基于AHP的城市園林植物群落生態(tài)效益評價方法

郭晨曉,范舒欣,李曉鵬,齊石茗月,董麗

北京林業(yè)大學園林學院/城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室,北京100083

基于AHP的城市園林植物群落生態(tài)效益評價方法

郭晨曉,范舒欣,李曉鵬,齊石茗月,董麗*

北京林業(yè)大學園林學院/城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室,北京100083

本文從中小尺度的園林綠地管理評價角度出發(fā)，分析并選取了簡潔易得、可使用數(shù)字表征的生態(tài)效益評價指標，運用層次分析法定量地整合了生態(tài)效益評價的單項因子，形成清晰易用的評價模型，進而可用于對各種植物群落的綜合效益評價和對比。結(jié)果表明，基于實際檢測結(jié)果對園林植物群落的生態(tài)效益進行數(shù)字化計算，選擇生態(tài)效益較高的植物群落搭配模式進行推廣，能夠?qū)Τ鞘猩鷳B(tài)環(huán)境建設、綠化管理起到較好的指導作用。

園林植物群落;數(shù)量化評價;生態(tài)因子;層次分析法

隨著城市化進程的不斷加快，城市的不斷擴張侵占了大量的生態(tài)綠地和森林，城市硬質(zhì)化下墊面不斷增加，在復雜的環(huán)境污染下城市正面臨著多重多樣的生態(tài)問題。近些年來，隨著人類對環(huán)境問題的愈發(fā)關(guān)注，城市園林綠地作為生態(tài)系統(tǒng)中的重要組分，其所發(fā)揮的改善城市環(huán)境質(zhì)量、保持碳氧平衡等改善城市生態(tài)環(huán)境的研究也成為園林生態(tài)學、林學等學科研究的熱點之一[1]。伴隨著“生態(tài)造林”“美化運動”等在很多城市如火如荼的興起，新建成綠地除了滿足美觀、面積等表面指標以外，更值得管理者和設計者關(guān)心的問題是如何從數(shù)量化的角度表征新建綠地能夠發(fā)揮的生態(tài)效益量[2]。很多從城市和區(qū)域尺度上對于城市綠地的生態(tài)效益研究明顯的揭示出了園林植物生態(tài)效益的表現(xiàn)方式[3]，而繁雜多樣的生態(tài)性指標和過大的研究尺度成為限制具體生態(tài)效益研究成果應用的主要因素。從植物造景的角度來看，中小尺度上的植物群落生態(tài)效益研究則更有助于良好植物模式的形成[4]。

本文從園林植物群落的生態(tài)效益評價角度出發(fā)，采用層次分析法，提出了適用于群落尺度、便于計算和統(tǒng)計的定量生態(tài)效益評價模型，為城市管理、綠化建設提供參考。

1 評價方法

園林植物群落的生態(tài)效益表現(xiàn)為植物群落對環(huán)境的改良和改善作用[5]。近些年，對園林植物生態(tài)效應的研究，多為針對單種植物的多種指標研究或在大尺度上的單一指標計量研究。從整體生態(tài)效益模型建立上，也出現(xiàn)了以數(shù)學計算、計算機模擬為主要流派的定量評價手法。如以數(shù)學計算為主的模型建立方法有指標模型法、評分疊加法、綜合指數(shù)法、聚類分析法和模糊數(shù)學法等[6,7]；計算機模擬的主要代表方法有：采用GIS等遙感手段進行城市模擬[8]、利用CITYGREEN等生態(tài)效益評價軟件進行計算等[9]，也有學者使用“支付意愿”的方法對生態(tài)效益進行經(jīng)濟量化[10]。

但是從實際情況上來看，計算模型往往需要長時間的數(shù)據(jù)監(jiān)測和大量的模擬運算，并對科研設備、儀器的要求較高，且在中小規(guī)模的綠地生態(tài)效益測量上，步驟和過程較為繁瑣，影響到具體科研、管理上應用型課題研究的展開。

層次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP），是美國運籌學家數(shù)學家Saaty T·L于20世紀70年代提出的一種簡便、靈活而又實用的多目標決策方法[11]。它將復雜的問題分解成若干個清晰的層次結(jié)構(gòu)，并將人們的主觀判斷用數(shù)量方式表達與處理，從而實現(xiàn)了定性、定量分析的結(jié)合，也提高了系統(tǒng)評價的有效性、可靠性和可行性。近年來，層次分析法在我國植物景觀綜合評價、花卉新優(yōu)品種的選擇上有著較多的應用。

將層次分析法應用到園林植物群落生態(tài)效益綜合評價中，主要工作流程為確定評價指標體系、建立層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造比較評判矩陣，其最終目標為確定各個單項生態(tài)因子的權(quán)重，從而構(gòu)建評價模型（圖1）。

