甘肃省农田防护林主要是以杨树为基础的林网体系, 在防止自然灾害、改善生态环境方面起了举足轻重的作用。但从现有农田防护林体系看, 面临的主要问题(周腊虎等, 2001)是树种单一、抗逆性差、结构不稳定; 林网结构不够合理, 防护效益较低; 林网已达到过成熟期, 林带断带现象严重, 综合防护效益低下。尤其20世纪90年代, 杨树蛀干害虫黄斑星天牛的入侵及感染, 已给农田防护林体系构成严重威胁(刘榕等, 1995)。为进一步搞好防护林建设, 本研究从优选农田防护林树种入手, 筛选、引进一批适应性强、防护效果好、抗逆性强的造林树种, 应用数学模型优选树种, 丰富农田防护林造林树种, 以避免杨树蛀干害虫毁灭性危害, 提高农田防护林体系的抗逆性和稳定性, 充分发挥该体系的长效生态效益, 促进当地农业的可持续发展。

层次分析法(AHP)是由美国运筹学家、匹兹堡大学教授Saaty于20世纪70年代创立的一种系统分析与决策的综合评价方法(Saaty, 1980), 是在充分研究人们思维过程的基础上提出的, 比较合理地解决了定性问题定量化的处理过程。1982年, 该方法在中美能源、资源、环境学术会议上首次介绍到中国(姜启源, 1987), 近几年来, AHP已在能源利用(Belford, et al., 1987)、土地资源评价(宋如华等, 1996)、生态环境评价(张晓萍等, 1998)及农业评价(龙明秀等, 2003)等领域取得了广泛应用, 并在林业领域生态环境(朱孔采等, 1991; 陈高等, 2002)、林地生产力(赵忠等, 2003)、森林生态系统评价(金小麒等, 2000; 李自珍等, 2001)及林业生态工程比较(Brown, 1971; 李世东, 2002)等领域取得了广泛应用。

传统上人们习惯将农田防护林树种选择与立地类型、气候因素以及树种防护效果联系在一起(李秀红等, 2000; 张宝春等, 1992; 周心澄等, 1995)。实际中, 农田防护林的营造除了受自然因子影响外, 还受社会经济属性的强烈影响。20世纪90年代以来, 随着可持续发展思想的提出和普及, 人口-资源-环境这一矛盾日益突出, 社会经济因子对农田防护林的营造发挥的影响愈加明显。但是, 还很少有人在进行农田防护林树种优选评价时, 把社会经济因子纳入该评价体系。

本研究借助层次分析法评价模型, 对10个所选树种(或无性系)的适应性、防护效果和农村社会经济等3方面, 进行综合评价, 以期为农田防护林树种选择提供科学的理论依据。

1 研究地区概况

研究区位于甘肃省临夏州北塬。海拔2 060 m, 主要土壤类型黄绵土, 成土母质黄土。土壤pH值7.80, 有机质含量9 g·kg^-1, 全盐含量26 g·kg^-1, 肥力状况较差, 土壤贫瘠。年均气温7.1 ℃, 绝对低温-27 ℃, 绝对高温37.3 ℃, ≥10 ℃的年积温2 330.2 ℃。年均降水量501.8 mm, 年均蒸发量1 311.4 mm, 属寒温带半湿润气候地带。

2 材料与方法 2.1 材料选择

根据农田防护林的功能和特点, 选用树冠中等集中、枝条不宜扩张, 树干通直, 高生长率均匀, 对不良环境和病虫害有较强抵抗力的树种(张宝春等, 1992)。以现有农田防护林树种二白杨(Populus gansuensis C. Wang et H.L. Yang)和河北杨(P.hopeiensis Hu et Chow)及该地区对病虫害有较强抵抗力的新疆杨(P.alba L.var.pyramidalis Bge)作为参照树种, 筛选甘肃省近年引进较成功、有较强抗性、生长快的杨树无性系三倍体毛白杨BT85(P.BT85)、三倍体毛白杨B1008(P.B1008)以及引进成功、抗逆性强、生长迅速的青刚柳(蒿柳)(Salix viminalis L.)、准噶尔柳(S.sonjarica Anderss)及苏柳无性系苏柳J172(S.jiangsuensis CL.‘172')、苏柳J369(S.jiangsuensis CL.‘369')、苏柳J194(S.jiangsuensis CL.‘194')作为研究材料(表 1)。

