吳金卓 蔡小溪 林文樹

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

針對森林生長與結(jié)構(gòu)特征，利用合適的土壤健康評價指標(biāo)對森林土壤進行調(diào)查與評價，在不斷演變的情況下探索出促進森林土壤健康發(fā)展的管理措施與方向，最終實現(xiàn)森林健康的目標(biāo)，是全世界林業(yè)工作者面臨的新課題［1］。我國在森林健康方面的研究工作剛剛開展，研究內(nèi)容還不夠全面，對森林土壤方面的研究相對較少，并且缺少長期、系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文以吉林省蛟河市林業(yè)實驗區(qū)管理局林場為例，開展該地區(qū)的森林土壤理化性質(zhì)的調(diào)查;結(jié)合不同演替階段的特征，使用層次分析法和隸屬度函數(shù)計算土壤健康指數(shù)，進而對不同演替階段森林土壤的健康等級進行對比。本文有針對性地對森林土壤健康管理提供參考，進一步豐富該地區(qū)森林健康評價的研究內(nèi)容。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于吉林省蛟河林業(yè)實驗區(qū)管理局林場(地理坐標(biāo):43°57′31″～43°58′02″N，127°44′07″～127°44′40″E，海拔459～517 m)，選擇4 種不同演替階段的林分，即中齡林、近熟林、成熟林、老齡林，建立固定監(jiān)測樣地。該林場屬長白山系張廣才嶺西南坡余脈，北連黑龍江省、東傍延邊朝鮮族自治州黃泥河林業(yè)局、西南臨蛟河市前進鄉(xiāng)。2013 年，森林總蓄積量454 萬m3，公頃蓄積量164 m3/hm2，森林覆蓋率為88．4%。研究區(qū)屬受季風(fēng)影響的溫帶大陸性氣候，年平均氣溫3．5 ℃，7 月氣溫全年最高為22℃，1 月氣溫全年最低為-18 ℃;年平均降水量750 mm，年均蒸發(fā)量1 000 mm。山體由白崗質(zhì)花崗巖和海西期花崗巖構(gòu)成，土壤類型為暗棕色森林土，平均厚度45 cm。冬季寒冷干燥，土壤冬層深，表層凍結(jié)時間為150 d 左右，凍層深度1．0 ～2．5 m;有機質(zhì)含量高，物理性狀良好，腐殖質(zhì)層生物積累作用強［2］。

研究區(qū)屬長白山植物區(qū)系，存在923 種生物，分屬108 科，共404 屬。林分類型為針闊葉混交林，其中:喬木樹種，包括紅松(Pinus koraiensis)、胡桃楸(Juglans mandshurica)、沙松(Abies holophylla)、白樺(Betula platyphylla)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、色木槭(Acer mono)、蒙古櫟(Quercus mongolica Fisch)、裂 葉 榆(Ulmus laciniata Mayr)、東 北 槭(Amandshuricum maxim)、紫椴(Tilia amurensis)、大青楊(Populus ussuriensis)、懷槐(Maackia amurensis)等;灌木樹種，包括暴馬丁香(Syringa reticulata)、東北鼠李(Rhamnus ussuriensis J． Vass)、瘤枝衛(wèi)矛(Euonymus pauciflorus)、毛榛(Corylus mandshurica)等;草本植物，包括蚊子草(Filipendula palmate Maxim)、荷青花(Hylomecon japonica Prantl et Kundig)、黑水銀蓮花(Anemone amurensis Kom)等［3］。

2 研究方法

2．1 樣地設(shè)計

在近熟林、中齡林、成熟林、老齡林固定樣地中進行實驗，樣地為長方形，每個樣地面積約20 hm2。2010 年，將各個樣地的東北角設(shè)為原點，南北方向設(shè)為縱坐標(biāo)，東西方向設(shè)為橫坐標(biāo);并且每隔20 m設(shè)置水泥樁標(biāo)記位置。在此基礎(chǔ)上，本實驗在每個樣地中，以田字格的形式均勻選取9 個樣點進行剖面挖掘與取樣。為了不破壞測試樣地的完整性，考慮到根系、凋落物等的影響，在靠近測試樣地的位置上選擇具有代表性的土壤制作土壤剖面;剖面位置距離樹基0．5～1．0 m，剖面寬0．8 ～1．0 m、長1．0 ～2．0 m，深度以到達母質(zhì)層為準(zhǔn)。剖面制作成功后，自上而下觀察并記錄土壤剖面的特征，包括凋落物特征、石礫含量、土壤厚度、腐殖質(zhì)層厚度等。本文測量腐殖質(zhì)層的厚度為A，土壤厚度為A+B。測量土壤孔隙度、密度等物理性質(zhì)，直接用環(huán)刀在每樣點的0 ～20 cm 處取土樣，接著在該點取1kg 土樣放入標(biāo)記好順序的土壤袋中，共36 個樣點;將土壤帶回實驗室，經(jīng)過自然風(fēng)干、研磨、過篩后進行化學(xué)實驗。樣地立地條件見表1。