圖1 評價步驟圖Fig.1 Basic steps establishing evaluation model

2 確定評價指標體系

園林植物群落綜合生態(tài)效益評價中，指標應當依據(jù)具體的單項生態(tài)效益值的大小進行選擇。在近些年的研究[12-15]中，關(guān)于園林植物群落生態(tài)效益的研究主要集中在以下幾個方面：（1）綠地結(jié)構(gòu)性指標：包括植物群落的物種多樣性、豐富度、生態(tài)廊道寬度、綠地斑塊大小等表征植物群落自身性質(zhì)的生態(tài)學指標[16,17]。正面反映了群落的固有屬性，一般通過樣地調(diào)查得出結(jié)果；（2）綠地功能性指標：以實際使用儀器測量或者實驗的指標進行表征，如空氣微生物濃度[18,19]、降溫增濕能力[20]、降噪能力[21]、空氣負離子濃度[22]、空氣溫濕度[23]等，這類指標在中小尺度的園林綠地研究中有較好的應用價值；（3）植物個體的生物性指標：通過計算植物個體的生物生理學指標推斷整體群落能力，如單體植物的光合速率[24]、有機質(zhì)產(chǎn)量等，一般需要較為精密和昂貴的儀器設備進行監(jiān)測。

在實際應用中，有些指標的測定過為繁瑣，為了達到快速對整體生態(tài)效益評價的目的，結(jié)合AHP計算方法以及考慮到實際應用的方便，規(guī)定了評價指標的選取遵循如下原則：（1）實用性原則。評價指標的獲取必須簡便易得，易于使用儀器或者人工進行測定；（2）重點性原則。選取的指標必須對整體生態(tài)效益評價影響較大，避免舍本逐末；（3）全面性原則。綜合評價中，指標選取需要全面有序，注重對生態(tài)效益指標的全方位體現(xiàn)；（4）均一性原則。采用平均值代替瞬時值，使用群落周邊城市下墊面進行對照得出數(shù)據(jù)。

通過對選取指標原則的分析和以往研究成果的考量，選取了降噪能力、固碳釋氧能力、增濕能力、降溫能力、生物多樣性指數(shù)、凈化大氣污染能力六個單項指標，各個指標從植物群落的固有屬性、生態(tài)系統(tǒng)作用、單項生態(tài)效益等方面構(gòu)成了群落的整體生態(tài)效益，各個指標平級之間無交叉作用，從數(shù)據(jù)獲取的方法上來看，都可以使用相關(guān)的環(huán)境參數(shù)測量儀器取得（如溫濕度測量儀、O2測量儀、噪聲測量儀等）或者人工調(diào)查得出，滿足指標選取條件。因此六項單項指標可以作為反映群落整體生態(tài)效益的主要因子，易于應用在生態(tài)評價中。

2.1 降噪能力

城市生活中因為大量的交通運輸、生活生產(chǎn)等活動產(chǎn)生大量的環(huán)境噪聲，并影響到城鎮(zhèn)居民的身心健康。植物群落因為其軟質(zhì)景觀的特性而可以吸收一定量的聲波，使得噪聲減弱。這一點在城市主要道路周邊的帶狀公園中體現(xiàn)較為明顯。在實際測量中，一般使用便攜式聲級計，測量聲波通過群落后的衰減值，得出群落降噪數(shù)值相對值。

2.2 固碳釋氧能力

園林植物群落在生態(tài)系統(tǒng)中起到重要的底層作用，是生態(tài)系統(tǒng)中有機質(zhì)的來源。植物群落從空氣中獲取CO2并將其轉(zhuǎn)化為氧氣的過程是生態(tài)系統(tǒng)中必不可少的一環(huán)，同時提升周邊環(huán)境的氧氣濃度。在實際調(diào)查中，可以用空氣含氧量測定儀測定群落周邊氧氣濃度表征。

2.3 增濕能力

在城市生物群落中，主要通過園林植物的蒸騰作用降低周邊環(huán)境溫度和提高周圍環(huán)境的濕度，可以形成良好的城市小氣候，并增加人體舒適程度。園林植物群落的增濕能力可以通過干濕度計進行測定，與周邊城市用地對照樣點相比得出增濕數(shù)值相對值。

2.4 降溫能力

隨著城市化的快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，城市原有自然下墊面被徹底改變，加之人類活動和工業(yè)生產(chǎn)，極大地改變了城區(qū)近地面的物質(zhì)和能量平衡，使得城市氣溫普遍高于周圍郊區(qū)或農(nóng)村，形成“城市熱島”效應。綠色植物可以通過遮陰和蒸散作用降低周圍環(huán)境空氣溫度，從而在微觀和宏觀尺度上降低城市熱島效應。通過便攜式溫度計可以容易測量到植物群落降溫能力的具體數(shù)值。