柳树树种(或无性系)试验用苗定植规格经方差分析基本一致, 为“三根两干”苗木, 平均地径2.0 cm, 平均胸径1.60 cm, 平均苗高2.5 m; 杨树树种(或无性系)试验用苗规格经方差分析基本一致, 2年生扦插苗木, 平均地径3.0 cm, 平均胸径2.50 cm, 平均苗高3.0 m。于1999年4月19日在临夏州北塬定植。

2.2 研究方法

运用完全相同的种植方法、养护管理措施, 进行全生长期的物候观测、生长观测、防护效果及抗逆性试验研究, 结合当地的气候环境特点和社会经济条件, 运用层次分析法、最小均方差法(郭亚军, 2002)对评价因子及试验数据进行筛选, 提取对农田防护林树种优选评价有影响的因子, 以树种防护效果、适应性和农村社会经济准则各主导因子为自变量, 以因子、准则多层数列矩阵的特征向量作为权向量, 建立评价公式, 最终选择出农田防护林的目标树种。

2.3 优选评价指标的选择

为了使研究结果更加合理, 在选择树种评价指标时主要考虑对农田防护林有重要影响的树种适应性和树种防护效果的主导因子, 同时还选择对该体系综合防护效益起潜在作用的因子, 即对农田防护林发展具有重要影响的农村社会经济因子作为评价指标。

根据层次分析法的基本原理和各优选评价因子之间的支配关系, 将优选评价体系划分成3个层次, 分别形成了农田防护林树种优选评价的递阶层次结构(图 1)。

2.4 优选评价指标观测

影响农田防护林树种优选的准则要素是树种适应性、树种防护效果和当地的社会经济条件。树种适应性决定了该树种能否在该地区生存和发展; 树种防护效果是综合防护效益的基本体现; 社会经济因子, 尤其是当地群众对农田防护林树种参与开发的积极性, 是防护林的综合防护效益能否得到充分发挥的前提。

2.4.1 树种适应性

树种适应性是由该树种保存率、生长量和抗逆性决定的。树种保存率受生态环境和自身生物学特性的制约, 运用种植后第2年的存活率观测数据; 树种生长量代表了该树种能否在该地区良好生长, 其表现为树高、胸径和材积; 树种抗逆性是该树种能否适应该地区自然环境的体现。1)树种保存率及生长量观测定植后第2年, 即2001年4月19日对各树种进行了成活率调查。树种生长量于每年10月份进行树高和胸径观测, 以单株材积为生长量指标, 结果见表 2。2)树种抗旱性采用盆栽法(赵忠等, 2000), 设置3个水分处理梯度, 在不同土壤干旱条件下, 研究各树种(或无性系)苗木根系活力的变化, 确定其根系抗旱性。根系活力采用TTC法(赵忠等, 2000; 2003)测定, 用TTC还原强度表示, 结果见表 3。3)树种抗寒性自2000年春开始, 连续3年对各树种(或无性系)进行了幼林抗寒性观测, 抗寒性用冻害指数(李菊英, 1999)表示, 冻害指数越小, 抗寒性越强。冻害指数计算采用等级法, 冻害指数(freezing injury index, FII)利用式(1)进行计算:

(1)

计算结果见表 3。4)树种抗盐碱性采用盆栽法(赵忠等, 2000), 设置3个水分处理梯度, 在不同浓度盐碱条件下, 观测各树种(或无性系)苗木盐害指数, 确定其抗盐碱性, 盐害程度越小, 其抗盐碱性越强。盐害指数计算采用等级法, 盐害指数(salt injury index, SII)利用式(2)进行计算:

(2)

计算结果见表 3。5)树种抗虫性抗虫性用蛀害指数(李菊英, 1999)表示, 蛀害指数越小, 抗虫性越强。蛀害指数计算采用等级法, 蛀害指数(moth injury index, MII)利用式(3)进行计算:

(3)

