基于模糊综合评价法的天然林资源质量评价
时间：2023-03-02 23:30:04 来源：千叶帆 本文已影响人
彭泰来,黄俊威,刘金山,齐建文
(国家林业和草原局中南调查规划院,长沙 410014)
天然林指天然起源的森林,包括自然形成与人工促进天然更新或者萌生所形成的地带性森林,具有较高的生物多样性、较复杂的群落结构和较高的生态系统稳定性[1]。2019年7月,中共中央办公厅、国务院办公厅印发了《天然林保护修复制度方案》[2],要求全面落实天然林保护责任,对天然林质量、数量和效益进行监测评估。加强天然林资源质量评价研究力度,得到科学的评价数据,是反映天然林生态环境状况,动态掌握天然林资源质量变化的必然要求,能够为进一步健全天然林资源监测评估体系奠定基础。
森林质量是森林在生态、社会和经济效益方面的全部功能和价值[3],质量评价通常使用模糊综合评价法[4-10]、层次分析法[11-15]、物元分析法[16-17]、因子分析法[18-19]等方法。森林质量评价使用方法多为模糊综合评价法,该方法能有效处理难以量化的指标,将优势树种等指标加入到指标评价体系中。目前,森林质量评价使用的数据大多来自于全国森林资源连续清查数据、森林资源管理“一张图”数据和森林长期定位观测站点数据等,因受原始数据源限制,难以有效实现全国各省(区、直辖市)基于相同尺度的质量评价。随着森林资源管理“一张图”数据与第三次全国国土调查数据(以下简称“三调”)对接融合工作开展,天然林资源数据库的形成和天然林(公益林)资源年度监测的实施,具备了全国各省(区、直辖市)开展基于相同尺度的天然林资源质量评价的条件,本文以广东省天然林资源数据库为基础,合理选择评估因子,分别运用主成分分析法、层次分析法和熵值法得到各因子权重,通过模糊综合评价法,以期构建天然林资源质量评价指标体系。
1.1 数据来源
数据来源于2021年度广东省天然林资源数据库。2020年,广东省完成天然林核定落界工作,初步建立天然林资源数据库,并融入森林资源管理“一张图”。2021年,根据国家林业和草原局的部署,广东省以“三调”数据为基础,开展林草湿数据与“三调”数据对接融合工作,进一步健全天然林资源数据库。本文根据广东省构建“一核一带一区”的区域发展新格局思路,结合自然地理条件、生态环境状况和天然林资源典型特征等因素,将全省划分为4个区域:珠三角区域(广州、深圳、珠海、佛山、江门、东莞、中山、惠州、肇庆等9市),粤北区域(韶关、河源、梅州、清远、云浮等5市),粤东区域(汕头、潮州、揭阳、汕尾等4市),粤西区域(湛江、茂名、阳江等3市)。
1.2 评价指标选择
借鉴相关文献[20-23],对数据的可获得性、评价指标的可行性和实用性综合考虑,以广东省天然林资源质量为目标层,分别由3个约束层和8个评价指标来反映。如表1所示,约束层分别为天然林资源森林生产力B1、稳定性B2和立地条件B3。其中:天然林资源森林生产力分别由郁闭度(覆盖度)C1、平均胸径C2和每公顷蓄积量C3等构成；
天然林资源稳定性分别由坡位C4和坡度级C5构成；
天然林资源立地条件分别由保护等级C6、优势树种组C7和龄组C8等构成。
1.3 评价方法
模糊综合评价法是一种描述不确定性事物或对象的新型数学方式[8]。该评价法依据模糊数学的“隶属度”理论来表征模糊集合中的元素属于集合的程度,即用模糊数学对受到多项指标共同制约的事物或对象做出综合评价,并将制约条件量化表示,进行数学解答,能有效处理无法量化的、不确定的问题[9,27]。在模糊综合评价模型中,如何设计因子权重是一项重要环节,这对评价的最终结果有着显著影响[24]。通过与以往的森林质量评价研究对比[20],本文在等级划分上更详细、在赋权方法选择上更多样,分别应用主成分分析法、层次分析法和熵值法确定权重,并进行对比。
表1 天然林资源质量评价指标体系及分级表Tab.1 Natural forest resources quality evaluation index system and classification table
1.3.1明确因子集C和评价指标集V
根据广东省天然林资源质量评价指标体系,因子集由8项指标组成,即因子集C={C1,C2,…,C8}。通过参考前人的关于森林资源综合评价等领域的研究结果[25-27],拟将广东省天然林资源质量评价等级划分为4级,即评价指标集V={优,良,中,劣}。
