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(jìn)步、經(jīng)濟(jì)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(shí)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(duì)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(xiàn)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(duì)大興安嶺天然低質(zhì)林林地土壤肥力進(jìn)行定時(shí)、定位連續(xù)觀測以及不同的經(jīng)營措施對(duì)低質(zhì)林土壤肥力的影響的研究甚少，不能夠形成一個(gè)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(duì)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(píng)價(jià)中指標(biāo)因子較多，然而這些指標(biāo)因子對(duì)林地土壤肥力的定量綜合總價(jià)的影響程度不盡相同，雖然可以用回歸分析來確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)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(shí)，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(píng)價(jià)土壤肥力的過程中對(duì)各個(gè)指標(biāo)因子的數(shù)量和數(shù)據(jù)的規(guī)律性沒有特別嚴(yán)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(píng)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(gè)指標(biāo)因子定量數(shù)據(jù)，直接得出土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果［11－12］。這使得評(píng)價(jià)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(jìn)行人為分級(jí)。

本文以大興安嶺天然白樺低質(zhì)林為研究對(duì)象，探討不同生態(tài)改造模式對(duì)林地土壤肥力的影響，并利用灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)各試驗(yàn)區(qū)樣地的土壤肥力進(jìn)行定量綜合評(píng)價(jià)，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(yàn)區(qū)概況及樣地設(shè)置

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在黑龍江省大興安嶺地區(qū)的加格達(dá)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(duì)白樺低質(zhì)林試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行林窗和帶狀誘導(dǎo)改造。林窗改造試驗(yàn)區(qū)共3 組，6 個(gè)試驗(yàn)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(duì)照樣地在未采伐的林地內(nèi)設(shè)置3 塊30 m×30 m，每個(gè)對(duì)照樣地分別選取5 個(gè)樣本點(diǎn)。

2 土壤肥力指標(biāo)測定與評(píng)價(jià)方法

2.1 土壤肥力指標(biāo)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(duì)照樣地上，按“S”型布點(diǎn)法各選取4 個(gè)樣方，每個(gè)樣方選擇5 個(gè)土壤取樣點(diǎn)，每個(gè)樣地均取0 ～10 cm 的土壤，然后按四分法混合取樣，共取220 個(gè)土壤樣本，每個(gè)土壤樣本為1 kg。土壤樣本在實(shí)驗(yàn)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(gè)土壤樣點(diǎn)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(gè)循環(huán)周期，時(shí)間為24 h。

在土壤的化學(xué)元素測定時(shí)，針對(duì)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?jǐn)?shù)，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 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用擴(kuò)散法(LY/T 1231—1999);③全P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用酸溶銻抗比色法(LY/T 1232—1999);④有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)，氫氧化鈉浸提－鉬銻抗比色法(LY/T 1233—1999);⑤全K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，酸溶—火焰光度法(LY/T 1234—1999)，儀器為火焰光度計(jì);⑥速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)，乙酸銨浸提—火焰光度法(LY/T 1236—1999);⑦pH 值，采用酸度計(jì)測定(LY/T 1239—1999);⑧土壤有機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)錄入和統(tǒng)計(jì)。

2.2 土壤肥力的評(píng)價(jià)指標(biāo)

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(duì)低質(zhì)林生態(tài)改造模式的評(píng)價(jià)和應(yīng)用有著極其重要的影響。土壤肥力的分析指標(biāo)因子很多，宏觀上包括土壤物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物指標(biāo)［14－17］。本文采用土壤密度、土壤pH 值、有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、土壤碳通量10 個(gè)指標(biāo)［18］。在土壤肥力的影響指標(biāo)中磷元素的存在形態(tài)有很多種，并且各個(gè)形態(tài)之間可以隨著時(shí)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?jǐn)?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(duì)森林供給水平的一個(gè)綜合指標(biāo)，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(jī)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(píng)價(jià)過程中選取的必要性［19］。

2.3 土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)方法

在應(yīng)用灰色關(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)，先用變異系數(shù)法求各個(gè)指標(biāo)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)

