毛 波 董希斌 宋啟亮 白永清

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (大興安嶺韓家園林業(yè)局)

隨著科學(xué)技術(shù)的進步、經(jīng)濟的發(fā)展，以生產(chǎn)木材為中心的傳統(tǒng)林業(yè)將逐漸被具有多種資源、多種功能的現(xiàn)代林業(yè)所代替，以實現(xiàn)在維持生態(tài)平衡的前提下獲取森林增產(chǎn)物質(zhì)以滿足人類的需求［1］。近些年來，由于自然的或非自然的因素，大興安嶺林區(qū)林分系統(tǒng)功能呈逆向發(fā)展趨勢，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［2］。低質(zhì)林對自然災(zāi)害抵抗力弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，林地生產(chǎn)潛力不能充分發(fā)揮的問題已經(jīng)被國內(nèi)外許多學(xué)者所關(guān)注［3－4］。林地土壤肥力變化的研究，是當(dāng)前國內(nèi)土壤學(xué)領(lǐng)域的前沿課題［5］，從國內(nèi)外已有該方面的文獻來看，大多數(shù)學(xué)者專家研究了低質(zhì)人工林土壤理化性質(zhì)和土壤肥力，但是目前對大興安嶺天然低質(zhì)林林地土壤肥力進行定時、定位連續(xù)觀測以及不同的經(jīng)營措施對低質(zhì)林土壤肥力的影響的研究甚少，不能夠形成一個完整的系統(tǒng)體系。本文全面、系統(tǒng)地開展了低質(zhì)林土壤肥力變化的研究，從分析森林土壤養(yǎng)分、土壤碳通量以及土壤的物理性質(zhì)對森林土壤肥力的影響入手，深入系統(tǒng)地研究了低質(zhì)林林地土壤肥力變化規(guī)律，探討低質(zhì)林土壤肥力維持和提高森林經(jīng)營水平以及最適宜的改造模式。在土壤肥力的綜合評價中指標因子較多，然而這些指標因子對林地土壤肥力的定量綜合總價的影響程度不盡相同，雖然可以用回歸分析來確定各評價指標因子的重要性，但是當(dāng)被分析的樣本量較少，數(shù)據(jù)又無典型的概率分布時，回歸很難獲得滿意的結(jié)果［6－8］。經(jīng)過大量的分析比較篩選出灰色關(guān)聯(lián)度法，此方法在評價土壤肥力的過程中對各個指標因子的數(shù)量和數(shù)據(jù)的規(guī)律性沒有特別嚴格的要求［9－10］。利用灰色關(guān)聯(lián)方法是在采用傳統(tǒng)權(quán)重賦值和主觀確定最優(yōu)參考序列后，再把待評數(shù)據(jù)與參考序列比較，利用灰色關(guān)聯(lián)度法可以直接根據(jù)各個指標因子定量數(shù)據(jù)，直接得出土壤肥力的綜合評價結(jié)果［11－12］。這使得評價結(jié)果表現(xiàn)為連續(xù)的模糊相似度，當(dāng)然也可以根據(jù)需要進行人為分級。

本文以大興安嶺天然白樺低質(zhì)林為研究對象，探討不同生態(tài)改造模式對林地土壤肥力的影響，并利用灰色關(guān)聯(lián)法對各試驗區(qū)樣地的土壤肥力進行定量綜合評價，旨在為白樺低質(zhì)林今后的更新和培育提供參考依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況及樣地設(shè)置

試驗區(qū)設(shè)在黑龍江省大興安嶺地區(qū)的加格達奇林業(yè)局翠峰林場174 林班。上層主要是白樺(Betula platyphylla Suk)，下木層主要植物為毛赤楊(Alnus cremastogyne)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、蒼術(shù)(Atractylodes lancea)，地被植物主要為水莎草(Cyperus glomeratus L)、鳶尾(Ⅰris tectorum)、野豌豆(Vicia sepium Linn)、舞鶴草(Maianthemum dilatatum(Linn.)F.W.Schmidt)。

