基于AHP的黄土高原乡土地被植物评价体系的建立与应用

李宇泊， 杨艳丽， 李永强， 方强恩*， 白小明

(1.甘肃农业大学信息科学技术学院， 甘肃 兰州 730070； 2.草业生态系统教育部重点实验室， 甘肃农业大学草业学院，甘肃省草业工程实验室， 中-美草地畜牧业可持续发展研究中心， 甘肃 兰州 730070)

乡土地被植物是指在当地处于天然状态的地面覆盖植物，包括草本植物和一些低矮的灌木，植株一般较低，枝叶繁茂，繁殖力强，具有较高的观赏价值[1-3]。目前，在我国城镇绿化中主要引用外来植物，这些植物普遍存在品类单一、色彩单调、群落不稳定、管护成本高等诸多问题[4]，大量外来植物的应用不但导致绿化景观趋同，“千城一色”现象严重，而且城市文化和特色也被严重削弱。由于乡土地被植物具有种类丰富、适应性广、生态功能强、景观效果独特、承载乡土地域文化等特点，近年来越来越受到关注[5-6]，尤其在当前我国新型城镇化和乡村振兴战略背景下，乡土地被植物的研究对新时期城乡景观的可持续发展和高质量建设具有重大价值[7]。

黄土高原是我国四大高原之一，包含有盆地、山地和丘陵以及黄土覆盖的高平原，生境多样，植物种类丰富，约有种子植物3 224种[8]。但另一方面，这里是我国历史悠久的农垦区，也是现代重要的重工业基地，长期受气候和人为因素影响，水资源缺乏，土地瘠薄，生态脆弱，城市绿化基础普遍较差，目前在城镇绿化中存在的突出问题有：盲目引种外来植物以求快速扩大绿地覆盖率、为加快绿化景观建设不计代价把大树从异地移栽进城[9]等等。这些极端的做法不但种植养护成本高，而且存在很多生态安全隐患。从生态、经济、人文可持续发展的角度看，对于自然条件严酷的西北黄土高原地区，应用乡土植物开展绿化景观建设无疑是一条适宜的途径。目前，许多省市区在乡土植物的资源调查与评价方面已开展了大量研究，但主要集中在华东、华中、华南等地区[10-11]，针对西北黄土高原地区乡土地被植物资源的研究鲜有报道。

层次分析法(Analytic hierarchy process，AHP)是国内植物资源评价中使用最广的一种数学方法，目前已广泛应用在观赏植物的资源开发、品种性状、景观价值、观赏价值综合评价等方面[12-16]。本研究针对西北黄土高原植物和气候特点，以科学、实用、简捷的原则，采用AHP构建了乡土地被植物园林应用综合评价体系，并对兰州市乡土地被植物进行评价实践，以期为西北地区乡土地被植物的开发利用提供依据。

1 材料与方法1.1 综合评价体系的构建

1.1.1确立评价指标 乡土地被植物种类繁多，性状多样，对其应用进行科学评价时，指标的选择至关重要。本文参考了近10多年来发表的地被植物质量评价相关文献[3-7,10-11,13-26]，运用频数统计法[26]，综合考虑黄土高原园林应用实际要求，筛选出了株高、生育期、绿期、覆盖度、株型、花型花色、观赏期、抗逆性、分布、资源丰富度、繁殖难易程度、开发新颖性等共12个指标，分类构成园艺学特性、园林观赏性、生态适应性、开发新颖性四大指标体系，建立综合评价指标层次结构模型，该模型包括3个层次，即目标层(A)、约束层(B)、标准层(C)(见图1)。

图1 乡土地被植物园林应用价值综合评价层次结构模型Fig.1 The hierarchy structure model for comprehensive evaluation of native groundcover plants

1.1.2各评价层次权重的确定及一次性检验 根据总目标的要求，参考文献资料[27-32]和专家意见，用1～9量化标度对上述各层次做出两两比较判断，构造出A—B，B1—(C1～C4)，B2—(C5～C7)，B3—(C8～C11)共4个判断矩阵。

