基于物元模型分析人工造林對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

郭洋洋, 姚云峰, 秦富倉(cāng), 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)

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基于物元模型分析人工造林對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

郭洋洋1, 姚云峰1, 秦富倉(cāng)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(duì)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?xún)?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(yùn)用層次分析法與物元模型對(duì)1983和2013年內(nèi)的土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行養(yǎng)分分級(jí)，并進(jìn)一步描述了各土壤養(yǎng)分變化特征。[結(jié)果] 5種類(lèi)型土壤的有機(jī)質(zhì)與全氮在造林30 a后呈上升趨勢(shì)；磷與鉀呈逐漸減少趨勢(shì)。造林后，土壤養(yǎng)分等級(jí)普遍呈增加趨勢(shì)。[結(jié)論] 造林使土壤有機(jī)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(píng)價(jià)等級(jí)

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

面對(duì)中國(guó)森林資源短缺和發(fā)展不平衡的問(wèn)題，人工造林技術(shù)被提上了日程，隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)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(hù)生態(tài)環(huán)境的重要方式之一，所以，研究人工造林給整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)以及生態(tài)環(huán)境的某一部分帶來(lái)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(shí)空分布格局[1]。近些年來(lái)，很多方法被用來(lái)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(guò)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(duì)生態(tài)系統(tǒng)中土壤的影響來(lái)進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)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(jìn)行比較，得出土壤養(yǎng)分30 a的變化，同時(shí)分析人工造林對(duì)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(yàn)地點(diǎn)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(lèi)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(shí)，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(dá)3 526.7 km2，占總土地面積的42.5%，是建國(guó)初有林面積的33倍，是1978年前的4倍。成為“中國(guó)人工造林第一縣”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年時(shí)，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(cè)定方法

土樣采集于2013年按不同土壤類(lèi)型進(jìn)行的，樣地的位置與1983年土壤普查時(shí)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(jìn)行“S”型采樣。共采集混合土樣195個(gè)。樣品采集地在1983年時(shí)均為荒山荒地，現(xiàn)均為人工造林地區(qū)。主要的測(cè)定項(xiàng)目包括有機(jī)質(zhì)、全氮、全鉀、全磷。土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法；全氮測(cè)定采用凱氏法；全磷測(cè)定采用氫氧化鈉堿熔—鉬銻抗比色法；全鉀測(cè)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(guó)第二次土壤普查的土壤養(yǎng)分調(diào)查指標(biāo)及分級(jí)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(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀作為本次研究的評(píng)價(jià)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(lái)進(jìn)行層次分析，確定了土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)因子權(quán)重。有機(jī)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)　%

2.3綜合評(píng)判的物元模型

(1)“物元”定義。給定事物的名稱(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)物元。其中M，c，v為物元的3大要素，若事物M以n個(gè)特征c1,c2,…,cn和相應(yīng)的量值v1,v2,…,vn來(lái)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(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)(j=1,2,…,m)；ci——表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；x0ji——ci對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)等級(jí)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(píng)價(jià)等級(jí)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(píng)事物各指標(biāo)關(guān)于各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度的確定。

ρ(vi,x0ji)與ρ(vi,xpi)分別表示點(diǎn)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(shí)際上刻劃的是待評(píng)事物各指標(biāo)關(guān)于各評(píng)價(jià)等級(jí)j的歸屬程度,若Kj(vi)=maxKj(vi), j ∈(1,2,…,m),則評(píng)定指標(biāo)vi屬于等級(jí)j。

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

(5)

若Kj(P0)=maxKj(P0)， j∈(1,2,…,m)，則評(píng)定P0屬于等級(jí)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(píng)事物符合某級(jí)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(jí)劃分

式中：om1——有機(jī)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(lèi)型。

結(jié)合1983和2013年土壤養(yǎng)分化驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2)，運(yùn)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(cè)得的41個(gè)樣點(diǎn)土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)分別代入到公式(4)和(5)中進(jìn)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(jí)別，具體結(jié)果見(jiàn)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(píng)價(jià)等級(jí)上來(lái)看，風(fēng)沙土屬于極貧乏等級(jí)，但是從養(yǎng)分的單一指標(biāo)來(lái)看，1983年的有機(jī)質(zhì)為0.033%，2013年我們實(shí)測(cè)的土壤有機(jī)質(zhì)為0.114%，明顯高于1983年測(cè)得的土壤有機(jī)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(lèi)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(jī)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(jī)碳，提高土壤肥力。

