙地造林; 方式5:保留最前沿30~50 m老林带不动, 对现有林带进行间伐处理, 郁闭度降至0.2~0.3左右, 选择木麻黄无性系601、刚果12桉(Eucalytus 12 ABL)、湿地松、厚荚相思、纹荚相思、直干大叶相思(Acacia auriculaeformis)、马占相思(Acacia mangium)等树种在林下造林。更新方式采用随机区组设计, 3次重复, 更新总面积约5.0 hm²。

2.2 调查方法

2002年对5种更新方式林带进行测定。林木生长量通过对每种更新方式林木进行树高和胸径的每木调查, 选出标准木计算其材积, 换算出每种更新方式单位蓄积量。然后根据林木相应的市场价格, 按照3 %的年利率, 计算出各种更新方式每公顷纯收益、产投比。其中, 投入包括造林成本、抚育管理和木材生产经营费用。每公顷造林开支项目有:挖穴整地数量、客土量、苗木数量、造林用工、过磷酸钙用量, 根据各项目单价及3 %年利率计算造林成本; 抚育管理费用主要指造林后2、3 a幼林抚育用工, 工价根据当地当时实际价格以年增3 %利率计算; 木材生产经营费用包括采伐、打枝、集材、运输等费用。产出按木材现行价格而定。纯收益由木材销售毛收入扣除造林成本、抚育管理费用、木材生产成本及木材销售税、费后所得。风速用DEM-6型风向风速仪测定, 即每天8:00、12:00、16:00分别同步观测林前空旷区和林内风速, 连续观测5 d, 每次风降率通过林前空旷区和林内测得风速差值与林前空旷区风速之比求得, 然后将各次测得风降率累加取平均即为最终风降率。固沙量为每年刮风季节林前和林后1 m×1 m收集框中每个月测得沙量差值累积。养殖产量和就业人数由走访养殖业主获得, 果树产量由果园承包人员提供。

2.3 分析方法

应用层次分析法(赵焕臣, 1986; 洪伟等, 1993; 谭跃进等, 1999; 杨启帆等, 1999; 孙启祥等, 2001), 引用Sdaaty等建议的1~9数字及其倒数作为标度, 建立判断矩阵表, 指标在成对比较差别时, 用5种判断级, 分别为相等、较强、强、很强、绝对强表示差别程度, 相应取值为1、3、5、7、9, 在成对指标的差别介于两者之间难以定夺时, 可分别取值2、4、6、8。通过专家评价, 确定指标的取值, 填写指标判断矩阵表, 构建判断矩阵, 进行层次单排序, 求出最大特征根和对应的特征向量。然后进行一致性检验, 若判断矩阵的随机一致性比例CR＜0.1, 表明判断矩阵具有满意的一致性, 接受矩阵; 反之, 需对判断矩阵进行调整, 最后进行层次总排序, 计算各指标对于目标层的总权重, 并进行检验。同时对各指标加以标准化转换(洪伟等, 1993; 孙启祥等, 2001)。

3 结果与分析 3.1 层次结构模型的确立

依据层次分析法要求, 建立3层结构模型, 第1层为目标层———综合效益; 第2层为准则层———生态效益、社会效益、经济效益; 第3层为指标层。由于木麻黄基干林带所具有的独特性, 因此具体指标选择, 主要是以能够衡量木麻黄基干林带更新所应具有的特殊的重要功能如防风固沙、林带保护下养殖、种果及经济效益等而确定。生态效益以风降率(C₁)和固沙量(C₂)作为其衡量指标; 社会效益以果树产量(C₃)、养殖产量(C₄)和就业人数(C₅)为指标; 而经济效益则选取纯收益(C₆)和产投比(C₇)2个指标。指标体系具体见图 1所示。

3.2 判断矩阵的构建与检验

通过专家评价, 确定了指标取值, 构建各层判断矩阵:A-B层判断矩阵为表 1D。计算得λ_max=3.003 7, CI=0.001 85, CR=0.003 2＜0.1, 一致性良好, 接受矩阵, λ_max对应的标准化特征向量为(0.648, 0.230, 0.122)^T, 此为三大效益相应权重。