为了保证评价结果的有效性，对判断矩阵进行一致性检验。根据AHP层次分析法理论，当判断矩阵具有满意的一致性时，它的最大特征根稍大于n，且其余特征根近于0。

度量判断矩阵偏离一致性的指标为CI：

CI=(λmax-n)/(n-1)

度量判断矩阵一致性的指标为CR，是CI与判断矩阵随机一致性指标RI之比，即

CR=CI/RI

当CR<0.1时，可以认为判断矩阵具有满意的一致性[13,25]。

在Matlab中编程实现判断矩阵权向量的计算及一致性检验。

1.1.3层次总排序权值的求算 计算出标准层C各个评价指标相对于所属约束层B的加权值后，与该约束层B的权值进行加权综合，即可得标准层C相对于目标层A的总排序权值。

1.1.4综合评价与等级划分 建立综合评价指标层次结构模型，确定各评价层次的权重后，将准则层C的每一项指标分成优中劣3个等级，依据“优(85—100分)、中(70—84分)、劣(0—69分)”以百分制给每个等级依次赋分[10]，制定出乡土地被植物评分标准。综合评价时，参考评分标准，先给每种植物的12项指标打分，然后结合AHP法的层次总排序权重ci运用加权秩和比法(Weighted rank sum ratio，WRSR)[12]计算得到调查区所有植物的综合评价WRSR值以及回归方程(y=0.1631x-0.2982)，方程以概率单位Probit为自变量，WRSR值为因变量。最后按照最佳分级原则[12]确定出综合评价分级标准，见表1。

表1 综合评价分级标准Table 1 Grade standards for the comprehensive evaluation

1.2 评价体系在兰州市乡土地被植物资源评价中的应用

兰州市位于黄土高原西部，具有典型的温带半干旱气候。根据兰州地区地形及植被分布特点，在兰州市及近郊选出6个实地调查点，分别为：五泉山、仁寿山、徐家山、九州台和石佛沟国家森林公园(包括石佛沟和天都山两个调查点)(见表2)。2016年至2019年，从6月开始到8月份，多次对以上地区主要乡土地被植物资源种类及其分布、生长状况、形态特征及生态习性等进行实地调查。调查期间详细记录植物株高、覆盖度、株型、花型花色、分布、资源丰富度等各项评价指标，以备打分评价。对野外不能识别的植物采集标本，带回实验室进行鉴定。参考相关文献资料[27-32]，对每种植物的生物学特性、生活型、生育期、抗逆性、观赏特性等进行补充整理。

表2 调查地基本情况Table 2 Basic information of the survey sites

2 结果与分析2.1 乡土地被植物园林应用价值综合评价体系的建立与评价方法

2.1.1综合评价层次结构模型 通过上述层次分析方法，建立了乡土地被植物园林应用价值综合评价层次结构模型(图1)。该模型包括目标层(A)、约束层(B)、标准层(C)3个层次。选择制约乡土地被植物开发利用的4个主要因素：园艺学特性(B1)、园林观赏性(B2)、生态适应性(B3)和开发新颖性(B4)，作为该模型的约束层(B)。这4个特性能反映出乡土植物的地被覆盖能力、生育时长、观赏效果、开发利用难易程度以及独特性。标准层(C)是体现上述约束层的具体选择指标，包括株高(C1)、生育期(C2)、绿期(C3)、覆盖度(C4)、株型(C5)、花型花色(C6)、观赏期(C7)、抗逆性(C8)、分布(C9)、资源丰富度(C10)、繁殖难易度(C11)和开发新颖性(C12)。

2.1.2各层次评价指标权重及一次性检验结果 构造出A—B，B1—(C1～C4)，B2—(C5～C7)，B3—(C8～C11)共4个判断矩阵，通过Matlab软件分析，4个判断矩阵的CR值均小于0.1，都具有满意的一致性(见表3)。

