深入研究壳斗科森林的生态系统体系，不仅对壳斗科的系统演化和生态服务功能的研究有重要意义，而且也是理解北半球森林植物区系的起源结构和森林可持续发展过程的一把钥匙，本文是农业论文发表，对两种壳斗科树种人工林生态效益进行探讨。
摘要：以广西良凤江国家森林公园壳斗科(Fagaceae)人工林为研究材料，选择10个生态指标，通过灰色多层次模型及主成分分析，建立壳斗科两种树种人工林生态效益评价体系。在选择的青钩栲人工林和麻栎人工林生态综合评价得分中，得出青钩栲人工林的两个准则层指标：森林地力权重(0.567 8)和土壤权重(0.457 8)均高于麻栎人工林;青钩栲人工林生态效益价值得分(5.512 5)比麻栎人工林(1.322 3)高。表明该生态系统评价体系能衡量人工林树种直接生态价值，对森林生态系统评价具有指导意义，可为今后生态系统研究提供理论依据。
关键词：农业论文发表,壳斗科(Fagaceae),人工林,生态效益,灰色多层次分析,生态系统评价体系
壳斗科(Fagaceae)又名山毛榉科，广泛分布于温带、热带、亚热带森林，是北半球热带、亚热带和温带森林的主要树种，并为最大的、最重要的木本植物之一，共8属1 047种，是针阔混交林和常绿阔叶林的重要成分[1-3]，在北半球森林生态系统中有着举足轻重的作用[4]。森林生态系统服务功能是指森林生态系统与生态过程所形成及所维持人类赖以生存的自然环境条件与效用[5]。
自19世纪50年代以来，世界多个发达国家分别开展了各自国家的森林效益评价研究，中欧国家是对森林的生态效益进行评价最早的地区，率先对森林涵养水源方面的效益进行了评价，随后逐步扩大到防护、生活、环境效益。前苏联、日本等国专家对森林生态效益的公共性进行了较为深入的研究并进行了一定程度的效益评价[6-9]。我国生态效益评价起步较晚，20世纪80年代国内学者对林生态系统与环境保护关系的探讨[10]拉响了森林生态系统研究热。进入21世纪，生态系统体系评价研究得到飞速发展，国内学者就涵养水源、保护土壤中的生态功能作用，森林生态系统应对气候变化的反馈机制，生态系统健康、生态系统管理研究等展开了探讨[11-13]。近年来，随着效益评价应用于壳斗科树种，壳斗科树种人工林生态系统研究引起了广大学者的关注[14-16]。
然而国内外学者就壳斗科人工林的生态系统评价体系的研究尚未见报道。为此，以广西良凤江国家森林公园壳斗科树种为研究材料，在运用青钩栲、麻栎两种树种人工林生物量、植物多样性、碳储量、土壤理化性质等生态指标的基础上，采用灰色多层次模型、主成分分析法确立两个人工林的主要生态影响因子，计算及比较评价其人工林的生态效益，以期为壳斗科人工林生态系统研究提供理论依据。 1 评价指标体系的建立
1.1 试验地状况
试验地位于广西南宁市南面，北纬22°34′31″-22°46′51″，东经108°15′14″-108°22′22″，属南亚热带季风气候，冬短夏长，年平均气温21.6 ℃，年均降雨量1 280 mm以上，且多集中在5～9月，年无霜期达342 d。试验地平均海拔346 m，平均坡度约25°，以第三系、泥盆系的地层为主，土壤则由该地层中的不同母岩和母质发育而成，以赤红壤居多，土层平均厚度80 cm以上。收集27 a生人工林野外调查数据作为试验数据，其中试验地种植密度均为800株/hm2，后期抚育均相同。
1.2 评价指标体系的建立与指标含义
不同壳斗科树种人工林生态效益评价是通过各项生态效益指标的高低来评价生态效益平衡的一个过程。对不同壳斗科树种人工林生态指标的选取在森林地力方面主要从生长、植物多样性、营养元素固定等方面进行，如树高、胸径、生物量和植物多样性、碳储量等;在林地土壤性质方面选取土壤含碳量、土壤含氮量、土壤孔隙、土壤通气和土壤持水量等指标。按照体系建立原则初选共取10个指标进行生态效益评价，两树种人工林生态效益评价的指标详见表1，试验数据均由广西良凤江国家森林公园野外调查提供。
2 评价模型和权重确定
2.1 建立评价模型
由于生态效益评价初选指标因素较多，可能存在因素选定的不确定性和模糊性，因此，采用灰色多层次评价模型进行生态效益评价。灰色多层次评价模型是一种多因素评价模型，其优点在于既能够评价出综合结果，又能得到各子系统的评价结果;另外，其评价结果能够依据各因素数列曲线形状的接近程度做发展态势分析，曲线越接近，相应序列之间的关联度越大;反之，相应序列之间的关联度越小。
