大興安嶺白樺低質(zhì)林改造后土壤肥力的綜合評價1)

毛 波 董希斌 宋啟亮 白永清

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040) (大興安嶺韓家園林業(yè)局)

隨著科學(xué)技術(shù)的進步、經(jīng)濟的發(fā)展，以生產(chǎn)木材為中心的傳統(tǒng)林業(yè)將逐漸被具有多種資源、多種功能的現(xiàn)代林業(yè)所代替，以實現(xiàn)在維持生態(tài)平衡的前提下獲取森林增產(chǎn)物質(zhì)以滿足人類的需求［1］。近些年來，由于自然的或非自然的因素，大興安嶺林區(qū)林分系統(tǒng)功能呈逆向發(fā)展趨勢，導(dǎo)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(fù)能力的低質(zhì)林［2］。低質(zhì)林對自然災(zāi)害抵抗力弱，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，林地生產(chǎn)潛力不能充分發(fā)揮的問題已經(jīng)被國內(nèi)外許多學(xué)者所關(guān)注［3－4］。林地土壤肥力變化的研究，是當(dāng)前國內(nèi)土壤學(xué)領(lǐng)域的前沿課題［5］，從國內(nèi)外已有該方面的文獻來看，大多數(shù)學(xué)者專家研究了低質(zhì)人工林土壤理化性質(zhì)和土壤肥力，但是目前對大興安嶺天然低質(zhì)林林地土壤肥力進行定時、定位連續(xù)觀測以及不同的經(jīng)營措施對低質(zhì)林土壤肥力的影響的研究甚少，不能夠形成一個完整的系統(tǒng)體系。本文全面、系統(tǒng)地開展了低質(zhì)林土壤肥力變化的研究，從分析森林土壤養(yǎng)分、土壤碳通量以及土壤的物理性質(zhì)對森林土壤肥力的影響入手，深入系統(tǒng)地研究了低質(zhì)林林地土壤肥力變化規(guī)律，探討低質(zhì)林土壤肥力維持和提高森林經(jīng)營水平以及最適宜的改造模式。在土壤肥力的綜合評價中指標(biāo)因子較多，然而這些指標(biāo)因子對林地土壤肥力的定量綜合總價的影響程度不盡相同，雖然可以用回歸分析來確定各評價指標(biāo)因子的重要性，但是當(dāng)被分析的樣本量較少，數(shù)據(jù)又無典型的概率分布時，回歸很難獲得滿意的結(jié)果［6－8］。經(jīng)過大量的分析比較篩選出灰色關(guān)聯(lián)度法，此方法在評價土壤肥力的過程中對各個指標(biāo)因子的數(shù)量和數(shù)據(jù)的規(guī)律性沒有特別嚴(yán)格的要求［9－10］。利用灰色關(guān)聯(lián)方法是在采用傳統(tǒng)權(quán)重賦值和主觀確定最優(yōu)參考序列后，再把待評數(shù)據(jù)與參考序列比較，利用灰色關(guān)聯(lián)度法可以直接根據(jù)各個指標(biāo)因子定量數(shù)據(jù)，直接得出土壤肥力的綜合評價結(jié)果［11－12］。這使得評價結(jié)果表現(xiàn)為連續(xù)的模糊相似度，當(dāng)然也可以根據(jù)需要進行人為分級。

本文以大興安嶺天然白樺低質(zhì)林為研究對象，探討不同生態(tài)改造模式對林地土壤肥力的影響，并利用灰色關(guān)聯(lián)法對各試驗區(qū)樣地的土壤肥力進行定量綜合評價，旨在為白樺低質(zhì)林今后的更新和培育提供參考依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況及樣地設(shè)置

試驗區(qū)設(shè)在黑龍江省大興安嶺地區(qū)的加格達奇林業(yè)局翠峰林場174 林班。上層主要是白樺(Betula platyphylla Suk)，下木層主要植物為毛赤楊(Alnus cremastogyne)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、蒼術(shù)(Atractylodes lancea)，地被植物主要為水莎草(Cyperus glomeratus L)、鳶尾(Ⅰris tectorum)、野豌豆(Vicia sepium Linn)、舞鶴草(Maianthemum dilatatum(Linn.)F.W.Schmidt)。

