闊葉混交低質林誘導改造后土壤養(yǎng)分的模糊綜合評價1)

曾翔亮 董希斌 宋啟亮 崔 莉

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

土壤作為植物生長的重要介質，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)中物質和能量循環(huán)的重要場所［1］。土壤養(yǎng)分和土壤理化性質息息相關，不但直接影響植物的生長發(fā)育，而且也對森林群落內植物種類的分布格局具有重要影響［2］。因此，國內外許多學者對各地的土壤養(yǎng)分和土壤理化性質進行了大量的研究［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)中的闊葉混交低質林為研究對象，采用模糊綜合指數(shù)法對不同誘導改造方式下闊葉混交低質林的土壤養(yǎng)分質量分數(shù)建立評價模型，分析比較不同誘導改造方式對林地土壤養(yǎng)分質量分數(shù)的影響，以期為闊葉混交低質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林進行帶狀改造。帶狀改造試驗區(qū)以順山帶設置，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，在闊葉混交低質林試驗區(qū)中設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，再導入Matlab7.0中對矩陣進行計算。

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

U=(U1，U2，…，Un)。

設有m種不同的土壤養(yǎng)分質量分數(shù)評價等級，它們組成與U相對應的土壤養(yǎng)分質量分數(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)分的質量分數(shù)可以被評為第j種土壤養(yǎng)分質量分數(shù)等級的可能性，即i對j的隸屬度。

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

已知模糊矩陣R和權重矩陣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)分質量分數(shù)的模糊綜合指數(shù)FC，I。

其中，G為土壤養(yǎng)分質量分數(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)分質量分數(shù)等級越高，土壤養(yǎng)分越好。

3 結果與分析

3.1 土壤養(yǎng)分傳統(tǒng)定量評價

闊葉混交低質林經過不同誘導改造后，樣地內各土壤養(yǎng)分影響因子質量分數(shù)的實測值見表2。在土壤有機質、全氮和有效磷質量分數(shù)方面，和對照樣地相比，除18 m誘導改造帶有所上升外，其余誘導改造帶的均有不同程度地下降;而在土壤全鉀質量分數(shù)方面，則正好相反，除18 m誘導改造帶有略微下降外，其余誘導改造帶均有不同程度地升高，其中土壤全鉀質量分數(shù)最高的是14 m誘導改造帶，達到了26.05 g·kg－1;而在土壤全磷和堿解氮質量分數(shù)方面，除10 m誘導改造帶有所下降外，6、14、18 m誘導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，得到的結果粗糙，很難判斷改造后樣地的土壤養(yǎng)分質量分數(shù)是否上升，也很難篩選出最適合闊葉混交低質林的改造方法。

表2 樣地土壤養(yǎng)分質量分數(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、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)分質量分數(shù)(c)分級標準

3.2.2 建立模糊關系矩陣

模糊關系矩陣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改造帶的模糊關系矩陣:

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

3.2.3 計算各土壤養(yǎng)分因子權重

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。觀察內容包括病灶生長的位置、大小、形態(tài)、密度、與周圍結構的關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)分影響因子的權重，是一種客觀賦權的方法［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)分影響因子的權重系數(shù)，因此，得到各影響因子的權重矩陣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誘導改造帶土壤養(yǎng)分質量分數(shù)的模糊綜合指數(shù)。

4 結論與討論

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林在不同誘導改造后的土壤養(yǎng)分質量分數(shù)進行研究，得到各樣地土壤養(yǎng)分質量分數(shù)的模糊綜合指數(shù)(FC，I)由大到小的順序為6 m 誘導改造帶(2.22)、對照樣地(1.93)、10 m誘導改造帶(1.89)、14 m 誘導改造帶(1.84)、18 m誘導改造帶(1.66)，表明除6 m誘導改造帶外，其他誘導改造帶的土壤養(yǎng)分質量分數(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在降水的淋溶作用下，導致誘導改造后初期的土壤養(yǎng)分質量分數(shù)增加［15］;而6 m誘導改造帶的土壤養(yǎng)分質量分數(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)分質量分數(shù)下降。另外，從模糊綜合指數(shù)計算結果可知，隨著采伐帶寬的增加，土壤養(yǎng)分質量分數(shù)等級升高，這可能是因為采伐帶越寬，誘導改造帶的陽光越充足，土壤溫度升高的越高，誘導改造帶的微氣候越適宜采伐剩余物的分解，從而使誘導改造帶的養(yǎng)分質量分數(shù)越高。

對各土壤養(yǎng)分影響因子科學地賦予不同的權重，有利于提高土壤養(yǎng)分質量分數(shù)等級評價的精度。本研究根據(jù)對大興安嶺誘導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重分配偏差。結果顯示，有機質、有效磷的權重分別為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)法對各誘導改造帶和對照樣地的土壤養(yǎng)分質量分數(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)法的評價結果顯示大興安嶺闊葉混交低質林的土壤養(yǎng)分質量分數(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)分質量分數(shù)等級進行評價，是科學可行的。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整，即可得到評價結果，對今后的森林經營和培育具有重要的借鑒意義。

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