B₁-C_1.2的判断矩阵为表 1E, 计算得λ_max=2, CI=0, CR=0＜0.1, 一致性良好, 接受矩阵, λ_max对应的标准化特征向量为(0.667, 0.333)^T, 此为C₁、C₂在B₁中权重。

B₂-C_{3, 4, 5}的判断矩阵为表 1F, 计算得λ_max=3.038, CI=0.001 9, CR=0.033＜0.1, 一致性良好, 接受矩阵, λ_max对应的标准化特征向量为(0.105, 0.637, 0.258)^T, 此为C₃、C₄、C₅在B₂中权重。

B₃-C_{6, 7}的判断矩阵为表 1G, 计算得λ_max=2, CI=0, CR=0＜0.1, 一致性良好, 接受矩阵, λ_max对应的标准化特征向量为(0.667, 0.333)^T, 此为C₆、C₇在B₃中权重。由以上数据进一步计算出各指标对于综合效益的组合权重值(表 2)

3.3 指标值标准化

表 3中各项指标计量单位不一致, 需对其进行标准化转换。由于各种指标都是愈大愈好, 故采用下列公式为转换公式(洪伟等, 1993)

3.4 木麻黄基干林带不同更新方式综合效益

从各指标权重(表 2)和各指标的标准化值(表 4)计算得到木麻黄基干林带不同更新方式效益如表 5。从表 5看出, 在不同更新方式中, 生态效益方面, 以10 m宽采伐带间隔带状更新最高, 20m宽采伐带间隔带状更新次之, 而直接在林下套种更新最低。这是因为间隔带状采伐更新树种木麻黄无性系601生长季有前沿和间隔老林带保护, 生长迅速, 林内风速小, 固沙量大, 而林下套种更新方式由于造林树种都是阳性树种, 其受到上方老树遮荫引起林内光线不足, 更新树种生长势弱, 林内风速较大, 套种树种固沙能力低。至于采伐带加宽生态效益降低的主要原因是随着采伐带宽度增大, 林内风速慢慢增强, 并出现远离保护带的更新树种枯梢的现象, 固沙能力下降。

社会效益方面, 间隔带状采伐更新方式同样高于林下套种更新方式, 这主要是因为间隔带状采伐更新方式, 风速恢复较慢, 固沙效果好, 使后沿养殖和种果风沙危害减弱, 水产、果树产量大幅度上升, 劳动力需求量也增加。而林下套种更新方式由于防风固沙能力低, 后沿风沙大, 不利于果树结实和水产养殖, 导致其产量下降。间隔带状采伐更新方式中窄采伐带社会效益高于宽采伐带, 而林下套种更新方式中林带间伐后套种其社会效益高于林下直接套种。

经济效益方面, 间隔带状采伐更新方式仍然高于林下套种更新, 这是因为间隔带状采伐更新方式林木生长快, 木材收入高。而林下套种更新方式一方面在林内整地造林费工, 成本高; 另一方面, 套种树种生长缓慢, 木材产出量低, 使该更新方式产投比降低, 从而导致经济效益下降。3种间隔带状采伐更新方式经济效益差别不大, 30 m宽采伐带略高于其它两种。林带间伐后进行林下套种更新方式其经济效益高于林下直接套种更新方式。

综合效益是生态经济社会三大效益总和, 从表 5可见, 间隔带状采伐更新方式高于林下套种更新方式, 而间隔带状采伐更新方式中, 以窄采伐带间隔状更新方式为佳。林带间伐套种更新方式优于林下直接套种更新方式。

4 结论

木麻黄基干林带采用间隔带状采伐更新方式其生态、社会和经济效益及综合效益均高于林下套种更新方式, 而间隔带状采伐更新方式又以窄采伐带为优。对于宽度较大的木麻黄基干林带更新, 以10~20 m采伐带间隔带状采伐并选择木麻黄优良无性系造林可获得很好效果(张水松等, 2002)。片状或稀疏的基干林带在只能进行林下套种更新情况下, 应根据林带郁闭度作适当间伐调整并选用适应于沿海沙地生长具有一定耐荫性的树种在林下套种, 将会使该更新方式的综合效益得到提高。