誘導(dǎo)改造對大興安嶺低質(zhì)山楊林土壤肥力的影響1)

毛波 董希斌 唐國華

(森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點實驗室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

責任編輯:張 玉。

低質(zhì)林，是指受自然和人為干擾破壞形成的郁閉度較低、林相衰敗、出材率低且質(zhì)量差、林下土壤受嚴重侵蝕的殘次林，其生態(tài)系統(tǒng)幾乎喪失自我恢復(fù)能力，林分生態(tài)效益和經(jīng)濟價值降低［1-3］。大興安嶺經(jīng)過多年伐優(yōu)留劣、反復(fù)采伐等人為干擾和森林火災(zāi)、病蟲害等自然災(zāi)害的破壞后，原始森林急劇減少，形成了大量的低質(zhì)林［4-6］。有關(guān)低質(zhì)林改造以及土壤肥力的研究，已有很多報道［7-11］。并且國內(nèi)外學(xué)者將模糊數(shù)學(xué)方法、灰色關(guān)聯(lián)度法、層次分析法、系統(tǒng)評價模型等應(yīng)用到土壤肥力質(zhì)量綜合評價中［12-14］。但目前關(guān)于營造不同樹種誘導(dǎo)改造大興安嶺地區(qū)低質(zhì)林對土壤肥力影響的研究較少。本文以大興安嶺低質(zhì)山楊林為研究對象，探討不同樹種誘導(dǎo)改造對林地土壤肥力的影響，并利用灰色關(guān)聯(lián)法對營造不同樹種的誘導(dǎo)改造土壤肥力進行定量綜合評價。旨在為低質(zhì)山楊林的更新和培育提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為加格達奇林業(yè)局翠峰林場，位于黑龍江省大興安嶺山脈的東南坡，海拔高度為370～420 m。林中土壤主要是暗棕壤土，土壤厚度15～30 cm;地勢平緩，立地條件較好，平均坡度6°。冬季氣候干燥寒冷，年均氣溫-1.4 ℃，冬長夏短，屬于溫寒帶大陸性季風氣候;年均降水量470 mm，降水多集中于6—8月份，年蒸發(fā)量1 151.5 mm，年日照時間1 653.8 h，全年無霜期103～121 d。該區(qū)域的低質(zhì)林主要是山楊林(Populus davidiana)，下層植被灌木主要有榛子(Corylus chinensis)、胡枝子(Lespedeza bicolor)等，蓋度為15%;草本以鈴蘭(Convallaria majalis)、水莎草(Crperus serotinus Rottob)等為主，蓋度達30%;林分郁閉度為0.4。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2013年6月開始在低質(zhì)山楊林中設(shè)置研究區(qū)，進行6、8、10、14、18、20 m 帶狀改造。設(shè)置1 塊未采伐的樣地作為對照，每個對照樣地分別選取5 個樣本點。每條改造帶平均分成4 段，標記為A、B、C、D，分別栽植云杉(Picea asperata Mast)、樟子松(Mongolian scotch pine)、西伯利亞紅松(Siberian cedar)、落葉松(Larixdahurica)進行誘導(dǎo)改造，栽植苗木與相鄰保留帶留有1 m 間距，株行距為2.0 m×1.5 m。在不同誘導(dǎo)改造完成后，對低質(zhì)山楊林進行基本的管護，即每年對生態(tài)改造后的試驗林地進行科學(xué)合理的撫育，改造當年的撫育工作主要為擴穴、扶正、培土、踏實和除草，以后每年進行砍去競爭植物、割灌、松土、除草等撫育措施。

2.2 土壤肥力指標確定

研究低質(zhì)山楊林誘導(dǎo)改造后土壤肥力定量變化規(guī)律，建立合理的誘導(dǎo)改造模式調(diào)控技術(shù)以及土壤肥力質(zhì)量的發(fā)展趨勢模型，對低質(zhì)山楊林誘導(dǎo)改造的評價和應(yīng)用有著極其重要的影響［5］。土壤肥力的分析指標因子很多，宏觀上包括土壤物理指標、化學(xué)指標、生物指標［15］。選取土壤密度、毛管持水量、毛管孔隙度、pH 值、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀以及土壤速效氮、速效磷、速效鉀、碳通量12 個指標作為衡量土壤肥力的指標［16］。

