郭洋洋, 姚云峰, 秦富倉, 黎英華, 劉軍華

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 2.內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗水利局， 內(nèi)蒙古 赤峰 024300)

?

基于物元模型分析人工造林對土壤養(yǎng)分的影響

郭洋洋1, 姚云峰1, 秦富倉1, 黎英華1, 劉軍華2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018; 2.內(nèi)蒙古赤峰市敖漢旗水利局， 內(nèi)蒙古 赤峰 024300)

摘要：[目的] 分析人工造林對于土壤養(yǎng)分的影響，為合理造林提供一定的理論依據(jù)。[方法] 以內(nèi)蒙古自治區(qū)敖漢旗1983與2013年的土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，運用層次分析法與物元模型對1983和2013年內(nèi)的土壤數(shù)據(jù)進行養(yǎng)分分級，并進一步描述了各土壤養(yǎng)分變化特征。[結(jié)果] 5種類型土壤的有機質(zhì)與全氮在造林30 a后呈上升趨勢；磷與鉀呈逐漸減少趨勢。造林后，土壤養(yǎng)分等級普遍呈增加趨勢。[結(jié)論] 造林使土壤有機質(zhì)增加，合理的人工林結(jié)構(gòu)有助于維持土壤肥力。

關(guān)鍵詞：物元模型; 土壤養(yǎng)分; 土壤評價等級

文獻參數(shù)： 郭洋洋, 姚云峰, 秦富倉, 等.基于物元模型分析人工造林對土壤養(yǎng)分的影響[J].水土保持通報，2016,36(3)：321-328.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.055

面對中國森林資源短缺和發(fā)展不平衡的問題，人工造林技術(shù)被提上了日程，隨著中國經(jīng)濟的大力發(fā)展，環(huán)境破壞日益嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境建設(shè)也被列入了發(fā)展戰(zhàn)略中。而人工造林是提高生態(tài)效益，保護生態(tài)環(huán)境的重要方式之一，所以，研究人工造林給整個生態(tài)系統(tǒng)以及生態(tài)環(huán)境的某一部分帶來的影響變得尤為重要。土壤養(yǎng)分是反映土壤肥力的客觀指標(biāo)，由于土壤受到自然和非自然的因素的影響，不同的土壤養(yǎng)分含量也具有不同的時空分布格局[1]。近些年來，很多方法被用來研究土壤的養(yǎng)分，比如主成分分析法[2]、灰色關(guān)聯(lián)度分析方法[3]、模糊綜合法[4-6]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7]等，物元模型是通過單指標(biāo)的關(guān)聯(lián)函數(shù)和模型的集成得到土壤養(yǎng)分的綜合水平數(shù)據(jù)，使土壤養(yǎng)分的結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確。

本研究擬基于物元模型研究人工造林對生態(tài)系統(tǒng)中土壤的影響來進行分析。通過對2013年的采集數(shù)據(jù)和1983年采集的數(shù)據(jù)所得出的土壤養(yǎng)分綜合水平進行比較，得出土壤養(yǎng)分30 a的變化，同時分析人工造林對土壤養(yǎng)分的影響，以期為合理造林提供一定的理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

試驗地點設(shè)在赤峰市敖漢旗，海拔高度范圍在350～800 m，全旗年降水量從南到北遞減，平均為310～460 mm，年蒸發(fā)量平均為2 200～2 600 mm，為年降雨量的6～8倍。敖漢旗屬溫帶氣候，年平均氣溫4.9～7.5 ℃，年積溫2 700～3 200 ℃，冬季平均氣溫-9.8～-7.3 ℃，夏季平均氣溫20～22 ℃。土壤類型主要有棕壤、褐土、栗鈣土、草甸土、風(fēng)沙土和沼澤土。1983年第2次土壤普查時，全旗總面積8 300 km2,其中土壤面積8 213.7 km2，耕地面積為2 234 km2，占全旗總面積27.02%，荒山荒地面積3 342 km2，約占全旗總面積40.1%，林地面積150 km2，約占全旗總面積的1.8%。截至2009年，敖漢旗有林面積達3 526.7 km2，占總土地面積的42.5%，是建國初有林面積的33倍，是1978年前的4倍。成為“中國人工造林第一縣”。據(jù)統(tǒng)計，2013年時，林地面積3 945 km2，約占全旗總面積的47.57%。

