張?zhí)?朱玉杰 董希斌

(森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

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小興安嶺用材林土壤肥力綜合評價及評價方法比較1)

張?zhí)?朱玉杰 董希斌

(森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

以小興安嶺帶嶺林業(yè)局用材林為研究對象，在天然林內(nèi)設(shè)置6塊間伐強度不同的樣地(強度依次為10%、15%、20%、25%、30%、35%)，每塊樣地設(shè)置4種間伐帶(6、10、14、18 m)。在各間伐帶內(nèi)采集土壤樣本，測定土壤化學(xué)性質(zhì)，分析不同間伐強度、不同間伐帶寬對土壤肥力的影響；運用基于熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)模型，綜合評價小興安嶺用材林土壤肥力。結(jié)果表明：改造的樣地中，最有利于土壤養(yǎng)分積累的是間伐強度25%～30%、間伐帶寬為10 m。與灰色關(guān)聯(lián)法、主成分分析法、熵權(quán)理想解法比較表明：基于熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)模型用于土壤肥力評價，合理可行。

小興安嶺；用材林；土壤肥力；熵權(quán)；灰色關(guān)聯(lián)度

Journal of Northeast Forestry University，2016,44(12)：10-14，98.

With the timber forest in the Dailing Forestry of Xiaoxing’an Mountain, we set different samples of six thinning intensities in the natural forest (10%, 15%, 20%, 25%, 30%, and 35%), and each sample was with 6 m, 10 m, 14 m and 18 m bandwidth. Taking soil samples in the thinning zone, we determined its chemical properties and analyzed the effect of different thinning intensities and different bandwidths on soil chemical properties by grey correlation model with entropy weight to evaluate soil fertility of Xiaoxing’an Mountain timber forest. All modification in the sample area, the most beneficial manageable way to the accumulation of soil nutrients is 25%-30% thinning intensity and the 10 m bandwidth. Compared with grey correlation analysis, the principal component analysis method and entropy weight ideal solution, the grey correlation model with entropy weight method in soil fertility evaluation is feasible.

土壤肥力是土壤諸多基本特性的綜合反映，因此在評價時不能只著眼于個別的肥力因素，需從整體的觀點出發(fā)進行綜合指標(biāo)，既是定性的又是定量的，即土壤肥力的數(shù)值化綜合評價[1-4]。熵權(quán)法可以充分利用客觀數(shù)據(jù)提供的信息確定客觀權(quán)重，去除主觀性影響；灰色關(guān)聯(lián)分析[5]是建立在客觀數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，能很好的處理信息不完全的問題，尤其是對小樣本無規(guī)律指標(biāo)的評價問題上，通過觀察與理想方案的接近程度確定最優(yōu)方案，這兩種方法都能很好地對土壤肥力進行綜合評價。羅毅等[6]提出了基于熵權(quán)法和灰色關(guān)聯(lián)分析法相結(jié)合的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案綜合決策方法，并用仿真算例驗證了該方法的有效性；候?qū)殶舻萚7]運用基于改進熵權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)度模型，為濕地生態(tài)系統(tǒng)水質(zhì)綜合評價提供了新的思路；但基于熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)模型用于土壤肥力綜合評價上的報道很少。

針對林分的具體情況和該地區(qū)的自然條件，從土壤肥力角度進行研究，了解森林土壤理化性質(zhì)的變化規(guī)律，可選擇有利于林分生長更新的撫育方式。本研究以小興安嶺用材林為研究對象，探討不同撫育間伐方式對土壤肥力的影響，并運用改進熵權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)度模型進行綜合評價，旨在為選擇土壤養(yǎng)分評價方法提供參考。