1.3.2构建综合评价矩阵R
使用频率法计算隶属度函数,计算得出广东省天然林资源数据库中不同评价因子属于不同评价质量级别的比重,由此确定单个指标的隶属度,综合评价隶属度矩阵R如下:
(1)
式中:rnm表示第n个因子对应第m个级别的相对隶属度,n=1,2,3,…,8；
m=1,2,3,4；
R为综合评价隶属度矩阵,C为因子集。
1.3.3确定评价指标权重向量W
构建并标准化处理广东省天然林资源数据矩阵后,运用主成分分析法、层次分析法和熵值法分别进行计算[28]。其中,覆盖度指标数据由公式F处理值=0.00875×F原始值+0.00125进行转换计算[7]。主成分分析法和层次分析法使用SPSS 26软件进行计算。
熵值法计算步骤:
1) 求指标j的熵值ej
(2)
式中:0≤ej≤1;指标j的标准化值为pij;ej为指标j的熵值;k为待定系数,取值为k=1。
2) 求指标j的效用值dj
dj=1-ej
(3)
式中:dj为指标j的效用值;ej为指标j的熵值。
3) 求指标j的权重wj
(4)
式中:dj为指标j的效用值；
ej为指标j的熵值；
wj为指标j的权重。
1.3.4确定综合评价向量B进行综合评价
选择M(·,⊕)算子[29],求算得到综合评价向量B。广东省天然林资源质量综合评价模型为:
B=wj∘R=(b1,b2,…,bm)
(5)
式中:bm为隶属水平；
wj为指标j的权重；
R为综合评价隶属度矩阵；
B为综合评价向量。
在进行有效度检验后,可以运用最大隶属度原则确定评价结果,具体检验指标为:
(6)
式中:β=max1≤i≤m{bi}；
γ= max1≤j≤m, j≠i{bj}。当1≤α<+∞时,施行最大隶属原则达到极显著效果；
当0.5≤α<1时,施行最大隶属原则达到显著效果；
当0<α<0.5时,施行最大隶属原则效果不显著。
如采用加权平均原则,综合评价值为:
(7)
式中:B*为综合评价值；
μ(vi)为评价等级值变量；
本研究中“优”,“良”,“中”,“劣”等级分别取4,3,2,1；
k为待定系数,取值为k=1。
2.1 评价指标隶属度
基于广东省天然林资源质量评价指标体系标准,计算得到广东省天然林资源质量不同评价指标在各个评价级别上的比重(表2),从而确定单一指标隶属度,确定隶属度矩阵。
2.2 评价指标权重
运用主成分分析法、层次分析法和熵值法3种赋权方式,分别计算出不同评价因子的权重(表3)。其中,主成分分析KMO值为0.655 0,显著性小于0.05,表明数据适合使用主成分分析法；
层次分析法判断矩阵最大特征值为8.571 7,CI值为0.081 7,RI值为1.404,CR值为0.058 2,一致性验证通过。可以看出,熵值法所确定的权重离散度更高,主成分分析法和层次分析法计算得到的因子权重分布较为均衡。在部分评价指标(C2,C5,C6,C8)上,熵值法、层次分析法和主成分分析法计算得出的权重表现趋于一致,但部分指标(C1,C3,C4)表现出较大差异。通过参考过往的森林资源质量指标体系研究结果[30],C3指标表现尤为关键,是主要区分指标。因此,选用熵值法得到的权重更接近评价要求。
表2 广东省天然林资源质量评价指标隶属度Tab.2 Subordinate degree of evaluation index of natural forest resources quality in Guangdong Province
2.3 评价结果
根据评价指标权重和隶属度矩阵,计算得到广东省天然林资源质量评价结果(表4)。通过最大隶属原则有效度检验,显示熵值法、主成分分析法和层次分析法计算的评价结果有效度分别为0.364 3,0.155 5和0.348 7,由此得出熵值法有效度更好。因此,建议广东省天然林资源质量评价选取熵值法计算得到的权重,通过加权平均原则得出综合评价分值(表5)。
表3 不同方法确定的评价指标权重Tab.3 Weight of evaluation indexes using different methods
表4 广东省天然林资源质量评价结果Tab.4 Evaluation results of natural forest resource quality in Guangdong Province