2材料與方法

2.1土樣采集與測定方法

土樣采集于2013年按不同土壤類型進行的，樣地的位置與1983年土壤普查時一致。本次研究在土石山區(qū)和黃土丘陵區(qū)根據(jù)不同坡向(東、西、南、北)和不同坡位(坡上、坡中、坡麓)劃分小樣地，并在各小樣地上進行“S”型采樣。共采集混合土樣195個。樣品采集地在1983年時均為荒山荒地，現(xiàn)均為人工造林地區(qū)。主要的測定項目包括有機質(zhì)、全氮、全鉀、全磷。土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法；全氮測定采用凱氏法；全磷測定采用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法；全鉀測定采用氫氧化鈉熔融法。

2.2土壤養(yǎng)分因子權(quán)重的確定

參照全國第二次土壤普查的土壤養(yǎng)分調(diào)查指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)(表1)以及1983年調(diào)查所具有的土壤養(yǎng)分的基本數(shù)據(jù)，選取有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀作為本次研究的評價因子，采用層次分析法(AHP)賦權(quán)值。本文應(yīng)用層次分析法軟件(yaahp)來進行層次分析，確定了土壤養(yǎng)分評價因子權(quán)重。有機質(zhì)的權(quán)重是0.434 4；全氮的權(quán)重是0.244 3；全磷的權(quán)重是0.176 8；全鉀的權(quán)重是0.144 5。

表1　土壤養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)　%

2.3綜合評判的物元模型

(1)“物元”定義。給定事物的名稱M,它關(guān)于特征c的量值為v,以有序三元R=(M,c,v)組作為描述事物的基本元,簡稱物元。其中M，c，v為物元的3大要素，若事物M以n個特征c1,c2,…,cn和相應(yīng)的量值v1,v2,…,vn來描述,則可表示為:

(1)

(2) 經(jīng)典域的確定。

(2)

式中:N0j——所劃分的第j個評價等級(j=1,2,…,m)；ci——表示第i個評價指標(biāo)；x0ji——ci對應(yīng)評價等級j的取值范圍,即經(jīng)典域； —x0ji的取值范圍(i=1,2,…,n)。

(3) 節(jié)域的確定。

(3)

式中：P——表示評價等級的全體；Xpi——P關(guān)于ci的取值范圍,即P的節(jié)域； —為Xpi的取值范圍(i=1,2,…,n)，X0ji∈Xpi。

(4) 待評事物各指標(biāo)關(guān)于各等級的關(guān)聯(lián)度的確定。

ρ(vi,x0ji)與ρ(vi,xpi)分別表示點vi與經(jīng)典域區(qū)間X0ji和節(jié)域區(qū)間Xpi的距；

關(guān)聯(lián)度Kj(vi)實際上刻劃的是待評事物各指標(biāo)關(guān)于各評價等級j的歸屬程度,若Kj(vi)=maxKj(vi), j ∈(1,2,…,m),則評定指標(biāo)vi屬于等級j。

(5) 事物P0關(guān)于等級j的關(guān)聯(lián)度的計算。

(5)

若Kj(P0)=maxKj(P0)， j∈(1,2,…,m)，則評定P0屬于等級j。為揭示更多的分異信息，現(xiàn)將物元模型的邏輯值由閉合區(qū)間[0,1]拓展為[+∞，-∞][8]。

若Kj(P0)>0,則待評事物符合某級標(biāo)準(zhǔn),且其值越大,符合程度越高；若-1

3結(jié)果與分析

3.1土壤養(yǎng)分等級劃分

式中：om1——有機質(zhì)；tn——全氮；tp——全磷；tk——全鉀。下角標(biāo)數(shù)字1到5表示5種土壤類型。

結(jié)合1983和2013年土壤養(yǎng)分化驗數(shù)據(jù)(表2)，運用物元模型公式(3)分別得到1983年土壤養(yǎng)分節(jié)域(Rp)和2013年土壤養(yǎng)分節(jié)域(Rq)。

表2　1983年土壤養(yǎng)分參數(shù)　%

將1983和2013年測得的41個樣點土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)分別代入到公式(4)和(5)中進行綜合關(guān)聯(lián)度的分析，并根據(jù)綜合關(guān)聯(lián)度判斷土壤養(yǎng)分級別，具體結(jié)果見表3—4。

