基于層次分析法和聚類分析對珍貴樹種分級研究

王振一 劉滿光 田 靜 李志修

(1.河北省林木種苗管理站， 石家莊 050091； 2.石家莊市農林科學研究院， 石家莊 050041；3.河北科技師范學院， 河北 秦皇島 066004； 4.河北省林業(yè)技術推廣總站， 石家莊 050081；5.河北省林業(yè)科學研究院， 石家莊 050061； 6.河北省花卉協(xié)會， 石家莊 050081；7.河北省洪崖山國有林場管理局， 河北 保定 074200)

關于珍貴樹種，國家環(huán)境保護局、中國科學院植物研究所發(fā)布過《中國珍稀瀕危保護植物名錄(第1冊)》[1]、趙建成等發(fā)表了河北省珍稀瀕危高等植物資源及其保護對策初探[2]、國家林業(yè)局印發(fā)《中國主要栽培珍貴樹種參考名錄》[3]等，但珍貴樹種的評價分級研究尚未公開。

河北省林木種質資源普查自2006年12月開始，2010年1月結束。普查數據每年都進行審核、修訂和補充，形成可持續(xù)的數據系統(tǒng)，為開展河北省種質資源研究，指導相關行業(yè)建設奠定了基礎。河北省林木種質資源普查辦公室(以下簡稱“河北普查辦”)在豐富的普查數據基礎上，嚴格按照珍貴樹種定義組織專家對河北省鄉(xiāng)土樹種的數據運用運籌學層次分析法、數理統(tǒng)計的分類聚類法和回歸分析法進行分析和分級，從392個資料上記載具有一定經濟價值或科研價值的鄉(xiāng)土樹種中評選出179個珍貴樹種，并將其劃分為4個等級[4]，河北省林木種質資源普查辦公室將樹種價值評價與AHP編程和KBE技術進行了結合，結合過程發(fā)表在《林業(yè)科學研究》《林業(yè)實用技術》《中華紙業(yè)》和《2012中國科協(xié)年會第6分會場論文集》上[5-8]。河北省林木種苗管理站據此制定了河北省地方標準《珍貴樹種評價方法》(DB 13/T 2833—2018)，于2018年10月21日正式實施。

1 相關數學方法簡介

1.1 層次分析法及其在本研究中的應用

層次分析法(AHP法)是將與決策有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎上進行定性和定量分析的一種層次權重決策分析方法[9]。應用層次分析法進行綜合評價的步驟有： 1) 建立層次結構； 2) 構造判斷矩陣； 3) 層次單排序； 4) 層次總排序； 5) 權重分析。其中建立層次結構主要有3層：第1層為目標層，第2層為準則(一級指標)層，第3層為評價指標(二級指標)層。

河北普查辦根據種質資源普查上報資料和相關文獻匯總出613個樹種，根據鄉(xiāng)土樹種概念選擇出472個鄉(xiāng)土樹種，經《中國樹木志》、《中國植物志》、《河北樹木志》、《河北植物志》及中國知網按樹種名稱依次查詢后找出392個記載具有經濟價值、科研價值的樹種評定河北的珍貴樹種,并歸類確定出生態(tài)價值、醫(yī)藥價值、工業(yè)價值和食用價值4個AHP評價準則(一級指標)。建立網絡核心“珍貴樹種分析評價”模型(“第一梯次”層次分析模型)(見圖1)，其中樹種生態(tài)價值、樹種醫(yī)藥價值、樹種工業(yè)價值和樹種食用價值為準則(一級指標)，每個準則(一級指標)下設4個等級的二級指標。具備這些二級指標的樹種通過第二梯次的系列層次模型及其指標權重確定，當具備第二梯次的系列模型的部分二級指標樹種難以確定時則由相應的第三梯次的系列層次模型及其指標權重確定，當具備第三梯次的系列模型的部分二級指標樹種難以確定時則由相應的第四梯次的系列層次模型及其指標權重確定，構成層次分析網絡，見圖2。

圖1 河北省珍貴樹種分析評價模型

1.2 系統(tǒng)聚類法

系統(tǒng)聚類法是將n個樣本不斷聚集的方法。系統(tǒng)聚類法的基本思想是：先將n個樣本各自看成一類，得n類；然后按性質規(guī)定類與類之間的距離，選擇距離最小的一對合并成一類，得n-1類；再將距離最近的兩類合并，得n-2類，這樣每次減少一類直至所有的樣本都成一類為止[10]。河北省普查辦使用系統(tǒng)聚類法主要是計算出相關樹種的某個層次分析模型總權重值后的樹種價值情況分級。

