張 泱

(黑龍江省鐵力市人民政府，鐵力，152500)

曾翔亮 董希斌 宋啟亮

(東北林業(yè)大學(xué))

土壤質(zhì)量的高低直接影響著地上植物的生長(zhǎng)和分布，作為土壤質(zhì)量的核心，土壤肥力質(zhì)量是眾多土壤肥力要素綜合作用的反映，在水、熱、光等環(huán)境因子相近的條件下，土壤肥力質(zhì)量是影響森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要因素[1]。而土壤養(yǎng)分又是土壤肥力的重要組成部分，保持和提高土壤養(yǎng)分是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[2－3]。王軍等[4]對(duì)黃土高原典型小流域土壤養(yǎng)分的空間異質(zhì)性特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮和有效磷的理論模型均為球狀模型;Richard Condit等[5]對(duì)巴拿馬中部熱帶雨林的550個(gè)樹種分布的影響因素進(jìn)行調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)旱季強(qiáng)度和土壤養(yǎng)分是最主要的影響因子。周莉等[6]對(duì)長(zhǎng)白山闊葉紅松混交林的不同采伐年限跡地的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)采伐年限對(duì)跡地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有重要影響。小興安嶺林區(qū)面積1206萬hm2，木材蓄積量約為4.5億m3，是我國(guó)主要林區(qū)之一，但由于在20世紀(jì)遭受過強(qiáng)烈的自然和人為干擾，形成了大片植被總蓋度低、林木生長(zhǎng)緩慢、林地土壤嚴(yán)重侵蝕的低質(zhì)林[7]。本文以小興安嶺低質(zhì)林為研究對(duì)象，采用灰色聚類方法對(duì)不同采伐強(qiáng)度后林地的土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為今后小興安嶺低質(zhì)林的改造和培育方向提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在黑龍江省伊春林區(qū)鐵力林業(yè)局所屬馬永順林場(chǎng)。該林場(chǎng)位于小興安嶺南麓，地形特點(diǎn)為南高北低，地勢(shì)平緩，坡度在10°左右，海拔為117～284 m。水系為松花江支流水系，屬大陸性季風(fēng)氣候，氣候溫?zé)釢駶?rùn)，春秋兩季天氣多變，冬季漫長(zhǎng)，且氣候寒冷干燥，夏季較短，但降水集中，年平均降水量為641 mm，年平均溫度為1.1℃，年日照時(shí)間約為2477 h。初霜在9月中旬，晚霜在5月中旬，無霜期為113～126 d。試驗(yàn)區(qū)的林分類型為針闊混交林，平均林齡62 a，平均樹高18 m，下層木主要是山高粱，草本以三棱草為主，土壤以暗棕壤為主，土壤平均厚度為44 cm。

2 材料與方法

2008年1月16日—2月2日，在小興安嶺馬永順林場(chǎng)500林班選取典型的針闊混交低質(zhì)林進(jìn)行采伐改造，建立采伐強(qiáng)度各不相同的7個(gè)樣地分別為:22%(Z1)、31%(Z2)、41%(Z3)、47%(Z4)、55%(Z5)、66%(Z6)、77%(Z7)。每個(gè)樣地的面積均為0.5 hm2，采伐后仍保持針闊混交林，同時(shí)在試驗(yàn)區(qū)域附近的針闊混交低質(zhì)林內(nèi)設(shè)置一個(gè)未采伐的對(duì)照樣地(CK)。各試驗(yàn)樣地的立地條件和林分概況見表1。

表1 試驗(yàn)樣地基本概況

測(cè)定時(shí)間選在2012年4月底(采伐后第4年)，在每個(gè)采伐樣地和對(duì)照樣地的山坡上、中、下機(jī)械選取5個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)樣點(diǎn)取土壤剖面為0～10 cm的土壤1 kg帶回實(shí)驗(yàn)室，鮮土在實(shí)驗(yàn)室做自然風(fēng)干處理，然后去除雜質(zhì)并研磨過篩，用于分析土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分析方法見表2。

表2 土壤養(yǎng)分測(cè)定方法[8]

將測(cè)得的數(shù)據(jù)錄入Excel2010，進(jìn)行基本的處理后，導(dǎo)入SPSS17.0和Matlab7.0中進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算處理。

