毛 波 董希斌

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的組成成分和物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，是森林的生長(zhǎng)發(fā)育、繁衍生息所必須的環(huán)境條件，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)外物質(zhì)的重新分配起著調(diào)節(jié)作用，對(duì)水分起著環(huán)境過(guò)濾器的作用。森林土壤的肥力是森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[2]，同時(shí)，森林系統(tǒng)的不同經(jīng)營(yíng)模式又影響和制約著森林土壤的肥力變化方向和強(qiáng)度。土壤肥力作為土壤的基本屬性，是土壤支持生物生產(chǎn)能力、凈化環(huán)境空氣能力和促進(jìn)動(dòng)植物與人類(lèi)健康能力的集中體現(xiàn)，是土壤物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和生物性質(zhì)的綜合體現(xiàn)[3]。因此，實(shí)時(shí)對(duì)森林土壤肥力做出綜合評(píng)價(jià)，能及時(shí)的對(duì)林木的健康提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)。近些年來(lái)，由于自然的或非自然的因素，小興安嶺林區(qū)林分系統(tǒng)功能呈逆向發(fā)展趨勢(shì)，導(dǎo)致林區(qū)郁閉度較低、材質(zhì)低劣、保水保土功能低下，幾乎喪失自我恢復(fù)能力的低質(zhì)林。劉美爽等[5]通過(guò)對(duì)小興安嶺低質(zhì)林改造后的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行分析，得出了改造模式對(duì)土壤性質(zhì)的影響。楊奇勇等[6]通過(guò)運(yùn)用改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)了土壤肥力綜合評(píng)價(jià)定量化、自動(dòng)化。肖慈英等[7]利用灰色關(guān)聯(lián)分析方法評(píng)價(jià)了不同森林類(lèi)型的凋落物及土壤的生物化學(xué)性質(zhì)對(duì)土壤肥力狀況的影響情況。

雖然很多學(xué)者專(zhuān)家研究了低質(zhì)林土壤理化性質(zhì)[8－13]，但是目前對(duì)小興安嶺低質(zhì)林改造土壤定量評(píng)價(jià)未見(jiàn)報(bào)道。因此，本文以小興安嶺低質(zhì)林為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)不同改造模式改造后，應(yīng)用改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)改造后的土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為不同模式的林地改造效果，優(yōu)化出最佳的低質(zhì)林改造模式提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

調(diào)查樣地位于鐵力市的馬永順林場(chǎng)。2009年，在實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)內(nèi)選取比較典型的低質(zhì)林共設(shè)置3個(gè)試驗(yàn)樣地區(qū)[5，14]。本文所用研究樣地的林分類(lèi)型為闊葉混交林，平均樹(shù)高18.5 m，平均林齡64 a，密度530 株·hm－2，蓄積量 90 m3·hm－2，平均胸徑 19 cm，林種為用材林，地被物主要為三棱草(Carex phacota spr.)，下木層主要植物為山高梁(Sorbaria kirilowii)。

順山帶狀改造模式設(shè)置原則為每條皆伐帶均處于同一海拔高度，每條皆伐帶帶長(zhǎng)為100 m，帶寬共設(shè)置4 種，分別為 S1(6 m)、S2(8 m)、S3(10 m)、S4(15 m)[5]。橫山帶狀改造模式設(shè)置原則為每條皆伐帶均沿不同海拔高度，皆伐帶帶長(zhǎng)100 m，皆伐帶寬共設(shè)置4種，分別為 H1(6 m)、H2(8 m)、H3(10 m)、H4(15 m)[5]。設(shè)不同采伐強(qiáng)度的擇伐改造模式為7個(gè)小班，每個(gè)小班的面積為0.5 hm2，每個(gè)小班的采伐強(qiáng)度分別為 Z1(22%)、Z2(31%)、Z3(41%)、Z4(47%)、Z5(55%)、Z6(66%)、Z7(77%)[14]。對(duì)照樣地選擇設(shè)置在3塊30 m×30 m未采伐的林地林內(nèi)，并且在每個(gè)對(duì)照樣地中選擇5個(gè)樣本點(diǎn)。

2 土壤肥力指標(biāo)測(cè)定與評(píng)價(jià)方法

2.1 土壤肥力指標(biāo)的收集與測(cè)定

于2013年5月，在不同改造試驗(yàn)樣地和對(duì)照樣地上，按“S”型混合采樣法，分別隨機(jī)布置4個(gè)4 m×4 m的取樣樣方，取5個(gè)土壤剖面為0～10 cm的土壤樣本，每個(gè)土壤樣本為1 kg，共取320個(gè)土壤樣本，土壤樣本經(jīng)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、研磨、過(guò)篩后進(jìn)行化學(xué)性質(zhì)分析。土壤物理性質(zhì)采用環(huán)刀法測(cè)量。土壤碳通量采用LI－8150多通道土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定土壤表面CO2通量，測(cè)量周期為30 min，全天重復(fù)測(cè)量48次。