2 珍貴樹種評價方法研究——河北省珍貴鄉(xiāng)土樹種評價案例

2.1 根據層次分析法網絡構架圖第四梯次、第三梯次和第二梯次進行權重運算匯總

根據層次分析法網絡構架圖(圖2)第四梯次、第三梯次和第二梯次，構建準則(一級指標)和二級指標判斷矩陣，將準則(一級指標)與二級指標權重值相乘，得到每個二級指標的最終權重值。給每個具有二級指標價值的樹種賦予相應最終權重值，并將每個樹種的所有賦予的二級指標權重值求和，獲得該樹種第四梯次、第三梯次和第二梯次各評價分析模型的總權重值，后按表1所列總權重值范圍分級，據分級結果參與上一梯次相關二級指標的代入。因篇幅所限，樹種具備何種條件才能被賦予二級指標權重值的內容見河北省地方標準《珍貴樹種評價方法》(DB 13/T 2833-2018)附錄A～D。

表1 層次分析法網絡構架圖第四梯次、第三梯次和第二梯次各評價分級表

梯次歸類 總權重值范圍等級第四梯次景觀生態(tài)類樹種價格分類評價≥0.2630.199～0.2620.072～0.198<0.072一級二級三級四級木材直接利用價格情況評價≥0.2020.129～0.2010.086～0.128<0.086 一級二級三級四級造紙價值評價≥0.3030.132～0.302<0.132一級二級三級紡織編織價值評價分析≥0.7470.669～0.746<0.669一級二級三級工業(yè)油類價值評價≥0.4390.313～0.438<0.313一級二級三級第三梯次景觀生態(tài)類樹種經濟價值評價≥0.2960.227～0.2950.200～0.226<0.200一級二級三級四級人用醫(yī)藥價值評價≥0.3450.249～0.3440.219～0.248<0.219一級二級三級四級木材直接利用價值評價≥0.3340.289～0.3330.179～0.288<0.179一級二級三級四級木纖維加工利用價值評價≥0.2520.210～0.2510.106～0.209<0.106一級二級三級四級樹木提取物價值評價≥0.1740.065～0.1730.037～0.064<0.037一級二級三級四級第二梯次生態(tài)價值評價≥0.2100.119～0.2090.036～0.118<0.036一級二級三級四級醫(yī)藥價值評價≥0.2960.227～0.2950.200～0.226<0.200一級二級三級四級工業(yè)價值評價≥0.2370.071～0.2360.045～0.070<0.045一級二級三級四級食用價值評價≥0.1870.128～0.1860.061～0.127<0.061一級二級三級四級

表2 珍貴樹種分析評價準則(一級指標)間相互權重

評價醫(yī)藥價值食用價值生態(tài)價值工業(yè)價值相對權重評價排序醫(yī)藥價值11.641.711.860.3651食用價值1/1.6411.221/1.290.2123生態(tài)價值1/1.711/1.2211/1.030.2004工業(yè)價值1/1.861.291.0310.2232

注：CI=0.008 55<0.1，符合要求。

表3 醫(yī)藥價值二級指標間相互權重

評價一級藥用價值二級藥用價值三級藥用價值四級藥用價值相對權重評價排序一級醫(yī)藥價值11.351.461.70.3321二級醫(yī)藥價值1/1.3511.041.290.2452三級醫(yī)藥價值1/1.461/1.0411.040.2233四級醫(yī)藥價值1/1.71/1.291/1.0410.2004

注：CI=0.001 08<0.1，符合一致性檢驗要求。

表4 食用價值二級指標間相互權重

評價一級食用價值二級食用價值三級食用價值四級食用價值相對權重評價排序一級食用價值11.262.343.950.4041二級食用價值1/1.2611.812.940.3142三級食用價值1/2.341/1.8112.110.1843四級食用價值1/3.951/2.941/2.1110.0984

注：CI=0.002 9<0.1，符合一致性檢驗要求。

表5 生態(tài)價值二級指標間相互權重

評價一級生態(tài)價值二級生態(tài)價值三級生態(tài)價值四級生態(tài)價值相對權重評價排序一級生態(tài)價值11.983.177.860.4751二級生態(tài)價值1/1.9813.097.620.3332三級生態(tài)價值1/3.171/3.0914.550.1483四級生態(tài)價值1/7.861/7.621/4.5510.0444

注：CI=0.04<0.1，符合一致性檢驗要求。

2.2 層次分析網絡核心“河北省珍貴樹種分析評價”模型的指標權重確定

在日常生活中，藥物用以維持生物的生命，治療和緩解生物的病痛；工業(yè)是國民經濟的重要支柱，是日常生活的重要內容；可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)環(huán)境日益受到重視，是寶貴的無形資產；樹種食用材料作為農作物的補充，可提高人們的生活質量。根據層次分析法的要求，準則(一級指標)建立判斷矩陣獲得的權重結果詳見表2。經過對層次分析網絡第四梯次、第三梯次和第二梯次的評價后的總體情況判斷，醫(yī)藥價值、食用價值、生態(tài)價值和工業(yè)價值內二級指標建立判斷矩陣后權重結果詳見表3、表4、表5和表6。