表5 广东省天然林资源质量分区域 生态区位综合评价值Tab.5 Comprehensive evaluation value of sub-regions,and sub-ecological location of natural forest resources quality branch in Guangdong Province
2.4 相关性分析
将质量评估结果Z和8项指标进行相关性分析(图1),结果表明质量评估结果与郁闭度(覆盖度)、龄组具有显著正相关(a=0.01),相关系数分别为0.551和0.565,说明当郁闭度(覆盖度)、龄组指标表现越好时,质量评估结果越高。另外,质量评估结果与坡度级的相关系数最低,为0.189,说明8项指标中天然林所处坡度对质量评估结果的影响最小。
2.5 评价结果分析
评价结果显示,通过熵权法计算得到的权重,广东省天然林资源质量评价分值为2.381 8,通过参考过往的广东省公益林质量指标体系研究结果[6],总体质量水平高于“中”级,表明广东省天然林资源质量水平处于中等偏上区间。各分区中,粤北区域的天然林资源质量最优(2.421 4),粤东区域天然林资源质量评价分值相对较低(2.041 6),并且处于临界值,如果未来对其保护修复不当,一定程度上可能向更低等级发展。总体评价分值从大到小排序依次为粤北区域>珠三角区域>粤西区域>粤东区域。按生态区位对总体评价分值进行排序,国家级自然保护区、世界自然遗产>重要水库>江河两岸>荒漠化和水土流失严重地区>沿海基干林带。
图1 质量评价结果与指标因子间相关系数Fig.1 Correlation coefficient between the quality evaluation results and the index factors
1) 根据模糊综合评价法,既能准确评价目标对象,又能延伸出不同级别和层次的评价内容。如,粤北区域天然林资源面积最为广袤,保护状况较理想；
同时天然林位于自然保护区、森林公园等自然保护地或重要水库周边,能得到更为严格的保护。各评价对象的总体评价在一定程度上可以相互验证,证明本评价方法对广东省天然林资源质量的评价结果符合常识规律,具有客观性和可行性。
2) 对天然林资源质量的综合评价结果表明,影响天然林资源质量的关键因素是每公顷蓄积量、龄组和平均胸径,与综合评价结果相关性最高的2个指标分别是郁闭度(覆盖度)和龄组。依据评价结果,广东省天然林资源质量各区域总体评价值均高于“中”级。不同区域之间,粤北区域综合评价分值最高,粤东区域天然林资源相对较低；
不同生态区位之间,国家级自然保护区、世界自然遗产最优,沿海基干林带相对较低。通过对天然林资源评价指标进行分析,影响天然林资源质量的因素主要有:一是龄组结构以中幼龄林为主,在乔木林中,中幼龄林面积占比超过6成。受天然林的管控要求,天然林改造活动强度不得过高。二是每公顷蓄积量不高。广东省天然林资源数据库部分小班,尚处于群落演替早期阶段,尚未形成复层林、异龄林、混交林等相对稳定状态,降低了平均蓄积量。综上,需要以自然修复为主,恢复林草植被；
人工促进自然修复为辅,采取森林抚育、封山育林、后备资源培育等措施,人工促进自然恢复,营造复层林、异龄林、混交林等相对稳定状态；
严格控制对低产低效天然林实施改造,合理设计改造方式和强度。此外,在天然林保护范围内以造林方式开展生态保护与修复工作,应当保留原生植被。
3) 天然林资源评价指标体系还需要进一步健全。a.天然林资源在不同地区之间存在差异,需进一步健全天然林保护修复的政策保障体系和监督评价体系,建立健全天然林补偿政策和机制,提升天然林资源质量；
b.天然林资源评价指标尚不完善,仍有部分可参与质量评价的指标未被纳入,如缺少自然恢复难易性、生态环境脆弱性、物种珍稀性、群落完整性等,尚需健全天然林资源评价指标体系；
c.运用模糊综合评价法对广东省天然林资源质量开展监测评估,能够高效、科学、精确地产出评价结果,同时能对全国各省(区、直辖市)基于相同尺度开展监测评估提供参考,具有良好的应用潜力,如何利用天然林资源质量评价更好地促进天然林保护修复工作开展,发挥出天然林最佳生态功能是未来的研究重点之一。