在2009年春，對白樺低質(zhì)林試驗區(qū)進行林窗和帶狀誘導(dǎo)改造。林窗改造試驗區(qū)共3 組，6 個試驗區(qū)的面積分別為:5 m×5 m(G1)、10 m×10 m(G2)、15 m×15 m(G3)、20 m×20 m(G4)、25 m×25 m(G5)、30 m×30 m(G6)，林窗沿橫坡方向排列［9］。帶狀改造為順山皆伐改造，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，每條皆伐帶帶長為300 m，帶寬共設(shè)置4 種，分別為6 m(S1)、10 m(S2)、14 m(S3)、18 m(S4)［13］。林窗對照樣地在未采伐的林地內(nèi)設(shè)置3 塊30 m×30 m，每個對照樣地分別選取5 個樣本點。

2 土壤肥力指標測定與評價方法

2.1 土壤肥力指標的收集與測定

于2013年6月在不同生態(tài)模式改造樣地和對照樣地上，按“S”型布點法各選取4 個樣方，每個樣方選擇5 個土壤取樣點，每個樣地均取0 ～10 cm 的土壤，然后按四分法混合取樣，共取220 個土壤樣本，每個土壤樣本為1 kg。土壤樣本在實驗室經(jīng)過自然風(fēng)干處理，然后研磨過篩，分析其化學(xué)性質(zhì)。用容積為100 cm3環(huán)刀在每個土壤樣點取環(huán)刀樣本，借以測量土壤的物理性質(zhì)。土壤碳通量采用LI—8150 測量，30 min 為一個循環(huán)周期，時間為24 h。

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

本文所用研究數(shù)據(jù)均用SPSS19.0、Excel 和Matlab7.0 軟件進行數(shù)據(jù)錄入和統(tǒng)計。

2.2 土壤肥力的評價指標

研究天然白樺低質(zhì)林不同生態(tài)改造模式后土壤肥力定量變化規(guī)律，對低質(zhì)林生態(tài)改造模式的評價和應(yīng)用有著極其重要的影響。土壤肥力的分析指標因子很多，宏觀上包括土壤物理指標、化學(xué)指標和生物指標［14－17］。本文采用土壤密度、土壤pH 值、有機質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、土壤碳通量10 個指標［18］。在土壤肥力的影響指標中磷元素的存在形態(tài)有很多種，并且各個形態(tài)之間可以隨著時間的轉(zhuǎn)移相互轉(zhuǎn)化。雖然A1、Fe、Mn 和Ca 等元素含量是決定與它們結(jié)合的磷素質(zhì)量分數(shù)的主要因子，但在土壤磷素轉(zhuǎn)化中，最關(guān)鍵的因子還是土壤pH 值?？傮w而言，無論是酸性土壤還是石灰性土壤，有效磷是最能反映土壤對森林供給水平的一個綜合指標，無論在不同的土壤反應(yīng)以及土壤顆粒的構(gòu)成還是在總磷的轉(zhuǎn)化、有機質(zhì)的形成過程中都發(fā)揮著極大地作用，這些就決定了速效磷在土壤評價過程中選取的必要性［19］。

2.3 土壤肥力的綜合評價方法

在應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度法對低質(zhì)林不同改造模式改造后進行土壤肥力的綜合評價時，先用變異系數(shù)法求各個指標的權(quán)重，再求其灰色關(guān)聯(lián)度，最后得到的關(guān)聯(lián)度越高，說明改造后土壤肥力的評價越高，改造效果越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤肥力的傳統(tǒng)定量評價

不同生態(tài)改造模式下天然白樺低質(zhì)林地土壤肥力各指標實測值見表1。

表1 樣地土壤肥力指標因子的實測值

從表1可以看出低質(zhì)林不同改造過程中土壤的有機質(zhì)、全磷和速效鉀的評價指標和對照樣地相比均有不同程度的升高。

圖1、圖2、圖3分別為不同誘導(dǎo)改造后白樺低質(zhì)林速效N、P、K，全N、P、K 和土壤密度與土壤碳通量的傳統(tǒng)定量評價變化曲線，由此可以看出不同誘導(dǎo)改造后的土壤肥力指標呈現(xiàn)一定的變化趨勢。

