毛 波 董希斌
(東北林業(yè)大學,哈爾濱,150040)
森林土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)的組成成分和物質(zhì)基礎[1],是森林的生長發(fā)育、繁衍生息所必須的環(huán)境條件,同時對系統(tǒng)內(nèi)外物質(zhì)的重新分配起著調(diào)節(jié)作用,對水分起著環(huán)境過濾器的作用。森林土壤的肥力是森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的基礎[2],同時,森林系統(tǒng)的不同經(jīng)營模式又影響和制約著森林土壤的肥力變化方向和強度。土壤肥力作為土壤的基本屬性,是土壤支持生物生產(chǎn)能力、凈化環(huán)境空氣能力和促進動植物與人類健康能力的集中體現(xiàn),是土壤物理性質(zhì)、化學性質(zhì)和生物性質(zhì)的綜合體現(xiàn)[3]。因此,實時對森林土壤肥力做出綜合評價,能及時的對林木的健康提供現(xiàn)實依據(jù)。近些年來,由于自然的或非自然的因素,小興安嶺林區(qū)林分系統(tǒng)功能呈逆向發(fā)展趨勢,導致林區(qū)郁閉度較低、材質(zhì)低劣、保水保土功能低下,幾乎喪失自我恢復能力的低質(zhì)林。劉美爽等[5]通過對小興安嶺低質(zhì)林改造后的土壤理化性質(zhì)進行分析,得出了改造模式對土壤性質(zhì)的影響。楊奇勇等[6]通過運用改進灰色關聯(lián)模型,實現(xiàn)了土壤肥力綜合評價定量化、自動化。肖慈英等[7]利用灰色關聯(lián)分析方法評價了不同森林類型的凋落物及土壤的生物化學性質(zhì)對土壤肥力狀況的影響情況。
雖然很多學者專家研究了低質(zhì)林土壤理化性質(zhì)[8-13],但是目前對小興安嶺低質(zhì)林改造土壤定量評價未見報道。因此,本文以小興安嶺低質(zhì)林為研究對象,經(jīng)過不同改造模式改造后,應用改進灰色關聯(lián)度法對改造后的土壤肥力進行綜合評價,為不同模式的林地改造效果,優(yōu)化出最佳的低質(zhì)林改造模式提供理論依據(jù)。
調(diào)查樣地位于鐵力市的馬永順林場。2009年,在實驗林場內(nèi)選取比較典型的低質(zhì)林共設置3個試驗樣地區(qū)[5,14]。本文所用研究樣地的林分類型為闊葉混交林,平均樹高18.5 m,平均林齡64 a,密度530 株·hm-2,蓄積量 90 m3·hm-2,平均胸徑 19 cm,林種為用材林,地被物主要為三棱草(Carex phacota spr.),下木層主要植物為山高梁(Sorbaria kirilowii)。
順山帶狀改造模式設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100 m,帶寬共設置4 種,分別為 S1(6 m)、S2(8 m)、S3(10 m)、S4(15 m)[5]。橫山帶狀改造模式設置原則為每條皆伐帶均沿不同海拔高度,皆伐帶帶長100 m,皆伐帶寬共設置4種,分別為 H1(6 m)、H2(8 m)、H3(10 m)、H4(15 m)[5]。設不同采伐強度的擇伐改造模式為7個小班,每個小班的面積為0.5 hm2,每個小班的采伐強度分別為 Z1(22%)、Z2(31%)、Z3(41%)、Z4(47%)、Z5(55%)、Z6(66%)、Z7(77%)[14]。對照樣地選擇設置在3塊30 m×30 m未采伐的林地林內(nèi),并且在每個對照樣地中選擇5個樣本點。
于2013年5月,在不同改造試驗樣地和對照樣地上,按“S”型混合采樣法,分別隨機布置4個4 m×4 m的取樣樣方,取5個土壤剖面為0~10 cm的土壤樣本,每個土壤樣本為1 kg,共取320個土壤樣本,土壤樣本經(jīng)實驗室風干、研磨、過篩后進行化學性質(zhì)分析。土壤物理性質(zhì)采用環(huán)刀法測量。土壤碳通量采用LI-8150多通道土壤碳通量自動測量系統(tǒng)測定土壤表面CO2通量,測量周期為30 min,全天重復測量48次。