將所有珍貴樹種分析評價的準則(一級指標)與二級指標權重值相乘，得到每個二級指標的最終權重值，對其進行權重總排序，詳見表7。

2.3 珍貴樹種的確定

2.3.1根據層次分析法網絡構架圖第一梯次進行權重運算匯總

將所有候選樹種的價值情況根據獲取表7中各分項的權重值并相加，獲得各個樹種的總權重值情況。所有樹種權重值以“一級食用價值”的權重值“0.085 648”為參照，大于此值者暫列為珍貴樹種，并進行珍貴樹種聚類分級，其余權重值小于0.085 648的樹種列為具有一定經濟價值的樹種，不再列為珍貴樹種。通過聚類分析綜合確定權重值在0.274 385以上的為一級珍貴樹種，權重值在0.136 513～0.258 471之間的為二級珍貴樹種，權重值在0.118 499～0.125 322之間的為三級珍貴樹種，權重值在0.085 648～0.110 122之間的為四級珍貴樹種，權重值在0.085 648以下的為具有一定經濟價值的樹種。

一級珍貴樹種即極具經濟價值和科研價值的樹種種類，主要包括在藥用價值、工業(yè)價值、生態(tài)價值和食用價值中的三類或三類以上的價值，而每一類價值都十分突出。代表樹種有柘樹、北枳椇、核桃楸、黃檗、側柏、垂柳、槐樹、花椒、沙棗、柿、葛藤、香椿、月季、水榆花楸、秋子梨和山楂共16個樹種。

二級珍貴樹種即具有極大經濟價值和科研價值的樹種種類，主要包括在藥用價值、工業(yè)價值、生態(tài)價值和食用價值中的二類或二類以上的價值，其中有一類以上的價值表現十分突出，且多類價值現象較多。列入河北省二級珍貴樹種的有天女花、沙棘、桑、刺五加、水曲柳、青檀等共120種，詳見表8。

三級珍貴樹種即具有很大經濟價值和科研價值的樹種種類，主要包括在藥用價值、工業(yè)價值、生態(tài)價值和食用價值中的二類或二類以上的價值，其中有一類以上的價值表現十分突出，代表樹種有紅樺、無梗五加、鐵腳鐵線蓮、草麻黃、毛山楂、尖葉白臘、西北栒子、多花胡枝子和旱榆共計9種。

表6 工業(yè)價值二級指標間相互權重

評價一級工業(yè)價值二級工業(yè)價值三級工業(yè)價值四級工業(yè)價值相對權重評價排序一級工業(yè)價值11.985.196.780.5191二級工業(yè)價值1/1.9813.735.130.3172三級工業(yè)價值1/5.191/3.7312.010.1023四級工業(yè)價值1/6.781/5.131/2.0110.0624

注：CI=0.01<0.1，符合一致性檢驗要求。

表7 權重總排序

指標相對權重評價排序指標相對權重評價排序一級醫(yī)藥價值0.1211801一級生態(tài)價值0.0950003二級醫(yī)藥價值0.0894254二級生態(tài)價值0.0666009三級醫(yī)藥價值0.0813956三級生態(tài)價值0.02960012四級醫(yī)藥價值 0.0730007四級生態(tài)價值0.00880016一級食用價值0.0856485一級工業(yè)價值0.1157372二級食用價值0.06656810二級工業(yè)價值0.0706918三級食用價值0.03900811三級工業(yè)價值0.02274613四級食用價值0.02077614四級工業(yè)價值0.01382615

