基于AHP 的濟南南部山區人居林生態脆弱性評價

夏甜甜，王京玉

（山東建筑大學建筑城規學院，山東 濟南 250100）

0 引言

森林面積銳減、水土流失荒漠化、生物多樣性減少等一系列環境問題已是當今世界共同面臨的難題[1]。全球極端氣候的頻繁出現以及人類活動的大幅增加加劇了區域的生態環境問題[2-3]，區域生態環境脆弱性因子評估研究則愈發重要[1]?？茖W有效地認識生態環境的脆弱性并對其進行針對性的研究可為區域的可持續發展、生態重建、資源管控和生態環境的綜合評價提供參考依據[1]。生態脆弱性是生境保護和恢復過程中進行評估和監測的重要衡量指標[4]。早在20 世紀70年代，Timmerman[5]就提出了生態脆弱性的概念，此后的研究中IPCC[6]則認為生態脆弱性是生態系統在面對外部壓力時系統變化的評估以及其變化所造成的影響后系統對變化的敏感性和適應性評價。針對生態脆弱性，國內外學者提出了一系列的評價模型框架，受研究對象差異性影響，不同生態系統脆弱性原因不同，故評價模型和指標選擇不盡相同，不同評價方法與研究對象的適用性是最終影響研究結果的關鍵因素[7]。

層次分析法是一種定性與定量相結合綜合運用多種因素進行分級處理確定權重的分析方法。近年來針對山區丘陵，江河湖泊等生態脆弱性評價研究相對豐富，但是涉及人居林的生態脆弱性研究相對較少。在環境問題突出、缺乏監管和保護的鄉村地區人居林的消退極為嚴重[8-11]。據此對環境問題突出的區域進行人居林的生態脆弱性研究可對生境的恢復和可持續發展具有一定的指導意義。濟南南部山區是濟南市的水源涵養地及“城市綠肺”，對城市的可持續發展具有長遠的戰略生態意義[10]?；诖吮疚脑谝酝芯康幕A上，將南部山區人居林作為主要研究對象，采用層次分析法（AHP, Analytic Hierarchy Process），并根據實地調研后不同區域的生態差異和植被狀況，科學合理地選取評價指標，建立評價模型對人居林進行脆弱性評價，以便對人居林分布模式進行系統化和分級化管理，進一步保證人居林生態系統的可持續性，同時為區域因地制宜開展生態修復工作提供基礎信息[12]，也為研究生態脆弱性和生態平衡可持續發展提供借鑒。

1 研究地概況

濟南市位于36°01′～37°32′N，116°11′～117°44′E，南部山區位于濟南市歷城區南端，典型的溫帶季風氣候，冬冷夏熱、四季分明，年平均降水量671.1 mm 左右，年平均氣溫14.7℃，區域內人居林平均海拔高度為438.5 m，最低海拔3 m，最高984 m。截至2021 年9 月，南部山區轄區常住人口20.43 萬人，旅游景點43 個，游客人流量較大。由于區域內地形條件復雜，且受人口密集、活動頻繁、發展旅游業等各種人為因素影響，致使區域內植被類型趨于單一，植被結構退化嚴重，人居林面積呈縮小趨勢，整體生境呈退化狀態?；诖吮狙芯窟x取南部山區旅游規劃發展區內的20 個景區與村落，在空間上主要分布在仲宮、柳埠、西營三個片區，其中西營6 處、柳埠9 處、仲宮5處，分別占比30.0%、45.0%、25.0%。

2 評價指標選取和模型構建

2.1 評價指標及數據來源

為了提出人居林的生態保護修復戰略和可持續利用標準，對影響人居林生態脆弱性的因素進行權重評價。本研究依據研究對象的差異性影響采用AHP 評價方法，從影響人居林生態脆弱性的結構和功能性的兩方面進行考慮，在指標選取上參考王建軍等[13-18]的方法，結合實地調研后濟南南部山區人居林不同區域的生態差異和植被狀況，最后綜合利用德爾菲法在相對統一的原則上，經過4 輪的信息收集整理15 位專家打分進行指標篩選。評價指標體系設置目標層、準則層、指標層共計3 個層次, 其中指標層又拆解進行了指標項的細分。指標層包含植被結構的變化、潛在自然植被（PNV, Potential Natural Vegetation）的完整性、區域面積縮小、地形變化、生長環境變化、硬面壓力等6 個方面，以及23 個指標項，形成相互不重復的獨立因素，以此構建評價體系詳見表1。

表1 人居林脆弱性評價模型

2.2 評價方法及模型構建

通過對指標篩選，確定人居林生態脆弱性評價模型。主體分別由目標層（A）、準則層（B）、指標層（C）、三部分構成，通過將問題層層分解形成相互關聯的各個有序的層次，然后對問題進行分析拆解形成指標項以此進行評價，對所得到的各指標，綜合按層次結構排列后進行構建模型（表1）。