在2009年春，對白樺低質(zhì)林試驗區(qū)進行林窗和帶狀誘導(dǎo)改造。林窗改造試驗區(qū)共3 組，6 個試驗區(qū)的面積分別為:5 m×5 m(G1)、10 m×10 m(G2)、15 m×15 m(G3)、20 m×20 m(G4)、25 m×25 m(G5)、30 m×30 m(G6)，林窗沿橫坡方向排列［9］。帶狀改造為順山皆伐改造，順山帶狀改造模式設(shè)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300 m，帶寬共設(shè)置4 種，分別為6 m(S1)、10 m(S2)、14 m(S3)、18 m(S4)［13］。林窗對照樣地在未采伐的林地內(nèi)設(shè)置3 塊30 m×30 m，每個對照樣地分別選取5 個樣本點。

2 土壤肥力指標(biāo)測定與評價方法

2.1 土壤肥力指標(biāo)的收集與測定

于2013年6月在不同生態(tài)模式改造樣地和對照樣地上，按“S”型布點法各選取4 個樣方，每個樣方選擇5 個土壤取樣點，每個樣地均取0 ～10 cm 的土壤，然后按四分法混合取樣，共取220 個土壤樣本，每個土壤樣本為1 kg。土壤樣本在實驗室經(jīng)過自然風(fēng)干處理，然后研磨過篩，分析其化學(xué)性質(zhì)。用容積為100 cm3環(huán)刀在每個土壤樣點取環(huán)刀樣本，借以測量土壤的物理性質(zhì)。土壤碳通量采用LI—8150 測量，30 min 為一個循環(huán)周期，時間為24 h。

在土壤的化學(xué)元素測定時，針對不同的化學(xué)元素有不同的測定方法，具體為:①土壤全N 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，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 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用擴散法(LY/T 1231—1999);③全P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用酸溶銻抗比色法(LY/T 1232—1999);④有效P質(zhì)量分?jǐn)?shù)，氫氧化鈉浸提－鉬銻抗比色法(LY/T 1233—1999);⑤全K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)，酸溶—火焰光度法(LY/T 1234—1999)，儀器為火焰光度計;⑥速效K質(zhì)量分?jǐn)?shù)，乙酸銨浸提—火焰光度法(LY/T 1236—1999);⑦pH 值，采用酸度計測定(LY/T 1239—1999);⑧土壤有機質(zhì)采用油浴重鉻酸鉀(K2CrO4)氧化法(LY/T 1237—1999)。

本文所用研究數(shù)據(jù)均用SPSS19.0、Excel 和Matlab7.0 軟件進行數(shù)據(jù)錄入和統(tǒng)計。

2.2 土壤肥力的評價指標(biāo)

研究天然白樺低質(zhì)林不同生態(tài)改造模式后土壤肥力定量變化規(guī)律，對低質(zhì)林生態(tài)改造模式的評價和應(yīng)用有著極其重要的影響。土壤肥力的分析指標(biāo)因子很多，宏觀上包括土壤物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物指標(biāo)［14－17］。本文采用土壤密度、土壤pH 值、有機質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀、速效鉀、土壤碳通量10 個指標(biāo)［18］。在土壤肥力的影響指標(biāo)中磷元素的存在形態(tài)有很多種，并且各個形態(tài)之間可以隨著時間的轉(zhuǎn)移相互轉(zhuǎn)化。雖然A1、Fe、Mn 和Ca 等元素含量是決定與它們結(jié)合的磷素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的主要因子，但在土壤磷素轉(zhuǎn)化中，最關(guān)鍵的因子還是土壤pH 值?？傮w而言，無論是酸性土壤還是石灰性土壤，有效磷是最能反映土壤對森林供給水平的一個綜合指標(biāo)，無論在不同的土壤反應(yīng)以及土壤顆粒的構(gòu)成還是在總磷的轉(zhuǎn)化、有機質(zhì)的形成過程中都發(fā)揮著極大地作用，這些就決定了速效磷在土壤評價過程中選取的必要性［19］。

2.3 土壤肥力的綜合評價方法

在應(yīng)用灰色關(guān)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，先用變異系數(shù)法求各個指標(biāo)的權(quán)重，再求其灰色關(guān)聯(lián)度，最后得到的關(guān)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。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤肥力的傳統(tǒng)定量評價