在土壤的化學元素測定時,針對不同的化學元素有不同的測定方法,具體為:①土壤全N,采用自動凱氏法(LY/T 1228—1999),儀器為 VS—KT—P型全自動定氮儀;②速效 N,采用擴散法(LY/T 1231—1999);③全P,采用酸溶銻抗比色法(LY/T 1232—1999);④有效P,氫氧化鈉浸提-鉬銻抗比色法(LY/T 1233—1999);⑤全K,酸溶-火焰光度法(LY/T 1234—1999),儀器為火焰光度計;⑥速效K,乙酸銨浸提-火焰光度法(LY/T 1236—1999);⑦pH,酸度計(LY/T 1239—1999);⑧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SPSS10.0和EXCEL軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。
根據(jù)土壤肥力質(zhì)量綜合評價指標選擇的基本原則以及東北地區(qū)土壤性質(zhì)與肥力研究的相關經(jīng)驗,同時結(jié)合觀測條件,采用全N、速效N、全P、有效P、全K、速效K、pH值、有機質(zhì)、土壤密度、土壤碳通量10個指標。研究中之所以把有機質(zhì)作為土壤肥力指標的評價指標之一是因為有機質(zhì)主要來自于動植物殘體通過微生物分解、合成,是土壤肥力的基礎物質(zhì),是土壤中最活躍的部分,對土壤肥力的高低產(chǎn)生巨大的影響[15]。土壤有機質(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[16],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)分等關鍵因素,因此,土壤中保持相對較高的有機質(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。
在應用改進灰色關聯(lián)度法對低質(zhì)林不同改造模式改造后進行土壤肥力的綜合評價時,先用灰色關聯(lián)曲線進行分析,再求其灰色關聯(lián)度,最后得到的關聯(lián)度越高,說明改造后土壤肥力的評價越高,改造效果越好。
應用改進灰色關聯(lián)度法,通過灰色關聯(lián)圖像研究小興安嶺林區(qū)低質(zhì)林土壤肥力10個指標的變動關系。通過圖1、2、3可知:雖然有時會存在個體差異,但整體上看低質(zhì)林樣地土壤中全N、全P、全K元素質(zhì)量分數(shù)的高低直接影響到土壤中相應的速效N、速效P、速效K的質(zhì)量分數(shù),是因為他們會以離子形式直接作用于低質(zhì)林林下植被,是影響其生長的主要營養(yǎng)元素。
圖1 各樣地土壤全N與速效N的灰色關聯(lián)曲線
圖2 各樣地土壤全P與速效P的灰色關聯(lián)曲線
圖3 各樣地土壤全K與速效K的灰色關聯(lián)曲線
由圖4結(jié)合原始數(shù)據(jù)序列分析可知:在不同改造模式下對應的樣地土壤pH值變動幅度較平緩,與對照組pH值也較為接近。由圖4可知S2、H3、Z3的有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)最大。土壤密度和有機質(zhì)的變化趨勢基本相反,改造強度越是趨于中間,土壤密度越小。土壤碳通量的變化趨勢和土壤有機質(zhì)基本一致。綜合分析就會發(fā)現(xiàn),低質(zhì)林改造中土壤碳通量的隨著改造帶帶寬和的增大而升高,這是由于改造強度的加大使得枯落物的分解速度增大,同時許多活性酶活化,但是強度過大反而會使土壤碳通量降低。
圖4 各樣地土壤pH值、有機質(zhì)、土壤密度和土壤碳通量的灰色關聯(lián)曲線
小興安嶺低質(zhì)林不同帶寬橫山改造模式H1~H4,S1~S4以及對照樣地共9組作為觀測對象展開灰色關聯(lián)度分析,依據(jù)各實驗樣地土壤肥力具有的的10個指標進行評價。依據(jù)灰色理論公式得到灰色關聯(lián)度的結(jié)果見表1。對照CK的灰色關聯(lián)度為0.672。由計算結(jié)果可知,不同橫山帶寬的評價對象評價結(jié)果為 H3>H1>CK>H2>H4,不同帶寬順山皆伐帶的各評價指標評價結(jié)果為S2>S3>S1>CK>S4。