表3 各层次评价指标的权重及一次性检验Table 3 The weight and one-time test of each level evaluation index in AHP

表4 标准层C的合成排序Table 4 Synthetic ranking of standard layer C in AHP

标准层C对于目标层A的一致性检验：

2.1.4乡土地被植物评分标准 确定层次总排序权重值后，制定出各指标的评分标准，见表5。

表5 乡土地被植物评分标准Table 5 Evaluation and scoring standard of native groundcover plants

2.2 兰州地区乡土地被植物园林应用价值综合评价

2.2.1兰州市乡土地被植物资源 通过实地调查，在兰州市共采集到乡土地被植物70种，隶属27科56属(表6)。种类较多的科主要有毛茛科、禾本科、豆科和菊科。其中，毛茛科植物最多，有10种，这些植物花形独特，色彩艳丽，主要分布在高山丛林或林缘草丛，如川赤芍(Paeoniaanomalasubsp.veitchii)、翠雀(Delphiniumgrandiflorum)、甘肃耧斗菜(Aquilegiaoxysepalavar.kansuensis)、露蕊乌头(Aconitumgymnandrum)、大火草(Anemonetomentosa)、小叶铁线莲(Clematisnannophylla)等，甘青侧金盏花(Adonisbobroviana)分布在荒漠草地，耐旱性强。禾本科植物有8种，这些植物草丛茂密，分布广，耐贫瘠，地被覆盖能力强，如芨芨草、草地早熟禾、羊茅(Festucaovina)、紫羊茅(Festucarubra)、假苇拂子茅(Calamagrostispseudophragmite)等。豆科植物有7种，主要是小灌木，花小繁多，观赏期长，抗逆性强，如红花岩黄耆(Corethrodendronmultijugum)、苦马豆(Sphaerophysasalsula)、狭叶锦鸡儿(Caraganastenophylla)、兴安胡枝子(Lespedezadavurica)等。菊科植物有6种，鸢尾科植物有4种，其他科植物种数较少，均在3种以下。

兰州市乡土地被植物中，我国特有植物较多，本次共调查到10种，分别是甘青铁线莲(Clematistangutica)、黄花角蒿(Incarvilleasinensisvar.przewalskii)、密生波罗花(Incarvilleacompacta)、涝峪小檗(Berberisgilgiana)、松潘小檗(Berberisdictyoneura)、甘西鼠尾草(Salviaprzewalskii)、川赤芍、甘青侧金盏花、甘肃耧斗菜、露蕊乌头、毛杓兰(Cypripediumfranchetii)。其中，毛杓兰是我国一级保护植物。

2.2.2兰州乡土地被植物园林应用价值综合评价 参照上述AHP法评价体系及基于WRSR法的综合评价分级方法，对兰州地区70种乡土地被植物逐一进行记分评价，得到WRSR值总排序表(表6)。从综合评价结果可以知，兰州地区I级乡土地被植物有13种，II级31种，III级14种，IV级12种。I级乡土地被植物有草地早熟禾、芨芨草、长芒草(Stipabungeana)、紫羊茅、羊茅、紫花地丁(Violaphilippica)、早开堇菜(Violaprionantha)、黄花补血草(Limoniumaureum)、拂子茅(Calamagrostisepigeios)、二色补血草(Limoniumbicolor)、假苇拂子茅、红花岩黄耆和白刺(Nitrariasibirica)。这些植物在株型、花色、绿期、叶型、地被覆盖能力上都表现良好，分布广，易繁殖，抗逆性强，在兰州地区的种质资源十分丰富。

