間伐強(qiáng)度對土地肥力影響的模糊綜合評判

王 杰，顧鳳歧

(東北林業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引言

土壤作為自然界重要組成部分，對大自然有著調(diào)節(jié)作用，包括水循環(huán)[1]和養(yǎng)分循環(huán)等作用，促進(jìn)作物生長，是社會生產(chǎn)勞動資料，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本生產(chǎn)資料，是一切生產(chǎn)和一切進(jìn)步的源泉。隨著人口數(shù)量的增加和生態(tài)環(huán)境的惡化，保護(hù)土地肥力問題早已引起國內(nèi)和國際學(xué)者的重視[2]，針對不同類型的土地單元制定合理的保護(hù)和改善措施，使土地資源可持續(xù)利用在學(xué)術(shù)領(lǐng)域中一直是熱點問題，因此土地肥力的定量測定必不可少，管惠文等[3]利用層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)法和熵權(quán)法對大興安嶺天然次生林各間伐強(qiáng)度的樣地土壤肥力進(jìn)行評價，并揭示了不同間伐強(qiáng)度土地肥力變化規(guī)律。唐國華等[4]以大興安嶺闊葉混交低質(zhì)林為研究對象，采用主成分分析法建立補(bǔ)植改造后土壤肥力指標(biāo)的評價體系。張鼎華等[5]研究了杉木(Cunninghamialanceolata) 、馬尾松(Pinusmassoniana)、建柏(Fokieniahodginsii)、柳杉(Cryptomeriafortunei)和木荷(Schimasuperba)人工林的撫育間伐對林分土壤肥力的影響，結(jié)果表明，間伐后林下植被生物多樣性的提高誘發(fā)了土壤微生物多樣性和數(shù)量的提高，由此增強(qiáng)了土壤的生物活性，加速土壤養(yǎng)分循環(huán)。唐麗靜[6]基于元素地球化學(xué)特征，采用綜合指數(shù)法對研究區(qū)土地肥力狀況進(jìn)行了評價。戎建濤等[7]為了解不同間伐強(qiáng)度對柳杉人工林林地的影響，分析了弱度間伐、中度間伐和強(qiáng)度間伐后土地理化性質(zhì)的變化，得出中度間伐對柳杉林土壤干擾影響較小，有利于改善土壤肥力和含水量。

本文以黑龍江省大興安嶺林區(qū)新林林場落葉松天然次生林為研究對象，研究不同間伐強(qiáng)度處理5 a后落葉松林土地肥力的變化特征，土地采用模糊綜合評判分析模型對土地肥力進(jìn)行測定和計算，實驗結(jié)果證明該方法合理有效，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)拈g伐強(qiáng)度有利于保護(hù)土地肥力，對于保護(hù)土壤和合理利用土地資源提供合理化建議，具有學(xué)術(shù)價值。

1 試驗區(qū)概述

大興安嶺位于黑龍江省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，地理位置處于東經(jīng)119°30′～127°,北緯46°26′～53°34′，是內(nèi)蒙古高原與松遼平原的分水嶺，北起黑龍江畔，南至西拉木倫河上游谷地；全長1 200 km，寬200～300 km，平均海拔600 m左右；大興安嶺為多年凍土帶，處多年凍土帶南部；冬長夏短，冬寒夏暖，晝夜溫差較大，年平均氣溫-2.8 ℃，最低溫度-52.3 ℃，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，每年的6—8月，日照時間長達(dá)17 h。目前大興安嶺木材材質(zhì)下降[8]，土地退化，生物多樣性下降，并伴有逆生長態(tài)勢，對生物圈的可調(diào)節(jié)作用造成嚴(yán)重影響，其中土壤肥力下降嚴(yán)重是一個很重要的原因，因此需要對土壤性質(zhì)進(jìn)行大量研究，通過以上研究及時調(diào)整營林措施，加快森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

天然落葉松林試驗區(qū)設(shè)置在新林林場106林班1小班，作業(yè)面積約80 hm2，位于道路兩旁，坡度2°左右，坡向為西北方向；土壤為暗棕壤，厚度約16 cm。林分類型為天然次生林，主要樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)，有少許樟子松(Pinussylvestris)、紅皮云杉(Piceakoraiensis)、白樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(Quercusmongolica)和山楊(Populusdavidiana)等。平均林齡50 a，平均胸徑15 cm，平均樹高13.5 m，林分郁閉度0.65。具體試驗區(qū)概況見表1。