表1 樣地基本情況

2．2 測定方法

土壤物理性質(zhì)測定:土壤密度，通過環(huán)刀稱質(zhì)量計算得出;總孔隙度，根據(jù)最大持水率×密度得出;毛管孔隙度，應(yīng)用環(huán)刀浸水法［4］。

土壤化學(xué)性質(zhì)測定:土壤pH 值和速效鉀，通過Rqflex 便攜式土壤養(yǎng)分速測儀測量;全氮，應(yīng)用擴散吸收法，用標(biāo)準(zhǔn)酸滴定測定土壤中全氮量;水解氮，采用鋅-硫酸亞鐵與氫氧化鈉還原法;全磷，應(yīng)用硫酸-高氯酸酸溶-鉬銻抗比色法;有效磷，采用0．5 mol/L 碳酸氫鈉浸提法;全鉀，采用酸溶-火焰光度法;有機質(zhì)，采用重鉻酸鉀在酸性溶液中氧化有機質(zhì)，由消耗的重鉻酸鉀求得碳的數(shù)量，再乘以常數(shù)即得有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)［5］。

土壤生物性質(zhì)中的土壤呼吸實驗，使用LCpro-CD 便攜式光合作用儀監(jiān)測。為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要提前24 h 在每個設(shè)定的樣點上埋入高為10 cm 的聚氯乙烯管，測量時保留自然態(tài)的凋落物。

以上實驗分析方法詳見森林土壤分析方法(國家林業(yè)局，1999 年);本文研究數(shù)據(jù)均用Excel 和SPSS19．0 軟件進行處理與統(tǒng)計。

2．3 土壤健康評價指標(biāo)

根據(jù)針對性、整體性、區(qū)域性原則［6］，初步選取14 個具有可操作性、可重復(fù)性、靈敏性的指標(biāo)，對針闊葉混交林4 個演替階段的土壤進行健康評價;指標(biāo)主要分為物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、生物性質(zhì)3 種類型(見表2)。選擇土壤呼吸速率作為生物性質(zhì)指標(biāo)的代表，因為土壤呼吸速率是反映土壤質(zhì)量最敏感的指標(biāo)，可代表土壤生物特性和土壤系統(tǒng)對環(huán)境的脅迫程度，呼吸速率能夠顯示土壤的代謝能力。

表2 土壤健康評價指標(biāo)

2．4 土壤健康評價方法

2．4．1 構(gòu)建隸屬度矩陣

不同指標(biāo)的測量值單位不盡相同，對目標(biāo)層的貢獻度也不同，因此為了將所有指標(biāo)綜合起來計算，本文應(yīng)用隸屬度函數(shù)消除指標(biāo)之間的差異性。隸屬度函數(shù)又稱評分函數(shù)，能將主觀性評價和不同量綱的指標(biāo)，轉(zhuǎn)換成得分在0 ～1 范圍內(nèi)無量綱的數(shù)值［7］。對土壤的評價指標(biāo)，根據(jù)各自的作物效應(yīng)曲線建立相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，并計算隸屬度值。目前，國內(nèi)外專家已總結(jié)出每個指標(biāo)的適用隸屬度函數(shù)種類，參考專家的研究成果，結(jié)合森林土壤的特征，將土層厚度、凋落物厚度、腐殖質(zhì)層厚度、水解氮、有效磷、速效鉀、全氮、全磷、全鉀、土壤有機質(zhì)、土壤呼吸，采用戒上型函數(shù)(見圖1);土壤pH 值，采用拋物線隸屬函數(shù)顯示指標(biāo)特征(見圖2);土壤密度、總孔隙度分為一類，采用戒下型函數(shù)進行分析處理(見圖3)［8］。為方便數(shù)據(jù)處理，將曲線函數(shù)轉(zhuǎn)換為折線型分段函數(shù)計算，見公式(1)、(2)、(3)。

圖1 戒上型函數(shù)折線

圖2 拋物線隸屬函數(shù)折線

圖3 戒下型函數(shù)折線

式中:f(x)為評價指標(biāo)對植物發(fā)育程度影響的隸屬度函數(shù);x 為各個土壤健康評價指標(biāo)的實測值;L 為該評價指標(biāo)的下限值;U 為上限值;B1、B2為指標(biāo)的最優(yōu)值。