II级乡土地被植物有细叶鸢尾、旋覆花(Inulajaponica)、红砂(Reaumuriasongarica)、狭叶锦鸡儿、百里香(Thymusmongolicus)、球果群心菜(Cardariachalepensis)、苦马豆、北景天(Sedumkamtschaticum)、中亚早熟禾(Poalitwinowiana)、宽叶独行菜(Lepidiumlatifolium)、披针叶黄华(Thermopsislanceolata)、地肤(Kochiascoparia)、顶羽菊(Acroptilonrepens)、兴安胡枝子、狼毒(Stellerachamaejasme)、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、寸草(Carexduriuscula)、灌木亚菊(Ajaniafruticnlosa)、蒙古芯芭(Cymbariamongolica)、异穗苔草(Carexheterostachya)、小叶铁线莲、细叶石头花(Gypsophilalicentiana)、宿根亚麻(Linumperenne)、黄花角蒿、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、马蔺(Irislactealvar.chinensis)、石竹(Dianthuschinensis)、中麻黄(Ephedraintermedin)、异叶青兰(Dracocephalumheterophyllum)、甘青侧金盏花、拐轴鸦葱(Scorzoneradivaricate)共31种植物，这些植物园艺学特性和观赏性能普遍良好，易于繁殖，但适应性相对较弱，种质资源较少，这类植物在种植利用时，需要提供良好的栽培条件。

III级乡土地被植物有细叶早熟禾(Poapratensissubsp.angustifolia)、蒙古莸(Caryopterismongholica)、甘青铁线莲、小叶金露梅(Potentillaparvifolia)、白颖苔草(Carexduriusculasubsp.Rigescens)、莸(Caryopterisdivaricate)、涝峪小檗、松潘小檗、大火草、柳穿鱼(Linariavulgaris)、歪头菜(Viciaunijuga)、密生波罗花、黄芩(Scutellariabaicalensis)、香蒲(Typhaorientalis) 共14种植物，这些植物有很高的观赏价值，繁殖较容易，但种质资源数量少，常生长在特定环境中。这类植物可以依照其习性特征进行开发应用，如柳穿鱼、涝峪小檗、大火草、歪头菜等可用于林下草地绿化，香蒲可用于湿地绿化。

IV级乡土地被植物有三裂绣线菊(Spiraeatrilobata)、甘西鼠尾草、射干(Belamcandachinensis)、甘肃耧斗菜、驴蹄草(Calthapalustris)、耧斗菜(Aquilegiaviridiflora)、锐果鸢尾(Irisgoniocarpa)、川赤芍、柳兰(Epilobiumangustifolium)、翠雀、露蕊乌头、毛杓兰共12种。这类植物虽然观赏价值高，但对生境要求非常严格，繁殖难度大，资源数量少，不适宜在兰州地区种植推广。

3 讨论3.1 黄土高原地区乡土地被植物综合评价体系分析

在层次分析法中，评价指标及其权重的设置非常重要，这两个方面直接决定着评价结果的客观性和准确性。在植物评价体系中，评价指标的选择一定要与当地环境条件和评价目的相符合。许诺等[5]在华中地区乡土地被植物评价时选择了形态性状、观赏性状、生长性状、抗逆性状等作为评价准则，其中形态因子的权重最高，观赏因子次之。皮梁等[11]在对滇中地区乡土地被植物评价时，选择了观赏性、适应性和适用性3大类指标，这与宋晓梅等[33]在成都市植物园绿地地被植物评价时选择的指标相似，均十分看重植物的观赏性。在本研究建立的评价体系中，A—B层指标权重值的排序是生态适应性>园艺学特性>园林观赏性>开发新颖性，其中生态适应性最为重要。从环境特点分析，西北黄土高原地处我国内陆，气候干旱，水资源缺乏[34]，土地贫瘠，土壤碱化较严重，植物种植成活难度较大[35]，因此，在这种特殊生态环境下，抗逆性强、适应性广、易繁殖成为了乡土植物筛选的最重要指标。此外，黄土高原地区暖季短，冷季较长，风沙大，要求园林绿化需要具备较长的绿期和良好的覆盖地面的能力，应该在保障这些需求的基础上，才可去顾及植物观赏效果和新颖性。从本研究结果中B—C层指标的权重值看，权重值较高的指标排序为抗逆性(0.383)>繁殖难易度(0.160)>绿期(0.111)>分布(0.062)>株型(0.057)>覆盖度(0.045)。可见，与华中、华南地区地被植物评价指标和权重设置不同，本研究建立的评价体系更加强调黄土高原特殊气候条件下的生态适应性，而适用性和观赏性次之，这符合黄土高原地区的生态环境特征和园林植物绿化需求。

