基于層次分析法的森林健康狀況評價研究

董金茂，崔一民

(1.包頭師范學(xué)院數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014030；2.西安文理學(xué)院信息工程學(xué)院,陜西 西安 710065)

森林作為自然可再生資源，具有調(diào)節(jié)氣候、固碳含氧、凈化空氣的作用，為社會發(fā)展和人類生存做出了突出貢獻。而森林健康程度決定了森林生態(tài)系統(tǒng)功能能否正常發(fā)揮[1]。相關(guān)研究指出，森林健康是在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能完善的同時保證生態(tài)系統(tǒng)平衡的必要條件[2]。隨著社會的發(fā)展，森林資源不斷遭到破壞，森林健康也引起更多的重視，針對森林健康狀況的認識和評價也得到多方關(guān)注和研究[3-4]。如德國在上世紀(jì)針對森林活力銳減，森林大面積死亡問題，開啟了對森林健康狀況的檢測和評價[5]；歐美各國也提出了以生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)來表征森林健康，給出了森林評價的系統(tǒng)活力、恢復(fù)活力和系統(tǒng)組織三大評價指標(biāo)[6]；國內(nèi)針對森林健康的研究較晚，高均凱等對我國的森林健康背景和現(xiàn)狀進行了調(diào)查研究，并做了報告[7]；李敦起等從森林可持續(xù)性、結(jié)構(gòu)性和生產(chǎn)力方面構(gòu)建了健康評價指標(biāo)，給出了健康等級的對策和建議[8]；譚三清等采用復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)和綜合指數(shù)法構(gòu)建了森林指標(biāo)體系的評價監(jiān)測體系[9]。

目前我國的森林資源在區(qū)域上表現(xiàn)出典型的差異性，且森林健康評價的關(guān)聯(lián)性也不足，基于此，本文以沿海某省為出發(fā)點，針對該地區(qū)的森林健康關(guān)聯(lián)因素進行分析，以期獲得該地區(qū)森林資源健康的綜合評價結(jié)果。

1 研究地概況

A省位于我國南方沿海地區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，水熱條件良好，年均溫20～ 25℃，年降水量 1 600 mm。2018年全省總森林面積 1 120 萬 hm2，森林覆蓋率達61.2%，森林蓄積量5.83億 m3，其中維管束植物262科，350屬，4 600 余種。全省森林主要以人工純林為主，幼林比例高，森林質(zhì)量較低，生態(tài)系統(tǒng)處于恢復(fù)重建中。因此，對其森林資源保護和可持續(xù)經(jīng)營具十分重要的實踐意義。

2 森林健康評價分析

2.1 指標(biāo)體系

森林健康指作為一個整體，森林保持良好更新并能夠發(fā)揮生態(tài)服務(wù)功能。根據(jù)森林健康定義，選擇評價指標(biāo)需要滿足地域森林生態(tài)環(huán)境的自然屬性以及該地區(qū)森林健康的自身特性和地域?qū)傩?。目前森林健康指?biāo)主要包括森林結(jié)構(gòu)完整度、生長量、采伐量、物種多樣性、林況等，具體包括了地區(qū)的森林覆蓋率、林種比例、物種多樣性、地勢、土壤、水網(wǎng)。本研究采用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件，結(jié)合指標(biāo)的操作性和可獲取性，對指標(biāo)體系進行篩選，確定最終的指標(biāo)體系如表1所示。在指標(biāo)體系中，結(jié)構(gòu)性風(fēng)險是衡量森林自身健康狀態(tài)，功能性風(fēng)險是健康度的反應(yīng)，森林環(huán)境指標(biāo)是影響健康資源的條件因素。

表1 A省森林健康評價指標(biāo)

2.2 指標(biāo)權(quán)重的確認

目前應(yīng)用較多的指標(biāo)權(quán)重法包括層次分析法、熵權(quán)法、德爾非法等[10]?？紤]到層次法的主觀性，以層次分析法為基礎(chǔ)，引入熵權(quán)法對層次權(quán)重系數(shù)進行修正，獲得經(jīng)過修正后的各指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，權(quán)重系數(shù)修飾公式為：

λi=Ui×a+wi×(1-a)

(1)

式中：a為系數(shù)值，取為0.5；Ui為熵權(quán)法權(quán)重系數(shù)；wi為層次分析法的權(quán)重系數(shù)，為指標(biāo)的綜合權(quán)重系數(shù)。