圖1 不同模式改造后白樺低質(zhì)林全N、P、K 的傳統(tǒng)定量評價變化曲線

試驗樣地呈現(xiàn)弱酸性，不同的誘導(dǎo)改造后土壤的pH 值都在6.0 上下浮動，變化不大。采用傳統(tǒng)的方法對土壤肥力進行定量綜合評價，難以判斷土壤肥力的評價指標是否呈現(xiàn)特殊的規(guī)律性，也難以篩選出最優(yōu)的低質(zhì)白樺林的生態(tài)改造模式方式，更難為森林可持續(xù)經(jīng)營提供理論基礎(chǔ)以達到最佳的經(jīng)營效果。

圖2 不同模式改造后白樺低質(zhì)林速效N、P、K 的傳統(tǒng)定量評價變化曲線

圖3 不同模式改造后白樺低質(zhì)林土壤密度、土壤碳通量的傳統(tǒng)定量評價變化曲線

3.2 土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)綜合評價

3.2.1 確定決策矩陣

決策矩陣是由n 個樣地的m 個評價指標實測值組成的集合，在中m=10，n=11，由表1可得到?jīng)Q策矩陣X。

3.2.2 初始化決策矩陣

對決策矩陣進行初始化處理，因為土壤肥力的10 個評價指標的量綱有所不同，會對評價結(jié)果產(chǎn)生不良影響，為了消除這種影響，對不同指標進行無量綱處理，由于本研究中的指標均為效益型指標，因此采用公式(1)對決策矩陣進行初始化處理。

其中:xij和x'ij分別表示第j 個試驗樣地的第i 種土壤肥力指標因子的實測值和無量綱值;xi0表示xij在第i 種土壤肥力指標峰值。計算出不同生態(tài)改造模下天然白樺低質(zhì)林地土壤肥力的決策矩陣X'。

3.2.3 確定灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣

評價指標的理想對象矩陣S 為:

S={Si}m×1(i=1，2，…，m)。

式中:Si為初始化后的決策矩陣X'中第i 行的最大值。這樣就可以很容易的得出理想對象矩陣S 為:

ST=［1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1］。

利用公式(2)計算出土壤肥力各個指標的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)rij。

土壤肥力指標的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)rij構(gòu)成灰色關(guān)聯(lián)評價矩陣R。

3.2.4 確定土壤肥力評價指標權(quán)重

在所選擇的土壤肥力指標中，不同的指標對土壤肥力的綜合評價結(jié)果的影響程度不盡相同，這就需要對每個指標賦予不同的權(quán)重。土壤肥力指標的變異系數(shù)計算方法見公式(3)。

其中:vi表示不同改造模式下低質(zhì)白樺林第i 種土壤肥力指標的變異系數(shù);σi表示不同改造模式下低質(zhì)白樺林第i 種土壤肥力指標的標準差;ˉxi表示不同改造模式下低質(zhì)白樺林第i 種土壤肥力指標的平均值。

不同生態(tài)改造模式低質(zhì)白樺林的土壤肥力指標的權(quán)重計算見公式(4)。

按公式(3)和(4)計算出不同生態(tài)改造模式下低質(zhì)白樺林土壤肥力指標的權(quán)重矩陣W。

3.2.5 確定改造模式灰色關(guān)聯(lián)評度

結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣R 和權(quán)重矩陣W，根據(jù)公式(5)計算出各樣地指標的關(guān)聯(lián)度bj。

計算出各個改造模式的灰色關(guān)聯(lián)度，見表2。

表2 不同改造模式灰色關(guān)聯(lián)度

在灰色關(guān)聯(lián)評價中，理想對象S 是整個評價系統(tǒng)中最高的，不同生態(tài)改造模式后土壤肥力的關(guān)聯(lián)度越大，說明越接近理想的土壤肥力質(zhì)量，其生態(tài)改造模式也就越好。由表2可知:所有生態(tài)改造模式后低質(zhì)白樺林土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)度的區(qū)間是［0.538，0.849］，而對照樣地CK 的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.518，表明各生態(tài)改造模式改造后的土壤肥力均優(yōu)于對照樣地CK。在各林窗改造模式的樣地中G4(20 m×20 m)的灰色關(guān)聯(lián)度最高為0.849，最接近理想對象，在所有的帶狀生態(tài)改造模式中S3(14 m)的灰色關(guān)聯(lián)度最高為0.722。在所有的生態(tài)改造模式中，G4(20 m×20 m)的灰色關(guān)聯(lián)度最高，說明林窗改造模式對土壤肥力的積累優(yōu)于其他改造模式。

