毛 波，董希斌，宋啟亮，陳百靈

(東北林業(yè)大學工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

低質山楊林生態(tài)改造后土壤肥力綜合評價

毛 波，董希斌，宋啟亮，陳百靈

(東北林業(yè)大學工程技術學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

2009年對大興安嶺低質山楊林進行順山帶寬(分別為6、10、14、18 m)分別栽植西伯利亞紅松(Pinussibirica)、興安落葉松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaPine)進行誘導改造；應用灰色關聯(lián)度法對不同帶寬生態(tài)改造后的林地土壤肥力進行綜合評價。結果表明，所有的生態(tài)改造對土壤肥力均有改善作用，其中帶寬以14 m，樹種以興安落葉松的誘導改造效果最佳，可為低質山楊林的改造提供參考。

山楊；生態(tài)改造；灰色關聯(lián)度；土壤肥力

森林生態(tài)系統(tǒng)在調節(jié)氣候、維持生物多樣性、改善土壤性能、防止地質災害和保障農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)等方面有著無可替代的重要作用[1]。世界范圍內(nèi)森林生態(tài)系統(tǒng)的退化已成為嚴重的環(huán)境問題[2-3]，對此，恢復森林生態(tài)系統(tǒng)的計劃也正逐步開始實施[4]，以期改善森林生態(tài)環(huán)境，恢復森林生態(tài)系統(tǒng)的多種功能，從而達到提高森林中的生物多樣性、增加木質林產(chǎn)品的產(chǎn)量、恢復土壤的理化性質等方面的功效[5]。土壤對植物生長和產(chǎn)量的形成均會產(chǎn)生重要影響。土壤的改變會使森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化，同時，森林生態(tài)系統(tǒng)的變化又會引起土壤的演變，土壤在森林生態(tài)系統(tǒng)的物質和能量傳輸中有著不可或缺的作用[6]。土壤肥力狀況直接影響到林木的分布、生長和產(chǎn)量[7]。史鳳友等[8]通過對落葉松與核桃楸、椴樹混交林研究發(fā)現(xiàn)，帶狀混交林有助于改善林地土壤養(yǎng)分，提高林分質量。楊承棟等[9]研究表明：植被覆蓋度的大小對凋落物分解、微生物數(shù)量、生物化學活性和土壤理化性質等方面有顯著影響。Andrews等[10]運用多元統(tǒng)計方法，求取目標權重并且根據(jù)非線性得分函數(shù)側重評價了不同管理方式下土壤肥力的差異。Masto等[11]引入線性和非線性得分函數(shù)，通過逐步回歸法綜合生成了土壤肥力質量指數(shù)。吳玉紅等[12]運用模糊層次分析法求得土壤肥力的單項指標權重，對土壤肥力進行了模糊綜合評價。肖慈英等[13]將灰色關聯(lián)評價法運用到土壤肥力評價中，分析結果可靠性較強。曾翔亮等[14]運用灰色關聯(lián)對不同誘導改造后大興安嶺蒙古櫟低質林土壤養(yǎng)分進行綜合評價得到很好的效果。研究表明：采伐使得林地表層物質中氮含量下降[15]，總氮量也呈下降的狀態(tài)[16]，土壤中磷含量上升[17]，鉀元素含量在伐后初期降低速度較快[18]。總的來說，采伐作業(yè)主要影響土壤pH、有機質含量和土壤養(yǎng)分(N、P、K等)含量等。本文以低質山楊林為研究對象，探討不同生態(tài)改造模式對林地土壤肥力的影響，并利用灰色關聯(lián)法對各試驗樣地的土壤肥力進行定量綜合評價，運用相關性分析法確定各個分析指標的權重系數(shù)，彌補了土壤肥力定性評價的不足，消除了土壤的空間異質性的影響，使評價結果更加準確，可為低質山楊林的更新和培育提供參考。

1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設在黑龍江省加格達奇林業(yè)局翠峰林場的174林班，該地區(qū)位于黑龍江省大興安嶺(東經(jīng)124°22′47.8″—124°24′35.2″、北緯50°34′9.15″—50°34′32″)山脈的東南坡，海拔370～420 m左右，翠古公路北側12～14 km。土壤主要是暗棕壤和棕色針葉林土，土層厚度15～30 cm；地勢平緩，平均坡度6°左右，立地條件較好。屬于溫寒帶大陸性季風氣候，冬季氣候干燥寒冷，年均氣溫-1.4 ℃，冬長夏短，年均降水量470 mm，降水多集中于夏季6—8月。該區(qū)域的低質林主要是山楊樹林(Populusdavidiana)，林分郁閉度為0.4；下層植被灌木，主要有榛子(Coryluschinensis)、胡枝子(Lespedezabicolor)等，蓋度為15%；草本以鈴蘭(Convallariamajalis)、水莎草(CrperusserotinusRottob)等為主，蓋度達30%。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗設計