2.5 凈化空氣污染能力

大氣污染在我國以北京為代表的大城市已經(jīng)成為影響區(qū)域環(huán)境的最重要的因素之一。在我國，大氣污染的代表性污染物為煙塵、二氧化硫、氮氧化物等。植物通過結(jié)合固定、代謝解毒、分室作用等過程將污染物在體內(nèi)富集、解毒，起到凈化空氣的作用，研究表明，城市綠地的凈化大氣功能與植物種類、植物的生長規(guī)律有密切關(guān)系。園林植物群落凈化大氣污染的能力可以通過便攜式空氣懸浮物測量儀進行檢測。

2.6 生物多樣性指數(shù)

生物多樣性指數(shù)在數(shù)量上表征了城市公園綠地作為棲息地功能的重要性。一個生態(tài)體系良好，物種豐富的園林植物群落為城市生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的動物植物提供了生長繁育的空間，對于維持系統(tǒng)穩(wěn)定性，增強緩沖能力有重要的作用。常用的物種多樣性指數(shù)有物種豐富度指數(shù)（Margalef指數(shù)）、物種多樣性指數(shù)（Shannon-Wiener和Simpson指數(shù)）和均勻度指數(shù)（Pielou指數(shù)）。該項指標可以通過群落普查獲取。

3 建立層次模型結(jié)構(gòu)

評價模型概括了因子在總體評價標準中的相關(guān)性和重要程度，在園林植物群落生態(tài)效益的評價指標體系已經(jīng)確定的基礎上，基于AHP層次分析法流程，建立評價模型。

3.1 因子數(shù)據(jù)標準化處理

由于各個單項生態(tài)參數(shù)原始數(shù)據(jù)的來源、類型、描述存在差異，所處數(shù)量級不同，可比性差，因此首先對原始數(shù)據(jù)用級差標準化法進行量化處理。將降噪能力、固碳釋氧能力、增濕能力、降溫能力、生物多樣性指數(shù)、抗污染能力進行標準化處理。

其中：Bij—第i個植物群落第j指標的原值；

B’ij—第i個植物群落第j指標的標準化后的數(shù)值；

Bjmax—第j指標的最大值；

Bjmin—第j指標的最小值。

3.2 通過AHP確定各因子權(quán)重

3.2.1 建立評價矩陣在選取評價指標的基礎上，將園林植物群落的綜合生態(tài)效益作為目標層（A），將降噪能力、固碳釋氧能力、增濕能力、降溫能力、生物多樣性指數(shù)、抗污染能力等作為多層次模型中的指標層（B），以供評價的園林植物群落作為最底層（C），由此，建立了AHP法三層遞階層次結(jié)構(gòu)模型，各層次間互不相交（見表1）。

表1 基于AHP的園林植物群落綜合生態(tài)效益指標體系Table 1 Comprehensive eco-effect evaluation system of landscape plant community

3.2.2 建立判斷矩陣在建立遞階層次結(jié)構(gòu)后，需成對比較因子相對重要性取得判斷的aij值，對指標層（C）同一層次各元素關(guān)于上一層次某個準則的重要性進行兩兩比較，并以此判斷值構(gòu)成判斷矩陣。判斷矩陣元素的值反映了人們對各因素相對重要性的認識，一般采用1、3、5、7、9分別表示兩個因素相比，一個因素與另一個因素同樣重要、稍微重要、明顯重要、強烈重要、極端重要，2、4、6、8分別表示1和3，3和5，5和7，7和9的中間值。按照上述層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，通過專家進行判斷比較。

表2 判斷矩陣標度及其含義Table 2 Scale and meaning of judgment matrix

表3 B層因子判斷矩陣Table 3 The judgment matrix of B factor

3.2.3 層次單排序以及一致性檢驗運用和積法求解各判斷矩陣，得出單一準則下被比較元素的相對權(quán)重，即層次單排序。用算術(shù)平均法計算出各矩陣的最大特征根λmax及其相應的特征向量W，并用CR=CI/RI進行一致性檢驗，具體步驟如下：

1)首先將判斷矩陣的每一列元素作歸一化處理，其元素的一般項為:

2)將各列歸一化后的判斷矩陣按行相加

4)計算判斷矩陣的最大特征根為:

5)檢驗矩陣的一致性，公式為:

6)由表4查找相應的平均隨機一致性指標RI

表4 RI修正值表Table 4 Corrected value of RI

7)計算隨機一致性指標CR=CI/RI

式中，CI為一致性指標，n為矩陣階數(shù)，RI為平均隨機一致性指標，當判斷矩陣的維數(shù)n越大，判斷的一致性將越差，故應放寬對高維判斷矩陣一致性的要求，引入修正值法。一般而言CR愈小，判斷矩陣的一致性愈好，則可以將得出的W值作為B層因子評判權(quán)重指數(shù)，通常認為CR＞0.1時，判斷矩陣滿足一致性檢驗；否則，應對判斷矩陣進行適當調(diào)整。

3.3 建立評價模型

由上文所確定的生態(tài)效應評價指標以及模型多因子排序過程可以得出園林植物綜合生態(tài)效應的計算模型：

其中V為綜合得分，B’為修正后的指標得分，ω為指標權(quán)重分(即特征向量值)。根據(jù)各指標的權(quán)重得分ω，將歸一化的單項生態(tài)效益測量值B’代入上述公式后，則可直接計算出所評判群落的生態(tài)效益指標量值。至此，園林植物生態(tài)效益評價模型建立完成。

4 結(jié)論與討論

依照本次建立的評價模型，通過問卷形式就兩兩比較矩陣征求了10名北京林業(yè)大學園林學院的教師以及研究生的意見，從而得到本次綜合生態(tài)效益評價指標權(quán)重，得出結(jié)果如下：

表5 生態(tài)效益權(quán)重指標Table 5 Evaluation of eco-effect factor

數(shù)據(jù)表明CR遠小于0.1，一致性較好。權(quán)重值的大小反映了評判者對各項評價指標的重視程度，在指標層（B）對目標層（A）的單排序權(quán)值中，園林植物群落生態(tài)效益中抗污染能力以及固碳釋氧能力在整體生態(tài)效益中顯示為最重要（權(quán)重值＞0.025），生物多樣性指數(shù)較重要（權(quán)重值＞0.015），而降噪以及增濕能力一般重要（權(quán)重值＜0.015）。在本模型中，可以粗略的看出園林工作者對于園林植物群落的抗污染能力和固碳釋氧能力較為重視。而值得注意的是本次評價所選取的主要六個指標出于并不能全面細致的對園林群落的整體特性進行描述，在更進一步的深層次研究中，還需要根據(jù)研究需求下對評價指標進行細化[25]，如在風景區(qū)中加入美景度評價[7]，在建設行業(yè)中加入造價成本等指標體系進行綜合考評等。且在不同地域的研究中，評價指標的選擇也應當有所側(cè)重[26]。

通過AHP建立的評價模型有其操作簡便易行、結(jié)果易于比較的優(yōu)點，同時也有其缺陷，如建立評判矩陣時人的主觀性影響較大，不同評價系統(tǒng)間不易共用等。但從整體上來說，通過AHP層次分析法建立城市綠地植物群落綜合生態(tài)效益評價模型的過程較為清晰，得出的模型為城市管理人員提供了對植物群落生態(tài)效益進行表述的重要工具，而將生態(tài)效益綜合評價模型的概念運用到園林行業(yè)，還可對園林植物景觀營造進行評價、優(yōu)選，對發(fā)展城市園林事業(yè)、切實改良城市環(huán)境、開展城市數(shù)字化建設具有很強的實踐意義。

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The Evaluation on the Eco-effect of Urban Landscape Plant Communities Based on Analytic Hierarchy Process(AHP)

GUO Chen-xiao,FAN Shu-xin,LI Xiao-peng,QISHI ming-yue,DONG Li*
Beijing Laboratory of Urban and Rural Ecological Environment/College of Landscape Architecture/Beijing Forestry University,Beijing100083,China

This study selected quantitative ecological factors of the evaluation of small and medium-scale landscape plant communities’ecology effect to form a comprehensive evaluation model.The Analytic Hierarchy Process was applied in the evaluation process.Comparing with traditional evaluation method,the evaluation model based on AHP has the advantage of easy-to-use and can be easily quantified.According to actual test result and the application of AHP,an objective selection of higher ecological benefit plant communities could do more help for the guiding of urban landscape design and city management.

Landscape plant community;quantitative evaluation;ecology factor;Analytic Hierarchy Process

S731.2

:A

:1000-2324(2015)06-0941-06

2015-03-09

:2015-06-05

“十二五”農(nóng)村領域國家科技計劃課題(2012BAJ24B05-2);北京市朝陽區(qū)社區(qū)綠化評價體系建設項目(2014HXFWYL003)

郭晨曉(1990-),男,碩士研究生,主要研究方向為植物造景與園林生態(tài).E-mail:guochenxiaobjfu@163.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:dongli@bjfu.edu.cn