1 研究區(qū)域概況

試驗區(qū)位于小興安嶺地區(qū)帶嶺林業(yè)局東方紅林場。該林場位于小興安嶺南麓，帶嶺區(qū)東南13.9 km處，地理坐標(biāo)為東經(jīng)128°37′46″～129°17′50″、北緯46°50′8″～47°21′32″。該場地處低山地區(qū)，山坡多為緩坡，平均坡度10°，平均海拔600 m。全年平均氣溫1.4 ℃，夏季濕潤，溫涼多雨；冬季干燥寒冷，少風(fēng)多雪。年最低氣溫達-40 ℃(一般出現(xiàn)在1月上旬)，年最高氣溫達37 ℃(平均最高月氣溫在7月份)。年平均降水661 mm，降水全年為130 d左右。土壤以暗棕壤為主，少量林地為谷地草甸土和沼澤土。該林場中天然林多分布在山中上腹及溝系的上部，人工林多分布在山中下腹及溝系的下部。

2 試驗方法

天然林試驗區(qū)設(shè)置在東方紅林場414林班內(nèi)，作業(yè)面積約54.93 hm2(824畝)，位于山的中腹，坡度14°，坡向為西北方向；土壤為暗棕壤，厚度約30 cm。林分類型為針闊混交林，主要樹種有云杉(PiceaasperataMast.)、臭冷杉(Abiesnephrolepis(Trautv.) Maxim.)、紅松(PinuskoraiensisSieb. et Zucc.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、紫椴(TiliaamurensisRupr.)、水曲柳(FraxinusmandschuricaRupr.)、楊樹(PopulusL.)。平均林齡70 a，平均胸徑16 cm，平均樹高11 m，林分郁閉度0.9。具體試驗區(qū)概況見表1。

表1 天然林試驗區(qū)植被構(gòu)成

在天然林試驗區(qū)內(nèi)設(shè)置6塊樣地，每塊樣地的面積均為100 m×100 m。對樣地進行帶狀撫育間伐，間伐帶順山設(shè)置(見圖1)。間伐帶寬分別為6 m(S1)、10 m(S2)、14 m(S3)、18 m(S4)；撫育間伐強度分別為10%(A)、15%(B)、20%(C)、25%(D)、30%(E)、35%(F)。各間伐帶之間設(shè)置保留帶作為對照樣地(CK)。

樣地面積為100 m×100 m；S為間伐帶，S1為6 m、S2為10 m、S3為14 m、S4為18 m；P為保留帶，P1為6 m、P2為10 m、P3為14 m、P4為18 m。

圖1 試驗樣地設(shè)置

于2015年5月進行野外取樣，在各間伐帶內(nèi)隨機設(shè)置4個樣點，各間伐帶之間樣點保持同一水平位置，對照樣地選擇在10 m保留帶內(nèi)，每個樣點取土壤剖面為0～10 cm的土壤1 kg左右?guī)Щ貙嶒炇疫M行化學(xué)性質(zhì)分析。

土壤化學(xué)物質(zhì)主要測定指標(biāo)，包括pH值、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)、全量養(yǎng)分(全N、全P、全K)、速效養(yǎng)分(水解N、有效P、速效K)。①pH值，用水浸法測定(LY/T 1239—1999)；②土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，用油浴重鉻酸鉀(K2Cr2O7)氧化法測定(LY/T 1237—1999)；③全氮，用自動凱氏法測定(LY/T 1228—1999)，儀器為VS-KT-P型全自動定氮儀；④全P，用酸溶鉬銻抗比色法測定(LY/T 1232—1999)，用分光光度計進行測定；⑤全K，用酸溶-火焰光度法測定(LY/T 1234—1999)；⑥水解N，用擴散吸收法測定(LY/T 1231—1999)；⑦有效P，用氫氧化鈉浸提-鉬銻抗比色法測定(LY/T1233—1999)；⑧速效K，用乙酸銨浸提-火焰光度法測定(LY/T 1236—1999)。

將測得的數(shù)據(jù)錄入到Excel表里并進行基本處理，然后通過Matlab軟件進行綜合評價的計算。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤化學(xué)性質(zhì)的變化