建立評價模型后在篩選指標的9 名專家中繼續對其進行問卷調查，并進一步確定各指標因子，并將得到的數據進行處理構建各個層次指標相對重要性的判斷矩陣, 計算出相應的權重值, 通過判斷驗證各層次指標通過一致性檢驗，計算各因素所占權重以評價人居林的生態脆弱性，其具體步驟如下：

（1）確定人居林生態脆弱性的影響因素，建立層級結構模型：影響因素提取，根據隸屬和交叉關系分成不同層級，進行屬性聯接，將指標聚合成遞進的層次結構模型。

（2）構造判斷矩陣：將指標層要素進行兩兩對比，使用1～9 標度對指標因子重要性進行賦值[19]，以此構建判斷矩陣。

（3）對矩陣進行統一處理，矩陣的最大特征值的特征向量即表示影響因素之間的相對權重，可得到各評價指標的相對權重系數。

（4）進行一致性檢驗：計算CR和CI的值，只有當CR＜0.1 時，通過一致性比率（C.R., Consistent Ratio）判定問卷回答可信[19]，視為“適當的檢驗”。

其具體計算公式為：

其中，λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為判斷矩陣的階數；CR為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標，取值規律見表2。

表2 1～9 階平均隨機一致性指標

（5）在本研究中確定指標權重后，將各個指標加權求和，逐層計算得到生態脆弱性指數，計算公式為：

其中，evi為脆弱性指數；ai為各評價指標的權重；pi為各評價指標標準化得分。

（6）利用評價項目的加權值，開發并利用了總分100 分的相對評價表，以便對人居林生態系統的脆弱性進行更為量化的評價，編制了分數表，掌握濟南南部山區人居林的現狀（表3）。

表3 人居林的生態脆弱性等級與危險度

3 研究結果與分析

3.1 指標權重計算與分析

針對影響因素所提出的指標層，進行主要評價項目的問卷分析，所得到的結果見表4。其中所有的問卷回答通過了一致性檢驗，整體平均一致性比率為0.007，顯示出很高的邏輯連貫性，因此證實是有效的。通過表4權重值的分析比率得出在人居林生態系統中區域面積的縮小是最大的影響因素，其權重值高達23.6%。其次是地形變化、生長發育環境變化、地面踩踏等壓力影響、自然植被結構變化、潛在自然植被完整性變化，其比重分別為18.1%、16.4%、14.8%、13.9%、13.3%。其區域面積縮小比潛在自然植被的完整性影響因素高出約1.7倍，故在人居林的恢復和重建中應加強對生存面積的管控。在對表4 分析的基礎上對指標項進行進一步加權，得出各要素的細部評價項目的權重（表5）。

表4 人居林生態脆弱性評價因素的權重值

表5 各評價指標的權重得分及人居林數量比例

通過表5 人居林生態脆弱性影響因子進一步分析可得：植被結構變化的4 個細部指標權重分析結果顯示，當灌木層和草本層都退化時，對森林生態系統變化的影響最高（40.8%）。其次是灌木層的退化（24.3%），草本層退化（18.6%）當植被結構沒有變化時則得到了16.4%相似的權重值，且一致性比率為0.006，檢驗通過。即植被結構退化會對人居林生態系統產生極大的影響，要維持生態系統功能的完整性和可持續性需要維持植被結構的穩定潛在自然植被（PNV）的完整性破壞程度一致性比率為0.001，結果具有很高的連貫性。根據權重分析結果顯示，PNV 的構成比越低，人居林生態系統就越脆弱。對地形地貌變化的細部權重分析結果顯示，地形地貌變化達到50%以上的時候最高權重為45.6%，而在地形變化在25%以下時的權重值與沒有地形變化時沒有太大的差異，其一致性比率為0.017。土壤環境變化的細部權重值進行分析的結果顯示，當土壤環境變化超過50%時，加權值最高（44.8%）。對踩踏效應的“強、中、弱”三個細節要素進行對比，“強”占37.3%，“中”占34.4%，“弱”相對較低的權重值為28.4%。生長環境與踩踏壓力的一致性比例分別為0.013 和0.001。綜合以上指標權重和評價結果分析可知：人居林面積縮小是導致人居林生態系統不穩定性的第一個因素，其一致性比率為0.011。面積縮小越多，權重值越高，面積縮小50%以上時為43.6%，25%～50%為25.8%，25%以下為17.7%，沒有變化的時候也會有12.9%的影響，故首先應加強人居林面積的保護。