表1 天然林試驗區(qū)植被構(gòu)成Tab.1 Vegetation composition in natural forest test area

在天然落葉松林實驗區(qū)內(nèi)，共設(shè)計了31種不同間伐強(qiáng)度的試驗樣地，每塊樣地的面積相等均為1 hm2,即為100 m×100 m,在2007年進(jìn)行過撫育間伐作業(yè)，樣地分別為S0(0%)、S1(49.63%)、S2(43.45%)、S3(3.42%)、S4(16.75%)、S5(36.11%)、S6(40.01%)、S7(42.01%)、S8(25.48%)、S9(44.03%)、S10(38.73%)、S11(32.76%)、S12(58.54%)、S13(47.87%)、S14(13.74%)、S15(56.51%)、S16(50.62%)、S17(54.37%)、S18(53.09%)、S19(20.86%)、S20(11.27%)、S21(23.34%)、S22(34.38%)、S23(30.01%)、S24(6.23%)、S25(67.25%)、S26(27.85%)、S27(9.43%)、S28(59.92%)、S29(19%)、S30(51.48%)。

平均林分密度(株/hm2)分別為：ρ0=956，ρ1=447，ρ2=492，ρ3=925，ρ4=779，ρ5=609，ρ6=527，ρ7=507，ρ8=701，ρ9=485，ρ10=581，ρ11=641，ρ12=348，ρ13=464，ρ14=813，ρ15=371，ρ16=437，ρ17=396，ρ18=411，ρ19=734，ρ20=841，ρ21=726，ρ22=626，ρ23=666，ρ24=893，ρ25=241，ρ26=678，ρ27=860，ρ28=333，ρ29=752，ρ30= 429。

2.2 數(shù)據(jù)收集與整理

論文數(shù)據(jù)參考2016年黑龍江省大興安嶺統(tǒng)計年鑒、土地利用現(xiàn)狀調(diào)查、土壤資源調(diào)查報告，調(diào)查小組還進(jìn)行現(xiàn)場實地考察分析和采樣調(diào)查。使該研究更具有真實性、準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

2.3 樣品采集

在大興安嶺試驗區(qū)內(nèi)，穿過主要土壤類型和地質(zhì)單元，同時選擇東西南北4個方向布設(shè)樣點，采樣時清理地表表層未分解的有機(jī)物和雜草[9]，在31個樣地分別選取東西南北4個方向面積同為1 hm2的樣方，每個樣方由該點周圍50 m范圍內(nèi)的20個采樣點的土壤樣品組成，樣點全部取土壤剖面為0～10 cm，充分混合后用四分法取樣，取重帶回實驗室，鮮土在實驗室做自然風(fēng)干處理，然后去除雜質(zhì)并研磨過篩，用于分析土壤肥力。

2.4 土壤肥力評價方法

土壤肥力是大興安嶺林木的生長基礎(chǔ)，土壤肥力也是土壤各方面綜合性能的體現(xiàn)，土壤肥力的高低直接影響著大興安嶺林木生長情況，保護(hù)土地肥力并對土地資源實現(xiàn)最優(yōu)利用，科學(xué)并合理地評價土壤肥力成為重要話題，通過土地肥力評價可以掌握當(dāng)前狀態(tài)下土地健康發(fā)展趨勢并制定緩解和防御惡化措施。定性評價和定量評價是國內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)行土地健康評價時普遍運用的方法，定性評價方法基于有關(guān)專家學(xué)者的經(jīng)驗，不需繁雜的計算和方法支撐，主觀性比較大，應(yīng)用較少。定量評價方法首先建立合理的土地健康指標(biāo)評價體系，并結(jié)合相關(guān)分析、判別分析、加權(quán)綜合法、聚類分析、內(nèi)梅羅指數(shù)法和主成分分析法等數(shù)學(xué)方法,從多個維度對土壤肥力做出綜合評價，得到土地肥力狀況分級結(jié)果，在土壤肥力評價時，選取真實性、合理性和科學(xué)性的評價指標(biāo)，本實驗對試驗區(qū)內(nèi)的31個樣地，選取有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、水解氮、有效磷和速效鉀7個有代表性的評價指標(biāo)，以此劃分土地肥力等級，指標(biāo)的測定方法見表2,測定后得到的數(shù)據(jù)見表3。

表2 天然林土壤元素含量的測定方法Tab.2 Determination method of soil element content in natural forest

3 模糊綜合評價方法分析

模糊數(shù)學(xué)評價方法是在模糊的環(huán)境中，綜合考慮影響評價結(jié)果的多種因素[10]，基于某種目的對評價對象做出綜合判斷和決策[11]。

3.1 模糊綜合評判模型方法和步驟

(1)確定評價因素集，本研究U包括有機(jī)質(zhì)質(zhì)量、全氮、全磷、全鉀、水解氮、有效磷和速效鉀7個因素xi，即U={x1,x2,···,x7}。

(2)建立評判矩陣[12]，模糊關(guān)系矩陣用rij表示。

(3)確定評價指標(biāo)權(quán)重值：各因素的重要程度不同，為了反映各個因素的重要程度，對各個因素xi應(yīng)該賦予一定的權(quán)數(shù)ωi，利用測度貼近度計算出相關(guān)矩陣[2]即

再利用Ax=λx求出相關(guān)矩陣的特征值λi根據(jù)[13]：

表3 天然林土壤元素含量

求出權(quán)重集ω={ω1，ω2,···,ω7}。最后根據(jù)[14]