计算结果见表 3。

2.4.2 农村社会经济状况调查

树种的农村社会经济状况(赵忠等, 2003)包括营造农田防护林投资、回报、群众参与积极性、群众对树种(或无性系)的接受态度等因子。树种投资包括该树种(或无性系)苗木价格、定植费用及后期的管理费用等; 树种(或无性系)回报包括材积价值、防护后的粮食增收、社会效益和生态效益等; 树种(或无性系)投资和回报通过当地市场调查得出。群众参与积极性是自发的参加农田防护林开发的积极性, 而群众对树种(或无性系)的接受态度是通过技术指导和宣传, 群众有了新的认识, 最终接受的程度结果。群众参与积极性和对树种(或无性系)的接受态度按照预先设计好的问卷内容, 在研究地区以农户为单位采用抽样的方法进行调查。调查之前, 先根据当地村干部了解的情况, 按照家庭收入水平将当地农户大致划分为高、中、低3个水平, 然后从每个水平中抽取20户作为调查对象。将所调查资料进行汇总后(表 4), 作为地区的代表资料。

2.4.3 树种防护效果

防护效果由树种的防风能力、林网内外温度变化、林网内外湿度变化决定的。1)树种防风能力树种防风能力按照主风方向, 每树种(或无性系)试验小区平行设置调查线1条, 分别在距林带高的1 H、5 H、10 H、15 H、20 H定点观测风速大小, 每次大风取样5次, 年均观测风害次数10次以上, 计算防风指数(表 5), 防风指数(sheltering wind index SWI)利用式(4)计算:

(4)

式中:i为测量点编号; n为测量点总数; V_i为林网测量点风速; V为林网外风速。2)树种林网温湿度增量在农作物种植期对各树种(或无性系)林网内温、湿度观测点设在距林带高1 H、5 H、10 H, 离地表 1.5 m处, 定位观测4、7、9 3个月每日8:00、14:00、20:00时的气温和相对湿度及地表温度, 3次重复, 对照点设在林网外, 同时进行。将所观测结果进行汇总后, 求得树种(或无性系)林网温湿度增量(表 5)。

2.5 优选评价指标的归一化处理

为消除评价指标的量纲影响, 采用隶属度函数法, 对图 1中所列各项评价指标进行归一化处理。

2.6 防护林树种优选评价方法

以树种为单位, 采用隶属度函数法, 对表 2、表 3中的树种适应性、表 5防护性指标和表 4中当地社会经济状况指标进行归一化处理, 并按照式(5), 计算树种的综合评价值(synthetic evaluating value, SEV)。

(5)

式中:i为评价因子编号; X_i为评价因子归一化结果; W_i为评价因子权重。

3 结果与分析 3.1 评价因子归一化结果

为了消除评价指标间的量纲差别, 并将其综合成一个能从总体上衡量系统优劣的单指标, 根据层次分析法的原理, 结合临夏州北塬以及所选指标的具体特征, 各指标的极值主要根据树种特性研究结果和调查的实际情况确定。

3.1.1 社会经济因子归一化结果

根据当地农村社会经济状况, 结合各指标特性选择隶属度函数归一化公式, 对各个树种社会经济指标进行归一化, 结果如表 4。

从表 4可以看出, 10个树种的社会经济状况存在明显差别。所选5个柳树品系较5个杨树品系明显较高, 由于5个柳树树种(或无性系)正处于引种期, 苗木价格较高; 其回报率苏柳J172最高, 其次是二白杨; 5个杨树树种(或无性系)较5个柳树树种(或无性系)具有更好的群众参与倾向, 这是因为杨树有良好的群众基础, 而乡土树种二白杨参与倾向最高更说明这一点; 但通过技术指导和树种生长状况的观测, 群众对所选5个柳树树种(或无性系)较5个杨树树种(或无性系)更容易接受。

3.1.2 农田防护林树种适应性因子归一化结果

根据农田防护林树种适应性因子研究所选择的隶属度函数归一化公式, 对树种适应性指标进行归一化, 结果如表 2。从表 2、3看, 所选5个柳树树种(或无性系)保存率优于5个杨树树种(或无性系), 这说明所选5个柳树树种(或无性系)在该地区综合适应性强于所选5个杨树树种(或无性系)。三倍体毛白杨B1008生长量最大, 其次苏柳J172。5个柳树树种(或无性系)抗逆性优于所选5个杨树树种(或无性系), 这说明所选5个柳树树种(或无性系)在本地区综合抗逆性强于所选5个杨树树种(或无性系)。青刚柳表现出了最强的耐旱能力, 5个柳树树种(或无性系)都表现出很强的抗寒性和抗虫性, 而青刚柳和苏柳J369表现出了最强的耐盐碱能力。