通過隸屬度函數(shù)的分析處理，建立隸屬度矩陣Am×n={aij};j=1 ～m，為土壤取樣數(shù);i=1 ～n，為指標(biāo)。計算求隸屬度值，數(shù)值在0．1～1．0 之間;數(shù)值大小顯示指標(biāo)的隸屬程度。當(dāng)隸屬值為1．0 時，說明該土壤健康評價指標(biāo)狀況，一定可以滿足植物生長所需;隸屬值為0．1，說明該指標(biāo)狀況不能滿足植物所需［9］。

2．4．2 確定評價指標(biāo)權(quán)重

本實驗應(yīng)用森林土壤健康評價各指標(biāo)的樣本標(biāo)準(zhǔn)差(Si)構(gòu)造判斷矩陣，確定指標(biāo)權(quán)重。樣本標(biāo)準(zhǔn)差能夠體現(xiàn)指標(biāo)的變異程度，變異程度越大其所承載的信息越豐富，越能反映指標(biāo)的本質(zhì)特征。判斷矩陣是評價指標(biāo)權(quán)重分配的基礎(chǔ)，通過公式(4)、(5)求出判斷矩陣Bn×n，采用方根法計算判斷矩陣Bn×n最大特征根所對應(yīng)的特征向量R=(R1，R2，…，Rn)T。特征向量R 是評價指標(biāo)對于森林土壤健康評價的貢獻程度，即為各指標(biāo)的權(quán)重。

式中:Smax和Smin為指標(biāo)樣本標(biāo)準(zhǔn)差{S(i)，i=1 ～n}的最大值與最小值;int 為取整函數(shù);bm為相對重要性程度參數(shù)值［10］。

2．4．3 判斷矩陣一致性檢驗

判斷矩陣能通過一致性檢驗，說明該判斷矩陣在思維邏輯和現(xiàn)實情況中具有可行性，其產(chǎn)生的結(jié)果也會是合理的。通過公式(7)計算出一致性指標(biāo)(Ci)，由表3 確定對應(yīng)的一致性指標(biāo)(Ri)，運用公式(8)計算一致性比例(Cr)。當(dāng)Cr＜0．1 時，說明判斷矩陣通過一致性檢驗;反之不通過，需要調(diào)整判斷矩陣，直到通過檢驗［11］。

表3 平均隨機一致性指標(biāo)Ri

2．4．4 評價模型

采用森林土壤健康指數(shù)法，并參照土壤質(zhì)量指數(shù)法［12］，對蛟河實驗林場各林齡林分的土壤進行健康評價。該方法，需要確定各個指標(biāo)的數(shù)值和在不同林分下各層間的權(quán)重值，最后通過加權(quán)計算得出健康指數(shù)(Hs)。

式中:Ki為第i 個指標(biāo)的權(quán)重值，表示該指標(biāo)對目標(biāo)層的重要程度;Ci為第i 個指標(biāo)的隸屬度數(shù)值，數(shù)值大小表示指標(biāo)的優(yōu)劣程度;n 為評價指標(biāo)的數(shù)量。

計算數(shù)值結(jié)果，依據(jù)經(jīng)驗劃分5 個等級:(0，0．2)為差;［0．2，0．4］為較差;［0．4，0．6］為中等;［0．6，0．8］為好;［0．8，1．0］為較好。

3 結(jié)果與分析

3．1 土壤健康評價指標(biāo)變異程度

使用標(biāo)準(zhǔn)差與均值之比求算變異系數(shù)，由表4可見:pH 值的變異系數(shù)為5．87%，在10%以下，變異程度較弱;有效磷、有機質(zhì)的變異系數(shù)均在50%以上，屬于高度變異，其他的均為中等變異。

表4 森林土壤健康評價指標(biāo)變異系數(shù)

3．2 指標(biāo)測定

由于各指標(biāo)值會因土壤和植物種類的不同而產(chǎn)生很大的差異［13-14］，因此，本文結(jié)合對實驗區(qū)土壤各指標(biāo)長期的監(jiān)測，并通過專家判斷，確定隸屬度函數(shù)曲線轉(zhuǎn)折點的相應(yīng)值(見表5、表6)。

表5 戒上型隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點取值

表6 戒下型隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點取值

拋物線型隸屬度函數(shù)pH 值的轉(zhuǎn)折點L 為4．5、轉(zhuǎn)折點U 為8．5、最優(yōu)值B1為5．5、最優(yōu)值B2為7．5。

運用公式(4)和(5)計算出森林土壤健康評價的判斷矩陣B14×14。

通過方根法計算判斷矩陣B14×14的特征向量R=(0．067，0．039，0．047，0．059，0．035，0．071，0．13，0．116，0．15，0．087，0．04，0．034，0．086，0．039)T，運用公式(6)、(7)、(8)計算出λmax=16．013、Ri=1．58、Ci=0．155、Cr=0．098。因為Cr＜0．1，所以該判斷矩陣滿足一致性檢驗，特征向量R 可以作為森林土壤健康評價指標(biāo)的權(quán)重值(見表7)。