在土壤的化學(xué)元素測(cè)定時(shí)，針對(duì)不同的化學(xué)元素有不同的測(cè)定方法，具體為:①土壤全N，采用自動(dòng)凱氏法(LY/T 1228—1999)，儀器為 VS—KT—P型全自動(dòng)定氮儀;②速效 N，采用擴(kuò)散法(LY/T 1231—1999);③全P，采用酸溶銻抗比色法(LY/T 1232—1999);④有效P，氫氧化鈉浸提－鉬銻抗比色法(LY/T 1233—1999);⑤全K，酸溶－火焰光度法(LY/T 1234—1999)，儀器為火焰光度計(jì);⑥速效K，乙酸銨浸提－火焰光度法(LY/T 1236—1999);⑦pH，酸度計(jì)(LY/T 1239—1999);⑧油浴重鉻酸鉀(K2CrO4)氧化法(LY/T 1237—1999)。

本文所用研究數(shù)據(jù)均用SPSS10.0和EXCEL軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

2.2 土壤肥力的評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)土壤肥力質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇的基本原則以及東北地區(qū)土壤性質(zhì)與肥力研究的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合觀測(cè)條件，采用全N、速效N、全P、有效P、全K、速效K、pH值、有機(jī)質(zhì)、土壤密度、土壤碳通量10個(gè)指標(biāo)。研究中之所以把有機(jī)質(zhì)作為土壤肥力指標(biāo)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)主要來(lái)自于動(dòng)植物殘?bào)w通過(guò)微生物分解、合成，是土壤肥力的基礎(chǔ)物質(zhì)，是土壤中最活躍的部分，對(duì)土壤肥力的高低產(chǎn)生巨大的影響[15]。土壤有機(jī)質(zhì)的數(shù)量與質(zhì)量變化作為土壤肥力及環(huán)境質(zhì)量狀況的最重要表征[16]，是制約土壤理化性質(zhì)如含水率、孔隙度、土壤密度、土壤碳通量以及土壤養(yǎng)分等關(guān)鍵因素，因此，土壤中保持相對(duì)較高的有機(jī)質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量水平就成為了林地持續(xù)利用和森林持續(xù)增長(zhǎng)的先決條件。

2.3 土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)方法

在應(yīng)用改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)低質(zhì)林不同改造模式改造后進(jìn)行土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)時(shí)，先用灰色關(guān)聯(lián)曲線進(jìn)行分析，再求其灰色關(guān)聯(lián)度，最后得到的關(guān)聯(lián)度越高，說(shuō)明改造后土壤肥力的評(píng)價(jià)越高，改造效果越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 低質(zhì)林不同改造模式對(duì)土壤肥力指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)曲線

應(yīng)用改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)度法，通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)圖像研究小興安嶺林區(qū)低質(zhì)林土壤肥力10個(gè)指標(biāo)的變動(dòng)關(guān)系。通過(guò)圖1、2、3可知:雖然有時(shí)會(huì)存在個(gè)體差異，但整體上看低質(zhì)林樣地土壤中全N、全P、全K元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低直接影響到土壤中相應(yīng)的速效N、速效P、速效K的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，是因?yàn)樗麄儠?huì)以離子形式直接作用于低質(zhì)林林下植被，是影響其生長(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)元素。

圖1 各樣地土壤全N與速效N的灰色關(guān)聯(lián)曲線

圖2 各樣地土壤全P與速效P的灰色關(guān)聯(lián)曲線

圖3 各樣地土壤全K與速效K的灰色關(guān)聯(lián)曲線

由圖4結(jié)合原始數(shù)據(jù)序列分析可知:在不同改造模式下對(duì)應(yīng)的樣地土壤pH值變動(dòng)幅度較平緩，與對(duì)照組pH值也較為接近。由圖4可知S2、H3、Z3的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大。土壤密度和有機(jī)質(zhì)的變化趨勢(shì)基本相反，改造強(qiáng)度越是趨于中間，土壤密度越小。土壤碳通量的變化趨勢(shì)和土壤有機(jī)質(zhì)基本一致。綜合分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，低質(zhì)林改造中土壤碳通量的隨著改造帶帶寬和的增大而升高，這是由于改造強(qiáng)度的加大使得枯落物的分解速度增大，同時(shí)許多活性酶活化，但是強(qiáng)度過(guò)大反而會(huì)使土壤碳通量降低。

圖4 各樣地土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、土壤密度和土壤碳通量的灰色關(guān)聯(lián)曲線

3.2 低質(zhì)林帶狀改造模式的土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)

小興安嶺低質(zhì)林不同帶寬橫山改造模式H1～H4，S1～S4以及對(duì)照樣地共9組作為觀測(cè)對(duì)象展開(kāi)灰色關(guān)聯(lián)度分析，依據(jù)各實(shí)驗(yàn)樣地土壤肥力具有的的10個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。依據(jù)灰色理論公式得到灰色關(guān)聯(lián)度的結(jié)果見(jiàn)表1。對(duì)照CK的灰色關(guān)聯(lián)度為0.672。由計(jì)算結(jié)果可知，不同橫山帶寬的評(píng)價(jià)對(duì)象評(píng)價(jià)結(jié)果為 H3＞H1＞CK＞H2＞H4，不同帶寬順山皆伐帶的各評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果為S2＞S3＞S1＞CK＞S4。