3.1.3 防护林树种防护效果因子归一化结果

对所选10个树种(或无性系)防护效果表明(表 5), 防风能力的差异十分明显, 苏柳J172最强, 三倍体毛白杨B1008最差。10个树种(或无性系)在林网内外温度变化的差异也十分明显, 5个柳树树种(或无性系)较5个杨树树种(或无性系)林网内外温度增量明显较高, 以苏柳J172最高。10个树种(或无性系)湿度变化的差异也十分明显, 5个柳树树种(或无性系)较5个杨树树种(或无性系)林网内外湿度增量明显较高, 以苏柳J172最高。

3.2 判断矩阵构建及特征向量计算 3.2.1 判断矩阵构建

通过分析每2个评价因子之间的相对重要性(郭亚军, 2002), 得到各评价因子的判断矩阵, 并求解矩阵最大特征根及其对应向量。经多次一致性检验及调整, 使之满足要求(表 6所示树种综合评价值A层和B层判断矩阵, B层和C层及A层和B层原理相同, 略。

对A层和B层评价因子的判断矩阵总体随机一致性比率CR=0.045 < 0.1, 满足层次分析法的一致性检验要求, 说明具有较为满意的一致性, 可以用于权重的计算。对B层和C层评价因子的判断矩阵总体随机一致性比率分别为CR_B1=0.006 < 0.1、CR_B2=0.007 < 0.1和CR_B3=0.047 < 0.1, 同样均可用于权重的计算。

3.2.2 评价指标总权重的计算

用高斯迭代法求解各层次上的评价因子判断矩阵的最大特征根以及对应的特征向量, 计算农田防护林树种优选评价因子权重, 结果如图 1所示。

由图 1计算结果可见, 各评价因子的贡献率分别为:社会经济因子0.122, 树种适应性力0.558, 树种防护效果0.320, 表明, 树种的适应性—树种的保存率对农田防护林优选综合评价值影响最大, 并再次证明适生树种的选择是造林成功的关键因子。在优选综合评价指数的计算中, 从各指标在总评价目标下的贡献率大小(图 1)可以看出, 除了树种的保存率外, 防风性也是影响农田防护林营造和发展的重要因子; 在社会经济状况因子当中, 当地群众对造林树种参与的倾向是最重要的因子。

3.3 树种优选综合评价结果

农田防护林综合防护效益是树种适应性、树种防护效果和该树种在当地的社会经济条件综合作用的结果。排序值反映了防护综合效益的好坏, 排序值越前, 说明该树种的综合防护效益越高。运用层次分析法模型对10树种(或无性系)排序值表明(表 7), 排序值依次为苏柳J172、苏柳J369、苏柳J194、青刚柳、准噶尔柳、二白杨、新疆杨、河北杨、三倍体毛白杨BT85、三倍体毛白杨B1008。

4 结论和讨论

在寒温带半湿润气候地区(临夏地区), 运用层次分析法优选农田防护林树种, 排序依次为苏柳J172、苏柳J369、苏柳J194、青刚柳、准葛尔柳、二白杨、新疆杨、河北场、三倍体毛白杨BT85、三倍体毛白杨B1008。

树种适应性反映的是树种的自身生物学特性和对外界不良环境的适应能力, 说明树种在农田防护林营造的可能性和可行性, 是农田防护林营造的前提和基础。树种防护功能是农田防护林最基本的功能。可以通过选择适生树种等方法, 发挥人在农田防护林营造潜力中的正面影响。本研究证实, 将农村社会经济因子纳入农田防护林树种优选评价体系, 使得农田防护林树种优选结果和评价更具科学性和实用性。

综合优选评价中各个因素标度数值的确定是一个难点, 对于有经验的工作者, 通过对不同影响因素的打分和人为给定权数进行综合评价是可行的, 但对于大多数工作者来说就很难准确打分并确定权重。APH模型可以把定性问题定量化, 从而避免主观性, 减少人为失误; 判断矩阵和一致性度量检验的应用, 确保评价结果更加客观合理。

在临夏北塬进行农田防护林树种选择时, 如果不考虑树种的用材性质, 建议多采用苏柳J172。苏柳J172的冠形和干形与杨树相近, 尤其是其抗蛀干害虫的特性, 应是临夏北塬未来农田防护林主要选择的树种之一。由于影响农田防护林优选评价因素很多, 除受上述因素影响外, 还受树种防护寿命、不同试验研究区域、栽培管理、树种胁地等因素的影响, 还有待于进一步深入研究。本研究借助层次分析法评价模型, 为当地农田防护林树种优选评价提供了一定的科学依据。