不同生態(tài)改造模式下天然白樺低質(zhì)林地土壤肥力各指標(biāo)實測值見表1。

表1 樣地土壤肥力指標(biāo)因子的實測值

從表1可以看出低質(zhì)林不同改造過程中土壤的有機質(zhì)、全磷和速效鉀的評價指標(biāo)和對照樣地相比均有不同程度的升高。

圖1、圖2、圖3分別為不同誘導(dǎo)改造后白樺低質(zhì)林速效N、P、K，全N、P、K 和土壤密度與土壤碳通量的傳統(tǒng)定量評價變化曲線，由此可以看出不同誘導(dǎo)改造后的土壤肥力指標(biāo)呈現(xiàn)一定的變化趨勢。

圖1 不同模式改造后白樺低質(zhì)林全N、P、K 的傳統(tǒng)定量評價變化曲線

試驗樣地呈現(xiàn)弱酸性，不同的誘導(dǎo)改造后土壤的pH 值都在6.0 上下浮動，變化不大。采用傳統(tǒng)的方法對土壤肥力進行定量綜合評價，難以判斷土壤肥力的評價指標(biāo)是否呈現(xiàn)特殊的規(guī)律性，也難以篩選出最優(yōu)的低質(zhì)白樺林的生態(tài)改造模式方式，更難為森林可持續(xù)經(jīng)營提供理論基礎(chǔ)以達到最佳的經(jīng)營效果。

圖2 不同模式改造后白樺低質(zhì)林速效N、P、K 的傳統(tǒng)定量評價變化曲線

圖3 不同模式改造后白樺低質(zhì)林土壤密度、土壤碳通量的傳統(tǒng)定量評價變化曲線

3.2 土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)綜合評價

3.2.1 確定決策矩陣

決策矩陣是由n 個樣地的m 個評價指標(biāo)實測值組成的集合，在中m=10，n=11，由表1可得到?jīng)Q策矩陣X。

3.2.2 初始化決策矩陣

對決策矩陣進行初始化處理，因為土壤肥力的10 個評價指標(biāo)的量綱有所不同，會對評價結(jié)果產(chǎn)生不良影響，為了消除這種影響，對不同指標(biāo)進行無量綱處理，由于本研究中的指標(biāo)均為效益型指標(biāo)，因此采用公式(1)對決策矩陣進行初始化處理。

其中:xij和x'ij分別表示第j 個試驗樣地的第i 種土壤肥力指標(biāo)因子的實測值和無量綱值;xi0表示xij在第i 種土壤肥力指標(biāo)峰值。計算出不同生態(tài)改造模下天然白樺低質(zhì)林地土壤肥力的決策矩陣X'。

3.2.3 確定灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣

評價指標(biāo)的理想對象矩陣S 為:

S={Si}m×1(i=1，2，…，m)。

式中:Si為初始化后的決策矩陣X'中第i 行的最大值。這樣就可以很容易的得出理想對象矩陣S 為:

ST=［1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1］。

利用公式(2)計算出土壤肥力各個指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)rij。

土壤肥力指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)rij構(gòu)成灰色關(guān)聯(lián)評價矩陣R。

3.2.4 確定土壤肥力評價指標(biāo)權(quán)重

在所選擇的土壤肥力指標(biāo)中，不同的指標(biāo)對土壤肥力的綜合評價結(jié)果的影響程度不盡相同，這就需要對每個指標(biāo)賦予不同的權(quán)重。土壤肥力指標(biāo)的變異系數(shù)計算方法見公式(3)。

其中:vi表示不同改造模式下低質(zhì)白樺林第i 種土壤肥力指標(biāo)的變異系數(shù);σi表示不同改造模式下低質(zhì)白樺林第i 種土壤肥力指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差;ˉxi表示不同改造模式下低質(zhì)白樺林第i 種土壤肥力指標(biāo)的平均值。

不同生態(tài)改造模式低質(zhì)白樺林的土壤肥力指標(biāo)的權(quán)重計算見公式(4)。

按公式(3)和(4)計算出不同生態(tài)改造模式下低質(zhì)白樺林土壤肥力指標(biāo)的權(quán)重矩陣W。

3.2.5 確定改造模式灰色關(guān)聯(lián)評度

結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣R 和權(quán)重矩陣W，根據(jù)公式(5)計算出各樣地指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度bj。