3 土壤養(yǎng)分測(cè)定結(jié)果

小興安嶺經(jīng)過不同強(qiáng)度的采伐后，各樣地土壤養(yǎng)分指標(biāo)的實(shí)測(cè)平均值見表3。從表3可知，擇伐后所有樣地中，除了Z5樣地的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)(37.24 g·kg－1)比對(duì)照樣地(27.61 g·kg－1)高外，其他樣地的有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不同程度的低于對(duì)照樣地;7個(gè)采伐樣地的全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.12～1.95 g·kg－1，和對(duì)照樣地(1.07 g·kg－1)相比，均有所上升;在全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)方面，除了Z1樣地(1.76 g·kg－1)略高于對(duì)照樣地(1.55 g·kg－1)外，其他采伐樣地均出現(xiàn)不同程度的下降;而各采伐樣地中除了Z3和Z5樣地的全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)稍低于對(duì)照樣地(10.48 g·kg－1)外，其他采伐樣地均有不同程度的上升;在堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)方面，也表現(xiàn)出類似的結(jié)果:除了Z2、Z4樣地的堿解氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及Z2、Z3樣地的速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)略低于對(duì)照樣地CK外，其他采伐樣地的堿解氮和速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)均不同程度的高于對(duì)照樣地;而經(jīng)過不同強(qiáng)度采伐后，各樣地的有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27.13～38.00 mg·kg－1，和對(duì)照樣地(26.63 mg·kg－1)相比，均有不同程度的上升。

表3 樣地土壤養(yǎng)分實(shí)測(cè)值

4 土壤養(yǎng)分灰色聚類評(píng)價(jià)

4.1 確定聚類樣本

評(píng)價(jià)指標(biāo)是指參與土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)的一種可測(cè)定的土壤屬性，選擇合適的參評(píng)指標(biāo)，是土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，有利于提高土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)的精度[9]。合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系除了應(yīng)符合最小指標(biāo)集外[10]，還應(yīng)盡量遵循主導(dǎo)性、穩(wěn)定性和生產(chǎn)性的原則[11]。在遵循上述原則的情況下，同時(shí)考慮小興安嶺的土壤特征以及相關(guān)專家的建議。本研究選取有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀作為小興安嶺土壤養(yǎng)分的評(píng)價(jià)指標(biāo)。記樣地i=1，2，…，n為聚類對(duì)象;土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)指標(biāo)j=1，2，…，m為聚類指標(biāo);土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)等級(jí)k=1，2，…，p為聚類灰數(shù);第i個(gè)聚類對(duì)象的第j個(gè)聚類指標(biāo)的實(shí)測(cè)值dij為聚類白化數(shù)。表3即為由n個(gè)聚類對(duì)象的m個(gè)聚類指標(biāo)實(shí)測(cè)值dij組成的土壤養(yǎng)分聚類樣本(本研究中n=8，m=7)。

4.2 確定白化函數(shù)

將土壤養(yǎng)分等級(jí)分為p級(jí)，則有p個(gè)灰類，參考全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表4)，可知本研究中p=6。

表4 全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[12]

因?yàn)楸狙芯恐械耐寥鲤B(yǎng)分指標(biāo)均為效益型指標(biāo)，因此參考全國(guó)第二次土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定第i個(gè)聚類對(duì)象的白化函數(shù)。

(1)第j個(gè)指標(biāo)的第1灰類(第k=1等級(jí)土壤養(yǎng)分)白化函數(shù)為:

(2)第 j個(gè)指標(biāo)的第 k灰類(第 k=2，3，4，5 等級(jí)土壤養(yǎng)分)白化函數(shù)為:

(3)第j個(gè)指標(biāo)的第6灰類(第k=6等級(jí)土壤養(yǎng)分)白化函數(shù)為:

式中:fjk(dij)是聚類白化數(shù)dij的白化函數(shù)值;dij是第i個(gè)聚類對(duì)象的第j個(gè)聚類指標(biāo)實(shí)測(cè)值;sjk是第j個(gè)聚類指標(biāo)第k灰類的灰數(shù)(評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)值)。

4.3 確定聚類權(quán)

聚類權(quán)是衡量各個(gè)指標(biāo)對(duì)同一灰類的權(quán)重[13]，目前確定聚類權(quán)的方法有很多[14－17]，本研究采用相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行權(quán)重的計(jì)算，基本思想為m個(gè)聚類指標(biāo)中，分別求出第j個(gè)聚類指標(biāo)與其他m－1個(gè)聚類指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)(表5)，然后將它們的絕對(duì)值加在一起，我們把它定義為第j個(gè)聚類指標(biāo)的總相關(guān)系數(shù)Rj。

Rj越大，表明第j個(gè)聚類指標(biāo)與其他m－1個(gè)聚類指標(biāo)的相關(guān)性越顯著，則第j個(gè)聚類指標(biāo)的代表性就越好，第j個(gè)聚類指標(biāo)數(shù)據(jù)對(duì)土壤養(yǎng)分綜合評(píng)價(jià)值的影響就越大，因此，其權(quán)重也就越大[18]。第j個(gè)聚類指標(biāo)的聚類權(quán)ηj的計(jì)算公式為:

式中:ηj為第j個(gè)土壤聚類指標(biāo)的灰色聚類權(quán)值;Rj為第j個(gè)土壤聚類指標(biāo)的總相關(guān)系數(shù)。

表5 土壤養(yǎng)分相關(guān)系數(shù)