3.2土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化特征

3.2.1風(fēng)沙土土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化特征從評價等級上來看，風(fēng)沙土屬于極貧乏等級，但是從養(yǎng)分的單一指標(biāo)來看，1983年的有機質(zhì)為0.033%，2013年我們實測的土壤有機質(zhì)為0.114%，明顯高于1983年測得的土壤有機質(zhì)；全氮、全磷、全鉀含量則均較1983年低，分別是1983年的76.2%，59.0%和87.4%。風(fēng)沙土上植被種類多為檸條錦雞兒等豆科植物，豆科植物在植被演替早期具有明顯增加土壤有機質(zhì)的作用。賈舉杰等[9]在研究中也認(rèn)為在棄耕地演替早期添加豆科植物，能夠增加土壤有機碳，提高土壤肥力。

表3　敖漢旗1983年土壤養(yǎng)分等級評價結(jié)果

注：N01,N02,N03,N04,N05為實測土壤養(yǎng)分與全國第二次土壤普查的土壤養(yǎng)分調(diào)查指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)各等級的關(guān)聯(lián)度；MAX為最大關(guān)聯(lián)度；字母e, w, s, n分別代表東坡、西坡、南坡和北坡。下同。1983和2013年均無棕壤的坡上e數(shù)據(jù)。

表4　敖漢旗2013年土壤養(yǎng)分等級評價結(jié)果

3.2.2草甸土土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化特征草甸土在經(jīng)過30 a的植樹造林改造后土壤養(yǎng)分有很大的提高，土壤等級也從過去的極貧乏變?yōu)樨毞Α２莸橥翞殡[域性土壤，成土?xí)r間較短，大多為農(nóng)區(qū)，受開墾等一系列人為活動的干擾較大，表層多數(shù)為沙土或沙壤。草甸土上多為小葉楊防護林，但農(nóng)田面積較大，所以林地面積小和人為干擾大是土壤改造緩慢的主要原因。草甸土的有機質(zhì)、全氮和全磷均較1983年高，只有全鉀較1983年低。這是由于草甸土農(nóng)區(qū)種植的作物主要為綠豆、黑豆、大豆等豆科作物，能夠明顯增加土壤有機質(zhì)，提高土壤的肥力，這與王大勇等[10]的研究結(jié)果一致。

3.2.3褐土土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化特征褐土土壤養(yǎng)分變化較大，有機質(zhì)、全氮含量在南坡坡中、東坡坡中較30 a前低，其余樣地均較1983年高。針對土壤養(yǎng)分評級的對比中也顯示出南坡坡中由原來的適量變?yōu)樨毞?，而東坡坡中還維持原來的貧乏狀態(tài)，這可能與造林樹種的選擇不合理、人為活動的干擾有關(guān)。全磷的變化則是除北坡坡麓外均較1983年低，而全鉀的變化未呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。從對養(yǎng)分評級的評價結(jié)果來看，東坡的坡中和坡麓以及北坡的坡中維持原來的土壤養(yǎng)分狀態(tài)，養(yǎng)分等級未發(fā)生改變，南坡和西坡的坡中地帶土壤等級下降，其余樣地土壤養(yǎng)分等級均上升(圖1)。

注：1東坡坡上； 2東坡坡中； 3東坡坡麓； 4西坡坡上； 5西坡坡中； 6西坡坡麓； 7南坡坡上； 8南坡坡中； 9南坡坡麓； 10北坡坡上；11北坡坡中； 12北坡坡麓。下同。

圖1褐土土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化

4討論與結(jié)論

4.1討 論

針對敖漢旗林下土壤養(yǎng)分與30 a前未造林時養(yǎng)分進行比較分析，并利用物元模型對養(yǎng)分等級進行劃分，更好、更直接的描述了土壤養(yǎng)分在這30 a的變化，同時也將屬于和不屬于這種定性的描述轉(zhuǎn)變?yōu)槎棵枋鯷11]。敖漢旗的6種土壤類型上廣泛分布著人工林，本文針對5種類型土壤的養(yǎng)分指標(biāo)分別進行了測定。