2.3 土壤采集和測定

2014年6月，在樣地上，按S 型布點法各選取4個樣方，樣方平均分布在改造帶的A、B、C、D 四段中;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，每個土壤樣本為1 kg。土壤樣本在實驗室經(jīng)過自然風干處理，然后研磨過篩，分析其化學(xué)性質(zhì)。

測定方法:土壤全N，采用自動凱氏法儀器(VSKT-P 型全自動定氮儀)測定;速效N，采用擴散法測定;全P，采用酸溶銻抗比色法測定;有效P，采用氫氧化鈉浸提-鉬銻抗比色法測定;全K，采用酸溶-火焰光度法測定，儀器為火焰光度計;速效K，采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定;pH 值，采用酸度計測定;有機質(zhì)，采用油浴重鉻酸鉀氧化法測定。用容積為100 cm3環(huán)刀在每個土壤樣點取土樣，借以測量土壤的物理性質(zhì);利用LCPro-SD 便攜式智能光合儀測量碳通量;每個樣點測量10 組數(shù)據(jù)。

2.4 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)山楊林誘導(dǎo)改造后的土壤肥力進行綜合評價時，先用灰色系統(tǒng)求出灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，然后對灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)進行差異顯著性分析，利用相關(guān)系數(shù)法求各個指標的權(quán)重，再求其灰色關(guān)聯(lián)度。最后得到的關(guān)聯(lián)度越高，說明誘導(dǎo)改造后土壤肥力的評價越高，改造效果越好［17］。

3 結(jié)果與分析

3.1 誘導(dǎo)改造對土壤肥力的影響

誘導(dǎo)改造對土壤物理性質(zhì)的影響:由表1可見，低質(zhì)山楊林的誘導(dǎo)改造后，與對照樣地相比，土壤密度均有不同程度的降低，樟子松林和落葉松林變異系數(shù)均大于20%，屬于中強度變異;云杉林和西伯利亞紅松林變異系數(shù)小于20%，均屬于弱度變異。土壤密度的降低程度，從大到小依次為樟子松林(降低26.83%)、云杉林(降低23.17%)、落葉松林(降低8.54%)、西伯利亞紅松林(降低4.88%)。土壤毛管持水量、毛管孔隙度與對照樣地相比，均有不同程度的升高。

表1 誘導(dǎo)改造后土壤的物理性質(zhì)

誘導(dǎo)改造對土壤pH 值的影響:由表2可見，與照樣地相比，低質(zhì)山楊林誘導(dǎo)改造后，土壤pH 值都有升高，升高程度，從大到小依次為西伯利亞紅松林(升高7.24%)、落葉松林(升高6.72%)、云杉林(升高4.48%)、樟子松林(升高0.86%)。經(jīng)方差分析，不同誘導(dǎo)樹種土壤pH 值與對照樣地，都不存在差異性(P＞0.05)。同一誘導(dǎo)樹種不同帶寬，pH 值屬弱度變異程度，樟子松林誘導(dǎo)改造變異系數(shù)最高(為10.77%)。

誘導(dǎo)改造對土壤有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的影響:由表2可見，與對照樣地相比，低質(zhì)山楊林誘導(dǎo)后，土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)除云杉升高5.56%外，樟子松、西伯利亞紅松、落葉松均有下降，下降程度分別為17.13%、27.45%、5.66%。方差分析發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)樹種之間存在著差異性(P＜0.05);而誘導(dǎo)改造樣地與對照樣地之間，均無顯著性差異(P＞0.05)。西伯利亞紅松土壤有機質(zhì)的變異系數(shù)達到46.84%，屬于高度變異，說明同一樹種不同帶寬誘導(dǎo)改造對有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)產(chǎn)生較強的影響。

表2 誘導(dǎo)改造后土壤的pH、有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)

誘導(dǎo)改造對土壤全氮質(zhì)量分數(shù)的影響:低質(zhì)山楊林誘導(dǎo)后，同一誘導(dǎo)樹種土壤全氮質(zhì)量分數(shù)，在不同帶寬中的變異程度相差較大，最小的為樟子松(變異系數(shù)為9.90%)，屬于弱度變異;最高為西伯利亞紅松(變異系數(shù)為49.04%)，屬于高度變異(見表3)。與對照樣地相比，所有誘導(dǎo)改造后，土壤全氮質(zhì)量分數(shù)均有不同程度的升高，升高幅度，從大到小依次為落葉松林(升高94.09%)、西伯利亞紅松林(升高67.24%)、云杉林(升高50.74%)、樟子松林(升高41.87%)。方差分析發(fā)現(xiàn)，所有樹種誘導(dǎo)改造，全氮質(zhì)量分數(shù)與對照樣地相比，均有顯著差異(P＜0.05)。