由表5可計(jì)算出Rj，然后根據(jù)公式(4)即可計(jì)算出各個(gè)土壤聚類指標(biāo)的聚類權(quán)值，有機(jī)質(zhì)為0.191、全氮為0.113、全磷為 0.096、全鉀為 0.185、堿解氮為 0.179、有效磷為 0.137、速效鉀為 0.099。

4.4 確定灰色聚類系數(shù)

灰色聚類系數(shù)σik計(jì)算公式如下:

式中:σik為灰色聚類系數(shù)，它反映了第i聚類樣本對(duì)第k灰類的親疏程度;fjk(dij)是由聚類白化數(shù)dij計(jì)算得到的白化函數(shù)值;ηj為聚類指標(biāo)j的灰色聚類權(quán)值。

根據(jù)公式(1)～(5)可求得灰色聚類系數(shù)σik，結(jié)果如表6所示。

表6 灰色聚類系數(shù)

5 結(jié)論與討論

小興安嶺的低質(zhì)林經(jīng)過不同強(qiáng)度的采伐后，和對(duì)照樣地(CK)相比，各個(gè)樣地的有機(jī)質(zhì)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎都有不同程度的下降;而各個(gè)樣地的全氮、全鉀、速效鉀、堿解氮、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在總體上均不同程度的高于對(duì)照樣地。土壤養(yǎng)分是衡量土壤肥力的核心指標(biāo)，是土壤肥力綜合評(píng)價(jià)的根本[20]。然而，僅僅通過某項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)是很難對(duì)各個(gè)樣地的土壤養(yǎng)分進(jìn)行評(píng)價(jià)比較的，因此，本研究在參考全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，采用灰色聚類法對(duì)各樣地的土壤養(yǎng)分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示:對(duì)照樣地CK的土壤養(yǎng)分等級(jí)為第3等級(jí)，在所有的采伐改造樣地中，樣地Z5的土壤養(yǎng)分等級(jí)最高，為第1等級(jí);樣地Z3和Z4的土壤養(yǎng)分等級(jí)為第2等級(jí)，土壤養(yǎng)分等級(jí)次之，但仍然高于對(duì)照樣地;樣地Z1、Z2、Z6和Z7的土壤養(yǎng)分等級(jí)均為第3等級(jí)，與對(duì)照樣地的等級(jí)一樣。說明采伐強(qiáng)度太高或太低對(duì)低質(zhì)林土壤養(yǎng)分的改善效果均不明顯，而當(dāng)采伐強(qiáng)度為41%～55%時(shí)，樣地土壤養(yǎng)分等級(jí)均高于對(duì)照樣地，土壤養(yǎng)分得到明顯改善，尤其是當(dāng)采伐強(qiáng)度為55%時(shí)，樣地的土壤養(yǎng)分等級(jí)為第1等級(jí)，是所有擇伐改造中效果最明顯的，從土壤養(yǎng)分的角度看，55%的采伐強(qiáng)度最適宜小興安嶺低質(zhì)林的改造。

森林的凋落物是土壤養(yǎng)分的主要來源，它們經(jīng)過微生物的分解和礦化作用后，會(huì)轉(zhuǎn)化成土壤的養(yǎng)分[21]。低質(zhì)林經(jīng)過采伐后，林地的枯枝落葉量減少，但林地內(nèi)會(huì)留有一定量的采伐剩余物，二者的綜合作用會(huì)使林地的土壤養(yǎng)分發(fā)生變化[22－24]。樣地Z1和Z2的土壤養(yǎng)分與對(duì)照樣地相比沒有明顯改善，可能是因?yàn)椴煞?qiáng)度太低，林地內(nèi)的采伐剩余物增加不明顯;而采伐強(qiáng)度較大的樣地Z6和Z7的采伐剩余物雖然比較多，但是卻因?yàn)橐谱吡舜罅康牡厣现脖?，?dǎo)致林地的枯枝落葉來源大量減少，因此土壤養(yǎng)分與對(duì)照樣地相比也沒有明顯改善;而樣地Z3、Z4和Z5的土壤養(yǎng)分升高較明顯，可能與中等采伐強(qiáng)度使林地的枯枝落葉減少不多，但采伐剩余物增加較多有關(guān)。

本研究采用灰色聚類法和相關(guān)系數(shù)法對(duì)各樣地的土壤養(yǎng)分建立綜合評(píng)價(jià)模型，通過對(duì)白化數(shù)據(jù)的灰化處理，避免了定性評(píng)價(jià)和傳統(tǒng)定量評(píng)價(jià)主觀隨意性大、結(jié)果粗糙的弊端，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況也是比較相符的，而且所建模型具有通用性，可用于其它區(qū)域土壤養(yǎng)分的綜合評(píng)價(jià)。但是，灰色聚類法是按最大隸屬原則對(duì)樣地的土壤養(yǎng)分進(jìn)行聚類的，只考慮了主要信息，而忽略了一些次要信息，但是這些次要信息對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果往往也具有重要影響，因此，僅僅采用灰色聚類法對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行評(píng)價(jià)有一定局限性，仍有待改進(jìn)。

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