3.2 評價指標結果及分析

在對23 個細部指標構成的6 個要素的脆弱性評價框架分析后，進一步對南部山區20 個人居林進行了生態脆弱性評價（表5）。從生態脆弱性的評價指標權重分布以及綜合評價結果來看，南部山區人居林植被結構成為影響人居林生態脆弱性的最大威脅因素，主要體現在草本層和灌木層全部退化的形態，約占45%，其中灌木層占40%，草本層占5%。在研究區20個人居林中，僅有2 處基本維持完整結構狀態約占10%。因此研究區85%的人居林灌木層的結構非常薄弱，其可持續性無法保障。而潛在自然植被（PNV)完整性的退化程度在評價結果中顯示是生態環境脆弱性影響最小的因素，對生態脆弱性的影響都比較低。在對人居林生態系統面積縮小因素評價顯示，人居林的面積縮小與人居林周邊的土地利用方式有著密切的關系。有35%（7 處）的人居林減少了原面積的25%以上，面積縮小導致人居林生態系統退化，其中有35%（7 處）維持著人居林形成初期的森林面積。地形地貌的變化是僅次于面積縮小的脆弱性評價要素。調查中未發現原地形變更50%以上的地方，但變更25%～50%的地方有1 處（5%），變化程度未滿25%的有10 處（50%），有9 處（45%）是維持固有地形的人居林。通過比分可看出地形變化會對人居林造成各種直接干擾，進一步對人居林的外形面積縮小、植被結構的簡單化和質量低下等產生很大的影響。根據評價結果顯示土壤環境的變化和踩踏是阻礙或影響樹木生長和植被恢復的重要因素。其會導致植被生長空間受限，原有的植被種子庫消失，外來植物物種入侵，致使人居林二次退化。研究區人居林生長環境不變的地方占50%（10 處），發生25%以下微弱環境變化的有4 處（20%），25%以上的較高強度環境變化的人居林有6處（30%），其影響因素主要是為提高人居林使用便利性建設活動增加直接危害其系統植被發育。其次由于踏壓導致的土壤孔隙的縮小和消失導致土壤的透氣性和透水性變差，進一步致使植物棲息地的環境質量下降，從而威脅人居林的可持續性。

目前人居林中形成的踏壓強度為“弱”的有2 處（10%），強度為“中”的有4 處（20%），影響是“強”的有14 處（70%）。結果顯示，大部分村莊的人居林都因頻繁的利用而產生了踩踏效應，由此導致生長環境質量下降。通過以上分析在研究區所選取的3 個重點片區中，西營片區村落整體人居林的生態脆弱性偏低，即自然生態環境較好。在對研究區20 處人居林生態脆弱性評價結果中顯示，6 個因素導致的人居林生態系統脆弱性平均值為45.85 分。鳳凰村的人居林處于最脆弱狀況，臥虎山和跑馬嶺的人居林基本維持自然狀態。根據圖1，人居林生態環境極度脆弱處于Ⅴ等級的人居林有1 處（5%），需制定應急方案克服生態脆弱性，可持續利用的人居林脆弱性等級為Ⅳ的有3 處（15%）。脆弱性等級為Ⅰ的人居林有2 處（10%）屬于接近自然森林，受生物要素和非生物要素的干擾影響較小，脆弱性等級為Ⅱ的有6 個地方（30%）也無須過度干預。而脆弱性等級為Ⅲ的有8 處（40%）可通過管理維持人居林可持續性，其中3 處人居林分布在脆弱性分數區間的51～55，2 處分布在41～45 分，2 處分布在46～50 分等，如圖1 基本呈正態分布格局，通過上述分析可對研究區人居林生態脆弱性生境的恢復和可持續發展提供一定的指導意義。

圖1 人居林的生態脆弱性等級分布

4 結論與討論

本研究通過層次分析法選取濟南南部山區人居林作為研究對象建立評價指標體系綜合評價其生態脆弱性。根據結果分析可得，南部山區人居林植被結構退化嚴重，且植被結構質量低下，公共利用空間大部分的人居林由古大樹組成。從長遠角度來看，人居林的結構性復原具有必要性，需建立區域潛在自然植被組成多層植被結構從而保證可持續發展。其次從評價結果可以看出調查地原生性人居林幾乎占一半，僅憑適應地區環境條件的潛在自然植被就形成了人居林。其他植被結構占比較低，考慮到景觀的歷史演替和鄉村土地利用的行為發展過程，鄉村人居林的這種以原生性人居林為主的自然性保護手段是值得倡導的。相反，近30%的人居林，由于認知管理方法和利用形態的變化，組成樹冠層的樹木種類發生了很大變化，需要制定相應的生態應對戰略。對人居林生態系統面積縮小因素進行評價發現，由于與傳統人居林相關歷史文化的消失和認知不足、以利用為中心的人居林開發壓力等，導致人居林的面積在不斷縮小。因此，需要對人居林開發利用的自主范圍進行設定。同時需要對當地居民進行宣傳教育，在多方努力下，共同完成保護工作。

通過建立評價指標體系對長期威脅人居林生存的各類因素賦予權重值，確定了威脅南部山區人居林生態系統的影響因素通過評價結果分析可對脆弱性強的地區提供緊急管理方案。生態脆弱性評價指標與方法到目前為止沒有形成統一的標準及規范，本研究對人居林生態脆弱性進行評價，雖然不具有空間上的可比性，但可為生態恢復和環境建設提供一定參考依據，同時也為建立和使用國家水平的人居林保護評價體系起到一定借鑒和推動作用。