表6 兰州地区乡土地被植物综合评价结果Table 6 Results of comprehensive evaluation of native groundcover plants in Lanzhou

3.2 评价结果与实际状况的对比分析

从最终评价结果来看(表6)，列入第Ⅰ级的植物，如草地早熟禾、芨芨草、黄花补血草、二色补血草、红花岩黄耆、紫花地丁等，这些植物在地被特征、资源潜力、生物学特性、生态适应性等方面均得分较高。在调查过程中，也发现该类植物分布广，数量多，在兰州市南北两山及近邻区大面积生长，常形成连片的自然居群景观[36-39]。评价结果与实际状况均表明，这类植物资源丰富，繁殖力和适应性强，观赏性好，开发潜力大。小叶金露梅、甘西鼠尾草、柳穿鱼、歪头菜、甘肃耧斗菜、川赤芍、锐果鸢尾、露蕊乌头、翠雀、柳兰等观赏价值很高，却被列入第Ⅲ级甚至第Ⅳ级，其原因主要是受资源数量、抗逆性或生物学特性等方面的限制，如川赤芍分布在石佛沟森林公园林下草丛，甘肃耧斗菜、柳兰、歪头菜分布在林缘草地，露蕊乌头、甘西鼠尾草、小叶金露梅等分布在海拔2 400 m以上的林缘草丛、灌丛[36-37]。这些植物分布在特定的气候生境下，引种推广难度很大，因此在综合评价中得分不高。

通过对兰州市乡土地被植物评价分析，评价结果符合实际状况，表明该评价体系能较准确的反映出乡土地被植物资源的开发利用特点。但需要指出的是，乡土地被植物从收集评价到实际扩繁应用需要深入开展大量研究性工作，本文开发的评价体系，仅供在对黄土高原野生地被植物进行初步评价时使用。此外，层次分析法中对各指标进行打分时会存在一定的人为主观性，因此，实际应用时，一方面，在野外植物资源调查时要求尽可能采集到植物的详实信息，对一些重要因子如抗逆性等最好能在室内进行试验测定，以减少评价时的偏差，提高评价准确度；另一方面，对初评结果要结合当地具体的生态环境、园林绿化管理条件以及景观需求等进行核实检验，力求初选出适宜的地被植物，为加快乡土地被植物扩繁应用研究提供基础。

4 结论

基于层次分析法建立了黄土高原地区乡土地被植物综合评价体系，该体系中制约地被植物开发利用的主要因素有4个：园艺学特性、园林观赏性、生态适应性和开发新颖性，这4个因素间权重值的排序为生态适应性>园艺学特性>园林观赏性>开发新颖性，生态适应性权重值最高；采用该评价体系对兰州市调查到的70种乡土地被植物进行了评价，以加权秩和比法综合评价分级，筛选出Ⅰ级地被植物13种，有草地早熟禾、芨芨草等，开发利用价值高；II级地被植物有细叶鸢尾、旋覆花等共31种，地被特性较好、可适度开发；III级地被植物有细叶早熟禾、甘青铁线莲等共14种，开发利用价值一般；IV级地被植物有三裂绣线菊、甘西鼠尾草等12种，这类植物对生境要求严格，繁殖难度大，不适宜在兰州市作地被应用。该评价体系选用的指标能准确反映黄土高原乡土地被植物资源特点，评价结果符合当地生态环境和绿化需求，可以为我国西北黄土高原地区开发利用乡土植物提供参考。