表1 帶狀改造灰色關(guān)聯(lián)度數(shù)值

3.3 低質(zhì)林擇伐改造模式的土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)

不同采伐強(qiáng)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由計(jì)算結(jié)果可知，不同采伐強(qiáng)度的擇伐模式的評(píng)價(jià)對(duì)象評(píng)價(jià)結(jié)果為Z3＞Z2＞Z5＞Z1＞Z6＞CK＞Z7。

表2 不同采伐強(qiáng)度改造灰色關(guān)聯(lián)度數(shù)值

3.4 低質(zhì)林不同改造模式后土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)

由于3種改造模式選擇相同的參考樣地，故可以通過(guò)比較3種改造模式后土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)判斷最好的改造效果，從而優(yōu)化出最佳的改造模式。計(jì)算出不同改造模式灰色關(guān)聯(lián)度的平均值見(jiàn)表3。綜合分析可得，順山帶寬改造模式最高(0.711)，不同采伐強(qiáng)度的擇伐改造優(yōu)于橫山帶寬改造模式。

表3 不同改造模式灰色關(guān)聯(lián)度的平均值

4 結(jié)論與討論

土壤肥力是土壤生態(tài)系統(tǒng)物理、化學(xué)和生物組分之間紛雜相互作用的綜合體現(xiàn)，土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)提供了一種評(píng)價(jià)森林管理的有效方法。許多學(xué)者將模糊數(shù)學(xué)方法，灰色關(guān)聯(lián)度法、層次分析法、系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型等一系列的方法應(yīng)用到土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)中。何文壽等[17]用灰色系統(tǒng)理論對(duì)森林土壤肥力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。林培松等[18]利用灰色關(guān)聯(lián)度法定量分析了韓江流域典型區(qū)域主要森林類(lèi)型的土壤肥力狀況并進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。灰色關(guān)聯(lián)度將定性分析轉(zhuǎn)化為定量分析，適用于模糊復(fù)雜的綜合土壤肥力質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)，但是傳統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)度法仍存在著許多缺陷和不足[19]，本文運(yùn)用改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)度法，通過(guò)序列曲線變化態(tài)勢(shì)的接近程度和灰色關(guān)聯(lián)度定量計(jì)算相結(jié)合的形式，運(yùn)用到土壤肥力的評(píng)價(jià)中，使得計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際情況，得到最佳的評(píng)價(jià)效果。

通過(guò)對(duì)N、P、K、pH值及有機(jī)質(zhì)的關(guān)聯(lián)曲線進(jìn)行分析，表明各個(gè)指標(biāo)對(duì)土壤肥力的影響的關(guān)聯(lián)性不盡相同，土壤中的速效氮、有機(jī)質(zhì)和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)是低質(zhì)林土壤肥力中的主要因子。土壤中的有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的物質(zhì)基礎(chǔ)，是土壤中最活躍的部分，對(duì)土壤肥力的高低產(chǎn)生著巨大的影響。磷作為植物生長(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)元素之一，影響著土壤肥力的質(zhì)量[17]。土壤中速效氮在不同的改造模式的含量有明顯的不同，因此，速效氮對(duì)不同改造模式土壤肥力的影響程度也不盡相同。

土壤肥力質(zhì)量隨著不同改造模式而表現(xiàn)出不同的差異[3，20]。不同模式改造8 m順山皆伐帶土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)度最高為0.784。在各不同改造模式中，8、10 m和41%土壤肥力質(zhì)量普遍高于其他改造模式，說(shuō)明這3種改造模式更有利于土壤肥力的積累，能有效改善土壤肥力的質(zhì)量。主要是因?yàn)樵?、10 m和41%的改造模式內(nèi)適宜的光照條件為土壤微生物創(chuàng)造了有利的生存條件，林地大量微生物的活動(dòng)促進(jìn)了土壤肥力的改善。綜合分析不同改造模式土壤肥力質(zhì)量的評(píng)價(jià)效果，順山帶狀皆伐模式最優(yōu)，不同采伐強(qiáng)度的擇伐模式優(yōu)于橫山帶狀皆伐模式。

總體而言，改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)度法分析土壤肥力效果是理想的，該方法對(duì)不同森林類(lèi)型土壤肥力諸多因素的綜合優(yōu)勢(shì)作了排序，進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化分析，而且應(yīng)用價(jià)值較高、可靠性較強(qiáng)又簡(jiǎn)單易行，是多因素決策分析的一種簡(jiǎn)單有效實(shí)用的方法。改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)度法從定量和關(guān)聯(lián)曲線相結(jié)合的角度反映出低質(zhì)林不同改造模式土壤肥力的狀況，為森林經(jīng)營(yíng)提供了科學(xué)依據(jù)。灰色關(guān)聯(lián)度法作為一門(mén)不確定的模糊科學(xué)，也有許多不足之處，還需要科研人員做出大量的研究。另外，本文僅對(duì)低質(zhì)林不同改造模式初期進(jìn)行了研究，而低質(zhì)林改造效果還需要長(zhǎng)期的定位觀測(cè)和分析。

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