3.2.4栗鈣土土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化特征如圖2所示，栗鈣土土壤養(yǎng)分等級總體表現(xiàn)為上升趨勢。但其中東坡和南坡的坡麓樣地土壤等級下降，由原來的適量和貧乏轉(zhuǎn)變?yōu)闃O貧乏等級，南坡坡上和西坡坡麓維持原來的等級未變，其他樣地土壤等級均上升。從土壤各個養(yǎng)分指標(biāo)來看，東坡和南坡的坡麓地帶有機質(zhì)含量和全氮含量均較1983年低，其他位置均普遍高于1983年；而土壤的全磷含量則是均較1983年低；除北坡坡中的全鉀高于1983年，其余均較1983年低。林木對土壤中磷和鉀的吸收大于草本或灌木，所以磷和鉀均表現(xiàn)為下降趨勢。但是林木的死亡根系和枯落物對土壤有機質(zhì)的補充遠大于草本或灌木，這是導(dǎo)致有機質(zhì)上升的原因。

3.2.5棕壤土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化特征如圖3所示，棕壤是森林分布面積最大的土壤類型，主要樹種為油松和山杏。在經(jīng)過30 a的造林改造后，棕壤土壤養(yǎng)分等級均較高。但南坡的坡上、坡中和坡麓的改良效果不明顯，土壤養(yǎng)分等級未發(fā)生變化，北坡坡中地帶土壤養(yǎng)分更是下降，土壤等級下降。其他樣地的土壤等級均上升，整體土壤養(yǎng)分等級也高于其他土壤類型。從各個養(yǎng)分因子來看，棕壤有機質(zhì)含量整體較1983年高，在林分結(jié)構(gòu)和功能較好的地區(qū)，由于枯落物增厚對土壤表層有機質(zhì)的補充，一些樣地的有機質(zhì)含量有大幅度的上升，比如東坡坡麓樣地的土壤有機質(zhì)由1983年的0.9%上升為2013年的2.09%，西坡坡上樣地的土壤有機質(zhì)由1983年的0.66%上升為2013年的2.72%。南坡和北坡的坡中全氮含量較1983年低，其他樣地均高于1983年。2013年西坡坡麓和坡上的全磷含量較1983年高，其他樣地均低于1983年。土壤中全鉀的含量也只有南坡和東坡的坡中、北坡坡麓和坡上高于30 a前，其余樣地均較1983年低。

圖2　栗鈣土土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化

圖3　棕壤土壤養(yǎng)分指標(biāo)變化

研究區(qū)有機質(zhì)在造林30 a后普遍呈上升趨勢，這主要是由于林分結(jié)構(gòu)合理，隨著林齡的增加，枯落物累積量也增大，枯落物對地表土壤有機質(zhì)的補充增多，所以有機質(zhì)逐漸增加。Coleman等[12-13]的研究也認(rèn)為，凋落物的累積造成更多較難分解的土壤有機質(zhì)碎片，該成分被認(rèn)為是土壤長期碳貯量的重要組成部分。

氮在植物的生長過程中是必不可少的元素，應(yīng)隨著植物的生長逐漸減少，但是本研究中氮的變化卻是相反的，這也就從一定程度表明造林樹種的林分結(jié)構(gòu)合理，能夠更好的維持土壤肥力，丁揚等[14]在針對蘇北楊樹人工林的生物量和碳儲量的研究中得出的結(jié)果相近。

磷是植物體內(nèi)多種重要化合物的組成成分，且磷對植物的光合作用具有促進作用，這可能是磷減少的原因。

鉀在植物體內(nèi)是以游離狀態(tài)存在的，同時也能促進光合作用，所以這可能是鉀減少的原因，但是磷和鉀的消耗具體機理還需要進一步研究。

4.2結(jié) 論

利用層次分析法和物元模型將1983和2013年內(nèi)的土壤數(shù)據(jù)進行養(yǎng)分分級,更直接的描述了造林對土壤改良的作用。從5種類型土壤的養(yǎng)分變化可知，人工造林使土壤有機質(zhì)增加,合理的人工林結(jié)構(gòu)有助于維持土壤肥力。針對于人工林對土壤中磷和鉀的影響機理應(yīng)進行進一步的研究。

[參考文獻]

[1]何文壽.寧夏農(nóng)田土壤耕層養(yǎng)分含量的時空變化特征[J].土壤通報,2004,35(6):170-174.

