曾翔亮 董希斌 宋啟亮 崔 莉

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

土壤作為植物生長的重要介質(zhì)，不僅為植物的生長提供了物理支撐，而且為植物生長提供了水分、微生物和必要的養(yǎng)分，是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)和能量循環(huán)的重要場所［1］。土壤養(yǎng)分和土壤理化性質(zhì)息息相關(guān)，不但直接影響植物的生長發(fā)育，而且也對森林群落內(nèi)植物種類的分布格局具有重要影響［2］。因此，國內(nèi)外許多學(xué)者對各地的土壤養(yǎng)分和土壤理化性質(zhì)進行了大量的研究［3－6］，但由于土壤養(yǎng)分的影響因子眾多，目前國內(nèi)對土壤養(yǎng)分的評價還停留在定性描述以及傳統(tǒng)的定量描述，其中定性描述已無法滿足人們對土壤研究的需要，而傳統(tǒng)的定量化描述則存在著較大的主觀隨意性［7］。模糊綜合指數(shù)評價法是指對多種模糊因素所影響的事物或現(xiàn)象進行總的評價，是一種定量研究多種屬性事物的方法［8］。本研究以大興安嶺林區(qū)中的闊葉混交低質(zhì)林為研究對象，采用模糊綜合指數(shù)法對不同誘導(dǎo)改造方式下闊葉混交低質(zhì)林的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)建立評價模型，分析比較不同誘導(dǎo)改造方式對林地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的影響，以期為闊葉混交低質(zhì)林的改造和培育提供參考依據(jù)。

1 試驗地區(qū)概況

試驗地區(qū)位于加格達奇林業(yè)局翠峰林場174林班(124°23'47.8″E ～124°24'35.1″E，50°34'9.17″N ～50°34'32.0″N)，地處黑龍江省大興安嶺林區(qū)的最南部，屬于限伐區(qū)，主要流經(jīng)河流為甘河。該地區(qū)的平均海拔為472 m，地勢平緩，坡度在10°左右，立地條件好;土壤肥沃，以暗棕壤和棕色針葉林土為主，土壤厚度為15～30 cm;林分類型為闊葉混交低質(zhì)林(楊樹、蒙古櫟、黑樺等)，喬木平均胸徑為11 cm，灌木以杜鵑為主，草本以莎草為主;屬寒溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為－1.2℃，年平均降水量為494.8 mm。

2 研究方法

試驗數(shù)據(jù)采集:對大興安嶺林區(qū)加格達奇林業(yè)局翠峰林場174林班的闊葉混交低質(zhì)林進行帶狀改造。帶狀改造試驗區(qū)以順山帶設(shè)置，共4條皆伐帶，皆伐帶的帶寬依次為6、10、14、18 m，每條皆伐帶平均分成3段，分別栽植樟子松、落葉松、西伯利亞紅松，栽植苗木時與相鄰保留林帶距離1 m，株行距配置為2.0 m×1.5 m。同時，在闊葉混交低質(zhì)林試驗區(qū)中設(shè)置一個未采伐的對照樣地(CK)。

采樣時間選在2012年的6月底，在帶狀改造試驗區(qū)每條采伐帶和對照樣地沿山坡上、中、下按“S”型分別選取5個采樣點，每個樣點取土壤剖面為0～10 cm的土壤1 kg帶回實驗室，鮮土在實驗室做自然風干處理，然后研磨過篩，用于分析土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)，分析方法［9］見表1。

表1 森林土壤分析方法

將測得的數(shù)據(jù)錄入Excel 2010進行基本處理后，再導(dǎo)入Matlab7.0中對矩陣進行計算。

模糊綜合指數(shù)法:設(shè)影響土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的因子有n個，由這n個因子組成土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)評價因子集U。

U=(U1，U2，…，Un)。

設(shè)有m種不同的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)評價等級，它們組成與U相對應(yīng)的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)評價等級集V。

V=(V1，V2，…，Vm)。

在V和U均給定之后，土壤樣本的養(yǎng)分因子與評價等級之間的模糊關(guān)系可用模糊矩陣R表示。

R=(rij)n×m(i=1，2，…，n;j=1，2，…，m)。

其中，rij表示第i種土壤養(yǎng)分的質(zhì)量分數(shù)可以被評為第j種土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)等級的可能性，即i對j的隸屬度。

由于土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)評價因子集U中各養(yǎng)分因子在土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)評價中所起的作用不一樣，因此，評價時應(yīng)給Ui分配相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，它們構(gòu)成土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)評價因子集U的權(quán)重矩陣W。

已知模糊矩陣R和權(quán)重矩陣W后，對于n種土壤養(yǎng)分因子，可得到其多指標模糊綜合評價矩陣B。

則可求出土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的模糊綜合指數(shù)FC，I。

其中，G為土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)等級標準向量，GT=(1，2，…，m)。

FC，I值越小，說明該樣地的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)等級越高，土壤養(yǎng)分越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分傳統(tǒng)定量評價