基于灰色多层次评价模型，从森林地力和林地土壤两个方面对不同壳斗科树种人工林生态效益进行评价。这样组成的一组参考数据就是一组最优指标，能够更加全面地反映人工林生态效益各指标最优值。评价过程如下[18]：
①确定参考数列P0和比较数列Pi：
P0={P0(1)，P0(2)，…，P0(10)}
Pi={Pi(j)|Pi=1，2，…，10}，(i=1，2，…，n)
②规范处理后得到Cij和新矩阵：
Cij=■，i=1，2，…，n;j=1，2，…，n
式中，Cij为规范处理以后第i树种第j个指标的标准值，Pimin是第y个指标的最小值，Pimax是第j个指标的最大值。
③计算关联系数εij：
εij=■i=1，2，…，n;j=1，2，…，10
式中，εij是第i个树种比较曲线标准值ε与参考曲线标准值P0的相对差值，这种形式的相对差值成为ε标准值间的关联系数。ρ为分辨系数，ρ∈[0，1]能够减少极值对计算的影响。分辨系数ρ一般取0.5。
④计算灰色综合评判结果：
Eki=■Wj×εij，i=1，2，…，n;j=1，2，…，10;k=1，2
Ei=■Wk(■Wj×εij)，i=1，2，…，n;j=1，2，…，10;k=1，2
式中，εij表示第i树种第j指标与参考指标的关联系数;Wj表示第i树种第j指标的权重;Wk表示第i树种第k层的权重;Eki表示第i树种当k= 1，2时森林地力、土壤的分数;Ei表示第i树种的人工林生态效益总分值。如果Eki越大，则森林地力和土壤与最优指标P0越接近，则其水平越高;如果Ei越大，则所得总分越高，人工林生态效益也就越高。据此排列出不同壳斗科人工林生态效益的优劣次序。
2.2 确定指标权重
选择熵值法计算各个指标权重，它是一种客观的赋权方法;通过计算指标的信息熵，根据指标数值之间的变化规律，以指标数值之间的差异大小来衡量指标对系统的影响，其差异程度越大，则权重越重。该方法在评价对象数目较多、指标体系较复杂时具有明显优势，并且在确定权重时能够减少主观赋权带来的主观性，更具客观性和科学性。
①将各指标规范化，计算第i年第j种指标值的比例Rij：
Rij=■，i=1，2，…，n;j=1，2，…，14
②计算第j项指标的熵值Hj：
Hj=■，i=1，2，…，n;j=1，2，…，10
③计算第j项指标的差异系数Gj：
Gj=1-Hj，j=1，2，…，10
④计算各指标的权重Wj：
Wj=■， j=1，2，…，10
式中，Rij是指第i树种第j指标值所占该指标总值的比例;Pij是指第i树种第j指标的具体值;Hj是指j个指标的熵值;Gj是指第j指标的差异性系数;Wj是指j个指标的权重。
2.3 评价标准
根据评前人评价结果，参考其他人工林的评价模式[19]等级标准进行修正，最后将研究对象林分生态效益水平划分为4个等级(表2)。
3 评价结果分析
结合不同壳斗科人工林生态效益特征，选取10个指标值，将此10个指标值代入熵值法模型求取权重，结果见表3和表4。
经过计算，分别得到不同壳斗科树种人工林森林地力效益、土壤效益和综合生态效益总体分数值。不同壳斗科树种人工林生态效益评价体系总体如表5。通过对不同壳斗科树种人工林生态效益特征变化分析发现，不同“森林地力”效益、“土壤”效益和综合生态效益变化态势为青钩栲大于麻栎，表明青钩栲人工林生态效益要优于麻栎人工林。青钩栲人工林“森林地力”效益占总体评价中权重0.567 8较高，决定性高。
由不同壳斗科树种人工林生态效益评价标准等级能够判断人工林生态效益水平。胸径和碳储量两个森林地力指标在不同壳斗科树种人工林总体生态效益都处于中等水平，森林地力指标树高、生物量和植物多样性均处于高水平。而土壤的5个生态指标的效益衡量指数均大于0.5达到较高水平。表明土壤指标在不同壳斗科树种人工林生态效益评价标准体系中准确度较高，评价水平较高。 4 人工林生态效益的影响因素
确定27 a生的青钩栲人工林和麻栎人工林的生态效益影响因子，主要通过主成分分析找到一个包含最佳变量的子集合，使其所包含的变量能反映总体的结构，并通过因子简化塑造出合理的规律和有效的模型。
4.1 壳斗科两树种人工林综合效益指标主成分分析