4 結(jié)論與討論

林地的土壤肥力是構(gòu)成林地土壤質(zhì)量的一個極其重要的組成部分，包括林地土壤物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)。研究林地土壤肥力，有助于發(fā)展高效和環(huán)境友好型的林地經(jīng)營管理技術(shù)，借以實現(xiàn)森林資源的永續(xù)利用。土壤肥力的綜合評價方法有很多，許多專家學(xué)者將模糊數(shù)學(xué)、系統(tǒng)評價模型和層次分析法分別應(yīng)用到不同類型的土壤肥力評價中。何文壽等［19］用灰色系統(tǒng)理論對森林土壤肥力進行綜合評價。蔡麗平等［20］對水土流失治理模式恢復(fù)效果進行灰色關(guān)聯(lián)分析得出喬灌草混交模式、經(jīng)濟林+封育模式的改良土壤肥力作用顯著。

通過灰色關(guān)聯(lián)法對大興安嶺低質(zhì)白樺林在不同生態(tài)改造模式后的土壤肥力進行綜合分析，其關(guān)聯(lián)度從大到小的順序是G4(0.849)、G5(0.844)、S3(0.733)、G3(0.691)、G6(0.649)、S4(0.609)、G2(0.601)、S1(0.572)、S2(0.566)、G1(0.538)、CK(0.518)。從土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)度可知，不管是帶狀誘導(dǎo)改造模式還是林窗誘導(dǎo)改造模式中，隨著生態(tài)改造強度的增加，土壤肥力的綜合評價都是先升高后降低，這是因為誘導(dǎo)改造強度越強，陽光也就越充足，改造模式中的微氣候越適宜采伐剩余物的分解，從而使誘導(dǎo)改造模式的土壤肥力的綜合評價越高，然而誘導(dǎo)改造模式強度過強，森林郁閉度就會驟降，出現(xiàn)水土流失，土壤肥力綜合質(zhì)量就會下降。土壤肥力綜合評價的各個指標的權(quán)重都不盡相同，對各自的指標賦予不同的權(quán)重，有利于提高土壤肥力綜合評價的進度。結(jié)合大興安嶺白樺低質(zhì)林改造后的實測數(shù)據(jù)，利用變異系數(shù)法求取土壤肥力綜合評價的各個指標的權(quán)重，得出的評價指標的權(quán)重。有機質(zhì)的權(quán)重0.158 高于其余的評價指標。土壤有機質(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，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，土壤中保持相對較高的有機質(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)增長的先決條件。土壤碳通量的權(quán)重為0.146 僅低于有機質(zhì)和土壤容重，土壤碳通量是用來衡量土壤微生物的總量和土壤活性的必要指標。林地土壤中微生物地球上生物化學(xué)的循環(huán)過程和有機質(zhì)的轉(zhuǎn)換都起到極其重要的作用。土壤微生物還對地表生態(tài)系統(tǒng)，對植物的健康，土壤的結(jié)構(gòu)，土壤的肥力產(chǎn)生重要的影響，故土壤碳通量的值不僅體現(xiàn)土壤中有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化和氧化能力，兼而有之的是能預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力與對應(yīng)氣候的變化的參數(shù)之一。白樺低質(zhì)林不同生態(tài)模式改造后土壤肥力的綜合評價不僅與經(jīng)營模式有關(guān)，還與光照、經(jīng)濟和社會等因素密不可分，形成了現(xiàn)有的林地土壤肥力和現(xiàn)實生產(chǎn)力，這方面還有待研究。

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