由表2可見：在間伐帶寬一定時，土壤pH值、有機質(zhì)及各營養(yǎng)元素質(zhì)量分數(shù)，隨著間伐強度的增大而呈現(xiàn)出先升高再下降的“V”型趨勢，或為先升再降然后再升高再下降的“M”型過程。其中：間伐強度為20%時，pH值、全磷及全鉀質(zhì)量分數(shù)相對較高；pH值平均為6.15，表現(xiàn)出強的弱酸性；全磷質(zhì)量分數(shù)平均為1.20 g·kg-1，全鉀質(zhì)量分數(shù)平均為19.47 g·kg-1。間伐強度為30%時，有機質(zhì)及速效養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)相對較高，有機質(zhì)平均質(zhì)量分數(shù)21.09 g·kg-1、水解氮平均質(zhì)量分數(shù)91.19 mg·kg-1、有效磷平均質(zhì)量分數(shù)18.66 mg·kg-1、速效鉀平均質(zhì)量分數(shù)52.72 mg·kg-1。間伐強度為15%時，全氮質(zhì)量分數(shù)相對較高，為1.56 g·kg-1。低間伐強度(10%)或高間伐強度(35%)時，樣地土壤化學(xué)性質(zhì)各項指標(biāo)都較低。在間伐強度一定時，土壤化學(xué)性質(zhì)各項指標(biāo)隨著間伐帶寬的增大也是呈現(xiàn)“V”型或“M”型趨勢。其中：間伐帶寬18 m時，pH值、全氮及全磷質(zhì)量分數(shù)相對較高；間伐帶寬14 m時，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)相對較高；其余營養(yǎng)元素均在間伐帶寬10 m時，質(zhì)量分數(shù)較高。

由表2各指標(biāo)的變化程度可見：大部分撫育間伐樣地與相應(yīng)的對照樣地相比，土壤化學(xué)性質(zhì)各項指標(biāo)均有不同程度的增加，且隨著間伐強度的增加，營養(yǎng)元素由高間伐帶寬(14 m)向低間伐帶寬(6 m)集中。間伐強度為10%～20%時，有機質(zhì)及營養(yǎng)元素都集中在高的間伐帶寬(14～18 m)中；間伐強度為20%～25%時，有機質(zhì)及營養(yǎng)元素都集中在較高的間伐帶寬(10～14 m)中，間伐強度為25%～35%時，有機質(zhì)及營養(yǎng)元素都集中在低的間伐帶寬(6～10 m)中。

表2 各樣地土壤養(yǎng)分實測值

3.2 基于熵權(quán)法的土壤肥力灰色關(guān)聯(lián)評價

將熵權(quán)法與灰色關(guān)聯(lián)法結(jié)合起來對土壤的肥力進行綜合評價，首先用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重，然后用灰色關(guān)聯(lián)度對土壤肥力進行綜合評價?；疑P(guān)聯(lián)綜合評價方法的計算過程如下。①確定原始矩陣。原始評價矩陣是由n個樣地的m個評價指標(biāo)實測值組成的集合，其中m=8、n=30，由表3可得到原始矩陣Dn×m。

②對原始矩陣進行標(biāo)準化處理。采用線性比例變換中的正向指標(biāo)型，即各樣地的指標(biāo)實測值與對應(yīng)的指標(biāo)最大值的比值(見式(1))，標(biāo)準化后的矩陣記為R′(見式(2))。

(1)

(2)

這里理想對象矩陣為R0=(1 1 1 1 1 1 1 1)。

③確定各樣地各指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)(見表3)。

④確定評價指標(biāo)權(quán)重。這里采用熵權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重。熵權(quán)法是一種依據(jù)各指標(biāo)所包含的信息量的多少確定指標(biāo)權(quán)重的客觀賦權(quán)法，某個指標(biāo)的熵越小，說明該指標(biāo)值的變異程度越大，提供的信息量也越多，在綜合評價中起的作用越大，則該指標(biāo)的權(quán)重也越大[8]。熵權(quán)法計算步驟簡單，有效利用了指標(biāo)數(shù)據(jù)，排除了主觀因素的影響。引進熵值，可以很好地避免在取值時主觀因素的干擾，在綜合評價時可以與實際結(jié)合，得到比較客觀的結(jié)果，同時計算過程簡單易行，直觀表達優(yōu)劣。

運用Matlab軟件熵權(quán)算法即可得到權(quán)重W=[0.012 0.110 0.126 0.230 0.126 0.072 0.047 0.277]。由權(quán)重結(jié)果可以看出，在土壤化學(xué)性質(zhì)的各項指標(biāo)中，pH值所起作用最小，有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效鉀5個因素對土壤養(yǎng)分影響較大。

