林區(qū)土壤養(yǎng)分的模糊綜合評(píng)價(jià)

榮艷芳

(青海省海東市樂(lè)都區(qū)林業(yè)局,青海 海東 810700)

過(guò)度采伐對(duì)森林資源和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞，合理的采伐對(duì)資源可持續(xù)發(fā)展以及土壤養(yǎng)分的固定有積極效果，因此，了解不同采伐強(qiáng)度對(duì)用材林土壤養(yǎng)分的影響，確定合理的采伐強(qiáng)度能夠促進(jìn)森林發(fā)展。本文以某林區(qū)的用材林為研究對(duì)象，從不同采伐強(qiáng)度探討土壤養(yǎng)分的等級(jí)，為同等用材林的合理采伐、土壤改良及科學(xué)的經(jīng)營(yíng)提供依據(jù)和參考。

對(duì)于林區(qū)土壤肥力的評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)很多的研究方法，在國(guó)內(nèi)普遍采用的方法有主成分分析法，灰色關(guān)聯(lián)法，聚類(lèi)分析法等[1，2]。

近年來(lái)，許多研究者將多元統(tǒng)計(jì)、模糊數(shù)學(xué)等方法引入到林區(qū)土壤肥力評(píng)價(jià)中，有效避免評(píng)價(jià)者的主觀性，通過(guò)對(duì)大量數(shù)據(jù)信息的處理，得到反映林區(qū)土壤養(yǎng)分等級(jí)的綜合指標(biāo)[4]。針對(duì)多目標(biāo)的模糊概念，利用模糊模式識(shí)別進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，能夠得到科學(xué)有效的評(píng)價(jià)結(jié)果。林區(qū)土壤養(yǎng)分的高低本身就是一個(gè)模糊的概念,因?yàn)榉饰峙c貧瘠的林區(qū)土壤養(yǎng)分之間并不存在明顯的界限,因此,本文采用基于模糊模式識(shí)別法對(duì)某一用材林土壤養(yǎng)分進(jìn)行評(píng)價(jià)是可行的。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)值的對(duì)比排序可以確定最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

1 試驗(yàn)樣地?cái)?shù)據(jù)

選取20個(gè)試驗(yàn)樣地，每個(gè)樣地為20 m×20 m，每個(gè)樣地的采伐強(qiáng)度不同，其坐標(biāo)位置也不相同。詳見(jiàn)表1。

2 確定林區(qū)土壤養(yǎng)分的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

首先，確定評(píng)價(jià)事務(wù)的評(píng)價(jià)因素論域U=(u1u2…un)，即確定林區(qū)土壤養(yǎng)分的評(píng)價(jià)指標(biāo)U=(有機(jī)質(zhì)，全氮，全磷，全鉀，水解氮，有效磷，速效鉀)

其次，確定林區(qū)土壤養(yǎng)分的等級(jí)論域V=(v1v2…vm)，V=(一級(jí)，二級(jí)，三級(jí)，四級(jí)，五級(jí)，六級(jí))，可得到由n個(gè)養(yǎng)分指標(biāo)m個(gè)級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)值構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)特征值矩陣S。

S=(spq)n×m

其中,spq表示第p項(xiàng)養(yǎng)分指標(biāo)的第q個(gè)級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)特征值。

本研究的土壤養(yǎng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參考全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。

表2 全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 確定模糊關(guān)系矩陣

在U和V均確定后，各樣本土壤養(yǎng)分因子與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的模糊關(guān)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)分指標(biāo)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以被評(píng)為第j種土壤養(yǎng)分等級(jí)的可能性，即i對(duì)j的隸屬度。