闊葉混交低質(zhì)林經(jīng)過不同誘導(dǎo)改造后，樣地內(nèi)各土壤養(yǎng)分影響因子質(zhì)量分數(shù)的實測值見表2。在土壤有機質(zhì)、全氮和有效磷質(zhì)量分數(shù)方面，和對照樣地相比，除18 m誘導(dǎo)改造帶有所上升外，其余誘導(dǎo)改造帶的均有不同程度地下降;而在土壤全鉀質(zhì)量分數(shù)方面，則正好相反，除18 m誘導(dǎo)改造帶有略微下降外，其余誘導(dǎo)改造帶均有不同程度地升高，其中土壤全鉀質(zhì)量分數(shù)最高的是14 m誘導(dǎo)改造帶，達到了26.05 g·kg－1;而在土壤全磷和堿解氮質(zhì)量分數(shù)方面，除10 m誘導(dǎo)改造帶有所下降外，6、14、18 m誘導(dǎo)改造帶均有不同程度地升高。

顯然，采用傳統(tǒng)方法對土壤養(yǎng)分進行定量評價，得到的結(jié)果粗糙，很難判斷改造后樣地的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)是否上升，也很難篩選出最適合闊葉混交低質(zhì)林的改造方法。

表2 樣地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)

3.2 土壤養(yǎng)分模糊綜合評價

3.2.1 確定土壤養(yǎng)分評價因子和評價標準

在考慮大興安嶺的土壤特征以及專家的指導(dǎo)下，本研究選取差異顯著、對土壤養(yǎng)分和植物生長影響較大的土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀作為評價因子，因此，n=7。

本研究中，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)評價標準參考全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準［10］(表3)，因此，m=6。

表3 全國第二次土壤普查養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)(c)分級標準

3.2.2 建立模糊關(guān)系矩陣

模糊關(guān)系矩陣R的建立主要是計算隸屬度rij(i=1，2，…，n;j=1，2，…，m)，而 rij可通過隸屬函數(shù)來確定。本研究中土壤養(yǎng)分的影響因子與土壤養(yǎng)分均為S型曲線關(guān)系，因此，用S型隸屬函數(shù)計算隸屬度。為了便于計算，文中用折線型分段函數(shù)模擬S型隸屬函數(shù)。

對于第1級土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)，即j=1，其隸屬函數(shù)為:

對于第2～5級土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)，即j=2～5，其隸屬函數(shù)為:

對于第6級土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)，即j=6，其隸屬函數(shù)為:

式中，Xi是第i種養(yǎng)分因子的實測值;Sij是第i種養(yǎng)分因子的第j級評價標準，由表3可知，本研究中的S矩陣如下:

根據(jù)公式(3)、(4)和(5)，可求出對照樣地和各誘導(dǎo)改造帶的模糊關(guān)系矩陣:

其中:R1為對照樣地的模糊關(guān)系矩陣，R2、R3、R4和R5分別為6、10、14、18 m誘導(dǎo)改造帶的模糊關(guān)系矩陣。

3.2.3 計算各土壤養(yǎng)分因子權(quán)重

由3名放射影像科醫(yī)師（其中2名醫(yī)師具有中高級職稱）在PACS工作站共同完成。觀察內(nèi)容包括病灶生長的位置、大小、形態(tài)、密度、與周圍結(jié)構(gòu)的關(guān)系以及增強掃描病灶的強化方式。

本研究中采用變異系數(shù)法計算各土壤養(yǎng)分因子的權(quán)重，采用變異系數(shù)法可以直接利用各土壤養(yǎng)分影響因子所包含的信息，通過計算得到各土壤養(yǎng)分影響因子的權(quán)重，是一種客觀賦權(quán)的方法［11］。各土壤養(yǎng)分因子的變異系數(shù)公式如下:

式中:Vi是第i個土壤養(yǎng)分影響因子的變異系數(shù)，也稱為標準差系數(shù);σi是第i個土壤養(yǎng)分影響因子的標準差;是第i個土壤養(yǎng)分影響因子的平均值。

各個土壤養(yǎng)分影響因子的權(quán)重為:

將表2中的數(shù)據(jù)按公式(6)和(7)計算，可求出各土壤養(yǎng)分影響因子的權(quán)重系數(shù)，因此，得到各影響因子的權(quán)重矩陣W:

W=(0.20，0.14，0.06，0.12，0.10，0.24，0.14)。

3.2.4 計算多指標模糊綜合評價矩陣

根據(jù)公式(1)，利用 Matlab7.0 計算［12］可得到各樣地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的模糊綜合評價矩陣B。

B2=W·R2=(0.420，0.238，0.155，0.076，0.111，0);

B3=W·R3=(0.599，0.118，0.144，0.067，0.072，0);

B4=W·R4=(0.604，0.099，0.159，0.131，0.007，0);

