全 文 ：湖 北 农 业 科 学 2014 年
收稿日期：2014－01－10
基金项目：广西“十一五”研究项目（桂林科字［2009］22 号）；国家自然科学基金项目（3126012）
作者简介：邓福春（1979－），男，广西邕宁人，工程师，硕士，主要从事森林培育方面的研究工作，（电话）15676745848（电子信箱）
DengFuChun＠126．com；通讯作者，覃德文（1988－），男，广西贵港人，在读博士研究生，主要从事森林经营、森林生态和生态经济
的研究工作，（电话）13877132219（电子信箱）qin＿dw＠mail．gxu．cn。
第 53 卷第 13 期
2014年 7 月
湖北农业科学
Hubei Agricultural Sciences
Vol． 53 No.13
Jul．，2014
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］。 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。
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
基于灰色多层次分析两种壳斗科树种人工林
生态效益评价
邓福春 1，覃德文 2，黄宝榴1，秦武明 2，李东凡 2
（1．广西良凤江国家森林公园，南宁 530031；2．广西大学林学院，南宁 530005）
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：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
中图分类号：S792；S718．5 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2014）13－3094－05
Evaluating Ecological Benefits of Two kinds of Fagaceae Species Plantation Based on
Grey Hierarchy Analysis
DENG Fu－chun1，QIN De－wen2，HUANG Bao－liu1，QIN Wu－ming2，LI Dong－fan2
（1．Guangxi Liangfengjiang National Forest Park，Nanning 530031，China； 2．Forestry College，Guangxi University，Nanning 530005，China）
Abstract： Using Fagaceae species plantation of Guangxi Liangfengjiang national forest park as materials， ten ecological in-
dexes were selected to establish ecological effect appraisal systems of the two timber plantation of Fagaceae with principal
component analysis and grey hierarchy evaluation model． In comprehensive evaluation system of the two kinds of plantation ，
the scores of the two criteria layer indexes of Castanopsis kawakamii Hayata were the weight coefficient of woodland weights
of 0．567 8 and the weight coefficient of forest soil weight of 0．357 8， higher than that of Quercus acutissima Carruth． It is in-
dicated that the ecological value of the ecological system of C． kawakamii Hayata plantation （5．512 5） was higher than that of
Q． acutissima Carruth（1．322 3）． The ecological effect appraisal system could measure ecological value and provide a theoretical
basis for the future research of ecosystem．
Key words：Fagaceae； plantation； ecological benefits； grey hierarchy analysis； ecosystem appraisal system
第 13 期
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＝
Pij－Pimax
Pimax－Pimin
，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＝
min
i
min
j
|C0j-Cij|+ρmin
i
min
j
|C0j-Cij|
|C0j-Cij|+ρmin
i
min
j
|C0j-Cij|
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
表 1 壳斗科两树种人工林生态效益评价的指标体系
目标层
不同壳斗科
树种人工林
生态效益
准则层
森林地力指标
土壤指标
指标层
树高（P1）//m
胸径（P2）//cm
生物量（P3）//t/hm2
植物多样性（P4）
碳储量（P5）//t/hm2
土壤含碳量（P6）//g/kg
土壤含氮量（P7）//g/kg
土壤孔隙（P8）//％
土壤通气（P9）//％
土壤持水量（P10）//％
青钩栲
16.5
26.1
267.57
3.31
132.26
75.167
1.393
56.630
24.000
38.697
麻栎
21.3
24.2
241.07
4.01
119.33
61.317
1.162
56.773
24.843
36.100
人工林
邓福春等：基于灰色多层次分析两种壳斗科树种人工林生态效益评价 3095
湖 北 农 业 科 学 2014 年
取 0．5。
④计算灰色综合评判结果：
Eki=
10
j=1
ΣWj×εij，i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，10；k=1，2
Ei=
2
k=1
ΣWk(
10
j=1
ΣWj×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=
Pij
n
i=1
ΣPij
，i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，14
②计算第 j项指标的熵值 Hj：
Hj=
-
n
i=1
ΣRijlnRij
ln3
，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=
Gj
10
j=1
ΣGj
， 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。
表 2 壳斗科两树种人工林的生态效益评价等级标准
人工林生态效益定性水平
低
中等
较高
高
生态效益衡量指数
<0.20
0.20~0.50
0.50~0.80
>0.80
表 3 壳斗科两树种人工林的生态效益指标层权重
指标
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P8
P9
P10
综合
0.089 4
0.111 1
0.394 0
0.054 15
0.254 5
0.128 0
0.006 2
0.132 5
0.099 4
0.068 7
麻栎人工林
0.110 7
0.102 1
0.301 0
0.064 7
0.213 8
0.134 6
0.005 9
0.131 8
0.094
0.070 3
青钩栲人工林
0.068 1
0.120 2
0.394 0
0.043 6
0.295 3
0.111 4
0.006 6
0.133 2
0.104 8
0.067 2
表 4 壳斗科两树种人工林的生态效益准则层权重
准则层
森林地力
土壤
综合
0.563 9
0.442 6
麻栎人工林
0.560 0
0.427 3
青钩栲人工林
0.567 8
0.457 8
3096
第 13 期
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＝
3
j=1
Σajyj
0.897 2
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。
表 5 壳斗科两树种人工林生态效益水平
生态指标
P1
P2
P3
P4
P5
P6
P7
P8
P9
P10
定性评价水平
较高
中等
较高
较高
中等
较高
较高
较高
较高
较高
效益指标
0.643 4
0.427 5
0.750 0
0.750 0
0.466 7
0.561 7
0.644 5
0.759 0
0.723 7
0.530 1
表 6 人工林主成分分析结果
主成分
1
2
3
4
累计贡献率//%
52.292
77.066
89.723
100
贡献率//%
52.292
24.774
12.657
10.277
特征值
5.229
2.477
1.266
1.028
表 7 各主成分载荷矩阵
指标
树高（x1）
胸径（x2）
生物量（x3）
植物多样性（x4）
碳储量（x5）
土壤含碳量（x6）
土壤含氮量（x7）
土壤孔隙（x8）
土壤通气（x9）
土壤持水量（x10）
主成分 3
0.211 2
0.158 0
0.075 7
0.708 8
0.178 8
0.144 7
-0.025 1
0.073 5
-0.215 8
0.586 9
主成分 2
0.917 0
0.144 6
0.982 6
-0.059 5
0.248 8
0.079 9
-0.060 4
0.590 3
-0.122 7
-0.640 9
主成分 1
-0.338 3
0.976 8
-0.169 7
-0.702 8
0.951 9
0.986 2
0.997 9
0.803 9
0.968 7
0.494 7
表 8 主成分得分
林分树种
青钩栲
麻栎
y3
0.309 3
-0.051 9
y2
-2.041 3
3.517 4
y1
3．401
1．073 1
邓福春等：基于灰色多层次分析两种壳斗科树种人工林生态效益评价 3097
湖 北 农 业 科 学 2014 年
表 9 壳斗科两种人工林生态效益主成分评价综合得分
林分树种
青钩栲
麻栎
y3
-0.306 9
0.061 4
y2
-0.867 1
3.252 1
y1
7.059 0
0.711 7
综合评价名次
1
2
IFI
5.512 5
1.322 3
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。
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（责任编辑 王晓芳）
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