模糊關(guān)系矩陣R的建立主要是計(jì)算隸屬度rij(i=1，2，…n;j= 1，2，…m)的過(guò)程 ，而rij可通過(guò)隸屬函數(shù)來(lái)確定。根據(jù)專(zhuān)家介紹和以往研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、水解氮、全磷、有效磷、全鉀和速效鉀這7項(xiàng)影響因子與土壤養(yǎng)分成S形曲線關(guān)系，即在一定范圍內(nèi)這些因素?cái)?shù)值的變化與土壤養(yǎng)分成正相關(guān)，而低于或超過(guò)這一范圍，其數(shù)值變化對(duì)土壤養(yǎng)分的影響就變得很小[4]。實(shí)際應(yīng)用中常采用直線段來(lái)模擬，為了便于計(jì)算，文中用折線型分段函數(shù)模擬 S 型隸屬函數(shù)。

對(duì)于第一級(jí)土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即j=1，其隸屬函數(shù)為：

對(duì)于第二級(jí)到第五級(jí)土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即j=2～5，其隸屬函數(shù)為：

對(duì)于第六級(jí)土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即j=6,其隸屬函數(shù)為：

根據(jù)公式(1)～公式(3)，可以求出不同采伐強(qiáng)度20個(gè)樣地(表1)的模糊判斷矩陣：

……

4 計(jì)算多指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣

已知模糊關(guān)系矩陣R和由層次分析法確定權(quán)重W(0.168 1，0.111 9，0.137 2，0.108 2，0.123 2，0.198 3，0.153 1)后，對(duì)于n種土壤養(yǎng)分因子，可得到其多指標(biāo)模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B。

B=W°R

其中，常用的模糊算子“°”有①主因素決定型，其結(jié)果是由主因素確定綜合最優(yōu)的情況，其他因素在一定范圍內(nèi)變化時(shí)對(duì)結(jié)果影響不大，這種方法運(yùn)算主要應(yīng)用于結(jié)果不易分辨的情況；②主因素突出性；③加權(quán)平均型，其應(yīng)用于評(píng)價(jià)中對(duì)所有因素均要以權(quán)重均衡考慮的情況。

對(duì)于本文來(lái)說(shuō)，因?yàn)橥寥鲤B(yǎng)分因子權(quán)重接近，運(yùn)用加權(quán)平均型計(jì)算比較合適，綜合考慮各個(gè)指標(biāo)對(duì)土壤養(yǎng)分的影響。

B=W·R=(b1,b2,…bm)

(4)

根據(jù)公式(4)，利用MATLAB軟件[5]計(jì)算可得到各個(gè)樣地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B，見(jiàn)表3。

表3 不同樣地模糊矩陣

5 計(jì)算綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

本文采取將綜合評(píng)價(jià)結(jié)果純量化的形式，轉(zhuǎn)換為綜合評(píng)價(jià)值。

F=B·N

(5)

其中，N為土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)向量。

F值越小，說(shuō)明此樣地的土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等級(jí)越高，土壤養(yǎng)分越好。

由表2可知，N=(1,2,3,4,5,6)，所以，根據(jù)公式(5)可以計(jì)算出20個(gè)樣地土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的綜合評(píng)價(jià)值F。見(jiàn)表4。

表4 土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)綜合評(píng)價(jià)值

6 結(jié)論

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)法得到土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的綜合指數(shù)，可以看出，20號(hào)樣地(19%采伐強(qiáng)度)、5號(hào)樣地(20.86%采伐強(qiáng)度)F值較小，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等級(jí)較高，土壤養(yǎng)分較好。其次，16號(hào)樣地(25.48%采伐強(qiáng)度)和1號(hào)對(duì)照樣地土壤養(yǎng)分等級(jí)在20塊樣地中也偏高，土壤養(yǎng)分較好。而13號(hào)樣地(53.09%采伐強(qiáng)度)、17號(hào)樣地(67.25%采伐強(qiáng)度)F值較大，土壤養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)等級(jí)較低，土壤養(yǎng)分差。

總體而言，各采伐樣地土壤養(yǎng)分等級(jí)都處于第二等級(jí)到第四等級(jí)之間，在合理的采伐強(qiáng)度范圍內(nèi)土壤養(yǎng)分相比于對(duì)照樣地要好，但當(dāng)采伐強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，土壤養(yǎng)分流失嚴(yán)重，等級(jí)偏低。