表8 二級珍貴樹種

序號樹種 權重序號樹種 權重序號樹種 權重序號樹種 權重1天女花0.258471 31爬山虎 0.206168 61榛0.16513891山花椒0.1507562山合歡0.258471 32山荊子0.20385962黑棗0.16513992歐李0.1483683鹽膚木0.258471 33核桃0.20138563枸杞0.16479393海州常山0.1479954圓柏0.255337 34衛(wèi)矛 0.200671 64中麻黃0.16470294楤木0.1436915郁李0.254348 35海棠果0.19503365六道木0.16234695扁擔木0.1436916五角楓0.249745 36旱柳0.194067 66杜松0.16234696大葉鐵線蓮0.1436917梓樹0.24929937刺楸0.19406767毛櫻桃0.16231497灰栒子0.1436918小葉錦雞兒0.249299 38杭子梢0.191871 68華北葡萄0.16231498茶條槭0.1436919灰楸0.249299 39苦參0.191914 69繡線菊0.16037699山皂莢0.14369110沙棘0.247994 40毛泡桐0.191871 70軟棗獼猴桃0.160376100漆樹0.14369111大果榆0.24571741黃荊0.19187171合歡0.160116101馬棘0.14369112蒙古櫟0.239859 42牡荊0.19187172花紅0.158648102凍綠0.14369113莢蒾0.239859 43胡枝子0.19019473暴馬丁香0.158067103野漆0.14369114桑0.23813944美薔薇0.19019474紫椴0.158067104五味子0.14177115楝樹0.23691745荊條0.18971675刺榆0.158067105蠟梅0.13960016臭椿0.232259 46皂莢0.18969276文冠果0.156754106迎紅杜鵑0.13960017刺玫薔薇0.231067 47金絲桃0.18778077黃連木0.156339107錦雞兒0.13960018天目瓊花0.231067 48栓皮櫟0.18593978棗(含無刺棗)0.156339108遼寧山楂0.13960019稠李0.231067 49楸樹0.18269979流蘇樹0.155914109花木藍0.13929920麻櫟0.229339 50山楊0.17629980葛藟0.153394110鵝耳櫪0.13929921刺梨0.225248 51小葉白蠟0.17352681刺五加0.152726111小葉楊0.13929922黃刺玫0.222939 52省沽油0.17329182烏蘇里鼠李0.152491112牛迭肚0.13799423大葉白蠟樹0.22147153接骨木0.17074183蒙椴0.152491113青楊0.13729124杏0.220694 54鼠李0.16891684蒙桑0.152491114黃櫨0.13729125山葡萄0.219059 55南蛇藤0.16891685圓葉鼠李0.152491115水曲柳0.13729126檉柳0.21868656槲櫟0.16685986構樹0.152491116青檀0.13729127黑樺0.218313 57蒿柳0.16685987牛奶子0.152248117樹錦雞兒0.13729128遼東楤木0.212647 58油松0.16269188板栗0.152086118青榨槭0.13729129毛白楊0.212299 59欒樹0.16569189榔榆0.152086119華桑0.13725930繡球繡線菊0.206168 60毛榛0.16513990連翹0.150780120楓楊0.136513

四級珍貴樹種即具有較大經濟價值和科研價值的樹種種類，主要包括在藥用價值、工業(yè)價值、生態(tài)價值和食用價值中的一類或一類以上的價值，其中有一類以上的價值表現十分突出。列入河北省四級珍貴樹種的有河北核桃、槲樹、一葉荻、苦木等共計33種，詳見表9。

2.3.2數據準確性的核實

為保證判斷數據的準確性，從整個珍貴樹種層次分析網絡中選取不同層級的園林綜合價值、木材直接利用價值、造紙價值和醫(yī)藥價值的數據作為網絡節(jié)點數據進行驗證并將結果發(fā)表在《林業(yè)科學研究》 《林業(yè)實用技術》 《中華紙業(yè)》和《2012中國科協(xié)年會第6分會場論文集》上。

3 結 論

通過計算機編程實現的層次分析法模塊，對珍貴樹種的指標權重進行分析評價，并通過普查數據結合KBE技術獲得當前179種河北省野生鄉(xiāng)土樹種珍貴情況的綜合權重值，應用SPSS軟件對其進行綜合數據聚類分析，得出了分為四級時各野生鄉(xiāng)土樹種的分類情況，為下一步對河北省野生珍貴植物種質資源的保護利用和珍稀瀕危評價奠定基礎。隨著對河北省野生鄉(xiāng)土樹種的珍貴情況研究的不斷深入和KBE技術的智能推理功能逐漸完善，河北省野生鄉(xiāng)土珍貴樹種將會得到更多更好的體現，野生鄉(xiāng)土樹種的各種用途將會得到跨越式的可持續(xù)發(fā)展。

表9 四級珍貴樹種

序號樹種 權重序號樹種 權重序號樹種 權重1太平花0.11012212杜梨0.10029123雞桑0.0914672水栒子0.11012213葛蘿槭0.10029124朝鮮柳0.0914673河北核桃0.10969914小紅柳0.10029125青麩楊0.0914674短梗胡枝子0.10969915大葉小檗0.09822526茅莓0.0894255錦帶花0.10560816一葉荻0.09574627小葉丁香0.0893466毛梾0.10560817皂柳0.09574628河北楊0.0893467蝙蝠葛0.10260018絨毛胡枝子0.09574629樺葉莢蒾0.0893148美麗胡枝子0.10260019苦木0.09574630豆梨0.0893149小青楊0.10029120大花溲疏0.09500031金露梅0.08919410槲樹0.10029121野花椒0.09377632石蠶葉繡線菊0.08737611虎榛子0.10029122粉枝柳0.09146733北京忍冬0.087376