⑤運用Matlab軟件灰色關(guān)聯(lián)分析算法得到各樣地灰色關(guān)聯(lián)度(見表3)。

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論中關(guān)聯(lián)度分析原則，由于選定的“理想對象”的質(zhì)量是系統(tǒng)中質(zhì)量“最高”的，如果被評價樣地土壤養(yǎng)分的關(guān)聯(lián)度越大，則其與“理想對象”越接近，表明其土壤養(yǎng)分越高[9]。通過灰色關(guān)聯(lián)度綜合評價后結(jié)果可看出：在A樣地，即間伐強度為10%的情況下，間伐帶寬為6 m的關(guān)聯(lián)度低于對照樣地的關(guān)聯(lián)度，其余帶寬的關(guān)聯(lián)度都大于對照樣地；在B樣地，即間伐強度為25%的情況下，間伐帶寬為6 m的關(guān)聯(lián)度低于對照樣地的關(guān)聯(lián)度；在C樣地，即間伐強度為20%的情況下，間伐帶寬為14 m的關(guān)聯(lián)度低于對照樣地的關(guān)聯(lián)度；在D樣地、E樣地、F樣地，即在25%、30%、35%間伐強度下，各間伐帶寬的關(guān)聯(lián)度都高于對照樣地。關(guān)聯(lián)度高于對照樣地，說明其土壤養(yǎng)分優(yōu)于對照樣地。

從表3綜合排序結(jié)果可見：在所有改造的樣地中，關(guān)聯(lián)度高的為E-S2樣地、D-S2樣地，即在撫育間伐強度為25%～30%、間伐帶寬為10 m的情況下，最有利于土壤養(yǎng)分的積累。

表3 各樣地灰色關(guān)聯(lián)評價結(jié)果

3.3 基于熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)模型可行性

運用熵權(quán)法、灰色關(guān)聯(lián)法、主成分分析法對土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)進行綜合評價，然后將排序結(jié)果與基于熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)模型的排序結(jié)果進行比較，以此驗證模型的可行性。在進行主成分分析時，KMO和Barlett球形度檢驗中sig=0，表明數(shù)據(jù)可以進行因子分析；同時，累計貢獻率達到84%(見表4)，表明可以做主成分分析。將基于熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)模型與主成分分析、熵權(quán)法、灰色關(guān)聯(lián)法進行排序結(jié)果比較(見表5)，結(jié)果4種方法得出的綜合評價排序結(jié)果相類似。

表4 主成分分析貢獻率

將基于熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)模型評價結(jié)果與其他綜合評價方法評價結(jié)果進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)此模型得出的結(jié)果與主成分分析法得到的結(jié)果相關(guān)性達到0.88、與熵權(quán)法得到的結(jié)果相關(guān)性為0.974、與灰色關(guān)聯(lián)法得到的結(jié)果相關(guān)性為0.995。說明基于熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)模型用于土壤肥力綜合評價是可行的。

表5 4種方法綜合評價排序結(jié)果比較

方 法樣地25%～35%間伐強度綜合評價排序結(jié)果D-S1D-S2D-S3D-S4D-CKE-S1E-S2E-S3E-S4E-CKF-S1F-S2F-S3F-S4F-CK基于熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)模型6238174179211218222728熵權(quán)法5239154178191721232627灰色關(guān)聯(lián)法62381741711211020232728主成分分析法13347102151917814222425

4 結(jié)論與討論

以小興安嶺用材林為研究對象，在天然林設(shè)置試驗樣地，進行不同強度、不同帶寬的撫育間伐，研究間伐后林地土壤化學(xué)性質(zhì)的變化。通過分析各樣地的pH值、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)以及氮質(zhì)量分數(shù)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)pH值接近6.20時，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)較高，并且土壤中總N量最高。小興安嶺地區(qū)雨水充足，植物生長茂盛，年平均氣溫較低，有利于有機質(zhì)積累，同時弱酸性的土壤最適宜微生物生長繁殖和有機質(zhì)分解。在評價土壤肥力的指標(biāo)中，有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)占據(jù)主要作用，而且其與土壤中氮質(zhì)量分數(shù)呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，微生物活動活躍，有機質(zhì)轉(zhuǎn)化都有利于土壤中全氮、水解氮含量增加。