[2]何婕平,康師安.主成份分析在研究草原土壤養(yǎng)分評價中的應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古林學(xué)院學(xué)報,1994,16(4):52-57.

[3]王兆林,楊慶媛,湛果,等.灰色關(guān)聯(lián)度法在稻田土壤質(zhì)量評價中的應(yīng)用:以四川省犍為縣為例[J].西南師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,32(1):52-56.

[4]武偉,唐明華,劉洪斌.土壤養(yǎng)分的模糊綜合評價[J].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,22(3):270-272.

[5]呂蘇丹,汪光宇,鄔亞浪,等.東陽萬畝園區(qū)土壤養(yǎng)分綜合評價研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報,2002,28(3):272-276.

[6]安云娜,黃義雄,官紫玲.福建東山島土壤養(yǎng)分綜合評價[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2007,35(3):3926-3927.

[7]楊國棟,王肖娟.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤養(yǎng)分肥力等級評價方法[J].土壤通報2005,36(5):30-33.

[8]湯潔,王晨野,李昭陽,等. 基于物元模型的區(qū)域土壤養(yǎng)分評價[J].水土保持通報,2008,28(3):101-103.

[9]賈舉杰,李金花,王剛,等.添加豆科植物對棄耕地土壤養(yǎng)分和微生物量的影響[J].蘭州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,43(5):33-37.

[10]王大勇,劉濤,郭慕萍,等.豆科植物對不同深度土壤水分及養(yǎng)分含量的影響[J].土壤通報,2013,44(3):551-555.

[11]王雅君,馮文蘭,秦魚生,等.物元可拓模型在雁江區(qū)土壤養(yǎng)分綜合評價中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(22):13469-13472.

[12]Grigal D F, Berguson W E. Soil carbon changes associated with short-rotation systems[J]. Biomass Bioenergy, 1998,14(4):371-377.

[13]廖利平,高洪,汪思龍,等.外加氮源對杉木葉凋落物分解及土壤養(yǎng)分淋失的影響[J].植物生態(tài)學(xué)報,2000,24(1):34-39.

[14]丁揚.蘇北楊樹人工林生物量與碳貯量的研究[D].南京:南京林業(yè)大學(xué),2008.

收稿日期：2015-03-07修回日期：2015-06-16

通訊作者：姚云峰(1959—),男(蒙古族),內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗人，博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水土保持與荒漠化防治領(lǐng)域的工作。E-mail:yaoyunfeng@yahoo.com.cn。

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0321-08

中圖分類號：S158

A Study on Effects of Artificial Afforestation on Soil Nutrients Based on Matter Element Model

GUO Yangyang1, YAO Yunfeng1, QIN Fucang1, LI Yinghua1, LIU Junhua2

(1.InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010018,China;2.WaterConservancyBureauofAohanBanner,ChifengCity,InnerMongoliaRegion,Chifeng,InnerMongolia024300,China)

Abstract：[Objective] To provide theoretical basis for artificial afforestation by analyzing the effects of artificial afforestation on soil fertility. [Methods] Soil nutrient data of Aohan Banner, Inner Mongolia Autonomous Region in 1983 and 2013 was collected, and the analytic hierarchy process and element matter model was used to assess the classification of soil fertility variation in 1983 and 2013. [Results] After 30-year afforestation, the content of organic matter and nitrogen in five different types of soil were increasing, while the content of phosphorus and potassium were decreasing. Soil nutrient level showed an increasing trend as well. [Conclusion] Afforestation can increase the content of soil organic matter, and the reasonable artificial forest structure is helpful to maintain soil fertility.

Keywords:matter element model; soil nutrient; soil evaluation grade

資助項目：內(nèi)蒙古應(yīng)用研究與開發(fā)計劃項目“農(nóng)林牧耦合生態(tài)系統(tǒng)固碳關(guān)鍵技術(shù)”(2010732); 中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“京津風(fēng)沙源治理工程(內(nèi)蒙片)固碳速率和潛力研究”(XDA05060602)

第一作者：郭洋洋(1991—),女(漢族),內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市人,碩士研究生,研究方向為水土保持與荒漠化防治。E-mail:yangyang1845@163.com。