3.2 測度貼近度定義及權(quán)重

對表3數(shù)據(jù)利用Matlab編程求解，得到相關(guān)矩陣m為：

3.3 確定相關(guān)矩陣特征根和特征根權(quán)重

表4 相關(guān)陣的特征值和特征向量Tab.4 Eigenvalues and eigenvectors of the correlation matrix

求出權(quán)重向量ω=(0.022 9，0.030 3，0.046 2，0.108 8，0.141 4，0.145 6，0.504 8)。

通過計算結(jié)果可看出速效鉀的權(quán)數(shù)最高，說明速效鉀在很大比重上影響土地肥力。

3.4 確定評判矩陣

把表3數(shù)據(jù)進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化，即：

4 結(jié)果和分析

由表5可得評價值由高到低的排序依次為:

S6(40.01%)、S5(36.11%)、S7(42.01%)、S11(32.76%)、S13(47.87%)、S8(25.48%)、S22(34.38%)、S10(38.73%)、S2(43.45%)、S9(44.03%)、S21(23.34%)、S20(11.27%)、S4(16.75%)、S17(54.73%)、S26(27.85%)、S3(3.42%)、S24(6.23%)、S27(9.43%)、S12(58.54%)、S30(51.48%)、S29(19%)、S23(30.01%)、S19(20.86%)、S14(13.74%)、S28(59.92%)、S18(53.09%)、S16(50.62%)、S1(49.63%)、S0(0%)、S25(67.25%)、S15(56.51%)。說明間伐強(qiáng)度40.01%的S6改造模式最適合保護(hù)土地，同樣的間伐強(qiáng)度為56.51%的S15樣地改造模式是最不適合保護(hù)土壤肥力，S0(0%)樣地的評價值排序為第28位，說明適當(dāng)?shù)拈g伐強(qiáng)度有利于保護(hù)土地肥力，同時可確定間伐強(qiáng)度范圍在[34.2%，53.09%]閉區(qū)間內(nèi)樣地的土地肥力優(yōu)于對照樣地0%;由圖1可知隨著土地間伐強(qiáng)度的增大，評價值呈倒V字形，也就是先增大再減小，所以可以得到樣地間伐強(qiáng)度范圍為36.11%～42.01%，有利于保護(hù)土地肥力。

圖1 大興安嶺樣地評價得分折線圖Fig.1 Daxing’an Mountains plot evaluation score line chart

表5 大興安嶺樣地得分評分排序

5 結(jié)論與討論

土壤是維持動物、植物和微生物生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，土壤肥力的下降不僅降低了土壤對污染物的降解，土地甚至沙化、貧痔化，給人類帶來的損失將是不可預(yù)估的， 考慮到土地修復(fù)期長和資源的不可逆性，合理地利用和保護(hù)土地資源就顯得尤為重要。

(1)本文利用模糊貼近度的方法求出各指標(biāo)權(quán)重，權(quán)重結(jié)果為：ω有機(jī)質(zhì)質(zhì)量=0.022 9、ω全氮=0.030 3、ω全磷=0.046 2、ω全鉀=0.108 8、ω水解氮=0.141 4、ω有效磷=0.145 6、ω速效鉀=0.504 8。通過計算結(jié)果可以看出速效鉀的權(quán)重最高，說明它是植物生長發(fā)育的保證，容易被植物吸收利用，因此速效鉀可作為評判土壤肥力的重要指標(biāo)。

(2)通過以上研究方法可以明確地給出31塊樣地土壤肥力的評分由大到小排序： S6(40.01%)、S5(36.11%)、S7(42.01%)、S11(32.76%)、S13(47.87%)、S8(25.48%)、S22(34.38%)、S10(38.73%)、S2(43.45%)、S9(44.03%)、S21(23.34%)、S20(11.27%)、S4(16.75%)、S17(54.73%)、S26(27.85%)、S3(3.42%)、S24(6.23%)、S27(9.43%)、S12(58.54%)、S30(51.48%)、S29(19%)、S23(30.01%)、S19(20.86%)、S14(13.74%)、S28(59.92%)、S18(53.09%)、S16(50.62%)、S1(49.63%)、S0(0%)、S25(67.25%)、S15(56.51%)。能夠明顯地看出S6樣地改造方式優(yōu)于其他30個樣地的改造方式，可以得出結(jié)論：間伐強(qiáng)度范圍為36.11%～42.01%的土地改造最利于保護(hù)土壤肥力。以上應(yīng)用模糊綜合評判對大興安嶺林區(qū)新林林場31塊不同間伐強(qiáng)度土地土壤肥力做出綜合評價[16]，權(quán)重向量的計算方法改進(jìn)，利用模糊貼近度求出，結(jié)果顯示該方法可行。

近年來，大興安嶺新林林場的植物生長狀況不容樂觀，木材質(zhì)量下降嚴(yán)重，因此土壤肥力問題不容忽視，要把土壤肥力問題作為首要的和基礎(chǔ)的問題。