表7 不同演替階段森林土壤健康評價指標(biāo)權(quán)重

3．3 土壤健康狀況

根據(jù)公式(8)計算得出，中齡林、近熟林、成熟林、老齡林綜合得分分別為0．555、0．518、0．544、0．534。由此可得出，蛟河林場在4 種演替階段的土壤健康狀態(tài)都為中等，從高到低分別為中齡林、成熟林、老齡林、近熟林。

3．4 土壤健康評價指標(biāo)相關(guān)性

運用SPSS 中Spearman 相關(guān)分析方法，綜合分析4種林齡森林土壤健康評價各因子與健康指數(shù)之間的相關(guān)性。由表8 可知，土壤的健康指數(shù)與全氮、有效磷、速效鉀呈極顯著正相關(guān)(P＜0．01)，與水解氮、有機質(zhì)呈顯著正相關(guān)(P＜0．05)。因此，全氮、有效磷、速效鉀的質(zhì)量分數(shù)，對森林土壤健康程度有直接影響;水解氮、有機質(zhì)，對森林土壤健康程度也有一定的影響。

表8 4 種林齡森林土壤健康指數(shù)和各指標(biāo)間的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

本文使用隸屬度函數(shù)和層次分析法，結(jié)合森林土壤健康指數(shù)法，用數(shù)量型指標(biāo)表達復(fù)雜的土壤健康狀況，這種數(shù)值能夠準(zhǔn)確地表達4 種林齡的土壤健康等級。本文共使用14 個指標(biāo)，指標(biāo)的差異程度大部分為中度變異，pH 變異程度較弱，有效磷、有機質(zhì)屬于高度變異，說明對于不同林齡的土壤質(zhì)量有明顯差異，可以作為評價的指標(biāo)。由于本研究地區(qū)地勢較為平坦，未受到坡度的影響，因此未考慮海拔對評價產(chǎn)生的差異性。

對于本研究區(qū)針闊葉混交林的4 種林齡土壤，指數(shù)等級均位于0．4 ～0．6 之間，健康等級為中等健康?？赡苡捎谠摰貐^(qū)為天然次生林，植物種類單一，林分密度較大，且未經(jīng)過撫育，這與寧楊翠［15］對吉林金溝嶺林場的楊樺次生林健康評價的結(jié)果相近，后者森林土壤主要處在亞健康狀態(tài)。本文的等級降冪排序，分別是:中齡林、成熟林、老齡林、近熟林，中齡林健康狀態(tài)最佳。這與楊曉娟［16］對長白山落葉松人工林不同演替階段森林土壤肥力評價結(jié)果基本相同(降冪排序結(jié)果為中齡林、幼齡林、成熟林、近熟林)，不同點是楊曉娟還對幼齡林進行排序，這是由于大部分的因素都隨著林齡的增加，呈先增加后減少的變化趨勢。為了明確哪些因子對健康指數(shù)結(jié)果有較大的影響，根據(jù)SPSS 相關(guān)性分析可知，本研究區(qū)影響森林土壤健康指數(shù)的主要因子為:全氮、有效磷、速效鉀、水解氮、有機質(zhì)，這與章海波等對土壤評價指標(biāo)與指數(shù)之間的相關(guān)性結(jié)果相近［17］。因為氮素主要來源于植物殘枝落葉的分解，一般會隨著林齡的增加呈先增加后減少的變化趨勢，本文由于中齡林的腐殖質(zhì)較多，且郁閉度適中，光照均勻，能夠促進腐殖質(zhì)的分解，生物活動加速，增加了氮素輸出;有效磷可以說明土壤供磷的能力，是植物生長的必須營養(yǎng)元素之一，會隨著林齡的增加呈先增加后減少的變化形式，中齡林的土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)最高;速效鉀由交換性鉀與水溶性鉀組成，能體現(xiàn)供鉀能力，隨林齡的增加含量會減少;土壤有機質(zhì)由表層的枯落物從分解到腐殖質(zhì)的分泌而來，而中齡林與其他完全郁閉的近熟林、成熟林和郁閉較小的老齡林相比，枯落物較多，因此有機質(zhì)含量較大。

本研究使用數(shù)據(jù)化方法對土壤進行健康評價，結(jié)果與臨近研究區(qū)的結(jié)果相近;但研究仍然存在一定的局限性，還需要結(jié)合林分密度、光照、氣候等描述性因素進行評價，在對隸屬度函數(shù)轉(zhuǎn)折點的取值時還有待完善。對于主要的影響因子，應(yīng)采取施鉀肥、磷肥等增加土壤的健康等級。

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