表1 帶狀改造灰色關聯(lián)度數(shù)值
不同采伐強度的評價指標的灰色關聯(lián)度的計算結(jié)果見表2。由計算結(jié)果可知,不同采伐強度的擇伐模式的評價對象評價結(jié)果為Z3>Z2>Z5>Z1>Z6>CK>Z7。
表2 不同采伐強度改造灰色關聯(lián)度數(shù)值
由于3種改造模式選擇相同的參考樣地,故可以通過比較3種改造模式后土壤肥力的綜合評價結(jié)果來判斷最好的改造效果,從而優(yōu)化出最佳的改造模式。計算出不同改造模式灰色關聯(lián)度的平均值見表3。綜合分析可得,順山帶寬改造模式最高(0.711),不同采伐強度的擇伐改造優(yōu)于橫山帶寬改造模式。
表3 不同改造模式灰色關聯(lián)度的平均值
土壤肥力是土壤生態(tài)系統(tǒng)物理、化學和生物組分之間紛雜相互作用的綜合體現(xiàn),土壤肥力的綜合評價提供了一種評價森林管理的有效方法。許多學者將模糊數(shù)學方法,灰色關聯(lián)度法、層次分析法、系統(tǒng)評價模型等一系列的方法應用到土壤肥力的綜合評價中。何文壽等[17]用灰色系統(tǒng)理論對森林土壤肥力進行綜合評價。林培松等[18]利用灰色關聯(lián)度法定量分析了韓江流域典型區(qū)域主要森林類型的土壤肥力狀況并進行了綜合評價?;疑P聯(lián)度將定性分析轉(zhuǎn)化為定量分析,適用于模糊復雜的綜合土壤肥力質(zhì)量評價系統(tǒng),但是傳統(tǒng)的灰色關聯(lián)度法仍存在著許多缺陷和不足[19],本文運用改進灰色關聯(lián)度法,通過序列曲線變化態(tài)勢的接近程度和灰色關聯(lián)度定量計算相結(jié)合的形式,運用到土壤肥力的評價中,使得計算結(jié)果更符合實際情況,得到最佳的評價效果。
通過對N、P、K、pH值及有機質(zhì)的關聯(lián)曲線進行分析,表明各個指標對土壤肥力的影響的關聯(lián)性不盡相同,土壤中的速效氮、有機質(zhì)和全磷質(zhì)量分數(shù)是低質(zhì)林土壤肥力中的主要因子。土壤中的有機質(zhì)是土壤肥力的物質(zhì)基礎,是土壤中最活躍的部分,對土壤肥力的高低產(chǎn)生著巨大的影響。磷作為植物生長的主要營養(yǎng)元素之一,影響著土壤肥力的質(zhì)量[17]。土壤中速效氮在不同的改造模式的含量有明顯的不同,因此,速效氮對不同改造模式土壤肥力的影響程度也不盡相同。
土壤肥力質(zhì)量隨著不同改造模式而表現(xiàn)出不同的差異[3,20]。不同模式改造8 m順山皆伐帶土壤肥力的灰色關聯(lián)度最高為0.784。在各不同改造模式中,8、10 m和41%土壤肥力質(zhì)量普遍高于其他改造模式,說明這3種改造模式更有利于土壤肥力的積累,能有效改善土壤肥力的質(zhì)量。主要是因為在8、10 m和41%的改造模式內(nèi)適宜的光照條件為土壤微生物創(chuàng)造了有利的生存條件,林地大量微生物的活動促進了土壤肥力的改善。綜合分析不同改造模式土壤肥力質(zhì)量的評價效果,順山帶狀皆伐模式最優(yōu),不同采伐強度的擇伐模式優(yōu)于橫山帶狀皆伐模式。
總體而言,改進灰色關聯(lián)度法分析土壤肥力效果是理想的,該方法對不同森林類型土壤肥力諸多因素的綜合優(yōu)勢作了排序,進行了系統(tǒng)的優(yōu)化分析,而且應用價值較高、可靠性較強又簡單易行,是多因素決策分析的一種簡單有效實用的方法。改進灰色關聯(lián)度法從定量和關聯(lián)曲線相結(jié)合的角度反映出低質(zhì)林不同改造模式土壤肥力的狀況,為森林經(jīng)營提供了科學依據(jù)?;疑P聯(lián)度法作為一門不確定的模糊科學,也有許多不足之處,還需要科研人員做出大量的研究。另外,本文僅對低質(zhì)林不同改造模式初期進行了研究,而低質(zhì)林改造效果還需要長期的定位觀測和分析。
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