B5=W·R5=(0.662，0.134，0.081，0.123，0，0)。

其中，B1為對照樣地的模糊綜合評價矩陣;B2、B3、B4、B5分別為 6、10、14、18 m 誘導(dǎo)改造帶的模糊綜合評價矩陣。

3.2.5 模糊綜合指數(shù)的計算

由表3 可知，GT=(1，2，3，4，5，6)，因此，由公式(2)可計算出各個樣地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的模糊綜合指數(shù) FC，I。

FC，11=B1·G=1.93;

FC，12=B2·G=2.22;

FC，13=B3·G=1.89;

FC，14=B4·G=1.84;

FC，15=B5·G=1.66 。

其中，F(xiàn)C，11為對照樣地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的模糊綜合指數(shù)，F(xiàn)C，12、FC，13、FC，14和 FC，15分別為 6、10、14、18 m誘導(dǎo)改造帶土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的模糊綜合指數(shù)。

4 結(jié)論與討論

土壤養(yǎng)分是衡量土壤肥力的核心指標，是土壤肥力綜合評價的根本［13］。森林采伐，尤其是皆伐會移除大量的地面生物量，使森林微氣候發(fā)生改變，導(dǎo)致水熱光等各種環(huán)境影響因子的再分配，從而使枯落物的分解條件發(fā)生改變，影響森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量的循環(huán)過程，并使土壤養(yǎng)分發(fā)生改變。研究采伐后林地土壤養(yǎng)分的分布特征，對于了解營養(yǎng)元素循環(huán)、森林生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力和森林群落的更新演替規(guī)律具有重要意義［2，14］。文中采用模糊綜合指數(shù)法對大興安嶺闊葉混交低質(zhì)林在不同誘導(dǎo)改造后的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)進行研究，得到各樣地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)的模糊綜合指數(shù)(FC，I)由大到小的順序為6 m 誘導(dǎo)改造帶(2.22)、對照樣地(1.93)、10 m誘導(dǎo)改造帶(1.89)、14 m 誘導(dǎo)改造帶(1.84)、18 m誘導(dǎo)改造帶(1.66)，表明除6 m誘導(dǎo)改造帶外，其他誘導(dǎo)改造帶的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)等級均要優(yōu)于對照樣地的，這主要是因為皆伐改造后的初期，森林郁閉度降低，陽光可以直達地表，土壤溫度比對照樣地要高，在土壤微生物的作用下，采伐跡地上留存的大量采伐剩余物變得易于分解，礦化速率加快，再加上采伐后的枯枝落葉層的有機質(zhì)在降水的淋溶作用下，導(dǎo)致誘導(dǎo)改造后初期的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)增加［15］;而6 m誘導(dǎo)改造帶的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)等級不如對照樣地，可能是因為皆伐后樣地出現(xiàn)水土流失，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)下降。另外，從模糊綜合指數(shù)計算結(jié)果可知，隨著采伐帶寬的增加，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)等級升高，這可能是因為采伐帶越寬，誘導(dǎo)改造帶的陽光越充足，土壤溫度升高的越高，誘導(dǎo)改造帶的微氣候越適宜采伐剩余物的分解，從而使誘導(dǎo)改造帶的養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)越高。

對各土壤養(yǎng)分影響因子科學(xué)地賦予不同的權(quán)重，有利于提高土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)等級評價的精度。本研究根據(jù)對大興安嶺誘導(dǎo)改造后樣地的實測數(shù)據(jù)，采用變異系數(shù)法對各指標客觀求權(quán)重，有效地避免了層次分析法等由于人為主觀因素而造成的權(quán)重分配偏差。結(jié)果顯示，有機質(zhì)、有效磷的權(quán)重分別為0.20 和 0.24，高于全氮(0.14)、全磷(0.06)、全鉀(0.12)、堿解氮(0.10)以及速效磷(0.14)，說明有機質(zhì)和有效磷是影響土壤養(yǎng)分的主要因子。因此，在今后的低質(zhì)林培育過程中可以適當?shù)厥┘恿追?，以保持林地土壤肥力的長期有效性。

文中采用模糊綜合指數(shù)法對各誘導(dǎo)改造帶和對照樣地的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)建立評價模型，避免了定性評價和傳統(tǒng)定量評價所存在的主觀性強、結(jié)論粗糙、評價所提供的信息量少等弊端。采用模糊綜合指數(shù)法的評價結(jié)果顯示大興安嶺闊葉混交低質(zhì)林的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)等級均在2左右，說明各樣地的土壤非常肥沃，這與大興安嶺的實際情況是比較相符的，也說明本研究采用模糊綜合指數(shù)法對土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)等級進行評價，是科學(xué)可行的。另外，文中建立的模糊綜合評價模型具有良好的通用性，對其他區(qū)域的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分數(shù)等級進行評價時，只需根據(jù)實際情況稍微進行調(diào)整，即可得到評價結(jié)果，對今后的森林經(jīng)營和培育具有重要的借鑒意義。

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