計算出各個改造模式的灰色關(guān)聯(lián)度，見表2。

表2 不同改造模式灰色關(guān)聯(lián)度

在灰色關(guān)聯(lián)評價中，理想對象S 是整個評價系統(tǒng)中最高的，不同生態(tài)改造模式后土壤肥力的關(guān)聯(lián)度越大，說明越接近理想的土壤肥力質(zhì)量，其生態(tài)改造模式也就越好。由表2可知:所有生態(tài)改造模式后低質(zhì)白樺林土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)度的區(qū)間是［0.538，0.849］，而對照樣地CK 的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.518，表明各生態(tài)改造模式改造后的土壤肥力均優(yōu)于對照樣地CK。在各林窗改造模式的樣地中G4(20 m×20 m)的灰色關(guān)聯(lián)度最高為0.849，最接近理想對象，在所有的帶狀生態(tài)改造模式中S3(14 m)的灰色關(guān)聯(lián)度最高為0.722。在所有的生態(tài)改造模式中，G4(20 m×20 m)的灰色關(guān)聯(lián)度最高，說明林窗改造模式對土壤肥力的積累優(yōu)于其他改造模式。

4 結(jié)論與討論

林地的土壤肥力是構(gòu)成林地土壤質(zhì)量的一個極其重要的組成部分，包括林地土壤物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)。研究林地土壤肥力，有助于發(fā)展高效和環(huán)境友好型的林地經(jīng)營管理技術(shù)，借以實現(xiàn)森林資源的永續(xù)利用。土壤肥力的綜合評價方法有很多，許多專家學(xué)者將模糊數(shù)學(xué)、系統(tǒng)評價模型和層次分析法分別應(yīng)用到不同類型的土壤肥力評價中。何文壽等［19］用灰色系統(tǒng)理論對森林土壤肥力進行綜合評價。蔡麗平等［20］對水土流失治理模式恢復(fù)效果進行灰色關(guān)聯(lián)分析得出喬灌草混交模式、經(jīng)濟林+封育模式的改良土壤肥力作用顯著。

通過灰色關(guān)聯(lián)法對大興安嶺低質(zhì)白樺林在不同生態(tài)改造模式后的土壤肥力進行綜合分析，其關(guān)聯(lián)度從大到小的順序是G4(0.849)、G5(0.844)、S3(0.733)、G3(0.691)、G6(0.649)、S4(0.609)、G2(0.601)、S1(0.572)、S2(0.566)、G1(0.538)、CK(0.518)。從土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)度可知，不管是帶狀誘導(dǎo)改造模式還是林窗誘導(dǎo)改造模式中，隨著生態(tài)改造強度的增加，土壤肥力的綜合評價都是先升高后降低，這是因為誘導(dǎo)改造強度越強，陽光也就越充足，改造模式中的微氣候越適宜采伐剩余物的分解，從而使誘導(dǎo)改造模式的土壤肥力的綜合評價越高，然而誘導(dǎo)改造模式強度過強，森林郁閉度就會驟降，出現(xiàn)水土流失，土壤肥力綜合質(zhì)量就會下降。土壤肥力綜合評價的各個指標(biāo)的權(quán)重都不盡相同，對各自的指標(biāo)賦予不同的權(quán)重，有利于提高土壤肥力綜合評價的進度。結(jié)合大興安嶺白樺低質(zhì)林改造后的實測數(shù)據(jù)，利用變異系數(shù)法求取土壤肥力綜合評價的各個指標(biāo)的權(quán)重，得出的評價指標(biāo)的權(quán)重。有機質(zhì)的權(quán)重0.158 高于其余的評價指標(biāo)。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，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(guān)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。土壤碳通量的權(quán)重為0.146 僅低于有機質(zhì)和土壤容重，土壤碳通量是用來衡量土壤微生物的總量和土壤活性的必要指標(biāo)。林地土壤中微生物地球上生物化學(xué)的循環(huán)過程和有機質(zhì)的轉(zhuǎn)換都起到極其重要的作用。土壤微生物還對地表生態(tài)系統(tǒng)，對植物的健康，土壤的結(jié)構(gòu)，土壤的肥力產(chǎn)生重要的影響，故土壤碳通量的值不僅體現(xiàn)土壤中有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化和氧化能力，兼而有之的是能預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力與對應(yīng)氣候的變化的參數(shù)之一。白樺低質(zhì)林不同生態(tài)模式改造后土壤肥力的綜合評價不僅與經(jīng)營模式有關(guān)，還與光照、經(jīng)濟和社會等因素密不可分，形成了現(xiàn)有的林地土壤肥力和現(xiàn)實生產(chǎn)力，這方面還有待研究。

［1］ 侯元兆.當(dāng)前中國林業(yè)發(fā)展若干問題的思考［J］.林業(yè)經(jīng)濟，2002(3):11－13.