誘導(dǎo)改造對土壤全磷質(zhì)量分數(shù)的影響:由表3可見，低質(zhì)山楊林誘導(dǎo)改造，土壤全磷質(zhì)量分數(shù)均小于對照樣地，降低程度，從大到小依次為云杉林(降低20.90%)、落葉松林(降低19.10%)、樟子松林(降低14.63%)、西伯利亞紅松林(降低10.15%);說明不同誘導(dǎo)樹種改造，對土壤中全磷質(zhì)量分數(shù)的影響也不盡相同。變異程度最高的為樟子松，變異系數(shù)為46.85%。方差分析發(fā)現(xiàn)，與對照樣地相比，不同樹種誘導(dǎo)改造后，土壤全磷質(zhì)量分數(shù)無顯著性差異(P＞0.05)。

誘導(dǎo)改造對土壤全鉀質(zhì)量分數(shù)的影響:由表4可見，在低質(zhì)山楊林樹種誘導(dǎo)改造后，與對照樣地相比，西伯利亞紅松林土壤全鉀質(zhì)量分數(shù)基本持平，落葉松林土壤全鉀質(zhì)量分略有下降(下降2.3%);樟子松林、云杉林誘導(dǎo)改造，土壤全鉀質(zhì)量分數(shù)分別上升35.41%、20.33%。方差分析發(fā)現(xiàn)，與對照樣地相比，不同樹種誘導(dǎo)改造后，土壤全鉀質(zhì)量分數(shù)無顯著性差異(P＞0.05)。

表3 誘導(dǎo)改造后土壤的全氮、全磷質(zhì)量分數(shù)

誘導(dǎo)改造對土壤碳通量的影響:由表4可見，在低質(zhì)山楊林樹種誘導(dǎo)改造后，土壤碳通量比對照樣地均有不同程度的升高，升高程度均大于50%，說明誘導(dǎo)改造能有效的提高土壤中的碳通量。同一樹種不同帶寬的誘導(dǎo)改造，栽植落葉松的方式變異系數(shù)最高(為44.17%)，說明落葉松誘導(dǎo)改造對土壤碳通量有強烈的影響。方差分析發(fā)現(xiàn)，不同誘導(dǎo)方式間，土壤碳通量無顯著性差異(P＞0.05)。

表4 誘導(dǎo)改造后土壤的全鉀質(zhì)量分數(shù)、碳通量

3.2 不同樹種誘導(dǎo)改造后土壤肥力的綜合評價

確定決策矩陣:決策矩陣(X)是由土壤肥力指標實測值組成的集合，m=12、n=5。

初始化決策矩陣:因為土壤肥力的12 個評價指標的量綱有所不同，會對評價結(jié)果產(chǎn)生不良影響。為了消除這種影響，對不同指標進行無量綱處理，計算出生態(tài)改造后土壤肥力的決策矩陣X'。

確定灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣:評價指標的理想對象矩陣為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。這樣可得出理想對象矩陣ST=［1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1］。

計算灰色關(guān)聯(lián)評價矩陣R。

確定土壤肥力評價指標權(quán)重:在選擇的土壤肥力指標中，不同的指標對土壤肥力的綜合評價結(jié)果的影響程度不盡相同，需要對每個指標賦予不同的權(quán)重。使用相關(guān)系數(shù)法計算出不同誘導(dǎo)改造低質(zhì)山楊林土壤肥力指標的權(quán)重，土壤密度、毛管持水量、毛管孔隙度、pH 值、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、速效磷、速效鉀、碳通量的權(quán)重，分別為0.105、0.077、0.100、0.068、0.051、0.074、0.099、0.099、0.058、0.081、0.087、0.099。

確定改造模式灰色關(guān)聯(lián)度:結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)判斷矩陣R 和權(quán)重，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)法公式計算出各樣地的灰色關(guān)聯(lián)度:云杉林、樟子松林、西伯利亞紅松林、落葉松林、對照樣地的關(guān)聯(lián)度，分別為0.703、0.828、0.611、0.684、0.557。