主成分分析是把多个指标化为少数几个综合指标的一种统计方法[20]。由表6可知，第一主成分的贡献率为52.292%，第二主成分为24.774%，累计贡献率达到了77.066%，第三主成分贡献率为12.657%，累计贡献率达到了89.723%。因此，可以得到第一主成分、第二主成分和第三主成分较能体现研究林分的各项指标与综合效益之间的关系。
由表7可以看出，第一主成分主要包括胸径、碳储量、土壤含碳量、土壤含氮量、土壤孔隙、土壤通气，它们具有较大的载荷，分别为0.976 8、0.951 9、0.986 2、0.997 9、0.803 9、0.968 7。第二主成分是树高和生物量，其载荷分别为0.917 0和0.982 6。第三主成分在土壤持水量上的载荷为0.586 9。三个主成分用y1、y2、y3表示，则表达式分别为：
y1=-0.338 3x1+0.976 8x2-0.169 7x3-0.702 8x4+0.951 9x5+0.986 2x6+0.997 9x7+0.803 9x8+0.968 7x9+0.494 7x10
y2=0.917 0x1+0.144 6x2+0.982 6x3-0.059 5x4+0.248 8x5+0.079 9x6-0.060 4x7+0.590 3 x8-0.122 7x9-0.640 9x10
y3=0.211 2x1+0.158 0x2+0.075 7x3+0.708 8x4+0.178 8x5+0.144 7x6-0.025 1x7+0.073 5 x8-0.215 8x9+0.586 9x10
4.2 林分效益主成分综合评价
壳斗科两树种人工林的生态效益受到了众多因素制约，且每个因素之间都存在相关性。因此，要综合评价这两种人工林的综合效益必须运用多个指标，才能使综合评价的结果更符合实际。结合分析过程中选定的特征值，对主成分进行评分。
根据表6得知，在前三个成分中已包含了总数据量的89.723%，表明在主成分分析过程中已经将所有影响成分归类为三个主成分进行比较评价。因此，仅需要对三个主成分展开综合评价，且此次主成分分析可靠度达到了89.723%。依据主成分评价得分(表8)，结合主成分分析结果，构建综合评价方程[21]：
IFI=■
式中，IFI为评价指标综合得分;aj为主成分贡献率;yj为主成分得分。
27 a生青钩栲人工林和麻栎人工林生态效益综合评价结果见表9。生态效益结果为青钩栲>麻栎。其中，青钩栲人工林第一主要成分得分值均高于第二和第三主成分，表现出了第一主成分因子对其的决定系数较高，决定性强，IFI高。因此，得出青钩栲人工林在27 a人工经营期内生态效益高于人麻栎工林，更适于当地种植，生态价值较高。
5 小结
通过主成分分析及灰色多层次模型，对包含两个准则层的10个生态指标建立壳斗科两树种人工林生态效益评价体系。两种人工林生态综合评价中，青钩栲人工林的总生物量、森林地力权重(0.567 8)、土壤权重(0.457 8)和碳储量(132.26 t/hm2)均高于麻栎人工林;青钩栲人工林生态效益评价得分(5.512 5)高于麻栎人工林，青钩栲人工林在水源涵养功能上较好。
在对研究的两树种人工林生态效益评价中，通过灰色多层次模型对树高、胸径、生物量和土壤理化性质等多个生态指标进行分析，得出青钩栲人工林的森林地力和土壤两个准则层指标均高于麻栎人工林，同时，青钩栲人工林综合评价得分也高于麻栎人工林，表明青钩栲人工林生态系统生态价值较高，种植青钩栲在防护、水源涵养功能上发挥较好，在生态效益用途上，青钩栲林分较麻栎林分高，青钩栲人工林能更较好地促进生态平衡，提高生态效益。同时，表明该生态效益评价系统具有较高的科学理论依据。
参考文献：
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《河南农业大学学报》(双月刊)创刊于1960年，是河南农业大学主管、主办的综合性农业学术期刊。主要刊登：有关作物遗传育种、作物栽培、动物科学与动物医学、园艺科学、农业经济与贸易、资源与环境科学、农业工程以及基础学科的学术论文、研究简报以及文献综述等。读者对象：为国内外科技工作者、高等院校师生等。本刊为中国期刊方阵来源刊，ASPT来源刊，中国期刊网来源刊，2008版核心期刊。