［2］ 張泱，宋啟亮，董希斌，等.小興安嶺林區(qū)低質(zhì)林改造效果評價［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，37(12):35－36.

［3］ McKechnie J，MacLean H L.Implications of emissions timing on the cost-effectiveness of greenhouse gas mitigation strategies:application to forest bioenergy systems［J］.GCB Bioenergy，2013，5(1):105－109.

［4］ 宋啟亮，董希斌，李勇，等.采伐干擾和火燒對大興安嶺森林土壤化學(xué)性質(zhì)的影響［J］.森林工程，2010，26(5):4－7.

［5］ Chen G，Cai L，Chen H，et al.Analysis and evaluation of soil fertility status based on weighted k-means clustering algorithm［C］//Computer and Computing Technologies in Agriculture VII.Heidelberg:Springer Berlin，2014:89－97.

［6］ Gwandu T，Mtambanengwe F，Mapfumo P，et al.Factors influencing access to integrated soil fertility management information and knowledge and its uptake among smallholder farmers in zimbabwe［J］.The Journal of Agricultural Education and Extension，2014，20(1):79－93.

［7］ 楊曉娟，王海燕，劉玲，等.吉林省東部低山丘陵區(qū)4 種林分類型林地的土壤肥力分析［J］.水土保持通報，2013，33(4):142－148.

［8］ 毛波，董希斌.大興安嶺低質(zhì)林不同改造模式土壤肥力的綜合評價［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，41(12):35－38.

［9］ 曾翔亮，董希斌，高明.不同誘導(dǎo)改造后大興安嶺蒙古櫟低質(zhì)林土壤養(yǎng)分的灰色關(guān)聯(lián)評價［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，41(7):48－52.

［10］ 劉博，肖長來，田浩然，等.灰色關(guān)聯(lián)和層次分析法在地下水質(zhì)評價中的應(yīng)用:以吉林市為例［J］.節(jié)水灌溉，2013(1):26－29.

［11］ 陳東華.廈門城市森林林相改造樹種選擇與評價［J］.福建林學(xué)院學(xué)報，2013，33(3):279－283.

［12］ 周海濤.基于灰色關(guān)聯(lián)模型的創(chuàng)新集群識別評價研究［J］.暨南學(xué)報:哲學(xué)社會科學(xué)版，2013，35(7):25－32.

［13］ 張泱，宋啟亮，董希斌.帶狀皆伐改造對小興安嶺低質(zhì)林土壤養(yǎng)分的影響［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，41(6):33－37.

［14］ 劉占鋒，傅伯杰，劉國華，等.土壤質(zhì)量與土壤質(zhì)量指標(biāo)及其評價［J］.生態(tài)學(xué)報，2013，26(3):901－913.

［15］ 許仙菊，馬洪波，陳杰，等.基于養(yǎng)分豐缺診斷和主成分分析相結(jié)合的桑園土壤肥力評價［J］.土壤，2013，45(3):470－476.

［16］ Karlen D L，Rosek M J，Gardner J C，et al.Conservation reserve program effects on soil quality indicators［J］.Journal of Soil and Water Conservation，1999，54(1):439－444.

［17］ 紀(jì)浩，董希斌.大興安嶺低質(zhì)林改造后土壤肥力綜合評價［J］.林業(yè)科學(xué)，2012，48(11):117－123.

［18］ Karhu K，Auffret M，Dungait J，et al.Adaptation of soil microbial activity will accelerate the climate change induced release of C from the world’s soils［J］.AGU Fall Meeting Abstracts，2013，90(1):87－93.

［19］ 何文壽，畢紅.應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析對銀南灌區(qū)土壤肥力的綜合評價［J］.寧夏農(nóng)林科技，1997(2):9－12.

［20］ 蔡麗平，劉明新，侯曉龍，等.長汀強度水土流失區(qū)不同治理模式恢復(fù)效果的灰色關(guān)聯(lián)分析［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2014，30(1):85－92.