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(biāo)實(shí)測值見表1。

表1 樣地土壤肥力指標(biāo)因子的實(shí)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(jī)質(zhì)、全磷和速效鉀的評(píng)價(jià)指標(biāo)和對(duì)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(píng)價(jià)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(biāo)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(píng)價(jià)變化曲線

試驗(yàn)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(dòng)，變化不大。采用傳統(tǒng)的方法對(duì)土壤肥力進(jìn)行定量綜合評(píng)價(jià)，難以判斷土壤肥力的評(píng)價(jià)指標(biāo)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(dá)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)變化曲線

3.2 土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)綜合評(píng)價(jià)

3.2.1 確定決策矩陣

決策矩陣是由n 個(gè)樣地的m 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)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(duì)決策矩陣進(jìn)行初始化處理，因?yàn)橥寥婪柿Φ?0 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱有所不同，會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生不良影響，為了消除這種影響，對(duì)不同指標(biāo)進(jìn)行無量綱處理，由于本研究中的指標(biāo)均為效益型指標(biāo)，因此采用公式(1)對(duì)決策矩陣進(jìn)行初始化處理。

其中:xij和x'ij分別表示第j 個(gè)試驗(yàn)樣地的第i 種土壤肥力指標(biāo)因子的實(shí)測值和無量綱值;xi0表示xij在第i 種土壤肥力指標(biāo)峰值。計(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)的理想對(duì)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(duì)象矩陣S 為:

ST=［1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1］。

利用公式(2)計(jì)算出土壤肥力各個(gè)指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)rij。

土壤肥力指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)rij構(gòu)成灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)矩陣R。

3.2.4 確定土壤肥力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

在所選擇的土壤肥力指標(biāo)中，不同的指標(biāo)對(duì)土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的影響程度不盡相同，這就需要對(duì)每個(gè)指標(biāo)賦予不同的權(quán)重。土壤肥力指標(biāo)的變異系數(shù)計(jì)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(biāo)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(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)的權(quán)重計(jì)算見公式(4)。

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

3.2.5 確定改造模式灰色關(guān)聯(lián)評(píng)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(jì)算出各樣地指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度bj。

計(jì)算出各個(gè)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(píng)價(jià)中，理想對(duì)象S 是整個(gè)評(píng)價(jià)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)森林資源的永續(xù)利用。土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)方法有很多，許多專家學(xué)者將模糊數(shù)學(xué)、系統(tǒng)評(píng)價(jià)模型和層次分析法分別應(yīng)用到不同類型的土壤肥力評(píng)價(jià)中。何文壽等［19］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)。蔡麗平等［20］對(duì)水土流失治理模式恢復(fù)效果進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析得出喬灌草混交模式、經(jīng)濟(jì)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(duì)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(jìn)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(qiáng)度的增加，土壤肥力的綜合評(píng)價(jià)都是先升高后降低，這是因?yàn)檎T導(dǎo)改造強(qiáng)度越強(qiáng)，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(píng)價(jià)越高，然而誘導(dǎo)改造模式強(qiáng)度過強(qiáng)，森林郁閉度就會(huì)驟降，出現(xiàn)水土流失，土壤肥力綜合質(zhì)量就會(huì)下降。土壤肥力綜合評(píng)價(jià)的各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重都不盡相同，對(duì)各自的指標(biāo)賦予不同的權(quán)重，有利于提高土壤肥力綜合評(píng)價(jià)的進(jìn)度。結(jié)合大興安嶺白樺低質(zhì)林改造后的實(shí)測數(shù)據(jù)，利用變異系數(shù)法求取土壤肥力綜合評(píng)價(jià)的各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，得出的評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。有機(jī)質(zhì)的權(quán)重0.158 高于其余的評(píng)價(jià)指標(biāo)。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，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)增長的先決條件。土壤碳通量的權(quán)重為0.146 僅低于有機(jī)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(biāo)。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(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)換都起到極其重要的作用。土壤微生物還對(duì)地表生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)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(jī)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(duì)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(píng)價(jià)不僅與經(jīng)營模式有關(guān)，還與光照、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等因素密不可分，形成了現(xiàn)有的林地土壤肥力和現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，這方面還有待研究。

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