隨著間伐強度的增加，營養(yǎng)元素由高間伐帶寬向低間伐帶寬集中。經(jīng)過低間伐強度后，各間伐帶內(nèi)環(huán)境變化不大，因此林內(nèi)各項指標(biāo)不會有大的變化。中等間伐強度使得林內(nèi)小氣候發(fā)生變化，透光率增加，土壤溫度升高，加速了間伐剩余物的分解，使得土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)升高，有機質(zhì)豐富了土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)、改良土壤物理性狀。間伐后林地中的凋落物的礦化作用也大大提高了P、K的質(zhì)量分數(shù)。較高強度的間伐對原始林內(nèi)環(huán)境破壞極大，很容易受到雨水沖刷，林地地表植被、枯枝落葉很容易被沖走，土壤養(yǎng)分降低。高明等[10]運用主成分分析綜合評價采伐強度對大興安嶺用材林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響，得出采用強度為19%～21%的撫育間伐，可以改善土壤化學(xué)性質(zhì)，提高土壤肥力。高陽等[11]總結(jié)出隨著撫育間伐強度的增大，土壤有機質(zhì)和土壤全氮在0～10 cm和10～20 cm都呈上升趨勢，土壤pH值呈下降趨勢。紀浩[12]研究發(fā)現(xiàn)，采伐帶寬10 m和14 m內(nèi)，適宜的光照條件為土壤微生物生存創(chuàng)造了良好的環(huán)境，林地土壤大量微生物的活動促進土壤肥力改善。間伐帶寬較小時，由于改造面積較小，使得林內(nèi)環(huán)境變化很小，土壤養(yǎng)分變化不明顯。

在對土壤肥力進行綜合評價的方法中，主成分分析法[13]多用于有大量的數(shù)據(jù)的研究，數(shù)據(jù)量小會導(dǎo)致所得結(jié)果與實際偏差較大；粗糙集理論，雖然可以在屬性約簡上有很大的優(yōu)勢，但是在實際操作上會因為各種問題得到不同的約簡結(jié)果，使得在評價時更加復(fù)雜。通過熵權(quán)法確定權(quán)重，避免了主觀隨意性[14-16]；土壤養(yǎng)分的影響因子很多，有一部分是已知的，一部分是未知的，運用灰色關(guān)聯(lián)法進行綜合評價，可以在很大程度上減少由于信息不對稱帶來的損失，并且對數(shù)據(jù)要求較低，所以，運用基于熵權(quán)法的灰色關(guān)聯(lián)模型對土壤養(yǎng)分進行綜合評價是合理可行的。

目前指標(biāo)權(quán)重的確定方法有主觀賦權(quán)、客觀賦權(quán)、主客觀綜合賦權(quán)[16-20]。主觀賦權(quán)法多以專家長期的研究經(jīng)驗為準；客觀賦權(quán)是不受主觀因素干擾，得到的結(jié)果能很好地反映客觀情況。兩種方法都有其優(yōu)點和缺點，揚長避短，發(fā)揮兩者的優(yōu)點，即在賦權(quán)時采用主客觀綜合賦權(quán)，這是今后研究中需要改進的地方。

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Comprehensive Evaluation and Method Comparison of Timber Forest Soil Fertility in Xiaoxing’an Mountain

Zhang Tian， Zhu Yujie， Dong Xibin

(Key Laboratory of Forest Sustainable Management and Environmental Microorganism Engineering of Heilongjiang Province, Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)

Xiaoxing’an Mountain; Timber forest; Soil fertility; Entropy weight; Grey correlation

張?zhí)?，女?993年1月生，森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，博士研究生。E-mail：346168733@qq.com。

董希斌，森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，教授。E-mail：xibindong@163.com。

2016年6月6日。

S753.7；S714

1)林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201204509)。

責(zé)任編輯：張 玉。