圖1 低質山楊林帶狀改造樣地示意圖

2009年9月開展低質山楊樹林改造。采用順山帶狀生態(tài)模式進行改造，設置原則為每條生態(tài)改造帶均處于同一海拔高度，包括6 m(S1)、10 m(S2)、14 m(S3)、18 m(S4)帶寬的改造帶，樣地面積分別為6 m×200 m、10 m×200 m、14 m×200 m、18 m×200 m，在未采伐的林地內(nèi)設置對照樣地(CK，20 m×200 m)，每個對照樣地分別選取5個樣本點。2009年開始將每條改造帶平均分成3段(圖1)，順山分別栽植西伯利亞紅松(Pinussibirica，A)、興安落葉松(Larixgmelinii，B)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongholica，C)進行誘導改造，栽植苗木與相鄰保留帶留有1 m間距，株行距為2 m×1.5 m。誘導苗木栽植時的地徑、苗高和蓄積量見表1。在經(jīng)過不同生態(tài)模式改造完成后，當年主要進行擴穴、扶正、培土、踏實和除草等撫育工作，以后每年進行砍去競爭植物、割灌、松土、除草等撫育措施。

表1 苗木的地徑、苗高和蓄積量 %

2.2 苗木生長量及土壤肥力指標測定

于2013年6月采用實地調查的方法對試驗樣地進行原始數(shù)據(jù)的采集，對試驗區(qū)內(nèi)造林苗木進行每木調查，調查的項目包括苗高、地徑、生長量，工具主要有游標卡尺和卷尺。

在試驗樣地上，按S型布點法各選取4個樣方，樣方平均分布在改造帶的A、B、C 3段中，第2個和第3個樣方分別放在誘導改造樹種的分界線上，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，每個土壤樣本為1 kg；同時用容積為100 cm3環(huán)刀在每個土壤樣點取原狀土，利用環(huán)刀法測量土壤的物理性質。土壤樣本在實驗室自然風干后研磨過篩，分析其化學性質。土壤全N采用自動凱氏法(VS-KT-P型全自動定氮儀)；速效N采用擴散法測定；全P采用酸溶-銻抗比色法測定；有效P采用氫氧化鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；全K采用酸溶-火焰光度法測定；速效K采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定；pH采用酸度計測定；有機質采用油浴-重鉻酸鉀氧化法測定[19]。

2.3 土壤肥力的綜合評價方法

研究低質山楊林不同生態(tài)改造后土壤肥力變化規(guī)律，建立合理的生態(tài)改造模式調控技術以及土壤肥力質量的發(fā)展趨勢模型，對低質林生態(tài)改造的評價和應用有著極其重要的影響[20]。本研究應用灰色關聯(lián)度法對低質山楊林生態(tài)改造后的土壤肥力進行綜合評價，先用灰色系統(tǒng)求出灰色關聯(lián)系數(shù)，然后對灰色關聯(lián)系數(shù)進行差異顯著性分析，接著利用相關系數(shù)法求各個指標的權重，再求其灰色關聯(lián)度。最后得到的關聯(lián)度越高，說明生態(tài)改造后土壤肥力的評價越高，改造效果越好。

3 結果與分析

3.1 不同改造模式對誘導苗木生長的影響

誘導改造苗木的成活率和個體生長率見表2。由表2可知，對誘導改造樹種而言，西伯利亞紅松的平均成活率和生長率最高，分別為95.12%和33.87%；就不同生態(tài)改造而言，不同改造模式中S3的平均成活率和生長率最高。

表2 苗木成活率和生長量 %

3.2 土壤肥力的灰色關聯(lián)綜合評價

3.2.1 確定決策矩陣 決策矩陣是有由n個樣地的m個評價指標實測值組成的集合，m=12，n=5，得到?jīng)Q策矩陣X。

3.2.2 初始化決策矩陣 采用公式(1)對決策矩陣進行初始化處理，即對不同指標進行無量綱處理。

(1)

(2)

土壤肥力指標的灰色關聯(lián)系數(shù)rij構成灰色關聯(lián)評價矩陣R。

對灰色關聯(lián)系數(shù)進行LSD差異顯著性分析，得出灰色關聯(lián)系數(shù)的顯著性多重比較(表3)。由表3可知，不同生態(tài)模式改造與對照樣地之間達到了統(tǒng)計學上的差異顯著性。