建立以A為判斷準(zhǔn)則的B1、B2、B3兩兩判定矩陣，以B為判定準(zhǔn)則的C1、C2……C15判斷矩陣，結(jié)合各級指標(biāo)，根據(jù)AHP問卷調(diào)查，選擇林業(yè)研究人員、林業(yè)管理人員組成專家組，對各指標(biāo)進行重要性賦值，并采用平均一致性指標(biāo)(RI)判定矩陣一致性比例(CR)，獲得森林資源健康評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)(表2)。

2.3 評價模型

考慮到選擇的評價指標(biāo)涉及到定性和定量2個方面，存在難以量化問題，本文采用模糊綜合評價法將定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定量化問題，對多因素制約對象進行整體評價。首先確定判斷因子論域指標(biāo)體系：U={u1,u2,u3…un}，其中ui為具體指標(biāo)；確定評語論域：V={v1,v2,v3…vn}。建立因子論域U和評語論域V的模糊關(guān)系矩陣R：

表2 評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

其中rij為引子論域第i個因素xi對于V中第j個等級隸屬度。

確定權(quán)重值和模糊關(guān)系矩陣R后，建立數(shù)學(xué)評價模型B=W×R。對各級指標(biāo)進行打分，進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2.4 隸屬度函數(shù)選擇

根據(jù)指標(biāo)體系的正負效應(yīng)，建立評價的隸屬度函數(shù)，對于與評價優(yōu)劣成正相關(guān)的采用正效應(yīng)隸屬度函數(shù)，反之為負效應(yīng)隸屬度函數(shù)。將調(diào)查數(shù)據(jù)代入到對應(yīng)隸屬度函數(shù)，獲得各指標(biāo)的4個等級隸屬度(表3)。通過隸屬度進行高一級指標(biāo)評價。

表3 指標(biāo)隸屬度矩陣

2.5 評價結(jié)果與分析

根據(jù)模糊評價模型獲得高一級指標(biāo)的隸屬度矩陣，記做為Ct(t=1,2,…,1.5)，由模型B=W×R獲得二級準(zhǔn)則層B1、B2、B3，具體為：

=(0.105 3 0.304 6 0.157 2 0.425 7)

同樣獲得B2=(0.014 4 ,0.145 6,0.145 7,0.054 7)，B3=(0.263 2,0.145 3,0.034 6,0.063 5)。由矩陣(B1,B2,B3)得到一級判斷矩陣A=W×B=(0.360 5,0.245 6,0.093 5,0.024 6)。由于森林健康評價尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文根據(jù)森林結(jié)構(gòu)和功能特點，將森林健康度劃分為優(yōu)質(zhì)、良好、合格和不合格4類，對應(yīng)的類別權(quán)重值分別為[0，0.2)、[0.2，0.4)、[0.4，0.6)、[0.6，0.8)、[0.8，1.0]。根據(jù)等級劃分和權(quán)重值對應(yīng)關(guān)系，確定森林健康等級。

由最大隸屬度原則可以看出，A最大值為 0.360 5，對應(yīng)的評價等級為良好級，即該省的森林資源呈現(xiàn)出一個良好狀態(tài)，表明森林生態(tài)系統(tǒng)較好，森林群落、物種資源相對較好，能夠支撐該地區(qū)的社會生態(tài)環(huán)境開發(fā)和利用。

在二級評價指標(biāo)中，森林結(jié)構(gòu)完整性程度較低，主要是林種結(jié)構(gòu)和林齡結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷，天然林較少，今后需要對林種結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)調(diào)整，以期獲得可持續(xù)發(fā)展。而森林功能性和環(huán)境性風(fēng)險均較低，為目前的發(fā)展需求提供了基礎(chǔ)，對氣候環(huán)境具有較好的調(diào)節(jié)作用。

3 結(jié)論

1)構(gòu)建了A省森林健康評價指標(biāo)體系，包括三大類15個指標(biāo)。通過層次分析法和熵權(quán)法對該地區(qū)森林整體狀況進行評價，全省森林整體處于良好狀態(tài)，能滿足目前的社會生態(tài)環(huán)境發(fā)展需求。

2)二級指標(biāo)中，森林結(jié)構(gòu)完整性程度較低，主要是林種結(jié)構(gòu)和林齡結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷，天然林較少，今后需要對林種結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)調(diào)整，以期獲得可持續(xù)發(fā)展。