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，不同誘導(dǎo)改造后土壤肥力的關(guān)聯(lián)度越大，說明越接近理想的土壤肥力質(zhì)量，其誘導(dǎo)改造效果越好。由各樣地灰色關(guān)聯(lián)度可知:所有誘導(dǎo)改造后，低質(zhì)山楊林土壤肥力的灰色關(guān)聯(lián)度的區(qū)間是［0.611，0.828］，而對照樣地的灰色關(guān)聯(lián)度系數(shù)為0.557，表明各誘導(dǎo)改造后的綜合土壤肥力均有所改善。

4 結(jié)論與討論

在不同的樹種誘導(dǎo)改造中，與對照樣地相比，土壤毛管持水量、毛管孔隙度有不同程度的升高，土壤密度有一定程度的降低，經(jīng)過方差分析得出P＞0.05;表明不同樹種誘導(dǎo)改造，相同指標間無顯著性差異。這與周會萍［18］、劉美爽［7］的研究結(jié)果一致。本研究區(qū)土壤pH 值在6.0 左右，屬于弱酸性土壤。不同樹種誘導(dǎo)改造后，土壤pH 值的變異系數(shù)較小，屬于弱度變異，并且變異系數(shù)均小于土壤中有機質(zhì)、全氮質(zhì)量分數(shù)的變異系數(shù);這與Fu 等［19］研究結(jié)果相一致。西伯利亞紅松林誘導(dǎo)改造后，土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)的變異程度最強，這是受地表凋落物的分解和地下根系的周轉(zhuǎn)的影響［20］。低質(zhì)山楊林改造后，與對照樣地相比，土壤中全磷質(zhì)量分數(shù)均有一定程度的降低;西伯利亞紅松林土壤中全鉀質(zhì)量分數(shù)基本持平，落葉松林土壤中全鉀質(zhì)量分數(shù)略有下降，樟子松林、云杉林誘導(dǎo)改造土壤中全鉀質(zhì)量分數(shù)上升。所有樹種誘導(dǎo)改造后，土壤中全氮質(zhì)量分數(shù)均有上升。誘導(dǎo)改造林地，土壤全磷、全鉀質(zhì)量分數(shù)均無顯著性差異(P＞0.05)，而全氮質(zhì)量分數(shù)差異性顯著(P＜0.05)。低質(zhì)山楊林帶狀改造后，林地有充分的條件生長大量的具有固氮作用的灌木和草本，因此誘導(dǎo)改造后全氮質(zhì)量分數(shù)有一定程度的升高。磷素質(zhì)量分數(shù)主要與不同根系對磷的活化作用和磷在土壤中的存在狀態(tài)有關(guān)，磷在土壤中易形成難溶性鹽沉淀，不同根系的分泌物對活化土壤難溶性磷具有重要作用［21］。低質(zhì)山楊林樹種誘導(dǎo)改造后，土壤碳通量均有升高，且不同誘導(dǎo)樹種間土壤碳通量無顯著性差異(P＞0.05)。土壤中有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)與全氮質(zhì)量分數(shù)、碳通量具有顯著性正相關(guān)(P＜0.05)。樟子松林誘導(dǎo)改造后，土壤密度、毛管持水量、毛管孔隙度、pH 值、全鉀質(zhì)量分數(shù)、碳通量的變異系數(shù)最大，說明帶狀對樟子松誘導(dǎo)改造土壤肥力的影響顯著。通過灰色關(guān)聯(lián)法，對大興安嶺低質(zhì)山楊林在誘導(dǎo)樹種改造后的土壤肥力進行綜合分析，其關(guān)聯(lián)度從大到小的順序為樟子松林(0.828)、云杉林(0.703)、落葉松林(0.684)、西伯利亞紅松林(0.611)、對照樣地(0.557)。樟子松林誘導(dǎo)改造的灰色關(guān)聯(lián)度最高(0.828)，說明樟子松誘導(dǎo)林改造效果最佳。經(jīng)過誘導(dǎo)樹種改造后的土壤肥力的關(guān)聯(lián)度，均高于對照樣地，說明云杉、樟子松、西伯利亞紅松、落葉松的誘導(dǎo)樹種改造，對土壤肥力均有改善。

低質(zhì)山楊林誘導(dǎo)樹種改造對林地土壤肥力的影響及其綜合評價，不僅與誘導(dǎo)改造樹種有關(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。同時，本文只對低質(zhì)山楊林樹種誘導(dǎo)改造初期的土壤肥力進行了研究，而低質(zhì)山楊林的樹種誘導(dǎo)改造效果還需更加長期的定位觀測和分析。

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