表3 灰色關聯(lián)系數(shù)多重比較

*：*.均值差的顯著性水平為0.05。

表4 不同生態(tài)改造低質山楊林土壤肥力指標的權重

表5 不同改造模式灰色關聯(lián)度

wi為土壤肥力各個指標權重；rij為關聯(lián)系數(shù)。

在灰色關聯(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)改造后土壤肥力的關聯(lián)度越大，說明越接近理想的土壤肥力質量，其生態(tài)改造也就越好。由表5可知：所有生態(tài)改造后低質山楊林土壤肥力的灰色關聯(lián)度的區(qū)間是[0.648，0.776]，而對照樣地CK的灰色關聯(lián)度系數(shù)為0.607，表明各生態(tài)改造后的綜合土壤肥力均有所改善。

3.3 不同誘導樹種對土壤肥力的影響

分析誘導改造樹種對土壤肥力的綜合影響，同時對不同誘導樹種灰色關聯(lián)系數(shù)進行差異顯著性分析，并進行S-N-Ka檢驗得到同類子集(表6)，綜合灰色關聯(lián)度見圖2。由表6、圖2可知，不同樹種誘導改造后，土壤肥力質量均有所改善，且與對照樣地間土壤肥力存在顯著性差異。其中以興安落葉松的誘導改造效果最佳。

表6 不同誘導樹種灰色關聯(lián)同類子集表

4 結論與討論

圖2 低質林誘導改造后土壤肥力質量灰色關聯(lián)度

采用灰色關聯(lián)法對大興安嶺低質山楊林在生態(tài)改造后的土壤肥力進行綜合分析，其關聯(lián)度從大到小的順序為S3(0.776)>S2(0.751)>S4(0.730)>S1(0.648)>CK(0.607)。S3生態(tài)改造模式得到的灰色關聯(lián)度最高，為0.776，由此可知帶寬為14 m的生態(tài)改造效果最佳。從土壤肥力的灰色關聯(lián)度可知，隨著生態(tài)改造寬度的增加，土壤肥力的綜合質量呈先升高后降低的趨勢。這是因為改造寬度越大，陽光輻射面積越大，微氣候越適宜采伐剩余物的分解，從而使土壤肥力的綜合評價越高；然而生態(tài)改造寬度過大，出現(xiàn)水土流失，土壤肥力綜合質量就會下降。誘導樹種改造中，西伯利亞紅松的平均成活率、生長率最高，分別為95.12%、33.87%。就不同生態(tài)改造而言，不同改造模式中14 m帶寬誘導樹種苗木的平均成活率和生長率最高。不同的指標對土壤肥力的綜合評價結果的影響程度不同，因此需要對各個指標進行賦權。本研究采用相關系數(shù)法進行賦權，有效磷的權重最高，為0.099，其次是有機質權重，為0.098，說明土壤中有效磷和有機質的含量對土壤肥力的綜合質量影響程度最大。土壤中有效磷的某些形態(tài)是能量傳遞的介質和載體，為林木的生長和繁殖做儲備。土壤有機質的數(shù)量與質量變化作為土壤肥力及環(huán)境質量狀況的最重要表征，是制約土壤理化性質如含水率、孔隙度、土壤密度、土壤碳通量以及土壤養(yǎng)分等關鍵因素。

低質山楊林不同生態(tài)改造后土壤肥力的綜合評價不僅與經(jīng)營模式有關，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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The Comprehensive Evaluation of Soil Fertility ofPopulusdavidianaLow-quality Forest Stands after Ecological Transformation

MAO Bo，DONG Xi-bin，SONG Qi-liang，CHEN Bai-ling

(CollegeofEngineeringandTechnology，NortheastForestryUniversity，Harbin，150040，Heilongjiang，China)

Determined and analyzed the changes about the soil fertility of populus davidiana low quality forest.With bandwidths strip reforms in the Greater Hinggan Mountains region and then planting separatelyPinussibirica,Larixgmelinii,Pinussylvestrisvar.mongolicafrom 2009.Grey system was used to theoretically investigate the soil fertility indexes of the low-quality forest after the low-quality forest alternated in different bandwidth strip reforms.We performed the comprehensive evaluation of soil fertility in different ecological transformations using grey correlation，and the results showed us that all transformation methods showed positive effects on the soil fertility.The best bandwidth of ecological transformation is 14 m，and the Mongolica induction was the best effect induced transformation of Soil fertility.We developed a comprehensive evaluation method for populus davidiana low-quality forest alteration，which can provide a basis for forest management.

Populusdavidiana；ecological transformation；grey system theory；soil fertility

2014-05-10；

2014-06-24

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201004043)；黑龍江省重大科技攻關項目(GA09B201-03)

毛波(1989—)，男，安徽宿州人，東北林業(yè)大學碩士研究生，從事森林作業(yè)與環(huán)境研究。E-mail：405488374@qq.com。

董希斌(1961—)，男，東北林業(yè)大學教授，從事森林培育研究。E-mail：xibindong@sina.com。

10.13428/j.cnki.fjlk.2015.02.009

S714.8

A

1002-7351(2015)02-0040-06