表3　敖漢旗1983年土壤養(yǎng)分等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果

注：N01,N02,N03,N04,N05為實(shí)測(cè)土壤養(yǎng)分與全國(guó)第二次土壤普查的土壤養(yǎng)分調(diào)查指標(biāo)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)各等級(jí)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(wú)棕壤的坡上e數(shù)據(jù)。

表4　敖漢旗2013年土壤養(yǎng)分等級(jí)評(píng)價(jià)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(guò)30 a的植樹(shù)造林改造后土壤養(yǎng)分有很大的提高，土壤等級(jí)也從過(guò)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(kāi)墾等一系列人為活動(dòng)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(hù)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(jī)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(jī)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(jī)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(duì)土壤養(yǎng)分評(píng)級(jí)的對(duì)比中也顯示出南坡坡中由原來(lái)的適量變?yōu)樨毞?，而東坡坡中還維持原來(lái)的貧乏狀態(tài)，這可能與造林樹(shù)種的選擇不合理、人為活動(dòng)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(duì)養(yǎng)分評(píng)級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，東坡的坡中和坡麓以及北坡的坡中維持原來(lái)的土壤養(yǎng)分狀態(tài)，養(yǎng)分等級(jí)未發(fā)生改變，南坡和西坡的坡中地帶土壤等級(jí)下降，其余樣地土壤養(yǎng)分等級(jí)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(duì)敖漢旗林下土壤養(yǎng)分與30 a前未造林時(shí)養(yǎng)分進(jìn)行比較分析，并利用物元模型對(duì)養(yǎng)分等級(jí)進(jìn)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(shí)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(lèi)型上廣泛分布著人工林，本文針對(duì)5種類(lèi)型土壤的養(yǎng)分指標(biāo)分別進(jìn)行了測(cè)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(jí)總體表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。但其中東坡和南坡的坡麓樣地土壤等級(jí)下降，由原來(lái)的適量和貧乏轉(zhuǎn)變?yōu)闃O貧乏等級(jí)，南坡坡上和西坡坡麓維持原來(lái)的等級(jí)未變，其他樣地土壤等級(jí)均上升。從土壤各個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)來(lái)看，東坡和南坡的坡麓地帶有機(jī)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(duì)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(shì)。但是林木的死亡根系和枯落物對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充遠(yuǎn)大于草本或灌木，這是導(dǎo)致有機(jī)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(lèi)型，主要樹(shù)種為油松和山杏。在經(jīng)過(guò)30 a的造林改造后，棕壤土壤養(yǎng)分等級(jí)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(jí)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(jí)下降。其他樣地的土壤等級(jí)均上升，整體土壤養(yǎng)分等級(jí)也高于其他土壤類(lèi)型。從各個(gè)養(yǎng)分因子來(lái)看，棕壤有機(jī)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(duì)土壤表層有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充，一些樣地的有機(jī)質(zhì)含量有大幅度的上升，比如東坡坡麓樣地的土壤有機(jī)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(jī)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(jī)質(zhì)在造林30 a后普遍呈上升趨勢(shì)，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(duì)地表土壤有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充增多，所以有機(jī)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(jī)質(zhì)碎片，該成分被認(rèn)為是土壤長(zhǎng)期碳貯量的重要組成部分。

氮在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中是必不可少的元素，應(yīng)隨著植物的生長(zhǎng)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(shù)種的林分結(jié)構(gòu)合理，能夠更好的維持土壤肥力，丁揚(yáng)等[14]在針對(duì)蘇北楊樹(shù)人工林的生物量和碳儲(chǔ)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(duì)植物的光合作用具有促進(jìn)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(shí)也能促進(jìn)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(jī)理還需要進(jìn)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(jìn)行養(yǎng)分分級(jí),更直接的描述了造林對(duì)土壤改良的作用。從5種類(lèi)型土壤的養(yǎng)分變化可知，人工造林使土壤有機(jī)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(duì)于人工林對(duì)土壤中磷和鉀的影響機(jī)理應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2016)03-0321-08

中圖分類(lèi)號(hào)：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(xiàng)目：內(nèi)蒙古應(yīng)用研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“農(nóng)林牧耦合生態(tài)系統(tǒng)固碳關(guān)鍵技術(shù)”(2010732); 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)“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?yàn)樗帘３峙c荒漠化防治。E-mail:yangyang1845@163.com。